JP7187093B1 - 発熱方法 - Google Patents

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Abstract

発熱体の発熱反応を誘発させる発熱方法を提供する。発熱体の発熱反応を誘発させる発熱方法は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座と、前記台座の表面に設けられた多層膜とを備え、前記多層膜が、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、前記第１層とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層された構成を有する発熱体をヒータで加熱し、前記発熱体が第１発熱量で発熱する第１発熱反応を生じさせる発熱工程４１と、前記第１発熱反応が生じている状態で前記ヒータに印加する入力電力に対し摂動を与え、前記発熱体が前記第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応を誘発させる誘発工程４２とを有する。

Description

本発明は、発熱方法に関する。
近年、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成されたナノ構造体が水素の吸蔵と放出とを行うことにより熱を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）。この発熱現象は、化学反応よりも大きい熱エネルギーを得ることができるため、有効な熱源あるいは電源への利用が期待されている。また、環境問題の観点から、水素社会の到来が期待されており、上述の発熱現象を利用し、安全で、高いエネルギー密度の水素エネルギーを得ることが望まれている。
A. Kitamura, A. Takahashi, K. Takahashi, R. Seto, T. Hatano, Y. Iwamura, T. Itoh, J. Kasagi, M. Nakamura, M. Uchimura, H. Takahashi, S. Sumitomo, T. Hioki, T. Motohiro, Y. Furuyama, M. Kishida, H. Matsune, "Excess heat evolution from nanocomposite samples under exposure to hydrogen isotope gases", International Journal of Hydrogen Energy 43 (2018) 16187-16200.
ナノ構造体を構成する金属の種類やナノ構造体を加熱する温度によりナノ構造体の発熱反応を制御できることが分かっている。発熱反応中に更に反応を誘発させるには、発熱体に対し大きなエネルギーを与える必要があった。そのため、反応制御の必要性の観点から、発熱反応中の発熱体に大きなエネルギーを与えずに、発熱反応を誘発させる方法が強く望まれていた。
そこで、本発明は、発熱体の発熱反応を誘発させる発熱方法を提供することを目的とする。
本発明の発熱方法は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座と、前記台座の表面に設けられた多層膜とを備え、前記多層膜が、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、前記第１層とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層された構成を有する発熱体をヒータで加熱し、前記発熱体が第１発熱量で発熱する第１発熱反応を生じさせる発熱工程と、前記第１発熱反応が生じている状態で前記ヒータに印加する入力電力に対し摂動を与え、前記発熱体が前記第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応を誘発させる誘発工程とを有する。
本発明によれば、発熱反応中の発熱体に大きなエネルギーを与えずに、発熱体の発熱反応を誘発させることができる。
本発明の発熱方法に用いられる第１実施形態の発熱体の構成を示す断面図である。 本発明の発熱方法に用いられる第２実施形態の発熱体の構成を示す断面図である。 本発明の発熱方法に用いられる第３実施形態の発熱体の構成を示す断面図である。 発熱体が過剰熱を発生するメカニズムを説明する説明図である。 本発明の発熱方法を示すフローチャートである。 摂動の与え方を説明する説明図である。 バッチ式の発熱装置の構成を示す概略図である。 バッチ式の発熱装置の要部を説明する説明図である。 実験１の入力電力とヒータの温度との関係を示すグラフである。 実験１の入力電力と発熱体の表面温度との関係を示すグラフである。 実験２の入力電力とヒータの温度との関係を示すグラフである。 実験２の入力電力と発熱体の表面温度との関係を示すグラフである。 実験３の入力電力とヒータの温度との関係を示すグラフである。 実験３の入力電力と発熱体の表面温度との関係を示すグラフである。 透過式の発熱装置の構成を示す概略図である。 実験４の入力電力と発熱体の温度との関係を示すグラフである。 実験５の摂動の与え方を説明する説明図である。 実験５の入力電力とヒータの温度との関係を示すグラフである。 実験５の入力電力と発熱体の表面温度との関係を示すグラフである。 図１８の第１領域Ｒ１を拡大して示すグラフである。 図１９の第１領域Ｒ１を拡大して示すグラフである。 図１８の第２領域Ｒ２を拡大して示すグラフである。 図１９の第２領域Ｒ２を拡大して示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。以下の説明および図面では、共通の構成については共通の符号を付している。共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
［発熱体］
本発明の発熱方法には、水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とを行うことにより熱を発生する発熱体が用いられる。発熱体が熱を発生するメカニズムの詳細は後述するが、ヒータを用いて発熱体が加熱されたときに、当該発熱体は、ヒータにより加熱される温度以上の温度に昇温する。昇温した状態の発熱体が発生する熱を、過剰熱という。水素系ガスとは、水素の同位体を含むガスのことである。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。
図１は、本発明の発熱方法に用いられる第１実施形態の発熱体１０の構成を示す断面図である。発熱体１０は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座１１と、台座１１の表面に設けられた多層膜１２とを備える。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）、βＡｌ２Ｏ３、βＧａ２Ｏ３などが用いられる。
台座１１は、多孔質体または水素透過膜により形成してもよい。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１２との反応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。水素透過膜は、メッシュ状のシートを有するものを含む。
多層膜１２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層１４と、第１層１４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層１５とが積層された構成を有する。台座１１と第１層１４との間の界面、第１層１４と第２層１５との間の界面が、異種物質界面１７である。多層膜１２は、図１では台座１１の表面に設けられているが、台座１１の裏面、または台座１１の両面に設けてもよい。
第１層１４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１４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１４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１５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１５を形成する合金とは、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１５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１４と第２層１５との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層１４－第２層１５」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１５をセラミックスとした場合は、「第１層１４－第２層１５」が、Ｎｉ－ＳｉＣであることが好ましい。
第１層１４の厚みと第２層１５の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層１４と第２層１５の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜１２を透過し難くなる。また、第１層１４と第２層１５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１４と第２層１５の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層１４と第２層１５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。
多層膜１２は、図１では、台座１１の表面に第１層１４と第２層１５とがこの順で交互に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座１１の表面に第２層１５と第１層１４とがこの順で交互に積層された構成を有するものでもよい。第１層１４および第２層１５の各層数は適宜変更してもよい。多層膜１２としては、第１層１４と第２層１５とをそれぞれ１層以上有し、異種物質界面１７が１つ以上形成されていればよい。
図２は、本発明の発熱方法に用いられる第２実施形態の発熱体２０の構成を示す断面図である。発熱体２０は、台座１１と、台座１１の表面に設けられた多層膜２２とを備える。多層膜２２は、第１層１４と、第２層１５と、第１層１４および第２層１５とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第３層２４とが積層された構成を有する。台座１１、第１層１４、および第２層１５については説明を省略する。第１層１４と第３層２４との界面が異種物質界面２７である。異種物質界面２７は、異種物質界面１７と同様に、水素原子を透過させる。多層膜２２は、図２では台座１１の表面に設けられているが、台座１１の裏面、または台座１１の両面に設けてもよい。
第３層２４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２４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２４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２４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２４を有する発熱体２０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面１７および異種物質界面２７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２４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２２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２４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１４および第３層２４は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより、第１層１４および第３層２４の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面２７のみが形成される。
第１層１４と第２層１５と第３層２４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層１４－第３層２４－第２層１５」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。
多層膜２２は、図２では、台座１１の表面に、第１層１４、第２層１５、第１層１４、第３層２４が順に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座１１の表面に第２層１５と第３層２４とが任意の順に配され、かつ第２層１５と第３層２４との間に第１層１４が設けられた構成を有するものであればよい。例えば、多層膜２２は、台座１１の表面に、第１層１４、第３層２４、第１層１４、第２層１５が順に積層された構成を有するものでもよい。第１層１４、第２層１５、および第３層２４の各層数は適宜変更してもよい。多層膜２２としては、第３層２４を１層以上有し、異種物質界面２７が１つ以上形成されていればよい。
図３は、本発明の発熱方法に用いられる第３実施形態の発熱体３０の構成を示す断面図である。発熱体３０は、台座１１と、台座１１の表面に設けられた多層膜３２とを備える。多層膜３２は、第１層１４と、第２層１５と、第３層２４と、第１層１４、第２層１５および第３層２４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第４層３４とが積層された構成を有する。台座１１、第１層１４、第２層１５、および第３層２４については説明を省略する。第１層１４と第４層３４との界面が異種物質界面３７である。異種物質界面３７は、異種物質界面１７および異種物質界面２７と同様に、水素原子を透過させる。多層膜３２は、図３では台座１１の表面に設けられているが、台座１１の裏面、または台座１１の両面に設けてもよい。
第４層３４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３４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３４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３４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３４を有する発熱体３０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面１７、異種物質界面２７、および異種物質界面３７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３４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３２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３４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１４および第４層３４は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより、第１層１４および第４層３４の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面３７のみが形成される。
第１層１４と第２層１５と第３層２４と第４層３４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層１４－第４層３４－第３層２４－第２層１５」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。
多層膜３２は、図３では、台座１１の表面に、第１層１４、第２層１５、第１層１４、第３層２４、第１層１４、第４層３４が順に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座１１の表面に第２層１５と第３層２４と第４層３４とが任意の順に配され、かつ第２層１５と第３層２４と第４層３４との間に第１層１４がそれぞれ設けられた構成を有するものであればよい。例えば、多層膜３２は、台座１１の表面に、第１層１４、第４層３４、第１層１４、第３層２４、第１層１４、第２層１５の順に積層された構成を有するもの等でもよい。第１層１４、第２層１５、第３層２４、および第４層３４の各層数は適宜変更してもよい。多層膜３２としては、第４層３４を１層以上有し、異種物質界面３７が１つ以上形成されていればよい。
発熱体が過剰熱を発生するメカニズムを説明する。発熱体に対し水素系ガスが供給されることで、発熱体の台座および多層膜に水素が高密度に吸蔵される。発熱体は、水素系ガスの供給が停止されても、台座および多層膜に水素を吸蔵した状態を維持できる。発熱体がヒータにより加熱されると、台座および多層膜に吸蔵されている水素が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。発熱体は、多層膜の異種物質界面を水素が量子拡散により透過または拡散する過程で発熱（過剰熱を発生）する。
図４は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成された第１層１４および第２層１５を有する発熱体１０において、第１層１４の金属格子中の水素原子が、異種物質界面１７を透過し、第２層１５の金属格子中に移動する様子を示している。発熱体１０は、多層膜１２の異種物質界面１７を水素が量子拡散により透過または拡散する過程で過剰熱を発生する。図示しないが、発熱体２０は、多層膜２２の異種物質界面１７および異種物質界面２７を水素が量子拡散により透過または拡散する過程で過剰熱を発生する（図２参照）。発熱体３０は、多層膜３２の異種物質界面１７、異種物質界面２７、および異種物質界面３７を水素が量子拡散により透過または拡散する過程で過剰熱を発生する（図３参照）。
発熱体の製造方法の一例を説明する。まず、板状に形成された台座を準備する。次に、スパッタリング法を用いて台座上に多層膜を形成する。これにより、板状の発熱体を製造できる。台座を形成する際は、第１層、第２層、第３層、および第４層の各層よりも厚めに形成することが好ましく、台座の材料としては例えばＮｉが用いられる。各層は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。各層の間に自然酸化膜が形成されずに、各層の間に異種物質界面のみを形成することができるからである。発熱体の製造方法としては、スパッタリング法に限られず、蒸着法、湿式法、溶射法、電気めっき法などを用いることができる。発熱体の形状は、本実施形態では板状であるが、これに限定されず、筒状または柱状でもよい。
発熱体の製造方法の別の例を説明する。まず、有底筒状に形成された台座を準備する。次に、湿式成膜法を用いて台座の外面に多層膜を形成する。これにより、有底筒状の発熱体を製造できる。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。また、多層膜は、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を用いて形成してもよいし、台座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、台座を回転させながら、台座に多層膜を形成してもよい。なお、多層膜は、台座の外面に設ける場合に限られず、台座の内面、または台座の両面に設けてもよい。
［発熱方法］
図５に示すように、発熱方法は、発熱工程４１と誘発工程４２とを有する。以下、発熱体１０を用いた発熱方法について説明する。発熱体２０を用いた発熱方法と発熱体３０を用いた発熱方法については、発熱体の構成が異なること以外は発熱体１０を用いた発熱方法と同じであるため、説明を省略する。
発熱工程４１は、発熱体１０をヒータで加熱し、発熱体１０が第１発熱量で発熱する第１発熱反応を生じさせる。ヒータとしては、セラミックヒータや電気炉など種々の加熱装置が用いられる。ヒータは、電源と電気的に接続しており、電源から入力電力が印加されることにより熱を発生する。ヒータの温度は、温度センサを用いて検出する。電源および温度センサは、電力制御部と電気的に接続している。電力制御部は、温度センサの検出結果に基づき、電源の入力電力を制御する。
発熱工程４１で発熱体１０を発熱させる方式にはバッチ式と透過式とがある。まずバッチ式について説明し、次に透過式について説明する。
バッチ式により発熱体１０を発熱させるための発熱装置の概要を説明する。バッチ式の発熱装置は、上記の発熱体１０と、発熱体１０を収容する中空の容器と、発熱体１０を加熱するヒータと、容器の内部に水素系ガスを導入するガス導入部と、容器の内部の水素系ガスを容器の外部へ排出するガス排出部と、発熱体１０の温度を検出する温度センサなどを備える。容器は、耐熱性および耐圧性の材料で構成される。容器の材料としては、特に限定されないが、例えば、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼、石英ガラスなどが用いられる。容器の材料は、発熱体が発生する輻射熱を反射する材料、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどでもよい。容器の形状は、特に限定されず、円筒状、楕円筒状、角筒状等としてよい。容器は、当該容器の内部の圧力を検出する圧力センサ、ガス導入部と接続するガス導入口、ガス排出部と接続するガス排出口などを有している。ガス導入部は、ガス導入口を介して、容器の内部に水素系ガスを導入する。ガス排出部は、ガス排出口を介して、容器の内部を真空排気する。また、ガス排出部は、圧力センサの検出結果に基づき水素系ガスの排出量を調整することにより、容器の内部の圧力を制御することができる。
バッチ式の発熱工程４１を説明する。バッチ式の発熱工程４１では、まず、ガス導入部により容器の内部に水素系ガスを供給する。これにより、水素系ガスに含まれる水素が発熱体１０に吸蔵される。次に、容器の内部への水素系ガスの導入を停止し、ガス排出部により容器の内部を真空排気し、発熱体１０をヒータで加熱する。これにより、発熱体１０に吸蔵されている水素が、当該発熱体１０から放出される。発熱体１０は、水素を吸蔵する過程で異種物質界面１７を水素が量子拡散により透過して熱を発生し、また、水素を放出する過程で異種物質界面１７を水素が量子拡散により透過して熱を発生する。以上のように、バッチ式の発熱工程４１では、発熱体１０が水素の吸蔵と放出とを行うことにより過剰熱を発生する。水素の吸蔵と放出とを繰り返し行うようにしてもよい。
透過式により発熱体１０を発熱させるための発熱装置の概要を説明する。透過式の発熱装置は、上記の発熱体１０と、発熱体１０により仕切られた第１室および第２室を有する容器と、発熱体１０を加熱するヒータと、第１室の内部に水素系ガスを供給するガス導入部と、第２室の内部の水素系ガスを第２室の外部へ排出するガス排出部と、発熱体１０の温度を検出する温度センサなどを備える。容器は、耐熱性および耐圧性の材料で構成される。容器の材料としては、例えば、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼などが用いられる。容器の材料は、発熱体が発生する輻射熱を反射する材料、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどでもよい。容器の形状は、特に限定されず、円筒状、楕円筒状、角筒状等としてよい。容器は、第１室の内部の圧力を検出する第１圧力センサ、第２室の内部の圧力を検出する第２圧力センサなどを有している。第１室はガス導入部と接続するガス導入口を有し、第２室はガス排出部と接続するガス排出口を有している。ガス導入部は、ガス導入口を介して、第１室の内部に水素系ガスを導入する。ガス導入部は、第１圧力センサの検出結果に基づき水素系ガスの導入量を調整することにより、第１室の内部の圧力を制御することができる。ガス排出部は、ガス排出口を介して、第２室の内部を真空排気する。ガス排出部は、第２圧力センサの検出結果に基づき水素系ガスの排出量を調整することにより、第２室の内部の圧力を制御することができる。
透過式の発熱工程４１を説明する。透過式の発熱工程４１では、第１室の内部に水素系ガスを導入し、第２室の内部を真空排気する。これにより、第１室の水素分圧が上昇し、第２室の水素分圧が低下し、発熱体１０の両側に水素分圧の差が生じる。発熱体１０の両側に水素分圧の差が生じると、発熱体１０のうち高圧側に配された一方の面（表面とする）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１０の内部へ浸入する。すなわち、発熱体１０に水素が吸蔵される。水素原子は、発熱体１０の内部を拡散して通過する。発熱体１０のうち低圧側に配された他方の面（裏面とする）では、発熱体１０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１０から水素が放出される。このように、発熱体１０は、高圧側から低圧側へ水素を透過させる。ここでいう透過は、発熱体の表面に水素が吸蔵され、発熱体の裏面から水素が放出されることをいう。発熱体１０は、水素を吸蔵することによって熱を発生し、また、水素を放出することによっても熱を発生する。発熱体１０の両側に水素分圧の差を生じさせることにより、発熱体１０の表面での水素の吸蔵と、発熱体１０の裏面での水素の放出とが同時に行われ、水素が発熱体１０を連続的に透過するので、過剰熱を効率的に発生させることができる。なお、以下の説明では、水素分圧を「水素の圧力」と記載する場合もある。
誘発工程４２は、第１発熱反応が生じている状態でヒータに印加する入力電力に対し摂動を与え、発熱体１０が第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応を誘発させる。入力電力に対し摂動を与えることにより、発熱体１０の表面温度を摂動させることができる。第１発熱量で発熱する第１発熱反応が生じている状態の発熱体１０に摂動が与えられることにより、発熱体１０に吸蔵されている水素の拡散が変化し、発熱体１０の表面や異種物質界面１７での水素濃度が変化し、第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応が誘発されると考えられる。このように、誘発工程４２では、発熱体１０の表面温度に摂動を与えることで発熱量を増大させることができる。本発明において、入力電力についての「摂動」とは、摂動を与える直前の入力電力の値を基準値としたときに、特定の範囲内の時間において、基準値に対し特定の範囲内の入力電力の変動を加えた後に基準値へ戻すことをいう。「特定の範囲内の入力電力の変動」は、摂動を与える直前の入力電力の値（基準値）をＰｉｎ、入力電力の変動の大きさ（摂動の大きさともいう）をδＰｉｎとするとき、δＰｉｎ／Ｐｉｎが例えば０．０１％以上１００％以下の範囲内となるような入力電力の変動である。「特定の範囲内の時間」は、例えば０．１分以上１００分以下の範囲内の時間である。なお、「摂動を与える直前」とは、例えば摂動を与える数秒前から数分前程度を意味する。「基準値へ戻す」とは、摂動前後の入力電力がほぼ同じとなることを意味し、摂動前後の入力電力の値の差を厳密に０（ゼロ）とする場合に限られない。
図６は、摂動の与え方を説明する説明図である。δＰｉｎ／Ｐｉｎは、０．０１％以上１００％以下の範囲内が望ましく、０．１％以上３０％以下の範囲内がより望ましい。摂動を与えている時間ｔは、０．１分以上１００分以下の範囲内が望ましく、１分以上１０分以下の範囲内がより望ましい。ｔは、δＰｉｎの大きさまたはδＰｉｎ／Ｐｉｎの大きさに応じて適宜設定され、例えばδＰｉｎが大きい場合は短時間としてもよい。摂動は、図６に示すように入力電力を減少させた後に増加させることにより与えることができるが、これに限られない。図示していないが、摂動は、入力電力を増加させた後に減少させることにより与えることもできる。発熱体１０の表面温度は、入力電力の摂動により、数℃から数十℃程度変動することが望ましい。
誘発工程４２は、発熱工程４１で過剰熱が発生した後、予め定められた時間の経過後に行うことが好ましい。例えば、誘発工程４２は、発熱工程４１で過剰熱が発生した後、３時間以上経過後に行う。
誘発工程４２では、摂動を、予め定められた時間の経過後に繰り返し行うようにしてもよい。例えば、摂動を、３時間以上経過した後、望ましくは５時間以上経過した後に、繰り返し行う。
以上の発熱方法は、誘発工程４２において、発熱体１０が第１発熱反応を生じている状態でヒータに印加する入力電力に対し摂動を与えることにより、第１発熱反応の第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応が誘発される。この結果、発熱反応中に大きなエネルギーを与えずに、上記のように入力電力に摂動を与えるだけで、発熱反応を更に増加させることができる。
［実験］
バッチ式により発熱体を発熱させる発熱方法を用いた実験とその結果を以下に記載する。バッチ式の実験として、発熱体１０を用い、誘発工程４２において入力電力を減少させた後に増加させた実験１、誘発工程４２において入力電力を増加させた後に減少させたこと以外は実験１と同じとした実験２、発熱体１０の代わりに発熱体２０を用いたこと以外は実験１と同じとした実験３を行った。
実験に用いたバッチ式の発熱装置について説明する。図７は、バッチ式の発熱装置の構成を示す概略図である。図７には、発熱体１０を用いた実験１の発熱装置５０を示している。実験２の発熱装置と実験３の発熱装置については説明を省略する。
バッチ式の発熱装置５０は、発熱体１０と、容器５１と、ヒータ５２と、ガス導入部５３と、ガス排出部５４と、温度センサ５５とを備える。発熱装置５０では２つの発熱体１０を用いた。図７では、２つの発熱体１０のうち、一方の発熱体１０のみを図示しており、他方の発熱体１０については図示を省略している。各々の発熱体１０は、板状であり、平面視において一辺の長さが２５ｍｍの正方形である。
容器５１は、発熱体１０を収容する中空の密閉容器である。容器５１は、当該容器５１の内部の圧力を検出する圧力センサ５６と、ガス導入部５３と接続するガス導入口５７と、ガス排出部５４と接続するガス排出口５８と、コバールガラスなどの赤外線透過材料で形成されたビューポート５９とを有している。
ヒータ５２は、板状のセラミックヒータであり、当該ヒータ５２の温度を検出する熱電対６１を有している。ヒータ５２の厚みは２．２ｍｍである。ヒータ５２は、容器５１の外部に設けられた電源６２および電流電圧計６３と接続している。電流電圧計６３は、ヒータ５２に印加する入力電力を検出する。
ガス導入部５３は、水素系ガスを貯留するガス貯留部６５と、ガス貯留部６５と容器５１のガス導入口５７とを接続するガス導入管６６と、ガス導入管６６に設けられ、水素系ガスの流量および圧力を調整する調整バルブ６７Ａ、６７Ｂとを有している。
ガス排出部５４は、ドライポンプなどの真空ポンプ６８と、真空ポンプ６８と容器５１のガス排出口５８とを接続するガス排出管６９と、水素系ガスの流量および圧力を調整する調整バルブ７０とを有している。
温度センサ５５は、容器５１の外部に設けられた赤外線放射温度計であり、容器５１のビューポート５９を介して、発熱体１０の表面の温度を検出する。図７では、２つの発熱体１０のうちの一方の発熱体１０の温度を検出する温度センサ５５を示している。２つの発熱体１０のうちの他方の発熱体１０の温度を検出する温度センサ５５については図示を省略している。
２つの発熱体１０とヒータ５２は、ホルダー７２を用いて一体化されている。ホルダー７２は、例えばセラミックスにより形成される。ホルダー７２は、図示していないが一対のホルダー半体で構成されており、各ホルダー半体の間に発熱体１０およびヒータ５２を保持する。各ホルダー半体は、発熱体１０を露出させる開口部を有している。ホルダー７２には、当該ホルダー７２の温度を検出する温度センサ７３Ａ、７３Ｂが設けられている。温度センサ７３Ａは発熱体１０に近い位置の温度を検出し、温度センサ７３Ｂは発熱体１０から離れた位置の温度を検出する。
図８に示すように、発熱体１０は、ヒータ５２の両面に１つずつ配置した。ヒータ５２と各々の発熱体１０との間に遮蔽板７４を設けた。遮蔽板７４は、ＳｉＯ２からなり、厚さ０．３ｍｍＳｉＯ２板を用いた。発熱体１０は、台座１１をヒータ５２側に向け、遮蔽板７４に接触させた状態で、ホルダー７２（図７参照）を用いてヒータ５２と一体化した。発熱体１０の台座１１として、Ｎｉからなり、厚さ０．１ｍｍのＮｉ基板を用いた。
実験１で用いた発熱体１０は、Ｎｉからなる台座１１の表面に、Ｃｕからなる第１層１４とＮｉからなる第２層１５とを積層した多層膜１２を形成したものを用いた。第１層１４の厚みは１４ｎｍとした。第２層１５の厚みは２ｎｍとした。第１層１４と第２層１５とは、それぞれ６層とした。実験２で用いた発熱体１０は、実験１でも用いた発熱体１０と同じものを用いた。実験３で用いた発熱体２０は、Ｎｉからなる台座１１の表面に、Ｃｕからなる第１層１４とＮｉからなる第２層１５とＣａＯからなる第３層２４とを積層した多層膜２２を形成したものを用いた。第１層１４と第３層２４の厚みは２ｎｍとした。第２層１５の厚みは７ｎｍとした。第１層１４と第３層２４とは、それぞれ６層とした。第１層１４と第３層２４との間に配した第２層１５は１２層である。
バッチ式の実験方法について、実験１を例に説明する。まず、ヒータ５２で発熱体１０をベーキングし、発熱体１０の表面に付着した水などを除去した。そして、発熱工程４１として、容器５１の内部への水素系ガスの導入と、容器５１の内部の真空排気とを行った。水素系ガスを導入する際は、８０℃～５００℃、１００Ｐａ以上とした。ヒータ５２を昇温し、発熱体１０の表面温度を６００℃以上とすることで、発熱体１０から過剰熱を発生させた。次に、誘発工程４２として、発熱工程４１で過剰熱が発生してから３時間以上経過後に、ヒータ５２に印加する入力電力に摂動を与えた。
バッチ式の実験結果を説明する。図９は、実験１の入力電力とヒータ５２の温度との関係を示すグラフである。図９において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸はヒータ５２の熱電対６１で検出したヒータ５２の温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線はヒータ５２の温度を示すグラフである。実験１では、摂動の大きさδＰｉｎを０．９Ｗ、摂動を与えている時間ｔを２６０ｓｅｃとした。摂動エネルギー量は２３０Ｊであった。摂動エネルギー量は、摂動後のヒータ５２の温度を時間で積分して求めた。図９より、摂動を与える前後の熱電対６１の温度を比べると、摂動を与えることで熱電対６１の温度が８．３℃上昇したことが確認できた。
図１０は、実験１の入力電力と発熱体１０の表面温度との関係を示すグラフである。図１０において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸は温度センサ５５で検出した発熱体１０の表面温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線は一方の発熱体１０の表面温度を示すグラフであり、一点鎖線は他方の発熱体１０の表面温度を示すグラフである。図１０より、摂動を与える前後の２つの発熱体１０の表面温度を比べると、摂動を与えることで、点線で示す一方の発熱体１０の表面温度が２０．３℃上昇し、一点鎖線で示す他方の発熱体１０の表面温度が２９．６℃上昇したことが確認できた。過剰熱のエネルギー量は１３０００Ｊであった。過剰熱のエネルギー量は、摂動後の発熱体１０の表面温度を時間で積分して求めた。
図１１は、実験２の入力電力とヒータ５２の温度との関係を示すグラフである。図１１において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸はヒータ５２の熱電対６１で検出したヒータ５２の温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線はヒータ５２の温度を示すグラフである。実験２では、摂動の大きさδＰｉｎを０．０７Ｗ、摂動を与えている時間ｔを２６４ｓｅｃとした。摂動エネルギー量は１９Ｊであった。図１１より、摂動を与える前後の熱電対６１の温度を比べると、摂動を与えることで熱電対６１の温度が８．０℃上昇したことが確認できた。
図１２は、実験２の入力電力と発熱体１０の表面温度との関係を示すグラフである。図１２において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸は温度センサ５５で検出した発熱体１０の表面温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線は一方の発熱体１０の表面温度を示すグラフであり、一点鎖線は他方の発熱体１０の表面温度を示すグラフである。図１２より、摂動を与える前後の２つの発熱体１０の表面温度を比べると、摂動を与えることで、点線で示す一方の発熱体１０の表面温度が１８．０℃上昇し、一点鎖線で示す他方の発熱体１０の表面温度が２４．６℃上昇したことが確認できた。過剰熱のエネルギー量は２６００Ｊであった。
図１３は、実験３の入力電力とヒータ５２の温度との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸はヒータ５２の熱電対６１で検出したヒータ５２の温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線はヒータ５２の温度を示すグラフである。実験３では、摂動の大きさδＰｉｎを１．０Ｗ、摂動を与えている時間ｔを２１０ｓｅｃとした。摂動エネルギー量は２１０Ｊであった。図１３より、摂動を与える前後の熱電対６１の温度を比べると、摂動を与えることで熱電対６１の温度が３．８℃上昇したことが確認できた。
図１４は、実験３の入力電力と発熱体２０の表面温度との関係を示すグラフである。図１４において、横軸は経過時間（ｓｅｃ）、左側の第１縦軸は温度センサ５５で検出した発熱体２０の表面温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線は一方の発熱体２０の表面温度を示すグラフであり、一点鎖線は他方の発熱体２０の表面温度を示すグラフである。図１４より、摂動を与える前後の２つの発熱体２０の表面温度を比べると、摂動を与えることで、点線で示す一方の発熱体２０の表面温度が１３．７℃上昇し、一点鎖線で示す他方の発熱体２０の表面温度が６．２℃上昇したことが確認できた。過剰熱のエネルギー量は１５６０Ｊであった。
以上の実験１～３より、バッチ式において、ヒータ５２に印加する入力電力に摂動を与えることにより、発熱体に大きなエネルギーを与えずに、発熱体の発熱反応を誘発し、発熱量を増大させることができた。
透過式により発熱体を発熱させる発熱方法を用いた実験とその結果を以下に記載する。透過式の実験として、発熱体２０を用い、誘発工程４２において入力電力を減少させた後に増加させた実験４を行った。
実験に用いた透過式の発熱装置について説明する。図１５は、透過式の発熱装置の構成を示す概略図である。
透過式の発熱装置８０は、発熱体２０と、発熱体２０に仕切られた第１室８１および第２室８２を有する容器８３と、発熱体２０を加熱するヒータ８４と、第１室８１の内部に水素系ガスを供給するガス導入部８５と、第２室８２の内部の水素系ガスを第２室８２の外部へ排出するガス排出部８６と、発熱体２０の温度を検出する温度センサ８７などを備える。
容器８３は、石英ガラス管８８、石英ガラス管８８の内部を真空排気するための真空配管８９、石英ガラス管８８の内部に発熱体２０を設置するための取付管９０などで構成されている。石英ガラス管８８は、先端が封止され、基端が開口している。
真空配管８９は、石英ガラス管８８の基端と接続している。真空配管８９にはガス排出部８６が接続されている。ガス排出部８６は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）９１、ドライポンプ（ＤＰ）９２、圧力センサ９３、ゲートバルブ９４などを有している。なお、ガス排出部８６は取付管９０と非接続である。このため取付管９０の内部は真空排気されない。
取付管９０は、真空配管８９を通じて石英ガラス管８８の内部に挿入され、一端が真空配管８９の外部（石英ガラス管８８の外部）に配され、他端が石英ガラス管８８の内部に配されている。取付管９０はＳＵＳで形成されている。取付管９０の一端には、当該取付管９０の内部に水素系ガスを導入するガス導入部８５が接続されている。ガス導入部８５は、水素系ガスを貯留する水素ボンベ９６、バッファタンク９７、流量センサ９８Ａ，９８Ｂ、圧力センサ９９Ａ，９９Ｂ、ゲートバルブ１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ、調整バルブ１０１、リークバルブ１０２などを有している。取付管９０の他端には、発熱体２０を着脱可能とするＶＣＲ継手１０３が設けられている。ＶＣＲ継手１０３は、発熱体２０が配置される位置に、当該ＶＣＲ継手１０３の内周面と外周面とを貫通する２つのリーク穴を有する。発熱体２０は、２枚のＳＵＳ製ガスケットに挟まれた状態で、ＶＣＲ継手１０３の内部に配置される。
容器８３では、発熱体２０により取付管９０の内部空間と石英ガラス管８８の内部空間とが仕切られている。取付管９０の内部空間は、水素系ガスの導入により昇圧される。石英ガラス管８８の内部空間は、ガスの真空排気により減圧される。これにより、取付管９０の内部空間の水素の圧力は、石英ガラス管８８の内部空間の水素の圧力よりも高くされる。したがって、取付管９０の内部空間が第１室８１であり、石英ガラス管８８の内部空間が第２室８２である。発熱体２０の両側に圧力差が生じることにより、高圧側である取付管９０の内部空間（第１室８１）から低圧側である石英ガラス管８８の内部空間（第２室８２）へ水素が透過する。上述したように、発熱体２０は、水素を透過させる過程において、高圧側に配された一方の面から水素を吸蔵することによって発熱し、低圧側に配された他方の面から水素を放出することによって過剰熱を発生する。
温度センサ８７として熱電対（Ｋ型シース熱電対）を用いた。実験では２つの熱電対を準備し、ＶＣＲ継手１０３の２つのリーク穴のそれぞれに挿入した。２つの熱電対を発熱体２０に接触させ、発熱体２０の温度の測定を行った。ヒータ８４として電気炉を用いた。電気炉としてのヒータ８４は石英ガラス管８８の外周を覆うように配置した。
実験４では、平面視において直径２０ｍｍの発熱体２０を用いた。発熱体２０の台座１１として、Ｎｉからなり、厚さ０．１ｍｍのＮｉ基板を用いた。Ｎｉからなる台座１１の両面に、Ｃｕからなる第１層１４とＮｉからなる第２層１５とＣａＯからなる第３層２４とを積層した多層膜２２を形成したものを用いた。第１層１４と第３層２４の厚みは２ｎｍとした。第２層１５の厚みは７ｎｍとした。第１層１４と第３層２４とは、それぞれ６層とした。第１層１４と第３層２４との間に配した第２層１５は１２層である。
透過式の実験方法を説明する。まず、ヒータ８４で発熱体２０をベーキングし、発熱体２０の表面に付着した水などを除去した。そして、発熱工程４１として、第１室８１（取付管９０の内部空間）に水素系ガスを供給し、第１室８１の圧力を１０２，０００Ｐａに調整した。第２室８２（石英ガラス管８８の内部空間）の真空排気を行い、第２室８２の圧力を０．００３Ｐａに調整した。ヒータ８４を昇温し、発熱体２０の表面温度を６００℃以上とすることで、発熱体２０から過剰熱を発生させた。次に、誘発工程４２として、発熱工程４１で過剰熱が発生してから３時間以上経過後に、ヒータ８４に印加する入力電力に摂動を与えた。
透過式の実験結果を説明する。図１６は、実験４の入力電力と発熱体２０の温度との関係を示すグラフである。図１６において、横軸は経過時間（ｈｏｕｒ）、左側の第１縦軸は温度センサ８７で検出した発熱体２０の温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ８４に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線は発熱体２０の温度を示すグラフである。図１６に示す発熱体２０の温度は、温度センサ８７としての２つの熱電対で測定した温度の平均値である。実験４では、摂動の大きさδＰｉｎを９９Ｗ、摂動を与えている時間ｔを２３２ｓｅｃとした。摂動エネルギー量は２３ｋJであった。図１６より、摂動を与える前後の発熱体２０の温度を比べると、摂動を与えることで、発熱体２０の温度が１６℃上昇したことが確認できた。過剰熱のエネルギー量は１６０ｋＪであった。
以上の実験４より、透過式において、ヒータ８４に印加する入力電力に摂動を与えることにより、発熱体に大きなエネルギーを与えずに、発熱体の発熱反応を誘発し、発熱量を増大させることができた。
透過式の発熱装置としては、第２室に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部を更に備えるものでもよい。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガスや窒素ガス等が用いられる。第２室に不活性ガスを導入することにより、第１室と第２室との間に水素分圧の差を生じさせることができる。第１室と第２室との間に生じる水素分圧の差によって、第１室の水素系ガスは、発熱体を透過して第２室へ移動する。発熱体は、水素系ガスが透過することにより過剰熱を発生する。第２室の水素系ガスは、不活性ガスとともにガス排出部により排出される。
バッチ式の実験として、誘発工程４２において、摂動を、予め設定された時間の経過後に繰り返し行う実験５を行った。実験５はバッチ式の発熱装置５０（図７参照）を用いて実施した。実験５では、実験１および実験２と同様の構成を有する発熱体１０を用いた。すなわち、実験５で用いた発熱体１０は、Ｎｉからなる台座１１の表面に、Ｃｕからなる第１層１４とＮｉからなる第２層１５とを積層した多層膜１２を形成し、第１層１４の厚みを１４ｎｍとし、第２層１５の厚みを２ｎｍとし、第１層１４と第２層１５とをそれぞれ６層とした。
まず、ヒータ５２で発熱体１０をベーキングし、発熱体１０の表面に付着した水などを除去した。そして、発熱工程４１として、容器５１の内部への水素系ガスの導入と、容器５１の内部の真空排気とを行った。水素系ガスを導入する際は、８０℃～５００℃、１００Ｐａ以上とした。ヒータ５２を昇温し、発熱体１０の表面温度を６００℃以上とすることで、発熱体１０から過剰熱を発生させた。次に、誘発工程４２として、発熱工程４１で過剰熱が発生してから３時間以上経過後に、ヒータ５２に印加する入力電力に摂動を与えた。実験５では、誘発工程４２において、実験１での摂動の与え方と実験２での摂動の与え方とを組み合わせた。
図１７に示すように、誘発工程４２において、入力電力を減少させた後に増加させる第１の摂動（負の摂動とも言う）と、入力電力を増加させた後に減少させる第２の摂動（正の摂動とも言う）とを、交互に繰り返し行った。具体的には、まず負の摂動を行い、次に当該負の摂動を行ってから３時間経過後に正の摂動を行い、次に当該正の摂動を行ってから３時間経過後に再び負の摂動を行い、当該負の摂動を行った後も正の摂動と負の摂動とを交互に繰り返し行った。δＰｎｅｇは、入力電力の基準値Ｐｉｎに対する負の摂動の大きさである。δＰｐｏｓは、入力電力の基準値Ｐｉｎに対する正の摂動の大きさである。ｔｎｅｇは、負の摂動を与えている時間である。ｔｐｏｓは、正の摂動を与えている時間である。ｔｉｎｔ１は、負の摂動により入力電力を減少させた後に増加させてから正の摂動を行うまでの時間である。ｔｉｎｔ２は、正の摂動により入力電力を増加させた後に減少させてから負の摂動を行うまでの時間である。実験５では、δＰｎｅｇ、δＰｐｏｓ、ｔｎｅｇ、ｔｐｏｓは以下の式１を満たす。
ｔｎｅｇ×δＰｎｅｇ＝ｔｐｏｓ×δＰｐｏｓ ・・・（式１）
δＰｎｅｇ、δＰｐｏｓ、ｔｎｅｇ、ｔｐｏｓが上記の式１を満たすように設定されているので、負の摂動と正の摂動とを各々同数含む特定期間では、負の摂動を行ったときの基準値Ｐｉｎに対する入力電力の減少分と、正の摂動を行ったときの基準値Ｐｉｎに対する入力電力の増加分とが相殺される。当該特定期間での摂動による入力電力の時間平均を算出すると、基準値Ｐｉｎと同じ値となる。実験５では、δＰｎｅｇは０．９８Ｗ、δＰｐｏｓは１．４７Ｗ、ｔｎｅｇは１８０ｓｅｃ、ｔｐｏｓは１２０ｓｅｃとした。また、Ｐｉｎは２７．９Ｗ、ｔｉｎｔ１およびｔｉｎｔ２はいずれも３ｈｏｕｒとした。
実験５の結果を説明する。図１８は、実験５の入力電力とヒータ５２の温度との関係を示すグラフである。図１８において、横軸は経過時間（ｈｏｕｒ）、左側の第１縦軸はヒータ５２の熱電対６１で検出したヒータ５２の温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、点線はヒータ５２の温度を示すグラフである。図１９は、実験５の入力電力と発熱体１０の表面温度との関係を示すグラフである。図１９において、横軸は経過時間（ｈｏｕｒ）、左側の第１縦軸は温度センサ５５で検出した発熱体１０の表面温度（℃）、右側の第２縦軸はヒータ５２に印加した入力電力（Ｗ）を示す。実線は入力電力を示すグラフであり、一点鎖線は一方の発熱体１０の表面温度を示すグラフであり、二点鎖線は他方の発熱体１０の表面温度を示すグラフである。図１８および図１９は、負の摂動と正の摂動とを交互に３回ずつ行った、経過時間２３８ｈｏｕｒから２５８ｈｏｕｒまでの２０時間（特定期間）の実験結果を示している。図１８および図１９の第１領域Ｒ１は、経過時間２４０ｈｏｕｒ付近で負の摂動を行った領域である。図１８および図１９の第２領域Ｒ２は、経過時間２４３ｈｏｕｒ付近で正の摂動を行った領域である。
図１８より、熱電対６１の温度が徐々に上昇し（図１８中の矢線参照）、経過時間２３８ｈｏｕｒから２５８ｈｏｕｒまでの２０時間で３．５℃上昇したことが確認できた。当該期間内において、熱電対６１の温度上昇におけるピーク値は２３℃であった。図１９より、各々の発熱体１０の表面温度が徐々に上昇し（図１９中の矢線参照）、経過時間２３８ｈｏｕｒから２５８ｈｏｕｒまでの２０時間で、一点鎖線で示す一方の発熱体１０の表面温度が７．３℃上昇し、二点鎖線で示す他方の発熱体１０の表面温度が８．１℃上昇したことが確認できた。当該期間内において、一方の発熱体１０の表面温度上昇におけるピーク値は４４℃であり、他方の発熱体１０の表面温度上昇におけるピーク値は４２．２℃であった。一点鎖線で示す一方の発熱体１０の表面温度と二点鎖線で示す他方の発熱体１０の表面温度とを比べると、一方の発熱体１０の表面温度の方が高いが、これは各々の発熱体１０の製造上のばらつき（例えば表面の凹凸の違いなど）によるものと考えられる。摂動により増加した過剰熱のエネルギー量は３８０００Ｊであった。経過時間２３８ｈｏｕｒから２５８ｈｏｕｒまでの２０時間（特定期間）では、摂動による入力電力の時間平均値が基準値Ｐｉｎと同じ値となるので実質的に入力電力は増加していないこととなるが、過剰熱のエネルギー量は増加した。
図２０は、図１８の第１領域Ｒ１を拡大して示すグラフである。図２０より、負の摂動を与える前後の熱電対６１の温度を比べると、負の摂動を与えることで熱電対６１の温度が上昇したことが確認できた。図２１は、図１９の第１領域Ｒ１を拡大して示すグラフである。図２１より、負の摂動を与える前後の２つの発熱体１０の表面温度が上昇したことが確認できた。
図２２は、図１８の第２領域Ｒ２を拡大して示すグラフである。図２２より、正の摂動を与える前後の熱電対６１の温度を比べると、正の摂動を与えることで熱電対６１の温度が上昇したことが確認できた。図２３は、図１９の第２領域Ｒ２を拡大して示すグラフである。図２３より、正の摂動を与える前後の２つの発熱体１０の表面温度が上昇したことが確認できた。
実験５より、バッチ式において、ヒータ５２に印加する入力電力に負の摂動と正の摂動とを交互に繰り返し与えることにより、発熱体に大きなエネルギーを与えずに、発熱体の発熱反応を継続的に誘発し、発熱量を増大させることができた。負の摂動と正の摂動とを交互に繰り返し行うことにより、発熱体１０の表面や異種物質界面１７での水素濃度が上昇し、第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応が継続的に誘発された結果、発熱量が徐々に増大していったと考えられる。
発熱体が発生する熱は各種の用途に用いることができる。発熱体が発生する熱は、例えば熱媒体を用いて回収することができる。熱媒体は、発熱体により加熱され、高温となる。高温の熱媒体は、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。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。なお、発熱体が発生する熱は、熱媒体を用いて回収する場合に限られず、例えば熱電素子を用いて電気エネルギーとして回収してもよい。
発熱体が発生する熱の用途としては、熱交換機や動力ユニットなどが挙げられる。熱交換機としては、例えば、熱媒体と気体との間で熱交換を行う装置、熱媒体と液体との間で熱交換を行う装置、熱媒体と固体との間で熱交換を行う装置が挙げられる。熱媒体と気体との間で熱交換を行う装置は、空調、燃焼装置に供給する空気の予熱、乾燥用熱風や加熱用熱風の生成などに用いられる。燃焼装置としては、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。熱媒体と液体との間で熱交換を行う装置は、ボイラーの熱源、油加熱、化学反応槽などに用いられる。熱媒体と固体との間で熱交換を行う装置は、二重管式ロータリー加熱機、二重管内における粒子状物質の加熱などに用いられる。動力ユニットとしては、ガスタービン、蒸気タービン、スターリングエンジン、ＯＲＣＳ（Organic Rankine Cycle System）などが挙げられる。
１０，２０，３０ 発熱体
１１ 台座
１２，２２，３２ 多層膜
１４ 第１層
１５ 第２層
２４ 第３層
３４ 第４層
１７，２７，３７ 異種物質界面
４１ 発熱工程
４２ 誘発工程
５０，８０ 発熱装置
５１，８３ 容器
５２，８４ ヒータ
５３，８５ ガス導入部
５４，８６ ガス排出部
５５，８７ 温度センサ
８１ 第１室
８２ 第２室

Claims (7)

  1. 水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座と、前記台座の表面に設けられた多層膜とを備え、前記多層膜が、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、前記第１層とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層された構成を有する発熱体に対し水素系ガスを供給し、前記水素系ガスに含まれる水素を前記発熱体に吸蔵させ、前記発熱体をヒータで加熱し、前記発熱体が第１発熱量で発熱する第１発熱反応を生じさせる発熱工程と、
    前記第１発熱反応が生じている状態で前記ヒータに印加する入力電力に対し摂動を与え、前記発熱体が前記第１発熱量よりも大きい第２発熱量で発熱する第２発熱反応を誘発させる誘発工程とを有する発熱方法。
  2. 前記誘発工程は、前記摂動により前記発熱体の表面温度を変動させる請求項１に記載の発熱方法。
  3. 前記摂動は、前記入力電力を減少させた後に増加させることにより与える請求項１または２に記載の発熱方法。
  4. 前記摂動は、前記入力電力を増加させた後に減少させることにより与える請求項１または２に記載の発熱方法。
  5. 前記誘発工程は、前記摂動を、予め設定された時間の経過後に繰り返し行う請求項１～４のいずれか１項に記載の発熱方法。
  6. 前記摂動は、前記入力電力を減少させた後に増加させる第１の摂動と、前記入力電力を増加させた後に減少させる第２の摂動とを含み、
    前記誘発工程は、前記第１の摂動と前記第２の摂動とを交互に繰り返し行う請求項５に記載の発熱方法。
  7. 前記発熱体は、前記第１層と前記第２層との界面である異種物質界面を水素が量子拡散により透過または拡散する過程で発熱する請求項１～６のいずれか１項に記載の発熱方法。
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