磁気冷凍水素液化

磁気冷凍法による高効率水素液化技術の開発

 
 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。

 上図左磁気冷凍法による水素液化は、外部磁場使用して冷媒である常磁性体を励磁、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を実現できるため、上図右ガスの圧縮、膨張による従来のガス圧縮式水素液化法に比べ、原理的に高い液化動力効率が可能です。

 ガス圧縮式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、50%程度が期待できます。また、気体に比べ、極めてエントロピー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。

 液体水素容器から蒸発する水素(温度 20 K)の液化実験では、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、磁場を上昇、減少するための超伝導パルスマグネットを採用し、高温排熱源(小型冷凍機)の温度を 25 Kとしている。吸熱スイッチは蒸発した水素ガスを磁性体表面で凝縮・液化する熱サイフォン型ヒートパイプとしている [8]。

 水素ガスが液化するヒートパイプ設計の際、水素の凝縮・液化の項で述べたNusselt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にも Nusselt理論式が精度良く使用できることを示した)。磁気冷凍法により液化した際の磁性体のエントロピーsと温度Tのサイクル線図を下図に示します。理想的な逆カルノーサイクル(長方形)が実現できない原因は、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不凝縮水素ガスの影響です。

 磁気冷凍サイクルを開始すると、磁性体温度は水素液化温度以下となり、以降、磁気冷凍(液化)サイクルが定常的に繰り返し可能となり、一定の冷凍量を発生し連続的に水素を液化することを実証しました。磁性体温度が水素液化温度以下になったことを根拠に水素が実際に液化しているとは断定できない。磁性体の温度低下と液化現象は全く別であり、ワンショットで磁性体の励磁、排熱、消磁により磁性体の温度が水素液化温度以下となる現象では、ただ単に磁気熱量効果を確認したに過ぎない。一定のヒータ加熱量で定常的に蒸発している水素ガスにより液体水素容器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共に液体水素容器圧力も同時に低下していることから、水素の連続液化および冷凍量を確認しました(詳細は下記Web site の磁気冷凍プロセスの実験結果参照)[8]。前述のように、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とは言えず、逆カルノーサイクルを構成する水素液化サイクルが定常的に繰り返し可能であることを以って、初めて磁気冷凍法による水素液化サイクルを実証したと言えるのです。

  3.55 g/h(50 cc/h)の小規模な水素液化実験ながら、%カルノー値 37%を達成して高効率な水素液化法であることを初めて実証しました。室温から水素温度において、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ます。また、磁気冷凍法により温度 -259℃(絶対温度 14 K)以下を生成し、液体水素からスラッシュ水素を製造することも可能です。

 * %カルノー:単位液化量に必要となる理想的な液化機動力と実際の液化機動力の比

水素液化時の磁性体のエントロピー・温度線図