JPH10122695A - 水素吸蔵合金を用いた蓄熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 昼夜間を通じ冷水製造，特に夜間の安価な電
力を使用し空調冷房のための蓄熱用水を製造する。 【解決手段】 水素吸蔵合金Ａを充填した合金槽１より
冷媒配管３を導出して冷却塔７に連ね，合金Ａとは平衡
水素圧力の異なる水素吸蔵合金Ｂ（合金Ｂ＞合金Ａ）を
充填した合金槽２より冷媒配管４を導出し水タンク８に
連ねた蓄熱システムである。第１、第２の合金槽１，２
間を水素配管９でつなぎ高低昇圧用圧縮機１２Ａ，１２
Ｂを並列につなぐ，合金槽１，２内に冷媒で熱回収可能
な熱交換器３ａ，４ａを設け，各冷媒配管路を切り替え
て，冷水を貯めおく水タンク８と，冷却塔７または温水
の利用先へ連ねる。夜間電力で圧縮機１２Ａで合金槽１
から２へ水素を移動し，水素が放出される合金槽１は低
温になり得る冷水を水タンク８に貯え，一方水素を吸蔵
する側の合金槽２による発熱を冷却塔７で排熱するか，
温水を造る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金を用
いた蓄熱システムに関するもので、特に水素解離圧の異
なる２種類の水素吸蔵合金と動力の異なる２機のコンプ
レッサとを用い、夜間の安価な電力を積極的に利用して
空調冷房のための蓄熱用冷水の製造を行うようにした蓄
熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の多くは、水素吸蔵合金を使っ
てヒートポンプを構成し、２つの合金槽間を短い時間
（１０〜２０分程度）でサイクルさせることによって冷
水を得ている。この方法では合金が本来吸収している水
素量の一部しか使用しないためエネルギー効率が悪い。
夜間蓄熱をするシステムとしては、例えば特開平１−１
５５１５８号公報が知られているが、これは夜間にコン
プレッサを用いて水素吸蔵合金Ａを充填した第１の合金
槽から合金Ｂを充填した第２の合金槽へ水素を移動し、
昼間には第２の合金槽から第１の合金槽へ圧力差のみで
水素の移動を行うものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開公報による装置では、両合金槽の圧力が平衡に達する
と水素の移動はできなくなってしまう。すなわち、冷水
を得るために使用できる水素の移動量が少ない。また、
夜間のコンプレッサを使用した水素移動時には、放熱側
の合金槽Ｂで出来る温水を使って吸熱側の合金槽Ａを温
めるシステムのため、夜間に冷水の取り出しは行わな
い。本発明は、水素吸蔵合金を用いた蓄熱装置におい
て、昼夜間を通じての冷水製造、特に夜間の安価な電力
を積極的に使用し空調冷房のための蓄熱用冷水の製造を
行う蓄熱システムを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明蓄熱システムは、水素吸蔵合金Ａを充填した
第１の合金槽(1)と、 合金Ａとは平衡水素圧力の異なる
水素吸蔵合金Ｂ（合金Ｂ＞合金Ａ）を充填した第２の合
金槽(2)の内部に、熱交換器(3a、4a)と冷媒配管(3、4)
とを設け、 合金槽(1、2)から導出した冷媒配管(3、4)
を水タンク(8)及び冷却塔(7)にそれぞれ直接連ねると共
に、前記冷媒配管(3)は配管(5A、5B)を介して水タンク
(8)に、冷媒配管(4)は配管(6A、6B)によって 冷却塔(7)
と連ねた蓄熱システムにおいて；第１、第２の合金槽
(1,2)間を水素配管(9)でつないで高低昇圧用のコンプレ
ッサ(12A ,12B )を並列に接続するか、 回転数またはス
トロークが可変もしくは固定であるコンプレッサ(12C)
を１台接続し；各々の合金槽(1,2)内に冷媒によって 熱
回収が可能な熱交換器(3a,4a)を設け、各々冷媒配管路
の切り替えによって、冷水を貯めておく水タンク(8)
と、発熱を排熱する冷却塔(7)または温水の利用先へ連
ねてなり； 夜間電力を使い、高昇圧用コンプレッサ(12
A)または回転数やストロークが可変もしくは固定である
コンプレッサ(12C)で 第１の合金槽(1)から第２の合金
槽(2)へ水素を移動し、水素が放出される第１の合金槽
(1)の低温により得られる冷水を水タンク(8)に貯える一
方、水素を吸収する側の第２の合金槽(2)による発熱を
冷却塔(7)によって排熱するか、温水を得るようにした
ものである。

【０００５】冷水製造サイクルの運転終了は、水素放出
側の合金槽の圧力が０．１ＭＰａ以下、もしくは水素吸
蔵側の圧力が１．１ＭＰａ以上になった時点で行われ、
かつ昼間は水素を第２の合金槽から第１の合金槽へ移動
させるが、両槽には圧力差（合金Ｂ＞合金Ａ）があるた
め、夜間に比べて低い動力のコンプレッサで水素を移動
させる。前記合金Ａの水素解離圧は、例えば冷水が取り
出せる合金の温度を５℃とすると、５℃で０．１ＭＰ
ａ、４０℃で０．８ＭＰａであり、合金Ｂの水素解離圧
は、５℃で０．２ＭＰａ、４０℃で１．０ＭＰａであ
る。

【０００６】更に、本発明では、合金槽(1,2)間に設け
た水素配管(9)のライン上に、並列接続のコンプレッサ
(12A ,12B ) または回転数やストロークが可変であるコ
ンプレッサ(12C)を直列に接続し、 かつコンプレッサの
入出力間にバイパスを設け、水素放出側の圧力が０．１
ＭＰａを下回るか、水素吸蔵側の圧力が１．１ＭＰａを
上回ったとき、制御部(35)に出力してコンプレッサや各
バルブを制御する。

【０００７】

【作用】本発明では、水素解離圧の異なる２種類の水素
吸蔵合金（水素解離圧：合金Ａ＜合金Ｂ）と、動力の異
なる２機のコンプレッサＸ、Ｙ（動力Ｘ＞Ｙ）を用いて
昼夜を通じ運転する。夜間は合金Ａを充填した第１の合
金槽から、合金Ｂを充填した第２の合金槽へ動力の大き
いコンプレッサＸを使って水素を移動する。このとき、
第１の合金槽は冷やされるため、冷水が得られ、これを
水タンクに蓄えておく。第２の合金槽は発熱するが、こ
れは、冷却塔等を使って排熱する。昼間は第２の合金槽
から第１の合金槽へ動力の小さいコンプレッサＹを用い
て水素を移動する。このとき、合金の水素の解離圧は合
金Ｂ＞合金Ａであるから、夜間に第２の合金槽に水素を
移動することによってつけておいた合金Ｂと合金Ａの圧
力差によって、水素は夜間よりも小さな動力のコンプレ
ッサによって水素の移動が可能になる。このときは、第
２の合金槽から冷水が得られる。これによって、２つの
コンプレッサ動力の差の分だけ、安価な夜間電力の利用
率を高めることができるため蓄熱に要するランニングコ
ストが低くなる。また、回転数やストロークが可変であ
る１台のコンプレッサを使って、夜間のコンプレッサ回
転数を多くし、昼間のコンプレッサ回転数を低下させる
ことによっても上記目的を達成できる。更に、回転数や
ストロークが固定であるコンプレッサを使用する場合に
は、コンプレッサの運転時間を夜間長く、昼間短くする
ことによって、夜間への電力移向率を向上させることが
可能である。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に図面に基づき本発明を具体的
に説明する。図１は、蓄熱システムの一例を示す配置図
であって、水素解離圧の異なる２種類の水素吸蔵合金
（水素解離圧：合金Ａ＜合金Ｂ）と、動力の異なる２機
のコンプレッサ１２Ａ、１２Ｂ（動力１２Ａ＞１２Ｂ）
を用いて昼夜を通じ運転する。図示のように、合金Ａを
充填した第１の合金槽１と合金Ｂを充填した第２の合金
槽２の内部に、熱交換器３a、４aと配管３、４を設け、
それぞれ、冷却塔７と水タンク８に連ねる。また、配管
３は配管５Ａ、配管５Ｂによって水タンク８と連なり、
配管４は配管６Ａ、配管６Ｂによって冷却塔７と連なっ
ている。なお、水素吸蔵合金としては水素解離特性が、
例えば、合金Ａ：０．１ＭＰａ５℃、０．８ＭＰａ４０
℃、合金Ｂ：０．２ＭＰａ５℃、１．０ＭＰａ４０℃の
ごときＴｉＦｅ系合金、その他、ミッシュメタル系（Ｍ
ｍＮｉ5）、ＬａＮｉ系、ＴｉＭｎ系などで、２つの合
金槽に異種のものが使用される。

【０００９】合金槽１、２間をつなぐ水素配管９に並列
配管９Ａ、９Ｂとバイパス９Ｃとを設け、並列配管９
Ａ、９Ｂに高昇圧用及び低昇圧用のコンプレッサ１２
Ａ、１２Ｂを接続するとともに、配管９Ｃにバルブ１７
を設ける。図中、１３〜１６は水素弁、２１〜２８は冷
媒用弁である。配管３、４には冷媒循環用のポンプ２
９、３０をそれぞれ設ける。３１、３２は合金槽１，２
内の圧力を検知するための圧力計であって、水素放出側
の圧力が０．１ＭＰａを下回るか、水素吸蔵側の圧力が
１．１ＭＰａを上回ったらこれを制御部３５に出力し、
コンプレッサや各バルブを制御する。

【００１０】夜間はコンプレッサ１２Ａを稼動し、合金
槽２の発熱を冷却塔７で排熱し、合金槽１から得られる
冷水を水タンク８に貯める。水素弁は１３、１４を開
け、１５、１６、１７を閉める。冷媒用弁は２３〜２６
を開け、２１、２２、２７、２８を閉める。昼間はコン
プレッサ１２Ｂを稼動し、合金槽１の発熱を冷却塔７で
排熱し、合金槽２による冷水を水タンク８に貯める。水
素弁は１５、１６を開け、１３、１４を閉める。冷媒用
弁は２１、２２、２７、２８を開け２３〜２６を閉め
る。

【００１１】上記システムの動作を以下に説明する。夜
間にコンプレッサを使って水素を移動し合金Ｂを充填し
た第２の合金槽に水素を蓄えると同時に、合金Ａを充填
した第１の合金槽が冷却されるので、ここから空調冷房
のための蓄熱用冷水が得られる。昼間は２つの槽の圧力
差が夜間よりも小さくなるような水素吸蔵合金を選定し
ているので、より動力の小さなコンプレッサで水素移動
が可能である。

【００１２】図１の場合には、高昇圧と低昇圧用のコン
プレッサの２台を用いることによって、昼間は２つの槽
の圧力差が利用できるため夜間よりも動力の小さなコン
プレッサで水素移動が可能である。また、合金槽内に冷
媒によって熱回収が可能な熱交換器３a、４aと、取り出
した冷水を蓄える蓄熱槽（水タンク８）を設けたので、
夜間にコンプレッサを使って水素を移動し第２の合金槽
２に水素を蓄えると同時に第１の合金槽１が冷却される
ので、ここから冷水が得られ蓄えられる。

【００１３】図２は本発明蓄熱システムの他の例を示
す。この場合は図１のような高低圧昇圧用の並列２基の
コンプレッサを用いる代りに、回転数やストロークが可
変なコンプレッサ１２Ｃを使ったときのシステムの配置
図を示す。合金槽１、２をつなぐ水素配管９に上記コン
プレッサ１２Ｃを設けると共に回路切り替え用の水素配
管１０、１１も接続する。また配管９Ｄを設けてコンプ
レッサ１２Ｃに対しバイパスバルブ３３を並列に接続す
る。図中、１３〜２０は水素弁、２１〜２８は冷媒用弁
であり、配管３、４、５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、冷媒循
環用のポンプ２９、３０等の配置は図１と同様である。

【００１４】図２では、夜間はコンプレッサ１２Ｃを稼
動し、合金槽２の発熱を冷却塔７で排熱し、合金槽１か
ら得られる冷水を水タンク８に貯める。水素弁は、１
７、２０を開け、１８、１９を閉める。冷媒用弁は２３
〜２６を開け、２１、２２、２７、２８を閉める。昼間
はコンプレッサ１２Ｃの回転数やストロークを低く稼動
し、合金槽１の発熱を冷却塔７で排熱し、合金槽２によ
る冷水を水タンク８に貯める。水素弁は１８、１９を開
け、１７、２０を閉める。冷媒用弁は２１、２２、２
７、２８を開け２３〜２６を閉める。なお、回転数やス
トロークが固定であるコンプレッサを使用することもで
きる。その場合には、コンプレッサの運転時間を夜間長
く、昼間短くすることによって、夜間への電力移向率を
向上させることが可能である。

【００１５】上記図１、２のシステムの動作を以下に説
明する。 ＜夜間＞ 合金槽１から合金槽２へ高昇圧用のコンプレ
ッサ１２Ａまたは可変コンプレッサ１２Ｃを使って水素
を移動する。合金槽１は５℃で０．１ＭＰａ、合金槽２
は４０℃で１．０ＭＰａなどで、その差０．９ＭＰａ昇
圧する必要がある。合金槽１内の温度は低下し、合金槽
２内の温度は上昇する。合金槽１内の温度が５℃になっ
たらポンプ２９によって配管３内の冷媒を循環させる。
冷媒が水の場合は直接７℃の冷水が得られるので、これ
を水タンク５に蓄える。合金槽２での発熱は（約４０
℃）冷却塔によって排熱する。合金槽２内の圧力が１．
１ＭＰａを越えるか、合金槽１内の圧力が０．１ＭＰａ
を下回ったらコンプレッサを止めて、水素移動を停止す
る（１．１ＭＰａ以上では高圧ガスになり、０．１ＭＰ
ａ以下では大気圧を下回るため空気が混入してしまう恐
れがあるため水素移動を停止する）。

【００１６】＜昼間＞ コンプレッサにより合金槽１か
ら合金槽２へ水素を移動させる。合金槽２は解離圧の高
い合金が充填されているので、冷水が取り出せる５℃の
場合に圧力０．２ＭＰａ、合金槽１は４０℃で０．８Ｍ
Ｐａとなるから、その差０．６ＭＰａを昇圧できる低昇
圧用のコンプレッサ１２Ｂを稼動するか、コンプレッサ
１２Ｃの回転数やストロークを低く稼動する。合金槽２
内の温度は低下し、合金槽１内の温度は上昇する。合金
槽２内の温度が５℃になったらポンプ３０によって配管
４内の冷媒を循環させる。冷媒が水の場合は直接７℃の
冷水が得られるので、これを水タンク５に蓄える。合金
槽１内は４０℃になるためこれは冷却塔で排熱する。合
金槽１内の圧力が１．１ＭＰａを越えるか、合金槽２内
の圧力が０．１ＭＰａを下回ったらコンプレッサ７を止
めて、水素の移動を停止する。

【００１７】図３は、上記システムにおいて使用される
合金Ａ及びＢの２種類の水素吸蔵合金の圧力−組成等温
線図を示す。それぞれの合金の特性例として、合金Ａが
５℃で０．１ＭＰａ、４０℃で０．８ＭＰａを示し、
合金Ｂが５℃で０．２ＭＰa、４０℃で１．０ＭＰaを示
すものとする。

【００１８】以下に、これらの合金を使用したシステム
の動作原理を示す。 ＜夜間＞ 水素は合金槽１から合金槽２へ移動する。最
初、合金Ａ（合金槽１内）にはＹ（l/Kg）の水素が吸蔵
されている。水素を移動すると合金槽１内の温度は５℃
になるので冷水の取り出しを開始する。水素の移動に伴
って、合金Ａの水素量はＹ→Ｘ（l/Kg）へ減少する。こ
の間、合金槽１内は０．１ＭＰａに保持されているので
冷水を取り出し続ける。合金Ａに含まれる水素量がＸ
（l/Kg）になったら水素の移動を停止する（これ以上水
素移動を行うと蓄熱槽内や水素配管９Ａ、９Ｂ中の高昇
圧と低昇圧用のコンプレッサによる圧力が大気圧０．１
ＭＰａを下回るため移動を停止する：行程Ａ１→Ａ
２）。同時に冷水の取り出しも停止する。一方、合金Ｂ
側（合金槽２）では水素を吸蔵しＸ（l/Kg）の水素量か
らＹ（l/Kg）まで水素が吸蔵される。このとき４０℃の
発熱をする。合金Ｂ内に含まれる水素量がＹ（l/Kg）に
なったら圧力が１．１ＭＰａを越えるので水素の移動を
停止する（行程Ｂ１→Ｂ２）。なお、図３のように夜間
運転時には、合金Ａ（行程Ａ１→Ａ２）と合金Ｂ（行程
Ｂ１→Ｂ２）では圧力差が常に０．９ＭＰａに保たれて
いる。

【００１９】＜昼間＞ 水素は合金槽２から合金槽１へ
移動する。夜間の移動によって、合金Ａ（合金槽Ａ内）
にはＸ（l/Kg）の水素が吸蔵されている。水素を移動す
ると合金槽２内の温度は５℃になるので冷水の取出しを
開始する。水素の移動に伴って、合金Ｂの水素量はＹ→
Ｘ（l/Kg）へ減少する。この間、合金槽２内は０．２Ｍ
Ｐａに保持されているので冷水を取り出し続ける。合金
Ｂに含まれる水素量がＸ（l/Kg）になったら水素の移動
を停止する（行程Ｂ３→Ｂ４）。一方、合金Ａ側（合金
槽１）では水素を吸蔵しＸ（l/Kg）の水素量からＹ（l/
Kg）まで水素が吸蔵される。このとき４０℃の発熱をす
る。合金Ａ内に含まれる水素量がＹ（l/Kg）になったら
水素の移動を停止する（行程Ａ３→Ａ４）。

【００２０】昼間運転時には、合金Ａ（行程Ａ３→Ａ
４）と合金Ｂ（行程Ｂ３→Ｂ４）では圧力差が常に０．
６ＭＰａに保持されている。これは夜間における２つの
合金圧力差より０．３ＭＰａ少なく、このため水素移動
のためのコンプレッサ動力も夜間よりも少ないものでよ
くなる。

【００２１】

【発明の効果】上記のように、本発明は水素吸蔵合金を
用いた蓄熱装置で、特に夜間の安価な電力を積極的に使
用し空調冷房のための蓄熱用冷水の製造を行うことがで
きる。すなわち、夜間にコンプレッサを使って水素を移
動し合金Ｂを充填した第２の合金槽に水素を蓄えると同
時に、合金Ａを充填した第１の合金槽が冷却されるの
で、ここから空調冷房のための蓄熱用冷水が得られる。
昼間は２つの槽の圧力差が夜間よりも小さくなるような
水素吸蔵合金を選定しているので、より動力の小さなコ
ンプレッサで水素移動が可能である。

【００２２】本発明によれば、解離圧の異なる合金を用
いて、高昇圧と低昇圧のコンプレッサの２台、もしくは
回転数やストロークが可変なコンプレッサ１台を設ける
ことにより、昼間は夜間よりも動力の小さなコンプレッ
サで水素移動を行うことが可能である。また、回転数や
ストロークが固定であるコンプレッサを使用することも
できる。その場合には、コンプレッサの運転時間を夜間
長く、昼間短くすることによって、夜間への電力移向率
を向上させることが可能である。さらに、合金槽内に冷
媒によって熱回収が可能な熱交換器と、取り出した冷水
を蓄える蓄熱槽を設けたので、夜間にコンプレッサを使
って水素を移動し第２の合金槽に水素を蓄えると同時に
第１の合金槽Ａが冷却されるので、ここから冷水が得ら
れ蓄えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明蓄熱システムの一例を示す配置図であ
る。

【図２】 本発明蓄熱システムの他の例を示す配置図で
ある。

【図３】 本発明システムにおける水素圧力−組成等温
線図である。

【符号の説明】

１ 合金Ａの合金槽 ２ 合金Ｂの合金槽 ３、４ 配管 ３a、4a 熱交換器 ５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ 配管 ７ 冷却塔 ８ 冷水タンク ９、９Ａ、９Ｂ 水素配管 ９Ｃ、９Ｄ バイパス １０、１１ 水素配管 １２Ａ 高昇圧用コンプレッサ １２Ｂ 低昇圧用コンプレッサ １２Ｃ 可変コンプレッサ １３、１４、１５、１６ 冷媒用弁 １７、１８、１９、２０ 水素弁 ２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 冷
媒用弁 ２９、３０ ポンプ ３１、３２ 圧力計 ３３ 水素バルブ ３５ 制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素吸蔵合金Ａを充填した第１の合金槽
   (1)と、 合金Ａとは平衡水素圧力の異なる水素吸蔵合金
   Ｂ（合金Ｂ＞合金Ａ）を充填した第２の合金槽(2)の内
   部に、熱交換器(3a、4a)と冷媒配管(3、4)とを設け、
   合金槽(1、2)から導出した冷媒配管(3、4)を水タンク
   (8)及び冷却塔(7)にそれぞれ直接連ねると共に、 前記
   冷媒配管(3)は配管(5A、5B)を介して水タンク(8)に、冷
   媒配管(4)は配管(6A、6B)によって冷却塔(7)と連ねた蓄
   熱システムにおいて、 第１、第２の合金槽(1,2)間を水素配管(9)でつないで高
   低昇圧用のコンプレッサ(12A ,12B )を並列に接続する
   か、 回転数またはストロークが可変もしくは固定であ
   るコンプレッサ(12C)を１台接続し、 各々の合金槽(1,2)内に冷媒によって熱回収が可能な熱
   交換器(3a,4a)を設け、各々冷媒配管路の切り替えによ
   って、冷水を貯めておく水タンク (8)と、発熱を排熱す
   る冷却塔(7)または温水の利用先へ連ねてなり、 夜間電力を使い、前記コンプレッサ(12A)または(12C)で
   第１の合金槽(1)から第２の合金槽(2)へ水素を移動
   し、水素が放出される第１の合金槽(1)の低温によって
   得られる冷水を水タンク(8)に貯える 一方、水素を吸収
   する側の第２の合金槽(2)による発熱を冷却塔(7)によっ
   て排熱するか、温水を得るようにした水素吸蔵合金を用
   いた蓄熱システム。
2. 【請求項２】 冷水製造サイクルの運転終了は、水素放
   出側の合金槽の圧力が０．１ＭＰａ以下、もしくは水素
   吸蔵側の圧力が１．１ＭＰａ以上になった時点で行わ
   れ、かつ昼間は水素を第２の合金槽から第１の合金槽へ
   移動させるが、両槽には圧力差（合金Ｂ＞合金Ａ）があ
   るため、夜間に比べて低い動力のコンプレッサで水素を
   移動させることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱シス
   テム。
3. 【請求項３】 合金Ａの水素解離圧は、冷水が取り出せ
   る合金の温度を５℃とすると、５℃で０．１ＭＰａ、４
   ０℃で０．８ＭＰａであり、合金Ｂの水素解離圧は、５
   ℃で０．２ＭＰａ、４０℃で１．０ＭＰａである請求項
   １に記載の蓄熱システム。
4. 【請求項４】 合金槽(1,2)間をつなぐ水素配管(9)のラ
   イン上に、 並列接続のコンプレッサ(12A ,12B ) また
   は回転数やストロークが可変であるコンプレッサ(12C)
   を直列に接続し、 かつコンプレッサの入出力間にバイ
   パスを設け、水素放出側の圧力が０．１ＭＰａを下回る
   か、水素吸蔵側の圧力が１．１ＭＰａを上回ったとき、
   制御部(35)に出力してコンプレッサや各バルブを制御す
   ることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。