特開 2022-172992 発熱セル、発熱装置及び熱利用システム

(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】P2022172992

(43)【公開日】2022-11-17

(54)【発明の名称】発熱セル、発熱装置及び熱利用システム

(51)【国際特許分類】

   F24V 30/00 20180101AFI20221110BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20221110BHJP

   F28F 9/02 20060101ALI20221110BHJP

   F28F 9/22 20060101ALI20221110BHJP

【ＦＩ】

F24V30/00 302

C01B3/00 B

F28F9/02 E

F28F9/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021079384

(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】佐藤 了紀

(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）】

3L065

4G140

【Ｆターム（参考）】

3L065DA14

4G140AA33

4G140AA34

(57)【要約】

【課題】耐久性が高くて安定して発熱することができる発熱セルと、小型・コンパクトでありながら高出力で耐久性の高い発熱装置及びこの発熱装置において発生した熱を効率良く回収してこれを有効に利用することができる熱利用システムを提供する。
【解決手段】筒状の支持体の内周面に、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜を形成して発熱セル１を構成する。また、密閉容器２１内において、複数の発熱セル１をセパレータ２２に貫通させ、これらの発熱セル１の軸方向両端を第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２に開口させるとともに、各発熱セル１を加熱するためのヒータ２を設けて発熱装置２０を構成する。さらに、発熱装置２０と、水素供給ラインと、水素回収ラインと、熱利用装置と、熱媒体供給ライン及び熱媒体回収ラインを含んで熱利用システムを構成する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筒状の支持体の内周面に、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜を形成して構成される発熱セル。

【請求項2】

請求項１に記載の発熱セルを複数備え、
密閉容器内を複数のセパレータによって軸方向に、第１空間と第２空間と第３空間とに区画し、
複数の前記発熱セルを前記セパレータに貫通させ、複数の前記発熱セルの軸方向両端を前記密閉容器内の軸方向両端の前記第１空間と前記第２空間にそれぞれ開口させるとともに、
前記各発熱セルを加熱するためのヒータを設けて構成される発熱装置。

【請求項3】

前記ヒータを加熱ワイヤーで構成し、前記加熱ワイヤーが前記発熱セルの内部に設けられた請求項２に記載の発熱装置。

【請求項4】

前記ヒータを加熱ワイヤーで構成し、前記加熱ワイヤーを前記発熱セルの前記支持体の外周に巻装した請求項３に記載の発熱装置。

【請求項5】

前記第３空間には、複数のバッフルプレートによって迷路状の流路が形成されている請求項２～４の何れか１項に記載の発熱装置。

【請求項6】

請求項２～５の何れか１項に記載の発熱装置と、
前記発熱装置の前記第１空間に水素を供給する水素供給ラインと、
前記発熱装置の前記第２空間から排出される水素を回収してこれを前記水素供給ラインへと戻す水素回収ラインと、
前記発熱装置において発生した熱を利用する熱利用装置と、
前記発熱装置の前記第３空間から排出される熱媒体を前記熱利用装置に供給する熱媒体供給ラインと、
前記熱利用装置から排出される熱媒体を回収してこれを前記発熱装置の前記第３空間へと戻す熱媒体回収ラインと、
を備える熱利用システム。

【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セルと、この発熱セルを複数備える発熱・熱交換一体式の発熱装置及びこの発熱装置において発生する熱を利用する熱利用システムに関する。

【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、前記発熱体を、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、水素透過膜または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、前記第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１７に示すように、発熱体１０５の両側に、発熱体１０５に水素を導入するための第１流路１０６と、発熱体１０５を透過した水素を受ける第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と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、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金によって構成された非常に薄い平板で構成されているため、図１８に示すように、この発熱体１０５が圧力の低い第２流路１０７側へ膨出するように円弧曲面状に撓み変形し、この撓み変形に伴って大きな応力が発生するために当該発熱体１０５の支持体から多層膜が剥がれる可能性があり、発熱体１０５の耐久性が低下するとともに、発熱体１０５が安定した発熱作用を行うことができないという問題がある。

【0009】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、耐久性が高くて安定して発熱することができる発熱セルと、小型・コンパクトでありながら高出力で耐久性の高い発熱装置及びこの発熱装置において発生した熱を効率良く回収してこれを有効に利用することができる熱利用システム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】

【0010】

上記目的を達成するため、本発明に係る発熱セルは、筒状の支持体の内周面に、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜を形成して構成される。

【0011】

また、本発明に係る発熱装置は、前記発熱セルを複数備え、密閉容器内を複数のセパレータによって軸方向に、第１空間と第２空間と第３空間とに区画し、複数の前記発熱セルを前記セパレータに貫通させ、複数の前記発熱セルの軸方向両端を前記密閉容器内の軸方向両端の前記第１空間と前記第２空間にそれぞれ開口させるとともに、前記各発熱セルを加熱するためのヒータを設けて構成される。

【0012】

さらに、本発明に係る熱利用システムは、前記発熱装置と、前記発熱装置の前記第１空間に水素を供給する水素供給ラインと、前記発熱装置の前記第２空間から排出される水素を回収してこれを前記水素供給ラインへと戻す水素回収ラインと、前記発熱装置において発生した熱を利用する熱利用装置と、前記発熱装置の前記第３空間から排出される熱媒体を前記熱利用装置に供給する熱媒体供給ラインと、記熱利用装置から排出される熱媒体を回収してこれを前記発熱装置の前記第３空間へと戻す熱媒体回収ラインと、を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る発熱セルは、剛性が高い筒状の支持体の内周面に多層膜を形成することによって構成されているため、これが外力を受けても容易に変形することがなく、支持体の内周面に形成された多層膜が剥がれることがない。このため、発熱セルが安定して発熱するとともに、その耐久性が高められる。

【0014】

また、本発明に係る発熱装置は、耐久性の高い複数の発熱セルを密閉容器内に集約して備えるため、小型・コンパクトでありながら、その発熱量が増えて高出力化が図られるとともに、その耐久性が高められる。また、複数の発熱セルによって加熱された水素と第３空間を流れる熱媒体との熱交換によって熱媒体が加熱されるため、複数の発熱セルが発生する熱が熱媒体によって効率良く回収される。つまり、当該発熱装置は、シェルアンドチューブ式の熱交換器を兼備する発熱・熱交換一体式のものとして機能する。

【0015】

さらに、本発明に係る熱利用システムによれば、シェルアンドチューブ式熱交換器としての機能を兼備する高出力の発熱装置において発生した熱が熱媒体によって効率良く回収されるため、この熱媒体が回収した熱を有効に利用して熱利用装置を駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る発熱セルの側断面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線拡大断面図である。

【図3】本発明に係る発熱セルの多層膜の構成を示す図２のＢ部拡大詳細図である。

【図4】本発明に係る発熱セルの多層膜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5】本発明に係る発熱セルの多層膜の変形例１を示す断面図である。

【図6】本発明に係る発熱セルの多層膜の変形例２を示す断面図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係る発熱装置の側断面図である。

【図8】図７のＣ－Ｃ断面図である。

【図9】１／チューブ充填比と抜熱量（発熱量）との関係を示す図である。

【図10】所定のチューブ充填比を得るためのチューブ本数とシェル内径との関係を示す図である。

【図11】１／チューブ充填比とＤi（シェル内径）／Ｌ（チューブ長さ）比との関係を示す図である。

【図12】Ｄi／Ｌ比とシェル側流体圧力損失との関係を示す図である。

【図13】１／チューブ充填比とバッフル抜け流れ／クロス流れ比との関係を示す図である。

【図14】本発明の第２実施形態に係る発熱装置の側断面図である。

【図15】本発明の第３実施形態に係る発熱装置の側断面図である。

【図16】本発明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17】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18】図１７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。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

［発熱セル］
本発明に係る発熱セルの構成を図１及び図２に基づいて以下に説明する。

【0019】

図１は本発明に係る発熱セルの側断面図、図２は図１のＡ－Ａ線拡大断面図であり、図示の発熱セル１は、多孔質金属焼結体、多孔質セラミックス焼結体または金属で構成された円筒状（丸パイプ状）の支持体１Ａの内周面に、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜１Ｂを形成して構成されている。ここで、支持体１Ａを構成する多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体には、水素の透過を許容する大きさの多数の孔が形成されている。そして、多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体の材質には、水素と多層膜１Ｂとの発熱反応を阻害しないものが使用される。具体的には、多孔質金属焼結体には、例えば、Ｔｉ、ＳＵＳ、Ｍｏなどが使用され、セラミックス焼結体には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯなどが使用される。また、支持体１Ａを構成する金属としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）が使用される。

【0020】

なお、本実施の形態では、支持体１Ａとして円筒状（丸パイプ状）のものを用いたが、多角筒状（角パイプ状）のものを使用しても良い。

【0021】

ところで、水素には、該水素の同位体を含む水素系ガスが含まれ、水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスの何れかが使用される。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。なお、以下の説明においては、水素系ガスを含むガスを「水素」と総称する。

【0022】

ここで、多層膜１Ｂの構成を図３に基づいて説明する。

【0023】

＜多層膜の構成＞
図３は図２のＢ部拡大詳細図であり、同図に示す支持体１Ａの内周面に形成される多層膜１Ｂは、本実施の形態では、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１１と、この第１層１１とは異なる水素吸蔵金属または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１２とを備えており、これらの第１層１１と第２層１２との間には異種物質界面１３が形成されている。図３に示す例では、多層膜１Ｂは、支持体１Ａの内周面に、各５つの第１層１１と第２層１２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１１と第２層１２の数は任意であって、図３に示す例とは異なり、支持体１Ａの内周面に複数の第２層１２と第１層１１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１Ｂは、第１層１１と第２層１２をそれぞれ少なくとも１層以上有し、第１層１１と第２層１２との間に形成される異種物質界面１３が１つ以上設けられていれば良い。

【0024】

ここで、第１層１１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１１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１１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。

【0025】

また、第２層１２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１２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１２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。

【0026】

そして、第１層１１と第２層１２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１２をセラミックスで構成する場合には、Ｎｉ－ＳｉＣの組み合わせが望ましい。

【0027】

ここで、発熱セル１の発熱（過剰熱の発生）のメカニズムを図４に基づいて説明する。

【0028】

図４は発熱セル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り、発熱セル１の多層膜１Ｂの第１層１１と第２層１２との間に形成された異種物質界面１３は、水素原子を透過させる。発熱セル１にその内周面側から水素が供給されると、面心立方構造を有する第１層１１と第２層１２、すなわち多層膜１Ｂが水素が吸蔵する。ここで、発熱セル１は、水素の供給が停止しても、多層膜１Ｂによって水素を吸蔵した状態を維持する。

【0029】

そして、発熱セル１の不図示のヒータによる加熱が開始されると、図４に示すように、第１層１１の金属格子中の水素原子が異種物質界面１３を透過して第２層１２の金属格子中に移動し、多層膜１Ｂに吸蔵されている水素が放出され、この水素は、多層膜１Ｂの内部をホッピングしながら量子拡散する。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）を水素原子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。このため、発熱セル１がヒータによって加熱されることによって、水素が異種物質界面１３を量子拡散によって透過し、或いは、水素が異種物質界面１３を拡散によって透過することによって、発熱セル１が発熱し、ヒータによる加熱量以上の熱量の熱が過剰熱として発生する。

【0030】

ところで、発熱セル１の多層膜を構成する第１層１１と第２層１２の厚さは、各々１０００ｎｍ未満であることが望ましい。第１層１１と第２層１２の各厚さが１０００ｎｍ未満であると、第１層１１と第２層１２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１１と第２層１２の各厚さが１０００ｎｍ以上である場合には、水素が多層膜１Ｂを透過しにくくなる。なお、第１層１１と第２層１２の各厚さは、５００ｎｍ未満であることが望ましい。このように第１層１１と第２層１２の各厚さが５００ｎｍ未満であると、これらの第１層１１と第２層１２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。

【0031】

＜発熱セルの製造方法＞
ここで、発熱セル１の製造方法の一例について説明する。

【0032】

発熱セル１は、円筒状（丸パイプ状）の支持体１Ａを準備し、この支持体１Ａをその軸中心回りに回転させながら、蒸着装置を用いて、第１層１１や第２層１２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の凝集や吸着によって支持体１Ａの内周面に、第１層１１と第２層１２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１１と第２層１２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１１と第２層１２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１３が形成される。

【0033】

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蒸着させる物理蒸着装置が用いられ、この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、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置が使用される。また、電気めっき法によって支持体１Ａの内周面に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させて第１層１１と第２層１２を交互に成膜しても良い。

【0034】

ここで、発熱セルの多層膜の構成の変形例１，２を図５と図６にそれぞれ示す。なお、図５、図６は変形例１，２に係る多層膜６０Ｂ，７０Ｂの層構造を示す断面図である。

【0035】

＜多層膜の層構造の変形例１＞
以上説明した本実施の形態では、図３に示すように、発熱セル１の多層膜１Ｂを、各５つの第１層１１と第２層１２を交互に積層することによって構成したが、図５に示す発熱セル６０においては、第１層６１と第２層６２に加えて第３層６３をさらに有している。ここで、第３層６３は、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、その厚さは、１０００ｎｍ未満であることが望ましい。

【0036】

図５に示す発熱セル６０においては、支持体６０Ａの内周面に、多層膜６０Ｂを構成する第１層６１、第２層６２、第１層６１、第３層６３がこの順に積層されている。この発熱セル６０においては、第１層６１と第２層６２との間に形成された異種物質界面６４と、第１層６１と第３層６３との間に形成された異種物質界面６５は、水素原子を透過させる。なお、第１層６１と第２層６２及び第３層６３は、支持体６０Ａの内周面に、第１層６１、第３層６３、第１層６１、第２層６２の順に積層されていても良い。すなわち、多層膜６０Ｂは、第２層６２と第３層６３との間に第１層６１を設けた積層構造とされている。なお、多層膜６０Ｂは、第３層６３を１つ以上有していれば良い。

【0037】

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、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、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。

【0038】

特に、第３層６３は、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかにより構成されることが望ましい。ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成された第３層６３を有する発熱セル６０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面６４，６５を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図られる。

【0039】

ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成された第３層６３は、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、水素原子を容易に透過させることができる。なお、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成された第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いても良い。なお、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。

【0040】

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－Ｙ_２Ｏ_３－Ｎｉ、Ｐｄ－ＴｉＣ－Ｎｉ、Ｐｄ－ＬａＢ_６－Ｎｉ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－Ｃｕ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－Ｃｒ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－Ｃｒ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－Ｍｇ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｍｇ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－Ｍｇ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｏ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－Ｃｏ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｏ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－Ｃｏ、Ｎｉ－ＣａＯ－ＳｉＣ、Ｎｉ－Ｙ_２Ｏ_３－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＴｉＣ－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－ＳｉＣの何れかであることが望ましい。

【0041】

＜多層膜の層構造の変形例２＞
本形態に係る発熱セル７０の多層膜７０Ｂは、図６に示すように、第１層７１と第２層７２及び第３層７３に加えて第４層７４をさらに有している。ここで、第４層７４は、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ており、その厚さは、１０００ｎｍ未満であることが望ましい。

【0042】

図６においては、支持体７０Ａの内周面に、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の内周面に、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２層７２との間に形成された異種物質界面７５と、第１層７１と第３層７３との間に形成された異種物質界面７６及び第１層７１と第４層７４との間に形成された異種物質界面７７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。

【0043】

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、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、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。

【0044】

特に、第４層７４は、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、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、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第４層７４を有する発熱セル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、当該発熱セル７０が発生する過剰熱の高出力化が図られる。また、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何れかによって構成される第４層７４の厚さは、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。

【0045】

また、ＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯの何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。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７７のみが形成される。

【0046】

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－Ｙ_２Ｏ_３－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ_６－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。

【0047】

以上のように、本実施の形態に係る図１に示す発熱セル１は、剛性が高い円筒状（丸パイプ状）の支持体１Ａの内周面に多層膜１Ｂを形成することによって構成されているため、外力を受けても容易に変形することがなく、支持体１Ａの内周面に形成された多層膜１Ｂが剥がれることがない。このため、発熱セル１が安定して発熱するとともに、その耐久性が高められる。

【0048】

なお、発熱セル１は、支持体１Ａと多層膜１Ｂとから構成されるものに限られず、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た台座を更に備えるものでも良い。台座を備える発熱セルは、例えば、支持体１Ａの内周面に台座を形成し、この台座の内周面に多層膜１Ｂを形成して構成することができる。多層膜１Ｂは、台座の内周面のみに形成する場合に限られず、台座の外周面のみ、すなわち支持体１Ａと台座との間に形成しても良い。また、多層膜１Ｂは、台座の内周面及び外周面の両面に形成しても良い。支持体１Ａに対し、複数の台座と多層膜１Ｂとを交互に積層しても良い。台座に使用され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。台座に使用される水素吸蔵合金としては、例えば、ＬａＮｉ_５、ＣａＣｕ_５、ＭｇＺｎ_２、ＺｒＮｉ_２、ＺｒＣｒ_２、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏ、Ｍｇ_２Ｎｉ、Ｍｇ_２Ｃｕなどが用いられる。台座に使用されるプロトン誘電体としては、例えば、ＢａＣｅＯ_３系（例えば、Ｂａ（Ｃｅ_０．９５Ｙ_０．０５）Ｏ_３－６）、ＳｒＣｅＯ_３系（例えば、Ｓｒ（Ｃｅ_０．９５Ｙ_０．０５）Ｏ_３－６）、ＣａＺｒＯ_３系（例えば、Ｃａ（Ｚｒ_０．９５Ｙ_０．０５）Ｏ_３ーα）、ＳｒＺｒＯ_３系（例えば、Ｓｒ（Ｚｒ_０．９Ｙ_０．１）Ｏ_３ーα）、βＡｌ_２Ｏ_３、βＧａ_２Ｏ_３などが用いられる。台座は、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１Ｂ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。

【0049】

［発熱装置］
次に、本発明に係る発熱装置について説明する。

【0050】

＜第１実施形態＞
図７は本発明の第１実施形態に係る発熱装置２０の側断面図、図８は図７のＣ－Ｃ線断面図であり、図示の発熱装置２０は、シェルアンドチューブ式の熱交換器の機能を兼備する発熱・熱交換一体式のものである。

【0051】

具体的には、発熱装置２０は、横方向（水平方向）に設置された中空円柱状の密閉容器（シェル）２１を備えており、この密閉容器２１内は、縦方向に配置された２枚のセパレータ（管板）２２によって軸方向（図７の左右方向）に３つの第１空間Ｓ１、第２空間Ｓ２及び第３空間Ｓ３に区画されている。すなわち、密閉容器２１内は、軸方向両端の第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２と、これらの第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２との間の第３空間Ｓ３とに区画されている。

【0052】

そして、密閉容器２１の上部には、第１空間Ｓ１に開口する水素供給口２１ａと第３空間Ｓ３に開口する熱媒体排出口２１ｂがそれぞれ開口しており、これらの水素供給口２１ａと熱媒体排出口２１ｂには、水素供給ノズル２３と熱媒体排出ノズル２４がそれぞれ接続されている。また、密閉容器２１の下部には、第２空間Ｓ２に開口する水素排出口２１ｃと第３空間Ｓ３に開口する熱媒体供給口２１ｄがそれぞれ開口しており、これらの水素排出口２１ｃと熱媒体供給口２１ｄには、水素排出ノズル２５と熱媒体供給ノズル２６がそれぞれ接続されている。ここで、水素排出ノズル２５には、開閉弁２７が設けられている。

【0053】

なお、以上の密閉容器２１、セパレータ２２、水素供給ノズル２３、熱媒体排出ノズル２４、水素排出ノズル２５及び熱媒体供給ノズル２６は、耐圧性と耐食性が高くて熱伝導率の低いステンレス（ＳＵＳ）などで構成されている。また、本実施の形態では、密閉容器２１の内部を３つの第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２及び第３空間Ｓ３とに区画したが、密閉容器２１の内部を４つ以上の空間に区画しても良い。

【0054】

ところで、密閉容器２１内には、図１に示す複数の前記発熱セル１が２つのセパレータ２２を貫通して水平且つ互いに平行に支持されており、これらの発熱セル１の軸方向両端は、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２にそれぞれ開口している。ここで、図８に示すように、複数の発熱セル１は、上下及び左右方向に等間隔で整然と配置されている。なお、本実施の形態においては、発熱セル１として、支持体１Ａがステンレス（ＳＵＳ）で構成されたものが使用されている。

【0055】

そして、各発熱セル１の内部の中心には、加熱手段であるヒータ２がそれぞれ設けられており、これらのヒータ２の両端は、支持部材である導電性を有するブースバー３，４によってそれぞれ支持されている。そして、一方（図７の左方）のブースバー３には、電気コード５を介して不図示の電源が電気的に接続されており、他方（図７の右方）のブースバー４から延びる電気コード６はアース（接地）されている。なお，本実施の形態では、ヒータ２は、電気抵抗の高いモリブデンやタングステンなどの加熱ワイヤーで構成されている。

【0056】

また、密閉容器２１内の第３空間Ｓ３には、複数のバッフルプレート２８によって迷路（ラビリンス）状の流路２９が形成されている。

【0057】

次に、以上のように構成された発熱装置２０の作用について説明する。

【0058】

まず、水素排出ノズル２５に設けられた開閉弁２７を開いた状態で、水素排出ノズル２５に接続された不図示の真空ポンプを駆動して密閉容器２１内を所定圧力まで減圧し、その後、開閉弁２７を閉じる。

【0059】

次に、水素供給ノズル２３から水素系ガスを密閉容器２１内に供給する。水素系ガスは、水素供給ノズル２３から密閉容器２１内の第１空間Ｓ１に導入され、この第１空間Ｓ１から各発熱セル１の内部を通過して第２空間Ｓ２へと流れ込むが、このように水素系ガスが各発熱セル１を通過する過程において、各発熱セル１の内周面に形成された多層膜１Ｂ（図１参照）に吸蔵される。このとき、多層膜１Ｂの内周面に水素分子が吸着する。そして、多層膜１Ｂの内周面に吸着した水素分子が２つの水素原子に解離し、解離した水素原子が多層膜１Ｂの内部に侵入し、この水素原子が異種物質界面１３（図３参照）を量子拡散によって透過し、或いは、水素原子が異種物質界面１３を拡散によって透過する。

【0060】

次に、水素排出ノズル２５に設けられた開閉弁２７を開いた状態で、水素排出ノズル２５に接続された不図示の真空ポンプを駆動して密閉容器２１内を真空排気し、不図示の電源から電気コード５及びブースバー３を経て各ヒータ２に電流を流すことによって、各ヒータ２が発熱して各発熱セル１が内周側から加熱される。すると、各発熱セル１の多層膜１Ｂに吸蔵されている水素が放出される。このとき、多層膜１Ｂの内部に侵入していた水素原子が多層膜１Ｂの内周面に戻って再結合し、水素分子として放出される。水素原子が多層膜１Ｂの内周面に戻る過程において、水素原子が異種物質界面１３（図３参照）を量子拡散によって透過し、或いは、水素原子が異種物質界面１３を拡散によって透過する。

【0061】

各発熱セル１は、水素を吸蔵する過程で異種物質界面１３を水素原子が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面１３を水素原子が拡散により透過して熱を発生し、また、水素を放出する過程で異種物質界面１３を水素原子が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面１３を水素原子が拡散により透過して熱を発生する。密閉容器２１に対して水素を間欠的に供給及び排出し、水素の吸蔵と放出によって発熱セル１を発熱させる方式をバッチ式という。バッチ式の発熱装置２０においては、密閉容器２１内への水素系ガスの供給と、密閉容器２１内の真空排気及び各発熱セル１の加熱とを繰り返し、各発熱セル１における水素の吸蔵と放出とを繰り返し行うようにしても良い。

【0062】

他方、密閉容器２１の第３空間Ｓ３には、熱媒体が熱媒体供給ノズル２６から供給され、この熱媒体は、第３空間Ｓ３に形成された迷路状の流路２９を流れる過程において、各発熱セル１から発生する熱によって加熱されて温度上昇する。つまり、熱媒体は、各発熱セル１を流れる過程で各発熱セル１との熱交換によって加熱され、各発熱セル１において発生した熱を効率良く回収する。このとき、熱媒体は、密閉容器２１内の第３空間Ｓ３に形成された迷路状の流路２９に沿って、方向を上下に交互に変えながら流れるため、該熱媒体と各発熱セル１との熱交換効率が高められる。このように密閉容器２１の第３空間Ｓ３を流れる熱媒体が各発熱セル１との熱交換によって加熱され、この熱媒体によって回収された熱が後述の熱利用システムに供される。なお、熱媒体としては、熱伝導率に優れかつ化学的に安定したものが好ましく、例えば、ヘリウムガスやアルゴンガスなどの希ガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素、水素化物を形成するガスなどが使用される。

【0063】

以上のように、本実施の形態に係る発熱装置２０は、耐久性の高い複数の発熱セル１を密閉容器２１内に集約して備えるため、その発熱量が増えて高出力化が図られるとともに、その耐久性が高められる。また、複数の発熱セル１と第３空間Ｓ３を流れる熱媒体との熱交換によって熱媒体が加熱されるため、複数の発熱セル１が発生する熱が熱媒体によって効率良く回収される。つまり、当該発熱装置２０は、シェルアンドチューブ式の熱交換器の機能を兼備する発熱・熱交換一体式のものとして構成されている。

【0064】

ここで、発熱装置２０の諸元（支持体１Ａ（以下、「チューブ」または「ステンレスチューブ」と称する）の外径と内径）を変化させた場合の抜熱量（発熱量）などの変化を図９～図１３に基づいて以下に説明する。なお、図９は１／チューブ充填比と抜熱量（発熱量）との関係を示す図、図１０は所定のチューブ充填比を得るためのチューブ本数とシェル内径との関係を示す図、図１１は１／チューブ充填比とＤi（シェル内径）／Ｌ（チューブ長さ）比との関係を示す図、図１２はＤi／Ｌ比とシェル側流体圧力損失(熱媒体の圧力損失)との関係を示す図、図１３は１／チューブ充填比とバッフル抜け流れ／クロス流れ比との関係を示す図である。

【0065】

ところで、発熱装置２０の各種諸元のうち、ステンレスチューブ（支持体１Ａ）の外径と内径を表１に示すように変化させた場合をそれぞれcase１、case２、case３として種々の検討を行った。具体的には、ステンレスチューブの外径と内径が２７．２ｍｍ、２３．２ｍｍである場合をcase１、３４ｍｍ、３０ｍｍである場合をcase２、４５ｍｍ、４１ｍｍである場合をcase３とし、何れのcaseにおいてもステンレスチューブの長さを１０００ｍｍ（一定）とした。

【0066】

【表1】

【0067】

また、チューブ充填比とＤｉ／Ｌ比は、チューブ外径をｄo、チューブ本数をＮt、シェル（密閉容器）内径をＤｉとすると、チューブ充填比は、次式にて求められる値である。
チューブ充填比＝総チューブ断面積／シェル内側断面積
＝Ｎt×ｄo^２／Ｄi^２ （１）

【0068】

発熱装置２０において、１／チューブ充填比に対する各case１，２，３における抜熱量（発熱量）（ｋＷ）の変化を図９に示す。各case１，２，３についてシェル側圧力損失が小さく、且つ、熱交換効率が高い望ましい領域は、１／チューブ充填比≦１．８の範囲である。なお、図９に示す抜熱量（発熱量）（ｋＷ）の算出に際しては、熱媒体（アルゴンガス）の流入温度を６５０℃、発熱素子温度（チューブ内温度）を８００℃とした。

【0069】

ここで、前記（１）式にて求められるチューブ充填比を所定の値に保つためのチューブ本数とシェル内径との関係を図１０に示す。図１０に示す結果は、チューブ（支持体１Ａ）の外径ｄoを一定（２７．２）ｍｍに設定した場合に、チューブ充填比が２．０になるためのシェル内径とチューブ本数との関係を示している。

【0070】

また、各ｃase１，２，３における１／チューブ充填比に対するＤi／Ｌ比の変化を図１１に、Ｄi／Ｌ比に対するシェル側流体圧力損失（熱媒体の圧力損失）の変化を図１２にそれぞれ示す。Ｄi／Ｌ比が０．４を超えると、つまり、シェル（密閉容器）２１内の短い区間に複数のバッフルプレート２８を配置すると、熱媒体の圧力損失が大きくなる傾向がある。このため、熱媒体の圧力損失を一定値以下に抑えるためには、Ｄi／Ｌ比を０．４以下に抑えるべきである。熱媒体の循環用に軸流ファンの使用を想定すると、熱媒体の圧力損失は、３０００Ｐａ（３０５ｍｍＨｇ）以下であることが望ましい。逆に、Ｄi／Ｌ比が０．１５以下になると、熱媒体の流動抵抗による配管の振動が懸念されるが、このような場合には、図７に示すように、密閉容器（シェル）２１内の熱媒体供給口２１ｄの近傍に突入防止板２８Ａを配置することによって問題を解決することができる。

【0071】

したがって、図９～図１２に示す結果を考慮すると、図１１に示す１／チューブ充填比が１．８以下で且つＤi／Ｌ比が０．４以下の範囲が望ましい範囲となる。

【0072】

ところで、１／チューブ充填比が１．８を超えると、シェル（密閉容器）２１内においてバッフルプレート２８とチューブ（支持体１Ａ）との径方向隙間を熱媒体が抜けて流れる（この流れを「バッフル抜け流れ」または「無効流れ」と称する）が、このバッフル抜け流れの流量がシェル２１内の迷路状の流路２９における熱媒体の有効流れ（以下、「クロス流れ」と称する）の流量の４０％を超えると、熱交換効率が著しく低下する。ここで、各case１，２，３における１／チューブ充填比に対するバッフル抜け流れ／クロス流れ比の関係を図１３に示す。

【0073】

したがって、高い熱交換効率を確保しつつ、熱媒体の圧力損失を３０００Ｐａ以下に抑えるためには、図１３に示す１／チューブ充填比が１．８以下で且つバッフル抜け流れ／クロス流れ比が０．４以下の範囲が望ましいこととなる。

【0074】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る発熱装置２０Ａを図１４に基づいて以下に説明する。

【0075】

図１４は本発明の第２実施形態に係る発熱装置２０Ａの側断面図であり、本図においては、図７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、それらについての再度の説明は省略する。

【0076】

本実施形態に係る発熱装置２０Ａの基本構成は前記第１実施形態に係る発熱装置２０のそれと同じであるが、ヒータ２を各発熱セル１の外周に螺旋状に巻装した点のみが異なっている。発熱装置２０Ａは、発熱装置２０と同様に、密閉容器２１に対して水素を間欠的に供給及び排出するバッチ式の発熱装置である。

【0077】

本実施形態に係る発熱装置２０Ａにおいては、各発熱セル１がヒータ２によって外周側から加熱されるが、その作用は前記実施形態１に係る発熱装置２０のそれと同じであり、発熱装置２０によって得られる前記効果と同様の効果が得られる。

【0078】

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る発熱装置２０Ｂを図１５に基づいて以下に説明する。

【0079】

図１５は本発明の第３実施形態に係る発熱装置２０Ｂの側断面図であり、本図においても、図７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、それらについての再度の説明は省略する。

【0080】

本実施形態に係る発熱装置２０Ｂは、発熱セル１として、支持体１Ａ（図１参照）が水素を透過させる多孔質金属焼結体または多孔質セラミックス焼結体で構成されたものを使用している点のみが前記第１実施形態に係る発熱装置２０とは異なっている。

【0081】

次に、発熱装置２０Ｂの作用について説明する。

【0082】

まず、水素排出ノズル２５に設けられた開閉弁２７を開いた状態で、水素排出ノズル２５に接続された不図示の真空ポンプを駆動して密閉容器２１内を所定圧力まで減圧する。次に、水素供給ノズル２３から水素系ガスを密閉容器２１の第１空間Ｓ１に供給し、熱媒体供給ノズル２６から熱媒体を密閉容器２１の第３空間Ｓ３に供給する。発熱装置２０Ｂにおいては、各発熱セル１の内部を水素系ガスが流れ、各発熱セル１の外部を熱媒体が流れることによって、各発熱セル１の内外に水素分圧の差が生じ、この水素分圧の差によって水素が各発熱セル１の多層膜１Ｂ（図３参照）を透過し、この水素の透過によって各発熱セル１が発熱する。具体的には、各発熱セル１の多層膜１Ｂの内周面に水素分子が吸着し、この水素分子が２つの水素原子に解離する。そして、解離した水素原子が多層膜１Ｂの内部に侵入（吸蔵）し、この水素原子が多層膜１Ｂの外周面（支持体１Ａと接する面）で再結合して水素分子として放出される。このように、水素原子が多層膜１Ｂの内周面から外周面へと移動する際に、この水素原子が異種物質界面１３（図３参照）を量子拡散によって透過し、或いは、水素原子が異種物質界面１３を拡散によって透過することによって各発熱セル１が発熱する。水素分圧の差を利用して水素を透過させることで発熱セル１を発熱させる方式を透過式という。透過式の発熱装置２０Ｂにおいては、水素が各発熱セル１を連続的に透過するので、過剰熱を効率的に発生させることができる。

【0083】

各発熱セル１を透過した高温の水素（透過水素）は、第３空間Ｓ３内へと流出し、熱媒体供給ノズル２６から第３空間Ｓ３へと供給されて該第３空間Ｓ３の迷路状の流路２９を流れる熱媒体との間で熱交換し、これらの水素と熱媒体との混合ガスは、熱媒体排出ノズル２４から密閉容器２１外へと排出される。また、各発熱セル１を透過しなかった水素（非透過水素）は、水素排出ノズル２５から密閉容器２１外へと排出される。

【0084】

本実施形態に係る発熱装置２０Ｂにおいても、前記第１実施形態に係る発熱装置２０と同様に、各発熱セル１がヒータ２によってそれぞれ内周側から加熱されるが、その作用は前記実施形態１に係る発熱装置２０のそれと同じであり、発熱装置２０にて得られる前記効果と同様の効果が得られる。なお、本実施形態においては、開閉弁２７を開いて非透過水素を排出しているが、水素の圧力差を発生させることを考えると、開閉弁２７を閉じておく方が良い場合もある。

【0085】

［熱利用システム］
次に、本発明に係る熱利用システムを図１６に基づいて以下に説明する。

【0086】

図１６は本発明に係る熱利用システムの構成を示すブロック図であり、図示の熱利用システム３０は、図７に示すバッチ式の発熱装置２０と、熱利用装置５０と、温度調整部Ｔと、水素供給ラインＬ１と、水素回収ラインＬ２と、熱媒体供給ラインＬ３及び熱媒体回収ラインＬ４を備えている。なお、本実施の形態においては、バッチ式の発熱装置２０を使用しているが、バッチ式の発熱装置２０Ａや透過式の発熱装置２０Ｂを使用しても良い。

【0087】

以下、温度調整部Ｔと、水素供給ラインＬ１と、水素回収ラインＬ２、熱媒体供給ラインＬ３及び熱媒体回収ラインＬ４についてそれぞれ説明する。

【0088】

（温度調整部）
温度調整部Ｔは、発熱装置２０に内蔵された発熱セル１の温度を調整して該発熱セル１を発熱に最適な温度（例えば、５０℃～１５００℃）に維持するものであって、各発熱セル１の内部に通された複数のヒータ２と、これらのヒータ２に電力を供給する電源３１と、ヒータ２の温度を検出する熱電対などの温度センサ３２と、該温度センサ３２によって検出された温度に基づいて電源３１の出力を制御する制御部３３を備えている。なお、制御部３３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。

【0089】

（水素供給ライン）
水素供給ラインＬ１は、低温の水素を供給配管３４を経て水素供給ノズル２３から密閉容器２１内の第１空間Ｓ１へと供給するものであって、供給配管３４は、循環ポンプ３５の吐出側から延びており、この供給配管３４の途中には、バッファタンク３６と電動式の圧力調整弁（減圧弁）３７及びフィルタ３８が設けられている。そして、循環ポンプ３５と圧力調整弁３７は、制御部３３に電気的に接続されており、これらの循環ポンプ３５と圧力調整弁３７は、制御部３３から出力される制御信号によってその動作が制御される。なお、循環ポンプ３５には、例えば、メタルベローズポンプが使用される。

【0090】

バッファタンク３６は、水素を一時的に貯留してこの水素の流量の変動を吸収するためのものである。また、圧力調整弁３７は、制御部３３からの制御信号を受信してその開度が調整されることによって、バッファタンク３６から発熱装置２０へと供給される水素の圧力を調整する機能を果たす。

【0091】

また、フィルタ３８は、水素に含まれる不純物を除去するためのものである。ここで、発熱セル１の多層膜１Ｂを透過する水素の量（水素透過量）は、発熱セル１の温度、発熱セル１の内外における圧力差、発熱セル１の内周面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、不純物が発熱セル１の内周面に付着して該発熱セル１の表面状態を悪化させることがある。発熱セル１の表面状態が悪化した場合には、該発熱セル１の多層膜１Ｂの内周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。発熱セル１の多層膜１Ｂの内周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。

【0092】

フィルタ３８が水素や熱媒体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、発熱セル１における水素透過量の減少が抑制される。

【0093】

（水素回収ライン）
水素回収ラインＬ２は、発熱装置２０の第１空間Ｓ１から各発熱セル１を通過して第２空間Ｓ２へと流れ込んだ水素を回収してこれを水素供給ラインＬ１へと戻すためのラインであって、密閉容器２１の水素排出ノズル２５から延びる回収配管３９は、循環ポンプ３５の吸入側に接続されている。

【0094】

（熱媒体供給ライン）
熱媒体供給ラインＬ３は、発熱装置２０の第３空間Ｓ３から排出される熱媒体を熱利用装置５０へと供給するラインであって、密閉容器２１の熱媒体排出ノズル２４から延びて熱利用装置５０の入口側に接続されている供給配管４０を備えている。そして、供給配管４０の途中には、循環ポンプ４１と流量制御弁４２が設けられている。なお、循環ポンプ４１には、メタルベローズポンプなどが用いられ、流量制御弁４２には、バリアブルリークバルブなどが用いられている。

【0095】

（熱媒体回収ライン）
熱媒体回収ラインＬ４は、熱利用装置５０に熱を供給した熱媒体を回収してこれを発熱装置２０の第３空間Ｓ３へと戻すラインであって、発熱装置２０において発生した熱を利用する熱利用装置５０の出口側から延びて密閉容器２１の熱媒体供給ノズル２６に接続される回収配管４３を備えている。

【0096】

なお、熱利用装置５０としては、例えば、熱エネルギを電気エネルギに変換する発電装置の他、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ＣＯ_２を吸収した吸収液の加熱、メタン製造装置におけるＣＯ_２とＨ_２を含む原料ガスの加熱などに供される加熱装置、ヒートポンプシステム、熱輸送システム、冷熱（冷凍）システムなどが挙げられる。

【0097】

（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３０の作用について説明する。

【0098】

制御部３３からの制御信号によって循環ポンプ３５が駆動されると、該循環ポンプ３５から吐出される水素は、供給ラインＬ１の供給配管３４を経て水素供給ノズル２３から発熱装置２０の第１空間Ｓ１内に導入される。なお、水素は、供給配管３４を流れる過程においてバッファタンク３６によって圧力変動が抑制されるとともに、圧力調整弁３７によって所定値に減圧される。

【0099】

また、発熱装置２０に設けられた複数のヒータ２は、電源３１から供給される電力によって発熱し、各発熱セル１を内周側から所定温度（例えば、５０℃～１５００℃）に加熱する。なお、前述のように発熱セル１の温度は、温度調整部Ｔによって所定温度となるよう調整される。具体的には、温度センサ３２によって検出される温度に基づいて電源３１の出力が制御部３３によって制御されることによって各発熱セル１の温度が適正な値に調整される。

【0100】

上述のように、バッチ式の発熱装置２０では、各発熱セル１が水素の吸蔵と放出とを行うことにより過剰熱を発生する。この発熱セル１が発熱するメカニズムについては前述したが（図４参照）、水素供給ノズル２３から水素系ガスを密閉容器２１内に供給することにより、各発熱セル１の多層膜１Ｂの内周面においては、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、多層膜１Ｂの内部に侵入する。水素原子は、異種物質界面１３（図３参照）を量子拡散によって透過し、或いは、異種物質界面１３を拡散によって透過する。すなわち、発熱セル１に水素が吸蔵される。そして、水素排出ノズル２５に設けられた開閉弁２７を開いた状態で、水素排出ノズル２５に接続された不図示の真空ポンプを駆動して密閉容器２１内を真空排気し、各ヒータ２により各発熱セル１を加熱することにより、多層膜１Ｂの内部に侵入していた水素原子が多層膜１Ｂの内周面に戻って再結合し、水素分子となって放出される。すなわち、発熱セル１から水素が放出される。水素原子が多層膜１Ｂの内周面に戻る過程において、水素原子が異種物質界面１３（図３参照）を量子拡散によって透過し、或いは、水素原子が異種物質界面１３を拡散によって透過する。したがって、発熱セル１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。

【0101】

上述のように、発熱装置２０において吸蔵と放出によって各発熱セル１の発熱に供された水素は、密閉容器２１内の第２空間Ｓ２へと流れ込み、この第２空間Ｓ２から水素回収ラインＬ２の回収配管３９を経て循環ポンプ３５の吸入側へと戻され、該循環ポンプ３５によって所定の圧力に昇圧された後、水素供給ラインＬ１の供給配管３４へと送り出され、以後、同様の経路を経て循環し、複数の発熱セル１の発熱と熱媒体との熱交換に供される。

【0102】

他方、熱媒体供給ラインＬ３の供給配管４０に設けられた循環ポンプ４１が駆動されると、熱媒体は、供給配管４０、熱利用装置５０、回収配管４３及び発熱装置２０の第３空間Ｓ３に形成された迷路状の流路２９によって形成される閉ループを連続的に循環する。つまり、回収配管４３を経て熱媒体供給ノズル２６から密閉容器２１の第３空間Ｓ３に導入された熱媒体は、第３空間Ｓ３の迷路状の流路２９を流れる過程で複数の発熱セル１との熱交換によって加熱され、複数の発熱セル１において発生した熱を効率良く回収する。

【0103】

上述のように複数の発熱セル１において発生した熱を回収した熱媒体は、熱媒体排出ノズル２４から供給配管４０へと排出され、供給配管４０に設けられた循環ポンプ４１と流量制御弁４２を経て熱利用装置５０へと供給され、回収した熱を熱利用装置５０に供給する。すると、熱利用装置５０は、熱媒体から供給される熱を熱源として駆動されて発電などの所要の仕事を行う。そして、熱利用装置５０の駆動に供されて温度の下がった熱媒体は、熱利用装置５０から回収配管４３へと排出され、回収配管４３を経て熱媒体供給ノズル２６から発熱装置２０の第３空間Ｓ３へと導入され、以後、同様の作用を繰り返し、複数の発熱セル１において発生した熱を回収して熱利用装置５０へと供給し続ける。

【0104】

また、発熱装置２０において吸蔵と放出によって発熱セル１の発熱に供された水素は、密閉容器２１の第２空間Ｓ２から排出され、水素回収ラインＬ２を経て水素供給ラインＬ１へと戻され、再び密閉容器２１の第１空間Ｓ１へと供給されて発熱セル１の発熱と該発熱セル１において発生した熱の熱媒体との熱交換に供され、以後、同様の作用が繰り返される。

【0105】

以上のように作用する本発明に係る熱利用システム３０によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器としての機能を兼備する高出力の発熱装置２０において発生した熱が熱媒体によって効率良く回収されるため、この熱媒体が回収した熱を有効に利用して熱利用装置５０を駆動することができるという効果が得られる。

【0106】

なお、以上は図７に示す第１実施形態に係るバッチ式の発熱装置２０を備える熱利用システム３０について説明したが、第２実施形態に係る図１４に示すバッチ式の発熱装置２０Ａや第３実施形態に係る図１５に示す透過式の発熱装置２０Ｂを含んで本発明に係る熱利用システムを構成しても、前記と同様の効果が得られる。

【0107】

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】

【0108】

１，６０，７０ 発熱セル
１Ａ，６０Ａ，７０Ａ 支持体
１Ｂ，６０Ｂ，７０Ｂ 多層膜
２ ヒータ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 発熱装置
２１ 密閉容器
２２ セパレータ
２８ バッフルプレート
２９ 流路
３０ 熱利用システム
５０ 熱利用装置
Ｌ１ 水素供給ライン
Ｌ２ 水素回収ライン
Ｌ３ 熱媒体供給ライン
Ｌ４ 熱媒体回収ライン
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間
Ｓ３ 第３空間

【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】