JP2021107744A - 熱利用システムおよび発熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用した新規な熱利用システムおよび発熱装置を提供する。【解決手段】熱利用システム１０は、水素系ガスが供給される密閉容器１５と、密閉容器１５に収容されており、水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を有する発熱構造体２０と、発熱体の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置１２とを備える。発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、台座に設けられた多層膜とを有する。多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱利用システムおよび発熱装置に関する。
近年、水素吸蔵金属などを用いて水素の吸蔵と放出とを行うことにより熱が発生する発熱現象が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。水素は、水から生成できるため、資源としては無尽蔵で安価であり、かつ、二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しないのでクリーンなエネルギーとされている。また、水素吸蔵金属などを用いた発熱現象は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。水素の吸蔵と放出とにより発生する熱は、そのまま熱として利用する他、電力に変換して利用することもできるので、有効な熱エネルギー源として期待される。
しかしながら、熱エネルギー源の主流は依然として火力発電や原子力発電である。したがって、環境問題やエネルギー問題の観点から、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用する、従来にない新規な熱利用システムおよび発熱装置が望まれている。
そこで、本発明は、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用した新規な熱利用システムおよび発熱装置を提供することを目的とする。
本発明の熱利用システムは、水素系ガスが供給される密閉容器と、前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を有する発熱構造体と、前記発熱体の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置とを備え、前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
本発明の発熱装置は、水素系ガスが供給される密閉容器と、前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する複数の発熱体が放射状に配置された発熱構造体と、を備え、前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
本発明の別の熱利用システムは、水素系ガスが供給される密閉容器と、前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を有する発熱構造体と、燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させる燃焼装置と、前記発熱体の熱を利用して前記燃焼用空気を予熱する熱利用装置とを備え、前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
本発明によれば、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を熱エネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
第１実施形態の熱利用システムの概略図である。 発熱モジュールの構造を示す斜視図である。 発熱モジュールの構造を示す断面図である。 第１層と第２層とを有する発熱体の構造を示す断面図である。 過剰熱の発生を説明するための説明図である。 第１層と第２層と第３層とを有する発熱体の断面図である。 第１層と第２層と第３層と第４層とを有する発熱体の断面図である。 多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係を示すグラフである。 多層膜の積層数と過剰熱の関係を示すグラフである。 多層膜の材料と過剰熱の関係を示すグラフである。 発熱体の配置の一例を説明するための説明図である。 筒状の発熱体を示す概略図である。 疎巻で巻回した渦巻き状の発熱体を示す概略図である。 熱利用装置の一例を説明するための説明図である。 第２実施形態の熱利用システムを備える火力発電プラントの構成を示す概略図である。 発熱装置と熱利用装置の構成を模式的に示す透視斜視図である。 水素系ガスの供給と排気とを繰り返し行うように構成された発熱装置を説明するための説明図である。 燃焼用空気を循環させるように構成された熱利用システムを説明するための説明図である。 第３実施形態の熱利用システムの構成を示す概略図である。 二酸化炭素分離回収装置の構成を説明するための説明図である。 第４実施形態の熱利用システムの構成を示す概略図である。 フィンを有する密閉容器の斜視図である。 フィンを有する密閉容器の容器本体を径方向に切断した断面図である。 フィンを有する密閉容器の容器本体を径方向と直交する方向に切断した断面図である。 伝熱支持部を有する密閉容器の断面図である。 伝熱支持部を有する密閉容器の容器本体を径方向に切断した断面図である。 平板型の発熱体ユニットを厚み方向と直交する方向に切断した断面図である。 平板型の発熱体ユニットを厚み方向に切断した断面図である。 平板型の発熱体ユニットを格納容器に格納した状態を示す説明図である。 複数のリブにより形成されたフィンを有する密閉容器の平面図である。 複数のリブにより形成されたフィンを有する密閉容器の側面図である。
１．第１実施形態
図１に示すように、熱利用システム１０は、発熱装置１１と熱利用装置１２とを備える。熱利用システム１０は、後述する熱媒体を発熱装置１１の熱により加熱し、加熱された熱媒体を熱源として熱利用装置１２を作動させる。
発熱装置１１は、密閉容器１５と、ガス排気部１６と、ガス供給部１７と、発熱モジュール１８と、制御部１９とを備える。
密閉容器１５は、中空の容器であり、内部に発熱モジュール１８を収容する。密閉容器１５は、例えばステンレスなどで形成される。密閉容器１５は、後述する排気用配管１６ｂと接続する排気口１５ａと、後述する供給用配管１７ｂと接続する供給口１５ｂとを有する。密閉容器１５は、例えば、筒状に形成された容器本体（図示なし）と、容器本体の上端に設けられた上蓋（図示なし）と、容器本体の下端に設けられた下蓋（図示なし）とにより形成されている。この例では、排気口１５ａは上蓋に形成され、供給口１５ｂは下蓋に形成されている。容器本体と上蓋と下蓋との内面により、密閉容器１５の内部に空間が形成される。密閉容器１５には、供給用配管１７ｂと供給口１５ｂを介して後述する水素系ガスが供給される。
ガス排気部１６は、密閉容器１５の内部を真空排気する。ガス排気部１６は、真空ポンプ１６ａと、排気用配管１６ｂと、排気用バルブ１６ｃとを有する。真空ポンプ１６ａは、例えば、ターボ分子ポンプとドライポンプとにより形成される。排気用配管１６ｂは、真空ポンプ１６ａと密閉容器１５とを接続する。排気用配管１６ｂは、密閉容器１５の内部のガスを真空ポンプ１６ａへ流通させる。排気用バルブ１６ｃは、排気用配管１６ｂに設けられる。排気用バルブ１６ｃは、排気用配管１６ｂを流通するガスの流量を調整する。真空ポンプ１６ａと排気用バルブ１６ｃは、制御部１９と電気的に接続している。ガス排気部１６の排気速度は、例えばターボ分子ポンプの回転数を調整することで制御可能とされている。
ガス供給部１７は、密閉容器１５の内部に水素系ガスを供給する。ガス供給部１７は、ガスボンベ１７ａと、供給用配管１７ｂと、供給用バルブ１７ｃとを有する。ガスボンベ１７ａは、水素系ガスを高圧で貯蔵する容器である。供給用配管１７ｂは、ガスボンベ１７ａと密閉容器１５とを接続する。供給用配管１７ｂは、ガスボンベ１７ａに貯蔵された水素系ガスを密閉容器１５へ流通させる。供給用バルブ１７ｃは、供給用配管１７ｂに設けられる。供給用バルブ１７ｃは、供給用配管１７ｂを流通する水素系ガスの流量を調整する。供給用バルブ１７ｃは、制御部１９と電気的に接続している。水素系ガスは、水素の同位体を含むガスである。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスとの少なくともいずれかが用いられる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素の混合物、すなわち、軽水素の存在比が９９．９８５％であり、重水素の存在比が０．０１５％である混合物を含む。以降の説明において、軽水素と重水素とを区別しない場合には「水素」と記載する。
発熱モジュール１８は、密閉容器１５に収容されている。発熱モジュール１８は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を含む発熱構造体２０と、発熱構造体２０を加熱するヒータ２１とを有し、発熱構造体２０が水素系ガスに含まれる水素を吸蔵し、ヒータ２１により加熱されることで、ヒータ２１の加熱温度以上の熱（以下、過剰熱と称する）を発生する。発熱モジュール１８は、過剰熱によって、後述する熱媒体を例えば５０℃以上１５００℃以下の範囲内の温度とする。この例では、発熱モジュール１８は、熱媒体を１５００℃に加熱する。発熱モジュール１８は、発熱構造体２０とヒータ２１とをそれぞれ１個以上有していればよい。発熱モジュール１８は、少なくとも１つの発熱構造体２０を有するものであり、発熱構造体２０の数を適宜変更可能である。本実施形態では、発熱モジュール１８は、３個の発熱構造体２０と１個のヒータ２１とを有する。発熱モジュール１８の詳細な構造については別の図面を用いて後述する。
発熱構造体２０は、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向に複数配列されている。密閉容器１５の内部における「水素系ガスが流れる方向」とは、水素系ガスの主流が流れる方向であり、例えば、密閉容器１５の供給口１５ｂから排気口１５ａへ向かう方向、すなわち密閉容器１５の下方から上方へ向かう方向である。各発熱構造体２０は、互いに隙間を空けて配置されている。
発熱構造体２０には温度センサ２２（図１および図３参照）が設けられている。温度センサ２２は、発熱構造体２０のそれぞれに設けられている。温度センサ２２は、対応する発熱構造体２０の温度を検出する。３個の発熱構造体２０のうち、下段の発熱構造体２０は、供給口１５ｂから供給される熱媒体と接触するので、最も低温とされる。中段の発熱構造体２０は、下段の発熱構造体２０を通過することにより加熱された熱媒体と接触するので、下段の発熱構造体２０よりも高温とされる。上段の発熱構造体２０は、中段の発熱構造体２０を通過することによりさらに加熱された熱媒体と接触するので、中段の発熱構造体２０よりも高温とされる。すなわち、各段の発熱構造体２０は、下段、中段、上段の順に、低温、中温、高温とされる。温度センサ２２としては、例えば熱電対が用いられる。温度センサ２２は、制御部１９と電気的に接続しており、検出した温度に対応する信号を制御部１９に出力する。
ヒータ２１は、筒状に形成された電気炉である。この例では、ヒータ２１は、円筒状とされている。ヒータ２１の内面により形成される空間には発熱構造体２０が配置される。ヒータ２１は、電源２３と接続しており、電源２３から電力が入力されることにより駆動する。電源２３は、制御部１９と電気的に接続している。ヒータ２１の加熱温度は、例えば、３００℃以上であることが好ましく、５００℃以上であることがより好ましく、６００℃以上であることがさらに好ましい。
ヒータ２１には温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、ヒータ２１の温度を検出する。温度センサ２４としては、例えば熱電対が用いられる。温度センサ２４は、制御部１９と電気的に接続しており、検出した温度に対応する信号を制御部１９に出力する。
制御部１９は、熱利用システム１０の各部の動作を制御する。制御部１９は、例えば、演算装置（Central Processing Unit）、読み出し専用メモリ（Read Only Memory）やランダムアクセスメモリ（Random Access Memory）などの記憶部などを主に備えている。演算装置では、例えば、記憶部に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。
制御部１９は、真空ポンプ１６ａ、排気用バルブ１６ｃ、供給用バルブ１７ｃ、電源２３、温度センサ２４、温度センサ２２と電気的に接続している。制御部１９は、例えば、温度センサ２２により検出される発熱構造体２０の温度に基づいて、ヒータ２１の入力電力、水素系ガスの供給量、密閉容器１５の圧力などを調整することにより、過剰熱の出力の制御を行う。
上記の構成を有する発熱装置１１は、密閉容器１５の内部への水素系ガスの供給を行うことにより水素系ガスに含まれる水素を発熱構造体２０に吸蔵させ、密閉容器１５の内部の真空排気と発熱構造体２０の加熱とを行うことにより発熱構造体２０に吸蔵されている水素を放出させることにより、過剰熱を発生する。すなわち、発熱装置１１を用いた発熱方法は、密閉容器１５の内部への水素系ガスの供給を行うことにより水素系ガスに含まれる水素を発熱構造体２０に吸蔵させる水素吸蔵工程と、密閉容器１５の内部の真空排気と発熱構造体２０の加熱とを行うことにより発熱構造体２０に吸蔵されている水素を放出させる水素放出工程とを有する。実際には、水素吸蔵工程と水素放出工程とが繰り返し行われる。なお、水素吸蔵工程では、密閉容器１５の内部への水素系ガスの供給を行う前に、発熱構造体２０の加熱を行うことにより、発熱構造体２０に付着している水などを除去してもよい。水素放出工程では、例えば密閉容器１５の内部への水素系ガスの供給を停止した後、真空排気と加熱とが行われる。
熱利用装置１２は、発熱構造体２０の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用する。熱媒体としては、気体または液体を用いることができ、熱伝導率に優れかつ化学的に安定したものが好ましい。気体としては、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素などが用いられる。液体としては、例えば、水、溶融塩（KNO3（40％）-NaNO3（60％）など）、液体金属（Pbなど）などが用いられる。また、熱媒体として、気体または液体に固体粒子を分散させた混相の熱媒体を用いてもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、合金、セラミックスなどである。金属としては、銅、ニッケル、チタン、コバルトなどが用いられる。金属化合物としては、上記金属の酸化物、窒化物、ケイ化物などが用いられる。合金としては、ステンレス、クロムモリブデン鋼などが用いられる。セラミックスとしては、アルミナなどが用いられる。この例では、熱媒体としてヘリウムガスが用いられる。
熱利用装置１２は、格納容器３１と、熱媒体流通部３２と、ガスタービン３３と、蒸気発生器３４と、蒸気タービン３５と、スターリングエンジン３６と、熱電変換器３７とを備える。熱利用装置１２は、図１では、ガスタービン３３、蒸気発生器３４、蒸気タービン３５、スターリングエンジン３６、および熱電変換器３７を有しているが、これらを任意に組み合わせて構成してもよい。
格納容器３１は、中空の容器であり、内部に発熱装置１１の密閉容器１５を格納する。格納容器３１は、例えばセラミックス、ステンレスなどにより形成される。格納容器３１の材料は、断熱性に優れるものが好ましい。格納容器３１は、熱媒体が流出する流出口３１ａと、熱媒体が流入する流入口３１ｂとを有する。流入口３１ｂから流入した熱媒体は、格納容器３１の内面と密閉容器１５の外面とにより形成された隙間を通り、流出口３１ａから流出する。
熱媒体流通部３２は、格納容器３１の内部と外部との間で熱媒体を流通させる。熱媒体流通部３２は、本実施形態では、格納容器３１とガスタービン３３とを接続する第１配管３２ａと、ガスタービン３３と蒸気発生器３４とを接続する第２配管３２ｂと、蒸気発生器３４とスターリングエンジン３６とを接続する第３配管３２ｃと、スターリングエンジン３６と格納容器３１とを接続する第４配管３２ｄと、格納容器３１から第１配管３２ａへ熱媒体を流出させるポンプ３２ｅと、格納容器３１から第１配管３２ａへ流出する熱媒体の流量を調整する熱媒体流量制御部３２ｆとを有する。ポンプ３２ｅと熱媒体流量制御部３２ｆは、この例では第１配管３２ａに設けられている。ポンプ３２ｅとしては、例えばメタルベローズポンプが用いられる。熱媒体流量制御部３２ｆは、調整弁として例えばバリアブルリークバルブを有する。
格納容器３１から流出した熱媒体は、第１配管３２ａ、第２配管３２ｂ、第３配管３２ｃ、第４配管３２ｄの順に流れ、格納容器３１へ戻る。すなわち、熱媒体流通部３２は、格納容器３１の内部と外部との間で熱媒体が循環する熱媒体循環ラインとして機能する。格納容器３１の内部で発熱装置１１により加熱された熱媒体は、熱媒体循環ラインを流れ、ガスタービン３３、蒸気発生器３４、スターリングエンジン３６、熱電変換器３７を順に介して冷却される。冷却された熱媒体は、格納容器３１に流入し、発熱装置１１により再び加熱される。
ガスタービン３３は、格納容器３１から流出した熱媒体によって駆動する。ガスタービン３３に供給される熱媒体の温度は、例えば、６００℃以上１５００℃以下の範囲内であることが好ましい。ガスタービン３３は、圧縮機３３ａとタービン３３ｂとを有する。圧縮機３３ａとタービン３３ｂとは、図示しない回転軸によって連結されている。圧縮機３３ａは、発熱構造体２０により加熱されたヘリウムガスを圧縮することで、高温かつ高圧の熱媒体を生成する。タービン３３ｂは、圧縮機３３ａを通過した熱媒体によって、回転軸を中心として回転する。
ガスタービン３３は、発電機３８と接続している。発電機３８は、ガスタービン３３の回転軸と連結しており、タービン３３ｂが回転することで発電を行う。
蒸気発生器３４は、ガスタービン３３から流出した熱媒体の熱によって蒸気を発生させる。蒸気発生器３４は、内部配管３４ａと熱交換部３４ｂとを有する。内部配管３４ａは、第２配管３２ｂと第３配管３２ｃとを接続し、熱媒体を流通させる。熱交換部３４ｂは、缶水が流通する配管により形成されており、この配管を流通する缶水と内部配管３４ａを流通する熱媒体との間で熱交換を行う。この熱交換により、蒸気発生器３４は、缶水から蒸気を生成する。
蒸気発生器３４は、蒸気配管３４ｃおよび給水配管３４ｄを介して、蒸気タービン３５と接続している。蒸気配管３４ｃは、熱交換部３４ｂで発生した蒸気を蒸気タービン３５へ供給する。給水配管３４ｄは、図示しない復水器と給水ポンプとを有し、蒸気タービン３５から排出された蒸気を復水器によって冷却して缶水に戻し、この缶水を給水ポンプによって熱交換部３４ｂへ送る。
蒸気タービン３５は、蒸気発生器３４で発生した蒸気によって駆動する。蒸気タービン３５に供給される蒸気の温度は、例えば３００℃以上７００℃以下の範囲内であることが好ましい。蒸気タービン３５は、図示しない回転軸を有し、この回転軸を中心として回転する。
蒸気タービン３５は、発電機３９と接続している。発電機３９は、蒸気タービン３５の回転軸と連結しており、蒸気タービン３５が回転することで発電を行う。
スターリングエンジン３６は、蒸気発生器３４から流出した熱媒体によって駆動する。スターリングエンジン３６に供給される熱媒体の温度は、例えば、３００℃以上１０００℃以下の範囲内であることが好ましい。スターリングエンジン３６は、この例では、ディスプレーサ型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン３６は、シリンダ部３６ａと、ディスプレーサピストン３６ｂと、パワーピストン３６ｃと、流路３６ｄと、クランク部３６ｅとを有する。
シリンダ部３６ａは、筒状に形成されており、一端が閉塞し、他端が開口している。ディスプレーサピストン３６ｂは、シリンダ部３６ａの内部に配置されている。パワーピストン３６ｃは、シリンダ部３６ａの内部において、ディスプレーサピストン３６ｂよりも他端側に配置されている。ディスプレーサピストン３６ｂとパワーピストン３６ｃは、シリンダ部３６ａの軸方向に往復動可能に設けられている。
シリンダ部３６ａの内部には、ディスプレーサピストン３６ｂによって仕切られた膨張空間４２と圧縮空間４３とが設けられている。膨張空間４２は、圧縮空間４３よりも、シリンダ部３６ａの一端側に設けられる。膨張空間４２と圧縮空間４３には作動流体が封入されている。作動流体としては、ヘリウムガス、水素系ガス、空気などが用いられる。この例では、作動流体としてヘリウムガスが用いられる。
流路３６ｄは、シリンダ部３６ａの外部に設けられており、膨張空間４２と圧縮空間４３とを接続する。流路３６ｄは、膨張空間４２と圧縮空間４３との間で作動流体を流通させる。
流路３６ｄは、高温部４５と、低温部４６と、再生器４７とを有する。膨張空間４２の作動流体は、高温部４５、再生器４７、低温部４６を順に通過して、圧縮空間４３へ流入する。圧縮空間４３の作動流体は、低温部４６、再生器４７、高温部４５を順に通過して、膨張空間４２へ流入する。
高温部４５は、作動流体を加熱するための熱交換器である。高温部４５の外部には伝熱管４８が設けられている。伝熱管４８は、第３配管３２ｃと第４配管３２ｄとを接続し、第３配管３２ｃから第４配管３２ｄへ熱媒体を流通させる。第３配管３２ｃから伝熱管４８へ熱媒体が流れることで、熱媒体の熱が高温部４５へ伝達し、高温部４５を通過する作動流体が加熱される。
低温部４６は、作動流体を冷却するための熱交換器である。低温部４６の外部には冷却管４９が設けられている。冷却管４９は、図示しない冷却媒体供給部と接続する。冷却管４９は、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体を流通させる。冷却管４９に冷却媒体が流れることで、低温部４６を通過する作動流体の熱が冷却媒体に奪われて、作動流体が冷却される。冷却媒体は、例えば水である。
再生器４７は、蓄熱用の熱交換器である。再生器４７は、高温部４５と低温部４６との間に設けられる。再生器４７は、作動流体が膨張空間４２から圧縮空間４３へ移動する際に、高温部４５を通過した作動流体から熱を受け取って蓄積する。また、再生器４７は、作動流体が圧縮空間４３から膨張空間４２へ移動する際に、低温部４６を通過した作動流体に対して、蓄積した熱を与える。
クランク部３６ｅは、シリンダ部３６ａの他端に設けられる。クランク部３６ｅは、例えば、クランクケースに回転可能に支持されたクランクシャフト、ディスプレーサピストン３６ｂと接続するロッド、パワーピストン３６ｃと接続するロッド、各ロッドとクランクシャフトとを連結する連結部材などを有し、ディスプレーサピストン３６ｂとパワーピストン３６ｃの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。
スターリングエンジン３６は、発電機４０と接続している。発電機４０は、スターリングエンジン３６のクランクシャフトと連結しており、クランクシャフトが回転することで発電を行う。
熱電変換器３７は、ゼーベック効果を利用して、第４配管３２ｄを流通する熱媒体の熱を電力に変換する。熱電変換器３７は、例えば３００℃以下の熱媒体により電力を発生する。熱電変換器３７は、筒状に形成されており、第４配管３２ｄの外周を覆うように設けられている。
熱電変換器３７は、内面に設けられた熱電変換モジュール３７ａと、外面に設けられた冷却部３７ｂとを有する。熱電変換モジュール３７ａは、第４配管３２ｄと対向する受熱基板、受熱基板に設けられた受熱側電極、冷却部３７ｂと対向する放熱基板、放熱基板に設けられた放熱側電極、ｐ型半導体により形成されたｐ型熱電素子、ｎ型半導体により形成されたｎ型熱電素子などを有する。この例では、熱電変換モジュール３７ａは、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが受熱側電極および放熱側電極により電気的に接続されている。また、熱電変換モジュール３７ａは、一端に配置されたｐ型熱電素子と他端に配置されたｎ型熱電素子とに対し、リードが放熱側電極を介して電気的に接続されている。冷却部３７ｂは、例えば、冷却水が流通する配管により形成される。これにより、熱電変換器３７は、内面と外面との間に生じる温度差に応じた電力を発生する。
図２および図３を用いて、発熱モジュール１８の構造を詳細に説明する。発熱モジュール１８は、発熱構造体２０とヒータ２１の他に、炉心管５０と軸部５１と支持部５２とを有する。炉心管５０は、筒状に形成されている。この例では、炉心管５０は円筒状とされている。炉心管５０は、例えば、ムライトやアルミナなどで形成される。炉心管５０は、ヒータ２１の内面により形成された空間に設けられている。炉心管５０の内部には発熱構造体２０が設けられている。
軸部５１は、筒状に形成されている。この例では、軸部５１は円筒状とされている。軸部５１は、例えば、一端が密閉容器１５の上蓋に固定され、他端が密閉容器１５の下蓋に固定される。軸部５１の内部には温度センサ２２が設けられている（図１および図３参照）。
支持部５２は、筒状に形成されている。この例では、支持部５２は円筒状とされている。支持部５２の内部には軸部５１が挿入される。本実施形態では、軸部５１の長手方向に沿って、４個の支持部５２が等間隔に配置されている。各支持部５２は、例えばねじ５３を用いて軸部５１に固定される。支持部５２は、発熱構造体２０を支持するためのものである。支持部５２を介して発熱構造体２０が軸部５１に固定される。
発熱構造体２０は、水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体５５と、発熱体５５を保持するホルダー５６と、外枠を形成するフレーム５７とを有する。発熱構造体２０は、少なくとも１つの発熱体５５を有するものであり、発熱体５５の数を適宜変更可能である。
発熱体５５は、板状に形成されている。この例では、発熱体５５は四角形状とされている。発熱体５５は、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向に沿って起立して配置される。これにより、例えば発熱構造体２０に吸蔵されている水素を放出させる際に、密閉容器１５の内部の水素系ガスは、発熱体５５に遮られることなく、供給口１５ｂから排気口１５ａへスムーズに流れる。
発熱体５５は、本実施形態では、軸部５１を中心として、放射状に複数配置されている。この例では、１６個の発熱体５５が用いられている。複数の発熱体５５は、ヒータ２１の熱と、隣接する発熱体５５の熱とにより加熱される。この結果、所定の温度を保つのに必要なヒータ２１の入力電源を低減させることができる。発熱体５５の詳細な構造については別の図面を用いて後述する。
ホルダー５６は、長手方向を有する棒状に形成されている。この例では、ホルダー５６は四角棒状とされている。ホルダー５６は、その長手方向が、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向と直交するように配置される。本実施形態では、複数のホルダー５６が軸部５１を中心として放射状に配置されている。ホルダー５６の長手方向における一端は、他端よりも、軸部５１から離れた位置に配置される。
ホルダー５６の表面には、ホルダー５６の長手方向に延びる溝６０が形成されている。溝６０には発熱体５５の縁部分が挿入される。この例では、溝６０は、ホルダー５６の他端から、ホルダー５６の一端に至る途中まで形成されている。すなわち、溝６０は、ホルダー５６の長手方向に貫通しておらず、ホルダー５６の一端側が行き止まりとなっている。このため、溝６０に挿入された発熱体５５は、ホルダー５６の一端側への移動が制限され、ホルダー５６から脱落することが防止される。
本実施形態では、密閉容器１５の内部を流れる水素系ガスの上流と下流とに配置された一対のホルダー５６により１個の発熱体５５を保持する。この例では、１６個の発熱体５５を保持するために１６対のホルダー５６が用いられている。一対のホルダー５６は、溝６０が形成された面同士が対面して配置されている。
フレーム５７は、ホルダー５６と連結される。本実施形態では、密閉容器１５の内部を流れる水素系ガスの上流と下流とに配置された一対のフレーム５７が、一対のホルダー５６と連結されている。フレーム５７は、内側フレーム５７ａと外側フレーム５７ｂとを有する。内側フレーム５７ａと外側フレーム５７ｂは、例えばねじ６１を用いてホルダー５６と連結される。
内側フレーム５７ａは、板状に形成されている。この例では、内側フレーム５７ａは円板状とされている。内側フレーム５７ａの中心には、軸部５１が挿入される開口６２が形成されている。開口６２は、例えば円形である。内側フレーム５７ａの開口６２の直径は、支持部５２の外径以下とされている。このため、内側フレーム５７ａは、開口６２に軸部５１が挿入された状態において、支持部５２の端部と接触し、軸部５１の長手方向への移動が制限される。
外側フレーム５７ｂは、枠状に形成されている。この例では、外側フレーム５７ｂは、リング状とされている。外側フレーム５７ｂは、内側フレーム５７ａよりも軸部５１から離れた位置に配置されており、内側フレーム５７ａとの間に隙間を形成する。外側フレーム５７ｂと内側フレーム５７ａとの間に形成された隙間には水素系ガスが流れる。これにより、密閉容器１５の内部の水素系ガスは、供給口１５ｂから排気口１５ａへスムーズに流れる。内側フレーム５７ａと外側フレーム５７ｂには、水素系ガスをよりスムーズに流すための開口を形成してもよい。
図４を用いて発熱体５５の詳細な構造について説明する。図４に示すように、発熱体５５は、台座６６と多層膜６７とを有する。
台座６６は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン導電体により形成される。水素吸蔵金属としては、例えば、Ni、Pd、V、Nb、Ta、Tiなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、例えば、LaNi5、CaCu5、MgZn2、ZrNi2、ZrCr2、TiFe、TiCo、Mg2Ni、Mg2Cuなどが用いられる。プロトン導電体としては、例えば、BaCeO3系（例えばBa(Ce0.95Y0.05)O3-6）、SrCeO3系（例えばSr(Ce0.95Y0.05)O3-6）、CaZrO3系（例えばCaZr0.95Y0.05O3-α）、SrZrO3系（例えばSrZr0.9Y0.1O3-α）、β Al2O3、β Ga2O3などが用いられる。
多層膜６７は、台座６６に設けられる。図４では台座６６の表面にのみ多層膜６７が設けられているが、多層膜６７は台座６６の両面に設けてもよい。本実施形態において、発熱構造体２０は、台座６６の両面に多層膜６７が設けられた発熱体５５を有する。なお、台座６６の表面にのみ多層膜６７が設けられた発熱体５５により発熱構造体２０を形成する場合は、２個の発熱体５５を、互いに台座６６を対面させて配置し、一対のホルダー５６により保持することが好ましい。これにより、発熱構造体２０の両面に各発熱体５５の多層膜６７が配置される。
多層膜６７は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される第１層７１と、第１層７１とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスにより形成される第２層７２とにより形成される。台座６６と第１層７１と第２層７２との間には、後述する異種物質界面７３が形成される。図４では、多層膜６７は、台座６６の表面に、第１層７１と第２層７２がこの順で交互に積層されている。第１層７１と第２層７２とは、それぞれ５層とされている。なお、第１層７１と第２層７２の各層の層数は適宜変更してもよい。多層膜６７は、台座６６の表面に、第２層７２と第１層７１がこの順で交互に積層されたものでもよい。多層膜６７は、第１層７１と第２層７２をそれぞれ１層以上有し、異種物質界面７３が１以上形成されていればよい。
第１層７１は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうち、いずれかにより形成される。第１層７１を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第１層７１を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第２層７２は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうち、いずれかにより形成される。第２層７２を形成する合金とは、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第２層７２を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第１層７１と第２層７２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１−第２層７２（第２層７２−第１層７１）」として表すと、Pd-Ni、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mg、Ni-Coであることが好ましい。第２層７２をセラミックスとした場合は、「第１層７１−第２層７２」が、Ni-SiCであることが好ましい。
図５に示すように、異種物質界面７３は水素原子を透過させる。図５は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成される第１層７１および第２層７２に水素を吸蔵させた後、第１層７１および第２層７２を加熱したときに、第１層７１における金属格子中の水素原子が、異種物質界面７３を透過して第２層７２の金属格子中に移動する様子を示した概略図である。
発熱体５５は、密閉容器１５に水素系ガスが供給されることで、台座６６および多層膜６７により水素を吸蔵する。発熱体５５は、密閉容器１５への水素系ガスの供給が停止されても、台座６６および多層膜６７で水素を吸蔵した状態を維持する。発熱体５５では、ヒータ２１により加熱が開始されると、台座６６および多層膜６７に吸蔵されている水素が放出され、多層膜６７の内部をホッピングしながら量子拡散する。水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。発熱体５５は、真空状態でヒータ２１により加熱が行われることで、異種物質界面７３を水素が量子拡散により透過して、ヒータ２１の加熱温度以上の過剰熱を発生させる。
第１層７１の厚みと第２層７２の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層７１と第２層７２の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜６７を透過し難くなる。また、第１層７１と第２層７２の各厚みが１０００ｎｍ未満であることにより、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。第１層７１と第２層７２の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層７１と第２層７２の各厚みが５００ｎｍ未満であることにより、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。
発熱体５５の製造方法の一例を説明する。発熱体５５は、板状の台座６６を準備し、蒸着装置を用いて、第１層７１や第２層７２となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態にして、凝集や吸着によって台座６６上に、第１層７１および第２層７２を交互に成膜することにより製造される。第１層７１および第２層７２を真空状態で連続的に成膜することが好ましい。これにより、第１層７１および第２層７２の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面７３のみが形成される。蒸着装置としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を物理的な方法で蒸着させる物理蒸着装置が用いられる。物理蒸着装置としては、スパッタリング装置、真空蒸着装置、ＣＶＤ（ChemicalVaporDeposition）装置が好ましい。また、電気めっき法により台座６６上に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させ、第１層７１および第２層７２を交互に成膜してもよい。
以上の発熱体５５は、水素を使用して発熱するので、二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しない。また、使用する水素は、水から生成できるため安価である。さらに、発熱体５５の発熱は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。したがって、熱利用システム１０および発熱装置１１は、発熱体５５を熱エネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
本発明は、上記第１実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
上記第１実施形態では、発熱体５５の多層膜６７は第１層７１と第２層７２とを有するが、多層膜６７の構造はこれに限定されない。
例えば、図６に示すように、発熱体７５において、台座６６に設けられた多層膜６７は、第１層７１と第２層７２に加え、第３層７７をさらに有する。第３層７７は、第１層７１および第２層７２とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成される。第３層７７の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図６では、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、台座６６の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、台座６６の表面に、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層されてもよい。すなわち、多層膜６７は、第２層７２と第３層７７の間に第１層７１を設けた積層構造とされている。多層膜６７は、第３層７７を１層以上有していればよい。第１層７１と第３層７７との間に形成される異種物質界面７８は、異種物質界面７３と同様に、水素原子を透過させる。発熱体７５は、発熱体５５の代わりに用いることができる。すなわち、発熱構造体２０は、発熱体７５を有するものでもよい。
第３層７７は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される。第３層７７を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第３層７７を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第３層７７は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第３層７７を有する発熱体７５は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７３、７８を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第３層７７は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜６７は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第３層７７は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層７１および第３層７７は、真空状態で連続的に成膜することが好ましい。これにより、第１層７１および第３層７７の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面７８のみが形成される。
第１層７１と第２層７２と第３層７７との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１−第３層７７−第２層７２」として表すと、Pd-CaO-Ni、Pd-Y2O3-Ni、Pd-TiC-Ni、Pd-LaB6-Ni、Ni-CaO-Cu、Ni-Y2O3-Cu、Ni-TiC-Cu、Ni-LaB6-Cu、Ni-Co-Cu、Ni-CaO-Cr、Ni-Y2O3-Cr、Ni-TiC-Cr、Ni-LaB6-Cr、Ni-CaO-Fe、Ni-Y2O3-Fe、Ni-TiC-Fe、Ni-LaB6-Fe、Ni-Cr-Fe、Ni-CaO-Mg、Ni-Y2O3-Mg、Ni-TiC-Mg、Ni-LaB6-Mg、Ni-CaO-Co、Ni-Y2O3-Co、Ni-TiC-Co、Ni-LaB6-Co、Ni-CaO-SiC、Ni-Y2O3-SiC、Ni-TiC-SiC、Ni-LaB6-SiCであることが好ましい。
発熱構造体２０は、発熱体５５または発熱体７５の代わりに、図７に示す発熱体８０を有するものでもよい。図７に示すように、発熱体８０において、台座６６に設けられた多層膜６７は、第１層７１と第２層７２と第３層７７に加え、第４層８２をさらに有する。第４層８２は、第１層７１、第２層７２および第３層７７とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成される。第４層８２の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図７では、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、台座６６の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第４層８２の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、台座６６の表面に、第１層７１、第４層８２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層してもよい。すなわち、多層膜６７は、第２層７２、第３層７７、第４層８２を任意の順に積層し、かつ、第２層７２、第３層７７、第４層８２のそれぞれの間に第１層７１を設けた積層構造とされている。多層膜６７は、第４層８２を１層以上有していればよい。第１層７１と第４層８２との間に形成される異種物質界面８３は、異種物質界面７３、７８と同様に、水素原子を透過させる。発熱体８０は、発熱体５５の代わりに用いることができる。すなわち、発熱構造体２０は、発熱体８０を有するものでもよい。
第４層８２は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される。第４層８２を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第４層８２を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第４層８２は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第４層８２を有する発熱体８０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７３、７８、８３を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第４層８２は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜６７は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6のいずれかにより形成される第４層８２は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層７１および第４層８２は、真空状態で連続的に成膜することが好ましい。これにより、第１層７１および第４層８２の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面８３のみが形成される。
第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１−第４層８２−第３層７７−第２層７２」として表すと、Ni-CaO-Cr-Fe、Ni-Y2O3-Cr-Fe、Ni-TiC-Cr-Fe、Ni-LaB6-Cr-Feであることが好ましい。
なお、多層膜６７の構成、例えば、各層の厚みの比率、各層の層数、材料は、使用される温度に応じて適宜変更してもよい。以下、「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」、「多層膜の積層数と過剰熱の関係」、および「多層膜の材料と過剰熱の関係」について説明した後に、温度に応じた多層膜６７の構成の一例を説明する。
まず「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」について説明する。Niからなる台座６６と、Cuからなる第１層７１とNiからなる第２層７２とにより形成された多層膜６７とを有する発熱体５５を用いて、第１層７１と第２層７２の厚みの比率と過剰熱の関係を調べた。以下、多層膜６７の各層の厚みの比率をNi:Cuと記載する。
Ni:Cu以外は同じ条件で多層膜６７を形成した８種の発熱体５５を作製し、実施例１〜８とした。なお、多層膜６７は台座６６の表面にのみ設けた。実施例１〜８の各発熱体５５のNi:Cuは、7:1、14:1、4.33:1、3:1、5:1、8:1、6:1、6.5:1である。実施例１〜８の各発熱体５５において、多層膜６７は、第１層７１と第２層７２との積層構成が繰り返し設けられている。実施例１〜８の各発熱体５５は、多層膜６７の積層構成の数（以下、多層膜の積層数と称する）を５とした。実施例１〜８の各発熱体５５は、多層膜６７全体の厚みをほぼ同じとした。多層膜６７の各層の厚みの比率と過剰熱の関係を調べる実験用の発熱装置（図示なし）を準備し、この実験用発熱装置に実施例１〜８の各発熱体５５を導入した。
実験用発熱装置について説明する。実験用発熱装置は、密閉容器と、密閉容器の内部に配置された２つの発熱体と、各発熱体を加熱するヒータとを備える。発熱体は板状に形成されている。ヒータは、板状に形成されたセラミックヒータであり、熱電対を内蔵する。ヒータは、２つの発熱体の間に設けられている。なお、２つの発熱体５５は、同じ構成のもの、すなわちNi:Cuが同じものを用いた。密閉容器は、水素系ガス供給路と排気経路とに接続している。水素系ガス供給路は、水素系ガスを貯留したガスボンベと密閉容器とを接続する。水素系ガス供給路には、ガスボンベに貯留された水素系ガスを密閉容器へ供給する供給量を調整するための調整弁などが設けられている。排気経路は、密閉容器の内部を真空排気するためのドライポンプと密閉容器とを接続する。排気経路には、ガスの排気量を調整するための調整弁などが設けられている。実験用発熱装置では、水素系ガスとして、軽水素ガス（沼田酸素社製 grade２ 純度99.999vol%以上）を用いた。
実施例１〜８の発熱体５５を実験用発熱装置の密閉容器の内部に設置し、水素吸蔵工程と水素放出工程とを繰り返し行った。すなわち、実験用発熱装置において、密閉容器の内部への水素系ガスの供給を行うことにより水素系ガスに含まれる水素を発熱体５５に吸蔵させる水素吸蔵工程と、密閉容器の内部の真空排気と発熱体５５の加熱とを行うことにより発熱体５５に吸蔵されている水素を放出させる水素放出工程とを繰り返し行った。水素吸蔵工程では、水素系ガスを５０Ｐａ程度で密閉容器の内部に供給した。発熱体５５に水素を吸蔵させる時間は６４時間程度とした。なお、水素吸蔵工程の前に、予め、ヒータにより密閉容器の内部を３６時間程度２００℃以上でベーキングし、発熱体５５の表面に付着した水などを除去した。水素放出工程では、ヒータの入力電力を、水素吸蔵工程を挟んで９Ｗ、１８Ｗ、２７Ｗとした。そして、ヒータに内蔵した熱電対により、各水素放出工程時の発熱体５５の温度を測定した。その結果を図８に示す。図８は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図８では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。ヒータ温度は、所定の入力電力における発熱体５５の温度である。図８では、実施例１を「Ni:Cu = 7:1」、実施例２を「Ni:Cu = 14:1」、実施例３を「Ni:Cu = 4.33:1」、実施例４を「Ni:Cu = 3:1」、実施例５を「Ni:Cu = 5:1」、実施例６を「Ni:Cu = 8:1」、実施例７を「Ni:Cu = 6:1」、実施例８を「Ni:Cu = 6.5:1」と表記した。
図８より、実施例１〜８の発熱体５５の全てにおいて過剰熱が発生することが確認できた。ヒータ温度が７００℃以上で実施例１〜８の発熱体５５を比較すると、実施例１が最も大きな過剰熱を発生することがわかる。実施例３の発熱体は、実施例１，２，４〜８の発熱体５５に比べて、ヒータ温度が３００℃以上１０００℃以下の広範囲にわたり過剰熱を発生することがわかる。多層膜６７のNi:Cuが3:1〜8:1である実施例１，３〜８の発熱体５５は、ヒータ温度が高くなるほど過剰熱が増大することがわかる。多層膜６７のNi:Cuが14:1である実施例２の発熱体５５は、ヒータ温度が８００℃以上で過剰熱が減少することがわかる。このように、NiとCuの比率に対して過剰熱が単純に増加していないのは、多層膜６７中の水素の量子効果に起因しているものと考えられる。
次に「多層膜の積層数と過剰熱の関係」について説明する。Niからなる台座６６と、Cuからなる第１層７１とNiからなる第２層７２とにより形成された多層膜６７とを有する発熱体５５を用いて、多層膜６７の積層数と過剰熱の関係を調べた。
実施例１の発熱体５５と積層数以外は同じ条件で製造した多層膜６７を有する８種の発熱体５５を作製し、実施例９〜１６とした。実施例１，９〜１６の各発熱体５５の多層膜６７の積層数は、５、３、７、６、８、９、１２、４、２である。
実施例１，９〜１６の各発熱体５５を実験用発熱装置の密閉容器の内部に設置した。実験用発熱装置は、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を調べるために用いた装置と同じである。実験用発熱装置において、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」と同様の方法により、水素放出工程時の発熱体５５の温度を測定した。その結果を図９に示す。図９は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図９では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。図９では、各層の厚みを基に、実施例１を「Ni0.875Cu0.125 5層」、実施例９を「Ni0.875Cu0.125 3層」、実施例１０を「Ni0.875Cu0.125 7層」、実施例１１を「Ni0.875Cu0.125 6層」、実施例１２を「Ni0.875Cu0.125 8層」、実施例１３を「Ni0.875Cu0.125 9層」、実施例１４を「Ni0.875Cu0.125 12層」、実施例１５を「Ni0.875Cu0.125 4層」、実施例１６を「Ni0.875Cu0.125 2層」と表記した。
図９より、実施例１，９〜１６の発熱体５５の全てにおいて過剰熱を発生することが確認できた。ヒータ温度が８４０℃以上で実施例１，９〜１６の発熱体５５を比較すると、過剰熱は、多層膜６７の積層数が６である実施例１１が最も大きく、多層膜６７の積層数が８である実施例１２が最も小さいことがわかる。このように、多層膜６７の積層数に対して過剰熱が単純に増加していないのは、多層膜６７中の水素の波動としての挙動の波長が、ナノメートルオーダーであり、多層膜６７と干渉しているためと考えられる。
次に「多層膜の材料と過剰熱の関係」について説明する。Niからなる第１層７１と、Cuからなる第２層７２と、第１層７１および第２層７２とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第３層７７とにより形成された多層膜６７を有する発熱体７５を用いて、第３層７７を形成する材料の種類と過剰熱の関係を調べた。
第３層７７を形成する材料の種類以外は同じ条件で多層膜６７を形成した９種の発熱体７５を作製し、実施例１７〜２５とした。実施例１７〜２５の各発熱体７５において、第３層７７を形成する材料の種類は、CaO、SiC、Y2O3、TiC、Co、LaB6、ZrC、TiB2、CaOZrOである。
実施例１７〜２５の各発熱体７５を実験用発熱装置の密閉容器の内部に設置した。実験用発熱装置は、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を調べるために用いた装置と同じである。実験用発熱装置において、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」と同様の方法により、水素放出工程時の発熱体７５の温度を測定した。その結果を図１０に示す。図１０は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図１０では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。図１０では、各層の厚みを基に、実施例１７を「Ni0.793CaO0.113Cu0.094」、実施例１８を「Ni0.793SiC0.113Cu0.094」、実施例１９を「Ni0.793Y2O30.113Cu0.094」、実施例２０を「Ni0.793TiC0.113Cu0.094」、実施例２１を「Ni0.793Co0.113Cu0.094」、実施例２２を「Ni0.793LaB60.113Cu0.094」、実施例２３を「Ni0.793ZrC0.113Cu0.094」、実施例２４を「Ni0.793TiB20.113Cu0.094」、実施例２５を「Ni0.793CaOZrO0.113Cu0.094」と表記した。
図１０より、実施例１７〜２５の発熱体７５の全てにおいて過剰熱を発生することが確認できた。特に、第３層７７を形成する材料がCaOである実施例１７、TiCである実施例２０、LaB6である実施例２２は、他の実施例１８，１９，２１，２３〜２５と比べて、ヒータ温度が４００℃以上１０００℃以下の広範囲にわたり過剰熱がほぼ線形的に増大することがわかる。実施例１７，２０，２２の第３層７７を形成する材料は、他の実施例１８，１９，２１，２３〜２５の材料よりも仕事関数が小さい。このことから、第３層７７を形成する材料の種類は、仕事関数が小さいものが好ましいことがわかる。これらの結果から、多層膜６７内の電子密度が過剰熱を発生する反応に寄与している可能性がある。
発熱構造体２０の温度に応じた多層膜６７の構造の一例を説明する。例えば図２及び図３に示す上段、中段、下段の発熱構造体２０について、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を考慮すると、低温（例えば５０℃以上５００℃以下の範囲内）とされる下段の発熱構造体２０は、多層膜６７の各層の厚みの比率が２：１以上５：１以下の範囲内であることが好ましい。中温（例えば５００℃以上８００℃以下の範囲内）とされる中段の発熱構造体２０は、多層膜６７の各層の厚みの比率が５：１以上６：１以下の範囲内であることが好ましい。高温（例えば８００℃以上１５００℃以下の範囲内）とされる上段の発熱構造体２０は、多層膜６７の各層の厚みの比率が６：１以上１２：１以下の範囲内であることが好ましい。
上記の「多層膜の積層数と過剰熱の関係」を考慮すると、低温、中温、高温とされる各発熱構造体２０は、多層膜６７の第１層７１が２層以上１８層以下の範囲内であり、第２層７２が２層以上１８層以下の範囲内であることが好ましい。
図２及び図３に示す上段、中段、下段の発熱構造体２０において発熱体５５の代わりに発熱体７５を用いた場合、上記の「多層膜の材料と過剰熱の関係」を考慮すると、低温とされる下段の発熱構造体２０は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がY2O3であることが好ましい。中温とされる中段の発熱構造体２０は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がTiCであることが好ましい。高温とされる上段の発熱構造体２０は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がCaOあるいはLaB6であることが好ましい。
上記第１実施形態では、発熱構造体２０は、複数の発熱体５５が放射状に配置された構成を有するが、発熱体５５の配置は適宜変更してもよい。
例えば、図１１に示すように、発熱体５５は、互いに隙間を空けて一列に複数配列される。この場合、ヒータ２１の形状を四角筒状とすることが好ましい。これにより省スペース化が図れる。複数の発熱体５５は、ヒータ２１の熱と、隣接する発熱体５５の熱とにより加熱される。これにより、所定の温度を保つのに必要なヒータ２１の入力電源を低減させることができる。
複数の発熱体５５の配列方向は、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向と垂直な方向であることが好ましい。この場合、複数の発熱体５５は、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向に沿って起立して配置される。これにより、例えば発熱構造体２０に吸蔵されている水素を放出させる際に、密閉容器１５の内部の水素系ガスは、発熱体５５に遮られることなく、供給口１５ｂから排気口１５ａへスムーズに流れる。
上記第１実施形態では、発熱体５５が板状に形成されているが、発熱体５５の形状は適宜変更してもよい。
例えば、図１２に示すように、発熱体８５は、筒状に形成される。図１２に示す発熱構造体２０は、発熱体５５の代わりに、発熱体８５を有する。図１２では円筒状の発熱体８５としているが、発熱体８５は角筒状としてもよい。発熱体８５を筒状とすることにより、水素系ガスは、ヒータ２１の内面と発熱体８５の外面との間に形成された隙間と、発熱体８５の内部とを流れる。発熱体８５の軸方向は、密閉容器１５の内部において水素系ガスが流れる方向と平行であることが好ましい。これにより、例えば発熱構造体２０に吸蔵されている水素を放出させる際に、密閉容器１５の内部の水素系ガスは、発熱体８５に遮られることなく、供給口１５ｂから排気口１５ａへスムーズに流れる。
図１３に示すように、発熱体８６は、疎巻で巻回した渦巻き状に形成されてもよい。図１３に示す発熱構造体２０は、発熱体５５の代わりに、発熱体８６を有する。発熱体８６を疎巻で巻回することにより、水素系ガスは、発熱体８６の内部に形成された隙間を流れる。発熱体８６の巻き数は適宜変更してもよい。例えば、発熱体８６の巻き数を増やすことにより、発熱体８６と水素系ガスとの接触面積が増えるので、過剰熱の高出力化が図れる。したがって、渦巻き状に形成された発熱体８６は、巻き数に応じて過剰熱の出力を調整することができる。
発熱体は、板状、筒状、渦巻き状に形成されたものに限られず、例えば、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成された粉体であってもよい。
上記第１実施形態では３個の発熱構造体２０を加熱するために１個のヒータ２１を用いているが、複数のヒータ２１を用いてもよい。例えば、３個のヒータ２１を用いて３個の発熱構造体２０をそれぞれ加熱する。この場合、制御部１９は、各発熱構造体２０に設けられた温度センサ２２が検出した温度に基づき、各ヒータ２１の入力電力をそれぞれ調整することにより、発熱構造体２０ごとに過剰熱の出力の制御を行ってもよい。例えば、制御部１９は、下段の発熱構造体２０に対応するヒータ２１の入力電力を大きくすることにより、下段の発熱構造体２０の過剰熱の出力を上げる。また、制御部１９は、上段の発熱構造体２０に対応するヒータ２１の入力電力を小さくすることにより、上段の発熱構造体２０の過剰熱の出力を下げる。これにより、複数の発熱構造体２０の全体の過剰熱の出力が制御される。
上記第１実施形態では、熱利用装置１２は、格納容器３１と、熱媒体流通部３２と、ガスタービン３３と、蒸気発生器３４と、蒸気タービン３５と、スターリングエンジン３６と、熱電変換器３７とを備えているが、熱利用装置１２の構成はこれに限定されない。例えば、熱媒体として水素系ガスを用いる場合は、熱利用装置１２は、熱媒体流通部３２を発熱装置１１の密閉容器１５と接続することにより、格納容器３１を省略することができる。
図１４に示すように、熱利用装置１２は、格納容器３１と、熱媒体流通部３２と、蒸気タービン３５とを備え、熱媒体として水を用いるものでもよい。なお、図１４では、発熱装置１１のガス排気部１６、ガス供給部１７、制御部１９などの図示を省略している。格納容器３１は、内部に水が供給される。格納容器３１の内部には、水面の上方に空間が形成されている。格納容器３１は、水と発熱構造体２０との間で熱交換を行うことにより、水を沸騰させて蒸気を生成する。熱媒体流通部３２は、第１配管３２ａ、第２配管３２ｂ、第３配管３２ｃ、第４配管３２ｄ、ポンプ３２ｅ、熱媒体流量制御部３２ｆの代わりに、蒸気配管３２ｇと給水配管３２ｈとを有する。蒸気配管３２ｇは、格納容器３１で生成された蒸気を蒸気タービン３５へ供給する。給水配管３２ｈは、図示しない復水器と給水ポンプを有し、蒸気タービン３５から排出された蒸気を復水器によって冷却して水に戻し、この水を給水ポンプによって格納容器３１へ送る。
熱利用装置１２は、格納容器３１と熱媒体流通部３２のみを備えるものでもよい。熱媒体流通部３２を流れる熱媒体は、種々の用途、例えば、家庭用暖房、家庭用給湯器、自動車用ヒータ、農業用暖房機、ロードヒータ、海水淡水化用熱源、地熱発電補助熱源などに用いられる。
ガスタービン３３は、上記第１実施形態では発電機３８と接続しており、発電のための動力とされているが、発電機３８と接続せずにモーターとして利用してもよい。同様に、蒸気タービン３５は、発電機３９と接続せずにモーターとして利用してもよい。スターリングエンジン３６は、発電機４０と接続せずにモーターとして利用してもよい。
２．第２実施形態
発熱体が発生する熱は、燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させる燃焼装置において、燃焼用空気を予熱するために利用することができる。燃焼装置としては、例えばボイラー、ロータリーキルン、金属の熱処理炉、金属加工用加熱炉、熱風炉、窯業用焼成炉、石油精製塔、乾留炉、乾燥炉などが挙げられる。以下、発熱体が発生する熱を利用して、燃焼装置としてのボイラーに供給される燃焼用空気を予熱する場合について説明する。
図１５は、熱利用システム９０を備える火力発電プラント９１の構成を示す概略図である。以下、火力発電プラント９１について説明する。
火力発電プラント９１は、ボイラー９２と、蒸気タービン３５と、発電機３９とを備える。火力発電プラント９１は、ボイラー９２で発生した蒸気が蒸気配管３４ｇを通って蒸気タービン３５へ供給され、この蒸気により蒸気タービン３５が回転することで、蒸気タービン３５の回転軸と接続した発電機３９が駆動して発電を行う。蒸気タービン３５を回転させた蒸気は、給水配管３４ｈに送られ、図示しない復水器により冷却されて水に戻される。復水器により生成された水は、図示しない給水ポンプによってボイラー９２へ送られる。
ボイラー９２は、燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させ、この熱により水から蒸気を発生させる。ボイラー９２は、火炉９３と、バーナー９４と、燃料供給ライン９５と、空気供給ライン９６とを備える。
火炉９３は、燃料と燃焼用空気とを反応させて燃焼させる筒状の中空体である。火炉９３は、例えば円筒形状や角筒形状などの種々の形状をとり得る。火炉９３には、給水配管３４ｈに設けられた給水ポンプ（図示なし）から水が供給される。
バーナー９４は、火炉９３外から火炉９３内に燃料と燃焼用空気とを供給可能に構成されている。バーナー９４は、火炉９３の下部に設けられている。バーナー９４は、燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスが有する熱によりボイラー９２内の水が蒸発し、高温高圧の蒸気が発生する。燃焼ガスは、火炉９３の上部に設けられた煙道９７を通って、排出ガスとして煙突９８から大気へ排出される。
燃料供給ライン９５は、バーナー９４に燃料を供給する。燃料としては、石炭、天然ガス、石油、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）などの化石燃料が用いられる。石炭は、予め粉化させた微粉炭である。天然ガスは、シェールガスなどであり、メタンハイドレートなどの天然ガス由来の燃料を含む。石油は、重油や軽油などである。燃料としてバイオマス（木質チップなど）を用いてもよい。なお、燃料として微粉炭を用いる場合は、燃料供給ライン９５は、微粉炭を空気などの搬送用ガスに混合させた混合ガスをバーナー９４に供給する。また、燃料として石炭や木質チップなどを使用する際には、流動床ボイラーや固定床ボイラー（ストーカー炉など）を用いる場合があり、この場合は、燃料を炉内に供給して、予熱空気のみをバーナーなどから吹き込むこともある。
空気供給ライン９６は、バーナー９４に燃焼用空気を供給する。空気供給ライン９６は、図示しない押込通風機などによりボイラー９２の外部から外気を取り込む。
空気供給ライン９６は、熱交換器９９を備える。熱交換器９９は、煙道９７に設けられている。熱交換器９９は、ボイラー９２の外部から空気供給ライン９６に取り込まれた外気と、煙道９７を流通する排出ガスとの熱交換を行う。熱交換器９９により、外気が予熱された予熱空気が生成される。熱交換器９９で生成された予熱空気は、後述する熱利用装置１０２に供給される。
次に、熱利用システム９０について説明する。熱利用システム９０は、発熱装置１０１と、上記のボイラー９２と、熱利用装置１０２とを備える。熱利用システム９０は、発熱装置１０１の発熱体１０５（図１６参照）が発生する熱を利用して、熱利用装置１０２に供給された予熱空気を加熱する。
図１６に示すように、発熱装置１０１は、複数の発熱体ユニット１０３を備える。図１６は、発熱装置１０１と熱利用装置１０２の構成を模式的に示す透視斜視図である。図１６では、１つの発熱体ユニット１０３の一部を切り欠いて、その内部を図示している。各発熱体ユニット１０３は、互いに隙間をあけて配置されている。各発熱体ユニット１０３は、図示しない支持体に着脱自在に支持されている。発熱体ユニット１０３の数は特に限定されず、所望とする出力が得られるように適宜変更することができる。図１６では９つの発熱体ユニット１０３が用いられている。
発熱体ユニット１０３は、水素系ガスが供給される密閉容器１０４と、密閉容器１０４に収容されており、水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１０５を有する発熱構造体１０６とを備える。
密閉容器１０４は、筒状の中空体である。密閉容器１０４は、例えば円筒形状や角筒形状などの種々の形状をとり得る。密閉容器１０４は、この例では円筒形状である。密閉容器１０４内には複数の発熱構造体１０６が配列されている。
発熱体１０５は、例えば、発熱体５５（図４参照）、発熱体８５（図１２参照）、発熱体８６（図１３参照）と同じ構成とすることができる。発熱体１０５の形状は、この例では、発熱体５５と同様に板状である。複数の発熱体１０５が放射状に配置され、発熱構造体１０６が構成されている。
発熱体１０５は、密閉容器１０４内の水素系ガスに含まれる水素を吸蔵する。発熱体１０５は、当該発熱体１０５の温度と熱利用装置１０２に供給される予熱空気の温度との温度差により、吸蔵された水素が移動することで発熱する。例えば、熱利用装置１０２の作動開始時において、発熱体１０５の温度が常温（例えば２５℃）、熱利用装置１０２に供給される予熱空気の温度が例えば２５０℃である場合、発熱体１０５と予熱空気との間に温度差が生じるので、発熱体１０５の発熱が開始する。その後、発熱体１０５が例えば５００℃〜８００℃まで昇温し、昇温した発熱体１０５と予熱空気との間に温度差が生じることで、発熱体１０５の発熱が持続される。このように、発熱装置１０１は、水素系ガスの供給と排気とを繰り返し行うことなく、当該発熱体１０５と予熱空気との温度差により熱を発生する。
熱利用装置１０２は、発熱装置１０１を収容するケース１０８と、熱交換器９９と接続する空気入口１０９と、バーナー９４と接続する空気出口１１０とを有する。熱交換器９９で生成された予熱空気は、空気入口１０９からケース１０８内に供給され、発熱体ユニット１０３同士の間に形成された隙間を通過する際に発熱体１０５の熱により加熱される。発熱体１０５により加熱された予熱空気は、燃焼用空気として空気出口１１０から排出される。このように、熱利用装置１０２は、発熱体１０５の熱を利用して燃焼用空気を予熱する空気予熱器として機能する。
以上のように、熱利用システム９０は、火力発電プラント９１に適用され、発熱体１０５の熱を利用して燃焼用空気を予熱するので、ボイラー９２の燃焼効率が上がり、使用する燃料を削減できる。
熱利用システム９０では、各発熱体ユニット１０３が着脱自在とされているので、各発熱体ユニット１０３を個別に交換することができる。このため、発熱しなくなった発熱体ユニット１０３を取り外し、新しい発熱体ユニット１０３と交換することで、発熱装置１０１の発熱を安定化させることができる。また、各発熱体ユニット１０３を全て同時に交換することもできる。
発熱装置１０１は、水素系ガスの供給と排気とが繰り返し行われるように構成してもよい。図１７に示すように、発熱装置１０１は、複数の発熱体ユニット１０３に加え、各密閉容器１０４と接続した水素系ガス供給排気ヘッダー１２０と、水素系ガス供給排気ヘッダー１２０と接続した水素管１２１とをさらに備える。水素管１２１は、図示しないガス供給部およびガス排気部と接続している。ガス供給部は、水素系ガス供給排気ヘッダー１２０と水素管１２１とを介して、密閉容器１０４の内部に水素系ガスを供給する。ガス排気部は、水素系ガス供給排気ヘッダー１２０と水素管１２１とを介して、密閉容器１０４の内部を真空排気する。水素系ガスの供給と排気とを繰り返し行うことにより、発熱体１０５を確実に発熱させることができる。
図１６に示す発熱体ユニット１０３の構造は一例である。すなわち、発熱体ユニット１０３は、複数の発熱体１０５が放射状に配置された発熱構造体１０６を備える場合に限られない。複数の発熱体１０５の配置は、放射状に限られず適宜変更することができる。
熱利用システム９０は、熱利用装置１０２から排出された燃焼用空気を循環させるように構成してもよい。図１８に示すように、熱利用システム９０は、燃焼用空気を循環させる燃焼用空気循環ライン１２５と、燃焼用空気循環ライン１２５に設けられた流量可変循環ファン１２６と、流量可変循環ファン１２６を駆動し、燃焼用空気の循環流量を制御する循環流量制御部１２７とをさらに備える。
空気供給ライン９６には、熱利用装置１０２に供給される燃焼用空気の温度を測定する温度センサ１２８と、熱利用装置１０２から排出された燃焼用空気の温度を測定する温度センサ１２９とが設けられている。熱利用装置１０２には、発熱体１０５の温度、または発熱体ユニット１０３のうち、発熱体１０５の温度を推定できる特定の部分の温度を測定する温度センサ１３０が設けられている。循環流量制御部１２７は、温度センサ１２８〜１３０と電気的に接続し、温度センサ１２８〜１３０が検出した温度に基づいて流量可変循環ファン１２６を駆動することにより、燃焼用空気の循環流量を制御する。
例えば、循環流量制御部１２７は、発熱体１０５の温度が所定温度を超えた場合に燃焼用空気の循環流量を増大させることにより、発熱体１０５の温度を低下させる。また、循環流量制御部１２７は、発熱体１０５の温度が所定温度以下である場合に燃焼用空気の循環流量を減少させることにより、発熱体１０５の温度を上昇させる。
空気供給ライン９６や燃焼用空気循環ライン１２５に燃焼用空気の流量を測定する流量センサ（図示なし）を設け、燃焼用空気の温度と流量とに基づいて、燃焼用空気の循環流量を制御してもよい。
空気供給ライン９６には、燃焼用空気を加熱する加熱器（図示なし）を設けてもよい。加熱器により、発熱体１０５の温度を上昇させることができる。発熱体１０５は、所定の温度まで上昇することにより発熱が開始する。上記の加熱器は、例えば熱利用システム９０の運転開始時や発熱体１０５の温度が低下した際に作動される。
熱利用装置１０２は、発熱体１０５の熱を利用して、熱交換器９９で生成された予熱空気を加熱する場合に限られない。例えば、熱利用装置１０２は、ボイラー９２の外部から空気供給ライン９６に取り込まれた外気を加熱してもよい。この場合は、熱交換器９９を設けずに、発熱体１０５の熱により加熱された外気を燃焼用空気として使用してもよい。
燃焼用空気は、排出ガスが混合したものでもよい。例えば、煙道９７を分岐させて空気供給ライン９６に接続し、排出ガスを再循環させることで、燃焼用空気に排出ガスを混合させることができる。熱利用装置１０２は、排出ガスが混合された燃焼用空気を予熱してもよい。
熱利用装置１０２は、燃焼装置としてのボイラー９２に使用される燃焼用空気を予熱することに加え、または代えて、蒸気タービン３５を回転させ、図示しない復水器により生成された水を予熱してもよい。予熱された水がボイラー９２に戻されることにより、ボイラー９２の燃焼効率が上がり、使用する燃料を削減できる。
３．第３実施形態
上記第２実施形態のボイラー９２などの燃焼装置から排出される排出ガスは、通常、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む。排出ガスからＣＯ２を回収する技術として、二酸化炭素回収貯留（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が知られている。ＣＣＳは、排出ガスからＣＯ２を分離して回収し、回収したＣＯ２を地中などに貯留することによって大気中へのＣＯ２排出を削減する技術である。ＣＯ２を回収する手法としては、例えば、化学吸収法や物理吸着法が挙げられる。化学吸収法は、排出ガスに含まれるＣＯ２をアミン化合物水溶液などの吸収液に吸収させ、ＣＯ２を吸収した吸収液を加熱することで吸収液からＣＯ２を放出させる。物理吸着法は、排出ガスに含まれるＣＯ２を活性炭やゼオライトなどの吸着材に吸着させ、ＣＯ２が吸着した吸着材を加熱することで吸着材からＣＯ２を脱離させる。
第３実施形態では、化学吸収法においてＣＯ２を吸収した吸収液を加熱する熱源として、発熱体が発生する熱により加熱された熱媒体を利用する。以下、化学吸収法を行う場合について説明するが、発熱体が発生する熱により加熱された熱媒体は、物理吸着法においてＣＯ２が吸着した吸着材を加熱する熱源として利用することもできる。
図１９に示すように、熱利用システム１４０は、発熱装置１０１（図１６参照）と、ボイラー１４２と、二酸化炭素分離回収装置１４３とを備える。発熱装置１０１は、第２実施形態と同じ構成を有するので説明を省略する。
ボイラー１４２は、燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させる燃焼装置の一例である。ボイラー１４２から排出される排出ガスには二酸化炭素（ＣＯ２）が含まれる。ボイラー１４２は、例えば、上記第２実施形態のボイラー９２と同じ構成とすることができる。
二酸化炭素分離回収装置１４３は、発熱装置１０１の発熱体１０５（図１６参照）の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用して、燃焼装置としてのボイラー１４２から排出された排出ガスに含まれるＣＯ２を分離して回収する。この例では、ＣＯ２を回収する方式として、化学吸収法を行う場合について説明する。
図２０に示すように、二酸化炭素分離回収装置１４３は、吸収塔１４５と、再生塔１４６と、リボイラー１４７とを備える。吸収塔１４５は、ボイラー１４２から排出された排出ガスに含まれるＣＯ２を吸収液に吸収させる吸収部１４８を有する。吸収塔１４５は、吸収部１４８でＣＯ２を吸収した吸収液を再生塔１４６へ供給する。ＣＯ２を吸収した吸収液をリッチ液という。図２０では、リッチ液に符号１４９を付している。再生塔１４６は、吸収塔１４５から供給された吸収液からＣＯ２を放出させて、吸収液を再生する再生部１５０を有する。再生塔１４６は、再生部１５０でＣＯ２を放出した吸収液を吸収塔１４５へ供給する。ＣＯ２を放出した吸収液をリーン液という。図２０では、リーン液に符号１５１を付している。
二酸化炭素分離回収装置１４３は、吸収塔１４５から再生塔１４６へリッチ液１４９が送られ、再生塔１４６から吸収塔１４５へリーン液１５１が返送される。このように、二酸化炭素分離回収装置１４３は、吸収液が循環するように構成されている。図示していないが、吸収塔１４５と再生塔１４６との間には、リッチ液１４９を吸収塔１４５から再生塔１４６へ送るためのリッチ液送出ポンプや、リーン液１５１を再生塔１４６から吸収塔１４５へ送るためのリーン液送出ポンプなどが設けられている。
吸収塔１４５は、再生塔１４６から供給されたリーン液１５１を出すリーン液供給ノズル１５２をさらに有する。リーン液供給ノズル１５２は、吸収部１４８の上方に設けられており、リーン液１５１を吸収部１４８へ向けて落下させる。
吸収塔１４５の吸収部１４８の下部には、ボイラー１４２からＣＯ２を含む排出ガスが供給される。吸収塔１４５に供給された排出ガスは、吸収部１４８へ向かって上昇する。
吸収部１４８では、ＣＯ２を含む排出ガスとリーン液１５１とが接触する。吸収部１４８は、排出ガスに含まれているＣＯ２をリーン液１５１に吸収させることで、リーン液１５１をリッチ液１４９とする。リッチ液１４９は、吸収塔１４５の底部から排出され、再生塔１４６へ供給される。リーン液１５１と接触した排ガスは、ＣＯ２が除去される。ＣＯ２除去後の排出ガスは、吸収塔１４５の頂部から大気へ排出される。
再生塔１４６は、吸収塔１４５から供給されたリッチ液１４９を出すリッチ液供給ノズル１５３をさらに有する。リッチ液供給ノズル１５３は、再生部１５０の上方に設けられており、リッチ液１４９を再生部１５０へ向けて落下させる。
リボイラー１４７は、再生塔１４６と連結している。リボイラー１４７は、再生塔１４６内のリーン液１５１を加熱し、リーン液１５１を蒸発させた吸収液蒸気１５４を生成する。
リボイラー１４７は、発熱装置１０１を格納する格納容器１４７ａと、格納容器１４７ａの内部と外部との間で熱媒体を流通させる熱媒体流通部１４７ｂとを有する。熱媒体は、格納容器１４７ａの内面と、発熱装置１０１の密閉容器１０４（図１６参照）の外面とにより形成された隙間を通ることにより加熱される。リボイラー１４７は、発熱装置１０１の発熱体１０５（図１６参照）の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用することで、リーン液１５１を加熱する。
熱媒体流通部１４７ｂには、図示していないが、流量可変ファンと流量制御部とが設けられている。リボイラー１４７は、流量制御部により流量可変ファンを駆動し、熱媒体の流量を制御することで、熱媒体が所定の温度となるように調整する。この例では、リーン液１５１が蒸発して吸収液蒸気１５４となるように、熱媒体の温度が調整される。
リボイラー１４７で生成された吸収液蒸気１５４は、再生塔１４６の再生部１５０の下部に供給される。再生塔１４６に供給された吸収液蒸気１５４は、再生部１５０へ向かって上昇する。
再生部１５０では、吸収液蒸気１５４とリッチ液１４９とが接触する。再生部１５０は、吸収液蒸気１５４によりリッチ液１４９を加熱し、リッチ液１４９からＣＯ２を放出させることで、リッチ液１４９をリーン液１５１とする。すなわち、リッチ液１４９がリーン液１５１に再生される。リーン液１５１は、再生塔１４６の底部から排出され、一部が吸収塔１４５へ供給され、残りの一部がリボイラー１４７へ供給される。リッチ液１４９と接触した吸収液蒸気１５４は、リッチ液１４９から放出したＣＯ２とともに再生塔１４６の頂部から排出される。
吸収塔１４５と再生塔１４６との間には熱交換器１５５が設けられている。熱交換器１５５は、吸収塔１４５から再生塔１４６へ供給されるリッチ液１４９と、再生塔１４６から吸収塔１４５へ供給されるリーン液１５１との熱交換を行う。これにより、リッチ液１４９が加熱され、リーン液１５１が冷却される。
二酸化炭素分離回収装置１４３は、例えば図示しない分離ドラムをさらに有し、この分離ドラムに、再生部１５０の頂部から排出された吸収液蒸気１５４およびＣＯ２を導入する。分離ドラムに導入された吸収液蒸気１５４およびＣＯ２は、吸収液蒸気１５４が冷却されて水となることで、水とＣＯ２とに分離される。このようにして、二酸化炭素分離回収装置１４３は、ボイラー１４２の排出ガスからＣＯ２を分離して回収することができる。二酸化炭素分離回収装置１４３は、上記したＣＯ２の分離回収のために、発熱装置１０１の発熱体１０５（図１６参照）の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置である。
以上のように、熱利用システム１４０は、燃焼装置としてのボイラー１４２から排出された排出ガスに含まれるＣＯ２を分離して回収するための熱源として発熱体１０５を利用するので、大気中へのＣＯ２排出を削減することができる。
４．第４実施形態
上記第３実施形態の二酸化炭素分離回収装置１４３などで分離して回収された二酸化炭素（ＣＯ２）は、水素（Ｈ２）と反応させることによってメタン（ＣＨ４）に変換することができる。ＣＯ２とＨ２との反応（メタネーション反応）を進行させる触媒を用いて、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスを触媒と接触させることにより原料ガスからＣＨ４が生成されるが、原料ガスの温度が低いと十分に反応が進行しない。第４実施形態では、発熱体が発生する熱により加熱された熱媒体を熱源として利用して、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスを加熱する。
図２１に示すように、熱利用システム１６０は、発熱装置１０１（図１６参照）と、メタン製造装置１６２とを備える。発熱装置１０１は、第２実施形態と同じ構成を有するので説明を省略する。
メタン製造装置１６２は、反応器１６３と、原料ガス供給ライン１６４と、原料ガス加熱器１６５とを有する。
反応器１６３は、下記式（１）で表されるＣＯ２とＨ２との反応を進行させる触媒１６７を有する。
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ ・・・（１）
触媒１６７は、ＣＯ２とＨ２との反応を進行させ、ＣＨ４を生成することが可能な触媒であれば特に限定されない。例えば、触媒１６７としては、ニッケル（Ｎｉ）系触媒、ルテニウム（Ｒｕ）系触媒、白金（Ｐｔ）系触媒などを用いることができる。
原料ガス供給ライン１６４は、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスを反応器１６３へ供給する。図２１では、原料ガス供給ライン１６４は、Ｈ２が流通するラインにＣＯ２が流通するラインを合流させることにより、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスが流通するラインを形成し、この原料ガスのラインを反応器１６３と接続している。
原料ガス供給ライン１６４は、水（Ｈ２Ｏ）を電気分解して水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを生成する電気分解装置１６８を有する。電気分解装置１６８は、例えば発電機３９（図１５参照）を駆動して得られた電気を利用してＨ２Ｏの電気分解を行う。電気分解装置１６８で生成されたＨ２は、原料ガス供給ライン１６４を通ってＣＯ２と混合される。電気分解装置１６８で生成されたＯ２は、例えば上記第３実施形態の空気供給ライン９６（図１５参照）に供給され、燃焼用空気と混合される。なお、原料ガス供給ライン１６４は、Ｈ２を貯留したＨ２タンクと接続し、Ｈ２タンクからＨ２が供給されるように構成してもよい。
原料ガス供給ライン１６４は、上記第３実施形態の二酸化炭素分離回収装置１４３（図１９および図２０参照）と接続している。これにより、二酸化炭素分離回収装置１４３で回収されたＣＯ２は、原料ガス供給ライン１６４を通ってＨ２と混合される。なお、原料ガス供給ライン１６４は、ＣＯ２を貯留したＣＯ２タンクと接続し、ＣＯ２タンクからＣＯ２が供給されるように構成してもよい。
原料ガス加熱器１６５は、原料ガス供給ライン１６４に設けられており、原料ガス供給ライン１６４を流通する原料ガスを加熱する。原料ガス加熱器１６５は、発熱装置１０１を格納する格納容器１６５ａと、格納容器１６５ａの内部と外部との間で熱媒体を流通させる熱媒体流通部１６５ｂとを有する。熱媒体は、格納容器１６５ａの内面と、発熱装置１０１の密閉容器１０４（図１６参照）の外面とにより形成された隙間を通ることにより加熱される。原料ガスと熱媒体との間で熱交換が行われることにより、原料ガスが加熱される。原料ガスは、例えば４００℃程度に加熱される。
メタン製造装置１６２は、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスからＣＨ４を生成する触媒１６７を有し、発熱体１０５（図１６参照）の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用して原料ガスを加熱することにより、ＣＯ２とＨ２とを反応させる。加熱された原料ガスが触媒１６７と接触することにより、ＣＯ２とＨ２との反応が進行し、ＣＨ４が生成される。メタン製造装置１６２で生成されたＣＨ４は、合成された天然ガス（ＳＮＧ）として、例えば既存のインフラ設備に供給される。また、メタン製造装置１６２では、反応器１６３内で原料ガスからＣＨ４を生成する過程でＨ２Ｏも生成される。反応器１６３内で生成されたＨ２Ｏは、例えば電気分解装置１６８に供給される。
以上のように、熱利用システム１６０は、発熱装置１０１（図１６参照）と、メタン製造装置１６２とを備えることにより、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスからＣＨ４を生成するための熱源として発熱体１０５を利用するので、燃焼装置を熱源として使用する場合と比べて、大気中へのＣＯ２排出を削減することができる。
また、熱利用システム１６０では、燃焼装置から排出された排出ガスに含まれるＣＯ２をメタン製造装置１６２に供給することにより、ＣＯ２がＣＨ４へ変換されるので、ＣＯ２排出量がより抑えられる。
上記第４実施形態ではＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスからＣＨ４を生成するための熱源として発熱体１０５を利用しているが、熱エネルギーを用いて水から水素を製造するＩＳサイクルや、熱エネルギーを用いて水と窒素（Ｎ２）とからアンモニア（ＮＨ３）を製造するＩＳＮサイクルにおいて、発熱体１０５の熱により例えば８００℃程度に加熱された熱媒体を熱源として利用することができる。ＩＳサイクルは、水とヨウ素（Ｉ）と硫黄（Ｓ）とを反応させてヨウ化水素（ＨＩ）を生成し、このヨウ化水素を熱分解することによって水素を生成する。ヨウ化水素を熱分解するための熱源として、発熱体１０５の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用することができる。ＩＳＮサイクルは、窒素とＩＳサイクルで生成されるヨウ化水素とを反応させてヨウ化アンモニウム（ＮＨ４Ｉ）を生成し、このヨウ化アンモニウムを熱分解することによってアンモニアを生成する。ヨウ化アンモニウムを熱分解するための熱源として、発熱体１０５の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用することができる。
５．変形例
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
発熱構造体を収容する密閉容器に熱交換効率を向上させるためのフィンを設けてもよい。図２２〜図２４を用いて、フィンを備える密閉容器を説明する。
図２２に示すように、密閉容器１７０は、内部に空間を有する容器本体１７１と、容器本体１７１の外面に設けられたフィン１７２とを有する。密閉容器１７０は、複数の発熱体５５を有する発熱構造体１７３を収容する（図２３参照）。以下に説明する密閉容器１７０の構成は、密閉容器１７０の内部の温度を６００℃〜８００℃に保持し、発熱構造体１７３を４８枚の発熱体５５により構成し、各発熱体５５の出力を２０Ｗとする場合に要求される構成の一例である。
容器本体１７１は、筒状に形成されている。容器本体１７１は、図２２では外形が円筒形状をしているが、楕円筒形状や角筒形状などの種々の形状をとり得る。容器本体１７１の長さは例えば２５０ｍｍである。容器本体１７１の直径は例えば８０ｍｍである。容器本体１７１が楕円筒形状である場合は、容器本体１７１の直径は長径を意味する。容器本体１７１が角筒形状である場合は、容器本体１７１の直径は外接円の直径を意味する。
容器本体１７１は、融点が１０００℃以上であり、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料により形成されることが好ましい。容器本体１７１の材料としては、例えば、銅、ニッケル、タングステンなどが用いられる。容器本体１７１の材料が銅である場合は、容器本体１７１の厚みを０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、１ｍｍ以上とすることがより好ましい。容器本体１７１の材料がニッケルまたはタングステンの場合は、容器本体１７１の厚みを０．２５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。なお、容器本体１７１の材料として金および銀を用いることも可能であるが、銅、ニッケル、タングステンの方が安価であるため好ましい。密閉容器１７０の内部の温度を６００℃未満に保持する場合は、容器本体１７１の材料として鉄を用いてもよい。
フィン１７２は、容器本体１７１の外周面に螺旋状に設けられている。フィン１７２の巻き付け回数は例えば２０回である。フィン１７２は、帯状に形成されている。フィン１７２の幅は例えば２０ｍｍである。したがって、密閉容器１７０の直径は１２０ｍｍである。容器本体１７１の長手方向に沿ったフィン１７２の間隔（ピッチ）は１００ｍｍ以下であることが好ましく、５０ｍｍ以下であることがより好ましい。フィン１７２の伝熱面積は０．１ｍ２／ｋＷ以上が好ましい。フィン１７２の材料としては、例えば容器本体１７１の材料と同じもの、すなわち銅、ニッケル、タングステンなどを用いることが可能である。フィン１７２の材料としてはアルミニウムを用いてもよい。
図２３は、容器本体１７１を径方向に切断した断面図である。図２３に示すように、容器本体１７１の内面には複数の発熱体５５が接触して配置されている。容器本体１７１の内面は複数の平面により構成されている。図２３では、容器本体１７１の内面が６つの平面により構成されている。すなわち容器本体１７１の中空部の断面形状は六角形である。容器本体１７１の周方向に沿って各平面に配置された６枚の発熱体５５は互いに対面する。複数の発熱体５５は、互いに対面する所定の枚数で１セットを構成し、この例では６枚で１セットを構成する。
図２４は、容器本体１７１を径方向と直交する方向に切断した断面図である。図２４に示すように、容器本体１７１の内面を構成する各平面には、容器本体１７１の長手方向に沿って複数の発熱体５５が配置されている。この例では、１つの平面に対し、容器本体１７１の長手方向に沿って８枚の発熱体５５が等間隔に配置されている。すなわち、容器本体１７１の長手方向に沿って８セットの発熱体５５が配置されている。
上記の密閉容器１７０と発熱構造体１７３とにより発熱体ユニット１７４が構成される。発熱体ユニット１７４は全体として円筒型をしている。発熱体ユニット１７４は、内部に空間を有する格納容器１７６に格納される。格納容器１７６は、熱媒体が流入する流入口１７６ａと、熱媒体が流出する流出口１７６ｂとを有する。図２４では、格納容器１７６のうち、発熱体ユニット１７４の容器本体１７１の長手方向の一端に流入口１７６ａが設けられ、発熱体ユニット１７４の容器本体１７１の長手方向の他端に流出口１７６ｂが設けられている。流入口１７６ａから流入した熱媒体は、密閉容器１７０のフィン１７２に沿って螺旋状に移動し、流出口１７６ｂから流出する。格納容器１７６は断熱材１７７に覆われている。熱媒体としては、反応性・腐食性が低いガスや凝集・熱分解しないガスが用いられる。熱媒体は、例えば、水蒸気、空気、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、キセノンガス、炭酸ガス、フロン系ガス、およびこれらの混合ガスが好ましい。
図２４では、密閉容器１７０は、水素系ガス供給排気ヘッダー１７８と接続している。水素系ガス供給排気ヘッダー１７８は、水素管１７９と接続している。これにより水素系ガスの供給と排気とが繰り返し行われる。なお、密閉容器１７０と水素系ガス供給排気ヘッダー１７８とを着脱自在とすることにより、発熱体ユニット１７４を交換可能としてもよい。
以上のように、発熱体ユニット１７４は、フィン１７２を有することにより、熱媒体との接触面積を増大させることができるので、発熱構造体１７３と熱媒体との熱交換効率を向上させることができる。
発熱体ユニット１７４は、フィン１７２が容器本体１７１の外周面に螺旋状に設けられていることにより、熱媒体をフィン１７２に沿って螺旋状に移動させることができるので、熱媒体との接触時間が長くなり、確実に発熱構造体１７３の熱を熱媒体へ伝達することができる。
容器本体１７１は、内面が６つの平面により構成されているが、内面を構成する平面の数を適宜変更することが可能である。例えば、容器本体１７１の内面を８つの平面により構成し、容器本体１７１の中空部の断面形状が八角形となるようにしてもよい。
格納容器１７６は、複数の発熱体ユニット１７４を格納するように構成してもよい。例えば、格納容器１７６の内部に７つの発熱体ユニット１７４を格納することができる。また、例えば２０を超える多数の発熱体ユニット１７４を格納容器１７６に格納する場合は、発熱体ユニット１７４の容器本体１７１の長手方向と直行する方向に熱媒体が流れるように、流入口１７６ａと流出口１７６ｂの位置を変更することが好ましい。
上記の密閉容器１７０では複数の発熱体５５を容器本体１７１の内面に接触させ、複数の発熱体５５が発生する熱を容器本体１７１に直接伝達させているが、複数の発熱体５５を容器本体１７１の内面から離して支持し、複数の発熱体５５が発生する熱を容器本体１７１に伝えるための伝熱支持部を設けてもよい。
図２５に示すように、密閉容器１８０は、容器本体１８１と、フィン１８２と、伝熱支持部１８３とを有する。密閉容器１８０は、複数の発熱体５５を有する発熱構造体１８４を収容する。容器本体１８１は、中空部の断面形状が円形であること以外は、容器本体１７１と同じ構成を有する。すなわち容器本体１８１の内面は曲面により構成されている。フィン１８２は、フィン１７２と同じ構成を有する。容器本体１８１とフィン１８２の説明は省略する。密閉容器１８０と発熱構造体１８４とにより発熱体ユニット１８５が構成される。発熱体ユニット１８５は全体として円筒型をしている。発熱体ユニット１８５は、例えば、発熱体ユニット１７４の代わりに格納容器１７６に格納される（図２４参照）。図２５は、密閉容器１８０を径方向と直交する方向に切断した断面図である。
伝熱支持部１８３は、容器本体１８１の内部に設けられ、複数の発熱体５５を支持し、複数の発熱体５５が発生する熱を容器本体１８１に伝える。伝熱支持部１８３は、複数の発熱体５５を支持する支持ピラー１８３ａと、支持ピラー１８３ａと容器本体１８１とを接続するブリッジ１８３ｂとを有する。この例では、１０Ｗの発熱体５５を用いる。
伝熱支持部１８３は、少なくとも１つ以上の支持ピラー１８３ａと、少なくとも１つ以上のブリッジ１８３ｂとを有し、この例では、４つの支持ピラー１８３ａと３つのブリッジ１８３ｂとを有する。４つの支持ピラー１８３ａは、互いに所定の間隔を設けて配置される。各支持ピラー１８３ａは、容器本体１８１の長手方向に沿って延びており、その両端が図示しない固定部材によって容器本体１８１に固定される。３つのブリッジ１８３ｂは、各支持ピラー１８３ａの長手方向に沿って所定の間隔を設けて配置される。各ブリッジ１８３ｂは、例えば板状に形成されており、図示しない固定部材によって各支持ピラー１８３ａと容器本体１８１とを接続する。
図２６は、容器本体１８１を径方向に切断した断面図である。図２６に示すように、各支持ピラー１８３ａは、角柱状に形成されており、この例では断面が長方形の四角柱形状である。各支持ピラー１８３ａは、特定の面が互いに対面するように配置されている。すなわち、４つの支持ピラー１８３ａは四角筒状に配置されている。各支持ピラー１８３ａの特定の面を表面とし、特定の面とは反対側の面を裏面とする。各支持ピラー１８３ａは、表面と裏面との少なくともいずれかに発熱体５５を支持する。図２６では、各支持ピラー１８３ａの両面（表面および裏面）に発熱体５５が支持されている。１つの支持ピラー１８３ａには１２枚の発熱体５５が支持されている。各発熱体５５は、容器本体１８１の内面と接触しておらず、容器本体１８１の内面から離れている。
伝熱支持部１８３の材料、すなわち支持ピラー１８３ａおよびブリッジ１８３ｂの材料としては、例えば容器本体１８１と同じ材料を用いることが可能である。支持ピラー１８３ａおよびブリッジ１８３ｂは、銅により形成されている場合は厚みを１ｍｍ以上とすることが好ましく、ニッケルにより形成されている場合は厚みを４．４ｍｍ以上とすることが好ましく、タングステンにより形成されている場合は厚みを２ｍｍ以上とすることが好ましい。伝熱支持部１８３を上記の材料および各種寸法とすることにより、支持ピラー１８３ａおよびブリッジ１８３ｂを介して、発熱体５５が発生する熱を容器本体１８１およびフィン１８２に伝達することが可能となる。また、発熱体５５の温度が瞬間的に上昇した場合であっても、伝熱支持部１８３が融けて破損することが防止される。なお、上記のように１０Ｗの発熱体５５を各支持ピラー１８３ａの両面に支持させることに代えて、例えば２０Ｗの発熱体５５を各支持ピラー１８３ａの両面に支持させる場合や４０Ｗの発熱体５５を各支持ピラー１８３ａの片面に支持させる場合は、各種寸法を変更することが好ましい。例えば、支持ピラー１８３ａおよびブリッジ１８３ｂは、銅により形成されている場合は厚みを２ｍｍ以上とすることが好ましく、ニッケルにより形成されている場合は厚みを８．４ｍｍ以上とすることが好ましく、タングステンにより形成されている場合は厚みを４ｍｍ以上とすることが好ましい。
以上のように、発熱体ユニット１８５は、伝熱支持部１８３を有することにより、発熱体５５が発生する熱を容器本体１８１およびフィン１８２に効率的に伝達させることができるので、発熱構造体１８４と熱媒体との熱交換効率を向上させることができる。
伝熱支持部１８３は、４つの支持ピラー１８３ａを有するが、支持ピラー１８３ａの数を適宜変更することが可能である。例えば、１つの支持ピラー１８３ａを容器本体１８１の中央に配置してもよいし、６つの支持ピラー１８３ａを六角筒状に配置してもよい。また、伝熱支持部１８３は、３つのブリッジ１８３ｂを有するが、ブリッジ１８３ｂの数を適宜変更することが可能である。
伝熱支持部１８３は、内面が平面で構成された容器本体１７１の内部に設けてもよい。これにより、容器本体１７１の内面を構成する各平面には複数の発熱体５５が配置され、伝熱支持部１８３には複数の発熱体５５が支持されるので、発熱体５５の数を増やすことができる。
上記の発熱体ユニット１７４、１８５は円筒型であるが、発熱体ユニットは平板型としてもよい。
図２７に示すように、発熱体ユニット１９０は、水素系ガスが供給される密閉容器１９１と、密閉容器１９１に収容される発熱構造体１９２とを備える。発熱体ユニット１９０は、例えば、縦の長さが８００ｍｍ、横の長さが６００ｍｍ、厚みが１５ｍｍの平板型とされている。図２７は、平板型の発熱体ユニット１９０を厚み方向と直交する方向に切断した断面図である。
密閉容器１９１は、内部に空間を有する容器本体１９３からなる。容器本体１９３は、平板状に形成されており、この例では中空部の断面形状が四角形である。発熱構造体１９２は、複数の発熱体５５を有し、この例では６０枚の発熱体５５により形成される。
容器本体１９３は、水素系ガス供給排気ヘッダー１９４と接続している。水素系ガス供給排気ヘッダー１９４は、水素管１９５と接続している。これにより水素系ガスの供給と排気とが繰り返し行われる。
図２８は、平板型の発熱体ユニット１９０を厚み方向に切断した断面図である。図２８に示すように、容器本体１９３は、第１の内面１９３ａと、第１の内面１９３ａと対面する第２の内面１９３ｂとを有する。第１の内面１９３ａと第２の内面１９３ｂとには複数の発熱体５５が接触して配置されている。この例では、６０枚の発熱体５５のうち、３０枚の発熱体５５が第１の内面１９３ａに配置され、３０枚の発熱体５５が第２の内面１９３ｂに配置されている。第１の内面１９３ａに配置された各発熱体５５と、第２の内面１９３ｂに配置された各発熱体５５とは、互いに対面している。
図２９に示すように、発熱体ユニット１９０は、内部に空間を有する格納容器１９６に格納される。格納容器１９６の外形は、例えば容器本体１９３の相似形とされる。１つの格納容器１９６に１つの発熱体ユニット１９０を格納する場合を例に説明するが、１つの格納容器１９６複数の発熱体ユニット１９０を格納するように構成してもよい。
格納容器１９６には、熱媒体を噴射するノズル部１９６ａと、熱媒体が流出する流出口１９６ｂとが設けられている。ノズル部１９６ａは、熱媒体を先端から噴射することにより発熱体ユニット１９０の表面に吹き付ける。格納容器１９６には、少なくとも１つ以上のノズル部１９６ａと、少なくとも１つ以上の流出口１９６ｂとが設けられる。図２９では、発熱体ユニット１９０と対向する２つの壁部のそれぞれにノズル部１９６ａが設けられ、各ノズル部１９６ａが設けられた壁部とは異なる２つの壁部のそれぞれに流出口１９６ｂが設けられている。
ノズル部１９６ａは、熱媒体を噴射する噴射部１９８と、噴射部１９８と接続する配管部１９９とを有する。噴射部１９８はノズル部１９６ａの先端に設けられている。配管部１９９は熱媒体を噴射部１９８へ案内する。噴射部１９８から噴射され、発熱体ユニット１９０に吹き付けられた熱媒体は、流出口１９６ｂから格納容器１９６の外部へ流出する。図２９では、各ノズル部１９６ａはそれぞれ１１個の噴射部１９８を有する。
以上のように、発熱体ユニット１９０は、密閉容器１９１の容器本体１９３を平板状に形成し、容器本体１９３の第１の内面１９３ａと第２の内面１９３ｂに複数の発熱体５５を配置することにより形成することができるので、製造が容易であり、製造コストを抑えることができる。
発熱体ユニット１９０は密閉容器１９１が容器本体１９３からなる構成であるが、容器本体１９３の外面にはフィンを設けてもよい。
図３０に示すように、発熱体ユニット２００は、発熱体ユニット１９０の密閉容器１９１の代わりに密閉容器２０１を備える。密閉容器２０１は、容器本体１９３と、容器本体１９３の外面に設けられたフィン２０２とを有する。密閉容器２０１は、少なくとも１以上のフィン２０２を有する。フィン２０２は、複数のリブ２０３により形成されている。図３０は、複数のリブ２０３により形成された密閉容器２０１の平面図である。なお、密閉容器２０１には発熱構造体１９２（図２７および図２８参照）が収容される。すなわち、発熱体ユニット２００は、水素系ガスが供給される密閉容器２０１と、密閉容器２０１に収容される発熱構造体１９２とを備えるものである。
図３１は、複数のリブ２０３により形成されたフィン２０２を有する密閉容器２０１の側面図である。図３１に示すように、容器本体１９３の外面のうち、互いに対向する２つの面のそれぞれにフィン２０２が設けられている。複数のリブ２０３は、容器本体１９３の外面から突出している。この例では、容器本体１９３の外面のうち、互いに対向する２つの面のそれぞれに１６個のリブ２０３が設けられている。
フィン２０２を有する発熱体ユニット２００は、例えば、格納容器１７６（図２４参照）やノズル部１９６ａが設けられた格納容器１９６（図２９参照）などに格納される。例えば格納容器１９６にフィン２０２を有する発熱体ユニット２００を格納する場合は、複数のリブ２０３の長手方向が熱媒体の流通方向と一致するように発熱体ユニット２００を配置することが好ましい。発熱体ユニット２００は、フィン２０２を有することにより、熱媒体との接触面積を増大させることができるので、発熱構造体１９２と熱媒体との熱交換効率を向上させることができる。
格納容器１７６や格納容器１９６を複数準備して直列に接続してもよい。発熱体ユニット１９０や発熱体ユニット２００の数が増えるので、出力の向上が図れる。
図２４に示す発熱ユニット１７４、図２５に示す発熱体ユニット１８５、図２７に示す発熱体ユニット１９０、図３０に示す発熱体ユニット２００は、図１６に示す発熱体ユニット１０３の代わりに、発熱装置１０１に用いることができる。
１０，９０，１４０，１６０ 熱利用システム
１１，１０１ 発熱装置
１２，１０２ 熱利用装置
１５，１０４，１７０，１８０，１９１，２０１ 密閉容器
２０，１０６，１７３，１８４，１９２ 発熱構造体
２１ ヒータ
３１，１４７ａ，１６５ａ，１７６，１９６ 格納容器
３２，１４７ｂ，１６５ｂ 熱媒体流通部
３３ ガスタービン
３４ 蒸気発生器
３５ 蒸気タービン
３６ スターリングエンジン
３７ 熱電変換器
３８，３９，４０ 発電機
５５，７５，８０，８５，８６，１０５ 発熱体
６６ 台座
６７ 多層膜
７１ 第１層
７２ 第２層
７７ 第３層
８２ 第４層
１２５ 燃焼用空気循環ライン
１２６ 流量可変循環ファン
１２７ 循環流量制御部
１４２ ボイラー（燃焼装置）
１４３ 二酸化炭素分離回収装置
１６２ メタン製造装置
１６７ 触媒
１７１，１８１，１９３ 容器本体
１７２，１８２，２０２ フィン
１８３ 伝熱支持部
２０３ リブ

Claims (25)

  1. 水素系ガスが供給される密閉容器と、
    前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を有する発熱構造体と、
    前記発熱体の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置と
    を備え、
    前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、
    前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する熱利用システム。
  2. 前記発熱体は、放射状に複数配置されている請求項１に記載の熱利用システム。
  3. 前記発熱体は、互いに隙間を空けて一列に複数配列されている請求項１に記載の熱利用システム。
  4. 前記発熱体は、筒状に形成されている請求項１に記載の熱利用システム。
  5. 前記発熱体は、疎巻で巻回した渦巻き状に形成されている請求項１に記載の熱利用システム。
  6. 前記発熱構造体は、前記密閉容器の内部において前記水素系ガスが流れる方向に複数配列されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  7. 前記密閉容器に収容され、筒状に形成されたヒータを備え、
    前記発熱構造体は、前記ヒータの内面により形成される空間に配置されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  8. 前記熱利用装置は、前記密閉容器を格納する格納容器を有し、
    前記熱媒体は、前記格納容器の内面と前記密閉容器の外面とにより形成された隙間を通ることにより加熱される請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  9. 前記熱利用装置は、前記格納容器の内部と外部との間で前記熱媒体を流通させる熱媒体流通部を有する請求項８に記載の熱利用システム。
  10. 前記熱利用装置は、ガスタービン、蒸気タービン、スターリングエンジン、および熱電変換器のうち、少なくともいずれかを有する請求項９に記載の熱利用システム。
  11. 前記第１層は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうちいずれかにより形成され、
    前記第２層は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうちいずれかにより形成される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  12. 前記多層膜は、前記第１層および前記第２層に加え、前記第１層および前記第２層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第３層を有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  13. 前記第３層は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される請求項１２に記載の熱利用システム。
  14. 前記多層膜は、前記第１層、前記第２層および前記第３層に加え、前記第１層、前記第２層および前記第３層とは異なる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第４層を有する請求項１３に記載の熱利用システム。
  15. 前記第４層は、Ni、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される請求項１４に記載の熱利用システム。
  16. 水素系ガスが供給される密閉容器と、
    前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を有する発熱構造体と、
    燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させる燃焼装置と、
    前記発熱体の熱を利用して前記燃焼用空気を予熱する熱利用装置と
    を備え、
    前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、
    前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する熱利用システム。
  17. 前記燃焼用空気を循環させる燃焼用空気循環ラインと、
    前記燃焼用空気循環ラインに設けられた流量可変循環ファンと、
    前記流量可変循環ファンを駆動し、前記燃焼用空気の循環流量を制御する循環流量制御部とを備える請求項１６に記載の熱利用システム。
  18. 前記発熱体の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用して、前記燃焼装置から排出された排出ガスに含まれる二酸化炭素を分離して回収する二酸化炭素分離回収装置をさらに備える請求項１６または１７に記載の熱利用システム。
  19. 二酸化炭素と水素とを含む原料ガスからメタンを生成する触媒を有し、前記発熱体の熱により加熱された熱媒体を熱源として利用して前記原料ガスを加熱することにより、前記二酸化炭素と前記水素とを反応させるメタン製造装置を備える請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の熱利用システム。
  20. 水素系ガスが供給される密閉容器と、
    前記密閉容器に収容されており、前記水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する複数の発熱体が放射状に配置された発熱構造体と、
    を備え、
    前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、
    前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する発熱装置。
  21. 前記発熱構造体は、前記密閉容器の内部において前記水素系ガスが流れる方向に複数配列されている請求項２０に記載の発熱装置。
  22. 前記密閉容器は、前記発熱構造体を収容する容器本体と、前記容器本体の外面に設けられたフィンとを有する請求項２０または２１に記載の発熱装置。
  23. 前記容器本体は、筒状に形成されており、
    前記フィンは、前記容器本体の外周面に螺旋状に設けられている請求項２２に記載の発熱装置。
  24. 前記密閉容器は、前記容器本体の内部に設けられ、複数の前記発熱体を支持し、複数の前記発熱体が発生する熱を前記容器本体に伝える伝熱支持部をさらに有する請求項２２または２３に記載の発熱装置。
  25. 前記容器本体は、平板状に形成されており、
    前記フィンは、前記容器本体の外面から突出した複数のリブにより形成されている請求項２２に記載の発熱装置。
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