原標題：液氫：開啟能源新紀元的“超級燃料”

文/李新 詹月辰，特約撰稿人，中國石化報

日前，我國首個1噸級別混動傾轉翼eVTOL（電動垂直起降無人機）搭載液態(tài)氫能燃料電池的飛行驗證順利完成。此次飛行驗證是全球首架噸級氫能混動傾轉翼eVTOL試飛，也是大型風冷燃料電池系統(tǒng)在大型飛機上的首次實證案例，同時還是我國首架以液氫作為燃料的大型eVTOL應用。

據(jù)研究，氫氣的熱值是常見燃料中最高的，為142千焦/克，大約是石油的3倍、煤炭的4.5倍。這意味著如果消耗相同質量的燃料，氫氣所提供的能量最高，是現(xiàn)有化石燃料的理想替代品。液氫在未來eVTOL市場競爭中具有很大優(yōu)勢。

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備需要經歷四大嚴苛步驟

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場跨越250攝氏度溫差的精密工程。氫氣成功液化后需將其儲存在專門設計的多層絕熱真空容器中

液氫，是氫氣在極低溫度下液化的產物。常態(tài)氫氣密度極低，為0.0899千克/立方米，直接儲存和運輸效率低。通過低溫液化至零下252.78攝氏度后，液氫密度躍升至70.85千克/立方米（大約為水的1/14），其能量密度卻是鋰電池的120倍。這種“輕如鴻毛、力若千鈞”的特性，使其既能推動百噸火箭掙脫地心引力，又能驅動汽車實現(xiàn)零污染長續(xù)航。

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場跨越250攝氏度溫差的精密工程，需要經歷四大嚴苛步驟。

氣體收集與凈化。氫氣的來源多種多樣，常見的制氫方法包括電解水、蒸汽重整、生物質氣化和煤氣化等。電解水是利用電能將水分解為氫氣和氧氣，這種方法制得的氫氣純度高，但能耗較大；蒸汽重整則是利用高溫蒸汽將天然氣中的甲烷轉化為氫氣和二氧化碳，成本相對較低，是目前工業(yè)上主要的制氫方法之一；生物質氣化和煤氣化分別通過熱解或氣化生物質、煤來生產氫氣，這些方法可以充分利用廢棄物和煤炭資源，具有一定的環(huán)保和經濟價值。在收集到氫氣后，還需要對其進行凈化處理，以去除其中的雜質，如水分、一氧化碳、二氧化碳等，確保氫氣的純度符合后續(xù)液化的要求。

多級壓縮。為減少液化過程能耗，氫氣需進行分階段壓縮。在一些大型的液氫生產裝置中，氫氣會先被壓縮為20~30兆帕，再進入后續(xù)的冷卻環(huán)節(jié)。壓縮本身并不能使氫氣液化，卻是整個液化過程中不可或缺的一步，為后續(xù)的冷卻和液化奠定了基礎。

深度冷卻與液化。液化的核心在于構建逐級降溫的“低溫階梯”：冷卻到低溫是液體制取的關鍵步驟，需要專門的冷卻設備和復雜的制冷技術來實現(xiàn)這一目標。在實際操作中，通常會采用壓縮機和熱交換器來逐步降低氫氣的溫度。首先，利用液氮等冷媒對氫氣進行預冷，將其溫度降為約80開爾文溫度（熱力學溫度），接著，通過膨脹機進一步冷卻至30開爾文溫度，最后，通過節(jié)流閥膨脹冷卻至20開爾文溫度并實現(xiàn)冷凝液化，最終完成氣液相變。

低溫儲存。氫氣成功液化后需將其儲存在專門設計的多層絕熱真空容器中。這些儲罐不僅要能夠保持氫氣所需的低溫環(huán)境，防止其蒸發(fā)，而且要具備良好的密封性，防止氫氣泄漏。低溫儲罐通常采用高真空的絕熱容器，雙層壁之間除了保持真空，還會放置薄鋁箔來防止輻射，以最大限度地減少熱量的傳遞。

液氫成為連接當下與未來能源轉型的核心紐帶，在多個領域都有廣泛的應用前景

液氫的多重特性決定了其前途不可估量，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

液氫具有低密度高能量的特性。這使得液氫在一些對能量需求較高的領域，如航空航天、交通運輸?shù)阮I域，具有巨大的優(yōu)勢。

液氫具有超低溫的特性。液氫的臨界值是零下252.78攝氏度，這種超低溫特性為液氫在一些特殊領域的應用提供了可能，如在超導技術中，液氫可以作為冷卻劑，為超導材料提供所需的低溫環(huán)境，使其展現(xiàn)出超導性能。

液氫具有零碳燃燒的特性。液氫與氧氣反應僅生成水，無二氧化碳、硫化物或顆粒物排放。在全球對環(huán)境保護日益重視的今天，液氫作為一種清潔能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诜植际侥茉聪到y(tǒng)中，液氫可以與燃料電池結合，為家庭、商業(yè)建筑等提供電力和熱能，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。

液氫不僅是宇宙中最簡單、最豐富的元素（占宇宙物質總量的75%），更憑借其高能量密度與零碳排放特性，成為連接當下與未來能源轉型的核心紐帶，在多個領域都有廣泛的應用前景。

在航天領域，液氫作為高能低溫燃料，與液氧配對時能產生高比沖，是運載火箭的重要燃料之一。自1967年“土星五號”火箭搭載J-2液氫發(fā)動機實現(xiàn)登月，液氫便成為航天工業(yè)的“血液”。我國長征五號火箭的YF-77氫氧發(fā)動機，液氫占比達90%，單臺推力70噸，助力天問一號登陸火星，推動我國航天事業(yè)不斷邁向新的高度。

在交通領域，液氫作為一種清潔能源，正逐漸展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力，尤其是在氫燃料電池汽車中的應用，為解決傳統(tǒng)燃油汽車帶來的環(huán)境污染和能源短缺問題提供了新的思路。在氫燃料電池汽車中，液氫被用作燃料，通過電化學反應產生電能，為車輛提供動力。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，液氫驅動的氫燃料電池汽車具有諸多優(yōu)勢。液氫的能量密度高，能夠為車輛提供更長的續(xù)航里程。例如，豐田的Mirai氫燃料電池汽車，一次加滿液氫，續(xù)航里程可在650公里以上，能滿足大多數(shù)消費者的日常出行和長途旅行需求。

在工業(yè)領域，液氫同樣發(fā)揮著不可或缺的重要作用，廣泛應用于電子、半導體、冶金、鋼鐵等工業(yè)。

在電子工業(yè)和半導體制造中，液氫主要用作保護氣和還原劑。在半導體芯片的制造過程中，需要使用高純度的氫氣來保護硅片表面，防止其被氧化和污染。

在冶金工業(yè)中，液氫的應用為實現(xiàn)綠色冶金提供了新的途徑。在傳統(tǒng)的冶金過程中，通常使用煤炭或焦炭作為還原劑，這會產生大量的二氧化碳等溫室氣體排放。使用液氫作為還原劑可顯著減少碳排放，實現(xiàn)近零排放的綠色冶金。

在鋼鐵生產中，氫氣可以替代傳統(tǒng)的焦炭與鐵礦石發(fā)生反應，將鐵從礦石中還原出來。這種氫氣直接還原鐵（DRI）的工藝不僅能減少二氧化碳排放，而且能提高鋼鐵的質量和生產效率。使用液氫還可以降低冶金過程中的能耗，提高能源利用效率。由于液氫的能量密度高，在反應過程中能提供更多的能量，使得冶金反應更加充分和高效。

液氫產業(yè)迎來快速發(fā)展的黃金期

2030年，全球液氫市場規(guī)模預計達到120億美元，復合年增長率約為14%。這一增長趨勢反映了液氫在能源領域的重要性日益凸顯，以及各國對其發(fā)展的高度重視

近年來，隨著全球對清潔能源的需求不斷增長及氫能源技術的逐漸進步，液氫產業(yè)迎來快速發(fā)展的黃金期。

截至2022年底，全球液氫市場規(guī)模達到40億美元，預計到2030年將達到120億美元，復合年增長率約為14%。這一增長趨勢反映了液氫在能源領域的重要性日益凸顯，以及各國對其發(fā)展的高度重視。

美國是全球最大的液氫生產國，液氫產能326噸/日（占全球67%），廣泛應用于航天、電子、化工、冶金等領域，在交通領域也得到了一定程度的應用。在亞洲，日本的液氫技術發(fā)展迅速，在儲存、運輸和應用等方面取得了多項突破，建成全球首個液氫進口碼頭（神戶），日本積極開展液氫的國際合作，進行了從澳大利亞到日本神戶之間約9000千米液化氫運輸試驗，探索了液氫的長距離運輸和大規(guī)模應用。

我國的液氫技術起步相對較晚，1956年，中科院物理所低溫實驗室第一次制得液氫，這是我國液態(tài)儲氫技術的重要起步。1960年，中科院物理所又完成了第一套小型氫液化裝置試驗，此后較長的一段時間里，由于我國液氫產能較低且成本過高，主要集中應用于航空領域，民用領域基本處于空白狀態(tài)。

近年來，隨著我國對清潔能源的大力支持和氫能產業(yè)的快速發(fā)展，液氫技術取得了顯著突破，液氫產業(yè)進入了快速發(fā)展階段。

在技術研發(fā)方面：2021年，航天科技集團六院101所研制的我國首套氫液化系統(tǒng)調試成功；2021年，我國首座液氫油電綜合供能服務站浙江石油虹光（櫻花）液氫油電綜合供能服務站竣工，為氫燃料電池汽車的推廣提供了基礎設施支持；2024年，中科院理化所研制的國內首套5噸/日級大型氫液化系統(tǒng)在北京滿負荷測試調試成功。

我國液氫產業(yè)在發(fā)展過程中充分發(fā)揮了政策支持和市場需求驅動的優(yōu)勢。國家出臺了一系列政策鼓勵液氫產業(yè)的發(fā)展，如《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃》等，為液氫技術研發(fā)、產業(yè)布局和市場推廣提供了政策保障；2022年《氫能中長期規(guī)劃》明確“液氫民用化”路徑，成都試點液氫儲運，佛山建設“氫能世界”產業(yè)園，支持液氫項目的建設和發(fā)展，促進液氫產業(yè)鏈的完善，為液氫產業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場空間。

從航天器尾焰的璀璨到城市公路的靜謐，液氫正將人類對清潔能源的想象變?yōu)楝F(xiàn)實。液氫作為一種清潔能源，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α１M管橫亙在前的有技術高山和成本鴻溝，但每一次透平機的轟鳴、每一座加氫站的落成，都在為這場能源革命注入動力。相信在不久的將來，液氫將在全球能源格局中占據(jù)重要地位，為人類創(chuàng)造一個更加清潔、美好的未來。

液氫發(fā)展概述

一、早期探索與技術奠基（19世紀中后期~20世紀初）

1.氣體液化理論萌芽

1845年，英國科學家邁克爾·法拉第通過醚和固態(tài)二氧化碳實現(xiàn)氣體液化，將溫度降至零下78.5攝氏度。1895年，德國卡爾·馮·林德教授研究成功一次節(jié)流循環(huán)液化空氣的方法，采用節(jié)流膨脹和逆流換熱，稱為林德循環(huán)。林德循環(huán)利用氣體在節(jié)流膨脹過程中溫度降低的現(xiàn)象（焦耳-湯姆遜效應），通過多次循環(huán)逐步降低氣體溫度，最終實現(xiàn)氣體液化。

2.液氫首次制備成功

1908年，蘇格蘭科學家詹姆斯·杜瓦首次實現(xiàn)氫氣液化。他利用改進的節(jié)流制冷技術獲得了約20毫升液氫。杜瓦瓶（真空保溫容器）為低溫存儲提供了重要技術支持，在科學研究、工業(yè)生產、醫(yī)療領域和日常生活中有著廣泛應用。

3.液化循環(huán)理論突破

1902年，法國科學家喬治·克勞德提出了一種基于逆布雷頓循環(huán)的液化方法。后人基于此，提出活塞式膨脹引擎液化循環(huán)為克勞德循環(huán)，進一步提高低溫氣體液化效率。

二、工業(yè)化與航天應用（20世紀中后期）

1.液氫燃料的航天里程碑

1957年，液氫首次被用作火箭燃料；1970年美國“阿波羅”登月計劃采用液氫推進劑。1964年，我國首次以液氫和液氧為推進劑，成功完成火箭氫氧發(fā)動機地面試車。

2.我國液氫技術實現(xiàn)自主突破

1956年，中國科學院應用物理研究所研制出國內首臺氫液化器，首次實現(xiàn)液氫生產，產率達10升/小時，后提升至14升/小時。

三、現(xiàn)代發(fā)展與技術創(chuàng)新（21世紀至今）

2021年9月，我國首套噸級氫液化系統(tǒng)研發(fā)成功，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產，縮小了與國外技術的差距。

2024年3月，我國重型車輛液氫儲供技術實現(xiàn)突破，解決了燃料電池卡車動力性能與續(xù)航難題。

液氫技術在氫能產業(yè)鏈中具有重要作用，主要體現(xiàn)在高效儲存、低成本運輸和多樣化應用三個方面。液氫技術通過將氫氣冷卻至極低溫度（零下253攝氏度）使其液化，顯著提高了氫氣的能量密度，解決了氣態(tài)氫在儲存和運輸中的許多難題。盡管液氫技術面臨能耗高、低溫要求嚴格和安全性等挑戰(zhàn)，但通過技術創(chuàng)新和產業(yè)鏈協(xié)同，液氫技術有望成為推動氫能大規(guī)模商業(yè)化應用的關鍵支撐技術。未來，隨著液氫技術不斷進步，氫能產業(yè)鏈將更加完善，為實現(xiàn)碳中和目標提供重要助力。

液氫商業(yè)化生產亟須解決三個問題

文/況開鋒 江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司總工程師、中國石化氫能產業(yè)鏈建設專家咨詢委員會委員

問：我國液氫產業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸和商業(yè)化應用的難點有哪些？

答：液氫經濟發(fā)展的關鍵是支持它完整的基礎設施，民用液氫方面在國外已有大量應用實例，并取得了良好的社會和經濟效應。我國在液氫裝備發(fā)展上起步較晚，裝備性能、大規(guī)模工程化等和國外仍有差距。液氫產業(yè)相關配套措施不健全、相關標準規(guī)范缺乏、試驗及檢驗檢測平臺空缺等因素限制了產品發(fā)展、使用及進步。

在液氫商業(yè)化生產過程中，亟須解決的問題主要有三個方面。

閥門附件等零部件方面。液氫閥門、安全附件型式試驗平臺及計量儀表檢測平臺資源匱乏，測試周期與產品實際投運的商業(yè)用戶需求在很大程度上不匹配等，極大制約了液氫閥門、安全閥及計量儀表的產品技術提升和產業(yè)化推廣；車載液氫氣瓶受液口和加氫機加注口規(guī)范化不足影響，產品接口形式有差異，非標準化的產品會造成產品后期市場化應用的局限性。

儲運容器產品方面。液氫儲運容器產品性能檢測的專項技術標準缺少，檢測技術標準缺失造成產品檢測方法和過程沒有可依據(jù)的標準技術條款；目前我國還未有相關車載液氫的標準，在車載液氫氣瓶設計壓力的選取、充裝系數(shù)的計算、限充裝置具體形式、內膽焊縫無損檢測要求、絕熱材料選型、型式試驗內容及要求等方面都存在不確定性，給液氫氣瓶的設計開發(fā)帶來困難。

產業(yè)鏈安全管理方面。液氫儲、運、加、用環(huán)節(jié)的產品性能驗證試驗機構尚處于空白，亟須建設專業(yè)化的平臺；液氫產品上下游標準體系需要進一步完善、監(jiān)管部門需要進一步明確；車載液氫瓶加注時的液氫氣化放散風險較高，規(guī)避放散風險的液氫零排放加注技術、提高車載液氫瓶的設計壓力、加氫站獲得過冷液氫所需的液氫泵等技術標準和產品尚處于空白，還需通過試驗研發(fā)和工程實踐進一步明確。

問： 要實現(xiàn)液氫儲運產品在民品行業(yè)應用中的真正商業(yè)化，需要做些什么？

答：需要多角度系統(tǒng)性地解決上述問題。

首先，政府和行業(yè)協(xié)會應加快建立我國液氫儲運裝備產品生產、檢驗測試和液氫安全管理等相關的行業(yè)標準，第三方檢測機構要加快液氫介質試驗檢測設施的建設，借鑒國際經驗，逐步完善從設計、制造到應用的標準體系，為行業(yè)發(fā)展提供政策支持。

其次，國內相關企業(yè)應加大研發(fā)投入力度，尤其是在計量、儀表、液氫閥門等方面，加快推進技術創(chuàng)新，突破現(xiàn)有技術瓶頸。

此外，政府與企業(yè)應聯(lián)合推動液氫資源的民用轉化，擴大液氫供應渠道，并建設更多專業(yè)化液氫測試平臺，以滿足多樣化測試需求。