本发明提供一种冷能梯级利用的氢燃料燃气轮机联合循环装置系统及应用，所述装置系统包括依次连接的高压氢气气源及处理单元、氢气膨胀机组单元、燃气轮机氢燃料处理单元、燃气轮机机组发电单元和余热锅炉机组发电单元。本发明中来自高压氢气气源及处理单元的高压氢气通过氢气膨胀机组单元进行压力能和冷能的回收利用，回收的压力能膨胀做功，回收的冷能通过换热器进行换热，可以更高效、更低成本地进行氢燃料燃气轮机联合循环系统发电，同时具有很好的经济效益和环境效益。