近期

我國(guó)首個(gè)1噸級(jí)別

混動(dòng)傾轉(zhuǎn)翼eVTOL

（電動(dòng)垂直起降無人機(jī)）

搭載液態(tài)氫能燃料電池的飛行驗(yàn)證

順利完成

此次飛行驗(yàn)證

是全球首架

噸級(jí)氫能混動(dòng)傾轉(zhuǎn)翼eVTOL試飛

也是大型風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)

在大型飛機(jī)上的首次實(shí)證案例

同時(shí)還是

我國(guó)首架以液氫作為燃料的

大型eVTOL應(yīng)用

據(jù)研究，氫氣的熱值是常見燃料中最高的，為142千焦/克，大約是石油的3倍、煤炭的4.5倍。這意味著如果消耗相同質(zhì)量的燃料，氫氣所提供的能量最高，是現(xiàn)有化石燃料的理想替代品。液氫在未來eVTOL市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有很大優(yōu)勢(shì)。

01

什么是液氫？

液氫，是氫氣在極低溫度下液化的產(chǎn)物。

常態(tài)氫氣密度極低，為0.0899千克/立方米，直接儲(chǔ)存和運(yùn)輸效率低。通過低溫液化至零下252.78攝氏度后，液氫密度躍升至70.85千克/立方米（大約為水的1/14），其能量密度卻是鋰電池的120倍。這種“輕如鴻毛、力若千鈞”的特性，使其既能推動(dòng)百噸火箭掙脫地心引力，又能驅(qū)動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)零污染長(zhǎng)續(xù)航。

02

為什么要把氫氣變成液態(tài)？

液氫技術(shù)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要作用，主要體現(xiàn)在高效儲(chǔ)存、低成本運(yùn)輸和多樣化應(yīng)用三個(gè)方面。

液氫技術(shù)通過將氫氣冷卻至極低溫度（零下253攝氏度）使其液化，顯著提高了氫氣的能量密度，解決了氣態(tài)氫在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的許多難題。

盡管液氫技術(shù)面臨能耗高、低溫要求嚴(yán)格和安全性等挑戰(zhàn)，但通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，液氫技術(shù)有望成為推動(dòng)氫能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)。未來，隨著液氫技術(shù)不斷進(jìn)步，氫能產(chǎn)業(yè)鏈將更加完善，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供重要助力。

03

液氫的特性和應(yīng)用領(lǐng)域

液氫不僅是宇宙中最簡(jiǎn)單、最豐富的元素（占宇宙物質(zhì)總量的75%），更憑借其低密度、高能量、超低溫、零碳燃燒等特性，成為連接當(dāng)下與未來能源轉(zhuǎn)型的核心紐帶，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

在航天領(lǐng)域

液氫作為高能低溫燃料，與液氧配對(duì)時(shí)能產(chǎn)生高比沖，是運(yùn)載火箭的重要燃料之一。

自1967年“土星五號(hào)”火箭搭載J-2液氫發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)登月，液氫便成為航天工業(yè)的“血液”。我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，液氫占比達(dá)90%，單臺(tái)推力70噸，助力天問一號(hào)登陸火星，推動(dòng)我國(guó)航天事業(yè)不斷邁向新的高度。

在交通領(lǐng)域

液氫作為一種清潔能源，正逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，尤其是在氫燃料電池汽車中的應(yīng)用，為解決傳統(tǒng)燃油汽車帶來的環(huán)境污染和能源短缺問題提供了新的思路。

在氫燃料電池汽車中，液氫被用作燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為車輛提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，液氫驅(qū)動(dòng)的氫燃料電池汽車具有諸多優(yōu)勢(shì)。液氫的能量密度高，能夠?yàn)檐囕v提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程。

在工業(yè)領(lǐng)域

廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體、冶金、鋼鐵等工業(yè)。

在電子工業(yè)和半導(dǎo)體制造中，液氫主要用作保護(hù)氣和還原劑。在半導(dǎo)體芯片的制造過程中，需要使用高純度的氫氣來保護(hù)硅片表面，防止其被氧化和污染。

在冶金工業(yè)中，液氫的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)綠色冶金提供了新的途徑。在傳統(tǒng)的冶金過程中，通常使用煤炭或焦炭作為還原劑，這會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳等溫室氣體排放。使用液氫作為還原劑可顯著減少碳排放，實(shí)現(xiàn)近零排放的綠色冶金。

在鋼鐵生產(chǎn)中，氫氣可以替代傳統(tǒng)的焦炭與鐵礦石發(fā)生反應(yīng)，將鐵從礦石中還原出來。這種氫氣直接還原鐵（DRI）的工藝不僅能減少二氧化碳排放，而且能提高鋼鐵的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。使用液氫還可以降低冶金過程中的能耗，提高能源利用效率。由于液氫的能量密度高，在反應(yīng)過程中能提供更多的能量，使得冶金反應(yīng)更加充分和高效。

04

液氫制備四大嚴(yán)苛步驟

從氣態(tài)到液態(tài)，液氫的制備是一場(chǎng)跨越250攝氏度溫差的精密工程，需要經(jīng)歷四大嚴(yán)苛步驟。

氣體收集與凈化

氫氣的來源多種多樣，常見的制氫方法包括電解水、蒸汽重整、生物質(zhì)氣化和煤氣化等。

電解水是利用電能將水分解為氫氣和氧氣，這種方法制得的氫氣純度高，但能耗較大；蒸汽重整則是利用高溫蒸汽將天然氣中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，成本相對(duì)較低，是目前工業(yè)上主要的制氫方法之一；生物質(zhì)氣化和煤氣化分別通過熱解或氣化生物質(zhì)、煤來生產(chǎn)氫氣，這些方法可以充分利用廢棄物和煤炭資源，具有一定的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在收集到氫氣后，還需要對(duì)其進(jìn)行凈化處理，以去除其中的雜質(zhì)，如水分、一氧化碳、二氧化碳等，確保氫氣的純度符合后續(xù)液化的要求。

多級(jí)壓縮

為減少液化過程能耗，氫氣需進(jìn)行分階段壓縮。在一些大型的液氫生產(chǎn)裝置中，氫氣會(huì)先被壓縮為20~30兆帕，再進(jìn)入后續(xù)的冷卻環(huán)節(jié)。

壓縮本身并不能使氫氣液化，卻是整個(gè)液化過程中不可或缺的一步，為后續(xù)的冷卻和液化奠定了基礎(chǔ)。

深度冷卻與液化

液化的核心，在于構(gòu)建逐級(jí)降溫的“低溫階梯”：冷卻到低溫是液體制取的關(guān)鍵步驟，需要專門的冷卻設(shè)備和復(fù)雜的制冷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在實(shí)際操作中，通常會(huì)采用壓縮機(jī)和熱交換器來逐步降低氫氣的溫度。首先，利用液氮等冷媒對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷，將其溫度降為約80開爾文溫度（熱力學(xué)溫度），接著，通過膨脹機(jī)進(jìn)一步冷卻至30開爾文溫度，最后，通過節(jié)流閥膨脹冷卻至20開爾文溫度并實(shí)現(xiàn)冷凝液化，最終完成氣液相變。

低溫儲(chǔ)存

氫氣成功液化后需將其儲(chǔ)存在專門設(shè)計(jì)的多層絕熱真空容器中。這些儲(chǔ)罐不僅要能夠保持氫氣所需的低溫環(huán)境，防止其蒸發(fā)，而且要具備良好的密封性，防止氫氣泄漏。

低溫儲(chǔ)罐通常采用高真空的絕熱容器，雙層壁之間除了保持真空，還會(huì)放置薄鋁箔來防止輻射，以最大限度地減少熱量的傳遞。

近年來，隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)及氫能源技術(shù)的逐漸進(jìn)步，液氫產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展的黃金期。

2030年，全球液氫市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到120億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率約為14%。這一增長(zhǎng)趨勢(shì)反映了液氫在能源領(lǐng)域的重要性日益凸顯，以及各國(guó)對(duì)其發(fā)展的高度重視。

我國(guó)的液氫技術(shù)起步相對(duì)較晚，1956年，中科院物理所低溫實(shí)驗(yàn)室第一次制得液氫，這是我國(guó)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的重要起步。1960年，中科院物理所又完成了第一套小型氫液化裝置試驗(yàn)，此后較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，由于我國(guó)液氫產(chǎn)能較低且成本過高，主要集中應(yīng)用于航空領(lǐng)域，民用領(lǐng)域基本處于空白狀態(tài)。

這些年，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源的大力支持和氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，液氫技術(shù)取得了顯著突破，液氫產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

從航天器尾焰的璀璨到城市公路的靜謐，液氫正將人類對(duì)清潔能源的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。液氫作為一種清潔能源，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。盡管橫亙?cè)谇暗挠屑夹g(shù)高山和成本鴻溝，但每一次透平機(jī)的轟鳴、每一座加氫站的落成，都在為這場(chǎng)能源革命注入動(dòng)力。

相信在不久的將來，液氫將在全球能源格局中占據(jù)重要地位，為人類創(chuàng)造一個(gè)更加清潔、美好的未來。

來源：中國(guó)石化