世界初の磁気冷凍水素液化

世界初の磁気冷凍による高効率水素液化の実証

 
 磁気冷凍法は絶対温度 1 K以下を生成する断熱消磁法を高温領域に適用したものです。

 上図に磁気冷凍液化法と従来の気体圧縮液化法の原理図、液化サイクルでの磁性体および気体の温度・エントロピ線図を示します。上図左の磁気冷凍法による水素液化は、外部磁場を使用して冷媒である磁性体(固体)を励磁、消磁するサイクルを繰り返し、磁気熱量効果により寒冷を発生する方法です。理想的な場合、逆カルノーサイクル(熱効率が一番良い)を実現できるため、上図右気体の圧縮、膨張による気体圧縮式水素液化法に比べ、原理的に高い液化動力効率(%カルノー)*が得られます。

 気体圧縮液化法を使用した世界最大級の水素液化機(液化量 60 ton/day)の液化動力効率(%カルノー)*がおよそ 38%に対し、磁気冷凍液化法では 50%程度が期待できます。また、気体に比べ、極めてエントロピ密度の大きい固体の磁性体を使用するため、液化機の小型化が可能となります。

 磁気冷凍法による水素液化試験装置の凝縮・液化部を下図に示す。磁性体下部に取り付けた液体水素槽からヒータにより常時一定量蒸発する水素ガス(温度 20.3 K)の液化試験では、磁性体としてガドリニウム・ガリウム・ガーネット(GGG: Gd3Ga5O12)を選定している。磁場を上昇、減少するために超伝導パルスマグネット(最大磁場 5 Tesla、最大励磁・消磁速度 0.36 Tesla/s)を採用し、高温排熱源として G-M型小型冷凍機(三菱重工製 UCR31W)を使用し、排熱温度を 25 Kに設定している。吸熱スイッチは、蒸発した水素ガスを磁性体表面で凝縮・液化し、重力により流下液膜として液体水素槽に戻る熱サイフォン型ヒートパイプを採用している [8-10]。

 水素ガスが液化するヒートパイプ設計の際、“水素の凝縮・液化” のページで述べたNusselt 層流理論式を適用している(凝縮面と水素ガスの温度差が小さい場合でも Nusselt 理論式が精度良く使用できることを我々は初めて実証した)。水素液化試験時に測定した磁気冷凍液化サイクルにおける GGG の温度・エントロピ線図(励磁・消磁速度 0.35 Tesla/s)を下図に示す。破線は実験条件をもとに計算したシミュレーション計算結果である。理想的な逆カルノーサイクル(長方形)が実現できない主な原因は、吸熱、排熱スイッチの熱伝達性能が十分でないこと、磁性体周辺に存在する(常時蒸発する)不凝縮水素ガスの影響である。

 磁気冷凍液化サイクルを開始すると、数サイクル後に磁性体温度は水素液化温度以下となる。その後、磁気冷凍(液化)サイクルが定常的に繰り返され、同時に一定の冷凍出力発生と水素液化が繰り返される。磁性体温度が水素液化温度以下になったことを示す実験データだけでは水素液化が実証されたことにはならない。磁性体の温度低下と液化現象は全く別であり、単発で磁性体の励磁、排熱、消磁により磁性体温度が水素液化温度以下となる現象を確認しても、ただ単に磁気熱量効果を確認したに過ぎず、液化過程での冷凍出力(水素液化量)を定量的に測定することが水素液化実証には必要である。本実験では、一定量のヒータ加熱で常時蒸発する水素ガスにより液体水素槽の圧力は上昇し続けるが、磁性体温度が水素液化温度以下に低下すると同時に、磁性体表面での水素の凝縮・液化が行われ、液体水素槽圧力も低下する。この圧力の上昇と低下がサイクルと連動して繰り返し発生することから、水素の連続液化(実際は等温消磁過程における間欠的液化が繰り返される)および発生する冷凍出力(液化量)を確認して測定した [10](詳細は下記 Web site の磁気冷凍プロセスの実験結果参照)。また、ただ単に磁性体を消磁して水素液化温度以下にするだけでは ”液化サイクル” を実現したことにはならず(サイクル終了時に初期状態に戻らなければサイクルではない)、逆カルノーサイクルを構成する水素液化過程(断熱励磁→等温励磁→断熱消磁→等温消磁)が定常的に繰り返し可能であることを以って、磁気冷凍法による水素液化サイクルを初めて実証したことになる。

 水素液化試験で得られた冷凍出力と水素液化量を下図に示す。励磁・消磁速度 0.36 Tesla/s の時、最大冷凍出力 0.4 W、水素液化量に換算すると 3.55 g/h(50 cc/h)、液化動力効率(%カルノー)* 37%、液化効率** 78%が得られた。

 小規模な水素液化試験ながら、磁気冷凍法による水素液化を実現すると共に、高効率な水素液化法(%カルノー:37%)であることを世界で初めて実証した [10]。

 室温から液体水素温度域において、大きな磁気熱量効果をもつ複数の磁性体を組み合わせた水素液化機が提案され、研究開発が進められている。また、磁気冷凍法により温度 -259℃(絶対温度 14 K)以下の寒冷を発生させることにより、液体水素からスラッシュ水素が製造できる。

* 液化動力効率(%カルノー): 単位液化量に必要となる逆カルノーサイクルでの液化機動力(作動条件から計算できる)と実際のサイクルで得られた液化機動力の比 。%カルノー=FOM (Figure of Merit)×100 (%)。
** 液化効率:冷凍(液化)温度における実験と逆カルノーサイクルの冷凍出力比。

”磁気冷凍による水素液化” の詳細な実験結果はこちらの Web site にあります。

水素液化時の磁性体の温度・エントロピ線図、冷凍出力、水素液化量