氢，作为一种无碳排放的清洁能源，其资源丰富且可再生，燃烧后唯一产物为水，展现出对环境极为友好的特性。随着氢能需求在终端应用领域的急剧攀升，其高效利用已成为全球关注的焦点。然而，氢的物理特性限制了其高密度储运技术的发展，成为氢能广泛应用的关键障碍。为此，规模化氢液化技术应运而生，被视为破解这一难题的关键途径。
液态储氢技术，凭借其卓越的储氢密度，成为当前氢能存储的优选方案。相较于高压气态储氢的复杂性和固态、有机液态储氢的不成熟，液态储氢在能量密度、储运安全性、成本效益及长距离运输上的优势显而易见。其体积能量密度远超高压气态氢，储运压力显著降低，且汽化后氢气纯度高，极大地促进了氢能的高效储运与规模化应用。
在发达国家如美国、日本和德国，规模化氢液化技术已实现商业化运作，液氢在交通领域的氢能利用中占据主导地位，运输成本显著低于高压氢气，展现出显著的经济优势。液氢加氢站以其占地面积小、运营成本低、安全性强的特点，尤其适合城市密集区域的布局。这些国家近年来新建的加氢站多数采用液氢技术，进一步推动了大规模氢液化设备的需求增长。
对全球液氢生产装置的现状进行梳理，我们发现，尽管产能分布不均，但整体呈现出向规模化发展的趋势。截至2021年，小型产能装置占比较大，但未来建设重心明显向更高产能转移。美洲地区，尤其是美国、加拿大，在全球液氢生产中占据主导地位，亚洲的日本紧随其后，而欧洲和其他国家的产能则相对有限。我国与印度在液氢生产技术上仍处于起步阶段，单套装置产能有待提升。这一现状既反映了全球氢能产业的竞争格局，也预示着未来氢能技术发展的广阔空间与机遇。
2.1 氢液化的基本原理概述
在工业领域，实现氢气规模化液化的核心机制主要依托Linde-Hampson循环、氦气逆Brayton循环以及Claude循环，并融合正仲氢转化技术，以确保液氢的长期稳定储存。
2.1.1 Linde-Hampson循环的解析
Linde-Hampson循环，特别是液氮预冷结合L-H节流的方式，作为工业氢液化的先驱技术，其特点在于设备精简、操作稳定。该循环在特定条件（1015MPa压力，5070K温度）下实施节流，能有效实现约25%的氢气液化率。然而，其能耗相对较高，非最优工况下单位能耗中位数可达68.1kW·h/kgLH2，能源转化效率则在3.0%至3.4%之间。若条件理想化，如采用两级增压及双压预冷策略，该循环的单位能耗可显著降至12.1kW·h/kgLH2。
图2 三种基本氢液化循环的温熵图(上)和简易原理图(下)
2.1.2 Claude循环的优势
与Linde-Hampson循环不同，Claude循环无需预冷即可启动氢液化过程，但实际应用中常结合低温预冷以提升效率。预冷后的Claude循环相较于L-H循环，能效提升50%至70%，单位能耗低至29.9kW·h/kgLH2。此循环不仅产量翻倍，且以原料氢自身为制冷介质，较氦气逆Brayton法更为经济高效，尤其适合日产量超过5吨的氢液化生产线。
2.1.3 氦气逆Brayton循环的运作机制
氦气逆Brayton循环是对Claude循环的进一步创新，它以氦气替代氢气作为制冷媒介，构建独立的低温制冷循环。氦气先经液氮预冷，再通过多级透平膨胀机降温至液氢温区，最终通过热交换器将冷量传递给原料氢，促成其液化。此循环在理论最优状态下，氢气液化所需最小功仅为2.9kW·h/kgLH2，而实际运行中，随着装置产能的扩大及单体设备性能的优化，单位能耗有望降至6kW·h/kgLH2，能源利用效率提升至20%至30%的区间内。
图3氢液化装置能效趋势图
图4双压Claude循环简易原理图
结论：
（1）针对单体设备效能提升，我们可引入高性能压缩机、膨胀机及换热器，以优化液化流程。面对压缩机在液化过程中显著的不可逆损失（约20%），策略性地增加压缩机级数并配置中冷器，旨在实现更趋近等温的压缩过程，从而大幅削减此环节的能量耗散。同时，研发高效且成本友好的绝热技术，以最小化冷量流失，不仅提升了液氢的生产效率，还延长了其无损储存的周期。
（2）在制冷剂的选择上，传统低温制冷与液化系统多依赖单一介质，而混合制冷剂系统的应用（如LNG行业广泛采用的方案）则展现出了显著优势。该系统通过混合不同沸点的介质，有效降低了不可逆损失，提升了整体效率。低沸点组分在低温下自然液化，既规避了高压操作带来的安全隐患与高昂设备投资，又简化了操作流程。
（3）针对制冷循环的优化，我们倾向于采用Claude循环，并通过多级串联或增加膨胀机级数的方式，来强化液化效果，减少系统内的不可逆损失。为了进一步降低氢液化流程的能耗，策略性地减少或避免回流氢的循环使用，如德国Leuna装置所示，直接在末级换热器出口生成液氢，并通过节流技术实现其过冷态，从而实现了能耗与效率的双重优化。
（4）在氢能供应链的构建上，我们倡导与可再生能源供应链的深度融合。利用可再生能源驱动制冷、做功及热力循环过程，与氢液化过程中的预冷与低温制冷环节紧密结合，以此降低气源压缩等关键环节的能耗。同时，探索多种混合/模块化制冷模式，为预冷过程提供稳定高效的冷量支持，推动氢能供应链向更加绿色、高效的方向发展。
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