高压氢气储运是当前广泛采用的方法。通常，我们在常温下将氢气压缩储存在气罐中，然后通过密封容器或管道输送至目的地再进行调压。目前应用的压力一般有15 MPa、35 MPa和70 MPa。其中，15 MPa的氢气钢瓶已经得到了成熟的应用；而加氢站主要采用35 MPa和70 MPa的压力，其中70 MPa的气氢储运技术是当前的研究热点。

液氢的密度是气氢的845倍，单位体积能量密度远高于高压气氢。液化储氢是将氢气压缩后通过深度制冷转化为液态，然后储存于专用绝热真空容器中。与气氢储运相比，液氢对保温性能要求更高。液氢管道目前主要用于制氢厂和火箭发射场等，利用真空夹套的绝热输氢管进行输送，长距离液氢输送技术尚未得到实际应用。

有机载体储氢（LOHC）是一种新型的液态储运技术，通过催化剂的作用，将特定的有机不饱和化合物与氢气进行加氢反应，形成氢键复合物，然后在目的地进行脱氢处理以释放氢气。这种方法能够在常温常压下安全高效地运输氢气。

固体氢储运则是利用稀土系、钛系、锆系和镁系等金属或合金，以及活性炭、纳米碳管等非金属材料的可捕获氢分子特性。类似于LOHC技术，固体氢储运能够在常温常压下实现安全高效的氢气运输，其储氢密度甚至可以超过液氢。

虽然气氢和液氢的生产输送基础设施大体相同，但液氢因其优异的能量密度在储存和运输中具有明显的经济优势。因此，发展液氢对氢能储运的战略布局至关重要。

然而，液氢的大规模生产存在一些明显的劣势：首先，氢气的沸点极低（-253℃，0.1 MPa），液化过程需要大量能源。其次，储存容器及液化设备结构复杂，保冷要求高，因此设计低成本、高效率的大型氢液化工艺具有重要意义。

氢气低温液化技术

低温液化工艺是将氢气转化为液态氢的关键过程，然而其超低温和高能耗的特性使得设备和工艺的低效率成为实现氢经济的一大障碍。在历史上，Dewar于1898年利用石炭酸和液态空气在18 MPa压力下对氢气进行预冷，从而首次实现了氢气的液化。该系统类似于1895年Linde和Hampson发明的“Linde-Hampson循环”液化空气系统。然而，这些系统虽然简单可靠，但在液化氢气时只有当温度低于80K时才能够显著地发挥效果，因此不能直接用于氢气液化。为了在采用节流循环液化氢气时提高液化率，必须先进行预冷，在高压（10~15 MPa）和低温（50~70 K）条件下进行节流，才能达到较为理想的液化率（24~25%）。

1960年，美国建造了第一批液态氢工厂，到1965年，其装机容量已经满足了直到1977年的需求。自1977年以来，商业液氢需求稳步增长，各国加快了大型氢气液化工厂的建设。空气产品公司（Products）是北美最大的液氢供应商，其次是普莱克斯公司（Praxair）。近年来，研究者们在前人理论基础上提出了一些改进方法，以提高氢气液化效率，降低能耗。Kuendig等人将预冷液化天然气系统集成到预冷克劳德系统中，从而降低了电力和装置建设成本。Fukano等人提出在氮气预冷的克劳德循环系统中，增加一套氮气液化系统来重新液化氮气，从而降低成本。Sadaghiani等人采用两个独立制冷循环的液化系统提高了液化效率，第一个循环系统将25℃、2.1 MPa的氢气冷却至-195℃的平衡温度，在第二个循环中冷却至-253℃。

发展至今，典型的氢液化工艺流程可以分为Linde-Hampson法，及在此基础上结合透平膨胀机降温的绝热膨胀法。根据产量大小，绝热膨胀法可划分为利用氦气作为介质膨胀制冷将高压气态氢冷却至液态的逆布雷顿法，及让氢气自身绝热膨胀降温的克劳德法。

曹学文等人提出了一种采用LNG预冷的新型双压Linde-Hampson氢液化工艺系统，通过该工艺，能够显著提高效率和液化性能。另外，还有研究者提出利用氨气预冷循环以及结合太阳能、地热能等多种可再生能源的方法与氢气液化相结合，从而降低成本。

然而，尽管现有的氢气低温液化工艺在一定程度上提高了效率和液化率，但仍然存在一些挑战。其效率和液化率仍处于较低水平，且单位液氢产量的功耗较大。因此，需要通过创新的氢液化流程以及提高压缩机、膨胀机和换热器等设备的性能，来实现高效的氢液化工艺流程。

低温液氢膨胀方式

在氢气液化工艺中，液氢需要经过膨胀过程以达到储存压力。在早期的氢液化工艺中，高压液氢经过节流阀降压时会产生带有闪蒸气的两相产物。对于闪蒸气，工业上有几种常见的处理方法。

一种处理方法是将闪蒸气作为制冷剂回流至液化装置入口，或直接进行再液化处理。另一种方法是先将氢蒸汽低温压缩然后再液化。此外，也有研究者通过引射器直接将氢蒸汽引流至液化系统深冷部分的氢气主流中。还有一种方法是使用膨胀机代替克劳德氢液化系统中的节流阀，以提高液化效率，并且膨胀机还可以回收部分消耗功。研究表明，在液氢的最后膨胀过程中闪蒸的氢气越少，液化厂的能量效率越高。因此，大型氢液化工艺更倾向于将液氢深冷至膨胀后不会产生闪蒸气的温度，以避免处理闪蒸气带来的复杂性。

膨胀机是氢气液化循环中的核心部件，而氢液化系统的核心设备目前完全依赖于进口。氢蒸汽处理方法如图所示。

图1 氢液化工艺中不同的膨胀方式

液氢储存与运输技术

液氢的储存与运输技术源自上世纪60年代的苏联，起初主要用于导弹和航天系统燃料。液氢管道的应用主要限于火箭发射场燃料贮存区域与试验场所之间、航天器液氢燃料管路及制氢工厂内部液氢的输送。例如，美国肯尼迪航天发射中心的39号发射场就在液氢储罐与发射台之间建设了440米的管道，用以输送液氢燃料。液氢具有粘度小、沸点低、汽化潜热小等特点，通常需要通过绝热管道进行输送。在液氢管道运输过程中，可能出现单液相流和部分汽化的两相流状态。为了提高输送效率并减少能耗，应尽量避免两相流的产生。

目前，液氢储运除液化成本高外，另一大难点是储运设施的绝热问题。除了传统的被动绝热技术外，一些航天器利用制冷机进行主动绝热，实现零蒸发储存。然而，这种技术成本高、设备复杂，对于大规模液氢储运的经济效益并不高。随着超导输电技术的发展，利用液氮或液化天然气作为载冷剂，实现电力与燃料的一体化输送的“超导能源管道”在未来应用中具有极大的价值。一些国家的学者提出了氢能电力混合能源管道的概念设计，并取得了一些成功的实验验证，尽管距离大规模应用还有一定的差距，但这些成果验证了混合能源管道的可实现性。

液氢的存储面临着三个主要难题：液化过程中约30%至40%的能量抵消问题、储罐费用昂贵、以及蒸发损失严重。目前，低温槽罐车是主要的液氢输运工具，但除了要解决绝热和泄漏问题外，隔震和抗冲击性能同样重要。因此，设计安全可靠的液氢槽罐车对于实现低成本液氢运输和建立完善氢能供应链具有重要意义。

江苏航烨能源科技有限公司，致力于领先技术的研发与创新，为液氢储存与运输领域提供高效、安全、可靠的解决方案。通过持续不断的工艺优化与成套装置设计，我们致力于解决液氢储运过程中的关键挑战，助力客户实现节能减排、成本降低、运输效率提升的目标。以先进的绝热技术和高效的液氢管道系统，我们打造出可靠的液氢储存与运输设施，助力客户实现氢能供应链的完善布局，共同推动氢能产业的发展与繁荣