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针对氢气液化系统效率低、成本高的问题，研究人员提出两种基于 Claude 循环的新型系统，通过增加膨胀机等优化，经 3E 分析显示其性能更优，COP 和火用效率显著提升，液化成本大幅降低，为氢能储运技术发展提供重要参考。
氢气作为一种清洁可再生燃料，正受到全球广泛关注，然而其低密度特性带来了运输难题，储存也需大型储罐，因此液化成为解决这些问题的关键手段。但现有氢气液化系统存在效率低、能耗高、成本昂贵等问题，严重制约了氢能的规模化应用。为突破这一瓶颈，研究人员聚焦传统 Claude 液化系统的优化升级，开展了新型液化系统的研发与分析工作，相关成果发表在《Results in Engineering》。
研究人员提出了两种基于传统 Claude 循环的新型氢气液化系统。与传统系统仅在液化换热器间使用一个膨胀机不同，第一种系统新增了两个膨胀机，分别用于压缩机出口萃取流（初始液化换热器前）和第一个膨胀阀前；第二种系统则在第一种系统基础上，利用压缩机出口流的热能发电，进一步降低整体能耗。通过能量、火用及火用经济分析（3E 分析），并与传统 Claude 系统对比，评估新型系统的性能与经济性。
研究采用的关键技术方法包括：基于工程方程求解器（EES）软件进行系统模拟；通过能量平衡方程、火用平衡方程及火用经济成本平衡方程，对系统各组件（压缩机、膨胀机、换热器等）进行热力学与经济性分析；结合参数分析，探究不同压缩机压比下系统的性能表现；同时考虑氢的正 - 仲氢转化过程，采用连续转化方法以减少能耗损失。
研究结果
- 系统设计与创新点：两种新型系统均通过增加膨胀机提升性能。第一种系统新增两个膨胀机，利用膨胀过程降低流体温度并回收能量；第二种系统引入有机朗肯循环（ORC），利用压缩机间冷器的热能发电，减少外部能源输入。
- 性能提升显著：能量分析显示，两种新型系统的性能系数（COP）和火用效率远超传统 Claude 系统，分别提升 86% 和 100%；参数分析表明，在所有压缩机压比下，新型系统的性能均优于传统系统。
- 经济性优势突出：火用经济分析表明，两种新型系统的液化成本率分别比传统系统降低 46.32% 和 49.13%，显著提升了氢能液化的经济可行性。
该研究通过优化系统结构与能量利用方式，成功解决了传统 Claude 液化系统效率低、成本高的核心问题。新型系统不仅在热力学性能上实现了质的飞跃，还大幅降低了液化成本，为氢能的高效储运提供了切实可行的技术方案。这一成果推动了氢能产业链关键环节的技术进步，对加速氢能替代传统化石燃料、实现能源结构转型具有重要意义，也为后续低温液化系统的设计与优化提供了宝贵的理论与实践参考。
