在能源领域迈向可持续发展的征程中，氢能源以其清洁、高效的特质，成为了一颗璀璨的明星。而氢液化技术，则是挖掘氢能潜力的关键一环。通过将氢气冷却至极低温度，使其转化为液态，能极大提升氢气的能量密度，为大规模存储与运输创造条件。在氢液化实验里，精准的测量举足轻重，它不仅是确保实验顺利推进的基石，更是优化氢液化工艺、提升效率的有力武器。
正仲氢转化的测量：关键中的关键
氢分子存在正氢和仲氢两种自旋异构体。在室温下，平衡氢中两者比例约为 3:1，随着温度降低，正氢会逐渐向仲氢转化。在液氢温度下，仲氢比例理论上可达 99.8% 。但这一转化过程极为缓慢，且转化热高于液氢的汽化潜热，可能引发液氢蒸发。所以，高效的正仲氢转化对氢液化意义重大。
为了精准测量正仲氢转化情况，科学家们研发出多种方法与系统。比如，有一种正仲氢转化测试系统，巧妙利用液氮介质和液氢介质协同配合，能提供从液氮温区到液氢温区的连续渐变温度，成功模拟正仲氢催化剂的真实应用环境。该系统涵盖液氢管路、液氮管路、测试氢气管路和标准氢气管路。液氢管路将液氢储罐中液氢的冷能传递至冷却器，液氮管路同理。正仲氢转化测试器内部按测试氢气流向，依次设有填充正仲氢转化催化剂的液氮温区测试模块、中间温区测试模块和液氢温区测试模块。通过让测试氢气依次流经这些模块，再用气相色谱仪分析转化后氢气的正仲氢比例，与标准氢气结果对比，就能完成对正仲氢催化剂性能的测试。
还有一种实现多种正仲氢催化转化反应性能测试的方法，在真空绝热环境下，将氢气入口分为氢气反应路和氢气冷却路。氢气反应路让氢气在液氮温区充分冷却并进行正仲氢催化转化反应，氢气冷却路只进行冷却，两路氢气在混合室混合得到待反应原料氢。原料氢经过一系列流程后，进入仲氢组分分析系统测量仲氢含量。此方法能通过多种方式，模拟实际液氢生产中的连续转化过程，还能实现等温反应和绝热反应的切换。
温度测量：低温世界的精准把控
在氢液化实验中，温度测量堪称关键环节。毕竟，氢液化需将氢气冷却至 -253°C 左右的超低温。为满足如此严苛的测量需求，科研人员研发出专门的温度计。像用于液体氢（ -253°C ）的 Netsushin 铂抗温度计，就是一大突破。这是一种陶瓷元件，外径仅为 φ1.8mm ，长度 15mm ，在 0°C 时电阻为 1000Ω ，是首个符合国际温度标准 ITS - 90 且精度在 ±5mK （ 0.005°C ）以内的标准铂电温度计。与常规的 PT100 铂电阻温度计相比，它在极低温度下的测量敏感性提升了 10 倍。
为确保温度计在低温下的稳定性，科研人员会进行严格测试。例如在 10K （ -263°C ）下对温度计进行冷却处理，并在处理前后在三点（ TPW ： 0.01°C ）测量水的电阻，以此评估温度计稳定性。实验证明，制造温度计后立即进行初始冷却处理，在 TPW 稳定下电阻变化后，即便继续冷却处理， TPW 的电阻在 ±0.001°C 范围内依然稳定。而且，该产品经国家先进工业科学技术研究所（ AIST ）评估，其性能与 ITS - 90 高度一致，能在低于 -200°C 的极低温度区域实现高精度温度测量。
此外，在正仲氢催化剂性能测试中，为获取更准确的正仲转化反应温度，有一种转化温度可监测的正仲氢催化剂流化床。它在流化床两端设置低温 VCR 接头，替代易在低温下导致氢气泄漏的卡套接头，保证气密性。同时，在流化床内部和氢气出口处安装铠装铂电阻温度计，能实时监测流化床温度以及反应后氢气温度，让温度测量更贴近实际正仲氢转化过程，为准确分析催化剂催化性能提供有力支持。
液化率测量：衡量实验成效的标尺
液化率，作为衡量氢液化装置性能的核心指标，反映单位时间内装置能够液化的气体质量。传统测量液化率的方法，是将低温气体通入液化装置，把液化后的低温液体输送至低温容器，通过测量一定时间内低温容器中液体量来计算平均液化率。但这种方法用于标准化液化装置产品测试时，弊端尽显。比如，它需要额外配备大型低温容器存储测试生成的大量低温液化气体，成本高昂；制造工厂对大量低温液化气体的消纳途径有限，若将液化后的氢气、天然气等易燃易爆气体放空，存在严重安全风险，而氦气、氖气等贵重气体放空则会大幅增加测试成本。
为攻克这些难题，科研人员研发出创新的低温气体液化装置液化率测试装置及方法。该测试装置与待测液化装置、储液罐、复温换热器组成循环回路。供气系统为待测液化装置提供待液化气体，液化后的液态气体流入储液罐。当储液罐内液位达设定值，加热器开始工作，使部分液态气体转化为气态，维持液位不变。储液罐内气态气体经复温换热器重回供气系统循环使用。当待测液化装置入口压力、储液罐压力达到设定值，且待测液化装置出口温度与储液罐内温度相等，出口气体中液态气体含量为 100% 时，循环回路中待测气体的总流量就是待测液化装置的液化率。
针对氢气液化装置检测，该测试装置还可增设正仲氢反应器以及正仲氢含量测量装置。正仲氢反应器能让回流的高仲氢含量非平衡态氢气加速反应，转变为室温下平衡态氢气（正氢含量 75 ％，仲氢含量 25 ％）。正仲氢含量测量装置则用于检验待测氢液化装置所产液氢的仲氢含量是否达标（仲氢含量 ≥95 ％），以及经由正仲氢反应器的氢气是否充分反应达到平衡态。此外，设置绝热环境系统，将储液罐通过绝热支撑悬于其中，能减少储液罐与环境间的漏热，大幅提高测量精度。
氢液化实验中的测量工作，宛如精密仪器中的复杂齿轮，每一项测量都紧密关联、不可或缺。从正仲氢转化测量，到温度测量，再到液化率测量，每一次精准测量都为氢液化技术的进步添砖加瓦。随着测量技术不断创新发展，我们有理由相信，氢液化技术将在能源领域大放异彩，为构建清洁、高效的能源未来贡献磅礴力量。
