JP7482518B2

JP7482518B2 - 蓄熱装置

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Publication number: JP7482518B2
Application number: JP2020569652A
Authority: JP
Inventors: 敬幸小林; 篤博市瀬; 琢久哉清水
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: EP3919300A4; WO2020158740A1; EP3919300B1; US20220026163A1; EP3919300A1; JPWO2020158740A1; CN113329895B; CN113329895A

Description

この発明は、空気と電力で動作する蓄熱装置に関するものである。

従来より、エンジン自動車では通常、機械圧縮式空調装置（エアコン）として作動しているのは冷房用のクーラーのみで、暖房用についてはエンジンの冷却水の熱を利用して暖めている。これは、冬になると着霜のためエアコンが使えなくなってしまうからであり、たとえ使用していたとしても１０°Cくらいまでで、それ以下の外気温で暖める際にはエンジンの排熱を利用するヒーターを使っていた。

また、近年では電気自動車の開発が進んでおり、例えば特許文献１には、低温時でも充分な暖房能力を確保できるとともにバッテリーへの負担を低減させることができる電気自動車用空調装置として、ヒートポンプ式の空調システムと、蓄熱式の空調システムと、燃焼式の空調システムとにより構成されている電気自動車用空調装置が開示されている。

しかし、例えば特許文献１に示すような従来の電気自動車用空調装置では、大きな装置であるため場所をとるだけでなく、複雑な制御も必要になるため、全体として大がかりなシステムになってしまうという問題があった。そこで、このような問題に対処するために、化学蓄熱を用いて、電力により蓄熱して暖房装置に利用することが考えられている。

特開平６－１４３９７３号公報

しかしながら、電力により蓄熱して暖房装置に利用する際に、化学蓄熱などを用いる場合には蒸発器や凝縮器が必要になり、場所をとり重量が増大するだけでなく、それらの制御も必要になるため、結局のところ大がかりなシステムになってしまう、という課題があった。また、反応媒体として水系を用いると凍ってしまうため、凍らないフロンやアンモニア等を用いることが多いが、容積あたりの蓄熱量が小さいので大型化してしまう、という課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電気自動車に搭載する際に場所をとらないようなシンプルで小型の形状であり、かつ、暖房装置として利用するために水を使わず、効率よく蓄熱および放熱ができる蓄熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明の蓄熱装置は、温度調節操作によって酸化反応および還元反応を実現する蓄熱材と、前記蓄熱材を加熱するための伝熱素材と、電源に接続することにより前記伝熱素材を加熱する少なくとも一対の電極と、前記蓄熱材と前記伝熱素材と前記少なくとも一対の電極とを内包する容器と、前記容器の上流側入口に設けられ、前記容器の内部と外部とを遮断する上流側弁と、前記容器の下流側出口に設けられ、前記容器の内部と外部とを遮断する下流側弁とを備え、前記上流側弁および前記下流側弁の開閉を制御するとともに、前記上流側弁および前記下流側弁が開けられると、外部から前記容器に空気を導入して、空気中の酸素と前記蓄熱材とを酸化反応させ、前記上流側弁および前記下流側弁が閉じられると、外部から前記容器に侵入する空気によって前記蓄熱材が酸化しないように維持することを特徴とする。

この発明の蓄熱装置によれば、空気と電力だけで動作するため、シンプルで小型の形状とすることができ、空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能なため、効率よく蓄熱および放熱ができる。

酸化還元反応を用いる化学蓄熱の反応系の例を示す表である。実施の形態１における蓄熱装置の概要構成の一例を模式的に示した図である。実施の形態１における蓄熱装置の概要構成の別の例を模式的に示した図である。実施の形態１における蓄熱装置の蓄熱時および放熱時の操作の一例を示すフローチャートである。酸素と窒素の混合気体中において、一酸化コバルト（ＣｏＯ）と四酸化三コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）が存在する状態を、温度と酸素濃度の関係で表したグラフである。熱天秤を用いて、空気流通条件下で、四酸化三コバルトから一酸化コバルトへの還元挙動、および、一酸化コバルトから四酸化三コバルトへの酸化挙動を示す説明図である。高温空気流通による蓄熱（還元）挙動の一例を示す説明図である。高温空気流通による放熱（酸化）挙動の一例を示す説明図である。実施の形態２における蓄熱装置の概要構成の一例を模式的に示した図である。実施の形態２における蓄熱装置の実験用デモ機の部分概要を示した図である。実施の形態２における蓄熱装置の蓄熱時および放熱時の操作の一例を示す説明図である。

この発明は、電気自動車に搭載する際に場所をとらないようなシンプルで小型の形状であり、かつ、暖房装置として利用するために水を使わず、効率よく蓄熱および放熱ができる蓄熱装置を提供することを目的とするものであり、空気と電力で動作する蓄熱装置に関するものである。
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１における蓄熱装置は、温度調節操作による酸化還元反応を用いる化学蓄熱を応用し、空気と電力で動作するものである。
ここで、図１は、酸化還元反応を用いる化学蓄熱の反応系の例を示す表であり、温度調節操作によって酸化／還元する物質の反応式や反応温度、各物質の融点などを示している。この実施の形態１では、図１に示す表のＮｏ．９の反応「２Ｃｏ_３Ｏ_４（四酸化三コバルト）→６ＣｏＯ（一酸化コバルト）＋Ｏ_２（酸素）」を利用する場合を例に説明する。

図２は、この発明の実施の形態１における蓄熱装置の概要構成の一例を模式的に示した図である。この図２において、図の左方向から右方向へ、つまり、蓄熱材１４に空気が一方向に流されているものとする。この蓄熱装置１０は、温度調節操作によって酸化／還元する蓄熱材１４、蓄熱材１４を加熱するための伝熱素材１５、電源に接続することにより伝熱素材１５を加熱する少なくとも一対の電極１１，１２（この実施の形態１では、少なくとも一対の電極は第１の電極１１および第２の電極１２）、蓄熱材１４と伝熱素材１５と少なくとも一対の電極１１，１２とを内包する容器１６、容器１６の内部と外部とを遮断する上流側弁１７と下流側弁１８を備えている。この上流側弁１７は容器１６の上流側入口に設けられ、下流側弁１８は容器１６の下流側出口に設けられている。なお、この蓄熱装置１０には、温度計や温度調節ユニットなど、温度調節操作に関する装置が接続されているが、これについては図示および説明を省略する。

図３は、この発明の実施の形態１における蓄熱装置の概要構成の別の例を模式的に示した図である。図３に示す蓄熱装置１０’は、温度調節操作によって酸化／還元する蓄熱材１４、蓄熱材１４を加熱するための伝熱素材１５、電源に接続することにより伝熱素材１５を加熱する少なくとも一対の電極１１，１２を備えている。この図３においても、図の左方向から右方向へ、つまり、蓄熱材１４に空気が一方向に流されているものとする。

図２、図３において、斜め格子部分が伝熱素材１５を示しており、網点部分が蓄熱材１４を示している。すなわち、図２に示す例では、容器１６の入口付近から出口付近にかけて、容器１６の内部ほぼ全体に伝熱素材１５が配設されており、その伝熱素材１５に蓄熱材１４が充填されて担持されている。また、図３に示す例においても、伝熱素材１５に蓄熱材１４が充填されて担持されていることは同じである。

また、図２に示す例では、少なくとも一対の電極（この実施の形態１では、第１の電極１１と第２の電極１２）のうち、第１の電極１１は、容器１６の内部であって入口に近い位置（上流側弁１７に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の上流側端部に配置され、第２の電極１２は、容器１６の内部であって出口に近い位置（下流側弁１８に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の下流側端部に配置されている。一方、図３に示す例では、一対の電極１１，１２は上流側でも下流側でもない位置に配置されているが、蓄熱材１４全体を均一に加熱できる位置であれば、一対の電極１１，１２は図３のような位置に配置されていてもよい。

そして、蓄熱材１４を加熱するための伝熱素材１５と少なくとも一対の電極１１，１２とにより電気ヒーターが構成され、少なくとも一対の電極１１，１２を電源に接続することにより伝熱素材１５が加熱される。すなわち、電気ヒーターとは、伝熱素材１５と少なくとも一対の電極１１，１２とにより構成されるものであり、少なくとも一対の電極に電源を接続することにより、伝熱素材１５を加熱するものである。
また、この実施の形態１では前述のとおり、図１に示す表のＮｏ．９の反応を利用するので、蓄熱材１４は四酸化三コバルト（または一酸化コバルト）である。

伝熱素材１５は、この実施の形態１ではＳｉＣ（炭化ケイ素、シリコンカーバイド）多孔体を用いることとし、前述のとおり、容器１６の入口付近（上流側）から出口付近（下流側）まで、容器１６の内部ほぼ全体に、すなわち、第１の電極１１と第２の電極１２に挟まれた部分に、ＳｉＣ多孔体である伝熱素材１５が配設されて電気ヒーターを構成している。そして、伝熱素材１５の多孔体部分に蓄熱材１４を充填することにより、伝熱素材１５を加熱すれば蓄熱材１４も加熱される。このように、伝熱素材１５が蓄熱材１４を担持していることにより、蓄熱材１４全体を急速かつ均一に加熱することができるので、わずか数分で蓄放熱することが可能となる。

なお、伝熱素材１５としては、容器１６の内部に充填した蓄熱材１４を加熱できるものであれば、どのようなものであってもよく、加熱温度が低くてもよい場合にはステンレスなどの材質であってもよいし、形状としても例えば棒状の伝熱素材１５’を容器１６の中心軸に沿って配置し、その伝熱素材１５’の周りを取り囲むように蓄熱材１４を容器１６の内部に充填するようにしてもよい。

図４は、この発明の実施の形態１における蓄熱装置１０の蓄熱時および放熱時の操作の一例を示すフローチャートであり、図４（ａ）が蓄熱時の操作、図４（ｂ）が放熱時の操作を示している。

蓄熱時には、図４（ａ）に示すとおり、まず初めに上流側弁１７および下流側弁１８が開いているかをチェックする（ステップＳＴ０）。通常であれば、後述する放熱操作の後は上流側弁１７も下流側弁１８も開いているため、そのまま開いている状態で蓄熱操作を開始すればよいが、開いていなければ（ステップＳＴ０がＮＯの場合）には下流側弁１８および上流側弁１７をあけて容器１６に空気を導入し（ステップＳＴ１）、第１の電極１１と第２の電極１２を電源につないで（図２におけるスイッチＳＷ１をつないで）直流あるいは交流電力を供給し、蓄熱材１４が充填されている伝熱素材１５を加熱する（ステップＳＴ２）ことにより、蓄熱材１４を加熱する。

蓄熱材１４がある一定の温度（所定の温度）に達すると（ステップＳＴ３のＹＥＳの場合）、蓄熱材１４は酸素を放出して元の状態より還元された状態の物質に変化し、蓄熱状態の物質に変化する。そして、酸素の放出が終了した後に（ステップＳＴ４のＹＥＳの場合）、遮断弁である上流側弁１７および下流側弁１８を閉じる（ステップＳＴ５）ことにより、蓄熱材１４が外部から侵入する空気によって再び酸化しないように維持する。なお、酸素の放出が終了したかどうか（ステップＳＴ４）の判断は、吸熱反応が終了したかどうかを温度を計測することによって判断する。

放熱時には、図４（ｂ）に示すとおり、まず初めに上流側弁１７が閉じているかをチェックする（ステップＳＴ１０）。通常であれば、蓄熱操作の後（ステップＳＴ５の後）は上流側弁１７も下流側弁１８も閉じているが、上流側弁１７が閉じていなければ（ステップＳＴ１０がＮＯの場合）には上流側弁１７を閉じてから、下流側弁１８を開ける（ステップＳＴ１１）。そして、放熱時にも第１の電極１１と第２の電極１２を電源につないで（図２におけるスイッチＳＷ１をつないで）直流あるいは交流電力を供給し、伝熱素材１５を加熱する（ステップＳＴ１２）ことにより、蓄熱材１４を加熱する。

蓄熱材１４がある一定の温度（所定の温度）に達したら（ステップＳＴ１３のＹＥＳの場合）、第１の電極１１に近い上流側の遮断弁である上流側弁１７を開けて（ステップＳＴ１４）、外部から容器１６に空気を導入して（ステップＳＴ１５）、空気中の酸素と蓄熱材１４を酸化反応させ、発熱させる。発生した熱は流通する空気を加熱し、加熱された空気は下流側へ伝わり、蓄熱材１４の温度を上昇させて酸化反応を開始させる。このように、蓄熱装置１０全体で酸化反応させて放熱、熱供給させる。

図５は、酸素と窒素の混合気体中において、一酸化コバルト（ＣｏＯ）と四酸化三コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）が存在する状態を、温度と酸素濃度の関係で表したグラフであり、横軸が温度、縦軸が酸素分圧（ＯｘｙｇｅｎＰｒｅｓｓｕｒｅ）である。図５中の実線で示した曲線より左側の領域では四酸化三コバルトとして存在し、この曲線より右側の領域では一酸化コバルトとして存在する。また、図５中の一点鎖線で示した直線は、酸素濃度２０．９％を示すラインであり、この一点鎖線の直線は実線で示した曲線と温度約８５０°Ｃで交差している。

すなわち、空気と同じ酸素濃度２０．９％の条件下では、温度が約８５０°Ｃより低い温度では四酸化三コバルトであり、８５０°Ｃより高い温度では一酸化コバルトとして存在する。そのため、一酸化コバルトを温度８５０°Ｃ未満の空気中に置くと酸化され、反応熱を放出して四酸化三コバルトに変化し、四酸化三コバルトを温度８５０°Ｃ以上の空気中に置くと還元され、吸熱して一酸化コバルトに変化する。これらの化学平衡的特性を用いて、空気共存下で材料の温度を操作することによって四酸化三コバルトの還元と一酸化コバルトの酸化を可逆的に繰り返し、蓄熱と放熱を行なわせる。

図６は、熱天秤を用いて、空気流通条件下で、四酸化三コバルトから一酸化コバルトへの還元挙動（図６（ａ））および一酸化コバルトから四酸化三コバルトへの酸化挙動（図６（ｂ））を示す説明図である。
図６（ａ）は、熱天秤を用いて、空気流通条件下で、四酸化三コバルト粒子（数ミリグラム）から一酸化コバルトへの還元挙動を、温度を変えて分析した結果であり、横軸が時間、縦軸が反応率である。また、図６（ｂ）は、熱天秤を用いて、空気流通条件下で、一酸化コバルトから四酸化三コバルト粒子への酸化挙動を分析した結果であり、同じく横軸が時間、縦軸が反応率である。

図６（ａ）では、温度９１５°Ｃ、９２１°Ｃ、９３０°Ｃ、９３６°Ｃ、９４５°Ｃの５種類について示しており、実線Ａが温度９１５°Ｃの場合、実線Ｂが温度９２１°Ｃの場合、一点鎖線Ｃが温度９３０°Ｃの場合、一点鎖線Ｄが温度９３６°Ｃの場合、実線Ｅが温度９４５°Ｃの場合を示している。この図６（ａ）を見ると、還元反応は、空気共存下でも温度９１５°Ｃ以上で進行していることがわかる。また、より高温になるほど、反応は早くなり、温度９３６°Ｃ以上では約６０秒以内で反応が終了することも確認できた。

図６（ｂ）では、温度７５０°Ｃ、７７３°Ｃ、７９５°Ｃ、８１５°Ｃ、８２５°Ｃの５種類について示しており、実線Ｆが温度７５０°Ｃの場合、実線Ｇが温度７７３°Ｃの場合、一点鎖線Ｈが温度７９５°Ｃの場合、実線Ｊが温度８１５°Ｃの場合、一点鎖線Ｋが温度８２５°Ｃの場合を示している。この図６（ｂ）を見ると、酸化反応は、空気共存下において、温度７７３°Ｃ以上で進行していることがわかる。また、反応開始後約２００秒までは急速に酸化反応が進行し、その後は反応速度が減速して１０００秒まで反応が持続したことも確認できた。
なお、図６（ａ）と図６（ｂ）の酸化還元操作は、可逆的に繰り返し可能であることも確認できた。

図７は、高温空気流通による蓄熱（還元）挙動の一例を示す説明図であり、横軸が時間、縦軸が温度である。前述の図６において、熱天秤を用いて、空気流通条件下で還元（蓄熱）と酸化（放熱）を可逆的に繰り返し可能であることを確認したことをもとに、装置化を想定して約１グラムの四酸化三コバルト（蓄熱材１４）をシリコンカーバイド多孔体（伝熱素材１５）に担持し、これを電気加熱炉中に設置して、熱天秤実験と同様に、還元（蓄熱）と酸化（放熱）の操作の可逆性と反応速度について検討した。

図７中、実線で示すグラフは、充填層中心、すなわち、図２に示す蓄熱装置１０において蓄熱材１４が充填された容器１６の中心付近における蓄熱材１４の温度が、時間とともに変化する様子を示しており、一点鎖線で示すグラフは、充填層外壁近傍、すなわち、図２に示す蓄熱装置１０において蓄熱材１４が充填された容器１６の内壁に近い部分における蓄熱材１４の温度が、時間とともに変化する様子を示している。

そして、まず、酸素のみを０．４７リットル／分の速度で供給しつつ四酸化三コバルトを温度９３８°Ｃに保った後、窒素を１．８８リットル／分の速度で加えて酸素濃度を空気中濃度とほぼ同じ２１％（空気の酸素濃度：２０．９％）に変えたところ、四酸化三コバルト充填層内の温度が急速に低下して、吸熱反応が進行し、約２００秒でおよそ反応が終了する、ということが確認できた。

図８は、高温空気流通による放熱（酸化）挙動の一例を示す説明図であり、横軸が時間、縦軸が温度変化量である。シリコンカーバイド多孔体（伝熱素材１５）に担持した四酸化三コバルト（蓄熱材１４）を還元し一酸化コバルトに変化させた蓄熱材１４が、再度、四酸化三コバルトに酸化して放熱する操作の可逆性と反応速度について検討した。

図７と同様に、図８中、実線で示すグラフは、充填層中心付近における放熱（酸化）温度が、時間とともに変化する様子を示しており、一点鎖線で示すグラフは、充填層外壁近傍における放熱（酸化）温度が、時間とともに変化する様子を示している。また、図８では、実線、一点鎖線ともに符号Ｌのラインは、一酸化コバルトの初期温度を７２０°Ｃ、空気の供給速度を２．３５リットル／分とした場合、符号Ｍのラインは、一酸化コバルトの初期温度を７２０°Ｃ、空気の供給速度を１．９リットル／分とした場合、符号Ｎのラインは、一酸化コバルトの初期温度を７７０°Ｃ、空気の供給速度を１．９リットル／分とした場合を示している。

そして、図７で説明したような還元操作終了後、入口（上流側）の上流側弁１７と出口（下流側）の下流側弁１８を閉じて、一酸化コバルトの温度を初期温度として７２０°Ｃあるいは７７０°Ｃに降下させ、再度、入口（上流側）の上流側弁１７と出口（下流側）の下流側弁１８を開けて空気を供給したところ、急速に充填層内温度が昇温し、充填層内温度が昇温し酸化反応が進行する（２０秒ほどで放熱する）ということが確認できた。

このように、蓄熱装置１０は、空気と電力だけで動作し、蓄熱材１４、蓄熱材１４を加熱するための伝熱素材１５、少なくとも一対の電極１１，１２、蓄熱材１４と伝熱素材１５と少なくとも一対の電極１１，１２とを内包する容器１６、容器１６の内部と外部とを遮断する上流側弁１７、下流側弁１８とにより構成されるシンプルな構造で小型にすることができる。

この結果、この実施の形態１における蓄熱装置を電気自動車に搭載する際にも場所をとらず、さらに、空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能なため、効率よく蓄熱および放熱ができるので、暖房装置として利用するために水を使う必要もなく、冬であっても問題なく使用できる。

以上のように、この発明の実施の形態１における蓄熱装置によれば、空気と電力だけで動作するため、シンプルで小型の形状とすることができ、特殊な環境中ではなく空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能なため、効率よく蓄熱および放熱ができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２における蓄熱装置は、実施の形態１と同様に、温度調節操作による酸化還元反応を用いる化学蓄熱を応用し、空気と電力で動作するものであり、この実施の形態２においても、図１に示す表のＮｏ．９の反応「２Ｃｏ_３Ｏ_４（四酸化三コバルト）→６ＣｏＯ（一酸化コバルト）＋Ｏ_２（酸素）」を利用する場合を例に説明する。

図９は、この発明の実施の形態２における蓄熱装置の概要構成の一例を模式的に示した図である。なお、実施の形態１において説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。この実施の形態２における図９に示す蓄熱装置２０と、実施の形態１における図２に示す蓄熱装置１０とでは、電極をいくつ備えているか、という違いがある。

図９に示すとおり、この実施の形態２における蓄熱装置２０は、温度調節操作によって酸化／還元する蓄熱材１４、蓄熱材１４を加熱する伝熱素材１５、電源に接続することにより伝熱素材１５を加熱する少なくとも一対の電極２１，２２，２３（この実施の形態２では、少なくとも一対の電極は第１の電極２１、第２の電極２２、および、第３の電極２３）、蓄熱材１４と伝熱素材１５と少なくとも一対の電極２１，２２，２３とを内包する容器２６、容器２６の内部と外部とを遮断する上流側弁１７と下流側弁１８を備えている。この上流側弁１７は容器２６の上流側入口に設けられ、下流側弁１８は容器２６の下流側出口に設けられている。なお、実施の形態１における蓄熱装置１０と同様に、この蓄熱装置２０には、温度計や温度調節ユニットなど、温度調節操作に関する装置が接続されているが、これについては図示および説明を省略する。

実施の形態１における蓄熱装置１０は、少なくとも一対の電極として、容器１６の内部であって入口に近い位置（上流側弁１７に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の上流側端部に第１の電極１１、容器１６の内部であって出口に近い位置（下流側弁１８に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の下流側端部に第２の電極１２を備えていたが、この実施の形態２における蓄熱装置２０は、少なくとも一対の電極として、容器２６の内部であって入口に近い位置（上流側弁１７に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の上流側端部に第１の電極２１、容器２６の内部であって出口に近い位置（下流側弁１８に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の下流側端部に第２の電極２２を備えている上に、さらにもう１つ、第１の電極２１に近い位置に設置された第３の電極２３を備えている。

この第３の電極２３は、図９に示すとおり、第１の電極２１と同様に容器２６の内部であって入口に近い位置（上流側弁１７に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の上流側に配置されており、かつ、第１の電極２１よりは第２の電極２２に近い位置に配置されている。また、第２の電極２２は、前述のとおり、容器２６の内部であって出口に近い位置（下流側弁１８に近い位置）、すなわち、蓄熱材１４に流される空気の下流側端部に配置されている。

そして、蓄熱材１４を加熱するための伝熱素材１５と少なくとも一対の電極２１，２２，２３とにより電気ヒーターが構成され、少なくとも一対の電極２１，２２，２３のうちのいずれか２つを電源に接続することにより伝熱素材１５が加熱される。すなわち、電気ヒーターとは、伝熱素材１５と少なくとも一対の電極２１，２２，２３とにより構成されるものであり、少なくとも一対の電極２１，２２，２３のうちのいずれか２つに電源を接続することにより、伝熱素材１５を加熱するものである。
また、この実施の形態２においても、図１に示す表のＮｏ．９の反応を利用するので、蓄熱材１４は四酸化三コバルトである。

伝熱素材１５は、この実施の形態２においてもＳｉＣ（炭化ケイ素、シリコンカーバイド）多孔体を用いることとし、容器２６の入口付近（上流側）から出口付近（下流側）まで、容器２６の内部ほぼ全体に、すなわち、第１の電極２１と第２の電極２２に挟まれた部分に、ＳｉＣ多孔体である伝熱素材１５が配設されて電気ヒーターを構成している。そして、伝熱素材１５の多孔体部分に蓄熱材１４を充填することにより、伝熱素材１５を加熱すれば蓄熱材１４も加熱される。このように、伝熱素材１５が蓄熱材１４を担持していることにより、蓄熱材１４全体を急速かつ均一に加熱することができるので、わずか数分で蓄放熱することが可能となる。

なお、伝熱素材１５としては、容器２６の内部に充填した蓄熱材１４を加熱できるものであれば、どのようなものであってもよく、加熱温度が低くてもよい場合にはステンレスなどの材質であってもよいし、形状としても例えば棒状の伝熱素材１５’を容器２６の中心軸に沿って配置し、その伝熱素材１５’の周りを取り囲むように蓄熱材１４を容器２６の内部に充填するようにしてもよい。

図１０は、この発明の実施の形態２における蓄熱装置２０の実験用デモ機の部分概要を示す図である。図１０（ａ）は、蓄熱装置２０のデモ機の容器２６と電極２１，２２，２３の概要を示す斜視図、図１０（ｂ）は電極２１の詳細断面図、図１０（ｃ）は、蓄熱材１４が充填された伝熱素材１５（ＳｉＣ多孔体）部分と電極２１，２２，２３の位置関係とを模式的に示した容器２６内部の断面図である。なお、電極２１の材質はＳｉＣ（シリコンカーバイド）であり、図１０（ｂ）中の斜線部分に絶縁塗料が塗られている。また、電極２２，２３も、図１０（ｂ）に示す電極２１と同じ材料および構造である。

図１０に示すように、この蓄熱装置２０の容器２６は、直径５０ｍｍ（５ｃｍ）、高さ（長さ）２００ｍｍ（２０ｃｍ）の円筒形のもので、ＳｉＣ多孔体からなる伝熱素材１５が容器２６の内部の約４分の３（長さ２０ｃｍ中の１５ｃｍ分）に配設され、その伝熱素材１５（ＳｉＣ多孔体）に蓄熱材１４が充填されているので、蓄熱材１４も容器２６の内部の約４分の３に配設されている。なお、大きさや形状については、これに限定されるものではないが、これより小さい長さ１０ｃｍの円筒形の容器での実験も行なっており、シンプルで小さいものである。

図１１は、この発明の実施の形態２における蓄熱装置２０の蓄熱時および放熱時の操作の一例を示す説明図であり、図１１（ａ）が蓄熱時の操作、図１１（ｂ）が放熱時の操作である。なお、この一例におけるフローチャートは実施の形態１における図４に示すものと同じであるため、図示を省略する。

蓄熱時には、図１１（ａ）に示すとおり、上流側弁１７をあけて容器２６に空気を導入し、第１の電極２１と第２の電極２２を電源につないで（図９におけるスイッチＳＷ１をつなぎ、スイッチＳＷ２を第２の電極２２側につないで、図１１（ａ）に示す接続状態にして）直流あるいは交流電力を供給し、蓄熱材１４が充填されている伝熱素材１５を加熱することにより、蓄熱材１４を加熱する。蓄熱材１４がある一定の温度（所定の温度）に達すると蓄熱材１４は酸素を放出して元の状態より還元された状態の物質に変化し、蓄熱状態の物質に変化する。そして、酸素の放出が終了した後に、遮断弁である上流側弁１７および下流側弁１８を閉じ、蓄熱材１４が外部から侵入する空気によって再び酸化しないように維持する。なお、酸素の放出が終了したかどうかの判断は、吸熱反応が終了したかどうかを温度を計測することによって判断する。

放熱時には、図１１（ｂ）に示すとおり、下流側弁１８を開けてから第１の電極２１と第３の電極２３を電源につないで（図９におけるスイッチＳＷ１をつなぎ、スイッチＳＷ２を第３の電極２３側につないで、図１１（ｂ）に示す接続状態にして）直流あるいは交流電力を供給し、伝熱素材１５の一部を加熱して、残りの部分は伝熱により徐々に伝熱素材１５全体を加熱することにより、蓄熱材１４を加熱する。蓄熱材１４がある一定の温度（所定の温度）に達したら、第１の電極２１に近い上流側の遮断弁である上流側弁１７を開けて、外部から容器２６に空気を流通させ、空気中の酸素と蓄熱材１４を酸化反応させ、発熱させる。発生した熱は流通する空気を加熱し、加熱された空気は下流側へ伝わり、蓄熱材１４の温度を上昇させて酸化反応を開始させる。この酸化反応を下流側へ徐々に開始させ、蓄熱装置２０全体で酸化反応させて放熱、熱供給させる。

このように、実施の形態２においては、放熱時には容器２６の入口付近（上流側）に配置された第１の電極２１と第３の電極２３とを接続して蓄熱材１４を加熱するようにしたので、蓄熱してから放熱を開始するまでの時間が短い場合など、少ない電力で、容器２６の入口付近から出口付近にかけて徐々に蓄熱材１４を加熱することができるので、省エネになるというメリットがある。

そして、この実施の形態２における蓄熱装置２０も、実施の形態１における蓄熱装置１０と同様に、空気と電力だけで動作し、蓄熱材１４、蓄熱材１４を加熱する伝熱素材１５、少なくとも一対の電極２１，２２，２３、蓄熱材１４と伝熱素材１５と少なくとも一対の電極２１，２２，２３とを内包する容器２６、容器２６の内部と外部とを遮断する上流側弁１７、下流側弁１８とにより構成されるシンプルな構造で小型にすることができる。

この結果、この実施の形態２における蓄熱装置を電気自動車に搭載する際にも場所をとらず、さらに、空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能なため、効率よく蓄熱および放熱ができるので、暖房装置として利用するために水を使う必要もなく、冬であっても問題なく使用できる。

以上のように、この発明の実施の形態２における蓄熱装置によれば、実施の形態１における蓄熱装置と同様に、空気と電力だけで動作するため、シンプルで小型の形状とすることができ、特殊な環境中ではなく空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能なため、効率よく蓄熱および放熱ができる。

なお、上記の実施の形態１，２の蓄熱装置１０，２０においては、伝熱素材１５と容器１６，２６は別のものとして記載したが、伝熱素材１５が容器１６，２６を兼ねるような一体型のものであってもよい。

また、上記のとおり、この発明の蓄熱装置は、空気中で電力を化学反応熱に変換して高密度に蓄え、熱を必要とする任意の時に、その蓄えた熱を高い速度で取り出すことが可能であるため、電気自動車だけでなく、例えば、電動車の急速暖房や、高温バッチ炉の熱回収などに応用することも可能である。また、この発明の蓄熱装置における蓄熱操作時にのみ、すなわち、蓄熱材を還元するときには、伝熱素材を加熱する熱源として、例えば９００°Cの高温排気を導入することにより伝熱素材が加熱されるように操作する（運用する）ことも可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明の蓄熱装置は、電気自動車だけでなく、電動車の急速暖房や、高温バッチ炉の熱回収などに適用することができる。

１０，１０’，２０蓄熱装置
１１，２１第１の電極
１２，２２第２の電極
１４蓄熱材
１５，１５’ 伝熱素材
１６，２６容器
１７上流側弁
１８下流側弁
２３第３の電極

Claims

温度調節操作によって酸化反応および還元反応を実現する蓄熱材と、
前記蓄熱材を加熱するための伝熱素材と、
電源に接続することにより前記伝熱素材を加熱する少なくとも一対の電極と、
前記蓄熱材と前記伝熱素材と前記少なくとも一対の電極とを内包する容器と、
前記容器の上流側入口に設けられ、前記容器の内部と外部とを遮断する上流側弁と、
前記容器の下流側出口に設けられ、前記容器の内部と外部とを遮断する下流側弁と
を備え、
前記上流側弁および前記下流側弁の開閉を制御するとともに、
前記上流側弁および前記下流側弁が開けられると、外部から前記容器に空気を導入して、空気中の酸素と前記蓄熱材とを酸化反応させ、
前記上流側弁および前記下流側弁が閉じられると、外部から前記容器に侵入する空気によって前記蓄熱材が酸化しないように維持する
ことを特徴とする蓄熱装置。
前記伝熱素材が前記蓄熱材を担持していることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
前記蓄熱材には空気が一方向に流されており、
前記少なくとも一対の電極は、第１の電極および第２の電極であり、前記第１の電極は、前記蓄熱材に流される空気の上流側端部に配置され、前記第２の電極は、前記蓄熱材に流される空気の下流側端部に配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の蓄熱装置。
前記少なくとも一対の電極には、さらに第３の電極も含まれており、
前記第３の電極は前記第１の電極に近い位置に配置されており、かつ、前記第２の電極は前記第１の電極よりは前記第３の電極に近い位置に配置されており、
蓄熱時には、前記第１の電極と前記第２の電極とを電源に接続し、放熱時には、前記第１の電極と前記第３の電極とを電源に接続する
ことを特徴とする請求項３記載の蓄熱装置。