國(guó)內(nèi)外液氫貯存、運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀及發(fā)展

        液氫廣泛應(yīng)用于航天和軍事方面，作為宇航動(dòng)力系統(tǒng)的燃料，早已成功地應(yīng)用于我國(guó)的宇航動(dòng)力系統(tǒng)。隨著國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)的影響和國(guó)內(nèi)政策的引導(dǎo)，氫能在國(guó)內(nèi)的發(fā)展在2016年呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，液氫的使用日益趨近民用市場(chǎng)。而液氫的運(yùn)輸范圍較為局限，如何更好、更安全地貯存和運(yùn)輸液氫，如何將液氫的運(yùn)輸范圍擴(kuò)大化，是目前研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。本文將調(diào)研國(guó)內(nèi)外液氫的貯存、運(yùn)輸現(xiàn)狀，對(duì)其現(xiàn)有情況及未來的發(fā)展方向進(jìn)行綜述。

1 引言

        液氫是一種深冷的氫氣存儲(chǔ)技術(shù)。氫氣經(jīng)過壓縮后，深冷到21K以下使之變?yōu)橐簹洌缓蟠鎯?chǔ)到特制的絕熱真空容器中。常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫氣的845倍，液氫的體積能量密度比壓縮貯存高好幾倍，這樣，同一體積的儲(chǔ)氫容器，其儲(chǔ)氫質(zhì)量大幅度提高。但是，由于氫具有質(zhì)輕的特點(diǎn)，所以在作為燃料使用時(shí)，相同體積的液氫與汽油相比，含能量少。這意味著若以液氫完全替代汽油，則在行駛相同里程時(shí)，液氫儲(chǔ)罐的體積要比現(xiàn)有郵箱大得多。

2 液氫的貯存

2.1 液氫貯存方式

2.1.1 車載液氫貯存   

        氫氣的液化是通過多次循環(huán)的絕熱膨脹來實(shí)現(xiàn)的。像液化天然氣一樣，液氫也可以作為一種氫的儲(chǔ)存狀態(tài)。但由于液氫沸點(diǎn)很低、氣化潛熱小（0.45kJ/g），因此，液氫的溫度與外界的溫度存在巨大的溫差，稍有熱量從外界滲入容器，即可造成液氫的快速沸騰而損失。如何保持超低溫是車載液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的核心難題。為了避免和減少蒸發(fā)損失，液氫燃料儲(chǔ)罐多采用雙層壁式結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層罐壁之間除保持真空外，還要放置碳纖維和多層薄鋁箔以防止熱量傳遞^[1]。圖1是美國(guó)Linde公司研制的車載液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)示意圖。據(jù)報(bào)道，這種隔熱技術(shù)的效果可以讓煮沸的咖啡保溫80天以上才會(huì)降到適宜飲用的溫度，也可以使3～5大氣壓的液氫長(zhǎng)時(shí)間保持在23K的低溫。為確保運(yùn)行安全，車上有安全管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控由于液氫的蒸發(fā)所造成的壓力升高。當(dāng)系統(tǒng)氫壓達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)壓力時(shí)，過載氫氣經(jīng)卸壓閥排出。

圖1 車載液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)示意圖

        美國(guó)通用、福特和德國(guó)寶馬等大汽車公司都已推出使用車載液氫儲(chǔ)罐供氫的概念車。2000年10月，美國(guó)通用公司在北京展示了帶有液氫儲(chǔ)罐的零排放燃料電池“氫動(dòng)一號(hào)”轎車^[2]?！皻鋭?dòng)一號(hào)”電池組可產(chǎn)生80kW的輸出功率，電動(dòng)機(jī)的輸出功率為55kW，最高時(shí)速140km，從靜止到100km/h的加速時(shí)間只有16s，并且可以在零下40℃的低溫下起動(dòng)，續(xù)駛里程為400km。達(dá)到這樣性能僅僅使用5kg液氫燃料，而整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)僅重95kg。隨后，美國(guó)通用公司近年又推出改進(jìn)型“Hydro gen 3”轎車，最大功率提高到94kW，電機(jī)功率60kW，最高時(shí)速150km，行駛里程同樣為400km，但液氫減少至68L，4.6kg，使用的液氫儲(chǔ)罐長(zhǎng)1 000mm，直徑400mm，重90kg，重量?jī)?chǔ)氫密度5.1%，體積儲(chǔ)氫密度36.6kg/m³。單從重量和體積儲(chǔ)氫密度考慮，液氫技術(shù)已接近實(shí)用化的目標(biāo)要求。例如，以同樣體積的液氫和汽油分別驅(qū)動(dòng)燃料電池汽車和汽油車，其所行駛的路程是基本相同的。因絕熱要求，液氫低溫儲(chǔ)箱所需的體積約為液氫的2倍，這也就是說液態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的實(shí)際體積還是汽油箱的3倍。其次，氫氣的液化成本高、耗能大，制取1kg液氫的能耗約為12kWh，相當(dāng)于液氫質(zhì)量能量的30%；第三是液氫的蒸發(fā)問題，“氫動(dòng)一號(hào)”可以把蒸發(fā)控制在每天3%以內(nèi)，但蒸發(fā)問題沒有徹底消除，始終存在。這會(huì)帶來兩方面的負(fù)面風(fēng)險(xiǎn)。一方面，為避免儲(chǔ)箱壓力的升高，必須定期放氫卸壓。這在路上行駛時(shí)應(yīng)該不是問題，容易做到，但在相對(duì)封閉的停車場(chǎng)或車庫內(nèi)就會(huì)有安全隱患；另一方面，即使一輛不開的汽車，其氫燃料也會(huì)每天自然減少，停留數(shù)日后便再無法開動(dòng)。第四是從經(jīng)濟(jì)和安全方面來看,液氫加氫站的建設(shè)與日常維護(hù)的難度也較大。但液氫的高能、綠色、無污染是其不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)都針對(duì)液氫車載使用中的一些難題進(jìn)行研究，推進(jìn)著車載液氫供氫的實(shí)踐工作。
2.1.2 液氫貯罐

        液氫作為氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑，其工業(yè)規(guī)模的使用，與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制密不可分。例如：美國(guó)著名的土星-5運(yùn)載火箭上，裝載1275m³液氫，地面貯罐容積為3500m³，工作壓力0.72MPa，液氫日蒸發(fā)率0.756，容器的加注管路直徑100mm，可同時(shí)接受5輛公路加注車的加注。貯箱的加注管路直徑250mm，長(zhǎng)400m。俄羅斯JSC深冷機(jī)械制造股份公司現(xiàn)在生產(chǎn)的火箭發(fā)射靶場(chǎng)液氫儲(chǔ)罐有兩種規(guī)格：1400m³和250m³。1400m³的液氫罐是球罐，外直徑16m，內(nèi)徑14m，內(nèi)筒壁厚20mn，材料03×20H₁₆Ar₆(03代表含碳量，20-Cr含量，16-鎳含量)，外筒壁厚24mm，球罐總高度:20m，球罐中心線到地面的高度為11.2m，采用真空多層絕熱方式，日蒸發(fā)率小于0.26%，蒸發(fā)氫氣采用高空放空的方式，在離球罐頂部20m處放空。日本種子島航天中心的液氫貯罐容積為540m³，現(xiàn)場(chǎng)安裝，采用珍珠巖真空絕熱方式，日蒸發(fā)率小于0.18%。他們?cè)诮^熱設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了一系列研究，比如影響珍珠巖絕熱性能的各種因素以及絕熱材料放氣等等。在安裝上也采用了許多新技術(shù)，做了大量的模型試驗(yàn)工作，其中主要有密封性能、絕熱性能和清潔度等方面的工作。法國(guó)圭亞那火箭發(fā)射場(chǎng)使用5個(gè)容積為360m3，可移動(dòng)、臥式液氫貯罐，為美國(guó)chart公司生產(chǎn)。我國(guó)的液氫貯罐多應(yīng)用在液氫生產(chǎn)及航天發(fā)射場(chǎng)，如北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所、海南發(fā)射場(chǎng)、西昌發(fā)射場(chǎng)等，均配有地面固定罐、鐵路槽車及公路槽車。其液氫貯罐有從國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，也有國(guó)內(nèi)幾個(gè)大型低溫儲(chǔ)存設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)備。

圖2 100M³液氫貯罐

圖3  80M³ 液氫貯罐

圖4 俄羅斯250M³液氫貯罐       圖5 俄羅斯1400M³液氫貯罐

圖6 俄羅斯100M3鐵路運(yùn)輸液氫貯罐

2.2 液氫設(shè)備的絕熱材料

2.2.1 堆積絕熱

        堆積絕熱是在需要絕熱的表面上裝填或包覆一定厚度的絕熱材料以達(dá)到絕熱的目的。堆積絕熱有固體泡沫型、粉末型和纖維型。常用的堆積絕熱材料有泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、膨脹珍珠巖(又名珠光砂)、氣凝膠、超細(xì)玻璃棉、礦棉等，為了減少固體導(dǎo)熱，堆積絕熱應(yīng)盡可能選用密度小的材料。為防止堆積絕熱材料空間有水蒸氣和空氣通過滲入，從而使絕熱性能惡化，可設(shè)置蒸汽阻擋層即防潮層，或通過向絕熱層中充入高于大氣壓的干氮?dú)夥乐顾值臐B入。堆積絕熱廣泛應(yīng)用于天然液化氣貯運(yùn)容器、大型液氧、液氮、液氫貯存以及特大型液氫貯罐中^[3]，堆積絕熱的顯著特點(diǎn)是成本低，無需真空罩，易用于不規(guī)則形狀，但絕熱性能稍遜一籌。

2.2.2 高真空絕熱

        高真空絕熱亦稱單純真空絕熱，一般要求容器的雙壁夾層絕熱空間保持1.33×10^-3Pa以下壓強(qiáng)的高真空度，以消除氣體的對(duì)流傳熱和絕大部分的氣體傳導(dǎo)導(dǎo)熱，漏入低溫區(qū)的熱量主要是輻射熱，還有是小量的剩余氣體導(dǎo)熱以及固體構(gòu)件的導(dǎo)熱，因而提高其絕熱性能主要是從降低輻射熱和提高、保持夾層空間真空度兩方面考慮，其一是壁面采用低發(fā)射率的材料制作或夾層壁表面涂上低發(fā)射率的材料如銀、銅、鋁、金等，并進(jìn)行表面清潔和光潔處理，或通過安置低溫蒸汽冷卻屏降低器壁的溫度以減少輻射傳熱；其二是在高真空夾層中放置吸氣劑以保持真空度。單純高真空度絕熱層具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、熱容量小等優(yōu)點(diǎn)，適用于小型液化天然氣貯存、少量液氧、液氮、液氫以及少量短期的液氫貯存，由于高真空度的獲得和保持比較困難，一般在大型貯罐中很少采用。
2.2.3 真空粉末（或纖維）絕熱

        真空粉末(或纖維)絕熱是在絕熱空間充填多孔性絕熱材料(粉末或纖維)，再將絕熱空間抽至一定的真空度(壓力在1-10Pa左右)，是堆積絕熱與真空絕熱相結(jié)合的一種絕熱型式。在粉末(或纖維)絕熱中，氣體導(dǎo)熱起了很大的作用，絕熱層被抽成真空可顯著降低表觀熱導(dǎo)率，只要在不高的真空度下，就可以消除粉末或纖維多孔介質(zhì)間的氣體對(duì)流傳熱，從而大大減小高真空度的獲得與保持的困難。由于真空粉末(或纖維)絕熱層中輻射為主要漏熱途徑，在真空粉末中摻入銅或鋁片(包括顆粒)可有效地抑制輻射熱，該類絕熱稱為真空阻光劑粉末絕熱。影響真空粉末絕熱性能的主要因素有絕熱層中氣體的種類與壓強(qiáng)、粉末材料的密度、顆粒的直徑以及金屬添加劑的種類與數(shù)量。真空粉末絕熱所要求的真空度不高，而絕熱性能又比堆積絕熱優(yōu)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此廣泛用于大、中型低溫液體貯存中，如液化天然氣貯存、液氧、液氮運(yùn)輸設(shè)備及量大的液氫船運(yùn)設(shè)備中，其最大的缺點(diǎn)是要求絕熱夾層的間距大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重。
2.2.4 高真空多層絕熱

        高真空多層絕熱簡(jiǎn)稱多層絕熱，是一種在真空絕熱空間中纏繞包扎許多平行于冷壁的輻射屏與具有低熱導(dǎo)率的間隔物交替層組成的高效絕熱結(jié)構(gòu)，其絕熱空間被抽到10^-3Pa以上的真空度，輻射屏材料常用鋁箔、銅箔或噴鋁滌綸薄膜等，間隔物材料常用玻璃纖維紙或植物纖維紙、尼龍布、滌綸膜等，使絕熱層中輻射、固體導(dǎo)熱以用殘余氣體熱導(dǎo)都減少到了最低程度，絕熱性能卓越，因而亦被稱為“超級(jí)絕熱”^[3]。有效地將殘余氣體從絕熱層中抽出是多層絕熱的關(guān)鍵問題，在實(shí)際制造工藝中，在絕熱層間扎許多小孔以利多層層間壓力平衡，保證內(nèi)層的殘余氣體能被充分地抽出：采用填炭紙作為間隔物可有效地利用活性炭在低溫下的高吸附性能，吸附真空夾層中材料的放氣，以長(zhǎng)期時(shí)間保證絕熱夾層中的高真空度。真空多層絕熱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是絕熱性能卓越，重量輕，預(yù)冷損失小，但制造成本高，抽空工藝復(fù)雜，難以對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，應(yīng)用于液氧、液氮的長(zhǎng)期貯存，液氫、液氦的長(zhǎng)期貯存及運(yùn)輸設(shè)備中。

2.2.5 高真空多屏絕熱

        高真空多屏絕熱是一種多層絕熱與蒸氣冷卻屏相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)，在多層絕熱中采用由揮發(fā)蒸氣冷卻的汽冷屏作為絕熱層的中間屏，由揮發(fā)的蒸氣帶走部分傳入的熱量，以有效地抑制熱量從環(huán)境對(duì)低溫液體的傳入。多屏絕熱是多層絕熱的一大改進(jìn)，絕熱性能十分優(yōu)越，熱容量小、質(zhì)量輕、熱平衡快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，一般適用于液氫、液氮的小量貯存容器中。由此可見，低溫液體貯運(yùn)容器絕熱結(jié)構(gòu)型式的選擇，應(yīng)根據(jù)不同低溫液體的沸點(diǎn)、貯存容器容積的大小、形狀、日蒸發(fā)率等工況要求、制造成本等多種因素綜合考慮，一般選擇原則是；低沸點(diǎn)的液體貯運(yùn)容器采用高效絕熱，如高真空多層絕熱;大型容器選用制造成本低的絕熱型式，而不必過多考慮重量和所占空間大小，如堆積絕熱:運(yùn)輸式及輕便容器應(yīng)采用重量輕，體積小的絕熱型式；形狀復(fù)雜的容器一般不宜選用高真空多層絕熱;間歇使用的容器，宜選用熱容量小的高真空絕熱或有液氮預(yù)冷的高真空絕熱:小型液氫、液氦容器，盡可能采用多屏絕熱。液氫的沸點(diǎn)低，汽化潛熱很小，通常液氫貯運(yùn)容器必須具有優(yōu)異的絕熱性能，但根據(jù)不同貯存容量的大小、移動(dòng)或固定形式等工況可選擇多種絕熱結(jié)構(gòu)型式，對(duì)于液氫貯罐，高真空多層絕熱是典型的絕熱結(jié)構(gòu)型式。

2.3 液氫貯存相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        國(guó)外關(guān)于液氫貯存的相關(guān)規(guī)定，主要出現(xiàn)在以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中：

表1 液氫 貯存相關(guān)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

        NSS 1740.16《氫及氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)于2005年7月25日作廢。AIAA-G-95《氫及氫安全系統(tǒng)安全指導(dǎo)》、NASA-STD-8719.12《爆炸物、推進(jìn)劑及煙火安全標(biāo)準(zhǔn)》和GLM-QS-1700.1《格林安全手冊(cè)》中關(guān)于液氫的貯存規(guī)定都參考了美國(guó)國(guó)防部的標(biāo)準(zhǔn)DOD 6055.09-STD《彈藥與爆炸物安全標(biāo)準(zhǔn)》。此標(biāo)準(zhǔn)1968年初次頒布，此后進(jìn)行了多次修改和修訂。該標(biāo)準(zhǔn)適用于火炸藥、固體推進(jìn)劑、液體推進(jìn)劑和彈藥等爆炸物的研制、制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、處理、貯存、維護(hù)和非軍事化或處置,內(nèi)容涉及爆炸效應(yīng)、危險(xiǎn)性分類和相容性類別、人員防護(hù)、庫房的建設(shè)和選址等。其中，最重要和最實(shí)用的是數(shù)量－距離表。在建設(shè)航天發(fā)射場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)站和推進(jìn)劑生產(chǎn)廠時(shí)，必須按照推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性類別和數(shù)量確定安全距離。在DOD6055.09中的“表V5.E4.T9. QD Criteria for LH2 and Bulk Quantities of Hydrazines”就對(duì)不同貯存量的液氫所應(yīng)對(duì)應(yīng)的安全距離進(jìn)行了具體詳細(xì)地規(guī)定。對(duì)液氫貯存場(chǎng)所的設(shè)計(jì)及液氫試驗(yàn)安全等液氫安全工作具有指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)目前涉及到液氫貯存相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)有：

表2 液氫貯存相關(guān)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

        其中QJ3271《氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用液氫生產(chǎn)安全規(guī)程》主要規(guī)定了液氫生產(chǎn)過程的技術(shù)和安全管理要求，適用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用液氫生產(chǎn)。而國(guó)軍標(biāo)GJB2645《液氫貯存運(yùn)輸要求》和GJB5405《液氫安全應(yīng)用準(zhǔn)則》中都設(shè)有液氫貯存的相關(guān)規(guī)定。但GJB2645為1996年頒布，較為陳舊。其標(biāo)準(zhǔn)中液氫貯存的安全距離分別參照的是美國(guó)國(guó)家宇航局標(biāo)準(zhǔn)NASA TMX-52454中的“表A Liquid Hydrogen Storage（液氫貯存）”和“表B Liquid Hydrogen in Conjunction with Liquid Oxidizers（液氫與液體氧化劑并存）” ，NASA TMX-52454的頒布時(shí)間為1968年，年代十分久遠(yuǎn)。GJB5405中的貯存章節(jié)所參考的資料是GJB2645，因此國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于液氫的貯存要求較為陳舊。液氫貯存的安全距離可參考DOD6055.09中的最新指標(biāo)要求。

3 液氫的運(yùn)輸

3.1 液氫的輸送方式

        液氫一般采用車輛或船舶運(yùn)輸，液氫生產(chǎn)廠至用戶較遠(yuǎn)時(shí)，可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐內(nèi)，放在卡車、機(jī)車、船舶或者飛機(jī)上運(yùn)輸。這是一種既能滿足較大輸氫量又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。液氫槽車是關(guān)鍵設(shè)備，常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐。汽車用液氫儲(chǔ)罐其存儲(chǔ)液氫的容量可以達(dá)到100m³。鐵路用特殊大容量的槽車甚至可運(yùn)輸120~200m³的液氫。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，俄羅斯的液氫儲(chǔ)罐容量從25~1437m₃不等，25 m³和2437 m³的液氫儲(chǔ)罐分別自重19t和360t，可儲(chǔ)液氫1.75t和100.59t，其儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比為9. 2%~27.9%，儲(chǔ)罐每天蒸發(fā)損失分別為1.2%和0.13%。可見液氫存儲(chǔ)密度和損失率與儲(chǔ)氫罐的容積有較大的關(guān)系，大儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫效果要比小儲(chǔ)氫罐好。

圖7 液氫運(yùn)輸火車                                             圖8 液氫運(yùn)輸車

        液氫可用船運(yùn)輸，這和運(yùn)輸液化石油氣相似，不過需要更好的絕熱材料，使液氫在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程中保持液態(tài)。駁船上裝載有容量很大的存儲(chǔ)液氫的容器。這種駁船可以把液氫通過海路從路易斯安那州運(yùn)送到佛羅里達(dá)州的肯尼迪空間發(fā)射中心。駁船上的低溫絕熱罐的液氫存儲(chǔ)容量可達(dá)1000m³左右^[4]。顯然，這種大容量液氫的海上運(yùn)輸要比陸上的鐵路或高速公路上運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也更加安全。日本、德國(guó)、加拿大都有類似的報(bào)道。

圖8 美國(guó)NASA運(yùn)送航天飛機(jī)燃料的大型重駁船

        加拿大和歐洲在共同撰寫的《氫能開發(fā)計(jì)劃（Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project）》中提出，計(jì)劃將液氫從加拿大運(yùn)往歐洲^[5]。報(bào)告重點(diǎn)對(duì)在甲板上設(shè)置多個(gè)液氫儲(chǔ)罐（總?cè)莘e達(dá)1.5萬m³）這種船運(yùn)方式進(jìn)行了調(diào)查研究。據(jù)報(bào)道，德國(guó)針對(duì)未來液氫海上大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)已經(jīng)展開了對(duì)總?cè)莘e為12萬m³的大型液氫運(yùn)輸船的研究工作。除小水線面雙體運(yùn)輸船、氫集裝箱貨運(yùn)船等船體結(jié)構(gòu)未涉及外，研究報(bào)告對(duì)多種類型的液氫運(yùn)輸船的船體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了比較說明，但其中有關(guān)液氫儲(chǔ)罐與絕熱系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)在報(bào)告中均未說明。液氫空運(yùn)要比海運(yùn)還好，因?yàn)橐簹涞闹亓枯p，有利于減少運(yùn)費(fèi)，而運(yùn)輸時(shí)間短則液熟發(fā)少。在特別的場(chǎng)合，液氫也可用專門的液氫管道輸送，由于液氫是一種低溫(-253℃)的液體，其存儲(chǔ)的容器及輸送液氫管道都需要高度的絕熱性能。即使如此，還會(huì)有一定的冷量損耗，所以管道容器的絕熱結(jié)構(gòu)就比較復(fù)雜。液氫管道一般只適用于短距離輸送。據(jù)介紹，美國(guó)肯尼迪航天中心就采用真空多層絕熱管路輸送液氫。美國(guó)航天飛機(jī)液氫加注量為1432m³，液氫有液氫庫輸送到400m外的發(fā)射點(diǎn)。代號(hào)39A發(fā)射場(chǎng)的液氫管道是254mm真空多層絕熱管路，用20層極薄的鋁箔構(gòu)成反射屏，隔熱材料為多層薄玻璃纖維紙。管路分節(jié)制造，每節(jié)管段長(zhǎng)13.7m，在現(xiàn)場(chǎng)焊接連接。每節(jié)管段夾層中裝有分子篩吸附劑和氧化鈀吸氫劑。在液氫溫度下，壓力為133×10^-4Pa，分子篩對(duì)氫的吸附容量可達(dá)160mL/g以上，而活性炭可達(dá)200mL/g。影響夾層真空度的主要因素是殘留的氦氣、氖氣。為此，在夾層抽真空過程中用干燥氮?dú)舛啻未迪粗脫Q。分析表明，夾層殘留氣體中主要是氫，其最高含量可達(dá)95 %，其次是N₂、O₂、H₂O、CO₂、He。分子篩在低溫低壓下對(duì)水仍有極強(qiáng)的吸附能力，所以采用分子篩作為吸附劑以吸附氧化把吸氫后放出的水。分子篩吸水量超過2%時(shí)，其吸附能力將明顯下降。

3.2液氫儲(chǔ)藏型加氫站

        液氫技術(shù)是航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，也較為成熟，有著成套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的加氫儲(chǔ)氫設(shè)施。液氫儲(chǔ)藏型加氫站是在航空航天儲(chǔ)氫基礎(chǔ)上發(fā)展起來的面向民用的加氫設(shè)施。目前美國(guó)、歐洲和日本在加氫站建設(shè)上走在液氫研究的前列。在副產(chǎn)氫被液化后用罐車(1100-12400L)運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合，替換加氫站儲(chǔ)藏罐是非常普遍的做法。但替換時(shí)汽化尾氣損失為10%左右，因此考慮把液氫運(yùn)輸集裝箱放置在加氫站內(nèi)直接利用。液氫搭載汽車的加注是利用儲(chǔ)氫槽和車載氫罐間的差壓或通過液氫泵壓送的方法。對(duì)于壓縮氫搭載汽車的加注包括用汽化器汽化后再用壓縮機(jī)加壓儲(chǔ)藏在蓄壓器內(nèi)的方式，以及把液氫用泵加壓后使其汽化、不使用壓縮機(jī)而直接得到高壓氫的方式^[6]。前者在薩克拉門托被采用，后者在芝加哥、JHFC有明等地被采用。由于可以大量?jī)?chǔ)藏氫，液氫有運(yùn)輸頻率較少的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于-253℃的極低環(huán)境，從外部侵入的熱量會(huì)造成每天1%左右的汽化尾氣產(chǎn)生。在實(shí)證試驗(yàn)用加氫站內(nèi)，也有把汽化尾氣排放到空氣中的情況。為了能有效利用汽化尾氣，需要相應(yīng)的回收設(shè)備。液氫儲(chǔ)罐加氫站具有既可以加注壓縮氫搭載汽車又可以加注液氫搭載汽車的優(yōu)點(diǎn)。在液氫工程較多的國(guó)家，這種方式的加氫站運(yùn)輸成本低，因此被大量建設(shè)。

圖9 液氫加氫站流程

3.3 液氫運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        國(guó)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中涉及到關(guān)于液氫運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)如下表所示：

表3 國(guó)外液氫運(yùn)輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)液氫的相關(guān)規(guī)定，基本上都是參考了本國(guó)現(xiàn)行的運(yùn)輸規(guī)定。例如，Doc 06/19《儲(chǔ)存、處理和分配液氫的安全性》的第6章對(duì)液氫的相關(guān)運(yùn)輸要求進(jìn)行了說明，此標(biāo)準(zhǔn)中公路運(yùn)輸部分的規(guī)定參考了《危險(xiǎn)貨物國(guó)際道路運(yùn)輸歐洲公約》(ADR)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“除非隧道是ADR或危險(xiǎn)品批準(zhǔn)路線的一部分，否則車輛不得通過隧道”，“車輛不得停放在靠近橋梁，隧道或地下通道的地方”。GLM-QS-1700.1-2018《格林安全手冊(cè)》和AIAA-G-095-2004《氫和氫系統(tǒng)安全指導(dǎo)》中的液氫運(yùn)輸規(guī)定均參考了《聯(lián)邦運(yùn)輸規(guī)定》CFR49。其中液氫被指定為低溫液體（包裝運(yùn)輸識(shí)別號(hào)UN 1966），危險(xiǎn)等級(jí)為2.1（易燃?xì)怏w）。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)液氫公路運(yùn)輸提出了一般要求，在第173.316章和第173.318章中提出了液氫裝載和運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)具體說明。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中可以作為液氫運(yùn)輸?shù)膮⒖假Y料如表所示：

表4 國(guó)內(nèi)液氫運(yùn)輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        目前國(guó)內(nèi)關(guān)于危險(xiǎn)品的文件有，GB 12268-2012《危險(xiǎn)貨物品名表》和《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》（2015版）、《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》（2012版）。其中在GB 12268的名表中可以找到液氫的相關(guān)類別，如表5所示?！段ｋU(xiǎn)化學(xué)品名錄》中也可以找到液氫的相關(guān)類別，如表6所示。而《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》中只能找到氫氣的類別，如表7所示。液氫的危險(xiǎn)類別、項(xiàng)別見表5，屬于第2類危險(xiǎn)貨物：

表5 | 危險(xiǎn)貨物品名表

表6 | 危險(xiǎn)化學(xué)品名錄

表7 | 危險(xiǎn)化學(xué)品目錄

        在國(guó)家交通運(yùn)輸部發(fā)布的《道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》中規(guī)定的危險(xiǎn)貨物是以列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《危險(xiǎn)貨物品名表》（GB12268）的為準(zhǔn)。由此可見，液氫屬于GB 12268《危險(xiǎn)貨物品名表》的危險(xiǎn)貨物，因此應(yīng)遵守《道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》的相關(guān)規(guī)定。《道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》中第四十七條規(guī)定： “道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸從業(yè)人員必須熟悉有關(guān)安全生產(chǎn)的法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全生產(chǎn)規(guī)章制度、安全操作規(guī)程，了解所裝運(yùn)危險(xiǎn)貨物的性質(zhì)、危害特性、包裝物或者容器的使用要求和發(fā)生意外事故時(shí)的處置措施，并嚴(yán)格執(zhí)行《汽車運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物規(guī)則》（JT617）、《汽車運(yùn)輸、裝卸危險(xiǎn)貨物作業(yè)規(guī)程》（JT618）等標(biāo)準(zhǔn)，不得違章作業(yè)?！币虼耍簹涞倪\(yùn)輸可以參考標(biāo)準(zhǔn)JT617和JT618中的相關(guān)規(guī)定，例如：1）運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物時(shí)應(yīng)隨車攜帶“道路運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物安全卡”；2）運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物的車輛在一般道路上最高車速為60 km/h，在高速公路上最高車速為80 km/h，并應(yīng)確認(rèn)有足夠的安全車間距，如遇雨天、雪天、霧天等惡劣天氣，最高車速為20 km/h，并打開示警燈，警示后車，防止追尾；3）運(yùn)輸中，低溫液化氣體的瓶體及設(shè)備受損、真空度遭破壞時(shí)，駕駛?cè)藛T、押運(yùn)人員應(yīng)站在上風(fēng)處操作，打開放空閥泄壓，注意防止灼傷。一旦出現(xiàn)緊急情況，駕駛?cè)藛T應(yīng)將車輛轉(zhuǎn)移倒距火源較遠(yuǎn)的地方；4）除另有限運(yùn)規(guī)定外，當(dāng)運(yùn)輸過程中瓶?jī)?nèi)氣體的溫度高于40oC時(shí)，應(yīng)對(duì)瓶體實(shí)施遮陽、冷卻噴淋降溫等措。施。

4 結(jié)論

        氫能源作為理想的新型能源和含能體能源，制約其實(shí)用化、規(guī)?；年P(guān)鍵是儲(chǔ)氫。目前的一些儲(chǔ)氫材料和技術(shù)離氫能的實(shí)用化還有較大的距離，在質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度、工作溫度、可逆循環(huán)性能以及安全性等方面，還不能滿足實(shí)用化和規(guī)模化的要求。國(guó)際能源署（IEA）對(duì)儲(chǔ)氫材料提出的要求是質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度大于5%，體積儲(chǔ)氫密度應(yīng)在50kgH₂/m³以上，迄今為止除液氫外還沒有一種儲(chǔ)氫材料和技術(shù)能滿足這一要求，目前急待解決的關(guān)鍵問題是提高儲(chǔ)氫密度、儲(chǔ)氫安全性和降低儲(chǔ)氫成本。由于能源問題的日趨嚴(yán)重，采用氫作為能源已迫在眉睫，開展規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)的研究，解決相關(guān)的技術(shù)瓶頸問題，對(duì)于促進(jìn)氫能源的應(yīng)用將具有十分重要的意義。

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