来源中国能源报

    化学元素周期表中排在第一位的元素是什么？对了，氢！我们离不开氢原子与氧原子结合成的水，但对氢的其他应用却知之甚少。而当前，氢的能源化利用趋势愈加明显。结合时下热点，我们来说说，中美两国在液氢方面的发展状况。
    不只是交通领域 液氢在国民经济中应用广泛

    液氢是通过预冷和膨胀节流等工艺，把氢气降温到-253℃从而变成液体，密度可达普通氢气的780倍，使得氢可以高效地储存和运输。液氢液氧推进剂的比推力最高，相同比推力时运载火箭的重量可以下降50%，因此液氢是最先进的火箭推进剂燃料。同时，在-253℃低温下，除了氦、氖稀有气体之外的所有气体杂质都会凝固分离，因此液氢汽化很容易获得6N（99.9999%）及以上的超纯氢。相比于钯膜纯化等气态氢提纯技术，液氢具有应用系统简单、经济、高效可控、不易污染、品质稳定等特点。因此液氢还是全球公认的可以大规模获得超纯氢的先进技术。


    超纯氢在电子工业尤其是微电子、光电子产品生产中有极为广泛的的应用市场，包括大规模集成电路芯片、平板显示器、光伏电池等战略性新兴产业。电子工业是超纯氢的最大用户，超纯氢作为还原气体和保护气，主要用于半导体器件、集成电路芯片以及液晶平板显示器生产等领域，且氢气的纯度直接影响最终的产品质量。在冶金工业中，氢气可作为还原剂将金属氧化物还原成金属，也可作为贵金属高温加工时的保护气氛，需要5N的高纯氢。同时在石油炼化加氢精制中采用高纯氢可获得高品质的汽油、润滑油等产品。


    国家标准定义氢气纯度大于或等于5N（99.999%）为高纯氢，大于或等于6N（99.9999%）为超纯氢。目前我国高纯氢和超纯氢的消耗量约20万吨/年（据统计2016年全国纯度≥99%的氢产量约700亿Nm3/年，其中95%以上用于炼油、化工生产、电子、冶金等，其余2%~3%为5N以上超纯氢）。其中6N及以上的超纯氢极易被污染、无法气态运输，国内外芯片和液晶显示器生产均是在使用终端的用气点设置纯化器达标后使用，其解决方案往往来自于外资气体公司，进口依赖度高、价格垄断，使得大规模应用受限，影响中国制造业水平。
 
    中美液氢产业差距——美国产能全球首位，中国民用一片空白
 
    全球目前已经有数十座液氢工厂，总液氢产能470吨/天，其中北美占了全球液氢产能总量的85%以上。美国本土已有15座以上的液氢工厂，液氢产能达326吨/天以上，居于全球首位，包括加拿大有80吨/天的液氢产能也为美国所用。欧洲4座液氢工厂液氢产能24吨/天。亚洲有16座液氢工厂，总产能38.3吨/天，其中日本占了亚洲三分之二的产能。全球近500座加氢站中液氢储氢型加氢站占比三分之一，主要分布在美国、欧洲和日本，且其新建的加氢站以液氢储氢型为主。2018年初，日本川崎重工引领的财团与澳大利亚政府达成一致，在维多利亚州建造煤制氢基地工厂和氢液化工厂，预计2022年达产，设计液化能力770吨/天，液化后-253℃的低温液氢最终通过两艘20万m3的液氢船运往日本。


    从目前的市场应用来看，美国垄断了全球85%的液氢生产和应用，其中美国AP和PRAX两大集团垄断了美国90%的液氢市场。根据美国氢能分析中心的统计，截至2016年，北美地区共有产能5吨/天以上的大型液氢工厂10座，其中18吨/天以上的有6座，最大产能达到64吨/天。美国的液氢民用占据主流市场，其中33.5%用于石油化工行业，37.8%用于电子、冶金等其他行业， 10%左右用于燃料电池汽车加氢站。仅有18.6%的液氢用于航空航天和科研试验。


    为了满足高端制造、冶金、能源、电子和航空航天等领域不断增长的需求，近两年来，美国又加大液氢工厂建设力度。PRAX公司2018年11月在德克萨斯州La Porte开工建设第五座液化氢工厂，计划2021年投产，产能超过30吨/天。美国AP公司2019年初在美国西部建造一个日产百吨级的液氢工厂，致力于氢能源市场，向FEF位于加利福尼亚州的加氢站提供液氢。同时法国液空公司也将投资1.5亿美元，2019年初在美国开工建设一座30吨/天液氢工厂。预计2021年美国本土的液氢产能将超过500吨/天。


    中国在用的液氢工厂仅有海南文昌、北京101所和西昌基地，均服务航天火箭发射，总产能仅有4吨/天，最大的海南文昌液氢工厂产能也仅2吨/天。中国民用液氢市场一片空白。也正是因为如此，中国液氢生产成本高达500元/kg，是美国的20倍以上（2.5美元/kg），限制了液氢在高端制造、冶金、电子和能源产业等领域的应用，产品质量和制造水平与美国存在较大差距。 
 
    美对我国液氢产业的围堵——严格禁运、严禁交流等


    美国商务部工业和安全局（Bureau of Industry and Security）所列出的商业管制清单（Commerce Control List）列出了10大类行业，每个行业进一步细分5类，多年来对中国采取严格禁运措施。液氢的主要用途不仅仅是火箭推进剂，同时还为大规模集成电路的研制与生产、高端制造、冶金等提供6N以上的超纯氢，因此液氢的生产和应用直接涉及到10大类行业中的三大类：2类“材料加工”、3类“电子”和9类“航空航天与推进”。


    与大规模液氢生产和储运相关系统装备和组件、测试检测与生产装备（如氢液化装置、氢膨胀机、正仲氢转化器、液氢泵、DN50以上液氢阀门等）、材料（超低温用碳纤维增强复合材料）、工艺技术（10吨/天及以上氢液化装置与工艺）等，均在美国对中国的禁运之列。同时，美国政府还禁止NASA（美国航空航天管理局）和美国企业与中国航天系统开展液氢技术领域内任何形式的技术交流与合作。


    美国在对中国技术禁运的同时，也限制其盟国向中国出售设备和技术。法国液空和德国林德公司，在上个世界末中国自主开发了小型氦膨胀机和氢液化装置后，开始向中国出售2吨/天及以下的氢液化装置，其规模仅够科研试验用途，而并不向中国开放10吨/天及以上领域的大型氢液化技术与成套装置，同时也禁售DN50及以上的液氢阀门、氢膨胀机和氢潜液泵等关键设备和零部件。


    中国在2015年实现了火箭发射场用300m3大型液氢罐的自主设计和小批量生产，打破了发达国家在液氢储存领域的垄断之后，美国企业对中国液氢储运容器的管制开始有所放松。美国Gardner Cryogenics（全球最大的液氢液氦装备供应商）等企业开始谋划特种设备使用进口，将其从未面向中国市场的ISO液氢罐箱，通过国家市场管理局及行业评审机构进入中国使用，其目的是为了支持美国气体公司利用液氢罐箱向中国高价出口和倾销美国的液氢，到中国民用超纯氢市场谋取暴利（中国6N以上超纯氢的制取成本超过150元/kg，是美国本土液氢售价的8倍左右）。此时正值中国企业计划将航天技术军民融合、开展民用液氢储运装备的标准制订和技术应用之际，美国和法国企业在推广自己的装备和推销液氢同时，诋毁中国氢液化技术不成熟、不具有经济性、液氢储运装备安全性不达标等，并质疑中国民用氢液化、储运技术和标准，严重干预和阻碍中国企业液氢储运、制取装备的开发进程。
 
    政策建议——应大规模发展民用液氢生产和储运技术 
 
    鉴于液氢在国民生产经济中的重要用途，以及美国对中国在该领域的禁运与围堵，中国企业和科研院所更应自强自立、自主开发，并在全球范围内寻找可以利用和团结的资源。对此我们有如下建议：


    1、把规模液氢生产和储运技术列入国家战略和科技部重点专项，鼓励国内高校科研院所和企业开展相关领域的技术开发与产业化，鼓励俄罗斯等友好国家与中国在液氢技术领域的合作交流；


    2、积极支持规模液氢工厂示范项目建设，大力支持规模液氢生产、储运技术的军民融合与成果转化应用；


    3、鼓励企业先行先试，推动民用液氢生产、储运装备企业标准的制订、实施并逐步上升到国家标准，增强民用液氢市场发展


    4、对进入中国市场的美国或其它国家的液氢设备企业，作为监管部门的国家市场管理总局，应组织行业专家对其进行深入考察、技术审查和监管，以学习借鉴其先进技术经验，提升我国液氢设备技术水平。