KR20190061019A - 발열 시스템 - Google Patents

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Abstract

수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 이용하여 열을 발하는 발열체 셀에 있어서, 종래보다도 안정되게 열을 얻을 수 있는 발열 시스템을 제안한다. 본 발명의 발열 시스템(1)에서는, 발열 반응을 저해하는 수소계 가스 내의 불순물을 제거하는 필터(43)를 순환 장치(3)에 마련하도록 했다. 이로써, 발열 시스템(1)에서는, 발열 반응에 의해 과잉열을 발하고 있는 발열체 셀(2)에 있어서, 발열 반응을 저해하는 불순물을 수소계 가스 내로부터 제거하면서 당해 수소계 가스를 순환시킴으로써, 과잉열의 출력을 증대 및/또는 유지시킬 수 있고, 이렇게 하여, 종래보다도 안정되게 열을 얻을 수 있다.

Description

발열 시스템
본 발명은 발열 시스템에 관한 것이다.
근년, 팔라듐(Pd)으로 제작한 발열체를 용기 내부에 마련하고, 이 용기 내부에 중수소 가스를 공급하면서, 용기 내부를 가열함으로써 발열 반응이 발생했다는 발표가 이루어져 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2 참조).
이와 같은 팔라듐(Pd) 등의 수소 흡장 금속, 또는 팔라듐 합금 등의 수소 흡장 합금을 이용하여 과잉열(입력 엔탈피보다 높은 출력 엔탈피)을 발생시키는 발열 현상은, 과잉열을 발하는 메커니즘의 상세에 대해서는 각국의 연구자 사이에서 논의되고 있다. 예를 들어 비특허문헌 3 내지 6, 특허문헌 1에 있어서도 발열 현상이 발생한 것이 보고되어 있고, 현실에 일어나고 있는 물리적 현상이라고 할 수 있다. 그리고, 이와 같은 발열 현상에서는, 과잉열을 발하는 점에서, 이 발열 현상을 제어할 수 있으면, 유효한 열원으로서 이용하는 것도 가능하다.
미국 특허 제9,182,365호 명세서
A. Kitamura, et.al "Anomalous effects in charging of Pd powders with high density hydrogen isotopes", Physics Letters A 373(2009)3109-3112 A. Kitamura. et.al "Brief summary of latest experimental results with a mass-flow calorimetry system for anomalous heat effect of nano-composite metals under D(H)-gas charging" CURRENT SCIENCE, VOL.108, NO.4, p.589-593, 2015 Y. Iwamura, T. Itoh, N. Gotoh and I. Toyoda, Fusion Technology, Vol.33, p.476-492, 1998. I. Dardik et al., "Ultrasonically-excited electrolysis Experiments at Energetics Technologies", ICCF-14 International Conference on Condensed Matter Nuclear Science. 2008. Washington, DC. Y. ARATA and Yue-Chang ZHANG, "Anomalous Difference between Reaction Energies Generated within D2O-Cell and H2O-Cell", Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37(1998) pp. L 1274-L 1276 F. Celani et. al., "Improved understanding of self-sustained, sub-micrometric multicomposition surface Constantan wires interacting with H2 at high temperatures: experimental evidence of Anomalous Heat Effects", Chemistry and Materials Research, Vol.3 No.12(2013) 21
그러나, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 이용하여 열을 발하는 비특허문헌 1 내지 6에 개시하는 기술을 사용한 발열체 셀은, 발열 현상의 발생 확률이 낮을 때도 있고, 또한 한번 과잉열을 발해도, 어떤 원인으로 과잉열이 급격하게 저하되어 버리는 현상도 발생하는 경우도 있기 때문에, 반드시 예기한 열이 안정되게 얻어지지는 않는다는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은 이상의 점을 고려하여 이루어진 것으로, 전술한 바와 같은 불안정한, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 이용하여 열을 발하는 발열체 셀에 있어서, 종래보다도 안정되게 열을 얻을 수 있는 발열 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 발열 시스템은, 용기와, 상기 용기의 내부에 마련되고, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지고 그 표면에 복수의 금속 나노 입자가 형성된 반응체를 구비하고, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 공급됨으로써 상기 금속 나노 입자 내에 수소 원자가 흡장되어 과잉열을 발하는 발열체 셀과, 상기 발열체 셀 내의 상기 수소계 가스를 순환시키는 순환 장치를 구비하고, 상기 순환 장치는, 상기 용기 밖에 마련되어, 상기 용기의 회수구로부터 상기 용기의 토출구까지를 연결하는 순환 경로와, 상기 용기 내의 상기 수소계 가스를, 상기 순환 경로를 경유시켜 순환시키는 펌프와, 상기 순환 경로의 도중에 마련되어, 상기 수소계 가스 내의 불순물을 흡착하여 제거하는 필터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 발열 반응에 의해 과잉열을 발하고 있는 발열체 셀에 있어서, 수소계 가스 내의 불순물을 제거하면서 수소계 가스를 순환시킴으로써, 과잉열의 출력을 증대 및/또는 유지시킬 수 있고, 이렇게 하여, 종래보다도 안정되게 열을 얻을 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 발열 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 중수소 가스를 사용한 때의 과잉열의 추이를 도시한 그래프이다.
도 3은 중수소 가스를 사용한 발열체 셀의 용기 외벽에 있어서의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 천연 수소 가스를 사용한 때의 과잉열의 추이를 도시한 그래프이다.
도 5는 천연 수소 가스를 사용한 발열체 셀의 용기 외벽에 있어서의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 중수소 투과량과 중수소 가스 압력과 시료 온도의 추이를 도시한 그래프이다.
도 7은 제2 실시 형태의 발열 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
도 8은 노즐부를 도시하는 사시도이다.
도 9는 노즐부를 반응체의 하방에 배치한 상태를 도시하는 측면도이다.
도 10은 노즐부를 반응체의 양측에 배치한 상태를 도시하는 측면도이다.
도 11은 복수의 노즐부를 반응체의 양측에 배치한 상태를 도시하는 측면도이다.
도 12는 제3 실시 형태의 발열 시스템의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
[제1 실시 형태]
이하 도면에 기초하여 본 발명의 제1 실시 형태를 상세하게 설명한다.
(1) 본 발명의 발열 시스템의 전체 구성
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 발열 시스템(1)은, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기(6) 내부에 공급되는 발열체 셀(2)과, 발열체 셀(2) 내의 수소계 가스를 순환시키는 순환 장치(3)와, 발열체 셀(2)에 의한 과잉열로 데워진 수소계 가스로부터 열을 회수하는 열회수 장치(4)를 구비하고 있다. 발열체 셀(2)은, Pd, Ni, Pt, Ti 등의 수소 흡장 금속, 또는 이들 원소 중 적어도 어느 1종을 함유한 수소 흡장 합금이 용기(6) 내부에 마련되어 있고, 수소계 가스가 용기(6) 내부에 공급되면서, 가열됨으로써 발열 반응이 일어나, 과잉열이 얻어지는 것이다. 발열체 셀(2)에 공급되는 수소계 가스로서는, 중수소 가스 및/또는 천연 수소 가스를 적용할 수 있다. 또한, 천연 수소 가스란, 경수소 가스가 99.985％ 이상 포함되어 있는 수소계 가스를 말한다.
구체적으로, 발열 시스템(1)에 사용되는 발열체 셀(2)은 비특허문헌 1이나, 비특허문헌 2, 비특허문헌 6, 국제 공개 번호 WO2015/008859에 개시되어 있는 기술을 사용한 발열체 셀이고, 내부 구조에 대해서는, 이들 비특허문헌 1, 2, 6이나, 국제 공개 번호 WO2015/008859에 개시된 것을 사용할 수 있다.
또한, 이 실시 형태에 있어서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 사용하여, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기(6) 내부에 공급됨으로써 과잉열을 발하는 발열체 셀(2)로서, 국제 공개 번호 WO2015/008859(도 5)의 구조를 이용한 발열체 셀에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 사용하여, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 공급됨으로써 과잉열을 발하는 것이라면, 비특허문헌 1, 2, 6이나, 기타 여러 비특허문헌이나 특허문헌의 구성을 발열체 셀이라고 해도 된다.
(2) 발열체 셀에 대하여
발열체 셀(2)은, 용기(6)와, 용기(6)의 내부에 마련되고, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자가 표면에 형성된 반응체를 구비하고, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기(6) 내에 공급됨으로써 금속 나노 입자 내에 수소 원자가 흡장되어 과잉열을 발한다. 이 실시 형태에 의한 발열체 셀(2)은 발열 반응 시, 용기(6) 내에 플라스마를 발생시키지 않고, 히터(17)에 의해 용기(6) 내를 가열하고, 가열한 용기(6) 내에 중수소 가스를 공급함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열이 발생할 수 있다. 용기(6)는, 예를 들어 스테인리스(SUS306이나 SUS316) 등으로 형성되어 있고, 내부에 통상으로 형성된 공간을 갖고, 또한 밀폐 공간을 형성할 수 있도록 되어 있다. 또한, 6a는 코바르 유리 등의 투명 부재로 형성된 창부이고, 용기(6) 내의 밀봉 상태를 유지하면서, 용기(6) 내의 모습을 작업자가 직접 눈으로 보아 확인할 수 있도록 되어 있다.
또한, 용기(6)에는 수소계 가스 공급로(31)가 마련되어 있고, 당해 수소계 가스 공급로(31)로부터 조정 밸브(32a, 32b)를 통해 수소계 가스가 공급된 후, 당해 수소계 가스의 공급이 정지되어, 일정량의 수소계 가스가 저류될 수 있다. 또한, 35는 드라이 펌프이고, 필요에 따라 배기 경로(33) 및 조정 밸브(32c)를 통해 용기(6) 내의 가스를 용기(6) 밖으로 배출하여, 진공 배기나 압력 조정 등을 행할 수 있다.
용기(6)는 통상 공간을 형성하는 내벽 표면에 반응체(7)가 접촉하도록 배치된 구성을 갖는다. 용기(6)는, 전체가 접지 전위로 되어 있고, 당해 용기(6)의 내벽에 접하는 반응체(7)도 접지 전위로 되어 있다. 반응체(7)는 Pd, Ni, Pt, Ti 등의 수소 흡장 금속이나, 이들을 1종 이상 포함하는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 세선에 의해 그물코상으로 형성되어 있고, 또한 용기(6)의 통상 공간에 맞추어 통상으로 형성되어 있다. 반응체(7)는 폭이 1000[㎚] 이하의 나노 사이즈로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자(도시하지 않음)가 세선의 표면에 형성되어 있음과 함께, 당해 표면의 산화 피막이 제거되어 있고, 표면의 금속 나노 입자가 활성화된 상태로 되어 있다.
반응체(7)로 둘러싸인 공간 내에는, 전극으로서 기능하는 권회형 반응체(8, 9)가 마련되어 있다. 권회형 반응체(8, 9)는 양극 및 음극으로서 기능하고, 전처리가 되는 플라스마 처리 시, 글로 방전을 일으키게 하여, 용기(6) 내에 플라스마를 발생시킬 수 있도록 되어 있다. 발열체 셀(2)에서는, 예를 들어 한쪽의 권회형 반응체(8)를 양극으로서 기능하게 하고, 반응체(7)를 접지 전위로 하여 플라스마를 소정 시간 발생시킨 후, 다른 쪽의 권회형 반응체(9)를 음극으로서 기능하게 하고, 반응체(7)를 접지 전위로 하여 플라스마를 소정 시간 발생시키는 처리를 소정 횟수 반복하는 플라스마 처리를 실행한다. 이로써, 발열체 셀(2)에는 반응체(7)나 권회형 반응체(8, 9)의 각 표면에 나노 사이즈로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자가 형성될 수 있다.
한쪽의 권회형 반응체(8)는 외부의 전원(도시하지 않음)과 배선(14a)을 통해 접속된, 막대 형상의 전극부(11)를 갖고 있고, 당해 전원으로부터의 소정 전압이 전극부(11)에 인가될 수 있다. 권회형 반응체(8)는, 예를 들어 Pd, Ni, Pt, Ti 등의 수소 흡장 금속이나 수소 흡장 합금으로 이루어지는 세선(12)가, Al2O3(알루미나 세라믹스) 등의 도통 부재로 이루어지는 전극부(11)에 나선상으로 감긴 구성을 갖고, 플라스마 처리에 의해 세선(12)의 표면에 나노 사이즈로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자가 형성되어 있다.
다른 쪽의 권회형 반응체(9)는 외부의 전원(도시하지 않음)과 배선(14d)을 통해 접속된, 판상의 전극부(16)를 갖고 있고, 당해 전원으로부터의 소정 전압이 전극부(16)에 인가될 수 있다. 전극부(16)는 Al2O3(알루미나 세라믹스) 등의 도통 부재로 형성되어 있고, 그 표면에 히터(17)를 구비하고 있다. 히터(17)는 외부의 가열 전원(25)에 배선(14b, 14c)을 통해 접속되어 있고, 권회형 반응체(9)를 소정 온도로 가열할 수 있다.
히터(17)는, 예를 들어 세라믹 히터이고, Pd, Ni, Pt, Ti 등의 수소 흡장 금속이나 수소 흡장 합금으로 이루어지는 세선(18)가, 주위에 나선상으로 감겨 있다. 이 세선(18)에도, 상술한 플라스마 처리에 의해 표면이 나노 사이즈로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자가 형성되어 있다. 또한, 26은 배선(14b, 14c)에 마련된 전류 전압계이고, 히터(17)를 가열할 때에 당해 히터(17)에 대하여 인가하는 전류·전압을 측정할 수 있다. 또한, 권회형 반응체(9)는 전극부(16)와 히터(17)를 세트로 하여 세선(18)을 감은 것이어도 된다.
용기(6)는 복수의 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)가 내부의 소정 위치에 마련되어 있고, 각 부위의 온도가 측정될 수 있다. 이 실시 형태의 경우, 온도 측정부(20a, 20b)는 용기(6)의 내벽을 따라 마련되어 있고, 당해 내벽의 온도를 측정할 수 있다. 다른 온도 측정부(21a, 21b, 21c)는 권회형 반응체(9)의 전극부(16)에 마련되어 있고, 당해 전극부(16)에 있어서의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정부(21a, 21b, 21c)는 각각 길이가 상이하고, 예를 들어 전극부(16)의 하단, 중단, 상단의 각 부위의 온도를 측정할 수 있다.
발열체 셀(2)은 플라스마 처리에 의해 권회형 반응체(8, 9) 및 반응체(7)의 표면에 나노 사이즈로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자를 형성할 수 있고, 계속해서, 도시하지 않은 히터(17)에 의해 권회형 반응체(8, 9)나 반응체(7)가 가열되고, 또한 진공 상태가 유지된 용기(6) 내에 중수소 가스가 공급된다. 이로써, 발열체 셀(2)에서는, 권회형 반응체(8, 9) 및 반응체(7)의 표면에 있는 금속 나노 입자 내에 수소 원자가 흡장되어, 히터(17)에 의한 가열 온도 이상의 과잉열이 용기(6) 내에 발생할 수 있다. 여기서, 히터(17)에 의해 권회형 반응체(8, 9)나 반응체(7)를 가열할 때의 가열 온도는 200[℃] 이상, 더욱 바람직하게는 250[℃] 이상인 것이 바람직하다.
(3) 순환 장치에 대하여
이어서 순환 장치(3)에 대하여 설명한다. 순환 장치(3)는 용기(6)의 소정 위치에 마련된 회수구(39a)와, 용기(6)에 있어서 회수구(39a)와는 상이한 위치에 마련된 토출구(39b)를 연통하는 순환 경로(40)를 구비하고 있고, 발열체 셀(2)의 용기(6) 내에 있어서의 수소계 가스를, 순환 경로(40)를 경유하여 순환할 수 있도록 되어 있다. 즉, 순환 경로(40)는 용기(6) 밖에 마련되어, 용기(6)의 회수구(39a)로부터 용기(6)의 토출구(39b)까지를 연결한다. 순환 경로(40)에는 수소계 가스의 순환 유량을 제어하는 유량 제어부(41)와, 수소계 가스를 순환시키는 펌프(42)와, 수소계 가스 내의 불순물을 제거하는 필터(43)가 마련되어 있다.
펌프(42)는, 예를 들어 메탈 벨로우즈 펌프이고, 발열체 셀(2)의 용기(6) 내에 있어서의 수소계 가스를 순환 경로(40)로 유도하고, 당해 순환 경로(40)를 경유시켜 다시 용기(6) 내로 복귀시킨다. 필터(43)는 수소 가스 등의 불활성 가스는 흡착하지 않고, 물(수증기)이나 탄화수소, 게다가 반응 생성물인 C, S, Si 등을 흡착하여, 수소계 가스 내의 불순물을 제거할 수 있도록 되어 있다. 즉, 필터(43)는 순환 경로(40)의 도중에 마련되어, 수소계 가스 내의 불순물을 흡착하여 제거한다. 순환 장치(3)는 필터(43)에 의해 불순물이 제거된, 신선한 수소계 가스를 용기(6) 내에 공급할 수 있다. 이로써, 발열체 셀(2)에서는, 순환 장치(3)에 의해, 발열 반응의 유발·유지를 저해하는 불순물이 제거된 수소계 가스가 항상 계속해서 공급됨으로써, 과잉열의 출력을 유발하기 쉬운 상태를 계속해서 유지하고, 게다가 과잉열의 출력 후에는 당해 출력을 증대 및/또는 유지시킬 수 있다. 또한, 후술하는 검증 시험에 의해, 발열체 셀(2)에 공급되는 수소계 가스로부터 불순물을 계속해서 제거함으로써, 발열체 셀(2)에 있어서의 과잉열이 점차 증대되는 것이 확인되어 있다.
유량 제어부(41)는, 예를 들어 조정 밸브로 이루어지고, 수소계 가스를 용기(6) 내로부터 순환 경로(40)를 경유시켜 다시 용기(6) 내로 복귀시킬 때의 수소계 가스의 순환 유량을 제어할 수 있도록 되어 있다. 이 실시 형태의 경우, 유량 제어부(41)는 발열체 셀(2)에 마련한 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)로부터의 측정 온도에 따라 수소계 가스의 순환 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 유량 제어부(41)는 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)로부터의 측정 온도가 저하되어 가면, 수소계 가스의 순환 유량을 증가시키고, 필터(43)를 통과시키는 수소계 가스의 양을 증가시킬 수 있다. 이로써, 순환 장치(3)는 발열체 셀(2)에 있어서, 발열 반응을 저해하는 불순물이 제거된 수소계 가스의 양을 증가시킬 수 있으므로, 그만큼 발열체 셀(2)로부터 과잉열이 출력되도록 촉구할 수 있다.
또한, 유량 제어부(41)는 순환 경로(40)를 통과할 때에 온도가 저하된 수소계 가스의 용기(6)로의 유입량을 조정할 수 있는 점에서, 당해 수소계 가스를 사용한, 용기(6) 내의 온도 조정도 행할 수 있다. 예를 들어, 유량 제어부(41)는 수소계 가스의 순환 유량을 증가시킴으로써, 냉각된 수소계 가스를 더 많이 용기(6) 내에 공급할 수 있는 점에서, 용기(6) 내의 온도 저하를 촉구할 수 있다. 한편, 유량 제어부(41)는 수소계 가스의 순환 유량을 줄임으로써, 냉각된 수소계 가스의 용기(6) 내로의 공급을 적게 할 수 있는 점에서, 용기(6) 내의 온도 저하를 억제할 수 있다. 특히 이 실시 형태의 경우에는, 수소계 가스로부터 열을 회수하는 열회수 장치(4)(후술함)가 순환 경로(40)에 마련되어 있는 점에서, 수소계 가스가 순환 경로(40)를 통과할 때에 당해 수소계 가스의 온도가 내려가기 때문에, 유량 제어부(41)에 의한 수소계 가스의 유량 조정에 의해 용기(6) 내의 온도 조정을 행할 수 있다.
이 실시 형태의 경우, 순환 장치(3)에서는, 회수구(39a)와 토출구(39b)가, 용기(6)가 대향하는 측벽에 마련되어 있고, 용기(6) 내에 있어서 회수구(39a)와 토출구(39b) 사이의 영역에, 반응체(7) 및 권회형 반응체(8, 9)가 배치될 수 있도록 되어 있다. 이로써, 발열체 셀(2)에서는, 발열 반응을 저해하는 불순물이 제거된 수소계 가스가 토출구(39b)로부터 토출되면, 반응체(7)를 통과하여 권회형 반응체(8, 9)의 배치 영역을 흐른 후, 다시 회수구(39a)를 향하는 흐름을 형성할 수 있고, 반응체(7) 및 권회형 반응체(8, 9) 주변에, 발열 반응을 저해하는 불순물이 제거된 수소계 가스를 확실하게 공급할 수 있다.
(4) 열회수 장치에 대하여
열회수 장치(4)는 순환 장치(3)의 순환 경로(40)에 마련되어 있고, 당해 순환 경로(40)를 통과하는 수소계 가스로부터 열을 회수할 수 있도록 되어 있다. 이 실시 형태의 경우, 열회수 장치(4)는 순환 장치(3)에 있어서의 유량 제어부(41)나, 펌프(42), 필터(43)보다도 상류측의 순환 경로(40)에 마련되어 있고, 용기(6)의 회수구(39a)로부터 순환 경로(40)로 유입된 직후의 수소계 가스로부터 열을 회수할 수 있다. 이로써, 열회수 장치(4)는 순환 장치(3)에 의해 수소계 가스의 열이 내려가기 전에 당해 수소계 가스로부터 한층 더 많은 열을 회수할 수 있다.
열회수 장치(4)는 순환 경로(40)를 따라 배치된 열교환기(47)와, 열교환기(47)에 의해 회수한 열을, 에너지로 변환하는 에너지 교환기(48)를 구비하고 있다. 열교환기(47)는 순환 경로(40)를 주회하도록 배관이 배치되고, 배관 내에 열흡수 유체가 흐르고 있다. 열흡수 유체는 순환 경로(40)를 주회하는 배관을 흐름으로써, 당해 순환 경로(40)를 흐르는 수소계 가스로부터 열을 빼앗고, 가열될 수 있다. 에너지 교환기(48)는, 예를 들어 터빈이나 열전 소자나 스털링 엔진 등이고, 가열된 열흡수 유체로부터 에너지를 생성할 수 있다.
(5) 중수소 가스를 사용한 검증 시험
이어서, 도 1에 도시한 발열체 셀(2) 및 순환 장치(3)를 구비한 발열 시스템을 제작하고, 발열체 셀(2)에 있어서의 과잉열의 발생에 대하여 검증 시험을 행하였다. 이 검증 시험에서는, Ni에 의해 그물눈상으로 이루어지는 통상의 반응체(7)와, Pd으로 이루어지는 세선(12)을, Pd으로 이루어지는 전극부(11)에 나선상으로 감은 권회형 반응체(8)와, 동일하게 Pd으로 이루어지는 세선(18)을 감은 세라믹 히터[히터(17)]를, Pd으로 이루어지는 전극부(16)에 마련한 권회형 반응체(9)를 준비하고, 스테인리스제의 용기(6) 내에, 이들을 도 1에 도시한 바와 같이 설치했다.
발열체 셀(2)에 있어서 발열에 기여하는 수소계 가스로서는 중수소 가스를 사용했다. 또한, 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)로서는, 예를 들어 오메가 엔지니어링사제의 열전대(제품명: K형 시스 열전대)를 사용했다. 또한, 이 검증 시험에서는, 발열체 셀(2)의 용기(6) 외벽에도 3개의 열전대를 마련했다. 구체적으로는, 용기(6) 상부로부터 약 1/3 부근의 높이 위치의 외벽 측면에 첫번째 열전대를 마련하고, 용기(6) 상부로부터 약 2/3 부근의 높이 위치의 외벽 측면에 두번째 열전대를 마련하고, 또한 용기(6)의 중심 부분[용기(6) 상부로부터 약 1/2 부근의 높이 위치]의 외벽에 세번째 열전대를 마련했다.
또한, 발열체 셀(2)에서는, 한쪽의 권회형 반응체(8)를 양극으로 하고, 기체를 진공 배기하여 압력을 10 내지 500[㎩]로 한 밀폐 공간의 용기(6) 내에서, 600 내지 1000[V]의 전압을, 600초 내지 100시간 인가하고, 글로 방전을 일으키게 하는 플라스마 처리를 실행하였다. 이어서, 다른 쪽의 권회형 반응체(9)를 음극으로 하고, 상기와 마찬가지로 글로 방전을 일으키게 하는 플라스마 처리를 실행하였다. 이로써, 권회형 반응체(8)에 있어서의 세선(12)의 표면과, 권회형 반응체(9)에 있어서의 세선(18)의 표면과, 반응체(7)의 표면에 대하여, 각각 산화 피막을 제거하고, 또한 1000[㎚] 이하의 나노 크기로 이루어지는 복수의 금속 나노 입자를 형성했다.
또한, 별도의 검증 시험에서 플라스마 처리 후에 권회형 반응체(8, 9) 및 반응체(7)를 SEM 관찰하고, 금속 나노 입자의 형성 유무에 대하여 조사한바, 이들 권회형 반응체(8, 9) 및 반응체(7)에, 1000[㎚] 이하의 금속 나노 입자가 형성되어 있는 것을 확인했다.
필터(43)로서는, 예를 들어 니혼 산소사제의 필터(상품명: 퓨리 필터)를 사용했다. 검증 시험에서는, 발열체 셀(2)에 있어서 플라스마 처리를 실행한 후, 용기(6) 내의 온도가 일정 온도가 되도록, 히터(17)를 약 20[W]의 입력 가열 와트로 계속해서 가열했다. 또한, 용기(6) 내에 충전한 중수소 가스를, 순환 장치(3)에 의해, 최대 2.8[L/min]의 유량으로 일정 유량에 의해 순환시켰다. 이때, 발열체 셀(2)에 있어서의 과잉열의 유무에 대하여, 용기(6) 내의 중심에 마련한 온도 측정부(21a)에서 확인한바, 도 2에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 2에 도시한 바와 같이, 히터(17)로 용기(6) 내를 가열하고, 중수소 가스를 용기(6) 내에 넣었을 때의 초기 온도는 약 290[℃]였다.
이어서, 순환 장치(3)에 의해, 용기(6) 내의 중수소 가스를, 필터(43)를 통과시키면서 계속해서 순환시켰을 때의 용기(6) 내의 온도를 측정했다. 그 결과, 도 2에 도시한 바와 같이 용기(6) 내의 온도가, 점차 상승해 가는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 발열체 셀(2)의 용기(6) 외벽에 마련한, 상기 3개의 열전대에서, 용기(6)의 외벽 온도를 측정한바, 도 3에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 도 3에서는 용기(6) 내의 중수소 압력에 대하여 조사한 결과도 도시한다.
도 3으로부터, 용기(6)의 외벽에서는 3개의 열전대의 어느 것에 있어서도 큰 온도 상승은 확인할 수 없었다. 이 점에서, 도 2에 도시한 온도 상승은 용기(6)의 외벽에 있어서의 외부로부터의 가열은 아니고, 용기(6) 내의 온도 측정부(21a)를 마련한 권회형 반응체(9) 주변에 있어서, 가열 온도 이상의 과잉열이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 검증 시험으로부터, 발열 시스템(1)에서는, 순환 장치(3)에 의해 중수소 가스(수소계 가스) 내의 불순물을 제거하면서, 당해 중수소 가스(수소계 가스)를 계속해서 순환해도, 발열체 셀(2)의 용기(6) 내를, 발열 반응이 일어나기 쉬운 고압의 상태로, 장시간 유지할 수 있는 것도 확인할 수 있었다.
(6) 작용 및 효과
이상의 구성에 있어서, 발열 시스템(1)에서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 사용하여, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기(6) 내부에 공급됨으로써 과잉열을 발하는 발열체 셀(2)과, 발열체 셀(2) 내의 수소계 가스를 순환시키는 순환 장치(3)를 마련하도록 했다. 또한, 이 순환 장치(3)에는 발열 반응을 저해하는 수소계 가스 내의 불순물을 제거하는 필터(43)를 마련하도록 했다. 이로써, 발열 시스템(1)에서는, 발열 반응에 의해 과잉열을 발하고 있는 발열체 셀(2)에 있어서, 발열 반응을 저해하는 불순물을 수소계 가스 내로부터 제거하면서 당해 수소계 가스를 순환시킴으로써, 과잉열의 출력을 증대 및/또는 유지시킬 수 있고, 이렇게 하여, 종래보다도 안정되게 열을 얻을 수 있다.
또한, 발열 시스템(1)에서는, 발열체 셀(2)의 용기(6) 내에 일정량의 수소계 가스를 저류시킨 상태 그대로, 순환 장치(3)에 의해 불순물을 제거한 수소계 가스를 항상 용기(6) 내에 계속해서 공급할 수 있으므로, 예를 들어 항상 새로운 수소계 가스를 용기(6) 내에 공급하여 잉여의 수소계 가스를 용기(6)로부터 계속해서 배출하여 수소계 가스를 계속해서 소비하는 시스템에 비해, 수소계 가스의 소비량을 각별히 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 발열 시스템(1)에서는, 용기(6) 내를 밀폐 공간으로 하여, 발열 반응이 일어나기 쉬운 고압의 상태로 용기(6) 내를 계속해서 유지하고, 일정량의 수소계 가스를 계속해서 순환하는 점에서, 사용하는 수소계 가스의 양을 일정량에 그치게 할 수 있으므로, 그만큼, 비용 저감을 도모할 수 있다.
또한, 이 발열 시스템(1)에서는, 유량 제어부(41)에 의해, 불순물이 제거된 수소계 가스의 용기(6)로의 유입량이나, 순환 경로(40)를 통과함으로써 냉각된 수소계 가스의 용기(6)로의 유입량을 조정할 수 있다. 이로써, 발열 시스템(1)에서는, 불순물이 제거된 수소계 가스의 유입량에 기초하는, 발열체 셀(2)에 있어서의 과잉열의 출력 조정이나, 또한 냉각된 수소계 가스의 용기(6) 내로의 유입량에 의해, 용기(6) 내의 온도 조정을 행할 수 있다. 즉, 유량 제어부(41)는, 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)에 의한 측정 온도에 따라 수소계 가스의 순환 유량을 제어함으로써, 과잉열의 출력 조정과, 용기(6) 내의 온도 조정을 행한다.
(7) 천연 수소 가스를 사용한 검증 시험
이어서, 상술한 「(5) 중수소 가스를 사용한 검증 시험」과 동일한 검증 시험을, 천연 수소 가스를 사용하여 행하였다. 여기서, 천연 수소 가스로서는, 고순도 수소(99.999％ Grade2)를 사용했다. 천연 수소 가스를 사용한 검증 시험에서도, 상기한 검증 시험과 동일한 조건에서, 발열체 셀(2)에서 플라스마 처리를 행한 후, 히터(17)로 가열을 행하면서, 용기(6) 내에 충전한 천연 수소 가스를, 순환 장치(3)에 의해, 최대 2.8[L/min]의 유량으로 일정 유량에 의해 순환시켰다. 이때, 발열체 셀(2)에 있어서의 과잉열의 유무에 대하여, 용기(6) 내의 중심에 마련한 온도 측정부(21a)에서 확인한바, 도 4에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 4에 도시한 바와 같이, 히터(17)로 용기(6) 내를 가열하고, 천연 수소 가스를 용기(6) 내에 넣었을 때의 초기 온도는 약 246[℃]였다.
이어서, 순환 장치(3)에 의해, 용기(6) 내의 천연 수소 가스를, 필터(43)를 통과시키면서 계속해서 순환시켰을 때의 용기(6) 내의 온도를 측정했다. 그 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 천연 수소 가스를 사용해도, 용기(6) 내의 온도가, 점차 상승해 가는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 발열체 셀(2)의 용기(6) 외벽에 마련한, 상기 3개의 열전대에서, 용기(6)의 외벽 온도를 측정한 바, 도 5에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 도 5에서는 용기(6) 내의 천연 수소 압력에 대하여 조사한 결과도 도시한다.
도 5로부터, 용기(6)의 외벽에서는 3개의 열전대 어느 것에 있어서도 큰 온도 상승은 확인할 수 없었다. 이 점에서, 도 5에 도시한 온도 상승은 용기(6)의 외벽에 있어서의 외부로부터의 가열은 아니고, 용기(6) 내의 온도 측정부(21a)를 마련한 권회형 반응체(9) 주변에 있어서, 가열 온도 이상의 과잉열이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 검증 시험으로부터, 발열 시스템(1)에서는, 순환 장치(3)에 의해 천연 수소 가스(수소계 가스) 내의 불순물을 제거하면서, 당해 천연 수소 가스(수소계 가스)를 계속해서 순환해도, 발열체 셀(2)의 용기(6) 내를, 발열 반응이 일어나기 쉬운 고압의 상태로 장시간 유지할 수 있는 것도 확인할 수 있었다.
(8) 필터의 불순물 제거 효과의 검증 실험
필터(43)의 불순물 제거 효과를 검증하는 실험을 행하였다. 검증 실험은 수소 투과막(도시 없음)을 수소가 투과하는 투과량(이하, 수소 투과량이라고 함)을 측정하기 위한 실험 장치(도시 없음)를 사용하여 행하였다. 실험 장치에서 측정한 수소 투과량을 사용하여, 필터(43)의 불순물 제거 효과를 평가했다.
실험 장치는 수소 투과막을 사이에 끼우고 제1 챔버와 제2 챔버가 배치되어 있고, 제1 챔버에 수소계 가스가 공급되어, 제2 챔버 내가 진공 배기된다. 이로써, 실험 장치에서는, 제1 챔버가 제2 챔버보다도 고압으로 되어, 양 챔버 사이에 압력차가 발생한다. 즉, 수소 투과막의 양면측에 압력차가 발생한다. 수소 투과막의 고압측의 표면에서는, 수소계 가스에 포함되는 수소 분자가 흡착하고, 그 수소 분자가 2개의 수소 원자에 해리된다. 해리된 수소 원자는 수소 투과막 내를 확산하여 통과한다. 수소 투과막의 저압측의 표면에서는, 수소 투과막을 통과한 수소 원자가 재결합하고, 수소 분자로 되어 방출된다. 이로써, 수소계 가스에 포함되는 수소가 수소 투과막을 투과한다.
여기서, 수소 투과량은 수소 투과막의 온도, 수소 투과막의 양면측의 압력차 및 수소 투과막의 표면 상태에 따라 정해진다. 수소계 가스에 불순물이 포함되어 있는 경우, 불순물이 수소 투과막의 표면에 부착되고, 수소 투과막의 표면 상태가 악화되는 경우가 있다. 수소 투과막의 표면에 불순물이 부착된 경우는, 수소 투과막의 표면에서의 수소 분자의 흡착 및 해리가 저해되고, 수소 투과량이 감소한다. 그래서, 검증 실험에서는 수소 투과막의 온도와 수소 투과막의 양면측의 압력차를 일정하게 유지한 상태로 수소 투과량을 측정함으로써, 필터(43)의 불순물 제거 효과를 평가했다.
실험 장치에 대하여 구체적으로 설명을 한다. 실험 장치는 수소 투과막과 제1 챔버와 제2 챔버 외에, 제1 챔버에 수소계 가스를 공급하는 공급 경로와, 제1 챔버 내의 수소계 가스를 순환시키는 순환 경로와, 제2 챔버 내를 진공 배기하는 진공 배기부를 구비한다. 실험 장치는 도시하지 않은 컴퓨터(도시 없음)와 전기적으로 접속되어 있고, 컴퓨터와의 사이에서 각종 데이터의 입출력을 행한다.
제1 챔버와 제2 챔버 사이에는 제1 챔버와 제2 챔버를 접속하는 접속부가 마련되어 있다. 접속부는 제1 챔버 내와 제2 챔버 내를 연통하기 위한 개구부를 갖는다. 이 개구부에 수소 투과막이 설치되어 있고, 제1 챔버 내와 제2 챔버 내가 수소 투과막에 의해 이격되어 있다. 접속부에는 수소 투과막의 온도 제어를 행하는 온도 제어부가 마련되어 있다. 온도 제어부는 수소 투과막의 온도를 검출하고, 검출한 온도에 기초하여 수소 투과막을 가열한다. 온도 제어부에 의해 검출된 온도의 데이터는 컴퓨터에 출력된다.
제1 챔버는, 공급 경로와 접속하는 공급구와, 순환 경로의 일단과 접속하는 회수구와, 순환 경로의 타단과 접속하는 토출구와, 제1 챔버 내의 압력을 검출하는 압력계를 갖는다. 압력계에 의해 검출된 압력의 데이터는 컴퓨터에 출력된다.
공급 경로에는 수소계 가스를 저장하는 저장 탱크와, 수소계 가스의 유량을 조정하는 조정 밸브가 마련되어 있다. 저장 탱크로부터 공급구를 통해 제1 챔버 내에 수소계 가스가 공급된다.
순환 경로에는 진공 밸브와, 순환 펌프와, 필터(43)가 마련되어 있다. 진공 밸브는 제1 챔버 내로부터 회수구를 통해 순환 경로에 유출되는 수소계 가스의 유량을 조정하기 위한 것이다. 진공 밸브로서, 가변 누수 밸브를 사용했다. 순환 펌프는 제1 챔버와 순환 경로 사이에서 수소계 가스를 순환시킨다. 순환 펌프로서, 메탈 벨로우즈 펌프를 사용했다. 필터(43)는 상기 실시 형태와 동일한 것이다. 즉, 필터(43)는 제1 챔버 내로부터 수소계 가스와 함께 배출된 불순물을 흡착하여 제거한다. 이로써, 불순물 제거 후의 수소계 가스가 토출구로부터 제1 챔버 내로 복귀된다.
제2 챔버는, 진공 배기부와 접속하는 배기구와, 제2 챔버 내의 압력을 검출하는 진공 게이지를 갖는다. 진공 게이지에 의해 검출된 압력의 데이터는 컴퓨터에 출력된다.
진공 배기부는 일정한 배기 속도로 제2 챔버 내를 진공 배기한다. 진공 배기부에 의해, 제2 챔버 내의 압력이 일정하게 유지된다. 진공 배기부는, 예를 들어 터보 분자 펌프(TMP)와 드라이 펌프(DP)를 조합한 구성을 갖는다.
상기한 실험 장치를 사용한 검증 실험에 대하여 설명한다. 필터(43)로서, 퓨리 필터를 사용했다. 수소 투과막의 시료로서, 다나카 귀금속사제의 Pd판 25㎜×25㎜×0.1㎜ 순도 99.9％를 사용했다. 수소계 가스로서, 중수소 가스를 사용했다. 검증 실험 시에, 미리, 기지의 유량의 중수소 가스를 제1 챔버 내에 공급함으로써, 진공 게이지의 교정을 행하였다. 진공 게이지의 교정 후에, 검증 실험을 개시했다.
검증 실험에서는, 시료를 가열하여, 시료의 온도(이하, 시료 온도라고 함)를 70[℃]로 유지했다. 시료 온도는 온도 제어부에 의해 제어된다. 그 후, 제1 챔버에 중수소 가스를 공급하여, 제1 챔버의 압력(이하, 중수소 가스 압력이라고 함)을 130[㎪]로 했다. 중수소 가스 압력은 압력계로부터 얻어졌다. 또한, 제2 챔버를 터보 분자 펌프에 의해 일정한 배기 속도로 진공 배기했다. 도달 진공도는 10-4[㎩] 이하이고, 이에 의해, 시료의 양면측에 압력차가 발생하고, 중수소의 투과가 개시된다. 중수소 가스 투과 시에는, 제2 챔버의 압력은 0.01[㎩] 이하였다. 중수소 투과량은 진공 게이지의 측정값을 사용하여 계산했다. 검증 실험을 개시하고 나서 211시간 경과했을 때에, 진공 밸브를 개방하여, 중수소 가스의 순환을 개시했다.
검증 실험의 결과를 도 6에 도시한다. 본 도면은 좌측의 제1 종축이 중수소 투과량 T[SCCM](Standard Cubic Centimeter per Minutes), 우측의 제2 종축이 중수소 가스 압력 P[㎪]와 시료 온도 Ts[℃], 횡축이 시간 t[h]를 나타낸다. 본 도면은 중수소 가스의 순환 개시 전후의 결과를 도시하고 있다. 도 6으로부터, 중수소 투과량 T는 중수소 가스의 순환 개시 전에는 0.8[SCCM]이고, 중수소 가스의 순환 개시 후에 1[SCCM]까지 증가하는 것이 확인되었다. 또한, 중수소 가스의 순환 개시 후에는 중수소 투과량 T가 1[SCCM]으로 유지되어 있는 것이 확인되었다. 시료 온도 Ts는 온도 제어부의 제어에 의해, 중수소 가스의 순환 개시 전후에, 일정하게 유지되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 중수소 가스 압력 P는 중수소 가스의 순환 개시 직후에, 순환 펌프의 압력에 의해 일시적으로 상승하지만, 점차 원래의 압력으로 복귀되는 것이 확인되었다. 제2 챔버의 압력이 일정하게 되어 있는 점에서, 시료의 양면측의 압력차는, 중수소 가스의 순환 개시 전후에, 거의 일정하게 유지되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 시료 온도와 시료의 양면측의 압력차가 일정하게 유지된 상태에서 중수소 투과량이 증가한 점에서, 시료 표면의 불순물이 배제되어, 시료의 표면 상태가 양호해졌다고 생각된다. 이것은, 필터(43)에 의한 불순물 제거 효과가 나타나 있는 것을 나타내고 있다. 시료의 표면에서의 수소 분자의 흡착 및 해리를 저해하는 것으로서는, 예를 들어 물(수증기), 탄화수소, C, S 및 Si가 생각된다. 물은 챔버나 배관의 내벽으로부터 방출, 혹은 챔버 내 부재에 포함되는 산화 피막이 수소에 의해 환원된 것이라고 생각된다. 탄화수소(메탄, 에탄, 메탄올, 에탄올 등), C, S 및 Si는 배관이나 챔버 내 부재로부터 방출된 것이라고 생각된다. 따라서, 필터(43)는 불순물로서, 물(수증기), 탄화수소, C, S 및 Si를 적어도 흡착하는 것이 바람직하다. 필터(43)로서는, 퓨리 필터 외에, 오사카 가스 리퀴드사제의 파인 퓨어, 업테크 재팬사제의 마이크로 톨 등을 사용해도 된다.
[제2 실시 형태]
제2 실시 형태는, 필터(43)에 의해 불순물이 제거된 수소계 가스를 반응체에 직접 분사하는 것이다. 제1 실시 형태의 발열 시스템(1)과 동일한 부재에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 발열 시스템(50)은 제1 실시 형태의 발열 시스템(1)의 각 부재에 더하여, 노즐부(51)를 구비한다. 또한, 발열 시스템(50)에서는 전극부(16)와 히터(17)를 세트로 하여 세선(18)을 감은 권회형 반응체(9)를 구비한다.
노즐부(51)는 순환 장치(3)와 권회형 반응체(9) 사이에 마련되고, 필터(43)를 통과한 불순물 제거 후의 수소계 가스를 권회형 반응체(9)의 표면에 공급한다. 구체적으로는, 노즐부(51)는 토출구(39b)와 권회형 반응체(9) 사이에 마련되어 있고, 토출구(39b)로부터 토출된 불순물 제거 후의 수소계 가스를 선단으로부터 분사함으로써 권회형 반응체(9)의 표면에 분사한다.
노즐부(51)는 배관부(52)와 분사부(54)를 갖는다. 배관부(52)는 토출구(39b)로부터 권회형 반응체(9)까지 인출되어 있다. 본 실시 형태에서는, 반응체(7)의 용기(6) 내벽과 대면하는 측면에 관통 구멍(7a)이 형성되어 있고, 이 관통 구멍(7a)에 배관부(52)가 통과되어 있다. 배관부(52)의 기단은 토출구(39b)와 접속되어 있다. 배관부(52)의 선단은 분사부(54)와 접속되어 있다. 배관부(52)의 선단은 권회형 반응체(9)의 폭 방향에 있어서의 중심에 대응하는 위치에 배치되어 있다. 배관부(52)는 토출구(39b)로부터 토출된 불순물 제거 후의 수소계 가스를 분사부(54)로 안내한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 분사부(54)는 배관부(52)의 선단에 마련되어 있다. 분사부(54)는 배관부(52)를 통해 토출구(39b)와 접속되어 있다. 분사부(54)의 선단은 권회형 반응체(9)의 히터(17)측(정면측)의 표면과 대향하고 있다. 분사부(54)의 선단으로부터는, 배관부(52)로부터 안내된 불순물 제거 후의 수소계 가스가 분사된다. 이로써, 분사부(54)로부터 나온 불순물 제거 후의 수소계 가스가, 권회형 반응체(9)의 표면에 공급된다. 분사부(54)의 선단과 권회형 반응체(9)의 표면 사이의 거리는, 예를 들어 1 내지 2㎝로 되고, 본 실시 형태에서는 1㎝로 하고 있다. 분사부(54)의 선단 방향은 적절히 설계해도 되지만, 분사부(54)의 선단으로부터 나온 불순물 제거 후의 수소계 가스가 권회형 반응체(9)의 정면측의 표면 전역에 분사되는 방향으로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 분사부(54)의 선단의 방향은 권회형 반응체(9)의 정면측 표면의 면 방향에 대하여 수직인 방향으로 하고 있다.
이상의 구성에 있어서, 발열 시스템(50)에서는, 토출구(39b)로부터 권회형 반응체(9)까지 인출되고, 토출구(39b)로부터 토출된 불순물 제거 후의 수소계 가스를 분사하는 노즐부(51)를 마련함으로써, 불순물 제거 후의 수소계 가스가 권회형 반응체(9)의 표면에 직접 분사된다. 이로써, 발열 시스템(50)에서는, 필터(43)에 의해 불순물이 제거된 신선한 수소계 가스가 권회형 반응체(9)에 직접 공급됨과 함께, 권회형 반응체(9)의 표면 및 주변의 불순물이 불어 날려져, 권회형 반응체(9)가 불순물 제거 후의 수소계 가스에 의해 형성된 분위기 하에 배치되므로, 과잉열의 출력이 더 확실하게 증대 및/또는 유지된다.
노즐부(51)의 배치는 적절히 변경해도 된다. 예를 들어, 도 9에 도시한 바와 같이, 노즐부(51)는 분사부(54)의 선단을 상향으로 한 상태에서, 권회형 반응체(56)의 하방에 배치해도 된다. 권회형 반응체(56)는, 전극부(16)가 2개의 히터(17) 사이에 끼워지고, 전극부(16)와 2개의 히터(17)를 세트로 하여 세선(18)을 감은 것이다. 본 도면은 권회형 반응체(56)를 측면측에서 본 도면이다. 분사부(54)의 선단으로부터 나온 불순물 제거 후의 수소계 가스는, 권회형 반응체(56)의 하단부에 분사됨으로써 분기하고, 권회형 반응체(56)의 정면 및 배면을 향해 흐른다. 이로써, 불순물 제거 후의 수소계 가스가, 권회형 반응체(56)의 표면 전역에 공급된다. 분사부(54)는 권회형 반응체(56)의 두께 방향에 있어서의 중심에 대응하는 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 노즐부(51)는 권회형 반응체(8)에 대하여 불순물 제거 후의 수소계 가스를 분사하는 경우는, 분사부(54)의 선단을 상향으로 한 상태에서, 권회형 반응체(8)의 하방에 배치해도 된다.
도 10에 도시한 바와 같이, 노즐부(51) 대신에, 선단이 분기된 형상을 갖는 노즐부(57)를 사용해도 된다. 이 예에서는, 노즐부(57)는 2개의 분사부(54)를 갖는다. 2개의 분사부(54)는 선단을 마주보게 한 상태로 배치되어 있다. 각 분사부(54) 사이에 권회형 반응체(56)가 마련되어 있다. 각 분사부(54)의 선단은 권회형 반응체(56)의 정면 및 배면에 각각 대향한다. 노즐부(57)는 배관부(52)와 분사부(54) 사이에 분기관(58)이 마련되어 있다. 분기관(58)의 기단에는 배관부(52)와 접속하는 접속부(58a)가 마련되어 있다. 분기관(58)의 선단은 둘로 분기되어 있고, 각 선단이 분사부(54)와 접속되어 있다. 이 노즐부(57)에 의해, 각 분사부(54)로부터 나온 불순물 제거 후의 수소계 가스가, 권회형 반응체(56)의 표면 전역에 확실하게 분사된다. 또한, 분기관(58)의 분기 수는 적절히 설계해도 된다.
또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 복수의 분사부(54)가 권회형 반응체(56)의 표면의 면방향으로 배열된 노즐부(59)를 사용해도 된다. 노즐부(59)는 분기관(58)의 선단의 각각에, 복수의 분사부(54)를 갖는 노즐 헤더(60)가 마련되어 있다. 이 예에서는, 1개의 노즐 헤더(60)에 4개의 분사부(54)가 배열되어 있다. 노즐 헤더(60)의 기단에는 분기관(58)과 접속하는 접속부(60a)가 마련되어 있다. 노즐 헤더(60)는 분기관(58)으로부터의 불순물 제거 후의 수소계 가스를 각 분사부(54)로 안내한다. 이 노즐부(59)에 의해, 각 분사부(54)로부터 나온 불순물 제거 후의 수소계 가스가, 권회형 반응체(56)의 표면 전역에 균일하게 공급된다. 또한, 노즐 헤더(60)의 수와 분사부(54)의 수 등은 적절히 설계해도 된다.
[제3 실시 형태]
제3 실시 형태는, 용기(6) 내의 수소계 가스를 샘플링하고, 샘플링한 수소계 가스를 분석하고, 그 분석 결과를 사용하여 수소계 가스의 순환 유량을 제어한다.
도 12에 도시한 바와 같이, 발열 시스템(70)은 제2 실시 형태의 발열 시스템(50)의 각 부재에 더하여, 샘플링용 배관(72)과, 조정 밸브(73)와, TMP(74)와, DP(75)와, 분석부(76)와, 제어 장치(77)를 구비한다. 또한, 발열 시스템(70)에서는, 유량 제어부(41) 대신에 유량 제어부(78)를 구비한다. 발열 시스템(50)과 동일한 부재에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
샘플링용 배관(72)은 용기(6)에 형성된 회수구(71)와 접속되어 있다. 샘플링용 배관(72)에는 회수구(71)를 통해, 용기(6) 내로부터 수소계 가스가 유입된다. 샘플링용 배관(72)에는 용기(6)와의 접속측으로부터 순서대로, 조정 밸브(73), 분석부(76), TMP(74) 및 DP(75)가 마련되어 있다. 조정 밸브(73)는 샘플링용 배관(72)에 유입되는 수소계 가스의 유량을 조정한다. TMP(74)와 DP(75)는 샘플링용 배관(72) 내의 가스를 배기함으로써, 용기(6) 내의 수소계 가스를 샘플링용 배관(72)에 유입시킨다.
분석부(76)는 샘플링용 배관(72)에 유입된 수소계 가스의 분석을 행한다. 분석부(76)는, 예를 들어 수소계 가스에 포함되는 저해 물질을 분석한다. 저해 물질은 발열체 셀(2)의 발열 반응을 저해하는 가스(이하, 저해 가스라고 함)이고, 예를 들어 물(수증기), 탄화수소 등이다. 분석부(76)로서는, 예를 들어 질량 분석기가 사용되고, 본 실시 형태에서는 사중극형 질량 분석계가 사용된다. 분석부(76)는 저해 가스의 질량 분석을 행하고, 분석 결과로서, 예를 들어 저해 가스의 이온 전류, 또는 가스 분압을 출력한다. 분석부(76)는 분석 결과를 제어 장치(77)에 출력한다. 분석부(76)는, 본 실시 형태에서는 정기적으로 질량 분석을 행한다. 분석부(76)에 의해 질량 분석이 행해지는 타이밍은, 제어 장치(77)에 의해 설정 및 변경이 가능하게 되어 있다.
제어 장치(77)는 분석부(76)로부터 얻어진 분석 결과에 따라, 수소계 가스의 순환 유량을 제어하기 위한 순환 유량 제어 신호와, 히터(17)의 가열 온도를 제어하기 위한 가열 온도 제어 신호를 출력한다.
유량 제어부(78)는 제어 장치(77)가 출력한 순환 유량 제어 신호에 기초하여, 수소계 가스의 순환 유량의 제어를 행한다. 유량 제어부(78)는, 예를 들어 저해 가스의 이온 전류에 따라 수소계 가스의 순환 유량을 증감시킨다. 수소계 가스의 순환 유량의 증감에 의해, 과잉열의 출력과 용기(6) 내의 온도가 조정된다. 즉, 유량 제어부(78)는 분석부(76)에 의한 분석 결과에 따라 수소계 가스의 순환 유량을 제어함으로써, 과잉열의 출력 조정과, 용기(6) 내의 온도 조정을 행한다. 분석 결과에 따라 순환 유량이 제어됨으로써, 용기(6) 내로부터 저해 가스가 확실하게 배출되고, 또한 불순물 제거 후의 수소계 가스가 용기(6) 내로 복귀되므로, 용기(6) 내가 청정하게 유지된다.
가열 전원(25)은 제어 장치(77)가 출력한 가열 온도 제어 신호에 기초하여, 히터(17)의 가열 온도의 제어를 행한다. 즉, 가열 전원(25)은 분석부(76)에 의한 분석 결과에 따라 히터(17)의 가열 온도의 제어를 행한다. 가열 전원(25)은 수소계 가스의 순환 유량의 증가에 의한 용기(6) 내의 온도 저하를 억제하기 위해, 히터(17)의 가열 온도를 상승시킨다. 가열 전원(25)은, 예를 들어 저해 가스의 이온 전류와 히터(17)의 출력 설정값의 대응 관계를 미리 기억하고 있고, 분석부(76)에서 얻어진 이온 전류에 대응하는 출력 설정값을 사용하여, 히터(17)의 출력 조정을 행한다. 이로써, 발열체 셀(2)의 발열 반응이 지속되는 온도가 더 확실하게 유지된다.
이상의 구성에 있어서, 발열 시스템(70)에서는, 용기(6) 내로부터 샘플링한 수소계 가스에 포함되는 저해 가스의 질량 분석을 행하고, 그 분석 결과를, 수소계 가스의 순환 유량의 제어와 히터(17)의 가열 온도의 제어로 피드백시킨다. 이로써, 발열 시스템(70)에서는 용기(6) 내가 청정하게 유지되고, 또한 발열 반응이 지속되는 온도가 유지되므로, 과잉열의 출력이 더 확실하게 증대 및/또는 유지된다.
분석부(76)는 저해 가스의 질량 분석을 행하는 대신에, 수소계 가스에 포함되는 흡착성의 불순물 가스의 질량 분석을 행하고, 그 분석 결과를, 제어 장치(77)에 출력한다. 분석부(76)는 분석 결과로서, 예를 들어 불순물 가스의 농도를 출력한다. 이 경우, 유량 제어부(78)는 불순물 가스의 농도가 낮을수록, 수소계 가스의 순환 유량을 증가시킨다. 또한, 가열 전원(25)은 불순물 가스의 농도가 낮을수록, 히터(17)의 가열 온도를 상승시킨다.
제어 장치(77)는 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)에 의해 측정된 측정 온도에 따라 가열 온도 제어 신호를 출력해도 된다. 이 경우, 가열 전원(25)은 측정 온도가 낮을수록, 히터(17)의 가열 온도를 상승시킨다. 즉, 가열 전원(25)은 온도 측정부(20a, 20b, 21a, 21b, 21c)에 의한 측정 온도에 따라 히터(17)의 가열 온도의 제어를 행해도 된다.
샘플링용 배관(72), 조정 밸브(73), TMP(74), DP(75), 분석부(76), 및 제어 장치(77)는 제1 실시 형태의 발열 시스템(1)에 마련해도 된다.
토출구(39b)는 용기(6)의 측벽에 마련하는 대신에, 용기(6)의 저부에 마련해도 된다. 용기(6)의 저부에 토출구(39b)를 마련하는 경우는, 회수구(39a)를 용기(6)의 상부에 마련하는 것이 바람직하다. 이로써, 토출구(39b)로부터 토출된 불순물 제거 후의 수소계 가스가, 권회형 반응체의 배치 영역을 흘러, 회수구(39a)로 회수된다. 또한, 용기(6)의 저부에 토출구(39b)를 마련하는 경우는, 반응체(7)에 관통 구멍(7a)을 형성하지 않고, 통상의 반응체(7)의 저부측 개구에 배관부(52)를 통과시키는 것이 바람직하다.
1, 50, 70 : 발열 시스템
2 : 발열체 셀
3 : 순환 장치
4 : 열회수 장치
6 : 용기
7 : 반응체
8, 9, 56 : 권회형 반응체
12, 18 : 세선
17 : 히터
20a, 20b, 21a, 21b, 21c : 온도 측정부
40 : 순환 경로
41, 78 : 유량 제어부
42 : 펌프
43 : 필터
51, 57, 59 : 노즐부
54 : 분사부
76 : 분석부

Claims (10)

  1. 용기와, 상기 용기의 내부에 마련되고, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지고 그 표면에 복수의 금속 나노 입자가 형성된 반응체를 구비하고, 발열에 기여하는 수소계 가스가 상기 용기 내부에 공급됨으로써 상기 금속 나노 입자 내에 수소 원자가 흡장되어 과잉열을 발하는 발열체 셀과,
    상기 발열체 셀 내의 상기 수소계 가스를 순환시키는 순환 장치를 구비하고,
    상기 순환 장치는,
    상기 용기 밖에 마련되어, 상기 용기의 회수구로부터 상기 용기의 토출구까지를 연결하는 순환 경로와,
    상기 용기 내의 상기 수소계 가스를, 상기 순환 경로를 경유시켜 순환시키는 펌프와,
    상기 순환 경로의 도중에 마련되어, 상기 수소계 가스 내의 불순물을 흡착하여 제거하는 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순환 경로에는,
    상기 발열체 셀에 의한 과잉열에 의해 데워진 상기 수소계 가스로부터 열을 회수하는 열회수 장치가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필터는, 상기 불순물로서, 물, 탄화수소, C, S 및 Si를 적어도 흡착하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토출구와 상기 반응체 사이에 마련되어, 상기 필터를 통과한 불순물 제거 후의 상기 수소계 가스를 상기 반응체의 표면에 공급하는 노즐부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 노즐부는, 상기 불순물 제거 후의 상기 수소계 가스를 상기 반응체의 표면 전역에 공급하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노즐부는, 상기 반응체의 표면의 면 방향으로 배열된 복수의 분사부를 갖고,
    상기 복수의 분사부로부터 상기 불순물 제거 후의 상기 수소계 가스를 상기 반응체의 표면 전역에 공급하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환 장치는, 상기 수소계 가스의 순환 유량을 제어하는 유량 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용기 내부에 마련된 온도 측정부를 구비하고,
    상기 유량 제어부는, 상기 온도 측정부에 의한 측정 온도에 따라 상기 수소계 가스의 순환 유량을 제어함으로써, 상기 과잉열의 출력 조정과, 상기 용기 내의 온도 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 용기 내의 상기 수소계 가스를 분석하는 분석부를 구비하고,
    상기 유량 제어부는, 상기 분석부에 의한 분석 결과에 따라 상기 수소계 가스의 순환 유량을 제어함으로써, 상기 과잉열의 출력 조정과, 상기 용기 내의 온도 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응체를 가열하는 히터와,
    상기 분석부에 의한 분석 결과에 따라 상기 히터의 가열 온도의 제어를 행하는 가열 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 발열 시스템.
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