氢能，作为一种创新性的、纯净无污染的二次能源形式，是我国能源转型战略中的关键一环。在氢能的实际应用中，液氢以其卓越的体积和质量存储效能脱颖而出，特别适合于广泛的运输和大规模应用场景，从而有效降低了氢能市场普及的成本，推动了其商业化进程。

氢能技术背景

伴随发展模式的演进、人口规模的膨胀及消费习惯的多样化，能源消耗量急剧上升，这一趋势深刻影响了资源供给与环境保护的平衡。我国能源结构显著特点在于煤炭资源相对充裕，而石油与天然气资源则显得稀缺，形成了较为单一的能源依赖格局。这种过度依赖有限的化石燃料资源，加之其燃烧过程中产生的排放物，已使我国成为全球范围内环境污染、极端天气事件（如风暴）及水资源短缺等自然灾害影响最为严重的国家之一。因此，转变能源消费模式，优化能源结构，成为我们应对当前资源环境挑战、实现可持续发展的迫切需求。

氢能，凭借其广泛的来源、良好的储存性、可再生性、高热值燃烧效率、电能与燃料双重转换能力以及零排放的环保特性，作为一种备受瞩目的清洁高效型二次能源，正逐步成为推动全球能源转型的关键力量，并被广泛视为21世纪最具增长潜力的清洁能源解决方案。结合我国国情，大力发展氢能不仅能够有效增强国家能源供应的安全韧性，积极应对全球气候变化挑战，还将在优化我国能源结构、促进绿色低碳转型方面发挥重要的支撑与促进作用。

当前，我国氢能利用的现状显著体现为“本地化生产，即时化消耗”的特征，这反映出在氢能的全生命周期商业化进程中，包括生产、储存、运输至终端应用等各个环节尚未达到成熟阶段，尤其以储运环节为最为显著的瓶颈所在。现有的主流储运方案，主要聚焦于高压气态氢与液态氢的储存与运输方式，这些方式在实际应用中虽有其优势，但同样面临着诸多技术挑战与效率瓶颈。当前，氢能储运的两大主流方式分别是高压气态氢和液态氢的储运。高压气态储氢技术相对成熟，据统计，截至2010年10月，全球超过80%的215座加氢站均采用了这一方法。然而，氢气的低密度特性成为其一大挑战，即便在高达20 MPa的压力下，其密度也仅为14.4 kg/m³，即便未来技术提升至70 MPa，密度也不过39 kg/m³。这意味着，标准高压钢瓶在15 MPa充气压力下，储氢重量占比极低，仅约1%，即便是专为太空设计的高性能钛瓶，储氢效率也仅达到5%。鉴于气态储氢的密度限制，科研界近年来愈发关注液态储氢方案。液态氢在常温常压下的密度高达70.9 kg/m³，约为70 MPa高压氢气密度的1.8倍，车载液氢瓶的存储密度更是能达到6.67%，展现出在存储密度和容量上的显著优势。然而，目前我国的液态氢技术主要应用于航天领域，且相关氢液化装置均为国外引进，部署于航天发射场内，民用化进程远远落后于国际先进水平，液氢产业链的完整性和自主性亟待加强。

1.      氢液化技术发展

液氢储运技术的进步，其基石在于成功研发出高效的氢液化装置，以实现氢气的液化。这一过程中，关键在于采用特定的制冷技术，将氢气的温度有效降低至其沸点之下，从而获取液态氢。简而言之，液氢的制备离不开先进的制冷手段，确保氢气达到液化所需的低温条件。

在液氢储运的整体能耗构成中，液氢的制取过程占据了显著的比例。得益于关键设备的性能提升与工艺流程的不断创新，氢液化装置的能量利用效率（即循环效率）正逐步提升，而单位质量氢气的液化能耗（比功耗）则相应下降。图1清晰地展示了理论、实际运行及概念性三种不同氢液化流程的效率与比功耗对比情况。从图表数据可以直观观察到，理论流程虽具探索性，但其效率普遍偏低，比功耗偏高，即便是效率相对较高的预冷Claude循环理论流程，其循环效率也未能突破10%的门槛，而比功耗则高达30 kWh/kgLH2以上。相比之下，当前实际运行的氢液化装置已展现出更为优异的性能，循环效率普遍位于20%至30%的区间内，比功耗则降至10至15 kWh/kgLH2的水平，如Ingolstadt和Leuna两个实例，其比功耗分别为13.6 kWh/kgLH2和11.9 kWh/kgLH2。进一步地，概念性流程以其前瞻性和创新性，在循环效率和比功耗上均展现出更为突出的优势，循环效率超越30%，比功耗则成功降至10 kWh/kgLH2以下。值得注意的是，每千克氢气的理论可用能约为33 kWh，而按照当前已运行流程的平均比功耗（约12 kWh/kg）来计算，液化这一千克氢气所消耗的能量已接近其可用能的36%，凸显了提高氢液化效率、降低能耗的紧迫性和重要性。

液氢制取流程的研发与优化工作，其核心追求在于不断提升循环效率，以实现能源利用的最大化。图1直观呈现了不同类别流程——包括理论构想、实际运行以及前沿概念性设计——在循环效率与单位能耗方面的对比。从图中可清晰观察到，理论流程虽具探索意义，但效率普遍偏低，单位能耗高昂，即便是预冷的Claude循环这一高效理论设计，其循环效率也未能跨越10%的门槛，单位能耗则高达30 kWh/kgLH2以上。反观当前已投入运行的氢液化装置，其循环效率显著提升，介于20%至30%之间，单位能耗则有效控制在10至15 kWh/kgLH2范围内。以Ingolstadt和Leuna两地为例，其氢液化单位能耗分别低至13.6 kWh/kgLH2和11.9 kWh/kgLH2，展现了实际运行中的高效节能特性。而概念性流程则代表着未来的发展方向，这些创新设计不仅将循环效率提升至30%以上，还成功将单位能耗降低至10 kWh/kgLH2以下，展现了极高的能效潜力和应用前景。这一对比凸显了持续研发与优化氢液化流程的重要性，以及实现更高效、更经济液氢制取技术的迫切需求。

图 1 氢液化过程的效率对比( 假设氢气入口压力为21bar)

3 高压气氢与液氢储运的能耗分析

氢气从生产源头输送到零售商的过程，如图4所示，主要依赖于高压气瓶组和液氢槽车两种运输方式。这一流程中的能耗主要集中在氢气的压缩、液化以及运输环节。为了全面评估从气源到最终用户的总成本，本部分将细致核算这三个方面的能耗情况。值得注意的是，鉴于当前设备制造与加工技术的局限性，本核算将不纳入设施投资成本的考量，以确保分析结果的准确性和针对性。

在高压氢的运输流程中，主要的能耗源自于对氢气的加压处理，这一步骤通过高效的氢气压缩机实现，旨在提升氢气压力以便于长途运输或高效储存。表3详细列出了压缩过程中的能耗与绝热效率数据，为量化分析提供了坚实基础。当前，高压长管拖车普遍采用20 MPa作为运输压力标准，而抵达加氢站后，需进一步通过氢压缩机将氢气压力提升至70 MPa，以满足气瓶的高存储需求。为了与液氢储运的初始与最终条件保持一致性，我们设定氢气源的初始压力为2 MPa。因此，整个加压过程可细分为两个阶段：首先是从2 MPa加压至20 MPa，随后是从20 MPa提升至70 MPa。考虑到压缩机在实际运行中的能量损失，我们假设其绝热效率为75%。基于这一效率值，可以计算出两个加压阶段的能耗分别为1.5 kWh/kg和0.8 kWh/kg，两者相加得到总加压能耗为2.3 kWh/kg。值得注意的是，常温下的氢气压缩过程会产生热量，需要借助冷水机组进行冷却。我们设定冷水机组的性能系数（COP）为2.5，以评估其能耗。经计算，冷水机组在整个压缩过程中所需的总能耗约为0.9 kWh/kg。综合上述两部分能耗，高压氢运输过程中的总加压功耗达到3.1 kWh/kg，这一结果全面考虑了压缩机的直接能耗与冷水机组的辅助冷却能耗。

同样地，在液氢的运输和储存过程中，也需要进行加压处理。这一步骤通常是通过液氢泵来实现的，目的是将液氢从其饱和压力（约1.2 bar）提升至更高的压力水平，如70 MPa，以满足长距离运输或高压储存的需求。在进行液氢加压时，我们考虑到能量在转换过程中的损失，假设液氢泵的绝热效率为60%。基于这一效率值，我们可以计算出液氢从1.2 bar加压至70 MPa所需的能耗，即加压成本，约为0.4 kWh/kg。这一数据为评估液氢储运过程中的总能耗提供了重要依据。

4 发展与展望

液氢储运相较于其他氢能储运形式，展现出了极为显著的潜在优势，其核心在于其极高的存储密度，这一特性直接导致了单车运输能力的大幅提升，对于长距离氢能输送而言，其重要性不言而喻。然而，要实现液氢在氢能领域的广泛商业化推广，仍面临诸多研究热点与难点，这些方面是当前及未来一段时间内需要重点突破的关键领域。

( 1) 大型化、规模化液氢流程的创新

实现液氢的规模化生产，关键在于推动氢液化装置向大型化发展。这一转变不仅能够显著提升生产效率，还能通过规模效应降低单位能耗，进而减轻终端用户的用氢负担，促进氢能市场的普及与应用。然而，当前我国的氢液化装置多为小型规模，其能耗水平较高，每千克液氢的生产能耗普遍超过20 kWh，与国际先进水平相比存在明显差距。为了扭转这一局面，我们需要立足于我国国情，积极研发新型的大型氢液化流程。这一流程应致力于提升系统整体效率，同时大幅度降低单位能耗，从而在根本上改变我国氢液化技术的高成本现状。通过这一途径，我们不仅能够推动氢能产业的商业化进程，还能为国家的能源结构转型和可持续发展贡献力量。

( 2) 氢液化过程的关键技术问题研究

在氢液化技术的核心环节中，关键技术问题聚焦于动力机械（如透平膨胀机与压缩机）的精细设计与高效制造，以及正仲氢转换装置的创新设计。这些技术难题的攻克，对于提升氢液化过程的整体效能与稳定性具有至关重要的作用。

透平膨胀机作为氢液化过程中的关键制冷设备，其效率优化至关重要。为了达到最佳效率，透平膨胀机的叶轮线速度需精心设定，使之趋近于膨胀气体的声速。以氢气为例，当操作压力为2 MPa且入口温度为30 K时，氢气的声速约为569 m/s。然而，这一声速的提升虽能增强透平膨胀机的性能，却也相应增加了转子所承受的应力，对设计提出了更为严苛的要求。同样地，这一挑战也适用于压缩机，其制造难度亦因需应对高速运转下的应力问题而显著提升。此外，氢气特有的物理性质——低粘度和低密度，进一步加剧了设备设计的复杂性。这些性质导致高速气体轴承在承载力和刚度方面表现不佳，对气体轴承的加工精度与设计水平提出了更高要求。因此，在研制适用于氢气的透平膨胀机及压缩机时，必须充分考虑这些技术难点，以确保设备的稳定运行与高效性能。

在正仲氢转化这一氢液化过程中的独特环节，当前国际上的主流做法是采用连续转化技术，其核心在于将催化剂巧妙地嵌入换热器通道之中。这一设计不仅最大限度地减少了能耗，使转化过程在理论上趋近于理想的可逆状态，还通过分段布置的方式，在液氮至液氢的广泛温度区间内实现了显著的转化效果。然而，值得注意的是，国内在这一领域的研究尚处于起步阶段，尚未有公开的报道显示有实质性的研究进展。因此，为了填补这一空白并推动氢液化技术的全面发展，我们需要投入大量的实验资源，深入开展针对正仲氢转化过程的系统性研究。

（3） 装置安全性以及可靠性研究

鉴于氢气在空气中具有宽泛的可燃范围（4%至75%），加之其分子量小、黏度低导致的易泄漏特性，氢液化器的设计必须将高安全性、卓越的气密性以及有效的防护措施置于首要位置。当前，我国在液氢民用化方面尚缺乏完善的规范体系，这迫切要求我们加快步伐，建立健全液氢技术标准与安全规范，以全面支撑氢能产业链的健康发展。同时，深入开展氢液化器的可靠性研究同样至关重要。通过减少系统的平均无故障时间并延长整机的运行时间，我们可以显著提升整个氢能系统的稳定性、可靠性及经济性。尽管目前这一领域的工作仍主要停留在理论探索阶段，但随着氢液化装置的日益普及与应用，未来将有更多宝贵的实验数据被收集，用以验证和完善现有的理论预测模型，进而构建出更加贴近实际的可靠性评估体系。

( 4) 超临界氢的研发及应用

超临界氢作为一种创新的氢能储运形式，是在液氢技术深入研究的基础上提出的。它旨在通过特定的温度和压力条件（通常温度低于液氮的77K，压力超过25MPa），实现高密度、高效的氢能储存。与高压气氢相比，超临界氢不仅拥有更高的存储密度，而且其加注过程不受温升限制，从而保证了加氢速度的灵活性。同时，它避免了液氢在储存和运输过程中因蒸发而引发的一系列问题，如损失增加、管理复杂等。然而，超临界氢的状态特性也带来了技术挑战。作为低温高压的氢形态，其储存容器必须同时具备良好的保温性能和承压能力，这对储罐的制造材料和工艺提出了更高要求。当前，国内在超临界氢储运技术方面的研究尚处于起步阶段，面临着材料选型、成本控制、重量优化以及提高单位重量储氢比等多重挑战。为了推动超临界氢技术的实用化进程，我们需要开展深入的研究和实验，以探索适合的材料和工艺，降低储罐制造成本，减轻其重量，并进一步提升储氢效率。这不仅有助于解决氢能储运中的技术难题，还将为氢能产业的商业化发展提供有力支撑。

5 总结

本文综合梳理了当前氢液化技术研究中的关键热点与难点，展望了液氢技术在大规模应用中的广阔前景，以期为未来氢能产业的发展提供战略指引和技术参考。航烨能源一直在氢能产业领域深入研究，在低温氢预冷、压缩制冷等领域有一定的成果；随着国内液氢民用化标准及规范的发布与深入实施，航烨能源将积极参与并推动液氢从生产到应用的全产业链关键技术实现突破，欢迎前来咨询。