成果報告書詳細
管理番号20120000000107
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 次世代技術開発・フィージビリティスタディ等 革新的な次世代技術の探索・有効性検証に関する研究開発 高効率水素液化磁気冷凍の研究開発
公開日2012/6/21
報告書年度2008 - 2010
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構 国立大学法人金沢大学
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度?平成22年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発/次世代技術開発・フィージビリティスタディ等 革新的な次世代技術の探索・有効性検証に関する研究開発/高効率水素液化磁気冷凍の研究開発
磁気冷凍法を用い、エネルギー効率の高い水素液化・貯蔵に関する基盤技術の確立を目的とし、水素液化サイクルと蓄冷型磁気冷凍サイクルとを組み合わせた高効率水素液化実証システムを構築する。これによって液体水素製造プラントや水素貯蔵および輸送に関する実用技術の進展を図った。本事業は、物質・材料研究機構および金沢大学からなる研究協力体制にて実施された。(1)実用磁気冷凍磁性材料の開発 (主たる実施先:金沢大学、物材機構) 1.1 希土類鉄ガーネット材料 液化段及び予冷段低温側で有望な希土類鉄ガーネット材料の性能評価と磁性材料の球状化を行った。実用材料の観点から、転動造粒法により直径0.4mm程度の球状化したガーネットの作製を行った。この磁性材料の性能評価を磁化測定、断熱消磁実験から評価し、球状化した材料が塊状材料とほぼ同等の磁気特性を持つことを確認し、球状化材料の製法を確立した。 1.2 金属間化合物系磁性材料 予冷段高温側材料には強磁性体の材料が望ましい。金属間化合物系磁性材料で有望なRT2系(R=Ho, Dy, Gd, T=Al, Ni)の磁性体について、回転電極アトマイズ法と遠心力アトマイズ法によって熱交換に優れた球状化磁性体の製作を試みた。遠心力アトマイズ法に成功し、磁性材料の磁化、比熱測定による性能評価で十分な性能を持つことを確認した。:(2)高効率水素液化機構の開発(主たる実施先:物材機構) 低圧の水素ガスを磁性体シリンダー中に流し、カルノーサイクルによって液化水素を高効率で生成する機構を検討した。粒状の希土類ガーネット系磁性体を用いると熱交換面積が著しく増加するため、初期の液化過程における効率は板状に比べて50%以上大きくなった。さらに、液化温度に近い条件での磁性体と流体の熱交換を計算機シミュレーションにより検討し、磁性体の充填率や熱交換流体の流量の最適条件などを求めた。:(3)蓄冷型磁気冷凍機の開発 (主たる実施先:物材機構) 物質・材料研究機構が所有している超電導マグネットに適合した、内部ディスプレーサー型と外部ディスプレーサー型のAMRサイクルを試験するクライオスタットの設計と製作を行った。内部ディスプレーサー型のAMR試験機では様々な磁性体と温度領域でサイクル試験を行った。磁性体の断熱消磁温度変化の2倍以上の温度勾配を生成することに成功し、AMRサイクルの動作を実証した。外部ディスプレーサー式の新しいクライオスタットでは磁場変化と蓄冷器内の流体の流れを独立に制御が可能なAMRサイクル試験機を構築した。これによって、20Kから77Kまでをカバーする水素液化温度領域における蓄冷型磁気冷凍サイクルのプロトタイプの試験が可能になった。:(4)測定技術要素研究 (主たる実施先:金沢大学) 磁気冷凍機に適合する小型の水素液面計を開発した。MgB2を用いた超電導式と水素の液体と気体での誘電率の違いを利用した静電容量式の液体水素液面計を開発した。多層化した平行平板を用いた静電容量式によって十分な感度を持つ液面計が開発された。:(5)水素液化磁気冷凍システムの調査と解析(主たる実施先:金沢大学、物材機構) 蓄冷型磁気冷凍サイクルであるAMRサイクルのシミュレーションによる解析を進めた。これにより多段冷凍機などによる性能向上の指針が得られた。国際会議ICEC2010 に招待講演を依頼され、本研究の成果を発表した。
英文要約Title: Magnetic Refrigeration for High Efficient Hydrogen Liquefaction (FY2008-FY2010) Final Report
Magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect of solid materials has the potential to achieve high thermal efficiency. We have been developing a magnetic refrigerator for hydrogen liquefaction, which cools down hydrogen gas from liquid nitrogen temperature and liquefies hydrogen gas at 20 K. This system consists of two magnetic refrigerators; the liquefaction stage with a high efficient Carnot cycle and an active magnetic regenerator (AMR) device which is used to precool the hydrogen gas. : Spherical magnetic materials are preferable from the point of view of heat transfer. For the Carnot stage and low temperature side of the AMR, gadolinium-dysprosium aluminum garnet (DGAG) and gadolinium gallium iron garnet (GGIG) has been studied. Large magnetic entropy change of GGIG is produced for higher temperatures and lower magnetic fields due to the coupling between the Gd atoms and the Fe atoms. Magnetic refrigerants of DGAG and GGIG particles with 0.4 mm diameter were successfully synthesized. For the AMR stage, rare earth intermetallic compounds RT2 (R= rare earth; T= Al, Ni, Co) have been investigated. Centrifugal Atomization Process was used to synthesize spherical particles. The magnetocaloric effects evaluated by magnetization and specific heat measurements were reasonably in agreement with those of bulk materials. : A high sensitive capacitive type level meter was developed in order to measure liquid hydrogen level precisely. The liquid level was measured from the capacitance between parallel electrodes immersed in the liquid using an AC capacitance bridge. The estimated sensitivity of the meter is better than 0.2 mm for liquid hydrogen. The meter also worked with pressurized hydrogen. : A new magnetic refrigerator that can operate both Carnot and AMR cycle has been designed and built. This apparatus consists of a magnetic refrigerant, superconducting magnet with a maximum field of 5 T cooled by mechanical cooler. In the Carnot liquefaction stage, the liquefaction efficiency was significantly improved using spherical garnets. In order to operate AMR cycle, two electric motors that give field change to magnetic refrigerant and gas flow independently were installed. AMR cycle using several magnetic materials has been tested with this test machine. One of the typical results obtained by inner displacer AMR apparatus showed that the cooling temperature span in the magnetic material bed achieved more than 12 degree at 34 K with the magnetic field change of 1.8 T in the case of HoAl2. The AMR cycle was successfully operated between 30 K and 60 K. An AMR apparatus with outer displacer was constructed too. : We have conducted numerical cycle analysis of AMR using various magnetic materials with first and second order phase transitions. The multilayered AMR bed and multistage AMR cycle were analyzed. The optimum composition ratios of magnetic materials were also analyzed.
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