液氢以其卓越的能量密度特性，在氢能的长途储运中展现出显著的经济优势，契合全球减碳趋势，预示着市场潜力的持续扩张。然而，当前氢液化技术面临能耗高的瓶颈，这一挑战正成为制约液氢市场广泛发展的关键因素。

氢液化技术背景

针对氢液化流程，低能耗设计方案已趋完善，核心在于提升设备的能效与稳定性，并精细化液化流程的动态调控策略，以此加速氢液化技术的产业化进程。大型装置力求通过规模效应降低成本，而小型装置则注重增强灵活启停能力，两者并进，共同推动氢液化装置市场的多元化发展。

氢能，作为多领域应用的二次能源，正稳步成为全球能源结构转型的关键推动力量。中国已跃居全球制氢榜首，年产量高达3300万吨，但随之浮现的是氢气供应与需求的不匹配及高昂的使用成本。为缓解这一问题，降低氢气的储运费用成为降低终端使用成本的核心策略。在氢气输送领域，天然气掺氢管道运输技术尚属初探阶段，其安全性保障仍布满荆棘。鉴于当前安全管理标准等制约，我国陆上氢运输主要依赖于常温高压技术。对比常温高压氢（300K、25MPa）、液氢（20K、0.15MPa）及低温高压氢（80K、25MPa）三种储运方式的经济性，发现短途（≤100km）运输中，常温高压氢能效最优；中程（100~550km）则以低温高压氢胜出；而长途（>550km）运输，液氢则展现出最为显著的能效与成本优势。随着运输距离的延伸，液氢的经济高效性愈发凸显。

液氢不仅因其远距离储运的经济性而备受青睐，其本身亦是一种蕴含极高能量密度的优质燃料。

氢液化装置，作为制备液氢的核心设备，其技术门槛极高，这主要源于氢液化所需达到的极低温度（-253℃）以及复杂的正仲氢转化过程。

1 典型氢液化装置

图1(a)展示了位于Ingolstadt的氢液化装置流程，此流程依托液氮预冷的氢克劳德循环实现。在流程中，氢气首先经历低温吸附过程以达到高度纯化（杂质含量低于1μL/L），随后通过液氮预冷至80K，再经由氢克劳德循环深度冷却至约30K。最终，氢气通过J-T阀的节流膨胀作用，温度骤降至约21K，转化为液态氢，并储存于真空绝热储罐内。节流过程中产生的闪蒸气体与储罐自然蒸发的氢气，均被回收至液化装置的冷端（即HX7的下部），以实现冷能的有效再利用。

该装置配备了三台油轴承透平膨胀机，它们在高效率区间（2.2~0.3MPa）内运行，转速高达约70,000转/分钟。正仲氢的转化过程被精细划分为四个阶段，其中两个阶段分别在液氮浴和液氢浴中进行等温催化转化，而另外两个阶段则采用绝热催化方式，利用Fe(OH)3作为催化剂，成功将仲氢的体积分数从初始的25%（原料气中）提升至95%或更高（液氢中）。

整个系统中，七个关键的热交换器（HX1至HX7）均采用了先进的真空钎焊铝板翅式设计，确保了高效的热传递性能。此外，还需考虑液氮生产的能耗，约为0.4kW·h/L，而氢液化的整体能耗则达到了13.6kW·h/kgLH2的水平。 氢液化装置的关键性能参数列于表1。

Leuna的氢液化装置自2007年起便投入运营，每日生产能力达到5.5吨。其液化流程亦遵循液氮预冷的氢克劳德循环原理，如图1(b)所示。在这一流程中，液氮首先负责将氢气从室温冷却至80K，随后氢克劳德循环接手，继续将氢气从80K降温至30K左右。最终，通过节流膨胀过程，氢气被成功液化。值得注意的是，氢克劳德循环内部集成了三个串联的油轴承透平膨胀机，它们协同工作以实现高效的冷量传递。

图1　实际运行的氢液化装置流程图

表1　典型氢液化装置性能指标

2 氢液化流程

氢液化流程在预冷策略上展现出多样性，大致可划分为五大类别：液氮预冷、液化天然气（LNG）预冷、混合工质预冷、吸收式制冷预冷以及前沿的主动磁制冷技术。为了优化整个液化过程中的温度曲线，这些预冷方式往往被灵活组合，以适应不同温区的特定需求。近年来，虽然传统的液氮预冷氢克劳德循环在实际应用中仍占有一席之地，但研究焦点已逐渐转向更具潜力的混合工质预冷方法。

在高于90K的温区，混合工质的选择往往侧重于烷烃与氮的复合物，这些混合物能有效传递并吸收热量。而当温度降至90K至20K的区间时，氖、氢、氦的混合气体则成为更为理想的预冷介质，其独特的物理性质有助于实现更为高效的热交换。

通过精心调配混合工质的组成比例，并结合对换热器温度分布的精细设计，科学家和工程师们已成功将氢液化的能耗水平降低至每公斤液氢不超过4kW·h的显著水平。这一成就不仅标志着氢液化技术的重大进步，也为未来氢能的大规模应用奠定了坚实的基础。

在氢液化流程的末端制冷环节，多数设计方案倾向于采用两相膨胀机，这一选择背后的考量在于，相较于节流阀，膨胀机能够显著减少不可逆的能量损失，从而有助于整体能耗的降低。然而，一个不容忽视的现实是，尽管两相膨胀机在理论上具有诸多优势，但目前市场上尚缺乏成熟的商业化产品。因此，要实现这些创新的氢液化流程，就必须依赖于设备技术的重大突破。

在此背景下，大冷量氢、氦透平膨胀机的研发显得尤为重要，它不仅是当前氢液化装置面临的技术瓶颈之一，也是推动氢能产业向前发展的关键所在。只有攻克了这一技术难题，才能为氢液化流程的优化和效率的提升提供强有力的支撑。

当前，氢液化流程中备受瞩目的研究方向之一，便是采用混合工质预冷技术。图2清晰地描绘了一种集三级混合工质预冷与氮预冷于一体的先进氢液化流程，这一流程因其高效性和创新性而广受关注。

图2　混合工质预冷加氮预冷氢液化流程

氢克劳德循环液化流程如图3所示，氢气不仅作为被液化的原料，也作为制冷工质。

在制冷循环中，冷量被有效生成并用于冷却过程。原料氢气首先被压缩至大

图3 WE-NET氢克劳德循环氢液化流程

约3MPa的高压状态，随后通过液氮的冷却作用，其温度迅速降至80K。紧接着，在精心设计的八级换热器中，原料气经历了一个连续的正仲氢转化过程。完成这些步骤后，氢气通过节流膨胀的方式实现液化。值得注意的是，节流过程中产生的闪蒸气体以及储罐中自然蒸发的氢气，均被引导回流至换热器系统中，它们的冷能被充分回收利用，并最终返回到原料气的入口处，以实现能量的高效循环。

此外，氢克劳德循环中的透平膨胀机在释放冷量的同时，也产生了可观的机械能。这一机械能被巧妙地回收并用于对氢气进行再次加压，从而提升了整个流程的效率，据估计，这一改进措施可使流程效率提高约1.4%。

3 结语

航烨能源致力于低温制冷领域的研究，在氢液化流程可为您提供一定的咨询，欢迎来电。

尽管国内液氢产量目前尚处于较低水平，但我国氢液化装置的布局正迅速推进，并在近一年内取得了显著的国产化突破。特别是吨级氢液化装置的核心设备，成功打破了国外企业的长期垄断，实现了关键技术的自主可控。这一进展不仅标志着我国氢能产业链的重要一环得到了强化，也为未来实现液氢生产的规模化、低成本化奠定了坚实基础。

大型氢液化装置的问世，其规模化效应尤为显著，能够有效降低液化过程中的能耗，提升整体运营效率。这类装置不仅在产能上具备优势，更在技术创新和成本控制方面展现出强大的竞争力，为氢能的大规模储存和运输提供了有力支撑。

与此同时，小型氢液化装置则展现出了更为灵活多变的特性。它们具备快速启停的能力，能够更好地适应新能源发电的波动性，实现就地制氢并即时液化。这种“新能源+氢液化”的结合模式，不仅提高了能源利用效率，还有助于推动绿色能源的广泛应用，为实现碳中和目标贡献力量。

总的来说，我国氢液化装置的国产化进程正在加速推进，无论是大型装置还是小型设备，都在不断突破技术瓶颈，提升性能表现。这一趋势不仅有利于降低液氢生产成本，还将促进氢能产业的快速发展，为我国能源结构的优化升级注入新的动力。