本文2341字，阅读约需6分钟

摘要：氢气是备受期待的新一代燃料。然而，要想使其更易于搬运和储存，需要将其温度降低至-253℃以下的极低温，以从气态转化为液态。日本国立研究开发法人物质材料研究机构（NIMS）的神谷宏治所带领的研究小组正在尝试利用“磁”力解决该问题。研究团队如何克服现有技术瓶颈？本文对神谷进行了采访。

关键字：磁制冷技术、清洁液氢、主动蓄冷式磁制冷、创新型氢气液化系统、HoAl₂

聚少成多，实现制冷能力

当把磁性物质从磁场中取出时，磁性材料会使周围环境冷却，这就是“磁热效应”。

然而，如果只是单纯利用这一原理，制造出的设备只能产生5℃左右的温差。要打造能够实现氢气液化的实用模型，必须要扩大其工作温度范围。

为解决该问题，神谷宏治领导的研究小组在实验中采用了“主动蓄冷式磁制冷”（AMRR：Active Magnetic Regenerative Refrigeration，下称AMR）技术。

AMR，即使磁性材料在制冷的同时承担蓄冷工作，从而产生更大温差。据了解，家用电器领域早已开始了相关研究，但家电的要求和氢气液化所需的极低温的要求是完全不同的，相关技术无法直接应用。

本研究采用了HoAl₂（钬铝金属间化合物）作为磁性材料，该材料在接近氢气液化温度的极低温条件下具有较高冷却效果。本研究将这种化合物加工成微粒，并填充到容器中。

被用作磁性材料的HoAl₂微粒，从多种候选材料中经评估选出

“可以这样想象，磁性材料的每一个微粒都会发生磁热效应。当向磁性材料施加磁场时，磁性材料的整体温度会升高。在它周围充满了热交换气体，当气体吸收了磁性材料的热量后，让气体从低温侧流向高温侧。这时，整个磁性材料内就产生了温度差，高温侧的温度会越来越高。

在冷却过程持续进行中，移动磁性材料并让它脱离磁场。如此一来，整个磁性材料的温度就会下降，这个时候如果让气体向相反的方向流动，那么低温侧的温度就会骤然下降。每个微粒的温度变化只有5℃左右，但利用热交换气体，通过热泵方式就能产生更大的温度变化，这就是AMR循环的效果。可以把这个过程想象成磁性微粒和气体对热量进行水桶接力。”

此外，HoAl₂易受磨损且容易被粉碎，为此研究中还将破碎后的HoAl₂粉末加工成防冲压的印章形状。

使用微粒作为磁性材料的想法早已存在，材料也是在经过仔细研究后选定的，而通过该机制实现氢气液化却是第一次。

构成AMR循环的4个过程的图示：磁性材料容器中填充了磁性材料和热交换气体，由磁热效应累积而冷却的气体在另一舱中冷却氢气并使其液化

“我们采用AMR循环成功液化了氢气，使采用磁能液化氢气的技术从实验室一跃进入了现实世界。”神谷充满自豪地表示。

在极低温度下会导致室温升高

AMR循环的特点是重复向磁性材料施加磁场再让其脱离磁场的过程。但这种方法其实并不简单。

要让磁性材料脱离磁场，以往在实验中所采用的方法是“脉冲磁体法”，即不移动磁性材料和磁场各自的位置，而是改变流向超导磁体的电流。

然而，要获得氢气液化所需的能量，需要让磁场每秒最大发生1特斯拉（垂直于磁通方向的每平方米表面1韦伯的磁通密度）的变化，这个过程中会产生热量。

这时由于磁热效应所产生的制冷和发热会相互抵消。

对此，神谷研究小组想出了一个简单的方法，即在不改变磁场本身的情况下，使装有磁性材料的容器发生物理移动，从磁场中移开。

“移动磁性材料会使它更容易受到周围环境热量的影响。要最大程度地利用磁热效应，最为理想的情况是让容器在磁场的峰值和零场之间来回移动，但假设装置中产生1特斯拉的磁感应强度，那么容器就需要移动约70厘米。这个移动过程是通过插入和移除连接室温和极低温之间的支撑物来完成的，所以会使好不容易冷却的磁性材料在接近室温的过程中再次升温。因此我们这次采用的方法是安装三个超导磁体，通过让磁体互相影响来缩短从磁场峰值到零场之间的距离。通过这种方式，我们将移动距离减少到了大约20cm。”

通过下图可以更好地理解该机制。

主磁体产生的磁场是深蓝色的虚线，辅助磁体产生的磁场是浅蓝色和浅绿色的虚线，最终形成的磁场是红色实线。与只使用主磁体相比，采用三个磁体同时产生磁场时，从磁场峰值到零场的距离要短得多。除了使用微粒磁性材料，采用缩短磁场的机制也是本次实验成功的一个重要因素。

超导磁体由中间的主超导磁体和夹在两侧的辅助超导磁体构成

磁制冷机其实充满创意

值得一提的是，液化氢用磁制冷装置中所使用的许多部件，如产生强大磁场的超导磁铁和热交换器等，都是由研究小组手工制作的。

“比如本次使用的热交换器是以间歇性循环方式运行的，需要让气体以每10秒一次的速度进行往复运动，还要在循环中停止几秒钟，市场上没有适合这种运行方式的热交换器。在市售的热交换器当中，比较常见的是使气体等制冷剂单向流动的机制。但我们的热交换器需要让气体循环的同时有效地释放热量，同时还要隔绝来自外部的热量。开发这种热交换器的过程真的是非常困难。”神谷回忆道。

神谷先生表示，本次实验的成功使液态氢的降本又往前迈出了一大步。

神谷先生的面前是超导磁铁的模型。

这并非NIMS第一次成功通过磁制冷装置液化氢气。

2007年其实已经获得了成功，但当时使用的设备采用的是比AMR更早的磁制冷技术，温度范围很小，其构造是将氢气直接暴露在冷却的磁性材料中从而实现液化。

本次的新创想是NIMS研究多年的成果，而将创想转化为实际能够运行的装置更是花了十多年的时间。

2007年开发的最早的磁制冷装置，当时还未采用AMR循环

神谷先生表示，今后将致力于系统的效率提升和大型化，并挑战未来社会创造项目“采用磁制冷技术的创新型氢气液化系统开发”的目标，即开发出液态氢液化效率50%、日均产量超过100kg的磁制冷机。

NIMS中除了神谷的研究团队，还有其他团队一同努力，有的团队正在探寻在极低温度下表现出最佳性能的磁性材料，也有团队正在开发防止氢脆的材料（氢脆，即将氢气储存在金属容器中时，金属材料变脆的现象）。

目前，液态氢还只能在有限的情况下使用，但随着这些技术的建立，液态氢的成本将大大降低，其推广之路也必将更加广阔。

征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support@aipatent.com（请注明“AIpatent公众号”来稿）

“磁制冷技术”能否助力清洁液氢能源推广？