2024年全球二氧化碳排放量为416亿吨，其中与能源相关的二氧化碳排放量为374亿吨，占总碳排放量的90%[1]。传统煤炭、石油和天然气的使用是能源相关碳排放的主要来源[2]。氢气被视为化石燃料的清洁能源替代品[3]。此外，随着光伏和风能等可再生能源发电量的持续增长[4]，未来绿色氢气的生产量必将显著增加。
液氢（LH2）具有高能量密度和低储存压力等显著优势[5]。此外，在大规模储存和运输方面，其成本效益也非常突出[6]。然而，氢液化过程（HLP）消耗大量电力，具体能耗（SEC）通常达到12.3至13.4 kWh/kg甚至更高[7]。这一问题已成为大规模LH2发展的关键瓶颈。
为了降低LH2的SEC，使用额外的冷能是最有效的方法，例如液氮和液化天然气（LNG）。Yin等人采用遗传算法对系统进行了多参数优化，以液氮预冷为目标函数，优化后的SEC为7.1329 kWh/kg[8]。Song等人提出了一种基于氦气膨胀循环的低温超临界氢气生产新冷却工艺，并采用液氮预冷，SEC为5.432 kWh/kg[9]。然而，液氮的成本相对较高[10]，使得使用液氮的氢液化系统的经济可行性较差。
与液氮相比，LNG冷能的成本几乎可以忽略不计。LNG的密度约为气态天然气的600倍[11]。因此，LNG非常适合跨海洋的大规模运输。在全球LNG贸易中，天然气在出口地区被转化为LNG，然后运输到进口地区的LNG接收站[12]。传统的再气化方法使用海水来蒸发LNG，导致830 kJ/kg的冷能浪费[13]。根据国际天然气联盟《2025年全球LNG报告》的数据，2024年全球LNG贸易量达到了4.1124亿吨[14]。因此，利用LNG冷能的HLP具有很大的前景。
目前利用LNG冷能进行氢液化的研究情况和进展如下：Li等人利用粒子群优化算法对HLP进行了优化，通过LNG预冷将氢气温度降至113.2 K，结果显示SEC为6.937 kWh/kg LH2[15]。这项工作证明了算法驱动的配置优化在提高能源效率方面的可行性，尽管与最近的研究相比SEC仍然较高，这主要是由于制冷剂进入压缩机前的温度较高以及压缩机的高能耗所致。Zheng等人提出了一种结合双级有机朗肯循环和强化深度冷却液化循环的系统，经过LNG预冷后氢气温度达到178.9 K，SEC为6.67 kWh/kg[16]。Zhang等人引入了一种基于混合制冷剂布雷顿制冷循环的HLP，利用LNG冷能将氢气预冷至125.2 K，结果显示SEC为4.15 kWh/kg[17]，这表明使用LNG冷能的氢液化系统在降低能耗方面具有优势。Kim等人评估了三种配置的日产量为300吨的氢气生产装置，包括不集成LNG的情况、间接利用LNG冷能的情况以及直接利用LNG冷能的情况[18]，结果表明最后一种配置的SEC最低，为7.78 kWh/kg。Bae等人将LNG冷能引入氢液化过程，并利用蒸发后的LNG进行氢气生产，通过多目标优化减少了碳排放，将SEC降至10.76 kWh/kg[19]。
然而，仍存在一些研究空白：（1）在氢液化系统中，LNG冷能仅用于氢气预冷，而制冷剂并未使用LNG冷能，这导致了两个问题：制冷剂在高温下被压缩，导致压缩机需要更高的电力；制冷剂未使用LNG冷能预冷，难以达到更低的温度。（2）这些氢液化系统通常需要四个以上的冷却阶段才能实现氢液化，导致系统配置复杂且资本成本较高。
为填补上述研究空白，本文提出了一种创新的氢液化系统，该系统利用LNG冷能为氢气和制冷剂（氦气）进行预冷。与传统仅使用LNG冷能冷却氢气的系统相比，本文展示了这些新颖性和优势：
(1)提出了一种新的节能氢液化系统，利用LNG冷能预冷氦气，使其能够在低温下被压缩，从而降低了压缩机的电力消耗。
(2)该系统使氦气更容易达到较低的温度，简化了氢液化过程，并降低了设备投资成本。
