序言

液氢是一种高密度、高纯度的燃料和工业原料，某种程度上其作用与液化天然气相似。液氢不仅仅是比推力最高的火箭发射推进剂。作为超纯氢的来源，液氢还是氢能交通工具的高品质燃料，是石油精炼工艺中的重要原料，是半导体生产和集成电路封装中的保护气体。因为液氢的超低温特性，还可以替代稀有的液氦，用于实现超导技术和高效储能。

液氢的温度比液化天然气的温度要低得多，已经非常接近液氦温度，趋近于绝对零度。在液氢存在的温度区间，有其不寻常的物理性质和现象，还有空气遇到液氢形成固体颗粒物而带来的安全问题。因此，不仅获得液氢具有较高的难度，安全使用和管理液氢的难度更大。如何来“驯服”液氢并为人类广泛应用，是科研工作者和工程师们几十年来不懈的追求。

中国液氢技术及装备的发展始于航天应用，已经取得了卓越的成果积累，但由于国内民用氢能市场的发展较为滞后，导致液氢应用技术在国内并未形成规模化的研究和装备开发，民用液氢技术明显落后于欧、美、日等发达国家和地区。随着氢燃料电池汽车产业的快速发展，对民用液氢产业链及装备提出了迫切的需求，大量从事低温、氢气、汽车等相关领域的研究人员和企业纷纷投入到液氢技术的研究当中，亟需全面了解液氢产业链的技术特点和典型装备，借鉴发达国家的先进经验，以支撑产业链各环节的技术选型和装备研发。

本书的作者团队均为在知名企业和高校科研院所从事氢能和低温工程技术研究多年的高级技术与研发人员，具有扎实的理论基础和丰富的工程经验，以及全球技术视野。作者们从应用技术和装备出发，全面介绍液氢全产业链构成，本书所采用的案例广泛来自美国、欧洲、日本等国家和地区，包括海上液氢运输、深冷高压储氢、浆氢等近年来的最新技术进展；覆盖液氢全产业链，能够帮助技术人员更好地熟悉液氢上下游环节，打破单一技术介绍的局限性，技术内容辐射面广；本书可为读者提供液氢典型技术引导，有利于读者深入了解液氢技术，并为先进技术与装备的开发利用提供借鉴参考。

本书兼顾理论基础和工程实践应用，可作为氢能产业链工程技术、项目管理和战略投资等从业人员的参考书，填补了我国液氢领域专业技术书籍的空白。在大力发展可再生能源和氢能，实现碳达峰与碳中和的时代背景下，这本《液氢技术与装备》具有一定的社会意义和指导意义。

我与本书的第一作者魏蔚女士相识多年，不仅经常交流对氢能产业的看法，还一起编著过《氢安全》书籍。看到她在三十多年工作生涯中坚持发挥专业优势并不断取得成绩，我深感欣慰。她在低温和液氢领域不断开发新技术和新产品，并把自己的成果、经验在行业内分享。桃李不言，下自成蹊；笃行不怠，积微成著。这也是我一直以来想要做的事情。欣然推荐本书，并作此序。

清华大学核能与新能源技术研究院教授

国际氢能协会（IAHE）副主席

2023年5月28日于深圳

前言

把氢气降温到－253℃（约20K）左右可获得低温液态氢。从1898年詹姆斯· 杜瓦（James Dewar）第一次在实验室里获得液氢至今，液氢技术发展已经有120多年的历史。俄罗斯科学家康斯坦丁· 齐奥尔科夫斯基（Константин Эдуардович Циолковский）1903年就指出，液氢和液氧组成的燃料是火箭发射最高效的推进剂，具有最高的比推力。液氢火箭发动机技术已成功地被美、俄、中、法、日等航天大国所掌握。随着工业革命和氢能经济的发展，以美国为代表的发达国家，液氢的利用已经从航天领域扩展到民用工业、交通和能源领域。

大规模绿色制氢技术——电解水制氢技术的商业化，使得可再生能源产生的电力可以得到更加广泛的应用。在大力发展可再生能源利用和节能减排实现碳达峰、碳中和目标的未来过程中，绿色氢气（简称绿氢）的液化及其相关技术与装备在氢能产业链中将会发挥重要的作用。液氢具有最高的储氢密度和储运效率，同时保持了超纯氢的品质，使得氢气的大规模储运、高效储能和更广泛的应用成为可能。然而，中国的液氢应用数十年来一直局限于航空航天和科研试验领域，液氢民用技术发展还有很长的路要走。总结并借鉴发达国家的发展经验，为中国液氢技术的商业化发展提供参考，是编写本书的主要目的。

氢气与天然气的相同点在于不仅仅都是能源，同时还都是化工业和制造业的重要原料。可以预见，低温液化是氢气大规模应用下的技术趋势。而氢气所特有的物理化学性质，使它在液化、储运、转注与加注时具有区别于天然气的特点。液氢的温度已经远低于空气液化和凝固的温度，使得氢的液化、储运技术和安全生产、使用管理等全产业链环节，与传统的液氮、液氧和液化天然气有着较大的区别和更高的技术难度。氢的活性使得液氢环境下的材料不仅要耐受低温，还要耐受氢的还原性、渗透性等。液氢不仅仅是火箭发射的推进剂，更是重要的能源燃料和工业原料，在海上运输国际贸易和绿色交通运输终端中都扮演了重要的角色。为获得更高的储氢密度和更长的维持时间，减少液氢的汽化损失，在提高加注、转注效率的同时提高经济性，在液氢技术的基础上衍生出了深冷高压储氢技术和浆氢储运加注技术。这两项技术是产业链终端氢能利用领域的先进技术发展方向。

本书主要介绍与液氢相关的技术与装备，全面覆盖液氢产业链中的生产、储运、应用、安全管理等技术环节，通过技术方案分析、关键装备选型以及典型应用场景的阐述，完整展现了液氢产业链在全球的技术发展现状和未来发展趋势，本书内容有助于相关科研、工程技术人员全面了解液氢产业链上下游可能涉及的技术及装备特点。本书主要面向从事液氢技术研究和装备开发的科研、工程技术人员，从事液氢产业链战略分析、投资调研的技术分析人员，等等，也可作为高等院校低温工程和氢能、设备工程等专业本科生及研究生的参考书。

本书共分为9章：第1章为氢的主要特性与获得方法，第2章为氢液化技术与装备，第3章为液氢的绝热与真空技术，第4章为液氢环境用材料，第5章为液氢的储存与运输，第6章为液氢储氢型加氢技术与装备，第7章为交通运输终端氢能储供氢技术与装备，第8章为液氢安全技术与管理，第9章为浆氢技术与应用。最后附录给出了氢的基本热物理性质相关的图表。

本书的主要编著者、所在单位及其编写章节如下：上海交通大学胡鸣若、周正、王清，第1章、附录；中国科学院理化技术研究所胡忠军、龚领会，第2章及第4章；江苏国富氢能技术装备股份有限公司魏蔚，第3章、第4章、第9章、附录；中国特种设备检测研究院朱鸣，第5章；张家港氢云新能源研究院有限公司何春辉、王朝，第6章；东南大学严岩、李仕豪，第7章及第9章；张家港中集圣达因低温装备有限公司刘根仓，第8章。

上述主要编写者在氢能技术、低温技术与装备领域从事科研和工程实践多年，均具有高级职称或工学博士学位，主持或参与过国家级、省部级重大研发课题，并将科研技术成果成功应用到航天火箭推进剂发射和液氢装备商业化应用中。编写团队所在单位，是中国液氢技术研究与装备产业化的典型代表，全面覆盖液氢技术与装备行业涉及的教学、科研、产品设计制造和第三方检测等领域。

感谢王瑞铨先生、汪荣顺先生对作者魏蔚在液氢技术方面的启蒙，以及十多年毫无保留地悉心指导和提供各种资料。感谢广东卡沃罗氢科技有限公司、北京中科富海低温科技有限公司、上海正仲动力科技有限公司等企业在本书编写过程中所提供的帮助。你们的支持和信任是作者前进动力的源泉。

由于时间和水平所限，书中疏漏之处在所难免，敬请读者指正。

编著者2023年1月

目录

第1章氢的主要特性与获得方法/1

11氢的主要物理化学特性/1

111氢和液氢概述/1

112氢的同位素/2

113正氢和仲氢/3

114氢的热物理性质/3

115氢进入金属及氢脆的影响/5

12氢的大规模制取/8

121化石能源制氢与工业副产氢/8

122可再生能源电解水制氢/16

123生物质制氢/24

13制氢新技术及其特点/27

参考文献/28

第2章氢液化技术与装备/32

21氢气液化工艺流程/32

211液氢技术概述/32

212JT节流液化循环/34

213氢膨胀机预冷的氢液化循环/38

214氢直接膨胀液化流程的典型应用案例/40

215氦制冷的氢液化系统/43

216不同氢液化循环的单位能耗对比/44

217氢液化流程研究进展/46

22透平膨胀技术及装备/48

221透平膨胀技术及系统控制/48

222氦透平膨胀机/52

223氢透平膨胀机/60

224气体轴承/68

23低温换热技术及装备/71

231低温换热器/71

232液氢真空冷箱/76

233正仲氢催化技术/85

24氢气纯化/91

241氢气纯化必要性和技术指标/91

242物理方法与吸附剂/92

243低温吸附与分离/93

244化学方法与催化剂/94

245氢气纯化工艺流程/95

25氢液化装置的结构特点与运行/96

251低温阀门与附件/96

252液氢管路/99

253检测仪表/100

254液氢涡轮泵/103

255氢液化装置的运行/104

参考文献/106

第3章液氢的绝热与真空技术/108

31低温传热与绝热机理/108

32液氢设备的绝热方法与使用条件/109

321堆积绝热与低真空绝热/109

322高真空多层绝热/110

323高真空多屏绝热/117

324液氢过程设备的真空绝热技术/117

33液氢设备的真空获得与维持技术/121

331真空获得与真空检测/121

332真空寿命与真空维持/123

333液氢容器绝热系统的阻燃性设计/124

参考文献/125

第4章液氢环境用材料/127

41金属材料/127

411化学成分对金属材料低温力学性能的影响/127

412液氢火箭发射系统用金属材料的研究/129

413液氢容器用奥氏体不锈钢性能研究/133

42非金属材料/135

421常用非金属材料及其用途/135

422纤维增强复合材料在液氢支撑元件中的应用/139

423纤维增强复合材料的其他应用/145

43材料的检验与检测/145

431金属材料的检验与检测/145

432非金属材料的检验与检测/148

参考文献/149

第5章液氢的储存与运输/150

51固定式液氢储存技术与设备/150

511液氢杜瓦瓶/150

512液氢储罐/153

513液氢球罐/157

514液氢接收站/160

52移动式液氢储运技术与设备/163

521液氢罐式集装箱与多式联运/164

522液氢公路罐车与铁路罐车/166

523液氢运输船/169

参考文献/172

第6章液氢储氢型加氢技术与装备/174

61液氢储氢型加氢技术概述/174

611车载储氢特点和加注需求/174

612车载储氢密度与发展趋势/174

613加氢基础设施要求和液氢加氢的优越性/175

62液氢储氢型加氢站技术/177

621加注高压氢气的液氢加氢站/177

622面向高压加氢的运营成本分析优化/179

623面向液氢加注的工艺流程/180

63面向高压氢气加注的液氢泵/181

631高压液氢活塞泵概述/181

632高压液氢活塞泵结构组成/182

633高压液氢活塞泵关键指标/184

634高压液氢活塞泵关键技术/185

64加氢机与加氢枪/187

641加氢机/187

642加氢枪/187

65用于液氢加注的往复式液氢泵/190

651液氢加注发展现状/190

652往复式液氢泵/191

653往复式液氢泵的应用/196

参考文献/197

第7章交通运输终端氢能储供技术与装备/200

71液氢储供氢技术与装备/200

711交通运输车辆/200

712轨道交通装备/202

713液氢无人机/203

714液氢动力船舶/206

72深冷高压储供氢技术与装备/208

721深冷高压储氢技术与装备/208

722深冷高压供氢技术与装备/212

723深冷高压氢加注技术与装备/214

参考文献/216

第8章液氢安全技术与管理/218

81液氢的危险特性/218

811液氢对人体的危害/218

812液氢相关的安全事故/218

813液氢的燃烧爆炸风险/220

82液氢生产和应用时的静电危险/221

821液氢产生静电的几种形式/222

822常用的防静电措施/222

83液氢安全操作规程/223

831液氢生产与使用操作/223

832液氢的转注操作/224

833液氢的泄漏处理方法/225

84液氢装备设计与现场布置要求/226

841液氢生产系统的配置/226

842管道及其附件的设计安装/226

843低温阀门的保养管理/227

844液氢储存方面的考虑/227

845氢气排放的要求/227

846辅助设施/228

参考文献/230

第9章浆氢技术与应用/232

91浆氢概述/232

911浆氢和胶氢/232

912浆氢的热物理性质/233

92浆氢的生产/235

921冻结融化法生产浆氢/235

922喷淋法生产浆氢/236

923氦冷却法生产浆氢/236

924螺旋推进法生产浆氢/237

925磁制冷法生产浆氢/238

926浆氢生产方法的比较/239

927浆氢生产装置/241

93浆氢的测量/242

931浆氢的密度测量/242

932浆氢的液位测量/243

933浆氢的流量测量/243

94浆氢的储运/243

941浆氢的储存/243

942浆氢的输送/244

95浆氢的应用/245

951浆氢在火箭推进剂中的应用/245

952浆氢在超导储能电力系统中的应用/247

953浆氢在燃料电池交通工具中的应用/248

参考文献/249

附录氢的基本热物理性质/250

附表1氢的基本性质/250

附图1氢的密度随温度与压力变化图/250

附图2氢的定压比热容随温度与压力变化图/251

附表2标准氢的热物性参数/251

附表3氢在不同压力下的热物性参数/252