氢液化原理

• 液氢生产方法主要有四种液化循环：节流液化循环（Linde- Hampson系统）、带膨胀机的氢液化循环（Claude系统）、氦制冷氢液化循环和磁制冷液化循环。

 • 目前世界上运行的大型液化装置多数采用带膨胀机的氢液化循环 （Claude系统），小型液化装置多数采用氦制冷液化循环和节流液化循环。

 • 氢液化原理：常压常温的氢气经压缩机压缩，并经换热器降温后实现等温压缩，然后再经液氮预冷并经换热器E1降温后成为两部分气体：1）一部分气体连续经过换热器E2和换热器E3降温并通过节流阀等焓膨胀降温，部分氢气转变为液体从储液罐排除，未液化的部 分气体经过换热器E3再次进入热力循环；2）另一部分在膨胀机中等熵膨胀降温与换热器中E3复热氢气汇合进入热力循环。

• 膨胀机膨胀制冷不仅效果好，膨胀机输出的能量还可以补充系统消耗的能量，所以带膨胀机的液化循环单位能耗较低。带膨胀机的液化循环系统的工作压力为3~4MPa，远低于节流液化循环的工作压力，使系统更安全。故目前在氢液化中的应用最为广泛。

正仲氢转化

• 将常温氢气液化要移除三部分的热量：1）常温氢气冷却至沸点散发的热量；2）氢气冷凝液化所释放的热量；3）正仲氢转化释放的热量。氢分子由两个氢原子组成，但两个原子核自旋方向不同，存在着正、仲两种状态。两个原子核自旋方向相同的是正氢，两个原子核自旋方向相反的是仲氢。常温的氢气稳定状态含75%正氢和25%仲氢。随温度降低仲氢浓度增加，稳定的液氢仲氢浓度为99.8%。

• 把常温的氢气液化后生成的是液态正常氢，是一种不稳定状态。液态正常氢会自发地发生正态到仲态转化，直到相应温度下的平衡氢。氢的正到仲转化是放热反应，如果把液态正常氢直接装入储气罐，尽管储气罐是绝热的，液氢正到仲转化放出的热量会使液氢沸腾蒸发，蒸发的氢气只能放空。因而在氢液化循环中会设置正仲氢转化器和催化剂（通常为水合氧化铁）以实现正仲氢转化。

氢液化产业发展方向

1.降低系统综合能耗

• 液氢产业发展核心在于规模效应，当规模扩大时，氢液化的能耗和单位成本将显著降低，液氢达到足够的规模后将更具经济性。据《中国能源报》报道，液化规模为5吨/天及以下时，氢液化的综合能耗将超过15kWh/kg·H2；当液化规模达到10-30吨/天时，氢液化的综合能耗约为9-14kWh/kg·H2；当液化规模扩大至 150吨/天，氢液化能耗可降低至6kWh/kg·H2。

• 中科富海于2023年3月实现5TPD氢液化系统下线，并于6月通过1.5TPD氢液化系统鉴定，液化率达到1590kg/day，综合单位能耗为15.1kWh/kg·H2。国富氢能已具备8-30TPD氢液化系统供应能力，能耗为9-14kWh/kg·H2。

2.核心部件国产化

• 目前国内液氢产业氢气压缩机与换热器基本已经实现国产化，透平膨胀机和正仲氢转化器等设备国产化仍需攻克难点。

• 氢气压缩机：压缩机通常用于对氢气/氦气加压，以达到后续制冷的要求，压缩机是氢液化装置中耗能最大的设备，大量研究致力于提升压缩机效率和可靠性，压缩机目前已实现国产化，国内的供应商主要包括杭氧股份、冰轮环境、雪人股份、丰电金凯威等。

• 换热器：在氢液化装置中，多流道钎焊铝板翅式换热器被用来在冷流体和热流体之间传热，其主要优点是与低温工质相容性好、比表面积高（>2000m2/m3）、 压降低以及温差小。国内液氢换热器生产企业包括中泰股份，冰轮环境，杭氧股份等。

 • 透平膨胀机：小型氢液化装置（≤5吨/天)通常采用氦透平膨胀机，大型氢液化装置通常采用氢透平膨胀机。透平膨胀机工作温度低，转速高，性能影响因素较多，研制难度较大。国外德国林德集团、美国空气产品公司和法国液化空气集团已掌握成熟的氢/氦透平膨胀机技术，国内氢/氦低温透平膨胀机的研制起步较晚，目前北京航天六院101所、中科富海和国富氢能等企业或机构具备自主知识产权并开发出相关产品。

 • 正仲氢转化器：目前国内自主研发正仲氢转化器的机构包括北京航天试验技术研究所等。

液氢储存与绝热方式

• 低温液氢的存储技术关键在于液氢储罐。液氢储罐有多种类型，根据其使用形式可分为：1）固定式：常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，2）移动式：移动式 液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定抗冲击强度，以满足运输过程中的速度要求。

• 不同容积储罐采用不同绝热方式：目前主要包括高真空绝热、高真空多层绝热、真空粉末绝热、和堆积绝热等绝热方式。

车载液氢供氢系统

• 大储氢量，长续航。车载液氢供氢系统方面，以液氢作为燃料可以携带更多的推进能量以保证长续航要求。2023年4月未势能源推出“木星”车载液氢储氢系统， 单瓶储氢质量高达80kg以上，液氢系统质量储氢密度≥8wt%，续航里程超1000km，5月奥扬科技推出1200L液氢瓶，储氢密度≥10%wt，储氢量75kg，续航里程 750km。对比高压气态储氢瓶来看，整体液态储氢瓶储氢密度大，1200L液氢储氢瓶续航里程接近于8个70Mpa下270L（2160L）高压储氢瓶的续航里程，更适 合于长距离运输，且当储氢量容量相等时，装载液氢瓶的运输车装载质量更轻。

 • 从车载液氢供氢系统结构来看，关键部件主要包含绝热层，温度控制器，安全阀，节流阀，换热器等。

国内低温液氢项目积极推进

• 据北京航天试验技术研究所张振扬博士的论文《液氢的制、储、运技术现状及分析》，2021年底，全球液氢产能达到约485吨/天，其中美国，加拿大，日本液氢产能分别超过300/80/40（吨/天），为全球前三大市场。国内液氢产能约6（吨/天），主要服务于国内航空航天领域。据不完全统计，近年来国内规划中的液氢项目达到十余项，国企、民企、外企都表现出市场积极性。若规划的氢液化项目如期落地，国内液氢产能将在几年内超过160吨/天，有望超过加拿大成为全球第二大液氢市场。

 • 国富氢能、中科富海、航天六院101所等企业为主要供应氢液化系统企业。而在液氢工厂运营方面，国内参与企业包括齐鲁氢能、中科富海、嘉华能源、鸿达兴业等。