中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來(lái)，氫燃料電池憑借著清潔、高效、可再生等顯著優(yōu)勢(shì)，成為氫能產(chǎn)業(yè)中兼具商業(yè)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值的重要發(fā)展方向。
1、引言
根據(jù)《2019中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》中的總體目標(biāo)，中國(guó)氫能在中國(guó)能源體系中的占比到2025年、2035年和2050年將達(dá)到4%、5．9%和10%，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值到2050年將超過(guò)10萬(wàn)億，燃料電池車的數(shù)量將超過(guò)500萬(wàn)輛。一個(gè)高效、可靠、低成本的氫供應(yīng)鏈?zhǔn)侨剂想姵禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。
我國(guó)是產(chǎn)氫大國(guó)，可以充分保證氫燃料電池產(chǎn)業(yè)所需的氫源。但我國(guó)的氫氣主要來(lái)源與煤炭工業(yè)聯(lián)系緊密，集中在我國(guó)的三北地區(qū)，而東部沿海地區(qū)能源需求量巨大，因此存在嚴(yán)重的氫能供需錯(cuò)配問(wèn)題。所以，我國(guó)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題不在于使用氫，而在于輸運(yùn)氫。
由于氫氣密度小的特性，在尚未具備大規(guī)模管道輸氫的技術(shù)背景下，將氫液化以提高儲(chǔ)運(yùn)密度是最直接有效的輸送方法。相較于高壓儲(chǔ)運(yùn)，液氫儲(chǔ)運(yùn)具有運(yùn)輸成本低、氫純度高、計(jì)量方便等優(yōu)勢(shì)，更適合大規(guī)模部署和輸運(yùn)。本文介紹了以液氫儲(chǔ)運(yùn)為核心的“氫氣制取—液氫生產(chǎn)—液氫儲(chǔ)運(yùn)—?dú)饣幼ⅰ睔淙剂瞎?yīng)未來(lái)發(fā)展模式，通過(guò)對(duì)比當(dāng)前的氣氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，對(duì)液氫形式的氫能供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析。
2、制氫技術(shù)
制氫技術(shù)主要分為化石能源制氫的傳統(tǒng)方式和采用可再生能源的新方式。目前，全球氫的產(chǎn)量約5000萬(wàn)噸/天，主要來(lái)自于煤和天然氣等傳統(tǒng)化石燃料。考慮到制氫技術(shù)較為成熟，不是制約氫燃料電池供應(yīng)鏈的主要問(wèn)題，在此僅作簡(jiǎn)單介紹。
2．1 傳統(tǒng)制氫方式
傳統(tǒng)的化石燃料制氫主要有煤制氫、天然氣制氫，氯堿工業(yè)副產(chǎn)提純和甲醇制氫等。中國(guó)煤炭資源豐富，煤制氫成本低、技術(shù)成熟，雖然存在產(chǎn)氫效率低、環(huán)境污染的問(wèn)題，但煤化工仍是短期內(nèi)中國(guó)氫的主要來(lái)源。天然氣制氫成本略高于煤制氫，能量轉(zhuǎn)化率高，但硬件成本較高，也是目前工業(yè)中主要的制氫方式。氯堿工業(yè)副產(chǎn)提純制氫則是回收提純?cè)局苯优欧诺娇諝庵械母碑a(chǎn)物氫氣，具有良好的經(jīng)濟(jì)前景。甲醇制氫則主要受甲醇原料成本的限制，工業(yè)中應(yīng)用較少。
2．2 新型制氫方式
化石燃料日益枯竭，傳統(tǒng)制氫方法帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，促使從其他原料中獲取氫的研究快速發(fā)展。目前采用新型制氫方式主要有:電解水制氫、光制氫和生物質(zhì)制氫等，未來(lái)主要需要攻克的技術(shù)問(wèn)題是大規(guī)模低成本制氫。
電解水制氫技術(shù)研究已久，其原料廣泛、無(wú)污染，目前的主要問(wèn)題是電解過(guò)程中電力成本過(guò)高。通過(guò)降低電解過(guò)程中的能耗以及采用清潔能源作為電力來(lái)源的方式，解決成本問(wèn)題后將不失為一種有效的方式。
光制氫中除了用光能提供電解水所需能量的制氫方法外，還可以通過(guò)光熱化學(xué)、光電化學(xué)和人工光合制氫。但光制氫技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。
生物質(zhì)制氫是將秸稈、稻草等通過(guò)裂解或酶催化反應(yīng)得到氫氣，和光制氫一樣，生物質(zhì)制氫技術(shù)尚未成熟，無(wú)法做到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。
3、液氫的生產(chǎn)
3．1 氫液化流程
氫的液化最早由英國(guó)的JamesDewar于1898年通過(guò)J－T節(jié)流實(shí)現(xiàn)。到1902年出現(xiàn)了Claude循環(huán)，區(qū)別于之前的氫液化方式主要在于膨脹機(jī)的使用。使用液氮預(yù)冷、膨脹機(jī)提供低溫區(qū)冷量的Claude循環(huán)，效率比采用J－T節(jié)流的LindeHampson循環(huán)高約50－70%。
目前，Claude循環(huán)仍然是大型氫液化裝置的基礎(chǔ)，根據(jù)制冷方式的不同又分為氫膨脹制冷和氦膨脹制冷氫液化流程。氫膨脹制冷循環(huán)流程如圖1所示，采用氫氣自膨脹提供低溫區(qū)冷量。而氦膨脹制冷循環(huán)氫液化流程則是利用沸點(diǎn)更低的氦作為制冷劑提供低溫區(qū)冷量，如圖2所示。
無(wú)論在氫膨脹制冷或在氦膨脹制冷氫液化流程中，透平膨脹機(jī)均是最關(guān)鍵的核心設(shè)備，也是系統(tǒng)低于80K溫區(qū)的主要冷量來(lái)源。
圖1 氫膨脹制冷氫液化循環(huán)流程
圖2 氦制冷的氫液化系統(tǒng)
為了獲得透平膨脹機(jī)的大冷量、減少系統(tǒng)復(fù)雜性，透平膨脹機(jī)需運(yùn)行在大膨脹比工況，這就意味著透平中的工質(zhì)流動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換復(fù)雜。另外，氫、氦的物性與普通工質(zhì)有著迥然區(qū)別，這就使透平的轉(zhuǎn)速超高，需采用氫、氦氣體軸承，這就對(duì)高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)了更高的要求。要獲得優(yōu)異的透平膨脹機(jī)性能，不僅需要對(duì)冷端的低溫膨脹特性進(jìn)行深入研究，也需要充分關(guān)注制動(dòng)端的離心壓縮特性和整機(jī)的匹配，且在熱力學(xué)設(shè)計(jì)與分析的同時(shí)，尚需考慮轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)與機(jī)械性能。大冷量氫、氦透平膨脹機(jī)的研制是目前氫液化系統(tǒng)的難點(diǎn)和急需解決的問(wèn)題。
氫液化流程中，氫的正仲轉(zhuǎn)換器也是一個(gè)重要的設(shè)備。根據(jù)氫的物理特性，隨著溫度的降低和氫的液化，正氫會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成仲氫，并放出大量的熱量。若液氫產(chǎn)品中存在未轉(zhuǎn)換完成的正氫，后的正－仲轉(zhuǎn)化熱會(huì)導(dǎo)致液氫產(chǎn)品氣化。所以，液化后液氫中仲氫含量需大于95%。
正仲轉(zhuǎn)換器通常布置在多個(gè)低溫?fù)Q熱器后，隨著技術(shù)的發(fā)展，也有氫液化系統(tǒng)，如Linde在德國(guó)Leuna的裝置中正仲轉(zhuǎn)換器全部置于換熱器內(nèi)部。
3．2 國(guó)內(nèi)外液氫產(chǎn)能對(duì)比
國(guó)外的氫液化技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已很成熟。國(guó)內(nèi)起步較晚，與國(guó)外存在較大的差距。從液氫產(chǎn)能上來(lái)看，北美占了全球液氫產(chǎn)能總量的85%以上。美國(guó)本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產(chǎn)能達(dá)326d/t，居于全球首位，加拿大還有80d/t的液氫產(chǎn)能也為美國(guó)所用。美國(guó)液氫產(chǎn)能的10%左右的液氫用于氫燃料電池的應(yīng)用。近年來(lái)，美國(guó)開(kāi)始了新一輪的液化氫工廠建設(shè)，以擴(kuò)大液氫產(chǎn)能，預(yù)計(jì)2021年美國(guó)本土的液氫產(chǎn)量將超過(guò)500d/t。歐洲4座液氫工廠液氫產(chǎn)能為24d/t。亞洲有16座液氫工廠，總產(chǎn)能38．3d/t，其中日本占了三分之二。
中國(guó)液氫工廠有陜西興平、海南文昌、北京101所和西昌基地等，主要服務(wù)于航天發(fā)射，總產(chǎn)能僅有4d/t，最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2d/t。目前中國(guó)民用液氫市場(chǎng)基本空白，根據(jù)科技部2020年“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)指南，中國(guó)急需研制液化能力≥5d/t且氫氣液化能耗≤13kWh/kgLH2的單套裝備，指標(biāo)與國(guó)外主流大型氫液化裝置性能基本一致，以期盡快縮短我國(guó)產(chǎn)品成本、質(zhì)量和制造水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。
作為液氫生產(chǎn)大國(guó)的美國(guó)一直以來(lái)對(duì)中國(guó)都采取“嚴(yán)格禁運(yùn)，嚴(yán)禁交流”的策略，同時(shí)還限制其同盟國(guó)的公司，例如法液空、林德公司等向中國(guó)出售設(shè)備和技術(shù)。這些都使得我國(guó)獲取氫液化設(shè)備的成本高昂，在進(jìn)行價(jià)格談判時(shí)處于被動(dòng)地位。在設(shè)備的建造周期、設(shè)備可獲得性上存在不確定性。同時(shí)進(jìn)口設(shè)備還存在維修維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。在技術(shù)封鎖下，中國(guó)尚未具備獨(dú)立研發(fā)大規(guī)模氫液化裝置的能力，嚴(yán)重限制了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是目前亟待解決的問(wèn)題。
3．3國(guó)內(nèi)氫液化裝置發(fā)展方向
氫液化技術(shù)成熟的發(fā)達(dá)國(guó)家正通過(guò)創(chuàng)新氫液化流程和提高設(shè)備工藝及效率的方法，提高氫液化裝置的效率和降低能耗。一些采用高性能換熱器、膨脹機(jī)和新型混合制冷劑的氫液化創(chuàng)新概念流程的能耗最低已至4．41kWh/kgLH2。
國(guó)內(nèi)雖然于上個(gè)世紀(jì)末自主開(kāi)發(fā)了氦膨脹機(jī)制冷的小型氫液化裝置，但系統(tǒng)能耗、產(chǎn)品質(zhì)量和制造水平和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家比還存在很大的差距。作為液氫供應(yīng)鏈的基礎(chǔ)保障，突破技術(shù)壁壘，掌握獨(dú)立研發(fā)大規(guī)模氫液化裝置的能力迫在眉睫。國(guó)內(nèi)的大型氫液化裝置主要需要突破低溫氫工況材料選用，氫、氦透平膨脹機(jī)研制和正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑等技術(shù)難題。
目前，國(guó)內(nèi)對(duì)正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑的研究已經(jīng)取得一定的成績(jī)，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所自制的正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑性能已達(dá)到國(guó)外水平。國(guó)內(nèi)也在開(kāi)始拓展液氫的民用市場(chǎng)，年產(chǎn)30000t液氫項(xiàng)目正擬投建。
但氫、氦透平膨脹機(jī)作為氫氣液化循環(huán)中的核心部件尚無(wú)國(guó)產(chǎn)化商品，它是系統(tǒng)冷量的主要提供者，其熱力性能、力學(xué)性能的優(yōu)劣對(duì)裝置的經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性至關(guān)重要，是系統(tǒng)中技術(shù)含量高、研制難度大的部件。目前，西安交通大學(xué)和北京航天試驗(yàn)研究所正在合作開(kāi)展大型氫液化裝置和高效氫、氦透平膨脹機(jī)的研發(fā)工作。
4、液氫的儲(chǔ)運(yùn)
4．1液氫的儲(chǔ)存
4．1．1儲(chǔ)氫方式對(duì)比
儲(chǔ)氫是利用氫能的關(guān)鍵，也是全世界努力研究的難題。衡量?jī)?chǔ)氫有兩個(gè)指標(biāo)，體積密度(kgH2/m3)和儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比(wt%)。體積密度為單位體積系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量;儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比為系統(tǒng)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量與系統(tǒng)質(zhì)量的比值。目前已經(jīng)具備大規(guī)模應(yīng)用水平的儲(chǔ)氫方式主要是高壓壓縮儲(chǔ)存和液氫儲(chǔ)存。固態(tài)儲(chǔ)氫的能量雖然高于液態(tài)氫，但保障其吸氫和解氫特性還需要大量的研究和開(kāi)發(fā)，暫時(shí)無(wú)法投入大規(guī)模使用。
對(duì)比氣氫和液氫存儲(chǔ)，從表1中可以看到即使氫氣壓力高達(dá)700bar，6kg的氫氣還需要一個(gè)150L左右的儲(chǔ)氫罐，而－253℃的液氫密度可以達(dá)到71g/L。所以氣態(tài)存儲(chǔ)需要壓縮到高壓，將氫氣加壓到45MPa時(shí)，其儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比只有4wt%，達(dá)不到美國(guó)能源部(DOE)的指標(biāo)，所以一般氣氫存儲(chǔ)的壓力為70MPa。
從儲(chǔ)氫密度上來(lái)說(shuō)，液氫存儲(chǔ)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而液氫存儲(chǔ)主要問(wèn)題在于是冷量損失，儲(chǔ)氫容器必須有良好的絕熱。同時(shí)壓縮氫氣需要20%的氫氣能量，液化氫氣則需要高達(dá)40%。
表1 不同壓力下氣氫和液氫密度
4．1．2液氫儲(chǔ)存的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展方向
液氫存儲(chǔ)的主要難點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面:
－總能量中30%—40%被用在氫液化上;
－儲(chǔ)罐的高額費(fèi)用;
－安全性問(wèn)題;
－蒸發(fā)損失(取決于罐子的尺寸)，目前一般為0．1—1%每天。
目前氫液化的耗電量在10—13kWh/kgH2的水平，考慮到氫液化以及存儲(chǔ)主要是為液氫輸運(yùn)服務(wù)，液氫氫能供應(yīng)鏈的主要成本節(jié)約在于液氫輸運(yùn)，所以在此不討論氫液化的成本問(wèn)題。
對(duì)于液氫存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)罐的絕熱和泄漏是主要問(wèn)題。隨著我國(guó)航天工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)在液氫貯罐制造技術(shù)取得了一定的成績(jī)，成功地研制出各類大、中、小型液氫貯罐，并在大量工業(yè)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，制定了相關(guān)的液氫貯罐的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/TQ324－83)。我國(guó)已經(jīng)完全具備了生產(chǎn)液氫貯罐的生產(chǎn)能力。對(duì)比國(guó)外技術(shù)，我國(guó)現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)完全可以保證液氫的蒸發(fā)率，但貯罐重量過(guò)重。在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步提高絕熱效果，改進(jìn)絕熱層制作工藝，采用新材料、復(fù)合材料制造貯罐，將貯罐的體積和重量大大減少。
除了傳統(tǒng)的液氫儲(chǔ)罐被動(dòng)絕熱的方法，像ZBO主動(dòng)制冷和Cryo－compressed等存儲(chǔ)方式都是具有發(fā)展前景的液氫存儲(chǔ)方式。
ZBO存儲(chǔ)技術(shù)是使低溫液體始終處于過(guò)冷狀態(tài)，無(wú)液體蒸發(fā)，目前主要運(yùn)用在航天長(zhǎng)期在軌推進(jìn)劑存儲(chǔ)上。如圖3所示，ZBO存儲(chǔ)技術(shù)主要包括主動(dòng)熱轉(zhuǎn)移和被動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)兩方面。主動(dòng)熱轉(zhuǎn)移技術(shù)是利用低溫貯箱和制冷機(jī)的耦合，移出漏入低溫系統(tǒng)的熱量，以實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑的零蒸發(fā);被動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)是通過(guò)改進(jìn)低溫貯箱的絕熱形式，被動(dòng)地減小低溫貯箱的漏熱，從而提高貯箱的絕熱效果。
圖3 ZBO存儲(chǔ)技術(shù)原理圖
Cryo－compressed技術(shù)結(jié)合了高壓和低溫存儲(chǔ)。通過(guò)在20K時(shí)將LH2從1bar時(shí)的70g/L，壓縮到240bar時(shí)的87g/L。從而提高液氫的體積密度，并減少蒸發(fā)損失，可有效延長(zhǎng)液氫在絕熱壓力容器中的休眠期。低溫壓縮罐(276bar，20K)預(yù)計(jì)可以達(dá)到5．8wt%。
4．2液氫的輸運(yùn)
早在上個(gè)世紀(jì)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)日本法國(guó)就已經(jīng)在航天領(lǐng)域大規(guī)模使用液氫，其中美國(guó)還率先在民用領(lǐng)域使用。這些國(guó)家對(duì)液氫輸運(yùn)的統(tǒng)一集中生產(chǎn)液氫，和氣氫輸運(yùn)的就地分散生產(chǎn)液氫進(jìn)行了充分的調(diào)研，最終都選擇了液氫輸運(yùn)的方式。主要原因在于液氫的能量密度遠(yuǎn)大于氣氫，所以液氫需要的公路運(yùn)力遠(yuǎn)小于氣氫。當(dāng)時(shí)日本的液氫和氣氫對(duì)公路車運(yùn)力要求為1∶6，而美國(guó)則是1∶20。
液氫的體積密度是70．8kg·m－3，體積能量密度達(dá)到8．5MJ·L－1，是氣氫15MPa運(yùn)輸壓力下的6．5倍。因此將氫氣深冷至20K液化后，再利用槽罐車或者管道運(yùn)輸可大大提高運(yùn)輸效率。槽罐車的容量大約為65m3，每次可凈運(yùn)輸約4000kg氫氣。計(jì)算分析表明在上海地區(qū)加氫站的大規(guī)模氫氣運(yùn)輸采用管道輸運(yùn)、長(zhǎng)管氣氫拖車輸運(yùn)和液氫輸運(yùn)的成本分別為:6元/kg、2．3元/kg和0．4元/kg。
雖然在目前，由于沒(méi)有先進(jìn)的大規(guī)模氫液化工廠，氣氫運(yùn)輸在總成本上尚占據(jù)優(yōu)勢(shì)。但隨著燃料電池汽車的數(shù)量逐漸增長(zhǎng)到萬(wàn)輛級(jí)、十萬(wàn)輛級(jí)，氫氣的日消耗量也逐漸增長(zhǎng)到30t和300t，加氫站將達(dá)到上百座的數(shù)量級(jí)，這時(shí)部分加氫站的輸氣量也將較大。同時(shí)，氫液化工廠具有規(guī)模性后，會(huì)大大降低液氫的獲取成本，采用液氫輸送優(yōu)勢(shì)就會(huì)很明顯。目前，美日等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將液氫的儲(chǔ)運(yùn)成本降低到高壓氣氫的八分之一左右，可以說(shuō)液氫儲(chǔ)運(yùn)是未來(lái)大規(guī)模發(fā)展氫能的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究。
液氫輸運(yùn)除了運(yùn)輸效率上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)之外，在銷售計(jì)量上也比氣氫更有優(yōu)勢(shì)。液氫可以直接稱重計(jì)量，誤差在1%;而高壓氫氣的壓差法計(jì)量，至少有3%的誤差。在大規(guī)模的交易中，計(jì)量的精準(zhǔn)性將變得非常敏感。
在我國(guó)尚未發(fā)展大規(guī)模管道輸送液氫的情況下，低溫槽罐車是液氫的輸運(yùn)主要載體。車用儲(chǔ)罐除了文中提到的絕熱、泄漏問(wèn)題外，還要考慮隔振、抗沖擊等安全問(wèn)題。設(shè)計(jì)出安全可靠的液氫槽罐車對(duì)于液氫運(yùn)輸具有重要意義，也是實(shí)現(xiàn)液氫模式的氫能供應(yīng)鏈低成本化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
5、氣化加注
5．1 液氫氣化
目前的燃料電池汽車用氫主要還是以高壓氣氫的形式裝載，所以運(yùn)輸至加氫站的液氫需要經(jīng)過(guò)氣化和加壓后，才可以進(jìn)行加注。氣化過(guò)程需要在氣化器中進(jìn)行，液氫與液化天然氣都是低溫液體，而LNG的氣化器技術(shù)已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，因此，結(jié)合LNG氣化器技術(shù)，分析液氫可能采取的氣化方式。
氣化器是通過(guò)提供熱量使低溫液體氣化的裝置，LNG氣化器主要有四種類型:開(kāi)架式氣化器(ORV)、浸沒(méi)燃燒式氣化器(SCV)、中間介質(zhì)氣化器(IFV)和空溫式氣化器(AVV)，主要區(qū)別在于采用的熱源不同。
開(kāi)架式氣化器采用水源作為熱源，是LNG終端站的主要?dú)饣绞?，受益于沿海分布或直接建造在海上的位置特點(diǎn)，海水便于獲取且廉價(jià)，具有成本低、資源充足的特點(diǎn)。
浸沒(méi)燃燒式氣化器采用燃?xì)庾鳛闊嵩矗扇細(xì)馊紵蠹訜崴?，低溫液體經(jīng)水槽受熱氣化。浸沒(méi)燃燒式氣化器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，可以快速啟動(dòng)，適用于應(yīng)急和調(diào)峰場(chǎng)合，但也存在控制、維護(hù)成本高的缺點(diǎn)。
中間介質(zhì)氣化器是通過(guò)中間傳熱介質(zhì)換熱，實(shí)際是一個(gè)蒸發(fā)冷凝器，常見(jiàn)的介質(zhì)有丙烷、異丁烷、氨、氟利昂等。介質(zhì)先與熱源換熱，再與低溫液體換熱。
但對(duì)于需要大規(guī)模分布在全國(guó)的氫加注站，若以淡水代替海水為熱源，成本將會(huì)有很大的提升。采用成本更低的空氣作為熱源的空溫式氣化器(AVV)也是未來(lái)液氫氣化器的一種思路。利用空氣自然對(duì)流直接或間接地加熱低溫液體，制造和運(yùn)行成本較低。缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境溫度很敏感，易結(jié)冰。
與天然氣相比，氫氣的物性更加特殊:
(1)液氫極低的沸點(diǎn)導(dǎo)致需要的熱量很高;
(2)液氫氣化為同溫度下的氣體，其體積約增大53倍，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的兩相流問(wèn)題;
(3)氫氣和空氣混合的燃燒爆炸范圍很廣，要嚴(yán)格防止泄漏并注意防爆;
(4)氫脆以及氫氣的強(qiáng)滲透性對(duì)材料也提出了更高的要求。
選擇液氫氣化器時(shí)首先要根據(jù)氫氣加注站所處環(huán)境及可獲得的熱源選擇氣化器的種類，還需要考慮以下問(wèn)題:
(1)氣化器的設(shè)備要具備良好的耐低溫性能，管道接口、閥門等連接處需做特殊處理;
(2)合理選擇氣化器的處理能力和運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置應(yīng)急方案，增加適應(yīng)性和可靠性;
(3)在配置氣化器時(shí)，可考慮不同種類氣化器組合，控制運(yùn)行費(fèi)用和投資。
除此之外，液氫在氣化過(guò)程中會(huì)釋放更多的冷量，所以對(duì)液氫冷能的利用也是將來(lái)重要的發(fā)展方向。液氫冷能可以利用在發(fā)電、空氣液化分離、制取液態(tài)CO2和干冰、冷凍倉(cāng)庫(kù)等方面，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
5．2壓縮加注
在氫氣的加注過(guò)程中最重要的兩個(gè)指標(biāo)是車載儲(chǔ)氫瓶的溫度和氫氣的利用率。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO15869和美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2601均對(duì)車載儲(chǔ)氫瓶的工作溫度做出了最高85℃的限制。氫氣加注過(guò)程中，以下三種熱力學(xué)現(xiàn)象還會(huì)導(dǎo)致氫氣溫度的迅速升高:
(1)車載儲(chǔ)氫瓶中的氫氣受到壓縮引起的溫升是最主要的原因;
(2)快速流動(dòng)的氫氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，產(chǎn)生熱量;
(3)氫氣通過(guò)節(jié)流閥，可能會(huì)因?yàn)榻梗瓬?jié)流負(fù)效應(yīng)導(dǎo)致溫度升高。
研究表明，初始充氣壓力、溫度、環(huán)境溫度、加注速率以及氣缸的尺寸參數(shù)都對(duì)氫氣溫升有重要影響。目前在控制溫度方面，多采用預(yù)冷氫氣的方法。
氫氣的加注是依靠加氫站高壓容器和車載儲(chǔ)氫瓶之間的壓差推動(dòng)的，隨氫氣的轉(zhuǎn)移，前者壓力不斷下降，直至小于加注壓力時(shí)，需要啟動(dòng)壓縮系統(tǒng)或者補(bǔ)充氫氣。加氫站在不使用壓縮系統(tǒng)或補(bǔ)充氫氣的情況下，連續(xù)加注的能力就反應(yīng)了氫氣的利用率。為提高的氫氣利用率，通常采用分級(jí)優(yōu)化加注策略。即加氫站的儲(chǔ)罐根據(jù)壓力分為低、中、高三個(gè)梯次，并與壓縮系統(tǒng)和加注系統(tǒng)之間實(shí)行有序作業(yè)，按照低壓—中壓—高壓的次序加注。
6、結(jié)論
燃料電池的發(fā)展對(duì)減少溫室氣體排放量、空氣污染物以及對(duì)石油的依賴有大的幫助，是人類未來(lái)發(fā)展清潔、高效的出行方式的重要選擇。一個(gè)高效、可靠、低成本的氫能供應(yīng)鏈?zhǔn)侨剂想姵禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。以液氫為核心的“氫氣制取—液氫生產(chǎn)—液氫儲(chǔ)運(yùn)—?dú)饣幼ⅰ睔淙剂瞎?yīng)模式具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可行性。盡管目前仍存在較多的技術(shù)問(wèn)題，相信在政府、企業(yè)、高校與研究所的共同努力下，液氫的氫能供應(yīng)鏈終將成為現(xiàn)實(shí)，為我國(guó)的能源可持續(xù)發(fā)展提供保障。
