一般に、気体の温度を低くしていくと、臨界温度に達して液化します。
臨界温度が最も低い気体は「ヘリウムガス」です。
次に低い気体が「水素ガス」です。
「水素ガス」の臨界温度は-253℃です。
液化した状態の水素を断熱性能の優れた容器に保存したものが「液体水素」です。
将来、「水素社会」となると、都市ガスが「水素ガス」に置き換わるでしょう。
水素ガスの供給網は、現在の都市ガスでの「地中配管方式」に代わって、「空中配管方式」になると思われます。
その理由は、水素ガスは、空気と比べて極端に軽いので、保安上と経済上から「空中配管方式」が有利であり、電力配電線の上部に配管を敷設する方法が考えられます。（これは私の発想です）
配給拠点には、「液体水素」の「定置式超低温貯槽」が設置されて、「クリーン水素の製造所」（原子力発電所の隣接地になるでしょう）から、タンク・ローリー車で「液体水素」が運ばれるでしょう。
「水素液化装置」については、「イワタニ産業(株)」の工場で実稼働中ですが、「液体水素」の需要拡大待ちの状況です。
標準型として、川崎重工業(株)から「水素液化機」として発売されています。
1日の液化量が５Tonです。
液体容量に換算すると、1時間当たり3,000リッターの液化量です。
「定置式超低温貯槽」については、現在実用化されている「液体窒素」のコールド・エバポレーターと類似のもので間に合います。
標準型で20,000リッターの貯蔵量です。
下図は、「水素液化機」の説明図です。（川崎重工業(株)の資料から借用）
[ 動作原理 ]
私の知識で推察するものです。
１．原料水素ガスを前処理する。
水の電気分解で発生した水素ガスには、微量の酸素や窒素および水分を含んでいますので、吸着剤で不純物を除去します。
２．原料水素ガスの圧縮する。
圧縮機で20～30MPaに圧縮した常温の水素ガスをつくります。
３．カスケード式熱交換器で、圧縮水素ガスを冷却する。
冷凍サイクルの膨張タービンを通過した戻りガスと熱交換して、-250℃近くまで冷却します。
４．「ジュール・トムソン効果」の原理で液化する。
-250℃近い高圧の水素ガスを膨張弁を通して大気圧近くまで減圧すると、モリエ線図の液化領域に達します。
そして、20％近くが液化します。
この現象を「ジュール・トムソン効果」と呼ばれています。
５．液化しない残りガスと蒸発した水素ガスを回収する。
-250℃近い低圧の水素ガスは、カスケード式の熱交換器を通り、常温になって回収されます。
そして、原料ガス圧縮機の原料に加算されます。
６．水素ガスによる冷凍サイクルで、「膨張タービン」により寒冷を発生する。
装置底部に溜まった液化した水素は、製品として、抜き出されるので、その分量に相当する寒冷量と装置全体の寒冷損失量を合わせた寒冷量をを「膨張タービン」で補給します。
冷凍サイクルの圧縮機吐出圧力を仮に５MPaとしますと、「膨張タービン」の入口温度を-220℃近くまで冷却しますと、出口温度は-250℃近くに達します。
この現象を「断熱膨張効果」と呼ばれます。
「膨張タービン」では、直結されたブロワーによって制動されて、エネルギーが回収（放出）されますので、このエネルギーに相当する寒冷が発生します。
７．「液体窒素」による補助系統から寒冷を発生する。
図にはありませんが、一般には、装置の起動時間を短縮するために、「液体窒素」による補助系統を有しています。
冷凍サイクルのカスケード式熱交換器に準じて低温の-196℃近い窒素ガスで、原料ガスを冷却します。
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