氫能應用過程中，儲氫對于氫能利用至關重要。目前主流的儲氫技術以氣態(tài)儲氫為主，但由于氣態(tài)儲氫存在儲量小、耗能高、已泄露等劣勢。儲氫技術目前急待解決的關鍵問題是提高儲氫密度、儲氫安全性和降低儲氫成本。而液氫密度為70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度的850倍左右，儲運安全方便、運輸成本更低，被認為是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模儲存和運輸?shù)挠行緩健?/p>

低溫液態(tài)儲氫的定義

低溫液態(tài)儲氫是指將氫氣經過壓縮后，深冷到約-253°C以下，使之變?yōu)橐簹洌缓蟠鎯Φ教刂频慕^熱真空容器中。液氫最早用于航天航空領域，因為液氫燃料在航天領域是一種難得的高能推進劑燃料。氫的能量密度高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可降低2/3。

液氫存儲示意圖

低溫液態(tài)儲氫的優(yōu)勢

液化氫大大提高了氫的密度和儲存運輸效率，液氫密度可達到70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度(0.089g/L)的850倍，是80MPa復合高壓下氣態(tài)儲氫密度(33kg/m3)的大約2.2倍。

液氫還能大大提高氫氣的純度，在液態(tài)溫度下，氫中的大部分有害雜質被去除凈化，從而可得到純度>99.9999%的超純氫氣，即可滿足下游氫燃料電池的應用要求標準。

與此同時，由于氫氣的液化臨界溫度極低(-253°C)、沸點低(20.3K)、潛熱低、易蒸發(fā)，與常溫環(huán)境溫差極大，這就對液氫儲存容器的隔溫絕熱性要求很高。對于大規(guī)模、遠距離的氫能儲運，低溫液態(tài)儲氫運氫有較大優(yōu)勢。

低溫液態(tài)儲氫的缺點

低溫液態(tài)儲氫與其他儲氫技術相比除了有一定優(yōu)勢外，還有一些缺點不容忽視。

1. 制備成本高

制備1kg液氫需要耗費12~17kWh的電量。

2. 存儲難度大

液氫的沸點極低（20.37K），與環(huán)境溫差極大，對容器的絕熱要求很高，且液化過程耗能極大。

3. 運輸過程中的損失

在儲運過程中部分液氫會不可避免的出現(xiàn)汽化蒸發(fā)，導致其蒸發(fā)有多種影響因素，包括氫的正-仲轉化、漏熱、熱分層、晃動以及閃蒸等。

4. 絕熱技術要求高

為了保證低溫、高壓條件，不僅對儲罐材質有要求，而且需要有配套的嚴格的絕熱方案與冷卻設備。

5. 儲罐容積較小

低溫液態(tài)儲氫的儲罐容積一般較小，氫氣質量密度為10%左右。

6. 商業(yè)化進程緩慢

我國當前液氫產能較低，氫液化產業(yè)規(guī)模較小，下游市場需求也不夠旺盛，多種因素的疊加造成了低溫液態(tài)儲氫商業(yè)化進程緩慢。

低溫液態(tài)儲氫產業(yè)鏈

液氫產業(yè)鏈主要包括氫液化、液氫儲運和液氫加注環(huán)節(jié)。

氫液化：目前大型的液氫工廠普遍采用液氮預冷型Claude系統(tǒng)，液化流程中主要用到壓縮機、換熱器、低溫透平膨脹機、正-仲氫轉換器以及節(jié)流閥等設備。

液氫儲運：低溫液氫的存儲技術關鍵在于液氫儲罐，根據(jù)其使用形式可分為固定式和移動式，大型的固定式儲罐一般都采用球型，中小型的液氫儲罐普遍采用立式或臥式的圓柱形。移動式液氫儲罐廠采用臥式圓柱。國產化方面，目前我國已經完全具備了生產液氫貯罐的能力。

液氫加注：液氫泵是提高能效、降低成本并適用于液氫產業(yè)市場化和大規(guī)模應用的關鍵核心設備。

低溫液態(tài)儲氫的成本分析

低溫液態(tài)儲氫的成本主要包括制備成本、運輸成本以及儲存過程中的能耗成本等。以下是具體的分析：

制備成本

制備1kg液氫需要耗費12~17kWh的電量3。此外，為了長時間保持低溫狀態(tài)，還需要使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐、嚴格的絕熱方案與冷卻設備，這些都會增加額外的成本。

運輸成本

液氫的運輸成本受多種因素影響，包括運輸方式、運輸距離等。例如，液氫槽罐車的容量大約為65m3，每次可凈運輸約4000kg氫氣，儲重比一般可超過0.1：1。相比之下，高壓容器儲氫成本較低。

儲存過程中的能耗成本

為了保持液氫的低溫狀態(tài)，需要不斷進行冷卻，這將導致能耗增加，從而提高儲存成本。此外，液氫在儲運過程中部分液氫會不可避免的出現(xiàn)汽化蒸發(fā)，導致其蒸發(fā)有多種影響因素，包括氫的正-仲轉化、漏熱、熱分層、晃動以及閃蒸等。液氫儲罐的絕熱效果直接影響液氫在儲運過程的損耗率。

液氫產業(yè)發(fā)展核心在于規(guī)模效應，當規(guī)模擴大時，氫液化的能耗和單位成本將顯著降低，液氫達到足夠的規(guī)模后將更具經濟性。據(jù)報道，液化規(guī)模為5噸/天及以下時，氫液化的綜合能耗將超過15kWh/kg·H2；當液化規(guī)模達到10-30噸/天時，氫液化的綜合能耗約為9-14kWh/kg·H2；當液化規(guī)模擴大至150噸/天，氫液化能耗可降低至6kWh/kg·H2。

中國和世界液氫存儲現(xiàn)狀

在國內，液氫曾經主要應用于航天和軍事領域，隨著氫能在國內的發(fā)展在2016年呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，液氫的使用逐漸向民用市場擴展。國內外已經有投入使用的液氫儲罐。目前使用中最大的液氫儲罐位于美國NASA，容積為3200立方米，可存儲227噸的液氫。據(jù)悉新的4700立方米的球狀儲罐的建設于2019年啟動，并且預計于2022年投入運行。

各國液態(tài)儲氫規(guī)模和計劃

中科院理化所研究院謝秀娟博士曾在演講中表示：國內已經開發(fā)完成300m3移動式和固定式液氫貯罐，并成功應用于航天發(fā)射場，正在研制大型液氫球罐和民用液氫槽車。預計到2035年，國內將出現(xiàn)高壓氣氫儲運、液氫儲運和管道儲運等多種氫氣儲運形勢并存的局面。

來源：中科院理化所謝秀娟演講PPT

目前，全球液氫產能達到485t/d。美國（共計18套裝置，總產能為326t/d）和加拿大（共計5套裝置，總產能81t/d）的液氫產能占據(jù)了全球液氫總產能的80%以上。我國具備液氫生產能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服務于航天火箭發(fā)射領域。

在民用液氫領域，由101所承建的國內首座民用市場液氫工廠（產能為0.5t/d）和研發(fā)的具有自主知識產權基于氦膨脹制冷循環(huán)的國產噸級氫液化工廠（產能為2t/d）已分別于2020年4月和2021年9月成功施工，將我國的液氫產能提升至6t/d。但距離發(fā)達國家的液氫產能規(guī)模，仍有較大差距。

綜上所述，隨著全球對可再生能源和低碳技術的重視，低溫液態(tài)儲氫作為一種高效的能源儲存和運輸方式，其發(fā)展前景廣闊。特別是在海上運輸方面，液氫的高儲運密度和適合長距離運輸?shù)奶攸c，使其成為解決可再生能源地理分布不均的有效手段。未來，通過技術創(chuàng)新和成本降低，低溫液態(tài)儲氫有望成為氫能產業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)。

素材來源：中科院物理所等網絡資料整合