液氫儲運(yùn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘要：液氫具有儲運(yùn)密度大、能量密度高的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，受限于液氫的物理特性，低溫儲運(yùn)技術(shù)制約了液氫大規(guī)模應(yīng)用。該文對當(dāng)前國內(nèi)外固定及移動式液氫儲存設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，針對目前所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，從儲氫材料、低溫絕熱、熱力特性、配套設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)體系等方面總結(jié)液氫儲運(yùn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，分析液氫儲運(yùn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，提出未來液氫儲運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向，能有力促進(jìn)中國高性能液氫儲運(yùn)設(shè)備研發(fā)，保障未來液氫規(guī)模化安全使用。

關(guān)鍵詞：液氫；儲運(yùn)技術(shù)；低溫絕熱；儲氫容器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

全球能源短缺及環(huán)境問題日益凸顯，世界各國對低碳、清潔、可再生能源的發(fā)展利用迫在眉睫。氫能作為宇宙中含量最豐富的元素，具有來源廣泛、應(yīng)用場景豐富、高熱值、零碳排放、可再生的特點(diǎn)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉矗瑢⒊蔀榈谌文茉锤锩拿浇?]。國際氫能委員會（Hydrogen Council）在“氫能源未來趨勢研究報(bào)告”中指出目前氫需求量約為2050年的1/10，未來氫能將廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、電子及建筑等領(lǐng)域，同時還可作為能源儲備解決能源危機(jī)問題2，因此未來30年間氫能將迎來巨大的發(fā)展契機(jī)3]。目前世界各國均重視氫能的發(fā)展，美、歐、日等發(fā)達(dá)國家制定了長期氫能發(fā)展規(guī)劃，在制氫、儲氫、運(yùn)氫、加氫以及氫燃料電池等技術(shù)方面有新的突破。近年來中國也積極推進(jìn)氫能發(fā)展規(guī)劃，頒布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035）》，并將氫能列入“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，從清潔制氫、高效運(yùn)氫、靈活用氫等方面推動氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新，助力碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括氫的制取、儲存、運(yùn)輸以及應(yīng)用，其中氫的儲運(yùn)是連接氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是目前氫能高效儲運(yùn)、規(guī)模化利用的主要瓶頸[5。氫能的儲運(yùn)方式有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫以及金屬氫化物儲氫，其中低溫液態(tài)儲氫具有質(zhì)量儲氫密度大、加注效率高、安全性好等優(yōu)勢，是未來較理想的儲氫技術(shù)6-7]。但液氫的沸點(diǎn)極低，儲運(yùn)過程中不可避免地存在汽化損失，因此液態(tài)儲氫對裝置的可靠性要求較高。由于中國液氫的發(fā)展起步較晚，儲運(yùn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)落后，相關(guān)液氫標(biāo)準(zhǔn)不完善，嚴(yán)重制約了液氫大規(guī)模應(yīng)用[8-9]。鑒于液氫儲運(yùn)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，突破相關(guān)技術(shù)壁壘的迫切性，有必要對液氫儲運(yùn)技術(shù)進(jìn)行研究。本文對當(dāng)前國內(nèi)外液氫儲運(yùn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，提出相關(guān)發(fā)展方向及建議，為中國大規(guī)模液氫儲運(yùn)發(fā)展提供參考。

1固定式液氫貯存技術(shù)

固定式液氫貯存設(shè)備主要有小型杜瓦、中型儲罐及大型球罐，根據(jù)液氫貯存容積的不同，其關(guān)鍵技術(shù)也存在差異。

1.1液氫杜瓦

液氫在使用過程中需從固定式液氫儲罐運(yùn)輸?shù)焦ぷ鳜F(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室，因此需一種更靈活便捷的裝置運(yùn)輸液氫。杜瓦瓶是一種小型真空低溫容器，用于少量低溫液體的儲運(yùn)，目前杜瓦瓶在液氧、液氮、液氬以及液態(tài)二氧化碳等低溫液體的儲運(yùn)中已發(fā)展成熟。杜瓦瓶主要由內(nèi)膽、外殼、絕熱材料、增壓裝置以及各種閥門管路組成。根據(jù)使用要求，杜瓦瓶可直接提供低溫液體，也可將低溫液體汽化后使用，杜瓦瓶結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活方便，是目前大部分實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、工業(yè)供液供氣裝置。

相比于液氧、液氮、液氬以及液態(tài)二氧化碳等低溫液體，液氫沸點(diǎn)更低，因此對液氫杜瓦絕熱性能提出更高的要求。液氫杜瓦需采用多種組合絕熱結(jié)構(gòu)降低蒸發(fā)損耗，通常有以下幾種被動絕熱方案：

1）高真空多層絕熱與液氮冷屏相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)，如圖1a所示，此絕熱方式能將輻射熱流減少到原來的1/150～1/200，從而大幅降低液氫蒸發(fā)損失，具有絕熱性能優(yōu)良、預(yù)冷量小、穩(wěn)定時間短等優(yōu)點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、體積及重量較大，需消耗液氮冷源。

2）高真空多層絕熱與蒸汽冷卻屏相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，金屬冷卻屏與蒸發(fā)氣體管路連接，利用冷蒸汽的顯熱冷卻金屬屏，從而降低輻射換熱，減小漏熱量。金屬冷屏不僅可作為多層絕熱的輻射屏，也可作為蒸汽冷卻屏消除多層絕熱材料的縱向?qū)?，具有絕熱效率高、質(zhì)量輕、熱平衡快等特點(diǎn)。

3）高真空多層絕熱與多屏絕熱相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)，如圖1c所示，在容器頸管處安裝翅片分別與各傳導(dǎo)屏連接，屏之間纏繞多層絕熱，熱量通過絕熱材料時被金屬冷屏阻擋并傳導(dǎo)至頸管，被排出的冷蒸汽帶走，從而達(dá)到降低漏熱的目的，這種絕熱結(jié)構(gòu)具有重量輕、成本低、易抽真空等優(yōu)點(diǎn)。一般屏的數(shù)量越多，其絕熱效果越好，但屏的數(shù)量過多易使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，工藝難以實(shí)現(xiàn)，制作成本增加，因此液氫多屏絕熱杜瓦通常為10屏。

目前液氫杜瓦瓶使用較少，僅在科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、化工廠等有少量需求，因此國內(nèi)外液氫杜瓦生產(chǎn)廠家也較少。美國Cryofab公司生產(chǎn)的CLH系列液氫杜瓦瓶規(guī)格如表1所示，該杜瓦瓶采用高真空多層絕熱與蒸汽冷卻屏相結(jié)合的絕熱技術(shù)，內(nèi)外膽主體材料采用304不銹鋼。該液氫杜瓦在減壓、安全系統(tǒng)、排液及供氣裝置方面進(jìn)行了極大的改進(jìn)，并配有高精度液氫閥門。

1.2液氫儲罐

生產(chǎn)地、使用地以及供液站等附近需較大的固定式儲罐儲存低溫液體，常用的儲罐形狀有圓柱形、球形、圓錐形以及平底形，根據(jù)儲罐容積的不同，儲罐形狀以及絕熱方式也會有所差異。液氫儲罐常用的結(jié)構(gòu)有圓筒形及球形，圓筒形適用于幾何容積小于500 m3的儲罐，絕熱方式多為高真空多層絕熱，球形儲罐適用于幾何容積大于200 m3的儲罐，由于其絕熱空間較大，多層絕熱材料纏繞困難，因此一般采用真空粉末絕熱，絕熱材料有珠光砂、氣凝膠、玻璃纖維及中空玻璃微球等。

根據(jù)使用要求，液氫儲罐從幾立方到幾千立方不等。國外液氫大型儲罐的制造及應(yīng)用已較為成熟，如美國Gardnercryogenics與Chart公司已在全球建立超過800個液氫儲罐；日本巖谷與川崎重工公司液氫儲罐的生產(chǎn)制造水平也處于領(lǐng)先地位；俄羅斯JSC深冷機(jī)械制造公司擁有多個規(guī)格的液氫儲罐，最大已達(dá)到1400 m3，并在火箭發(fā)射地面試驗(yàn)中心建造了多個液氫儲存系統(tǒng)，總?cè)莘e達(dá)5600m3。JSC公司生產(chǎn)的系列液氫儲罐如表2所示。中國液氫儲運(yùn)技術(shù)發(fā)展緩慢，多年來液氫儲罐及其配套設(shè)備以進(jìn)口為主，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，液氫儲罐已成為不可缺少的地面加注設(shè)備，目前主要用于航天發(fā)射基地，如海南文昌、西昌發(fā)射中心。國內(nèi)液氫儲罐生產(chǎn)企業(yè)有四川空分、航天晨光以及中集圣達(dá)因等公司。2005年，航天晨光自助研制了100 m3液氫儲罐、25m3液氫運(yùn)輸半掛車及80 m3液氫標(biāo)箱，填補(bǔ)了當(dāng)時中國液氫儲罐的空白；2011年成功開發(fā)170 m3液氫集液缸，為當(dāng)時中國最大、技術(shù)要求最高的液氫儲罐[10];2014年中集圣達(dá)因?yàn)楹Ｄ匣鸺l(fā)射中心制造了300 m3液氫儲罐，采用高真空多層絕熱及特殊的內(nèi)外罐支撐結(jié)構(gòu)11;江蘇國富氫能已生產(chǎn)液氫儲罐樣品，未來將應(yīng)用于國富氫能投建的洛陽液氫生產(chǎn)項(xiàng)目，幾種國產(chǎn)液氫儲罐如圖2所示。隨著低溫技術(shù)的不斷發(fā)展，未來液氫貯運(yùn)設(shè)備將向大容積、高精度、高可靠性、低蒸發(fā)率和低成本的方向發(fā)展。

由于液氫特殊的性質(zhì)，液氫儲罐的設(shè)計(jì)需從容積、形狀、絕熱形式、結(jié)構(gòu)材料、增壓方式等多方面進(jìn)行考慮。

液氫儲罐對主體材料的耐低溫、耐氫性要求嚴(yán)格，需特別注意氫脆、氫腐蝕及氫滲透的問題。氫脆是氫以原子狀態(tài)滲入材料內(nèi)部聚合為氫分子，產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，使得材料表面發(fā)生裂紋、折皺或鼓包12]，超過材料強(qiáng)度極限；氫腐蝕是氫原子與金屬材料中不穩(wěn)定碳結(jié)合，造成材料脫碳，強(qiáng)度和韌性顯著降低[13]。常用液氫儲罐材料有奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料，其中奧氏體不銹鋼在低溫下保持良好的力學(xué)性能，隨著溫度的降低，材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均明顯提高，如圖3所示[14]。300系列奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于低溫儲存設(shè)備[15]，由于316L不銹鋼中添加了鉬元素，極大提高了抗氯離子的腐蝕能力，適用于高鹽濃度的海洋環(huán)境，321不銹鋼添加了Ti元素，提高了抗晶間腐蝕和高溫強(qiáng)度，因此適用于耐腐蝕性和耐熱性要求較高的環(huán)境[16]。鋁合金及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫、輕質(zhì)性的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航天低溫液氫儲罐，但其焊接技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)[17-18]。復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和較低的密度，其低溫力學(xué)性能受材料基體、纖維和界面的多重影響，目前對于低溫容器用復(fù)合材料的研究集中在基體的低溫力學(xué)性能、纖維和樹脂基體熱膨脹的協(xié)同性以及低溫?cái)嗔褭C(jī)理[19。中國已具備復(fù)合材料生產(chǎn)加工條件，但對于液氫容器仍需解決氫滲透導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展以及泄露等問題，同時需對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)型式、成型工藝等方面深入研究[14]。

液氫儲罐絕熱方式的選取應(yīng)根據(jù)容積、形狀、日蒸發(fā)率、制造成本等多方面因素考慮，小型、移動式液氫儲罐應(yīng)盡可能采用重量輕、外形小的絕熱形式，如高真空多層絕熱、多屏絕熱；超大型液氫儲罐應(yīng)選用制造成本低、工藝簡單的絕熱形式，同時對夾層空間大小以及絕熱材料重量不應(yīng)嚴(yán)格要求，如真空粉末絕熱。

液氫儲罐的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減小漏熱量，常用的低溫容器支撐形式有兩點(diǎn)軸式支撐、六點(diǎn)組合支撐、八點(diǎn)復(fù)合材料支撐、拉桿式支撐以及吊桿式支撐等，幾種低溫容器支撐結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖4a、圖4c均為增加導(dǎo)熱路徑減小漏熱量，圖4b、圖4d主要采用熱導(dǎo)率較小的復(fù)合材料減小漏熱[20]。

液氫管路系統(tǒng)也要遵循相關(guān)設(shè)計(jì)原則：在滿足自身結(jié)構(gòu)應(yīng)力的條件下，真空夾層內(nèi)管路盡可能長、管壁盡可能薄，有利于降低管路引起的漏熱；管路應(yīng)滿足較大的形變補(bǔ)償量，防止薄弱區(qū)域因熱脹冷縮而發(fā)生開裂；液相管、增壓器入口管段應(yīng)設(shè)計(jì)液封結(jié)構(gòu)，避免管內(nèi)液氫受熱造成額外蒸發(fā)損失。

1.3液氫球罐

在相同直徑以及壓力下，球形儲罐壁厚僅為圓筒形的一半，鋼材用量省、占地面積小、基礎(chǔ)工程簡單，且其壁應(yīng)力分布均勻。由于低溫儲罐漏熱與其表面積成正比，相同容積下球形表面積最小，因此球形儲罐是最理想的固定式液氫貯存方式。但球罐的制造、焊接以及組裝要求嚴(yán)格，檢驗(yàn)工作量大，制造費(fèi)用高，因此液氫球罐一般為大容積固定式貯存。

大型液氫球罐起初多應(yīng)用于航空航天事業(yè)，隨著載人航天和空間探測活動的不斷發(fā)展，液氫球罐的技術(shù)也逐漸趨于成熟。國外在20世紀(jì)50年代已開啟液氫球罐的研發(fā)工作，幾種大型液氫球罐結(jié)構(gòu)如圖5所示。1966年，美國在肯尼迪航天中心建造了第一個直徑達(dá)25m的液氫球罐，為阿波羅計(jì)劃的航天飛機(jī)提供燃料，其容積為3800 m3，采用真空粉末絕熱方式，蒸發(fā)率達(dá)600 m3/a，該球罐在2017年返修后仍在使用21];1974年美國為推進(jìn)核能利用在內(nèi)華達(dá)州試驗(yàn)場建成1893 m3大型液氫球罐；2018年，美國航天局為新的探月計(jì)劃建造了容積為4700 m3（公稱容積為5000 m3）的液氫球罐，可儲存333 t液氫，并配備了30 t/d的液氫生產(chǎn)線，儲罐內(nèi)不再使用真空粉末絕熱系統(tǒng)，而是采用絕熱性能更優(yōu)的中空玻璃微球絕熱，同時內(nèi)部增設(shè)主動熱控制技術(shù)，最大蒸發(fā)速率可降低至0.05%/d;2021年，美國CBI公司宣布完成了40000 m3液氫球罐的概念設(shè)計(jì)。俄羅斯JSC深冷機(jī)械制造公司為火箭發(fā)射場建造了1400和250 m3的液氫儲罐，其中1400m3為球罐，外徑為16m，球罐總高20m，并采用高真空多層絕熱11]。日本在種子島航天中心建造了容積為540 m3的液氫球罐，日蒸發(fā)率小于0.18%;2020年日本為了完成澳大利亞褐煤與氫能的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，在神戶碼頭建造了2500 m3的液氫球罐，采用珠光砂真空絕熱，目前已投入使用，同時川崎重工完成了10000 m3球形儲罐的基本設(shè)計(jì)，約儲存710 t液氫22;近年來挪威與日本、歐洲等一些國家開展大規(guī)模氫氣生產(chǎn)運(yùn)輸供應(yīng)鏈系統(tǒng)，并計(jì)劃在液氫貨運(yùn)碼頭建立7個液氫球罐，日蒸發(fā)率低于0.1%[23]。

未來大型液氫球罐可采用絕熱性能較好的中空玻璃微球（hollow glass microspheres，HGM）代替真空粉末絕熱[24-25]。表3為美國國家航空航天局（National Aeronautics and SpaceAdministration，NASA）通過試驗(yàn)對比分析珍珠巖與HGM的絕熱性能，HGM的絕熱性能較珍珠巖提高了34%[26]，這是由于HGM間為點(diǎn)接觸，空心結(jié)構(gòu)能有效延長導(dǎo)熱路徑，降低接觸熱阻，同時將氣體封存在氣泡內(nèi)部，最大限度減小了氣體流動傳熱[27]。圖6為夾層不同真空度下珍珠巖與HGM的表觀導(dǎo)熱系數(shù)變化，HGM在高真空下的絕熱性能優(yōu)于珍珠巖，并隨著真空度的降低表觀導(dǎo)熱系數(shù)差距也逐漸擴(kuò)大[28。當(dāng)夾層真空度優(yōu)于13.3 Pa時HGM的絕熱性能比珍珠巖高46%，因此使用HGM填充絕熱方式可有效提高液氫儲罐的絕熱效果。除此之外，NASA還研究了低溫環(huán)境下珍珠巖、氣凝膠以及HGM在熱和振動循環(huán)中的壓實(shí)情況，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)HGM的壓實(shí)量遠(yuǎn)低于珍珠巖、氣凝膠，甚至比壓實(shí)的珍珠巖還低13%。HGM還具有防水、防潮、耐火、抗壓、抗凍及良好的熱穩(wěn)定性能，因此有望解決大型真空粉末球罐由于絕熱材料沉降造成頂部絕熱失效的問題[29]。

大型液氫球罐設(shè)計(jì)時需考慮地震、風(fēng)、雪等載荷的影響，因此機(jī)械支撐構(gòu)件是保證力學(xué)強(qiáng)度和提高容器絕熱性能的關(guān)鍵。常用減少支撐結(jié)構(gòu)漏熱的途徑有：選取熱導(dǎo)率較低的材料、增加構(gòu)件有效傳熱長度、保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件下減少傳熱截面積、采用熱阻值較大的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)大型低溫球罐的特點(diǎn)，一般內(nèi)外容器的支撐形式有玻璃鋼點(diǎn)式支撐、拉帶式支撐以及內(nèi)外支柱式支撐，如圖8所示。其中圖8a、圖8c采用了熱導(dǎo)率較小的玻璃鋼進(jìn)行隔熱，圖8b采用減小傳熱橫截面積和增加傳熱路徑來降低支撐漏熱量。

大型液氫球罐的基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜，需設(shè)置壓力、溫度、液位等監(jiān)測儀表，具備氣液排注和回收系統(tǒng)，必要時采用零蒸發(fā)（zero boil-off，ZBO）儲存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液氫儲存過程中壓力控制和零損耗。液氫球罐中所有配套設(shè)備需滿足液氫溫區(qū)使用要求，如閥門[301、泵[31-33]、管路及其他配件，同時需對這些部件進(jìn)行真空絕熱，防止液氫不必要的蒸發(fā)損失。目前中國氫能的利用處于起步階段，液氫技術(shù)僅應(yīng)用在航天、軍事等領(lǐng)域，民用主要以高壓氫儲罐為主，還未建設(shè)大型液氫球罐。因此未來中國需加快大型液氫球罐及其配套設(shè)備的研發(fā)工作，為迎來氫能源革命做好準(zhǔn)備。

1.4液氫加氫站

根據(jù)加氫站的供氫方式可分為站外供氫及站內(nèi)制氫加氫站。站外供氫加氫站通過長管拖車、液氫槽車或氫氣管道將氫運(yùn)輸至加氫站，由氫氣壓縮機(jī)壓縮并輸送至高壓儲氫瓶內(nèi)儲存，待使用時通過加氫機(jī)加注到氫能源燃料電池汽車。站內(nèi)制氫加氫站是指在站內(nèi)建有制氫系統(tǒng)，通過純化、干燥、壓縮等技術(shù)完成氫的制取。站內(nèi)制氫技術(shù)主要有電解水制氫、天然氣重整制氫、可再生能源制氫[34]，其中電解水制氫和天然氣重整制氫技術(shù)設(shè)備簡單、便于安裝、自動化程度高，目前歐洲站內(nèi)制氫加氫站主要以這兩種制氫方式為主[35]。加氫站供氣類型如圖9所示[36]。

加氫站是氫能汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一，加氫站的數(shù)量決定了氫能汽車的普及程度[37]。美國、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國家將加氫站從示范推廣逐步轉(zhuǎn)向商業(yè)化運(yùn)營[38]。截至2021年底，全球共建加氫站695座，其中亞洲、歐洲以及北美在營加氫站分別為420、173和54座。中國已建成加氫站270座，累計(jì)建成數(shù)量、在營數(shù)量以及在建數(shù)量在全球首次實(shí)現(xiàn)“三個第一”，推動中國燃料電池汽車示范群建設(shè)。歐洲共在營加氫站173座，德國擁有92座，位居全球第三，緊接著是法國、英國、荷蘭和瑞士，除此之外，奧地利、比利時、冰島、丹麥等國均有新建加氫站。日本與韓國加氫站分別為157與80座，日本豐田與韓國現(xiàn)代燃料電池汽車加速推廣應(yīng)用，支撐本區(qū)域加氫站的快速增長[39]。美國加氫站集中在加州地區(qū)，目前已有49座加氫站在營，新增加氫站均為液氫加氫站，預(yù)計(jì)未來液氫加氫站將成為主流加氫模式[40]。

液氫加氫站相比于高壓氣態(tài)加氫站具有占地面積小、投資建設(shè)少[41]、氫氣純度好、站內(nèi)效率高等優(yōu)勢[42]，液氫加氫站可同時提供液氫以及高壓氫加注，適用多種類型的氫燃料電池汽車。液氫加氫站需將氣態(tài)氫溫度降至-253 ℃液化，通過液氫罐車、槽車等運(yùn)輸至加氫站儲存[43]。如圖10所示為液氫加氫站加注工藝流程，低溫液氫泵從儲罐中吸入液氫后進(jìn)行增壓，一方面可通過汽化器將液氫汽化為氫氣儲存，待加氫時通過分配管線進(jìn)行加注，該加注流程擁有溫度管理系統(tǒng)，能充分利用液氫低溫冷能冷卻加注前氫氣，液氫泵的能耗遠(yuǎn)低于氫壓縮機(jī)，顯著提高了加氫站的運(yùn)行效率。另一方面，液氫可直接從儲罐中引出經(jīng)過加氫機(jī)加入車載液氫瓶中，此加氫方式計(jì)量準(zhǔn)確，安全性較好。

目前中國由于液氫應(yīng)用規(guī)模、政策以及技術(shù)瓶頸等問題，大部分以高壓氣氫加注模式為主。2018年，中科富海與美國Air Products公司合作，將引進(jìn)世界先進(jìn)技術(shù)水平的液氫加氫站成套設(shè)備，計(jì)劃在廣東中山建立液氫儲運(yùn)式加氫站[441;2021年上海重塑、佛燃能源、國富氫能以及廣東泰極動力四方合作推進(jìn)“液氫儲氫加氫站項(xiàng)目”，計(jì)劃在廣東佛山建立三座液氫加氫站，發(fā)揮各自優(yōu)勢開展液氫儲運(yùn)技術(shù)和裝備的自主研發(fā)[45];2021年底中國首座液氫加氫站在浙江平湖建成，并配備一臺14 m3液氫儲罐，兩臺90 MPa高壓儲氫瓶以及一臺35 MPa加氫機(jī)[46]。未來中國還需從持續(xù)的氫源供給、便利的液氫運(yùn)輸、液氫加氫站配套設(shè)備的研發(fā)以及相關(guān)政策的支持等方面逐步推進(jìn)液氫加氫站建設(shè)，以推動氫能在交通領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1.5液氫接收站

液氫接收站指接收液氫的終端設(shè)施，具有接收、儲存、裝車以及汽化的功能。液氫接收站的工藝系統(tǒng)與LNG接收站相似，包括卸料系統(tǒng)、保冷循環(huán)系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、低壓外輸系統(tǒng)、蒸發(fā)氣體（boil off gas，BOG）處理系統(tǒng)、氣化外輸系統(tǒng)以及火炬放空系統(tǒng)等。液氫接收站的作用就是通過各個系統(tǒng)之間的相互協(xié)作，將海上運(yùn)輸至碼頭的液氫通過一定的工藝過程儲存在液氫儲罐并外輸至用戶[48]。為實(shí)現(xiàn)冷量的綜合利用，一般在液氫接收站旁設(shè)立冷庫用于干燥、冷凍醫(yī)療及食品，利用冷能生產(chǎn)氧、氮、氬及二氧化碳等低溫液體[49]。

液氫接收站的關(guān)鍵設(shè)備由卸料臂、液氫儲罐、液氫輸送泵、汽化器、BOG壓縮機(jī)、液氫閥門以及工藝管線組成。當(dāng)液氫專用運(yùn)輸船抵達(dá)碼頭時，卸料臂與液氫管線相連，借助液氫泵將液氫輸送至接收站儲罐，此外，為防止卸料過程中運(yùn)輸船液氫罐內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓危險(xiǎn)，應(yīng)安裝蒸發(fā)返回臂，并盡可能減少輸送過程中液氫蒸發(fā)損失，液氫接收站工藝流程如圖11所示。

日本神戶碼頭是目前世界上唯一建成的液氫接收站，用于澳大利亞褐煤衍生的大規(guī)模海上液氫運(yùn)輸供應(yīng)鏈?zhǔn)痉俄?xiàng)目[50-51]。該液氫接收站于2020年5月完成試運(yùn)行，2020年底完成澳大利亞至日本的液氫海上運(yùn)輸示范。神戶液氫接收站如圖12所示，主要設(shè)備包括卸料臂、液氫儲罐、BOG壓縮機(jī)、BOG儲罐、自增壓器以及BOG管線等，該液氫儲罐為2500m3的球罐，采用珍珠巖真空絕熱[52]。卸料臂的可靠性對液氫接收站的安全至關(guān)重要，如圖13所示，該液氫卸料臂輸送管路采用雙層金屬軟管，降低液氫輸送過程中的蒸發(fā)損失，并且具備良好的靈活性及機(jī)動性以應(yīng)對地震、海嘯等突發(fā)事故[53]。同時川崎重工研發(fā)了一款緊急釋放系統(tǒng)（emergency release system，ERS），保證輸送過程中的安全，該ERS止回閥由兩個閥體、兩個彈簧及一個夾具組成，當(dāng)一個載荷位移超過范圍值時，ERS將自啟關(guān)閉閥門，防止液氫發(fā)生泄露[54-553，ERS結(jié)構(gòu)如圖14所示。

隨著液氫大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，未來日本將從以下幾個方面對液氫接收站進(jìn)行改進(jìn)：1）建造數(shù)萬立方大型液氫儲罐，該儲罐計(jì)劃采用一種平底式結(jié)構(gòu)，如圖15所示；2）開發(fā)更大流量、更加安全可靠的卸料臂系統(tǒng)；3）制定液氫接收站及其相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)ISO標(biāo)準(zhǔn)化，為全球液氫能源供應(yīng)鏈做出貢獻(xiàn)。

目前中國已掌握大型LNG接收站核心技術(shù)，因此依托LNG接收站進(jìn)行改造或聯(lián)合開發(fā)，是短時間內(nèi)快速發(fā)展液氫接收站的有效途徑[56]。同時從政策方針、技術(shù)發(fā)展以及人才資源逐步進(jìn)行轉(zhuǎn)型，推動中國液氫接收站建設(shè)，實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)新的突破。

2移動式液氫儲運(yùn)技術(shù)

2.1車載液氫瓶

新能源汽車隨著氫能的發(fā)展也經(jīng)歷著變革[57]，為滿足高續(xù)航、輕量化的儲氫要求，車載液氫氣瓶也進(jìn)行著大量的研究工作。車載液氫氣瓶更加注重安全性能，因此在振動、火燒、跌落、真空失效及槍擊等測試方面有著特殊的要求[58-59，這也決定了車載液氫氣瓶的內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)，絕熱形式以及增壓方式不同于液氫杜瓦。

目前國內(nèi)外對車載液氫瓶進(jìn)行了大量開發(fā)工作，林德公司（Linde）為城市公交車建造了一個液氫儲存系統(tǒng)，配備3個車載190L的液氫氣瓶，該氣瓶采用高真空多層絕熱，質(zhì)量儲氫比約為7.1%，總休眠時間超過100 h[60]。通用公司為轎車設(shè)計(jì)可儲存4.5 kg液氫，總質(zhì)量90kg的車載液氫氣瓶，其質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度分別為5.1%、36.6 g/L？162]。寶馬公司（BMW）共開發(fā)七代氫發(fā)動機(jī)轎車，前六代液氫氣瓶可使2100 kg的汽車行駛580 km，但對環(huán)境熱源過于敏感，不排放儲存時間僅有2～3天，研發(fā)的Hydrogen7汽車承裝8 kg液氫，實(shí)現(xiàn)每100公里3.7kg的氫消耗163-64];美國勞倫斯-利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore national laboratory，LLNL）研發(fā)了多代低溫高壓復(fù)合材料儲氫容器，儲罐內(nèi)襯材料為鋁合金，外部纏繞碳纖維復(fù)合材料，設(shè)計(jì)壓力達(dá)35 MPa，該液氫容器具有較好的耐熱性，儲氫密度達(dá)6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[65-6]。法液空（Air Liquide）公司開發(fā)了蒸發(fā)率低于3%/d的鋁合金液氫氣瓶。國內(nèi)航天六院101所為福田液氫重卡設(shè)計(jì)了一款500L液氫儲存裝置，續(xù)航里程可達(dá)1000 km，可滿足重卡長續(xù)航行駛需求，有效拓展了氫能重卡的應(yīng)用場景67]。幾種車載液氫瓶如圖16所示。

此外，韓國、荷蘭等國家也在進(jìn)行車載液氫瓶的研發(fā)工作，2022年韓國科學(xué)技術(shù)研究所頒布了車載液氫裝備的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了兩個1000 L重卡液氫氣瓶，該氣瓶日蒸發(fā)率為2.51%/d，但其支撐部位漏熱較大，占總漏熱量的82%[68;荷蘭德爾夫特理工大學(xué)提出一種由相交球殼組合而成的復(fù)合材料液氫氣瓶，但該氣瓶內(nèi)襯與罐體材料存在較大的熱膨脹系數(shù)，熱應(yīng)力作用下液氫氣瓶結(jié)構(gòu)的完整性難以保證[69]。

2.2公路與鐵路液氫罐車

液氫罐車運(yùn)輸能力是長管氫氣拖車的10倍以上，長距離運(yùn)輸液氫時具有效率高、綜合成本低的特點(diǎn)。液氫陸運(yùn)分為公路與鐵路運(yùn)輸，公路運(yùn)輸?shù)囊簹鋬奕莘e不超過100 m3，鐵路運(yùn)輸最高可達(dá)200 m35701。液氫公路罐車由動力車頭、整車拖盤以及液氫儲罐3部分組成，液氫儲罐需配備加排液管路系統(tǒng)、氣化增壓系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、安全泄放裝置以及吹掃系統(tǒng)等，液氫儲罐的設(shè)計(jì)須與車輛結(jié)構(gòu)相匹配，滿足罐車運(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。

國內(nèi)外液氫公路運(yùn)輸已較為成熟，美國Chart公司設(shè)計(jì)制造的ST-17600H155型液氫公路罐車，內(nèi)外膽均為不銹鋼材質(zhì)，整車滿載質(zhì)量為28165 kg，液氫總?cè)萘?6.6 m3，同時配備大容量盤管能保證1.1 m3/min的卸載速率。日本川崎重工開發(fā)一款儲存容器為40 m3的液氫罐車，采用高真空多層絕熱，可儲存2800kg液氫，目前已投入使用。俄羅斯JSC公司為北京特種工程研究院設(shè)計(jì)研發(fā)了45 m3液氫罐車。中國液氫公路罐車僅用于航天及軍事領(lǐng)域，航天晨光為國家“50工程”自主研制25m3液氫運(yùn)輸車。幾種液氫公路罐車如圖18所示。

相較于液氫公路罐車，鐵路罐車不受雨雪天氣以及交通管制等因素影響，借助完善的鐵路系統(tǒng)滿足大規(guī)模、長距離液氫運(yùn)輸，具有穩(wěn)定性好、安全性高的特點(diǎn)。鐵路運(yùn)輸可有效利用既有鐵路資產(chǎn)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)運(yùn)煤、LNG專線的轉(zhuǎn)型。20世紀(jì)90年代初，中國為了滿足火箭發(fā)射需求研制了兩輛85m3液氫鐵路罐車，該罐車可直接向火箭加注、長途運(yùn)輸或短期貯存71]。JSC公司為國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了100 m3鐵路運(yùn)輸液氫槽車，其工作壓力為0.6 MPa，日蒸發(fā)率為1.2%，采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)外容器間采用固定式玻璃鋼支撐腿結(jié)構(gòu)。

隨著氫能的發(fā)展，液氫公路與鐵路運(yùn)輸?shù)淖饔迷絹碓酵怀觯湎嚓P(guān)設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)也在不斷完善。液氫公路與鐵路罐車研發(fā)時需重點(diǎn)考慮：1）內(nèi)外罐連接支撐和加強(qiáng)圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)；2）儲罐絕熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括絕熱支撐及絕熱材料；3）罐內(nèi)防波板結(jié)構(gòu)尺寸、位置及材料等因素的影響。目前液氫陸運(yùn)方面已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)一步開發(fā)液氫集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，逐步開拓氫能市場需求。

2.3液氫罐式集裝箱與多式聯(lián)運(yùn)

液氫罐式集裝箱與液化天然氣罐式集裝箱具有相同的特點(diǎn)，不僅可在公路、鐵路以及海上運(yùn)輸，還可直接放置加氫站、氣化站作固定式液氫容器使用，減少了液氫轉(zhuǎn)注過程中的蒸發(fā)損失，是一種靈活的多式聯(lián)運(yùn)裝備。液氫罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)如圖19所示，其安全性能高于液氫槽車，載荷的標(biāo)準(zhǔn)考核值是鐵路運(yùn)輸?shù)膬杀?，即使出現(xiàn)交通事故也可在框架的保護(hù)下不發(fā)生泄漏事故，安全性得到極大的提升。

在1000 km以上長遠(yuǎn)距離大規(guī)模氫的運(yùn)輸中，液氫罐式集裝箱運(yùn)輸具有明顯的成本競爭優(yōu)勢。目前只有少數(shù)國家將罐式集裝箱作為主要輸運(yùn)設(shè)備，日本從2000年開始進(jìn)行LNG罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸，儲運(yùn)技術(shù)已十分成熟，歐洲國家也在積極發(fā)展罐式集裝箱。中國富瑞深冷、中集圣達(dá)因等公司已有成熟的罐式集裝箱產(chǎn)品，2017年富瑞氫能裝備有限公司《固定式液氫容器技術(shù)條件》、《液氫罐式集裝箱技術(shù)條件》兩項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過國家評審，填補(bǔ)了中國空白。

液氫罐式集裝箱具有容量大、裝卸速度快、運(yùn)輸范圍廣、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢，可彌補(bǔ)管道供氣不足、液氫槽車運(yùn)輸半徑過小，在多種運(yùn)輸方式中輕松切換，使得液氫運(yùn)輸方式在便捷性、安全性上有質(zhì)的提升。

2.4液氫運(yùn)輸船

船舶運(yùn)輸是全球范圍內(nèi)分配氫源的有效運(yùn)輸方式，具有運(yùn)輸成本低、運(yùn)載量大等優(yōu)勢[72-73]。鑒于液氫自身物理特性，船舶運(yùn)輸過程中存在以下難點(diǎn)：1）海上環(huán)境復(fù)雜，罐內(nèi)液氫發(fā)生嚴(yán)重晃動，液氫較低溫度易引起罐體發(fā)生冷收縮變形，增加了罐體的設(shè)計(jì)難度；2）由于液氫密度較小，減少了船體壓載及排水量，從船舶設(shè)計(jì)角度難以達(dá)到吃水線要求[74]。因此液氫運(yùn)輸船技術(shù)門檻較高，目前僅有美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家擁有海上運(yùn)輸液氫技術(shù)[75-76]。

1991年日本提出南太平洋太陽能光伏制氫計(jì)劃，采用270艘運(yùn)輸船將液氫運(yùn)回日本，液氫儲罐的總?cè)莘e為125000 m3，其中運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)氫（boil-off H？，BOH）用作發(fā)動機(jī)燃料，運(yùn)行效率可提高35%77]。1993年歐洲氫能項(xiàng)目（Euro-Quebec hydro-hydrogen pilot project，EQHHPP）提出從加拿大到德國大型海上液氫運(yùn)輸概念，計(jì)劃建造15000 m3液氫運(yùn)輸船，采用5個圓柱型儲罐儲存液氫，該液氫儲罐絕熱方式為高真空多層絕熱，蒸發(fā)率低于0.1%/d[78-801，主體參數(shù)如表4所示。

1998年日本在世界能源網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（World Energy Net-Work，WE-NET）中研究了球形以及菱形兩種規(guī)格大型LNG運(yùn)輸船，計(jì)劃將其改造用于液氫儲運(yùn)，儲罐總?cè)莘e為200000 m3，

NASA通過海路將液氫從路易斯安那州運(yùn)送到肯尼迪空間發(fā)射中心，該液氫運(yùn)輸船裝載3個980 m3液氫儲罐[82]。荷蘭Shell和法國GTT公司將合作開發(fā)液氫運(yùn)輸新技術(shù)，包括大型液氫運(yùn)輸船。德國針對未來大規(guī)模海上液氫儲運(yùn)技術(shù)，開展總?cè)莘e為120000 m3的大型液氫運(yùn)輸船設(shè)計(jì)，并對多種類型船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析[74]。近年來，日本建造了世界上第一艘液氫專用運(yùn)輸船“SUISO FRONTIER”號，船體全長116m、寬19m，總質(zhì)量約8000t，該液氫運(yùn)輸船相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示，船體結(jié)構(gòu)如圖21所示。船上搭載了川崎重工制造的橢圓柱形液氫儲罐，該儲罐長25 m、高16m，能儲存1250 m3液氫，整體結(jié)構(gòu)采用高真空多層絕熱，內(nèi)外容器支撐使用熱導(dǎo)率低且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的新型復(fù)合材料[75，83]。

此外，川崎重工開發(fā)了兩款備選液氫運(yùn)輸船方案，液氫的儲存能力分別為160000和2500m3，圖22為其概念設(shè)計(jì)示意圖。初步階段船舶主發(fā)動機(jī)采用柴油發(fā)動機(jī)或純蒸汽機(jī)，未來計(jì)劃采用燃料電池發(fā)電機(jī)，將液氫運(yùn)輸船蒸發(fā)氣用于船舶動力[84853]。

挪威Moss Maritime、Wilhelmsen和DNV-GL公司正在合作開發(fā)9000 m3液氫船舶，該船除運(yùn)輸業(yè)務(wù)外，還可用于向商船提供液氫加注服務(wù)[23，86]。英國為應(yīng)對未來大規(guī)模液氫海運(yùn)技術(shù)，計(jì)劃建造“JAMILA”號液氫運(yùn)輸船，該船總長370m、寬75m，4個大型液氫儲罐總?cè)莘e為280000 m3，約儲存2萬t液氫[74，87]。兩種船體結(jié)構(gòu)如圖23所示。

由以上概念及實(shí)際液氫運(yùn)輸船設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：1）液氫運(yùn)輸船的船體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、整體布局等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求可參考液化天然氣運(yùn)輸船技術(shù)；2）長距離、長時海上液氫運(yùn)輸需高性能的絕熱系統(tǒng)，包括絕熱材料與絕熱支撐；3）液氫密度較小，對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高，但氫的泄漏、意外碰撞和擱淺等事故處理有著特殊的要求；4）液氫裝載和卸載過程存在較大的蒸發(fā)損耗，需全面考慮管線等附屬設(shè)備的維溫技術(shù)。

為滿足全球范圍內(nèi)氫源的輸送需求，采用大規(guī)模海上運(yùn)輸液氫是十分必要且可行的方案，完善氫能長途海運(yùn)方案，將會極大的促進(jìn)氫能區(qū)域流通。

3液氫儲運(yùn)技術(shù)展望

液氫在儲氫密度、儲運(yùn)效率等方面，相較于其他儲氫方式均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但低溫液態(tài)儲氫仍存在許多難點(diǎn)，結(jié)合液氫儲運(yùn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)對未來發(fā)展作如下展望。

1）儲罐材料是液氫儲運(yùn)技術(shù)的基本保障，常用低溫材料有不銹鋼、鋁合金、鈦合金以及復(fù)合材料，由于高氫環(huán)境易造成材料氫脆、氫蝕及氫滲透從而影響其力學(xué)性能，因此需開展材料抗氫脆、氫滲透、氫敏感性研究，獲得液氫環(huán)境下材料的熱性能及力學(xué)性能參數(shù)。對于大容積液氫儲罐，建議開展大壁厚、高強(qiáng)度專用材料的研發(fā)和試制，并加強(qiáng)儲氫材料質(zhì)量檢測工作。

2）低溫絕熱是液氫儲存技術(shù)的核心，一方面要加強(qiáng)主體絕熱材料的研究應(yīng)用，目前低溫絕熱型式較多，但相關(guān)絕熱性能的預(yù)測模型較少且準(zhǔn)確度不高，絕熱材料性能受多方面復(fù)雜因素影響，開展絕熱材料基本熱力性能參數(shù)試驗(yàn)、建立絕熱材料熱力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、有效構(gòu)建高精度絕熱性能數(shù)學(xué)預(yù)測模型等工作，能對液氫儲罐的保冷起到積極作用；另一方面要提高絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，液氫容器的絕熱支撐將直接影響其日蒸發(fā)率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，良好的絕熱支撐結(jié)構(gòu)不僅能有效減小環(huán)境漏熱，降低液氫蒸發(fā)損失，同時也能滿足液氫儲運(yùn)過程中的強(qiáng)度要求，絕熱支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是目前液氫容器研究開發(fā)的創(chuàng)新性熱點(diǎn)。

3）熱力學(xué)行為研究是液氫儲運(yùn)過程的關(guān)鍵，液氫沸點(diǎn)極低、汽化潛熱較小，儲運(yùn)過程中存在晃動、閃蒸、熱分層等問題，汽化后超壓排放不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，且易引起二次爆燃等事故，開展液氫熱力儲存過程中壓力演化、溫度分層以及液面變化等關(guān)鍵技術(shù)的研究，探究液氫長時、高效儲存的控制方法有助于研發(fā)高性能液氫儲罐。

4）相關(guān)配套設(shè)備的研發(fā)是液氫儲運(yùn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，液氫閥門、泵等關(guān)鍵設(shè)備存在漏熱、汽蝕、潤滑及密封等技術(shù)難點(diǎn)，液氫閥的閥桿、閥芯以及液氫泵的活塞、氣缸等高精度部件在超低溫環(huán)境下仍需保持良好的機(jī)械性能，未來需從材料性能、冷量損失、構(gòu)件磨損、容積泄露以及潤滑密封等方面著手，研發(fā)高效、緊湊、安全可靠及低成本的液氫儲運(yùn)關(guān)鍵設(shè)備。

5）液氫生產(chǎn)、加注、計(jì)量、事故預(yù)測、事后處理及成本控制等工作也是液氫規(guī)模化應(yīng)用的重點(diǎn)，要加快以液氫為核心的氫能產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈發(fā)展，形成良好的液氫供應(yīng)模式，保障液氫產(chǎn)業(yè)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。

6）液氫儲運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立能有效支撐液氫產(chǎn)業(yè)安全、健康、有序發(fā)展，但目前中國相關(guān)液氫民用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)空白，嚴(yán)重阻礙了液氫產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。逐步完善液氫儲運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化體系，推動各地相關(guān)政策法規(guī)實(shí)施，提前布局液氫系列標(biāo)準(zhǔn)國際化，為中國液氫安全高效儲運(yùn)助力。

4結(jié)束語

在“雙碳”背景下，氫能將迎來巨大的發(fā)展契機(jī)，未來將逐漸向民用、商用過渡。液氫儲運(yùn)作為氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，須加快其核心技術(shù)國產(chǎn)化、平價化，提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，完善基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建成熟的液氫技術(shù)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈。同時需建立健全液氫儲運(yùn)頂層設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)體系，提前布局液氫產(chǎn)業(yè)，為未來規(guī)?；瘧?yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐碩，余碧瑩.中國氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2021，23（6）：1-12.

XU S，YU B Y.Current development and prospect ofhydrogen energy technology in China[J].Journal ofBeijing Institute of Technology（social sciences edition），2021，23（6）：1-12.

[2]REN L，ZHOU S，OU X M.Life-cycle energyconsumption and greenhouse-gas emissions of hydrogensupply chains for fuel-cell vehicles in China[J].Energy，2020，209：118482.

[3]RATNAKAR R R，GUPTA N，ZHANG K，etal.Hydrogen supply chain and challenges in large-scale LH？storage and transportation[J].International journal ofhydrogen energy，2021，46（47）：24149-24168.

[4]鄒才能，李建明，張茜，等.氫能工業(yè)現(xiàn)狀、技術(shù)進(jìn)展、挑戰(zhàn)及前景[J].天然氣工業(yè)，2022，42（4）：1-20.ZOU C N，LI J M，ZHANG X，etal.Industrialstatus，technologicalprogress，challenges and prospects ofhydrogen energy [J].Natural gas industry，2022，42（4）：1-20.

[5]鄭津洋，馬凱，葉盛，等.我國氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].壓力容器，2022，39（3）：1-8.

ZHENG JY，MA K，YE S，etal.Development status andchallenges of equipment for storage and transportation ofhigh-pressure gaseous hydrogen in China [J].Pressurevessel technology，2022，39（3）：1-8.

[6]TARHAN C，ALI CIL M.A study on hydrogen，thecleanenergy of the future：hydrogen storage methods[J].Journalof energy storage，2021，40：102676.

[7]JIANG Z T.Feasibilityinvetigation of several hydrogengenerationamp;storage methods [C]//2021 InternationalConference on Energy Technology and EngineeringManagement（ETEM 2021）.Harbin，China，2021.

[8]陳曉露，劉小敏，王娟，等.液氫儲運(yùn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化[J].化工進(jìn)展，2021，40（9）：4806-4814.

CHEN X L，LIU X M，WANG J，etal.Technologyandstandardization of liquid hydrogen storage andtransportatio[].Chemical industry and engineeringprogress，2021，40（9）：4806-4814.

[9]蒲亮，余海帥，代明昊，等.氫的高壓與液化儲運(yùn)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2022，67（19）：2172-2191.

PU L，YU H S，DAI MH，etal.Research progress andapplication of high-pressure hydrogen and liquid hydrogenin storage and transportation[J].Chinese science bulletin，2022，67（19）：2172-2191.

[10]王芳.大型液氫貯罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2006.

WANG F.Structural design of large liquid hydrogenstorage tank[D].Nanjing：Southeast University，2006.

[11]陳崇昆.300 m3液氫運(yùn)輸槽車液氫貯罐的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

CHEN C K.Development of liquid hydrogen storage tankfor 300 m3liquid hydrogen transport tank car[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.

[12]MENG B，GU CH，ZHANG L，etal.Hydrogen effects onX80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogenmixtures[J].International journal of hydrogen energy，2017，42（11）：7404-7412.

[13]MANSILLA C，BOURASSEAU C，CANY C，etal.Hydrogenapplications：overview of the key economicissues and perspectives [M].Hydrogen Supply Chains.Amsterdam：Elsevier，2018：271-292.

[14]QIU Y N，YANG H A，TONG L G，etal.Researchprogress of cryogenic materials for storage andtransportation of liquid hydrogen[J].Metals，2021，11（7）：1101.

[15]ZHENG C S，YU W W.Effect of low-temperature onmechanical behavior for an AISI 304 austenitic stainlesssteel [J].Materials science and engineering：A，2018，710：359-365.

[16]HUANG S，MA D H，SHENG J，etal.Effects of laserpeening on tensile properties and martensitictransformation of AISI 316L stainless steel in a hydrogen-rich environment [J].Materials science and engineering：A，2020，788：139543.

[17]STEWARTM.Selection of tank materials [M].SurfaceProduction Operations.Amsterdam：Elsevier，2021：777-793.

[18]CLEMENS H，SMARSLY W.Light-weight intermetallictitanium aluminides-status of research and development[J].Advanced materials research，2011，278：551-556.

[19]QU C B，HUANG Y，LI F，etal.Enhancedcryogenicmechanical properties of carbon fiber reinforced epoxycomposites by introducing graphene oxide[J].Compositescommunications，2020，22：100480

[20]何遠(yuǎn)新，熊珍艷，王紅星，等.小型液氫儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造[J].太陽能，2022（5）：115-119.

HE Y X，XIONG Z Y，WANG H X，etal.Structuraldesign and manufacture of small-scale liquid hydrogenstorage tank[J].Solar energy，2022（5）：115-119.

[21]KRENN A，DESENBERG D.Return to service of a liquidhydrogen storage sphere [J].IOP conference series：materials science and engineering，2020，755（1）：012023.

[22]YOSHINO Y，HARADA E，INOUE K，etal.Feasibilitystudyof“CO？free hydrogen chain”utilizingAustralianbrown coal linked with CCS[J].Energy procedia，2012，29：701-709.

[23]ISHIMOTO Y，VOLDSUND M，NEKSA P，etal.Large-scale production and transport of hydrogen from Norway toEurope and Japan：value chain analysis and comparison ofliquid hydrogen and ammonia as energy carriers [J].International journal of hydrogen energy，2020，45（58）：32865-32883.

[24]ZHENG JP，CHEN L B，WANG P，etal.Anovelcryogenic insulation system of hollow glass microspheresand self-evaporation vapor-cooled shield for liquidhydrogen storage[J].Frontiers in energy，2020，14（3）：570-577.

[25]BAUMGARTNER R G.Demonstration of microsphereinsulation in cryogenic vessels [C]//AIP ConferenceProceedings.Keystone，Colorado，USA，2006.

[26]SASS JP，F(xiàn)ESMIRE JE，NAGY Z F，etal.Thermalperformance comparison of glass microsphere and perliteinsulation systems for liquid hydrogen storage tanks[C]//AIP Conference Proceedings.Chattanooge，Tennessee，USA，2008.

[27]嚴(yán)開祺，王平，張敬杰.空心玻璃微球低溫絕熱性能研究進(jìn)展[J].真空與低溫，2016，22（2）：63-69.

YAN K Q，WANG P，ZHANG J J.Progress in thecryogenic insulation of hollow glass microspheres [J].Vacuum and cryogenics，2016，22（2）：63-69

[28]SASS JP，ST CYR WW，BARRETT T M，etal.Glassbubbles insulation for liquid hydrogen storage tanks[C]//AIP conference proceedings，Tucson，Arizona，USA，2010.

[29]FESMIRE J，SWANGER A，JACOBSON J.Energyefficient large-scale storage of liquid hydrogen [C]//IOPConferenceseries：materials science and engineering，2022，1240（1）：012088.

[30]LYU BK，XU D，LI LF，etal.A 20 K cryogen-free leakdetection system for cryogenic valves by using a GMcryocooler[J].Cryogenics，2021，117：103332.

[31]LEE J，LEE J，LEE J.A study on air-tightness of highpressure liquid hydrogen pumping system at the lowtemperature[J].Transactions of the Korean Hydrogen andNew Energy Society，2013，24（4）：302-310.

[32]PETITPAS G，MORENO-BLANCO J，ESPINOSA-LOZAF，etal.Rapid high density cryogenic pressure vesselfilling to 345 bar with a liquid hydrogen pump[J].International journal of hydrogen energy，2018，43（42）：19547-19558.

[33]PETITPAS G，ACEVES S M.Liquid hydrogen pumpperformance and durability testing through repeatedcryogenic vessel filling to 700 bar[J].International journalof hydrogen energy，2018，43（39）：18403-18420.

[34]APOSTOLOU D，XYDIS G.A literature review onhydrogenrefuelling stations and infrastructure.currentstatus and future prospects[J].Renewable and sustainableenergy reviews，2019，113：109292.

[35]RIEDL S M.Development of a hydrogen refueling stationdesign tool[J].International journal of hydrogen energy，2020，45（1）：1-9.

[36]段志祥，管堅(jiān)，石坤.我國加氫站發(fā)展現(xiàn)狀綜述及問題分析[J].化工裝備技術(shù)，2021，42（4）：5-9.

DUAN Z X，GUAN J，SHI K.Summary and problemanalysis on development status of hydrogenation station inChina[J].Chemical equipment technology，2021，42（4）：5-9.

[37]潘相敏，梁陽，劉京京，等.國內(nèi)外加氫站發(fā)展述評及相關(guān)建議[J].交通與運(yùn)輸，2020，36（3）：97-101.

PAN X M，LIANG Y，LIU J J，etal.Developmentofhydrogen refueling stations at home and abroad and relatedsuggestions [J].Traffic amp;transportation，2020，36（3）：97-101.

[38]ALAZEMI J，ANDREWS J.Automotive hydrogen fuellingstations：an international review [J].enewableandsustainable energy reviews，2015，48：483-499.

[39]KIM H，EOM M，KIM B I.Development of strategichydrogen refueling station deployment plan for Korea[J].International journal of hydrogen energy，2020，45（38）：19900-19911.

[40]朱琴君，?？∽?國內(nèi)液氫加氫站的發(fā)展與前景[J].煤氣與熱力，2020，40（7）：15-19，45.

ZHU QJ，ZHUJZ.Development and prospect of domesticliquid hydrogen refueling stations in China [J].Gas amp;heat，2020，40（7）：15-19，45.

[41]YAICI W，LONGO M.Feasibility investigation ofhydrogenrefuelling infrastructure for heavy-duty vehiclesin Canada[J].Energies，2022，15（8）：1-31.

[42]MAYER T，SEMMEL M，GUERRERO MORALES M A，etal.Techno-economic evaluation of hydrogen refuelingstations with liquid or gaseous stored hydrogen[J].International journal of hydrogen energy，2019，44（47）：25809-25833.

[43]王江濤.多種形式加氫合建站建設(shè)優(yōu)化與技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化工，2022，42（1）：7-12.

WANG J T.Construction optimization and technicalresearch for various types of combined hydrogen fuelingstation[J].Modern chemical industry，2022，42（1）：7-12.

[44]郝加封，曲偉強(qiáng)，滕磊軍，等.加氫站加氫槍特點(diǎn)與技術(shù)研發(fā)難點(diǎn)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2020（3）：35-39.

HAO JF，QUwQ，TENGLJ，etal.Characteristicsandtechnical research and development difficulties ofhydrogen Gun in hydrogen refueling station [J].Newtechnologyamp;new products of China，2020（3）：35-39.

[45]李躍娟，趙梓茗，姚占輝，等.中國典型區(qū)域車用氫能源產(chǎn)業(yè)及經(jīng)濟(jì)性分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，48（3）：331-344.

LI Y J，ZHAO Z M，YAO ZH，etal.Hydrogenenergyindustry and economic analysis for vehicles inrepresentative regions of China[J].Journal of BeijingUniversity of Technology，2022，48（3）：331-344.

[46]YUAN W H，LI J F，ZHANG R P，etal.Numericalinvestigation of the leakage and explosion scenarios inChina's first liquid hydrogen refueling station [J].International journal of hydrogen energy，2022，47（43）：18786-18798.

[47]LISX，LONG JH，SUI P C，etal.Addition of hydrogenrefueling for fuel cell bus fleet to existing natural gasstations：a case study in Wuhan，China[J].Internationaljournal of energy research，2019：er.4728.

[48]LEE J S，CHERIF A，Y0ON H J，etal.Large-scaleoverseas transportation of hydrogen：comparative techno-economic and environmental investigation[J].Renewableand sustainable energy reviews，2022，165：112556.

[49]KIM J，PARK H，JUNG W，etal.Operation scenario-based design methodology for large-scale storage systemsof liquid hydrogen import terminal[J].Internationaljournal of hydrogen energy，2021，46（80）：40262-40277.

[50]ISHIMOTO Y，KUROSAWA A，SASAKURA M，etal.Significance of CO？-free hydrogen globally and for Japanusing a long-term global energy system analysis[J].International journal of hydrogen energy，2017，42（19）：13357-13367.

[51]HANCOCK L，RALPH N.A framework for assessing fossilfuel ‘retrofit’hydrogenexports：security-justiceimplications of Australia’s coal-generated hydrogenexports to Japan[J].Energy，2021，223：119938.

[52]OYAMA S，SATOH S，SAKANAKA S.HAZID for CO？-free hydrogen supply chain FEED（front end engineeringdesign）[J].International journal of hydrogen energy，2017，42（11）：7322-7330.

[53]趙雅琦.LNG接收站卸料臂安全風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估及預(yù)警研究[D].北京：中國石油大學(xué)（北京），2020.

ZHAO Y Q.Dynamic risk assessment and early warning ofunloading arm in LNG terminal[D].Beijing：ChinaUniversityofPetroleum（Beijing），2020.

[54]INOMATA A，UMEMURA T，KAWAGUCHI J，etal.Performance test and analysis of the developed emergencyrelease system for liquefied hydrogen installed in loadingsystems[J].IOP conference series：materials science andengineering，2019，502：012147.

[55]UNNO S，TAKASE T，UMEMURA T，etal.Liquefiedhydrogen loading arm and liquefied hydrogen transportmethod：US10495258[P].2019-12-03.

[56]王江濤，楊璐.氫能產(chǎn)業(yè)與LNG接收站聯(lián)合發(fā)展技術(shù)分析[J].現(xiàn)代化工，2019，39（11）：5-11.

WANG J T，YANGL.Technical analysis on jointdevelopment of hydrogen industry and LNG terminal [J].Modern chemical industry，2019，39（11）：5-11.

[57]HOSSEINI SE，BUTLER B.An overview of developmentand challenges in hydrogen powered vehicles [J].International journal of green energy，2020，17（1）：13-37.

[58]RüDIGERH.Design characteristics and performance of aliquid hydrogen tank system for motor cars [J].Cryogenics，1992，32（3）：327-329.

[59]MICHEL F，F(xiàn)IESELER H，MEYER G，etal.On-boardequipment for liquid hydrogen vehicles [J].Internationaljournal of hydrogen energy，1998，23（3）：191-199.

[60]KNORR H，HELD W，PRüMMW，etal.Themanhydrogen propulsion system for city buses[J].Internationaljournal of hydrogen energy，1998，23（3）：201-208.

[61]ARNOLD G，WOLF J.Liquid hydrogen for automotiveapplication next generation fuel for FC and ICE vehicles[J].TEION KOGAKU（Journal of the Cryogenic Society ofJapan），2005，40（6）：221-230.

[62]張志蕓，張國強(qiáng)，劉艷秋，等.車載儲氫技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].油氣儲運(yùn)，2018，37（11）：1207-1212.

ZHANG Z Y，ZHANG G Q，LIU YQ，etal.Researchstatus and development direction of on-board hydrogenstorage technologies [J].Oil amp;gas storage andtransportation，2018，37（11）：1207-1212.

[63]AMASEDER F，KRAINZ G.Liquid hydrogen storagesystems developed and manufactured for the first time forcustomer cars[C]//SAE Technical Paper Series.2006，1：0432.

[64]WALLNER T，LOHSE-BUSCHH，GURSKIS，etal.Fueleconomy and emissions evaluation of BMW Hydrogen 7Mono-Fuel demonstration vehicles [J].Internationaljournal of hydrogen energy，2008，33（24）：7607-7618.

[65]ACEVES S M，ESPINOSA-LOZA F，LEDESMA-OROZCO E，etal.High-density automotive hydrogenstorage with cryogenic capable pressure vessels [J].International journal of hydrogen energy，2010，35（3）：1219-1226.

[66]ESPINOSA-LOZA F J.Analysis and design of cryogenicpressure vessels for automotive hydrogen storage [D].Davis：University of California，2014.

[67]張爽.氫能與燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望[J].當(dāng)代化工研究，2022（11）：9-11.

ZHANG S.Analysis and prospect of the developmentstatus of hydrogen energy and fuel cells[J].odernchemical research，2022（11）：9-11.

[68]CHOI Y，KIM J，PARK S，etal.Design and analysis ofliquid hydrogen fuel tank for heavy duty truck[J].International journal of hydrogen energy，2022，47（32）：14687-14702.

[69]TAPEINOS I G，KOUSSIOS S，GROVES R M.Designand analysis of a multi-cell subscale tank for liquidhydrogen storage[J].International journal of hydrogenenergy，2016，41（5）：3676-3688.

[70]曹軍文，覃祥富，耿嘎，等.氫氣儲運(yùn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2021，37（6）：1461-1478.

CAO JW，QIN XF，GENG G，etal.Current status andprospects of hydrogen storage and transportation technology[J].Acta petroleisinica（petroleum processing section），2021，37（6）：1461-1478.

[71]王紅雨，黃宏，陳光奇，等.85 m3液氫鐵路槽車的檢漏和抽空[J].低溫工程，2007（6）：38-42，50.

WANG H Y，HUANG H，CHEN G Q，etal.Leakdetection and evacuation for 85 m3railway vessel car ofliquid hydrogen[J].Cryogenics，2007（6）：38-42，50.

[72]AHN J，YOU H，RYU J，etal.Strategy for selecting anoptimal propulsion systemof a liquefied hydrogen tanker[J].International journal of hydrogen energy，2017，42（8）：5366-5380.

[73]BABARIT A，GILLOTEAUX JC，CLODIC G，etal.Techno-economic feasibility of fleets of far offshorehydrogen-producing wind energy converters [J].International journal of hydrogen energy，2018，43（15）：7266-7289.

[74]ABDULLAH N A，SURESH S，PERICLES P.A hydrogenfuelledLH？tanker ship design[J].Ships and offshorestructures，2022，17（7）：1555-1564.

[75]LEE J，CHOI Y，CHE S，etal.Integrateddesignevaluation of propulsion，electricpower，and re-liquefaction system for large-scale liquefied hydrogentanker[J].International journal of hydrogen energy，2022，47（6）：4120-4135.

[76]NOH H J，KANG K G，SEO Y K.Environmentalandenergy efficiency assessments of offshore hydrogen supplychains utilizing compressed gaseous hydrogen，liquefiedhydrogen，liquid organic hydrogen carriers and ammonia[J].International journal of hydrogen energy，2023，48（20）：7515-7532.

[77]HIRAOKA K，WATANABE K，MORISHITA T，etal.Energy analysis and CO？emission evaluation of a solarhydrogen energy system for the transportation system inJapan—II.evaluationof the system[J].Internationaljournal of hydrogen energy，1991，16（11）：755-764.

[78]GRETZ J，BASELT JP，ULLMANN O，etal.The 100 MWeuro-Quebec hydro-hydrogen pilot project[J].Internationaljournal of hydrogen energy，1990，15（6）：419-424.

[79]PETERSENU，WüRSIGG，KRAPPR.Design and safetyconsiderations for large-scale sea-borne hydrogen transport[J].International journal of hydrogen energy，1994，19（7）：597-604.

[80]GIACOMAZZI G，GRETZ J.Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Project（EQHHPP）：a challenge to cryogenictechnology[J].Cryogenics，1993，33（8）：767-771.

[81]MITSUGI C，HARUMI A，KENZO F.WE-NET：Japanese hydrogen program[J].International journal ofhydrogen energy，1998，23（3）：159-165.

[82]ABE A，NAKAMURA M，SATO I，etal.Studies of thelarge-scale sea transportation of liquid hydrogen[J].International journal of hydrogen energy，1998，23（2）：115-121.

[83]MAEKAWA K，TAKEDA M，HAMAURA T，etal.Firstexperiment on liquid hydrogen transportation by shipinside Osaka Bay[J].IOP conference series：materialsscience and engineering，2017，278：012066.

[84]KAMIYA S，NISHIMURA M，HARADA E.Studyonintroduction of CO？free energy to Japan with liquidhydrogen[J].Physics procedia，2015，67：11-19.

[85]時光志.液氫運(yùn)輸船技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].船海工程，2022，51（2）：81-85.

SHI GZ.On technical status and development direction ofliquid hydrogen carrier[J].Ship amp;ocean engineering，2022，51（2）：81-85.

[86]BERSTAD D，GARDARSDOTTIR S，ROUSSANALY S，etal.Liquid hydrogen as prospective energy carrier：abrief review and discussion of underlying assumptions applied in value chain analysis [J].Renewable andsustainable energy reviews，2022，154：111772.

[87]ALKHALEDI A N，SAMPATH S，PILIDIS P.Propulsionof a hydrogen-fuelledLH？tanker ship [J].Internationaljournal of hydrogen energy，2022，47（39）：17407-17422.

DEVELOPMENT STATUS AND PROSPECT OF LIQUID HYDROGENSTORAGE AND TRANSPORTATION TECHNOLOGY

Wang Xin1，Chen Shuping1，Zhu Ming2

（1.College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China;

2.China Special Equipment Inspection and Research Institute ，Beijing 100029，China）

Abstract：Liquid hydrogen has the characteristics of high storage density and energy.However，limited by the physical properties ofliquidhydrogen，its storage and transportation technologies restrict its large-scale application.In this paper，the fixed and mobile liquidhydrogen storage equipment worldwide in recent years have been investigated.Aiming at the current technical challenges，thecriticaltechnologies of liquid hydrogen storage and transportation are summarized in terms of hydrogen storage materials，low-temperatureinsulation，fluid thermodynamic features，supporting equipment and standard system，etc.The current situation and the developmenttrend of liquid hydrogen storage and transportation are analyzed.And the major development direction of liquid hydrogen storage andtransportation technology in the future is proposed，which will effectively promote the research and development of high-performanceliquid hydrogen storage and transportation equipment in China and ensure the safe use of liquid hydrogen on a large scale in the future.

Keywords：liquidhydrogen;storage and transportation technology;low temperature insulation;hydrogen storage container;structural design