KR20210100160A - 열 이용 시스템 및 발열 장치 - Google Patents
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- F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
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Abstract
저렴하고, 클린하고, 안전한 열 에너지원을 이용한 신규의 열 이용 시스템 및 발열 장치를 제공한다. 열 이용 시스템(10)은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기(15)와, 밀폐 용기(15)에 수용되어 있고, 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 갖는 발열 구조체(20)와, 발열체의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하는 열 이용 장치(12)를 구비한다. 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 받침대에 마련된 다층막을 갖는다. 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
Description
본 발명은 열 이용 시스템 및 발열 장치에 관한 것이다.
근년, 수소 흡장 금속 등을 사용하여 수소의 흡장과 방출을 행함으로써 열이 발생하는 발열 현상이 보고되어 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 수소는, 물로부터 생성할 수 있기 때문에, 자원으로서는 무진장하고 저렴하며, 또한, 이산화탄소 등의 온실 가스를 발생시키지 않으므로 클린한 에너지로 되어 있다. 또한, 수소 흡장 금속 등을 사용한 발열 현상은, 핵분열 반응과는 달리, 연쇄 반응이 없으므로 안전하게 되어 있다. 수소의 흡장과 방출에 의해 발생하는 열은, 그대로 열로서 이용하는 외에도, 전력으로 변환하여 이용할 수도 있으므로, 유효한 열 에너지원으로서 기대된다.
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
그러나, 열 에너지원의 주류는 여전히 화력 발전이나 원자력 발전이다. 따라서, 환경 문제나 에너지 문제의 관점에서, 저렴하고, 클린하고, 안전한 열 에너지원을 이용하는, 종래에 없는 신규의 열 이용 시스템 및 발열 장치가 요망되고 있다.
따라서, 본 발명은 저렴하고, 클린하고, 안전한 열 에너지원을 이용한 신규의 열 이용 시스템 및 발열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 열 이용 시스템은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 갖는 발열 구조체와, 상기 발열체의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하는 열 이용 장치를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
본 발명의 발열 장치는, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 복수의 발열체가 방사상으로 배치된 발열 구조체를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
본 발명의 다른 열 이용 시스템은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 갖는 발열 구조체와, 연료와 연소용 공기를 연소시켜서 열을 발생시키는 연소 장치와, 상기 발열체의 열을 이용하여 상기 연소용 공기를 예열하는 열 이용 장치를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
본 발명에 따르면, 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 열 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 열 이용 시스템의 개략도이다.
도 2는 발열 모듈의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 3은 발열 모듈의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 제1 층과 제2 층을 갖는 발열체의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 과잉열의 발생을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 제1 층과 제2 층과 제3 층을 갖는 발열체의 단면도이다.
도 7은 제1 층과 제2 층과 제3 층과 제4 층을 갖는 발열체의 단면도이다.
도 8은 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 다층막의 적층수와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 다층막의 재료와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 발열체의 배치의 일례를 설명하기 위한 설명도이다.
도 12는 통 형상의 발열체를 도시하는 개략도이다.
도 13은 소권(疎卷)으로 권회한 와권상의 발열체를 도시하는 개략도이다.
도 14는 열 이용 장치의 일례를 설명하기 위한 설명도이다.
도 15는 제2 실시 형태의 열 이용 시스템을 구비하는 화력 발전 플랜트의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 16은 발열 장치와 열 이용 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 17은 수소계 가스의 공급과 배기를 반복하여 행하도록 구성된 발열 장치를 설명하기 위한 설명도이다.
도 18은 연소용 공기를 순환시키도록 구성된 열 이용 시스템을 설명하기 위한 설명도이다.
도 19는 제3 실시 형태의 열 이용 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 20은 이산화탄소 분리 회수 장치의 구성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 21은 제4 실시 형태의 열 이용 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 22는 핀을 갖는 밀폐 용기의 사시도이다.
도 23은 핀을 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향으로 절단한 단면도이다.
도 24는 핀을 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
도 25는 전열 지지부를 갖는 밀폐 용기의 단면도이다.
도 26은 전열 지지부를 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향으로 절단한 단면도이다.
도 27은 평판형의 발열체 유닛을 두께 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
도 28은 평판형의 발열체 유닛을 두께 방향으로 절단한 단면도이다.
도 29는 평판형의 발열체 유닛을 격납 용기에 격납한 상태를 도시하는 설명도이다.
도 30은 복수의 리브에 의해 형성된 핀을 갖는 밀폐 용기의 평면도이다.
도 31은 복수의 리브에 의해 형성된 핀을 갖는 밀폐 용기의 측면도이다.
도 2는 발열 모듈의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 3은 발열 모듈의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 제1 층과 제2 층을 갖는 발열체의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 과잉열의 발생을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 제1 층과 제2 층과 제3 층을 갖는 발열체의 단면도이다.
도 7은 제1 층과 제2 층과 제3 층과 제4 층을 갖는 발열체의 단면도이다.
도 8은 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 다층막의 적층수와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 다층막의 재료와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 발열체의 배치의 일례를 설명하기 위한 설명도이다.
도 12는 통 형상의 발열체를 도시하는 개략도이다.
도 13은 소권(疎卷)으로 권회한 와권상의 발열체를 도시하는 개략도이다.
도 14는 열 이용 장치의 일례를 설명하기 위한 설명도이다.
도 15는 제2 실시 형태의 열 이용 시스템을 구비하는 화력 발전 플랜트의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 16은 발열 장치와 열 이용 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 17은 수소계 가스의 공급과 배기를 반복하여 행하도록 구성된 발열 장치를 설명하기 위한 설명도이다.
도 18은 연소용 공기를 순환시키도록 구성된 열 이용 시스템을 설명하기 위한 설명도이다.
도 19는 제3 실시 형태의 열 이용 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 20은 이산화탄소 분리 회수 장치의 구성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 21은 제4 실시 형태의 열 이용 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 22는 핀을 갖는 밀폐 용기의 사시도이다.
도 23은 핀을 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향으로 절단한 단면도이다.
도 24는 핀을 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
도 25는 전열 지지부를 갖는 밀폐 용기의 단면도이다.
도 26은 전열 지지부를 갖는 밀폐 용기의 용기 본체를 직경 방향으로 절단한 단면도이다.
도 27은 평판형의 발열체 유닛을 두께 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
도 28은 평판형의 발열체 유닛을 두께 방향으로 절단한 단면도이다.
도 29는 평판형의 발열체 유닛을 격납 용기에 격납한 상태를 도시하는 설명도이다.
도 30은 복수의 리브에 의해 형성된 핀을 갖는 밀폐 용기의 평면도이다.
도 31은 복수의 리브에 의해 형성된 핀을 갖는 밀폐 용기의 측면도이다.
1. 제1 실시 형태
도 1에 도시한 바와 같이, 열 이용 시스템(10)은, 발열 장치(11)와 열 이용 장치(12)를 구비한다. 열 이용 시스템(10)은, 후술하는 열 매체를 발열 장치(11)가 발생시키는 열에 의해 가열하고, 가열된 열 매체를 열원으로 하여 열 이용 장치(12)를 작동시킨다.
발열 장치(11)는, 밀폐 용기(15)와, 가스 배기부(16)와, 가스 공급부(17)와, 발열 모듈(18)과, 제어부(19)를 구비한다.
밀폐 용기(15)는, 중공의 용기이며, 내부에 발열 모듈(18)을 수용한다. 밀폐 용기(15)는, 예를 들어 스테인리스 등으로 형성된다. 밀폐 용기(15)는, 후술하는 배기용 배관(16b)과 접속하는 배기구(15a)와, 후술하는 공급용 배관(17b)과 접속하는 공급구(15b)를 갖는다. 밀폐 용기(15)는, 예를 들어, 통 형상으로 형성된 용기 본체(도시 없음)와, 용기 본체의 상단에 마련된 상부 덮개(도시 없음)와, 용기 본체의 하단에 마련된 하부 덮개(도시 없음)에 의해 형성되어 있다. 이 예에서는, 배기구(15a)는 상부 덮개에 형성되고, 공급구(15b)는 하부 덮개에 형성되어 있다. 용기 본체와 상부 덮개와 하부 덮개의 내면에 의해, 밀폐 용기(15)의 내부에 공간이 형성된다. 밀폐 용기(15)에는, 공급용 배관(17b)과 공급구(15b)를 통하여 후술하는 수소계 가스가 공급된다.
가스 배기부(16)는, 밀폐 용기(15)의 내부를 진공 배기한다. 가스 배기부(16)는, 진공 펌프(16a)와, 배기용 배관(16b)과, 배기용 밸브(16c)를 갖는다. 진공 펌프(16a)는, 예를 들어, 터보 분자 펌프와 드라이 펌프에 의해 형성된다. 배기용 배관(16b)은, 진공 펌프(16a)와 밀폐 용기(15)를 접속한다. 배기용 배관(16b)은, 밀폐 용기(15)의 내부 가스를 진공 펌프(16a)에 유통시킨다. 배기용 밸브(16c)는, 배기용 배관(16b)에 마련된다. 배기용 밸브(16c)는, 배기용 배관(16b)에서 유통하는 가스의 유량을 조정한다. 진공 펌프(16a)와 배기용 밸브(16c)는, 제어부(19)와 전기적으로 접속되어 있다. 가스 배기부(16)의 배기 속도는, 예를 들어 터보 분자 펌프의 회전수를 조정함으로써 제어 가능하게 되어 있다.
가스 공급부(17)는, 밀폐 용기(15)의 내부에 수소계 가스를 공급한다. 가스 공급부(17)는, 가스봄베(17a)와, 공급용 배관(17b)과, 공급용 밸브(17c)를 갖는다. 가스봄베(17a)는, 수소계 가스를 고압으로 저장하는 용기이다. 공급용 배관(17b)은, 가스봄베(17a)와 밀폐 용기(15)를 접속한다. 공급용 배관(17b)은, 가스봄베(17a)에 저장된 수소계 가스를 밀폐 용기(15)에 유통시킨다. 공급용 밸브(17c)는, 공급용 배관(17b)에 마련된다. 공급용 밸브(17c)는, 공급용 배관(17b)에서 유통하는 수소계 가스의 유량을 조정한다. 공급용 밸브(17c)는, 제어부(19)와 전기적으로 접속되어 있다. 수소계 가스는, 수소의 동위체를 포함하는 가스이다. 수소계 가스로서는, 중수소 가스와 경수소 가스의 적어도 어느 것이 사용된다. 경수소 가스는, 천연에 존재하는 경수소와 중수소의 혼합물, 즉, 경수소의 존재비가 99.985％이며, 중수소의 존재비가 0.015％인 혼합물을 포함한다. 이후의 설명에 있어서, 경수소와 중수소를 구별하지 않는 경우에는 「수소」라고 기재한다.
발열 모듈(18)은, 밀폐 용기(15)에 수용되어 있다. 발열 모듈(18)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 포함하는 발열 구조체(20)와, 발열 구조체(20)를 가열하는 히터(21)를 갖고, 발열 구조체(20)가 수소계 가스에 포함되는 수소를 흡장시키고, 히터(21)에 의해 가열됨으로써, 히터(21)의 가열 온도 이상의 열(이하, 과잉열이라고 칭한다)을 발생시킨다. 발열 모듈(18)은, 과잉열에 의해, 후술하는 열 매체를 예를 들어 50℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내의 온도로 한다. 이 예에서는, 발열 모듈(18)은, 열 매체를 1500℃로 가열한다. 발열 모듈(18)은, 발열 구조체(20)와 히터(21)를 각각 1개 이상 갖고 있으면 된다. 발열 모듈(18)은, 적어도 하나의 발열 구조체(20)와 적어도 하나의 히터(21)를 갖는 것이며, 발열 구조체(20)의 수 및 히터(21)의 수를 적절히 변경 가능하다. 본 실시 형태에서는, 발열 모듈(18)은, 3개의 발열 구조체(20)와 1개의 히터(21)를 갖는다. 발열 모듈(18)의 상세한 구조에 대해서는 다른 도면을 사용하여 후술한다.
발열 구조체(20)는, 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향으로 복수 배열되어 있다. 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서의 「수소계 가스가 흐르는 방향」이란, 수소계 가스의 주류가 흐르는 방향이며, 예를 들어, 밀폐 용기(15)의 공급구(15b)로부터 배기구(15a)를 향하는 방향, 즉 밀폐 용기(15)의 하방으로부터 상방으로 향하는 방향이다. 각 발열 구조체(20)는, 서로 간극을 두고 배치되어 있다.
발열 구조체(20)에는 온도 센서(22)(도 1 및 도 3 참조)가 마련되어 있다. 온도 센서(22)는, 각 발열 구조체(20)에 마련되어 있다. 온도 센서(22)는, 대응하는 발열 구조체(20)의 온도를 검출한다. 3개의 발열 구조체(20) 중, 하단의 발열 구조체(20)는, 공급구(15b)로부터 공급되는 열 매체와 접촉하므로, 가장 저온으로 된다. 중단의 발열 구조체(20)는, 하단의 발열 구조체(20)를 통과함으로써 가열된 열 매체와 접촉하므로, 하단의 발열 구조체(20)보다도 고온으로 된다. 상단의 발열 구조체(20)는, 중단의 발열 구조체(20)를 통과함으로써 더 가열된 열 매체와 접촉하므로, 중단의 발열 구조체(20)보다도 고온으로 된다. 즉, 각 단의 발열 구조체(20)는, 하단, 중단, 상단의 순으로, 저온, 중온, 고온으로 된다. 온도 센서(22)로서는, 예를 들어 열전대가 사용된다. 온도 센서(22)는, 제어부(19)와 전기적으로 접속되어 있어, 검출한 온도에 대응하는 신호를 제어부(19)로 출력한다.
히터(21)는, 통 형상으로 형성된 전기로이다. 이 예에서는, 히터(21)는, 원통 형상으로 형성되어 있다. 히터(21)의 내면에 의해 형성되는 공간에는 각 발열 구조체(20)가 배치된다. 히터(21)는, 전원(23)과 접속하고 있고, 전원(23)으로부터 전력이 입력됨으로써 구동한다. 전원(23)은, 제어부(19)와 전기적으로 접속되어 있다. 히터(21)의 가열 온도는, 예를 들어, 300℃ 이상인 것이 바람직하고, 500℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 600℃ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
히터(21)에는 온도 센서(24)가 마련되어 있다. 온도 센서(24)는, 히터(21)의 온도를 검출한다. 온도 센서(24)로서는, 예를 들어 열전대가 사용된다. 온도 센서(24)는, 제어부(19)와 전기적으로 접속되어 있어, 검출한 온도에 대응하는 신호를 제어부(19)로 출력한다.
제어부(19)는, 열 이용 시스템(10)의 각 부의 동작을 제어한다. 제어부(19)는, 예를 들어, 연산 장치(Central Processing Unit), 판독 전용 메모리(Read Only Memory)나 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory) 등의 기억부 등을 주로 구비하고 있다. 연산 장치에서는, 예를 들어, 기억부에 저장된 프로그램이나 데이터 등을 사용하여 각종 연산 처리를 실행한다.
제어부(19)는, 진공 펌프(16a), 배기용 밸브(16c), 공급용 밸브(17c), 전원(23), 온도 센서(24), 온도 센서(22)와 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(19)는, 예를 들어, 온도 센서(22)에 의해 검출되는 발열 구조체(20)의 온도에 기초하여, 히터(21)의 입력 전력, 수소계 가스의 공급량, 밀폐 용기(15)의 압력 등을 조정함으로써, 과잉열의 출력의 제어를 행한다.
발열 장치(11)는, 밀폐 용기(15)의 내부에의 수소계 가스의 공급을 행함으로써 수소계 가스에 포함되는 수소를 발열 구조체(20)에 흡장시킨다. 또한, 발열 장치(11)는, 밀폐 용기(15)의 내부의 진공 배기와 발열 구조체(20)의 가열을 행함으로써 발열 구조체(20)에 흡장되어 있는 수소를 방출시킨다. 이와 같이, 발열 장치(11)는, 발열 구조체(20)에 있어서 수소의 흡장과 방출을 행함으로써, 과잉열을 발생시킨다. 즉, 발열 장치(11)를 사용한 발열 방법은, 밀폐 용기(15)의 내부에의 수소계 가스의 공급을 행함으로써 수소계 가스에 포함되는 수소를 발열 구조체(20)에 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 밀폐 용기(15)의 내부의 진공 배기와 발열 구조체(20)의 가열을 행함으로써 발열 구조체(20)에 흡장되어 있는 수소를 방출시키는 수소 방출 공정을 갖는다. 실제로는, 수소 흡장 공정과 수소 방출 공정이 반복하여 행하여진다. 또한, 수소 흡장 공정에서는, 밀폐 용기(15)의 내부에의 수소계 가스의 공급을 행하기 전에, 발열 구조체(20)의 가열을 행함으로써, 발열 구조체(20)에 부착되어 있는 물 등을 제거해도 된다. 수소 방출 공정에서는, 예를 들어 밀폐 용기(15)의 내부에의 수소계 가스의 공급을 정지한 후, 진공 배기와 가열이 행하여진다.
열 이용 장치(12)는, 발열 구조체(20)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용한다. 열 매체로서는, 기체 또는 액체를 사용할 수 있고, 열전도율이 우수하고 또한 화학적으로 안정적인 것이 바람직하다. 기체로서는, 예를 들어, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스, 질소 가스, 수증기, 공기, 이산화탄소 등이 사용된다. 액체로서는, 예를 들어, 물, 용융염(KNO3(40％)-NaNO3(60％) 등), 액체 금속(Pb 등) 등이 사용된다. 또한, 열 매체로서, 기체 또는 액체에 고체 입자를 분산시킨 혼상의 열 매체를 사용해도 된다. 고체 입자는, 금속, 금속 화합물, 합금, 세라믹스 등이다. 금속으로서는, 구리, 니켈, 티타늄, 코발트 등이 사용된다. 금속 화합물로서는, 상기 금속의 산화물, 질화물, 규화물 등이 사용된다. 합금으로서는, 스테인리스, 크롬몰리브덴강 등이 사용된다. 세라믹스로서는, 알루미나 등이 사용된다. 이 예에서는, 열 매체로서 헬륨 가스가 사용된다.
열 이용 장치(12)는, 격납 용기(31)와, 열 매체 유통부(32)와, 가스 터빈(33)과, 증기 발생기(34)와, 증기 터빈(35)과, 스털링 엔진(36)과, 열전 변환기(37)를 구비한다. 열 이용 장치(12)는, 도 1에서는, 가스 터빈(33), 증기 발생기(34), 증기 터빈(35), 스털링 엔진(36), 및 열전 변환기(37)를 갖고 있지만, 이들을 임의로 조합하여 구성해도 된다.
격납 용기(31)는, 중공의 용기이며, 내부에 발열 장치(11)의 밀폐 용기(15)를 격납한다. 격납 용기(31)는, 예를 들어 세라믹스, 스테인리스 등에 의해 형성된다. 격납 용기(31)의 재료는, 단열성이 우수한 것이 바람직하다. 격납 용기(31)는, 열 매체가 유출되는 유출구(31a)와, 열 매체가 유입하는 유입구(31b)를 갖는다. 유입구(31b)로부터 유입된 열 매체는, 격납 용기(31)의 내면과 밀폐 용기(15)의 외면에 의해 형성된 간극을 통과하여, 유출구(31a)로부터 유출된다.
열 매체 유통부(32)는, 격납 용기(31)의 내부와 외부 사이에서 열 매체를 유통시킨다. 열 매체 유통부(32)는, 본 실시 형태에서는, 격납 용기(31)와 가스 터빈(33)을 접속하는 제1 배관(32a)과, 가스 터빈(33)과 증기 발생기(34)를 접속하는 제2 배관(32b)과, 증기 발생기(34)와 스털링 엔진(36)을 접속하는 제3 배관(32c)과, 스털링 엔진(36)과 격납 용기(31)를 접속하는 제4 배관(32d)과, 격납 용기(31)로부터 제1 배관(32a)에 열 매체를 유출시키는 펌프(32e)와, 격납 용기(31)로부터 제1 배관(32a)으로 유출되는 열 매체의 유량을 조정하는 열 매체 유량 제어부(32f)를 갖는다. 펌프(32e)와 열 매체 유량 제어부(32f)는, 이 예에서는 제1 배관(32a)에 마련되어 있다. 펌프(32e)로서는, 예를 들어 메탈 벨로우즈 펌프가 사용된다. 열 매체 유량 제어부(32f)는, 조정 밸브로서 예를 들어 배리어블 누출 밸브를 갖는다.
격납 용기(31)로부터 유출된 열 매체는, 제1 배관(32a), 제2 배관(32b), 제3 배관(32c), 제4 배관(32d)의 순으로 흘러서, 격납 용기(31)로 되돌아간다. 즉, 열 매체 유통부(32)는, 격납 용기(31)의 내부와 외부 사이에서 열 매체가 순환하는 열 매체 순환 라인으로서 기능한다. 격납 용기(31)의 내부에서 발열 장치(11)에 의해 가열된 열 매체는, 열 매체 순환 라인으로서의 열 매체 유통부(32)에 흘러, 가스 터빈(33), 증기 발생기(34), 스털링 엔진(36), 열전 변환기(37)를 차례로 거쳐서 냉각된다. 냉각된 열 매체는, 격납 용기(31)에 유입되어, 발열 장치(11)에 의해 다시 가열된다.
가스 터빈(33)은, 격납 용기(31)로부터 유출된 열 매체에 의해 구동한다. 가스 터빈(33)에 공급되는 열 매체의 온도는, 예를 들어, 600℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 가스 터빈(33)은, 압축기(33a)와 터빈(33b)을 갖는다. 압축기(33a)와 터빈(33b)은, 도시하지 않은 회전축에 의해 연결되어 있다. 압축기(33a)는, 발열 구조체(20)에 의해 가열된 헬륨 가스를 압축함으로써, 고온 또한 고압의 열 매체를 생성한다. 터빈(33b)은, 압축기(33a)를 통과한 열 매체에 의해, 회전축을 중심으로 하여 회전한다.
가스 터빈(33)은, 발전기(38)와 접속하고 있다. 발전기(38)는, 가스 터빈(33)의 회전축과 연결되어 있어, 터빈(33b)이 회전함으로써 발전을 행한다.
증기 발생기(34)는, 가스 터빈(33)으로부터 유출된 열 매체의 열에 의해 증기를 발생시킨다. 증기 발생기(34)는, 내부 배관(34a)과 열교환부(34b)를 갖는다. 내부 배관(34a)은, 제2 배관(32b)과 제3 배관(32c)을 접속하고, 열 매체를 유통시킨다. 열교환부(34b)는, 보일러수가 유통하는 배관에 의해 형성되어 있고, 이 배관에서 유통하는 보일러수와 내부 배관(34a)에서 유통하는 열 매체 간에 열교환을 행한다. 이 열교환에 의해, 증기 발생기(34)는, 보일러수로부터 증기를 생성한다.
증기 발생기(34)는, 증기 배관(34c) 및 급수 배관(34d)을 통하여, 증기 터빈(35)과 접속하고 있다. 증기 배관(34c)은, 열교환부(34b)에서 발생한 증기를 증기 터빈(35)에 공급한다. 급수 배관(34d)은, 도시하지 않은 복수기와 급수 펌프를 갖고, 증기 터빈(35)으로부터 배출된 증기를 복수기에 의해 냉각하여 보일러수로 되돌리고, 이 보일러수를 급수 펌프에 의해 열교환부(34b)로 보낸다.
증기 터빈(35)은, 증기 발생기(34)에서 발생한 증기에 의해 구동한다. 증기 터빈(35)에 공급되는 증기의 온도는, 예를 들어 300℃ 이상 700℃ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 증기 터빈(35)은, 도시하지 않은 회전축을 갖고, 이 회전축을 중심으로 하여 회전한다.
증기 터빈(35)은, 발전기(39)와 접속하고 있다. 발전기(39)는, 증기 터빈(35)의 회전축과 연결되어 있어, 증기 터빈(35)이 회전함으로써 발전을 행한다.
스털링 엔진(36)은, 증기 발생기(34)로부터 유출된 열 매체에 의해 구동한다. 스털링 엔진(36)에 공급되는 열 매체의 온도는, 예를 들어, 300℃ 이상 1000℃ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 스털링 엔진(36)은, 이 예에서는, 디스플레이서형 스털링 엔진이다. 스털링 엔진(36)은, 실린더부(36a)와, 디스플레이서 피스톤(36b)과, 파워 피스톤(36c)과, 유로(36d)와, 크랭크부(36e)를 갖는다.
실린더부(36a)는, 통 형상으로 형성되어 있고, 일단부가 폐색되고, 타단부가 개구되어 있다. 디스플레이서 피스톤(36b)은, 실린더부(36a)의 내부에 배치되어 있다. 파워 피스톤(36c)은, 실린더부(36a)의 내부에 있어서, 디스플레이서 피스톤(36b)보다도 타단부측에 배치되어 있다. 디스플레이서 피스톤(36b)과 파워 피스톤(36c)은, 실린더부(36a)의 축방향으로 왕복 이동 가능하게 마련되어 있다.
실린더부(36a)의 내부에는, 디스플레이서 피스톤(36b)에 의해 칸막이된 팽창 공간(42)과 압축 공간(43)이 마련되어 있다. 팽창 공간(42)은, 압축 공간(43)보다도, 실린더부(36a)의 일단부측에 마련된다. 팽창 공간(42)과 압축 공간(43)에는 작동 유체가 봉입되어 있다. 작동 유체로서는, 헬륨 가스, 수소계 가스, 공기 등이 사용된다. 이 예에서는, 작동 유체로서 헬륨 가스가 사용된다.
유로(36d)는, 실린더부(36a)의 외부에 마련되어 있고, 팽창 공간(42)과 압축 공간(43)을 접속한다. 유로(36d)는, 팽창 공간(42)과 압축 공간(43) 사이에서 작동 유체를 유통시킨다.
유로(36d)는, 고온부(45)와, 저온부(46)와, 재생기(47)를 갖는다. 팽창 공간(42)의 작동 유체는, 고온부(45), 재생기(47), 저온부(46)를 차례로 통과하여, 압축 공간(43)에 유입된다. 압축 공간(43)의 작동 유체는, 저온부(46), 재생기(47), 고온부(45)를 차례로 통과하여, 팽창 공간(42)에 유입된다.
고온부(45)는, 작동 유체를 가열하기 위한 열교환기이다. 고온부(45)의 외부에는 전열관(48)이 마련되어 있다. 전열관(48)은, 제3 배관(32c)과 제4 배관(32d)을 접속하고, 제3 배관(32c)으로부터 제4 배관(32d)으로 열 매체를 유통시킨다. 제3 배관(32c)으로부터 전열관(48)으로 열 매체가 흐름으로써, 열 매체의 열이 고온부(45)에 전달되어, 고온부(45)를 통과하는 작동 유체가 가열된다.
저온부(46)는, 작동 유체를 냉각하기 위한 열교환기이다. 저온부(46)의 외부에는 냉각관(49)이 마련되어 있다. 냉각관(49)은, 도시하지 않은 냉각 매체 공급부와 접속한다. 냉각관(49)은, 냉각 매체 공급부로부터 공급되는 냉각 매체를 유통시킨다. 냉각관(49)에 냉각 매체가 흐름으로써, 저온부(46)를 통과하는 작동 유체의 열이 냉각 매체에 빼앗겨서, 작동 유체가 냉각된다. 냉각 매체는, 예를 들어 물이다.
재생기(47)는, 축열용의 열교환기이다. 재생기(47)는, 고온부(45)와 저온부(46) 사이에 마련된다. 재생기(47)는, 작동 유체가 팽창 공간(42)으로부터 압축 공간(43)으로 이동할 때에 고온부(45)를 통과한 작동 유체로부터 열을 수취하여 축적한다. 또한, 재생기(47)는, 작동 유체가 압축 공간(43)으로부터 팽창 공간(42)으로 이동할 때에 저온부(46)를 통과한 작동 유체에 대하여, 축적한 열을 부여한다.
크랭크부(36e)는, 실린더부(36a)의 타단부에 마련된다. 크랭크부(36e)는, 예를 들어, 크랭크 케이스에 회전 가능하게 지지된 크랭크 샤프트, 디스플레이서 피스톤(36b)과 접속하는 로드, 파워 피스톤(36c)과 접속하는 로드, 각 로드와 크랭크 샤프트를 연결하는 연결 부재 등을 갖고, 디스플레이서 피스톤(36b)과 파워 피스톤(36c)의 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환한다.
스털링 엔진(36)은 발전기(40)와 접속되어 있다. 발전기(40)는, 스털링 엔진(36)의 크랭크 샤프트와 연결되어 있어, 크랭크 샤프트가 회전함으로써 발전을 행한다.
열전 변환기(37)는, 제벡 효과를 이용하여, 제4 배관(32d)에서 유통하는 열 매체의 열을 전력으로 변환한다. 열전 변환기(37)는, 예를 들어 300℃ 이하의 열 매체에 의해 전력을 발생시킨다. 열전 변환기(37)는, 통 형상으로 형성되어 있고, 제4 배관(32d)의 외주를 덮도록 마련되어 있다.
열전 변환기(37)는, 내면에 마련된 열전 변환 모듈(37a)과, 외면에 마련된 냉각부(37b)를 갖는다. 열전 변환 모듈(37a)은, 제4 배관(32d)과 대향하는 수열 기판, 수열 기판에 마련된 수열측 전극, 냉각부(37b)와 대향하는 방열 기판, 방열 기판에 마련된 방열측 전극, p형 반도체에 의해 형성된 p형 열전 소자, n형 반도체에 의해 형성된 n형 열전 소자 등을 갖는다. 이 예에서는, 열전 변환 모듈(37a)은, p형 열전 소자와 n형 열전 소자가 교호로 배열되고, 인접하는 p형 열전 소자와 n형 열전 소자가 수열측 전극 및 방열측 전극에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 열전 변환 모듈(37a)은, 일단부에 배치된 p형 열전 소자와 타단부에 배치된 n형 열전 소자에 대하여 방열측 전극을 통하여 리드가 전기적으로 접속되어 있다. 냉각부(37b)는, 예를 들어, 냉각수가 유통하는 배관에 의해 형성된다. 이에 의해, 열전 변환기(37)는, 내면과 외면 간에 발생하는 온도차에 따른 전력을 발생시킨다.
도 2 및 도 3을 사용하여, 발열 모듈(18)의 구조를 상세하게 설명한다. 발열 모듈(18)은, 발열 구조체(20)와 히터(21) 이외에, 노심관(50)과 축부(51)와 지지부(52)를 갖는다. 노심관(50)은, 통 형상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 노심관(50)은 원통 형상으로 되어 있다. 노심관(50)은, 예를 들어, 멀라이트나 알루미나 등으로 형성된다. 노심관(50)은, 히터(21)의 내면에 의해 형성된 공간에 마련되어 있다. 노심관(50)의 내부에는 발열 구조체(20)가 마련되어 있다.
축부(51)는, 통 형상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 축부(51)는 원통 형상으로 되어 있다. 축부(51)는, 예를 들어, 일단부가 밀폐 용기(15)의 상부 덮개에 고정되고, 타단부가 밀폐 용기(15)의 하부 덮개에 고정된다. 축부(51)의 내부에는 온도 센서(22)가 마련되어 있다(도 1 및 도 3 참조).
지지부(52)는, 통 형상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 지지부(52)는 원통 형상으로 되어 있다. 지지부(52)의 내부에는 축부(51)가 삽입된다. 본 실시 형태에서는, 축부(51)의 길이 방향(축방향)을 따라, 4개의 지지부(52)가 등간격으로 배치되어 있다. 각 지지부(52)는, 나사(53)를 사용하여 축부(51)에 고정된다. 지지부(52)는, 발열 구조체(20)를 지지한다. 지지부(52)를 통하여 발열 구조체(20)가 축부(51)에 고정된다.
발열 구조체(20)는, 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체(55)와, 발열체(55)를 보유 지지하는 홀더(56)와, 외측 프레임을 형성하는 프레임(57)을 갖는다. 발열 구조체(20)는, 적어도 하나의 발열체(55)를 갖는 것이며, 발열체(55)의 수를 적절히 변경 가능하다.
발열체(55)는, 판상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 발열체(55)는 사각 형상으로 되어 있다. 발열체(55)는, 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향을 따라서 기립하여 배치된다. 이에 의해, 예를 들어 발열 구조체(20)에 흡장되어 있는 수소를 방출시킬 때, 밀폐 용기(15)의 내부의 수소계 가스는, 발열체(55)에 차단되는 일 없이, 공급구(15b)로부터 배기구(15a)에 원활하게 흐른다.
발열체(55)는, 본 실시 형태에서는, 축부(51)를 중심으로 하여, 방사상으로 복수 배치되어 있다. 이 예에서는, 16매의 발열체(55)가 사용되고 있다. 복수의 발열체(55)는, 히터(21)의 열과, 인접하는 발열체(55)의 열에 의해 가열된다. 이 결과, 소정의 온도를 유지하는 데 필요한 히터(21)의 입력 전원을 저감시킬 수 있다. 발열체(55)의 상세한 구조에 대해서는 다른 도면을 사용하여 후술한다.
홀더(56)는, 길이 방향을 갖는 막대 형상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 홀더(56)는 사각 막대 형상으로 되어 있다. 홀더(56)는, 그 길이 방향이 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향과 직교하도록 배치된다. 본 실시 형태에서는, 복수의 홀더(56)가 축부(51)를 중심으로 하여 방사상으로 배치되어 있다. 홀더(56)의 길이 방향에 있어서의 일단부는, 타단부보다도, 축부(51)로부터 이격된 위치에 배치된다.
홀더(56)의 표면에는, 홀더(56)의 긴 방향으로 연장하는 홈(60)이 형성되어 있다. 홈(60)에는 발열체(55)의 테두리 부분이 삽입된다. 이 예에서는, 홈(60)은, 홀더(56)의 타단부부터 일단부에 이르기까지의 도중의 부분에 형성되어 있다. 즉, 홈(60)은, 홀더(56)의 길이 방향으로 관통하고 있지 않고, 홀더(56)의 일단부측이 막다른 상태로 되어 있다. 이 때문에, 홈(60)에 삽입된 발열체(55)는, 홀더(56)의 일단부측으로의 이동이 제한되어, 홀더(56)로부터 탈락하는 것이 방지된다.
본 실시 형태에서는, 밀폐 용기(15)의 내부에 흐르는 수소계 가스의 상류와 하류에 배치된 한 쌍의 홀더(56)에 의해 1매의 발열체(55)를 보유 지지한다. 이 예에서는, 16매의 발열체(55)를 보유 지지하기 위하여 16대의 홀더(56)가 사용되고 있다. 한 쌍의 홀더(56)는, 홈(60)이 형성된 면끼리가 대면하여 배치되어 있다.
프레임(57)은, 홀더(56)와 연결된다. 본 실시 형태에서는, 밀폐 용기(15)의 내부에 흐르는 수소계 가스의 상류와 하류에 배치된 한 쌍의 프레임(57)이, 한 쌍의 홀더(56)와 연결되어 있다. 프레임(57)은, 내측 프레임(57a)과 외측 프레임(57b)을 갖는다. 내측 프레임(57a)과 외측 프레임(57b)은, 나사(61)를 사용하여 홀더(56)와 연결된다.
내측 프레임(57a)은, 판상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 내측 프레임(57a)은 원판상으로 되어 있다. 내측 프레임(57a)의 중심에는, 축부(51)가 삽입되는 개구(62)가 형성되어 있다. 개구(62)는, 예를 들어 원형이다. 내측 프레임(57a)의 개구(62)의 직경은, 지지부(52)의 외경 이하로 되어 있다. 이 때문에, 내측 프레임(57a)은, 개구(62)에 축부(51)가 삽입된 상태에 있어서, 지지부(52)의 단부와 접촉하여, 축부(51)의 길이 방향으로의 이동이 제한된다.
외측 프레임(57b)은 프레임상으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 외측 프레임(57b)은 링상으로 되어 있다. 외측 프레임(57b)은, 내측 프레임(57a)보다도 축부(51)로부터 이격된 위치에 배치되어 있고, 내측 프레임(57a)과의 사이에 간극을 형성한다. 외측 프레임(57b)과 내측 프레임(57a) 사이에 형성된 간극에는 수소계 가스가 흐른다. 이에 의해, 밀폐 용기(15)의 내부의 수소계 가스는, 공급구(15b)로부터 배기구(15a)에 원활하게 흐른다. 내측 프레임(57a)과 외측 프레임(57b)에는, 수소계 가스를 보다 원활하게 흘리기 위한 개구를 형성해도 된다.
도 4를 사용하여 발열체(55)의 상세한 구조에 대하여 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 발열체(55)는, 받침대(66)와 다층막(67)을 갖는다.
받침대(66)는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된다. 수소 흡장 금속으로서는, 예를 들어, Ni, Pd, V, Nb, Ta, Ti 등이 사용된다. 수소 흡장 합금으로서는, 예를 들어, LaNi5, CaCu5, MgZn2, ZrNi2, ZrCr2, TiFe, TiCo, Mg2Ni, Mg2Cu 등이 사용된다. 프로톤 도전체로서는, 예를 들어, BaCeO3계(예를 들어 Ba(Ce0.95Y0.05)O3-6), SrCeO3계(예를 들어 Sr(Ce0.95Y0.05)O3-6), CaZrO3계(예를 들어 CaZr0.95Y0.05O3-α), SrZrO3계(예를 들어 SrZr0.9Y0.1O3-α), β Al2O3, β Ga2O3 등이 사용된다.
다층막(67)은, 받침대(66)에 마련된다. 도 4에서는 받침대(66)의 표면에만 다층막(67)이 마련되어 있지만, 다층막(67)은 받침대(66)의 양면에 마련해도 된다. 본 실시 형태에 있어서, 발열 구조체(20)는, 받침대(66)의 양면에 다층막(67)이 마련된 발열체(55)를 갖는다. 또한, 받침대(66)의 표면에만 다층막(67)이 마련된 발열체(55)에 의해 발열 구조체(20)를 형성하는 경우에는, 2매의 발열체(55)를, 서로 받침대(66)를 대면시켜서 배치하고, 한 쌍의 홀더(56)에 의해 보유 지지하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 발열 구조체(20)의 양면에 각 발열체(55)의 다층막(67)이 배치된다.
다층막(67)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되는 제1 층(71)과, 제1 층(71)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성되는 제2 층(72)에 의해 형성된다. 받침대(66)와 제1 층(71)과 제2 층(72) 사이에는, 후술하는 이종 물질 계면(73)이 형성된다. 도 4에서는, 다층막(67)은, 받침대(66)의 표면에, 제1 층(71)과 제2 층(72)이 이 순으로 교호로 적층되어 있다. 제1 층(71)과 제2 층(72)은, 각각 5층으로 되어 있다. 또한, 제1 층(71)과 제2 층(72)의 각 층의 층수는 적절히 변경해도 된다. 다층막(67)은, 받침대(66)의 표면에, 제2 층(72)과 제1 층(71)이 이 순으로 교호로 적층된 것이어도 된다. 다층막(67)은, 제1 층(71)과 제2 층(72)을 각각 1층 이상 갖고, 이종 물질 계면(73)이 1개 이상 형성되어 있으면 된다.
제1 층(71)은, 예를 들어, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중, 어느 것에 의해 형성된다. 제1 층(71)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상을 포함하는 합금인 것이 바람직하다. 제1 층(71)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
제2 층(72)은, 예를 들어, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중, 어느 것에 의해 형성된다. 제2 층(72)을 형성하는 합금이란, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상을 포함하는 합금인 것이 바람직하다. 제2 층(72)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
제1 층(71)과 제2 층(72)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(71)-제2 층(72)(제2 층(72)-제1 층(71))」으로서 나타내면, Pd-Ni, Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Fe, Ni-Mg, Ni-Co인 것이 바람직하다. 제2 층(72)을 세라믹스로 한 경우에는, 「제1 층(71)-제2 층(72)」이, Ni-SiC인 것이 바람직하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 이종 물질 계면(73)은 수소 원자를 투과시킨다. 도 5는, 면심입법 구조의 수소 흡장 금속에 의해 형성되는 제1 층(71) 및 제2 층(72)에 수소를 흡장시킨 후, 제1 층(71) 및 제2 층(72)을 가열했을 때에, 제1 층(71)에 있어서의 금속 격자 중의 수소 원자가, 이종 물질 계면(73)을 투과하여 제2 층(72)의 금속 격자 중으로 이동하는 모습을 도시한 개략도이다.
발열체(55)는, 밀폐 용기(15)에 수소계 가스가 공급됨으로써, 받침대(66) 및 다층막(67)에 의해 수소를 흡장시킨다. 발열체(55)는, 밀폐 용기(15)에의 수소계 가스의 공급이 정지되더라도, 받침대(66) 및 다층막(67)으로 수소를 흡장시킨 상태를 유지한다. 발열체(55)에서는, 히터(21)에 의해 가열이 개시되면, 받침대(66) 및 다층막(67)에 흡장되어 있는 수소가 방출되고, 다층막(67)의 내부를 호핑하면서 양자 확산한다. 수소는 가벼워, 어떤 물질 A와 물질 B의 수소가 차지하는 사이트(옥토헤드랄이나 테트라헤드랄 사이트)를 호핑하면서 양자 확산해 감을 알고 있다. 발열체(55)는, 진공 상태에서 히터(21)에 의해 가열이 행해짐으로써, 이종 물질 계면(73)을 수소가 양자 확산에 의해 투과하여, 히터(21)의 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킨다.
제1 층(71)의 두께와 제2 층(72)의 두께는, 각각 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 제1 층(71)과 제2 층(72)의 각 두께가 1000㎚ 이상이 되면, 수소가 다층막(67)을 투과하기 어려워진다. 또한, 제1 층(71)과 제2 층(72)의 각 두께가 1000㎚ 미만인 것에 의해, 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지할 수 있다. 제1 층(71)과 제2 층(72)의 각 두께는, 500㎚ 미만인 것이 보다 바람직하다. 제1 층(71)과 제2 층(72)의 각 두께가 500㎚ 미만인 것에 의해, 완전히 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지할 수 있다.
발열체(55)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 발열체(55)는, 판상의 받침대(66)를 준비하고, 증착 장치를 사용하여, 제1 층(71)이나 제2 층(72)으로 되는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 기상 상태로 하여, 응집이나 흡착에 의해 받침대(66) 상에 제1 층(71) 및 제2 층(72)을 교호로 성막함으로써 제조된다. 제1 층(71) 및 제2 층(72)을 진공 상태에서 연속적으로 성막하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(71) 및 제2 층(72) 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(73)만이 형성된다. 증착 장치로서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 물리적인 방법으로 증착시키는 물리 증착 장치가 사용된다. 물리 증착 장치로서는, 스퍼터링 장치, 진공 증착 장치, CVD(ChemicalVaporDeposition) 장치가 바람직하다. 또한, 전기 도금법에 의해 받침대(66) 상에 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 석출시켜, 제1 층(71) 및 제2 층(72)을 교호로 성막해도 된다.
발열체(55)는, 수소를 사용하여 발열하므로, 이산화탄소 등의 온실 가스를 발생시키지 않는다. 또한, 사용하는 수소는, 물로부터 생성할 수 있기 때문에 저렴하다. 또한, 발열체(55)의 발열은, 핵분열 반응과는 달리, 연쇄 반응이 없으므로 안전하게 되어 있다. 따라서, 열 이용 시스템(10) 및 발열 장치(11)는, 발열체(55)를 열 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
본 발명은 상기 제1 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경이 가능하다.
상기 제1 실시 형태에서는, 발열체(55)의 다층막(67)은 제1 층(71)과 제2 층(72)을 갖지만, 다층막(67)의 구조는 이것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 6에 도시하는 바와 같이, 발열체(75)에 있어서, 받침대(66)에 마련된 다층막(67)은, 제1 층(71)과 제2 층(72)에 추가로, 제3 층(77)을 더 갖는다. 제3 층(77)은, 제1 층(71) 및 제2 층(72)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성된다. 제3 층(77)의 두께는, 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 도 6에서는, 제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)은, 받침대(66)의 표면에, 제1 층(71), 제2 층(72), 제1 층(71), 제3 층(77)의 순으로 적층되어 있다. 또한, 제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)은, 받침대(66)의 표면에, 제1 층(71), 제3 층(77), 제1 층(71), 제2 층(72)의 순으로 적층되어도 된다. 즉, 다층막(67)은, 제2 층(72)과 제3 층(77) 사이에 제1 층(71)을 마련한 적층 구조로 되어 있다. 다층막(67)은, 제3 층(77)을 1층 이상 갖고 있으면 된다. 제1 층(71)과 제3 층(77) 사이에 형성되는 이종 물질 계면(78)은, 이종 물질 계면(73)과 마찬가지로, 수소 원자를 투과시킨다. 발열체(75)는, 발열체(55) 대신에 사용할 수 있다. 즉, 발열 구조체(20)는, 발열체(75)를 갖는 것이어도 된다.
제3 층(77)은, 예를 들어, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성된다. 제3 층(77)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상을 포함하는 합금인 것이 바람직하다. 제3 층(77)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
특히, 제3 층(77)은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(77)을 갖는 발열체(75)는, 수소의 흡장량이 증가하여, 이종 물질 계면(73, 78)을 투과하는 수소의 양이 증가하고, 과잉열의 고출력화가 도모된다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(77)은, 두께가 10㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다층막(67)은, 수소 원자를 용이하게 투과시킨다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(77)은, 완전한 막상으로 형성되지 않고, 아일랜드상으로 형성되어도 된다. 또한, 제1 층(71) 및 제3 층(77)은, 진공 상태에서 연속적으로 성막하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(71) 및 제3 층(77) 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(78)만이 형성된다.
제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(71)-제3 층(77)-제2 층(72)」으로서 나타내면, Pd-CaO-Ni, Pd-Y2O3-Ni, Pd-TiC-Ni, Pd-LaB6-Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-Y2O3-Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-LaB6-Cu, Ni-Co-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-Y2O3-Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-LaB6-Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-Y2O3-Fe, Ni-TiC-Fe, Ni-LaB6-Fe, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-Y2O3-Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-LaB6-Mg, Ni-CaO-Co, Ni-Y2O3-Co, Ni-TiC-Co, Ni-LaB6-Co, Ni-CaO-SiC, Ni-Y2O3-SiC, Ni-TiC-SiC, Ni-LaB6-SiC인 것이 바람직하다.
발열 구조체(20)는, 발열체(55) 또는 발열체(75) 대신에 도 7에 도시하는 발열체(80)를 갖는 것이어도 된다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 발열체(80)에 있어서, 받침대(66)에 마련된 다층막(67)은, 제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)에 추가로, 제4 층(82)을 더 갖는다. 제4 층(82)은, 제1 층(71), 제2 층(72) 및 제3 층(77)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성된다. 제4 층(82)의 두께는, 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 도 7에서는, 제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)과 제4 층(82)은, 받침대(66)의 표면에, 제1 층(71), 제2 층(72), 제1 층(71), 제3 층(77), 제1 층(71), 제4 층(82)의 순으로 적층되어 있다. 또한, 제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)과 제4 층(82)은, 받침대(66)의 표면에, 제1 층(71), 제4 층(82), 제1 층(71), 제3 층(77), 제1 층(71), 제2 층(72)의 순으로 적층해도 된다. 즉, 다층막(67)은, 제2 층(72), 제3 층(77), 제4 층(82)을 임의의 순서로 적층하고, 또한, 제2 층(72), 제3 층(77), 제4 층(82)의 각각의 사이에 제1 층(71)을 마련한 적층 구조로 되어 있다. 다층막(67)은, 제4 층(82)을 1층 이상 갖고 있으면 된다. 제1 층(71)과 제4 층(82) 사이에 형성되는 이종 물질 계면(83)은, 이종 물질 계면(73) 및 이종 물질 계면(78)과 마찬가지로, 수소 원자를 투과시킨다. 발열체(80)는, 발열체(55) 대신에 사용할 수 있다. 즉, 발열 구조체(20)는, 발열체(80)를 갖는 것이어도 된다.
제4 층(82)은, 예를 들어, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성된다. 제4 층(82)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상을 포함하는 합금인 것이 바람직하다. 제4 층(82)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
특히, 제4 층(82)은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(82)을 갖는 발열체(80)는, 수소의 흡장량이 증가하여, 이종 물질 계면(73, 78, 83)을 투과하는 수소의 양이 증가하고, 과잉열의 고출력화가 도모된다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(82)은, 두께가 10㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다층막(67)은, 수소 원자를 용이하게 투과시킨다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO의 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(82)은, 완전한 막상으로 형성되지 않고, 아일랜드상으로 형성되어도 된다. 또한, 제1 층(71) 및 제4 층(82)은, 진공 상태에서 연속적으로 성막하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(71) 및 제4 층(82) 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(83)만이 형성된다.
제1 층(71)과 제2 층(72)과 제3 층(77)과 제4 층(82)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(71)-제4 층(82)-제3 층(77)-제2 층(72)」으로서 나타내면, Ni-CaO-Cr-Fe, Ni-Y2O3-Cr-Fe, Ni-TiC-Cr-Fe, Ni-LaB6-Cr-Fe인 것이 바람직하다.
또한, 다층막(67)의 구성, 예를 들어, 각 층의 두께의 비율, 각 층의 층수, 재료는, 사용되는 온도에 따라서 적절히 변경해도 된다. 이하, 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」, 「다층막의 적층수와 과잉열의 관계」, 및 「다층막의 재료와 과잉열의 관계」에 대하여 설명한 후에, 온도에 따른 다층막(67)의 구성의 일례를 설명한다.
먼저 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」에 대하여 설명한다. Ni를 포함하는 받침대(66)와, Cu를 포함하는 제1 층(71)과 Ni를 포함하는 제2 층(72)에 의해 형성된 다층막(67)을 갖는 발열체(55)를 사용하여, 제1 층(71)과 제2 층(72)의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 조사하였다. 이하, 다층막(67)의 각 층의 두께의 비율을 Ni:Cu로 기재한다.
Ni:Cu 이외에는 동일 조건에서 다층막(67)을 형성한 8종의 발열체(55)를 제작하고, 실시예 1 내지 8로 하였다. 또한, 다층막(67)은 받침대(66)의 표면에만 마련하였다. 실시예 1 내지 8의 각 발열체(55)의 Ni:Cu는, 7:1, 14:1, 4.33:1, 3:1, 5:1, 8:1, 6:1, 6.5:1이다. 실시예 1 내지 8의 각 발열체(55)에 있어서, 다층막(67)은, 제1 층(71)과 제2 층(72)의 적층 구성이 반복하여 마련되어 있다. 실시예 1 내지 8의 각 발열체(55)는, 다층막(67)의 적층 구성의 수(이하, 다층막의 적층수라고 칭한다)를 5로 하였다. 실시예 1 내지 8의 각 발열체(55)는, 다층막(67) 전체의 두께를 거의 동일하게 하였다. 다층막(67)의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 조사하는 실험용의 발열 장치(도시 없음)를 준비하고, 이 실험용 발열 장치에 실시예 1 내지 8의 각 발열체(55)를 도입하였다.
실험용 발열 장치에 대하여 설명한다. 실험용 발열 장치는, 밀폐 용기와, 밀폐 용기의 내부에 배치된 2개의 발열체와, 각 발열체를 가열하는 히터를 구비한다. 발열체는 판상으로 형성되어 있다. 히터는, 판상으로 형성된 세라믹 히터이며, 열전대를 내장한다. 히터는, 2개의 발열체 사이에 마련되어 있다. 또한, 2개의 발열체(55)는, 동일한 구성의 것, 즉 Ni:Cu가 동일한 것을 사용하였다. 밀폐 용기는, 수소계 가스 공급로와 배기 경로에 접속하고 있다. 수소계 가스 공급로는, 수소계 가스를 저류한 가스봄베와 밀폐 용기를 접속한다. 수소계 가스 공급로에는, 가스봄베에 저류된 수소계 가스를 밀폐 용기에 공급하는 공급량을 조정하기 위한 조정 밸브 등이 마련되어 있다. 배기 경로는, 밀폐 용기의 내부를 진공 배기하기 위한 드라이 펌프와 밀폐 용기를 접속한다. 배기 경로에는, 가스의 배기량을 조정하기 위한 조정 밸브 등이 마련되어 있다. 실험용 발열 장치에서는, 수소계 가스로서, 경수소 가스(누마타산소사제 grade 2 순도 99.999vol％ 이상)를 사용하였다.
실시예 1 내지 8의 발열체(55)를 실험용 발열 장치의 밀폐 용기의 내부에 설치하고, 수소 흡장 공정과 수소 방출 공정을 반복하여 행하였다. 즉, 실험용 발열 장치에 있어서, 밀폐 용기의 내부에의 수소계 가스의 공급을 행함으로써 수소계 가스에 포함되는 수소를 발열체(55)에 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 밀폐 용기의 내부의 진공 배기와 발열체(55)의 가열을 행함으로써 발열체(55)에 흡장되어 있는 수소를 방출시키는 수소 방출 공정을 반복하여 행하였다. 수소 흡장 공정에서는, 수소계 가스를 50Pa 정도로 밀폐 용기의 내부에 공급하였다. 발열체(55)에 수소를 흡장시키는 시간은 64시간 정도로 하였다. 또한, 수소 흡장 공정 전에, 미리, 히터에 의해 밀폐 용기의 내부를 36시간 정도 200℃ 이상에서 베이킹하여, 발열체(55)의 표면에 부착된 물 등을 제거하였다. 수소 방출 공정에서는, 히터의 입력 전력을, 수소 흡장 공정을 사이에 두고 9W, 18W, 27W로 하였다. 그리고, 히터에 내장한 열전대에 의해, 각 수소 방출 공정 시의 발열체(55)의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 8에 도시하였다. 도 8은, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프이다. 도 8에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타냈다. 히터 온도는, 소정의 입력 전력에 있어서의 발열체(55)의 온도이다. 도 8에서는, 실시예 1을 「Ni:Cu=7:1」, 실시예 2를 「Ni:Cu=14:1」, 실시예 3을 「Ni:Cu=4.33:1」, 실시예 4를 「Ni:Cu=3:1」, 실시예 5를 「Ni:Cu=5:1」, 실시예 6을 「Ni:Cu=8:1」, 실시예 7을 「Ni:Cu=6:1」, 실시예 8을 「Ni:Cu=6.5:1」로 표기하였다.
도 8로부터, 실시예 1 내지 8의 발열체(55)의 모두에 있어서 과잉열이 발생함을 확인할 수 있었다. 히터 온도가 700℃ 이상에서 실시예 1 내지 8의 발열체(55)를 비교하면, 실시예 1이 가장 큰 과잉열을 발생시킴을 알 수 있다. 실시예 3의 발열체는, 실시예 1, 2, 4 내지 8의 발열체(55)에 비하여, 히터 온도가 300℃ 이상 1000℃ 이하의 광범위에 걸쳐 과잉열을 발생시킴을 알 수 있다. 다층막(67)의 Ni:Cu가 3:1 내지 8:1인 실시예 1, 3 내지 8의 발열체(55)는, 히터 온도가 높아질수록 과잉열이 증대함을 알 수 있다. 다층막(67)의 Ni:Cu가 14:1인 실시예 2의 발열체(55)는, 히터 온도가 800℃ 이상에서 과잉열이 감소함을 알 수 있다. 이와 같이, Ni와 Cu의 비율에 대하여 과잉열이 단순하게 증가하지 않는 것은, 다층막(67) 중의 수소의 양자 효과에 기인하고 있는 것으로 생각된다.
다음으로 「다층막의 적층수와 과잉열의 관계」에 대하여 설명한다. Ni를 포함하는 받침대(66)와, Cu를 포함하는 제1 층(71)과 Ni를 포함하는 제2 층(72)에 의해 형성된 다층막(67)을 갖는 발열체(55)를 사용하여, 다층막(67)의 적층수와 과잉열의 관계를 조사하였다.
실시예 1의 발열체(55)와 적층수 이외에는 동일 조건에서 제조한 다층막(67)을 갖는 8종의 발열체(55)를 제작하고, 실시예 9 내지 16으로 하였다. 실시예 1, 9 내지 16의 각 발열체(55)의 다층막(67)의 적층수는, 5, 3, 7, 6, 8, 9, 12, 4, 2이다.
실시예 1, 9 내지 16의 각 발열체(55)를 실험용 발열 장치의 밀폐 용기의 내부에 설치하였다. 실험용 발열 장치는, 상기 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」를 조사하기 위하여 사용한 장치와 동일하다. 실험용 발열 장치에 있어서, 상기 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」와 마찬가지의 방법에 의해, 수소 방출 공정 시의 발열체(55)의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 9에 도시하였다. 도 9는, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프이다. 도 9에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타냈다. 도 9에서는, 각 층의 두께를 기초로, 실시예 1을 「Ni0.875Cu0.125 5층」, 실시예 9를 「Ni0.875Cu0.125 3층」, 실시예 10을 「Ni0.875Cu0.125 7층」, 실시예 11을 「Ni0.875Cu0.125 6층」, 실시예 12를 「Ni0.875Cu0.125 8층」, 실시예 13을 「Ni0.875Cu0.125 9층」, 실시예 14를 「Ni0.875Cu0.125 12층」, 실시예 15를 「Ni0.875Cu0.125 4층」, 실시예 16을 「Ni0.875Cu0.125 2층」으로 표기하였다.
도 9로부터, 실시예 1, 9 내지 16의 발열체(55)의 모두에 있어서 과잉열을 발생시킴을 확인할 수 있었다. 히터 온도가 840℃ 이상에서 실시예 1, 9 내지 16의 발열체(55)를 비교하면, 과잉열은, 다층막(67)의 적층수가 6인 실시예 11이 가장 크고, 다층막(67)의 적층수가 8인 실시예 12가 가장 작음을 알 수 있다. 이와 같이, 다층막(67)의 적층수에 대하여 과잉열이 단순하게 증가하지 않는 것은, 다층막(67) 중의 수소의 파동으로서의 거동의 파장이 나노미터 오더이며, 다층막(67)과 간섭하고 있기 때문이라고 생각된다.
다음으로 「다층막의 재료와 과잉열의 관계」에 대하여 설명한다. Ni를 포함하는 제1 층(71)과, Cu를 포함하는 제2 층(72)과, 제1 층(71) 및 제2 층(72)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스를 포함하는 제3 층(77)에 의해 형성된 다층막(67)을 갖는 발열체(75)를 사용하여, 제3 층(77)을 형성하는 재료의 종류와 과잉열의 관계를 조사하였다.
제3 층(77)을 형성하는 재료의 종류 이외에는 동일 조건에서 다층막(67)을 형성한 9종의 발열체(75)를 제작하고, 실시예 17 내지 25로 하였다. 실시예 17 내지 25의 각 발열체(75)에 있어서, 제3 층(77)을 형성하는 재료의 종류는, CaO, SiC, Y2O3, TiC, Co, LaB6, ZrC, TiB2, CaOZrO이다.
실시예 17 내지 25의 각 발열체(75)를 실험용 발열 장치의 밀폐 용기의 내부에 설치하였다. 실험용 발열 장치는, 상기 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」를 조사하기 위하여 사용한 장치와 동일하다. 실험용 발열 장치에 있어서, 상기 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」와 마찬가지의 방법에 의해, 수소 방출 공정 시의 발열체(75)의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 도시한다. 도 10은, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프이다. 도 10에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타냈다. 도 10에서는, 각 층의 두께를 기초로, 실시예 17을 「Ni0.793CaO0.113Cu0.094」, 실시예 18을 「Ni0.793SiC0.113Cu0.094」, 실시예 19를 「Ni0.793Y2O30.113Cu0.094」, 실시예 20을 「Ni0.793TiC0.113Cu0.094」, 실시예 21을 「Ni0.793Co0.113Cu0.094」, 실시예 22를 「Ni0.793LaB60.113Cu0.094」, 실시예 23을 「Ni0.793ZrC0.113Cu0.094」, 실시예 24를 「Ni0.793TiB20.113Cu0.094」, 실시예 25를 「Ni0.793CaOZrO0.113Cu0.094」로 표기하였다.
도 10으로부터, 실시예 17 내지 25의 발열체(75)의 모두에 있어서 과잉열을 발생시킴을 확인할 수 있었다. 특히, 제3 층(77)을 형성하는 재료가 CaO인 실시예 17, TiC인 실시예 20, LaB6인 실시예 22는, 다른 실시예 18, 19, 21, 23 내지 25와 비교하여, 히터 온도가 400℃ 이상 1000℃ 이하의 광범위에 걸쳐 과잉열이 거의 선형적으로 증대함을 알 수 있다. 실시예 17, 20, 22의 제3 층(77)을 형성하는 재료는, 다른 실시예 18, 19, 21, 23 내지 25의 재료보다도 일함수가 작다. 이것으로부터, 제3 층(77)을 형성하는 재료의 종류는, 일함수가 작은 것이 바람직함을 알 수 있다. 이들 결과로부터, 다층막(67) 내의 전자 밀도가 과잉열을 발생시키는 반응에 기여하고 있을 가능성이 있다.
발열 구조체(20)의 온도에 따른 다층막(67)의 구조의 일례를 설명한다. 예를 들어 도 2 및 도 3에 도시하는 상단, 중단, 하단의 발열 구조체(20)에 대해서, 상기 「다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」를 고려하면, 저온(예를 들어 50℃ 이상 500℃ 이하의 범위 내)으로 되는 하단의 발열 구조체(20)는, 다층막(67)의 각 층의 두께의 비율이 2:1 이상 5:1 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 중온(예를 들어 500℃ 이상 800℃ 이하의 범위 내)으로 되는 중단의 발열 구조체(20)는, 다층막(67)의 각 층의 두께의 비율이 5:1 이상 6:1 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 고온(예를 들어 800℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내)으로 되는 상단의 발열 구조체(20)는, 다층막(67)의 각 층의 두께의 비율이 6:1 이상 12:1 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
상기 「다층막의 적층수와 과잉열의 관계」를 고려하면, 저온, 중온, 고온으로 되는 각 발열 구조체(20)는, 다층막(67)의 제1 층(71)이 2층 이상 18층 이하의 범위 내이며, 제2 층(72)이 2층 이상 18층 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3에 도시하는 상단, 중단, 하단의 발열 구조체(20)에 있어서 발열체(55) 대신에 발열체(75)를 사용한 경우, 상기 「다층막의 재료와 과잉열의 관계」를 고려하면, 저온으로 되는 하단의 발열 구조체(20)는, 제1 층(71)이 Ni이며, 제2 층(72)이 Cu이며, 제3 층(77)이 Y2O3인 것이 바람직하다. 중온으로 되는 중단의 발열 구조체(20)는, 제1 층(71)이 Ni이며, 제2 층(72)이 Cu이며, 제3 층(77)이 TiC인 것이 바람직하다. 고온으로 되는 상단의 발열 구조체(20)는, 제1 층(71)이 Ni이며, 제2 층(72)이 Cu이며, 제3 층(77)이 CaO 혹은 LaB6인 것이 바람직하다.
상기 제1 실시 형태에서는, 발열 구조체(20)는, 복수의 발열체(55)가 방사상으로 배치된 구성을 갖지만, 발열체(55)의 배치는 적절히 변경해도 된다.
예를 들어, 도 11에 도시한 바와 같이, 발열체(55)는, 서로 간극을 두고 일렬로 복수 배열된다. 이 경우, 히터(21)의 형상을 사각통 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해 공간 절약화가 도모된다. 복수의 발열체(55)는, 히터(21)의 열과, 인접하는 발열체(55)의 열에 의해 가열된다. 이에 의해, 소정의 온도를 유지하는 데 필요한 히터(21)의 입력 전원을 저감시킬 수 있다.
복수의 발열체(55)의 배열 방향은, 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향과 수직인 방향인 것이 바람직하다. 이 경우, 복수의 발열체(55)는, 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향을 따라서 기립하여 배치된다. 이에 의해, 예를 들어 발열 구조체(20)에 흡장되어 있는 수소를 방출시킬 때, 밀폐 용기(15)의 내부의 수소계 가스는, 발열체(55)에 차단되는 일 없이, 공급구(15b)로부터 배기구(15a)에 원활하게 흐른다.
상기 제1 실시 형태에서는, 발열체(55)가 판상으로 형성되어 있으나, 발열체(55)의 형상은 적절히 변경해도 된다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 발열체(85)는, 통 형상으로 형성되어 있다. 도 12에 도시하는 발열 구조체(20)는, 발열체(55) 대신에 발열체(85)를 갖는 것이다. 도 12에서는 원통 형상의 발열체(85)로 하고 있지만, 발열체(85)는 각통 형상으로 해도 된다. 발열체(85)를 통 형상으로 함으로써, 수소계 가스는, 히터(21)의 내면과 발열체(85)의 외면 사이에 형성된 간극과, 발열체(85)의 내부에 흐른다. 발열체(85)의 축방향은, 밀폐 용기(15)의 내부에 있어서 수소계 가스가 흐르는 방향과 평행한 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어 발열 구조체(20)에 흡장되어 있는 수소를 방출시킬 때, 밀폐 용기(15)의 내부의 수소계 가스는, 발열체(85)에 차단되는 일 없이, 공급구(15b)로부터 배기구(15a)에 원활하게 흐른다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 발열체(86)는, 소권으로 권회한 와권상으로 형성되어 있다. 도 13에 도시하는 발열 구조체(20)는, 발열체(55) 대신에 발열체(86)를 갖는 것이다. 발열체(86)를 소권으로 권회함으로써, 수소계 가스는, 발열체(86)의 내부에 형성된 간극에 흐른다. 발열체(86)의 권수는 적절히 변경해도 된다. 예를 들어, 발열체(86)의 권수를 증가시킴으로써, 발열체(86)와 수소계 가스의 접촉 면적이 증가하므로, 과잉열의 고출력화가 도모된다. 따라서, 와권상으로 형성된 발열체(86)는, 권수에 따라서 과잉열의 출력을 조정할 수 있다.
발열체는, 판상, 통 형상, 와권상으로 형성된 것에 한정되지 않고, 예를 들어, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성된 분체여도 된다.
상기 제1 실시 형태에서는 3개의 발열 구조체(20)를 가열하기 위하여 1개의 히터(21)를 사용하고 있지만, 복수의 히터(21)를 사용해도 된다. 예를 들어, 3개의 히터(21)를 사용하여 3개의 발열 구조체(20)를 각각 가열한다. 이 경우, 제어부(19)는, 각 발열 구조체(20)에 마련된 온도 센서(22)가 검출한 온도에 기초하여, 각 히터(21)의 입력 전력을 각각 조정함으로써, 발열 구조체(20)마다 과잉열의 출력의 제어를 행해도 된다. 예를 들어, 제어부(19)는, 하단의 발열 구조체(20)에 대응하는 히터(21)의 입력 전력을 크게 함으로써, 하단의 발열 구조체(20)의 과잉열의 출력을 높인다. 또한, 제어부(19)는, 상단의 발열 구조체(20)에 대응하는 히터(21)의 입력 전력을 작게 함으로써, 상단의 발열 구조체(20)의 과잉열의 출력을 낮춘다. 이에 의해, 복수의 발열 구조체(20)의 전체의 과잉열의 출력이 제어된다.
상기 제1 실시 형태에서는, 열 이용 장치(12)는, 격납 용기(31)와, 열 매체 유통부(32)와, 가스 터빈(33)과, 증기 발생기(34)와, 증기 터빈(35)과, 스털링 엔진(36)과, 열전 변환기(37)를 구비하고 있지만, 열 이용 장치(12)의 구성은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열 매체로서 수소계 가스를 사용하는 경우에는, 열 이용 장치(12)는, 열 매체 유통부(32)를 발열 장치(11)의 밀폐 용기(15)와 접속함으로써, 격납 용기(31)를 생략할 수 있다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 열 이용 장치(12)는, 격납 용기(31)와, 열 매체 유통부(32)와, 증기 터빈(35)을 구비하고, 열 매체로서 물을 사용하는 것이어도 된다. 또한, 도 14에서는, 발열 장치(11)의 가스 배기부(16), 가스 공급부(17), 제어부(19) 등의 도시를 생략하고 있다. 격납 용기(31)는, 내부에 물이 공급된다. 격납 용기(31)의 내부에는, 수면의 상방에 공간이 형성되어 있다. 격납 용기(31)는, 물과 발열 구조체(20) 간에 열교환을 행함으로써, 물을 비등시켜서 증기를 생성한다. 열 매체 유통부(32)는, 제1 배관(32a), 제2 배관(32b), 제3 배관(32c), 제4 배관(32d), 펌프(32e), 열 매체 유량 제어부(32f) 대신에 증기 배관(32g)과 급수 배관(32h)을 갖는다. 증기 배관(32g)은, 격납 용기(31)에서 생성된 증기를 증기 터빈(35)에 공급한다. 급수 배관(32h)은, 도시하지 않은 복수기와 급수 펌프를 갖고, 증기 터빈(35)으로부터 배출된 증기를 복수기에 의해 냉각하여 물로 되돌리고, 이 물을 급수 펌프에 의해 격납 용기(31)로 보낸다.
열 이용 장치(12)는, 격납 용기(31)와 열 매체 유통부(32)만을 구비하는 것이어도 된다. 열 매체 유통부(32)에 흐르는 열 매체는, 다양한 용도, 예를 들어, 가정용 난방, 가정용 급탕기(온수 공급기), 자동차용 히터, 농업용 난방기, 로드 히터, 해수 담수화용 열원, 지열 발전 보조 열원 등에 사용된다.
가스 터빈(33)은, 상기 제1 실시 형태에서는 발전기(38)와 접속하고 있고, 발전을 위한 동력으로 되어 있지만, 발전기(38)와 접속하지 않고 모터로서 이용해도 된다. 마찬가지로, 증기 터빈(35)은, 발전기(39)와 접속하지 않고 모터로서 이용해도 된다. 스털링 엔진(36)은, 발전기(40)와 접속하지 않고 모터로서 이용해도 된다.
2. 제2 실시 형태
발열체가 발생시키는 열은, 연료와 연소용 공기를 연소시켜서 열을 발생시키는 연소 장치에 있어서, 연소용 공기의 예열에 이용할 수 있다. 연소 장치로서는, 예를 들어 보일러, 로터리 킬른, 금속의 열처리로, 금속 가공용 가열로, 열풍로, 요업용 소성로, 석유 정제탑, 건류로, 건조로 등을 들 수 있다. 이하, 발열체가 발생시키는 열을 이용하여, 연소 장치로서의 보일러에 공급되는 연소용 공기를 예열하는 경우에 대하여 설명한다.
도 15는, 열 이용 시스템(90)을 구비하는 화력 발전 플랜트(91)의 구성을 도시하는 개략도이다. 이하, 화력 발전 플랜트(91)에 대하여 설명한다.
화력 발전 플랜트(91)는, 보일러(92)와, 증기 터빈(35)과, 발전기(39)를 구비한다. 화력 발전 플랜트(91)는, 보일러(92)에서 발생한 증기가 증기 배관(34g)을 통하여 증기 터빈(35)에 공급되어, 이 증기에 의해 증기 터빈(35)이 회전함으로써, 증기 터빈(35)의 회전축과 접속한 발전기(39)가 구동하여 발전을 행한다. 증기 터빈(35)을 회전시킨 증기는, 급수 배관(34h)에 보내져, 도시하지 않은 복수기에 의해 냉각되어서 물로 되돌려진다. 복수기에 의해 생성된 물은, 도시하지 않은 급수 펌프에 의해 보일러(92)에 보내진다.
보일러(92)는, 연료와 연소용 공기를 연소시켜서 열을 발생시켜, 이 열에 의해 물로 증기를 발생시킨다. 보일러(92)는, 화로(93)와, 버너(94)와, 연료 공급 라인(95)과, 공기 공급 라인(96)을 구비한다.
화로(93)는, 연료와 연소용 공기를 반응시켜서 연소시키는 통 형상의 중공체이다. 화로(93)는, 예를 들어 원통 형상이나 각통 형상 등의 다양한 형상을 취할 수 있다. 화로(93)에는, 급수 배관(34h)에 마련된 급수 펌프(도시 없음)로부터 물이 공급된다.
버너(94)는, 화로(93) 외로부터 화로(93) 내로 연료와 연소용 공기를 공급 가능하도록 구성되어 있다. 버너(94)는, 화로(93)의 하부에 마련되어 있다. 버너(94)는, 연료를 연소시켜서 고온의 연소 가스를 생성한다. 연소 가스의 열에 의해 보일러(92) 내의 물이 증발하여, 고온 또한 고압의 증기가 발생한다. 연소 가스는, 화로(93)의 상부에 마련된 연도(97)를 통하여, 배출 가스로서 굴뚝(98)으로부터 대기에 배출된다.
연료 공급 라인(95)은, 버너(94)에 연료를 공급한다. 연료로서는, 석탄, 천연가스, 석유, 액화 천연가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG) 등의 화석 연료가 사용된다. 석탄은, 미리 가루화시킨 미분탄이다. 천연가스는, 셰일 가스 등이며, 메탄하이드레이트 등의 천연가스 유래의 연료를 포함한다. 석유는, 중유나 경유 등이다. 연료로서 바이오매스(목질 칩 등)를 사용해도 된다. 또한, 연료로서 미분탄을 사용하는 경우에는, 연료 공급 라인(95)은, 미분탄을 공기 등의 반송용 가스에 혼합시킨 혼합 가스를 버너(94)에 공급한다. 또한, 연료로서 석탄이나 목질 칩 등을 사용할 때에는, 유동 상 보일러나 고정 상 보일러(스토커로 등)를 사용하는 경우가 있고, 이 경우에는, 연료를 로 내에 공급하고, 예열 공기만을 버너 등으로부터 불어 넣는 경우도 있다.
공기 공급 라인(96)은, 버너(94)에 연소용 공기를 공급한다. 공기 공급 라인(96)은, 도시하지 않은 압입 통풍기 등에 의해 보일러(92)의 외부로부터 외기를 도입한다.
공기 공급 라인(96)은, 열교환기(99)를 구비한다. 열교환기(99)는, 연도(97)에 마련되어 있다. 열교환기(99)는, 보일러(92)의 외부로부터 공기 공급 라인(96)에 도입된 외기와, 연도(97)에서 유통하는 배출 가스 간에 열교환을 행한다. 공기 공급 라인(96)에 도입된 외기가 열교환기(99)에 의해 예열되어, 예열 공기가 생성된다. 열교환기(99)에서 생성된 예열 공기는, 후술하는 열 이용 장치(102)에 공급된다.
이어서, 열 이용 시스템(90)에 대하여 설명한다. 열 이용 시스템(90)은, 발열 장치(101)와, 상기 보일러(92)와, 열 이용 장치(102)를 구비한다. 열 이용 시스템(90)은, 발열 장치(101)의 발열체(105)(도 16 참조)가 발생시키는 열을 이용하여, 열 이용 장치(102)에 공급된 예열 공기를 가열한다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 발열 장치(101)는, 복수의 발열체 유닛(103)을 구비한다. 도 16은, 발열 장치(101)와 열 이용 장치(102)의 구성을 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 16에서는, 하나의 발열체 유닛(103)의 일부를 절결하여, 그 내부를 도시하고 있다. 각 발열체 유닛(103)은, 서로 간극을 두고 배치되어 있다. 각 발열체 유닛(103)은, 도시하지 않은 지지체에 착탈 가능하게 지지되어 있다. 발열체 유닛(103)의 수는 특별히 한정되지 않고 원하는 출력이 얻어지도록 적절히 변경할 수 있다. 도 16에서는 9개의 발열체 유닛(103)이 사용되고 있다.
발열체 유닛(103)은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기(104)와, 밀폐 용기(104)에 수용되어 있고, 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체(105)를 갖는 발열 구조체(106)를 구비한다.
밀폐 용기(104)는, 통 형상의 중공체이다. 밀폐 용기(104)는, 예를 들어 원통 형상이나 각통 형상 등의 다양한 형상을 취할 수 있다. 밀폐 용기(104)는, 이 예에서는 원통 형상이다. 밀폐 용기(104) 내에는 복수의 발열 구조체(106)가 배열되어 있다.
발열체(105)는, 예를 들어, 발열체(55)(도 4 참조), 발열체(85)(도 12 참조), 발열체(86)(도 13 참조)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 발열체(105)의 형상은, 이 예에서는, 발열체(55)와 마찬가지로 판상이다. 복수의 발열체(105)가 방사상으로 배치되어, 발열 구조체(106)가 구성되어 있다.
발열체(105)는, 밀폐 용기(104) 내의 수소계 가스에 포함되는 수소를 흡장시킨다. 발열체(105)는, 당해 발열체(105)의 온도와 열 이용 장치(102)에 공급되는 예열 공기의 온도의 온도차에 의해, 흡장된 수소가 이동함으로써 발열한다. 예를 들어, 열 이용 장치(102)의 작동 개시 시에 있어서, 발열체(105)의 온도가 상온(예를 들어 25℃), 열 이용 장치(102)에 공급되는 예열 공기의 온도가 예를 들어 250℃일 경우, 발열체(105)와 예열 공기 간에 온도차가 발생하므로, 발열체(105)의 발열이 개시된다. 그 후, 발열체(105)가 예를 들어 500℃ 내지 800℃까지 승온하여, 승온한 발열체(105)와 예열 공기 간에 온도차가 발생함으로써, 발열체(105)의 발열이 지속된다. 이와 같이, 발열 장치(101)는, 수소계 가스의 공급과 배기를 반복하여 행하지 않고, 당해 발열체(105)와 예열 공기의 온도차에 의해 열을 발생시킨다.
열 이용 장치(102)는, 발열 장치(101)를 수용하는 케이스(108)와, 열교환기(99)와 접속하는 공기 입구(109)와, 버너(94)와 접속하는 공기 출구(110)를 갖는다. 열교환기(99)에서 생성된 예열 공기는, 공기 입구(109)로부터 케이스(108) 내에 공급되어, 발열체 유닛(103)끼리의 사이에 형성된 간극을 통과할 때에 발열체(105)의 열에 의해 가열된다. 발열체(105)에 의해 가열된 예열 공기는, 연소용 공기로서 공기 출구(110)로부터 배출된다. 이와 같이, 열 이용 장치(102)는, 발열체(105)의 열을 이용하여 연소용 공기를 예열하는 공기 예열기로서 기능한다.
이상과 같이, 열 이용 시스템(90)은, 화력 발전 플랜트(91)에 적용되어, 발열체(105)의 열을 이용하여 연소용 공기를 예열하므로, 보일러(92)의 연소 효율이 높아져서, 사용하는 연료를 삭감할 수 있다.
열 이용 시스템(90)에서는, 각 발열체 유닛(103)이 착탈 가능하게 되어 있으므로, 각 발열체 유닛(103)을 개별로 교환할 수 있다. 이 때문에, 발열하지 않게 된 발열체 유닛(103)을 분리하여, 새로운 발열체 유닛(103)과 교환함으로써, 발열 장치(101)의 발열을 안정화시킬 수 있다. 또한, 각 발열체 유닛(103)을 모두 동시에 교환할 수도 있다.
발열 장치(101)는, 수소계 가스의 공급과 배기가 반복하여 행해지도록 구성해도 된다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 발열 장치(101)는, 복수의 발열체 유닛(103)에 추가로, 각 밀폐 용기(104)와 접속한 수소계 가스 공급 배기 헤더(120)와, 수소계 가스 공급 배기 헤더(120)와 접속한 수소관(121)을 더 구비한다. 수소관(121)은, 도시하지 않은 가스 공급부 및 가스 배기부와 접속하고 있다. 가스 공급부는, 수소계 가스 공급 배기 헤더(120)와 수소관(121)을 통하여, 밀폐 용기(104)의 내부에 수소계 가스를 공급한다. 가스 배기부는, 수소계 가스 공급 배기 헤더(120)와 수소관(121)을 통하여, 밀폐 용기(104)의 내부를 진공 배기한다. 수소계 가스의 공급과 배기를 반복하여 행함으로써, 발열체(105)를 확실하게 발열시킬 수 있다.
도 16에 도시하는 발열체 유닛(103)의 구조는 일례이다. 즉, 발열체 유닛(103)은, 복수의 발열체(105)가 방사상으로 배치된 발열 구조체(106)를 구비하는 경우에 한정되지 않는다. 복수의 발열체(105)의 배치는, 방사상에 한정되지 않고 적절히 변경할 수 있다.
열 이용 시스템(90)은, 열 이용 장치(102)로부터 배출된 연소용 공기를 순환시키도록 구성해도 된다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 열 이용 시스템(90)은, 연소용 공기를 순환시키는 연소용 공기 순환 라인(125)과, 연소용 공기 순환 라인(125)에 마련된 유량 가변 순환 팬(126)과, 유량 가변 순환 팬(126)을 구동하고, 연소용 공기의 순환 유량을 제어하는 순환 유량 제어부(127)를 더 구비한다.
공기 공급 라인(96)에는, 열 이용 장치(102)에 공급되는 연소용 공기의 온도를 측정하는 온도 센서(128)와, 열 이용 장치(102)로부터 배출된 연소용 공기의 온도를 측정하는 온도 센서(129)가 마련되어 있다. 열 이용 장치(102)에는, 발열체 유닛(103)의 발열체(105)의 온도, 또는 발열체(105)의 온도를 추정할 수 있는 특정 부분의 온도를 측정하는 온도 센서(130)가 마련되어 있다. 순환 유량 제어부(127)는, 온도 센서(128 내지 130)와 전기적으로 접속하고, 온도 센서(128 내지 130)가 검출한 온도에 기초하여 유량 가변 순환 팬(126)을 구동함으로써, 연소용 공기의 순환 유량을 제어한다.
예를 들어, 순환 유량 제어부(127)는, 발열체(105)의 온도가 소정 온도를 초과한 경우에 연소용 공기의 순환 유량을 증대시킴으로써, 발열체(105)의 온도를 저하시킨다. 또한, 순환 유량 제어부(127)는, 발열체(105)의 온도가 소정 온도 이하인 경우에 연소용 공기의 순환 유량을 감소시킴으로써, 발열체(105)의 온도를 상승시킨다.
공기 공급 라인(96)이나 연소용 공기 순환 라인(125)에 연소용 공기의 유량을 측정하는 유량 센서(도시 없음)를 마련하고, 연소용 공기의 온도와 유량에 기초하여, 연소용 공기의 순환 유량을 제어해도 된다.
공기 공급 라인(96)에는, 연소용 공기를 가열하는 가열기(도시 없음)를 마련해도 된다. 가열기에 의해, 발열체(105)의 온도를 상승시킬 수 있다. 발열체(105)는, 소정의 온도까지 상승함으로써 발열이 개시된다. 상기 가열기는, 예를 들어 열 이용 시스템(90)의 운전 개시 시나 발열체(105)의 온도가 저하되었을 때에 작동된다.
열 이용 장치(102)는, 발열체(105)의 열을 이용하여, 열교환기(99)에서 생성된 예열 공기를 가열하는 경우에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열 이용 장치(102)는, 보일러(92)의 외부로부터 공기 공급 라인(96)에 도입된 외기를 가열해도 된다. 이 경우에는, 열교환기(99)를 마련하지 않고, 발열체(105)의 열에 의해 가열된 외기를 연소용 공기로서 사용해도 된다.
연소용 공기는, 배출 가스가 혼합된 것이어도 된다. 예를 들어, 연도(97)를 분기시켜서 공기 공급 라인(96)에 접속하여, 배출 가스를 재순환시킴으로써, 연소용 공기에 배출 가스를 혼합시킬 수 있다. 열 이용 장치(102)는, 배출 가스가 혼합된 연소용 공기를 예열해도 된다.
열 이용 장치(102)는, 연소 장치로서의 보일러(92)에 사용되는 연소용 공기를 예열하는 것에 추가로, 또는 그에 대신하여, 증기 터빈(35)을 회전시켜, 도시하지 않은 복수기에 의해 생성된 물을 예열해도 된다. 예열된 물이 보일러(92)로 되돌아감으로써, 보일러(92)의 연소 효율이 높아져서, 사용하는 연료를 삭감할 수 있다.
3. 제3 실시 형태
상기 제2 실시 형태의 보일러(92) 등의 연소 장치로부터 배출되는 배출 가스는, 통상, 이산화탄소(CO2)를 포함한다. 배출 가스로부터 CO2를 회수하는 기술로서, 이산화탄소 회수 저류(CCS: Carbon dioxide Capture and Storage)가 알려져 있다. CCS는, 배출 가스로부터 CO2를 분리하여 회수하고, 회수한 CO2를 땅속 등에 저류함으로써 대기 중에의 CO2 배출을 삭감하는 기술이다. CO2를 회수하는 방법으로서는, 예를 들어, 화학 흡수법이나 물리 흡착법을 들 수 있다. 화학 흡수법은, 배출 가스에 포함되는 CO2를 아민 화합물 수용액 등의 흡수액에 흡수시키고, CO2를 흡수한 흡수액을 가열함으로써 흡수액으로부터 CO2를 방출시킨다. 물리 흡착법은, 배출 가스에 포함되는 CO2를 활성탄이나 제올라이트 등의 흡착재에 흡착시키고, CO2가 흡착된 흡착재를 가열함으로써 흡착재로부터 CO2를 탈리시킨다.
제3 실시 형태에서는, 화학 흡수법에 있어서 CO2를 흡수한 흡수액을 가열하는 열원으로서, 발열체가 발생시키는 열에 의해 가열된 열 매체를 이용한다. 이하, 화학 흡수법을 행하는 경우에 대하여 설명하지만, 발열체가 발생시키는 열에 의해 가열된 열 매체는, 물리 흡착법에 있어서 CO2가 흡착된 흡착재를 가열하는 열원으로서 이용할 수도 있다.
도 19에 도시하는 바와 같이, 열 이용 시스템(140)은, 발열 장치(101)(도 16 참조)와, 보일러(142)와, 이산화탄소 분리 회수 장치(143)를 구비한다. 발열 장치(101)는, 제2 실시 형태와 동일 구성을 가지므로 설명을 생략한다.
보일러(142)는, 연료와 연소용 공기를 연소시켜서 열을 발생시키는 연소 장치의 일례이다. 보일러(142)로부터 배출되는 배출 가스에는 이산화탄소(CO2)가 포함된다. 보일러(142)는, 예를 들어, 상기 제2 실시 형태의 보일러(92)와 동일한 구성으로 할 수 있다.
이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 발열 장치(101)의 발열체(105)(도 16 참조)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하여, 연소 장치로서의 보일러(142)로부터 배출된 배출 가스에 포함되는 CO2를 분리하여 회수한다. 이 예에서는, CO2를 회수하는 방식으로서, 화학 흡수법을 행하는 경우에 대하여 설명한다.
도 20에 도시하는 바와 같이, 이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 흡수탑(145)과, 재생탑(146)과, 리보일러(147)를 구비한다. 흡수탑(145)은, 보일러(142)로부터 배출된 배출 가스에 포함되는 CO2를 흡수액에 흡수시키는 흡수부(148)를 갖는다. 흡수탑(145)은, 흡수부(148)로 CO2를 흡수한 흡수액을 재생탑(146)에 공급한다. CO2를 흡수한 흡수액을 리치액이라고 한다. 도 20에서는, 리치액에 부호(149)를 부여하고 있다. 재생탑(146)은, 흡수탑(145)로부터 공급된 흡수액으로부터 CO2를 방출시켜서, 흡수액을 재생하는 재생부(150)를 갖는다. 재생탑(146)은, 재생부(150)로 CO2를 방출한 흡수액을 흡수탑(145)에 공급한다. CO2를 방출한 흡수액을 희박액이라고 한다. 도 20에서는, 희박액에 부호(151)를 부여하고 있다.
이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 흡수탑(145)으로부터 재생탑(146)에 리치액(149)이 보내지고, 재생탑(146)으로부터 흡수탑(145)에 희박액(151)이 반송된다. 이와 같이, 이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 흡수액이 순환하도록 구성되어 있다. 도시하고 있지 않지만, 흡수탑(145)과 재생탑(146) 사이에는, 리치액(149)을 흡수탑(145)으로부터 재생탑(146)으로 보내기 위한 리치액 송출 펌프나, 희박액(151)을 재생탑(146)으로부터 흡수탑(145)으로 보내기 위한 희박액 송출 펌프 등이 마련되어 있다.
흡수탑(145)은, 재생탑(146)으로부터 공급된 희박액(151)을 보내는 희박액 공급 노즐(152)을 더 갖는다. 희박액 공급 노즐(152)은, 흡수부(148)의 상방에 마련되어 있고, 희박액(151)을 흡수부(148)를 향하여 낙하시킨다.
흡수탑(145)의 흡수부(148)의 하부에는, 보일러(142)로부터 CO2를 포함하는 배출 가스가 공급된다. 흡수탑(145)에 공급된 배출 가스는, 흡수부(148)를 향하여 상승한다.
흡수부(148)에서는, CO2를 포함하는 배출 가스와 희박액(151)이 접촉한다. 흡수부(148)는, 배출 가스에 포함되어 있는 CO2를 희박액(151)에 흡수시킴으로써, 희박액(151)을 리치액(149)으로 만들어 준다. 리치액(149)은, 흡수탑(145)의 저부로부터 배출되어, 재생탑(146)에 공급된다. 희박액(151)과 접촉한 배기 가스는, CO2가 제거된다. CO2 제거 후의 배출 가스는, 흡수탑(145)의 정상부로부터 대기에 배출된다.
재생탑(146)은, 흡수탑(145)으로부터 공급된 리치액(149)을 보내는 리치액 공급 노즐(153)을 더 갖는다. 리치액 공급 노즐(153)은, 재생부(150)의 상방에 마련되어 있고, 리치액(149)을 재생부(150)를 향하여 낙하시킨다.
리보일러(147)는, 재생탑(146)과 연결되어 있다. 리보일러(147)는, 재생탑(146) 내의 희박액(151)을 가열하여, 희박액(151)을 증발시킨 흡수액 증기(154)를 생성한다.
리보일러(147)는, 발열 장치(101)를 격납하는 격납 용기(147a)와, 격납 용기(147a)의 내부와 외부 사이에서 열 매체를 유통시키는 열 매체 유통부(147b)를 갖는다. 열 매체는, 격납 용기(147a)의 내면과, 발열 장치(101)의 밀폐 용기(104)(도 16 참조)의 외면에 의해 형성된 간극을 통과함으로써 가열된다. 리보일러(147)는, 발열 장치(101)의 발열체(105)(도 16 참조)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용함으로써, 희박액(151)을 가열한다.
열 매체 유통부(147b)에는, 도시하고 있지 않지만, 유량 가변 팬과 유량 제어부가 마련되어 있다. 리보일러(147)는, 유량 제어부에 의해 유량 가변 팬을 구동하여, 열 매체의 유량을 제어함으로써, 열 매체가 소정의 온도로 되도록 조정한다. 이 예에서는, 희박액(151)이 증발하여 흡수액 증기(154)가 되도록, 열 매체의 온도가 조정된다.
리보일러(147)에서 생성된 흡수액 증기(154)는, 재생탑(146)의 재생부(150)의 하부에 공급된다. 재생탑(146)에 공급된 흡수액 증기(154)는, 재생부(150)를 향하여 상승한다.
재생부(150)에서는, 흡수액 증기(154)와 리치액(149)이 접촉한다. 재생부(150)는, 흡수액 증기(154)에 의해 리치액(149)을 가열하여, 리치액(149)으로부터 CO2를 방출시킴으로써, 리치액(149)을 희박액(151)으로 만들어 준다. 즉, 리치액(149)이 희박액(151)으로 재생된다. 희박액(151)은, 재생탑(146)의 저부로부터 배출되어, 일부가 흡수탑(145)에 공급되고, 나머지 일부가 리보일러(147)에 공급된다. 리치액(149)과 접촉한 흡수액 증기(154)는, 리치액(149)으로부터 방출된 CO2와 함께 재생탑(146)의 정상부로부터 배출된다.
흡수탑(145)과 재생탑(146) 사이에는 열교환기(155)가 마련되어 있다. 열교환기(155)는, 흡수탑(145)으로부터 재생탑(146)에 공급되는 리치액(149)과, 재생탑(146)으로부터 흡수탑(145)에 공급되는 희박액(151)의 열교환을 행한다. 이에 의해, 리치액(149)이 가열되고, 희박액(151)이 냉각된다.
이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 예를 들어 도시하지 않은 분리 드럼을 더 갖고, 이 분리 드럼에, 재생부(150)의 정상부로부터 배출된 흡수액 증기(154) 및 CO2를 도입한다. 분리 드럼에 도입된 흡수액 증기(154) 및 CO2는, 흡수액 증기(154)가 냉각되어서 물이 됨으로써 물과 CO2로 분리된다. 이와 같이 하여, 이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 보일러(142)의 배출 가스로부터 CO2를 분리하여 회수할 수 있다. 이산화탄소 분리 회수 장치(143)는, 상기한 CO2의 분리 회수를 위해서, 발열 장치(101)의 발열체(105)(도 16 참조)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하는 열 이용 장치이다.
이상과 같이, 열 이용 시스템(140)은, 연소 장치로서의 보일러(142)로부터 배출된 배출 가스에 포함되는 CO2를 분리하여 회수하기 위한 열원으로서 발열체(105)를 이용하므로, 대기 중에의 CO2 배출을 삭감할 수 있다.
4. 제4 실시 형태
상기 제3 실시 형태의 이산화탄소 분리 회수 장치(143) 등으로 분리하여 회수된 이산화탄소(CO2)는 수소(H2)와 반응시킴으로써 메탄(CH4)으로 변환할 수 있다. CO2와 H2의 반응(메타네이션 반응)을 진행시키는 촉매를 사용하여, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스를 촉매와 접촉시킴으로써 원료 가스로부터 CH4가 생성되지만, 원료 가스의 온도가 낮으면 충분히 반응이 진행하지 않는다. 제4 실시 형태에서는, 발열체가 발생시키는 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하여, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스를 가열한다.
도 21에 도시하는 바와 같이, 열 이용 시스템(160)은, 발열 장치(101)(도 16 참조)와, 메탄 제조 장치(162)를 구비한다. 발열 장치(101)는, 제2 실시 형태와 동일 구성을 가지므로 설명을 생략한다.
메탄 제조 장치(162)는, 반응기(163)와, 원료 가스 공급 라인(164)과, 원료 가스 가열기(165)를 갖는다.
반응기(163)는, 하기 식 (1)로 표시되는 CO2와 H2의 반응을 진행시키는 촉매(167)를 갖는다.
CO2+4H2→CH4+2H2O …(1)
촉매(167)는, CO2와 H2의 반응을 진행시켜, CH4를 생성하는 것이 가능한 촉매이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 촉매(167)로서는, 니켈(Ni)계 촉매, 루테늄(Ru)계 촉매, 백금(Pt)계 촉매 등을 사용할 수 있다.
원료 가스 공급 라인(164)은, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스를 반응기(163)에 공급한다. 도 21에서는, 원료 가스 공급 라인(164)은, H2가 유통하는 라인에 CO2가 유통하는 라인을 합류시킴으로써, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스가 유통하는 라인을 형성하고, 이 원료 가스의 라인을 반응기(163)와 접속하고 있다.
원료 가스 공급 라인(164)은, 물(H2O)을 전기 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하는 전기 분해 장치(168)를 갖는다. 전기 분해 장치(168)는, 예를 들어 발전기(39)(도 15 참조)를 구동하여 얻어진 전기를 이용하여 H2O의 전기 분해를 행한다. 전기 분해 장치(168)로 생성된 H2는, 원료 가스 공급 라인(164)을 통하여 CO2와 혼합된다. 전기 분해 장치(168)로 생성된 O2는, 예를 들어 상기 제3 실시 형태의 공기 공급 라인(96)(도 15 참조)에 공급되어, 연소용 공기와 혼합된다. 또한, 원료 가스 공급 라인(164)은, H2를 저류한 H2 탱크와 접속하여, H2 탱크로부터 H2가 공급되도록 구성해도 된다.
원료 가스 공급 라인(164)은, 상기 제3 실시 형태의 이산화탄소 분리 회수 장치(143)(도 19 및 도 20 참조)와 접속하고 있다. 이에 의해, 이산화탄소 분리 회수 장치(143)로 회수된 CO2는, 원료 가스 공급 라인(164)을 통하여 H2와 혼합된다. 또한, 원료 가스 공급 라인(164)은, CO2를 저류한 CO2 탱크와 접속하여, CO2 탱크로부터 CO2가 공급되도록 구성해도 된다.
원료 가스 가열기(165)는, 원료 가스 공급 라인(164)에 마련되어 있고, 원료 가스 공급 라인(164)에서 유통하는 원료 가스를 가열한다. 원료 가스 가열기(165)는, 발열 장치(101)를 격납하는 격납 용기(165a)와, 격납 용기(165a)의 내부와 외부 사이에서 열 매체를 유통시키는 열 매체 유통부(165b)를 갖는다. 열 매체는, 격납 용기(165a)의 내면과, 발열 장치(101)의 밀폐 용기(104)(도 16 참조)의 외면에 의해 형성된 간극을 통과함으로써 가열된다. 원료 가스와 열 매체 간에 열교환이 행해짐으로써, 원료 가스가 가열된다. 원료 가스는, 예를 들어 400℃ 정도로 가열된다.
메탄 제조 장치(162)는, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스로부터 CH4를 생성하는 촉매(167)를 갖고, 발열체(105)(도 16 참조)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하여 원료 가스를 가열함으로써, CO2와 H2를 반응시킨다. 가열된 원료 가스가 촉매(167)와 접촉함으로써, CO2와 H2의 반응이 진행하여, CH4가 생성된다. 메탄 제조 장치(162)로 생성된 CH4는, 합성된 천연가스(SNG)로서, 예를 들어 기존의 인프라 설비에 공급된다. 또한, 메탄 제조 장치(162)에서는, 반응기(163) 내에서 원료 가스로부터 CH4를 생성하는 과정에서 H2O도 생성된다. 반응기(163) 내에서 생성된 H2O는, 예를 들어 전기 분해 장치(168)에 공급된다.
이상과 같이, 열 이용 시스템(160)은, 발열 장치(101)(도 16 참조)와, 메탄 제조 장치(162)를 구비함으로써, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스로부터 CH4를 생성하기 위한 열원으로서 발열체(105)를 이용하므로, 연소 장치를 열원으로서 사용하는 경우와 비교하여, 대기 중에의 CO2 배출을 삭감할 수 있다.
또한, 열 이용 시스템(160)에서는, 연소 장치로부터 배출된 배출 가스에 포함되는 CO2를 메탄 제조 장치(162)에 공급함으로써, CO2가 CH4로 변환되므로, CO2 배출량이 보다 억제된다.
상기 제4 실시 형태에서는 CO2와 H2를 포함하는 원료 가스로부터 CH4를 생성하기 위한 열원으로서 발열체(105)를 이용하고 있지만, 열 에너지를 사용하여 물로 수소를 제조하는 IS 사이클이나, 열 에너지를 사용하여 물과 질소(N2)로부터 암모니아(NH3)를 제조하는 ISN 사이클에 있어서, 발열체(105)의 열에 의해 예를 들어 800℃ 정도로 가열된 열 매체를 열원으로서 이용할 수 있다. IS 사이클은, 물과 요오드(I)와 황(S)을 반응시켜서 요오드화수소(HI)를 생성하고, 이 요오드화수소를 열 분해함으로써 수소를 생성한다. 요오드화수소를 열분해하기 위한 열원으로서, 발열체(105)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용할 수 있다. ISN 사이클은, 질소와 IS 사이클로 생성되는 요오드화수소를 반응시켜서 요오드화 암모늄(NH4I)을 생성하고, 이 요오드화 암모늄을 열 분해함으로써 암모니아를 생성한다. 요오드화 암모늄을 열분해하기 위한 열원으로서, 발열체(105)의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용할 수 있다.
5. 변형예
본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 범위 내에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
발열 구조체를 수용하는 밀폐 용기에 열교환 효율을 향상시키기 위한 핀을 마련해도 된다. 도 22 내지 도 24를 사용하여, 핀을 구비하는 밀폐 용기를 설명한다.
도 22에 도시하는 바와 같이, 밀폐 용기(170)는, 내부에 공간을 갖는 용기 본체(171)와, 용기 본체(171)의 외면에 마련된 핀(172)을 갖는다. 밀폐 용기(170)는, 복수의 발열체(55)를 갖는 발열 구조체(173)를 수용한다(도 23 참조). 이하에 설명하는 밀폐 용기(170)의 구성은, 밀폐 용기(170)의 내부 온도를 600℃ 내지 800℃로 유지하고, 발열 구조체(173)를 48매의 발열체(55)에 의해 구성하고, 각 발열체(55)의 출력을 20W로 하는 경우에 요구되는 구성의 일례이다.
용기 본체(171)는, 통 형상으로 형성되어 있다. 용기 본체(171)는, 도 22에서는 외형이 원통 형상을 하고 있지만, 타원통 형상이나 각통 형상 등의 다양한 형상을 취할 수 있다. 용기 본체(171)의 길이는 예를 들어 250㎜이다. 용기 본체(171)의 직경은 예를 들어 80㎜이다. 용기 본체(171)가 타원통 형상일 경우에는, 용기 본체(171)의 직경은 긴 직경을 의미한다. 용기 본체(171)가 각통 형상일 경우에는, 용기 본체(171)의 직경은 외접원의 직경을 의미한다.
용기 본체(171)는, 융점이 1000℃ 이상이며, 열전도율이 50W/m·K 이상인 재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 용기 본체(171)의 재료로서는, 예를 들어, 구리, 니켈, 텅스텐 등이 사용된다. 용기 본체(171)의 재료가 구리일 경우에는, 용기 본체(171)의 두께를 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 용기 본체(171)의 재료가 니켈 또는 텅스텐인 경우에는, 용기 본체(171)의 두께를 0.25㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용기 본체(171)의 재료로서 금 및 은을 사용하는 것도 가능하지만, 구리, 니켈, 텅스텐쪽이 저렴하기 때문에 바람직하다. 밀폐 용기(170)의 내부 온도를 600℃ 미만으로 유지하는 경우에는, 용기 본체(171)의 재료로서 철을 사용해도 된다.
핀(172)은, 용기 본체(171)의 외주면에 나선상으로 마련되어 있다. 핀(172)의 감기 횟수는 예를 들어 20회이다. 핀(172)은, 띠상으로 형성되어 있다. 핀(172)의 폭은 예를 들어 20㎜이다. 따라서, 밀폐 용기(170)의 직경은 120㎜이다. 용기 본체(171)의 길이 방향을 따른 핀(172)의 간격(피치)은 100㎜ 이하인 것이 바람직하고, 50㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다. 핀(172)의 전열 면적은 0.1㎡/kW 이상이 바람직하다. 핀(172)의 재료로서는, 예를 들어 용기 본체(171)의 재료와 동일한 것, 즉 구리, 니켈, 텅스텐 등을 사용하는 것이 가능하다. 핀(172)의 재료로서는 알루미늄을 사용해도 된다.
도 23은, 용기 본체(171)를 직경 방향으로 절단한 단면도이다. 도 23에 도시하는 바와 같이, 용기 본체(171)의 내면에는 복수의 발열체(55)가 접촉하여 배치되어 있다. 용기 본체(171)의 내면은 복수의 평면에 의해 구성되어 있다. 도 23에서는, 용기 본체(171)의 내면이 6개의 평면에 의해 구성되어 있다. 즉 용기 본체(171)의 중공부의 단면 형상은 육각형이다. 용기 본체(171)의 둘레 방향을 따라서 각 평면에 배치된 6매의 발열체(55)는 서로 대면한다. 복수의 발열체(55)는, 서로 대면하는 소정의 매수로 1세트를 구성하고, 이 예에서는 6매로 1세트를 구성한다.
도 24는, 용기 본체(171)를 직경 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다. 도 24에 도시하는 바와 같이, 용기 본체(171)의 내면을 구성하는 각 평면에는, 용기 본체(171)의 길이 방향을 따라서 복수의 발열체(55)가 배치되어 있다. 이 예에서는, 1개의 평면에 대하여 용기 본체(171)의 길이 방향을 따라서 8매의 발열체(55)가 등간격으로 배치되어 있다. 즉, 용기 본체(171)의 길이 방향을 따라서 8세트의 발열체(55)가 배치되어 있다.
상기 밀폐 용기(170)와 발열 구조체(173)에 의해 발열체 유닛(174)이 구성된다. 발열체 유닛(174)은 전체로서 원통형을 하고 있다. 발열체 유닛(174)은, 내부에 공간을 갖는 격납 용기(176)에 격납된다. 격납 용기(176)는, 열 매체가 유입되는 유입구(176a)와, 열 매체가 유출되는 유출구(176b)를 갖는다. 도 24에서는, 격납 용기(176) 중, 발열체 유닛(174)의 용기 본체(171)의 길이 방향의 일단부에 유입구(176a)가 마련되고, 발열체 유닛(174)의 용기 본체(171)의 길이 방향의 타단부에 유출구(176b)가 마련되어 있다. 유입구(176a)로부터 유입된 열 매체는, 밀폐 용기(170)의 핀(172)을 따라서 나선상으로 이동하여, 유출구(176b)로부터 유출된다. 격납 용기(176)는 단열재(177)에 덮여 있다. 열 매체로서는, 반응성·부식성이 낮은 가스나 응집·열분해되지 않는 가스가 사용된다. 열 매체는, 예를 들어, 수증기, 공기, 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스, 크세논 가스, 탄산 가스, 프레온계 가스, 및 이들의 혼합 가스가 바람직하다.
도 24에서는, 밀폐 용기(170)는, 수소계 가스 공급 배기 헤더(178)와 접속하고 있다. 수소계 가스 공급 배기 헤더(178)는, 수소관(179)과 접속하고 있다. 이에 의해 수소계 가스의 공급과 배기가 반복하여 행하여진다. 또한, 밀폐 용기(170)와 수소계 가스 공급 배기 헤더(178)를 착탈 가능하게 함으로써, 발열체 유닛(174)을 교환 가능하게 해도 된다.
이상과 같이, 발열체 유닛(174)은, 핀(172)을 가짐으로써, 열 매체와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있으므로, 발열 구조체(173)와 열 매체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
발열체 유닛(174)은, 핀(172)이 용기 본체(171)의 외주면에 나선상으로 설치되어 있으므로써, 열 매체를 핀(172)을 따라서 나선상으로 이동시킬 수 있으므로, 열 매체와의 접촉 시간이 길어져, 발열 구조체(173)의 열을 확실하게 열 매체에 전달할 수 있다.
용기 본체(171)는, 내면이 6개의 평면에 의해 구성되어 있지만, 내면을 구성하는 평면의 수를 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 용기 본체(171)의 내면을 8개의 평면에 의해 구성하고, 용기 본체(171)의 중공부의 단면 형상이 팔각형이 되게 해도 된다.
격납 용기(176)는, 복수의 발열체 유닛(174)을 격납하도록 구성해도 된다. 예를 들어, 격납 용기(176)의 내부에 7개의 발열체 유닛(174)을 격납할 수 있다. 또한, 예를 들어 20을 초과하는 다수의 발열체 유닛(174)을 격납 용기(176)에 격납하는 경우에는, 발열체 유닛(174)의 용기 본체(171)의 길이 방향과 직행하는 방향으로 열 매체가 흐르도록, 유입구(176a)와 유출구(176b)의 위치를 변경하는 것이 바람직하다.
상기 밀폐 용기(170)에서는 복수의 발열체(55)를 용기 본체(171)의 내면에 접촉시켜, 복수의 발열체(55)가 발생시키는 열을 용기 본체(171)에 직접 전달시키고 있지만, 복수의 발열체(55)를 용기 본체(171)의 내면으로부터 이격하여 지지하고, 복수의 발열체(55)가 발생시키는 열을 용기 본체(171)에 전달하기 위한 전열 지지부를 마련해도 된다.
도 25에 도시하는 바와 같이, 밀폐 용기(180)는, 용기 본체(181)와, 핀(182)과, 전열 지지부(183)를 갖는다. 밀폐 용기(180)는, 복수의 발열체(55)를 갖는 발열 구조체(184)를 수용한다. 용기 본체(181)는, 중공부의 단면 형상이 원형인 것 이외에는, 용기 본체(171)와 동일한 구성을 갖는다. 즉 용기 본체(181)의 내면은 곡면에 의해 구성되어 있다. 핀(182)은, 핀(172)과 동일한 구성을 갖는다. 용기 본체(181)와 핀(182)의 설명은 생략한다. 밀폐 용기(180)와 발열 구조체(184)에 의해 발열체 유닛(185)이 구성된다. 발열체 유닛(185)은 전체적으로 원통형을 하고 있다. 발열체 유닛(185)은, 예를 들어, 발열체 유닛(174) 대신에 격납 용기(176)에 격납된다(도 24 참조). 도 25는, 밀폐 용기(180)를 직경 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
전열 지지부(183)는, 용기 본체(181)의 내부에 마련되고, 복수의 발열체(55)를 지지하고, 복수의 발열체(55)가 발생시키는 열을 용기 본체(181)에 전달한다. 전열 지지부(183)는, 복수의 발열체(55)를 지지하는 지지 필러(183a)와, 지지 필러(183a)와 용기 본체(181)를 접속하는 브리지(183b)를 갖는다. 이 예에서는, 10W의 발열체(55)를 사용한다.
전열 지지부(183)는, 적어도 1개 이상의 지지 필러(183a)와, 적어도 1개 이상의 브리지(183b)를 갖고, 이 예에서는, 4개의 지지 필러(183a)와 3개의 브리지(183b)를 갖는다. 4개의 지지 필러(183a)는, 서로 소정의 간격을 설정하여 배치된다. 각 지지 필러(183a)는, 용기 본체(181)의 길이 방향을 따라서 연장하고 있고, 그 양단이 도시하지 않은 고정 부재에 의해 용기 본체(181)에 고정된다. 3개의 브리지(183b)는, 각 지지 필러(183a)의 길이 방향을 따라서 소정의 간격을 설정하여 배치된다. 각 브리지(183b)는, 예를 들어 판상으로 형성되어 있고, 도시하지 않은 고정 부재에 의해 각 지지 필러(183a)와 용기 본체(181)를 접속한다.
도 26은, 용기 본체(181)를 직경 방향으로 절단한 단면도이다. 도 26에 도시하는 바와 같이, 각 지지 필러(183a)는, 각기둥상으로 형성되어 있고, 이 예에서는 단면이 직사각형의 사각 기둥 형상이다. 각 지지 필러(183a)는, 특정 면이 서로 대면하도록 배치되어 있다. 즉, 4개의 지지 필러(183a)는 사각통 형상으로 배치되어 있다. 각 지지 필러(183a)의 특정 면을 표면으로 하고, 특정 면과는 반대측의 면을 이면으로 한다. 각 지지 필러(183a)의 이면은, 용기 본체(181)의 내면과 대면한다. 각 지지 필러(183a)는, 표면과 이면의 적어도 어느 것에 발열체(55)를 지지한다. 도 26에서는, 각 지지 필러(183a)의 양면(표면 및 이면)에 발열체(55)가 지지되어 있다. 1개의 지지 필러(183a)에는 12매의 발열체(55)가 지지되어 있다. 각 발열체(55)는, 용기 본체(181)의 내면과 접촉하지 않고, 용기 본체(181)의 내면으로부터 이격되어 있다.
전열 지지부(183)의 재료, 즉 지지 필러(183a) 및 브리지(183b)의 재료로서는, 예를 들어 용기 본체(181)와 동일한 재료를 사용하는 것이 가능하다. 지지 필러(183a) 및 브리지(183b)는, 구리에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 니켈에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 4.4㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 텅스텐에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 전열 지지부(183)를 상기 재료 및 각종 치수로 함으로써, 지지 필러(183a) 및 브리지(183b)를 통하여, 발열체(55)가 발생시키는 열을 용기 본체(181) 및 핀(182)에 전달하는 것이 가능하게 된다. 또한, 발열체(55)의 온도가 순간적으로 상승한 경우에도, 전열 지지부(183)가 녹아서 파손되는 것이 방지된다. 또한, 상기와 같이 10W의 발열체(55)를 각 지지 필러(183a)의 양면에 지지시키는 것 대신에, 예를 들어 20W의 발열체(55)를 각 지지 필러(183a)의 양면에 지지시키는 경우나 40W의 발열체(55)를 각 지지 필러(183a)의 표면 또는 이면에 지지시키는 경우에는, 각종 치수를 변경하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 지지 필러(183a) 및 브리지(183b)는, 구리에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 니켈에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 8.4㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 텅스텐에 의해 형성되어 있는 경우에는 두께를 4㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 발열체 유닛(185)은, 전열 지지부(183)를 가짐으로써, 발열체(55)가 발생시키는 열을 용기 본체(181) 및 핀(182)에 효율적으로 전달시킬 수 있으므로, 발열 구조체(184)와 열 매체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
전열 지지부(183)는, 4개의 지지 필러(183a)를 갖지만, 지지 필러(183a)의 수를 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 1개의 지지 필러(183a)를 용기 본체(181)의 중앙에 배치해도 되고, 6개의 지지 필러(183a)를 6각통 형상으로 배치해도 된다. 또한, 전열 지지부(183)는, 3개의 브리지(183b)를 갖지만, 브리지(183b)의 수를 적절히 변경하는 것이 가능하다.
전열 지지부(183)는, 내면이 평면으로 구성된 용기 본체(171)의 내부에 마련해도 된다. 이에 의해, 용기 본체(171)의 내면을 구성하는 각 평면에는 복수의 발열체(55)가 배치되고, 전열 지지부(183)에는 복수의 발열체(55)가 지지되므로, 발열체(55)의 수를 증가시킬 수 있다.
상기 발열체 유닛(174, 185)은 원통형이지만, 발열체 유닛은 평판형으로 해도 된다.
도 27에 도시하는 바와 같이, 발열체 유닛(190)은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기(191)와, 밀폐 용기(191)에 수용되는 발열 구조체(192)를 구비한다. 발열체 유닛(190)은, 예를 들어, 세로의 길이가 800㎜, 가로의 길이가 600㎜, 두께가 15㎜의 평판형으로 되어 있다. 도 27은, 평판형의 발열체 유닛(190)을 두께 방향과 직교하는 방향으로 절단한 단면도이다.
밀폐 용기(191)는, 내부에 공간을 갖는 용기 본체(193)를 포함한다. 용기 본체(193)는, 평판상으로 형성되어 있고, 이 예에서는 중공부의 단면 형상이 사각형이다. 발열 구조체(192)는, 복수의 발열체(55)를 갖고, 이 예에서는 60매의 발열체(55)에 의해 형성된다.
용기 본체(193)는, 수소계 가스 공급 배기 헤더(194)와 접속하고 있다. 수소계 가스 공급 배기 헤더(194)는, 수소관(195)과 접속하고 있다. 이에 의해 수소계 가스의 공급과 배기가 반복하여 행하여진다.
도 28은, 평판형의 발열체 유닛(190)을 두께 방향으로 절단한 단면도이다. 도 28에 도시하는 바와 같이, 용기 본체(193)는, 제1 내면(193a)과, 제1 내면(193a)과 대면하는 제2 내면(193b)을 갖는다. 제1 내면(193a)과 제2 내면(193b)에는 복수의 발열체(55)가 접촉하여 배치되어 있다. 이 예에서는, 60매의 발열체(55) 중, 30매의 발열체(55)가 제1 내면(193a)에 배치되고, 30매의 발열체(55)가 제2 내면(193b)에 배치되어 있다. 제1 내면(193a)에 배치된 각 발열체(55)와, 제2 내면(193b)에 배치된 각 발열체(55)는, 서로 대면하고 있다.
도 29에 도시하는 바와 같이, 발열체 유닛(190)은, 내부에 공간을 갖는 격납 용기(196)에 격납된다. 격납 용기(196)의 외형은, 예를 들어 용기 본체(193)의 상사형으로 된다. 1개의 격납 용기(196)에 1개의 발열체 유닛(190)을 격납하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 1개의 격납 용기(196) 복수의 발열체 유닛(190)을 격납하도록 구성해도 된다.
격납 용기(196)에는, 열 매체를 분사하는 노즐부(196a)와, 열 매체가 유출되는 유출구(196b)가 마련되어 있다. 노즐부(196a)는, 열 매체를 선단으로부터 분사함으로써 발열체 유닛(190)의 표면에 분사한다. 격납 용기(196)에는, 적어도 1개 이상의 노즐부(196a)와, 적어도 1개 이상의 유출구(196b)가 마련된다. 도 29에서는, 발열체 유닛(190)과 대향하는 2개의 벽부의 각각에 노즐부(196a)가 마련되고, 각 노즐부(196a)가 마련된 벽부와는 다른 2개의 벽부 각각에 유출구(196b)가 마련되어 있다.
노즐부(196a)는, 열 매체를 분사하는 분사부(198)와, 분사부(198)와 접속하는 배관부(199)를 갖는다. 분사부(198)는 노즐부(196a)의 선단에 마련되어 있다. 배관부(199)는 열 매체를 분사부(198)에 안내한다. 분사부(198)로부터 분사되어, 발열체 유닛(190)에 분사된 열 매체는, 유출구(196b)로부터 격납 용기(196)의 외부로 유출된다. 도 29에서는, 각 노즐부(196a)는 각각 11개의 분사부(198)를 갖는다.
이상과 같이, 발열체 유닛(190)은, 밀폐 용기(191)의 용기 본체(193)를 평판상으로 형성하고, 용기 본체(193)의 제1 내면(193a)과 제2 내면(193b)에 복수의 발열체(55)를 배치함으로써 형성할 수 있으므로, 제조가 용이하여, 제조 비용을 억제할 수 있다.
발열체 유닛(190)은 밀폐 용기(191)가 용기 본체(193)를 포함하는 구성이지만, 용기 본체(193)의 외면에는 핀을 마련해도 된다.
도 30에 도시하는 바와 같이, 발열체 유닛(200)은, 발열체 유닛(190)의 밀폐 용기(191) 대신에 밀폐 용기(201)를 구비한다. 밀폐 용기(201)는, 용기 본체(193)와, 용기 본체(193)의 외면에 마련된 핀(202)을 갖는다. 밀폐 용기(201)는, 적어도 1개 이상의 핀(202)을 갖는다. 핀(202)은, 복수의 리브(203)에 의해 형성되어 있다. 도 30은, 복수의 리브(203)에 의해 형성된 밀폐 용기(201)의 평면도이다. 또한, 밀폐 용기(201)에는 발열 구조체(192)(도 27 및 도 28 참조)가 수용된다. 즉, 발열체 유닛(200)은, 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기(201)와, 밀폐 용기(201)에 수용되는 발열 구조체(192)를 구비하는 것이다.
도 31은, 복수의 리브(203)에 의해 형성된 핀(202)을 갖는 밀폐 용기(201)의 측면도이다. 도 31에 도시하는 바와 같이, 용기 본체(193)의 외면 중, 서로 대향하는 2개의 면의 각각에 핀(202)이 마련되어 있다. 복수의 리브(203)는, 용기 본체(193)의 외면으로부터 돌출되어 있다. 이 예에서는, 용기 본체(193)의 외면 중, 서로 대향하는 2개의 면의 각각에 16개의 리브(203)가 마련되어 있다.
핀(202)을 갖는 발열체 유닛(200)은, 예를 들어, 격납 용기(176)(도 24 참조)나 노즐부(196a)가 마련된 격납 용기(196)(도 29 참조) 등에 격납된다. 예를 들어 격납 용기(196)에 핀(202)을 갖는 발열체 유닛(200)을 격납하는 경우에는, 복수의 리브(203)의 길이 방향이 열 매체의 유통 방향과 일치하도록 발열체 유닛(200)을 배치하는 것이 바람직하다. 발열체 유닛(200)은, 핀(202)을 가짐으로써, 열 매체와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있으므로, 발열 구조체(192)와 열 매체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
격납 용기(176)나 격납 용기(196)를 복수 준비하여 직렬로 접속해도 된다. 발열체 유닛(190)이나 발열체 유닛(200)의 수가 증가하므로, 출력의 향상이 도모된다.
도 24에 도시하는 발열 유닛(174), 도 25에 도시하는 발열체 유닛(185), 도 27에 도시하는 발열체 유닛(190), 도 30에 도시하는 발열체 유닛(200)은, 도 16에 도시하는 발열체 유닛(103) 대신에 발열 장치(101)에 사용할 수 있다.
10, 90, 140, 160: 열 이용 시스템
11, 101: 발열 장치
12, 102: 열 이용 장치
15, 104, 170, 180, 191, 201: 밀폐 용기
20, 106, 173, 184, 192: 발열 구조체
21: 히터
31, 147a, 165a, 176, 196: 격납 용기
32, 147b, 165b: 열 매체 유통부
33: 가스 터빈
34: 증기 발생기
35: 증기 터빈
36: 스털링 엔진
37: 열전 변환기
38, 39, 40: 발전기
55, 75, 80, 85, 86, 105: 발열체
66: 받침대
67: 다층막
71: 제1 층
72: 제2 층
77: 제3 층
82: 제4 층
125: 연소용 공기 순환 라인
126: 유량 가변 순환 팬
127: 순환 유량 제어부
142: 보일러(연소 장치)
143: 이산화탄소 분리 회수 장치
162: 메탄 제조 장치
167: 촉매
171, 181, 193: 용기 본체
172, 182, 202: 핀
183: 전열 지지부
203: 리브
11, 101: 발열 장치
12, 102: 열 이용 장치
15, 104, 170, 180, 191, 201: 밀폐 용기
20, 106, 173, 184, 192: 발열 구조체
21: 히터
31, 147a, 165a, 176, 196: 격납 용기
32, 147b, 165b: 열 매체 유통부
33: 가스 터빈
34: 증기 발생기
35: 증기 터빈
36: 스털링 엔진
37: 열전 변환기
38, 39, 40: 발전기
55, 75, 80, 85, 86, 105: 발열체
66: 받침대
67: 다층막
71: 제1 층
72: 제2 층
77: 제3 층
82: 제4 층
125: 연소용 공기 순환 라인
126: 유량 가변 순환 팬
127: 순환 유량 제어부
142: 보일러(연소 장치)
143: 이산화탄소 분리 회수 장치
162: 메탄 제조 장치
167: 촉매
171, 181, 193: 용기 본체
172, 182, 202: 핀
183: 전열 지지부
203: 리브
Claims (25)
- 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와,
상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 갖는 발열 구조체와,
상기 발열체의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하는 열 이용 장치
를 구비하고,
상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고,
상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는 열 이용 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 발열체는, 방사상으로 복수 배치되어 있는 열 이용 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 발열체는, 서로 간극을 두고 일렬로 복수 배열되어 있는 열 이용 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 발열체는, 통 형상으로 형성되어 있는 열 이용 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 발열체는, 소권으로 권회한 와권상으로 형성되어 있는 열 이용 시스템.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발열 구조체는, 상기 밀폐 용기의 내부에 있어서 상기 수소계 가스가 흐르는 방향으로 복수 배열되어 있는 열 이용 시스템.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀폐 용기에 수용되고, 통 형상으로 형성된 히터를 구비하고,
상기 발열 구조체는, 상기 히터의 내면에 의해 형성되는 공간에 배치되어 있는 열 이용 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 이용 장치는, 상기 밀폐 용기를 격납하는 격납 용기를 갖고,
상기 열 매체는, 상기 격납 용기의 내면과 상기 밀폐 용기의 외면에 의해 형성된 간극을 통과함으로써 가열되는 열 이용 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 열 이용 장치는, 상기 격납 용기의 내부와 외부 사이에서 상기 열 매체를 유통시키는 열 매체 유통부를 갖는 열 이용 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 열 이용 장치는, 가스 터빈, 증기 터빈, 스털링 엔진, 및 열전 변환기 중, 적어도 어느 것을 갖는 열 이용 시스템.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것에 의해 형성되고,
상기 제2 층은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것에 의해 형성되는 열 이용 시스템. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층막은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층에 추가로, 상기 제1 층 및 상기 제2 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제3 층을 갖는 열 이용 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 제3 층은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 열 이용 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 다층막은, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층에 추가로, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층과는 다른 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제4 층을 갖는 열 이용 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 제4 층은, Ni, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 열 이용 시스템.
- 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와,
상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 갖는 발열 구조체와,
연료와 연소용 공기를 연소시켜서 열을 발생시키는 연소 장치와,
상기 발열체의 열을 이용하여 상기 연소용 공기를 예열하는 열 이용 장치
를 구비하고,
상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고,
상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는 열 이용 시스템. - 제16항에 있어서, 상기 연소용 공기를 순환시키는 연소용 공기 순환 라인과,
상기 연소용 공기 순환 라인에 마련된 유량 가변 순환 팬과,
상기 유량 가변 순환 팬을 구동하고, 상기 연소용 공기의 순환 유량을 제어하는 순환 유량 제어부를 구비하는 열 이용 시스템. - 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 발열체의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하여, 상기 연소 장치로부터 배출된 배출 가스에 포함되는 이산화탄소를 분리하여 회수하는 이산화탄소 분리 회수 장치를 더 구비하는 열 이용 시스템.
- 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소와 수소를 포함하는 원료 가스로부터 메탄을 생성하는 촉매를 갖고, 상기 발열체의 열에 의해 가열된 열 매체를 열원으로서 이용하여 상기 원료 가스를 가열함으로써, 상기 이산화탄소와 상기 수소를 반응시키는 메탄 제조 장치를 구비하는 열 이용 시스템.
- 수소계 가스가 공급되는 밀폐 용기와,
상기 밀폐 용기에 수용되어 있고, 상기 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 복수의 발열체가 방사상으로 배치된 발열 구조체
를 구비하고,
상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고,
상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는 발열 장치. - 제20항에 있어서, 상기 발열 구조체는, 상기 밀폐 용기의 내부에 있어서 상기 수소계 가스가 흐르는 방향으로 복수 배열되어 있는 발열 장치.
- 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 밀폐 용기는, 상기 발열 구조체를 수용하는 용기 본체와, 상기 용기 본체의 외면에 마련된 핀을 갖는 발열 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 용기 본체는, 통 형상으로 형성되어 있고,
상기 핀은, 상기 용기 본체의 외주면에 나선상으로 마련되어 있는 발열 장치. - 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 밀폐 용기는, 상기 용기 본체의 내부에 마련되고, 복수의 상기 발열체를 지지하고, 복수의 상기 발열체가 발생시키는 열을 상기 용기 본체에 전달하는 전열 지지부를 더 갖는 발열 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 용기 본체는, 평판상으로 형성되어 있고,
상기 핀은, 상기 용기 본체의 외면으로부터 돌출된 복수의 리브에 의해 형성되어 있는 발열 장치.
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