JP2023111758A - 熱利用システムおよび発熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱装置の構成の単純化を図る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（１００）は、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される発熱体と、発熱体を加熱する加熱部と、発熱体及び加熱部を収容する密閉容器（筐体１１及び蓋１３）と、を備える発熱装置（１０）と、発熱装置（１０）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（２０）と、を備える。発熱装置（１０）は、熱利用装置（２０）に対して着脱可能に構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、熱利用システムおよび発熱装置に関する。

水素吸蔵合金は、一定の反応条件の下で多量の水素を繰り返し吸蔵及び放出する特性を有しており、この水素の吸蔵と放出時にかなりの反応熱を伴うことが知られている。この反応熱を利用した熱利用システムおよび発熱装置の種々の態様が提案されている（特許文献１）。

特許文献１に開示の技術によれば、発熱装置が熱利用装置と接続された熱利用システムにおいて、水素吸蔵合金を用いた発熱体が真空排気及び水素供給が可能な容器に封入されている。そして、容器へ水素を供給して当該金属に水素を吸蔵させる水素吸蔵工程、及び、容器の真空排気と水素吸蔵合金のヒータによる加熱とを行うことにより水素吸蔵合金から水素を放出させる水素放出工程が実行される。発熱装置は、水素放出工程において、ヒータによる加熱量を上回る量の過剰熱を発生する。

国際公開第２０２０／１２２０９７号

特許文献１に開示の技術によれば、発熱装置は、熱利用装置と接続された状態において、真空排気及び水素供給が実行可能に構成されているので、発熱装置の構成が複雑化するという課題がある。

本発明においては、発熱装置の構成の単純化を図る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。

本願発明の一態様の発熱装置を利用した熱利用システムは、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される発熱体と、発熱体を加熱する加熱部と、発熱体及び加熱部を収容する密閉容器と、を備える発熱装置と、発熱装置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、を備える。発熱装置は、熱利用装置に対して着脱可能に構成される。

本願発明の一態様の発熱装置は、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される発熱体と、発熱体を加熱する加熱部と、発熱体及び加熱部を収容する密閉容器と、を備える。発熱装置は、発熱体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に対して着脱可能に構成される。

本願発明の一態様の熱利用システムによれば、発熱装置は熱利用装置に取り付けられている間に密閉容器において水素放出工程が行われると、加熱部により加熱された発熱体が発熱する。その後、発熱体の多層膜に吸蔵された水素が放出され、発熱量が低下すると、発熱装置は再生するために熱利用装置から取り外され、取り外された状態において多層膜に水素を再吸蔵させる水素吸蔵工程が行われる。このように、熱利用システムおよび発熱装置においては、水素供給や真空排気に関する吸排気系統が不要になるので、発熱装置の構成を簡略化できる。

図１は、本発明に係る発熱装置に用いられる発熱セルの斜視図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線拡大断面図である。 図３は、発熱セルの多層膜の構成を示す図２のＢ部拡大詳細図である。 図４は、発熱セルの多層膜における過剰熱発生のメカニズムを説明する模式図である。 図５は、第１実施形態の発熱装置を利用した熱利用システムの分解斜視図である。 図６は、熱利用システムの軸方向に対して垂直方向の断面図である。 図７は、熱利用システムの軸を含む面における断面図である。 図８は、第２実施形態の発熱装置を利用した熱利用システムの分解斜視図である。 図９は、熱利用システムの軸方向に対して垂直方向の断面図である。 図１０は、熱利用システムの軸を含む面における断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。まず、図１～図４を用いて、本願の実施形態において共通する発熱セルの構成及び発熱メカニズムについて説明する。

図１は本発明に係る発熱セルの斜視図、図２は図１のＡ－Ａ線拡大断面図であり、図示の発熱セル１は、多孔質金属焼結体、多孔質セラミックス焼結体または金属で構成された円筒状（丸パイプ状）の支持体１Ａの内周面に、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜１Ｂを形成して構成されている。ここで、支持体１Ａを構成する多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体には、水素の透過を許容する大きさの多数の孔が形成されている。そして、多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体の材質には、水素と多層膜１Ｂとの発熱反応を阻害しないものが使用される。具体的には、多孔質金属焼結体には、例えば、Ｔｉ、ＳＵＳ、Ｍｏなどが使用され、セラミックス焼結体には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯなどが使用される。また、支持体１Ａを構成する金属としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）が使用されても良い。さらに、多層膜１Ｂの内部には、発熱セル１（多層膜１Ｂ）を内部から加熱するヒータ１Ｃが設けられている。

なお、本実施の形態では、支持体１Ａとして円筒状（丸パイプ状）のものを用いたが、多角筒状（角パイプ状）のものを使用しても良い。

ところで、水素には、該水素の同位体を含む水素系ガスが含まれ、水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスの何れかが使用される。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素との混合物、すなわち、軽水素の割合が９９．９８５％、重水素の割合が０．０１５％である混合物を含む。なお、以下の説明においては、水素系ガスを含むガスを「水素」と総称する。

ここで、多層膜１Ｂの構成を図３に基づいて説明する。

図３は図２のＢ部拡大詳細図であり、同図に示す支持体１Ａの内周面に形成される多層膜１Ｂは、本実施の形態では、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金によって構成された第１層１０１と、この第１層１０１とは異なる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金またはセラミックスによって構成された第２層１０２とを備えており、これらの第１層１０１と第２層１０２との間には異種物質界面１０３が形成されている。図３に示す例では、多層膜１Ｂは、支持体１Ａの内周面に、各５つの第１層１０１と第２層１０２とがこの順に交互に積層されて計１０層の膜構造として形成されている。なお、第１層１０１と第２層１０２の数は任意であって、図３に示す例とは異なり、支持体１Ａの内周面に複数の第２層１０２と第１層１０１とをこの順に交互に積層して多層膜を形成しても良い。また、多層膜１Ｂは、第１層１０１と第２層１０２をそれぞれ少なくとも１層以上有し、第１層１０１と第２層１０２との間に形成される異種物質界面１０３が１つ以上設けられていれば良い。

ここで、第１層１０１は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ及びこれらの合金のうちの何れかによって構成されている。ここで、第１層１０１を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものが好ましい。また、第１層１０１を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加物を添加したものであっても良い。

また、第２層１０２は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ及びこれらの合金或いはＳｉＣのうちの何れかによって構成されている。ここで、第２層１０２を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものが好ましい。また、第２層１０２を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加物を添加したものであっても良い。

そして、第１層１０１と第２層１０２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層－第２層」として表示すると、Ｐｄ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｃｏの組み合わせが好ましい。なお、第２層１０２をセラミックスで構成する場合には、Ｎｉ－ＳｉＣの組み合わせが望ましい。

なお、図１～図３に示される例において、支持体１Ａの内部に設けられる多層膜１Ｂは、第１層１０１及び第２層１０２により構成されたが、これに限らない。多層膜１Ｂは、第３層をさらに有しても良い。第３層は、第１層１０１及び第２層１０２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。なお、多層膜１Ｂにおいて、第３層が１層以上含まれていれば良い。

さらに、支持体１Ａの内部に設けられた多層膜１Ｂは、第１層１０１と第２層１０２と第３層に加え、第４層をさらに有しても良い。第４層は、第１層１０１、第２層１０２及び第３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る。なお、多層膜１Ｂにおいて、第３層と同様に第４層が１層以上含まれていれば良い。

ここで、発熱セル１の発熱（過剰熱の発生）のメカニズムを図４に基づいて説明する。

図４は発熱セルにおける過剰熱発生のメカニズムを説明する模式図であり、発熱セル１の多層膜１Ｂの第１層１０１と第２層１０２との間に形成された異種物質界面１０３は、水素原子を透過させる。発熱セル１にその内周面側から水素が供給されると、面心立方構造を有する第１層１０１と第２層１０２、すなわち多層膜１Ｂが水素を吸蔵する。ここで、発熱セル１は、水素の供給が停止しても、多層膜１Ｂによって水素を吸蔵した状態を維持する。

そして、発熱セル１のヒータ１Ｃによる加熱が開始されると、図４に示すように、第１層１０１の金属格子中の水素原子が異種物質界面１０３を透過して第２層１０２の金属格子中に移動し、多層膜１Ｂに吸蔵されている水素が放出され、この水素は、多層膜１Ｂの内部をホッピングしながら量子拡散する。ここで、水素は軽く、或る物質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）を水素原子がホッピングしながら量子拡散していることが知られている。このため、発熱セル１がヒータ１Ｃによって加熱されることによって、水素が異種物質界面１０３を量子拡散によって透過し、或いは、水素が異種物質界面１０３を拡散によって透過することによって、発熱セル１が発熱し、ヒータ１Ｃによる加熱量以上の熱量の熱が過剰熱として発生する。

ところで、発熱セル１の多層膜を構成する第１層１０１と第２層１０２の厚さは、各々１０００ｎｍ未満であることが望ましい。第１層１０１と第２層１０２の各厚さが１０００ｎｍ未満であると、第１層１０１と第２層１０２は、バルク特性を示すことのないナノ構造を維持することができる。因みに、第１層１０１と第２層１０２の各厚さが１０００ｎｍ以上である場合には、水素が多層膜１Ｂを透過しにくくなる。なお、第１層１０１と第２層１０２の各厚さは、５００ｎｍ未満であることが望ましい。このように第１層１０１と第２層１０２の各厚さが５００ｎｍ未満であると、これらの第１層１０１と第２層１０２は、バルク特性を全く示さないナノ構造を維持することができる。

ここで、発熱セル１の製造方法の一例について説明する。

発熱セル１は、円筒状（丸パイプ状）の支持体１Ａを準備し、この支持体１Ａをその軸中心回りに回転させながら、蒸着装置を用いて、第１層１０１や第２層１０２となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態とし、この気相状態の水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の凝集や吸着によって支持体１Ａの内周面に、第１層１０１と第２層１０２を交互に成膜することによって製造される。この場合、第１層１０１と第２層１０２を真空状態で連続的に成膜することが好ましく、このようにすることによって、第１層１０１と第２層１０２との間に、自然酸化膜が形成されることなく異種物質界面１０３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、この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）装置が使用される。また、電気めっき法によって支持体１Ａの内周面に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させて第１層１０１と第２層１０２を交互に成膜しても良い。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態の熱利用システムについて、図５～図７を用いて説明する。以下では、図中の上下左右方向を用いて説明するが、熱利用システムの配置はこれらの方向に限定されず、任意の方向に配置できる。なお、発熱セル１の多層膜１Ｂは発熱体の一例であり、ヒータ１Ｃは加熱部の一例である。

熱利用システムは、発熱セル１を備える円柱状の発熱装置が、同じく円柱状の熱利用装置に装填されて構成される。図５は、発熱装置を利用した熱利用システムの分解斜視図である。図６は、熱利用システムの軸方向に対して垂直方向の断面図であり、図７は、熱利用システムの軸を含む面における断面図である。

図５に示されるように、熱利用システム１００は、発熱セル１を備える円柱状の発熱装置１０と、発熱装置１０を熱源として用い、同じく円柱状であって発熱セル１より大径の熱利用装置２０とを備える。図示された発熱装置１０及び熱利用装置２０の態様は一例であって、角柱等の種々の形態で構成し得る。

発熱装置１０は、円柱状の発熱セル１の複数（この図の例では８個）が、上面に開口を備える有底円柱状の筐体１１の内部に配置されている。図５においては、可読性のために、図中の最も右側の発熱セル１についてのみ筐体１１に収容される側面及び内面の輪郭が破線で示されており、他の７つの発熱セル１については上下の端面のみが示されている。図７の断面図に示すように、筐体１１の内部には発熱セル１を保持するホルダ１２が設けられている。

筐体１１の図上部の開口は、蓋１３により閉塞される。筐体１１及び蓋１３により密閉容器が形成され、蓋１３は密閉容器の開閉部に相当する。密閉容器（筐体１１及び蓋１３）は交換可能なカートリッジ式として構成され、熱利用システム１００の熱利用装置２０に交換可能に装填される。

蓋１３には、開閉可能な弁を有する吸排気口１４が設けられている。吸排気口１４は、カートリッジ式の発熱装置１０の再生時に、筐体１１内の真空排気及び水素充填に用いられる。発熱装置１０が熱利用装置２０に装填されている間は、吸排気口１４は開かれずに閉じたままとなる。蓋１３の上面及び筐体１１の底面には、それぞれ電極１５ａ、１５ｂが設けられている。蓋１３内には電気配線が設けられており、これらの電気配線を介して電極１５ａ、１５ｂは各発熱セル１のヒータ１Ｃと電気的に接続される。その結果、電極１５ａ、１５ｂを介してヒータ１Ｃに電力が供給されるので、ヒータ１Ｃを加熱することができる。

密閉容器（筐体１１及び蓋１３）の内部は、水素系ガスが充填されており、水素系ガスに含まれる水素が発熱セル１の多層膜１Ｂに吸蔵される。ヒータ１Ｃによって多層膜１Ｂが加熱されることにより、多層膜１Ｂに吸蔵されている水素を放出させる。このような水素の吸蔵及び放出を経て、過剰熱が発生する。

本実施形態では、発熱装置１０が熱利用装置２０に装着されている間に、発熱装置１０の密閉容器（筐体１１及び蓋１３）において水素放出工程が行われる。この水素放出工程においては、ヒータ１Ｃにより発熱セル１を加熱すると、多層膜１Ｂに吸蔵されている水素の放出に伴って過剰熱が放出される。その後、多層膜１Ｂに吸蔵された水素が放出されると、発熱装置１０は再生するために熱利用装置２０から取り外される。取り外された発熱装置１０は、多層膜１Ｂに水素を吸蔵させる水素吸蔵工程が行われる。水素吸蔵工程においては、密閉容器へ水素系ガスを充填して多層膜１Ｂに水素を吸蔵させた後に、密閉容器を真空排気する。多層膜１Ｂは、水素の吸蔵後は真空排気されても水素を吸蔵した状態を維持するので、発熱装置１０が再生される。なお、水素系ガスの充填前においても、任意で追加的に真空排気を行っても良い。水素系ガスの充填前に真空排気を行わない場合には、水素吸蔵工程において、密閉容器の外から供給された水素が多層膜１Ｂに吸蔵される。水素系ガスの充填前に真空排気を行われる場合には、水素放出工程において放出されて密閉容器内に留まる水素が、密閉容器の外から供給された水素とともに多層膜１Ｂに吸蔵される。

支持体１Ａが多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体で構成されている場合には、発熱セル１の上下端面が蓋１３及び筐体１１の内面との接触により閉塞されていたとしても、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）内の水素が支持体１Ａ内の多層膜１Ｂへ到達して、多層膜１Ｂの水素吸蔵が可能になる。支持体１Ａは、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属により構成されてもよく、この場合には、発熱セル１の上下端面と、筐体１１及び蓋１３の内面とは離間し、離間部を介して支持体１Ａの外径側と多層膜１Ｂの内径側とが連通し、多層膜１Ｂの水素吸蔵が可能になる。

また、発熱装置１０は、上述のように熱利用装置２０から取り外された状態で水素吸蔵工程により再生可能であるが、発熱反応を繰り返すことにより、発熱装置１０内の発熱セル１は経年劣化し得る。このような場合には、発熱装置１０の全体を交換することで熱利用システム１００の維持管理を行うことができる。熱利用装置２０から取り外された発熱装置１０は、蓋１３を開けて内部の発熱セル１を交換した後に、吸排気口１４を介して水素吸蔵工程（真空排気及び水素充填）が行われて再生される。なお、吸排気口１４は、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）に設けられる開閉可能な開口の一例である。

熱利用装置２０は、中空円柱状の筐体２１を備え、中心の中空部２２に円柱状の発熱装置１０が装填される。さらに中空部２２の外周には、軸方向（図上下方向）に熱媒体が通る導管２３が複数（この図においては１２個）設けられている。すなわち、熱利用装置２０は、発熱装置１０の周囲に配置された、熱媒体が流れる導管２３を有する。なお、図５においては、可読性のために、図中の最も右側の導管２３についてのみ筐体２１内の側面の輪郭が破線で示されており、他の１１個の導管２３については、上部の端面のみが示されている。導管２３は、筐体２１内部のホルダにより保持されても良いし、筐体２１に設けられた開口に収容されて固定されても良い。本実施形態では、筐体２１の内部に空洞が設けられており、当該空洞に気体（例えば空気）が封入されている。筐体２１の内壁と導管２３の外壁とが離間し、導管２３と発熱装置１０とが接触しないように構成されている。筐体２１は基部２４の上に配置されており、基部２４には、バルブ２５を備える熱媒体の流出入路２６が設けられている。流出入路２６は、熱媒体の熱利用装置２０への流入路と、熱利用装置２０からの熱媒体の流出路との両者を備える。

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良い。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等の気体が用いられるものとする。

導管２３は、隣接する２つが対をなして、図上方の端部においてＵ字状の連結部２７により接続されている。対をなす導管２３における熱媒体の流れは以下のとおりである。熱媒体は、一方の導管２３の基部２４内の流入口から流入した後、一方の導管２３において基部２４側から連結部２７側に向かって流れる。その後、熱媒体は、連結部２７を介して他方の導管２３に流れ込み、他方の導管２３において連結部２７から基部２４に向かって流れ、他方の導管２３の基部２４内の流出口から流出する。

基部２４においては、複数の対をなす導管２３について、対における一方の導管２３の流入口のそれぞれが、流出入路２６の流入路と接続され、他方の導管２３の流出口のそれぞれが、流出入路２６の流出路と接続される。このような構成となることにより、流出入路２６の流入路から熱利用装置２０に流入する熱媒体は、導管２３において発熱装置１０により加熱された後に、流出入路２６の流出路から排出される。

なお、図７に示されるように、基部２４は中心に軸方向に貫通する開口を備え、この開口を介して電極１５ｂが配索される。発熱装置１０は、熱利用装置２０に対して着脱される場合に、電極１５ａ、１５ｂを介して、ヒータ１Ｃ（加熱部）と電力の供給源との電気的な接続及び取り外しが行われるように構成されている。発熱装置１０を熱利用装置２０に取り付ける場合には、発熱装置１０の電極１５ａ、１５ｂと、発熱装置１０の外部の電力供給源との間の電気的接続を行えば良い。電力供給源は、熱利用装置２０が備えても良いし、熱利用システム１００の外部に設けられても良い。熱利用装置２０は真空排気や水素充填に関する機器を備えないため、発熱装置１０を熱利用装置２０に取り付ける場合に、真空排気や水素充填等の吸排気系の接続は不要となる。

なお、熱媒体は気体に限られず、水のような液体であっても良い。熱媒体が水である場合には、流出入路２６と接続されたボイラーを駆動することができる。しかしながら、熱媒体として水を用いる場合は、水が導管２３内で加熱により気化して水蒸気が発生すると体積が急増してしまい導管２３が破損してしまうおそれがある。そのため、熱媒体として水を用いる場合には、連結部２７は設けられず、全ての導管２３は発熱装置１０との間の熱交換が行われる部分において熱媒体である水が鉛直方向の下方から上方に向かって流れるように構成する。このように構成することで、仮に導管２３内で水蒸気が発生したとしても、水蒸気は自重及び水流によって上方へと流れるため、導管２３が破損するおそれを低減できる。

導管２３は、図６及び図７の断面図に示されるように、内部に中空部を備える。すなわち、導管２３は、中空構造を有する。導管２３は、中空部を備えないものでも良いが、その場合は中心部において壁部近傍よりも流速が速くなり、熱媒体への熱移動が均一化されないことがある。本実施形態の導管２３は内部に中空部を備えるため、管内の流速が均一化し、熱媒体の熱交換の効率を高めることができる。このようにして、導管２３内においては、対流、伝熱、輻射等により熱媒体が加熱される。さらに、例えば導管が螺旋状である場合には、導管内壁に析出物が生じると除去するのが難しいが、直線状の導管２３は析出物の除去が比較的容易である。

また、熱媒体が通る導管は、本実施形態のように直線状に限らず、発熱装置が装填される中空部の外周に沿って螺旋状に設けられても良い。ただし、導管が螺旋状である場合には、熱媒体としては気体を用いることが好ましい。螺旋状の導管においては管内の内側（発熱装置側）と外側との流速の差は顕著であり、かつ、この流速の差は熱媒体として液体を用いるとさらに大きくなる。このように、螺旋状の導管においては、熱媒体の流速は管内の外側よりも内側が遅いので、熱移動が遅くなり熱交換効率が低下するおそれがある。そのため、熱媒体が液体である場合は、導管は螺旋状ではなく本実施形態のように直線状であることが好ましい。

このように本実施形態においては、発熱装置１０は、熱利用装置２０に取り付けられている間に、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）において水素放出工程が行われる。この水素放出工程においては、ヒータ１Ｃにより発熱セル１を加熱すると、多層膜１Ｂに吸蔵されている水素の放出に伴って、過剰熱が放出される。水素放出工程における過剰熱を用いて、熱利用装置２０の導管２３を流れる熱媒体を加熱することにより、流出入路２６と接続されるタービン等を動作させることができる。

その後、多層膜１Ｂに吸蔵された水素が放出され、発熱量が低下すると、発熱装置１０を再生するために、熱利用装置２０から発熱装置１０が取り外される。発熱装置１０は、熱利用装置２０から取り外されている間に、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）の外部から供給される水素を多層膜１Ｂに吸蔵（再吸蔵）させる水素吸蔵工程が行われる。このように、熱利用システム１００においては、水素供給や真空排気に関する吸排気系統が不要になるので、発熱装置１０の構成を簡略化できる。

なお、水素吸蔵工程においては、水素放出工程において密閉容器（筐体１１及び蓋１３）内に放出された水素に加えて、外部から密閉容器へと充填された水素系ガスを用いて、多層膜１Ｂに水素を吸蔵させることができる。このように、水素放出工程において放出された水素を水素吸蔵工程において多層膜１Ｂに再吸蔵させることで、密閉容器内において水素を再使用できるので、水素の利用効率が高まり、運転コストの低減を図ることができる。

さらに、一般に水素と多層膜１Ｂが触れると、多層膜１Ｂの熱が水素に奪われて熱利用率が低下する。これに対し、発熱装置１０は、熱利用装置２０に取り付けられた状態では密閉容器（筐体１１及び蓋１３）は真空状態であり、水素放出工程において水素が供給されない。その結果、多層膜１Ｂにおける発熱が密閉容器内の水素に奪われることがないので、熱利用率の向上を図ることができる。

また、仮に発熱装置１０が熱利用装置２０に取り付けられた状態で水素吸蔵工程を行う場合には、真空排気や水素充填等の吸排気系統の接続が必要になり、これらの系統に起因するコンタミが生じるおそれがある。これらの環境由来のコンタミが発熱セル１の多層膜１Ｂの表面に付着すると、多層膜１Ｂの表面が汚染されて反応面積が小さくなり、発熱反応が阻害されて発熱量が減少する。これに対して、本実施形態においては、発熱装置１０は、熱利用システム１００から取り外され、コンタミが発生しにくい環境で水素吸蔵工程を実行可能であるので、環境由来のコンタミに起因する多層膜１Ｂの表面汚染による発熱量の減少を抑制することができる。

さらに、発熱装置１０が熱利用装置２０に対して着脱可能に構成されることにより、予め水素吸蔵工程を経て再生された発熱装置１０を複数準備しておけば、発熱装置１０の水素放出工程の終了後、発熱装置１０の交換時間のみで熱利用システム１００を再起動できる。そのため、熱利用システム１００の運転停止時間が短縮され、運転効率の向上を図ることができる。

さらに、発熱装置１０の運転中において、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）は、電極１５ａ、１５ｂが接続されるが、真空排気や水素充填のための装置が不要となる。そのため、発熱セル１が経年劣化した時に、熱利用装置２０に装着される発熱装置１０を交換する場合には、電極１５ａ、１５ｂの取り外し／再接続が必要となるが、真空排気や水素充填の系統の取り外し／再接続は不要となる。さらに取り外された発熱装置１０については、密閉容器の開閉部（蓋１３）を開いて発熱セル１を交換し、その後、吸排気口１４を介した真空排気及び水素充填を行うことで、再生できる。このようにして、熱利用システム１００のメンテナンス性を向上させ、維持費用を低減できる。

なお、本実施形態においては、円柱状の発熱セル１において、ヒータ１Ｃをその中心軸に配置したが、これに限らない。ヒータ１Ｃは発熱セル１の任意の場所に配置可能であり、例えば、円柱状の発熱セル１において、支持体１Ａの外周に沿って螺旋状に巻き付けるように配置しても良い。他の形態として、筐体１１の中心にヒータ１Ｃを１つだけ設けて、ヒータ１Ｃの周りに複数の発熱セル１を設けるように構成しても良い。このように１つのヒータ１Ｃで複数の発熱セル１を加熱することにより、ヒータ１Ｃが少なくなるので製造コストの低減を図ることができる。

本実施形態においては、筐体２１の内壁と導管２３の外壁とが離間し、発熱装置１０と導管２３とが接触しないように構成されているので、導管２３内を流れる熱媒体は、発熱装置１０の発熱の輻射により加熱される。他の態様として、導管２３を筐体２１の内側（発熱装置側）へ寄せて、発熱装置１０と導管２３とが接触するように構成した場合は、導管２３内を流れる熱媒体は、発熱装置１０の真空の密閉容器（筐体１１及び蓋１３）を介した熱貫流により加熱される。

（第２実施形態）
第２実施形態において、密閉容器（筐体１１及び蓋１３）を構成する筐体１１の異なる態様について説明する。図８は、熱利用システムの分解斜視図である。図９は、熱利用システムの軸方向に対して垂直方向の断面図である。図１０は、熱利用システムの軸を含む面における断面図である。図８～図１０は、それぞれ、第１実施形態の図５～図７と対応する。

これらの図に示されるように、第２実施形態において、発熱装置１０の密閉容器（筐体１１及び蓋１３）は、第１実施形態の密閉容器（筐体１１及び蓋１３）と比較すると、内部に中空部３０が構成されている。詳細には、中空部３０は、蓋１３の中心に設けられる開口と、筐体１１内のホルダ１２の中心に設けられる開口により形成される。すなわち、第２実施形態の密閉容器（筐体１１及び蓋１３）は、柱状であり中心に開口を備えている。なお、可読性のために、図８には、筐体１１の中心にホルダ１２に収容される中心導管３１の輪郭が示されている。発熱セル１の多層膜１Ｂ（発熱体）は、柱状（この例では円柱状）である。複数の多層膜１Ｂ（発熱体）が密閉容器の開口の周りに配置されている。

熱利用装置２０は、中空部２２の中心に中心導管３１を備える。発熱装置１０が熱利用装置２０に装填された状態において、中心導管３１は発熱装置１０の中空部３０に挿入される。さらに、熱利用装置２０は、筐体２１の外側に外部導管３２を備えており、中心導管３１と外部導管３２とは、下方では基部２４において接続され、上方では連結部３３により接続されている。なお、中心導管３１と外部導管３２との連結部３３による接続は、発熱装置１０の熱利用装置２０への装填後に行われる。なお、本実施形態においても、熱媒体としては気体が用いられているものとする。熱媒体として液体が用いられる場合には連結部２７、３３は設けられず、かつ、導管２３及び中心導管３１内を液体の熱媒体が鉛直方向の下方から上方に向かって流れるように構成される。これにより、液体の熱媒体の気化に起因する導管２３及び中心導管３１の破損のおそれを低減できる。

熱媒体は、中心導管３１の基部２４の流入口から流入した後、基部２４側から連結部３３側に向かって流れる。熱媒体は、その後、連結部３３を介して外部導管３２に流れ込むみ、外部導管３２において連結部３３から基部２４に向かって流れ、外部導管３２の基部２４内の流出口から流出する。基部２４においては、中心導管３１の流入口が流出入路２６の流入路と接続され、外部導管３２の流出口が流出入路２６の流出路と接続される。

なお、中心導管３１及び外部導管３２の構成は、上述の例に限られず種々の態様をとりえる。熱媒体は外部導管３２から中心導管３１に向かって流れても良い。中心導管３１及び外部導管３２は、導管２３と同様に内部に中空部を備えても良い。

密閉容器（筐体１１及び蓋１３）には、複数の発熱セル１が断面において周方向に並設されているため、中心部分が加熱されやすい。密閉容器の中心部分にさらに中心導管３１を備えることにより、熱媒体の加熱を効率よく行うことができる。

さらに、本実施形態のような構成は、発熱装置１０がより大型化して中心部分が高温となる場合に有効である。発熱装置１０が大型化すると、各々の発熱セル１が発する熱が干渉して、発熱セル１の表面が異常昇温して例えば９５０℃以上になり、支持体１Ａおよび多層膜１Ｂが変形するおそれがある。そこで、発熱装置１０は外周に配置された導管２３と熱交換するとともに、中心導管３１でも熱交換するので、発熱セル１の異常昇温を抑制し、支持体１Ａおよび多層膜１Ｂの変形を防ぐことができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１ 発熱セル
１Ａ 支持体
１Ｂ 多層膜（発熱体）
１Ｃ ヒータ（加熱部）
１０ 発熱装置
１１ 筐体
１３ 蓋（開閉部）
２０ 熱利用装置
２３ 導管
３１ 中心導管
３２ 外部導管
１００ 熱利用システム

Claims (11)

1. 水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される発熱体と、前記発熱体を加熱する加熱部と、前記発熱体及び前記加熱部を収容する密閉容器と、を備える発熱装置と、
   前記発熱装置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、を備える熱利用システムにおいて、
   前記発熱装置は、前記熱利用装置に対して着脱可能に構成される、熱利用システム。
2. 請求項１に記載の熱利用システムであって、
   前記発熱装置が前記熱利用装置に取り付けられている間に、前記加熱部により前記発熱体を加熱させることにより、前記発熱体に吸蔵されている水素を放出させるとともに過剰熱を発生させる水素放出工程が行われ、
   前記発熱装置が前記熱利用装置から取り外されている間に、前記密閉容器の外部から供給される水素を前記発熱体に吸蔵させる水素吸蔵工程が行われる、熱利用システム。
3. 請求項１または２に記載の熱利用システムであって、
   前記加熱部は、電力の供給に応じて駆動し、
   前記発熱装置は、前記熱利用装置に対して着脱される場合に、前記加熱部と前記電力の供給源との電気的な接続及び取り外しが行われる、熱利用システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱利用システムであって、
   前記熱利用装置は、前記発熱装置の周囲に配置された、前記熱媒体が流れる導管を有する、熱利用システム。
5. 請求項４に記載の熱利用システムであって、
   前記導管は、中空構造を有する、熱利用システム。
6. 請求項５に記載の熱利用システムであって、
   前記熱媒体が液体である場合には、前記導管は、前記発熱装置との熱交換が行われる部分において、前記熱媒体が鉛直方向の下方から上方に流れるように構成される、熱利用システム。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の熱利用システムであって、
   前記発熱装置において、
   前記密閉容器は、柱状であり中心に開口を備え、
   前記発熱体は、柱状であり、複数の前記発熱体が前記開口の周りに配置され、
   前記熱利用装置は、前記発熱装置の前記開口を貫通し、前記熱媒体が流れる中心導管を、さらに有する、熱利用システム。
8. 水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される発熱体と、前記発熱体を加熱する加熱部と、前記発熱体及び前記加熱部を収容する密閉容器と、を備える発熱装置であって、
   前記発熱体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に対して着脱可能に構成される、発熱装置。
9. 請求項８に記載の発熱装置であって、
   前記発熱装置が前記熱利用装置から取り外されている時に、前記密閉容器の外部から供給される水素を前記発熱体に吸蔵させる水素吸蔵工程が行われる、発熱装置。
10. 請求項８または９に記載の発熱装置であって、
    前記発熱装置は、前記密閉容器に設けられた開閉可能な開口を備え、
    前記開口は、前記発熱装置が前記熱利用装置に取り付けられている時には閉じられ、前記発熱装置が前記熱利用装置から取り外されている時に開かれ、外部から前記密閉容器への水素供給に利用される、発熱装置。
11. 請求項８から１０のいずれか１項に記載の発熱装置であって、
    前記密閉容器は開閉部を備え、前記開閉部を開いて前記発熱体が交換可能に構成される、発熱装置。
    
    

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