氢的储存与运输形态多样，包括气态和液态。当前主流的储运手段是高压压缩氢气储运。液态氢因密度极高，达到标准状况下氢气密度的800倍，采用液态储运能显著提升储运效率并降低成本。更重要的是，液态氢储运所需压力较低，相较于高压气体储运，安全风险更低，因此液态氢储运具备独特优势，有望引领氢的大规模储运潮流。

但需注意的是，氢的沸点极低，约为20.15K（−253℃），液化过程能耗巨大。目前全球运行的氢气液化装置能耗比为12~15kW·h/kg。展望未来，随着氢气液化单机规模的扩大，预计大型液化装置的能耗比将下降至6~7kW·h/kg。

1 氢气液化系统流程

在双压克劳德氢气制冷循环中，膨胀机在高、中压间工作，既能优化膨胀机的焓降以提高效率，又能因大部分循环氢气仅在高压级压缩机和膨胀机间循环而减少总压缩功耗。此外，J-T液化回路的氢气高压节流至低压时，产生显著的节流温降。这些因素共同作用下，双压克劳德氢气制冷循环展现出较高的循环效率。

原料氢气在2.5×105 Pa的过冷液氢产品。在常压状态下，原料氢由75%的正氢和25%的仲氢组成，二者因原子核自旋状态不同而具有较长的相干时间，且在整个过程中自旋状态几乎不变。因此，氢液化过程所得液氢产品仍为正常氢，长期储存时正-仲氢自发转换释放的转化热会导致液氢蒸发损失。

为加速正氢向仲氢的转化，在HEX3至HEX9的原料氢气通道内填充了正-仲氢转换催化剂，在冷却过程中实现正氢到仲氢的等温（于HEX3内）及连续转化，确保液态氢产品中的仲氢含量超过95%。由于正-仲氢转化在低温下会释放更多转化热，因此在80K以下温区采用连续正-仲氢转化与热交换同步进行的方式，相较于传统的无热交换分级绝热正-仲氢转化，更有利于提升转化效率、减小换热温差并提高换热效率。

图1 5 t/d 氢气液化装置系统流程图

2 主要部件

5吨/天的氢液化系统配备了一个卧式真空绝热设计的冷箱。这个冷箱内部集成了多种关键设备，例如低温换热器、低温控制阀门、透平膨胀机、液氮分离器、液氢分离器、一个80K的低温吸附装置、复杂的工艺管道系统，以及用于监测温度、压力和液位的传感器等。

图2展示了5吨/天氢液化装置冷箱的立体三维模型。冷箱内部的组件布局和管道走向都是基于强度、安全性、可维护性和成本的全面考量而精心设计的。四台采用静压气体轴承的透平膨胀机被垂直安装在冷箱之上，这样的设计既方便了安装作业，也利于后续的维护工作。

该冷箱的尺寸相当可观，直径为3.2米，长度达到了11米。目前，冷箱已经完成制造流程，并经过测试，其实测的整体漏率低于103/s，这一数据充分展示了其卓越的真空绝热性能。现在，这个冷箱已经被安全地运送到现场，并成功安装到位。

图2 5 t/d 氢液化装置冷箱三维模型

在调研氢液化装置中用于氢气制冷的压缩机类型时，我们发现透平压缩机、喷油螺杆压缩机和往复式压缩机都是可行的选择。尽管透平压缩机在处理大流量氢气压缩方面展现出巨大潜力，但由于氢气独特的物理性质，如分子量小、声速高，要求压缩机具有极高的圆周速度来匹配，这导致氢气透平压缩机的研发极为困难，且难以实现所需的高压力比，因此至今尚未应用于氢液化装置中。

喷油螺杆压缩机则以其相对较低的成本、较高的每级压力比、紧凑的体积以及低廉的维护成本而备受青睐。然而，由于螺杆压缩机内部存在较大的摩擦和泄漏问题，其压缩效率通常较低，并非最优解决方案。

因此，在本项目中，我们选择了无油往复式压缩机作为氢气压缩机。5吨/天的氢液化装置采用了两台串联使用的无油往复式压缩机，其中低压压缩机的工作压力范围为1×105 Pa，流量为55克/秒；高压压缩机的工作压力范围为4×106 Pa，流量为480克/秒。

如图5所示，这两台氢压缩机均采用了双作用、水平、平衡对置式气缸布局。高压机组设计为4列3级，低压机组为2列2级。在压缩机密封方面，我们采用了双室填料函密封结构，主填料函特别选用了氢气进行密封，以避免主工艺气体被氮气污染。同时，中间填料则起到了双向密封的作用，有效防止了润滑油膜通过活塞杆泄漏到气缸侧，从而确保了压缩机过流部件中介质的纯净无油。

图3 高压及低压氢气往复压缩机 3D 模型

氢气透平膨胀机是氢液化系统中不可或缺的关键组件。其工作原理是利用高压氢气在膨胀过程中释放的能量来降低温度，进而实现氢气的液化。在5吨/天的氢液化装置中，我们采用了自主研发的、技术成熟的静压气体轴承透平膨胀机。根据流程优化结果，我们配置了2级膨胀机组进行膨胀制冷，每级膨胀机组包含两台串联的透平膨胀机。具体而言，高温级膨胀机的进口压力为2.43×105 Pa，出口温度降至32.9K。

氢气透平膨胀机采用了立式安装结构，其冷端进气部分直接焊接在冷箱真空容器的顶部。这种设计使得膨胀机的机芯能够方便地从外部直接插入或拆卸，而无需破坏冷箱的夹层真空，从而大大简化了安装和维护过程。

在5吨/天的氢液化装置冷箱内，我们选用了高效且紧凑的铝制板翅式换热器作为低温换热器。在设计这些换热器时，我们根据流程参数精心选择了翅片参数，并优化了流道布置，以确保在满足高效换热的同时，尽可能减少通道内的流动损失。

此外，我们还在80K及以下温区的换热器原料氢气通道内填充了专门的正-仲氢转化催化剂。这样，当氢气通过换热器时，不仅进行热量交换，还能同时发生正仲氢的转化。这种结合了正-仲氢催化转化过程的低温板翅式换热器在设计上与传统换热器有所不同。我们需要选择易于充装催化剂颗粒的封头型式、翅片种类及参数，并对传热方程和流动方程进行修正。同时，我们还制定了合适的催化剂装填工艺，以确保通道内的正-仲氢转化效率，从而使得最终液氢产品中的仲氢浓度超过95%。

3 总结

氢液化装置在推动氢能大规模应用中扮演着核心角色。中国首个5吨/天氢液化装置的技术特点及研发历程备受瞩目。该装置创新性地采用氢气作为直接制冷介质，并融合了带液氮预冷的双压克劳德氢气制冷循环技术，实现了氢气的有效液化。在正-仲氢转化方面，该装置采用了80K液氮温度下的等温转化与80K以下温区的连续转化相结合的方式，不仅提升了氢液化循环的效率，降低了能耗，还显著提高了正-仲氢的转化效率。

航烨能源在氢液化技术领域取得了显著贡献，该装置采用高效制冷循环和正-仲氢转化技术，实现了氢液化循环效率高、能耗低的目标，为推动氢能的大规模应用提供了有力支持。