综述：液态氢储存的现状、挑战与未来方向
1.氢可以以不同形式运输，包括气态、液态，或与氨和液态有机氢载体一起运输，在这些选项中，长距离运输高纯度氢最具成本效益的方式是液态，在这些选项中，长距离运输高纯度氢最具成本效益的方式是液态。2.液态氢在1个大气压下温度为-253℃，且99%为仲氢成分。这是一个极低的温度，需要大量的能量。同样，在平衡状态下，液态氢的成分为99%的仲氢（1%的正氢）。这种平衡取决于温度，当温度变化时，平衡状态往往会改变。然而，这种变化是放热的，这会给制冷增加额外的热负荷。这两个挑战使得液态氢储存极具挑战性和关键性。3.Kang等人致力于优化液态氢储罐的绝缘厚度。他们的研究结果表明，使用蒸汽冷却屏蔽（VCS）可以减少多层绝缘（MLI）系统的层数。他们得出结论，采用多层绝缘和蒸汽冷却屏蔽系统后，总绝缘厚度减少了51.4%。4.Jiang等人进行了一项关于重力对液态氢储存影响的有趣研究。他们使用计算流体动力学（CFD）方法模拟了储罐条件。他们得出结论，重力加速度的增加会导致温度升高，从而增加气态氢的比例。5.Xu等人使用ANSYS软件研究了用于航空航天应用的液态氢储罐设计。他们提出的绝缘支撑结构可以减少85%的热泄漏6.Yartys和Lototsky[19]发表了一篇关于氢储存方法的综述。他们将液态氢储存与压缩氢储存进行了比较，得出结论认为，由于液态氢的能量含量更高，所以液态氢储存的容积更大。表1.压缩气态氢和液态氢的特性比较温度特性压缩气态氢（25℃）液态氢（-253℃）压力（巴）6901正氢/仲氢0.75/0.250.01/0.99质量密度（千克/立方米）38.8870.94摩尔密度（千克摩尔/立方米）19.2935.19质量焓（千焦/千克）4639-250.2质量熵（千焦/（千克・℃））43.338.25汽化热（千焦/千克）-445.8比容（立方米/千克摩尔）0.0520.0287.在25℃时，分子氢由75%的正氢和25%的仲氢组成，两者的核方向相反[36]。这些氢的异构体具有不同的旋转能，正氢处于较高的能级。两种状态之间的平衡取决于温度，当温度降至-253℃时，平衡向100%的仲氢转移。这种平衡的转移被称为正-仲氢转化（OPC）。正-仲氢转化的焓约为527千焦/千克，仲氢的汽化热约为447千焦/千克（见图2）[37]。这种放热的转化焓是一项额外的负荷，使总可逆功增加约15%[38]。从长期储存液态氢的角度来看，这种正-仲氢转化至关重要。图2.正-仲氢转化及相应的转化热与温度的关系8.例如，将75%的正氢转化为5%的正氢大约需要2个月，这是一个非常缓慢的过程。因此，为了支持液态氢的长途运输或长期储存，需要通过催化进行正-仲氢转化（这也可以从图3中看出）。图3显示了在有和没有正-仲氢转化的情况下，经过一定时间后储罐中剩余液体的量。在仲氢占80%（正氢占20%）时，剩余液体的量比仲氢比例较低时多。图3说明了在液态氢储存中进行正-仲氢转化的必要性9.在液态氢的情况下，蒸发损失非常关键和重要，主要是因为其温度极低（-253℃），且生产液态氢需要大量能源[40]。生产液态氢的能耗估计为其能量含量（即低热值（120兆焦/千克））的11%[5]。在这种极低的温度下，少量的热交换就会导致蒸发损失。对于典型气体（如二氧化碳和天然气），蒸发主要是由于热泄漏、晃动和闪蒸造成的，而在液态氢的情况下，正-仲氢转化在这些蒸发损失中也起着重要作用。10.根据热防护，绝缘过程可分为两类：被动热防护和主动热防护[44]。被动热防护采用喷涂泡沫绝缘、纤维增强塑料、气凝胶和玻璃气泡等材料，结合多层绝缘来减少热损失。这些材料具有低导热性和良好的耐热性。此外，这些材料可以通过在储罐表面包裹材料和/或以粉末形式作为绝缘区域的填充物进行堆叠。表3显示了常见材料的导热系数和密度.表3.常见绝缘材料的导热系数和密度绝缘材料导热系数（瓦/米・开尔文）堆叠绝缘材料（77K-300K）聚氨酯0.033聚苯乙烯0.026-0.033橡胶0.036硅0.055玻璃0.035堆叠绝缘材料（90K-300K）珠光体0.026-0.044气凝胶0.019蛭石0.052玻璃纤维0.025矿棉0.035真空粉末绝缘材料（77K-300K）珠光体0.00095-0.00019气凝胶0.0016玻璃纤维0.0017绝缘在将液态氢保持在-253℃方面起着关键作用。商用液态氢储罐采用珠光体绝缘并抽真空，以将蒸发率限制在每天1.0%。然而，这个蒸发率相当高，需要降低。正-仲氢转化的转化热（527千焦/千克）高于汽化热（447千焦/千克），这导致更大的热负荷和更高的蒸发率。为了控制和减少蒸发，需要大量能量。最小化这种能量对于经济高效的液态氢储存至关重要。在-253℃下储存需要高度复杂的设备和设计。此外，需要大量能量将液态氢保持在-253℃。液态氢储罐的设计、设备、制冷、能源和其他必需品都是成本密集型的。降低这一成本对于有效的长期液态氢储存至关重要。本文参考：AReviewonLiquidHydrogenStorage:CurrentStatus,ChallengesandFutureDirections来源：气瓶设计的小工程师
