JP2652456B2

JP2652456B2 - 水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの運転方法

Info

Publication number: JP2652456B2
Application number: JP10517990A
Authority: JP
Inventors: 賢二名迫; 孝広米崎; 直樹広; 俊彦齋藤
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1990-04-23
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPH046357A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、水素吸蔵合金を利用した熱利用システム運
転方法に関し、特にヒートポンプ、熱輸送システム、冷
熱システムに応用して好適なるものである。

（ロ）従来の技術水素吸蔵合金は一定の反応条件の下で、多量の水素を
繰り返し吸収、放出する特性を有し、と同時にこの吸収
放出時にかなりの反応熱を伴うことが知られている。

この反応を利用して特開昭56−100276号公報や特開昭
58−22854号公報に開示されているように、温冷熱を得
る熱利用システムが既に提案されている。

しかしながら水素吸蔵合金を用いたこれらのシステム
では、連続運転を可能とするために、それぞれ水素吸蔵
合金を収容した２つの水素吸蔵合金槽を水素配管で接続
したユニットを少くとも２組設け、これらユニットを交
互に切替え運転することが不可欠である。ところが、交
互切り替え運転の際、今迄低温熱媒が流れていた一方の
水素吸蔵合金槽に高温熱媒が、また高温熱媒が流れてい
た他方の水素吸蔵合金槽に低温熱媒が流れるように熱媒
経路が切り換わるが、この場合、水素吸蔵合金容器の温
度を大きく変化させる必要があった。従って、このよう
な操作を必要とすることが水素吸蔵合金を用いた熱利用
システムの熱効率を大きく低下させる原因となってい
た。これを改善するために、特開昭57−104063号公報に
見られるように２組の水素吸蔵合金槽ユニットの各水素
吸蔵合金槽間で熱交換する製造が提案されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題しかし、上記公報に示すシステムの方法であると、そ
のための付属装置が大きく、又効率良く熱利用システム
の余剰熱を回収する（顕熱回収）ものとはなっていなか
った。

本発明は、上記問題点に鑑み成されたもので、水素吸
蔵合金を利用した、ヒートポンプ、熱輸送、冷熱システ
ム等の熱利用システムの運転切替え時の顕熱回収を比較
的簡易な方法で高効率で行う高効率熱利用システムを提
供することを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段本発明に係る熱利用システムおよびその運転方法は、
運転切り換えを行う熱媒配管切り替え過程で、３種の熱
源もしくは熱負荷から水素吸蔵合金槽に熱媒を供給する
熱媒配管を最初に切り替え、その後、遅延時間をもうけ
て水素吸蔵合金槽から熱源もしくは熱負荷に熱媒を戻す
熱媒配管を切り替えることにより、熱利用システム内の
余剰熱を有効に利用する顕熱回収方法を採用し、特に顕
熱回収を行っている時の熱媒流量を熱利用システムの水
素移動時の熱媒流量に比べて少くなるように制御する。

望ましくは、熱利用システム作動の熱媒流量に比べて
1/3〜2/3の流量に減少させ熱交換率を高めて、高効率の
顕熱回収をしようとするものである。

更に、上記熱媒流量を制御する運転方法とともに熱負
荷に熱供給する水素吸蔵合金温度を感知して、その温度
により熱負荷への熱媒供給ポンプの運転・停止を制御す
ることにより、高効率熱利用システムを達成しようとす
るものである。

（ホ）作用顕熱回収を行う際の熱媒流量を熱利用システムの水素
移動時の熱媒流量とは関係なく、高効率顕熱回収が可能
な最適熱媒流量に設定するため、理想的な顕熱回収が達
成でき、しいては、高効率熱利用システムを提供するこ
とができる。

（ヘ）実施例以下、本発明の実施例を図面とともに説明する。第１
図は冷熱発生システム等に応用可能な本発明の一実施例
に係る熱利用システムの構成概念図を示したものであ
る。

図において、1A,1Bは、内部に後述する平衡特性図に
示す同一特性の水素吸蔵合金MH［１］を収容した水素吸
蔵合金槽で槽自身は耐圧性の材料例えばステンレス鋼を
用いて形成されている。そして水素吸蔵合金MH［１］と
しては、その合金組成が希土類−Ni系のAB₅型金属を用
いる。また、この各槽1A,1Bには、熱交換器2a,2bも収容
され、この熱交換器2a,2bには熱媒管3,4を通して熱媒が
供給されるようになっている。そして、各熱媒管3,4に
おいて熱交換器2a,2bに対する熱媒の入口側、及び出口
側には、切り替え弁5,6,7,8が設けられ、切り替え弁5,
6,7,8の切り替えによりＩ→Ｉ′をII→II′間を循環し
ている熱媒9,10が互いに交換して他の熱交換器2a,2bに
流入するように熱媒配管40,41を構成して、熱媒経路が
切り替え可能に形成される構成となっている。11と12は
上記熱媒循環系Ｉ→Ｉ′、II→II′に設けた熱媒の循環
ポンプP₁,P₂である。

循環ポンプ11は、130〜150℃程度の高温熱媒９を循環
するためのもので、また循環ポンプ12は20〜25℃程度の
冷却源よりの熱媒10すなわち冷却水を循環するためのも
のである。以上の構成をシステム１とする。

一方、17A,17Bは、前述した水素吸蔵合金MH［１］と
は、平衡水素圧力が同一温度では高くなっている特性を
もつ水素吸蔵合金MH［２］をそれぞれ収容した２つの水
素吸蔵合金槽である。この合金槽17A,17Bもステンレス
鋼より成ると共に、この水素吸蔵合金MH［２］も希土類
−Ni系のAB₅型金属である。そして、この水素吸蔵合金
槽17A,17Bの設けられているシステムII側においても、
システムＩと同様に、各槽17A,17B内に設けた熱交換器1
8a,18bとそれぞれの熱交換器18a,18bに熱媒を供給する
熱媒管19,20と熱媒管19,20の熱媒入口側と出口側にそれ
ぞれ設けた切替弁21,22,23,24と、並びに熱媒の循環系I
II−III′,IV−IV′間に熱媒を循環させる循環ポンプ
（P₃,P₄）25,26とを備える。又、切替弁21,22,23,24を
切替え操作することによって、III−III′とIV−IV′間
を循環している熱媒27,30が互いに交換して他の熱交換
器18a,18bに流入するように熱媒配管50,51を構成して熱
媒経路が切り替え可能に形成される構成となっている。

循環ポンプ25は、20〜25℃程度の冷却源よりの熱媒
（冷却水）27を循環するためのもので、循環ポンプ26
は、冷凍倉庫等の熱負荷に冷熱を供給する熱媒30を循環
するためのものである。

そして、水素吸蔵合金槽1A,1Bと水素吸蔵合金槽17A,1
7Bとは水素配管31,32で接続され、その中途に設けた開
閉弁33,34により、水素の住来を可能としている。

以上の構成で、高温熱媒９を熱交換器2aに供給するよ
う切替え弁5,7を操作し、水素吸蔵合金槽1A内に水素を
発生させ、一方低温熱媒（冷却水）27を熱交換器18aに
供給するように切替え弁21,23を操作し、同時に低温熱
媒（冷却水）10を熱交換器2bに供給するように切替え弁
6,8を操作する。

また、熱交換器18bには、冷凍倉庫等の熱負荷からの
戻り熱媒30を供給するように切替え弁22,24を操作す
る。この状態で、水素配管31,32の開閉弁33,34を開放さ
せる。

ところで、各水素吸蔵合金槽1A,1B,17A,17Bに収容さ
れている水素吸蔵合金MH［１］,MH［２］は第２図のva
n′t Hoffプロットで示す平衡特性を有している。即
ち、水素吸蔵合金MH［１］は与えられた温度条件の下
で、実線イで示す水素解離特性と点線イ′で示す水素吸
収特性をもつ。又水素吸蔵合金MH［２］も同様に実線ロ
で示す水素解離特性とロ′で示す水素吸収特性を持つ。
従って、今上記の如き熱媒配管であると、Ｉ→Ｉ′系の
高温熱媒９の循環する水素吸蔵合金1A内の水素吸蔵合金
MH［１］は平衡特性イで水素H₂を発生している。そし
て、この水素H₂はIII→III′系の熱媒27の循環する水素
吸蔵合金17A内の水素吸蔵合金MH［２］が平衡特性ロ′
を示す関係から、同図中のＡ点よりＣ点に示す如く水素
配管31を介して移動し、この水素吸蔵合金MH［２］に水
素が吸収されて熱が発生し、この熱は冷却水27により取
り除かれる。

一方、II→II′の冷却水10の循環する水素吸蔵合金槽
1B内の水素吸蔵合金MH［１］は平衡特性イ′によって、
水素H₂を吸収できるような低い圧力状態に保持されてい
る。また、水素吸蔵合金槽17B内の水素吸蔵合金MH
［２］は水素配管32内のバルブ34を開放することによ
り、水素吸蔵合金槽1B内の水素吸蔵合金MH［１］の圧力
に誘導されて低圧状態になり、同時に水素吸蔵合金MH
［２］は平衡特性ロ上を伝って低温化する。この状態の
時、水素H₂は第２図中のＤ点よりＢ点に示す如く水素配
管32を介して、水素吸蔵合金槽17Bから水素吸蔵合金槽1
Bへと移動する。よって、水素吸蔵合金槽17Bでは吸熱反
応が行われ、熱交換器18bにより熱媒30は低温化され
て、冷熱が取り出される。従ってこの冷熱を、冷凍倉庫
等の熱負荷（図示せず）からの戻り熱媒30により回収
し、再び冷凍倉庫等の熱負荷に冷熱を供給する。上記し
た過程を第１過程とする。なお、上記文中のＡ点,C点及
びＢ点,D点は第１図の水素吸蔵合金槽1A,17A及び1B,17B
内の各水素吸蔵合金MH［１］,MH［２］に付したアルフ
ァベットA,C,B,Dに対応して代用したものである。

ここで、両過程の水素移動が終了した時点で、開閉弁
33,34を閉めて、水素移動を止める。その後連続運転を
行うべく、切替え弁5,6,7,8,21,22,23,24を切替える
と、各水素吸蔵合金1A,17Aと1B,17Bとの間で逆の過程
（第２過程）が行われて、水素吸蔵合金槽17Aの方より
冷熱の回収が行われる。即ち、今度は熱媒30がIV→循環
ポンプ26→切替え弁22→熱交換器18a→切替え弁23→I
V′と流れて、水素吸蔵合金槽17Aの方から冷熱の回収が
行われる。

ところで、この運転の切り替えの際、例えばＩ→Ｉ′
系とII→II′系に於いて、熱媒入口側の切替弁5,6と熱
媒出口側の切替弁7,8を同時に切り替えると、次のよう
な不都合が生じる。すなわち、切り替えにより水素吸蔵
合金槽1Aには、20〜25℃の冷却水が入り、また水素吸蔵
合金槽1Bには130〜150℃の高温熱媒が流入するが、切り
替え直後には、水素吸蔵合金1Aは高温に保持されていた
ため水素吸蔵合金槽1Aからは高温熱媒が1A→７→II′→
II→６→1Aの経路で流入し、冷却源（図示せず）に過大
な冷却能力を要求する。同様に、水素吸蔵合金槽1Bに於
いても、切り替え直後、水素吸蔵合金1Bは低温に保持さ
れていたため水素吸蔵合金槽1Bから低温熱媒（20〜25
℃）が切替弁８により1B→８→Ｉ′→Ｉの経路で流入
し、熱源（図示せず）に過大な加熱能力を要求する。

このように、切替弁5,6,7,8を全て同時に切り替える
と、Ｉ→Ｉ′系、II→II′系のシステムに存在する顕熱
がそのシステム作動に悪影響を与える。同様に、III→I
II′系およびIV→IV′系においても切替弁21,22,23,24
の同時切り替えにより、各水素吸蔵合金槽17A,17Bの持
つ顕熱が上記と同じようにシステムの作動に悪影響を与
えることとなる。

そこで、この顕熱をシステム内に於いて有効に利用で
きるように、熱媒入口側にある切替弁5,6および21,22の
みを最初に切替える。すなわち、熱媒配管40,50の方が
先に切替わる。こうすると、例えば水素吸蔵合金槽1A内
の顕熱を含んだ熱媒（高温熱媒）はＩ→11→５→2b→８
→II′→II→10→６→2a→７→Ｉ′→Ｉとなる閉じた熱
媒経路を流れ、熱源、冷却源に過大な負荷がかからず、
すなわち、合金槽1A,1Bの顕熱が有効に利用（顕熱回
収）されることになる。このように、水素吸蔵合金槽1
A,1B間で熱の受給が成されて有効に顕熱の回収をするこ
とができる。

このような手法を取ることによって顕熱の回収を行
い、その後10〜30秒の間隔をおいて、熱媒出口側の各切
替弁7,8,23,24を切替えることにより、熱媒配管41,51も
切替えられて、完全なシステムの運転切替えとなる。ま
た、水素移動は、完全なシステムの運転切替え後30〜60
秒経過後、水素の開閉弁33,34を開放して行う。こうし
て、今度は水素吸蔵合金槽1Bから水素吸蔵合金槽17Bに
水素H₂が移動し、また水素吸蔵合金槽17Aから水素吸蔵
合金槽1Aに水素H₂が移動する逆の過程が行われて、水素
吸蔵合金槽17Aより冷熱の回収が行われる。

而るに、顕熱回収はシステムが完全に切り替り間の10
〜30秒という短い時間内に行うこととなるので、効率的
な熱交換をすることが要求される。そこで、本発明では
顕熱回収時に、熱媒流量を少くして、各槽内にある熱交
換器より熱媒が顕熱が効果的に熱交換できるようにす
る。従来では水素移動をさせてシステムが作動している
時の熱媒流量と変わらない量の熱媒が顕熱回収時にも流
れていて、しかも10秒程度の短い時間しか流れず回収が
終了してしまうが、本発明では、熱媒を流す時間も10秒
以上（10〜30秒）として、ゆっくりと少い量の熱媒を流
すことによって、高効率な顕熱回収方法とする。

熱媒の流量変化は、各ポンプ11,12,25,26の運転能力
を調整する等して対応できる。すなわち、上述した10〜
30秒の顕熱回収時の熱媒流量を、水素移動を行う場合の
熱媒流量に比べて少く変化させるようになっていること
が本発明の特徴とするところである。

このようにして、顕熱回収時の顕熱回収率を高効率に
し、尚かつ、冷凍システムを高効率化及び高出力化しよ
うとしたものである。具体的には、顕熱回収時の熱媒流
量を最適にするために、システムを試作し、熱媒流量と
顕熱回収率の関係を調べた。

試作冷熱システムは、水素吸蔵合金槽1A,1B,17A,17B
にそれぞれ16kgの水素吸蔵合金MH［１］,MH［２］を充
填して運転を行った。この運転において、水素移動を行
う場合の熱媒9,10,27,30の流量は10/minである。

先ず、上記試作の冷熱システムで、従来の顕熱回収方
法を試みた。すなわち、熱媒流量はシステム作動時と変
わらない10/minの流量とし、前述のように水素吸蔵合
金槽の前後のバルブの切替えに遅延をもたせて、顕熱回
収を行った結果、遅延時間10secで最大の顕熱回収がで
き、その時の顕熱回収率（顕熱交換率）は50％であっ
た。

次に本発明の方法を試みた。すなわち、顕熱回収を行
う期間だけ熱媒流量を変化させ、顕熱回収率を測定した
ものである。その結果は第３図に示す通りである。な
お、同図中、縦方向の点線ハは、熱媒流量がシステム作
動時と変わらない流量（10/min）で、切り変え遅延時
間10秒の場合の顕熱回収率（50％）を示している。

第３図から分かるように、顕熱回収を行う熱媒流量を
低下させた場合の顕熱回収率は大きく上昇することが分
かった。一方、熱媒流量を低下させた場合は、高効率顕
熱回収ができるが、ゆっくりと顕熱を回収するために、
水素吸蔵合金槽の前後のバルブを切替える遅延時間が長
くなり、熱媒流量５/minでは25〜30sec、それ以下の
流量ではより長い時間を必要とする。従って、大きく熱
媒流量を低下させた場合は、水素ガスの移動を停止して
いる期間が長くなり、冷熱システムの熱出力を低下させ
る。そこで、顕熱回収時の熱媒流量を変化させた場合の
冷熱システムの熱出力について調べた。

第４図は、熱媒流量の熱出力に対する影響をプロット
したものであり、この図より通常運転の熱媒流量10/m
in（ニ）に対して、顕熱回収時の熱媒流量を1/3〜2/3
（ホ〜ヘの間）に低下させることが、冷熱システムの高
効率化、高出力化につながる運転方法であることが分か
った。

更に本発明では、熱回収用の熱媒を熱負荷に供給する
循環ポンプ26を熱負荷に冷熱を供給する水素吸蔵合金
（17Aまたは17B）の温度に応じて、その運転、停止をす
るように制御して、温度的に安定した熱媒が供給できる
ようにしている特徴をも有する。

すなわち、上記のように顕熱回収時の熱媒流量を制御
することにより高効率顕熱回収を達成した後、次の過程
では、水素吸蔵合金MH［２］の充填されている水素吸蔵
合金槽の他方の槽から冷熱が回収され、冷凍倉庫等の熱
負荷に冷熱を供給される訳であるが、過程の初期におい
ては、水素吸蔵合金槽は充分に冷却されていない。仮
に、水素吸蔵合金槽17Bより冷熱を取り出している状態
から、運転が切り替わり、水素吸蔵合金槽17Aから冷熱
を取り出す状態となったとすると、切替えの初期には、
水素吸蔵合金槽1Aが冷却水10により水素H₂を吸収できる
ような低い圧力状態及び低温状態とはまだ充分にされて
いない。よって、水素配管31を通しての水素吸蔵合金槽
17Aから水素吸蔵合金槽1Aへの水素H₂の移動が充分でな
く、水素吸蔵合金槽17Aは十分に低温化されておらず、
その槽17A内の熱交換器18aより出る熱媒30は温度的に高
いままである。

従って、この状況時でも循環ポンプ26が運転されるよ
うであると、熱負荷には温熱が供給され、冷熱システム
が十分に機能しなくなる。そこでこの場合、熱負荷から
の戻り熱媒を循環するポンプ26を、この水素吸蔵合金MH
［２］の温度により運転、停止するように制御すること
により、熱負荷に高温熱の流入を防ぎ、効率良く運転す
ることができる。その為に、水素吸蔵合金MH［２］の温
度を検出する温度検出手段35を水素吸蔵合金槽17A,17B
に配置する。そして、この温度計測手段35により、熱媒
温度が成る設定温度以下として検出された時は循環ポン
プ26を停止し、それ以上の温度にある時は運転を継続す
るように構成する。こうすることによって、十分冷却さ
れた熱媒30が熱負荷に安定供給でき、高出力の冷熱シス
テムとなる。

このように、顕熱回収時の熱媒流量を制御すること、
及び必要に応じて熱回収熱媒の温度に応じて、熱回収熱
媒の循環ポンプの運転、停止を制御することにより、高
効率、高出力冷熱システムを提供することができる。ま
た、上記の運転方法は、水素吸蔵合金を利用したヒート
ポンプシステム、熱輸送システムにも全く同様に適用で
きることは言うまでもない。

（ト）発明の効果以上のように本発明によれば、水素吸蔵合金を用いた
熱利用システムにおいて、運転の交互切り替え時に、シ
ステム内の顕熱を回収する時、流す熱媒の量をシステム
作動時の熱媒流量より少くし、そしてゆっくりと循環さ
せることで、熱交換率を高めて、より効率的な顕熱回収
を可能とできる。また、水素吸蔵合金の温度が測られ
て、熱負荷へ熱回収用熱媒を供給する循環ポンプの駆
動、停止を制御するようにしたので、運転切替時の未だ
十分に冷熱、或いは温熱となっていない熱媒が熱負荷に
流入しないように抑制することができ、利用温度レベル
以上の良質の熱を安定して供給できる。

このように、本発明の運転方法を採用することによ
り、水素吸蔵合金を用いた冷熱システムヒートポンプ、
熱輸送システムにおいて、高効率運転、高出力運転が可
能であり、その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素吸蔵合金を用いた冷熱システムのシステム
構成図、第２図はvan′t Hoff図上に示した第１図の冷
熱システムに係る冷却サイクル図、第３図は熱媒流量に
よる顕熱回収率の変化を示す実験測定結果図、第４図は
熱媒流量による熱出力の変化を示す実験測定結果図であ
る。 1A,1B,17A,17B……水素吸蔵合金槽、2a,2b,18a,18b……
熱交換器、5,6,21,22……熱入口側の切替弁、7,8,23,24
……熱媒出口側の切替弁、26……熱負荷への熱媒供給用
ポンプ、30……熱負荷へ流れる熱媒、35……熱負荷に供
給する熱媒温度の検出手段、MH［１］,MH［２］……水
素吸蔵合金。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者齋藤俊彦大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開平２−110263（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】温度レベルの異なる２種類の外部熱源から
の熱媒が切換可能に供給される熱交換器と第１の水素吸
蔵合金とをそれぞれ収容した第１及び第３の水素吸蔵合
金槽と、第３の外部熱源からの熱媒および熱負荷に利用
される熱回収用熱媒が切換可能に供給される熱交換器と
第２の水素吸蔵合金とをそれぞれ収容した第２及び第４
の水素吸蔵合金槽と、第１と第２及び第３と第４の水素
吸蔵合金槽が連結される水素配管と、第１と第３の水素
吸蔵合金槽と前記２種類の外部熱源とをそれぞれ切り替
え可能に連結する熱媒配管と、第２と第４の水素吸蔵合
金槽と第３の外部熱源及び熱負荷とをそれぞれ切り替え
可能に連結する熱媒配管とより構成され、第１と第２の
水素吸蔵合金槽間および第３と第４の水素吸蔵合金槽間
で行われる水素移動の方向を互いに逆とする第１と第２
の過程を交互に行い、この両過程の切替えを前記熱媒配
管の切り替えにより行うと共に、この切り替え時、各水
素吸蔵合金槽に対して、その熱媒入口側の熱媒配管を先
に切替えて、顕熱回収用の熱媒循環路を形成し、その
後、熱媒出口側の熱媒配管を切り替えることにより熱利
用システム内の顕熱回収を行うようにした熱利用システ
ムにおいて、この顕熱回収を行っている間の熱媒流量を
熱利用システムの水素移動時の熱媒流量に比べて少く流
れるように制御したことを特徴とする水素吸蔵合金を利
用した熱利用システムの運転方法。
【請求項２】顕熱回収時の熱媒流量は、熱利用システム
の水素移動時の熱媒流量に比べて、1/3〜2/3の流量にす
ることを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合金を利用
した熱利用システムの運転方法。
【請求項３】熱負荷に熱供給を行う水素吸蔵合金温度の
検出手段を設け、この温度により熱負荷への熱媒供給ポ
ンプの運転、停止を制御するようにしたことを特徴とす
る請求項１記載の水素吸蔵合金を利用した熱利用システ
ムの運転方法。