JPS5924357B2 - 水素収蔵体を利用した熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水素収蔵体を利用した蓄熱型熱交換装置に関
するものである。

近時、金属水素化物の分解反応のエネルギー変換機能に
関して種々の応用が考えられ、その一環として金属水素
化物の吸熱分解反応、水素化発熱反応を利用した蓄熱型
熱交換器の開発が進められている。

この蓄熱型熱交換器は平衡状態下での定常的な熱移動に
対し時間的変動により一時的な過剰熱量が生じた時、金
属水素化物を分解させ、水素ガスを抜き取ることにより
吸熱分解反応を行なわせて蓄熱を図り、以後に熱利用部
への必要熱量が不足した際、抜き取った水素ガスを元へ
移動させて水素化発熱反応を起させ、入力側と出力側の
パターンのずれを平滑化する熱交換器であり、時間的変
動の多い太陽熱や工場排ガスの有効利用の面から多大の
関心が寄せられている。

現在、かかる熱交換器として金属水素化物粉末を充填し
た蓄熱槽に水素流量調節パルプを通じて蓄水素槽を接続
し、蓄熱槽に熱源からの伝熱管及び熱利用系への伝熱管
を互いに直交するように収設する一方、蓄水素槽に冷水
系及び温水系に連結された伝熱管を収蔵した構成のもの
が一部において提示されているが、かかる構成からなる
熱交換器は、蓄熱槽に熱源からの伝熱管及び熱利用系へ
の伝熱管を収設するため、小型設備の場合には容易であ
るとしても、工業的設備の場合には装置の製作が煩雑と
なって必ずしも充分ではなく、又、蓄水素槽に冷水系及
び温水系を連結して圧力制御を図らなければならない関
係上、設備が厖大となり、装置コストの上昇を免れない
。

なお、このような水素収蔵体を使用した熱交換装置は、
現在のところ未だ工業化段階に達しておらず、その利用
分野の検討と相俟って種々の研究が続けられており、理
論的にはある程度、解明されるとしても適用段階におい
ては未だ充分満足すべき域に達していない実状である。

本発明者等は、上述の如き実状に対処し、かねてより可
逆的な熱吸収反応を使って熱を化学エネルギーに変換し
て蓄熱する方法について研究を重ねてきたが、その結果
、熱交換器の高温流体流路と低温流体流路との間に水素
収蔵体を充填した蓄熱室を配置する、所言臥サンドイッ
チ構成とすることにより、簡単な構成で、所期の効果を
挙げ得ることを知見するに至り本発明に到達した。

即ち、本発明は、簡易構成で実用化に適した水素収蔵体
利用の蓄熱型熱交換器を提供することを目的とし、熱交
換器の高温流体流路と低温流体流路との間に水素収蔵体
を充填した蓄熱室を形成し、高温流体流路は熱源に、低
温流体流路は熱利用系に夫々連結すると共に、蓄熱室は
圧力調整装置を介して水素ホルダーに連結した構成を特
徴とするものである。

以下、本発明熱交換装置の実施例について添付図面にも
とづいて更に詳述する。

第１図は本発明装置の一例を示す略示説明図で同図にお
いて１は熱交換器本体を示し、高温流体流路２と低温流
体流路３との間に水素収蔵体を充填した蓄熱室４を配設
することによって構成されており、蓄熱室４には途中に
圧力調整装置を介して水素ホルダー６が連結されている
。

圧力調整装置は図においては圧縮機５を介設し水素ホル
ダー６よりバルブｖ４ を圧縮機５を経てバルブＶ１を
通り蓄熱槽４に至る水素供給ライン９と、前記バルブＶ
ｌの蓄熱室側より分岐しバルブＶ２を介して前記ライン
９の圧縮機５とバルブｖ４との間に側路される水素抜取
りライン７と前記ライン９のバルブｖ１と圧縮機５との
間から分岐しバルブＶ４と水素ホルダー６との間に連な
る高圧ライン８とによって構成されており、反応量を制
御する圧力制御機能を果している。

なお、熱交換器本体１は図においては三層構成となって
いるが、これは基本的態様を示したもので、熱交換器は
かかる基本的態様に従う限り図示の構造に拘泥すること
なく、種々の形式の熱交換器を使用可能であり、プレー
トフィン熱交換器、三重管あるいは二重管を使用し、該
二重管の外管と内管の間の空間を蓄熱室としたシェル−
チューブ式熱交換器などが使用される。

殊に、プレートフィン式熱交換器などにおいて流体流路
が多層にわたっている場合には、前記三層構成の繰り返
しにより蓄熱室を一層おきにした多段構成とすることに
よって本発明を適用し得ることは云うまでもない。

第２図乃至第４図はこのような本発明装置に使用される
熱交換器本体の各具体例を示しており、第２図において
は金属プレート１１とコルゲートフィン１２とを交互に
積層接合してなり中間に水素収蔵体充填蓄熱室４を有し
、両側に互いに上下対向して分配部を有する高温流体流
路２及び低温流体流路３を備えたプレートフィン式熱交
換器が例示され、又、第３図においては同様に中間に水
素収蔵体を充填した蓄熱室４を配して互いに隔壁によっ
て形成された高温流体流路２及び低温流体流路３を持つ
シェル−チューブ式熱交換器が例示され更に第４図にあ
っては内管、外管及びそれらの中間の管からなる三重管
の構成をもち、内管を高温流体流路２とし、外管を低温
流体流路３とし、中間の管を水素収蔵体を収蔵した蓄熱
室４としだ熱交換器を図示している。

そして、これら各図においてＡは高温流体流通経路を、
又、Ｂは低温流体流通経路を夫々示しており、中間に配
設される蓄熱室４に充填された水素収蔵体は吸熱あるい
は発熱反応であれ、高温流体によって収蔵体に与えられ
る適当な加熱と圧力条件によって発熱し、この熱を熱交
換器本体における内部フィン及びプレートなどを通じて
低温流体に与えるものである。

次に、かかる熱交換の態様を第１図にもとづいて説明す
ると、今、流通経路Ａより熱交換器の高温流体流路２に
高温流体を流入し、他の経路Ｂより他の流路３に低温流
体を供給し、両流体間で熱交換を行なわせるとき、高温
流体からの伝熱量をＱＡ 、低温流体の加熱に必要な
熱量をＱＢ ｖ熱交換器１での熱損失をＱＬとすると
、ＱＡ−ＱＢ＋ＱＬならば定常的な熱移動が行なわれる
。

しかし、ＱＡが太陽熱あるいは廃熱など、時間的に変動
するものであったり、また利用系における需要熱量ＱＢ
が時間的に変動するものであると上記バランスが崩れる
。

若し、高温流体からの伝熱量が増加し、又は需要熱量が
減少して ＱＡ ＞ＱＢ ＋ＱＬ となると、 △Ｑ””ＱＡ ＱＢ ＱＬ の余剰熱量は充填部４内の水素収蔵体に熱を与えＭｅＨ
−＞Ｍｅ 十Ｈ２ の分解反応（吸熱反応）により水素収蔵体に収蔵されて
いた水素を放出させることによって余剰熱量（△Ｑ）を
水素収蔵体に貯蔵することになる。

この場合、放出された水素は第１図におけるラインＩ−
→バルブＶ２−→ライン９→圧縮機５→ライン８→バル
ブＶ２を経て水素ホルダー６に回収貯蔵される。

そして、若し高温流体からの伝熱量ＱＡが減少するか、
需要熱量ＱＢが増加しＱＡ ＜ＱＢ ＋ＱＬ となると、水素ホルダー６内の水素をバルブＶ４→ライ
ン９う圧縮機５→バルブＶ１を経て充填部３に供給し Ｍｅ 十Ｈ２→ＭｅＨ（発熱反応） により △Ｑ”’ＱＢ ＋Ｑｒ、唄Ａ に相当する不足熱量を低温流体に与え、 ＱＡ ＝ＱＢ 十ＱＬ の状態に維持させる。

なお、吸・発熱反応の各反応量は、圧縮機５による圧力
調整により、平衡圧を制御することにより容易に実施で
きる。

かくして、高温流体と低温流体が連続的に供給される場
合にも蓄熱性能が発揮され、入力側と出力側のパターン
のずれを平滑化することができる。

これは同時に熱的緩衝作用を有することになる。

ここで、前記蓄熱室４に充填される水素収蔵体は例えば
鉄−チタンなどの金属間化合物を微粉化し、これをアル
ミナゲル、シリカゲルあるいはその他の安定な無機、も
しくは有機物の担体と混和し、真空又は不活性ガス雰囲
気下など対象物に対して適当な雰囲気下で焼成固化し、
又は他の適当な接着手段によって成彩固化せしめたもの
である。

その際、製造された水素収蔵体は粒状、板状いかなる形
でもよく、目的に応じて適当な成形がなされるが、成形
された粒状製品などを更に相互に接着せしめたものとし
てもよい。

又、成形品は強固な連通性のある細孔を包含した担体の
内外面に微粉化された水素収蔵体を装着せしめられた構
造体でもよい。

なお、水素収蔵体製造に際し、水素吸収時に水素化を促
進せしめる触媒を同時に混和せしめることも有効な応用
技術である。

本発明は以上の如く水素収蔵体を充填した蓄熱室を熱交
換器の高温流体流路と、低温流体流路の間に配し、高温
流体流路を熱源に、また低温流体流路を熱利用系に夫々
連結すると共に、蓄熱室を圧力調整装置を介して水素ホ
ルダーに連結した構成からなる熱交換装置であり、時間
的変動の多い太陽熱や工場排ガスの熱量に対してその変
動と共に金属水素化物の反応により吸熱、放熱を自動的
に行なわせ、過剰熱量は蓄熱し、不足熱量は該蓄熱量を
放熱して平滑化を図り、従来、変動が多い故に熱の有効
利用が阻まれ、殆んど顕熱の回収利用のみに限られてい
た前記熱量をより広汎な分野への利用を可能とし、エネ
ルギー不足の産業界の悩みを解消し、その進展に寄与す
る顕著な効果を有する。

しかも、本発明装置はその構成より複雑な蓄水紫檀を必
要とすることなく、圧力調整装置による圧力調整と相俟
って簡易化が容易であり、殊に高温流体流路と低温流体
流路の中間に蓄熱室を配したため熱緩衝作用もあり、適
切な熱移動による熱利用が可能であると共に各種熱交換
器を適宜、使用でき工業化設備としてその有用性が太い
に期待される装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の１態様を示す略示説明図、第２図
イ２口及び第３図、第４図は何れも本発明装置に使用す
る熱交換器の各側・を示す概略図で、第２図口は第２図
イのＸ−Ｘ矢視断面図である。 １・・・・・焦交換器、２・・・・・・高温流体流路、
３・・・・・・低温流体流路、４・・・・・・蓄熱室、
６・・・・・・水素ホルダー〇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱源に連結された高温流体流路２と、熱利用系に連
   結された低温流体流路３を有し、前者流路２に高温流体
   を、一方、後者流路３に低温流体を同時に流通せしめて
   連続的に熱交換を図る熱交換器１において、前記両流体
   流路２，３０間に水素収蔵体からなる伝熱要素を充填し
   た蓄熱室４を設け、該蓄熱室４に水素ホルダー６を連結
   せしめると共に、前記蓄熱室４と水素ホルダー６との間
   に前記水素収蔵体の吸７発熱反応を制御し、前記熱源と
   熱利用系の夫々の負荷による熱収支の差を調整する圧力
   調整装置を介設せしめたことを特徴とする水素収蔵体を
   利用した熱交換装置。 ２ 熱交換器が金属プレートとコルゲートフィンとを交
   互に積層接合してなるプレートフィン型熱交換器であり
   、蓄熱室が一層おきに形成されている特許請求のｔｉ第
   １項記載の水素収蔵体を利用した熱交換装置。 ３ 熱交換器が三重管で構成されており、中央の管内が
   蓄熱室となっている特許請求の範囲第１項記載の水素収
   蔵体を利用した熱交換装置。 ４ 熱交換器が二重管を用いたシェル−チューブ型熱交
   換器であり、二重管の外管と内管の間の空間を特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の水素収蔵体を利用した熱
   交換装置。 ５ 蓄熱室に充填される水素収蔵体が金属水素化物の粉
   末と多孔質担体との混合粉末を適宜形状に焼成固化した
   ものである特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか各
   項記載の水素収蔵体を利用した熱交換装置。