WO2022234798A1 - 発熱装置 - Google Patents

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WO2022234798A1
WO2022234798A1 PCT/JP2022/018980 JP2022018980W WO2022234798A1 WO 2022234798 A1 WO2022234798 A1 WO 2022234798A1 JP 2022018980 W JP2022018980 W JP 2022018980W WO 2022234798 A1 WO2022234798 A1 WO 2022234798A1
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heat
hydrogen
heating element
heat generating
layer
Prior art date
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PCT/JP2022/018980
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English (en)
French (fr)
Inventor
翔一 村上
豊治 大畑
康弘 岩村
岳彦 伊藤
英樹 吉野
Original Assignee
株式会社クリーンプラネット
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V30/00—Apparatus or devices using heat produced by exothermal chemical reactions other than combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/12—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type using desorption of hydrogen from a hydride
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the present invention relates to a heat generating device provided with a heating element that generates heat by occluding and releasing hydrogen.
  • Hydrogen storage alloys have the property of repeatedly absorbing and desorbing a large amount of hydrogen under certain reaction conditions, and it is known that this hydrogen absorption and desorption involves considerable heat of reaction.
  • Heat utilization systems such as heat pump systems, heat transport systems, cold heat (refrigeration) systems, and hydrogen storage systems that utilize this heat of reaction have been proposed (see Patent Documents 1 and 2, for example).
  • the present applicant et al. have proposed that, in a heat-generating device provided with a heat-generating element using a hydrogen storage alloy or the like, the heat-generating element is composed of a support and a multilayer film supported by the support, so that the heat-generating element It was found that heat is generated when hydrogen is absorbed by the heating element and when hydrogen is released from the heating element. Based on such findings, the applicant of the present application and others previously proposed a heat utilization system and a heat generating device (see Patent Document 3).
  • the support included in the heat generating element of the heat generating device is composed of at least one of a porous material, a hydrogen permeable membrane, and a proton dielectric. Alternating first layers of less than 1000 nm thick composed of metals or hydrogen-absorbing alloys and second layers of less than 1000 nm thick composed of hydrogen-absorbing metals, hydrogen-absorbing alloys or ceramics different from the first layers. It is constructed by laminating to
  • the heat generating device 101 can be made small and compact, and has high heat generation efficiency and high output. It is conceivable that In the heat generating device 101 having such a configuration, the hydrogen introduced into the first flow path 106 permeates the heat generating element 105, whereby the heat generating element 105 generates heat. In this case, the hydrogen that permeates the heating element 105 (hereinafter sometimes referred to as “permeated hydrogen”) flows into the second channel 107, so the pressure in the second channel 107 is higher than that in the first channel. lower than 106 pressure.
  • the heating element 105 is made of a very thin and flexible hydrogen storage metal or hydrogen storage alloy, as shown in FIG. At the same time as bending deformation in the shape of an arc curved surface, it receives a tensile stress in the lateral direction of the film surface. When this stress exceeds the yield stress of the material of the heating element 105, the heating element 105 undergoes large plastic deformation. For this reason, the amount of permeation of hydrogen through the heating element 105 and the change in cross-sectional shape of the first channel 106 and the second channel 107 change the hydrogen flow rate, pressure loss, etc.
  • the blockage of the second flow channel 107 stops the flow of hydrogen, or cracks occur in the heating element 105, causing a large amount of hydrogen to flow out from the first flow channel 106 to the second flow channel 107.
  • the pressure difference between the passage 106 and the second passage 107 can be greatly reduced, leading to the failure of the heat generating device.
  • the thickness of the heating element 105 is increased, the diffusion of hydrogen in the heating element 105 is hindered, and the required amount of heat is generated. The problem arises that the quantity is not obtained.
  • the route through which the heat generated from the heat generating element 105 is transmitted to the outside is solid heat conduction at the fastening portion between the heat generating element 105 and the container (not shown), the first flow path 106 and the second flow path 107 in the container.
  • heat radiation and hydrogen gas convection and heat conduction The heat conductivity per unit area due to these radiation and convection/heat conduction of hydrogen gas is relatively smaller than that of solid heat conduction such as metal.
  • heat transfer is even lower, and it may be difficult to obtain a heat flow that adequately maintains the temperature of the heating element 105 . In other words, the heating element 105 may overheat.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat generating device with high heat generation efficiency and heat exchange efficiency and high durability.
  • a heat generating device includes a flat heating element that generates heat by occluding and releasing hydrogen; and a second flow path through which permeated gas containing hydrogen that permeates the heating element flows, wherein the first flow path and the second flow path are arranged on both sides of the heating element.
  • a support for receiving the deformed heat generating element is protruded toward the heat generating element from a first partition forming the second flow path between the heat generating element and the heat generating element.
  • the flexural deformation of the heating element is kept small by the support that receives the heating element.
  • the stress associated with the deformation of the heat generating element is suppressed to a small level, and the durability of the heat generating element is improved. High heat generation efficiency and heat exchange efficiency can be obtained because heat generation can be performed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a heat generating module of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a laminated structure of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is a plan view of an electric heater of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of a portion A of FIG. 1
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 5
  • FIG. 6 is a view similar to FIG. 5 showing another embodiment of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a heat generating module of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a laminated structure of a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is a plan view of an
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a heating element of the heating device according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the mechanism of excessive heat generation in the heating element of the heating device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing Modification 1 of the configuration of the heating element
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing Modified Example 2 of the configuration of the heating element
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining bending deformation of the heating element of the heat generating device according to the present invention and a mechanism for suppressing the deformation.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing Modification 1 of the configuration of the heating element
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing Modified Example 2 of the configuration of the heating element
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining bending deformation of the heating element of the heat generating device according to the present invention and a mechanism for suppressing the deformation.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating bending deformation of a heating element of a heat generating device according to another embodiment of the present invention and a mechanism for suppressing the deformation.
  • 1 is a block diagram showing the configuration of a heat utilization system provided with a heat generating device according to the present invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a heat generating device including a flat heat generating element
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing deformation of the heating element of the heating device shown in FIG. 15;
  • FIG. 15 FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of the heat generating device according to the present invention. 3.
  • connection points of black circles indicate connection portions of a plurality of pipes.
  • the heat generating module M is housed inside the sealed container 3 and includes two laminated structures 4 and one electric heater 9 .
  • Each laminated structure 4 includes a heating element 5 that generates heat by occluding and releasing hydrogen, a first channel 6 into which a hydrogen-based gas containing hydrogen is introduced and that supplies hydrogen to the heating element 5, and a heating element 5.
  • the second channel 7 in which the hydrogen-based gas (hereinafter referred to as the "permeated gas”) containing hydrogen (hereinafter referred to as "permeated hydrogen”) that has permeated the and a third flow path 8 through which a heat medium that exchanges heat therebetween flows. It is constructed by stacking the channels 6 sequentially and symmetrically.
  • the electric heater 9 is an example of heating means for heating the heating element 5, and is not limited to this.
  • the hydrogen-based gas includes isotopes of hydrogen, and the hydrogen-based gas includes at least one of hydrogen gas and deuterium gas.
  • Hydrogen gas includes a mixture of naturally occurring hydrogen and deuterium, ie, a mixture with a proportion of hydrogen of 99.985% and a proportion of deuterium of 0.015%.
  • the hydrogen-based gas that supplies hydrogen to the heat generating element 5 is indicated as "hydrogen”
  • the permeated gas containing permeated hydrogen that has permeated the heat generating element 5 is indicated as "permeated hydrogen”.
  • the temperature adjustment unit T adjusts the temperature of the heating element 5 and maintains the heating element 5 at a temperature at which it can generate heat (for example, 50° C. to 1500° C.).
  • the temperature control unit T includes an electric heater 9, a power supply 10 for supplying electric power to the electric heater 9, a temperature sensor 11 such as a thermocouple for detecting the temperature of the electric heater 9, and a temperature and a control unit 2 for controlling the output of the power source 10 based on the following.
  • the hydrogen circulation line L1 introduces a hydrogen-based gas containing hydrogen into the first flow passages 6 provided in each laminated structure 4 of the heat generating module M, and permeates the heating elements 5 from the first flow passages 6.
  • the operation of recovering the permeated gas containing the permeated hydrogen that flows into the second channel 7 due to the heat generated by the heating element 5 and returning it to the first channel 6 is repeated.
  • the hydrogen circulation line L1 includes an introduction pipe 12 for introducing a hydrogen-based gas into the first flow path 6 provided in the laminated structure 4 of the heat generating module M, and a second flow path provided in the laminated structure 4 of the heat generating module M. It has a recovery pipe 13 for recovering the permeated gas from the passage 7 and a circulation pump 14 connected to the introduction pipe 12 and the recovery pipe 13 .
  • the heat generating module M and the hydrogen circulation line L1 constitute a closed loop in which the hydrogen-based gas circulates.
  • the introduction pipe 12 extends from the discharge side of the circulation pump 14 and is connected to each first flow path 6 provided in each laminated structure 4 of the heat generating module M by a branch pipe 15 . Therefore, the hydrogen-based gas is introduced from the introduction pipe 12 through the branch pipe 15 into each of the first flow paths 6 .
  • the recovery pipe 13 is connected to the suction port of the circulation pump 14, and is connected to each second flow path 7 provided in each laminated structure 4 of the heat generating module M by a branch pipe 16, respectively. Therefore, the permeating gas flowing through the second flow path 7 is heated by the heating element 5 to a high temperature, is recovered to the recovery pipe 13 through each branch pipe 16, and is a hydrogen system for supplying hydrogen to the heating element 5. Recycled as gas.
  • the circulation pump 14 circulates the hydrogen-based gas between the heat generating module M and the hydrogen circulation line L1 that constitute a closed loop, and for example, a metal bellows pump is used.
  • the circulation pump 14 is electrically connected to the controller 2 and its operation is controlled by a control signal from the controller 2 .
  • a buffer tank 17 , a pressure regulating valve 18 and a filter 19 are provided in the middle of the introduction pipe 12 .
  • the buffer tank 17 stores the hydrogen-based gas and absorbs flow rate fluctuations of the hydrogen-based gas.
  • the pressure regulating valve 18 is electrically connected to the control unit 2, and adjusts the pressure of the hydrogen-based gas supplied from the buffer tank 17 by adjusting the degree of opening according to a control signal from the control unit 2. fulfill a function.
  • the filter 19 is for removing impurities contained in the hydrogen-based gas.
  • the amount of hydrogen permeating through the heating element 5 provided in each laminated structure 4 of the heating module M depends on the temperature of the heating element 5, the pressure difference between both sides of the heating element 5, the heat generation Although it depends on the surface condition of the body 5 , if hydrogen contains impurities, the impurities may adhere to the surface of the heating element 5 and deteriorate the surface condition of the heating element 5 . When the surface condition of the heating element 5 deteriorates, the adsorption and dissociation of hydrogen molecules on the surface of the heating element 5 are inhibited, resulting in a decrease in the amount of hydrogen permeation.
  • Examples of substances that inhibit the adsorption and dissociation of hydrogen molecules on the surface of the heating element 5 include water (including water vapor), hydrocarbons (methane, ethane, methanol, ethanol, etc.), C, S, Si, and the like. .
  • the filter 19 removes water (including water vapor), hydrocarbons, C, S, Si, etc. as impurities contained in hydrogen, thereby suppressing a decrease in the amount of hydrogen permeation through the heating element 5 .
  • the control section 2 is electrically connected to each section of the heating device 1 and controls the operation of each section.
  • This control unit 2 includes a storage unit such as a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory). Various arithmetic processing is executed using data and the like.
  • the closed container 3 is configured as a hollow container made of stainless steel (SUS), for example.
  • Materials having high corrosion resistance and pressure resistance such as carbon steel, austenitic stainless steel, and corrosion-resistant non-ferrous alloy steel, are preferable as the material of the closed vessel 3 .
  • the material of the sealed container 3 may be a material that reflects radiant heat generated by the heating element 5, which will be described later, such as nickel (Ni), copper (Cu), molybdenum (Mo), or the like.
  • the shape of the sealed container 3 is a rectangular tube in this embodiment, it is not limited to this, and may be a rectangular tube other than the square tube, a cylindrical shape, an elliptical tube shape, or the like.
  • heat generation module Next, the configuration of the heat generating module M will be described below with reference to FIGS. 2 to 4.
  • FIG. 1 heat generation module
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the heat generating module M
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the laminated structure 4 forming the heat generating module M
  • FIG. 4 is a plan view of the electric heater 9 provided in the heat generating module M.
  • the heat generating module M is configured by stacking two laminated structures 4 in two stages in the vertical direction (the Z-axis direction in FIG. 2).
  • the lowermost first channel 6 of the upper laminated structure 4 and the uppermost first channel 6 of the lower laminated structure 4 face each other.
  • the heat generating module M is formed in the shape of a quadrangular prism in the example shown in FIG.
  • the upper surface in the Z-axis direction is the upper surface
  • the lower surface in the Z-axis direction is the bottom surface
  • the left surface in the Y-axis direction is the front surface.
  • the right surface in the Y-axis direction is the rear surface
  • the right surface in the X-axis direction is the right surface
  • the left surface in the X-axis direction is the left surface.
  • the first flow path 6 is composed of a flat plate portion 6a and a wall portion 6b provided on the flat plate portion 6a.
  • the flat plate portion 6a and the wall portion 6b are made of, for example, stainless steel.
  • the flat plate portion 6a is formed in a square shape in plan view.
  • the wall portion 6b is provided on three of the four edge portions of the flat plate portion 6a. In FIG. 3, the wall portion 6b is provided at the left and right edge portions in the X-axis direction and the right edge portion in the Y-axis direction among the four edge portions of the flat plate portion 6a.
  • the wall portion 6b constituting the lower first flow path 6 protrudes upward in the Z-axis direction, and the wall portion 6b constituting the upper first flow path 6 protrudes downward in the Z-axis direction. protruding towards.
  • the front surface of the first flow path 6 (the left side in the Y-axis direction), that is, one of the four edge portions of the flat plate portion 6a where the wall portion 6b is not provided, has a hydrogen inlet 6c. is provided.
  • the hydrogen inlet 6c is connected to the branch pipe 15 of the hydrogen supply line L1 (see FIG. 1).
  • the second flow path 7 is composed of a flat plate portion 7a and a wall portion 7b provided on the flat plate portion 7a.
  • the flat plate portion 7a and the wall portion 7b are made of, for example, stainless steel.
  • the flat plate portion 7a is formed in a square shape in plan view.
  • the wall portion 7b is provided on three of the four edge portions of the flat plate portion 7a. In FIG. 3, the wall portion 7b is provided on the left and right edge portions in the X-axis direction and the left edge portion in the Y-axis direction among the four edge portions of the flat plate portion 7a.
  • the wall portion 7b constituting the second flow path 7 on the lower side protrudes downward in the Z-axis direction, and the wall portion 7b constituting the second flow path 7 on the upper side protrudes upward in the Z-axis direction. Protruding.
  • the back surface of the second flow path 7 (the right side surface in the Y-axis direction), that is, the edge portion of one side where the wall portion 7b is not provided among the four edge portions of the flat plate portion 7a has a hydrogen recovery port. 7c is provided. In FIG. 3, the hydrogen recovery port 7c provided on the back surface of the lower second flow path 7 is hidden behind the plane of the paper.
  • the hydrogen recovery port 7c is connected to the branch pipe 16 of the hydrogen circulation line L1 (see FIG. 1).
  • the third flow path 8 is formed in a flat plate shape, and includes two flat plate portions 8a arranged with a gap therebetween, and two flat plate portions 8a provided between the two flat plate portions 8a and arranged with a gap therebetween. It is composed of two walls 8b.
  • the flat plate portion 8a and the wall portion 8b are made of, for example, stainless steel.
  • the flat plate portions 8a are formed in a rectangular shape in a plan view, and are arranged vertically in the Z-axis direction.
  • the wall portions 8b are provided on two edge portions of the four edge portions of the flat plate portion 8a that face each other. In FIG. 3, the wall portions 8b are provided at the left and right edge portions in the Y-axis direction among the four edge portions of the flat plate portion 8a.
  • a heat medium inlet 8c is provided on the right side surface (the right side surface in the X-axis direction) of the third flow path 8, and the left side surface (the left side surface in the X-axis direction) of the third flow path 8 , and a heat medium recovery port 8d.
  • the heat medium inlet 8c is connected to a branch pipe 31e (see FIG. 1) of a heat medium circulation line L2, which will be described later.
  • the heat medium recovery port 8d is connected to a branch pipe 31f (see FIG. 1) of a heat medium circulation line L2, which will be described later.
  • the third flow path 8 forms part of the heat medium circulation line L2.
  • the electric heater 9 is provided between the two facing first flow paths 6 of the two laminated structures 4 stacked one above the other, that is, between the lowermost first flow path 6 and the lower side of the upper laminated structure 4 . is provided between the uppermost first channel 6 of the laminated structure 4 (see FIG. 2).
  • the electric heater 9 heats the heating element 5 to a temperature capable of generating heat (eg, 50° C. to 1500° C.) via the first flow path 6 .
  • a temperature capable of generating heat eg, 50° C. to 1500° C.
  • the electric heater 9 is a rectangular heater made of a metal with high heat resistance such as molybdenum and nickel, a high heat resistance alloy, or ceramics such as alumina and silicon carbide which are highly heat resistant and do not react with hydrogen. It is constructed by attaching heating wires 9b to both sides of a flat plate-shaped base 9a in a state of being repeatedly bent in a rectangular wave shape. If the material of the base 9a is conductive such as metal, the heating wire 9b is attached to the base 9a via insulating ceramics.
  • the heating wire 9b is made of molybdenum or tungsten having a high electric resistance. The larger the area, the higher the heat generation.
  • the electric heater 9 is configured by attaching the heating wires 9b to both sides of the base 9a, but the heating wires 9b may be attached to only one side of the base 9a.
  • a temperature sensor 11 (see FIG. 1) is provided on the base 9a of the electric heater 9, and a power source 10 (see FIG. 1) is electrically connected to the heating wire 9b.
  • a thin ribbon-shaped surface heater may be used in place of the heating wire 9b.
  • FIG. 5 the characteristic configuration of the heating device 1 according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 is an enlarged detailed view of the A portion in FIG. 1, and FIG. 6 is a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged detailed view of the A portion in FIG. 1
  • FIG. 6 is a cross-sectional view along the line BB in FIG.
  • the characteristic configuration of the other (lower) laminated structure 4 is also the same, illustration and description thereof will be omitted.
  • a first partition forming a second flow path 7 between itself and the heating element 5 (a partition dividing the first flow path 6 and the second flow path 7).
  • a support 25 for receiving the deformed heat generating element 5 protrudes toward the heat generating element 5 from the surface of 24 facing the heat generating element 5 (lower surface in FIG. 5).
  • the support 25 is configured by assembling a plurality of metal plates in a lattice shape, and the projecting length L (see FIG. 5) is the second It is set smaller than the height H of the flow path 7 (L ⁇ H).
  • the support 25 may protrude integrally with the first partition 24 , or the support 25 separate from the first partition 24 may be attached to the first partition 24 .
  • Any metal having high heat resistance, pressure resistance, and thermal conductivity can be used for the support 25, but nickel (Ni) is used in the present embodiment.
  • Ni nickel
  • each heat radiating member 27 is in contact with the second partition wall 26 .
  • stainless steel (SUS) is used for the first partition wall 24 and the second partition wall 26 .
  • any metal having high heat resistance, pressure resistance, and thermal conductivity can be used for the heat dissipation member 27.
  • nickel (Ni) is used. are using.
  • Each heat radiating member 27 may be formed with a hole or a notch through which the heat medium passes, similarly to the support 25 .
  • the heat radiating member 27 protrude integrally with the first partition wall 24 in the present embodiment, the heat radiating member 27 is configured separately from the first partition wall 24, and these heat radiating members The member 27 may be attached to the first partition wall 24 .
  • the heat dissipation member 27 is provided on the first partition wall 24 , but the heat dissipation member 27 is provided on the second partition wall 26 side, and the tip of each heat dissipation member 27 is brought into contact with the first partition wall 24 .
  • the tips of the plurality of supports 25 protruding integrally from the first partition 24 are not in operation when the heating device 1 is not in operation (the heating element 5 is not flexurally deformed).
  • the tip may be brought into contact with the heating element 5 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the heating element 5.
  • the heating element 5 has a support 5A and a multilayer film 5B. It is composed of a hydrogen storage alloy or a proton dielectric.
  • Ni, Pd, V, Nb, Ta, Ti, etc. are used as the hydrogen storage metal.
  • LaNi 5 , CaCu 5 , MgZn 2 , ZrNi 2 , ZrCr 2 , TiFe, TiCo, Mg 2 Ni, Mg 2 Cu, etc. are used as hydrogen storage alloys.
  • Proton dielectrics include, for example, BaCeO 3 system (eg Ba(Ce 0.95 Y 0.05 )O 3-6 ), SrCeO 3 system (eg Sr(Ce 0.95 Y 0.05 )O 3 ⁇ 6 ), CaZrO 3 system (e.g. Ca(Zr 0.95 Y 0.05 )O 3- ⁇ ), SrZrO 3 system (e.g. Sr(Zr 0.9 Y 0.1 )O 3- ⁇ ), ⁇ Al 2 O 3 , ⁇ Ga 2 O 3 and the like are used.
  • BaCeO 3 system eg Ba(Ce 0.95 Y 0.05 )O 3-6
  • SrCeO 3 system eg Sr(Ce 0.95 Y 0.05 )O 3 ⁇ 6
  • CaZrO 3 system e.g. Ca(Zr 0.95 Y 0.05 )O 3- ⁇
  • SrZrO 3 system e.g. Sr(Zr 0.9 Y
  • the support 5A may be composed of a porous material or a hydrogen permeable membrane.
  • the porous body has a large number of pores with a size that allows passage of the hydrogen-based gas.
  • the porous body is composed of materials such as metals, non-metals, and ceramics, for example.
  • the porous body is desirably made of a material that does not inhibit the exothermic reaction between hydrogen and the multilayer film 5B.
  • the hydrogen-permeable membrane is made of a material that allows hydrogen to permeate.
  • a hydrogen-absorbing metal or a hydrogen-absorbing alloy is preferable.
  • Hydrogen-permeable membranes include those having a mesh sheet.
  • the multilayer film 5B is formed on the support 5A.
  • the multilayer film 5B is formed on one surface (left end surface and right end surface in FIG. 8) of the support 5A in this embodiment. In FIG. 8, only the multilayer film 5B formed on one surface of the support 5A (the left end surface in FIG. 8) is illustrated, and the multilayer film 5B formed on the other surface of the support 5A (the right end surface in FIG. 8) is shown. The illustration of the multilayer film 5B is omitted.
  • the multilayer film 5B is not limited to being formed on both surfaces of the support 5A, and may be formed on only one surface of the support 5A or only on the other surface of the support 5A.
  • the multilayer film 5B includes a first layer 51 made of a hydrogen storage metal or hydrogen storage alloy, and a second layer 52 made of a different hydrogen storage metal, hydrogen storage alloy or ceramics from the first layer 51.
  • a different material interface 53 is formed between the first layer 51 and the second layer 52 .
  • the multilayer film 5B has five first layers 51 and five second layers 52 alternately laminated in this order on one surface (the left end surface in FIG. 8) of the support 5A. It is formed as a ten-layer film structure.
  • the number of first layers 51 and second layers 52 is arbitrary, and unlike the example shown in FIG. 8, a plurality of second layers 52 and A multilayer film may be formed by alternately stacking the first layers 51 in this order.
  • the multilayer film 5B has at least one first layer 51 and at least one second layer 52, and one or more different material interfaces 53 formed between the first layer 51 and the second layer 52. It would be nice if it was.
  • the first layer 51 is composed of, for example, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, and alloys thereof.
  • the alloy forming the first layer 51 is preferably composed of two or more of Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, and Co.
  • the alloy forming the first layer 51 may be Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, or Co with additives.
  • the second layer 52 is composed of, for example, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, alloys thereof, or SiC.
  • the alloy forming the second layer 52 is preferably composed of two or more of Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, and Co.
  • the alloy forming the second layer 52 may be Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg or Co with an additive added.
  • first layer 51 and the second layer 52 when the types of elements are expressed as "first layer-second layer", Pd--Ni, Ni--Cu, Ni--Cr, Ni--Fe, Ni-- A combination of Mg and Ni—Co is preferred.
  • second layer 52 is made of ceramic, a combination of Ni—SiC is desirable.
  • the thicknesses of the first layer 51 and the second layer 52 that constitute the multilayer film 5B of the heating element 5 are each preferably less than 1000 nm. When each thickness of the first layer 51 and the second layer 52 is less than 1000 nm, the first layer 51 and the second layer 52 can maintain a nanostructure without exhibiting bulk properties. Incidentally, when the thickness of each of the first layer 51 and the second layer 52 is 1000 nm or more, it becomes difficult for hydrogen to permeate the multilayer film 5B. Each thickness of the first layer 51 and the second layer 52 is preferably less than 500 nm. When each thickness of the first layer 51 and the second layer 52 is less than 500 nm, the first layer 51 and the second layer 52 can maintain a nanostructure that does not exhibit any bulk properties.
  • the heating element 5 is constructed so that hydrogen permeates through the multilayer film 5B while hopping.
  • the foreign material interface 53 formed between the first layer 51 and the second layer 52 is permeable to hydrogen.
  • broken arrows indicate how hydrogen permeates through the multilayer film 5B while hopping.
  • FIG. 9 is a schematic diagram explaining the mechanism of excessive heat generation in the heating element 5.
  • FIG. FIG. 9 shows that the first layer 51 and the second layer 52 of the multilayer film 5B of the heating element 5 are composed of a hydrogen storage metal having a face-centered cubic structure, and the hydrogen in the metal lattice of the first layer 51 is a foreign substance. It shows a state of passing through the interface 53 and moving into the metal lattice of the second layer 52 .
  • hydrogen is supplied to the heating element 5, the support 5A and the multilayer film 5B occlude hydrogen.
  • the heating element 5 maintains a state in which hydrogen is occluded by the support 5A and the multilayer film 5B.
  • the first surface (surface) of the heat generating element 5 faces the first flow path 6 and the other surface (back surface) of the heat generating element 5 faces the second flow path 7 .
  • the channel 6, the heating element 5 and the second channel 7 are stacked in this order. Therefore, the pressure in the first channel 6 is increased by introducing the hydrogen-based gas, and the pressure in the second channel 7 is decreased by recovering the permeated gas. As a result, the pressure of hydrogen in the first flow passage 6 (referred to as “hydrogen partial pressure”) becomes higher than the hydrogen partial pressure in the second flow passage 7, and the hydrogen pressure difference (“hydrogen partial pressure”) on both sides of the heating element 5 pressure difference”) occurs.
  • the hydrogen atoms that have passed through the heating element 5 are recombined and released as hydrogen molecules to the second flow path 7 . That is, hydrogen is released from the heating element 5 .
  • the heating element 5 generates excess heat by allowing hydrogen to permeate from the first flow path 6 on the high pressure side to the second flow path 7 on the low pressure side.
  • a state in which hydrogen is absorbed on the surface of the heating element 5 and hydrogen is released on the back surface of the heating element 5 at the same time by maintaining a state in which the first flow path 6 has a higher pressure than the second flow path 7. can be maintained.
  • "at the same time” means not only completely at the same time, but within a short period of time to the extent that it can be regarded as being substantially at the same time. Since the absorption and release of hydrogen are performed simultaneously, hydrogen continuously permeates the heating element 5 , so excess heat is efficiently generated from the heating element 5 .
  • a plate-like support 5A is prepared, a vapor deposition apparatus is used to vaporize a hydrogen-absorbing metal or hydrogen-absorbing alloy that becomes the first layer 51 and the second layer 52, and the vapor-phase state is obtained.
  • the heating element 5 is manufactured by depositing a hydrogen storage metal or hydrogen storage alloy on the surface of the support 5A and alternately forming the first layer 51 and the second layer 52 thereon. In this case, it is preferable to continuously form the first layer 51 and the second layer 52 in a vacuum state. is formed, and only the foreign material interface 53 is formed.
  • a Ni plate for example, is used as the support 5A.
  • the vapor deposition apparatus may be a physical vapor deposition apparatus for vapor-depositing a hydrogen-absorbing metal or hydrogen-absorbing alloy on the surface of the support 5A by a physical method, or a physical vapor-depositing apparatus for vapor-depositing a hydrogen-absorbing metal or a hydrogen-absorbing alloy on the surface of the support 5A by a chemical method.
  • a chemical vapor deposition apparatus or the like for vapor deposition is used.
  • a sputtering device, a vacuum deposition device, or the like is used as the physical vapor deposition device.
  • an ALD (Atomic Layer Deposition) device or the like is used as a chemical vapor deposition device.
  • the first layer 51 and the second layer 52 may be alternately formed on the surface of the support 5A by thermal spraying, spin coating, spray coating, dipping, electroplating, or the like.
  • the heating element 5 comprises a multilayer film 5B by alternately laminating first layers 51 and second layers 52 on a support 5A.
  • 5 is not limited to this.
  • Modifications 1 and 2 of the configuration of the heating element 5 will now be described with reference to FIGS. 10 and 11, respectively.
  • 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a heating element 60 according to Modification 1
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of a heating element 70 according to Modification 2. As shown in FIG.
  • the heating element 60 has a support 60A and a multilayer film 60B.
  • the structure of the support 60A is the same as the structure of the support 5A of the heating element 5 shown in FIG. 8, the description of the support 60A is omitted.
  • the multilayer film 60B is formed on the support 60A.
  • the multilayer film 60B further has a third layer 63 made of a hydrogen absorbing metal, a hydrogen absorbing alloy, or ceramics different from the first layer 61 and the second layer 62. is doing.
  • the configuration of the first layer 61 is the same as that of the first layer 51 of the heating element 5 shown in FIG. 7, and the configuration of the second layer 62 is the same as that of the second layer 52 of the heating element 5. Description of the first layer 61 and the second layer 62 is omitted.
  • a different material interface 64 is formed between the first layer 61 and the second layer 62 .
  • a different material interface 65 is formed between the first layer 61 and the third layer 63 .
  • the foreign substance interface 64 and the foreign substance interface 65 are permeable to hydrogen in the same way as the foreign substance interface 53 of the heating element 5 .
  • excess heat is generated by hydrogen passing through the foreign material interface 64 and the foreign material interface 65 or hydrogen diffusing at the foreign material interface 64 and the foreign material interface 65 .
  • the multilayer film 60B is formed on the support 60A as a multilayer film structure in which the first layer 61 is provided between the second layer 62 and the third layer 63.
  • the multilayer film 60B includes a first layer 61, a second layer 62, a first layer 61, and a third layer 63 in this order on one surface (upper end surface in FIG. 10) of a support 60A. alternately stacked.
  • the multilayer film 60B has a different film structure from the example shown in FIG. A film structure in which the two layers 62 are alternately laminated in this order may be formed.
  • the multilayer film 60B is not limited to being formed on one surface of the support 60A (upper surface in FIG.
  • the numbers of the first layers 61, the second layers 62, and the third layers 63 are arbitrary.
  • the multilayer film 60B may have one or more third layers 63 .
  • the third layer 63 is composed of Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co or alloys thereof, or SiC, CaO , Y2O3 , TiC, LaB6 , SrO, BaO. It is
  • the alloy forming the third layer 63 is desirably composed of two or more of Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, and Co. As the alloy forming the third layer 63, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co may be added with an additive element.
  • the third layer 63 be made of any one of CaO, Y2O3, TiC, LaB6 , SrO and BaO.
  • the heating element 60 having the third layer 63 made of any one of CaO, Y 2 O 3 , TiC, LaB 6 , SrO, and BaO has an increased amount of hydrogen storage, and a foreign substance interface 64 and a foreign substance interface 65 Since the amount of hydrogen permeating through the heating element 60 increases, the excess heat generated by the heating element 60 increases, resulting in higher output.
  • the thickness of the third layer is less than 1000 nm. If the thickness of the third layer 63 is less than 1000 nm, the third layer 63 can maintain a nanostructure without exhibiting bulk properties.
  • the third layer 63 made of any one of CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO and BaO preferably has a thickness of 10 nm or less. When the thickness of the third layer 63 is 10 nm or less, the multilayer film 60B can easily transmit hydrogen.
  • the third layer 63 made of CaO, Y 2 O 3 , TiC, LaB 6 , SrO, or BaO preferably has a full thickness of 10 nm or less.
  • the multilayer film 60B may be formed in an island shape instead of being formed in a complete film shape.
  • first layer-third layer-second layer Pd-CaO-Ni, Pd-Y 2 O 3 —Ni, Pd—TiC—Ni, Pd—LaB 6 —Ni, Ni—CaO—Cu, Ni—Y 2 O 3 —Cu, Ni—TiC—Cu, Ni—LaB 6 —Cu, Ni—Co— Cu, Ni—CaO—Cr, Ni—Y 2 O 3 —Cr, Ni—TiC—Cr, Ni—LaB 6 —Cr, Ni—CaO—Fe, Ni—Y 2 O 3 —Fe, Ni—TiC—Fe , Ni—LaB 6 —Fe, Ni—Cr—Fe, Ni—CaO—Mg, Ni—Y 2 O 3 —Mg, Ni—TiC—Mg, Ni—LaB 6 —Mg, Ni—CaO—Mg, Ni—Y 2 O 3 —Mg, Ni—TiC—Mg, Ni—LaB 6 —
  • the multilayer film 70B of the heating element 70 has a support 70A and a multilayer film 70B. Since the structure of the support 70A is the same as that of the support 5A, the description of the support 70A is omitted.
  • the multilayer film 70B is formed on the support 70A, and in addition to the first layer 71, the second layer 72 and the third layer 73, the first layer 71, the second layer 72 and the third layer 73 are It further has a fourth layer 74 made of a different hydrogen storage metal, hydrogen storage alloy or ceramics. Since the configurations of the first layer 71, the second layer 72 and the third layer 73 are the same as the configuration of the first layer 61, the second layer 62 and the third layer 63 of the heating element 60 shown in FIG. Descriptions of the first layer 71, the second layer 72, and the third layer 73 are omitted.
  • a different material interface 75 is formed between the first layer 71 and the second layer 72
  • a different material interface 76 is formed between the first layer 71 and the third layer 73
  • a different material interface 77 is formed between the first layer 71 and the fourth layer 74 .
  • These dissimilar substance interfaces 75 , 76 , 77 are permeable to hydrogen in the same manner as the dissimilar substance interface 53 of the heating element 5 .
  • excess heat is generated by hydrogen permeating the dissimilar material interfaces 75 , 76 , 77 by quantum diffusion or hydrogen diffusing at the dissimilar material interfaces 75 , 76 , 77 .
  • a first layer 71, a second layer 72, a first layer 71, a third layer 73, a first layer 71 and a fourth layer 74 are laminated in this order on the surface of the support 70A.
  • the first layer 71, the fourth layer 74, the first layer 71, the third layer 73, the first layer 71, and the second layer 72 may be laminated in this order on the surface of the support 70A. That is, the multilayer film 70B is formed by laminating the second layer 72, the third layer 73, and the fourth layer 74 in an arbitrary order, and the first layer 72, the third layer 73, and the fourth layer 74 are interposed therebetween. It has a laminated structure in which a layer 71 is provided.
  • the foreign material interface 75 formed between the first layer 71 and the fourth layer 74 is permeable to hydrogen atoms.
  • the multilayer film 70B may have one or more fourth layers 74 .
  • the fourth layer 74 is made of Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co or alloys thereof, or SiC, CaO , Y2O3 , TiC, LaB6 , SrO, or BaO. ing.
  • the alloy forming the fourth layer 74 is preferably composed of two or more of Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg and Co.
  • Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co may be added with an additive element.
  • the fourth layer 74 is desirably composed of CaO , Y2O3, TiC, LaB6 , SrO, or BaO.
  • the heating element 70 having the fourth layer 74 made of any one of CaO, Y 2 O 3 , TiC, LaB 6 , SrO, and BaO the amount of hydrogen absorbed increases, Since the amount of hydrogen permeating through 76 and 77 increases, the output of excess heat generated by the heating element 70 can be increased.
  • the thickness of fourth layer 74 is preferably less than 1000 nm. If the thickness of the fourth layer 74 is less than 1000 nm, the fourth layer 74 can maintain a nanostructure without exhibiting bulk properties.
  • the fourth layer 74 made of CaO, Y 2 O 3 , TiC, LaB 6 , SrO, or BaO preferably has a thickness of 10 nm or less so that hydrogen atoms can easily pass therethrough. When the thickness of the fourth layer 74 is 10 nm or less, the multilayer film 70B can easily transmit hydrogen.
  • the fourth layer 74 made of any one of CaO, Y 2 O 3 , TiC, LaB 6 , SrO, and BaO is formed in an island-like shape without being formed in a perfect film-like thickness. Also good. Furthermore, it is desirable that the first layer 71 and the fourth layer 74 are continuously deposited in a vacuum state. Only the foreign material interface 75 is formed without forming an oxide film.
  • first layer 71, the second layer 72, the third layer 73 and the fourth layer 74 when the types of elements are expressed as "first layer-fourth layer-third layer-second layer", Ni --CaO--Cr--Fe, Ni--Y 2 O 3 --Cr--Fe, Ni---TiC--Cr--Fe, and Ni--LaB 6 --Cr--Fe are preferred.
  • the structure of the multilayer film 70B for example, the thickness ratio of each layer, the number of each layer, and the material, can be appropriately and arbitrarily set according to the heating temperature.
  • the hydrogen (hydrogen-based gas) discharged from the circulation pump 14 flows into the introduction pipe 12 of the hydrogen supply line L1 and branches off from the introduction pipe 12 4 It is introduced into each first flow path 6 formed in each laminated structure 4 of the heat generating module M from the branch pipe 15 .
  • Hydrogen (hydrogen-based gas) has its pressure fluctuation suppressed by the buffer tank 17 while flowing through the introduction pipe 12 and is reduced to a predetermined value by the pressure regulating valve 18 .
  • the electric heater 9 provided in the heat generating module M generates heat by electric power supplied from the power supply 10, and heats the heating element 5 to a predetermined temperature (for example, 50° C. to 1500° C.) through the hydrogen in the first flow path 6. ).
  • a predetermined temperature for example, 50° C. to 1500° C.
  • the temperature of the heating element 5 is adjusted to an appropriate value by controlling the output of the power supply 10 by the control section 2 based on the temperature detected by the temperature sensor 11 .
  • the electric heater 9 is interposed between the two laminated structures 4 in the heat generating module M, specifically, between the facing first flow paths 6 of the two laminated structures 4, this electric The heat of the heater 9 is not dissipated to the surroundings by heat radiation from the sealed container 3. - ⁇ Therefore, the heating element 5 is efficiently heated to an appropriate temperature, and its power consumption is kept low.
  • the hydrogen introduced into each first channel 6 of the heating module M permeates the heating element 5 and flows into the second channel 7 as described above.
  • the heating element 5 generates heat.
  • the mechanism by which the heating element 5 generates heat has been described above (see FIG. 9), but on one side (surface) of each heating element 5, hydrogen molecules are adsorbed and dissociated into two hydrogen atoms. , the dissociated hydrogen atoms penetrate into the heating element 5 . That is, hydrogen is occluded in the heating element 5, and the hydrogen atoms pass through the heating element 5 while diffusing. Further, on the other surface (back surface) of the heating element 5, the hydrogen atoms that have passed through the heating element 5 are recombined and released as hydrogen molecules. That is, hydrogen is released from the heating element 5 .
  • the heating element 5 generates heat by absorbing hydrogen and also generates heat by releasing hydrogen.
  • the hydrogen (permeated hydrogen) that has permeated (passed through) each heat generating element 5 of the heat generating module M and is used for heat generation by the heat generating element 5 flows out to each branch pipe 16 and flows into the recovery pipe 13. After joining, it is sucked by the circulation pump 14 and recovered. Thereafter, the same operation is repeated to circulate hydrogen through the hydrogen circulation line L1, and in the process, the heating elements 5 of the heating module M generate heat.
  • hydrogen since hydrogen is continuously circulated through the hydrogen circulation line L1 forming a closed loop, replenishment of hydrogen is not required, which is economical.
  • the high-temperature hydrogen (permeated hydrogen) that has passed through the heating elements 5 prevents overcooling of the heating elements 5 , heat generation of the heating elements 5 is promoted.
  • the first flow path 6 into which hydrogen is introduced is connected to the discharge side of a circulation pump 14 via a branch pipe 15 and an introduction pipe 12, and the second flow path 7 into which permeated hydrogen flows. is connected to the suction side of the circulation pump 14 via the branch pipe 16 and the recovery pipe 13, the pressure in the first flow path 6 is higher than the pressure in the second flow path 7, and therefore the first A differential pressure is generated between the flow path 6 and the second flow path 7 .
  • the heat generating element 5 since the heat generating element 5 is very thin, it is easily deformed. It is as described above that it bends and deforms in the shape of an arc curved surface so as to bulge toward the second flow path 7 side (upward in FIG. 12) (see FIG. 16).
  • the flexurally deformed heating element 5 contacts and is received by the support 25 . Therefore, further deformation of the heating element 5 is prevented, and the flexural deformation of the heating element 5 is suppressed by the supports 25 . That is, the maximum deflection amount of the heating element 5 is suppressed to ⁇ (gap).
  • ⁇ the maximum deflection amount of the heating element 5
  • peeling of the multilayer film 5B from the support 5A (see FIG. 8) due to the deformation of the heating element 5 is prevented, the durability of the heating element 5 is enhanced, and the heating effect of the heating element 5 is deformed. Since the heating element 5 can stably generate heat without being hindered by the heat generation, high heat generation efficiency and heat exchange efficiency can be obtained.
  • the third flow path 8 is arranged adjacent to the second flow path 7 in each laminated structure 4 constituting the heat generating module M, the third flow path 8
  • the heat medium flowing through the second passage 7 is efficiently heated by heat exchange with the permeated hydrogen (permeated gas) flowing through the second passage 7 . That is, the second flow path 7 and the third flow path 8 function as heat exchangers, and the heat generated in the heating element 5 is efficiently recovered by the heat medium through permeated hydrogen (permeated gas). Part of the heat generated in the heating element 5 is transmitted from the permeating hydrogen (permeating gas) through the first partition wall 24 to the plurality of heat radiating members 27. Efficiently heated.
  • the heat transfer area of the first partition wall 24 is increased by the plurality of heat radiating members 27, the heat exchange efficiency between the heating element 5 and permeating hydrogen (permeating gas) is enhanced, and the heat generated in the heating element 5 is dissipated. It is more efficiently recovered by the heat medium.
  • part of the heat generated in the heating element 5 is conducted to the first partition wall 24 through the support 25 that contacts and supports the heating element 5, and this heat is radiated from the first partition wall 24. Since the heat is conducted to the member 27 and used to heat the heat medium, the heat generated in the heating element 5 is more effectively recovered by the heat medium.
  • the temperature and the amount of heat transfer (the amount of radiant heat, the amount of conducted heat, and their total ) is shown in Table 1. Further, physical property data of nickel used for the support 25 and the heat radiating member 27 and physical property data of stainless steel (SUS) used for the first partition wall 24 and the second partition wall 26 are shown in Tables 2 and 3, respectively. , and the temperature and heat transfer were calculated using these physical property data.
  • the support 25 as shown in FIG. 5, plates arranged in a lattice are used, and the number of the supports 25, the number of partitions of the lattice, and the partition size are changed as shown in Table 1. Case 0, Case 1, Case 2, and Case 3, respectively.
  • the support 25 had a height of 1 mm and a thickness of 0.1 mm.
  • Case 0 shown in Table 1 has no support, Case 1 has 2 supports 25, the number of grid divisions is 4, and the partition size of the grid is 10.5 mm, and Case 2 has 6 supports 25. , the grid division number is 16, and the grid division size is 5.25 mm.
  • Case 3 is the case where the number of supports 25 is 14, the grid division number is 64, and the grid division size is 2.625 mm. .
  • the heat medium returned to the heat generating module M from the fourth pipe 31d of the heat medium circulation line L2 of the heat utilization system passes through the two branch pipes 31e from the fourth pipe 31d. 3 channel 8, and in the process of flowing through each third channel 8, heat is generated between the high-temperature permeated hydrogen flowing through the two second channels 7 arranged on both sides of the third channel 8. exchanged and heated. That is, the heat medium is heated by taking heat from the high-temperature permeated gas flowing through the second flow path 7, transports the heat to the heat utilization device 30 (see FIG. 14), and serves as a heat source for the heat utilization device 30.
  • the heat-generating module M also functions as a heat exchanger, and the heat-generating device 1 including the heat-generating module M has an integrated form of heat generation and heat exchange.
  • the heat medium heated by heat exchange with the permeating gas in the course of flowing through each third flow path 8 of the heat generating module M flows from each third flow path 8 through the branch pipe 31f and joins the first pipe 31a,
  • the heat is supplied to the heat utilization device 30 through the first pipe 31a, and the heat utilization device 30 uses the heat supplied from the heat medium to perform required work such as power generation.
  • the heat medium whose temperature has been lowered by supplying heat to the heat utilization device 30 is returned to the heat generating module M through the fourth pipe 31d and the branch pipe 31e, where it is heated again. After that, the same action is continuously repeated to continuously drive the heat utilization device 30 .
  • hydrogen (permeated hydrogen) that has permeated the heating element 5 is placed on both sides of the third flow path 8 through which the heat medium flows, in order from the third flow path 8 .
  • a laminated structure 4 configured by sequentially and symmetrically stacking a second flow path 7 for receiving, a heating element 5, and a first flow path 6 for introducing hydrogen into the heating element 5, and heating the heating element 5
  • An electric heater 9 is provided, and the laminated structure 4 is configured by laminating the heating element 5, the first flow path 6, the second flow path 7, and the third flow path 8 at high density.
  • the body 4 can efficiently generate heat, and miniaturization and compactness of the laminated structure 4 and the heat generating device 1 including the same can be achieved.
  • the heat generated by the heating element 5 is generated by the heat medium flowing through the third flow path 8 and the hydrogen (permeable) flowing through the second flow paths 7 arranged on both sides of the third flow path 8 .
  • the heat generated in the heating element 5 can be efficiently recovered by the heat medium because the heat exchange with the gas is efficiently given to the heat medium.
  • the heat generating module M is configured by stacking two laminated structures 4 in two stages, but the heat generating module M having a multi-stage structure is formed by stacking three or more laminated structures 4 in three or more stages. By doing so, the heat generating module M can generate heat more efficiently, and its output can be increased.
  • the heat generating device 1 recovers the hydrogen that has not permeated the heating element 5 (also referred to as “non-permeated hydrogen”) among the hydrogen introduced into each first flow path 6 using a non-permeated hydrogen recovery line (not shown). Then, it is returned to the upstream side (low pressure side) of the circulation pump 14 of the recovery pipe 13, introduced again from the introduction pipe 12 and the branch pipe 15 into each first flow path 6, and used for heat generation of each heating element 5. It may be configured as follows.
  • the tips of the plurality of supports 25 protruding from the first partition wall 24 do not contact the heating element 5 when the heating device 1 is not in operation, and a gap ⁇ is formed between them. 12, the heating element 5 is curved so as to bulge upward in the figure when the heating device 1 is in operation.
  • the heating element 5 is It bends and deforms so that it bulges upwards between the adjacent supports 25, respectively. In this case, the amount of bending deformation between the supports 25 of the heating element 5 is suppressed to be smaller than the amount of bending deformation in the case shown in FIG. The plastic deformation of 5 is prevented and its durability is enhanced. Further, since the tips of all the supports 25 are in contact with the heating element 5, heat conduction to the first partition wall 24 side through these supports 25 is promoted.
  • the support 25 is composed of a grid-like metal plate as shown in FIG.
  • a trial calculation was made of the maximum stress acting on the In a trial calculation, when the lattice spacing of the metal plate constituting the support 25 is 10 mm, the thickness is 0.1 mm, and the pressure acting on the heating element 5 is 100 KPa, the maximum The stress was 287 MPa.
  • the strength (tensile strength and yield strength) of nickel which is the material of the heating element 5 has temperature dependence.
  • the yield stress at a temperature of 900°C is about 16 MPa. Therefore, the maximum stress of 287 MPa acting on each section of the heating element 5 may exceed the yield stress of 16 MPa at a temperature of 900° C. of nickel, and the heating element 5 may be plastically deformed.
  • the maximum stress acting on each lattice portion of the heating element 5 is the square of the interval (lattice interval) a of the support 25. Proportional. Further, the lower the operating temperature of the heating element 5, the higher the yield stress, so the interval a between the supports 25 can be increased. Also, when the pressure difference acting on the heat generating element 5 is small, the stress acting on the heat generating element 5 is proportionally reduced, so the interval a between the supports 25 can be increased.
  • the interval a between the supports 25 is a ⁇ 0.866t ⁇ (177 ⁇ 0.183T)/(0.287p) ⁇ 0.5 should be satisfied.
  • Heat utilization system Next, a heat utilization system for utilizing heat generated in the heat generating device 1 according to the present invention will be described below with reference to FIG.
  • the heat utilization system shown in FIG. 12 includes the heat generating device 1 and heat utilization device 30 according to the present invention.
  • the heat utilization device 30 is a device that generates power using a heat medium heated by heat generated in the heat generating device 1 as a heat source, and includes a heat medium circulation line L2, a gas turbine 32, a steam generator 33, A steam turbine 34 , a Stirling engine 35 and a thermoelectric converter 36 are provided.
  • the heat medium circulation line L2, the gas turbine 32, the steam generator 33, the steam turbine 34, the Stirling engine 35, and the thermoelectric conversion section 36 will be described below.
  • the heat medium circulation line L2 constitutes a closed loop for circulating the heat medium among the heat generating module M, the gas turbine 32, the steam generator 33, the steam turbine 34, the Stirling engine 35, and the thermoelectric conversion section 36 of the heat generating device 1.
  • the heat medium circulation line L2 includes a first pipe 31a extending from the outlet side of the third flow path 8 of the heat generating module M and connected to the gas turbine 32, the gas turbine 32, and the steam generator 33. a third pipe 31c connecting the steam generator 33 and the Stirling engine 35; 4 piping 31d is provided.
  • a circulation pump 37 and a flow control valve 38 are provided in the middle of the first pipe 31a.
  • a metal bellows pump or the like is used as the circulation pump 37, and a variable leak valve or the like is used as the flow control valve .
  • the gas turbine 32 includes a compressor 32a and a turbine 32b which are coaxially connected, and a generator 40 is connected to the output shaft of the turbine 32b.
  • the steam generator 33 generates high-pressure steam for driving the steam turbine 34, and includes an internal pipe 33a connected to the second pipe 31b and a heat exchange pipe 33b facing the internal pipe 33a.
  • the heat exchange pipe 33b is connected to the inlet side of the steam turbine 34 via the steam pipe 33c, and is connected to the outlet side of the steam turbine 34 via the water supply pipe 33d.
  • the water supply pipe 33d is provided with a condenser and a water supply pump.
  • a generator 50 is connected to the output shaft of the steam turbine 34 .
  • the Stirling engine 35 includes a cylinder 35a, a displacer piston 35b, a power piston 35c, a flow path 35d, and a crank portion 35e.
  • the inside of the cylinder 35a is divided into an expansion space S1 and a compression space S2 by the displacer piston 35b, and a working fluid is sealed in the expansion space S1 and the compression space S2.
  • helium gas hydrogen-based gas, air, or the like is used. In this embodiment, helium gas is used.
  • the flow path 35d is provided outside the cylinder 35a, and communicates the expansion space S1 and the compression space S2.
  • the flow path 35d functions to circulate the working fluid between the expansion space S1 and the compression space S2, and includes a high temperature section 35f, a low temperature section 35g and a regenerator 35h.
  • the working fluid in the expansion space S1 passes through the high temperature section 35f, the regenerator 35h, and the low temperature section 35g in order and flows into the compression space S2.
  • the working fluid in the compression space S2 passes through the low temperature section 35g, the regenerator 35h, and the high temperature section 35f in order and flows into the expansion space S1.
  • the high temperature section 35f is a heat exchanger for heating the working fluid, and a heat transfer tube 35i is provided outside the high temperature section 35f.
  • the heat transfer pipe 35i connects the third pipe 31c and the fourth pipe 31d, and functions to circulate the heat medium from the third pipe 31c to the fourth pipe 31d. As the heat medium flows from the third pipe 31c to the heat transfer pipe 35i, the heat of the heat medium is transferred to the high temperature portion 35f, and the working fluid passing through the high temperature portion 35f is heated.
  • the low temperature section 35g is a heat exchanger for cooling the working fluid, and a cooling pipe 35j is provided outside the low temperature section 35g.
  • the cooling pipe 35j is connected to a cooling medium supply unit (not shown) that supplies a cooling medium such as water, and allows the cooling medium supplied from the cooling medium supply unit to pass therethrough. As the cooling medium flows through the cooling pipe 35j, the working fluid passing through the low temperature portion 35g is cooled by the cooling medium taking away heat.
  • the regenerator 35h is a heat exchanger for storing heat, and is provided between the high temperature section 35f and the low temperature section 35g.
  • the regenerator 35h receives and accumulates heat from the working fluid that has passed through the high temperature portion 35f when the working fluid moves from the expansion space S1 to the compression space S2. Further, the regenerator 35h gives the accumulated heat to the working fluid that has passed through the low temperature section 35g to heat the working fluid when the working fluid moves from the compression space S2 to the expansion space S1.
  • the crank portion 35e is provided at the other end of the cylinder 35a, and includes a crankshaft rotatably supported by a crankcase (not shown), a rod connected to the displacer piston 35b, a rod connected to the power piston 35c, and a rod connected to the power piston 35c. It has a connecting member that connects the rod and the crankshaft, etc., and functions to convert the reciprocating linear motion of the displacer piston 35b and the power piston 35c into rotary motion.
  • a generator 80 is connected to the crankshaft of the Stirling engine 35 .
  • thermoelectric conversion unit 36 converts the heat of the heat medium flowing through the fourth pipe 31d into electric power using the Seebeck effect.
  • the thermoelectric conversion part 36 is formed in a cylindrical shape and arranged so as to cover the outer circumference of the fourth pipe 31d.
  • the thermoelectric conversion section 36 includes a thermoelectric conversion module 36a provided on the inner surface and a cooling section 36b provided on the outer surface.
  • the thermoelectric conversion module 36a includes a heat receiving substrate facing the fourth pipe 31d, a heat receiving side electrode provided on the heat receiving substrate, a heat dissipation substrate facing the cooling part 36b, a heat dissipation side electrode provided on the heat dissipation substrate, It includes a p-type thermoelectric element made of a p-type semiconductor, an n-type thermoelectric element made of an n-type semiconductor, and the like.
  • thermoelectric conversion module 36a has p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements arranged alternately, and the adjacent p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are electrically connected by the heat-receiving side electrode and the heat-dissipating side electrode. properly connected.
  • thermoelectric conversion module 36a leads are electrically connected to the p-type thermoelectric element arranged at one end and the n-type thermoelectric element arranged at the other end through heat radiation side electrodes.
  • the cooling part 36b is configured by, for example, a pipe through which cooling water flows, and the thermoelectric conversion part 36 generates electric power according to the temperature difference generated between the inner surface and the outer surface.
  • the heat generated by the permeation of hydrogen through each heat generating element 5 of the heat generating module M as described above is given to the heat medium flowing through the third flow path 8, and the heat medium It is heated to a predetermined temperature. Then, when the circulation pump 37 provided in the first pipe 31a of the heat utilization device 30 is driven, the heated heat medium flows through the third flow path 8 of the heat generating module M, the first pipe 31a, The gas turbine 32, the steam turbine 34, the Stirling engine 35, and the thermoelectric conversion unit 36 are sequentially driven by the supply of heat from the heat medium which circulates through the second pipe 31b, the third pipe 31c, and the fourth pipe 31d. Required power is generated.
  • the flow control valve 38 controls the flow rate of the heat medium based on the temperature detected by the temperature sensor 11 (see FIG. 1). That is, when the temperature of the heating element 5 detected by the temperature sensor 11 exceeds the appropriate upper limit temperature, the flow control valve 38 increases the circulation flow rate of the heat medium to suppress the temperature rise of the heating element 5 . Conversely, when the temperature of the heating element 5 detected by the temperature sensor 11 is below the appropriate lower limit temperature, the flow control valve 38 reduces the circulation flow rate of the heat medium to suppress the temperature drop of the heating element 5. .
  • a high-temperature (for example, 600° C. to 1500° C.) heat medium heated by the heat generating module M of the heat generating device 1 and flowing from the third flow path 8 to the first pipe 31a is introduced into the gas turbine 32.
  • the compressed heat medium expands and flows through the turbine 32b, thereby rotating the turbine 32b and rotating the generator 40 connected to the output shaft of the turbine 32b to generate the required power. . That is, part of the heat possessed by the heat medium is converted into kinetic energy of the gas turbine 32 , and this kinetic energy is converted into electrical energy by the generator 40 .
  • the heat medium discharged from the gas turbine 32 to the second pipe 31b is heat-exchanged with the boiler water flowing through the heat exchange pipe 33b in the process of flowing through the internal pipe 33a of the steam generator 33. to heat.
  • steam of high temperature (300° C. to 700° C.) and high pressure is generated in the steam generator 33, and this steam is supplied to the steam turbine 34 through the steam pipe 33c.
  • the steam turbine 34 is rotationally driven by the steam, and the rotation of the steam turbine 34 simultaneously rotationally drives the power generator 50 to generate the required power. That is, part of the heat possessed by the heat medium is converted into kinetic energy of the steam turbine 34 , and this kinetic energy is converted into electrical energy by the generator 50 .
  • the heat medium with a temperature of 300° C. to 1000° C. that is used to generate steam in the process of flowing through the internal pipe 33a of the steam generator 33 is supplied from the internal pipe 33a to the Stirling engine 35 through the third pipe 31c,
  • the Stirling engine 35 is driven by the aforementioned action.
  • the crankshaft of the Stirling engine 35 is rotationally driven, and the generator 80 connected to this crankshaft is also rotationally driven to generate the required power. That is, part of the heat possessed by the heat medium is converted into kinetic energy of the Stirling engine 35 and this kinetic energy is converted into electrical energy by the generator 80 .
  • the heat medium used to drive the Stirling engine 35 as described above is supplied to the thermoelectric conversion unit 36 through the fourth pipe 31d, and part of the heat of this heat medium is converted into electric power by the Seebeck effect as described above. converted. That is, part of the heat of the heat medium is converted into electrical energy by the thermoelectric conversion section 36 .
  • the heat medium that has been used for power generation in the thermoelectric conversion unit 36 and whose temperature has decreased is returned from the fourth pipe 31d to the inlet side of the third flow path 8 of the heat generating module M, and the same action continues thereafter.
  • the heat generated in the heat generating module M is recovered by the heat medium, and the heat energy is converted into electrical energy.
  • the gas turbine 32, the steam turbine 34, and the Stirling engine 35 are driven by the heat recovered by the heat medium, and the kinetic energy thereof is converted into electric energy by the generators 40, 50, and 80.
  • the thermoelectric converter 36 employs a configuration in which thermal energy is directly converted into electrical energy
  • the heat utilization device 30 may be configured by arbitrarily combining the gas turbine 32, the steam turbine 34, the Stirling engine 35, and the thermoelectric converter 36. good.
  • the heat utilization device 30 that converts thermal energy into electrical energy has been described, but the heat generated by the heat generating device 1 according to the present invention can be used for other uses other than power generation, such as a boiler.
  • heating the absorption liquid that has absorbed CO2 by the chemical absorption method heating the raw material gas containing CO2 and H2 in the methane production unit, heat pump system, heat transport system, cold energy It can be used for (refrigeration) systems and the like.
  • the heat generated in the heat generating device 1 is recovered by the heat medium flowing through the third flow passage 8 and supplied to the heat utilization device 30.
  • the heat may be directly recovered by the permeating gas flowing through the second flow path 7 without providing it.
  • the second partition wall 26 and the heat dissipation member 27 are not required, and the first partition wall 24 and the support 25 function as heat dissipation members.
  • another heat medium is introduced into the second flow path 7, the permeated gas and the heat medium are recovered from the second flow path 7, and the permeated gas and the heat medium are separated by a hydrogen permeable membrane or the like. It is desirable to provide the heat medium to the heat utilization device 30 while separating and returning the permeated gas to the hydrogen circulation line L1.
  • Heating Device 5 Heating Element 6 First Channel 7 Second Channel 8 Third Channel 24 First Partition 25 Support 26 Second Partition 27 Heat Dissipating Member

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Abstract

発熱効率と熱交換効率が高くて耐久性の高い発熱装置を提供する。本発明に係る発熱装置は、水素の吸蔵と放出によって熱を発生する平板状の発熱体（５）と、前記水素を含む水素系ガスが導入され、前記発熱体（５）に水素を供給する第１流路（６）と、前記発熱体（５）を透過した水素を含む透過ガスが流動する第２流路（７）を備え、前記発熱体（５）の両側に前記第１流路（６）と前記第２流路（７）をそれぞれ配置して構成されるものであって、前記発熱体（５）との間に前記第２流路（７）を形成する第１の隔壁（２４）に、変形した前記発熱体（５）を受けるためのサポート（２５）を前記発熱体（５）に向かって突設している。ここで、サポート（２５）は、金属製の複数のピンまたはプレートで構成されている。

Description

発熱装置
　本発明は、水素の吸蔵と放出によって発熱する発熱体を備える発熱装置に関する。
　水素吸蔵合金は、一定の反応条件の下で多量の水素を繰り返して吸蔵及び放出する特性を有しており、この水素の吸蔵と放出時にかなりの反応熱を伴うことが知られている。この反応熱を利用したヒートポンプシステム、熱輸送システム、冷熱（冷凍）システムなどの熱利用システムや水素貯蔵システムが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
　ところで、本出願人などは、水素吸蔵合金などを用いた発熱体を備える発熱装置において、発熱体を、支持体とこの支持体に支持された多層膜とで構成することによって、当該発熱体への水素の吸蔵時と当該発熱体からの水素の放出時において熱が発生する知見を得た。そして、本出願人などは、このような知見に基づいて熱利用システム及び発熱装置を先に提案した（特許文献３参照）。
　具体的には、発熱装置の発熱体が備える支持体は、多孔質体、水素透過膜、プロトン誘電体の少なくとも何れかで構成され、この支持体に支持される多層膜は、例えば、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金で構成された厚さ１０００ｎｍ未満の第１層と、この第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスで構成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層とを交互に積層することによって構成されている。
特開昭５６－１００２７６号公報 特開昭５８－０２２８５４号公報 特許第６７４９０３５号公報
　しかしながら、特許文献３において提案された発熱装置においては、熱を発生する発熱体が高密度で集積した状態で組み込まれていないため、発熱体が効率良く熱を発生することができず、改善の余地が残されている。
　そこで、図１５に示すように、発熱体１０５の両側に、発熱体１０５に水素を含む水素系ガスを導入するための第１流路１０６と、発熱体１０５を透過した水素が流入する第２流路１０７をそれぞれ配置してこれらの発熱体１０５と第１流路１０６及び第２流路１０７を高密度で積層することによって、発熱装置１０１を小型・コンパクトで発熱効率の高い高出力のものとすることが考えられる。このような構成を有する発熱装置１０１においては、第１流路１０６へと導入された水素が発熱体１０５を透過することによって発熱体１０５が発熱する。この場合、発熱体１０５を透過した水素（以後、「透過水素」と称することがある）は、第２流路１０７へと流れ込むことから、第２流路１０７の圧力の方が第１流路１０６の圧力よりも低い。
　ここで、発熱体１０５は、非常に薄くて撓み易い水素吸蔵金属または水素吸蔵合金によって構成されているため、図１６に示すように、圧力の低い第２流路１０７側へ向かって膨出するように円弧曲面状に撓み変形すると同時に、膜面の横方向に引張応力を受ける。この応力が発熱体１０５の素材の降伏応力を超えると、該発熱体１０５に大きな塑性変形が生じる。このため、発熱体１０５における水素の透過量や第１流路１０６と第２流路１０７の断面形状の変化によって水素の流量や圧力損失などが当初の値から変化し、最悪の場合には、第２流路１０７の閉塞により水素の流れが停止したり、発熱体１０５に亀裂が発生して第１流路１０６から第２流路１０７への多量の水素の流出が生じるとともに、第１流路１０６と第２流路１０７の圧力差が大幅に減少して発熱装置が機能停止に至ってしまう可能性がある。このような不具合の発生を防ぐために、発熱体１０５の厚さを厚くすることが考えられるが、発熱体１０５の厚さを厚くすると、該発熱体１０５における水素の拡散が阻害され、所要の発熱量が得られないという問題が発生する。
　また、発熱体１０５から発生した熱が外部に伝達される経路は、発熱体１０５と不図示の容器の締結部での固体熱伝導と、容器内の第１流路１０６と第２流路１０７での熱輻射及び水素ガスの対流と熱伝導となる。これらの輻射と水素ガスの対流・熱伝導による単位面積当たりの熱伝導率は、金属などの固体熱伝導よりも相対的に小さく、上記のような発熱体１０５の変形を防ぐために水素ガスの密度（圧力)を低くした動作条件では熱伝導がさらに小さくなるため、発熱体１０５の温度を適切に維持する熱流を得ることが困難になる場合がある。換言すれば、発熱体１０５が過熱してしまう可能性がある。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、発熱効率と熱交換効率が高くて耐久性の高い発熱装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る発熱装置は、水素の吸蔵と放出によって熱を発生する平板状の発熱体と、前記水素を含む水素系ガスが導入され、前記発熱体に水素を供給する第１流路と、前記発熱体を透過した水素を含む透過ガスが流動する第２流路を備え、前記発熱体の両側に前記第１流路と前記第２流路をそれぞれ配置して構成されるものであって、前記発熱体との間に前記第２流路を形成する第１の隔壁に、変形した前記発熱体を受けるためのサポートを前記発熱体に向かって突設している。
　本発明によれば、発熱体が第１流路と第２流路との差圧によって圧力の低い第２流路側に向かって膨出するように撓み変形しても、この発熱体の撓み変形は、当該発熱体を受けるサポートによって小さく抑えられる。このため、発熱体に発生する変形に伴う応力が小さく抑えられて当該発熱体の耐久性が高められるとともに、発熱体の発熱作用が変形によって阻害されることがなく、発熱体は、安定して発熱作用を行うことができるために高い発熱効率と熱交換効率が得られる。
本発明に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る発熱装置の発熱モジュールの分解斜視図である。 本発明に係る発熱装置の積層構造体の分解斜視図である。 本発明に係る発熱装置の電気ヒータの平面図である。 図１のＡ部拡大詳細図である。 図５のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明に係る発熱装置の別実施形態を示す図５と同様の図である。 本発明に係る発熱装置の発熱体の構成を示す断面図である。 本発明に係る発熱装置の発熱体における過剰熱の発生メカニズムを説明する模式図である。 発熱体の構成の変形例１を示す断面図である。 発熱体の構成の変形例２を示す断面図である。 本発明に係る発熱装置の発熱体の撓み変形とこれを抑える機構を説明する模式的断面図である。 本発明の別実施形態に係る発熱装置の発熱体の撓み変形とこれを抑える機構を説明する模式的断面図である。 本発明に係る発熱装置を備える熱利用システムの構成を示すブロック図である。 平板状の発熱体を備える発熱装置の基本構成を示す断面図である。 図１５に示す発熱装置の発熱体の変形を示す模式的断面図である。
　以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
　［発熱装置］
　図１は本発明に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図であり、図示の発熱装置１は、発熱モジュールＭと、温度調整部Ｔと、水素循環ラインＬ１と、制御部２と、密閉容器３とを備えている。なお、図１において、黒丸の接続点は、複数の配管の接続部を示している。
　発熱モジュールＭは、密閉容器３の内部に収容されており、２つの積層構造体４と、１つの電気ヒータ９とを備えている。各積層構造体４は、水素の吸蔵と放出によって熱を発生する発熱体５と、水素を含む水素系ガスが導入され、発熱体５に水素を供給する第１流路６と、発熱体５を透過した水素（以下、「透過水素」と称する）を含む水素系ガス（以下、「透過ガス」と称する）が流動する第２流路７と、第２流路７を流れる透過ガスとの間で熱交換を行う熱媒体が流動する第３流路８とを有し、第３流路８の両側に、当該第３流路８から順に第２流路７、発熱体５、第１流路６を順次対称的に積層して構成されている。電気ヒータ９は、発熱体５を加熱する加熱手段の一例であって、これに限定される訳ではない。
　ここで、水素系ガスには、水素の同位体が含まれ、水素系ガスとしては、軽水素ガスと重水素ガスとの少なくとも何れかが含まれる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素との混合物、すなわち、軽水素の割合が９９．９８５％、重水素の割合が０．０１５％である混合物を含む。図１においては、発熱体５に水素を供給する水素系ガスを「水素」、発熱体５を透過した透過水素を含む透過ガスを「透過水素」と表示している。なお、発熱モジュールＭの製作においては、各部材を拡散接合することが望ましい。発熱モジュールＭの詳細については後述する。
　温度調整部Ｔは、発熱体５の温度を調整して当該発熱体５を発熱可能な温度（例えば、５０℃～１５００℃）に維持する機能を果たす。この温度調整部Ｔは、電気ヒータ９と、該電気ヒータ９に電力を供給する電源１０と、電気ヒータ９の温度を検出する熱電対などの温度センサ１１と、温度センサ１１によって検出された温度に基づいて電源１０の出力を制御する制御部２とを備えている。
　水素循環ラインＬ１は、発熱モジュールＭの各積層構造体４にそれぞれ設けられた第１流路６に水素を含む水素系ガスを導入するとともに、第１流路６から発熱体５を透過することによって当該発熱体５の発熱に供されて第２流路７へと流入する透過水素を含む透過ガスを回収して第１流路６へと戻す動作を繰り返すものである。
　水素循環ラインＬ１は、発熱モジュールＭの積層構造体４に設けられた第１流路６に水素系ガスを導入する導入配管１２と、発熱モジュールＭの積層構造体４に設けられた第２流路７から透過ガスを回収する回収配管１３と、導入配管１２と回収配管１３とに接続された循環ポンプ１４とを有している。発熱装置１においては、発熱モジュールＭと水素循環ラインＬ１とによって、水素系ガスが循環する閉ループが構成されている。
　導入配管１２は、循環ポンプ１４の吐出側から延びており、発熱モジュールＭの各積層構造体４に設けられた各第１流路６に分岐管１５によってそれぞれ接続されている。したがって、水素系ガスは、導入配管１２から分岐管１５を経て各第１流路６にそれぞれ導入される。
　回収配管１３は、循環ポンプ１４の吸入口に接続されており、発熱モジュールＭの各積層構造体４に設けられた各第２流路７に分岐管１６によってそれぞれ接続されている。したがって、第２流路７を流動する透過ガスは、発熱体５によって加熱されて高温となり、各分岐管１６を経て回収配管１３へと回収され、発熱体５に水素を供給するための水素系ガスとして再利用される。
　循環ポンプ１４は、閉ループを構成する発熱モジュールＭと水素循環ラインＬ１との間で水素系ガスを循環させるものであって、例えば、メタルベローズポンプが使用される。循環ポンプ１４は、制御部２に電気的に接続されており、制御部２からの制御信号によって動作が制御される。
　導入配管１２の途中には、バッファタンク１７、圧力調整弁１８及びフィルタ１９が設けられている。バッファタンク１７は、水素系ガスを貯留して当該水素系ガスの流量変動を吸収するためのものである。圧力調整弁１８は、制御部２に電気的に接続されており、制御部２からの制御信号によって開度が調整されることによって、バッファタンク１７から供給される水素系ガスの圧力を調整する機能を果たす。
　フィルタ１９は、水素系ガスに含まれる不純物を除去するためのものである。ここで、発熱モジュールＭの各積層構造体４にそれぞれ設けられた発熱体５を透過する水素の量（水素透過量）は、発熱体５の温度、発熱体５の両面側における圧力差、発熱体５の表面状態に依存するが、水素に不純物が含まれている場合には、不純物が発熱体５の表面に付着して該発熱体５の表面状態を悪化させることがある。発熱体５の表面状態が悪化した場合には、該発熱体５の表面における水素分子の吸着及び解離が阻害されて水素透過量が減少するという不具合が発生する。発熱体５の表面における水素分子の吸着及び解離を阻害するものとしては、例えば、水（水蒸気を含む）、炭化水素（メタン、エタン、メタノール、エタノールなど）、Ｃ、Ｓ、Ｓｉなどが考えられる。フィルタ１９が水素に含まれる不純物としての水（水蒸気を含む）、炭化水素、Ｃ、Ｓ、Ｓｉなどを除去することによって、発熱体５における水素透過量の減少が抑制される。
　制御部２は、発熱装置１の各部と電気的に接続されており、各部の動作を制御する。この制御部２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部などを備えており、ＣＰＵにおいては、ＲＯＭやＲＡＭに格納されているプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理が実行される。
　密閉容器３は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の中空容器として構成されている。密閉容器３の材料としては、高い耐食性と耐圧性を有する材料、例えば、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐食性非鉄合金鋼などが好ましい。また、密閉容器３の材料は、後述する発熱体５が発生する輻射熱を反射する材料、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）などであっても良い。密閉容器３の形状は、本実施の形態では四角筒状であるが、これに限定されず、四角筒状以外の角筒状、円筒状、楕円筒状などであっても良い。
　（発熱モジュール）
　次に、発熱モジュールＭの構成を図２～図４に基づいて以下に説明する。
　図２は発熱モジュールＭの分解斜視図、図３は発熱モジュールＭを構成する積層構造体４の分解斜視図、図４は発熱モジュールＭに設けられた電気ヒータ９の平面図である。
　図２に示すように、発熱モジュールＭは、２つの積層構造体４を上下方向（図２のＺ軸方向）に２段に重ねて構成されている。上側の積層構造体４の最下部の第１流路６と下側の積層構造体４の最上部の第１流路６とは相対面している。発熱モジュールＭは、図２に示す例では四角柱状に形成されている。以下の説明では、発熱装置１と該発熱装置１を構成する各部材において、Ｚ軸方向における上側の面を上面、Ｚ軸方向における下側の面を底面、Ｙ軸方向における左側の面を正面、Ｙ軸方向における右側の面を背面、Ｘ軸方向における右側の面を右側面、Ｘ軸方向における左側の面を左側面とする。
　図３に示すように、第１流路６は、平板状に形成された平板部６ａと、平板部６ａに設けられた壁部６ｂとによって構成されている。平板部６ａ及び壁部６ｂは、例えば、ステンレス鋼で構成されている。平板部６ａは、平面視において四角形状に形成されている。壁部６ｂは、平板部６ａの４辺の縁部分のうち、３辺の縁部分に設けられている。図３においては、壁部６ｂは、平板部６ａの４辺の縁部分のうち、Ｘ軸方向における左右の縁部分とＹ軸方向における右側の縁部分に設けられている。下側の第１流路６を構成する壁部６ｂは、Ｚ軸方向の上側に向けて突出しており、上側の第１流路６を構成する壁部６ｂは、Ｚ軸方向の下側に向けて突出している。第１流路６の正面（Ｙ軸方向における左側の面）、すなわち、平板部６ａの４辺縁部分のうち、壁部６ｂが設けられていない１辺の縁部分には、水素導入口６ｃが設けられている。この水素導入口６ｃは、水素供給ラインＬ１の分岐管１５に接続されている（図１参照）。
　第２流路７は、平板状に形成された平板部７ａと、平板部７ａに設けられた壁部７ｂとによって構成されている。平板部７ａ及び壁部７ｂは、例えば、ステンレス鋼によって構成されている。平板部７ａは、平面視において四角形状に形成されている。壁部７ｂは、平板部７ａの４辺の縁部分のうち、３辺の縁部分に設けられている。図３においては、壁部７ｂは、平板部７ａの４辺の縁部分のうち、Ｘ軸方向における左右の縁部分とＹ軸方向における左側の縁部分に設けられている。下側の第２流路７を構成する壁部７ｂは、Ｚ軸方向の下側に向けて突出し、上側の第２流路７を構成する壁部７ｂは、Ｚ軸方向の上側に向けて突出している。第２流路７の背面（Ｙ軸方向における右側の面）、すなわち、平板部７ａの４辺の縁部分のうち、壁部７ｂが設けられていない１辺の縁部分には、水素回収口７ｃが設けられている。図３においては、下側の第２流路７の背面に設けられている水素回収口７ｃが紙面奥側に隠れている。水素回収口７ｃは、水素循環ラインＬ１の分岐管１６に接続されている（図１参照）。
　第３流路８は、平板状に形成されており、互いに隙間を開けて配置された２つの平板部８ａと、２つの平板部８ａの間に設けられて互いに隙間を開けて配置された２つの壁部８ｂとによって構成されている。平板部８ａ及び壁部８ｂは、例えば、ステンレス鋼で構成されている。平板部８ａは、平面視において四角形状に形成されており、Ｚ軸方向の上下に配置されている。壁部８ｂは、平板部８ａの４辺の縁部分のうち、互いに対向する２辺の縁部分に設けられている。図３においては、壁部８ｂは、平板部８ａの４辺の縁部分のうち、Ｙ軸方向における左右の縁部分に設けられている。第３流路８の右側面（Ｘ軸方向における右側の面）には、熱媒体導入口８ｃが設けられており、第３流路８の左側面（Ｘ軸方向における左側の面）には、熱媒体回収口８ｄが設けられている。熱媒体導入口８ｃは、後述する熱媒体循環ラインＬ２の分岐管３１ｅ（図１参照）に接続されている。熱媒体回収口８ｄは、後述する熱媒体循環ラインＬ２の分岐管３１ｆ（図１参照）に接続されている。第３流路８は、熱媒体循環ラインＬ２の一部を構成している。
　電気ヒータ９は、上下に重ねられた２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間、つまり、上側の積層構造体４の最下部の第１流路６と下側の積層構造体４の最上部の第１流路６との間に設けられている（図２参照）。電気ヒータ９は、第１流路６を介して発熱体５を発熱可能な温度（例えば、５０℃～１５００℃）に加熱する。本実施の形態では、発熱モジュールＭの上下方向の中心部分に電気ヒータ９が設けられているため、発熱モジュールＭ全体の温度が効率良く上昇する。
　図４に示すように、電気ヒータ９は、耐熱温度の高い、モリブデン、ニッケルなどの金属や高耐熱合金、または高耐熱かつ水素と反応性のないアルミナ、炭化ケイ素などのセラミックスによって構成された矩形平板状のベース９ａの両面に加熱ワイヤー９ｂを矩形波状に繰り返し屈曲させた状態で取り付けることによって構成されている。ベース９aの素材が金属など導電性の場合、加熱ワイヤー９ｂは、絶縁性セラミックスを介してベース９ａに取り付けられる。ここで、加熱ワイヤー９ｂは、電気抵抗の高いモリブデンやタングステンによって構成されており、この加熱ワイヤー９ｂを前述のように矩形波状に繰り返し直角に屈曲させた状態で取り付けることによって、電気ヒータ９の発熱面積が増えて発熱量が高められる。なお、本実施の形態では、電気ヒータ９を、ベース９ａの両面に加熱ワイヤー９ｂを取り付けて構成したが、加熱ワイヤー９ｂをベース９ａの片面のみに取り付けても良い。図４には図示していないが、電気ヒータ９のベース９ａには温度センサ１１（図１参照）が設けられており、加熱ワイヤー９ｂには電源１０（図１参照）が電気的に接続されている。また、電気ヒータ９においては、過熱ワイヤー９ｂに代えて薄いリボン状の面ヒータを用いても良い。
　ここで、本実施の形態に係る発熱装置１の特徴的な構成を図５及び図６に基づいて以下に説明する。
　図５は図１のＡ部拡大詳細図、図６は図５のＢ－Ｂ線断面図であり、以下においては、一方（上側）の積層構造体４における特徴的な構成のみを図示及び説明するが、他方（下側）の積層構造体４の特徴的な構成も同様であるため、これについての図示及び説明は省略する。
　図５に示すように、積層構造体４において、発熱体５との間に第２流路７を形成する第１の隔壁（第１流路６と第２流路７とを区画する隔壁）２４の発熱体５と対向する面（図５においては下面）には、変形した発熱体５を受けるためのサポート２５が発熱体５に向かって突設されている。ここで、本実施の形態では、サポート２５は、図６に示すように、複数の金属製プレートを格子状に組み付けて構成されており、その突出長さＬ（図５参照）は、第２流路７の高さＨよりも小さく設定されている（Ｌ＜Ｈ）。したがって、当該発熱装置１の非作動時（発熱体５が撓み変形していないとき）には、このサポート２５の先端は、発熱体５に接触しておらず、両者の間には図示の隙間δが形成されている。
　サポート２５は、第１の隔壁２４に一体に突設しても良く、第１の隔壁２４とは別体のサポート２５を第１の隔壁２４に取り付けても良い。ここで、サポート２５には、耐熱性と耐圧性及び熱伝導率の高い金属であれば任意のものを使用することができるが、本実施の形態では、ニッケル（Ｎｉ）を使用している。また、サポート２５としては、プレート以外に金属製の複数のピンなどを使用することができるが、本実施の形態のようにサポート２５を金属プレートで構成する場合には、後述のように発熱体５を透過して第２流路７へと流れ込む水素（透過水素）の流れを阻害しないように、各金属プレートには、図５及び図６に示すように、水素（透過水素)が通過するための孔２５ａを形成しておく必要がある。なお、各金属プレートには、孔２５ａに代えて切欠きを形成しても良い。
　ところで、積層構造体４においては、図５に示すように、第１の隔壁２４との間に第３流路８を形成する第２の隔壁２６が第１の隔壁２４と平行に配置されているが、第１の隔壁２４の第２の隔壁２６に対向する面（図５においては上面）には、放熱ピンや放熱フィンなどの複数の金属製の放熱部材２７が熱媒体の流れ方向（図５の左右方向）に等間隔で突設されている。ここで、各放熱部材２７の先端は、第２の隔壁２６に接触している。なお、本実施の形態では、第１の隔壁２４と第２の隔壁２６には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を使用している。また、放熱部材２７には、サポート２５と同様に、耐熱性と耐圧性及び熱伝導率の高い金属であれば任意のものを使用することができるが、本実施の形態では、ニッケル（Ｎｉ）を使用している。各放熱部材２７には、サポート２５と同様に、熱媒体が通過するための孔や切欠きを形成しても良い。
　また、複数の放熱部材２７は、本実施の形態では、第１の隔壁２４に一体に突設されているが、放熱部材２７を第１の隔壁２４とは別体に構成し、これらの放熱部材２７を第１の隔壁２４に取り付けるようにしても良い。また、本実施の形態では、放熱部材２７を第１の隔壁２４に設けたが、第２の隔壁２６側に放熱部材２７を設け、各放熱部材２７の先端を第１の隔壁２４に接触させても良い。
　ところで、本実施の形態では、図５に示すように、第１の隔壁２４から一体に突出する複数のサポート２５の先端は、発熱装置１の非作動時（発熱体５が撓み変形していないとき）には、発熱体５に接触しておらず、両者の間には隙間δが形成されているが、図７に示すように、発熱装置１の非作動時において、複数のサポート２５の先端を発熱体５に接触させても良い。
　＜発熱体の構成と発熱のメカニズム＞
　次に、発熱体５の構成を図８に基づいて以下に説明する。
　図８は発熱体５の構成を示す断面図であり、同図に示すように、発熱体５は、支持体５Ａと多層膜５Ｂとを有しており、支持体５Ａは、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン誘電体によって構成されている。ここで、水素吸蔵金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、例えば、ＬａＮｉ５、ＣａＣｕ５、ＭｇＺｎ２、ＺｒＮｉ２、ＺｒＣｒ２、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏ、Ｍｇ２Ｎｉ、Ｍｇ２Ｃｕなどが用いられる。プロトン誘電体としては、例えば、ＢａＣｅＯ３系（例えば、Ｂａ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＳｒＣｅＯ３系（例えば、Ｓｒ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＣａＺｒＯ３系（例えば、Ｃａ（Ｚｒ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３ーα）、ＳｒＺｒＯ３系（例えば、Ｓｒ（Ｚｒ０．９Ｙ０．１）Ｏ３ーα）、βＡｌ２Ｏ３、βＧａ２Ｏ３などが用いられる。
　支持体５Ａは、多孔質体または水素透過膜によって構成しても良い。多孔質体は、水素系ガスの通過を許容する大きさの多数の孔を有している。多孔質体は、例えば、金属、非金属、セラミックスなどの材料で構成されている。多孔質体は、水素と多層膜５Ｂとの発熱反応を阻害しない材料で構成されることが望ましい。水素透過膜は、水素を透過させる材料で構成されている。水素透過膜の材料としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金が好ましい。水素透過膜にはメッシュ状のシートを有するものも含まれる。
　多層膜５Ｂは、支持体５Ａに形成されている。多層膜５Ｂは、本実施の形態では支持体５Ａの一方の面（図８の左端面及び右端面）に形成されている。図８においては、支持体５Ａの一方の面（図８の左端面）に形成されている多層膜５Ｂのみを図示し、支持体５Ａの他方の面（図８の右端面）に形成されている多層膜５Ｂの図示を省略している。なお、多層膜５Ｂは、支持体５Ａの両面に形成される場合に限られず、支持体５Ａの一方の面のみ、または支持体５Ａの他方の面のみに形成しても良い。
　多層膜５Ｂは、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金によって構成された第１層５１と、この第１層５１とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスによって構成された第２層５２とを備えており、これらの第１層５１と第２層５２との間には異種物質界面５３が形成されている。図８に示す例では、多層膜５Ｂは、支持体５Ａの一方の面(図８の左端面)に、各５つの第１層５１と第２層５２とがこの順に交互に積層されて計１０層の膜構造として形成されている。なお、第１層５１と第２層５２の数は任意であって、図８に示す例とは異なり、支持体５Ａの一方の面（図８の左端面）に複数の第２層５２と第１層５１とをこの順に交互に積層して多層膜を形成しても良い。また、多層膜５Ｂは、第１層５１と第２層５２をそれぞれ少なくとも１層以上有し、第１層５１と第２層５２との間に形成される異種物質界面５３が１つ以上設けられていれば良い。
　第１層５１は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ及びこれらの合金のうちの何れかによって構成されている。ここで、第１層５１を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものが好ましい。また、第１層５１を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加物を添加したものであっても良い。
　第２層５２は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ及びこれらの合金或いはＳｉＣのうちの何れかによって構成されている。ここで、第２層５２を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものが好ましい。また、第２層５２を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加物を添加したものであっても良い。
　第１層５１と第２層５２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層－第２層」として表示すると、Ｐｄ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｃｏの組み合わせが好ましい。なお、第２層５２をセラミックで構成する場合には、Ｎｉ－ＳｉＣの組み合わせが望ましい。
　発熱体５の多層膜５Ｂを構成する第１層５１と第２層５２の厚さは、各々１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層５１と第２層５２の各厚さが１０００ｎｍ未満であると、第１層５１と第２層５２は、バルク特性を示すことのないナノ構造を維持することができる。因みに、第１層５１と第２層５２の各厚さが１０００ｎｍ以上である場合には、水素が多層膜５Ｂを透過しにくくなる。第１層５１と第２層５２の各厚さは、５００ｎｍ未満であることが望ましい。第１層５１と第２層５２の各厚さが５００ｎｍ未満であると、第１層５１と第２層５２は、バルク特性を全く示さないナノ構造を維持することができる。発熱体５は、図８に示すように、多層膜５Ｂ内を水素がホッピングしながら透過するように構成されている。すなわち、第１層５１と第２層５２との間に形成された異種物質界面５３は、水素を透過させる。図８においては、多層膜５Ｂ内を水素がホッピングしながら透過する様子を破線矢印で示している。
　ここで、発熱体５を水素が透過する際の発熱（過剰熱の発生）のメカニズムを図９に基づいて説明する。
　図９は発熱体５における過剰熱発生のメカニズムを説明する模式図である。図９は、発熱体５の多層膜５Ｂの第１層５１と第２層５２が面心立方構造を有する水素吸蔵金属によって構成されており、第１層５１の金属格子中の水素が異種物質界面５３を透過して、第２層５２の金属格子中に移動している様子を示している。発熱体５に水素が供給されると、支持体５Ａと多層膜５Ｂが水素を吸蔵する。ここで、発熱体５は、水素の供給が停止しても、支持体５Ａと多層膜５Ｂによって水素を吸蔵した状態を維持する。
　そして、電気ヒータ９による発熱体５の加熱が開始されると、支持体５Ａと多層膜５Ｂに吸蔵されている水素が放出される。ここで、水素は軽く、或る物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）を水素がホッピングしながら量子拡散していることが知られている。発熱体５は、異種物質界面５３を水素が量子拡散によって透過し、或いは、異種物質界面５３を水素が拡散によって透過することによって、電気ヒータ９による加熱量以上の熱量の熱が過剰熱として発生する。
　本実施の形態では、発熱体５の一方の面（表面）が第１流路６と対面し、発熱体５の他方の面（裏面）が第２流路７と対面するように、第１流路６、発熱体５及び第２流路７がこの順に積層されている。このため、第１流路６が水素系ガスの導入により昇圧され、第２流路７が透過ガスの回収によって減圧される。これにより、第１流路６の水素の圧力（「水素分圧」と称する）が第２流路７の水素分圧よりも高くなり、発熱体５の両側に水素の圧力差（「水素分圧の差」と称する）が生じる。
　上述のように発熱体５の両側に水素分圧の差が生じると、第１流路６に導入された水素系ガスに含まれる水素分子が発熱体５の一方の面（表面）に吸着し、この水素分子が２つの水素原子に解離し、解離した水素原子が発熱体５の内部に侵入する。すなわち、発熱体５に水素が吸蔵される。発熱体５の内部に侵入した水素原子は、量子拡散によって異種物質界面５３を透過し、或いは、拡散によって異種物質界面５３を透過する。発熱体５の低圧側に配された他方の面（裏面）では、発熱体５を透過した水素原子が再結合し、水素分子となって第２流路７へと放出される。すなわち、発熱体５から水素が放出される。
　以上のように、発熱体５は、高圧側の第１流路６から低圧側の第２流路７へと水素を透過させることによって過剰熱を発生する。第１流路６が第２流路７よりも高圧の状態を維持することによって、発熱体５の表面での水素の吸蔵と、発熱体５の裏面での水素の放出とが同時に行われる状態を維持することができる。なお、同時とは、完全に同時であることに限られず、実質的に同時であるとみなせる程度に僅かな時間内を意味する。水素の吸蔵と放出とが同時に行われることによって、水素が発熱体５を連続的に透過するため、発熱体５から過剰熱が効率良く発生する。
　＜発熱体の製造方法＞
　ここで、発熱体５の製造方法の一例について説明する。
　発熱体５は、板状の支持体５Ａを準備し、蒸着装置を用いて、第１層５１や第２層５２となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態とし、この気相状態の水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を支持体５Ａの表面に付着させ、第１層５１と第２層５２を交互に成膜することによって発熱体５が製造される。この場合、第１層５１と第２層５２を真空状態で連続的に成膜することが好ましく、このようにすることによって、第１層５１と第２層５２との間に、自然酸化膜が形成されることなく異種物質界面５３のみが形成される。支持体５Ａとしては、例えば、Ｎｉ板が使用される。
　蒸着装置としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を物理的な方法で支持体５Ａの表面に蒸着させる物理蒸着装置や、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を化学的な方法で支持体５Ａの表面に蒸着させる化学蒸着装置などが用いられる。物理蒸着装置としては、スパッタリング装置、真空蒸着装置などが使用される。化学蒸着装置としては、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置などが使用される。また、溶射法、スピンコート法、スプレーコート法、ディピング法、電気めっき法などによって支持体５Ａの表面に第１層５１と第２層５２を交互に成膜しても良い。
　本実施の形態に係る発熱体５は、図８に示すように、支持体５Ａに対して第１層５１と第２層５２を交互に積層することによって多層膜５Ｂを構成したが、発熱体５の構成はこれに限らない。ここで、発熱体５の構成の変形例１及び変形例２をそれぞれ図１０と図１１に基づいて説明する。なお、図１０は変形例１に係る発熱体６０の構成を示す断面図であり、図１１は変形例２に係る発熱体７０の構成を示す断面図である。
　＜発熱体の変形例１＞
　図１０に示すように、発熱体６０は、支持体６０Ａと多層膜６０Ｂとを有している。ここで、支持体６０Ａの構成は、図８に示す発熱体５の支持体５Ａの構成と同じであるため、この支持体６０Ａについての説明は省略する。
　多層膜６０Ｂは、支持体６０Ａに形成されている。多層膜６０Ｂは、第１層６１と第２層６２に加えて、第１層６１及び第２層６２とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスによって構成された第３層６３をさらに有している。第１層６１の構成は、図７に示す発熱体５の第１層５１と同じであり、第２層６２の構成は、発熱体５の第２層５２の構成と同じであるため、第１層６１と第２層６２の説明は省略する。
　第１層６１と第２層６２との間には異種物質界面６４が形成されている。そして、第１層６１と第３層６３との間には、異種物質界面６５が形成されている。異種物質界面６４及び異種物質界面６５は、発熱体５の異種物質界面５３と同様に、水素を透過させる。発熱体６０においては、水素が異種物質界面６４及び異種物質界面６５を透過し、或いは、水素が異種物質界面６４及び異種物質界面６５で拡散することによって過剰熱が発生する。
　多層膜６０Ｂは、第２層６２と第３層６３との間に第１層６１を設けた多層の膜構造として支持体６０Ａに形成されている。図１０に示す例では、多層膜６０Ｂは、支持体６０Ａの一方の面（図１０の上端面）に、第１層６１、第２層６２、第１層６１、第３層６３がこの順に交互に積層されている。多層膜６０Ｂは、図１０に示す例とは異なる膜構造、すなわち、支持体６０Ａの一方の面（図１０の上端面）に、第１層６１、第３層６３、第１層６１，第２層６２がこの順に交互に積層された膜構造として形成しても良い。多層膜６０Ｂは、支持体６０Ａの一方の面（図１０の上端面）に形成される場合に限らず、支持体６０Ａの他方の面（図１０の下端面）または支持体６０Ａの両面（図１０の上端面と下端面）に形成しても良い。なお、第１層６１，第２層６２、第３層６３の数は任意である。多層膜６０Ｂとしては、第３層６３を１つ以上有していれば良い。
　ここで、第３層６３は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏまたはこれらの合金、或いはＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成されている。第３層６３を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものが望ましい。なお、第３層６３を構成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加したものを用いても良い。
　特に、第３層６３は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかにより構成されることが望ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成された第３層６３を有する発熱体６０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面６４及び異種物質界面６５を透過する水素の量が増加するため、当該発熱体６０が発生する過剰熱が増えて高出力化が図られる。
　第３層の厚さは、１０００ｎｍ未満であることが望ましい。第３層６３の厚さが１０００ｎｍ未満であると、第３層６３は、バルク特性を示すことのないナノ構造を維持することができる。特に、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちの何れかによって構成される第３層６３は、厚さが１０ｎｍ以下であることが望ましい。第３層６３の厚さが１０ｎｍ以下であると、多層膜６０Ｂは、水素を容易に透過させることができる。
　ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第３層６３は、完全な厚さが１０ｎｍ以下であることが望ましい。これにより、多層膜６０Ｂは、完全な膜状に形成されることなくアイランド状に形成されていても良い。また、第１層６１と第３層６３は、真空状態で連続的に成膜されることが望ましい。このようにすることによって、第１層６１と第３層６３との間には、自然酸化膜が形成されることなく、異種物質界面６５のみが形成される。
　第１層６１と第２層６２及び第３層６３の組み合わせとしては、元素の種類を「第１層－第３層－第２層」として表示すると、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－ＳｉＣの何れかであることが望ましい。
　＜発熱体の変形例２＞
　本変形例に係る発熱体７０の多層膜７０Ｂは、図１１に示すように、支持体７０Ａと多層膜７０Ｂとを有しているが、支持体７０Ａの構成は、図８に示す発熱体５の支持体５Ａの構成と同じであるため、該支持体７０Ａについての説明は省略する。
　多層膜７０Ｂは、支持体７０Ａに形成されており、第１層７１と第２層７２及び第３層７３に加えて、これらの第１層７１と第２層７２及び第３層７３とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスによって構成された第４層７４をさらに有している。第１層７１と第２層７２及び第３層７３の構成は、図１０に示す発熱体６０の第１層６１、第２層６２及び第３層６３の構成と同じであるため、これらの第１層７１と第２層７２及び第３層７３についての説明は省略する。
　第１層７１と第２層７２との間には、異種物質界面７５が形成されており、第１層７１と第３層７３との間には、異種物質界面７６が形成されている。また、第１層７１と第４層７４との間には、異種物質界面７７が形成されている。これらの異種物質界面７５，７６，７７は、発熱体５の異種物質界面５３と同様に水素を透過させる。発熱体７０においては、水素が量子拡散によって異種物質界面７５，７６，７７を透過し、或いは水素が異種物質界面７５，７６，７７で拡散することによって過剰熱が発生する。
　図１１においては、支持体７０Ａの表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７３、第１層７１、第４層７４の順に積層されている。なお、支持体７０Ａの表面に、第１層７１、第４層７４、第１層７１、第３層７３、第１層７１、第２層７２をこの順に積層しても良い。すなわち、多層膜７０Ｂは、第２層７２、第３層７３、第４層７４を任意の順に積層するとともに、第２層７２、第３層７３、第４層７４のそれぞれの間に第１層７１を設けた積層構造とされている。ここで、第１層７１と第４層７４との間に形成された異種物質界面７５は、水素原子を透過させる。なお、多層膜７０Ｂは、第４層７４を１つ以上有していれば良い。
　ところで、第４層７４は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏまたはこれらの合金、或いはＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成されている。ここで、第４層７４を構成する合金は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの２種以上から成るものであることが望ましい。なお、第４層７４を構成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加したものを用いても良い。
　特に、第４層７４は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成されることが望ましい。ここで、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第４層７４を有する発熱体７０においては、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７５，７６，７７を透過する水素の量が増加するため、当該発熱体７０が発生する過剰熱の高出力化が図られる。
　第４層７４の厚さは、１０００ｎｍ未満であることが望ましい。第４層７４の厚さが１０００ｎｍ未満であると、第４層７４は、バルク特性を示すことのないナノ構造を維持することができる。特に、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第４層７４は、水素原子を容易に透過させるために１０ｎｍ以下であることが望ましい。第４層７４の厚さが１０ｎｍ以下であると、多層膜７０Ｂは、水素を容易に透過させることができる。
　また、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第４層７４は、厚さが完全な膜状に形成されることなく、アイランド状に形成されても良い。さらに、第１層７１と第４層７４は、真空状態で連続的に成膜されることが望ましく、このようにすることによって、第１層７１と第４層７４との間には、自然酸化膜が形成されることなく異種物質界面７５のみが形成される。
　第１層７１、第２層７２、第３層７３及び第４層７４の組み合わせとしては、元素の種類を「第１層－第４層－第３層－第２層」として表示すると、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ－Ｆｅの組み合わせが望ましい。なお、多層膜７０Ｂの構成、例えば、各層の厚さの比率、各層の数、材料は、加熱される温度に応じて適宜任意に設定することができる。
　（発熱装置の作用）
　次に、以上のように構成された発熱装置１の作用について説明する。
　制御部２からの制御信号によって循環ポンプ１４が駆動されると、該循環ポンプ１４から吐出される水素（水素系ガス）は、水素供給ラインＬ１の導入配管１２と該導入配管１２から分岐する４本の分岐管１５から発熱モジュールＭの各積層構造体４に形成された各第１流路６へと導入される。なお、水素（水素系ガス）は、導入配管１２を流れる過程においてバッファタンク１７によって圧力変動が抑制されるとともに、圧力調整弁１８によって所定値に減圧される。
　また、発熱モジュールＭに設けられた電気ヒータ９は、電源１０から供給される電力によって発熱し、第１流路６内の水素を介して発熱体５を所定温度（例えば、５０℃～１５００℃）に加熱する。なお、前述のように発熱体５の温度は、温度センサ１１によって検出される温度に基づいて電源１０の出力が制御部２で制御されることによって適正な値に調整される。ここで、電気ヒータ９は、発熱モジュールＭ内の２つの積層構造体４の間、具体的には、２つの積層構造体４の対面する第１流路６の間に介装したため、この電気ヒータ９の熱が密閉容器３からの放熱によって周囲に散逸することがない。このため、発熱体５が効率良く適正温度に加熱され、その消費電力が低く抑えられる。
　ところで、発熱モジュールＭの各第１流路６へと導入された水素は、前述のように発熱体５を透過して第２流路７へと流入するが、この水素が発熱体５を透過することによって該発熱体５が発熱する。この発熱体５が発熱するメカニズムについては前述したが（図９参照）、各発熱体５の一方の面（表面）においては、水素分子が吸着され、この水素分子が２つの水素原子に解離し、解離した水素原子は、発熱体５の内部に侵入する。すなわち、発熱体５に水素が吸蔵され、水素原子は、発熱体５の内部を拡散しながら通過する。また、発熱体５の他方の面（裏面）においては、該発熱体５を通過した水素原子が再結合し、水素分子となって放出される。すなわち、発熱体５から水素が放出される。そして、発熱体５は、水素を吸蔵することによって発熱し、また、水素を放出することによっても発熱する。
　上述のように、発熱モジュールＭの各発熱体５を透過（通過）して該発熱体５の発熱に供された水素（透過水素）は、各分岐管１６へと流出して回収配管１３において合流した後、循環ポンプ１４に吸引されて回収される。以下、同様の動作が繰り返されて水素が水素循環ラインＬ１を循環し、その過程で発熱モジュールＭの各発熱体５の発熱に供される。このように、本実施の形態においては、水素が閉ループを構成する水素循環ラインＬ１を連続して循環するため、水素の補給が不要となって経済的である。また、発熱体５を通過した高温の水素（透過水素）によって各発熱体５の過冷却が防がれるため、各発熱体５の発熱が促進される。
　ところで、図１に示すように、水素が導入される第１流路６は、分岐管１５と導入配管１２を介して循環ポンプ１４の吐出側に接続され、透過水素が流れ込む第２流路７は、分岐管１６と回収配管１３を介して循環ポンプ１４の吸入側に接続されているため、第１流路６の圧力の方が第２流路７の圧力よりも高く、したがって、第１流路６と第２流路７との間には差圧が生じる。
　ここで、発熱体５は、非常に薄いために変形し易く、第１流路６と第２流路７との差圧によって、図１２に示すように、この発熱体５が圧力の低い第２流路７側（図１２の上方）に向かって膨出するように円弧曲面状に撓み変形することは前述の通りである（図１６参照）。
　本実施の形態に係る発熱装置１においては、図５及び図６に示すように、第１の隔壁２４の発熱体５に対向する面に複数のサポート２５を発熱体５に向かって突設したため、図１２に模式的に示すように、撓み変形した発熱体５がサポート２５に接触して該サポート２５によって受けられる。このため、発熱体５のそれ以上の変形が防がれ、発熱体５の撓み変形がサポート２５によって小さく抑えられる。すなわち、発熱体５の最大撓み量は、δ（隙間）に抑えられる。この結果、発熱体５の変形に伴う多層膜５Ｂの支持体５Ａ（図８参照）からの剥がれが防がれて当該発熱体５の耐久性が高められるとともに、発熱体５の発熱作用が変形によって阻害されることがなく、発熱体５は、安定して発熱作用を行うことができるために高い発熱効率と熱交換効率が得られる。
　また、本実施の形態に係る発熱装置１においては、発熱モジュールＭを構成する各積層構造体４において、第３流路８を第２流路７に隣接して配置したため、第３流路８を流れる熱媒体が第２流路７を流れる透過水素（透過ガス）との熱交換によって効率良く加熱される。すなわち、第２流路７と第３流路８が熱交換器として機能し、発熱体５において発生した熱が透過水素（透過ガス）を介して熱媒体に効率良く回収される。そして、発熱体５において発生した熱の一部は、透過水素（透過ガス）から第１の隔壁２４を経て複数の放熱部材２７へと伝達され、これらの放熱部材２７からの放熱によって熱媒体が効率良く加熱される。すなわち、複数の放熱部材２７によって第１の隔壁２４の伝熱面積が大きくなるため、発熱体５と透過水素（透過ガス）との熱交換効率が高められ、発熱体５おいて発生した熱が熱媒体によって一層効率良く回収される。
　さらに、発熱体５において発生した熱の一部は、該発熱体５に接触してこれを支持するサポート２５を経て第１の隔壁２４に伝導し、この熱は、第１の隔壁２４から放熱部材２７へと伝導して熱媒体の加熱に供されるため、発熱体５において発生した熱が熱媒体によって一層効果的に回収される。
　（伝熱量の計算結果とその考察）
　ここで、サポート２５を設けない場合と、格子状に配置されたサポート２５を設けた場合について第１の隔壁２４と第２の隔壁２６の温度および伝熱量（放射熱量と伝導熱量及びそれらの合計）を計算した結果を表１に示す。また、サポート２５と放熱部材２７に使用したニッケルの物性データと、第１の隔壁２４及び第２の隔壁２６に使用したステンレス鋼（ＳＵＳ）の物性データは、それぞれ表２、表３に示す通りであり、これらの物性データを用いて温度と伝熱量を計算した。なお、サポート２５としては、図５に示すように、プレートを格子状に配置したものを使用し、そのサポート２５の数、格子の区画数と区画サイズをそれぞれ表１に示すように変化させ、それぞれCase０、Case１、Case２、Case３とした。なお、サポート２５の高さは１ｍｍ、厚さは０．１ｍｍとした。
　表１に示すCase０は、サポート無しの場合、Case１は、サポート２５の数が２、格子の分割数が４、格子の区画サイズが１０．５ｍｍである場合、Case２は、サポート２５の数が６、格子の分割数が１６、格子の区画サイズが５．２５ｍｍである場合、Case３は、サポート２５の数が１４、格子の分割数が６４、格子の区画サイズが２．６２５ｍｍである場合である。
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　表１に示す結果から、サポート２５の数が多い方が第１の隔壁２４と第２の隔壁２６に伝わる熱量が大きいことが分かる。例えば、サポート無しであるCase０の場合の第２の隔壁２６の温度が７６８．４℃であるのに対して、サポート２５の数が１４（６４分割）であるCase３では、第２の隔壁２６の温度が８９４．８℃となり、サポート無しのCase０の場合よりも１２０°以上も高くなることが分かる。
　また、後述の熱利用システム（図１４参照）の熱媒体循環ラインＬ２の第４配管３１ｄから発熱モジュールＭへと戻される熱媒体は、第４配管３１ｄから２本の分岐管３１ｅを経て各第３流路８へとそれぞれ導入され、各第３流路８を流れる過程において、第３流路８の両側に配置された２つの第２流路７を流れる高温の透過水素との間で熱交換して加熱される。すなわち、熱媒体は、第２流路７を流れる高温の透過ガスから熱を奪って加熱され、その熱を熱利用装置３０（図１４参照）へと輸送して該熱利用装置３０の熱源としての利用に供する。この場合、第３流路８を流れる熱媒体は、第３流路８の両側に配置された２つの第２流路７を流れる透過ガスによって効果的に加熱されるため、この熱媒体の熱回収効率が高められる。したがって、発熱モジュールＭは、熱交換器としての機能を兼備しており、この発熱モジュールＭを備える発熱装置１は、発熱・熱交換一体式の形態を備えている。
　すなわち、発熱モジュールＭの各第３流路８を流れる過程において透過ガスとの熱交換によって加熱された熱媒体は、各第３流路８から分岐管３１ｆを経て第１配管３１ａに合流し、この第１配管３１ａを経て熱利用装置３０へと供給され、熱利用装置３０は、熱媒体から供給される熱を利用して発電などの所要の仕事を行う。そして、熱利用装置３０に熱を供給して温度の下がった熱媒体は、第４配管３１ｄ及び分岐管３１ｅを経て発熱モジュールＭへと戻され、この発熱モジュールＭにおいて再び加熱される。以後、同様の作用が連続的に繰り返されて熱利用装置３０が連続的に駆動される。
　以上のように、本実施の形態に係る発熱装置１は、熱媒体が流通する第３流路８の両側に、当該第３流路８から順に、発熱体５を透過した水素（透過水素）を受ける第２流路７、発熱体５、発熱体５に水素を導入するための第１流路６を順次対称的に積層して構成される積層構造体４と、発熱体５を加熱する電気ヒータ９とを備え、積層構造体４は、発熱体５と第１流路６、第２流路７及び第３流路８が高密度に積層されて構成されているため、この積層構造体４は、熱を効率良く発生することができるとともに、積層構造体４とこれを含む発熱装置１の小型・コンパクト化が図られる。
　また、積層構造体４においては、発熱体５が発生する熱は、第３流路８を流れる熱媒体と、第３流路８の両側に配置された第２流路７を流れる水素（透過ガス）との熱交換によって熱媒体に効率良く与えられるため、発熱体５において発生した熱を熱媒体によって効率良く回収することができる。
　なお、本実施の形態では、２つの積層構造体４を２段に重ねて発熱モジュールＭを構成したが、３つ以上の積層構造体４を３段以上に重ねて多段構造の発熱モジュールＭとしても良く、このようにすることによって、発熱モジュールＭは、一層効率良く熱を発生し、その高出力化が図られる。
　発熱装置１は、各第１流路６へと導入された水素のうち、発熱体５を透過しなかった水素（「非透過水素」とも称する）を図示しない非透過水素回収ラインを用いて回収し、回収配管１３の循環ポンプ１４の上流側（低圧側）へと戻し、導入配管１２及び分岐管１５から再び各第１流路６へと導入されて各発熱体５の発熱に供されるように構成しても良い。
　ところで、図５に示すように、第１の隔壁２４から突出する複数のサポート２５の先端が発熱装置１の非作動時に発熱体５に接触せず、両者の間に図示の隙間δが形成されている場合には、発熱体５は、発熱装置１の作動時には、図１２に示すように、図の上方に向かって膨出するように湾曲する。これに対して、発熱装置１の非作動時において複数のサポート２５の先端が図７に示すように発熱体５に接触している場合には、図１３に示すように、発熱体５は、隣接するサポート２５の間においてそれぞれ上方に膨出するように撓み変形する。この場合、発熱体５の各サポート２５間での撓み変形量は、図１２に示す場合の撓み変形量に対して小さく抑えられるため、発熱体５に作用する応力が小さく抑えられ、該発熱体５の塑性変形が防がれてその耐久性が高められる。また、全てのサポート２５の先端が発熱体５に接触しているため、これらのサポート２５を経て第１の隔壁２４側への熱伝導が促進される。
　ここで、サポート２５が図６に示すような格子状の金属プレートで構成されている場合、つまり、ニッケル製の発熱体５が格子状のサポート２５によって区画された部分（四周が金属プレートによって拘束されている部分）に作用する最大応力を試算した。試算においては、サポート２５を構成する金属プレートの格子間隔を１０ｍｍ、厚さを０．１ｍｍ、発熱体５に作用する圧力を１００ＫＰａとした場合、発熱体５の区画された各部分に作用する最大応力は、２８７ＭＰａであった。
　ところで、発熱体５の材料であるニッケルの強度（引張強度と降伏強度）は、温度依存性を有し、例えば、温度９００℃での降伏応力は、約１６ＭＰａとなる。このため、発熱体５の各区画部分に作用する最大応力２８７ＭＰａは、ニッケルの温度９００℃における降伏応力１６ＭＰａを超えてしまい、発熱体５が塑性変形する可能性がある。
　そこで、上記塑性変形の発生を防ぐため、安全係数を見込み、例えば、降伏応力１６ＭＰａの３／４以下の１２ＭＰａ（最大応力２８７ＭＰａの１／２４）に応力を低減する必要がある。したがって、発熱体５の各格子部分に作用する最大応力を１２ＭＰａ以下に抑えるには、サポート２５の間隔（発熱体５の格子間隔）ａを、１０ｍｍ／√２４＝１．８ｍｍ以下に設定する必要がある。
　ところで、発熱体５の厚さｔと各格子部分に作用する圧力ｐが一定である場合、発熱体５の各格子部分に作用する最大応力は、サポート２５の間隔（格子間隔）ａの二乗に比例する。また、発熱体５の動作温度が低くなるほど、降伏応力が大きくなるため、サポート２５の間隔ａを大きくすることができる。また、発熱体５に作用する圧力差が小さい場合には、これに比例して発熱体５に作用する応力も小さくなるため、やはりサポート２５の間隔ａを大きくすることができる。
　以上の関係を温度をＴとして近似式で表すと、サポート２５の間隔ａは、
　ａ＜０．８６６ｔ｛（１７７－０．１８３Ｔ）／（０．２８７ｐ）｝０．５
を満足することが望ましい。
　［熱利用システム］
　次に、本発明に係る発熱装置１において発生する熱を利用するための熱利用システムを図１２に基づいて以下に説明する。
　図１２に示す熱利用システムは、本発明に係る前記発熱装置１と熱利用装置３０とを備えている。ここで、熱利用装置３０は、発熱装置１において発生する熱によって加熱された熱媒体を熱源として発電する装置であって、熱媒体循環ラインＬ２と、ガスタービン３２と、蒸気発生器３３と、蒸気タービン３４と、スターリングエンジン３５及び熱電変換部３６を備えている。以下、これらの熱媒体循環ラインＬ２と、ガスタービン３２と、蒸気発生器３３と、蒸気タービン３４と、スターリングエンジン３５及び熱電変換部３６について以下にそれぞれ説明する。
　（熱媒体循環ライン）
　熱媒体循環ラインＬ２は、発熱装置１の発熱モジュールＭ、ガスタービン３２、蒸気発生器３３、蒸気タービン３４、スターリングエンジン３５及び熱電変換部３６との間で熱媒体を循環させる閉ループを構成している。具体的には、この熱媒体循環ラインＬ２は、発熱モジュールＭの第３流路８の出口側から延びてガスタービン３２に接続された第１配管３１ａと、ガスタービン３２と蒸気発生器３３とを接続する第２配管３１ｂと、蒸気発生器３３とスターリングエンジン３５とを接続する第３配管３１ｃと、スターリングエンジン３５から延びて発熱モジュールＭの第３流路８の入口側に接続された第４配管３１ｄを備えている。ここで、第１配管３１ａの途中には、循環ポンプ３７と流量制御弁３８が設けられている。なお、循環ポンプ３７には、メタルベローズポンプなどが用いられ、流量制御弁３８には、バリアブルリークバルブなどが用いられる。
　（ガスタービン）
　ガスタービン３２は、同軸によって連結されたコンプレッサ３２ａとタービン３２ｂを備えており、タービン３２ｂの出力軸には発電機４０が連結されている。
　（蒸気発生器）
　蒸気発生器３３は、蒸気タービン３４を駆動するための高圧蒸気を発生するものであって、第２配管３１ｂに連なる内部配管３３ａと、この内部配管３３ａに対向する熱交換配管３３ｂを備えている。ここで、熱交換配管３３ｂは、蒸気配管３３ｃを介して蒸気タービン３４の入口側に接続されるとともに、給水配管３３ｄを介して蒸気タービン３４の出口側に接続されている。なお、図示しないが、給水配管３３ｄには復水器と給水ポンプが設けられている。また、蒸気タービン３４の出力軸には、発電機５０が接続されている。
　（スターリングエンジン）
　スターリングエンジン３５は、シリンダ３５ａと、ディスプレーサピストン３５ｂと、パワーピストン３５ｃと、流路３５ｄと、クランク部３５ｅを備えている。ここで、シリンダ３５ａの内部は、ディスプレーサピストン３５ｂによって膨張空間Ｓ１と圧縮空間Ｓ２とに区画されており、これらの膨張空間Ｓ１と圧縮空間Ｓ２には作動流体が封入されている。なお、作動流体としては、ヘリウムガス、水素系ガス、空気などが用いられるが、本実施の形態では、ヘリウムガスを用いている。
　また、流路３５ｄは、シリンダ３５ａの外部に設けられており、膨張空間Ｓ１と圧縮空間Ｓ２とを連通させている。そして、この流路３５ｄは、膨張空間Ｓ１と圧縮空間Ｓ２との間で作動流体を流通させる機能を果たし、高温部３５ｆと、低温部３５ｇ及び再生器３５ｈを備えている。膨張空間Ｓ１の作動流体は、高温部３５ｆ、再生器３５ｈ、低温部３５ｇを順次通過して圧縮空間Ｓ２へと流入する。そして、圧縮空間Ｓ２の作動流体は、低温部３５ｇ、再生器３５ｈ、高温部３５ｆを順次通過して膨張空間Ｓ１に流入する。
　高温部３５ｆは、作動流体を加熱するための熱交換器であって、この高温部３５ｆの外部には伝熱管３５ｉが設けられている。この伝熱管３５ｉは、第３配管３１ｃと第４配管３１ｄとを接続しており、第３配管３１ｃから第４配管３１ｄへと熱媒体を流通させる機能を果たす。そして、第３配管３１ｃから伝熱管３５ｉへと熱媒体が流れることによって、熱媒体の熱が高温部３５ｆへと伝達され、高温部３５ｆを通過する作動流体が加熱される。
　低温部３５ｇは、作動流体を冷却するための熱交換器であって、この低温部３５ｇの外部には冷却管３５ｊが設けられている。この冷却管３５ｊは、水などの冷却媒体を供給する不図示の冷却媒体供給部に接続されており、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体を通過させる。そして、冷却管３５ｊに冷却媒体が流れることによって、低温部３５ｇを通過する作動流体が冷却媒体に熱を奪われて冷却される。
　再生器３５ｈは、蓄熱用の熱交換器であって、高温部３５ｆと低温部３５ｇとの間に設けられている。この再生器３５ｈは、作動流体が膨張空間Ｓ１から圧縮空間Ｓ２へと移動する際に、高温部３５ｆを通過した作動流体から熱を受け取って蓄積する。また、再生器３５ｈは、作動流体が圧縮空間Ｓ２から膨張空間Ｓ１へと移動する際に、低温部３５ｇを通過した作動流体に対して、蓄積している熱を与えて作動流体を加熱する。
　クランク部３５ｅは、シリンダ３５ａの他端に設けられており、不図示のクランクケースに回転可能に支持されたクランクシャフト、ディスプレーサピストン３５ｂに接続されたロッド、パワーピストン３５ｃに接続されたロッド、各ロッドとクランクシャフトとを連結する連結部材などを備えており、ディスプレーサピストン３５ｂとパワーピストン３５ｃの往復直線運動を回転運動に変換する機能を果たす。そして、当該スターリングエンジン３５のクランクシャフトには発電機８０が接続されている。
　（熱電変換部）
　熱電変換部３６は、第４配管３１ｄを流通する熱媒体の熱をゼーベック効果を利用して電力に変換するものであって、例えば、３００℃以下の熱媒体の熱を電力に変換する。この熱電変換部３６は、筒状に形成されており、第４配管３１ｄの外周を覆うように配置されている。
　そして、熱電変換部３６は、内面に設けられた熱電変換モジュール３６ａと、外面に設けられた冷却部３６ｂとを備えている。ここで、熱電変換モジュール３６ａは、第４配管３１ｄに対向する受熱基板、この受熱基板に設けられた受熱側電極、冷却部３６ｂに対向する放熱基板、この放熱基板に設けられた放熱側電極、ｐ型半導体によって形成されたｐ型熱電素子、ｎ型半導体によって形成されたｎ型熱電素子などを備えている。本実施の形態では、熱電変換モジュール３６ａは、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが受熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続されている。
　また、熱電変換モジュール３６ａは、一端に配置されたｐ型熱電素子と他端に配置されたｎ型熱電素子に対して、リードが放熱側電極を介して電気的に接続されている。ここで、冷却部３６ｂは、例えば、冷却水が流通する配管によって構成されており、当該熱電変換部３６は、内面と外面との間に発生する温度差に応じた電力を発生する。
　（熱利用システムの作用）
　次に、以上のように構成された熱利用システムの作用について説明する。
　本発明に係る発熱装置１において、前述のように発熱モジュールＭの各発熱体５を水素が透過することによって発生した熱は、第３流路８を流れる熱媒体に与えられて該熱媒体が所定の温度に加熱される。そして、熱利用装置３０の第１配管３１ａに設けられた循環ポンプ３７が駆動されると、加熱された熱媒体は、閉ループを構成する発熱モジュールＭの第３流路８、第１配管３１ａ、第２配管３１ｂ、第３配管３１ｃ及び第４配管３１ｄを循環し、この熱媒体からの熱の供給を受けてガスタービン３２、蒸気タービン３４、スターリングエンジン３５及び熱電変換部３６が順次駆動されて所要の発電がなされる。なお、このとき、流量制御弁３８は、温度センサ１１（図１参照）によって検出された温度に基づいて熱媒体の流量を制御する。すなわち、流量制御弁３８は、温度センサ１１によって検出される発熱体５の温度が適正な上限温度を超えた場合には、熱媒体の循環流量を増やして発熱体５の温度上昇を抑える。また、流量制御弁３８は、逆に温度センサ１１によって検出される発熱体５の温度が適正な下限温度未満である場合には、熱媒体の循環流量を減らして発熱体５の温度低下を抑える。
　発熱装置１の発熱モジュールＭによって加熱されて第３流路８から第１配管３１ａへと流れる高温（例えば、６００℃～１５００℃）の熱媒体は、ガスタービン３２に導入され、このガスタービン３２のコンプレッサ３２ａによって圧縮される。そして、圧縮された熱媒体が膨張しながらタービン３２ｂを流れることによって、該タービン３２ｂが回転駆動され、このタービン３２ｂの出力軸に連結された発電機４０が回転駆動されて所要の発電がなされる。すなわち、熱媒体が有する熱の一部がガスタービン３２の運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーが発電機４０によって電気エネルギーに変換される。
　そして、ガスタービン３２から第２配管３１ｂへと吐出される熱媒体は、蒸気発生器３３の内部配管３３ａを流れる過程で、熱交換配管３３ｂを流れる缶水との間で熱交換して缶水を加熱する。この結果、蒸気発生器３３において、高温（３００℃～７００℃）・高圧の蒸気が発生し、この蒸気が蒸気配管３３ｃを経て蒸気タービン３４に供給される。この結果、蒸気タービン３４が蒸気によって回転駆動され、この蒸気タービン３４の回転によって発電機５０も同時に回転駆動されて所要の発電がなされる。すなわち、熱媒体が有する熱の一部が蒸気タービン３４の運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーが発電機５０によって電気エネルギーに変換される。なお、蒸気タービン３４の駆動に供されて温度の下がった蒸気は、不図示の復水器において冷却されて缶水に戻され、この缶水が給水配管３３ｄから蒸気発生器３３の熱交換配管３３ｂへと流れ、その過程において、缶水が内部配管３３ａを流れる熱冷媒によって加熱されて蒸気となる。
　また、蒸気発生器３３の内部配管３３ａを流れる過程で蒸気の発生に供された温度３００℃～１０００℃の熱媒体は、内部配管３３ａから第３配管３１ｃを経てスターリングエンジン３５へと供給され、前述の作用によってスターリングエンジン３５の駆動に供される。この結果、スターリングエンジン３５のクランクシャフトが回転駆動され、このクランクシャフトに連結された発電機８０も回転駆動されて所要の発電がなされる。すなわち、熱媒体が有する熱の一部がスターリングエンジン３５の運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーが発電機８０によって電気エネルギーに変換される。
　上述のようにスターリングエンジン３５の駆動に供された熱媒体は、第４配管３１ｄを経て熱電変換部３６へと供給され、この熱媒体の熱の一部が前述のようにゼーベック効果によって電力に変換される。すなわち、熱媒体が有する熱の一部が熱電変換部３６によって電気エネルギーに変換される。
　そして、熱電変換部３６において発電に供されて温度が低下した熱媒体は、第４配管３１ｄから発熱モジュールＭの第３流路８の入口側へと戻され、以後、同様の作用が連続的に繰り返され、発熱モジュールＭにおいて発生した熱が熱媒体によって回収され、その熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
　なお、本実施の形態では、熱媒体によって回収された熱によってガスタービン３２と蒸気タービン３４及びスターリングエンジン３５を駆動し、その運動エネルギーを発電機４０，５０，８０によって電気エネルギーに変換するとともに、熱電変換部３６によって熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する構成を採用したが、ガスタービン３２、蒸気タービン３４、スターリングエンジン３５及び熱電変換部３６を任意に組み合わせて熱利用装置３０を構成しても良い。
　また、以上の実施の形態では、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱利用装置３０について説明したが、本発明に係る発熱装置１によって発生する熱は、発電以外の他の用途、例えば、ボイラーに供給される燃焼用空気の予熱、化学吸収法によってＣＯ２を吸収した吸収液の加熱、メタン製造装置におけるＣＯ２とＨ２を含む原料ガスの加熱などの他、ヒートポンプシステム、熱輸送システム、冷熱（冷凍）システムなどに利用することができる。
　ところで、以上説明した熱利用システムにおいては、発熱装置１において発生する熱を第３流路８を流れる熱媒体によって回収して熱利用装置３０に供するように構成したが、第３流路８を設けないで、第２流路７を流れる透過ガスによって直接熱回収しても良い。この場合は、第２の隔壁２６と放熱部材２７が不要となり、第１の隔壁２４とサポート２５が放熱部材として機能するため、伝熱面積が増えて熱回収効率が高められる。このような構成を採用する場合、第２流路７に別の熱媒体を導入し、第２流路７から透過ガスと熱媒体を回収し、水素透過膜などによって透過ガスと熱媒体とを分離し、透過ガスを水素循環ラインＬ１に戻すとともに、熱媒体を熱利用装置３０に供するよう構成することが望ましい。
　なお、本発明は、以上説明した実施の形態に適用が限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
　１　　　　発熱装置
　５　　　　発熱体
　６　　　　第１流路
　７　　　　第２流路
　８　　　　第３流路
　２４　　　第１の隔壁
　２５　　　サポート
　２６　　　第２の隔壁
　２７　　　放熱部材

Claims (4)

  1. 　水素の吸蔵と放出によって熱を発生する平板状の発熱体と、前記水素を含む水素系ガスが導入され、前記発熱体に水素を供給する第１流路と、前記発熱体を透過した水素を含む透過ガスが流動する第２流路を備え、
    　前記発熱体の両側に前記第１流路と前記第２流路をそれぞれ配置して構成される発熱装置であって、
    　前記発熱体との間に前記第２流路を形成する第１の隔壁に、変形した前記発熱体を受けるためのサポートを前記発熱体に向かって突設した発熱装置。
  2. 　前記サポートは、金属製の複数のピンまたはプレートで構成されている請求項１に記載の発熱装置。
  3. 　熱媒体が流通する第３流路を前記第２流路に隣接して配置し、前記第１の隔壁との間に前記第３流路を形成する第２の隔壁または前記第１の隔壁の少なくとも一方の隔壁に、他方の隔壁に向かって突出して前記他方の隔壁に接触する放熱部材を設けた請求項１または２に記載の発熱装置。
  4. 　前記放熱部材は、金属製の複数の放熱ピンまたは放熱フィンで構成されている請求項３に記載の発熱装置。
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