液氫作為新一代運(yùn)載火箭的主要燃料，在我國載人航天工程中被廣泛使用，擔(dān)負(fù)重任的長征五號、長征七號火箭采用的就是采用液氫、液氧、煤油作為燃料，但是在我們?nèi)〉冒寥顺删偷臅r候，外媒指出：“只要法國人停止供應(yīng)，中國空間站建設(shè)就得立刻暫?！?，長征五號液態(tài)氫燃料全部依賴法國法液空公司制氫設(shè)備。

真的是這樣的嗎？實事求是地說：確實如此！但是這種情況已經(jīng)徹底改變。

2021年9月20日，航天科技集團(tuán)六院101所正式宣布：我國自主研制的首套產(chǎn)量達(dá)到噸級的氫液化系統(tǒng)調(diào)試成功，并實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

美國連同盟國想要卡住中國新型火箭脖子的時代一去不復(fù)返，中國運(yùn)載火箭可以使用國產(chǎn)液氫燃料。

那么液態(tài)氫氣生產(chǎn)有多難，我們竟然被“卡脖子”？突破首套噸級氫液化系統(tǒng)，我國又經(jīng)歷了什么？與歐美相比較，液氫產(chǎn)業(yè)鏈我們還有那些短板呢？

液氫優(yōu)勢明顯但儲運(yùn)難，美國占據(jù)全球產(chǎn)能8成以上

作為環(huán)保的清潔能源，因為其來源廣泛、可儲存、可再生、零污染等特性，成為我國火箭動力燃料發(fā)展乃至整個能源結(jié)構(gòu)發(fā)展的優(yōu)先目標(biāo)，但是美國多年前就發(fā)布禁令，限制出口高純度液氫。美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）列出了管制清單，液氫位列其中，這意味著“材料加工”、“電子”、“航空航天推進(jìn)”都受此限制。

不僅如此，美國還禁運(yùn)了大規(guī)模液氫生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)裝備組件和技術(shù)。例如檢測裝備、生產(chǎn)裝備(如氫液化裝置、氫膨脹機(jī)、正仲氫轉(zhuǎn)化器、液氫泵、DN50以上液氫閥門等)、材料(超低溫用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)、工藝技術(shù)(10噸/天及以上氫液化裝置與工藝)等。

為了做到“趕盡殺絕”，美國不允許NASA及美國企業(yè)與中國航天系統(tǒng)開展任何形式的交流或合作，不允許其盟國出售設(shè)備和技術(shù)。不過按照一貫作風(fēng)，當(dāng)我們有點(diǎn)進(jìn)展的時候，美國還是忍不住想撈點(diǎn)錢。

上個世紀(jì)末期，我國自主研發(fā)了小型氦膨脹機(jī)和氫液化裝置后，法國液空和德國林德這兩家公司被允許出口低端產(chǎn)能裝備，并且規(guī)定產(chǎn)能只能小于2噸/天，僅限于科研使用。至于10噸級以上的技術(shù)和裝備，口徑在DN50以上的泵閥等關(guān)鍵零部件都仍然“卡脖子”。

那么，氫氣制取并非難事，美國等歐美國家，憑什么可以這樣豪橫，卡住脖子呢？

第一、氫氣可以通過電解、工業(yè)副產(chǎn)氫等方式獲得，但是氫氣密度分子很小，體積大，不利于運(yùn)輸，必要想辦法貯存，這就需要對氫氣進(jìn)行壓縮液化。通過預(yù)冷和膨脹節(jié)流等工藝，把氫氣降溫到-253℃時，就能獲得液態(tài)氫，密度是普通氫氣的780倍，這樣氫就可以高效地儲存和運(yùn)輸。

有人會說：只是為了運(yùn)輸方便，為什么不使用管道運(yùn)輸呢？諸如西氣東輸那樣運(yùn)送天然氣不行嗎？

的確，氫氣可以通過管道運(yùn)輸，但是我國的氫氣資源也存在分布不均的現(xiàn)象：“用氫地區(qū)不產(chǎn)氫”，“產(chǎn)氫地區(qū)沒裝備”。使用管道建設(shè)成本太高，所以一般使用壓縮車運(yùn)輸。歐美及日本相關(guān)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)運(yùn)輸距離超過200公里的時候，液氫的運(yùn)輸成本僅為高壓氫氣的1/5-1/8，所以從成本上必須搞定液氫產(chǎn)業(yè)鏈問題。

第二， -253℃低溫是個重大考驗，這需要從超低溫原材料、加工工藝、技術(shù)水平上苦下功夫，最為關(guān)鍵的是，我們需要的高純度液氫的設(shè)備更難研發(fā)，并不是一朝一夕就能取得成功的。

國標(biāo)定義氫氣純度大于或等于5N(99.999%)為高純氫，大于或等于6N(99.9999%)為超純氫，目前我國高純氫和超純氫的消耗量約20萬噸/年，其提純、量產(chǎn)的核心設(shè)備就是“氫透平膨脹機(jī)”。

氫液化裝置主要由透平膨脹機(jī)、換熱器、壓縮機(jī)和正仲氫轉(zhuǎn)化器等設(shè)備組成。目前國外的大型氫液化裝置主要采用液氮預(yù)冷搭配氫透平膨脹機(jī)組的技術(shù)路線，小型氫液化設(shè)備大多采用氦透平膨脹機(jī)制冷搭配J-T節(jié)流閥液化的技術(shù)路線。

去年的一篇關(guān)于氫液化的產(chǎn)業(yè)報告悲觀的指出：國內(nèi)商品化的氫透平膨脹機(jī)還處于“0”的狀態(tài)，氫液化系統(tǒng)核心設(shè)備完全依賴于進(jìn)口。而且不說美國限制出口，林德、法液空這兩家公司也不直接出售商用氫液化設(shè)備。

并且他們和美國空氣產(chǎn)品公司一起幾乎壟斷了氫液化裝置的市場和技術(shù)領(lǐng)域，其最為先進(jìn)的氫透平膨脹機(jī)技術(shù)，可以實現(xiàn)單個產(chǎn)能30噸/天。

俄羅斯深冷機(jī)械公司也可以實現(xiàn)17噸/天的產(chǎn)能，我們的空間站需要運(yùn)送物資、航天員，火箭燃料得不到保障怎么行！

第三、目前全球液氫產(chǎn)能約為500噸/天，而美國就有20座10噸以上的工廠，占據(jù)了全球85%的產(chǎn)能。另外的產(chǎn)能由歐洲、日韓把持。

而中國在用的液氫工廠僅有海南文昌、北京101所和西昌基地，都是服務(wù)于航天火箭，總產(chǎn)能僅為4噸/天，最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2噸/天。

而文昌的這個2噸/天產(chǎn)能的藍(lán)星(海南)航天化工有限公司，還是法液空以合作形式建立的，法液空的冷箱設(shè)備和配套相關(guān)設(shè)備，為長征五號和長征七號運(yùn)載火箭唯一一家火箭燃料配套保障單位。

實事求是地說:火箭燃料卡脖子的情況是確實存在的。

不僅產(chǎn)能小，成本還高，中國液氫生產(chǎn)成本高達(dá)500元/kg，是美國的20倍，這極大限制了液氫在高端制造、冶金、電子、航天領(lǐng)域的使用，美國產(chǎn)能全球首位，中國民用產(chǎn)能卻一片空白，歐美把持量產(chǎn)核心裝備，用“卡脖子”來說并不為過，這站在前面的是法國、德國，背后確是美國。

需求增加，技術(shù)全面發(fā)展，液氫產(chǎn)業(yè)鏈逐步突破

1956年，中國科學(xué)院物理研究所，在實驗室第一次制備了液氫。1960年，制造了第一套小型氫液化裝置，1966年，101所建成了100升/小時的氫液化裝置，氫氣在66K（-207.15 攝氏度）,3-1.5MPa的壓力，可是實現(xiàn)液化率25%，生產(chǎn)液態(tài)仲氫（仲氫濃度大于95％）時，液化率就下降了3成，產(chǎn)能為70L/小時。

就是憑借著這套裝置，從1966年到80年代末期退役，一直承擔(dān)著我國第一代氫氧發(fā)動機(jī)研制的供給任務(wù)。

懂得歷史的都知道，我們經(jīng)歷過“造DD的，不如賣茶葉蛋的”情況，所以直到1995年，101所從林德公司引進(jìn)了一套產(chǎn)能為300升/小時的氫液化裝置，該套設(shè)備采用氦制冷氫液化循環(huán)。后面又繼續(xù)引進(jìn)其他公司的設(shè)備，生產(chǎn)液氫，保障我國航天燃料的供應(yīng)。

實際上，歐美、日韓，對液氫的需求和研發(fā)都是基于電子或航天工業(yè)的發(fā)展而不斷進(jìn)步的，美國早在50年代就開始大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)液氫，在美蘇爭霸時期達(dá)到高產(chǎn)時代，僅在1965年-1970年就實現(xiàn)了日產(chǎn)液氫220噸。2019年，美國一座30噸/天液氫工廠開工建設(shè)，預(yù)計2021年美國本土的液氫產(chǎn)能將超過500噸/天，也就是說美國的液氫產(chǎn)能將占全球產(chǎn)能至少9成以上。

隨著我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)，尤其是航天事業(yè)的發(fā)展，對液氫的需求量越來越大，瓶頸就越來越多，美國制定的相關(guān)限制政策，意圖十分明確，將中國航天封鎖在搖籃里。

但是，他們估計到了我們的困難，卻低估了我們的決心。我國氫氣產(chǎn)量十分巨大，以前沒有用武之地，隨著電子制造，交通運(yùn)輸，航天事業(yè)的需求不斷增加，國企、民企紛紛加入到液氫產(chǎn)業(yè)鏈條中，雖然直到2020年的產(chǎn)業(yè)報告都在指出我們還沒有氫透平膨脹機(jī)，但是實際上我們的原理機(jī)、中試機(jī)已經(jīng)取得成功：

北京航天101所和北京中科富海低溫科技有限公司都開發(fā)出了以氦透平膨脹機(jī)為核心的氫液化裝置；

江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司開發(fā)出了以氫透平膨脹機(jī)為核心的氫液化裝置；

鴻達(dá)興業(yè)使用北京航天101所提供的氫液化裝置，已于2020年底成功生產(chǎn)液氫，打破了民用液氫市場的空白。

在液氫貯存方面，國內(nèi)已打破液氫儲罐的技術(shù)壁壘，縮短了和國外的技術(shù)差距，實現(xiàn)了液氫儲罐的自主生產(chǎn)。2015年，實現(xiàn)了火箭發(fā)射場用300m大型液氫罐的自主設(shè)計和小批量生產(chǎn)，打破了發(fā)達(dá)國家在液氫儲存領(lǐng)域的壟斷之后，美國企業(yè)對中國液氫儲運(yùn)容器的管制開始有所放松

目前安置在海南文昌發(fā)射場的液氫儲罐中，5個300立方米的儲罐由張家港某制造，2個300立方米的儲罐由某公司生產(chǎn)，1個120立方米的儲罐由四川某公司提供。隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的突破，成功解決了液氫存儲輕量化難題，直徑3.35米的儲罐建造技術(shù)已經(jīng)成熟。

2020年，科技部在“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)專項指南中設(shè)定目標(biāo)：研制液化能力≥5噸/天且氫氣液化能耗≤13kWh/kg的單套裝備，對標(biāo)國外主流大型氫液化裝置性能。

2021年9月20日，101所我國首臺噸級以上液氫系統(tǒng)按計劃順利驅(qū)動，累計運(yùn)行了35小時的穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)量為35.55立方米，設(shè)計產(chǎn)能為1.7噸/天，實際測得2.3噸/天，成功實現(xiàn)工業(yè)化噸級量產(chǎn)，需要強(qiáng)調(diào)的是，該生產(chǎn)系統(tǒng)解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)了自主化、國產(chǎn)化率90%以上。以長征五號火箭每次發(fā)射30噸的氫燃料需求來看，一條生產(chǎn)線半個月就能解決一發(fā)長征五號需求的氫燃料生產(chǎn)任務(wù)。

有了國產(chǎn)設(shè)備，接下來就像做共享單車一樣，哪里需要“掃一掃”就可以了，產(chǎn)能取決于需求了。美國產(chǎn)能再高，份額再大已經(jīng)和我們沒有關(guān)系。想要通過禁令來“卡脖子”顯然不能奏效，卻更加堅定了我們國產(chǎn)化的道路，現(xiàn)在我們已經(jīng)是唯一一個單個國家擁有空間站的，這在人類航天歷史上是開創(chuàng)性的。

增效擴(kuò)產(chǎn)，推動產(chǎn)業(yè)升級，液氫還有哪些短板？

上文提到了液氫的成本問題，主要是由于資源配置、產(chǎn)能不足已經(jīng)配套不齊全造成的，隨著對應(yīng)用市場增設(shè)工廠，就地液化氫氣，能夠顯著降低成本。一方面不斷強(qiáng)化液化、固化氫氣的技術(shù)力量，另一方面在需求較大的地方，尋找氫氣資源，建造液化產(chǎn)線，縮短運(yùn)輸距離。

目前我國的工業(yè)副產(chǎn)氫氣有很多，比如：“焦慮煤氣、丙烷脫氫、乙烷裂解、氯堿化工等，這些年產(chǎn)量超過1000萬噸，其中，超過200萬噸副產(chǎn)氫未被有效利用，若這些氫氣通過液化儲存再利用，可為5000多座1000千克／天的加氫站供氫?！遍_發(fā)氫能源尤其是液氫產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)，研究氫能綜合高效利用的新方式、新方法必將成為能源領(lǐng)域的潮流。

在太陽能制氫方面，在寧夏銀川“太陽能電解水制氫綜合示范項目”已經(jīng)成功投產(chǎn)，它是已知全球單廠規(guī)模最大、單臺產(chǎn)能最大的電解水制氫項目。使用20萬千瓦光伏發(fā)電裝置和產(chǎn)能為每小時2萬標(biāo)方的電解水制氫裝置，其先進(jìn)性達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，而國內(nèi)已簽約光伏制氫項目超25個。

只是一個開始，隨著液氫的重要性不斷加強(qiáng)，歐美的封鎖，我們更加自強(qiáng)不息，一方面尋求可以團(tuán)結(jié)的資源為我所用，另一方面要做好以下事項：

1、將液氫產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)、儲運(yùn)作為重點(diǎn)專項，鼓勵各多的科研院所以及企業(yè)加入到相關(guān)產(chǎn)業(yè)中來。

2、積極推進(jìn)規(guī)模化液氫示范項目，大力支持液氫生產(chǎn)、儲運(yùn)技術(shù)的民用成果轉(zhuǎn)化；

3、積極促進(jìn)國內(nèi)聯(lián)合開發(fā)，我們產(chǎn)業(yè)的突破來自集體的力量，正是由于西安交通大學(xué)和北京航天試驗研究合作開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，才讓我們突破十分迅速。

在新能源上，我們從無到有，從低端到高端，需要的只是時間和市場，太陽能發(fā)電如此，風(fēng)能發(fā)電如此，液氫能源更是如此，需求決定產(chǎn)量，僅此而已。