氢能作为零碳能源，是实现我国双碳目标的有效战略途径，随着氢能被纳入我国能源体系范畴，氢能的广泛商业应用即将呈现爆发式增长。受限于氢的物理特性，氢能利用过程中的高能量密度储运技术一直是制约其发展的瓶颈之一，液氢作为储氢密度最大的方式，其规模化制取技术是解决氢能应用环节中高效储运和规模化利用的有效途径。

1.低温透平膨胀机

小型氢液化装置通常采用氦JB循环预冷，大型氢液化装置通常采用氢克劳德循环制冷，两者分别需要氦透平膨胀机和氢透平膨胀机。由于氢、氦的分子量小，要使透平膨胀机拥有较高的效率，叶轮必须运行在高转速下。高速透平膨胀机的主要难点在于转子的振动稳定性和可靠轴承的设计。低温透平膨胀机的轴承系统包括以下三种：油轴承、气体轴承和磁轴承。油轴承采用油润滑，需要一套外部供油系统。气体轴承采用气体润滑，在轴与轴承之间形成压力气膜支承，可进一步分为静压气体轴承和动压气体轴承，两者的主要区别是静压气体轴承需要一套外部供气系统。磁轴承将轴悬浮于轴承之上。

此外，研究人员提出将气体轴承和磁轴承结合起来的磁气共构混合轴承，在转子启停及低速阶段由磁轴承承担全部负荷，在工作状态下由气体轴承承担部分或全部负荷，解决磁轴承功耗大、动压气体轴承启停干摩擦的问题。目前使用最广泛的是气体轴承。

氦低温透平膨胀机已在氦液化器中使用数十年，制造工艺相对成熟。法液空的氦透平膨胀机采用静压气体轴承，转速高达3×105r/min，绝热效率高达82%，免维护运行时间达到15万小时。氢气的分子量为氦气分子量的一半，且两者的热物性相差较大，导致氦低温膨胀机的设计方法不能直接应用于氢。氢透平膨胀机要重新设计轴承间隙、轴承工作范围和控制参数。此外，氢透平膨胀机要特别注意防范氢脆和爆炸，比如避免使用铁素体材料。

2.压缩机

在氢液化系统中，压缩机无疑扮演着能耗大户的角色，因此，提升其效率与可靠性成为了科研界的重要课题。在低温制冷领域内，往复式活塞压缩机、螺杆压缩机以及透平压缩机是最为常见的选择。具体而言，氢液化过程倾向于采用往复式活塞压缩机来压缩氢气，而螺杆压缩机则更适用于氦气的压缩任务。

往复式活塞压缩机，凭借其活塞在气缸内的往复运动，有效实现了气体体积的减小与压力的提升，其等熵效率范围广泛，介于0.75至0.92之间。该类型压缩机的优势在于技术成熟度高、制造成本相对较低，并且即便是针对氢、氦这类低分子量气体，也能在单级内实现较高的压缩比。为避免润滑油进入低温制冷循环引发的潜在问题，氢液化装置中常采用干式无油设计的往复式活塞压缩机。然而，余隙容积问题仍是该类型压缩机发展道路上的一大障碍。

螺杆压缩机则通过一对精密啮合的螺旋形转子工作，转子间的压缩腔随着旋转逐渐缩小，从而实现气体的压缩，其等熵效率约为0.65至0.75。喷油冷却技术的应用，使得压缩过程更接近等温压缩，提升了热力学效率，但这也要求后续通过多级油分离系统彻底清除油分。

至于透平压缩机，它通过叶轮的旋转为气体做功，使气体加速并在后续流道与扩压器中转化为压力能，其形式涵盖离心式与轴流式，等熵效率范围在0.70至0.88之间。透平压缩机以其较长的免维护周期及无需除油设备的特点脱颖而出。然而，在压缩氢、氦这类轻量气体时，透平压缩机面临单级压比有限的挑战。降低吸气温度成为提高单级压比的有效策略，以氦克劳德循环为例，室温下需多级串联的透平压缩机，而采用液氮冷却的离心式透平压缩机则能显著减少级数需求，并大幅降低能耗。

3.板翅式换热器

在氢液化系统中，为了高效地在冷、热流体间传递热量，多通道钎焊铝制板翅式换热器被广泛应用。其显著优势在于与低温工作介质的卓越相容性、极高的比表面积（超过2000平方米每立方米）、低压降特性以及极小的温差控制（小于1K）。选用铝作为核心材料，归因于其出色的热传导性能、低温下的高强度以及成本效益。图1直观展示了板翅式换热器的结构，其核心由交替堆叠的隔板与翅片组成，这些组件在真空环境中通过钎焊工艺紧密相连，边缘则由密封条严密封闭。流体通过特定的接管进入封头区域，随后经由导流片导向翅片内部，与隔板另一侧的流体实现热交换。

图1  铝板翅式换热器结构示意图

尽管板翅式换热器的制造工艺已相当成熟，但钎焊芯体的过程仍是技术突破的关键。钎焊缝的质量直接决定了换热器的承压能力，而这又受到零件公差匹配精度、压紧力均匀程度以及钎焊温度控制等多重因素的影响。

目前，针对板翅式换热器的设计尚未形成统一且高效的标准方法。由于传热温差与阻力压降之间存在固有的矛盾关系，设计过程中需要精心优化换热器结构，力求在两者之间找到最佳平衡点，实现传热效率与流动阻力的最小化。

在我国，板翅式换热器已在空气分离、天然气液化以及氦低温制冷等多个领域得到了广泛应用，不仅制造工艺稳定可靠，还在设计方法上积累了丰富的经验和研究成果。然而，在氢液化装置中的应用尚处于初级阶段，由于氢气分子量更低且存在氢脆风险，对焊料的选择及焊缝质量的评估方法提出了更高的要求，亟需进一步的科学研究与实验验证。

4.正仲氢转化器

在常温常压条件下（即20℃与0.1MPa），自然存在的氢气中仲氢比例约为25%，然而，当环境温度骤降至20K时，这一比例将逼近100%。正氢向仲氢的转变是一个热力学上的放热过程，但其自发进行的速率相对于氢液化流程而言显得迟缓。因此，在液氢的储存准备阶段，采用催化剂促进正仲氢的快速转化变得至关重要，此举旨在预防储存期间因转化放热而引发的液氢蒸发损失。正仲氢转化器的研发挑战主要聚焦于高效催化剂的筛选与换热器结构的精妙设计。

近年来，一种融合正仲转化器与板翅式换热器的创新方案在众多新型氢液化流程中脱颖而出。此方案通过增强换热效率、紧凑设备体积及降低能耗等方面展现出显著优势。尽管填充催化剂的板翅式换热器在传热性能上能实现翻倍提升，但其带来的压降增加却不可避免地影响了流体的顺畅流通。因此，在设计此类换热器时，需精细调控翅片的高度与间距。研究如徐攀团队所开展的工作，深入探讨了42~70K温度区间内氢气在催化剂填充平直翅片通道中的正仲转化与流动换热的相互作用，指出低雷诺数工况与短翅片设计对提升换热性能更为有利。

当前，氢液化流程的设计优化研究已走在技术实现的前沿，为设备的发展明确了方向。核心设备如透平压缩机、两相透平膨胀机、高效低泄漏板翅式换热器及连续正仲氢催化转化器的技术进步，正逐步推动氢液化能耗向6kW·h/kgLH2的更低水平迈进。此外，利用LNG冷能、吸附式制冷回收余热以及主动磁制冷等新型氢液化理念，从理论上讲，能够进一步削减能耗，但其实际应用则需综合考量投资成本与维护可靠性。值得注意的是，当前氢液化流程的研究多聚焦于稳态工况，而针对液化过程中动态控制策略的探索尚显不足，这将是未来研究的一个重要方向。

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