[发明专利]用于磁热液化的先进的多层主动式磁再生器系统和工艺

说明书

一种设备，包括：主动式磁再生再生器，所述主动式磁再生再生器包括多个连续层，其中每层包括在连续相邻的层之间具有相差18‑22K的居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且这些层以连续的居里温度顺序和磁性制冷剂材料质量顺序布置，其中第一层具有最高居里温度层和最高磁性制冷剂材料质量，并且最后一层具有最低居里温度层和最低磁性制冷剂材料质量。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月28日提交的美国临时申请号62/477,924的权益，该申请通过引用以其整体并入本文。

政府支持的致谢

本发明根据由美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合同号DE-AC05-76RL01830在政府支持下进行。政府在本发明中具有某些权利。

背景

氢作为燃料或能源载体的广泛使用将提供更好的能源安全，带来重大的经济、环境和健康效益，并且有助于使由能源使用的温室气体排放物引起的气候变化的影响最小化。氢以综合且关键的方式耦合到任何现实的“可持续碳-氢-电循环”模型中。

对于储存和输送，液态氢(LH₂)是优于压缩氢(CH₂)、吸附氢或氢的化学化合物的选择，因为与其他氢储存方法相比，LH₂的更高的体积能量密度和重量能量密度。对于实际液化器，每单位质量气体的理想最小功输入与每单位质量气体的实际功输入的比率被称为品质因数(FOM)。目前，大多数气态氢(GH₂)使用液氮预冷却的克劳德循环设备(Claude-cycleplant)进行液化。这些常规大型液化器被限制在～0.35的FOM。小型常规液化器很少达到0.25的FOM。如此低的FOM增加了氢液化器的运行成本，并且由此增加了分配的LH₂或CH₂燃料的价格。

目前世界上存在相对少数量的氢液化器。其中大多数是大型工业工厂(industrial plant)，其中容量在从～5公吨/天到～100公吨/天的范围内。大多数商业H₂已经被用于非运输应用，诸如炼油厂和氨肥厂。几乎没有建造具有低于～5公吨/天的容量的商业液化设施，因为随着容量的减少，统包(turn-key)安装成本倾向于以每公吨/天为基础急剧地增加。氢液化器的高资本成本的贬值增加了分配的LH₂或CH₂燃料的价格。例如，1公吨/天的LH₂设施具有大致～900万-1100万美元，即～1000万美元/公吨/天的安装成本。在具有这种容量和成本的工厂的20年运行期内，直线折旧提供了对H₂燃料成本的～1.45美元/kg的贡献。

部署燃料电池电动交通工具的主要障碍是缺乏本地供应和燃料补给基础设施，其中每个燃料补给站的容量在0.1公吨/天至1公吨/天的范围内，其中在燃料成本/英里驱动的基础上以相同的价格或低于汽油的价格运送LH₂或CH₂。不存在用于这样的燃料补给供应站和燃料补给站的这种规模的成本有效且高效的氢液化器。这两个更快采用氢燃料的关键障碍可以通过开发高效且低成本的小型液化器来消除。

具有多种磁性制冷剂的高性能磁再生器(magnetic regenerator)的主动式磁再生制冷机(active magnetic regenerative refrigerator)(AMRR)系统可以能够有效地液化氢，但是在开发多层再生器方面已经存在若干问题，该多层再生器理论上能够有效地跨越致冷剂液化器系统所需的大温度范围，诸如对于LH₂的～280K至～20K。然而，实际上，不存在跨越超过～80K的可操作的多层低温再生器。

概述

本文在一个实施方案中公开了用于液化工艺气体的工艺，所述工艺包括：