1.3 低温液态储运氢

低温液态储运氢技术是指将氢气从常温气态冷却至-253℃液化，并对液氢进行储存与输运的技术。氢气液化的理论能耗在4～5kW·h/kg，而实际的低温工程中液化氢气的综合能耗在6.5～20kW·h/kg之间，这与氢气液化的规模有关：当氢液化的规模在2t/天及以下时综合能耗超过20kW·h/kg，而当氢液化规模在150t/天时可降至6.7kW·h/kg甚至更低，10～30t/天氢液化工程的综合能耗在10～14kW·h/kg之间。这也是需要不断提高氢液化工程规模的重要原因，只有在大规模应用液氢时才具有经济性。一般来说，氢液化工程的经济平衡点在8～10t/天，与可利用的电价和氢源有关。

液氢主要采用陆路或海上进行长距离运输。液氢槽罐车的单次运输能力在2.5～3.3t，是20MPa长管拖车单次运输能力的6～8倍，且运输车的自重降低30%左右，因此液氢的经济运输距离可达1000km以上，如图1-9a所示。海上液氢运输是液氢储运的另一种重要途径，LH2 Europe与C-Job Naval Architects合作设计开发了一艘141m的液氢运输船，该船由氢燃料电池提供动力，并将配备三个总容量为37500m3的液氢储罐，足以为40万辆中型氢燃料汽车或2万辆重型氢动力货车补充燃料（图1-9b）。

图1-9 低温液态储运氢

在液氢运输到加氢站后，如果面向35MPa/70MPa高压储氢的燃料电池汽车加注，可采用液氢泵增压然后汽化器复温（以环境作为热源，无需额外耗能）的方式，不仅压缩液体的液氢泵比压缩气体的压缩机节能，而且汽化器复温可以选择复温到-40℃，可不必考虑高压加注膨胀温升的影响。因此即使液氢给70MPa高压车辆加注的综合能耗也不超过2kW·h/kg，能耗优势明显。而在大功率长续驶里程的氢能重卡应用场景下，要求的车载储氢量达50kg以上，如果采用高压氢瓶，即使是70MPa氢瓶，也需要5～8个250L的大容积储氢瓶，而液氢瓶只需要一个0.8～1.3m3的液氢燃料罐，其储氢系统的体积密度和重量密度远高于高压储氢系统。重卡的动力系统电堆功率超过150kW，热管理系统采用水冷型强制冷却。在此系统中，车载液氢燃料也需要通过换热设备加热复温到常温，因此可以采用液氢冷能回收利用的方式来冷却大功率电堆，使得重卡电堆的设计可以更加紧凑、高效、长寿命。同时，液氢品质的优越性也是高压氢所不能比拟的，除了氦气之外所有的杂质气体遇到液氢都会凝固分离，因此液氢汽化后可直接获得超纯氢，这一品质可以从上游液化一直保持到终端进入电堆，对燃料电池汽车动力系统的长寿命、高性能保证具有重要意义。

总体来说，液氢的应用适合于大规模场景，其经济性体现在综合能耗的降低和储运、加注的经济性，以及终端的高密度储氢和高品质利用。终端车载液氢储氢更适合于重卡和船舶、列车、飞机等，在乘用车和中小型商用车车载储氢方面并不比高压储氢有优势。