JPH056120B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水素吸蔵・放出型熱交換装置に関し、
詳細には水素吸蔵用金属に対する水素の吸蔵を十
分に行なわせると共に長期に亘り安定的に加熱媒
体を得ることができる水素吸蔵・放出型熱交換装
置に関するものである。

水素吸蔵用金属（以下金属という）は水素を金
属水素化物の形で吸蔵する性質を有しており、且
つ水素吸蔵の際に発熱し水素放出時に吸熱する性
質があるので種々の用途（蓄熱槽、ヒートポン
プ、水素ガスの分離精製装置等）への適用が期待
されており、例えばヒートポンプにおいては金属
を充填した容器等を熱交換装置として利用するこ
とが考えられている。

第１図はその様な熱交換装置を例示する模式図
で、１は熱交換装置、２は水素供給側熱交換ユニ
ツト（本発明に関し水素の供給の面に重点を置い
ているユニツトであり、以下供給側ユニツトとい
う）、３は放熱側熱交換ユニツト（本発明に関し
水素の吸蔵に伴う放熱という面に重点を置いてい
るユニツトであり、以下放熱側ユニツトという）、
４はシエル、５は水素吸蔵用金属収納部（以下充
填チユーブという）、６は集合ヘツダを夫々示す。
尚供給側ユニツト２と放熱側ユニツト３の基本的
な構造は同じである。

放熱側ユニツト３は、シエル４内に複数本の充
填チユーブ５を略平行に配設すると共に該充填チ
ユーブ５の同一方向端を集合ヘツダ６に接続し更
に集合ヘツダ６に水素導管７を連結して構成され
る。又シエル４は、熱媒入口側ヘツダ９と熱媒出
口側ヘツダ９ａを複数の熱媒管１１で接続してな
り、該シエル４には熱媒入口管８ａ及び熱媒出口
管８ｂが夫々接続されている。そして熱媒管１１
には夫々前記充填チユーブ５が挿入配置されてい
る。尚前述の通り放熱側ユニツト３と供給側ユニ
ツト２は同じ構造であり、両方の集合ヘツダ６，
６ａが１本の水素導管７で接続されている。但し
一般的に供給側ユニツト２の充填チユーブ５ａに
は解離圧の高い金属M₁が、又放熱側ユニツト３
の充填チユーブ５には解離圧の低い金属M₂が
夫々充填されている。

上記構成の熱交換装置１において、供給側ユニ
ツト２の熱媒入口管８ｃから温水を導入すると、
水素吸蔵状態にある金属M₁が昇温して水素を放
出する。放出された水素は水素導管７を通つて放
熱側ユニツト３の集合ヘツダ６に至り、各金属
M₂に吸蔵される。金属M₂は水素吸蔵反応により
発熱するので放熱側ユニツト３の熱媒入口管８ａ
から温水（又は冷水）を導入するとこれが充填チ
ユーブ５壁を介して加熱されて高温水となり熱媒
出口管８ｂから取出される。一方放熱側ユニツト
３への水素吸蔵が完了すると、放熱側ユニツト３
への温水の供給を停止すると共に供給側ユニツト
２の熱媒入口管８ｃから冷水を導入して金属M₁
を冷却する。これにより前記とは反対に金属M₂
からの水素の放出と金属M₁の水素吸蔵がおこる
ので、この状態を所定時間維持すれば放熱側ユニ
ツトの金属M₂は放熱が可能な状態に復帰する。
以上の様な水素の吸蔵・放出サイクルを繰返すこ
とによつて温水（又は冷水）を加温することがで
きる。

ところで前記熱交換装置において、温水を流す
ことによつて放出された供給側ユニツト２の水素
は、水素導管７を経由して放熱側ユニツト３の集
合ヘツダ６に至り各充填チユーブ５に分散すると
共に各充填チユーブ５の金属M₂にいつせいに吸
蔵される。その為、供給側ユニツト２における水
素放出圧力が放出開始後、早い段階で低下し、放
熱側ユニツト３側の金属M₂に十分な水素押込圧
が加わらなくなる。しかるに金属M₁及びM₂にお
ける水素の解離圧Ｐと解離温度Ｔの間には第２図
に示される様な関係があり、解離圧が高い程解離
温度も高くなるので水素押込圧が低下すると金属
の到達温度が低下し、充填チユーブ５の外周を流
れる温水を十分加温することができなくなる。即
ち前記熱交換装置１においては、供給側ユニツト
２からの水素放出開始初期には高温水が得られる
が、その状態を長く継続することができないとい
う欠点があつた。

又充填チユーブ５においては、チユーブ入口部
にフイルター１０が配設されており、水素はフイ
ルター１０を通り一方向からのみ吸蔵されるので
奥部の金属には水素が吸蔵されにくい傾向があ
る。その上、金属M₂が水素を吸蔵して金属水素
化物となると体積が膨張するが、水素の吸蔵は入
口部から進行していくので水素流通抵抗が次第に
大きくなつて、奥部の金属には水素が吸蔵されに
くくなる。この様な状況の中で前述の如く水素押
込圧が低下すると奥部への水素の浸入はいつそう
困難となり、比較的早い段階で水素押込圧が水素
流通抵抗と平衡してしまう。その結果、金属への
水素吸蔵が十分に進行しないまま供給側ユニツト
から放熱側ユニツトへの水素の移行が終了する。

又供給する熱媒の圧力損失を低くすることを配
慮した第１図のような構造をもつ熱交換装置１の
熱媒流路においては、温度差による密度の違いに
よつて高温の熱媒は上部流路を、又低温の熱媒は
下部流路を夫々流れる傾向があり、熱交換温度が
不均一になつて所定の熱交換状態が得られ難くな
るという問題も指摘されていた。

本発明はこうした事情に着目してなされたもの
であつて、金属の水素吸蔵能力を十分に生かすと
共に長期に亘り継続的に高温水を得ることができ
る様な水素吸蔵・放出型熱交換器を提供しようと
するものである。

しかしてこの様な目的の達成を可能とした本発
明とは、金属の単位収納部（単位充填チユーブ）
及び熱媒の単位流通路（単位熱媒流路）からなる
単位熱交換ユニツトの集合体である第１熱交換装
置と、水素吸蔵用金属の収納部と熱媒流通路から
なる第２熱交換装置で構成されると共に、第１熱
交換装置における単位収納部の水素導管に夫々開
閉バルブを設けて第２熱交換装置における水素吸
蔵用金属の収納部に接続すると共に、第１熱交換
装置における熱媒の各単位流通路は並列に設けて
夫々開閉バルブを介して系外の温水供給管に接続
し、上記夫々の開閉バルブを時間差を置いて連動
して開閉することにより単位収納部の水素吸蔵・
放出反応を行わせてなる点に要旨を有するもので
ある。ここで水素配管側及び熱媒側開閉バルブは
切換弁の開閉バルブに準ずる構造としてもよい。

以下図面を参照しながら本発明の構成及び作用
効果を説明する。第３図は本発明に係る水素吸
蔵・放出型熱交換装置を例示する模式図で、T₁
〜T₄は金属M₂の単位充填チユーブ（収納部）、
H₁〜H₄は熱媒の単位流通路（以下単位熱媒流
路）、U₁〜U₄は単位熱交換ユニツト、V₁〜V₄は
水素バルブ、W₁〜W₄は温水バルブを夫々示す。

放熱側ニニツト（第１熱交換装置）３は、単位
充填チユーブ（及びT₂、T₃、T₄）と、該単位充
填チユーブT₁を被包する様に設けられる単位熱
媒流路H₁（及びH₂、H₃、H₄）とを１組とする単
位熱交換ユニツトU₁（又はU₂、U₃、U₄）が複数
本（図では４本）集合されてなり、単位充填チユ
ーブT₁（又はT₂、T₃、T₄）の一端（図では左側
端）にはバルブV₁（又はV₂、V₃、V₄）を介設し
た単位水素導管７ａが接続され、更に４本の該単
位水素導管７ａは１本の水素導管７に集合されて
供給側ユニツト（第２熱交換装置）２の水素集合
ヘツダ６ａに接続されている。尚供給側ユニツト
２の構成は第１図例と同様である。又単位充填チ
ユーブT₁〜T₄には前記と同様のフイルター１０
が設けられている。そして単位熱媒流路H₁〜H₄
の一端（図では右側端）にはバルブW₁〜W₄を介
設した単位熱媒配管１４が接続されると共に４本
の該単位熱媒配管１４が集合して熱媒入口管８ａ
に接続されており、且つ単位熱媒流路H₁〜H₄の
他端（図では左側端）には夫々熱媒排出管８ｅが
接続されている。

上記構成の水素吸蔵・放出型熱交換装置におい
て高温水を得るに当つては、まず供給側ユニツト
２の熱媒入口管８ｃから温水を導入して水素吸蔵
状態の金属M₁を加温し、水素を放出させて集合
ヘツダ６ａから水素導管７を経由して放熱側ユニ
ツト３側へ供給する。このとき放熱側ユニツト３
においては水素バルブV₁及び温水バルブW₁を開
放し且つその他のバルブは閉鎖しておくことによ
つて単位熱媒流路H₁にのみ温水を流通させてお
く。これにより供給側ユニツト２からの水素は単
位熱媒チユーブT₁にのみ導入される。水素の吸
蔵により金属M₂が発熱すると単位充填チユーブ
T₁壁を介して熱交換がおこり温水が加温されて
高温水となり熱媒排出管８ｅから取出される。単
位熱交換ユニツトU₁における水素吸蔵反応が終
了すると水素バルブV₁及び熱媒バルブW₁を閉止
すると同時に水素バルブV₂及び熱媒バルブW₂を
開放し、今度は単位熱交換ユニツトU₂において
上記と同様の水素吸蔵反応による温水の加温を行
なわせ熱媒排出管８ｅから高温水を得る。以下同
様に単位熱交換ユニツトU₃，U₄において順次水
素吸蔵反応を行なわせて高温水を得る。さらに単
位熱交換ユニツトの反応終了前に次の単位熱交換
ユニツトの水素配管用バルブ、熱媒用バルブを開
放し、２つの熱交換ユニツトの開放時間を一時オ
ーバーラツプさせることにより、熱媒排出管８ｅ
から流出する高温水の温度変動の防止運転が可能
になる。そして単位熱交換ユニツトU₄の水素吸
蔵反応が終了した時点で、水素バルブV₁〜V₄及
び熱媒バルブW₁〜W₄をいつせいに開放すると同
時に、供給側ユニツト２の熱媒入口管８ｃから冷
水を流入させると、冷却されることによつて供給
側ユニツト２における金属M₁の水素解離圧が低
下して放熱側ユニツト３における水素圧より低く
なるので、水素は放熱側ユニツト３から供給側ユ
ニツト２へ速やかに移動する。以上の様な操作を
繰返すことによつて水素吸蔵・放出型熱交換器１
の運転が行なわれる。

本発明の熱交換装置は基本的には上記の様に構
成されており、単位充填チユーブT₁〜T₄の金属
M₂が時期をずらせて順次発熱するので温水を加
温する為の熱源を長期に亘り継続して得ることが
でき換言すると高温水を連続して得ることができ
る。

放熱側ユニツト３における水素の吸蔵は単位充
填チユーブ毎に順次行なわれるので水素吸蔵に伴
なう水素押込圧の低下が大幅に抑制され、それに
伴なつて水素は充填チユーブ内へ浸入容易とな
る。これらの理由から少なくとも単位充填チユー
ブT₁〜T₃においては各チユーブの奥部まで十分
に水素の吸蔵が進行し、金属M₂の充填層全長に
亘つて高い到達温度が得られる。更に単位充填チ
ユーブに対して単位熱媒流路が１本ずつ独立して
設けられているので、温度差による熱媒密度の違
いによつて単位充填チユーブ間で熱交換温度が異
なつてくるという様な事態も発生せず、均一な熱
交換を行なうことができる。

その他、前記実施例熱交換装置において下記運
転方法をとれば放熱側ユニツトにおける顕熱の回
収を行なうことができる。

即ち第３図において前記と同様に供給ユニツト
２からの水素を単位充填チユーブT₁に導入して
発熱させ、発熱反応が終了したら水素バルブV₁
を閉止する。このとき温水バルブW₁は開放のま
ま水素バルブV₂及び温水バルブW₂を同時に開放
し、水素吸蔵反応部を移行させる。この結果反応
の終了した単位充填チユーブT₁に温水は流れ続
けるので、該単位充填チユーブの保有する顕熱を
回収することができる。以下水素吸蔵反応部を単
位充填チユーブT₃，T₄へと順次進めるにつれて、
夫々開放した水素バルブ及び温水バルブのうち、
温水バルブは反応が終了しても開放しておくこと
によつて各単位充填チユーブの顕熱回収を行なう
ことができる。尚顕熱回収の完了した単位充填チ
ユーブについては当該温水バルブを閉鎖してもよ
い。

本発明は以上の様に構成されると共に、前述の
如き効果を有するが、この様な効果を要約すると
下記の通りとなる。

(1) 水素吸蔵・放出型熱交換装置において温水か
ら高温水を得るに当り、熱源となる複数の単位
充填チユーブを１本ずつ順次発熱させることが
できるので、長期に亘り安定して高温水を得る
ことができる。

(2) 単位充填チユーブに対して単位熱媒流路管を
１本ずつ独立させて設けているので、単位充填
チユーブ間における熱交換不均一を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水素吸蔵・放出型熱交換装置を
示す模式図、第２図は金属の水素解離圧と水素解
離温度の関係を示すグラフ、第３図は本発明に係
る水素吸蔵・放出型熱交換装置を示す模式図であ
る。 １…水素吸蔵・放出型熱交換装置、２…供給側
ユニツト（第２熱交換装置）、３…放熱側ユニツ
ト（第１熱交換装置）、７…水素導管、７ａ…単
位水素導管、８ａ…熱媒入口管、８ｂ…熱媒出口
管、H₁〜H₄…単位熱媒流路、T₁〜T₄…単位充填
チユーブ（金属単位収納部）、U₁〜U₄…単位熱交
換ユニツト、V₁〜V₄…水素バルブ、W₁〜W₄…
温水バルブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素吸蔵用金属の単位収納部及び熱媒の単位
   流通路からなる単位熱交換ユニツトの集合体であ
   る第１熱交換装置と、水素吸蔵用金属の収納部と
   熱媒流通路からなる第２熱交換装置で構成される
   と共に、前記第１熱交換装置における単位収納部
   の水素導管に夫々開閉バルブを設けて前記第２熱
   交換装置における水素吸蔵用金属の収納部に接続
   すると共に、第１熱交換装置における熱媒の各単
   位流通路は並列に設けて夫々開閉バルブを介して
   系外の温水供給管に接続し、上記夫々の開閉バル
   ブを時間差をおいて連動して開閉することによつ
   て単位収納部の水素吸蔵・放出反応を行なわせる
   様に構成してなることを特徴とする水素吸蔵・放
   出型熱交換装置。