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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】P2022172990
(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 3/08 20060101ALI20221110BHJP
F28F 3/04 20060101ALI20221110BHJP
F28F 23/00 20060101ALI20221110BHJP
F25B 17/12 20060101ALI20221110BHJP
【ＦＩ】
F24V30/00 302
F28D20/00 H
F28F3/08 301Z
F28F3/04 A
F28F23/00 B
F25B17/12 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021079382
(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
3L093RR01
(57)【要約】
【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図５
【解決手段】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。
【選択図】図５
【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。
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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）。
【0003】
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）。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【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】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】本発明に係る発熱装置の電気ヒータの平面図である。
【図8】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。
【図9】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。
【図10】発熱体の構成の変形例１を示す断面図である。
【図11】発熱体の構成の変形例２を示す断面図である。
【図12】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。
【図13】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。
【図14】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。
【図15】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
［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。
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
【0029】
【0030】
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。
【0031】
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）。
【0032】
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）。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
＜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。
次に、発熱体５の構成を図８に基づいて以下に説明する。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
＜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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
＜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。
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
＜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。
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
（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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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）。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
（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。
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。
【0091】
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。
【0092】
【表1】
【0093】
【表2】
【0094】
【表3】
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
ａ＜０．８６６ｔ｛（１７７－０．１８３Ｔ）／（０．２８７ｐ）｝０．５
を満足することが望ましい。
【0108】
［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。
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。
【0109】
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。
【0110】
（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。
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。
【0111】
（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。
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。
【0112】
（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。
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。
【0113】
（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。
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。
【0114】
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。
【0115】
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。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
（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。
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。
【0120】
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。
【0121】
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。
【0122】
（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。
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。
【0123】
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。
【0124】
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。
【0125】
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。
【0126】
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。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
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。
【0132】
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。
【符号の説明】
【0133】
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
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
【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】