3.3　氢气液化储存应用前景[3,6,10,11]

目前液氢的主要用途是在石化、金属加工、电子、玻璃等工业中作为重要原料和物料。在未来规划的“氢经济”时代,液氢的应用领域主要有:航空航天、氢燃料电池汽车、氢内燃机车、燃气轮机发电等。其中,燃料电池被大多专家认为是未来人类社会最主要的发电和动力装备。

氢作为一种高能燃料,其燃烧值(以单位质量计)最高,为121061kJ/kg,而甲烷为50054kJ/kg,汽油为44467kJ/kg,乙醇为27006kJ/kg,甲醇为20254kJ/kg。

3.3.1　液氢在航空领域的应用

氢的能量密度很高,是普通汽油的3倍,这意味着燃料的自重可降低2/3,这对飞机来讲是极为有利的。与常用的航空煤油相比,用液氢作航空燃料,能大幅度地改善飞机的所有性能参数。以液氢为燃料的超声速飞机,起飞质量只有煤油的一半,而每千克液氢的有效载荷能量消耗率只有煤油的70%。

美国洛克西德马丁公司对航空煤油和液氢做了亚声速和超声速运输机的燃烧对比试验,证明液氢具有许多优越性。多家航空公司对民航喷气发动机设计方案进行了研究,得出如下结论:在相同的有效载荷和航程下,液氢燃料要轻得多。飞机的总质量减小,可以缩短跑道,同时可以增加载荷,从而节省了总的燃料消耗量。

在相同的动力条件下,液氢飞机的燃料箱体积比煤油大三倍。因此,为了克服这一不利因素,液氢飞机必须向高超声速(>6Ma,1Ma≈1225km/h)、远航程(>10000km)、超高空(30000km)方向发展,才能更充分地发挥液氢的优越性,以替代现有航速较低、飞行时间长、煤油消耗量大的大型客机。

协和号超声速客机(见图3⁃14)共正式生产16架,14架用于商业运营,运行过程中积累了超声速(2.04Ma)的飞行经验,最大载重航程达到5110km。美国已用液氢燃料在B⁃57轰炸机(最大飞行速度为937km/h)上成功地进行了飞行试验,证明了采用火箭中的氢氧发动机作为超声速液氢燃料飞机的主发动机具有可行性。

以时速为6400km/h(6.03Ma)的高超声速飞机为例,从美国纽约到日本东京只需2h,而普通的燃油客机需12h,液氢高超声速飞机缩短了10h。这不仅节约了80%以上的时间,更重要的是节省了10多个小时的煤油消耗量。2004年11月美国航空航天局(NASA)第三次试飞了X⁃43A高超声速飞机,见图3⁃15,最高时速接近9.8Ma。X⁃43A的主动力是以氢为燃料的超声速冲压发动机。

氢气作为航空燃料大量使用所面临的最大问题是:若在高空(高度>11km)排放会产生冰云,使上层大气更冷、更多云。一方面,尽管水分一般在平流层(云层的最高层)停留时间为6~12个月(远低于CO2),平流层以下高度仅为3~4天,但仍有可能产生温室效应;另一方面,在冰晶上可以发生很多化学反应,有可能导致上层大气臭氧层的破坏,这些问题仍处于研究中。若上述问题对气候影响过大,则必须严格限定飞行高度。

3.3.2　液氢在航天领域的应用

液氢燃料在航天领域也是一种难得的高能推进剂燃料。氢氧发动机的推进比冲I=391s,除了有毒的液氟外,液氢的比冲是最高的,因此在航天领域得到了重要的应用,如图3⁃16所示的航天飞机和图3⁃17所示的火箭。表3⁃3列出了各种组合推进剂的比推力值。

2011年,圣达因公司制造了国内首台300m3/0.6MPa的液氢储罐,用于海南文昌火箭发射场以及液氢液化工厂项目[12],见图3⁃18。

1958年,美国波拉特惠特尼公司正式研发空间用液氢液氧火箭发动机,于1959年首次通过了全机组实验。目前世界上性能最先进的发动机仍是氢氧发动机。实际上,早在第二次世界大战期间,氢即用作A⁃2火箭发动机的液体推进剂。

航天飞机的主机以液氢为燃料和以液氧为氧化剂,在轨道飞行器下面有一个可拆卸的燃料箱,其中两个隔开的室分别装有液氢和液氧。轨道飞行器内也有两个液氢和液氧储槽以备进入轨道时使用。由美国罗克韦尔公司研制的航天飞机于1981年4月发射成功,这是人类历史上首次试验航天飞机成功。

3.3.3　液氢在汽车领域的应用[6,13,14]

液氢在汽车领域中的主要应用技术是氢内燃机(hydrogen internal combustion engine,HICE)。氢内燃机继承了传统内燃机(ICE)100多年发展过程中所积累的全部理论和经验,没有特别的不可逾越的技术障碍。

早在1820年,Rev.W.Cecil就发表文章,谈到用氢气产生动力的机械,还给出了详尽的机械设计图。首次全面认真研究氢发动机的学者是英国的里卡多(Ricardo)和伯斯托尔(Burstoll),两人合作用了整整20年对氢发动机的燃烧及工作过程进行了详细的研究,得出了一些有价值的结论。在氢发动机的发展历史中,不得不提到鲁多夫·埃伦(Rudolph Erren),他第一次在氢发动机中采用内部混合气形成方式,氢通过一些小喷嘴直接喷入气缸内进行混合,保留了原来的燃油供给系统,这种改装使得发动机可以用其中任何一种燃料工作,从一种燃料换成另一种燃料。

下面列出氢内燃机的研发历史中几件标志性的事记:

① 1968年,苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所用汽车发动机进行了分别燃汽油和燃氢的试验,并研究了改用液氢的结构方案,试验取得成功。改用氢后,发动机热效率提高,热负荷减轻。

② 1972年,美国在通用汽车(General Motors)公司的试车场上举行了城市交通工具对大气污染最小的比赛。参赛的63辆装着各种不同发动机的汽车,包括电瓶车、氢和丙烷等作为燃料的汽车,结果德国大众(Volkswagen)汽车公司的改用氢的汽车夺得第一名,据称其废气比吸入发动机内的城市空气还干净。

③ 日本武藏工业大学与日产(Nissan)汽车公司长期合作,从1974年开始研制“武藏1号”氢燃料汽车,几乎每一届世界氢能大会都展出新品。在1990年研制成功“武藏8号”液氢发动机汽车,在1990年7月26日于美国夏威夷召开的第八届世界氢能会议上展出,展示了液氢汽车研制中所取得的新成果。

④ 德国奔驰(Benz)汽车公司和巴伐利亚汽车厂还组建了一个用分解水生产的氢气作为燃料的汽车队,同时开展公共汽车用氢燃料的试验研究。第一批未来型公共汽车——MAN公司制造的氢燃料公共汽车,已于1996年复活节后在德国巴伐利亚州的埃尔兰根(Erlangen)市投入运行。德国为此每年投入5000万马克的费用。德国斯图加特大学、德国宇航中心和奔驰汽车公司参与研制的奔驰F100液氢汽车被称为21世纪房车,它和武藏系列液氢汽车代表了当今世界液氢汽车研究的最高水平。

⑤ 宝马汽车(BMW)公司于1996年6月在德国斯图加特市举行的第11届世界氢能会议上展出了计算机控制的新式氢能汽车。BMW公司称其为“人类最终使用的汽车,是汽车发展史上的一个里程碑”。自此,氢能也正式进入了一个规划、开发、研究和应用的新时期。

随着1999年5月德国第二个商用加氢站在慕尼黑的落成(第一个加氢站已于1999年1月在汉堡开始商业运作),BMW公司有15辆使用液氢燃料的大型高级轿车(BMW750HL型,见图3⁃19),用于接送到慕尼黑“清洁能源”项目研究中心参观访问的客人。目前,BMW集团拥有了世界上第一个由15辆装备液氢内燃机的汽车组成的车队,该车队已经进行了环球巡游来演示氢内燃机的可行性。该车型的发动机功率为250kW,最高速度可达到250km/h,百公里耗氢2.3kg,储氢器容量190L,一次加氢可行驶580km。

2004年9月,宝马集团研发的H2R氢内燃机赛车[见图3⁃20(a)]在法国创造了9项速度记录[15]。该车装备了6LV12液氢燃料内燃机,最大功率为210kW,0~100km/h加速约6s,最高速度达301.95km/h。这组数据表明,氢动力汽车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。H2R的核心技术是经过改造的宝马顶级12缸发动机。氢和空气混合会产生比汽油更高的内燃压力,从而可以用同样多的燃料提供更大的动力,即氢的效能更高。当然,要实现高效能还需要配合一系列精密的技术应用。H2R加氢是通过一个移动加氢站完成的,见图3⁃20(b)。液氢罐具有双真空绝热层,液氢储量为11kg,位置被安排在驾驶座椅的一侧。其三阀门设计可以确保最大的安全性。工作阀门在4.5Pa的压力下打开,另外两个安全阀门可以防止任何液氢泄漏产生的危险后果,在压力超过5Pa时将立即开启以释放压力,从而保证液氢罐不会因为压力过高而发生事故。

宝马公司是最早(20世纪70年代末期)也是一直坚持研制氢发动机汽车的厂商,于2006年上市了世界上第一款氢动力汽车——H7。由于缺乏加氢站,H7设计时采用既可燃液氢,也可燃汽油的内燃机系统。从2006年到2007年,宝马公司开始小批量(几百辆)生产H7,如图3⁃21所示为现已部分商业化的H7液氢发动机汽车。无论从性能上还是安全测试上都清楚地表明:氢内燃机汽车已经完全达到目前汽油内燃机汽车的技术指标,氢完全可以替代汽油而满足人们的驾乘需求。

3.3.4　液氢在其他领域的应用[6,10]

在大规模、超大规模和兆位级集成电路制作过程中,需用纯度为5.5~6.5N的超纯氢作为配置某些混合气的载气。在硅外延时,需严格控制氢气中的O2、H2O、CO、CO2、CH4等杂质气体的含量。在砷化镓外延时对氢气纯度要求更高。液氢有利于氢的大量运输,并可以制备超高纯氢,在上述领域以及高效非晶硅、光导纤维领域均有重大作用。

在冶金工业中,氢常被用作将金属氧化物还原成金属的还原剂,也被用作金属高温加工时的保护气氛。在硅钢片生产中需使用纯度为99.999%以上的氢气。在高熔点金属钨和钼的生产过程中,用氢气还原氧化物得到金属粉末,再加工成线材和带材。氢气纯度越高,还原温度就越低,所得金属的粒度就越细。电子管、氢阀管、离子管、激光管和显像管等的制造均不同程度地需要液氢。

液氢还可作为实验研究用低温冷却剂,充填气泡室(低温物理研究),以及用于其他超高温、超低温物理研究。