液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化

陳曉露，劉小敏，王娟，張邦強(qiáng)，楊海波，楊燕梅，鮑威，3

（1 佛山綠色發(fā)展創(chuàng)新研究院，廣東 佛山 528200；2 國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新基地（氫能），廣東 佛山 528200；3 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191）

氫氣作為一種優(yōu)良的能源載體，具有高效、清潔、無(wú)污染和可持續(xù)等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前最有前景的清潔能源之一[1-2]。美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家都從國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度，制定了長(zhǎng)期的氫能源發(fā)展戰(zhàn)略。早在2001 年，美國(guó)就出臺(tái)了《國(guó)家氫能源發(fā)展藍(lán)圖報(bào)告》，2002年美國(guó)能源部又提出了《向氫經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的2030年遠(yuǎn)景展望報(bào)告》；歐盟于2003 年發(fā)表了《未來(lái)氫能和燃料電池展望總結(jié)報(bào)告》；日本也于2003年就推出了《WE-NET》計(jì)劃開(kāi)發(fā)氫能，總投資110億美元[3-4]。近年來(lái)全球氫能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展熱潮，歐盟于2020 年推出了《歐盟氫能源戰(zhàn)略》，同年法國(guó)、西班牙、德國(guó)、荷蘭等國(guó)家也發(fā)布了氫能戰(zhàn)略；在亞洲地區(qū)，中、日、韓三國(guó)政府出臺(tái)了多項(xiàng)氫能與氫燃料電池汽車發(fā)展路線圖，制定了一系列氫能產(chǎn)業(yè)支持政策；在北美地區(qū)，加拿大也于2020 年推出了《國(guó)家氫戰(zhàn)略》，美國(guó)氫能政策推進(jìn)較為緩慢，但也在部分地區(qū)推出了相關(guān)政策鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于起步階段，現(xiàn)階段問(wèn)題較多，如氫能發(fā)展頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃不足、區(qū)域氫源短缺、關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失等。氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)包括氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用，其中儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與氣態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫相比，液氫儲(chǔ)運(yùn)具有純度高、遠(yuǎn)距離輸運(yùn)成本低、加注效率高等優(yōu)點(diǎn)，是氫儲(chǔ)運(yùn)的重要研究方向[5-7]。我國(guó)液氫發(fā)展由于起步較晚，各環(huán)節(jié)技術(shù)均遠(yuǎn)落后于國(guó)外，制約了我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文分析主要針對(duì)液氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，由于我國(guó)液氫目前主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，可參考的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，國(guó)內(nèi)尚無(wú)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得液氫難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模民用，因此液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究十分必要。

1 液氫特性及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 液氫特性

液氫最早是通過(guò)預(yù)冷、節(jié)流和換熱等過(guò)程將氫氣液化所得。按制冷方式，目前已應(yīng)用的氫氣液化流程主要包括三種：預(yù)冷型林德-漢普遜流程、克勞特流程和氦制冷液化流程[8]。其中，預(yù)冷型林德-漢普遜流程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，一般用于中、小型氫液化裝置[9]；隨著透平膨脹機(jī)廣泛應(yīng)用于預(yù)冷型克勞特流程，液氮預(yù)冷的克勞特循環(huán)熱力完善度遠(yuǎn)高于預(yù)冷型林德-漢普遜系統(tǒng)，目前大規(guī)模的氫液化裝置主要采用預(yù)冷型克勞特流程[10]；氦制冷液化流程中氫氣不參與制冷過(guò)程，工作壓力較低，因此整個(gè)流程更加安全可靠，但氦制冷液化流程的能耗較高，因此一般常用于小型氫液化裝置[11]。

液氫是一種無(wú)色、無(wú)味的高能液體燃料，一個(gè)大氣壓（101325Pa）下，液氫的飽和溫度約為20K，飽和密度約為70.8kg/m3。常溫常壓下，液態(tài)氫氣的密度比氣態(tài)氫氣的密度高845 倍[12]。氫氣由于氣化潛熱低，液化難度較大，僅次于氦氣。但氫氣液化得到的液氫貯存方便、儲(chǔ)氫密度大、單位質(zhì)量熱值高，是氫能應(yīng)用的重要途徑[13]。

表1為儲(chǔ)存相同質(zhì)量氫氣的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種儲(chǔ)氫系統(tǒng)的性能比較[14]；表2為儲(chǔ)氫合金、液化儲(chǔ)氫和汽油的各項(xiàng)性能比較[15]。由表1、表2 可以看出，儲(chǔ)存相同質(zhì)量的氫時(shí)，液氫所需的儲(chǔ)器容積和總質(zhì)量均遠(yuǎn)低于氣態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，且液氫具有明顯高于儲(chǔ)氫合金和汽油的質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度。因此，液化儲(chǔ)氫是一種較為理想的儲(chǔ)氫技術(shù)。

表1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)比較（儲(chǔ)存相同質(zhì)量氫氣）[14]

表2 儲(chǔ)氫合金、液化儲(chǔ)氫和汽油各項(xiàng)性能比較[15]

液氫是一種具有良好發(fā)展前景的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式，但液氫的使用安全問(wèn)題一直備受關(guān)注。由于溫度低、沸點(diǎn)低，液氫一旦發(fā)生泄漏，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。一方面，液氫的低溫特性可能對(duì)周圍的設(shè)備和人員造成較大的傷害；另一方面，液氫蒸發(fā)后形成的氣氫由于可燃范圍寬（4%～75%）[16]，且擴(kuò)散性強(qiáng)，與空氣混合后會(huì)形成可燃?xì)庠疲瑯O易發(fā)生著火或爆炸。國(guó)內(nèi)外關(guān)于液氫泄漏擴(kuò)散的試驗(yàn)和模擬研究較多[17-19]，液氫發(fā)生意外泄漏時(shí)的擴(kuò)散規(guī)律和防范措施也是液氫使用安全中的重要問(wèn)題[20]。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)氫密度的要求也越來(lái)越高。國(guó)際能源署（IEA）提出單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高于5%，體積密度高于50kg/m3；美國(guó)能源部（DOE）則提出，用于燃料電池汽車的氫氣質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度要達(dá)到6.5%。液氫作為目前唯一能夠滿足高儲(chǔ)氫密度要求的深冷儲(chǔ)供技術(shù)，其儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

1.2 正仲氫

正仲氫轉(zhuǎn)換是氫氣液化過(guò)程中需要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。氫通常是正氫和仲氫的混合物，且平衡氫中正仲氫的濃度比是溫度的函數(shù)。在通常溫度時(shí)，平衡氫是含75%的正氫和25%的仲氫的混合物，稱為正常氫（或標(biāo)準(zhǔn)氫），用符號(hào)n-H2表示。

當(dāng)溫度降低時(shí)，具有高能態(tài)的正氫會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)化為低能態(tài)的仲氫，使得仲氫濃度不斷上升，并釋放轉(zhuǎn)化熱。液態(tài)氫在沒(méi)有催化劑的情況下也會(huì)發(fā)生正-仲氫轉(zhuǎn)化，但速率極為緩慢，如果將氫氣直接液化，轉(zhuǎn)化過(guò)程將在液氫儲(chǔ)存容器中進(jìn)行。由于正氫向仲氫的自發(fā)轉(zhuǎn)化是一個(gè)放熱過(guò)程，釋放的熱量高于液氫的汽化潛熱，因此這一過(guò)程會(huì)造成液氫儲(chǔ)存容器中液氫的蒸發(fā)。液氫蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)氫不僅會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫容器內(nèi)的壓力升高，對(duì)儲(chǔ)氫容器產(chǎn)生損傷，還會(huì)降低液氫無(wú)損儲(chǔ)存的時(shí)間，增加氫再液化的能耗[21-22]。因此，正仲氫轉(zhuǎn)化過(guò)程必須在氫液化過(guò)程中完成，由于自發(fā)轉(zhuǎn)化過(guò)程極為緩慢，需采用催化劑加快轉(zhuǎn)化過(guò)程，目前我國(guó)采用的正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑主要依賴進(jìn)口。

1.3 液氫發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早的氫液化裝置由詹姆斯·杜瓦于1898年制得，為液氫的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該裝置后來(lái)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）用于研究。此后，液氫的研究一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。直至1949 年，NBS低溫工程實(shí)驗(yàn)室建成了一套320L/h的氫液化裝置，之后AP公司在美國(guó)先后建造了三座液氫工廠，其中位于佛羅里達(dá)的液氫工廠是世界上第一套大型氫液化裝置，產(chǎn)能為27t/d。隨著液氫技術(shù)成熟并廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域，涌現(xiàn)出空氣化工產(chǎn)品（Air Products）、林德（Linde）和法液空（Air Liquide）等大型的液氫國(guó)際企業(yè)，并在美國(guó)、歐洲、亞洲等地建成多座液氫工廠。美國(guó)從20 世紀(jì)50年代后期開(kāi)始液氫的工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，1970 年日產(chǎn)量已達(dá)到220t，截至目前美國(guó)的液氫生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)量等仍處于全球首位。

表3所示為全球液氫產(chǎn)能的主要分布情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界在運(yùn)營(yíng)的液氫工廠已有數(shù)十座，液氫總產(chǎn)能近500t/d。其中，美國(guó)擁有十余座液氫工廠，液氫產(chǎn)能高于326t/d；此外，加拿大的液氫總產(chǎn)能為80t/d，此部分液氫也主要供應(yīng)美國(guó)；歐洲的液氫總產(chǎn)能約為24t/d；亞洲液氫總產(chǎn)能高于39.7t/d，其中日本液氫總產(chǎn)能占比較大，達(dá)到31t/d；2019 年底，日本川崎重工發(fā)布消息，“SUISO FROTIER”號(hào)運(yùn)輸船將從日本下水，用于大規(guī)模運(yùn)輸液氫。這是世界上第一艘液氫的海上運(yùn)輸船，計(jì)劃于2020年底首次前往維多利亞，開(kāi)始從澳大利亞向日本運(yùn)輸液氫，其液氫產(chǎn)能暫未知。

從表3中可以看出，在全球范圍內(nèi)北美的液氫產(chǎn)量占全球液氫產(chǎn)量的80%以上，遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。近兩年來(lái)，美國(guó)仍在加大液氫工廠的建設(shè)力度，美國(guó)普萊克斯公司（PRAX）將在德克薩斯La Porte 建設(shè)第五座液氫工廠，產(chǎn)能大于30t/d，計(jì)劃于2021 年投產(chǎn)；空氣化工產(chǎn)品公司2019 年在美國(guó)西部建造一個(gè)日產(chǎn)百噸級(jí)的液氫工廠，向位于加利福尼亞州的加氫站提供液氫；法國(guó)液空公司也于2019年初在美國(guó)開(kāi)工建設(shè)液氫工廠，產(chǎn)能為30t/d，預(yù)計(jì)于2021 年投產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)顯示，2021 年美國(guó)的液氫產(chǎn)能將高于500t/d[23]。

表3 全球液氫產(chǎn)能的主要分布情況

我國(guó)由于液氫技術(shù)尚處于起步階段，且主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)仍依賴進(jìn)口，液氫用于民用成本過(guò)高，因此目前在運(yùn)營(yíng)的民用液氫工廠較少，且單套產(chǎn)能較小，多為示范應(yīng)用工程。2020年4月，我國(guó)第一個(gè)民用液氫工廠在內(nèi)蒙古烏海順利投產(chǎn)，產(chǎn)能約0.5t/d。此前，我國(guó)在用的液氫工廠僅有三座，分別位于海南文昌航天基地、北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所和西昌基地，總產(chǎn)能僅4t/d，其中產(chǎn)能最高的海南文昌基地的液氫工廠產(chǎn)能也僅有2t/d，這三座液氫工廠產(chǎn)量均用于航天火箭發(fā)射。我國(guó)擁有全球最大的液氫民用市場(chǎng)，各大國(guó)際企業(yè)近年來(lái)紛紛開(kāi)啟在我國(guó)的液氫產(chǎn)業(yè)布局。美國(guó)AP 公司正在浙江嘉興海鹽建造我國(guó)第一座大型商用液氫工廠，預(yù)計(jì)投產(chǎn)后液氫產(chǎn)量為30t/d；近日林德也在我國(guó)簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，將在我國(guó)建設(shè)首個(gè)液氫工廠；此外，國(guó)內(nèi)浙能集團(tuán)建設(shè)的液氫工廠，液氫產(chǎn)能為1.5t/d。

2 液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀

液氫儲(chǔ)運(yùn)是液氫產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接液氫工廠和液氫用戶的紐帶，直接影響氫源的地域配置優(yōu)化。液氫的存儲(chǔ)技術(shù)關(guān)鍵在于液氫儲(chǔ)罐，而液氫運(yùn)輸技術(shù)關(guān)鍵則在于運(yùn)輸設(shè)備。

2.1 液氫的存儲(chǔ)

液氫的存儲(chǔ)需使用具有良好絕熱性能的低溫液體存儲(chǔ)容器，也稱液氫儲(chǔ)罐。液氫儲(chǔ)罐有多種類型，根據(jù)其使用形式可分為固定式、移動(dòng)式、罐式集裝箱等，按絕熱方式可分為普通堆積絕熱和真空絕熱兩大類。

普通堆積絕熱液氫儲(chǔ)罐主要通過(guò)降低固體和氣體導(dǎo)熱降低漏熱量從而實(shí)現(xiàn)絕熱，具體做法是在儲(chǔ)罐表面制造夾層空間，填裝絕熱材料后對(duì)夾層進(jìn)行抽真空處理，常用絕熱材料包括固體泡沫、粉末、纖維等。普通堆積絕熱液氫儲(chǔ)罐成本較低，但由于夾層真空度較低，因此絕熱性能較差，一般用于需現(xiàn)場(chǎng)制造的大型液氫儲(chǔ)罐。真空絕熱液氫儲(chǔ)罐則主要通過(guò)夾層空間內(nèi)的高真空度實(shí)現(xiàn)絕熱，根據(jù)夾層內(nèi)使用的材料分為單純真空絕熱、真空多孔材料絕熱、高真空復(fù)合多層纏繞絕熱和高真空單層多層纏繞絕熱等。高真空度絕熱液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但由于高空度要求較高，因此成本較高，一般適用于小型的液氫存儲(chǔ)。液氫儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)的選擇需考慮儲(chǔ)罐容積、形狀、蒸發(fā)率、成本等多方面因素[24]。

2.1.1 固定式

固定式液氫儲(chǔ)罐一般用于大容積的液氫存儲(chǔ)（>330m3），固定式液氫儲(chǔ)罐可采用多種形狀，常用的包括球形儲(chǔ)罐和圓柱形儲(chǔ)罐。研究表明，液氫儲(chǔ)罐的漏熱蒸發(fā)損失與儲(chǔ)罐的容積比表面積（S/V）成正比，而球形儲(chǔ)罐具有最小的容積比表面積，同時(shí)具有機(jī)械強(qiáng)度高、應(yīng)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，因此球形儲(chǔ)罐是較為理想的固定式液氫儲(chǔ)罐[24]，但球形液氫儲(chǔ)罐加工難度大、造價(jià)高昂。美國(guó)NASA常使用的大型液氫球型儲(chǔ)罐直徑為25m，容積可達(dá)3800m3[25-26]，日蒸發(fā)率<0.03%。

常用圓柱形液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，圓柱形液氫儲(chǔ)罐主要由罐體及進(jìn)液口、取樣口、轉(zhuǎn)注口、外接氣源口、自增壓器及壓力、液位測(cè)試裝置等組成。我國(guó)自行研制的大型固定式液氫儲(chǔ)罐多為圓柱形液氫儲(chǔ)罐。

圖1 圓柱形液氫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 移動(dòng)式

由于移動(dòng)式運(yùn)輸工具的尺寸限制，移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐常采用臥式圓柱形，通常公路運(yùn)輸?shù)囊簹鋬?chǔ)罐最大寬度限制為2.44m。移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐采用的運(yùn)輸方式包括公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸及海運(yùn)等。移動(dòng)液氫儲(chǔ)罐的容積越大，蒸發(fā)率越低，船運(yùn)移動(dòng)式儲(chǔ)罐容積較大，910m3的船運(yùn)移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐其蒸發(fā)率可低至0.15%；鐵路運(yùn)輸107m3容積蒸發(fā)率約為0.3%；公路運(yùn)輸?shù)囊簹洳圮嚾照舭l(fā)率較高，30m3的液氫槽罐日蒸發(fā)率約為0.5%。移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)、功能與固定式液氫儲(chǔ)罐并無(wú)明顯差別，但移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐需要具有一定的抗沖擊強(qiáng)度，能夠滿足運(yùn)輸過(guò)程中的加速度要求。

2.1.3 罐式集裝箱

液氫存儲(chǔ)的罐式集裝箱與液化天然氣（LNG）罐式集裝箱類似，空氣化工產(chǎn)品、林德和法液空等公司均有成熟產(chǎn)品，40ft（1ft=0.3048m）罐式集裝箱的日蒸發(fā)率可低至0.5%。罐式集裝箱可實(shí)現(xiàn)從液氫工廠到液氫用戶的直接儲(chǔ)供，減少了液氫轉(zhuǎn)注過(guò)程的蒸發(fā)損失，且運(yùn)輸方式靈活，既能采用陸運(yùn)，也可進(jìn)行海運(yùn)，是一種應(yīng)用前景較好的液氫存儲(chǔ)方式。

我國(guó)“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2020年度項(xiàng)目申報(bào)指南中，項(xiàng)目“1.8-液氫制取、儲(chǔ)運(yùn)與加注關(guān)鍵裝備及安全性研究（應(yīng)用示范類）”所涉考核指標(biāo)為：研制儲(chǔ)存用液氫儲(chǔ)罐容積≥300m3，液氫靜態(tài)日蒸發(fā)率≤0.25%/d，維持時(shí)間≥30d；運(yùn)輸用液氫槽罐≥40m3，液氫靜態(tài)日蒸發(fā)率≤0.73%/d，維持時(shí)間≥12d，真空壽命≥5 年。與前述液氫存儲(chǔ)容器的相關(guān)參數(shù)對(duì)比可以看出，我國(guó)液氫存儲(chǔ)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大。

2.2 液氫的運(yùn)輸

2.2.1 陸運(yùn)

液氫的陸運(yùn)為公路或鐵路運(yùn)輸，采用的運(yùn)輸工具為液氫槽車，液氫公路或鐵路槽車一般裝載圓柱形液氫儲(chǔ)罐，公路運(yùn)輸?shù)囊簹鋬?chǔ)罐容積不超過(guò)100m3，鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥獯笕萘恳簹鋬?chǔ)罐容積最高可達(dá)到200m3。

2.2.2 海運(yùn)

液氫也可采用船舶進(jìn)行海運(yùn)，船上可裝載較大容量的液氫儲(chǔ)罐，將液氫由海路進(jìn)行長(zhǎng)距離的運(yùn)輸。用于船運(yùn)的液氫儲(chǔ)罐最大容積可達(dá)到1000m3[27]，且無(wú)需經(jīng)過(guò)人口密集區(qū)域，相較于陸運(yùn)更加安全、經(jīng)濟(jì)。日本川崎“SUISO FROTIER”號(hào)即為液氫的海上運(yùn)輸船，德國(guó)、加拿大也有類似的液氫海運(yùn)船。

加拿大與歐洲撰寫(xiě)的氫能開(kāi)發(fā)計(jì)劃《Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project》報(bào)告中，計(jì)劃將液氫由加拿大運(yùn)往歐洲，用于液氫在歐洲的存儲(chǔ)、分配和使用，重點(diǎn)研究了如何在液氫船的甲板上安裝多個(gè)液氫儲(chǔ)罐[28]。液氫海運(yùn)是一種較好的液氫的運(yùn)輸方式，但液氫船的核心技術(shù)難度較高，投入較大。

2.2.3 管道輸送

液氫也可以采用管道輸送，但由于液氫溫度極低，對(duì)液氫輸送管路的低溫性能和絕熱性能要求較高，不適用于遠(yuǎn)距離輸送（<2km），一般用于航天發(fā)射場(chǎng)或航天發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的液氫輸送。航天發(fā)射場(chǎng)往往需要將液氫由儲(chǔ)罐運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射點(diǎn)，此時(shí)就需要采用液氫管道輸送，如美國(guó)肯尼迪發(fā)射場(chǎng)采用液氫管道將液氫由球型儲(chǔ)罐運(yùn)至440m外的發(fā)射點(diǎn)，使用的輸送管路有20 層真空多層絕熱[29,30]。圖2 所示為航天發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)液氫輸送管道的工作原理圖，液氫由液氫貯罐向試驗(yàn)容器加注時(shí)，首先打開(kāi)K2 閥門(mén)，然后打開(kāi)K1，加注完成后，關(guān)閉K2，K1保持打開(kāi)狀態(tài)[31]。

圖2 液氫輸送管道工作原理圖[31]

2.3 我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的難點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展方向

我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展起步較晚且關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)口受限，液氫在民用領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎空白，液氫產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)都比較薄弱，尤其是儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，制約了液氫的規(guī)?；瘧?yīng)用。從氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)角度出發(fā)，目前國(guó)內(nèi)仍以氣態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)為主，運(yùn)輸壓力低于20MPa，使得氫氣運(yùn)輸成本高居不下。作為一種高效氫儲(chǔ)運(yùn)方法，液氫在美國(guó)、歐洲、日本等都有較大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)均已相對(duì)成熟，而我國(guó)在液氫生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、加注、計(jì)量、安全保障、故障預(yù)測(cè)、事故處置等多個(gè)方面都落后國(guó)外，甚至是空白。液氫在制氫純度、儲(chǔ)氫密度、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸上相較于其他儲(chǔ)氫方式均有較大優(yōu)勢(shì)，液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究對(duì)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。

液氫的無(wú)損儲(chǔ)存一直是低溫液體存儲(chǔ)的研究熱點(diǎn)。液氫長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損儲(chǔ)存涉及兩方面關(guān)鍵技術(shù)突破。第一，正仲氫的高效催化轉(zhuǎn)化：進(jìn)一步提高液化過(guò)程中高純度液氫中的仲氫濃度，有效降低液氫罐中可能發(fā)生的自發(fā)轉(zhuǎn)化過(guò)程，降低轉(zhuǎn)化熱帶來(lái)的液氫蒸發(fā)損失。第二，液氫儲(chǔ)罐絕熱性能提升：由傳統(tǒng)的被動(dòng)絕熱方式向主動(dòng)絕熱技術(shù)轉(zhuǎn)變，將更低熱導(dǎo)率、更高低溫性能的材料應(yīng)用于液氫儲(chǔ)罐，進(jìn)一步提高液氫存儲(chǔ)容器的絕熱性能。研究表明，液氫運(yùn)輸?shù)某杀倦S著運(yùn)輸距離的增加而降低，液氫更適用于較遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸。當(dāng)液氫應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，液氫運(yùn)輸成本也會(huì)隨之降低，此時(shí)液氫儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化能夠進(jìn)一步降低液氫的儲(chǔ)運(yùn)成本。綜上所述，在液氫存儲(chǔ)方面，大容積、低蒸發(fā)率液氫儲(chǔ)罐的研發(fā)是液氫存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的重要研究方向，而液氫運(yùn)輸?shù)碾y點(diǎn)則在于關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)將朝向提高液氫儲(chǔ)運(yùn)效率，有效降低儲(chǔ)運(yùn)成本，實(shí)現(xiàn)液氫的規(guī)模化應(yīng)用的方向發(fā)展。此外，液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展必須依靠?jī)?chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化，加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂，完善液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化體系，才能推動(dòng)液氫產(chǎn)業(yè)的健康、有序發(fā)展。

3 液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化

3.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

表4 列出了國(guó)際上應(yīng)用較多的標(biāo)準(zhǔn)，其中液氫的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization,ISO）標(biāo)準(zhǔn)僅兩項(xiàng)：液氫-道路車輛燃料罐和液氫-道路車輛加注系統(tǒng)接口。美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)和消防協(xié)會(huì)發(fā)布的液氫標(biāo)準(zhǔn)主要涉及液氫的通用要求和安全問(wèn)題，包括液氫儲(chǔ)罐的設(shè)置、安裝、操作等方面的安全要求。從表4 中可以看出，液氫領(lǐng)域的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)較少，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)多在本國(guó)內(nèi)發(fā)布實(shí)施。

表4 液氫儲(chǔ)運(yùn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ISO/TC 197（Hydrogen Technologies）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，成立于1990年，主要負(fù)責(zé)制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)、氫相關(guān)檢測(cè)、氫能利用等方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作。我國(guó)成立于2008 年的全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 309），負(fù)責(zé)對(duì)口ISO/TC 197的氫能國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

在國(guó)際上，各國(guó)對(duì)液氫的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)期以來(lái)都有較高的關(guān)注度。2020 年12 月9 日召開(kāi)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織氫能技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 197）第29次全體會(huì)議上，討論并通過(guò)了液氫標(biāo)準(zhǔn)預(yù)案PWI 24077（LH2 use in non-industrial settings），該預(yù)案主要涉及液氫的使用安全。預(yù)案中首先提出了液氫使用安全中的高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，主要包括三個(gè)方面：①氣液兩相氫的爆炸危險(xiǎn)性；②人口密集區(qū)域液氫溢出時(shí)低溫液氫云團(tuán)的燃燒特性；③大量液氫釋放時(shí)的處理常識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)液氫使用中涉及使用安全的迫切需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，該預(yù)案提出了液氫標(biāo)準(zhǔn)方向的建議：①重新修訂或擴(kuò)充ISO/TR 15916—2015的內(nèi)容，該標(biāo)準(zhǔn)目前正由WG 29 修訂，可增進(jìn)修改第5～7部分中涉及液氫的內(nèi)容，也可在該標(biāo)準(zhǔn)中單獨(dú)編制液氫部分內(nèi)容；②修訂現(xiàn)有兩項(xiàng)液氫ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 13984和ISO 13985，在兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步增加液氫使用安全的規(guī)范；③制訂新的液氫使用安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)案的發(fā)起人建議采用前兩種方案，即在現(xiàn)有ISO液氫標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行重新修訂或增加內(nèi)容，會(huì)議通過(guò)了該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)案，并交由工作組WG 29承擔(dān)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)提案及后續(xù)修訂工作。

3.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

液氫標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上一直備受關(guān)注，由液氫國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)匯總可以看出，美國(guó)液氫民用標(biāo)準(zhǔn)較多，歐洲及日本等其他國(guó)家均有國(guó)際或其他標(biāo)準(zhǔn)作為支撐。我國(guó)液氫的應(yīng)用由于目前仍主要集中在航天領(lǐng)域，主要參照標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 2645—1996《液氫運(yùn)輸包裝貯存標(biāo)準(zhǔn)》和GJB 5405—2005《液氫安全應(yīng)用準(zhǔn)則》，目前民用液氫的儲(chǔ)運(yùn)暫無(wú)可以依據(jù)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

為填補(bǔ)我國(guó)液氫民用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白，2018年全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織相關(guān)單位進(jìn)行三項(xiàng)液氫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提案并獲得立項(xiàng)，分別為《氫能汽車用燃料液氫》《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》。2021年4月30日，三項(xiàng)液氫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別為GB/T 40045—2021、GB/T 40061—2021 和GB/T 40060—2021，三項(xiàng)液氫國(guó)標(biāo)于2021 年11 月開(kāi)始實(shí)施。其中，《氫能汽車用燃料液氫》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氫能汽車用燃料液氫的技術(shù)指標(biāo)、檢驗(yàn)方法以及包裝、標(biāo)志、貯運(yùn)、安全警示等；《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了液氫生產(chǎn)系統(tǒng)的氫液化裝置、液氫貯存、液氫管道及閥門(mén)、輔助設(shè)施、測(cè)量?jī)x表與自動(dòng)控制、電氣設(shè)施、安全防護(hù)等的設(shè)置；《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了液氫貯存和運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)術(shù)語(yǔ)、液氫貯罐的設(shè)置、罐車罐箱的運(yùn)輸、清洗與置換、安全與防護(hù)、事故處理等[32]。三項(xiàng)液氫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將有效支撐我國(guó)液氫民用的規(guī)?；l(fā)展，對(duì)我國(guó)液氫民用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系的建立具有里程碑意義。

為推進(jìn)我國(guó)在液氫領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2020年11月16日在佛山綠色發(fā)展創(chuàng)新研究院組織召開(kāi)了液氫ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案工作啟動(dòng)會(huì)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所、廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院、航天晨光股份有限公司、張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司等8家單位代表參加了此次會(huì)議。

會(huì)議認(rèn)為氣態(tài)氫的成本高、效率低已逐漸成為制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，液氫技術(shù)有望成為氫的低成本高效儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)技術(shù)路線。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織氫技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC197）目前僅發(fā)布兩項(xiàng)液氫標(biāo)準(zhǔn)，分別與加注接口和液氫燃料罐相關(guān)，在液氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)還存在很多標(biāo)準(zhǔn)空白。在這一背景下，此次液氫國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案工作擬從氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際需求層面出發(fā)，加強(qiáng)技術(shù)合作創(chuàng)新，提前進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)布局。積極參與液氫領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案和研制，將為我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供助力，并在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化方面爭(zhēng)奪話語(yǔ)權(quán)。

但I(xiàn)SO 標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)布需要經(jīng)過(guò)預(yù)研階段、提案階段、準(zhǔn)備階段、委員會(huì)階段、征詢意見(jiàn)階段、批準(zhǔn)階段、出版階段，每個(gè)階段均需提交相應(yīng)的文件并進(jìn)行投票表決[33]。以ISO 13984 和ISO 13985 標(biāo)準(zhǔn)為例，ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)從預(yù)研階段至發(fā)布發(fā)布所需時(shí)間不定，如ISO 13984 標(biāo)準(zhǔn)從提案立項(xiàng)到發(fā)布用時(shí)五年多，ISO 13985 標(biāo)準(zhǔn)由提案立項(xiàng)到發(fā)布階段則用時(shí)三年左右，而新標(biāo)準(zhǔn)提案申請(qǐng)?zhí)峤坏綐?biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)通過(guò)的時(shí)間則不可預(yù)計(jì)。因此，ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程。

3.3 液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向

作為液氫制取到應(yīng)用的銜接環(huán)節(jié)，液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化在液氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位。液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化的缺失會(huì)導(dǎo)致液氫工廠到液氫終端用戶之間的供需失衡，出現(xiàn)“生產(chǎn)的液氫運(yùn)不出去，而用戶端無(wú)氫可用”的矛盾局面，要加快液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須要建立健全的液氫標(biāo)準(zhǔn)體系，而儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化是液氫標(biāo)準(zhǔn)體系建立中最迫切的問(wèn)題。

液氫儲(chǔ)運(yùn)主要涉及低溫液體儲(chǔ)運(yùn)的相關(guān)要求，低溫液體的儲(chǔ)運(yùn)中液化天然氣（LNG）相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善，液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立可參考LNG 的國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。截止到2021 年1 月，我國(guó)現(xiàn)行的LNG 相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)共22 項(xiàng)，包括LNG 的一般特性、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、加注、儲(chǔ)運(yùn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，對(duì)于液氫儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有重要的參考意義。

液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的研制和發(fā)布一方面可為液氫產(chǎn)業(yè)鏈中液氫存儲(chǔ)容器、運(yùn)輸車輛等相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)提供指導(dǎo)和規(guī)范；另一方面也有助于推動(dòng)相關(guān)政策法規(guī)的實(shí)施，加快液氫民用的進(jìn)程，助力液氫產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著氫能應(yīng)用對(duì)儲(chǔ)氫密度要求越來(lái)越高，我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)在未來(lái)5～10 年將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇期，并逐漸向民用、商用轉(zhuǎn)變。液氫儲(chǔ)運(yùn)是液氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，在液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)上，我國(guó)液氫技術(shù)發(fā)展起步較晚，民用領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎空白，而目前全球在用加氫站中有1/3采用液氫技術(shù)，美國(guó)和日本等氫能技術(shù)先進(jìn)國(guó)家均在大力推進(jìn)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用。我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展需要在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和自主創(chuàng)新，加快建立液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系。

我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)相對(duì)落后，大容量、低蒸發(fā)率的液氫存儲(chǔ)設(shè)備的開(kāi)發(fā)、有效降低儲(chǔ)運(yùn)成本是液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展的重要方向，液氫長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損儲(chǔ)存需要突破兩方面關(guān)鍵技術(shù)，即正仲氫的高效轉(zhuǎn)化和液氫儲(chǔ)罐絕熱性能的提升。液氫應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，液氫儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是降低液氫儲(chǔ)運(yùn)成本的重要途徑。

與其他能源類型相比，氫能具有明顯的獨(dú)特性，應(yīng)用發(fā)展初期即對(duì)法規(guī)政策和標(biāo)準(zhǔn)體系具有較強(qiáng)的依賴性。我國(guó)液氫民用首先要解決的是液氫上路問(wèn)題，液氫上路受限于標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的缺失，液氫要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的民用、商用，必須完善其標(biāo)準(zhǔn)體系。在液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立上，液化天然氣（LNG）標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系的初期建立具有重要的參考意義。在加快國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布的同時(shí)，率先鼓勵(lì)地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)布，推動(dòng)相關(guān)法規(guī)的頒布實(shí)施，以促進(jìn)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展。此外，提前進(jìn)行液氫相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)布局，爭(zhēng)取國(guó)際話語(yǔ)權(quán)對(duì)我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同樣意義重大。