氢气，作为一种广泛存在且环境友好的能源，正逐步成为未来清洁能源体系中的核心二次能源载体，其重要性在全球能源战略中日益凸显。针对氢气固有的低密度和低沸点特性所引发的储运瓶颈，低温致密化技术应运而生，有效提升了氢气的储存密度，为大规模氢能应用铺平了道路。

本文全面审视了氢液化与低温高压储氢这两种前沿低温储氢技术的最新进展，深入对比了它们各自在性能与特点上的优劣，并展望了未来的发展方向，旨在为氢能储运技术的革新提供宝贵参考。氢液化技术，凭借其卓越的储氢密度（常压下液氢密度高达70.85kg/m³）和低压力要求，已成为当前大规模氢能储运的首选方案之一，广泛应用于航天、半导体等高精尖领域。

与此同时，低温高压储氢技术（Cryo-compressed Hydrogen, CcH2）作为另一项创新技术，巧妙融合了常温高压储氢与氢液化的优势，实现了接近液氢水平的储氢密度（62.75kg/m³，35MPa@80K），同时降低了能耗需求，省去了对严苛低温环境（如20K）的依赖，且无需进行复杂的正仲氢转化过程，展现出强劲的发展势头和广泛的应用前景。

此外，采用闭式低温制冷循环，特别是以混合工质节流制冷循环为代表的高效制冷系统，替代传统的液氮预冷方式，进一步降低了氢气低温致密化的能耗，成为推动低温储氢技术持续进步的重要趋势。这些技术革新不仅提升了氢能的储运效率，也为氢能产业的规模化、商业化发展奠定了坚实基础。

1 氢液化技术研究进展

1.1  氢液化流程

图1 典型液氮预冷的 Linde-Hampson 氢液化流程

氦膨胀制冷技术驱动的氢液化流程，其核心理念源自氦气的逆布雷顿循环机制，通过精心设计的多级回热与膨胀步骤，逐步将原料氢气冷却至极低温并成功液化。这一流程如图2所详细描绘，其中膨胀机（EP）扮演着关键角色，而正仲氢转化器（CON）则确保了氢气分子的稳定性。值得注意的是，基于氦制冷循环的系统，因其独特的性能优势，目前多被应用于日产量不超过2.5吨的中小型氢液化设施中，而较少见于对产能要求更高的大型氢液化装置，这反映了其在特定规模范围内的适用性与经济性考量。

图2 典型液氮预冷氨膨胀制冷氢液化流程

图3典型液氮预冷双压 Claude 氢液化流程

当前主流的氢液化流程设计，普遍采用两组膨胀机以串联或并联的方式配置，如图4所示，这种布局使得循环氢气能够在两个不同的温度区间内，通过两组膨胀机逐步实现降温与液化。为了平衡单台膨胀机的负荷，每组内部还进一步细分为多个级别的膨胀机，通过串联或并联连接，以控制焓降与流量的合理分布。

在串联与并联的对比中，两者在热力性能上表现相近，但串联配置下的单台膨胀机面临较小的压降与焓降挑战，因此其转速更为温和，对叶轮及轴承-转子系统的研发风险有所降低，也更适宜采用气体轴承技术。相反，并联配置下，单台膨胀机的压降与焓降显著增加，转速提高，这对轴承的承载能力与稳定性提出了更高要求，通常需依赖油润滑轴承来实现稳定运行。

针对氢液化流程中的正仲氢转化问题，为确保液氢产品的稳定性并减少蒸发损失，需提前将原料氢中的正氢转化为仲氢，目标仲氢体积分数常设定为95%或97%。鉴于低温下转化热增大，宜在较高温度阶段通过催化加速转化过程，以降低制冷系统的负荷。目前，正仲氢转化技术主要分为等温、绝热和连续三种形式，每种形式各有特点。等温转化依赖液氮或液氢浴提供冷源，但冷量消耗较大；绝热转化则通过独立转化器实现，转化后升温的氢气需返回上一级换热器再冷却，流程相对复杂；而连续转化技术则将催化剂直接集成于换热器中，实现冷却与转化的同步进行，不仅简化了流程，还显著降低了对低温冷量的需求，正逐步成为氢液化流程的发展新趋势。特别是在采用双压Claude流程的装置中，如Leuna装置采用的连续转化技术相比Ingolstadt装置的绝热转化方式，展现出更低的液化比功耗，这主要归功于连续转化技术在减少转化热冷却能耗方面的显著优势。

图4氢膨胀液化流程中典型膨胀机布置形式

图5 3种正仲氢催化转化形式

图6 典型多级 J-B 氢液化流程

图7 典型级联式预冷+逆布雷顿氢液化流程构型

图8单级油润滑普冷压缩机驱动的混合工质氢液化预冷循环(预冷双压 Claude 流程)

图9 Ingolstadt 氢液化系统流程

图10 Leuna氢液化系统流程

图11 大型氢液化系统流程

图12 试验技术1.5 td级氢液化装置

2. 低温高压储氢技术

低温高压储氢技术的本征能耗显著低于氢液化，且储氢密度与液氢接近；高效的低温高压H2制备方法与低温高压储氢容器是该技术的关键。

图13 液氢增压泵及主要参数

现有的液氢气化增压方法，以高品位冷能的液氢为冷却媒介，尽管实现了储氢，但整个流程的综合能耗偏高，这主要源于液氢泵的运行能耗及液氢传输过程中的能量损失，未能充分发挥低温高压储氢技术本身能耗低的潜力。为破解这一难题，中科院理化所创新性地提出了一种新流程：原料氢气首先在常温环境下经历多级增压处理，随后利用外部冷源将其冷却至适宜储存的低温高压状态。

在这一低温高压氢气制取流程中，冷却环节被视为最具灵活性和节能潜力的关键步骤。鉴于高压氢气的冷却需求属于气相显热类型，其分布特性更适合与变温冷源如混合工质相匹配，而非传统的定温冷源如液氮。因此，中科院理化所设计了以混合工质节流制冷循环为核心的新型冷却系统。在此系统中，原料氢气先经过五级压缩机（经过优化以平衡能耗与系统复杂度）增压至35至70MPa，随后进入混合工质制冷循环的回热器内，借助混合工质的分布式冷却作用，逐步降温至目标温度范围（80至120K），最终存入低温高压储罐中。

以50MPa@80K的典型储氢条件为例，该流程实现了高达71.59kg/m³的体积储氢密度，这一数值甚至超越了常压下的液态氢。同时，整个流程的理论比功耗仅为6.52kWh/kg，相比传统的双压Claude氢液化流程降低了38%。而在35MPa@100K的条件下，储氢密度依然保持在54.73kg/m³，相当于常压液氢密度的75%以上，此时的比功耗更是低至5.11kWh/kg。

此外，该混合工质制冷循环还采用了单级油润滑普冷压缩机作为动力源，除了处理高压氢气的换热器外，系统中的许多组件均可从普冷和空分行业的成熟产品中直接选用，这不仅简化了设计，还有效降低了大规模建设时的成本。针对储罐冷却问题，新流程提出了使用载冷工质或直接以冷氢气来冷却储存容器的方案，替代了以往低效利用液氢高品位低温冷能的方法，进一步提升了系统的整体能效。

图15 混合工质制冷的低温高压氢气制备流程

图16 不同温度、压力下气相氢密度与液氢密度比较

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