JP2023033000A - 発熱装置およびボイラー - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の温度均一化を図ることができる発熱装置およびボイラーを提供する。
【解決手段】発熱装置１１は、水素を含む水素系ガスが導入される発熱容器１５と、発熱容器１５の内部に設けられ、かつ、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４と、発熱体１４により加熱される第１抜熱流体が流れる第１抜熱経路１６と、第１抜熱流体が流れる方向と対向する方向に第２抜熱流体が流れる第２抜熱経路１７とを備える。ボイラー１０は、発熱装置１１を備え、第１抜熱経路１６には第１抜熱流体として水が供給され、水を発熱体１４により加熱し、第１抜熱経路１６から蒸気または温水を排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱装置およびボイラーに関する。

ボイラーにおいては、熱源を囲むように水管を螺旋状に配置したり（例えば、特許文献１参照）、或いは、熱源を囲むように複数の水管を環状に配置したりするなど（例えば、特許文献２参照）、効率良く熱回収できるように構成したものが知られている。

特許文献１では、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を用いた発熱体セルを熱源とし、発熱体セルを加熱させることでヒータの入力エネルギー以上に発熱させる。水の流れはボイラー下部から上部への一方向である。

特許文献２では、火炎バーナーを熱源とし、水管を内側水管と外側水管とで構成し、内側水管と外側水管とを上下の管寄せで接続している。内側水管および外側水管に対し、下部管寄せから上部管寄せへ向けて上方向に水または水蒸気を流通させることで、水管が火炎バーナーから受ける熱を分散させている。

特許第６７９５１２９号公報 特開平３－７０９０１号公報

特許文献１では、ボイラーからの蒸気量増減信号を受けた場合、発熱体セルの過剰熱量を変動（負荷変動）させる必要がある。負荷変動に応じて発熱体セルの過剰熱量を調整しようとした場合、以下のような課題が生じる。すなわち、水管入口側（ボイラー下部側）で発熱体セルの温度が低下し、過剰熱が発生しない領域が生じることがある。発熱体セルにおいて過剰熱が発生しない領域が生じることにより、ボイラーの下部から上部へ流れる水の加熱が不十分となり、蒸気を生成することができないことがある。また、水管出口側（ボイラー上部側）では発熱体セルの温度が極端に高い部分が生じて、発熱体セルが損壊することがある。なお、特許文献２のように水管が受ける熱を分散させる構成を応用しても、発熱体セルの部分的な温度低下または温度上昇が生じる。

そこで、本発明は、発熱体の温度均一化を図ることができる発熱装置およびボイラーを提供することを目的とする。

本発明に係る発熱装置は、水素を含む水素系ガスが導入される発熱容器と、前記発熱容器の内部に設けられ、かつ、前記水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、前記発熱体により加熱される第１抜熱流体が流れる第１抜熱経路と、前記第１抜熱流体が流れる方向と対向する方向に第２抜熱流体が流れる第２抜熱経路とを備える。

本発明に係るボイラーは、上記の発熱装置を備えるボイラーであって、前記第１抜熱経路には前記第１抜熱流体として水が供給され、前記水を前記発熱体により加熱し、前記第１抜熱経路から蒸気または温水を排出する。

本発明によれば、第１抜熱流体と第２抜熱流体とが互いに対向する方向に流れることによって、発熱体の温度均一化を図ることができる。

第１実施形態のボイラーの概略図である。 第１実施形態の第１抜熱経路と第２抜熱経路の構造を説明するための説明図である。 発熱体の構造を示す断面図である。 多層膜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層とを有する第１変形例の発熱体を説明するための説明図である。 第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第２変形例の発熱体を説明するための説明図である。 第２実施形態のボイラーの概略図である。 第２実施形態の第１抜熱経路と第２抜熱経路の構造を説明するための説明図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、ボイラー１０は、発熱装置１１と、水経路１２と、図示しない制御部とを備える。ボイラー１０は、発熱装置１１で発生する熱により、水経路１２を流れる水を加熱して蒸気または温水を生成するものである。ボイラー１０は、蒸気を供給する用途に用いられる他、給湯機のように温水を供給する用途に用いられる。すなわち、本出願での「ボイラー」は給湯機を含む。

発熱装置１１は、発熱体１４と、発熱容器１５と、第１抜熱経路１６と、第２抜熱経路１７と、水素流通ライン１８と、図示しない温度調節部とを備える。発熱体１４は、発熱容器１５の内部に設けられ、かつ、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する。発熱体１４は、後述する温度調節部のヒータにより加熱される。発熱体１４は、水素の吸蔵と放出とにより、ヒータの加熱温度以上の熱（以下、過剰熱と称する）を発生する。発熱体１４は、この例では有底筒状に形成されている。発熱体１４は、後述する発熱容器１５の上底部２２に取り付けられている。発熱体１４の詳細な構成については別の図面を用いて後述する。

発熱容器１５には、水素を含む水素系ガスが導入される。発熱容器１５は、中空の容器であり、内部に発熱体１４を収容する。発熱容器１５は、筒状の側壁部２１と、側壁部２１の上端部に設けられた上底部２２と、側壁部２１の下端部に設けられた下底部２３とを有する。発熱容器１５は、側壁部２１の上端部の開口が上底部２２により閉じられ、側壁部２１の下端部の開口が下底部２３により閉じられた密閉容器である。側壁部２１は、本実施形態では円筒状に形成されているが、これに限られず、例えば楕円筒状や角筒状に形成されたものでもよい。図１において、発熱容器１５（側壁部２１）の軸方向は、紙面上下方向と平行である。

発熱容器１５は、発熱体１４により仕切られた第１室２５および第２室２６を内部に有する。第１室２５は、発熱体１４の一方の面である表面（外面）と発熱容器１５の内面とにより形成されている。第１室２５は、後述する水素流通ライン１８の導入ライン３０と接続する。第１室２５には導入ライン３０から水素系ガスが導入される。第２室２６は、発熱体１４の他方の面である裏面（内面）により形成されている。第２室２６は、後述する水素流通ライン１８の導出ライン３１と接続する。第２室２６の水素系ガスは導出ライン３１へ導出される。

第１室２５は、水素系ガスの導入により昇圧される。第２室２６は、水素系ガスの導出により減圧される。これにより、第１室２５の水素の圧力は、第２室２６の水素の圧力よりも高くされる。第１室２５の水素の圧力は、例えば１００［ｋＰａ］とされる。第２室２６の水素の圧力は、例えば１×１０^－４［Ｐａ］以下とされる。第２室２６は真空状態としてもよい。このように、第１室２５と第２室２６とは、水素の圧力が異なっている。このため、発熱容器１５の内部は、発熱体１４の両側に圧力差が生じた状態とされている。

発熱体１４の両側に圧力差が生じると、発熱体１４のうち高圧側に配された一方の面である表面（外面）では、水素系ガスに含まれる水素分子が吸着し、その水素分子が２つの水素原子に解離する。解離した水素原子は、発熱体１４の内部へ浸入する。すなわち、発熱体１４に水素が吸蔵される。水素原子は、発熱体１４の内部を拡散して通過する。発熱体１４のうち低圧側に配された他方の面である裏面（内面）では、発熱体１４を通過した水素原子が再結合し、水素分子となって放出される。すなわち、発熱体１４から水素が放出される。

このように、発熱体１４は、高圧側から低圧側へ水素を透過させる。「透過」とは、発熱体の一方の面に水素が吸蔵され、発熱体の他方の面から水素が放出されることをいう。発熱体１４は、詳しくは後述するが、水素を吸蔵することによって発熱し、また、水素を放出することによっても発熱する。したがって、発熱体１４は、水素が透過することにより熱を発生する。なお、以降の説明において、発熱体について「水素が透過する」ことを「水素系ガスが透過する」と記載する場合がある。

第１室２５の内部には、当該第１室２５の内部の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が設けられている。第２室２６の内部には、当該第２室２６の内部の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が設けられている。第１室２５と第２室２６に設けられた各圧力センサは、制御部（図示なし）と電気的に接続しており、検出した圧力に対応する信号を制御部に出力する。

第１抜熱経路１６は、一端が後述するセパレータ４０の蒸気導入部４０ａと接続し、他端がセパレータ４０の水排出部４０ｃと接続している。また、第１抜熱経路１６の他端には給水タンク３８が接続している。第１抜熱経路１６には第１抜熱流体が流れる。第１抜熱流体は、液体の水または気化した水（蒸気）である。

第２抜熱経路１７は、一端および他端が、第１抜熱経路１６のうちの高温抜熱配管２７の高温入口２７ａ側に接続されている。第２抜熱経路１７の一端と第１抜熱経路１６との接続箇所は、第２抜熱経路１７の他端と第１抜熱経路１６との接続箇所よりも、第１抜熱経路１６における上流側に位置している。このため、第２抜熱経路１７の一端には、第１抜熱経路１６を流れる第１抜熱流体（液体の水）の一部が流入する。第２抜熱経路１７に流入した第１抜熱流体が、第２抜熱流体である。このため、第２抜熱流体は、液体の水である。第２抜熱経路１７を流れる第２抜熱流体は、第２抜熱経路１７の他端から第１抜熱経路１６へ流入し、第１抜熱経路１６を流れる第１抜熱流体と合流する。

図２を用いて、第１抜熱経路１６と第２抜熱経路１７の詳細な構造について説明する。

第１抜熱経路１６は、発熱体１４の周りに螺旋状に設けられた高温抜熱配管２７を有する。高温抜熱配管２７は、側壁部２１の下端部に設けられた高温入口２７ａと、側壁部２１の上端部に設けられた高温出口２７ｂとを有する。高温抜熱配管２７は、側壁部２１の下端部から上端部へ向けて、側壁部２１に沿って螺旋状に延びており、上下に隣合う高温抜熱配管２７同士の間に隙間が無いように巻回されている。高温抜熱配管２７の断面形状は、この例では円形であるが、特に限定されず、四角形などとすることができる。

第１抜熱経路１６では、高温入口２７ａから高温抜熱配管２７に入った液体の水が、高温抜熱配管２７内で発熱体１４により加熱されて、気化した水（蒸気）として高温出口２７ｂから出る。高温入口２７ａに入る液体の水の温度は、例えば９０℃である。高温出口２７ｂから出る気化した水（蒸気）の温度は、例えば１００℃である。本実施形態では、高温出口２７ｂまたは後述するセパレータ４０の圧力を１気圧（０．１ＭＰａ）と想定し、第１抜熱経路１６から１００℃の蒸気を排出するように構成したが、高温出口２７ｂまたは後述するセパレータ４０の圧力を加圧することにより、第１抜熱経路１６から１００℃を超えた液体の水（温水）を排出することができる。

第２抜熱経路１７は、第１抜熱経路１６の周りに螺旋状に設けられた低温抜熱配管２８を有する。低温抜熱配管２８は、側壁部２１の上端部に設けられた低温入口２８ａと、側壁部２１の下端部に設けられた低温出口２８ｂとを有する。低温抜熱配管２８は、側壁部２１の上端部から下端部へ向けて、側壁部２１に沿って螺旋状に延びており、上下に隣合う低温抜熱配管２８同士の間に隙間が無いように巻回されている。低温抜熱配管２８の断面形状は、この例では円形であるが、特に限定されず、四角形などとすることができる。

第２抜熱経路１７では、低温入口２８ａから低温抜熱配管２８に入った液体の水が、低温抜熱配管２８内で第１抜熱流体との熱交換により昇温されて、低温出口２８ｂから出る。低温入口２８ａに入る液体の水の温度は、例えば２５℃である。低温出口２８ｂから出る液体の水の温度は、例えば９０℃である。すなわち、第２抜熱経路１７では、低温抜熱配管２８に入った冷水が、第１抜熱流体との熱交換により昇温され、温水として低温抜熱配管２８から出てくる。低温出口２８ｂから出る液体の水（第２抜熱流体）は、第１抜熱経路１６のうちの高温抜熱配管２７の高温入口２７ａ側を流れる液体の水（第１抜熱流体）と合流する。これにより、高温抜熱配管２７の高温入口２７ａに入る液体の水（第１抜熱流体）が昇温される。

第１抜熱経路１６は、高温抜熱配管２７が発熱体１４の周りに設けられており、高温抜熱配管２７内を流れる第１抜熱流体が発熱体１４により加熱される。すなわち、第１抜熱経路１６は、発熱体１４により加熱される第１抜熱流体が流れるように構成されている。

第１抜熱経路１６の高温抜熱配管２７は、側壁部２１の下端部から上端部へ向けて、側壁部２１に沿って螺旋状に延びている。第２抜熱経路１７の低温抜熱配管２８は、高温抜熱配管２７とは逆に、側壁部２１の上端部から下端部へ向けて、側壁部２１に沿って螺旋状に延びている。すなわち、第２抜熱経路１７は、第１抜熱流体が流れる方向と対向する方向に第２抜熱流体が流れるように構成されている。

水素流通ライン１８は、発熱容器１５の外部に設けられ、一方の端部が発熱容器１５の上底部２２と接続し、他方の端部が発熱容器１５の下底部２３と接続している（図１参照）。水素流通ライン１８は、発熱容器１５の外部から内部に水素を含む水素系ガスを導入させるとともに、発熱容器１５の内部から外部に水素系ガスを導出させる。

水素流通ライン１８は、導入ライン３０と、導出ライン３１と、水素タンク３２と、フィルタ３３とを有する。図１には図示していないが、発熱装置１１は、水素タンク３２に水素系ガスを供給するための供給ラインと、水素流通ライン１８から水素系ガスを排気するための排気ラインとを備えており、例えば、発熱装置１１の作動開始時に供給ラインから水素タンク３２へ水素系ガスが供給され、発熱装置１１の作動停止時に水素流通ライン１８の水素系ガスが排気ラインへ排気される。

導入ライン３０は、水素タンク３２と第１室２５とを接続し、水素タンク３２の水素系ガスを第１室２５内へ導入する。導入ライン３０は、圧力調整弁３４を有する。圧力調整弁３４は、水素タンク３２から送られる水素系ガスを所定の圧力に減圧する。圧力調整弁３４は、制御部と電気的に接続している。

導出ライン３１は、第２室２６と水素タンク３２とを接続し、第２室２６内の水素系ガスを水素タンク３２へ導出する。導出ライン３１は、ポンプ３５を有する。ポンプ３５は、第２室２６内の水素系ガスを導出ライン３１へ導出させ、所定の圧力に昇圧して水素タンク３２へ送る。ポンプ３５としては、例えばメタルベローズポンプが用いられる。ポンプ３５は、制御部と電気的に接続している。

水素タンク３２は、水素系ガスを貯留する。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。

フィルタ３３は、水素系ガスに含まれる不純物を除去するためのものである。ここで、水素が発熱体１４を透過する透過量（以下、水素透過量という）は、発熱体１４の温度、発熱体１４の両面側の圧力差、および発熱体１４の表面状態によって定められる。水素系ガスに不純物が含まれている場合、不純物が発熱体１４の表面に付着し、発熱体１４の表面状態が悪化することがある。発熱体１４の表面に不純物が付着した場合は、発熱体１４の表面での水素分子の吸着および解離が阻害され、水素透過量が減少する。

発熱体１４の表面での水素分子の吸着および解離を阻害するものとしては、例えば、水（水蒸気を含む）、炭化水素（メタン、エタン、メタノール、エタノール等）、C、S、および、Siが考えられる。水は、発熱容器１５の内壁などから放出、あるいは発熱容器１５の内部に設けられた部材に含まれる酸化皮膜が水素により還元されたものと考えられる。炭化水素、C、S、および、Siは、発熱容器１５の内部に設けられた各種部材から放出されると考えられる。よって、フィルタ３３は、不純物として、水（水蒸気を含む）、炭化水素、C、S、および、Siを少なくとも除去する。フィルタ３３は、水素系ガスに含まれる不純物を除去することにより、発熱体１４における水素透過量の減少を抑制する。

図示しないが、温度調節部は、発熱体１４の温度を調節し、発熱体１４の温度を発熱に適正な温度に維持する。発熱体１４において発熱に適正な温度は、例えば５０℃以上１５００℃以下の範囲内である。温度調節部は、温度センサとヒータとで構成される。温度センサは、発熱体１４の温度を検出する。温度センサは、例えば熱電対であり、発熱容器１５の内部に設けられている。温度センサは、制御部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に出力する。ヒータは、発熱体１４を加熱する。ヒータは、例えば電気抵抗発熱式の電熱線であり、発熱体１４の外周に巻き付けられている。ヒータは、電源と電気的に接続しており、電源から電力が入力されることにより発熱する。ヒータは、発熱体１４の外周を覆うように配置される電気炉でもよい。

水経路１２は、第１抜熱経路１６と、第２抜熱経路１７と、給水タンク３８と、水ポンプ３９と、セパレータ４０とを有する。第１抜熱経路１６および第２抜熱経路１７は、水経路１２の一部を構成する。給水タンク３８は、第１抜熱経路１６に液体の水を供給するためのものである。水ポンプ３９は、給水タンク３８よりも下流側に設けられており、水経路１２内の水が流れるようにするためのものである。

セパレータ４０は、高温抜熱配管２７内で発熱体１４により加熱されて気化した水（蒸気）を受け入れ、この蒸気に対して気水分離（当該蒸気に含まれるドレンの分離）を行うように構成されている。セパレータ４０において気水分離された蒸気は、ボイラー１０の外部へ供給される。セパレータ４０は、第１抜熱経路１６の一端と接続する蒸気導入部４０ａと、セパレータ４０で分離した蒸気を取り出すための蒸気取出部４０ｂと、第１抜熱経路１６の他端と接続する水排出部４０ｃとを有する。蒸気導入部４０ａと蒸気取出部４０ｂはセパレータ４０の上部に設けられ、水排出部４０ｃはセパレータ４０の下部に設けられている。蒸気導入部４０ａは、第１抜熱経路１６からセパレータ４０へ蒸気を導入させる。水排出部４０ｃは、セパレータ４０で分離された水を、第１抜熱経路１６の他端側に還流させる。

水経路１２のうち、第１抜熱経路１６の高温抜熱配管２７よりも上流側の経路（発熱容器１５と水排出部４０ｃとの間）では、給水タンク３８から供給された液体の水が流れ、第１抜熱経路１６の高温抜熱配管２７よりも下流側の経路（発熱容器１５と蒸気導入部４０ａとの間）では、高温抜熱配管２７内で加熱されて気化した水（蒸気）が流れる。

制御部は、発熱装置１１の各部の動作を制御する。制御部は、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。

制御部は、圧力調整弁３４、ポンプ３５、温度センサ（図示なし）、および電源（図示なし）などと電気的に接続している。制御部は、発熱容器１５の圧力、ヒータ（図示なし）の入力電力などを調整することにより、発熱体１４が発生する過剰熱の出力の制御を行う。

制御部は、温度センサが検出した温度に基づいて、ヒータの出力の制御を行う出力制御部としての機能を有する。制御部は、電源を制御してヒータへの入力電力を調節することにより、発熱体１４を発熱に適正な温度に維持する。

制御部は、第１室２５と第２室２６に設けられた各圧力センサ（図示なし）により検出された圧力に基づいて、圧力調整弁３４およびポンプ３５を制御することにより、第１室２５と第２室２６との間で発生する水素の圧力差を調整する。

制御部は、発熱体１４に水素を吸蔵させる水素吸蔵工程と、発熱体１４から水素を放出させる水素放出工程とを行う。本実施形態では、制御部は、第１室２５と第２室２６との間で水素の圧力差を発生させることによって、水素吸蔵工程と水素放出工程とを同時に行う。制御部は、導入ライン３０から第１室２５へ水素系ガスを導入させ、かつ、第２室２６の水素系ガスを導出ライン３１へ導出させることによって第１室２５を第２室２６よりも高圧とし、発熱体１４の表面での水素の吸蔵と、発熱体１４の裏面での水素の放出とが同時に行われる状態を維持する。

本開示において同時とは、完全に同時、または、実質的に同時とみなせる程度に僅かな時間以内を意味する。水素吸蔵工程と水素放出工程とが同時に行われることにより、水素が発熱体１４を連続的に透過するので、発熱体１４において過剰熱を効率的に発生させることができる。なお、制御部は、水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行ってもよい。すなわち、制御部は、まず、水素吸蔵工程を行うことによって発熱体１４に水素を吸蔵させ、その後、水素放出工程を行うことによって発熱体１４に吸蔵されている水素を放出させてもよい。このように水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行うことによっても、発熱体１４から過剰熱を発生させることができる。

次に、図３および図４を用いて発熱体１４の詳細な構造について説明する。図３に示すように、発熱体１４は、一端が開口し、他端が閉塞した有底筒状に形成されている。発熱体１４は、支持体６１と多層膜６２とを有し、支持体６１の一方の面（例えば表面）に多層膜６２が設けられている。発熱体１４は、一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成された支持体６１の外周面および外底面に沿って多層膜６２が形成されており、多層膜６２も一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成されている。発熱体１４は、多層膜６２が第１室２５側（高圧側）に配され、支持体６１が第２室２６側（低圧側）に配される（図１参照）。第１室２５と第２室２６との間に生じる圧力差によって、第１室２５に導入された水素は、発熱体１４の内部を、多層膜６２、支持体６１の順に透過してゆき、第２室２６へと移動する。すなわち、発熱体１４の外面から内面へ向けて水素が透過する。これにより、発熱体１４は、高圧側から低圧側へ水素が透過する過程で過剰熱を発生する。

支持体６１は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成される。支持体６１は、この例では表面および裏面を有する板状に形成されている。多孔質体は、水素系ガスの通過を可能とするサイズの孔を有する。多孔質体は、例えば、金属、非金属、セラミックスなどにより形成される。多孔質体は、水素系ガスと多層膜６２との反応（以下、発熱反応という）を阻害しない材料により形成されることが好ましい。水素透過膜は、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る。水素吸蔵金属としては、Ni、Pd、V、Nb、Ta、Tiなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、LaNi₅、CaCu₅、MgZn₂、ZrNi₂、ZrCr₂、TiFe、TiCo、Mg₂Ni、Mg₂Cuなどが用いられる。水素透過膜は、メッシュ状のシートを有するものを含む。プロトン導電体としては、BaCeO₃系（例えばBa(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6）、SrCeO₃系（例えばSr(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6）、CaZrO₃系（例えばCaZr_0.95Y_0.05O_3-α）、SrZrO₃系（例えばSrZr_0.9Y_0.1O_3-α）、β Al₂O₃、β Ga₂O₃などが用いられる。

図４に示すように、多層膜６２は、支持体６１に設けられる。多層膜６２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。支持体６１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。多層膜６２は、支持体６１の一方の面（例えば表面）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６２は、支持体６１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６２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、Mn、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、Mn、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、Mn、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、Mn、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を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Mn、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、Mn、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において、第１層７１の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の金属格子中へ移動する様子を示した概略図である。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。このため、発熱体１４に吸蔵された水素は、多層膜６２の内部をホッピングしながら量子拡散する。発熱体１４では、第１層７１、異種物質界面７３、第２層７２を水素が量子拡散により透過する。

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６２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。

次に発熱体１４の製造方法の一例を説明する。まず、有底筒状に形成された支持体６１を準備する。次に、湿式成膜法を用いて支持体６１の外面に多層膜６２を形成する。これにより、有底筒状の発熱体１４を製造できる。湿式成膜法としては、スピンコート法、スプレーコート法、ディッピング法などが用いられる。多層膜６２は、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を用いて形成してもよいし、支持体６１を回転させる回転機構を備えたスパッタリング装置を用いて、支持体６１を回転させながら、支持体６１に多層膜６２を形成してもよい。多層膜６２は、支持体６１の外面に設ける場合に限られず、支持体６１の内面、または支持体６１の両面に設けてもよい。

また、例えば支持体６１を構成する材料を用いてシート状の台座を形成し、シート状の台座の表面に多層膜６２を形成することにより発熱シートを準備し、この発熱シートを有底筒状に形成された支持体６１の外面に巻き付けることで、有底筒状の発熱体１４を製造できる。この場合、多層膜６２は、例えば蒸着装置を用いて、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シート状の台座の表面に、第１層７１および第２層７２を交互に成膜することにより形成できる。なお、第１層７１および第２層７２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（Chemical Vapor Deposition）装置が好ましい。また、電気めっき法により、支持体６１の表面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。

発熱装置１１は、第１抜熱流体と第２抜熱流体の流れる方向が互いに対向している。高温抜熱配管２７の高温出口２７ｂ付近の発熱体１４の一部（上部）は、第１抜熱流体（蒸気）を介して第２抜熱流体（冷水）により抜熱されることにより、異常昇温が抑制される。高温抜熱配管２７の高温入口２７ａ付近の発熱体１４の一部（下部）は、第２抜熱流体（温水）により昇温されることにより、温度低下が抑制される。このように、発熱装置１１は、発熱体１４の温度均一化を図ることができる。発熱装置１１は、発熱体１４の温度が極端に高い部分が生じないため、発熱体１４の損壊が防止されている。また、発熱体１４を過剰熱発生温度範囲内で安定して使用することができる。

発熱体１４の過剰熱は、発熱容器１５内の水素系ガスによる対流、および輻射により、高温抜熱配管２７を介して第１抜熱流体に伝わる。ボイラー１０は、発熱体１４の過剰熱によって、高温抜熱配管２７を流れる液体の水（第１抜熱流体）を加熱して気化させ、蒸気（第１抜熱流体）を生成することができる。

発熱体１４は、伝導、対流および輻射から選択される少なくとも１種の加熱方式により第１抜熱流体を加熱することができる。例えば、発熱体１４と高温抜熱配管２７とを接触させることにより、発熱体１４の過剰熱は、伝導、水素系ガスによる対流、および輻射により、第１抜熱流体に伝わる。

発熱体１４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が発生せずクリーンな熱エネルギー源といえる。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１４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。

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。以下、第１実施形態の変形例について説明する。変形例の図面および説明では、上記第１実施形態と同一または同等の構成要素および部材に対し同一の符号を付する。上記第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、上記第１実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

［第１変形例］
発熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図６に示す発熱体７５を備えるものであってもよい。図６に示す発熱体７５は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２に加えて、第３層７７をさらに有するものである。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、支持体６１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、支持体６１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６２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６２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。

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、SrO、BaO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、SrO、BaOのいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y₂O₃、TiC、LaB₆、SrO、BaO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および異種物質界面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、SrO、BaO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６２は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y₂O₃、TiC、LaB₆、SrO、BaO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。

［第２変形例］
発熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図７に示す発熱体８０を備えるものである。図７に示す発熱体８０は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２と第３層７７に加えて、第４層８２をさらに有するものである。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、支持体６１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、支持体６１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６２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６２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および異種物質界面７８と同様に、水素原子を透過させる。

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、SrO、BaO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、SrO、BaOのいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y₂O₃、TiC、LaB₆、SrO、BaO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、異種物質界面７８、および異種物質界面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、SrO、BaO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６２は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y₂O₃、TiC、LaB₆、SrO、BaO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。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では高温抜熱配管２７と低温抜熱配管２８を螺旋状に設けたが、第２実施形態では高温抜熱配管と低温抜熱配管を鉛直方向に設けている。

図８に示すように、ボイラー１００は、発熱装置１０１を備える。また、ボイラー１００は、図示しないが、上記第１実施形態と同様に、水経路や制御部を更に備えており、発熱装置１０１で発生する熱により、水経路を流れる水を加熱して蒸気を生成するように構成されている。ボイラー１００は、発熱装置１０１の構成が上記第１実施形態と異なり、他の構成は上記第１実施形態と同じである。

発熱装置１０１は、発熱体１０４ａ，１０４ｂと、発熱容器１０５と、第１抜熱経路１０６と、第２抜熱経路１０７とを備える。発熱体１０４ａと発熱体１０４ｂとの間にはヒータ１０８が設けられている。また、発熱装置１０１は、図示しないが、上記第１実施形態と同様に、温度調節部や水素流通ラインを更に備えており、温度調節部により発熱体１０４ａ，１０４ｂの温度が調整され、かつ、水素流通ラインにより発熱容器１０５内に水素系ガスが導入されるように構成されている。

図９に示すように、発熱体１０４ａ，１０４ｂは、筒状に形成されている。発熱体１０４ａと発熱体１０４ｂとは同心円状に配置されている。発熱体１０４ａは発熱体１０４ｂの内部に設けられている。発熱体１０４ａ，１０４ｂの軸方向が鉛直方向である。第２実施形態では、図示しない制御部により、水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行うことによって、発熱体１０４ａ，１０４ｂから過剰熱を発生させる。すなわち、制御部は、まず、水素吸蔵工程を行うことによって発熱体１０４ａ，１０４ｂに水素を吸蔵させ、その後、水素放出工程を行うことによって発熱体１０４ａ，１０４ｂに吸蔵されている水素を放出させる。水素吸蔵工程では、発熱容器１０５の内部への水素系ガスの供給が行われる。水素放出工程では、発熱容器１０５の内部の真空排気と、ヒータ１０８による発熱体１０４ａ，１０４ｂの加熱とが行われる。このように水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行うことによって、発熱体１０４ａ，１０４ｂから過剰熱を発生させることができる。

発熱容器１０５は、中空の容器であり、内部に発熱体１０４ａ，１０４ｂを収容する（図８参照）。発熱容器１０５は、筒状の側壁部１１１と、側壁部１１１の上端部に設けられた上底部１１２と、側壁部１１１の下端部に設けられた下底部１１３とを有する。発熱容器１０５は、側壁部１１１の上端部の開口が上底部１１２により閉じられ、側壁部１１１の下端部の開口が下底部１１３により閉じられた密閉容器である。側壁部１１１は、本実施形態では円筒状に形成されているが、これに限られず、例えば楕円筒状や角筒状に形成されたものでもよい。側壁部１１１は、上端部に上部管寄せ１１５を有し、下端部に下部管寄せ１１６を有している。上部管寄せ１１５および下部管寄せ１１６は、後述する第２抜熱経路１０７の一部を構成する。図８において、発熱容器１０５（側壁部１１１）の軸方向と発熱体１０４ａ，１０４ｂの軸方向は、紙面上下方向と平行である。

第１抜熱経路１０６は、発熱体１０４ａ，１０４ｂにより加熱される第１抜熱流体が流れるように構成されている。第１抜熱経路１０６は、発熱体１０４ａの内部に設けられた高温抜熱配管１２７を有する。高温抜熱配管１２７は、発熱体１０４ａ，１０４ｂの軸方向に延びている。この例では、高温抜熱配管１２７の外面と発熱体１０４ａの内面とが接触している。高温抜熱配管１２７は、側壁部１１１の下端部に設けられた高温入口１２７ａと、側壁部１１１の上端部に設けられた高温出口１２７ｂとを有する。高温入口１２７ａは、下部管寄せ１１６と接続している。高温抜熱配管１２７の断面形状は、この例では円形であるが、特に限定されず、四角形などとすることができる。

第１抜熱経路１０６では、高温入口１２７ａから高温抜熱配管１２７に入った液体の水が、高温抜熱配管１２７内で発熱体１０４ａ，１０４ｂにより加熱されて、気化した水（蒸気）として高温出口１２７ｂから出る。なお、ボイラー１００は、本実施形態では、高温出口１２７ｂまたは図示しないセパレータの圧力を１気圧（０．１ＭＰａ）と想定し、第１抜熱経路１０６から例えば１００℃の蒸気を排出するように構成したが、高温出口１２７ｂまたは図示しないセパレータの圧力を加圧することにより、第１抜熱経路１０６から１００℃を超えた液体の水（温水）を排出することができる。

第２抜熱経路１０７は、第１抜熱流体が流れる方向と対向する方向に第２抜熱流体が流れるように構成されている。第２抜熱経路１０７は、発熱体１０４ｂの外周に沿って設けられた複数の低温抜熱配管１２８を有する。複数の低温抜熱配管１２８は、発熱体１０４ａ，１０４ｂの軸方向に延びている。複数の低温抜熱配管１２８は、上部管寄せ１１５と下部管寄せ１１６との間に配置されている。各低温抜熱配管１２８は、側壁部１１１の上端部に設けられた低温入口１２８ａと、側壁部１１１の下端部に設けられた低温出口１２８ｂとを有する。低温入口１２８ａは、上部管寄せ１１５と接続している。低温出口１２８ｂは、下部管寄せ１１６と接続している。各低温抜熱配管１２８の低温出口１２８ｂは、下部管寄せ１１６を介して、高温抜熱配管１２７の高温入口１２７ａと接続している。各低温抜熱配管１２８の断面形状は、この例では円形であるが、特に限定されず、四角形などとすることができる。

発熱装置１０１は、第１抜熱流体と第２抜熱流体の流れる方向が互いに対向している。すなわち、発熱装置１０１では、発熱体１０４ａ，１０４ｂの軸方向に沿って、第２抜熱流体が発熱容器１０５の上側から下側へ向けて流れ、第１抜熱流体が発熱容器１０５の下側から上側へ向けて流れるように構成されている。低温入口１２８ａから低温抜熱配管１２８に入った第２抜熱流体（冷水）は、低温抜熱配管１２８内を流れる過程で発熱体１０４ａ，１０４ｂにより加熱され、昇温する。低温抜熱配管１２８内で加熱された第２抜熱流体（温水）は、低温出口１２８ｂから出て、第１抜熱流体（温水）として高温抜熱配管１２７の高温入口１２７ａに入る。高温抜熱配管１２７内の第１抜熱流体（温水）は、発熱体１０４ａ，１０４ｂにより更に加熱されて、気化した水（蒸気）として高温出口１２７ｂから出る。高温抜熱配管１２７の高温出口１２７ｂ付近の発熱体１０４ａ，１０４ｂの一部（上部）は、第２抜熱流体（冷水）により抜熱されることにより、異常昇温が抑制される。高温抜熱配管１２７の高温入口１２７ａ付近の発熱体１０４ａ，１０４ｂの一部（下部）は、第２抜熱流体（温水）により昇温されることにより、温度低下が抑制される。このように、発熱装置１０１は、上記第１実施形態と同様に、発熱体１０４ａ，１０４ｂの温度均一化を図ることができる。発熱装置１０１は、発熱体１０４ａ，１０４ｂの温度が極端に高い部分が生じないため、発熱体１０４ａ，１０４ｂの損壊が防止されている。また、発熱体１０４ａ，１０４ｂを過剰熱発生温度範囲内で安定して使用することができる。

発熱体１０４ａ，１０４ｂの過剰熱は、伝導、水素系ガスによる対流、および輻射により、高温抜熱配管１２７を介して第１抜熱流体に伝わる。ボイラー１００は、発熱体１０４ａ，１０４ｂの過剰熱によって、高温抜熱配管１２７を流れる液体の水（第１抜熱流体）を加熱して気化させ、蒸気（第１抜熱流体）を生成することができる。

発熱装置１０１は、発熱体１０４ａと発熱体１０４ｂとを備えているが、発熱体の数は適宜変更することができる。発熱体の形状は、筒状に限られず、板状などでもよい。

１０，１００ ボイラー
１１，１０１ 発熱装置
１４，７５，８０，１０４ａ，１０４ｂ 発熱体
１５，１０５ 発熱容器
１６，１０６ 第１抜熱経路
１７，１０７ 第２抜熱経路
２７，１２７ 高温抜熱配管
２８，１２８ 低温抜熱配管
６１ 支持体
６２ 多層膜
７１ 第１層
７２ 第２層
７７ 第３層
８２ 第４層
７３，７８，８３ 異種物質界面

Claims (7)

1. 水素を含む水素系ガスが導入される発熱容器と、
   前記発熱容器の内部に設けられ、かつ、前記水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、
   前記発熱体により加熱される第１抜熱流体が流れる第１抜熱経路と、
   前記第１抜熱流体が流れる方向と対向する方向に第２抜熱流体が流れる第２抜熱経路とを備える発熱装置。
2. 前記第１抜熱経路は、前記発熱体の周りに螺旋状に設けられた高温抜熱配管を有し、
   前記第２抜熱経路は、前記第１抜熱経路の周りに螺旋状に設けられた低温抜熱配管を有する請求項１に記載の発熱装置。
3. 前記発熱容器は、筒状の側壁部を有し、
   前記高温抜熱配管は、前記側壁部の下端部に設けられた高温入口と、前記側壁部の上端部に設けられた高温出口とを有し、
   前記低温抜熱配管は、前記上端部に設けられた低温入口と、前記下端部に設けられた低温出口とを有する請求項２に記載の発熱装置。
4. 前記発熱体は、筒状に形成されており、
   前記第１抜熱経路は、前記発熱体の内部に設けられた高温抜熱配管を有し、
   前記第２抜熱経路は、前記発熱体の外周に沿って設けられた複数の低温抜熱配管を有し、
   前記高温抜熱配管と前記複数の低温抜熱配管とは、前記発熱体の軸方向に延びている請求項１に記載の発熱装置。
5. 前記発熱容器は、筒状の側壁部を有し、
   前記高温抜熱配管は、前記側壁部の下端部に設けられた高温入口と、前記側壁部の上端部に設けられた高温出口とを有し、
   前記複数の低温抜熱配管は、前記上端部に設けられた低温入口と、前記下端部に設けられた低温出口とを有し、
   前記高温抜熱配管の前記高温入口と前記複数の低温抜熱配管の前記低温出口とが接続している請求項４に記載の発熱装置。
6. 前記発熱体は、伝導、対流および輻射から選択される少なくとも１種の加熱方式により前記第１抜熱流体を加熱する請求項１～５のいずれか１項に記載の発熱装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の発熱装置を備えるボイラーであって、
   前記第１抜熱経路には前記第１抜熱流体として水が供給され、
   前記水を前記発熱体により加熱し、前記第１抜熱経路から蒸気または温水を排出するボイラー。

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