氢的液化是利用低温深冷技术，将压缩后的氢气降温至-252.8℃，使其成为液态产品，并存储于特制的绝热容器中。目前工业中常用的氢液化工艺主要基于Claude循环（氢制冷）和逆Brayton循环（氦制冷），前者适用于产能大于5吨/天的液氢生产，后者适用于产能不超过5吨/天的液氢生产。二者的工艺流程均可概括为：
氢气常温预压缩—液氮或混合工质预冷至80K—氢/氦膨胀制冷降温至30K—通过节流膨胀冷却至20K并实现液化
，此外还需添加催化剂以实现正仲氢转化。预压缩环节和末级制冷环节分别需要使用氢/氦压缩机和氢/氦透平膨胀机，均为氢液化装置的核心设备。
目前，全球液氢产能接近500吨/天，其中北美地区占比约80%以上，而中国液氢产能仅约6吨/天，主要应用于航天领域。从国际经验看，液氢适合远洋和城际间运输场景，
预计未来中国西部到东部超长距离采用管道气氢运输，节点城市间采用液氢储运，城市内部的加氢站等需求采用管束车气氢运输
。
以30吨/天的液氢产线为例，液化成本12.5元/kgLH2，其中资本性成本和能耗成本分别占比40%和48%。未来国内氢液化实现产业化亟需降低液化成本，关键在于：
①降低氢液化的单位能耗。
当前实际运行的氢液化系统的单位能耗约为10-20kW·h/kgLH2，预计未来单位氢液化装置产能增长至100吨/天后，比能耗可降至10kW·h/kgLH2以下。
②掌握膨胀机等核心设备。
膨胀机技术壁垒高，国外对中国实行禁运，国内技术尚不成熟。
液氢是储运技术的下一个突破口，国内外企业正加速液氢布局，需关注液氢产业链核心：
①氢液化系统设计。
对氢液化流程进行优化有利于降低能耗。国外龙头如Air Products、Linde、法液空及俄罗斯深冷机械公司，国内的中科富海、中泰股份、国富氢能等企业都具备氢液化系统设计能力。
②低温透平膨胀机。
作为低温制冷系统中最核心的设备，随着液氢产能扩大，将从现有氦透平膨胀机向氢透平膨胀机转变。国内研发起步较晚，仅北京航天六院101所、中科富海和国富氢能等少数企业或机构可生产相关产品。
③压缩机。
主要为氢气/氦气压缩机，对前端氢气或氦气加压以达到后端膨胀机制冷的要求。国外供应商包括西门子能源、阿特拉斯等，国内供应商包括冰轮环境、雪人股份、沈鼓集团、陕鼓动力等。
本期作者：鲍雁辛、肖洁、陈磊
感谢支持，后台留言可加入产业研究交流群！
1. 工业级氢液化流程方法：Claude循环（＞5吨/天）及逆Brayton循环（≤5吨/天）
氢气在常温常压下以气体形式存在，氢液化是利用低温深冷技术，将高压氢气降温至沸点20.3K（-252.8℃），使其成为液态产品，并将其存储在特制的绝热容器中。目前，常用的氢液化基本工艺可以分为利用Joule-Thompson效应节流膨胀的简易Linde-Hampson法，以及在此基础上结合透平膨胀机降温的绝热膨胀法，后者根据降温介质的不同，又可分为
逆布雷顿法（氢制冷）和克劳德法（氦制冷）
。
Linde-Hampson法先通过77K（-196℃）的液氮由热交换器对压缩氢气进行预冷，充分冷却的氢气通过节流阀实现等焓膨胀，其中一部分氢气降温冷凝为液氢，进入液氢储罐，未被液化的氢气则返回冷却环节，再次进行节流膨胀，如此循环往复，直至成为液氢。
该方法在工业上最早采用，但能源利用效率和氢气液化率较低，单位能耗高，目前仅适用于实验室级别的小规模液氢制取。
逆布雷顿法在前述工艺流程的基础上，引入了氦气透平膨胀机。
作为制冷介质，高压氦气经液氮预冷后，通过多级透平膨胀机膨胀降温至20K左右，然后通过换热器将高压氢气冷却到沸点以下，得到液氢。在实际生产过程中，该方法一般用于产能≤5吨/天的氢液化装置。
克劳德法流程与逆布雷顿法相似。取一部分高压氢气经氢气透平膨胀机膨胀降温，成为制冷介质，通过换热器向其余高压氢气提供冷量，后者经节流膨胀得到液氢。该方法生产液氢的单位能耗最低，能源利用效率最高，经济效益优，适用于产能超过5吨/天的液氢生产。
当前世界上在用的大型氢液化装置均以液氮预冷的Claude循环为基础。
在氢气液化的过程中，需要特别添加正仲氢转化环节。
由于构成氢分子的两个原子核存在自旋，旋转方向一致的氢分子为正氢，反之为仲氢。常温平衡态的正常氢中正氢、仲氢含量分别为75%和25%，而在液氢沸点温度的平衡态中，正、仲氢含量分别为0.2%和99.8%。在氢降温液化的过程中，正氢会自发转化为仲氢，并释放热量，该过程非常缓慢，但释放的热量足以使液氢产品蒸发而无法稳定存储。
因此，在氢液化流程中需要使用催化剂（如水合氧化铁等）加速氢的正-仲转化
，以保证最终得到正仲氢含量合格的平衡态液氢产品，实现液氢的长时间稳定储存。
目前，全球液氢产能接近500吨/天，其中北美地区占比约80%以上。
截至2021年底，美国本土已有18座液氢工厂，总产能达326吨/天，居全球首位。
中国共有5套液氢生产装置，产能仅约6吨/天。
目前国内最大的氢液化装置产能为2.5吨/天，位于海南文昌。
氢液化技术是伴随着航天领域对液氢的需求而发展起来的，之后逐渐走向民用商业化。
在美国，液氢除了用于航天领域之外，广泛应用于电子、冶金、石油化工、燃料电池等领域
；目前中国生产的液氢仅用于航天领域，民用方面刚刚起步。
2.1. 从国际经验看，液氢适合远洋和城际间运输场景
美国地广厂稀，高压气态氢气储运性价比较低，对液氢需求较高。
美国是目前为止全球最大、最成熟的液氢生产和应用基地，液氢工厂分布较为分散，且产能全部为5吨/天以上的中大规模，其中10-30吨/天的产能占据主流。美国对液氢的存储和使用有规范的标准和法规，液氢运输成本已降至高压氢气的八分之一左右，液氢产业链发展完备。
液氢同样适合于国际间的远洋运输，往往从风电光伏资源丰富地区对氢气液化后运往氢气需求地：
①澳大利亚→日本，2022年初，澳大利亚成功将液化后的煤制氢通过液氢船运输至日本，实现世界上第一批液氢出口。②智利→荷兰。智利太阳能和风能资源丰富，已于2021年初和荷兰鹿特丹港签署框架协议，未来将向荷兰乃至整个欧洲出口绿氢。③沙特阿拉伯→荷兰，沙特作为太阳能资源大国，利用国内光伏发电生产绿氢，也计划通过液氢船将液氢运输至鹿特丹港，从而向欧洲出口。
中国的风光资源位于西北的内蒙、新疆等地区，未来将是绿氢的重要生产基地；东部大规模的化工、钢厂以及燃料电池汽车等将成为绿氢的主要需求方。
预计未来中国西部到东部超长距离采用管道气氢运输，节点城市间采用液氢储运，城市内部的加氢站等需求采用管束车气氢运输。
2.2. 氢液化产业化两大攻克方向：①降低单位能耗②掌握膨胀机等核心设备
以30吨/天的液氢产能为例，氢气源按照工业副产氢纯化满足燃料电池用氢质量标准的氢气计算，成本为1.5元/m³，电力成本按照0.6元/kw·h估算，液氢生产成本估算为29.5元/kg。
其中，液化成本12.5元/kg，主要由能耗成本和设备投资构成：
①降低氢液化的单位能耗。
比能耗是影响氢液化成本的关键因素，当前实际运行的氢液化系统的比能耗基本在10-20kW·h/kgLH2。不同的液氢制备方法，其比能耗不同，同时液氢的制备规模也会影响比能耗大小，规模越大，比能耗越低。以国内的海南文昌2.5吨/天（逆布雷顿法）的液氢工厂为例，其比能耗为15-20kW·h/kgLH2，若产能提升到5吨/天，则比能耗可降至13kW·h/kgLH2。目前，全球比能耗最低的液氢装置位于美国，
单位能耗为11.5kW·h/kgLH2，2018年建成投产，产能为27吨/天，采用液氮预冷氢克劳德循环。
预计未来单位氢液化装置产能增长至100吨/天后，比能耗有望降至10kW·h/kgLH2以下。
②掌握膨胀机等核心设备。
氢液化系统由系统设计、压缩机、膨胀机、催化剂等构成。其中，膨胀机的技术壁垒最高，且国外龙头对中国禁运，国内企业仅中科富海、国富氢能实现自主制造，但尚不成熟。氢液化系统设备的国产化和规模化是未来降低液氢成本的关键。
目前，国内外的液氢工厂普遍采用Claude循环（产能＞5吨/天）或逆Brayton循环（产能≤5吨/天），其主要流程包括四个步骤：
氢气常温预压缩—液氮或混合工质预冷至80K—氢/氦膨胀制冷降温至30K—通过节流膨胀冷却至20K并实现液化。
其中，预压缩环节和膨胀制冷环节分别需要使用氢气/氦气压缩机、氢气/氦气透平膨胀机，为氢液化装置的核心设备。
