CN115325774A - 采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置及其方法，涉及氢气液化领域。相比于常规的单级制冷和单级正仲氢转化，本发明采用三级制冷和三级正仲氢转化完成氢气液化，逐级进行降温和正仲氢转化，将转化热平摊到每一级制冷，减轻了最后一级的制冷负荷。同时，本发明采用降温制冷机和液化制冷机进行双级制冷，使不同温区下制冷机存在不同制冷功率，通过冷量的梯级利用，最大限度地使用制冷机的制冷功率，合理减少制冷机数量。

Description

采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置及其方法
技术领域
本发明涉及氢气液化领域，尤其涉及一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置。
背景技术
氢能作为一种可再生能源，具有零碳排放、多途径制备和应用范围广等优点，是未来能源组成的重要部分。液氢作为一种质量能量密度高、安全性好的能源，逐渐成为我国氢能产业未来发展的重要方向。各大院所已相继以液氢为对象开展研究，但由于大型氢液化装置投资高且液氢运输困难，因此需要设计小型氢气液化装置提供研究所需的液氢，来满足以液氢为工作介质的实验研究。
常温氢气经过降温、冷凝相变、正仲氢转化三个过程后变成液氢，对应着显热、潜热、转化热三种能量的释放。氢气从常温降温到饱和温度时，主要为显热释放；从氢气冷凝为液氢时，主要为潜热释放。常温下氢气为75％正氢和25％仲氢，液氢状态时仲氢含量为99.8％，正仲氢转化过程持续地释放转化热，且转化过程缓慢，故常用催化器促进转化进程。目前，市场上的小型氢气液化装置通常仅在氢气液化温区(20K)设置一级正仲氢转化器，使得正仲氢的显热、液化潜热和转化热集中在20K液氢温区释放。但制冷机的制冷功率一般随温度降低而下降，由此导致小型氢液化装置的制冷效率低、液化量小和投资费用高。另外，由于制冷机的冷头较小，正仲氢催化器在实际工程中存在安装复杂、制造工艺难等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中小型氢气液化装置存在的问题，并提供一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，通过三级正仲氢催化器将转化热平摊到每一级制冷流程，合理利用冷量，避免末级制冷负荷过大，减少制冷机数量，从而达到提高制冷效率，节约成本的目的。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其包括高压氢气瓶和分级制冷转化系统；
所述分级制冷转化系统包括液氮储罐和液氢储罐；液氮储罐内部设有蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器，且储罐内加注有浸没蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器的液氮；所述液氢储罐上设有降温制冷机和液化制冷机，且降温制冷机冷头和液化制冷机冷头均伸入隔热的液氢储罐内部，降温制冷机冷头上布置有降温制冷机冷头换热管和第二段正仲氢转化催化器，每个液化制冷机冷头上布置有液化制冷机冷头换热管和第三段正仲氢转化催化器；
高压氢气瓶通过供氢管路依次连接减压阀、质量流量计和调节阀后进入分级制冷转化系统中，并依次连接蛇形换热器、第一段正仲氢转化催化器、降温制冷机冷头换热管、第二段正仲氢转化催化器、液化制冷机冷头换热管、第三段正仲氢转化催化器和液氢储罐；经减压阀减压后进入分级制冷转化系统的常压氢气，经过蛇形换热器进行第一段冷却，降温至液氮温区后经过第一段正仲氢转化催化器中进行第一段正仲氢转化，再进入降温制冷机冷头换热管中进行第二段冷却，降温至40-50K后通过第二段正仲氢转化催化器中进行第二段正仲氢转化，然后进入液化制冷机冷头换热管中进行第三段冷却，降温至液氢饱和温区后通过第三段正仲氢转化催化器中进行第三段正仲氢转化，最后以液氢状态直接储存于液氢储罐中。
作为优选，液氮储罐上设有液氮的加注管路和排气管路。
作为优选，储存于液氢储罐中的液氢的仲氢含量至少为99.8％。
作为优选，所述降温制冷机冷头换热管和液化制冷机冷头换热管采用盘管、翅片管或脉动热管。
作为优选，所述降温制冷机冷头换热管和液化制冷机冷头换热管优选为环绕于冷头上构成换热接触的盘管形式。
作为优选，所述液氢储罐上设置的液化制冷机有多台，每一台液化制冷机上布置的液化制冷机冷头换热管和第三段正仲氢转化催化器并联接在供氢管路上。
作为优选，所述分级制冷转化系统中在第三段冷却之后，进一步设有一段或多段冷却。
作为优选，所述第二段正仲氢转化催化器(12)和第三段正仲氢转化催化器(15)安装于所在制冷机冷头的下方，并采用绝热布置。
作为优选，所述供氢管路中的氢气压力由减压阀(2)根据目标值进行调整，通过提高氢气压力来提高饱和温度，降低所需的制冷机冷量。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面中任一方案所述小型氢液化装置的正仲氢分段转化方法，其具体如下：
首先，向液氮储罐中加注液氮，确保淹没蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器；然后通过质量流量计和调节阀将供氢管路中的氢气流量调节至设定值，高压氢气瓶中的氢气经过减压阀的减压作用降到微正压后输入分级制冷转化系统中；
在分级制冷转化系统内，氢气首先经过液氮储罐中的蛇形换热器，与液氮发生热量交换，完成第一段冷却，温度降低到77K的液氮温区；经过第一段冷却后的氢气再通过第一段正仲氢转化催化器，实现部分正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由液氮吸收；氢气在液氮储罐中完成第一段冷却和第一段正仲氢转化后，继续通入到液氢储罐中，先通过降温制冷机冷头换热管与降温制冷机冷头进行换热，完成第二段冷却，温度降低至40-50K；经过第二段冷却后的氢气再通过第二段正仲氢转化催化器，实现正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由降温制冷机冷头吸收，以维持氢气温度不上升；氢气在降温制冷机上完成第二段冷却和第二段正仲氢转化后，继续通入到多台并联的液化制冷机，在各液化制冷机上的液化制冷机冷头换热管处与液化制冷机冷头进行换热，完成第三段冷却，温度降低至20K的液氢饱和温区，经过第三段冷却后的氢气再通过第三段正仲氢转化催化器进行正仲氢转化，保证仲氢含量达到99.8％及以上，转化过程释放的转化热由液化制冷机冷头吸收，避免转化过程释放热量导致液氢蒸发；氢气完成液化和正仲氢转化流程后，直接以液氢状态储存在液氢储罐内。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1.相比于常规的单级制冷和单级正仲氢转化，采用三级制冷和三级正仲氢转化完成氢气液化，逐级进行降温和正仲氢转化，将转化热平摊到每一级制冷，减轻了最后一级的制冷负荷。同时，采用双级制冷机，根据不同温区下制冷机存在不同制冷功率，通过冷量的梯级利用，最大限度地使用制冷机的制冷功率，合理减少制冷机数量。
2.相比于全流程采用制冷机冷却，第一段冷却依靠液氮冷却，大幅降低氢气温度，减少了装置制冷机数量，节约成本，且液氮工质方便获得，价格低廉。
3.待液化氢气的压力处于微正压，在不对系统密封性和耐压性有过高要求的同时，可以有效防止外部含氧空气进入氢液化装置内容，显著提升装置的运行安全性。
附图说明
图1是一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置的结构示意图
图中附图标记为：1-高压氢气瓶；2-减压阀；3-质量流量计；4-调节阀；5-液氮储罐；6-蛇形换热器；7-第一段正仲氢转化催化器；8-降温制冷机；9-液化制冷机；10-降温制冷机冷头；11-降温制冷机冷头换热管；12-第二段正仲氢转化催化器；13-液化制冷机冷头；14-液化制冷机冷头换热管；15-第三段正仲氢转化催化器；16-液氢储罐。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
本发明的构思是采用多级制冷和多级正仲氢转化，设置三个制冷点，分别为77K、40-50K和20K，在每个制冷点又布置一级正仲氢转化。通过逐级进行降温和正仲氢转化，利用制冷机不同制冷温区的制冷功率，在温度较高、制冷功率较大时，把大量的显热和转化热释放出来，而在20K液化温区，制冷功率较低时，只释放全部液化潜热和微量的显热、转化热，从而优化制冷效率，实现冷量的梯级利用，合理减少制冷机数量，降低投资费用。
本发明提供了一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，该装置设置有供氢系统和制冷系统。供氢系统将储存的高压氢气经过减压到常压范畴排放到分级制冷转化系统，分级制冷转化系统利用液氮和制冷机完成氢气液化和正仲氢转化过程。
图1示出了本发明优选实施例中的一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置的结构示意图，其采用了三级制冷和三级正仲氢转化来逐步降低氢气温度和实现正仲氢转化。第一段冷却通过在液氮储罐中布置蛇形换热器，使得氢气与液氮发生热量交换，将温度从常温降低到液氮温区。第二段冷却采用在降温制冷机冷头上设置换热管的方式，通过降温制冷机产生的冷量进一步降低氢气温度。第三段冷却也采用在降温制冷机冷头上设置换热管的方式，通过降温制冷机产生的冷量将氢气冷凝为液氢。在第一段冷却蛇形换热器末端、第二段冷却换热管末端和第三段冷却换热管末端分别布置一个正仲氢转化催化器，进行逐级正仲氢转化，从而将转化热平摊到每一级制冷。
下面对图1中所示的采用三级制冷和三级正仲氢转化的小型氢液化装置的具体结构进行详细描述。
本实施例中的供氢系统包括高压氢气瓶1、减压阀2、质量流量计3和调节阀4，高压氢气瓶1通过供氢管路依次连接减压阀2、质量流量计3和调节阀4后进入分级制冷转化系统中。高压氢气瓶1的出口连接供氢管路，供氢管路上依次连接有减压阀2、质量流量计3、调节阀4，供氢管路后端连接至分级制冷转化系统中的蛇形换热器6。高压氢气储存在高压氢气瓶1，经由减压阀2降低到常压。常压氢气通过质量流量计3采集流量参数，利用调节阀4调节气体流量，然后通入制冷系统的蛇形换热器6。
本实施例中的分级制冷转化系统包括液氮储罐5、蛇形换热器6、第一段正仲氢转化催化器7、降温制冷机8、液化制冷机9、降温制冷机冷头10、降温制冷机冷头换热管11、第二段正仲氢转化催化器12、液化制冷机冷头13、液化制冷机冷头换热管14、第三段正仲氢转化催化器15和液氢储罐16。其中，蛇形换热器6和第一段正仲氢转化催化器7设置于液氮储罐5内部，且储罐内加注有浸没蛇形换热器6和第一段正仲氢转化催化器7的液氮；降温制冷机8和液化制冷机9设置于液氢储罐16上，且降温制冷机冷头10和液化制冷机冷头13均伸入隔热的液氢储罐16内部，降温制冷机冷头10上布置有降温制冷机冷头换热管11和第二段正仲氢转化催化器12，每个液化制冷机冷头13上布置有液化制冷机冷头换热管14和第三段正仲氢转化催化器15。
为了便于对液氮储罐5进行液氮加注，在液氮储罐5上可设有液氮的加注管路。同时，由于液氮储罐5内的液氮会受热汽化，为了防止内部气压过大，可在液氮储罐5的顶部设置排气管路。
供氢系统中调节阀4后端的供氢管路进入分级制冷转化系统后，依次连接蛇形换热器6、第一段正仲氢转化催化器7、降温制冷机冷头换热管11、第二段正仲氢转化催化器12、液化制冷机冷头换热管14、第三段正仲氢转化催化器15和液氢储罐16。经减压阀2减压后进入分级制冷转化系统的常压氢气，经过蛇形换热器6进行第一段冷却，降温至液氮温区后经过第一段正仲氢转化催化器7中进行第一段正仲氢转化，再进入降温制冷机冷头换热管11中进行第二段冷却，降温至40-50K后通过第二段正仲氢转化催化器12中进行第二段正仲氢转化，然后进入液化制冷机冷头换热管14中进行第三段冷却，降温至液氢饱和温区后通过第三段正仲氢转化催化器15中进行第三段正仲氢转化，最后以液氢状态直接储存于液氢储罐16中。优选的，储存于液氢储罐16中的液氢的仲氢含量至少为99.8％。
在发明中，降温制冷机冷头换热管11和液化制冷机冷头换热管14可采用盘管、翅片管或脉动热管等换热管形式，只要能够满足与制冷机冷头之间的换热效率满足要求即可。本实施例中，降温制冷机冷头换热管11和液化制冷机冷头换热管14优选为环绕于冷头上构成换热接触的盘管形式。降温制冷机冷头盘管和液化制冷机冷头盘管均可通过缠绕的方式布置在冷头上，尽可能提高换热面积。
另外，在本发明中，第一段正仲氢转化催化器7、第二段正仲氢转化催化器12、第三段正仲氢转化催化器15也安装在降温制冷机冷头10或液化制冷机冷头13上，其目的是为了利用制冷机冷头吸收正仲氢转化过程中产生的转化热，防止氢气或液氢升温。
另外，由于液化制冷机9的制冷温度在液氢饱和温区，制冷量较小，需要多台制冷机并联完成三级制冷。因此，液氢储罐16上设置的液化制冷机9有多台，每一台液化制冷机9上均布置有液化制冷机冷头换热管14和第三段正仲氢转化催化器15。本实施例的附图1中展示了四台液化制冷机9，四台液化制冷机9上布置的四组液化制冷机冷头换热管14和第三段正仲氢转化催化器15需要并联接在供氢管路上，即供氢管路分出四条支路分别流经四组液化制冷机冷头换热管14和第三段正仲氢转化催化器15。当然，具体布置的液化制冷机9台数可以根据实际需要进行设置，对此不作限定。
由此可见，本发明的上述实施例中采用了三段冷却和三段正仲氢转化。第一段冷却和正仲氢转化由液氮储罐5、蛇形换热器6和第一段正仲氢转化催化器7完成。第二段冷却和正仲氢转化由降温制冷机8、降温制冷机冷头10、降温制冷机冷头换热管11和第二段正仲氢转化催化器12完成。第三段冷却和正仲氢转化由液化制冷机9、液化制冷机冷头13、液化制冷机冷头换热管14和第三段正仲氢转化催化器15完成。
需要说明的是，本发明中的第一段正仲氢转化催化器7、第二段正仲氢转化催化器12和第三段正仲氢转化催化器15均可采用常规的正仲氢转化催化器形式，以满足催化效率为准。本实施例中，可通过将正仲氢催化剂填充到管内来实现正仲氢转化。
需要说明的是，虽然本发明的上述实施例中采用了三段冷却，但事实上在其他实施例中，亦可根据实际氢气液化流量，在第三段冷却之后进一步设置一段或多段。例如可冷却扩展到四级制冷或五级制冷，即在第三段冷却流程后添加第四段冷却和第五段冷却。扩展的每一段冷却的具体冷却设备形式可与第三段冷却类似，即采用液化制冷机9来实现。
需要注意的是，本发明的小型氢液化装置在实际使用前，液氮储罐5需提前加注液氮，确保淹没蛇形换热器6和第一段正仲氢转化催化器7。另外，由于在第三段正仲氢转化完成后，液氢是直接存储在液氢储罐16中的，因此液氢储罐16需提前利用氢气完成气体置换，以便于直接储存液氢。
在本发明的另一较佳实施例中，进一步提供了利用上述小型氢液化装置的正仲氢分段转化方法，其具体做法如下：
首先，向液氮储罐5中加注液氮，确保淹没蛇形换热器6和第一段正仲氢转化催化器7；然后通过质量流量计3和调节阀4将供氢管路中的氢气流量调节至设定值，高压氢气瓶1中的氢气经过减压阀2的减压作用降到微正压后输入分级制冷转化系统中。
在分级制冷转化系统内，氢气的冷却和转化流程如下：
1)第一段冷却和正仲氢转化：
氢气首先经过液氮储罐5中的蛇形换热器6，与液氮发生热量交换，完成第一段冷却，温度降低到77K的液氮温区；经过第一段冷却后的氢气再通过第一段正仲氢转化催化器7，实现部分正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由液氮吸收，实现等温转化。由此，即完成了第一段正仲氢转化过程，又将氢气维持在液氮温区。
2)第二段冷却和正仲氢转化：
氢气在液氮储罐5中完成第一段冷却和第一段正仲氢转化后，继续通入到液氢储罐16中，先通过降温制冷机冷头换热管11与降温制冷机冷头10进行换热，完成第二段冷却，温度降低至40-50K；经过第二段冷却后的氢气再通过第二段正仲氢转化催化器12，实现正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由降温制冷机冷头10吸收，以维持氢气温度不上升，实现等温转化。
3)第三段冷却和正仲氢转化：
氢气在降温制冷机8上完成第二段冷却和第二段正仲氢转化后，继续通入到多台并联的液化制冷机9，在各液化制冷机9上的液化制冷机冷头换热管14处与液化制冷机冷头13进行换热，完成第三段冷却，温度降低至20K的液氢饱和温区，经过第三段冷却后的氢气再通过第三段正仲氢转化催化器15进行正仲氢转化，保证仲氢含量达到99.8％及以上，转化过程释放的转化热由液化制冷机冷头13吸收，避免转化过程释放热量导致液氢蒸发，实现等温转化。
4)液氢存储：
氢气完成液化和正仲氢转化流程后，直接以液氢状态储存在液氢储罐16内。
另外，上述实施例中，第二段正仲氢转化催化器12和第三段正仲氢转化催化器15均安装在制冷机冷头上，正仲氢转化热直接被制冷机带走，正仲氢实现等温转化，热力学效率较高。但是，由于制冷机冷头较小，这种做法也会增加正仲氢催化器的安装和制造难度。为解决上述问题，在本发明的另一实施例中，可以采用绝热转化流程，即将第二段正仲氢转化催化器12和第三段正仲氢转化催化器15的安装位置进行前移，使其安装于所在制冷机冷头的下方，而不是安装在冷头上，且每个正仲氢转化催化器外部均通过包裹绝热材料实现绝热布置。在这种做法下，原本的等温转化可以转变为等熵转化，虽然热力学效率会适当减小，但安装和制造难度也会大幅降低。
需注意的是，上述实施例中，为了保证氢气具有足够的压差以便于顺利流入后续的管道，减压阀2降压后的常压氢气保持微正压为宜。但在实际应用时，供氢管路中的氢气压力可由减压阀2根据目标值进行调整，亦可提高管道内输送的氢气压力，即降低减压阀对高压氢气的减压幅度，提高氢气压力可以提高饱和温度，降低所需的制冷机冷量，但对设备的密封性和耐压性要求也会提升。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，包括高压氢气瓶(1)和分级制冷转化系统；
所述分级制冷转化系统包括液氮储罐(5)和液氢储罐(16)；液氮储罐(5)内部设有蛇形换热器(6)和第一段正仲氢转化催化器(7)，且储罐内加注有浸没蛇形换热器(6)和第一段正仲氢转化催化器(7)的液氮；所述液氢储罐(16)上设有降温制冷机(8)和液化制冷机(9)，且降温制冷机冷头(10)和液化制冷机冷头(13)均伸入隔热的液氢储罐(16)内部，降温制冷机冷头(10)上布置有降温制冷机冷头换热管(11)和第二段正仲氢转化催化器(12)，每个液化制冷机冷头(13)上布置有液化制冷机冷头换热管(14)和第三段正仲氢转化催化器(15)；
高压氢气瓶(1)通过供氢管路依次连接减压阀(2)、质量流量计(3)和调节阀(4)后进入分级制冷转化系统中，并依次连接蛇形换热器(6)、第一段正仲氢转化催化器(7)、降温制冷机冷头换热管(11)、第二段正仲氢转化催化器(12)、液化制冷机冷头换热管(14)、第三段正仲氢转化催化器(15)和液氢储罐(16)；经减压阀(2)减压后进入分级制冷转化系统的常压氢气，经过蛇形换热器(6)进行第一段冷却，降温至液氮温区后经过第一段正仲氢转化催化器(7)中进行第一段正仲氢转化，再进入降温制冷机冷头换热管(11)中进行第二段冷却，降温至40-50K后通过第二段正仲氢转化催化器(12)中进行第二段正仲氢转化，然后进入液化制冷机冷头换热管(14)中进行第三段冷却，降温至液氢饱和温区后通过第三段正仲氢转化催化器(15)中进行第三段正仲氢转化，最后以液氢状态直接储存于液氢储罐(16)中。
2.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，液氮储罐(5)上设有液氮的加注管路和排气管路。
3.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，储存于液氢储罐(16)中的液氢的仲氢含量至少为99.8％。
4.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述降温制冷机冷头换热管(11)和液化制冷机冷头换热管(14)采用盘管、翅片管或脉动热管。
5.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述降温制冷机冷头换热管(11)和液化制冷机冷头换热管(14)优选为环绕于冷头上构成换热接触的盘管形式。
6.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述液氢储罐(16)上设置的液化制冷机(9)有多台，每一台液化制冷机(9)上布置的液化制冷机冷头换热管(14)和第三段正仲氢转化催化器(15)并联接在供氢管路上。
7.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述分级制冷转化系统中在第三段冷却之后，进一步设有一段或多段冷却。
8.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述第二段正仲氢转化催化器(12)和第三段正仲氢转化催化器(15)安装于所在制冷机冷头的下方，并采用绝热布置。
9.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述供氢管路中的氢气压力由减压阀(2)根据目标值进行调整，通过提高氢气压力来提高饱和温度，降低所需的制冷机冷量。
10.一种利用如权利要求1～7任一所述小型氢液化装置的正仲氢分段转化方法，其特征在于，
首先，向液氮储罐(5)中加注液氮，确保淹没蛇形换热器(6)和第一段正仲氢转化催化器(7)；然后通过质量流量计(3)和调节阀(4)将供氢管路中的氢气流量调节至设定值，高压氢气瓶(1)中的氢气经过减压阀(2)的减压作用降到微正压后输入分级制冷转化系统中；
在分级制冷转化系统内，氢气首先经过液氮储罐(5)中的蛇形换热器(6)，与液氮发生热量交换，完成第一段冷却，温度降低到77K的液氮温区；经过第一段冷却后的氢气再通过第一段正仲氢转化催化器(7)，实现部分正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由液氮吸收；氢气在液氮储罐(5)中完成第一段冷却和第一段正仲氢转化后，继续通入到液氢储罐(16)中，先通过降温制冷机冷头换热管(11)与降温制冷机冷头(10)进行换热，完成第二段冷却，温度降低至40-50K；经过第二段冷却后的氢气再通过第二段正仲氢转化催化器(12)，实现正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由降温制冷机冷头(10)吸收，以维持氢气温度不上升；氢气在降温制冷机(8)上完成第二段冷却和第二段正仲氢转化后，继续通入到多台并联的液化制冷机(9)，在各液化制冷机(9)上的液化制冷机冷头换热管(14)处与液化制冷机冷头(13)进行换热，完成第三段冷却，温度降低至20K的液氢饱和温区，经过第三段冷却后的氢气再通过第三段正仲氢转化催化器(15)进行正仲氢转化，保证仲氢含量达到99.8％及以上，转化过程释放的转化热由液化制冷机冷头(13)吸收，避免转化过程释放热量导致液氢蒸发；氢气完成液化和正仲氢转化流程后，直接以液氢状态储存在液氢储罐(16)内。
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