起步与积累阶段

中国的液氢研究最早可追溯至 20 世纪 60 年代,当时主要服务于航天事业发展需求。在艰苦的科研条件下,科研人员开始探索液氢相关技术。

经过多年努力,在 1966 年,中国科学院理化技术研究所成功研制出我国第一台 100 升 / 天的氢液化装置,这一成果标志着我国具备了自主生产液氢的初步能力,为后续液氢研究和应用奠定了坚实基础。

此后很长一段时间,科研人员围绕航天发射中液氢的储存、运输及发动机应用等方面展开深入研究,积累了大量宝贵经验和技术数据。

例如,在液氢储存容器的绝热技术方面,不断改进材料和结构设计,有效降低了液氢的蒸发损失;在液氢发动机的燃烧稳定性研究上,取得了一系列理论和实践成果,保障了航天发射任务的顺利进行。

参与这一阶段研究的主要机构有中国科学院相关研究所、航天科技集团下属部分研究院等,它们为我国液氢研究的起步和早期发展发挥了关键作用。

技术突破与多元化发展阶段(2000 年 - 2019 年)

进入 21 世纪,随着国内对能源需求的增长以及对清洁能源重视程度的提高,液氢研究迎来新的发展机遇。

一方面,航天领域对液氢技术的要求不断提升,促使科研人员在提高液氢发动机性能、降低发射成本等方面加大研发力度。

2003 年,中国航天科技集团六院在液氢液氧发动机的研制上取得重要进展,优化了发动机的涡轮泵设计,提高了燃料输送效率和发动机可靠性。

另一方面,液氢在民用领域的潜在应用价值开始受到关注,如在氢燃料电池汽车领域,液氢作为一种高能量密度的储氢方式,展现出良好的应用前景。

在此期间,一些高校也积极参与到液氢研究中来,如清华大学、上海交通大学等,利用自身科研优势,在液氢的基础理论研究、新型材料开发等方面取得了多项成果。

企业层面,部分能源企业开始涉足液氢相关技术研发,探索液氢生产、储存和运输的商业化模式,为液氢产业的发展注入了新活力。

快速发展与成果井喷阶段(2020 年 - 至今)

2020 年以来,在国家 “双碳” 战略目标的推动下,氢能产业迎来前所未有的发展机遇,液氢研究也进入快速发展时期。

2021年9月,中国航天科技集团六院 101 所成功研制出 2 吨 / 天氦膨胀制氢液化冷箱,这一成果提升了我国液氢大规模制备能力,是我国液氢产业发展的重要里程碑。

此后,科研成果不断涌现。2024 年,我国在多个关键领域取得重大突破。2024年3月,中国重型车辆液氢储供技术取得重大突破,实现了液氢储供系统与重型车辆燃料电池动力系统及整车的集成应用,解决了重型卡车电动化动力性能和续航里程的两大难题,充分体现了液氢用于汽车行业高能量密度、长行驶里程的技术优势,为液氢重卡技术开发和推广应用提供了有力示范。

参与该项目的机构和企业包括国内多家汽车制造企业、科研院所及能源企业,它们通过产学研合作的方式,共同攻克技术难题。

2024 年 7月24日,中国航天科技集团六院新一代载人运载火箭三级液氢液氧发动机在我国新建成的垂直高空模拟试验台,完成了高空模拟环境长程试验,验证了我国最大喷管面积比液氢液氧发动机长程工作的可行性,试验取得圆满成功。

我国首个垂直高空模拟试验台由载人航天工程支持、中国航天科技集团六院 101 所设计建设,是目前国际上试验时间最长的氢氧发动机高空模拟试验台。此次试验成功大幅提升了我国液体火箭发动机高模试验能力,将支撑我国载人月球探测工程顺利开展。

2024 年 9月25日,我国首套氢膨胀 5 吨 / 天氢液化系统在京发布。该系统由中国航天科技集团六院 101 所、航天氢能科技有限公司联合研制,8月18日成功产出液氢,是我国在液氢大规模制备领域取得的重大突破。

该系统攻克了氢克劳德循环氢液化工艺流程设计、大型高效连续性正仲氢转化换热技术、高速气浮轴承氢气透平膨胀机、大型深低温卧式冷箱分区集成工艺以及变工况自适应一键启停控制逻辑等五大关键核心技术,将助力液氢大规模应用的工业化进程,为推动能源结构转型、实现 “双碳” 目标提供重要技术和装备基础。

2024 年 10月22日,中国海油执行的全球最远液态氢海运示范项目运输船行驶超过一万海里,顺利抵达深圳盐田港,这一成果展示了我国在液氢海上运输技术方面的进步,为液氢的跨区域运输和商业化应用提供了实践经验。

进入 2025 年,液氢研究成果持续涌现。

2月10日消息,国内首架吨级液氢电动垂直起降无人机在宝鸡凤翔试飞成功,验证了液氢在大载重航空应用中的潜力与可行性,为我国液氢商业化应用和低空经济发展开辟了新途径。

3月12日 00 时 38 分,长征八号运载火箭在海南商业航天发射场点火起飞,此次火箭发射的燃料由河南中科清能科技有限公司的氢液化装备所提供。此次为 “长征八号” 火箭提供燃料的 1 吨 / 天氢液化装备,采用了企业自主研制的多项技术,能长期、稳定满足海南国际商业航天发射场对液氢燃料的需求。

图2

国内主要参与机构和企业

在我国液氢研发进程中,众多机构和企业发挥了重要作用。

中国科学院理化技术研究所,作为我国液氢研究的先驱,在早期的氢液化装置研制以及后续的基础理论研究、新型制冷技术开发等方面贡献卓著。其研发成果为我国液氢技术发展提供了坚实的理论支撑和技术储备。

中国航天科技集团六院及其下属 101 所,在航天液氢发动机研制、液氢储存与运输技术以及大规模氢液化系统开发等方面处于国内领先地位。承担了众多国家级重大科研项目,推动了我国航天液氢技术不断迈向新高度,并且在向民用领域技术转化方面也发挥了积极作用。

高校方面,清华大学在液氢相关材料科学、能源高效利用等基础研究领域成果丰硕,其研究成果为液氢技术的创新发展提供了新思路。

上海交通大学在液氢工程热物理、系统集成优化等方面开展了深入研究,为液氢产业的工程化应用提供了技术支持。

企业层面,航天氢能科技有限公司依托航天技术优势,专注于液氢相关技术的产业化推广,在液氢生产、储存和运输装备制造等方面取得了显著成绩。

河南中科清能科技有限公司致力于氢液化装备的研发与生产,通过自主创新,为航天及民用领域提供了高性能的氢液化装备,推动了液氢产业的国产化进程。

此外,还有一些能源企业和汽车制造企业,如中国海油在液氢运输领域积极探索,部分汽车企业参与到液氢燃料电池汽车的研发与应用推广中,它们通过产业协同,共同推动了液氢产业链的完善和发展。

三十年来,中国液氢研究从无到有、由弱变强,在航天、能源、交通等多个领域取得了令人瞩目的成就。众多科研机构和企业的不懈努力,铸就了我国液氢研究的坚实基础和快速发展的良好态势。

展望未来,随着技术的不断创新和完善,液氢有望在实现我国 “双碳” 目标、推动能源革命以及拓展航天探索等方面发挥更为重要的作用。

注:部分内容引用自邵翔宇、曹天豪、熊言义、蒲亮、雷刚、高建良所著《近30年(1994—2023)中国液氢领域研究热点、前沿及演进》,如对内容有更深入兴趣,请阅读原文。