[發明專利]采用磁制冷的氫液化裝置

在審

• 申請號: 202210162000.6
• 申請日: 2022-02-22
• 公開（公告）號: CN114353432A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 吳英哲;姜偉;錢佚
• 申請（專利權）人: 上海司氫科技有限公司
• 主分類號: F25J1/02
• 分類號: F25J1/02
• 代理公司: 杭州知閑專利代理事務所(特殊普通合伙) 33315
• 代理人: 黃燕

本發明公開了一種采用磁制冷的氫液化裝置，包括：氫氣氣源；對氣源氫氣進行預冷的預冷系統；對預冷后的氫氣進行制冷的磁制冷系統；與磁制冷系統制冷管路出口相連，對冷卻后氫氣進行減壓的膨脹元件；進料口與膨脹元件出口相連的液氫儲罐。本發明將磁制冷系統引入到氫液化裝置中，提高了氫液化效率。本發明將吸附壓縮引入到氫液化裝置中，既充分利用了磁制冷系統產生的熱量，提高了壓縮效率；同時該壓縮機沒有任何主動運動部件，具有振動低，結構簡單，制造成本低，可靠性高的特點。另外吸附壓縮利用熱進行驅動，可以在低溫下工作實現工質氣體的壓縮。因此特別適合低溫下對氫氣的壓縮。

技術領域

本發明涉及一種低溫工程裝備，具體涉及一種氫氣液化裝置。

背景技術

近年來，隨著我國清潔能源戰略實施和結構調整，各種新能源的開發和利用吸引了眾多的關注。其中氫能作為高效清潔的能源，是當前能源問題重要的長期解決方案之一。如何安全有效地儲存和運輸是氫能大規模應用的關鍵技術挑戰。高壓常溫儲氫是目前應用最為廣泛、技術最為成熟的儲氫技術。但是隨著深冷、絕熱及真空技術的日益成熟，低溫液氫的儲運方式具有更高的存儲密度和更低的運行壓力，減少了單位質量輸運的能耗和空間成本，有望成為氫氣長距離運輸和大規模存儲的有效方式。

氫氣的液化是液氫儲運產業鏈中最關鍵的環節，具有技術工藝復雜、能耗占比高、投資成本高的特點。過去的幾十年，許多研究這都在研究如何提高氫液化的效率。提高氫液化的效率可以有效地減小氫液化設備運營的成本，也能間接地降低設備投資成本。但是目前運行的氫液化裝的效率仍然比較低，僅有20～30％。氫液化工藝的主要不可逆損失主要來自于壓縮機、換熱器和膨脹機。目前主流的氫液化工藝所采用的氦氣螺桿式壓縮機和氫氣活塞式壓縮機的等溫效率都不是十分理想，僅有40～50％左右。而采用氦氣或者氦-氖混合氣體作為主制冷循環工質的工藝在換熱器，尤其是近氫氣臨界點附近的溫區存在較大的換熱溫差；而采用氫氣作為主制冷循環工質的工藝則由于工藝復雜，流道較多，且氫氣密度小阻力大等原因，實際工程中在換熱器部分所展現出效率也不盡理想。目前氫液化工藝中低溫透平膨脹機的等熵效率一般可以達到70％以上，但是由于氫氣分子量小，對于大型的高速低溫氫氣低溫透平膨脹機仍然具有諸多技術挑戰，如大型透平的軸承剛度和穩定性、透平尖端葉片高應力等等。

磁制冷是一種基于材料磁熱效應的固態制冷方式。磁熱效應是磁性材料磁矩在變化磁場下有序發生變化而導致的熱現象：當磁性材料被磁化時，磁矩有序度增加，熵減小，溫度上升，對外放出熱量；退磁時，磁矩有序度減小，熵增加，溫度下降，對外吸收熱量。利用磁性材料這一特性，對其交替進行勵磁-散熱-去磁-吸熱的過程，可以實現制冷效應。磁制冷具有內稟高效、低噪音與低振動等優點，在室溫制冷(-20℃以上)和極低溫制冷(1K以下)領域內得到了廣泛的研究和應用。

吸附壓縮利用了工質氣體能夠通過范德瓦爾斯力作用或者化學鍵合的方式在多孔吸附劑材料表面實現富集的原理。交替冷卻和加熱吸附單元中的吸附劑材料使得工質氣體在吸附劑表面的吸附和解附，配合單向閥的導流作用，從而實現工質從低壓側向高壓側的泵送。吸附壓縮沒有任何主動運動部件，具有振動低，可靠性高的特點。另外吸附壓縮利用熱進行驅動，可以在低溫下工作實現工質氣體的壓縮。

發明內容

為了提升氫液化裝置的能效，并規避在低溫下使用膨脹機、壓縮機等復雜的動設備，降低氫液化裝置的成本，提高設備可靠性，本發明提出了一種采用磁制冷的氫液化技術方案。

一種采用磁制冷的氫液化裝置，包括：

氫氣氣源；

對氣源氫氣進行預冷的預冷系統；

對預冷后的氫氣進行制冷的磁制冷系統；

與磁制冷系統制冷管路出口相連，對冷卻后氫氣進行膨脹制冷的膨脹元件；

進料口與膨脹元件出口相連的液氫儲罐。