JP2015227745A - 水素吸蔵型ヒートポンプ及び水素吸蔵型ヒートポンプシステム - Google Patents
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Abstract
Description
減圧分の圧力を単に廃棄せずに熱エネルギーとして有効利用できれば、高圧水素を水素源として利用する場合、新たな熱の利用機会が生まれ、水素利用におけるエネルギーの利用効率を飛躍的に改善することができる。
水素利用装置へ水素ガスを供給するにあたり、例えば水素ガスを圧縮して充填した高圧水素タンク等を使用する場合、水素利用装置への水素の供給前に、あるいは水素を一時的に所望の吸蔵材に吸蔵させておく場合はその吸蔵前に、利用に適した圧力まで減圧されるが、減圧で失われる圧力(減圧前の圧力との差圧)は無駄に棄てられていた。この差圧に相当する圧力を熱に変換して取り出すことができれば、エネルギーの有効利用に資する。
水素の吸蔵が可能な材料のうち、例えば水素吸蔵合金は、合金種によって水素吸蔵が行える圧力、いわゆる水素平衡圧が異なるという特質を有している。そのため、互いに水素平衡圧の異なる水素吸蔵合金は、それぞれ特有の平衡圧に見合う圧力下でそれぞれ水素を吸蔵し又は放出することができ、同時に、水素吸蔵合金は放熱(発熱)し又は吸熱する。つまり、水素の吸放出に合わせて熱の利用が期待できるのである。
上記に鑑み、本発明においては、水素ガスが圧縮されて充填された高圧水素タンク等から供給される水素ガスの圧力の高低に見合うように、高圧水素が供給される水素供給側から水素吸蔵が行える吸蔵圧力(水素吸蔵合金の場合は水素平衡圧)が小さくなる順序に並ぶように、吸蔵圧力の異なる複数の水素吸蔵材料を配列する。これにより、水素供給側の水素吸蔵材料では、比較的高圧の水素ガスを吸蔵し、吸蔵に伴う発熱により熱エネルギーが得られ、逆に吸蔵されている水素が放出される際には冷熱が期待できる。そして、供給される水素ガスの水素圧は、水素吸蔵材料の配列方向に徐々に低下する。水素吸蔵材料は吸蔵圧力が小さくなる順に配列されているので、低下した水素圧に見合う吸蔵圧力を有する水素吸蔵材料において水素の吸蔵と放出が繰り返され、複数の水素吸蔵材料のそれぞれにおいて温熱と冷熱とを多段的に取り出すことができるため、熱効率が高く、従来より多くの熱エネルギーを利用することが可能になる。
このように、水素供給側から水素ガスが流通して水素圧が低くなる下流側に向かって、水素を吸蔵する吸蔵圧力が順次低くなるように複数の水素吸蔵材料を配列することで、高圧水素の圧力を効率的に熱に変換し、熱エネルギーとして効率良く取り出すことが可能になる。
水素ガスが圧縮されて貯蔵された水素貯蔵手段と、水素貯蔵手段から供給された水素ガスを流通する水素流通管と、水素流通管に設けられ、水素吸蔵する吸蔵圧力が互いに異なりかつ前記吸蔵圧力が前記水素貯蔵手段から水素ガス流通方向に向かって低くなる順に配列された複数の水素吸蔵材料と、水素吸蔵材料間の水素流通管に配置され、水素ガスの流通量を切り替える切替弁と、を設けて構成されたものである。
また、吸蔵圧力の異なる複数の水素吸蔵材料が水素流通方向に配列されていることで、水素放出して冷熱生成しようとする場合に、水素吸蔵合金から水素を脱離しやすい。そのため、従来のような高温加熱によることなく、冷熱生成と温熱生成との切り替えを容易に行なえ、水素脱離のための加熱によるエネルギー損失も抑制される。つまり、下流側に配置された水素吸蔵材料の吸蔵圧力が上流側に配置された水素吸蔵材料より低く、圧力差が存在するので、この圧力差で水素が引っ張られることになり、上流側材料での水素放出が容易に進行し、冷熱及び温熱の生成が行ないやすい利点がある。
さらに、水素貯蔵手段における水素圧を、熱エネルギーではなくガス圧力として複数の水素吸蔵合金へ輸送するため、複数の水素吸蔵合金に送られるまでに生じやすいエネルギー損失を最小化でき、高いエネルギー効率を実現することができる。
具体的には、水素吸蔵材料として水素吸蔵合金を用い、複数の水素吸蔵合金が、吸蔵圧力である水素平衡圧が水素貯蔵手段から水素ガス流通方向に向かって低くなる順に配列されている態様が好ましい。
このような配列において、例えば、水素貯蔵手段からみて奇数番目(1,3,5・・・番目)の位置にある水素吸蔵材料は、水素ガスを脱離し、偶数番目(2,4,6・・・番目)の位置にある水素吸蔵材料は、水素ガスを吸蔵する態様に構成することができる。この場合、奇数番目の位置にある水素吸蔵材料では吸熱反応により冷熱が得られ、偶数番目の位置にある水素吸蔵材料では発熱反応により温熱が得られることになる。その後は、逆に奇数番目の位置にある水素吸蔵材料で水素ガスを吸蔵し、偶数番目の位置にある水素吸蔵材料で水素ガスを脱離することで、奇数番目の位置にある水素吸蔵材料では発熱反応により温熱が得られ、偶数番目の位置にある水素吸蔵材料では吸熱反応により冷熱が得られることになる。つまり、複数の水素吸蔵材料が配列された水素流通管が単一である場合は、配列されている各水素吸蔵材料から、断続的に発熱と冷熱が得られる。
複数の水素吸蔵材料が配列された水素流通管が複数配置されていることで、水素流通管間において、水素貯蔵手段からみて同じ配置位置にある水素吸蔵材料で発熱と吸熱とを交互に行うことで、温熱と冷熱とを連続的に生成することが可能になる。
配列された複数の水素吸蔵材料では、1つおきに水素吸蔵に伴う発熱により温熱が得られ、水素吸蔵する水素吸蔵材料の間の水素吸蔵材料で水素を放出(脱離)し、水素放出に伴う吸熱により冷熱が得られる。個々の水素流通管に配列されている各水素吸蔵材料から交互に温熱と冷熱とが得られる。
このように、水素流通管間において、水素貯蔵手段側から水素の吸放出機能が互いに異なる順に開始される構成にすることで、単一のヒートポンプで発熱と冷熱とを連続的に得ることができる。
例えば、第1の水素流通管及び第2の水素流通管の2つの水素流通管を設けて構成される場合、第1の水素流通管において、水素貯蔵手段側から奇数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを脱離し、偶数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを吸蔵する場合、第2の水素流通管において、水素貯蔵手段側から奇数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを吸蔵し、水素貯蔵手段側から偶数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを脱離する構成にすることができる。
水素吸蔵材料では、水素吸蔵時の熱量と、水素放出(脱離)時の熱量と、は異なるため、それぞれの水素吸蔵材料に2つの熱源が接続されていることで、熱エネルギーの損失を小さく抑えることができる。
また、温熱が供給される第2の熱源としては、例えば、大気環境と熱交換する熱交換器が挙げられる。この熱交換器を温熱利用装置(例えば加熱装置、温調装置(エアコンなど))と接続することで、温熱を利用に供することができる。
第2の熱源より低温側である第1の熱源の温度域において、水素吸蔵材料の水素吸蔵能が高いことで、水素吸蔵を行いやすい。また、第1の熱源より高温側である第2の熱源の温度域において、水素吸蔵材料の水素放出能が高いことで、水素を脱離しやすい。したがって、水素の利用がより容易に行える。
また、水素流通管43には、第1の反応器群20と同様に、水素吸蔵合金31を有する第1反応器と、水素吸蔵合金33を有する第2反応器と、水素吸蔵合金35を有する第3反応器と、水素吸蔵合金37を有する第4反応器と、を含む4つの反応器が直列に配列された第2の反応器群30が接続されている。
貯蔵されている水素を供給する場合、タンクより供給される水素ガスは高圧であるため、利用に適した水素圧まで減圧する必要がある。本発明では、このような高圧水素を使用する場合に生じる圧力損失を、熱エネルギーとして取り出し、エネルギーの利用効率を高めようとするものである。
第1の反応器群20における4つの水素吸蔵合金は、後述する第1熱源及び第2熱源における温度(すなわち水素の利用温度)において、水素平衡圧[Pa]が「水素吸蔵合金21>水素吸蔵合金23>水素吸蔵合金25>水素吸蔵合金27」の順に、高圧水素タンク15側から低くなる関係を有している。
水素吸蔵合金の具体例としては、TiCrMn,Ti1.05CrMn,Ti1.1CrMn,Ti1.3Cr1.2Mn0.8,Ti1.3Cr0.4Mn1.6,Ti1.1Cr0.7Mn1.3,Ti1.2Cr0.8Mn1.6,Ti1.2CrMn,TiCrMn0.7Fe0.2V0.1,Ti1.2Cr1.9Mn0.1,Ti1.2Cr1.4Mn0.6,Ti0.8Zr0.2Cr0.7Fe1.2V0.1,Ti0.7Zr0.3Mn0.8CrCu0.2,TiMn1.5,Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5などが挙げられる。
また、水素貯蔵手段に最も遠い位置に配置される水素吸蔵合金の水素平衡圧は、水素利用装置での利用を考慮し、少なくとも0.1MPaより高いことが望ましい。
また、分岐配管61,62,63,64には、それぞれ、切替バルブV31,V32,V33,V34が取り付けられている。切替バルブV31〜V34は、それぞれ、分岐配管によって接続される水素吸蔵合金での水素の吸蔵又は脱離の別に応じて切替えられる。切替バルブV31〜V34の切替えにより、上記と同様に、水素吸蔵時は反応器を第1の熱源(第1熱源131,133,135,137)に接続し、水素放出時は反応器を第2の熱源(第2熱源132,134,136,138)に接続する。
よって、本実施形態においては、第1熱源の温度t1で水素吸蔵する吸蔵圧力p1と、第2熱源の温度t2で水素吸蔵する吸蔵圧力p2と、はp1=p2の関係を満たしている。
第1熱源の温度t1℃としては、例えば、冷房利用時の車両室内の温度等である。
第2熱源の温度t2℃としては、例えば、冷房利用時の車両室外の温度等である。
本実施形態の水素吸蔵型ヒートポンプ10は、電源がオンされて水素利用装置15からの水素要求があった場合、図3に示されるように、水素流通管43の切替バルブV11,V13,V15を開き、さらに水素流通管41の切替バルブV2,V4を開く。このとき、水素流通管43に取り付けられた切替バルブV12,V14、及び水素流通管41に取り付けられた切替バルブV1,V3,V5は、閉状態のままである。
これと同様にして、第2反応器から第3反応器への水素ガスの供給は、水素吸蔵合金33の水素平衡圧と水素吸蔵合金35の水素平衡圧との圧力差によって、同温度条件下、水素吸蔵合金33から水素が容易に脱離し、脱離した中圧水素は水素平衡圧のさらに低い水素吸蔵合金35に引っ張られ、水素吸蔵合金35において容易に吸蔵される。
また、第4反応器から水素利用装置への水素ガスの供給も、上記と同様に、水素吸蔵合金37の水素平衡圧と水素利用装置での水素利用圧力(すなわり大気圧)との間の圧力差によって、同温度条件下、水素吸蔵合金37から水素が容易に脱離し、脱離した低圧水素は大気圧下にある水素利用装置へ容易に供給されることになる。
また、第3反応器から第4反応器への水素ガスの供給も同様に、水素吸蔵合金25の水素平衡圧と水素吸蔵合金27の水素平衡圧との間の圧力差によって、水素吸蔵合金25から水素が容易に脱離し、脱離した中圧水素ガスは水素平衡圧のさらに低い水素吸蔵合金27に引っ張られ、水素吸蔵合金27において容易に吸蔵される。
総冷熱量Qc[kJ]=(ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4)×A
総温熱量Qh[kJ]=(ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4)×A
したがって、反応器数(すなわち水素吸蔵合金の配列数)iに応じた大きい熱エネルギーを取り出すことが可能である。
また、第4反応器から水素利用装置への水素ガスの供給も、上記と同様に、水素吸蔵合金27の水素平衡圧と水素利用装置での水素利用圧力(すなわり大気圧)との間の圧力差によって、同温度条件下、水素吸蔵合金27から水素が容易に脱離し、水素利用装置での利用に供されることになる。
総冷熱量Qc[kJ]=(ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4)×A
総温熱量Qh[kJ]=(ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4)×A
このとき同時に、第2の反応器群30の第2反応器及び第4反応器では冷熱生成され、第2反応器及び第4反応器で冷熱生成する場合、第1の反応器群20の第2反応器及び第4反応器では温熱が生成される。逆に、第2の反応器群30の第2反応器及び第4反応器で温熱生成する場合は、第1の反応器群20の第2反応器及び第4反応器で冷熱が生成される。
これにより、既述の実施形態より大きい温熱及び冷熱を取り出すことができる。
15・・・高圧水素タンク
21,23,25,27,31,33,35,37・・・水素吸蔵合金
41,43・・・水素流通管
50・・・水素利用装置
100・・・水素吸蔵型ヒートポンプシステム
V1〜V5,V11〜V15・・・切替バルブ
Claims (12)
- 水素ガスが圧縮されて貯蔵された水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段から供給された水素ガスを流通する水素流通管と、
前記水素流通管に設けられ、水素吸蔵する吸蔵圧力が互いに異なりかつ前記吸蔵圧力が前記水素貯蔵手段から水素ガス流通方向に向かって低くなる順に配列された複数の水素吸蔵材料と、
前記水素吸蔵材料間の前記水素流通管に配置され、水素ガスの流通量を切り替える切替弁と、
を備えた水素吸蔵型ヒートポンプ。 - 前記水素吸蔵材料が、繊維状炭素材料又は水素吸蔵合金である請求項1に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 前記水素吸蔵材料が水素吸蔵合金であり、複数の水素吸蔵合金は、前記吸蔵圧力である水素平衡圧が前記水素貯蔵手段から水素ガス流通方向に向かって低くなる順に配列されている請求項1に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 複数の前記水素流通管を備え、
複数の水素流通管のそれぞれに、水素吸蔵する吸蔵圧力が互いに異なりかつ吸蔵圧力が前記水素貯蔵手段から水素ガス流通方向に向かって低くなる順に配列された複数の水素吸蔵材料が設けられている、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。 - 前記複数の水素流通管のそれぞれに配列された複数の水素吸蔵材料において、水素貯蔵手段からそれぞれ第m番目(m≧1)の位置にある水素吸蔵材料は、互いに同一の水素吸蔵材料である請求項4に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 前記複数の水素流通管のそれぞれに配列された複数の水素吸蔵材料は、各水素流通管の水素ガス流通方向において、水素ガスの脱離と、水素ガスの吸蔵と、を交互に行う請求項4又は請求項5に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 前記複数の水素流通管のうち、
奇数番目の位置にある水素流通管では、複数の水素吸蔵材料が、水素貯蔵手段側から水素ガス流通方向に水素ガスの脱離と水素ガスの吸蔵とをこの順に交互に行い、かつ
偶数番目の位置にある水素流通管では、複数の水素吸蔵材料が、水素貯蔵手段側から水素ガス流通方向に水素ガスの吸蔵と水素ガスの脱離とをこの順に交互に行う、請求項4〜請求項6のいずれか1項に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。 - 前記水素流通管として第1の水素流通管及び第2の水素流通管を備え、
前記第1の水素流通管において、水素貯蔵手段側から奇数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを脱離し、偶数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを吸蔵する場合、前記第2の水素流通管において、水素貯蔵手段側から奇数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを吸蔵し、水素貯蔵手段側から偶数番目の位置にある水素吸蔵材料が水素ガスを脱離する請求項4〜請求項7のいずれか1項に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。 - 水素吸蔵材料が水素を脱離する場合に該水素吸蔵材料と熱的に接続されて、水素吸蔵材料からの冷熱を回収し、冷熱利用装置で冷熱を利用するための第1の熱源と、
水素吸蔵材料が水素を吸蔵する場合に該水素吸蔵材料と熱的に接続されて、水素吸蔵材料からの温熱を回収し、温熱利用装置で温熱を利用するための第2の熱源と、
を更に備えた請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。 - 前記第1の熱源の温度t1(℃)、及び前記第2の熱源の温度t2(℃)は、温度t1≦温度t2の関係を満たす、請求項9に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 前記第1の熱源の温度で水素吸蔵する吸蔵圧力p1、及び前記第2の熱源の温度で水素吸蔵する吸蔵圧力p2は、p1≧p2の関係を満たす、請求項10に記載の水素吸蔵型ヒートポンプ。
- 請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の水素吸蔵型ヒートポンプと、
前記水素吸蔵型ヒートポンプの水素流通管に接続され、減圧された水素ガスが供給される水素利用装置と、
を備えた水素吸蔵型ヒートポンプシステム。
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