采用磁制冷的氢液化装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术将磁制冷系统引入到氢液化装置中，提高了氢液化效率。本发明专利技术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。因此特别适合低温下对氢气的压缩。因此特别适合低温下对氢气的压缩。

【技术实现步骤摘要】
采用磁制冷的氢液化装置


[0001]本专利技术涉及一种低温工程装备，具体涉及一种氢气液化装置。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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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。
[0004]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
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散热
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去磁
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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(
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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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]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，本专利技术提出了一种采用磁制冷的氢液化技术方案。
[0007]一种采用磁制冷的氢液化装置，包括：
[0008]氢气气源；
[0009]对气源氢气进行预冷的预冷系统；
[0010]对预冷后的氢气进行制冷的磁制冷系统；
[0011]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；
[0012]进料口与膨胀元件出口相连的液氢储罐。
[0013]作为优选，所述磁制冷系统为采用多层主动磁回热工艺的磁制冷系统。一方面主动磁回热工艺利用磁热效应和回热过程结合，实现了低温下预冷量的梯度利用，具有更高的效率；另一方面采用具有不同居里温度的磁热材料构成多层磁热工质单元，可以克服单一材料磁热循环温度跨度较小的问题，实现低温下更大的温度跨度。
[0014]作为优选，所述磁制冷系统包括：
[0015]一个或多个设有散热和制冷管路的多层磁蓄冷单元；
[0016]对多层磁蓄冷单元进行励磁的磁体；
[0017]所述多层磁蓄冷单元用于盛放磁相变材料和正仲氢催化剂。
[0018]采用该装置可以使得待液化的氢气在冷却的过程中实现正仲氢转化，当与预冷级正仲氢转换器联合使用时，可满足液氢产品仲氢含量的要求。
[0019]作为优选，在所述多层磁蓄冷单元中，自热端至冷端分层填充居里点温度依次递减的磁相变材料和正仲氢催化剂的混合颗粒。
[0020]作为优选，所述液氢储罐还包括汽相出口，该汽相出口与所述多层磁蓄冷单元的散热管路入口相连。采用该技术方案，可以回收利用液氢储罐中汽相氢气的冷量对所述多层磁蓄冷单元的散热管路提供散热冷量。
[0021]作为优选，还包括压缩机；所述多层磁蓄冷单元的散热管路出口与所述压缩机的低压入口相连；所述压缩机的高压出口与预冷后的氢气管路合并后与所述多层磁蓄冷单元的制冷管路入口相连。
[0022]作为一种优选的实施方案，一种采用磁制冷的氢液化装置，包括氢气气源、预冷系统、预冷换热器、压缩机、压缩机入流预冷换热器、压缩机出流冷却器、磁制冷系统、膨胀元件、液氢储罐和液氢产品出口。
[0023]所述预冷系统分别与预冷换热器、压缩机入流预冷换热器以及压缩机出流冷却换热器进行热连接；目的是将预冷系统产生的冷量输送至上述换热器上，分别对入流的原料氢气、压缩机进口和出口的氢气进行预冷。所述热连接可为高导热系数材料(铜、铝等)制成的热桥连接、或者热管、或者冷媒介质循环。所述氢气气源、预冷换热器热端入口、预冷换热器冷端出口和压缩机出流冷却器出口通过管路相连；所述压缩机、压缩机出流冷却器、磁制冷系统的制冷管路、膨胀元件、液氢储罐、磁制冷系统的散热管路以及压缩机入流预冷换热器依次通过管路连接形成环路；所述液氢储罐底部与液氢产品出口相连。
[0024]实际使用时，作为一种具体实施方式，入流的原料氢气经过预冷换热器预冷至T
preC
＝70～120K，然后与压缩机出口的高压氢气混合后进入磁制冷系统进行进一步的冷却。所述压缩机、压缩机出流冷却器、磁制冷系统的制冷管路、膨胀元件、液氢储罐、磁制冷
系统的散热管路以及压缩机入流预冷换热器依次通过管路连接形成环路；所述液氢储罐底部与液氢产品出口相连。压缩机工作在系统预冷温度，即70～120K。氢气经过压缩机由低压(p
l
＝1～5bar)压缩至高压(p
h
＝18～25bar)，然后通过压缩机出流冷却器复温至预冷温度，随后与来自预冷换热器的原料氢气流混合进入磁制冷系统。氢气在磁制冷系统的制冷管路中进一步被冷却至T
preExp
＝25～35K的温度，然后通过膨胀元件膨胀至低压(p
l
＝1～5bar)，膨胀后氢气温度降低至液化温度T
Liq
＝20.3～27.2K，并部分液化。汽液两相的氢气进入液氢储罐，液相氢气位于液氢储罐底部，并通过液氢产品出口输出；汽相氢气位于液氢储罐顶部，通过液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，所述磁制冷系统为采用多层主动磁回热工艺的磁制冷系统。3.根据权利要求1所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，所述磁制冷系统包括：一个或多个设有散热和制冷管路的多层磁蓄冷单元；对多层磁蓄冷单元进行励磁的磁体；所述多层磁蓄冷单元用于盛放磁相变材料和正仲氢催化剂。4.根据权利要求3所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，在所述多层磁蓄冷单元中，自热端至冷端分层填充居里点温度依次递减的磁相变材料和正仲氢催化剂的混合颗粒。5.根据权利要求3所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，所述液氢储罐还包括汽相出口，该汽相出口与所述多层磁蓄冷单元的散热管路入口相连。6.根据权利要求5所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，还包括压缩机；所述多层磁蓄冷单元的散热管路出口与所述压缩机的低压入口相连；所述压缩机的高压出口与预冷后的氢气管路合并后与所述多层磁蓄冷单元的制冷管路入口相连。7.根据权利要求6所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，所述压缩机为吸附式压缩机，该吸附式压缩机包括吸附压缩单元、冷却换热器和加热换热器；所述冷却换热器由所述预冷系统提供冷量；所述的加热换热器由多层磁蓄冷单元的散热管路输出的介质提供热量。8.根据权利要求7所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，所述吸附式压缩机的低压入口和高压出口分别设有对进入和输出物料进行预冷和冷却的压缩机入流预冷换热器、压缩机出流冷却器，两者均由所述预冷系统提供冷量；所述加热换热器的出口与压缩机入流预冷换热器的预冷管路相连。9.根据权利要求6所述的采用磁制冷的氢液化装置，其特征在于，还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴英哲，姜伟，钱佚，
申请(专利权)人：上海司氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：