JP2010169297A - 化学蓄熱装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学蓄熱材を含む蓄熱体22を貯蔵するための蓄熱体貯蔵容器20と、蓄熱体22に熱を注入する熱注入装置32と、蓄熱体22から熱を抽出する熱抽出装置34と、水42を貯蔵する水貯蔵容器40と、蓄熱体貯蔵容器20と水貯蔵容器40との間で水蒸気の授受を行う水蒸気供給・排出装置50と、蓄熱体22の温度を測定する第1温度測定装置62と、水42の温度を測定する第2温度測定装置64と、蓄熱体22の温度及び水42の温度に応じて、水蒸気供給・排出装置50を制御する制御装置70とを備え、制御装置70は、化学蓄熱材の脱水率を80wt%以上90wt%以下に制御する脱水率調節手段、及び/又は、化学蓄熱材の水和率を85%以上95%以下に制御する水和率調節手段を備えた化学蓄熱装置。
【選択図】図1
Description
化学蓄熱材は、
(1)体積当たりの蓄熱量が大きい、
(2)蓄熱材を保温する必要がない、
(3)蓄熱材の貯蔵中に生じる蓄熱損失が少ないため、長期間の蓄熱が可能である、
等の利点がある。そのため、化学蓄熱材を用いた蓄熱方法は、工場やエンジンなどから排出される排熱や太陽熱を有効利用する方法として期待されている。
例えば、特許文献1には、結晶質の石灰石を850〜1100℃で2〜7時間加熱し、次いで500℃〜600℃で1時間以上加熱することにより得られる化学蓄熱材が開示されている。
同文献には、
(1)結晶質の石灰石を所定の温度で加熱すると、表面から内部に向かう多数の気孔を有する生石灰が得られる点、及び、
(2)石灰石の内部に多数の気孔を形成すると、水蒸気との反応速度が速くなり、しかも水和に伴う体積膨張も吸収することができる点、
が記載されている。
同文献には、粉体化学蓄熱材の充填割合を蓄熱カプセルの内部空間の60容量%以下にすると、粉体化学蓄熱材の自重による固化、並びに、発熱効率及び再生効率の低下を抑制することができる点が記載されている。
(1)前記化学蓄熱装置は、
脱水・水和反応により吸熱・発熱を生ずる化学蓄熱材を含む蓄熱体を貯蔵するための蓄熱体貯蔵容器と、
前記蓄熱体に熱を注入するための熱注入装置と、
前記蓄熱体から放出される熱を抽出し、負荷に供給するための熱抽出装置と、
前記蓄熱体から放出され、又は前記蓄熱体に供給するための水を貯蔵する水貯蔵容器と、
前記化学蓄熱材貯蔵容器と前記水貯蔵容器との間で水蒸気の授受を行う水蒸気供給・排出装置と、
前記蓄熱体貯蔵容器に貯蔵された前記蓄熱体の温度を測定するための第1温度測定装置と、
前記水貯蔵容器に貯蔵された前記水の温度を測定するための第2温度測定装置と、
前記第1温度測定装置により測定される前記蓄熱体の温度、及び前記第2温度測定装置により測定される前記水の温度に応じて、前記水蒸気供給・排出装置を制御する制御装置と、
を備えている。
(2) 前記制御装置は、
(a)前記化学蓄熱材の脱水率が80wt%以上90wt%以下であるときに前記蓄熱体貯蔵容器から前記水貯蔵容器への水蒸気の放出が停止されるように、前記水蒸気供給・排出装置を制御する脱水率調節手段、及び/又は、
(b)前記化学蓄熱材の水和率が85%以上95%以下であるときに前記水貯蔵容器から前記蓄熱体貯蔵容器への水蒸気の供給が停止されるように、前記水蒸気供給・排出装置を制御する水和率調節手段
を備えている。
また、水和率が所定の範囲となるように水和反応を生じさせると、水和・脱水を繰り返し行っても水和時の反応速度の低下を抑制することができる。これは、水和率を所定の範囲とすることによって、蓄熱体に含まれる化学蓄熱材の潮解の可能性や、蓄熱体と蓄熱体貯蔵容器との間の熱的接触の低下が抑制されるためと考えられる。
[1. 化学蓄熱装置]
図1に、本発明の一実施の形態に係る化学蓄熱装置の概略構成図を示す。図1において、化学蓄熱装置10は、蓄熱体貯蔵容器20と、熱注入装置32と、熱抽出装置34と、水貯蔵容器40と、水蒸気供給・排出装置50と、第1温度測定装置62と、第2温度測定装置64と、制御装置70とを備えている。
蓄熱体貯蔵容器20は、化学蓄熱材を含む蓄熱体22を貯蔵するための容器である。蓄熱体貯蔵容器20は、水蒸気供給・排出装置50を介して、水貯蔵容器40に接続されている。また、蓄熱体貯蔵容器20は、密閉可能になっている。
蓄熱体貯蔵容器20の形状、材質等は、特に限定されるものではなく、蓄熱体22の脱水反応及び水和反応、並びに、蓄熱体22への熱の注入及び蓄熱体22からの熱の抽出が可能なものであれば良い。
(1)CaO(Ca(OH)2)、BaO(Ba(OH)2)、MgO(Mg(OH)2)などのアルカリ土類金属の酸化物又は水酸化物、
(2)NiO(Ni(OH)2)、CoO(Co(OH)2)、Co2O3(Co(OH)3)、CuO(Cu(OH)2)などの遷移金属の酸化物又は水酸化物、
(3)Al2O3(Al(OH)3)などの典型金属の酸化物又は水酸化物、
などがある。これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは2種以上を組み合わせて用いても良い。
次の(1)式に、化学蓄熱材の一種であるCaOの脱水・水和反応を示す。
CaO+H2O ⇔ Ca(OH)2 ・・・(1)
CaOの水和反応は発熱反応であり、Ca(OH)2の脱水反応は吸熱反応である。しかも、水和反応及び脱水反応は可逆的であるので、熱の注入及び抽出を繰り返し行うことができる。
第3成分としては、具体的には、
(1)セピオライト、パリゴルスカイト、ベントナイトなどの粘土鉱物、
(2)ハイドロタルサイト、ハイドロカルマイトなどの層状複水酸化物、
(3)粘土鉱物と層状複水酸化物との組み合わせ、
などがある。
これに対し、化学蓄熱材と粘土鉱物とを複合化させると、脱水及び水和を繰り返し行っても化学蓄熱材の反応率の低下を抑制することができる。これは、化学蓄熱材の一次粒子の間に粘土鉱物を分散させることによって化学蓄熱材が補強され、化学蓄熱材の微粉化が抑制されるためと考えられる。
同様に、粘土鉱物に代えて又はこれに加えて、化学蓄熱材と層状複水酸化物とを複合化させると、脱水及び水和を繰り返し行っても化学蓄熱材の反応率の低下を抑制することができる。これは、その両面に水酸基を有する層状複水酸化物と化学蓄熱材とを複合化させると、化学蓄熱材と層状複水酸化物とが水酸基を介して結合し、化学蓄熱材の微粉化が抑制されるためと考えられる。
蓄熱体22の充填方法としては、具体的には、
(1)蓄熱体22の粉末をそのまま蓄熱体貯蔵容器20に充填する方法、
(2)蓄熱体22の成形体を蓄熱体貯蔵容器20に充填する方法、
(3)蓄熱体22の成形体を加熱し、粒子を部分的に焼結させた多孔質の焼結体を蓄熱体貯蔵容器20に充填する方法、
(4)蓄熱体22の粉末、成形体、又は多孔質の焼結体を多孔質のカプセルに封入し、カプセルを蓄熱体貯蔵容器20に充填する方法、
などがある。
熱注入装置32は、蓄熱体貯蔵容器20に収容された蓄熱体22に熱を注入するためのものである。熱抽出装置34は、蓄熱体貯蔵容器20に収容された蓄熱体22から放出される熱を抽出し、負荷(図示せず)に供給するためのものである。熱注入装置32及び熱抽出装置34は、いずれも蓄熱体貯蔵容器20に取り付けられる。
熱注入装置32及び熱抽出装置34は、特に限定されるものではなく、蓄熱体22への熱の注入及び蓄熱体22からの熱の抽出が可能なものであればよい。通常、蓄熱体貯蔵容器20に熱交換器、伝熱壁などを設け、熱交換媒体(空気、水蒸気など)を介して熱の注入及び抽出を行う。
(1)工場や自動車のエンジンなどから排出される排熱、
(2)太陽熱、
などがある。
また、熱抽出装置34を介して抽出される熱の供給先(負荷)としては、例えば、
(1)自動車のエンジン、燃料電池、バッテリーなどを加熱し、寒冷地におけるこれらの始動を補助するための補助装置、
(2)給湯装置、暖房装置、
などがある。
水貯蔵容器40は、蓄熱体22から放出され、又は蓄熱体22に供給するための水42を貯蔵するための容器である。水貯蔵容器40は、水蒸気供給・排出装置50を介して、蓄熱体貯蔵容器20に接続されている。また、水貯蔵容器40は、密閉可能になっている。
水貯蔵容器40及び蓄熱体貯蔵容器20の内部圧力が常圧近傍となる条件下で化学蓄熱装置10を使用する場合、水貯蔵容器40は、水42を加熱し、水蒸気の発生を補助する加熱装置を備えているのが好ましい。
一方、水貯蔵容器40及び蓄熱体貯蔵容器20の内部圧力が大気圧より低い条件下で化学蓄熱装置10を使用する場合、水の沸点が低下し、常温でも所定量の水蒸気が発生する。そのため、このような場合には水42を加熱するための加熱装置は必ずしも必要ではない。
水蒸気供給・排出装置50は、蓄熱体貯蔵容器20と水貯蔵容器40との間で水蒸気の授受を行うための装置である。
図1に示す例において、水蒸気供給・排出装置50は、蓄熱体貯蔵容器20と水貯蔵容器40を連結する配管52と、配管52を開閉するための開閉バルブ54とを備えている。蓄熱体貯蔵容器20及び水貯蔵容器40は、いずれも密閉可能になっている。そのため、所定のタイミングで開閉バルブ54を開閉するだけで、蓄熱体22からの水蒸気の放出及び停止、並びに、水貯蔵容器40から蓄熱体22への水蒸気の供給及び停止を行うことができる。
なお、蓄熱体22を繰り返し使用するためには、蓄熱体22と水蒸気(気体)とを反応させることが好ましい。しかしながら、蓄熱体22の繰り返し使用に支障がない限りにおいて、水蒸気供給・排出装置50から供給される水蒸気に水滴が含まれていても良い。
第1温度測定装置62は、蓄熱体貯蔵容器20に貯蔵された蓄熱体22の温度を測定するための装置である。また、第2温度測定装置64は、水貯蔵容器40に貯蔵された水42の温度を測定するための装置である。
第1温度測定装置62は、蓄熱体22の温度を直接測定するものでも良く、あるいは、蓄熱体貯蔵容器20の外壁、伝熱壁等の温度を測定することによって蓄熱体22の温度を間接的に測定するものでも良い。
同様に、第2温度測定装置64は、水42の温度を直接測定するものでも良く、あるいは、水貯蔵容器40の外壁等の温度を測定することによって水42の温度を間接的に測定するものでも良い。
制御装置70は、第1温度測定装置62により測定される蓄熱体22の温度、及び第2温度測定装置64により測定される水42の温度に応じて、水蒸気供給・排出装置50を制御するための装置である。本発明に係る化学蓄熱装置10において、制御装置70は、脱水率調節手段及び/又は水和率調節手段を備えている。蓄熱体22の劣化を抑制し、脱水・水和反応を複数回繰り返しても高い蓄熱量を維持するためには、制御装置70は、脱水率調節手段と水和率調節手段の双方を備えているのが好ましい。
脱水率が小さすぎると、蓄熱体22への蓄熱量が少なくなり、効率が低下する。従って、脱水率は、80%以上である必要がある。
一方、脱水率が大きすぎると、蓄熱体22に含まれる化学蓄熱材が劣化し、耐久性が低下する。従って、脱水率は、90wt%以下である必要がある。
水和率が小さすぎると、蓄熱体22から抽出される熱量が少なくなり、効率が低下する。従って、水和率は、85%以上である必要がある。
一方、水和率が大きすぎると、蓄熱体22に含まれる化学蓄熱材が劣化し、耐久性が低下する。従って、水和率は、95%以下である必要がある。
そのため、水の蒸気圧−反応率−蓄熱体温度の関係を予め制御装置70に記憶させておき、第1温度測定装置62及び第2温度測定装置64を用いて蓄熱体22及び水42の温度をモニターしながら、開閉バルブ54の開閉操作を行うと、脱水率及び水和率を任意に制御することができる。
蓄熱体22に熱を蓄熱する場合、熱注入装置32を介して、熱源(図示せず)から蓄熱体22に熱を注入する。この状態から開閉バルブ54を開にすると、蓄熱体22に含まれる化学蓄熱材の脱水反応が起こる。脱水反応により生じた水蒸気は、配管52を通って水貯蔵容器40に運ばれ、凝縮して水42となる。脱水反応がある程度進行したところで、開閉バルブ54を閉にすると、蓄熱体22の脱水反応が停止する。
一方、蓄熱体22から熱を抽出する場合、まず開閉バルブ54を開にする。開閉バルブ54が開になると、水貯蔵容器40の温度及び圧力に応じた水蒸気が発生し、発生した水蒸気が配管52を通って、蓄熱体貯蔵容器20に供給される。蓄熱体貯蔵容器20に供給された水蒸気は、蓄熱体22に含まれる化学蓄熱材と水和反応し、その際に反応熱を放出する。放出された反応熱は、熱抽出装置34を介して、負荷(図示せず)に供給される。
すなわち、脱水率が所定の範囲となるように脱水反応を生じさせると、水和・脱水を繰り返し行っても脱水時の反応速度の低下を抑制することができる。これは、脱水率を所定の範囲とすることによって、蓄熱体22の焼結が抑制されるためと考えられる。
また、水和率が所定の範囲となるように水和反応を生じさせると、水和・脱水を繰り返し行っても水和時の反応速度の低下を抑制することができる。これは、水和率を所定の範囲とすることによって、蓄熱体22に含まれる化学蓄熱材の潮解の可能性や、蓄熱体22と蓄熱体貯蔵容器20との間の熱的接触の低下が抑制されるためと考えられる。
[1. 試料の作製]
Ca(OH)2を混練しながら水を導入し、スラリーを作製した。このスラリーを成形し、ブロック状の蓄熱体を得た。これを図1に示す化学蓄熱装置10の蓄熱体貯蔵容器20に挿入した。
[2. 試験方法]
化学蓄熱装置10内において、蓄熱体22の脱水・水和サイクルを繰り返した。脱水反応は、450℃において、脱水率が予め定められた値となるまで行った。水和反応は、200℃において、水和率が予め定められた値となるまで行った。蓄熱体22の反応率は、熱重量法により測定した。
表1に、蓄熱体のサイクル特性を示す。
脱水率を86%、水和率を98%に固定してサイクル試験を行った場合(比較例1)、4サイクル目以降は、長時間保持しても脱水率及び水和率が既定値に到達しなかった。また、脱水・水和のサイクル数が多くなるほど、到達可能な脱水率及び水和率が低下した。これは、水和率が高すぎるために、蓄熱体の劣化が起こり、反応速度が低下したためと考えられる。
また、脱水率を95%、水和率を91%に固定してサイクル試験を行った場合(比較例2)、5サイクル目以降は、長時間保持しても脱水率及び水和率が既定値に到達しなかった。また、脱水・水和のサイクル数が多くなるほど、到達可能な脱水率及び水和率が低下した。これは、脱水率が高すぎるために、蓄熱体の劣化が起こり、反応速度が低下したためと考えられる。
(1)自動車のエンジン、燃料電池、バッテリーなどを加熱し、寒冷地におけるこれらの始動を補助するための補助装置、
(2)給湯装置、暖房装置、
などに利用することができる。
20 蓄熱体貯蔵容器
32 熱注入装置
34 熱抽出装置
40 水貯蔵容器
50 水蒸気供給・排出装置
62 第1温度測定装置
64 第2温度測定装置
70 制御装置
Claims (2)
- 以下の構成を備えた化学蓄熱装置。
(1)前記化学蓄熱装置は、
脱水・水和反応により吸熱・発熱を生ずる化学蓄熱材を含む蓄熱体を貯蔵するための蓄熱体貯蔵容器と、
前記蓄熱体に熱を注入するための熱注入装置と、
前記蓄熱体から放出される熱を抽出し、負荷に供給するための熱抽出装置と、
前記蓄熱体から放出され、又は前記蓄熱体に供給するための水を貯蔵する水貯蔵容器と、
前記蓄熱体貯蔵容器と前記水貯蔵容器との間で水蒸気の授受を行う水蒸気供給・排出装置と、
前記蓄熱体貯蔵容器に貯蔵された前記蓄熱体の温度を測定するための第1温度測定装置と、
前記水貯蔵容器に貯蔵された前記水の温度を測定するための第2温度測定装置と、
前記第1温度測定装置により測定される前記蓄熱体の温度、及び前記第2温度測定装置により測定される前記水の温度に応じて、前記水蒸気供給・排出装置を制御する制御装置と、
を備えている。
(2)前記制御装置は、
(a)前記化学蓄熱材の脱水率が80wt%以上90wt%以下であるときに前記蓄熱体貯蔵容器から前記水貯蔵容器への水蒸気の放出が停止されるように、前記水蒸気供給・排出装置を制御する脱水率調節手段、及び/又は、
(b)前記化学蓄熱材の水和率が85%以上95%以下であるときに前記水貯蔵容器から前記化学蓄熱材貯蔵容器への水蒸気の供給が停止されるように、前記水蒸気供給・排出装置を制御する水和率調節手段
を備えている。 - 前記化学蓄熱材は、CaO又はCa(OH)2である請求項1に記載の化学蓄熱装置。
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