JP3926068B2 - 水素吸蔵合金を利用した熱利用システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金の水素の吸蔵と放出とを繰り返して行わせ、水素の放出時に生じる吸熱作用を利用して冷熱出力を得る、あるいは水素の吸蔵時に生じる放熱作用を利用して熱出力を得る水素吸蔵合金を利用した熱利用システムに関する。
【０００２】
水素吸蔵合金を利用した熱利用システムとして、特開平１０−２２０９０８号公報に開示された技術が知られている。例えば、この公報に開示されるセルは、図５に示すように、同一平衡水素圧で水素平衡温度が異なる高温、低温度水素吸蔵合金（以下、高温、低温合金）をそれぞれ封入する独立した容器（第１、第２容器Ｊ１、Ｊ２）を備え、各容器の一辺側を水素通路で連通した構造を採用したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、公報で示したような従来の構造では、例えば第１容器Ｊ１内の水素が第２容器Ｊ２に移動する例において、第１容器Ｊ１内のＡ部で放出された水素は、矢印Ｂで示すように、長い経路を通って第２容器Ｊ２へ導かれることになる。特に、第１容器Ｊ１の内部では水素吸蔵合金が充填されているため、水素移動のための圧力損失が大きく、結果的に単位時間当りの水素移動量が少なくなってしまう。また、従来のセルは、構造が複雑であり、製造コストを下げるために、簡素な構造が望まれていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は簡素な構造で、且つ単位時間当りの水素移動量を多くすることのできる水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
水素吸蔵合金を利用した熱利用システムは、水素吸蔵合金の水素の放出時の吸熱、あるいは水素の吸蔵時の放熱を利用したものであって、
水素吸蔵合金を封入するセルは、同一平衡水素圧で水素平衡温度が異なる水素吸蔵合金を、それぞれ別々の層に封入するように設けられ、
前記セル内で各層に仕切る仕切手段は、この仕切手段の各部において水素移動可能であり、且つ水素吸蔵合金の移動を阻止するものであることを特徴とする。
さらに、セル内には、水素が素通りできるパイプフィルタが各層に亘って複数配置され、仕切手段は、パイプフィルタが貫通配置されるものであり、このパイプフィルタによって各層の水素移動が可能であり、セルは、２枚のプレートを接合してなる偏平形状を呈し、プレートに形成された波形の窪みを利用して、複数のパイプフィルタが等間隔に配置されていることを特徴とする。
【０００６】
〔請求項２の手段〕
請求項１の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、
仕切手段は、パイプフィルタが貫通配置される帯状に形成され、その帯状部分には、各層の熱の伝達を抑制するための断熱穴が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の作用および効果】
〔請求項１の作用および効果〕
仕切手段は、水素を通過させるものであるため、仕切手段を介して隣接する層への水素の移動が可能であるため、ある層の内部の水素吸蔵合金が水素を放出する際、その水素は仕切手段を介して他の層の水素吸蔵合金へ移動する。同様に、ある層の内部の水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際、仕切手段を介して他の層の水素吸蔵合金から水素を吸引する。
このように、仕切手段を介して他の層へ水素を移動させたり、他の層から水素を吸引したりする構造であるため、他の層へ移動する水素の圧力損失が小さく、且つ水素の移動経路が従来に比較して大変短くなる。この結果、単位時間当りの水素移動量が多くなって、水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの能力を上げることができる。
また、セルは、１つの容器内に水素吸蔵合金の層とそれを仕切る仕切手段との簡単な構造であり、セルの製造コストを下げることができる。
【０００８】
各層に亘ってパイプフィルタを複数配置した構造であるため、仕切手段から離れた位置の水素吸蔵合金の放出する水素は、パイプフィルタを介して他の層へ導かれる。あるいは、仕切手段から離れた位置の水素吸蔵合金は、パイプフィルタを介して他の層から水素を吸引する。
このように、仕切手段から離れた位置の水素吸蔵合金であっても、パイプフィルタによってスムーズに水素の吸蔵や放出を行うことができる。また、水素を放出する層と水素を吸蔵する層との間に、他の層が介在する場合でも、パイプフィルタによって間に介在する層をバイパスすることができ、結果的にスムーズに水素の吸蔵や放出を行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、実施例および変形例に基づき説明する。
〔実施例の構成〕
この実施例を図１〜図４を用いて説明する。なお、図１はセルの要部断面斜視図、図２はセルの断面図、図３は積層したセルの斜視図である。
薄型に設けられたセルＳは（図１、図２参照）、図３に示すように積層されて使用されるものであり、例えば冷房装置として使用する場合は、セルＳの内部に封入した水素吸蔵合金の水素放出作用によって生じた吸熱によって、セルＳに沿って流れる冷熱出力用熱媒体（例えば、水）を冷却し、その冷却された冷熱出力用熱媒体で室内に吹き出される空気を冷却して室内を冷房するものである。
【００１０】
この実施例では、２段サイクルを示すものであり、薄型に設けられたセルＳの積層体グループが少なくとも３つ用いられるものである。つまり、水素駆動を行う積層体グループと、第１冷熱出力を行う積層体グループと、第２冷熱出力を行う積層体グループとが用いられるものである。
【００１１】
２段サイクルを構成するものでは、１つのセルＳの内部には水素平衡圧力が異なる３種の水素吸蔵合金が封入される。この３種の水素吸蔵合金は、高温合金ＨＭ（同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も高い高温度水素吸蔵合金の粉末）と、中温合金ＭＭ（中温度水素吸蔵合金の粉末）と、低温合金ＬＭ（同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も低い低温度水素吸蔵合金の粉末）とに分類されるものであり、図１に示すように、１つの薄型のセルＳ内に３つの層に別れて封入される。つまり、セルＳの内部には、高温合金ＨＭによる第１の層Ｓ1 と、中温合金ＭＭによる第２の層Ｓ2 と、低温合金ＬＭによる第３の層Ｓ3 とが設けられる。
なお、各合金種の関係を図４のＰＴ冷凍サイクル線図を用いて説明すると、水素吸蔵合金の特性が、相対的に高温側（図示左側）にあるのが高温合金ＨＭ、低温側（図示右側）にあるのが低温合金ＬＭ、両者の中間にあるのが中温合金ＭＭである。
【００１２】
１つのセルＳの内部の３つの層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、仕切手段１によって仕切られている。この仕切手段１は、各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 間の水素移動を可能とし、且つ各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 間の水素吸蔵合金の移動を阻止するものである。この実施例の仕切手段１は、各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 に亘って配置されたパイプフィルタ２が複数貫通配置されるものであり、このパイプフィルタ２によって各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 間の水素移動を可能にしている。このパイプフィルタ２は、セルＳの内部の全域にほぼムラなく配置されている。パイプフィルタ２は、水素が素通りできるパイプ状のフィルタであり、パイプに形成された多数の微小穴によって水素が素通りでき、且つ水素吸蔵合金がパイプ内に進入するのを阻止するように設けられている。この微小穴は、金属パイプにエッチング処理して形成されたものである。
【００１３】
セルＳは、プレス成形された一対のプレート３、４をろう付けや溶接等により接合して構成されるものであり、セルＳの内部には上述のように３つの層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 に分けられた水素吸蔵合金（高温合金ＨＭ、中温合金ＭＭ、低温合金ＬＭ）を収容する３つの合金収容室が形成され、セルＳとセルＳとの間には、熱媒体が流れる熱媒体通路（熱媒体の流れを図１の矢印に示す）が形成される。この熱媒体通路は、各層の水素吸蔵合金毎に対応して独立して熱媒体を流すように設けられるものである。合金収容室および水素通路を形成する部分のプレート３、４は、波状に形成されており、熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換率を向上するように設けられている。
また、各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を仕切る仕切手段１は、パイプフィルタ２が貫通配置される帯状に形成されており、その帯状部分には、各層の熱の伝達を抑制するための断熱穴１ａが形成されている。
【００１４】
２段サイクルは、高温合金ＨＭから低温合金ＬＭへ水素を移動させる水素駆動部と、低温合金ＬＭから中温合金ＭＭへ水素を移動させる第１冷熱出力部と、中温合金ＭＭから高温合金ＨＭへ水素を移動させる第２冷熱出力部とから構成される。
【００１５】
水素駆動部は、加熱用熱媒体と高温合金ＨＭとを熱交換して高温合金ＨＭを加熱するとともに、冷却用熱媒体と低温合金ＬＭとを熱交換して低温合金ＬＭを冷却することで、高温合金ＨＭから低温合金ＬＭへ水素を移動させるものである。この時、中温合金ＭＭは抑制用熱媒体と熱交換されるものの、その中温合金ＭＭを収容する合金収容室の内圧が上昇して、中温合金ＭＭが水素を放出するように設定されている。
【００１６】
第１冷熱出力部は、冷却用熱媒体と中温合金ＭＭとを熱交換して中温合金ＭＭを冷却することで、低温合金ＬＭから中温合金ＭＭへ水素を移動させるものである。この時、高温合金ＨＭは抑制用熱媒体と熱交換されて、高温合金ＨＭの水素の吸蔵と放出とが抑制される。また、この時、低温合金ＬＭは、室内空気を冷房して冷熱が奪われた冷熱出力用熱媒体と熱交換されるが、その冷熱出力用熱媒体の温度（例えば１３℃くらい）では、低温合金ＬＭは水素を放出するように設けられている。
【００１７】
第２冷熱出力部は、冷却用熱媒体と高温合金ＨＭとを熱交換して高温合金ＨＭを冷却することで、中温合金ＭＭと低温合金ＬＭから高温合金ＨＭへ水素を移動させるものである。この時、中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭは、室内空気を冷房して冷熱が奪われた冷熱出力用熱媒体と熱交換されるが、その冷熱出力用熱媒体の温度（例えば１３℃くらい）では、低温合金ＬＭは水素を放出するように設けられている。
【００１８】
ここで、第１、第２冷熱出力部で低温合金ＬＭおよび中温合金ＭＭに熱交換される冷熱出力用熱媒体は、低温合金ＬＭおよび中温合金ＭＭが水素を放出する際に熱が奪われて冷房に適した低温（約７℃）になる。
上記で示した加熱用熱媒体は、図示しない加熱手段（例えば、燃焼装置）によって加熱されるものである。
抑制用熱媒体は、加熱用熱媒体の一部が使用されるものである。
冷却用熱媒体は、外気と熱交換されて冷却された熱媒体を使用するものであり、例えばクーリングタワー等を使用して、外気中に熱媒体の一部を蒸発させることによって冷却したものを使用するものである。
【００１９】
上記で示した水素駆動部、第１冷熱出力部、第２冷熱出力部は、各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の水素吸蔵合金（高温合金ＨＭ、中温合金ＭＭ、低温合金ＬＭ）と熱交換される熱媒体を切り替えることによって実効されるものであり、熱媒体の切替は、図示しない分配器によって成される。つまり、この図示しない分配器によって、３つ以上の積層体グループは、水素駆動部→第１冷熱出力部→第２冷熱出力部の順で切り替えられる。
【００２０】
次に、水素駆動部、第１冷熱出力部、第２冷熱出力部の各作動を数値を用いた一例を用いて説明する。
水素駆動部に切り替えられた積層体グループは、高温合金ＨＭが加熱用熱媒体と熱交換され、中温合金ＭＭが抑制用熱媒体と熱交換され、低温合金ＬＭが放熱用熱媒体と熱交換される。
高温合金ＨＭが加熱用熱媒体（８０℃）と熱交換されることにより、高温合金ＨＭを収容する合金収容室の内圧が上昇し、高温合金ＨＭが水素を放出する。
中温合金ＭＭが抑制用熱媒体（５６℃）と熱交換されることにより、中温合金ＭＭを収容する合金収容室の内圧が上昇し、中温合金ＭＭが水素を放出する。
低温合金ＬＭが放熱用熱媒体（２８℃）と熱交換されることにより、低温合金ＬＭを収容する合金収容室の内圧が下がり、低温合金ＬＭが水素を吸蔵する。
【００２１】
このように、高温合金ＨＭが加熱用熱媒体と熱交換され、中温合金ＭＭが抑制用熱媒体と熱交換され、低温合金ＬＭが放熱用熱媒体と熱交換されることにより、高温合金ＨＭの合金収容室内が８０℃：１．０ＭＰａ、中温合金ＭＭの合金収容室内が５６℃：１．０ＭＰａ、低温合金ＬＭの合金収容室内が２８℃：０．９ＭＰａとなり、高温合金ＨＭが水素を放出（図４の▲１▼）するとともに、中温合金ＭＭも少量の水素を放出（図４の▲１▼’）し、低温合金ＬＭは高温、中温合金ＨＭ、ＭＭから放出された水素を吸蔵する（図４の▲２▼）。
そして、水素駆動部が実行された積層体グループは、分配器によって第１冷熱出力部へ切り替えられる。
【００２２】
第１冷熱出力部に切り替えられた積層体グループは、高温合金ＨＭが抑制用熱媒体と熱交換され、中温合金ＭＭが放熱用熱媒体と熱交換され、低温合金ＬＭが冷熱出力用熱媒体と熱交換される。
高温合金ＨＭが抑制用熱媒体（５８℃）と熱交換されることにより、高温合金ＨＭを収容する合金収容室の内圧が高温合金ＨＭが水素の吸蔵および放出を行わない圧力に設定される。
中温合金ＭＭが放熱用熱媒体（２８℃）と熱交換されることにより、中温合金ＭＭを収容する合金収容室の内圧が下がり、中温合金ＭＭが水素を吸蔵し、低温合金ＬＭが水素を放出する。
低温合金ＬＭが水素を放出するため、低温合金ＬＭの合金収容室内で吸熱が生じ、低温合金ＬＭと熱交換された冷熱出力用熱媒体が例えば７℃に冷やされる。なお、低温合金ＬＭは、室内空気へ吹き出される空気と熱交換して温度上昇した冷熱出力用熱媒体の温度が例えば１３℃くらいでは、低温合金ＬＭを収容する合金収容室の内圧が中温合金ＭＭを収容する合金収容室の内圧より高くなるように設けられている。
【００２３】
このように、高温合金ＨＭが抑制用熱媒体と熱交換され、中温合金ＭＭが放熱用熱媒体と熱交換され、低温合金ＬＭが冷熱出力用熱媒体と熱交換されることにより、高温合金ＨＭの合金収容室内が５８℃：０．５ＭＰａ、中温合金ＭＭの合金収容室内が２８℃：０．４ＭＰａ、低温合金ＬＭの合金収容室内が１３℃：０．５ＭＰａとなり、低温合金ＬＭが水素を放出（図４の▲３▼）し、中温合金ＭＭが水素を吸蔵（図４の▲４▼）する。低温合金ＬＭが水素を放出する際、吸熱作用により低温合金ＬＭと熱交換される冷熱出力用熱媒体から熱を奪い冷熱出力用熱媒体の温度を低下させる。なお、高温合金ＨＭは、抑制用熱媒体と熱交換されて高温合金ＨＭは水素の吸蔵および放出は行わない。
そして、第１冷熱出力部が実行された積層体グループは、分配器によって第２冷熱出力部へ切り替えられる。
【００２４】
第２冷熱出力部に切り替えられた積層体グループは、高温合金ＨＭが放熱用熱媒体と熱交換され、中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭが冷熱出力用熱媒体と熱交換される。
高温合金ＨＭが放熱用熱媒体（２８℃）と熱交換されることにより、高温合金ＨＭを収容する合金収容室の内圧が下がり、高温合金ＨＭが水素を吸蔵する。
中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭが水素を放出するため、中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭの合金収容室内で吸熱が生じ、中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭと熱交換された冷熱出力用熱媒体が例えば７℃に冷やされる。なお、中温合金ＭＭも、冷熱出力用熱媒体が１３℃くらいでは、中温合金ＭＭを収容する合金収容室の内圧が高温合金ＨＭを収容する合金収容室の内圧より高くなるように設けられている。
【００２５】
このように、高温合金ＨＭが放熱用熱媒体と熱交換されることにより、高温合金ＨＭの合金収容室内が２８℃：０．１ＭＰａ、中温合金ＭＭの合金収容室内が１３℃：０．２ＭＰａ、低温合金ＬＭの合金収容室内が１３℃：０．５ＭＰａとなり、中温合金ＭＭが水素を放出（図４の▲５▼）するとともに、低温合金ＬＭも水素を放出（図４の▲３▼’）し、高温合金ＨＭが水素を吸蔵する（図４の▲６▼）。中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭが水素を放出する際、吸熱作用により中温合金ＭＭおよび低温合金ＬＭと熱交換される冷熱出力用熱媒体から熱を奪い冷熱出力用熱媒体の温度を低下させる。
そして、第２冷熱出力部が実行された積層体グループは、分配器によって水素駆動部へ切り替えられる。
【００２６】
なお、第１、第２冷熱出力部で低温合金ＬＭおよび中温合金ＭＭが水素を放出する際に熱が奪われて低温になった冷熱出力用熱媒体は、図示しない室内空調機の室内熱交換器に供給されて、室内に吹き出される空気と熱交換されて室内を冷房する。
【００２７】
〔実施例の効果〕
仕切手段１として用いたパイプフィルタ２は、水素を素通りさせるものであるため、ある層の内部の水素吸蔵合金が水素を放出する際、その放出された水素はパイプフィルタ２をバイパス手段として流れ、他の層の水素吸蔵合金へ移動する。同様に、ある層の内部の水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際、バイパス手段として作用するパイプフィルタ２を介して他の層の水素吸蔵合金から水素を吸引する。
【００２８】
このように、セルＳの内部に複数配置されたパイプフィルタ２を介して各層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 間において水素の移動が容易に行われる構造であるとともに、水素の移動経路が従来に比較して大変短い。この結果、水素移動のための圧力損失が従来に比較して大変小さく、結果的に単位時間当りの水素移動量が多くなって、ヒートポンプの能力を上げることができる。
また、セルＳは、１つの容器内に水素吸蔵合金の層Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 と、それを仕切る仕切手段１との簡単な構造であり、セルＳの製造コストを下げることができる。
【００３０】
〔変形例〕
上記の実施例では、積層グループを固定し、熱媒体を分配器で切り替えて供給する例を示したが、例えば分配器を積層グループと一体化し、積層グループ内で分配器を回転させたり、分配器の周囲で積層グループを回転させたり、分配器の内部で積層グループを回転させるなど、他の手段で各積層体グループに供給される熱媒体を切り替えても良い。
【００３１】
上記の実施例では、室内を冷房する例を示したが、冷熱出力用の熱媒体で冷蔵運転や冷凍運転に用いるなど、他の冷却装置として用いても良い。
上記の実施例では、室内を冷房する例に示したが、冷暖房装置に適用しても良い。具体的な一例を示すと、燃焼装置で加熱された加熱用熱媒体を室内空調機の室内熱交換器に導いて室内暖房を行うように設けても良い。また、燃焼装置で加熱された加熱用熱媒体を床暖房マット、浴室乾燥機などに接続し、加熱用熱媒体の供給によって床暖房、浴室暖房などを行うように設けても良い。
【００３２】
上記の実施例では、各熱媒体の一例として水を用いたが、不凍液やオイルなど他の液体の熱媒体を用いても良いし、空気など気体の熱媒体を用いても良い。
上記の実施例では、２段サイクルを例に示したが、１段あるいは３段以上のサイクルに本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 セルの要部断面斜視図である（実施例）。
【図２】 セルの断面図である（実施例）。
【図３】 積層したセルの斜視図である（実施例）。
【図４】 ＰＴ冷凍サイクル線図である（実施例）。
【図５】 セルの正面図である（従来例）。
【符号の説明】
ＨＭ 高温合金（高温水素吸蔵合金）
ＭＭ 中温合金（中温水素吸蔵合金）
ＬＭ 低温合金（低温水素吸蔵合金）
Ｓ セル
Ｓ1 第１の層
Ｓ2 第２の層
Ｓ3 第３の層
１ 仕切手段
１ａ 断熱穴
２ パイプフィルタ

Claims (2)

1. 水素吸蔵合金の水素の放出時の吸熱、あるいは水素の吸蔵時の放熱を利用した水素吸蔵合金を利用した熱利用システムであって、
   水素吸蔵合金を封入するセルは、同一平衡水素圧で水素平衡温度が異なる水素吸蔵合金を、それぞれ別々の層に封入するように設けられ、
   前記セル内で各層に仕切る仕切手段は、この仕切手段の各部において水素移動可能であり、且つ水素吸蔵合金の移動を阻止するものであり、
   前記セル内には、水素が素通りできるパイプフィルタが前記各層に亘って複数配置され、
   前記仕切手段は、前記パイプフィルタが貫通配置されるものであり、このパイプフィルタによって前記各層の水素移動が可能であり、
   前記セルは、２枚のプレートを接合してなる偏平形状を呈し、前記プレートに形成された波形の窪みを利用して、前記複数のパイプフィルタが等間隔に配置されている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。
2. 請求項１の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、
   前記仕切手段は、前記パイプフィルタが貫通配置される帯状に形成され、その帯状部分には、前記各層の熱の伝達を抑制するための断熱穴が形成されている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。

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