天聚娱乐平台-首选网站要介绍氢气液化的工艺，先要解决的一个问题。我们知道物体温度越低，所含能量越低，要使物质升温就要外部加热，所以升温是一个吸热过程。将氢气液化是降温的过程，是一个放热过程，那为什么还要消耗能量，而且能耗还不低。

　　关于这一点，可以简单类比一下冰箱。冰箱也是制冷设备，压缩机将冷媒冷却，冷媒再通过换热器与冰箱内的空气换热，从而将冷藏、冷冻室冷却。这个过程中冰箱内部降温，热量被排出。这些热量无法有效的收集再利用，被散发到了周围的环境。而在制冷过程中压缩机需要消耗电能做功，冰箱的控制电路，照明等也会消耗一小部分能量，这些能量转化为热能，也被散发到周围环境了。因此，尽管整个制冷过程冰箱内部温度下降，内能减少了，但是这些能量最终也转化为热能被散发了。

　　氢气液化虽然工艺可能更加复杂，但也是一样的道理。氢气被冷却液化是发热过程，但是多余的热量被散发到周围环境了，无法收集再利用*。而制氢过程中很多步骤的设备都需要做功，比如Claude Process中的膨胀机，会消耗大量的电能。所以液氢工厂的一大成本就是电费。

　　*这些能量必须及时有效的移除，否则会有严重的安全问题，后续液氢安全的专题文章会有介绍。

　　Hampson–Linde Process是最基本也是最简单的氢气液化方法。基本原理就是上篇文章介绍的焦耳-汤姆孙（J-T）效应。J-T系数为正时，气体在真空中自由膨胀，压力下降，温度也随之下降。但是由于氢气在1Bar的常压下逆变温度为200K（-73°C），远低于常温，即在常温下J-T系数为负，气体在真空中扩散，温度是上升的。在常压下必须先将温度降至200K以下，才能实现正系数的J-T膨胀。由于逆变温度与压力相关（参考上篇文章中的逆变温度曲线），通常会对氢气进行压缩。

　　所以Hampson–Linde Process需要分为两步，先将氢气预冷，再通过J-T膨胀进一步冷却并液化。

　　氢气预冷一般是通过液氮由热交换器来实现的(液氮的沸点是77K/-195°C）。经过几个循环的热交换，氢气被充分冷却至低于逆变温度后再通过膨胀阀（节流阀）实现等焓J-T膨胀，最终将氢气液化。J-T膨胀将一部分氢气液化，未被液化的氢气返回前面的冷却环节与气化氢气混合循环使用。

　　尽管Hampson–Linde Process原理简单和可靠，但是效率不高，整个流程处理复杂。所以目前工业界会倾向于采用其他效率更高的氢气液化过程。

　　为了提高效率，大型的液氢工厂普遍采用Claude Process。Claude Process通过引入膨胀机(Expansion machine)可以在J-T膨胀（与Hampson–Linde Process第二阶段相同）之前获得更低的温度，从而提高转换效率。由于氢气预冷可以通过膨胀机的制冷功能实现，理论上甚至可以不使用液氮，但是研究表明通过液氮提供辅组冷却可以进一步提高效率。

　　Claude Process的基本过程如下图所示，氢气经压缩后通过几级热交换器预冷，膨胀机安装于热交换机之间。一部分压缩氢气进入膨胀机进行冷却，冷却后的氢气于J-T膨胀后未被液化的冷却氢气混合，再通过热交换器对剩余部分(未进入膨胀机的)压缩氢气进行冷却。通过级联热交换器充分预冷的氢气进入节流阀，通过正系数的J-T膨胀实现氢气的进一步冷却及最终的冷凝。理论上膨胀机也可以直接实现氢气的冷凝，但是实际应用时冷凝的液体可能会损坏膨胀机，所以还是要通过J-T膨胀来实现最终的氢气液化。

　　Collins Process最初应用于氦气液化，由Claude Process变化而来，采用了两级不同工作温度的绝热膨胀机。

　　Brayton循环是一种热力学循环，是喷气发动机和电厂的燃气轮机的工作原理。通过使用氦气作为制冷剂，Brayton循环也可以用于液氢的生产，由于氦气的液化温度要低于氢气，可以先将氦气冷却至低于氢气的液化温度，再通过换热器将氢气冷却并液化。氢气可以通过液氮预冷以减少压缩机做功。

　　Helium Brayton Cycle的好处是氢气的工作压力相对较低，一方面压缩机的尺寸（氢气压缩机，非Brayton 制冷循环的氦气压缩机）可以缩小，氢气管路的管壁相对也不需要太厚，另一方面也更加安全可靠。

　　Helium Brayton Cycle目前主要应用于实验室规模的制氢，还没有应用于大型的商业制氢工厂。

　　磁制冷系统的原理是利用磁制冷材料在施加或移除磁场时的熵差（entropy difference）和绝热温度变化。目前这一技术应用于氢气液化还处于研发阶段，核心的问题是找到合适的磁制冷材料，即适用于氢液化所需的整个温度范围(20-300K，或者至少是20-77 K，达到液氮的沸点)的磁制冷材料。

　　磁制冷系统是一个逆卡洛循环(Carnot cycle)，包括四个连续的步骤：

　　磁制冷系统应用于氢气液化的潜在优势是更紧凑的设计，更长的使用年限，更低的投资，更高的效率（理论上可以达到26MJ/kg）。

　　如上篇文章所述，将常温氢气液化要移除三部分的热量，一是将常温氢气冷却至沸点散发的热量，二是氢气冷凝液化所释放的热量，三是正-仲氢转化所释放的热量。

　　常温常压下的常态氢气（Normal Hydrogen）中含有75%的正氢和25%的仲氢，在氢气液化过程中要尽可能将正氢全部转化为仲氢。因为仲氢更不活跃，所含能量更低，如果正氢不能全部转化为仲氢，在存储过程中正氢在低温状态下会自发的缓慢转化为仲氢，转化过程中释放的热量可能使部分液氢气化，造成液氢储罐过压而出现破裂风险。

　　因此上面介绍的各种的氢气液化工艺都需要加入正-仲氢转化环节。而自发的正仲氢转化是比较缓慢的过程，通常需要几天的时间，液氢工厂一般采用催化剂加速这一过程。

　　以Helium Brayton Cycle为例看一下正-仲氢转化如何加入整体工艺。以下示意图中两个不同工作温度的正-仲氢转化反应器(CV1和CV2)被安装与Brayton Cycle的不同阶段。

　　（a）采用液氮预冷的Helium Brayton循环，CV1被安装于第一级热交换器，工作与液氮的等温条件。正仲转化的热量被液氮带走。CV2被安装与液氢的等温条件。

　　（b）两级Helium Brayton循环，CV1被安装于一二级换热器之间的绝热条件，正仲转化的热量会使氢气温度升高。CV2被安装与液氢的等温条件。

　　液氢工厂的主要功能是将氢气液化，暂时存储，并通过液氢拖车配送至用氢终端，比如使用氢气作为原料或燃料的航天发射基地，化工厂，钢铁，水泥，玻璃等行业的工业设施。

　　一间液氢工厂包括净化（Purification），液化（Liquefaction），液氢的暂时存储（LH2 Storage），以及液氢拖车的加注设施(Filling Station)等环节。通过化石燃料重整制氢或风光水利等可再生能源电解制氢的氢气生产，以及液氢拖车运输，不在液氢工厂范围。

　　由于目前的主要制氢方式仍然是通过化石能源重整，氢气的生产比较集中，液氢工厂往往设立在重整制氢工厂附近，氢气通过工业管道传输至液氢工厂。

　　未来的趋势是通过分布式的可再生能源制氢，是将分散的氢气收集至大型液氢工厂集中液化，还是氢气液化设施逐渐小型化，分散至分布式的可再生能源制氢基地还有待观察。

　　这一阶段的文章主题是液氢，原计划用三到四篇文章覆盖液氢的特性，生产，储运，应用和安全，结果液氢生产的内容越写越多，写到4千字的时候为了读者阅读方便拆成了两篇，这一篇拆出来的文章写着写着又超过4千字了，还是先打住吧。等春节放松一下再继续。在此也预祝知友们春节愉快。

　　不限液氢的氢能工业的整体概览，包括制氢，储氢，运氢和用氢各环节的介绍可以参考本专栏之七至十这四篇文章。