國內外液氫發展調研
發布時間：
2021-04-01
1845年，英國物理學家、化學家——邁克爾?法拉第發表了一篇關于氣體液化的論文。當時，他的研究方法能夠通過使用醚和固體二氧化碳，將制冷溫度下降到-110°C，而沸點低于該溫度的氣體，包括氫氣，被稱之為"永久氣體"。1898年，詹姆斯?德瓦爾爵士首次實現了氫液化，該工藝利用碳水化合物和液態空氣在180bar前冷卻壓縮氫氣，該系統與林德用于空氣液化的系統類似，為后來的氫液化技術發展奠定了堅實的基礎
一、 液氫技術發展史
1. 首個氫液化系統出現
1845年，英國物理學家、化學家——邁克爾?法拉第發表了一篇關于氣體液化的論文。當時，他的研究方法能夠通過使用醚和固體二氧化碳，將制冷溫度下降到-110°C，而沸點低于該溫度的氣體，包括氫氣，被稱之為"永久氣體"。1898年，詹姆斯?德瓦爾爵士首次實現了氫液化，該工藝利用碳水化合物和液態空氣在180bar前冷卻壓縮氫氣，該系統與林德用于空氣液化的系統類似，為后來的氫液化技術發展奠定了堅實的基礎。
2. 氫液化系統理論發現
1895年，由德國的卡爾?馮?林德和威廉?漢普森分別獨立提出并發明了一種簡單的液化循環來液化空氣，所以也叫林德（或漢普遜）循環，即“節流循環”。節流循環是人類工業史上最早采用的氣體液化循環，因為這種循環的裝置簡單、運轉可靠，在小型氣體液化循環裝置中被廣泛采用。然而，根據巴倫的解釋，由于氫的轉化溫度低，在低于80K時進行節流才有較明顯的制冷效應，林德-漢普森、林德雙壓力系統、級聯系統和海蘭德系統并不能用于液化氫，因此采用節流循環液化氫時，必須借助外部冷源（如液化氮）進行預冷，只有壓力高達10-15MPa時，溫度降至50-70K時進行節流，才能以較理想的液化率（24-25％）獲得液氫。
3. 克勞德氫循環理論發現
1902年，法國的喬治?克勞德發明成功研制出了新的空氣液化工藝，首先實現了帶有活塞式膨脹引擎的空氣液化循環，也叫“克勞德液化循環”，其溫度遠低于林德提出的等焓膨脹產生的溫度。該理論證明，在絕熱條件下，壓縮氣體經膨脹機膨脹并對外作功，可獲得更大的溫降和冷量。因此，目前在氣體液化和分離設備中，帶膨脹機的液化循環的應用最為廣泛。
4. 克勞德預冷卻液化理論發現
Timmerhaus 和Flynn 發現，如果“克勞德液化循環”使用“液氮“用于預冷，與林德-漢普森循環相比，液化效率比預冷卻的方式將會提高到 50-70%，德國慕尼黑附近的因戈爾施塔特的氫液化廠，是目前使用改良預冷卻克勞德循環后的一個例子，該廠自1992年開始運行。
5. 氦-制冷氫液化系統發現
南迪、薩蘭吉和巴倫的發現，二次氦氣冷箱也可以用來液化氫，但該系統從未用于任何實際的大型工廠，這種循環用氦作為制冷工質，由氦制冷循環提供氫冷凝液化所需的冷量，被稱之為“氦-制冷氫液化系統”。
二、 氫液化循環技術的比較
從氫液化單位能耗來看，以液氮預冷帶膨脹機的液化循環最低，節流循環最高，氦制冷氫液化循環居中。節流循環，雖然效率不高，但流程簡單，沒有在低溫下運轉的部件，可靠性強，所以在小型氫液化裝置中應用較多。氦制冷氫液化循環，消除了處理高壓氫的危險，運轉安全可靠，但氦制冷系統設備復雜，故在氫液化當中應用不很多。所以，從熱力學觀點來說，帶膨脹機的循環效率最高，因此在大型氫液化裝置上得到廣泛采用。
三、 國內外液氫生產狀況
液氫的需求最初都是隨著航天事業的發展而不斷進步的。美國從50年代后期開始以工業規模生產液氫，所生產的液氫除供應大型火箭發動機試研場和火箭發射基地外，還供應大學、研究所、液氫氣泡室、食品工業、化學工業、半導體工業、玻璃工業等部門。
美國的工業規模氫液化設備，都是1957年以后建成投產的，隨著美國宇航工業的需要，1965一1970年液氫生產達到了歷史最高水平，日產液氫約220t。歐洲、日本，雖然都有工業規模生產裝置，但其生產規模、液氫產量，尤其是產品價格，根本無法與美國相比。
目前，在歐、美、日等地區和國家，液氫技術的發展已經相對成熟，液氫儲運等環節已進入規模化應用階段，而我國由于液氫技術仍處于起步階段，氫液化系統核心設備仍然依賴進口，主要應用于航天領域，且產能較低、成本過高，民用領域應用仍處于空白狀態，僅在西昌、文昌航天101所有4臺液化系統。
1966年，中國航天工業總公司101所建成投產的100L／h氫液化裝置，在氫氣壓力為1.3-1.5MPa，液氮蒸發溫度為66K左右時，生產正常氫的液化率可達25％（100L／h），生產液態仲氫（仲氫濃度大于95％）時，液化率將下降30％，即每小時生產70L液態仲氫。該裝置自1966年建成投產到80年代未退役之前，所生產的液氫基本上滿足了我國第一代氫一氧發動機研制試驗的需要。1995年，中國航天工業總公司101所從《瑞士林德公司》引進的300L／h氫液化裝置采用氦制冷氫液化循環，后期又陸續引進了液化空氣集團600L／h的氦制冷氫液化機，保障了我國液氫作為燃料的航天器的燃料供應。
原創 Focus Hydrogen Trend Analysis
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