在氢能的应用与拓展进程中，储运技术的选择尤为关键。相较于气态氢的储运方式，液氢储运展现出其显著优势：它不仅成本低廉，而且拥有极高的携氢密度，确保了氢气的高纯度保存。这些特性使得液氢储运特别适合于执行长距离运输任务及参与大宗国际贸易，同时也为氢能在各类终端应用中的便捷加注提供了极大便利。因此，氢的液化技术被视为推动氢气实现大规模收集、高效储存、安全运输及广泛应用的关键基石，是氢能产业链中不可或缺的一环。

1 氢液化循环简介

1.1 Claude循环

Claude循环是作为一种创新的技术构想，其基本架构如图1所描绘，巧妙融合了气体液化技术、间壁式冷却系统与膨胀机的功能。该循环的核心亮点在于膨胀机的应用，它通过等熵膨胀过程，在低温区间有效释放出冷量。值得注意的是，与采用液氮预冷的Linde-Hampson循环相比，Claude循环展现出了卓越的效率优势，其效率提升幅度可达50%至70%，这一显著优势奠定了它作为当前大型氢液化装置首选技术方案的地位。

图1 简单Claude循环基本形式

1.2 逆布雷顿循环制冷的氢液化系统

逆布雷顿循环驱动的氢液化系统由两大核心部分构成：氦制冷系统与氢处理系统，其运作流程如图2展示。在氦制冷系统中，工作介质氦首先经历压缩过程，随后利用液氮进行初步冷却，再经过多级换热器逐步降温，最终在氦透平膨胀机内通过膨胀作用降至极低温状态。而氢系统则涉及氢气的压缩、液氮预冷，随后在热交换器内与已冷却的氦气进行热交换，从而实现氢气的深度降温并转化为液态氢。尽管此系统技术复杂且能耗相对较大，但由于其特定的技术限制，目前尚未在大规模氢液化设施中得到广泛采用。

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 Linde氢液化生产装置

该氢液化装置所采用的原料氢气源自炼油工艺，其纯度为86%，故在液化之前必须进行严格的纯化处理，以确保产品质量。液化过程依托的是经过优化的液氮预冷型Claude循环技术。此流程中，氢液化所需的冷量源自三个不同的温度区间：首先，液氮负责提供80K温区的冷量；接着，氢制冷系统内的膨胀机通过膨胀作用，为80K至30K温区贡献冷量；最后，J-T阀通过节流膨胀效应，进一步在30K至20K温区内产生所需的冷量。整个液化流程如图3所示，展示了这些温度区间内冷量传递与氢气液化的详细步骤。

图3 Ingolstadt的Linde氢液化生产装置及流程图

2.2  Leuna氢液化生产装置

相较于Ingolstadt的氢液化系统，本系统在多个关键环节上展现出独特的设计差异。首先，原料氢气的纯化步骤完全在液氮温区的特定吸附器内完成，这一安排有效利用了液氮提供的低温环境，提升了纯化效率。其次，膨胀机的布置方式也经过了创新调整，以适应本系统的独特流程需求。再者，本系统中的O-P转换器与众不同地全部内置于换热器之中，这样的设计不仅优化了空间利用，还可能在热交换效率上带来积极影响。整个系统的这些独特之处，在图4的流程图中得到了清晰的呈现。

图4 Leuna氢液化生产装置及流程图

3 国内氢液化装置发展方向

3.1 液氢温区材料选择

在众多气体之中，氢气以其卓越的比热容、最高的热导率以及最低的黏度脱颖而出。其分子运动速度之快，赋予了氢气无与伦比的扩散能力，能够轻松穿越微小缝隙，甚至渗透至部分金属内部。然而，这一特性也伴随着安全隐患，因氢气极易燃易爆。在氧气或空气中燃烧时，氢气产生近乎无色的火焰，且火焰传播速度迅猛，可达2.7米/秒。尤为值得注意的是，氢气的着火能量极低，仅需0.02毫焦的静电即可在燃烧极限内的混合气体中引发火灾。在标准大气压及19.85℃条件下，氢气与空气的混合比例在5%至75%体积分数范围内即可燃烧，而当这一比例处于18%至65%之间时，爆炸风险显著增加。因此，在开发氢液化装置时，首要任务是选用能在低温氢环境下稳定工作的材料，这些材料必须满足高强度与优异密封性的严苛要求。为实现这一目标，我们可以借鉴制氢装置等相关设备的材料选择策略，力求在技术创新与经济合理性之间找到最佳平衡点。

3.2 正仲O-P转化催化剂

氢的独特性还体现在其存在正氢与仲氢两种形态上，这一特性对氢的液化过程至关重要。随着环境温度的逐渐下降，正氢会经历一个称为正-仲态转化的过程，转变为仲氢。值得注意的是，此转化过程中释放的热量甚至超过了氢气液化所需的全部能量，因此，最终的液氢产品必须确保以仲氢为主，且含量需达到95%以上的标准。为实现这一目标，在氢液化流程中，必不可少的一环是在换热器之前或过程中安装正仲转换器，以确保仲氢含量符合规定要求。而促进这一转换过程的高效进行，则依赖于一系列精心挑选的催化剂，如活性炭、金属氧化物、氢氧化铁（Fe(OH)3）、镍、铬、锰等，它们各自以其独特的催化能力，助力正氢向仲氢的顺利转变。

4 总结

本文首先对氢液化技术的历史演变进行了简明扼要的回顾，随后深入聚焦于大型氢液化（LHL）所采用的关键方法与技术循环，详细阐述了这些技术的核心要点。。相比于其他氢液化循环，氢膨胀 Claude 循环不需要消耗氦气，同时具有安全性高、效率高、能耗低的优势。

航烨能源在氢能及液化技术领域展现出了卓越的贡献。作为行业内的佼佼者，该公司不仅推动了氢液化技术的创新与发展，还成功研发出高效能的大型氢液化装置，显著提升了氢能的储存与运输效率。航烨能源致力于解决氢能应用的瓶颈问题，为清洁能源的普及与可持续发展贡献了重要力量。