[发明专利]采用磁制冷的氢液化装置

说明书

本发明公开了一种采用磁制冷的氢液化装置，包括：氢气气源；对气源氢气进行预冷的预冷系统；对预冷后的氢气进行制冷的磁制冷系统；与磁制冷系统制冷管路出口相连，对冷却后氢气进行减压的膨胀元件；进料口与膨胀元件出口相连的液氢储罐。本发明将磁制冷系统引入到氢液化装置中，提高了氢液化效率。本发明将吸附压缩引入到氢液化装置中，既充分利用了磁制冷系统产生的热量，提高了压缩效率；同时该压缩机没有任何主动运动部件，具有振动低，结构简单，制造成本低，可靠性高的特点。另外吸附压缩利用热进行驱动，可以在低温下工作实现工质气体的压缩。因此特别适合低温下对氢气的压缩。

技术领域

本发明涉及一种低温工程装备，具体涉及一种氢气液化装置。

背景技术

近年来，随着我国清洁能源战略实施和结构调整，各种新能源的开发和利用吸引了众多的关注。其中氢能作为高效清洁的能源，是当前能源问题重要的长期解决方案之一。如何安全有效地储存和运输是氢能大规模应用的关键技术挑战。高压常温储氢是目前应用最为广泛、技术最为成熟的储氢技术。但是随着深冷、绝热及真空技术的日益成熟，低温液氢的储运方式具有更高的存储密度和更低的运行压力，减少了单位质量输运的能耗和空间成本，有望成为氢气长距离运输和大规模存储的有效方式。

氢气的液化是液氢储运产业链中最关键的环节，具有技术工艺复杂、能耗占比高、投资成本高的特点。过去的几十年，许多研究这都在研究如何提高氢液化的效率。提高氢液化的效率可以有效地减小氢液化设备运营的成本，也能间接地降低设备投资成本。但是目前运行的氢液化装的效率仍然比较低，仅有20～30％。氢液化工艺的主要不可逆损失主要来自于压缩机、换热器和膨胀机。目前主流的氢液化工艺所采用的氦气螺杆式压缩机和氢气活塞式压缩机的等温效率都不是十分理想，仅有40～50％左右。而采用氦气或者氦-氖混合气体作为主制冷循环工质的工艺在换热器，尤其是近氢气临界点附近的温区存在较大的换热温差；而采用氢气作为主制冷循环工质的工艺则由于工艺复杂，流道较多，且氢气密度小阻力大等原因，实际工程中在换热器部分所展现出效率也不尽理想。目前氢液化工艺中低温透平膨胀机的等熵效率一般可以达到70％以上，但是由于氢气分子量小，对于大型的高速低温氢气低温透平膨胀机仍然具有诸多技术挑战，如大型透平的轴承刚度和稳定性、透平尖端叶片高应力等等。

磁制冷是一种基于材料磁热效应的固态制冷方式。磁热效应是磁性材料磁矩在变化磁场下有序发生变化而导致的热现象：当磁性材料被磁化时，磁矩有序度增加，熵减小，温度上升，对外放出热量；退磁时，磁矩有序度减小，熵增加，温度下降，对外吸收热量。利用磁性材料这一特性，对其交替进行励磁-散热-去磁-吸热的过程，可以实现制冷效应。磁制冷具有内禀高效、低噪音与低振动等优点，在室温制冷(-20℃以上)和极低温制冷(1K以下)领域内得到了广泛的研究和应用。

吸附压缩利用了工质气体能够通过范德瓦尔斯力作用或者化学键合的方式在多孔吸附剂材料表面实现富集的原理。交替冷却和加热吸附单元中的吸附剂材料使得工质气体在吸附剂表面的吸附和解附，配合单向阀的导流作用，从而实现工质从低压侧向高压侧的泵送。吸附压缩没有任何主动运动部件，具有振动低，可靠性高的特点。另外吸附压缩利用热进行驱动，可以在低温下工作实现工质气体的压缩。

发明内容

为了提升氢液化装置的能效，并规避在低温下使用膨胀机、压缩机等复杂的动设备，降低氢液化装置的成本，提高设备可靠性，本发明提出了一种采用磁制冷的氢液化技术方案。

一种采用磁制冷的氢液化装置，包括：

氢气气源；

对气源氢气进行预冷的预冷系统；

对预冷后的氢气进行制冷的磁制冷系统；

与磁制冷系统制冷管路出口相连，对冷却后氢气进行膨胀制冷的膨胀元件；

进料口与膨胀元件出口相连的液氢储罐。