随着我国航天事业的蓬勃发展和新能源技术的飞跃进步，氢能已稳稳地成为我国能源战略的重要组成部分，旨在优化国家能源消费结构，并坚实保障能源供应安全。液氢的制备作为氢能产业链中的关键环节，其效率与经济性直接关系到氢能利用的广泛推广与可持续发展。回顾氢液化技术的历史发展脉络，我们见证了从初步探索到技术成熟的显著进步。当前，大型氢液化（LHL）技术已成为焦点，它涵盖了多种高效方法与循环流程，以及先进的装置设计。

随着全球对化石能源枯竭与环境污染问题的深刻认识，我们正加速从化石燃料时代迈向绿色能源的新纪元，这一转型的核心在于能源结构的双重变革：从有限且污染重的化石能源转向可持续的绿色再生能源，以及从高碳排放向低碳乃至无碳燃料的深刻转型，其本质在于通过加氢技术减少碳排放。在众多绿色能源候选者中，氢能以其独特的优势——广泛的可获取性、良好的储存性、可再生性、多样化的应用形式（如发电、燃烧）以及实现零污染与零排放的能力，脱颖而出成为焦点。

在氢能产业链中，储运技术是实现其广泛应用的关键。相较于气态氢的储运方式，液氢以其低成本、高携氢密度、高纯度、适合长距离运输及国际贸易便利、加注便捷等优势，被视为推动氢能大规模应用的关键环节。因此，氢的液化技术作为支撑氢气收集、储存、运输及应用的基石，显得尤为重要。当前，国际舞台上，尤其是美国，在液氢产业方面技术领先，产能雄厚。而我国，尽管在氢能领域取得了一定进展，但在液氢产品的质量与制造技术上仍面临不小挑战，与发达国家存在显著差距。在此背景下，加快自主研发步伐，掌握大规模氢液化装置的核心技术，对于我国将氢能纳入国家能源战略体系，并推动其快速发展，具有紧迫而重要的意义。本文回顾了氢液化技术的历史演进，深入剖析了大型氢液化（LHL）的方法与循环机制，对比了国内外大型氢液化装置的发展现状，并展望了未来技术创新与装置升级的方向。

1氢液化循环简介

1.1 J-T节流循环

1898年，英国的James Dewar首次以100px3/min的产量液化了氢。氢气经过换热冷却和J-T节流，部分被液化。

1.2 Linde-Hampson循环

1895年，德国的Hampson将回热式换热器应用在空气液化中，并采用节流阀和换热器结合的方式，通过膨胀来降低温度，得到了以1L/h速率液化的液化空气。同时德国的Linde也采用相似的结构，在工业规模上对空气进行了液化。后人将Hampson和Linde分别提出的这种空气循环命名为Linde-Hampson循环，这标志着液化新纪元的开始，也为之后的氢液化提供了思路。采用液氮预冷的Linde-Hampson循环实现了氢的液化。

1.3Claude循环

1902年，Claude循环被提出，图1展示了Claude循环的基本形式。该循环结合了气体液化技术、间壁式冷却和膨胀机。其中核心部件膨胀机通过等熵膨胀，提供低温区的冷量。液氮预冷的Claude循环比预冷的Linde-Hampson循环效率高50%～70%[3]，是目前在用的大型氢液化装置的基础。

图1：简单Claude循环基本形式

1.4逆布雷顿循环制冷的氢液化系统

逆布雷顿循环制冷的氢液化系统由氦制冷系统与氢系统两部分组成，该系统的流程如图2所示。氦制冷系统中的工质氦先被压缩，通过液氮预冷，再被换热器逐级冷却，最后在氦透平膨胀机中膨胀降至低温。在氢系统中，被压缩的氢气经液氮预冷后，在热交换器内被冷氦气降温，得到液氢。氦制冷的氢液化系统复杂，能耗较高，在大型氢液化系统中未得到广泛的应用。

图2：氦制冷的氢液化系统流程图

2大规模氢液化装置发展现状

2.1国内外产能对比

在氢液化技术领域，国外起步较早，技术成熟度较高，占据明显优势地位。反观国内，尽管起步较晚，但面临的技术鸿沟依然显著。从产能分布来看，北美地区，特别是美国，以其超过全球85%的液氢产能独领风骚，拥有超过15座液氢工厂，日产能突破326吨，并持续扩建，预计将进一步攀升至500吨/日以上。相较之下，欧洲和亚洲虽有所布局，但产能规模远不及美国，尤其是中国，仅有几座服务于航天发射的液氢工厂，总产能不足5吨/日，民用市场几乎空白。这种产能不足直接导致中国液氢生产成本高企，难以在高端制造、冶金、电子及能源等多个领域广泛应用，进而拉大了与美国等发达国家在产品质量与制造水平上的差距。更为严峻的是，作为技术领先的美国对中国实施了严格的技术禁运与交流限制，还联合其盟友企业，如法液空、林德等，阻碍先进设备与技术流入中国。在此背景下，中国独立自主研发大规模氢液化装置的能力尚待提升，这无疑为氢能产业的快速发展增添了不小的挑战。

2.2大型氢液化装置目前世界上在用的大型氢液化装置都以液氮预冷的Claude循环为基础。

2.2.1德国Ingolstadt的Linde氢液化生产装置

1991年建设的德国Ingolstadt的Linde氢液化生产装置曾经是德国规模最大的氢液化装置，该液化装置的原料氢气来自炼油厂（含氢量86%），液化前需要经过纯化。液化流程为改进的液氮预冷型Claude循环。氢液化需要的冷量来自三个温区，由液氮提供80K温区冷量；由氢制冷系统经过膨胀机膨胀获得80～30K温区冷量；J-T阀节流膨胀获得30～20K温区冷量，流程如图3所示。

图3：Ingolstadt的Linde氢液化生产装置及流程图

2.2.2德国Leuna的氢液化生产装置2007年9月，Linde耗资2000万欧元在Leuna建成了德国第二个氢液化工厂。与Ingolstadt的氢液化系统不同点是：原料氢气的纯化过程全部在位于液氮温区的吸附器中完成；膨胀机的布置方式不同；O-P转换器全部置于换热器内部。流程如图4所示。

图4: 德国Leuna的氢液化生产装置及流程图

3氢液化发展方向

当前，大型氢液化装置面临的主要挑战在于其相对较低的能效水平，普遍徘徊在20%至30%的效率区间，这一现状促使全球学者投入大量研究，旨在突破这一瓶颈。与此同时，减少单位氢产量所消耗的能源也成为氢液化技术优化的关键目标之一。为了实现更高效、更优化的氢液化流程，未来研究将聚焦于两大方向：一是通过创新氢液化循环设计，引入更先进的流程架构；二是致力于提升核心组件，如压缩机、膨胀机及换热器的运行效率。这两大策略相辅相成，有望共同推动氢液化技术迈向更高效、更经济的全新阶段。

3.1主要的氢液化流程

表1展示了迄今为止提出的氢液化循环流程，包括理论循环流程、现存装置的循环流程以及一些氢液化新流程。氢液化新流程的用效率可以达到50%以上，而生产每千克液氢的耗电量最低达到4.41kW·h。以下介绍能耗最低的几种氢液化新流程。

3.1.1Krasae-in提出的大型混合制冷剂系统

Krasae-in采用了一种由五种工质（摩尔分数分别为4%的氢气、18%的氮气、24%的甲烷、28%乙烷和26%丁烷）组成的混合制冷剂，并采用了一种优化后的四循环的氢气Joule-Brayton循环制冷系统，以该系统建造的产能为100t/d的氢液化装置总能耗为5.91kW·h/kgLH2，用效率为48.9%。除此之外还得出了换热器中压降对整体氢液化装置能耗没有影响的结论。

表1：氢液化循环流程及其能耗

3.1.2 Valenti提出的四级Joule-Brayton循环

这种氢液化循环流程的液化量为10kg/s，末级采用两相透平膨胀机，工况为150kPa、20K，制冷方式为四级的氦回热式Joule-Brayton循环。在此循环中氦膨胀机的等熵效率为88%～93%，氦压缩机为92%，氢膨胀机为85%，但测试发现，该流程机器及系统效率很难达到。

3.1.3  Sadaghiani大型液氢生产装置

Sadaghiani提出的大型液氢生产装置产能为300t/d，是目前理论能耗最低的一种氢液化循环新流程，能耗为4.41kW·h/kgLH2，效率为55.47%。该系统采用两级混合制冷剂的制冷循环，第一级将氢气从25℃降低至-195℃，能耗为1.102kW·h/kgLH2，用效率为67.53%。第二级将氢气冷却至-253℃，能耗为3.258kW·h/kgLH2，用效率为52.24%。该氢液化循环的另一个创新点是制冷剂的组成，第一级制冷循环制冷剂由九种工质（摩尔分数分别为17%的甲烷、7%的乙烷、2%的正丁烷、1%的氢气、16%的氮气、18%的丙烷、15%的正戊烷、8%的R-14以及16%的乙烯）组成，第二级由三种工质（摩尔分数为10%的氖、6.5%的氢气以及83.5%的氦气）组成。

3.2氢液化系统优化方案

在上述氢液化新流程中，压缩机、膨胀机的效率均达到了85%以上，而现阶段的实际效率远低于理想值，且在短时间内无法达到这样的工艺水平。针对当前大型氢液化装置效率低下、能耗较高的问题，特别是短期内难以达到理论高效状态的现实，我们提出了多项切实可行的优化策略。首先，我们探索了将可再生能源与氢液化流程深度融合的可能性，通过高压电解、太阳能辅助冷却、地热热电联产及太阳能朗肯循环等创新方式，旨在提升进气压力、降低系统温度，进而增强整体能效。其次，聚焦于核心设备——压缩机、膨胀机与换热器的性能提升，我们提出了设计新型高效设备、采用多级等温压缩技术、以膨胀机替代节流阀减少能量损失，并优化换热器结构以降低热损失等具体方案，以期从设备层面显著减少熵增，提高氢液化效率。再者，考虑到装置布局与规模对成本效益的直接影响，我们建议在冷能资源丰富的地区布局氢液化厂，利用环境优势降低预冷成本，并通过氢能供应链的整合规划，如与制氢、发电工厂协同选址，实现资源的最优配置与成本的有效控制。最后，我们倡导在氢液化技术领域开展前沿探索，如开发适用于极低温条件的精确状态方程，以及研究磁制冷、热声制冷等非常规制冷技术在氢液化中的应用潜力，以期为氢液化工艺的创新发展开辟新路径。

5. 在国内氢液化装置的发展进程中，尽管我们已在上世纪末成功研制出基于氦膨胀机制冷的小型氢液化装置，但与欧美等发达国家相比，在产品质量与制造技术上仍存在显著差距。鉴于当前中国氢能商业化应用加速、航天技术军民融合深化以及民用液氢储运标准制定与实施的背景，亟需突破技术瓶颈，增强自主研发大型氢液化装置的能力。为此，以下关键技术的发展对于推动国内氢液化装置迈向新高度至关重要：

4.1 低温氢环境适应性材料研发

鉴于氢气独特的物理性质，如高比热容、高热导率、低黏度及强扩散性，加之其易燃易爆的特性，选择适用于低温氢工作环境的高性能材料成为发展氢液化装置的首要任务。这些材料需兼具高强度、优良密封性，同时兼顾技术先进性与经济合理性，可借鉴制氢装置等材料选择经验，确保材料选型既满足安全需求又兼顾成本效益。

4.2 正仲氢转化催化剂的优化与创新

氢的正仲态转换是其特性之一，对液氢产品的纯度和质量有直接影响。为确保液氢中仲氢含量达到标准（>95%），需在液化过程中引入正仲转换器。国内在正仲氢转化催化剂的研究上已取得显著进展，如北京航天试验技术研究所研制的催化剂性能已达国际领先。未来应继续深化催化剂的研发，探索更高效、更稳定的催化剂配方，以提升转化效率与产品质量。

4.3 透平膨胀机技术的自主研发与提升

作为氢液化循环中的关键设备，透平膨胀机的热力与力学性能直接关乎装置的经济性与运行可靠性。其技术含量高、研制难度大，是提升氢液化装置整体性能的关键。因此，加强透平膨胀机的自主研发能力，通过技术创新提升其效率与稳定性，对于推动国内氢液化技术的发展具有重要意义。同时，应关注国际先进技术动态，积极开展国际合作与交流，以加速技术迭代与升级。

目前，国内尚无国产商品化的氢透平膨胀机，氢液化系统核心设备完全依赖于进口。国际上林德、法液空两家公司是全球范围内最具实力的氢液化设备供应商。美国企业也能提供氢液化设备，但美国目前对我国还实施氢液化设备禁运的政策。这些都使得我国获取氢液化设备的成本高昂，在进行价格谈判时处于被动地位。在设备的建造周期、设备可获得性上也存在不确定性。同时进口设备还存在维修维护费用高等问题。目前西安交通大学和北京航天试验研究中心正在合作开展大型氢液化装置和高效氢、氦透平膨胀机的研发工作，积极突破这一技术难题。

5总结

航烨能源紧跟全球氢液化技术发展趋势，深耕基于Claude循环的氢液化技术，致力于提升该领域的国产化水平。公司聚焦于优化氢液化流程设计，并强化压缩机、膨胀机及换热器等核心部件的研发与制造，力求突破现有技术瓶颈，降低能耗，提升效率。在我国氢能产业蓬勃发展的背景下，航烨能源正加速推进大型氢液化装置的国产化进程，以技术创新为驱动，推动氢能产业的规模化、商业化发展。