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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022172989
(43)【公開日】2022-11-17
(54)【発明の名称】発熱装置
(51)【国際特許分類】
F24V 30/00 20180101AFI20221110BHJP
F28D 20/00 20060101ALI20221110BHJP
F28F 23/00 20060101ALI20221110BHJP
F25B 17/12 20060101ALI20221110BHJP
【ＦＩ】
F24V30/00 302
F28D20/00 H
F28F23/00 B
F25B17/12 N
F25B17/12 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021079381
(22)【出願日】2021-05-07
(71)【出願人】
【識別番号】512261078
【氏名又は名称】株式会社クリーンプラネット
(74)【代理人】
【識別番号】110002675
【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村上 翔一
(72)【発明者】
【氏名】大畑 豊治
(72)【発明者】
【氏名】岩村 康弘
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 岳彦
(72)【発明者】
【氏名】吉野 英樹
【テーマコード（参考）】
3L093
【Ｆターム（参考）】
3L093NN05
3L093PP16
3L093RR01
(57)【要約】
【課題】熱を効率良く発生し、発生した熱を熱媒体によって効率良く回収するとともに、小型・コンパクト化を図ることができる発熱装置を提供する。
【解決手段】発熱装置は、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を透過した水素を含む透過ガスが流通する第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通する第３流路８とを有し、第３流路８の両側に、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る積層構造体４と、発熱体５を加熱する加熱手段としての電気ヒータ９と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】発熱装置は、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を透過した水素を含む透過ガスが流通する第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通する第３流路８とを有し、第３流路８の両側に、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る積層構造体４と、発熱体５を加熱する加熱手段としての電気ヒータ９と、を備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素の吸蔵と放出によって熱を発生する発熱体と、前記水素を含む水素系ガスが導入され、前記発熱体に前記水素を供給する第１流路と、前記発熱体を透過した前記水素を含む透過ガスが流通する第２流路と、前記第２流路を流れる前記透過ガスとの間で熱交換を行う熱媒体が流通する第３流路とを有し、前記第３流路の両側に、前記第３流路から順に前記第２流路、前記発熱体、前記第１流路を順次対称的に積層して構成される積層構造体と、
前記発熱体を加熱する加熱手段と、
を備える発熱装置。
前記発熱体を加熱する加熱手段と、
を備える発熱装置。
【請求項2】
複数の前記積層構造体を多段に重ねて発熱モジュールを構成した請求項１に記載の発熱装置。
【請求項3】
前記発熱モジュールの隣接する２つの前記積層構造体の相対面する２つの前記第１流路の間に前記加熱手段を配置した請求項２に記載の発熱装置。
【請求項4】
前記発熱モジュールの隣接する２つの前記積層構造体の相対面する２つの前記第１流路の間に前記加熱手段と前記第３流路を配置した請求項２または３に記載の発熱装置。
【請求項5】
前記加熱手段を前記第３流路の両側に配置した請求項４に記載の発熱装置。
【請求項6】
前記発熱モジュールは、前記第１流路に前記水素系ガスを導入する方向と、前記第２流路から前記透過ガスが流出する方向と、前記第３流路に前記熱媒体を導入する方向と、前記第３流路から前記熱媒体が流出する方向とが互いに異なる請求項２～５のいずれか１項に記載の発熱装置。
【請求項7】
前記加熱手段は、平板状のベースと、前記ベースに設けられた加熱ワイヤーまたはリボン状の面ヒータとにより構成された電気ヒータである請求項１～４のいずれか１項に記載の発熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発熱と熱交換とを同時に行う発熱・熱交換一体式の発熱装置に関する。
【背景技術】
【0002】
水素吸蔵金属または水素吸蔵合金は、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、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）。
【0003】
ところで、本出願人などは、水素吸蔵金属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発熱装置及び熱利用システムを先に提案した（特許文献３参照）。
【0004】
具体的には、発熱体の支持体は、多孔質体、水素透過膜、及びプロトン誘電体のうち少なくともいずれかで構成されている。発熱体の多層膜は、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、第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又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。ここで、特許文献３において提案された発熱装置の一例を図１９に示す。
【0005】
図１９は特許文献３において提案された発熱装置２０１の基本構成を示すブロック図である。発熱装置２０１は、制御部２０２と、密閉容器２０３と、発熱体２０５と、加熱手段である電気ヒータ２０９と、温度調整部Ｔと、水素循環ラインＬ０とを備えている。
【0006】
発熱体２０５は、密閉容器２０３内に収容されている。密閉容器２０３は、断熱材２２４によって断熱された格納容器２２５内に収容されている。電気ヒータ２０９は、密閉容器２０３の周囲に巻装されている。電気ヒータ２０９の出力は、温度調整部Ｔによって制御される。温度調整部Ｔは、発熱体２０５の温度を検出する温度センサ２１１と、この温度センサ２１１によって検出された発熱体２０５の温度に基づいて電源２１０の出力を制御する制御部２０２とによって構成されている。
【0007】
密閉容器２０３内は、発熱体２０５によって第１室Ｒ１と第２室Ｒ２とに区画されている。第１室Ｒ１には、水素循環ラインＬ０の導入配管２１３が接続されている。第２室Ｒ２には、水素循環ラインＬ０の回収配管２１９が接続されている、水素循環ラインＬ０には、循環ポンプ２１２と、バッファタンク２１５と、圧力調整弁２１６と、フィルタ２１７とが接続されている。循環ポンプ２１２と圧力調整弁２１６は、制御部２０２に電気的に接続されて当該制御部２０２によってその動作が制御される。
【0008】
格納容器２２５には、発熱装置２０１によって発生する熱によって加熱された熱媒体を不図示の熱利用装置（熱負荷）へと供給するための供給配管２２６と、熱利用装置に熱を供給した後の熱媒体を回収するための回収配管２２７とが接続されている。
【0009】
以上のように構成された発熱装置２０１において、制御部２０２によって出力が制御される電気ヒータ２０９によって発熱体２０５を最適温度に加熱しつつ、循環ポンプ２１２を駆動して水素系ガスを水素循環ラインＬ０の導入配管２１３から密閉容器２０３の第１室Ｒ１へと導入すると、この水素系ガスに含まれる水素が発熱体２０５を透過して第２室Ｒ２へと移動する。このように水素が発熱体２０５を透過（吸蔵と放出）することによって、発熱体２０５は、電気ヒータ２０９で発熱体２０５を加熱する熱量よりも大きな熱量の熱（過剰熱）を発生する。
【0010】
上述のように発熱体２０５において過剰熱が発生すると、格納容器２２５内に供給される熱媒体が過剰熱によって加熱される。加熱された熱媒体が供給配管２２６を経て不図示の熱利用装置に供給されることによって、熱利用装置が過剰熱を熱源として所要の仕事（例えば、発電）を行う。そして、熱利用装置に熱を与えることによって温度が低下した熱媒体は、回収配管２１９を経て格納容器２２５へと戻されて回収される。
【0011】
上記動作が連続的に繰り返されて、発熱装置２０１において発生した熱が、熱媒体を介して熱利用装置へと供給され、発電などの所要の仕事に供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】特開昭５６－１００２７６号公報
【特許文献2】特開昭５８－０２２８５４号公報
【特許文献3】特許第６７４９０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
しかしながら、特許文献３において提案された図１９に示す発熱装置２０１においては、熱を発生する発熱体２０５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２０５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。
【0014】
また、発熱体２０５が発生した熱は、密閉容器２０３内の水素系ガス及び密閉容器２０３を介して、格納容器２２５内の熱媒体に伝達され、当該熱媒体を加熱する。このため、発熱体２０５から熱媒体への熱の伝達経路が長く、発熱体２０５が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ず、この点においても改善の余地が残されている。
【0015】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、熱を効率良く発生し、発生した熱を熱媒体によって効率良く回収するとともに、小型・コンパクト化を図ることができる発熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
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、前記発熱体に前記水素を供給する第１流路と、前記発熱体を透過した前記水素を含む透過ガスが流通する第２流路と、前記第２流路を流れる前記透過ガスとの間で熱交換を行う熱媒体が流通する第３流路とを有し、前記第３流路の両側に、前記第３流路から順に前記第２流路、前記発熱体、前記第１流路を順次対称的に積層して構成される積層構造体と、前記発熱体を加熱する加熱手段と、を備える。
【発明の効果】
【0017】
本発明の発熱装置は、熱媒体が流通する第３流路の両側に、当該第３流路から順に、発熱体を透過した水素を含む透過ガスが流通する第２流路、発熱体、発熱体に水素を供給する水素系ガスが導入される第１流路を順次対称的に積層することにより構成された積層構造体を備えている。積層構造体は、発熱体、第１流路、第２流路、及び第３流路が高密度に積層されている。したがって、本発明によれば、熱を効率良く発生し、発生した熱を熱媒体によって効率良く回収するとともに、小型・コンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第１実施形態に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図2】第１実施形態に係る発熱モジュールの分解斜視図である。
【図3】第１実施形態に係る積層構造体の分解斜視図である。
【図4】第１実施形態に係る電気ヒータの平面図である。
【図5】第１実施形態に係る発熱体の構成を示す断面図である。
【図6】第１実施形態に係る発熱体における過剰熱の発生のメカニズムを説明する模式図である。
【図7】発熱体の変形例１を示す断面図である。
【図8】発熱体の変形例２を示す断面図である。
【図9】第１実施形態に係る熱利用システムの構成を示すブロック図である。
【図10】第２実施形態に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図11】第２実施形態に係る積層構造体の分解斜視図である。
【図12】第３実施形態に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図13】第３実施形態に係る積層構造体の分解斜視図である。
【図14】第４実施形態に係る発熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【図15】第４実施形態に係る積層構造体の分解斜視図である。
【図16】発熱モジュールの変形例１を示す模式的平面図である。
【図17】発熱モジュールの変形例２を示す模式的平面図である。
【図18】発熱モジュールの変形例３を示す模式的平面図である。
【図19】特許文献３において提案された発熱装置の基本構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
１．第１実施形態
［発熱装置］
図１は第１実施形態に係る発熱装置１の基本構成を示すブロック図である。発熱装置１は、発熱モジュールＭ１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。図１において、黒丸の接続点は、部材同士の接続を示している。
［発熱装置］
図１は第１実施形態に係る発熱装置１の基本構成を示すブロック図である。発熱装置１は、発熱モジュールＭ１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。図１において、黒丸の接続点は、部材同士の接続を示している。
【0021】
発熱モジュールＭ１は、密閉容器３の内部に収容されている。発熱モジュールＭ１は、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。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）を含む透過ガスが流通する第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通する第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る。ここで、水素系ガスには水素の同位体が含まれる。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いずれかが使用される。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では、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」と記載している。なお、発熱モジュールＭ１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Ｍ１の詳細な構成は後述する。
【0022】
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。温度調整部Ｔは、電気ヒータ９と、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とによって構成されている。
【0023】
水素循環ラインＬ１は、発熱モジュールＭ１の積層構造体４に設けられた第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へと移動した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。
【0024】
水素循環ラインＬ１は、発熱モジュールＭ１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Ｍ１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では、発熱モジュールＭ１と水素循環ラインＬ１とにより、ガスが循環する閉ループが構成されている。
【0025】
導入配管１２は、循環ポンプ１４の吐出口と接続している。導入配管１２は、発熱モジュールＭ１の各積層構造体４に設けられた各第１流路６にそれぞれ接続された分岐管１５を有している。導入配管１２の水素系ガスは、分岐管１５を介して第１流路６へ導入される。
【0026】
回収配管１３は、循環ポンプ１４の吸入口と接続している。回収配管１３は、発熱モジュールＭ１の各積層構造体４に設けられた各第２流路７にそれぞれ接続された分岐管１６を有している。第２流路７の透過ガスは、発熱体５により加熱されて高温となり、各分岐管１６を介して回収配管１３へ回収され、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。
【0027】
循環ポンプ１４は、閉ループを構成する発熱モジュールＭ１と水素循環ラインＬ１との間で水素系ガスを循環させる。循環ポンプ１４としては、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と電気的に接続しており、制御部２からの制御信号によって動作が制御される。
【0028】
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の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と電気的に接続しており、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。
【0029】
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の表面に付着して当該発熱体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、当該発熱体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。このため、フィルタ１９は、不純物として、水（水蒸気を含む）、炭化水素、Ｃ、Ｓ、及び、Ｓｉを少なくとも除去する。水素系ガスに含まれる不純物をフィルタ１９が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。
【0030】
制御部２は、発熱装置１の各部と電気的に接続しており、各部の動作を制御する。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いる。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。
【0031】
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の材料は、耐熱性及び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、耐熱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）などでも良い。密閉容器３の形状は、本実施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、楕円筒状などでも良い。
【0032】
【0033】
図２に示すように、発熱モジュールＭ１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Ｍ１は、図２に示す例では四角柱状に形成されている。発熱装置１、及び発熱装置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平面、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。
【0034】
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とにより構成されている。平板部６ａ及び壁部６ｂは、例えばステンレス鋼で形成されている。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では、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、及び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、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辺の縁部分のうち壁部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。水素導入口６ｃは、水素循環ラインＬ１の分岐管１５と接続する（図１参照）。第１流路６の背面（Ｙ軸方向における右側の面）は壁部６ｂで構成されている。
【0035】
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とにより構成されている。平板部７ａ及び壁部７ｂは、例えばステンレス鋼で形成されている。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では、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、及び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では、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と接続する（図１参照）。
【0036】
第３流路８は、平板状に形成され、互いに隙間をあけて配置された２つの平板部８ａと、２つの平板部８ａの間に設けられ、互いに隙間をあけて配置された２つの壁部８ｂとにより構成されている。平板部８ａ及び壁部８ｂは、例えばステンレス鋼で形成されている。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では、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、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）と接続する。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）と接続する。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。
【0037】
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。本実施形態では、発熱モジュールＭ１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Ｍ１全体の温度が効率的に上昇する。
【0038】
図４に示すように、電気ヒータ９は、平板状のベース９ａと、ベース９ａに設けられた加熱ワイヤー９ｂとにより構成されている。ベース９ａ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に形成されている。加熱ワイヤー９ｂは、ベース９ａの両面に、繰り返し屈曲させた状態で取り付けられている。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。加熱ワイヤー９ｂは、電気抵抗の高い材料、例えばモリブデンやタングステンなどの金属によって構成されている。加熱ワイヤー９ｂを繰り返し屈曲させた状態でベース９ａに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、電気ヒータ９は、本実施形態ではベース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構成しても良い。図４には図示していないが、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）が接続されている。なお、本実施の形態では、電気ヒータ９を、加熱ワイヤー９ｂに代えて薄いリボン状の面ヒータをベース９ａに配置することによって構成してもよい。
【0039】
【0040】
図５に示すように、発熱体５は、支持体５Ａと多層膜５Ｂとを有している。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。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。
【0041】
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する。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好ましい。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。
【0042】
多層膜５Ｂは、支持体５Ａに形成されている。多層膜５Ｂは、本実施形態では支持体５Ａの両面（図５の左端面及び右端面）に形成されている。図５では、支持体５Ａの一方の面(図５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５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の両面に形成する場合に限られず、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。
【0043】
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、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とを有している。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。
【0044】
図５に示す例では、多層膜５Ｂは、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た計１０層の膜構造として、支持体５Ａに形成されている。第１層５１と第２層５２の数は任意である。多層膜５Ｂは、複数の第２層５２と第１層５１とがこの順に交互に積層された多層の膜構造として、支持体５Ａに形成しても良い。多層膜５Ｂとしては、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を１つ以上有していれば良い。
【0045】
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いずれかによって構成されている。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。第１層５１を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加したものを用いても良い。
【0046】
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のうちのいずれかによって構成されている。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。第２層５２を構成する合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加したものを用いても良い。
【0047】
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の組み合わせが好ましい。
【0048】
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未満であることが好ましい。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。
【0049】
発熱体５は、図５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５では、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、点線の矢印で示している。
【0050】
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６に基づいて説明する。
【0051】
図６は発熱体５における過剰熱の発生のメカニズムを説明する模式図である。図６は、発熱体５の多層膜５Ｂの第１層５１及び第２層５２が面心立法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す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。
【0052】
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、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクタヘドラルサイト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す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で、電気ヒータ９による加熱量以上の熱量の熱（過剰熱）を発生する。
【0053】
本実施形態では、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り減圧される。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。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の内部へ浸入する。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、異種物質界面５３を量子拡散によって透過し、或いは、異種物質界面５３を拡散によって透過する。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へ放出される。すなわち、発熱体５から水素が放出される。このように、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へ水素を透過させることにより、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り、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り、水素が発熱体５を連続的に透過するので、発熱体５から効率的に過剰熱を発生させることができる。
【0054】
＜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。
ここで、発熱体５の製造方法の一例について説明する。
【0055】
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い。これにより、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。
【0056】
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や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、ディッピング法、電気めっき法を用いて、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。
【0057】
本実施形態に係る発熱体５は、図５に示すように、支持体５Ａに対し第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を構成しているが、発熱体の構成はこれに限られない。発熱体の変形例１及び変形例２を図７及び図８に基づいて説明する。
【0058】
＜発熱体の変形例１＞
図７に示すように、発熱体６０は、支持体６０Ａと多層膜６０Ｂとを有する。支持体６０Ａの構成は支持体５Ａと同じであるため、支持体６０Ａの説明は省略する。
図７に示すように、発熱体６０は、支持体６０Ａと多層膜６０Ｂとを有する。支持体６０Ａの構成は支持体５Ａと同じであるため、支持体６０Ａの説明は省略する。
【0059】
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の構成は第１層５１と同じであり、第２層６２の構成は第２層５２と同じであるため、第１層６１及び第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。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、異種物質界面５３と同様に、水素を透過させる。発熱体６０は、異種物質界面６４及び異種物質界面６５を、水素が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面６４及び異種物質界面６５を水素が拡散することにより、過剰熱を発生する。
【0060】
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７に示す例では、多層膜６０Ｂは、支持体６０Ａの一方の面(図７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７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７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多層の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７の上端面）に形成される場合に限られず、支持体６０Ａの他方の面（図７の下端面）、または支持体６０Ａの両面（図７の上端面及び下端面）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。
【0061】
第３層６３は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、及びこれらの合金、或いはＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいず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好ましい。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。
【0062】
特に、第３層６３は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかにより構成されることが好ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいず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が発生する過剰熱の高出力化を図ることができる。
【0063】
第３層６３の厚さは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。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のうちのいずれかによって構成される第３層６３は、厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。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。
【0064】
ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかによって構成される第３層６３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も良い。
【0065】
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好ましい。これにより、第１層６１と第３層６３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６５のみが形成される。
【0066】
第１層６１、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のいずれかであることが好ましい。
【0067】
＜発熱体の変形例２＞
図８に示すように、発熱体７０は、支持体７０Ａと多層膜７０Ｂとを有する。支持体７０Ａの構成は支持体５Ａと同じであるため、支持体７０Ａの説明は省略する。
図８に示すように、発熱体７０は、支持体７０Ａと多層膜７０Ｂとを有する。支持体７０Ａの構成は支持体５Ａと同じであるため、支持体７０Ａの説明は省略する。
【0068】
多層膜７０Ｂは、支持体７０Ａに形成されている。多層膜７０Ｂは、第１層７１、第２層７２、及び第３層７３に加えて、第１層７１、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の構成は第１層５１と同じであり、第２層７２の構成は第２層５２と同じであり、第３層７３の構成は第３層６３と同じであるため、第１層７１、第２層７２、及び第３層７３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が形成されている。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。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。異種物質界面７５、異種物質界面７６、及び異種物質界面７７は、異種物質界面５３と同様に、水素を透過させる。発熱体７０は、異種物質界面７５、異種物質界面７６、及び異種物質界面７７を、水素が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面７５、異種物質界面７６、及び異種物質界面７７を水素が拡散することにより、過剰熱を発生する。
【0069】
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を設けた多層の膜構造として、支持体７０Ａに形成されている。図８に示す例では、多層膜７０Ｂは、支持体７０Ａの一方の面（図８の上端面）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がこの順に交互に積層されている。多層膜７０Ｂは、図８に示す例とは異なる膜構造、すなわち、支持体７０Ａの一方の面（図８の上端面）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がこの順に交互に積層された多層の膜構造として形成しても良い。多層膜７０Ｂは、支持体７０Ａの一方の面（図８の上端面）に形成される場合に限られず、支持体７０Ａの他方の面（図８の下端面）、または支持体７０Ａの両面（図８の上端面及び下端面）に形成しても良い。なお、第１層７１、第２層７２、第３層７３、第４層７４の数は任意である。多層膜７０Ｂとしては、第４層７４を１つ以上有し、第１層７１と第４層７４との間に異種物質界面７７を１つ以上有していれば良い。
【0070】
第４層７４は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、及びこれらの合金、或いはＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかによって構成されている。第４層７４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であることが好ましい。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。
【0071】
特に、第４層７４は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかによって構成されることが好ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかによって構成される第４層７４を有する発熱体７０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７５、異種物質界面７６、及び異種物質界面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を図ることができる。
【0072】
第４層７４の厚さは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。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のうちのいずれかによって構成される第４層７４は、厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。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。
【0073】
ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちのいずれかによって構成される第４層７４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も良い。
【0074】
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好ましい。これにより、第１層７１と第４層７４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７７のみが形成される。
【0075】
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の組み合わせが好ましい。
【0076】
（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。
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。
【0077】
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、当該循環ポンプ１４から吐出される水素系ガスは、水素循環ラインＬ１の導入配管１２と当該導入配管１２から分岐する４本の分岐管１５とを流通し、発熱モジュールＭ１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。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によって圧力が所定値に調整される。
【0078】
発熱モジュールＭ１の電気ヒータ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内の水素系ガスを介して発熱体５を発熱可能な温度（例えば、５０℃～１５００℃）に加熱する。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、制御部２によって電源１０の出力が制御されることによって、適正な値に調整される。ここで、２つの積層構造体４の対面する第１流路６の間に電気ヒータ９が設けられているため、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。また、発熱モジュールＭ１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Ｍ１全体が効率的に加熱される。このため、発熱体５が効率良く適正温度に加熱され、発熱体５の加熱に伴う消費電力が低く抑えられる。
【0079】
発熱モジュールＭ１の各第１流路６へと導入された水素系ガスに含まれる水素は、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。発熱体５は、第１流路６から第２流路７へ水素を透過させることによって発熱する。
【0080】
発熱モジュールＭ１の各発熱体５を透過して当該発熱体５の発熱に供された水素（透過水素）を含む透過ガスは、各第２流路７から各分岐管１６へと流出して回収配管１３で合流した後、循環ポンプ１４に吸引されて回収され、各発熱体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。以下、同様の動作が繰り返されて、水素系ガスが水素循環ラインＬ１を循環する課程で、水素系ガスに含まれる水素が発熱モジュールＭ１の各発熱体５の発熱に供される。このように、本実施形態においては、閉ループを構成する水素循環ラインＬ１を水素系ガスが連続して循環するため、発熱体５の発熱に供する水素の補給が抑えられて経済的である。また、透過水素を含む高温の透過ガスを回収し、水素循環ラインＬ１を循環させて各発熱体５に水素を供給する水素系ガスとして再利用するため、各発熱体５の過冷却が抑制され、各発熱体５の発熱が維持または促進される。
【0081】
発熱モジュールＭ１の各第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を流れる高温の透過ガスとの間で熱交換して加熱される。熱媒体は、２つの第２流路７を流れる高温の透過ガスから熱を奪って効率的に加熱されるため、熱回収効率が高められている。したがって、発熱モジュールＭ１は、発熱体５に水素を透過させることにより発熱を行う発熱機能と、発熱体５を透過した透過水素含む透過ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換機能とを兼ね備えている。発熱モジュールＭ１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。
【0082】
各第３流路８を流れる過程において第２流路７の高温の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で合流した後、この第１配管３１ａを経て後述の熱利用装置３０へと供給される。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。すなわち、発熱装置１で加熱された熱媒体は、熱利用装置３０の熱源としての利用に供される。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を経て発熱モジュールＭ１へと戻され、発熱モジュールＭ１において再び加熱される。以後、同様の動作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。
【0083】
以上のように、本実施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、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とを備えている。各積層構造体４は、発熱体５、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。このため、本実施形態に係る発熱装置１によれば、熱を効率良く発生することができるとともに、小型・コンパクト化を図ることができる。
【0084】
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を挟んでこれの両側に配置された第２流路７を流れる高温の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。このため、発熱装置１は、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。
【0085】
なお、発熱装置１は、本実施形態では２つの積層構造体４を備えているが、積層構造体４を１つ以上備えるものであれば良く、３つ以上の複数の積層構造体４を多段に重ねて構成しても良い。発熱装置１は、積層構造体４の数を増やすことによって、一層効率良く熱を発生し、高出力化を図ることができる。
【0086】
電気ヒータ９は、本実施形態では、板状に構成され、２つの積層構造体４の間に設けられているが、例えば筒状の電気炉として構成し、発熱モジュール全体を覆うように設けても良い。
【0087】
［熱利用システム］
図９は本実施形態に係る熱利用システム２０の構成を示すブロック図である。
図９は本実施形態に係る熱利用システム２０の構成を示すブロック図である。
【0088】
図９に示すように、熱利用システム２０は、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の一例である。熱利用装置３０は、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と、熱電変換部３６とを備えている。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と熱電変換部３６について以下にそれぞれ説明する。
【0089】
（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Ｍ１、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Ｍ１の第３流路８の熱媒体回収口８ｄ（図３参照）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Ｍ１の第３流路８の熱媒体導入口８ｃに接続された第４配管３１ｄとを備えている。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とが設けられている。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る。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。本実施形態では、熱媒体循環ラインＬ２は、発熱モジュールＭ１を構成する２つの第３流路８の各熱媒体導入口８ｃ（図３参照）と第４配管３１ｄとを接続する２つの分岐管３１ｅと、発熱モジュールＭ１を構成する２つの第３流路８の各熱媒体回収口８ｄ（図３参照）と第１配管３１ａとを接続する２つの分岐管３１ｆとを更に備えている。
熱媒体循環ラインＬ２は、発熱装置１の発熱モジュールＭ１、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Ｍ１の第３流路８の熱媒体回収口８ｄ（図３参照）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Ｍ１の第３流路８の熱媒体導入口８ｃに接続された第４配管３１ｄとを備えている。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とが設けられている。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る。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。本実施形態では、熱媒体循環ラインＬ２は、発熱モジュールＭ１を構成する２つの第３流路８の各熱媒体導入口８ｃ（図３参照）と第４配管３１ｄとを接続する２つの分岐管３１ｅと、発熱モジュールＭ１を構成する２つの第３流路８の各熱媒体回収口８ｄ（図３参照）と第１配管３１ａとを接続する２つの分岐管３１ｆとを更に備えている。
【0090】
（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を備えている。ガスタービン３２は、第１配管３１ａから導入された熱媒体により駆動する。タービン３２ｂの出力軸には発電機４０が連結されている。
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を備えている。ガスタービン３２は、第１配管３１ａから導入された熱媒体により駆動する。タービン３２ｂの出力軸には発電機４０が連結されている。
【0091】
（蒸気発生器）
蒸気発生器３３は、第２配管３１ｂに接続された内部配管３３ａと、この内部配管３３ａに対向する熱交換配管３３ｂと、熱交換配管３３ｂと蒸気タービン３４の入口とを接続する蒸気配管３３ｃと、熱交換配管３３ｂと蒸気タービン３４の出口とを接続する給水配管３３ｄとを備えている。蒸気発生器３３は、内部配管３３ａを流れる熱媒体と熱交換配管３３ｂを流れる缶水との熱交換により缶水を加熱し、高温・高圧の蒸気を発生する。給水配管３３ｄには、図示しない復水器と給水ポンプが設けられている。給水配管３３ｄは、蒸気タービン３４の出口から排出された蒸気を復水器で冷却して缶水に戻し、この缶水を給水ポンプで熱交換配管３３ｂへ戻す。
蒸気発生器３３は、第２配管３１ｂに接続された内部配管３３ａと、この内部配管３３ａに対向する熱交換配管３３ｂと、熱交換配管３３ｂと蒸気タービン３４の入口とを接続する蒸気配管３３ｃと、熱交換配管３３ｂと蒸気タービン３４の出口とを接続する給水配管３３ｄとを備えている。蒸気発生器３３は、内部配管３３ａを流れる熱媒体と熱交換配管３３ｂを流れる缶水との熱交換により缶水を加熱し、高温・高圧の蒸気を発生する。給水配管３３ｄには、図示しない復水器と給水ポンプが設けられている。給水配管３３ｄは、蒸気タービン３４の出口から排出された蒸気を復水器で冷却して缶水に戻し、この缶水を給水ポンプで熱交換配管３３ｂへ戻す。
【0092】
（蒸気タービン）
蒸気タービン３４は、蒸気発生器３３で発生した高圧・高圧の蒸気により駆動する。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。
蒸気タービン３４は、蒸気発生器３３で発生した高圧・高圧の蒸気により駆動する。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。
【0093】
（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とを備えている。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とに区画されている。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。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、本実施形態では、ヘリウムガスを用いている。
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とを備えている。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とに区画されている。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。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、本実施形態では、ヘリウムガスを用いている。
【0094】
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。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。流路３５ｄは、高温部３５ｆと、低温部３５ｇと、再生器３５ｈとを備えている。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。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。
【0095】
高温部３５ｆは、作動流体を加熱するための熱交換器である。高温部３５ｆの外部には伝熱管３５ｉが設けられている。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。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。
【0096】
低温部３５ｇは、作動流体を冷却するための熱交換器である。低温部３５ｇの外部には冷却管３５ｊが設けられている。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流通させる。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。
【0097】
再生器３５ｈは、蓄熱用の熱交換器である。再生器３５ｈは、高温部３５ｆと低温部３５ｇとの間に設けられている。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。
【0098】
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いる。クランク部３５ｅは、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。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。
【0099】
（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。熱電変換部３６は、例えば、３００℃以下の熱媒体の熱を電力に変換する。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。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。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、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、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。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いる。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。熱電変換部３６は、例えば、３００℃以下の熱媒体の熱を電力に変換する。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。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。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、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、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。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いる。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。
【0100】
（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２０の作用について説明する。
次に、以上のように構成された熱利用システム２０の作用について説明する。
【0101】
発熱装置１において、前述のように発熱モジュールＭ１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が各第３流路８を流れる熱媒体に与えられて、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Ｍ１の各第３流路８、各分岐管３１ｆ、第１配管３１ａ、第２配管３１ｂ、第３配管３１ｃ、第４配管３１ｄ、及び各分岐管３１ｅを循環する。この結果、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。このとき、流量制御弁３８は、温度センサ１１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、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。
【0102】
発熱装置１の発熱モジュールＭ１によって加熱されて各第３流路８から各分岐管３１ｆを経て第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、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、当該タービン３２ｂが回転駆動され、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。
【0103】
ガスタービン３２から第２配管３１ｂへと吐出された熱媒体は、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。これにより、缶水から高温（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る。この缶水は、給水配管３３ｄから蒸気発生器３３の熱交換配管３３ｂへと流れ、内部配管３３ａを流れる熱媒体との熱交換によって加熱されて再び蒸気となる。
【0104】
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、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。
【0105】
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に変換される。
【0106】
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から各分岐管３１ｅを経て発熱モジュールＭ１の各第３流路８へと戻される。以後、同様の作用が連続的に繰り返され、発熱モジュールＭ１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。
【0107】
本実施形態では、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電気エネルギーに直接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。
【0108】
以上の実施形態では、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、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。
【0109】
２．第２実施形態
上記第１実施形態では、上下２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間に電気ヒータ９を配置したが、第２実施形態では、図１０及び図１１に示すように、上下２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間に２つの電気ヒータ９と１つの第３流路８を配置している。第３流路８は、発熱モジュールＭ１の上下方向中央に配置されている。ここで、計２つの電気ヒータ９は、第３流路６を上下に挟むように該第３流路８の両側（上下面）に配置されている。そして、上下２つの電気ヒータ９によって挟まれるように配置された第３流路８の入口側には、分岐管３１ｅを介して第４配管３１ｄが接続され、第３流路８の出口側には、分岐管３１ｆを介して第１配管３１ａが接続されている。
上記第１実施形態では、上下２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間に電気ヒータ９を配置したが、第２実施形態では、図１０及び図１１に示すように、上下２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間に２つの電気ヒータ９と１つの第３流路８を配置している。第３流路８は、発熱モジュールＭ１の上下方向中央に配置されている。ここで、計２つの電気ヒータ９は、第３流路６を上下に挟むように該第３流路８の両側（上下面）に配置されている。そして、上下２つの電気ヒータ９によって挟まれるように配置された第３流路８の入口側には、分岐管３１ｅを介して第４配管３１ｄが接続され、第３流路８の出口側には、分岐管３１ｆを介して第１配管３１ａが接続されている。
【0110】
図１０は第２実施形態に係る発熱装置１’の基本構成を示すブロック図、図１１は第２実施形態に係る積層構造体４の分解斜視図であり、これらの図においては、図１及び図２において示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、同一要素についての再度の説明は省略する。
【0111】
上記第１実施形態に係る発熱装置１においては、各積層構造体４の第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を流れる高温の透過水素との熱交換によって、各発熱体５において発生した熱が熱媒体によって回収（抜熱）される。この場合、各第２流路７は低圧であるために発熱体５において発生した熱が伝わりにくく、第３流路８を流れる熱媒体による熱回収効率が低いと考えられる。
【0112】
他方、第１流路６は高圧であるために発熱体５において発生した熱がより伝わり易い。本実施形態においては、前述のように、上下２つの積層構造体４の相対面する２つの第１流路６の間に２つの電気ヒータ９と１つの第３流路８を配置したため、上下２つの第２流路６の間に配置された上下方向中央の第３流路８を流れる熱媒体に上下の第１流路６と電気ヒータ９を介して発熱体５の熱が伝わり易い。したがって、上下方向中央の第３流路８を流れる熱媒体による熱回収効率が高くなり、結果的に、熱交換器としても機能する発熱装置１’の熱交換効率が高くなる。
【0113】
なお、発熱装置１’の立ち上がり時（起動時）においては電気ヒータ９をＯＮし、発熱体５が発熱した後には理想的には電気ヒータ９をＯＦＦするが、発熱体５の温度調節のために電気ヒータ５をＯＮのままとして該電気ヒータ９の発熱量を調整するようにしても良い。また、本実施形態では、各発熱体５に対する加熱のバランスを取るために第３流路８の上下に電気ヒータ９をそれぞれ配置したが、１つの電気ヒータ９を第３流路８の上下いずれか一方のみに配置しても良い。
【0114】
３．第３実施形態
前記第１実施形態では、発熱体５を透過した透過水素を含む透過ガスを回収しているが、第３実施形態では、透過ガスに加え、発熱体を透過しなかった水素（非透過水素）を含む水素系ガス（以下、非透過ガスと称する）を回収する。
前記第１実施形態では、発熱体５を透過した透過水素を含む透過ガスを回収しているが、第３実施形態では、透過ガスに加え、発熱体を透過しなかった水素（非透過水素）を含む水素系ガス（以下、非透過ガスと称する）を回収する。
【0115】
図１２は第３実施形態に係る発熱装置９０の基本構成を示すブロック図である。発熱装置９０は、発熱モジュールＭ２と、温度調整部Ｔと、水素循環ラインＬ１と、非透過水素回収ラインＬ３と、制御部２と、密閉容器３とを備えている。上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0116】
発熱モジュールＭ２は、２つの積層構造体９４と、１つの電気ヒータ９とを備えている。各積層構造体９４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９６と、発熱体５を透過した水素（透過水素）を含む透過ガスが流通する第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通する第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、及び第１流路９６を順次対称的に積層して構成されている。発熱モジュールＭ２は、この例では四角柱状に形成されている。
【0117】
発熱モジュールＭ２は、２つの積層構造体９４を上下方向に２段に重ねて構成されている。上側の積層構造体９４の最下部の第１流路９６と下側の積層構造体９４の最上部の第１流路９６とは相対面している。電気ヒータ９は、上下に重ねられた２つの積層構造体９４の相対面する２つの第１流路９６の間、つまり、上側の積層構造体９４の最下部の第１流路９６と下側の積層構造体９４の最上部の第１流路９６との間に設けられている。
【0118】
非透過水素回収ラインＬ３は、発熱モジュールＭ２の各積層構造体９４において、各第１流路９６へと導入される水素系ガスのうち、各発熱体５を透過しないで当該発熱体５の発熱に供せられなかった非透過水素を含む非透過ガスを第１流路９６から回収し、回収した非透過ガスを第１流路９６へと戻すためのものである。図１２では、発熱体５を透過しない非透過水素を含む非透過ガスを「非透過水素」と記載している。
【0119】
非透過水素回収ラインＬ３は、発熱モジュールＭ２の積層構造体９４に設けられた第１流路９６から非透過ガスを回収する回収配管９７を有している。回収配管９７は、水素循環ラインＬ１を構成する回収配管１３とを接続している。回収配管９７は、図１２では回収配管１３の循環ポンプ１４よりも上流側（吸入側）に接続されているが、回収配管１３の循環ポンプ１４よりも下流側（吐出側）に接続しても良い。
【0120】
回収配管９７は、発熱モジュールＭ２の各積層構造体９４に設けられた各第１流路９６にそれぞれ接続された分岐管９８を有している。第１流路９６の非透過ガスは、発熱体５により加熱されて高温となり、分岐管９８を介して回収配管９７へ回収され、水素循環ラインＬ１を構成する回収配管１３を流れる透過ガスと合流した後、導入配管１２及び分岐管１５から再び各第１流路９６へと導入され、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。
【0121】
積層構造体９４は、第１流路９６の構成が異なること以外は、上記第１及び第２実施形態の積層構造体４と同じ構成を有する。第１流路９６の構成について以下に説明する。
【0122】
図１３は積層構造体９４の分解斜視図である。図１３に示すように、第１流路９６は、平板状に形成された平板部９６ａと、平板部９６ａに設けられた壁部９６ｂとにより構成されている。平板部９６ａ及び壁部９６ｂは、例えばステンレス鋼で形成されている。平板部９６ａは、平面視において四角形状に形成されている。壁部９６ｂは、平板部９６ａ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１３では、壁部９６ｂは、平板部９６ａの４辺の縁部分のうち、Ｘ軸方向における左右の縁部分に設けられている。下側の第１流路９６を構成する壁部９６ｂはＺ軸方向の上側に向けて突出し、上側の第１流路９６を構成する壁部９６ｂはＺ軸方向の下側に向けて突出している。第１流路９６の正面（Ｙ軸方向における左側の面）には、水素導入口９６ｃが設けられ、第１流路９６の背面（Ｙ軸方向における右側の面）には、水素回収口９６ｄが設けられている。水素導入口９６ｃは、水素循環ラインＬ１の分岐管１５（図１２参照）と接続する。水素回収口９６ｄは、非透過水素回収ラインＬ３の分岐管９８（図１２参照）と接続する。図１３では、上側の第１流路９６の背面に設けられている水素回収口９６ｄが、紙面奥側に隠れている。
【0123】
以上のように、第３実施形態に係る発熱装置９０は、発熱体５、第１流路９６、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た積層構造体９４を備えている。このため、第３実施形態に係る発熱装置９０によれば、上記第１及び第２実施形態に係る発熱装置１，１’と同様に、熱を効率良く発生することができるとともに、小型・コンパクト化を図ることができる。
【0124】
発熱装置９０は、閉ループを構成する水素循環ラインＬ１を水素系ガスが連続して循環するため、発熱体５の発熱に供する水素の補給が抑えられて経済的である。また、非透過水素回収ラインＬ３が水素循環ラインＬ１に接続されていることにより、透過水素を含む高温の透過ガスと非透過水素を含む高温の非透過ガスとを回収し、水素循環ラインＬ１を循環させて各発熱体５に水素を供給する水素系ガスとして再利用するため、各発熱体５の過冷却が抑制され、各発熱体５の発熱が維持または促進される。
【0125】
また、積層構造体９４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を挟んでこれの両側に配置された第２流路７を流れる高温の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。このため、発熱装置９０は、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。
【0126】
発熱装置９０は、発熱モジュールＭ２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Ｍ２全体が効率的に加熱される。このため、発熱装置９０によれば、発熱体５が効率良く適正温度に加熱され、発熱体５の加熱に伴う消費電力が低く抑えられる。
【0127】
４．第４実施形態
上記２実施形態では、第２流路７から透過ガスを回収しているが、第４実施形態では、第２流路に熱媒体を導入し、第２流路から透過ガス及び熱媒体を回収する。
上記２実施形態では、第２流路７から透過ガスを回収しているが、第４実施形態では、第２流路に熱媒体を導入し、第２流路から透過ガス及び熱媒体を回収する。
【0128】
図１４は第４実施形態に係る発熱装置１００の基本構成を示すブロック図である。発熱装置１００は、発熱モジュールＭ３と、温度調整部Ｔと、水素循環ラインＬ４と、制御部２と、密閉容器３とを備えている。上記第１及び第２実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0129】
発熱モジュールＭ３は、２つの積層構造体１０４と、１つの電気ヒータ９とを備えている。各積層構造体１０４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（透過水素）を含む透過ガスが流通する第２流路１０７と、第２流路１０７を流れる透過ガスとの間で熱交換を行う熱媒体が流通する第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１０７、発熱体５、及び第１流路６を順次対称的に積層して構成されている。発熱モジュールＭ３は、この例では四角柱状に形成されている。
【0130】
発熱モジュールＭ３は、２つの積層構造体１０４を上下方向に２段に重ねて構成されている。上側の積層構造体１０４の最下部の第１流路６と下側の積層構造体１０４の最上部の第１流路６とは相対面している。電気ヒータ９は、上下に重ねられた２つの積層構造体１０４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１０４の最下部の第１流路６と下側の積層構造体１０４の最上部の第１流路６との間に設けられている。
【0131】
第４実施形態では、熱媒体循環ラインＬ２は、第４配管３１ｄから６つの分岐管３１ｅが分岐している。６つの分岐管３１ｅのうち、２つの分岐管３１ｅは２つの第３流路８の各熱媒体回収口８ｄと接続し、４つの分岐管３１ｅは４つの第２流路１０７と接続している。このため、第４配管３１ｄを流れる熱媒体は、各分岐管３１ｅを介して第２流路１０７と第３流路８とに導入される。第２流路１０７に導入される熱媒体を「第１熱媒体」と言い、第３流路８に導入される熱媒体を「第２熱媒体」と言う。したがって、第４実施形態においては、第２流路１０７は、第１熱媒体が導入され、発熱体５を透過した透過水素を含む透過ガスとともに第１熱媒体が流通する。第３流路８は、第２流路１０７を流れる透過ガス及び第１熱媒体との間で熱交換を行う第２熱媒体が流通する。
【0132】
水素循環ラインＬ４は、導入配管１２と、回収配管１３と、循環ポンプ１４と、回収配管１３の途中に設けられた水素分離部１０８とを有している。水素分離部１０８は、第２流路１０７から分岐管１６を介して回収配管１３へ回収された透過ガスと第１熱媒体とを分離するためのものである。
【0133】
水素分離部１０８は、回収配管１３から分岐し、熱媒体循環ラインＬ２の第４配管３１ｄと接続する接続配管１０９と、回収配管１３と接続配管１０９との接続部に設けられた水素透過膜１１０と有している。接続配管１０９は、水素透過膜１１０を透過しない第１熱媒体を熱媒体循環ラインＬ２の第４配管３１ｄへ流入させる。水素透過膜１１０は、透過ガスを透過させる。
【0134】
積層構造体１０４は、第２流路１０７の構成が異なること以外は、上記第１及び第２実施形態の積層構造体４と同じ構成を有する。第２流路１０７の構成について以下に説明する。
【0135】
図１５は積層構造体１０４の分解斜視図である。図１５に示すように、第２流路１０７は、平板状に形成された平板部１０７ａと、平板部１０７ａに設けられた壁部１０７ｂとにより構成されている。平板部１０７ａ及び壁部１０７ｂは、例えばステンレス鋼で形成されている。平板部１０７ａは、平面視において四角形状に形成されている。壁部１０７ｂは、平板部１０７ａ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１５では、壁部１０７ｂは、平板部１０７ａの４辺の縁部分のうち、Ｘ軸方向における左右の縁部分に設けられている。下側の第２流路１０７を構成する壁部１０７ｂはＺ軸方向の下側に向けて突出し、上側の第２流路１０７を構成する壁部１０７ｂはＺ軸方向の上側に向けて突出している。第２流路１０７の正面（Ｙ軸方向における左側の面）には、熱媒体導入口１０７ｃが設けられ、第２流路１０７の背面（Ｙ軸方向における右側の面）には、水素及び熱媒体回収口１０７ｄが設けられている。熱媒体導入口１０７ｃは、熱媒体循環ラインＬ２の分岐管３１ｅ（図１２参照）と接続する。水素及び熱媒体回収口１０７ｄは、水素循環ラインＬ４の分岐管１６と接続する（図１４参照）。図１５では、下側の第２流路１０７の背面に設けられている水素及び熱媒体回収口１０７ｄが、紙面奥側に隠れている。
【0136】
以上のように、第４実施形態に係る発熱装置１００は、発熱体５、第１流路６、第２流路１０７、及び第３流路８が高密度に積層されて構成された積層構造体１０４を備えている。このため、第４実施形態に係る発熱装置１００によれば、上記第１実施形態に係る発熱装置１と同様に、熱を効率良く発生することができるとともに、小型・コンパクト化を図ることができる。
【0137】
発熱装置１００は、閉ループを構成する水素循環ラインＬ４を水素系ガスが連続して循環するため、発熱体５の発熱に供する水素の補給が抑えられて経済的である。
【0138】
また、積層構造体１０４においては、発熱体５が発生する熱は、第３流路８を流れる第２熱媒体と、第３流路８を挟んでこれの両側に配置された第２流路１０７を流れる高温の透過ガス及び高温の第１熱媒体との熱交換によって、第２熱媒体に効率良く与えられる。このため、発熱装置１００は、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。
【0139】
本発明は、以上説明した各実施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。
【0140】
上記各実施形態に係る発熱モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、四角柱状に形成されているが、発熱モジュールの形状はこれに限定されない。発熱モジュールは、例えば、四角柱状以外の多角柱状、円柱状、楕円柱状に形成しても良い。
【0141】
発熱モジュールは、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第２流路から透過ガスが流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なるように構成することが好ましい。これにより、第１流路、第２流路、及び第３流路と接続する配管同士を離して配置することができ、発熱モジュールに対する配管が容易化する。上記の各方向が互いに異なるように構成した発熱モジュールを以下に説明する。
【0142】
＜発熱モジュールの変形例１＞
図１６に示すように、発熱モジュールＭ４は、上記第１実施形態の発熱モジュールＭ１と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガスが第２流路から流出し、熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ４は、八角柱状に形成されており、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガスと、第２流路の透過ガスと、第３通路の熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ４は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第２流路から透過ガスが流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
図１６に示すように、発熱モジュールＭ４は、上記第１実施形態の発熱モジュールＭ１と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガスが第２流路から流出し、熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ４は、八角柱状に形成されており、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガスと、第２流路の透過ガスと、第３通路の熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ４は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第２流路から透過ガスが流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
【0143】
＜発熱モジュールの変形例２＞
図１７に示すように、発熱モジュールＭ５は、上記第３実施形態の発熱モジュールＭ２と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガスが第２流路から流出し、発熱体を透過しなかった非透過水素を含む非透過ガスが第１流路から流出し、熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ５は、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガス及び非透過ガスと、第２流路の透過ガスと、第３通路の熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ５は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第１流路から非透過ガスが流出する方向と、第２流路から透過ガスが流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
図１７に示すように、発熱モジュールＭ５は、上記第３実施形態の発熱モジュールＭ２と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガスが第２流路から流出し、発熱体を透過しなかった非透過水素を含む非透過ガスが第１流路から流出し、熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ５は、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガス及び非透過ガスと、第２流路の透過ガスと、第３通路の熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ５は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第１流路から非透過ガスが流出する方向と、第２流路から透過ガスが流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
【0144】
＜発熱モジュールの変形例３＞
図１８に示すように、発熱モジュールＭ６は、上記第４実施形態の発熱モジュールＭ３と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、第１熱媒体を第２流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガス及び第１熱媒体が第２流路から流出し、第２熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ６は、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガスと、第２流路の透過ガス及び第１熱媒体と、第３通路の第２熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ６は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第２流路に第１熱媒体を導入する方向と、第２流路から透過ガス及び第１熱媒体が流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
図１８に示すように、発熱モジュールＭ６は、上記第４実施形態の発熱モジュールＭ３と同様に、水素系ガスを第１流路に導入し、第１熱媒体を第２流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガス及び第１熱媒体が第２流路から流出し、第２熱媒体を第３流路に導入するように構成されている。発熱モジュールＭ６は、八角柱の相対向する一対の辺を１組として異なる３組の辺に直交する互いに異なる方向に、第１流路の水素系ガスと、第２流路の透過ガス及び第１熱媒体と、第３通路の第２熱媒体とが流れる。このように、発熱モジュールＭ６は、第１流路に水素系ガスを導入する方向と、第２流路に第１熱媒体を導入する方向と、第２流路から透過ガス及び第１熱媒体が流出する方向と、第３流路に熱媒体を導入する方向と、第３流路から熱媒体が流出する方向とが互いに異なる。
【0145】
図示しないが、発熱モジュールは、水素系ガスを第１流路に導入し、第１熱媒体を第２流路に導入し、発熱体を透過した透過水素を含む透過ガス及び第１熱媒体が第２流路から流出し、発熱体を透過しなかった非透過水素を含む非透過ガスが第１流路から流出し、第２熱媒体を第３流路に導入するように構成しても良い。
【符号の説明】
【0146】
１，１’，９０，１００ 発熱装置
４，９４，１０４ 積層構造体
５，６０，７０ 発熱体
５Ａ，６０Ａ，７０Ａ 支持体
５Ｂ，６０Ｂ，７０Ｂ 多層膜
５１，６１，７１ 第１層
５２，６２，７２ 第２層
６，９６ 第１流路
７，１０７ 第２流路
８ 第３流路
９ 電気ヒータ（加熱手段）
３０ 熱利用装置
６３，７３ 第３層
７４ 第４層
Ｌ１，Ｌ４ 水素循環ライン
Ｌ２ 熱媒体循環ライン
Ｌ３ 非透過水素回収ライン
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６ 発熱モジュール
Ｔ 温度調整部
４，９４，１０４ 積層構造体
５，６０，７０ 発熱体
５Ａ，６０Ａ，７０Ａ 支持体
５Ｂ，６０Ｂ，７０Ｂ 多層膜
５１，６１，７１ 第１層
５２，６２，７２ 第２層
６，９６ 第１流路
７，１０７ 第２流路
８ 第３流路
９ 電気ヒータ（加熱手段）
３０ 熱利用装置
６３，７３ 第３層
７４ 第４層
Ｌ１，Ｌ４ 水素循環ライン
Ｌ２ 熱媒体循環ライン
Ｌ３ 非透過水素回収ライン
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６ 発熱モジュール
Ｔ 温度調整部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】