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液氢储运技术发展现状与展望

摘要：液氢具有储运密度大、能量密度高的特点，应用前景广阔，受限于液氢的物理特性，低温储运技术制约了液氢大规模应用。该文对当前国内外固定及移动式液氢储存设备进行调研，针对目前所面临的技术难点，从储氢材料、低温绝热、热力特性、配套设备、标准体系等方面总结液氢储运环节的关键技术，分析液氢储运现状与发展趋势，提出未来液氢储运技术重点发展方向，能有力促进中国高性能液氢储运设备研发，保障未来液氢规模化安全使用。

关键词：液氢；储运技术；低温绝热；储氢容器；结构设计

全球能源短缺及环境问题日益凸显，世界各国对低碳、清洁、可再生能源的发展利用迫在眉睫。氢能作为宇宙中含量最丰富的元素，具有来源广泛、应用场景丰富、高热值、零碳排放、可再生的特点，被视为21世纪最具发展潜力的能源，将成为第三次能源革命的媒介［1］。国际氢能委员会（HydrogenCouncil）在“氢能源未来趋势研究报告”中指出目前氢需求量约为2050年的1/10，未来氢能将广泛应用于交通、工业、电子及建筑等领域，同时还可作为能源储备解决能源危机问题［2］，因此未来30年间氢能将迎来巨大的发展契机［3］。目前世界各国均重视氢能的发展，美、欧、日等发达国家制定了长期氢能发展规划，在制氢、储氢、运氢、加氢以及氢燃料电池等技术方面有新的突破。近年来中国也积极推进氢能发展规划，颁布了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035）》，并将氢能列入“十四五”规划和2035年远景目标纲要，从清洁制氢、高效运氢、灵活用氢等方面推动氢能产业技术革新，助力碳达峰、碳中和战略目标的实现［4］。

氢能产业链包括氢的制取、储存、运输以及应用，其中氢的储运是连接氢能产业链上下游的关键环节，也是目前氢能高效储运、规模化利用的主要瓶颈［5］。氢能的储运方式有高压气态储氢、低温液态储氢以及金属氢化物储氢，其中低温液态储氢具有质量储氢密度大、加注效率高、安全性好等优势，是未来较理想的储氢技术［6-7］。但液氢的沸点极低，储运过程中不可避免地存在汽化损失，因此液态储氢对装置的可靠性要求较高。由于中国液氢的发展起步较晚，储运环节关键技术落后，相关液氢标准不完善，严重制约了液氢大规模应用［8-9］。鉴于液氢储运在氢能产业链的重要性，突破相关技术壁垒的迫切性，有必要对液氢储运技术进行研究。本文对当前国内外液氢储运环节的关键设备及技术进行分析总结，提出相关发展方向及建议，为中国大规模液氢储运发展提供参考。

1固定式液氢贮存技术

固定式液氢贮存设备主要有小型杜瓦、中型储罐及大型球罐，根据液氢贮存容积的不同，其关键技术也存在差异。

1.1液氢杜瓦

液氢在使用过程中需从固定式液氢储罐运输到工作现场或实验室，因此需一种更灵活便捷的装置运输液氢。杜瓦瓶是一种小型真空低温容器，用于少量低温液体的储运，目前杜瓦瓶在液氧、液氮、液氩以及液态二氧化碳等低温液体的储运中已发展成熟。杜瓦瓶主要由内胆、外壳、绝热材料、增压装置以及各种阀门管路组成。根据使用要求，杜瓦瓶可直接提供低温液体，也可将低温液体汽化后使用，杜瓦瓶结构简单、操作灵活方便，是目前大部分实验室、医院、工业供液供气装置。

相比于液氧、液氮、液氩以及液态二氧化碳等低温液体，液氢沸点更低，因此对液氢杜瓦绝热性能提出更高的要求。液氢杜瓦需采用多种组合绝热结构降低蒸发损耗，通常有以下几种被动绝热方案：

1）高真空多层绝热与液氮冷屏相结合的绝热结构，如图1a所示，此绝热方式能将辐射热流减少到原来的1/150~1/200，从而大幅降低液氢蒸发损失，具有绝热性能优良、预冷量小、稳定时间短等优点。但结构复杂、制造困难、体积及重量较大，需消耗液氮冷源。

2）高真空多层绝热与蒸汽冷却屏相结合的绝热结构，如图1b所示，金属冷却屏与蒸发气体管路连接，利用冷蒸汽的显热冷却金属屏，从而降低辐射换热，减小漏热量。金属冷屏不仅可作为多层绝热的辐射屏，也可作为蒸汽冷却屏消除多层绝热材料的纵向导热，具有绝热效率高、质量轻、热平衡快等特点。

3）高真空多层绝热与多屏绝热相结合的绝热结构，如图1c所示，在容器颈管处安装翅片分别与各传导屏连接，屏之间缠绕多层绝热，热量通过绝热材料时被金属冷屏阻挡并传导至颈管，被排出的冷蒸汽带走，从而达到降低漏热的目的，这种绝热结构具有重量轻、成本低、易抽真空等优点。一般屏的数量越多，其绝热效果越好，但屏的数量过多易使结构变得复杂，工艺难以实现，制作成本增加，因此液氢多屏绝热杜瓦通常为10屏。

目前液氢杜瓦瓶使用较少，仅在科研机构、医院、化工厂等有少量需求，因此国内外液氢杜瓦生产厂家也较少。美国Cryofab公司生产的CLH系列液氢杜瓦瓶规格如表1所示，该杜瓦瓶采用高真空多层绝热与蒸汽冷却屏相结合的绝热技术，内外胆主体材料采用304不锈钢。该液氢杜瓦在减压、安全系统