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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】P2023035265
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】水素加熱装置および水素加熱方法
(51)【国際特許分類】
C01B 3/00 20060101AFI20230306BHJP
C22C 19/00 20060101ALN20230306BHJP
【ＦＩ】
C01B3/00 B
C22C19/00 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021141968
(22)【出願日】2021-08-31
(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】遠藤 美登
(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）】
4G140
【Ｆターム（参考）】
4G140AA42
4G140AA44
4G140AA45
4G140AA46
(57)【要約】
【課題】安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して、加熱した水素系ガスを供給することができる新規な水素加熱装置および水素加熱方法を提供する。
【解決手段】水素加熱装置１１は、水素系ガスが導入される密閉容器１５と、密閉容器１５の内部に設けられ、かつ、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４と、発熱体１４の温度を調節する温度調節部と、を備え、発熱体１４は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体６１と、支持体６１に支持された多層膜６２とでなる複数の積層体１４ａを有し、多層膜６２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、発熱体１４による加熱によって水素系ガスが所定の温度になるように積層体１４ａの積層数が設定されている。
【選択図】図５
【解決手段】水素加熱装置１１は、水素系ガスが導入される密閉容器１５と、密閉容器１５の内部に設けられ、かつ、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４と、発熱体１４の温度を調節する温度調節部と、を備え、発熱体１４は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体６１と、支持体６１に支持された多層膜６２とでなる複数の積層体１４ａを有し、多層膜６２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、発熱体１４による加熱によって水素系ガスが所定の温度になるように積層体１４ａの積層数が設定されている。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素を含む水素系ガスを加熱する水素加熱装置であって、
前記水素系ガスが導入される密閉容器と、
前記密閉容器の内部に設けられ、かつ、前記水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、
前記発熱体の温度を調節する温度調節部と、
を備え、
前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、
前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている、
水素加熱装置。
前記水素系ガスが導入される密閉容器と、
前記密閉容器の内部に設けられ、かつ、前記水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、
前記発熱体の温度を調節する温度調節部と、
を備え、
前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、
前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている、
水素加熱装置。
【請求項2】
前記密閉容器は、前記発熱体により第１室および第２室に仕切られ、
前記第１室と前記第２室とは、前記水素の圧力が異なっており、前記第１室と前記第２室との前記水素の圧力の差を利用して、前記水素を前記発熱体に透過させる、
請求項１に記載の水素加熱装置。
前記第１室と前記第２室とは、前記水素の圧力が異なっており、前記第１室と前記第２室との前記水素の圧力の差を利用して、前記水素を前記発熱体に透過させる、
請求項１に記載の水素加熱装置。
【請求項3】
前記発熱体は、有底筒状に形成されており、
前記第１室は、前記発熱体の内面により形成されており、
前記第２室は、前記発熱体の外面と前記密閉容器の内面とにより形成されている、
請求項２に記載の水素加熱装置。
前記第１室は、前記発熱体の内面により形成されており、
前記第２室は、前記発熱体の外面と前記密閉容器の内面とにより形成されている、
請求項２に記載の水素加熱装置。
【請求項4】
前記第１室は、前記水素系ガスが導入される導入口を有し、
前記第２室は、前記水素系ガスが導出される導出口を有し、
前記第１室の前記水素の圧力は、前記第２室の前記水素の圧力よりも高くされている、
請求項２または３に記載の水素加熱装置。
前記第２室は、前記水素系ガスが導出される導出口を有し、
前記第１室の前記水素の圧力は、前記第２室の前記水素の圧力よりも高くされている、
請求項２または３に記載の水素加熱装置。
【請求項5】
前記第１室と水素タンクとを接続し、前記導入口から前記第１室に導入された前記水素系ガスのうち前記発熱体を透過しなかった非透過ガスを回収して前記水素タンクへ戻す非透過ガス回収ラインを備える、
請求項４に記載の水素加熱装置。
請求項４に記載の水素加熱装置。
【請求項6】
前記非透過ガス回収ラインは、前記温度調節部に設けた温度センサが検出した前記発熱体の温度に基づいて前記非透過ガスの流量の制御を行う非透過ガス流量制御部を有する、
請求項５に記載の水素加熱装置。
請求項５に記載の水素加熱装置。
【請求項7】
前記導入口と前記発熱体との間に設けられ、前記導入口から前記密閉容器の内部に導入される前記水素系ガスを前記発熱体に噴射するノズル部を備える、
請求項４～６のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
請求項４～６のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
【請求項8】
前記発熱体は、有底筒状に形成されており、
前記ノズル部は、前記発熱体の軸方向に配列された複数の噴射口を有し、前記複数の噴射口から前記発熱体の内面全域に前記水素系ガスを噴射する、
請求項７に記載の水素加熱装置。
前記ノズル部は、前記発熱体の軸方向に配列された複数の噴射口を有し、前記複数の噴射口から前記発熱体の内面全域に前記水素系ガスを噴射する、
請求項７に記載の水素加熱装置。
【請求項9】
前記発熱体は、板状に形成されており、
前記ノズル部は、前記発熱体の一方の面全域に前記水素系ガスを噴射する、
請求項７に記載の水素加熱装置。
前記ノズル部は、前記発熱体の一方の面全域に前記水素系ガスを噴射する、
請求項７に記載の水素加熱装置。
【請求項10】
前記発熱体は、両端が開口した筒状に形成されており、一端が前記導入口と接続し、他端が前記非透過ガス回収ラインと接続する、
請求項５または６に記載の水素加熱装置。
請求項５または６に記載の水素加熱装置。
【請求項11】
水素タンクに貯留された前記水素系ガスを前記密閉容器へ導入する導入ラインを有し、
前記温度調節部は、前記導入ラインに設けられたヒータによって、前記導入ラインを流通する前記水素系ガスを加熱することにより、前記発熱体を加熱する、
請求項１～１０のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
前記温度調節部は、前記導入ラインに設けられたヒータによって、前記導入ラインを流通する前記水素系ガスを加熱することにより、前記発熱体を加熱する、
請求項１～１０のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
【請求項12】
前記第１室に設けられており、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され前記水素の吸蔵および放出を行う第１の水素吸蔵放出部と、
前記第２室に設けられており、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され前記水素の吸蔵および放出を行う第２の水素吸蔵放出部と、
前記第１室の前記水素の圧力を前記第２室の前記水素の圧力よりも高くする第１のモードと、前記第２室の前記水素の圧力を前記第１室の前記水素の圧力よりも高くする第２のモードとを切り替える制御を行う水素圧力制御部とを備える、
請求項２に記載の水素加熱装置。
前記第２室に設けられており、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され前記水素の吸蔵および放出を行う第２の水素吸蔵放出部と、
前記第１室の前記水素の圧力を前記第２室の前記水素の圧力よりも高くする第１のモードと、前記第２室の前記水素の圧力を前記第１室の前記水素の圧力よりも高くする第２のモードとを切り替える制御を行う水素圧力制御部とを備える、
請求項２に記載の水素加熱装置。
【請求項13】
前記水素圧力制御部は、
前記第１のモードでは、前記第１の水素吸蔵放出部を加熱し、かつ、前記第２の水素吸蔵放出部を冷却し、
前記第２のモードでは、前記第２の水素吸蔵放出部を加熱し、かつ、前記第１の水素吸蔵放出部を冷却する、
請求項１２に記載の水素加熱装置。
前記第１のモードでは、前記第１の水素吸蔵放出部を加熱し、かつ、前記第２の水素吸蔵放出部を冷却し、
前記第２のモードでは、前記第２の水素吸蔵放出部を加熱し、かつ、前記第１の水素吸蔵放出部を冷却する、
請求項１２に記載の水素加熱装置。
【請求項14】
前記密閉容器は、前記発熱体を複数収容し、
複数の前記発熱体は、板状に形成されており、面同士が対面するように互いに隙間を設けて配列され、
前記第１室および前記第２室は、前記密閉容器の内部に複数設けられ、複数の前記発熱体の配列方向に交互に配置されている、
請求項２に記載の水素加熱装置。
複数の前記発熱体は、板状に形成されており、面同士が対面するように互いに隙間を設けて配列され、
前記第１室および前記第２室は、前記密閉容器の内部に複数設けられ、複数の前記発熱体の配列方向に交互に配置されている、
請求項２に記載の水素加熱装置。
【請求項15】
前記第１層は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうちいずれかにより形成され、
前記第２層は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうちいずれかにより形成される、
請求項１～１４のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
前記第２層は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうちいずれかにより形成される、
請求項１～１４のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
【請求項16】
前記多層膜は、前記第１層および前記第２層に加え、前記第１層および前記第２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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第３層を有する
請求項１～１５のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
請求項１～１５のいずれか１項に記載の水素加熱装置。
【請求項17】
前記第３層は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される、
請求項１６に記載の水素加熱装置。
請求項１６に記載の水素加熱装置。
【請求項18】
前記多層膜は、前記第１層、前記第２層および前記第３層に加え、前記第１層、前記第２層および前記第３層とは異なる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第４層を有する、
請求項１６または１７に記載の水素加熱装置。
請求項１６または１７に記載の水素加熱装置。
【請求項19】
前記第４層は、Ni、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される、
請求項１８に記載の水素加熱装置。
請求項１８に記載の水素加熱装置。
【請求項20】
水素を含む水素系ガスを加熱する水素加熱方法であって、
前記水素系ガスが密閉容器に導入される導入工程と、
前記密閉容器の内部に設けられた発熱体の温度を温度調節部により調節する温度調節工程と、
前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とにより前記発熱体から熱が発生する熱発生工程と、
を含み、
前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、
前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている、
水素加熱方法。
前記水素系ガスが密閉容器に導入される導入工程と、
前記密閉容器の内部に設けられた発熱体の温度を温度調節部により調節する温度調節工程と、
前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とにより前記発熱体から熱が発生する熱発生工程と、
を含み、
前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、
前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている、
水素加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素加熱装置および水素加熱方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、高炉を用いた鉄鋼の製造において還元剤としてコークスの代わりに加熱した水素を利用したり（例えば、特許文献１参照）、或いは、加熱した水素を熱伝導媒体として暖房装置などに利用したりするなど、高温に加熱した水素を有効活用することが注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－１７２０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、水素を加熱する際の熱エネルギー源の主流は依然として火力発電や原子力発電である。したがって、環境問題やエネルギー問題の観点から、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して水素系ガスを加熱する、従来にない新規な水素加熱装置および水素加熱方法の開発が望まれている。
【0005】
そこで、本発明は、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して、加熱した水素系ガスを供給することができる新規な水素加熱装置および水素加熱方法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】
【0006】
本発明に係る水素加熱装置は、水素を含む水素系ガスを加熱する水素加熱装置であって、前記水素系ガスが導入される密閉容器と、前記密閉容器の内部に設けられ、かつ、前記水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、前記発熱体の温度を調節する温度調節部と、を備え、前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている。
【0007】
本発明に係る水素加熱方法は、水素を含む水素系ガスを加熱する水素加熱方法であって、前記水素系ガスが密閉容器に導入される導入工程と、前記密閉容器の内部に設けられた発熱体の温度を温度調節部により調節する温度調節工程と、前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とにより前記発熱体から熱が発生する熱発生工程と、を含み、前記発熱体は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成された支持体と、前記支持体に支持された多層膜と、でなる複数の積層体を有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有しており、前記発熱体による加熱によって前記水素系ガスが所定の温度になるように前記積層体の積層数が設定されている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を用いて水素系ガスを加熱するので、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して、加熱した水素系ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１実施形態の水素加熱装置の概略図である。
【図2】発熱体の構造を示す断面図である。
【図3】第１層と第２層とを有する積層体の構造を示す断面図である。
【図4】過剰熱の発生を説明するための説明図である。
【図5】（Ａ）は、水素加熱装置の作用を説明するための説明図であり、（Ｂ）は、両面に多層膜を有する第１変形例の発熱体を説明するための説明図である。
【図6】第１層と第２層と第３層とを有する第２変形例の発熱体を説明するための説明図である。
【図7】第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第３変形例の発熱体を説明するための説明図である。
【図8】多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係を示すグラフである。
【図9】多層膜の積層数と過剰熱の関係を示すグラフである。
【図10】多層膜の材料と過剰熱の関係を示すグラフである。
【図11】有底筒状に形成された発熱体の断面図である。
【図12】第４変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図13】柱状に形成された支持体を有する発熱体の断面図である。
【図14】第５変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図15】第６変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図16】第７変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図17】複数の噴射口を有するノズル部を説明するための説明図である。
【図18】両端が開口した筒状の発熱体の断面図である。
【図19】第８変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図20】第９変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図21】水素圧力制御部の第１のモードを説明するための説明図である。
【図22】水素圧力制御部の第２のモードを説明するための説明図である。
【図23】第１０変形例の水素加熱装置の概略図である。
【図24】第１０変形例における水素加熱装置の作用を説明するための説明図である。
【図25】第１１変形例の水素加熱装置の断面図である。
【図26】参照実験における水素透過量と水素供給圧力とサンプル温度との関係を示すグラフである。
【図27】参照実験におけるサンプル温度と入力電力の関係を示したグラフである。
【図28】実験例２６における発熱体温度と過剰熱の関係を示すグラフである。
【図29】実験例２７における発熱体温度と過剰熱の関係を示すグラフである。
【図30】第２実施形態の水素加熱装置の概略図である。
【図31】第３実施形態の水素加熱装置の概略図である。
【図32】発熱構造体の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
［第１実施形態］
図１に示すように、水素利用システム１０は、水素加熱装置１１と水素利用装置１２とを備える。水素利用システム１０は、水素加熱装置１１の発熱体１４で発生する熱により、水素を含む水素系ガスを加熱し、加熱された水素系ガスを、種々の水素利用装置１２で利用するものである。
図１に示すように、水素利用システム１０は、水素加熱装置１１と水素利用装置１２とを備える。水素利用システム１０は、水素加熱装置１１の発熱体１４で発生する熱により、水素を含む水素系ガスを加熱し、加熱された水素系ガスを、種々の水素利用装置１２で利用するものである。
【0011】
例えば、水素利用装置１２としては、特に限定されるものではなく、熱交換機や、動力ユニット、熱電素子など、加熱した水素系ガスを利用する装置であれば種々の水素利用装置を適用することができる。すなわち、水素利用装置１２は、例えば、空調、ボイラーや燃焼炉の空気予熱、乾燥や加熱用熱風の生成、ボイラーの熱源、油加熱、化学反応槽、二重管式ロータリー加熱機、二重管内にて粒子状物質の加熱などに、加熱した水素系ガスを用いる装置であってもよいし、加熱した水素系ガスを用いたスターリングエンジンや、ＯＲＣＳ（Organic Rankine Cycle System）などであってもよい。
【0012】
水素加熱装置１１は、発熱体１４と、密閉容器１５と、温度調節部１６と、導入ライン２９および導出ライン３０を有する水素流通ライン１７と、制御部１８とを備える。発熱体１４は、密閉容器１５に収容されており、後述する温度調節部１６のヒータ１６ｂにより加熱される。発熱体１４は、水素の吸蔵と放出とにより、ヒータ１６ｂの加熱温度以上の熱（以下、過剰熱と称する）を発生する。発熱体１４は、過剰熱を発生することによって、透過する水素系ガスを例えば５０℃以上１０００℃以下の範囲内の温度に加熱する。発熱体１４は、この例では表面および裏面を有する板状に形成されている。発熱体１４の詳細な構成については別の図面を用いて後述するが、水素系ガスが所定の温度になるように発熱体１４の積層体（後述する）の積層数が予め調整されている。
【0013】
密閉容器１５は、中空の容器であり、内部に発熱体１４を収容する。密閉容器１５は、例えばステンレスなどで形成される。密閉容器１５は、この例では、発熱体１４の表面または裏面と直交する方向と平行な長手方向を有する形状とされている。密閉容器１５の内部には、発熱体１４を設置するための設置部２０が設けられている。
【0014】
密閉容器１５は、発熱体１４により仕切られた第１室２１および第２室２２を内部に有する。第１室２１は、発熱体１４の一方の面である表面と密閉容器１５の内面とにより形成されている。第１室２１は、水素流通ライン１７の導入ライン２９と接続する導入口２３を有する。第１室２１には、導入口２３を介して、水素流通ライン１７を流通する水素系ガスが導入される。第２室２２は、発熱体１４の他方の面である裏面と密閉容器１５の内面とにより形成されている。第２室２２は、水素流通ライン１７の導出ライン３０と接続する導出口２４を有する。第２室２２の水素系ガスは、導出口２４に接続された導出ライン３０を介して第２室２２から水素利用装置１２に排出される。
【0015】
第１室２１は、水素系ガスの導入により昇圧される。第２室２２は、水素系ガスの導出により減圧される。これにより、第１室２１の水素の圧力は、第２室２２の水素の圧力よりも高くされる。第１室２１の水素の圧力は、例えば１００［ｋＰａ］とされる。第２室２２の水素の圧力は、例えば１×１０－４［Ｐａ］以下とされる。第２室２２は真空状態としてもよい。このように、第１室２１と第２室２２とは、水素の圧力が異なっている。このため、密閉容器１５の内部は、発熱体１４の両側に圧力差が生じた状態とされている。
【0016】
発熱体１４の両側に圧力差が生じると、発熱体１４のうち高圧側に配された一方の面（表面）では、水素系ガスに含まれる水素分子が吸着し、その水素分子が２つの水素原子に解離する。解離した水素原子は、発熱体１４の内部へ浸入する。すなわち、発熱体１４に水素が吸蔵される。水素原子は、発熱体１４の内部を拡散して通過する。発熱体１４のうち低圧側に配された他方の面（裏面）では、発熱体１４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１４から水素が放出される。
【0017】
このように、発熱体１４は、高圧側から低圧側へ水素を透過させる。「透過」とは、発熱体の一方の面に水素が吸蔵され、発熱体の他方の面から水素が放出されることをいう。発熱体１４は、詳しくは後述するが、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。したがって、発熱体１４は、水素が透過することにより熱を発生する。なお、以降の説明において、発熱体について「水素が透過する」ことを「水素系ガスが透過する」と記載する場合がある。
【0018】
第１室２１の内部には、当該第１室２１の内部の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が設けられている。第２室２２の内部には、当該第２室２２の内部の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が設けられている。第１室２１と第２室２２に設けられた各圧力センサは、制御部１８と電気的に接続しており、検出した圧力に対応する信号を制御部１８に出力する。
【0019】
温度調節部１６は、発熱体１４の温度を調節し、発熱体１４の温度を発熱に適正な温度に維持する。発熱体１４において発熱に適正な温度は、例えば５０℃以上１０００℃以下の範囲内である。温度調節部１６は、温度センサ１６ａとヒータ１６ｂとを有する。温度センサ１６ａは、発熱体１４の温度を検出する。温度センサ１６ａは、例えば熱電対であり、密閉容器１５の設置部２０に設けられている。温度センサ１６ａは、制御部１８と電気的に接続しており、検出した温度に対応する信号を制御部１８に出力する。
【0020】
ヒータ１６ｂは、発熱体１４を加熱する。ヒータ１６ｂは、例えば電気抵抗発熱式の電熱線であり、密閉容器１５の外周に巻き付けられている。ヒータ１６ｂは、電源２６と電気的に接続しており、電源２６から電力が入力されることにより発熱する。ヒータ１６ｂは密閉容器１５の外周を覆うように配置される電気炉でもよい。
【0021】
水素流通ライン１７は、密閉容器１５の外部に設けられ、密閉容器１５の外部から内部に水素を含む水素系ガスを導入させるとともに、密閉容器１５の内部から外部に、加熱された水素系ガスを導出させる。水素流通ライン１７は、導入ライン２９と導出ライン３０との他に、水素タンク２８と、フィルタ３１とを有する。図１には図示していないが、水素加熱装置１１は、水素タンク２８に水素系ガスを供給するための供給ラインと、水素流通ライン１７から水素系ガスを排気するための排気ラインとを備えており、例えば、水素加熱装置１１の作動開始時に供給ラインから水素タンク２８へ水素系ガスが供給され、水素加熱装置１１の作動停止時に水素流通ライン１７の水素系ガスが排気ラインへ排気される。
【0022】
水素タンク２８は、水素系ガスを貯留する。水素系ガスは、水素の同位体を含むガスである。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスとの少なくともいずれかが用いられる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素の混合物、すなわち、軽水素の存在比が９９．９８５％であり、重水素の存在比が０．０１５％である混合物を含む。
【0023】
導入ライン２９は、水素タンク２８と第１室２１の導入口２３とを接続し、水素タンク２８内の水素系ガスを第１室２１へ導入する。導入ライン２９は、圧力調整弁３２を有する。圧力調整弁３２は、水素タンク２８から送られる水素系ガスを所定の圧力に減圧する。圧力調整弁３２は、制御部１８と電気的に接続している。
【0024】
導出ライン３０は、第２室２２の導出口２４と水素利用装置１２とを接続し、発熱体１４を介して第１室２１から第２室２２へ透過した水素系ガスを水素利用装置１２へ排出する。導出ライン３０は、ポンプ３３を有する。ポンプ３３は、第２室２２の水素系ガスを導出ライン３０へ導出し、所定の圧力に昇圧して水素利用装置１２へ送る。ポンプ３３としては、例えばメタルベローズポンプが用いられる。ポンプ３３は、制御部１８と電気的に接続している。
【0025】
導入ライン２９に設けられたフィルタ３１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、水素が発熱体１４を透過する透過量（以下、水素透過量という）は、発熱体１４の温度、発熱体１４の両面側の圧力差、および発熱体１４の表面状態によって定められる。水素系ガスに不純物が含まれている場合、不純物が発熱体１４の表面に付着し、発熱体１４の表面状態が悪化することがある。発熱体１４の表面に不純物が付着した場合は、発熱体１４の表面での水素分子の吸着および解離が阻害され、水素透過量が減少する。
【0026】
発熱体１４の表面での水素分子の吸着およ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、エタノール等）、C、S、および、Siが考えられる。水は、密閉容器１５の内壁などから放出、あるいは密閉容器１５の内部に設けられた部材に含まれる酸化皮膜が水素により還元されたものと考えられる。炭化水素、C、S、および、Siは、密閉容器１５の内部に設けられた各種部材から放出されると考えられる。よって、フィルタ３１は、不純物として、水（水蒸気を含む）、炭化水素、C、S、および、Siを少なくとも除去する。フィルタ３１は、水素系ガスに含まれる不純物を除去することにより、発熱体１４における水素透過量の減少を抑制する。
【0027】
制御部１８は、水素加熱装置１１の各部の動作を制御する。制御部１８は、例えば、演算装置（Central Processing Unit）、読み出し専用メモリ（Read Only Memory）やランダムアクセスメモリ（Random Access Memory）などの記憶部などを主に備えている。演算装置では、例えば、記憶部に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。
【0028】
制御部１８は、温度センサ１６ａ、電源２６、圧力調整弁３２、およびポンプ３３と電気的に接続している。制御部１８は、ヒータ１６ｂの入力電力、密閉容器１５の圧力などを調整することにより、発熱体１４が発生する過剰熱の出力の制御を行う。
【0029】
制御部１８は、温度センサ１６ａが検出した温度に基づいて、ヒータ１６ｂの出力の制御を行う出力制御部としての機能を有する。制御部１８は、電源２６を制御してヒータ１６ｂへの入力電力を調節することにより、発熱体１４を発熱に適正な温度に維持する。
【0030】
制御部１８は、第１室２１と第２室２２に設けられた各圧力センサ（図示なし）により検出された圧力に基づいて、圧力調整弁３２およびポンプ３３を制御することにより、第１室２１と第２室２２との間で発生する水素の圧力差を調整する。
【0031】
制御部１８は、発熱体１４に水素を吸蔵させる水素吸蔵工程と、発熱体１４から水素を放出させる水素放出工程とを行う。本実施形態では、制御部１８は、第１室２１と第２室２２との間で水素の圧力差を発生させることによって、水素吸蔵工程と水素放出工程とを同時に行う。制御部１８は、導入ライン２９から第１室２１へ水素系ガスを導入させ、かつ、第２室２２の水素系ガスを導出ライン３０へ導出させることによって第１室２１を第２室２２よりも高圧とし、発熱体１４の表面での水素の吸蔵と、発熱体１４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。
【0032】
本開示において同時とは、完全に同時、または、実質的に同時とみなせる程度に僅かな時間以内を意味する。水素吸蔵工程と水素放出工程とが同時に行われることにより、水素が発熱体１４を連続的に透過するので、発熱体１４において過剰熱を効率的に発生させることができる。なお、制御部１８は、水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行ってもよい。すなわち、制御部１８は、まず、水素吸蔵工程を行うことによって発熱体１４に水素を吸蔵させ、その後、水素放出工程を行うことによって発熱体１４に吸蔵されている水素を放出させてもよい。このように水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行うことによっても、発熱体１４から過剰熱を発生させることができる。
【0033】
水素加熱装置１１は、発熱体１４を挟んで配置された第１室２１と第２室２２との間で水素の圧力差を発生させることにより、水素が発熱体１４を透過し、過剰熱を発生する。水素系ガスは、発熱体１４を透過する際に、発熱体１４で発生した過剰熱により加熱される。水素系ガスは、発熱体１４の厚みが厚く、発熱体１４を透過するまでの距離が長いほど、発熱体１４で発生する過剰熱により加熱される時間が長くなり、その分、発熱体１４を透過して第２室２２に排出されたときの温度が高くなる。そのため、発熱体１４は、発熱体１４を透過した後の水素系ガスが所定の温度になるように、後述する積層体を所定数積層させて発熱体１４の厚みが所定の厚さに設定されている。
【0034】
次に、図２および図３を用いて発熱体１４の詳細な構造について説明する。図２に示すように、発熱体１４は、支持体６１と多層膜６２とを有する複数の積層体１４ａが積層された構成を有し、積層体１４ａの積層する積層数を変えることにより、水素系ガスが透過する発熱体１４の厚さが調整されている。具体的には、積層体１４ａの積層数が多くなるほど発熱体１４の厚みが厚くなり、水素系ガスが発熱体１４を透過するまでの距離が長くなるため、積層体１４ａの積層数が多いほど発熱体１４を透過した後の水素系ガスの温度が高くなる。一方、積層体１４ａの積層数が少なくなるほど発熱体１４の厚みが薄くなり、水素系ガスが発熱体１４を透過するまでの距離が短くなるため、積層体１４ａの積層数が少ないほど発熱体１４を透過した後の水素系ガスの温度が低くなる。
【0035】
ここでは、例えば、２５℃程度の水素系ガスが発熱体１４を透過することにより、当該水素系ガスが発熱体１４により加熱され、発熱体１４を透過した後には５０℃以上１０００℃以下、好ましくは６００℃以上１０００℃以下の水素系ガスとなる。なお、積層体１４ａの積層数を設定する際は、発熱体１４を透過した後の水素系ガスの温度と、積層体１４ａの積層数との対応関係を過去の操業経験などから予め特定しておき、これを基に、水素系ガスが所望する温度になるように、積層体１４ａの積層数を特定することが望ましい。
【0036】
発熱体１４は、第１の積層体１４ａの多層膜６２に、第２の積層体１４ａの支持体６１が配置され、当該第２の積層体１４ａの多層膜６２に、第３の積層体１４ａの支持体６１が配置され、複数の積層体１４ａが順次積層されている。これにより、図２に示した発熱体１４は、右から左へ、支持体６１、多層膜６２、支持体６１および多層膜６２というように、支持体６１と多層膜６２とが交互に配置された構成となっている。なお、本実施形態では、紙面左側末端の支持体６１から紙面右側末端の多層膜６２に向けて水素系ガスが透過する場合について図示しているが、本発明はこれに限らず、紙面右側末端の多層膜６２から紙面左側末端の支持体６１に向けて水素系ガスが透過するようにしてもよい。
【0037】
支持体６１は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成される。支持体６１は、この例では表面および裏面を有する板状に形成されている。多孔質体は、水素系ガスの通過を可能とするサイズの孔を有する。多孔質体は、例えば、金属、非金属、セラミックスなどにより形成される。多孔質体は、水素系ガスと多層膜６２との反応（以下、発熱反応という）を阻害しない材料により形成されることが好ましい。水素透過膜は、例えば、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される。水素吸蔵金属としては、Ni、Pd、V、Nb、Ta、Tiなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、LaNi5、CaCu5、MgZn2、ZrNi2、ZrCr2、TiFe、TiCo、Mg2Ni、Mg2Cuなどが用いられる。水素透過膜は、メッシュ状のシートを有するものを含む。プロトン導電体としては、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CaZr0.95Y0.05O3-α）、SrZrO3系（例えばSrZr0.9Y0.1O3-α）、β Al2O3、β Ga2O3などが用いられる。
【0038】
図３に示すように、多層膜６２は、支持体６１に設けられる。多層膜６２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される第１層７１と、第１層７１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り形成される第２層７２とにより形成される。支持体６１と第１層７１と第２層７２との間には、後述する異種物質界面７３が形成される。図３では、多層膜６２は、支持体６１の一方の面（例えば表面）に、第１層７１と第２層７２がこの順で交互に積層されている。第１層７１と第２層７２とは、それぞれ５層とされている。なお、第１層７１と第２層７２の各層の層数は適宜変更してもよい。多層膜６２は、支持体６１の表面に、第２層７２と第１層７１がこの順で交互に積層されたものでもよい。多層膜６２は、第１層７１と第２層７２をそれぞれ１層以上有し、異種物質界面７３が１以上形成されていればよい。
【0039】
第１層７１は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうち、いずれかにより形成される。第１層７１を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coのうち2種以上からなる合金であることが好ましい。第１層７１を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
【0040】
第２層７２は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうち、いずれかにより形成される。第２層７２を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coのうち2種以上からなる合金であることが好ましい。第２層７２を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
【0041】
第１層７１と第２層７２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１－第２層７２（第２層７２－第１層７１）」として表すと、Pd-Ni、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mg、Ni-Coであることが好ましい。第２層７２をセラミックスとした場合は、「第１層７１－第２層７２」が、Ni-SiCであることが好ましい。
【0042】
図４に示すように、異種物質界面７３は水素原子を透過させる。図４は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成される第１層７１および第２層７２において、第１層７１の金属格子中の水素原子が、異種物質界面７３を透過して第２層７２の金属格子中へ移動する様子を示した概略図である。水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。このため、発熱体１４に吸蔵された水素は、多層膜６２の内部をホッピングしながら量子拡散する。発熱体１４では、第１層７１、異種物質界面７３、第２層７２を水素が量子拡散により透過する。
【0043】
第１層７１の厚みと第２層７２の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層７１と第２層７２の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜６２を透過し難くなる。また、第１層７１と第２層７２の各厚みが１０００ｎｍ未満であることにより、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。第１層７１と第２層７２の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層７１と第２層７２の各厚みが５００ｎｍ未満であることにより、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。
【0044】
次に発熱体１４の製造方法の一例を説明する。この場合、板状の支持体６１を準備し、蒸着装置を用いて、第１層７１や第２層７２となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態にして、凝集や吸着によって支持体６１の表面に、第１層７１および第２層７２を交互に成膜する。これにより、支持体６１の表面に多層膜６２を有した積層体１４ａが形成される。なお、第１層７１および第２層７２は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７１および第２層７２の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面７３のみが形成される。蒸着装置としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を物理的な方法で蒸着させる物理蒸着装置が用いられる。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、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置が好ましい。また、電気めっき法により、支持体６１の表面に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させ、第１層７１および第２層７２を交互に成膜してもよい。
【0045】
そして、複数の積層体１４ａを準備し、一の積層体１４ａの多層膜６２の表面に、他の積層体１４ａの支持体６１の裏面を重ね合わせて、所定数の積層体１４ａを積層させることにより発熱体１４を製造することができる。なお、一の積層体１４ａを形成した後に当該積層体１４ａの多層膜６２の表面に新たな支持体６１を積層させ、蒸着装置を用いて、新たな支持体６１の表面に、第１層７１および第２層７２を交互に成膜して、一の積層体１４ａの表面に新たな積層体１４ａを順次形成してゆくようにしてもよい。
【0046】
図５（Ａ）に示すように、発熱体１４は、例えば、一方の末端にある積層体１４ａの支持体６１が第１室２１側（高圧側）に配され、他方の末端にある積層体１４ａの多層膜６２が第２室２２側（低圧側）に配される。第１室２１と第２室２２との間に生じる水素の圧力差によって、第１室２１に導入された水素は、発熱体１４の内部を、支持体６１、多層膜６２、支持体６１、多層膜６２…の順に透過し、第２室２２へ移動する。発熱体１４は、水素が各多層膜６２を透過する際、すなわち、各多層膜６２への水素の吸蔵と多層膜６２からの水素の放出とにより、過剰熱を発生する。なお、発熱体１４は、支持体６１を第２室２２側（低圧側）に配し、多層膜６２を第１室２１側（高圧側）に配してもよい。
【0047】
発熱体１４は、発生した過剰熱によって、透過する水素系ガスを加熱する。発熱体１４は、水素を使用して発熱するので、二酸化炭素などの温室効果ガスが発生せずクリーンな熱エネルギー源といえる。また、使用する水素は、水から生成できるため安価である。さらに、発熱体１４の発熱は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。したがって、水素加熱装置１１は、このような発熱体１４を熱エネルギー源として水素系ガスを加熱することで、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して、加熱した水素系ガスを供給することができる。
【0048】
本発明は、上記第１実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。以下、第１実施形態の変形例について説明する。変形例の図面および説明では、上記第１実施形態と同一または同等の構成要素および部材に対し同一の符号を付する。上記第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、上記第１実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
【0049】
［第１変形例］
図５（Ｂ）に示すように、水素加熱装置１１は、一方の末端に配置された積層体１４ａの支持体６１の裏面にも多層膜６２を設け、支持体６１の両面に多層膜６２を設けた発熱体７４を用いるようにしてもよい。発熱体７４は、多層膜６２、支持体６１、多層膜６２、支持体６１、多層膜６２…の順に透過し、各多層膜６２における水素の吸蔵と放出とにより過剰熱を発生する。発熱体７４を用いることにより過剰熱の高出力化が図れる。
図５（Ｂ）に示すように、水素加熱装置１１は、一方の末端に配置された積層体１４ａの支持体６１の裏面にも多層膜６２を設け、支持体６１の両面に多層膜６２を設けた発熱体７４を用いるようにしてもよい。発熱体７４は、多層膜６２、支持体６１、多層膜６２、支持体６１、多層膜６２…の順に透過し、各多層膜６２における水素の吸蔵と放出とにより過剰熱を発生する。発熱体７４を用いることにより過剰熱の高出力化が図れる。
【0050】
［第２変形例］
水素加熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図６に示す発熱体７５を備えるものであってもよい。図６に示す発熱体７５は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２に加えて、第３層７７をさらに有するものである。第３層７７は、第１層７１および第２層７２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り形成される。第３層７７の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図６では、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、支持体６１の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、支持体６１の表面に、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層されてもよい。すなわち、多層膜６２は、第２層７２と第３層７７の間に第１層７１を設けた積層構造とされている。多層膜６２は、第３層７７を１層以上有していればよい。第１層７１と第３層７７との間に形成される異種物質界面７８は、異種物質界面７３と同様に、水素原子を透過させる。
水素加熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図６に示す発熱体７５を備えるものであってもよい。図６に示す発熱体７５は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２に加えて、第３層７７をさらに有するものである。第３層７７は、第１層７１および第２層７２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り形成される。第３層７７の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図６では、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、支持体６１の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７は、支持体６１の表面に、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層されてもよい。すなわち、多層膜６２は、第２層７２と第３層７７の間に第１層７１を設けた積層構造とされている。多層膜６２は、第３層７７を１層以上有していればよい。第１層７１と第３層７７との間に形成される異種物質界面７８は、異種物質界面７３と同様に、水素原子を透過させる。
【0051】
第３層７７は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される。第３層７７を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち2種以上からなる合金であることが好ましい。第３層７７を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
【0052】
特に、第３層７７は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層７７を有する発熱体７５は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７３および異種物質界面７８を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層７７は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜６２は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層７７は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層７１および第３層７７は、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７１および第３層７７の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面７８のみが形成される。
【0053】
第１層７１と第２層７２と第３層７７との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１－第３層７７－第２層７２」として表すと、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であることが好ましい。
【0054】
［第３変形例］
水素加熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図７に示す発熱体８０を備えるものである。図７に示す発熱体８０は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２と第３層７７に加えて、第４層８２をさらに有するものである。第４層８２は、第１層７１、第２層７２および第３層７７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り形成される。第４層８２の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図７では、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、支持体６１の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第４層８２の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、支持体６１の表面に、第１層７１、第４層８２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層してもよい。すなわち、多層膜６２は、第２層７２、第３層７７、第４層８２を任意の順に積層し、かつ、第２層７２、第３層７７、第４層８２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。多層膜６２は、第４層８２を１層以上有していればよい。第１層７１と第４層８２との間に形成される異種物質界面８３は、異種物質界面７３および異種物質界面７８と同様に、水素原子を透過させる。
水素加熱装置１１は、発熱体１４の代わりに、図７に示す発熱体８０を備えるものである。図７に示す発熱体８０は、積層体の多層膜６２が、第１層７１と第２層７２と第３層７７に加えて、第４層８２をさらに有するものである。第４層８２は、第１層７１、第２層７２および第３層７７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り形成される。第４層８２の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図７では、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、支持体６１の表面に、第１層７１、第２層７２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第４層８２の順に積層されている。なお、第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２は、支持体６１の表面に、第１層７１、第４層８２、第１層７１、第３層７７、第１層７１、第２層７２の順に積層してもよい。すなわち、多層膜６２は、第２層７２、第３層７７、第４層８２を任意の順に積層し、かつ、第２層７２、第３層７７、第４層８２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。多層膜６２は、第４層８２を１層以上有していればよい。第１層７１と第４層８２との間に形成される異種物質界面８３は、異種物質界面７３および異種物質界面７８と同様に、水素原子を透過させる。
【0055】
第４層８２は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される。第４層８２を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち2種以上からなる合金であることが好ましい。第４層８２を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
【0056】
特に、第４層８２は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層８２を有する発熱体８０は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面７３、異種物質界面７８、および異種物質界面８３を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層８２は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜６２は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層８２は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層７１および第４層８２は、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７１および第４層８２の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面８３のみが形成される。
【0057】
第１層７１と第２層７２と第３層７７と第４層８２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層７１－第４層８２－第３層７７－第２層７２」として表すと、Ni-CaO-Cr-Fe、Ni-Y2O3-Cr-Fe、Ni-TiC-Cr-Fe、Ni-LaB6-Cr-Feであることが好ましい。
【0058】
なお、発熱体としては、図３に示す発熱体１４の積層体１４ａ、図６に示す発熱体７５の積層体、および、図７に示す発熱体８０の積層体のうちいずれか２種以上を混合して、複数種類の積層体を交互、あるいは、任意の順番に積層させた構成としてもよい。また、多層膜６２の構成、例えば、各層の厚みの比率、各層の層数、材料は、使用される温度に応じて適宜変更してもよい。以下、「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」、「多層膜の積層数と過剰熱の関係」、および「多層膜の材料と過剰熱の関係」について説明した後に、温度に応じた多層膜６２の構成の一例を説明する。
【0059】
「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」、「多層膜の積層数と過剰熱の関係」、および「多層膜の材料と過剰熱の関係」は、実験用の水素加熱装置（図示なし）を準備し、この実験用水素加熱装置を用いて、１つの積層体からなる発熱体が過剰熱を発生するか否かの実験を行うことによって調べた。実験用水素加熱装置は、密閉容器と、密閉容器の内部に配置された２つの発熱体と、各発熱体を加熱するヒータとを備える。発熱体は板状に形成されている。ヒータは、板状に形成されたセラミックヒータであり、熱電対を内蔵する。ヒータは、２つの発熱体の間に設けられている。密閉容器は、水素系ガス供給路と排気経路とに接続している。水素系ガス供給路は、水素系ガスを貯留したガスボンベと密閉容器とを接続する。水素系ガス供給路には、ガスボンベに貯留された水素系ガスを密閉容器へ供給する供給量を調整するための調整弁などが設けられている。排気経路は、密閉容器の内部を真空排気するためのドライポンプと密閉容器とを接続する。排気経路には、ガスの排気量を調整するための調整弁などが設けられている。
【0060】
実験用水素加熱装置は、水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行うことによって、発熱体から過剰熱を発生させる。すなわち、実験用水素加熱装置は、水素吸蔵工程を行うことによって発熱体１４に水素を吸蔵させ、その後、水素放出工程を行うことによって発熱体１４に吸蔵されている水素を放出させる。水素吸蔵工程では、密閉容器の内部への水素系ガスの供給が行われる。水素放出工程では、密閉容器の内部の真空排気と発熱体の加熱とが行われる。
【0061】
「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」について説明する。まずは、１つの積層体１４ａに着目し、Niからなる支持体６１と、Cuからなる第１層７１とNiからなる第２層７２とにより形成された多層膜６２とを有する発熱体１４を用いて、第１層７１と第２層７２の厚みの比率と過剰熱の関係を調べた。以下、多層膜６２の各層の厚みの比率をNi:Cuと記載する。
【0062】
Ni:Cu以外は同じ条件で多層膜６２を形成した８種の発熱体１４を作製し、実験例１～８とした。なお、多層膜６２は支持体６１の表面にのみ設けた。実験例１～８の各発熱体１４のNi:Cuは、7:1、14:1、4.33:1、3:1、5:1、8:1、6:1、6.5:1である。実験例１～８の各発熱体１４において、多層膜６２は、第１層７１と第２層７２との積層構成が繰り返し設けられている。実験例１～８の各発熱体１４は、多層膜６２の積層構成の数（以下、多層膜の積層数と称する）を５とした。実験例１～８の各発熱体１４は、多層膜６２全体の厚みをほぼ同じとした。
【0063】
実験例１～８の発熱体１４を実験用水素加熱装置の密閉容器の内部に設置し、水素吸蔵工程と水素放出工程とを交互に繰り返し行った。水素系ガスとして、軽水素ガス（沼田酸素社製 grade２ 純度99.999vol%以上）を用いた。水素吸蔵工程では、水素系ガスを５０Ｐａ程度で密閉容器の内部に供給した。発熱体１４に水素を吸蔵させる時間は６４時間程度とした。なお、水素吸蔵工程の前に、予め、ヒータにより密閉容器の内部を３６時間程度２００℃以上でベーキングし、発熱体１４の表面に付着した水などを除去した。
【0064】
水素放出工程では、ヒータの入力電力を、水素吸蔵工程を挟んで９Ｗ、１８Ｗ、２７Ｗとした。そして、ヒータに内蔵した熱電対により、各水素放出工程時の発熱体１４の温度を測定した。その結果を図８に示す。図８は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図８では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。ヒータ温度は、所定の入力電力における発熱体１４の温度である。図８では、実験例１を「Ni:Cu = 7:1」、実験例２を「Ni:Cu = 14:1」、実験例３を「Ni:Cu = 4.33:1」、実験例４を「Ni:Cu = 3:1」、実験例５を「Ni:Cu = 5:1」、実験例６を「Ni:Cu = 8:1」、実験例７を「Ni:Cu = 6:1」、実験例８を「Ni:Cu = 6.5:1」と表記した。
【0065】
図８より、実験例１～８の発熱体１４の全てにおいて過剰熱が発生することが確認できた。よって、１つの積層体１４ａからなる発熱体１４を水素系ガスが透過した際に水素系ガスを加熱できることが確認できた。また、このような積層体１４ａを複数積層させた発熱体１４とすれば、過剰熱が発生する積層体１４ａを透過する距離が延びるので、その分、水素系ガスを加熱させる時間が長くなり、水素系ガスの温度を高くできる。よって、発熱体１４で積層体１４ａを積層する積層数を変えることにより、最終的に発熱体１４を透過した後の水素系ガスの温度を調整できることが分かった。
【0066】
ヒータ温度が７００℃以上で実験例１～８の発熱体１４を比較すると、実験例１が最も大きな過剰熱を発生することがわかる。実験例３の発熱体は、実験例１，２，４～８の発熱体１４に比べて、ヒータ温度が３００℃以上１０００℃以下の広範囲にわたり過剰熱を発生することがわかる。多層膜６２のNi:Cuが3:1～8:1である実験例１，３～８の発熱体１４は、ヒータ温度が高くなるほど過剰熱が増大することがわかる。多層膜６２のNi:Cuが14:1である実験例２の発熱体１４は、ヒータ温度が８００℃以上で過剰熱が減少することがわかる。このように、NiとCuの比率に対して過剰熱が単純に増加していないのは、多層膜６２中の水素の量子効果に起因しているものと考えられる。
【0067】
次に「多層膜の積層数と過剰熱の関係」について説明する。Niからなる支持体６１と、Cuからなる第１層７１とNiからなる第２層７２とにより形成された多層膜６２とでなる１つの積層体１４ａからなる発熱体１４を用いて、多層膜６２の積層数と過剰熱の関係を調べた。
【0068】
実験例１の発熱体１４と、多層膜６２の積層数以外は同じ条件で製造した多層膜６２を有する８種の発熱体１４（積層体１４ａが１つの発熱体１４）を作製し、実験例９～１６とした。実験例１，９～１６の各発熱体１４の多層膜６２の積層数は、５、３、７、６、８、９、１２、４、２である。
【0069】
実験例１，９～１６の各発熱体１４を実験用水素加熱装置の密閉容器の内部に設置した。実験用水素加熱装置は、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を調べるために用いた装置と同じである。実験用水素加熱装置において、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」と同様の方法により、水素放出工程時の発熱体１４の温度を測定した。その結果を図９に示す。図９は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図９では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。図９では、各層の厚みを基に、実験例１を「Ni0.875Cu0.125 5層」、実験例９を「Ni0.875Cu0.125 3層」、実験例１０を「Ni0.875Cu0.125 7層」、実験例１１を「Ni0.875Cu0.125 6層」、実験例１２を「Ni0.875Cu0.125 8層」、実験例１３を「Ni0.875Cu0.125 9層」、実験例１４を「Ni0.875Cu0.125 12層」、実験例１５を「Ni0.875Cu0.125 4層」、実験例１６を「Ni0.875Cu0.125 2層」と表記した。
【0070】
図９より、実験例１，９～１６の発熱体１４の全てにおいて過剰熱を発生することが確認できた。ヒータ温度が８４０℃以上で実験例１，９～１６の発熱体１４を比較すると、過剰熱は、多層膜６２の積層数が６である実験例１１が最も大きく、多層膜６２の積層数が８である実験例１２が最も小さいことがわかる。このように、多層膜６２の積層数に対して過剰熱が単純に増加していないのは、多層膜６２中の水素の波動としての挙動の波長が、ナノメートルオーダーであり、多層膜６２と干渉しているためと考えられる。
【0071】
次に「多層膜の材料と過剰熱の関係」について説明する。Niからなる第１層７１と、Cuからなる第２層７２と、第１層７１および第２層７２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からなる第３層７７とにより形成された多層膜６２を有する１つの積層体からなる発熱体７５を用いて、第３層７７を形成する材料の種類と過剰熱の関係を調べた。
【0072】
第３層７７を形成する材料の種類以外は同じ条件で多層膜６２を形成した９種の発熱体７５を作製し、実験例１７～２５とした。実験例１７～２５の各発熱体７５において、第３層７７を形成する材料の種類は、CaO、SiC、Y2O3、TiC、Co、LaB6、ZrC、TiB2、CaOZrOである。
【0073】
実験例１７～２５の各発熱体７５を実験用水素加熱装置の密閉容器の内部に設置した。実験用水素加熱装置は、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を調べるために用いた装置と同じである。実験用水素加熱装置において、上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」と同様の方法により、水素放出工程時の発熱体７５の温度を測定した。その結果を図１０に示す。図１０は、測定したデータを所定の手法でフィッティングしたグラフである。図１０では、ヒータ温度を横軸に示し、過剰熱の電力を縦軸に示した。図１０では、各層の厚みを基に、実験例１７を「Ni0.793CaO0.113Cu0.094」、実験例１８を「Ni0.793SiC0.113Cu0.094」、実験例１９を「Ni0.793Y2O30.113Cu0.094」、実験例２０を「Ni0.793TiC0.113Cu0.094」、実験例２１を「Ni0.793Co0.113Cu0.094」、実験例２２を「Ni0.793LaB60.113Cu0.094」、実験例２３を「Ni0.793ZrC0.113Cu0.094」、実験例２４を「Ni0.793TiB20.113Cu0.094」、実験例２５を「Ni0.793CaOZrO0.113Cu0.094」と表記した。
【0074】
図１０より、実験例１７～２５の発熱体７５の全てにおいて過剰熱を発生することが確認できた。よって、１つの積層体からなる発熱体７５を水素系ガスが透過した際に水素系ガスを加熱できることが確認できた。また、このような積層体を複数積層させた発熱体７５とすれば、過剰熱が発生する積層体を透過する距離が延びるので、その分、水素系ガスを加熱させる時間が長くなり、水素系ガスの温度を高くできることが分かる。よって、発熱体７５で積層体を積層する積層数を変えることにより、最終的に発熱体７５を透過した後の水素系ガスの温度を調整できることが分かった。
【0075】
なお、特に、第３層７７を形成する材料がCaOである実験例１７、TiCである実験例２０、LaB6である実験例２２は、他の実験例１８，１９，２１，２３～２５と比べて、ヒータ温度が４００℃以上１０００℃以下の広範囲にわたり過剰熱がほぼ線形的に増大することがわかる。実験例１７，２０，２２の第３層７７を形成する材料は、他の実験例１８，１９，２１，２３～２５の材料よりも仕事関数が小さい。このことから、第３層７７を形成する材料の種類は、仕事関数が小さいものが好ましいことがわかる。これらの結果から、多層膜６２内の電子密度が発熱反応に寄与している可能性がある。
【0076】
発熱体１４の温度に応じた多層膜６２の構成の一例を説明する。発熱体１４について上記の「多層膜の各層の厚みの比率と過剰熱の関係」を考慮すると、発熱体１４の温度が低温（例えば５０℃以上５００℃以下の範囲内）である場合は、多層膜６２の各層の厚みの比率が２：１以上５：１以下の範囲内であることが好ましい。発熱体１４の温度が中温（例えば５００℃以上８００℃以下の範囲内）である場合は、多層膜６２の各層の厚みの比率が５：１以上６：１以下の範囲内であることが好ましい。発熱体１４の温度が高温（例えば８００℃以上１０００℃以下の範囲内）である場合は、多層膜６２の各層の厚みの比率が６：１以上１２：１以下の範囲内であることが好ましい。
【0077】
上記の「多層膜の積層数と過剰熱の関係」を考慮すると、発熱体１４の温度が低温、中温、高温のいずれかである場合は、多層膜６２の第１層７１が２層以上１８層以下の範囲内であり、第２層７２が２層以上１８層以下の範囲内であることが好ましい。
【0078】
発熱体７５について上記の「多層膜の材料と過剰熱の関係」を考慮すると、発熱体７５の温度が低温である場合は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がY2O3であることが好ましい。発熱体７５の温度が中温である場合は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がTiCであることが好ましい。発熱体７５の温度が高温である場合は、第１層７１がNiであり、第２層７２がCuであり、第３層７７がCaOあるいはLaB6であることが好ましい。
【0079】
［第４変形例］
図１１は、一端が開口し、他端が閉塞した有底筒状に形成された発熱体９０の断面図である。発熱体９０には、支持体９１と多層膜９２とを有する複数の積層体９０ａが設けられている。この場合、積層体９０ａは、一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成された支持体９１の外周面および外底面に沿って多層膜９２が形成されており、多層膜９２も一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成されている。
図１１は、一端が開口し、他端が閉塞した有底筒状に形成された発熱体９０の断面図である。発熱体９０には、支持体９１と多層膜９２とを有する複数の積層体９０ａが設けられている。この場合、積層体９０ａは、一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成された支持体９１の外周面および外底面に沿って多層膜９２が形成されており、多層膜９２も一端が開口し、かつ他端が閉塞した有底筒状に形成されている。
【0080】
発熱体９０は、内側にある積層体９０ａの多層膜９２の外周面および外底面に沿って、外側にある積層体９０ａの支持体９１が設けられており、内面側から外面側に向けて、支持体９１、多層膜９２、支持体９１および多層膜９２というように、支持体９１および多層膜９２が交互に積層された構成を有する。このようにして、発熱体９０には、有底筒状の複数の積層体９０ａが積層されており、発熱体９０を透過した水素系ガスが所定の温度まで加熱されるように、当該積層体９０ａの積層数が設定されている。
【0081】
各支持体９１は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成されている。また、各多層膜９２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層（図示なし）と、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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層（図示なし）とを有する。なお、発熱体９０は、図１１では有底円筒状に形成されているが、有底角筒状に形成してもよい。
【0082】
次に発熱体９０の製造方法の一例を説明する。発熱体９０は、有底筒状に形成された支持体９１を準備し、湿式成膜法を用いて支持体９１に多層膜９２を形成する。この例では、支持体９１の外面に多層膜９２を形成する。これにより、最内層の有底筒状の積層体９０ａが形成される。次いで、シート状に形成された他の支持体９１を準備して当該シート状の支持体９１の外面に、湿式成膜法を用いて多層膜９２を形成して新たな有底筒状でなるシート状の積層体９０ａを形成する。そして、最内層の積層体９０ａの外面に、得られたシート状でなる他の積層体９０ａを繰り返し重ねてゆくことで複数の積層体９０ａが積層された発熱体９０を製造することができる。なお、最内層の有底筒状の支持体９１の外面に多層膜９２を形成した後に、当該多層膜９２の外周面及び底面にシート状の支持体９１を形成し、当該支持体９１の外周面及び底面に再び多層膜９２を形成する等、支持体９１と多層膜９２を順番に形成してもよい。
【0083】
なお、湿式成膜法としては、スピンコート法、スプレーコート法、ディッピング法などが用いられる。また、多層膜９２は、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を用いて形成してもよいし、支持体９１を回転させる回転機構を備えたスパッタリング装置を用いて、支持体９１を回転させながら、支持体９１に多層膜９２を形成してもよい。なお、多層膜９２は支持体９１の最内面にも設けて、最内周にある支持体９１には両面に多層膜９２が設けられるようにしてもよい。
【0084】
図１２に示すように、水素利用システム９５は、水素加熱装置９６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置９６は、発熱体１４の代わりに発熱体９０を備えることが上記実施形態の水素加熱装置１１とは異なる。発熱体９０は、取付管９７を用いて密閉容器１５に取り付けられる。図１２では省略しているが、水素加熱装置９６は、発熱体９０の温度を検出する温度センサ、ヒータ１６ｂに電力を入力する電源、温度センサが検出した温度に基づいてヒータ１６ｂの出力の制御を行う出力制御部としての制御部などを備える。温度センサは例えば発熱体９０の外面に設けられる。
【0085】
取付管９７は、例えばステンレスなどで形成されている。取付管９７は、密閉容器１５を貫通し、一端が密閉容器１５の外面に配され、他端が密閉容器１５の内部に配される。取付管９７の一端は、水素流通ライン１７の導入ライン２９と接続する。取付管９７の他端には発熱体９０が設けられている。
【0086】
第４変形例では、第１室２１は、発熱体９０の内面により形成される。第２室２２は、密閉容器１５の内面と発熱体９０の外面とにより形成される。このため、発熱体９０は、支持体９１が第１室２１側（高圧側）に配され、多層膜９２が第２室２２側（低圧側）に配される（図１１参照）。第１室２１と第２室２２との間に生じる圧力差によって、第１室２１に導入された水素は、発熱体９０の内部を、支持体９１、多層膜９２、支持体９１、多層膜９２、…の順に透過してゆき、第２室２２へと移動する。すなわち、発熱体９０の内面から外面へ向けて、所定数積層された複数の積層体９０ａを水素が透過する。これにより、発熱体９０の各積層体９０ａは、多層膜９２からの水素の放出時に過剰熱を発生する。したがって、水素加熱装置９６は、上記実施形態の水素加熱装置１１と同様の作用効果を有する。
【0087】
なお、水素加熱装置９６は、発熱体９０の代わりに、図１３に示す発熱体９８を備えるものでもよい。発熱体９８は、最も内側に有する積層体９０ｂが柱状の支持体９１ａを有していることが、上述した発熱体９０とは異なっている。支持体９１ａは、支持体６１と同様に、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成される。支持体９１ａは、水素系ガスの通過を可能としつつ、発熱体９８の機械的強度を向上させる。なお、支持体９１ａは、図１３では円柱状に形成されているが、角柱状に形成してもよい。
【0088】
［第５変形例］
図１４に示すように、水素利用システム１１５は、水素加熱装置１２１と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１２１は、密閉容器１５の代わりに密閉容器１２３を有することが上記実施形態の水素加熱装置１１とは異なる。密閉容器１２３は、中空の容器であり、内部に発熱体１４を収容する。密閉容器１２３は、断熱材５１により覆われている。密閉容器１２３には、発熱体１４を取り付けるための取付管１２５が設けられている。
図１４に示すように、水素利用システム１１５は、水素加熱装置１２１と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１２１は、密閉容器１５の代わりに密閉容器１２３を有することが上記実施形態の水素加熱装置１１とは異なる。密閉容器１２３は、中空の容器であり、内部に発熱体１４を収容する。密閉容器１２３は、断熱材５１により覆われている。密閉容器１２３には、発熱体１４を取り付けるための取付管１２５が設けられている。
【0089】
取付管１２５は、例えばステンレスなどで形成されている。取付管１２５は、密閉容器１２３を貫通し、一端が密閉容器１２３の外部に配され、他端が密閉容器１２３の内部に配される。取付管１２５の一端は、この例では断熱材５１内に配されている。取付管１２５の一端は、水素流通ライン１７の導入ライン２９と接続する。取付管１２５の他端には発熱体１４が設けられている。取付管１２５の外周には温度調節部（図示なし）のヒータ１６ｂが巻き付けられている。
【0090】
密閉容器１２３は、取付管１２５と発熱体１４により仕切られた第１室１２６および第２室１２７を有する。第１室１２６は、発熱体１４の表面と取付管１２５の内面とにより形成される。第１室１２６は、導入ライン２９と接続する導入口２３を有する。第２室１２７は、密閉容器１２３の内面と発熱体１４の裏面と取付管１２５の外面とにより形成される。第２室１２７は、導出ライン３０と接続する導出口２４を有する。導出口２４は、図１４では密閉容器１２３の長手方向のほぼ中央に位置に設けられている。第１室１２６は、水素系ガスが導入されることにより昇圧される。第２室１２７は、水素系ガスが排気されることにより減圧される。これにより、第１室１２６の水素の圧力は、第２室１２７の水素の圧力よりも高くされる。第１室１２６と第２室１２７とは、水素の圧力が互いに異なっている。このため、密閉容器１２３の内部は、発熱体１４の両側に圧力差が生じた状態とされている。
【0091】
導出ライン３０を流通する、加熱された水素系ガスは、上述した実施形態と同様に、導出ライン３０を介して水素利用装置１２に送られ、水素利用装置１２において種々の用途に利用される。
【0092】
以上のように、水素加熱装置１２１は、密閉容器１２３の内部において、取付管１２５内部の第１室１２６から、取付管１２５の先端に設けた発熱体１４を透過して第２室１２７に向けて水素系ガスが流れることにより、発熱体１４の各積層体１４ａで発生する熱により水素系ガスを加熱させることができる。この際、水素加熱装置１２１でも、発熱体１４の積層体１４ａの積層数を所定数に設定しておくことで、水素系ガスの温度を所定の温度まで昇温させることができるので、上記実施形態の水素加熱装置１１と同様の作用効果を有する。
【0093】
［第６変形例］
図１５に示すように、水素利用システム１４５は、水素加熱装置１４６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１４６は、導入ライン２９にヒータ１３７が設けられ、密閉容器１５の内部にノズル部１４８が配置されている。水素加熱装置１４６は、温度調節部（図示なし）のヒータ１３７の配置位置や、後述するノズル部１４８および非透過ガス回収ライン１４９が設けられている点が、上記実施形態の水素加熱装置１１とは異なっている。温度調節部（図示なし）は、温度センサ１６ａと、ヒータ１３７と、出力制御部としての制御部１８とにより形成される。
図１５に示すように、水素利用システム１４５は、水素加熱装置１４６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１４６は、導入ライン２９にヒータ１３７が設けられ、密閉容器１５の内部にノズル部１４８が配置されている。水素加熱装置１４６は、温度調節部（図示なし）のヒータ１３７の配置位置や、後述するノズル部１４８および非透過ガス回収ライン１４９が設けられている点が、上記実施形態の水素加熱装置１１とは異なっている。温度調節部（図示なし）は、温度センサ１６ａと、ヒータ１３７と、出力制御部としての制御部１８とにより形成される。
【0094】
ヒータ１３７は、導入ライン２９に設けられており、導入ライン２９を流通する水素系ガスを加熱することにより、発熱体１４を加熱する。ヒータ１３７は、電源２６と電気的に接続しており、電源２６から電力が入力されることにより発熱する。電源２６は、制御部１８により入力電力が制御される。制御部１８は、温度センサ１６ａが検出した温度に基づいて、ヒータ１３７への入力電力を調節することにより、発熱体１４を発熱に適正な温度に維持する。
【0095】
水素加熱装置１４６は、導入ライン２９にヒータ１３７を有することにより、加熱された水素系ガスを密閉容器１５の内部に送ることができ、この加熱した水素系ガスによって発熱体１４を加熱し、発熱体１４を発熱に適正な温度に維持することができる。このような構成であっても、上記実施形態の水素加熱装置１１と同様の作用効果を有する。
【0096】
ノズル部１４８は、導入口２３と発熱体１４との間に設けられている。ノズル部１４８は、導入口２３を介して導入ライン２９と接続する。ノズル部１４８は、導入ライン２９を流通してフィルタ３１により不純物が除去された水素系ガスを、ノズル先端に設けられた噴射口から噴射する。ノズル先端と発熱体１４の表面との間の距離は、例えば１～２ｃｍとされる。ノズル先端の向きは、発熱体１４の表面に対し垂直な向きとされる。これにより、ノズル部１４８は、発熱体１４の一方の面である表面全域に水素系ガスを噴射する。なお、ノズル先端と発熱体１４の表面との間の距離またはノズル先端の向きは、ノズル先端から出された水素系ガスが発熱体１４の表面全域に吹き付けられる距離または向きとすることが好ましい。
【0097】
非透過ガス回収ライン１４９は、第１室２１に設けられた非透過ガス回収口１５１と接続しており、第１室２１に導入された水素系ガスのうち発熱体１４を透過しなかった非透過ガスを回収する。非透過ガス回収ライン１４９は、水素タンク２８と接続しており、回収した非透過ガスを水素タンク２８へ戻す。非透過ガス回収口１５１は、導入口２３と並んで設けられている。
【0098】
以上の構成において、第１室２１に導入された水素系ガスは、発熱体１４の各積層体１４ａを順次透過してゆくことで各積層体１４ａの熱によって加熱されてゆく。発熱体１４を透過して加熱された水素系ガスは、導出ライン３０に導出される。導出ライン３０に導出された水素系ガスは、ポンプ３３および圧力調整弁３２を介して水素利用装置１２に供給される。
【0099】
一方、第１室２１に導入され、発熱体１４を透過しなかった残りの水素系ガスは、非透過ガスとして非透過ガス回収ライン１４９に回収される。非透過ガスは、非透過ガス回収ライン１４９を流通して水素タンク２８へ戻され、再び導入ライン２９を流通し、水素系ガスとして第１室２１へ導入される。すなわち、非透過ガス回収ライン１４９は、第１室２１と導入ライン２９とを接続し、導入ライン２９から第１室２１へ導入された水素系ガスのうち発熱体１４を透過しなかった非透過ガスを回収して再び導入ライン２９へ戻す。
【0100】
非透過ガス回収ライン１４９は、非透過ガス流量制御部１５２と循環ポンプ１５３とを有する。非透過ガス流量制御部１５２は、調整弁として例えばバリアブルリークバルブを有する。非透過ガス流量制御部１５２は、温度センサ１６ａが検出した温度に基づいて非透過ガスの流量の制御を行う。例えば、非透過ガス流量制御部１５２は、温度センサ１６ａにより検出された発熱体１４の温度が発熱体１４の発熱に適正な温度範囲の上限温度を超える場合、非透過ガスの循環流量を増やす。非透過ガス流量制御部１５２は、温度センサ１６ａにより検出された発熱体１４の温度が発熱体１４の発熱に適正な温度範囲の下限温度に満たない場合、非透過ガスの流量を減らす。このように、非透過ガス流量制御部１５２は、非透過ガスの循環流量を増減させることにより、発熱体１４を発熱に適正な温度に維持する。
【0101】
循環ポンプ１５３は、第１室２１の非透過ガスを非透過ガス回収口１５１から回収して水素タンク２８へ送る。循環ポンプ１５３としては、例えばメタルベローズポンプが用いられる。循環ポンプ１５３は、制御部１８と電気的に接続している。
【0102】
水素加熱装置１４６では、ノズル部１４８を有することにより、不純物除去後の水素系ガスが発熱体１４の表面に直接吹き付けられる。これにより、水素加熱装置１４６では、発熱体１４の表面および周辺の不純物が吹き飛ばされ、かつ、フィルタ３１により不純物が除去されたフレッシュな水素系ガスにより形成された雰囲気下に発熱体１４の表面が配されるので、過剰熱の高出力化が図れる。
【0103】
［第７変形例］
図１６に示すように、水素利用システム１５５は、水素加熱装置１５６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１５６は、発熱体１４の代わりに発熱体９０を備え、密閉容器１５の内部にノズル部１５８を配置したものである。この例では、取付管９７に対し、導入口２３と非透過ガス回収口１５１とが並んで設けられる。
図１６に示すように、水素利用システム１５５は、水素加熱装置１５６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１５６は、発熱体１４の代わりに発熱体９０を備え、密閉容器１５の内部にノズル部１５８を配置したものである。この例では、取付管９７に対し、導入口２３と非透過ガス回収口１５１とが並んで設けられる。
【0104】
ノズル部１５８は、導入口２３と発熱体９０との間に設けられており、一端が導入口２３と接続し、他端が発熱体９０の他端まで延びている。ノズル部１５８は、導入口２３を介して導入ライン２９と接続する。
【0105】
図１７に示すように、筒状のノズル部１５８には、発熱体９０の軸方向に沿って周側面に複数の噴射口１５９が形成されている。また、本実施形態に係るノズル部１５８には、底面にも噴射口１５９が形成されている。ノズル部１５８は、複数の噴射口１５９から発熱体９０の内面全域（内周面および内底面）に水素系ガスを噴射する。複数の噴射口１５９は、等間隔に配列されることが好ましい。複数の噴射口１５９を等間隔に配列することにより、発熱体９０の内面全域に均一に水素系ガスが噴射される。噴射口１５９の数や直径は適宜変更してよい。
【0106】
また、発熱体９０は、第１室２１に設けられた非透過ガス回収口１５１に非透過ガス回収ライン１４９が接続された構成を有しており、第１室２１に導入された水素系ガスのうち発熱体９０を透過しなかった非透過ガスを、非透過ガス回収ライン１４９から回収することができる。
【0107】
また、水素加熱装置１５６は、ノズル部１５８から水素系ガスを噴射させることにより、発熱体９０の内面および周辺の不純物が水素系ガスによって吹き飛ばされ、かつ、発熱体９０の内部が、フィルタ３１により不純物が除去されたフレッシュな水素系ガスにより形成された雰囲気とされるので、過剰熱の高出力化が図れる。
【0108】
［第８変形例］
図１８は、両端が開口した筒状の発熱体１６０の断面図である。発熱体１６０は、支持体１６１と多層膜１６２とを有した複数の積層体１６０ａを有している。この場合、各積層体１６０ａは、それぞれ筒状の支持体１６１の外周面に筒状の多層膜１６２が形成された構成を有する。発熱体１６０は、一の積層体１６０ａの多層膜１６２の外周面に他の積層体１６０ａの支持体１６１が設けられ、内側から外側に向けて、支持体１６１、多層膜１６２、支持体１６１、多層膜１６２というように、支持体１６１と多層膜１６２とが順次交互に配置されることにより複数の積層体１６０ａが所定数積層されている。このようにして、発熱体１６０には、筒状の複数の積層体１６０ａが積層されているとともに、発熱体１６０を透過した水素系ガスが所定の温度まで加熱されるように、当該積層体１６０ａの積層数が設定されている。
図１８は、両端が開口した筒状の発熱体１６０の断面図である。発熱体１６０は、支持体１６１と多層膜１６２とを有した複数の積層体１６０ａを有している。この場合、各積層体１６０ａは、それぞれ筒状の支持体１６１の外周面に筒状の多層膜１６２が形成された構成を有する。発熱体１６０は、一の積層体１６０ａの多層膜１６２の外周面に他の積層体１６０ａの支持体１６１が設けられ、内側から外側に向けて、支持体１６１、多層膜１６２、支持体１６１、多層膜１６２というように、支持体１６１と多層膜１６２とが順次交互に配置されることにより複数の積層体１６０ａが所定数積層されている。このようにして、発熱体１６０には、筒状の複数の積層体１６０ａが積層されているとともに、発熱体１６０を透過した水素系ガスが所定の温度まで加熱されるように、当該積層体１６０ａの積層数が設定されている。
【0109】
なお、支持体１６１は、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体のうち少なくともいずれかにより形成されている。多層膜１６２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層（図示なし）と、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により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層（図示なし）とを有する。発熱体１６０の製造方法は、両端が開口した筒状の支持体１６１を準備すること以外は発熱体９０の製造方法と同じなので説明を省略する。なお、発熱体１６０は、図１８では両端が開口した円筒状に形成されているが、両端が開口した角筒状に形成してもよい。
【0110】
図１９に示すように、水素利用システム１６５は、水素加熱装置１６６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１６６は、発熱体９０の代わりに発熱体１６０を備えることが上記第７変形例の水素加熱装置１５６とは異なる。
【0111】
発熱体１６０は、両端に取付管９７が設けられている。発熱体１６０の一端に設けられた取付管９７は、導入ライン２９と接続している。発熱体１６０の他端に設けられた取付管９７は、非透過ガス回収ライン１４９と接続している。すなわち、発熱体１６０は、一端が導入ライン２９と接続し、他端が非透過ガス回収ライン１４９と接続する。したがって、水素加熱装置１６６は、上記第７変形例の水素加熱装置１５６と同様に、第１室２１に導入された水素系ガスのうち発熱体１６０を透過しなかった非透過ガスを、非透過ガス回収ライン１４９から回収することができる。
【0112】
［第９変形例］
上記実施形態および上記各変形例では、水素流通ラインによって、導入ラインから第１室へ水素系ガスを導入し、第２室から導出ラインに水素系ガスを導出することで、第１室と第２室との間で水素の圧力差を発生させているが、第９変形例では、水素流通ラインを用いる代わりに、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を用いて、水素の吸蔵および放出を利用して第１室と第２室との間で水素の圧力差を発生させる。以下、上述した実施形態および上記各変形例と異なる点に着目して第９変形例の水素加熱装置について説明する。
上記実施形態および上記各変形例では、水素流通ラインによって、導入ラインから第１室へ水素系ガスを導入し、第２室から導出ラインに水素系ガスを導出することで、第１室と第２室との間で水素の圧力差を発生させているが、第９変形例では、水素流通ラインを用いる代わりに、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を用いて、水素の吸蔵および放出を利用して第１室と第２室との間で水素の圧力差を発生させる。以下、上述した実施形態および上記各変形例と異なる点に着目して第９変形例の水素加熱装置について説明する。
【0113】
図２０に示すように、水素加熱装置１７１は、発熱体１４と、密閉容器１７３と、第１の水素吸蔵放出部１７４と、第２の水素吸蔵放出部１７５と、第１の温度センサ１７６と、第２の温度センサ１７７と、第１のヒータ１７８と、第２のヒータ１７９と、第１の圧力計１８０と、第２の圧力計１８１と、水素圧力制御部１８２とを備える。複数の積層体１４ａが所定の積層数、積層された発熱体１４（図２参照）については説明を省略する。なお、水素加熱装置１７１は、図示しない出力制御部としての制御部をさらに備える。この出力制御部としての制御部と、第１の温度センサ１７６と、第２の温度センサ１７７と、第１のヒータ１７８と、第２のヒータ１７９とにより、温度調節部（図示なし）が形成される。温度調節部は、発熱体１４の温度を調節し、発熱に適正な温度に維持する。
【0114】
密閉容器１７３は、発熱体１４により仕切られた第１室１８４および第２室１８５を有する。第１室１８４と第２室１８５とは、後述する水素圧力制御部１８２により切替制御が行われることにより水素の圧力が異なる。第１室１８４は、発熱体１４の表面と密閉容器１７３の内面とにより形成されている。第２室１８５は、発熱体１４の裏面と密閉容器１７３の内面とにより形成されている。図２０には図示していないが、密閉容器１７３には、例えば、第１室１８４または第２室１８５に導入口が設けられ、水素系ガスを導入するための導入ラインが導入口に接続されている。また、同じく、図２０には図示していないが、密閉容器１７３には、第１室１８４または第２室１８５に導出口が設けられ、発熱体１４により加熱された水素系ガスを水素利用装置に導出させる導出ラインが導出口に接続されている。
【0115】
第１の水素吸蔵放出部１７４は、第１室１８４に設けられている。第１の水素吸蔵放出部１７４は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成されている。第１の水素吸蔵放出部１７４は、水素の吸蔵および放出を行う。第１の水素吸蔵放出部１７４の水素の吸蔵および放出は、後述する水素圧力制御部１８２によって順次切り替えられる。
【0116】
第２の水素吸蔵放出部１７５は、第２室１８５に設けられている。第２の水素吸蔵放出部１７５は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成されている。第２の水素吸蔵放出部１７５は、水素の吸蔵および放出を行う。第２の水素吸蔵放出部１７５の水素の吸蔵および放出は、後述する水素圧力制御部１８２によって順次切り替えられる。
【0117】
第１の温度センサ１７６は、第１の水素吸蔵放出部１７４に設けられており、第１の水素吸蔵放出部１７４の温度を検出する。第２の温度センサ１７７は、第２の水素吸蔵放出部１７５に設けられており、第２の水素吸蔵放出部１７５の温度を検出する。
【0118】
第１のヒータ１７８は、第１の水素吸蔵放出部１７４に設けられており、第１の水素吸蔵放出部１７４を加熱する。第１のヒータ１７８は、電源１８７と電気的に接続しており、電源１８７から電力が入力されることにより発熱する。第２のヒータ１７９は、第２の水素吸蔵放出部１７５に設けられており、第２の水素吸蔵放出部１７５を加熱する。第２のヒータ１７９は、電源１８８と電気的に接続しており、電源１８８から電力が入力されることにより発熱する。
【0119】
第１の圧力計１８０は、第１室１８４の内部に設けられており、第１室１８４の水素の圧力を検出する。第２の圧力計１８１は、第２室１８５の内部に設けられており、第２室１８５の水素の圧力を検出する。
【0120】
水素圧力制御部１８２は、第１の温度センサ１７６、第２の温度センサ１７７、第１の圧力計１８０、第２の圧力計１８１、電源１８７および電源１８８と電気的に接続している。
【0121】
水素圧力制御部１８２は、第１の温度センサ１７６が検出した温度に基づいて、第１の水素吸蔵放出部１７４の温度の制御を行う。水素圧力制御部１８２は、電源１８７をＯＮとし、第１のヒータ１７８への入力電力を調節することにより、第１の水素吸蔵放出部１７４を所定の温度まで加熱する。また、水素圧力制御部１８２は、電源１８７をＯＦＦとすることにより、第１の水素吸蔵放出部１７４を冷却する。なお、図示しない冷却装置を用いて第１の水素吸蔵放出部１７４を冷却してもよい。
【0122】
水素圧力制御部１８２は、第２の温度センサ１７７が検出した温度に基づいて、第２の水素吸蔵放出部１７５の温度の制御を行う。水素圧力制御部１８２は、電源１８８をＯＮとし、第２のヒータ１７９への入力電力を調節することにより、第２の水素吸蔵放出部１７５を所定の温度まで加熱する。また、水素圧力制御部１８２は、電源１８８をＯＦＦとすることにより、第２の水素吸蔵放出部１７５を冷却する。なお、図示しない冷却装置を用いて第２の水素吸蔵放出部１７５を冷却してもよい。
【0123】
水素圧力制御部１８２は、第１室１８４の水素の圧力を第２室１８５の水素の圧力よりも高くする第１のモードと、第２室１８５の水素の圧力を第１室１８４の水素の圧力よりも高くする第２のモードとを有する。
【0124】
水素圧力制御部１８２は、第１のモードでは、図２１に示すように、第１の水素吸蔵放出部１７４を第１のヒータ１７８により加熱し、かつ、第２の水素吸蔵放出部１７５を冷却する。第１の水素吸蔵放出部１７４は、加熱されることによって水素を放出する。第１室１８４は、第１の水素吸蔵放出部１７４から水素が放出されることにより昇圧される。一方、第２の水素吸蔵放出部１７５は、冷却されることによって水素を吸蔵する。第２室１８５は、第２の水素吸蔵放出部１７５に水素が吸蔵されることにより減圧される。この結果、第１室１８４の水素の圧力は、第２室１８５の水素の圧力よりも高くされる。第１室１８４と第２室１８５との間に生じる水素の圧力差によって、第１室１８４の水素は、発熱体１４を透過し、第２室１８５へ移動する。発熱体１４は、水素が透過することにより過剰熱を発生する。
【0125】
水素圧力制御部１８２は、第２のモードでは、図２２に示すように、第１の水素吸蔵放出部１７４を冷却し、かつ、第２の水素吸蔵放出部１７５を第２のヒータ１７９により加熱する。第１の水素吸蔵放出部１７４は、冷却されることによって水素を吸蔵する。第１室１８４は、第１の水素吸蔵放出部１７４に水素が吸蔵されることにより減圧される。一方、第２の水素吸蔵放出部１７５は、加熱されることによって水素を放出する。第２室１８５は、第２の水素吸蔵放出部１７５から水素が放出されることにより昇圧される。この結果、第２室１８５の水素の圧力は、第１室１８４の水素の圧力よりも高くされる。第１室１８４と第２室１８５との間に生じる水素の圧力差によって、第２室１８５の水素は、発熱体１４を透過し、第１室１８４へ移動する。発熱体１４は、水素が透過することにより過剰熱を発生する。
【0126】
水素圧力制御部１８２は、第１のモードと第２のモードとを切り替える切替制御を行う。切替制御の一例を説明する。水素圧力制御部１８２は、第１のモード中に、第１の圧力計１８０により検出された圧力が所定の閾値以下となった場合に、第１のモードから第２のモードへ切り替える。水素圧力制御部１８２は、第２のモード中に、第２の圧力計１８１により検出された圧力が所定の圧力以下となった場合に、第２のモードから第１のモードへ切り替える。水素圧力制御部１８２は、第１のモードと第２のモードとの切替制御を行うことにより、積層体１４ａが所定の積層数だけ積層された発熱体１４を水素が透過する方向を切り替えて、発熱体１４の過剰熱の発生を断続的に持続させる。
【0127】
したがって、この場合でも、水素加熱装置１７１は、発熱体１４の積層体の積層数を設定することで、発熱体１４による加熱によって水素系ガスを所定の温度まで加熱させることができるので、上記実施形態の水素加熱装置１１と同様の作用効果を有する。また、水素加熱装置１７１は、水素流通ラインを用いることなく第１室と第２室との間で水素の圧力差を発生させることができるので小型化が図れる。
【0128】
［第１０変形例］
上記実施形態および上記各変形例の水素加熱装置では発熱体を用いているが、発熱体は複数用いてもよい。
上記実施形態および上記各変形例の水素加熱装置では発熱体を用いているが、発熱体は複数用いてもよい。
【0129】
図２３に示すように、水素利用システム１９０は、水素加熱装置１９１と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置１９１は、複数の発熱体１４、複数の発熱体１４を収容する密閉容器１９３、および、非透過ガス回収ライン１４９などを備える。複数の発熱体１４は、それぞれ板状に形成されている。複数の発熱体１４は、面同士が対面するように互いに隙間を設けて配列されている。この例では、６つの発熱体１４が密閉容器１９３の内部に配列されている（図２３および図２４参照）。密閉容器１９３の外周には温度調節部（図示なし）のヒータ１６ｂが設けられている。ヒータ１６ｂは、図示しない電源から電力が入力されることにより、複数の発熱体１４を加熱する。
【0130】
密閉容器１９３には、複数の導入口２３と、複数の導出口２４と、複数の非透過ガス回収口１５１とが設けられている。導入口２３は、非透過ガス回収口１５１と対向する位置に配置されている。導出口２４と非透過ガス回収口１５１とは、複数の発熱体１４の配列方向に交互に配置されている。複数の導入口２３は、例えばガス導入用分岐管（図示なし）を用いて導入ライン２９と接続される。複数の導出口２４は、例えばガス導入用分岐管（図示なし）を用いて導出ライン３０と接続される。
【0131】
密閉容器１９３は、複数の発熱体１４により仕切られた複数の第１室１９４および複数の第２室１９５を有する。第１室１９４と第２室１９５とは、面同士が対面した発熱体１４間の隙間であり、複数の発熱体１４の配列方向に交互に配置されている。第１室１９４は導入口２３と非透過ガス回収口１５１とを有する。第２室１９５は導出口２４を有する。第１室１９４は、水素系ガスが導入ライン２９から導入されることにより昇圧される。第２室１９５は、水素系ガスが導出ライン３０へ導出されることにより減圧される。これにより、第１室１９４の水素の圧力は、第２室１９５の水素の圧力よりも高くされる。
【0132】
図２４に示すように、第１室１９４と第２室１９５との間に生じる水素の圧力差によって、第１室１９４に導入された水素系ガスの一部は、所定数の積層体１４ａが積層された発熱体１４を透過し、第２室１９５へ移動し、導出ライン３０に導出される。一方、第１室１９４に導入された水素系ガスのうち、発熱体１４を透過しなかった非透過ガスは、非透過ガス回収ライン１４９に回収される。各発熱体１４は、水素系ガスが透過することにより、それぞれ過剰熱を発生する。したがって、水素加熱装置１９１でも、上記実施形態と同様に、複数の積層体１４ａの積層数を予め所定数に設定することにより、所定温度の水素系ガスを得ることができる。さらに、この水素加熱装置１９１では、複数の発熱体１４を備えることにより過剰熱の出力の増大を図ることができる。
【0133】
なお、上記第１０変形例では、発熱体１４を透過しなかった非透過ガスを非透過ガス回収ライン１４９で回収して導入ライン２９へ戻すことにより非透過ガスの循環を行うようにしたが、本発明はこれに限らず、非透過ガス回収ライン１４９を設けずに、非透過ガスの循環を行わない水素加熱装置としてもよい。この場合、第１室１９４は、導入口２３と対向する位置に非透過ガス回収口１５１が設けられず、導入口２３のみが設けられた構成となる。
【0134】
そして、第１室１９４に導入された水素系ガスは、発熱体１４を透過し、第２室１９５へ移動し、導出ライン３０に導出される。水素系ガスは、発熱体１４の各積層体１４ａを透過することにより、各積層体１４ａで過剰熱を発生させるとともに、これら積層体１４ａで発生する過剰熱で加熱されて第２室１９５へと移動する。したがって、この水素加熱装置でも、上記第１０変形例と同様に、複数の積層体１４ａの積層数を予め所定数に設定することにより、所定温度の水素系ガスを得ることができる。
【0135】
なお、上記第１０変形例においては、板状の発熱体１４を複数設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、図１１および図１７に示した有底筒状の発熱体９０や、図１３に示した発熱体９８、図１８に示した筒状の発熱体１６０などを複数設けた水素加熱装置としてもよく、または、有底筒状の発熱体９０や筒状の発熱体１６０などの構成が異なる複数の発熱体を混在させて設けた水素加熱装置としてもよい。
【0136】
また、１つの密閉容器の内部に、発熱体１４、発熱体９０、発熱体９８、およびまたは、発熱体１６０などの発熱体を複数設けた場合には、密閉容器内で発熱体ごとに独立して温度の調節を行うようにしてもよい。例えば、１つの密閉容器内に複数の発熱体９０を設けた場合、１つの発熱体９０に１つの温度センサとヒータとが設けられる。すなわち、１つの温度センサにより１つの発熱体９０の温度を検出する。複数の温度センサは、制御部１８と電気的に接続しており、検出した各発熱体９０の温度に対応する信号を制御部１８に出力する。制御部１８は、各温度センサが検出した温度に基づいて、各ヒータの出力の制御を独立に行う。したがって、このような水素加熱装置では、発熱体９０ごとに独立して温度の調節が行われ、複数の発熱体９０が発熱に適正な温度に維持されるので、過剰熱の出力の安定化が図れる。
【0137】
また、発熱体１４、発熱体９０、発熱体９８、およびまたは、発熱体１６０などの発熱体を複数設ける場合には、発熱体をそれぞれ異なる密閉容器内に設けるようにしてもよい。さらに、発熱体ごと、または密閉容器ごとに流量調整弁を設け、流量調整弁によって各発熱体に導入される水素系ガスの流量を制御するようにしてもよい。
【0138】
また、発熱体を透過した水素系ガスをサンプリングし、サンプリングした水素系ガスを分析し、その分析結果に基づいて発熱制御を行うようにしてもよい。例えば、図１２に示したように、１つの発熱体９０が１つの密閉容器１５内に設けられている構成を一例に説明すると、この場合、発熱体９０を内部に有する密閉容器１５が複数設けられた構成となる。そして、発熱体９０が設けられた密閉容器１５ごとに分析部を設け、密閉容器１５ごとに、発熱体９０を透過した水素系ガスをサンプリングし、サンプリングした水素系ガスの分析を分析部によって行う。
【0139】
分析部は、発熱体９０を透過した後の水素系ガスを分析することによって、例えば、発熱体９０の発熱反応により生じる特有の発生ガスが、水素系ガスに含まれているか否かを特定する。このような水素加熱装置であれば、分析部の分析結果に基づいて、密閉容器１５ごとに水素系ガスの流量を制御部１８（図示せず）によって調整することにより、発熱体９０の温度を発熱に適正な温度に維持する発熱制御を行うことができる。
【0140】
また、その他、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の電気抵抗を測定し、測定した電気抵抗の値に基づいて発熱制御を行うようにしてもよい。例えば、複数の発熱体９０を設けた例で説明すると、この場合、発熱体９０ごとに電気抵抗測定部を設け、当該電気抵抗測定部によって発熱体９０の水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の電気抵抗を測定する。ここで、発熱体９０は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の水素吸蔵量が多いほど、発熱反応が起こり易い状態とされる。また、発熱体９０は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の水素吸蔵量が多いほど、電気抵抗が小さくなる。このため、発熱体９０の水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の電気抵抗を測定することにより、水素吸蔵量を推定することができる。複数の電気抵抗測定部は、制御部１８と電気的に接続しており、電気抵抗の測定結果を制御部１８に出力する。
【0141】
制御部１８は、電気抵抗測定部が測定した電気抵抗の値に基づいて、発熱体９０ごとに水素系ガスの循環流量を調整することにより、発熱体９０の温度を発熱に適正な温度に維持する発熱制御を行うことができる。
【0142】
［第１１変形例］
図２５に示すように、水素加熱装置２５６は、発熱体１４と、発熱体１４の温度を検出する複数の温度センサ２５７ａ～２５７ｃと、発熱体１４の表面に水素系ガスを噴射する複数のノズル部２５８ａ～２５８ｃとを備える。なお、ここでは、導出ライン３０に接続される水素利用装置などのその他の構成については説明が重複するため省略し、上記実施形態や変形例と異なる構成に着目して以下説明する。
図２５に示すように、水素加熱装置２５６は、発熱体１４と、発熱体１４の温度を検出する複数の温度センサ２５７ａ～２５７ｃと、発熱体１４の表面に水素系ガスを噴射する複数のノズル部２５８ａ～２５８ｃとを備える。なお、ここでは、導出ライン３０に接続される水素利用装置などのその他の構成については説明が重複するため省略し、上記実施形態や変形例と異なる構成に着目して以下説明する。
【0143】
この例では、１つの発熱体１４に対し、複数のノズル部２５８ａ～２５８ｃから水素系ガスを噴射する。なお、図２５では、一例として、３つの温度センサ２５７ａ～２５７ｃと、３つのノズル部２５８ａ～２５８ｃとを示しているが、実際には、温度センサ２５７ａ～２５７ｃおよびノズル部２５８ａ～２５８ｃは、３行３列などのようにアレイ状に配置されることが望ましい。
【0144】
この場合、発熱体１４の裏面に温度センサ２５７ａ～２５７ｃが等間隔に２次元状に配置される。発熱体１４には、温度センサ２５７ａ～２５７ｃごとに設定された、温度センサが温度を検出可能な温度測定対象エリアが定められており、温度センサ２５７ａ～２５７ｃごとに対応する温度測定対象エリアの各温度が検出される。例えば、温度センサ２５７ａは、発熱体１４の裏面において所定の１つの温度測定対象エリアの温度を検出する。以降の説明において、温度センサ２５７ａ～２５７ｃを区別しない場合には、温度センサ２５７と記載する。
【0145】
複数のノズル部２５８ａ～２５８ｃは、温度測定対象エリアごとに配置される。以降の説明において、ノズル部２５８ａ～２５８ｃを区別しない場合には、ノズル部２５８と記載する。
【0146】
温度センサ２５７は、制御部１８と電気的に接続しており、温度測定対象エリアの温度に対応する信号を制御部１８に出力する。ノズル部２５８は、密閉容器１５の導入口２３に設けられた取付プレート２５９に取り付けられる。ノズル部２５８は、導入口２３を介して導入ライン２９と接続しており、発熱体１４の表面に水素系ガスを噴射する。
【0147】
水素加熱装置２５６は、制御部１８と、ガス導入用分岐管２０８と、複数の流量調整弁２３７とをさらに備える。ガス導入用分岐管２０８は、一端が導入ライン２９と接続し、他端が分岐して複数のノズル部２５８と接続する。ガス導入用分岐管２０８と複数のノズル部２５８とは着脱自在である。複数の流量調整弁２３７は、ガス導入用分岐管２０８に設けられている。水素加熱装置２５６は、１つのノズル部２５８に対し１つの流量調整弁２３７を備えることにより、ノズル部２５８ごとに水素系ガスの流量を制御できるようにしたものである。
【0148】
制御部１８は、複数の温度センサ２５７が検出した温度に基づいて、水素系ガスを噴射させるノズル部２５８を変更する変更制御を行う。以下、変更制御について説明する。
【0149】
水素加熱装置２５６の作動が開始されると、制御部１８は、ヒータ（図示なし）への入力電力と全ての流量調整弁２３７の開度とを予め定められた初期設定値とする。これにより、発熱体１４の温度は、発熱に適正な温度まで上昇する。初期設定値では、全てのノズル部２５８から水素系ガスが噴射される。なお、ヒータ（図示なし）は、例えば、上記実施形態の水素加熱装置１１のように密閉容器１５の外周に設けられている。
【0150】
制御部１８は、各温度センサ２５７が検出した温度を取得し、取得した各温度と基準温度とをそれぞれ比較する。基準温度は、例えば温度測定対象エリアにおいて過剰熱を発生していないと推定できる温度である。基準温度は、温度測定対象エリアごとに、制御部１８に予め記憶されている。
【0151】
制御部１８は、温度センサ２５７から取得した温度が基準温度以下である場合、温度が取得された温度測定対象エリアにおいて過剰熱が発生していないと判定する。制御部１８は、ヒータ（図示なし）への入力電力と、過剰熱が発生していないと判定された温度測定対象エリアに対応する流量調整弁２３７の開度とを初期設定値のまま維持する。これにより、発熱体１４のうち過剰熱が発生していない温度測定対象エリアにおける過剰熱の発生を促すことができる。
【0152】
一方、制御部１８は、温度センサ２５７から取得した温度が基準温度を超える場合、温度が取得された温度測定対象エリアにおいて過剰熱が発生していると判定する。制御部１８は、過剰熱が発生していると判定された温度測定対象エリアに対応する流量調整弁２３７の開度を大きくすることにより、ノズル部２５８から温度測定対象エリアへ噴射させる水素系ガスの流量を増大させる。過剰熱の発生により上昇した温度測定対象エリアの温度は、水素系ガスの流量が増大することによって、発熱に適正な温度に戻される。これにより、過剰熱が発生している温度測定対象エリアに対し、過剰熱の出力を増大させることができる。
【0153】
水素加熱装置２５６は、複数の温度測定対象エリアごとに変更制御を行うことによって、時間の経過とともに変化する発熱体１４の発熱状況に応じて、水素系ガスを噴射するノズル部２５８を変更するので、発熱体１４の過剰熱の出力の安定化が図れる。
【0154】
なお、水素加熱装置２５６は、過剰熱を発していない温度測定対象エリアと、過剰熱を発している温度測定対象エリアとのうち、過剰熱を発していない温度測定対象エリアに対して発熱制御を行ってもよい。これにより、過剰熱を発している温度測定対象エリアの数を増やすことができるので、発熱体１４全体および装置全体の過剰熱の出力を増大させることができる。
【0155】
水素加熱装置２５６は、複数の発熱体１４を備えるものでもよい。発熱体１４ごとに変更制御を行うことによって、装置全体の過剰熱の出力をより増大させることができる。
【0156】
［実験］
上記第５変形例の水素加熱装置１２１（図１４参照）の構成を一部変更して実験用水素加熱装置を準備した。実験用水素加熱装置を用いて、１つの積層体からなる発熱体の過剰熱を評価する実験を行った。まず実験用水素加熱装置について説明し、その後に実験方法および実験結果について説明する。
上記第５変形例の水素加熱装置１２１（図１４参照）の構成を一部変更して実験用水素加熱装置を準備した。実験用水素加熱装置を用いて、１つの積層体からなる発熱体の過剰熱を評価する実験を行った。まず実験用水素加熱装置について説明し、その後に実験方法および実験結果について説明する。
【0157】
上記第５変形例の水素加熱装置１２１では、取付管１２５の外周にヒータ１６ｂとしての電熱線が巻き付けられているが、実験用水素加熱装置では、密閉容器の外周を覆うように電気炉を配置した。また、実験用水素加熱装置では、支持体の両面に多層膜を設けた１つの積層体からなる発熱体を用いた。
【0158】
実験用水素加熱装置について具体的に説明する。実験用水素加熱装置は、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する１つの積層体からなる発熱体と、発熱体により仕切られた第１室および第２室を有する密閉容器と、発熱体の温度を調節する温度調節部とを備えている。
【0159】
発熱体について説明する。発熱体は、板状の支持体の両面に多層膜を設けた積層体を１つだけ設けたものである。積層体の多層膜の構成が異なる２種の発熱体を作製し、実験例２６および実験例２７とした。支持体としては、Niからなり、直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの基板を用いた。支持体は、真空中で９００℃、７２時間の真空アニールを行った後、両面を濃硝酸でエッチングしたものを準備した。
【0160】
イオンビームスパッタ装置を用いて、支持体の両面に多層膜を形成した。実験例２６の多層膜は、Cuからなる第１層とNiからなる第２層とを有する。実験例２６の第１層と第２層との積層構成の数（多層膜での積層数）は６とした。実験例２７の多層膜は、Cuからなる第１層とNiからなる第２層とCaOからなる第３層とを有する。実験例２７の第１層と第２層と第３層との積層構成の数（多層膜での積層数）は６とした。
【0161】
密閉容器について説明する。密閉容器は、石英ガラス管、石英ガラス管の内部を真空排気するための真空配管、石英ガラス管の内部に発熱体を設置するための取付管などで構成されている。石英ガラス管は、先端が封止され、基端が開口している。
【0162】
真空配管は、石英ガラス管の基端と接続している。真空配管には、石英ガラス管の内部のガスを回収するための回収ラインが接続されている。ここでは、発熱体から過剰熱が発生するか否かを確認するために、密閉容器から導出した水素系ガスを、回収ラインにより回収して再び密閉容器内に戻す構成とした。回収ラインには、ターボ分子ポンプおよびドライポンプを有する真空排気部と、石英ガラス管の内部の圧力を検出する圧力センサと、水素が発熱体を透過する透過量（水素透過量）を測定するための真空ゲージとが設けられている。なお、真空排気部は取付管と非接続である。このため取付管の内部は真空排気されない。
【0163】
取付管は、真空配管を通じて石英ガラス管の内部に挿入され、一端が真空配管の外部（石英ガラス管の外部）に配され、他端が石英ガラス管の内部に配されている。取付管はＳＵＳで形成されている。
【0164】
取付管の一端には、当該取付管の内部に水素系ガスを導入するための導入ラインが接続されている。導入ラインには、水素系ガスを貯留する水素ボンベと、取付管の内部の圧力を検出する圧力センサと、取付管への水素系ガスの供給および停止を行うための水素供給バルブと、圧力を調整するためのレギュレータバルブとが設けられている。
【0165】
取付管の他端には、発熱体を着脱可能とするＶＣＲ継手が設けられている。ＶＣＲ継手は、発熱体が配置される位置に、当該ＶＣＲ継手の内周面と外周面とを貫通する２つのリーク穴を有する。発熱体は、２枚のＳＵＳ製ガスケットに挟まれた状態で、ＶＣＲ継手の内部に配置される。
【0166】
密閉容器では、発熱体により取付管の内部空間と石英ガラス管の内部空間とが仕切られている。取付管の内部空間は、水素系ガスの導入により昇圧される。石英ガラス管の内部空間は、ガスの真空排気により減圧される。これにより、取付管の内部空間の水素の圧力は、石英ガラス管の内部空間の水素の圧力よりも高くされる。取付管の内部空間は第１室として機能し、石英ガラス管の内部空間は第２室として機能する。
【0167】
発熱体の両側に圧力差が生じることにより、高圧側である取付管の内部空間から低圧側である石英ガラス管の内部空間へ水素が透過する。上記したように、発熱体は、水素を透過させる過程において、高圧側に配された一方の面（表面）から水素を吸蔵することによって発熱し、低圧側に配された他方の面（裏面）から水素を放出することによって過剰熱を発生する。
【0168】
温度調節部について説明する。温度調節部は、発熱体の温度を検出する温度センサと、発熱体を加熱するヒータと、温度センサが検出した温度に基づいてヒータの出力の制御を行う出力制御部とを有する。温度センサとして熱電対（Ｋ型シース熱電対）を用いた。実験では２つの熱電対（第１の熱電対および第２の熱電対）を準備し、ＶＣＲ継手の２つのリーク穴のそれぞれに挿入した。２つの熱電対を発熱体に接触させ、発熱体の温度の測定を行った。ヒータとして電気炉を用いた。電気炉は石英ガラス管の外周を覆うように配置される。電気炉には制御用熱電対が設けられている。出力制御部は、制御用熱電対と電気炉とに電気的に接続しており、制御用熱電対で検出した温度に基づき電気炉を所定の電圧で駆動する。電気炉は１００Ｖの交流電源で駆動される。電力計を用いて電気炉への入力電力の測定を行う。
【0169】
次に、実験方法および実験結果について説明する。発熱体を２枚のＳＵＳ製ガスケット間に挟み、ＶＣＲ継手を用いて取付管の他端に固定し、石英ガラス管の内部に配置した。実験を開始する前に、３日間、３００℃で発熱体のベーキングを行った。
【0170】
実験は上記のベーキング後に開始した。水素供給バルブを開いて取付管への水素系ガスの供給を行い、レギュレータバルブを用いて第１室（取付管の内部空間）の圧力（水素供給圧力ともいう）を１００ｋＰａに調整した。石英ガラス管の真空排気を行い、第２室（石英ガラス管の内部空間）の圧力を１×１０－４［Ｐａ］に調整した。電気炉を駆動し、所定の設定温度で発熱体の加熱を行った。設定温度は、約半日ごとに変更し、３００℃から９００℃の範囲内で段階的に上昇させた。
【0171】
実験例２６および実験例２７の実験に先立って参照実験を行った。参照実験では、支持体（直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのNi基板）のみの参照実験用サンプルを作製し、これを用いた。参照実験は、参照実験用サンプルを変えて２回実施した。
【0172】
図２６は、参照実験における水素透過量と水素供給圧力とサンプル温度との関係を示すグラフである。図２６において、横軸は時間（ｈ）、左側の第１縦軸は水素透過量（ＳＣＣＭ）、右側の第２縦軸は水素供給圧力（ｋＰａ）、第１のサンプル温度（℃）、第２のサンプル温度（℃）を示す。水素透過量は、流量校正済の真空ゲージの値から計算した。第１のサンプル温度は第１の熱電対の検出温度であり、第２のサンプル温度は第２の熱電対の検出温度である。図２６より、第１のサンプル温度と第２のサンプル温度とが略一致し、参照実験用サンプルの温度を正確に測定できていることが確認できた。また、参照実験用サンプルの温度上昇に応じて水素透過量が増加することも確認できた。なお、図２６は１回目の参照実験の結果である。２回目の参照実験の結果は、１回目の参照実験の結果と略同じであったため、説明を省略する。
【0173】
図２７は、参照実験におけるサンプル温度と入力電力の関係を示したグラフである。図２７において、横軸はサンプル温度（℃）、縦軸は入力電力（Ｗ）を示す。入力電力は、電気炉への入力電力のことである。交流電源のＯＮ／ＯＦＦ制御により電力計の測定値が大きく変動するため、測定値を設定温度ごとに積算し、その傾きに基づき入力電力を算出した。入力電力の算出は、設定温度の変更後、十分に時間が経過して電力計の測定値が安定した領域について行った。前述の領域ごとに第１の熱電対の検出温度の平均値と第２の熱電対の検出温度の平均値を求め、これら２つの平均値の平均をサンプル温度とした。図２７は、２回の参照実験の結果をプロットしたものであり、最小二乗法を用いて作成したキャリブレーションカーブである。図２７中、Ｙはキャリブレーションカーブを表す関数を示し、Ｍ０は定数項を示し、Ｍ１は１次の係数を示し、Ｍ２は２次の係数を示し、Ｒは相関係数を示す。この参照実験の結果を基準として、実験例２６および実験例２７の過剰熱の評価を行った。
【0174】
図２８は、実験例２６における発熱体温度と過剰熱の関係を示すグラフである。図２８において、横軸は発熱体温度（℃）、縦軸は過剰熱（Ｗ）を示す。参照実験のサンプル温度の算出方法と同じ方法で第１の熱電対の検出温度の平均値と第２の熱電対の検出温度の平均値とを求め、これら２つの平均値の平均を発熱体温度とした。過剰熱の求め方について説明する。まず、特定の入力電力での発熱体温度を測定する（測定温度という）。次に、図２７に示すキャリブレーションカーブを用いて、測定温度に対応する参照実験の入力電力（換算電力という）を求める。そして、換算電力と特定の入力電力との差分を求め、これを過剰熱の電力とした。なお、特定の入力電力の算出方法は、参照実験における入力電力の算出方法と同じである。図２８では過剰熱の電力を「過剰熱（Ｗ）」と表記している。図２８より、発熱体温度が３００℃から９００℃の範囲内で過剰熱が発生することが確認できた。過剰熱は、６００℃以下では最大２Ｗ程度であり、７００℃以上で増大し、８００℃付近で約１０Ｗ程度となることが確認できた。
【0175】
図２９は、実験例２７における発熱体温度と過剰熱の関係を示すグラフである。図２９において、横軸は発熱体温度（℃）、縦軸は過剰熱（Ｗ）を示す。図２９より、発熱体温度が２００℃から９００℃の範囲内で過剰熱が発生することが確認できた。過剰熱は、２００℃から６００℃の範囲内で最大４Ｗ程度であり、７００℃以上で増大し、８００℃付近で２０Ｗを超えることが確認できた。
【0176】
実験例２６と実験例２７とを比較すると、６００℃以下では実験例２７の方が過剰熱の発生量が多い傾向にあることがわかる。実験例２６と実験例２７とは、いずれも７００℃以上で過剰熱が増大する傾向にあることがわかる。７００℃以上では、実験例２７の過剰熱が実験例２６の過剰熱の約２倍に増大することがわかる。
【0177】
実験例１１（図９参照）と実験例２６（図２８参照）と実験例２７（図２９参照）の、８００℃付近の単位面積当たりの過剰熱を求めると、実験例１１では約０．５Ｗ／ｃｍ２であり、実験例２６では約５Ｗ／ｃｍ２であり、実験例２７では約１０Ｗ／ｃｍ２であった。この結果より、実験例１１に対し、実験例２６は約１０倍の過剰熱を発生し、実験例２７は約２０倍の過剰熱を発生することがわかった。
【0178】
以上より、１つの積層体だけからなる発熱体でも過剰熱が生じることから、この過剰熱によって水素系ガスを加熱できることがわかる。また、積層体の積層数が多くなるほど発熱体の厚みが厚くなり、水素系ガスが発熱体を透過するまでの距離が長くなるため、その分、加熱される時間も長くなり、積層体の積層数が多いほど発熱体を透過した後の水素系ガスの温度が高くなることがわかる。そのため、発熱体では、積層体の積層数を調整することで、発熱体によって加熱される水素系ガスの温度を調整できることがわかる。
【0179】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１室に導入されたガス中の水素の分圧と、第２室に導入されたガス中の水素の分圧とが異なるように構成されており、第１室と第２室との水素の圧力差を利用して、水素が発熱体を透過するようにしたものである。第２実施形態において、「水素の圧力」は「水素分圧」のことをいうものとする。
第２実施形態は、第１室に導入されたガス中の水素の分圧と、第２室に導入されたガス中の水素の分圧とが異なるように構成されており、第１室と第２室との水素の圧力差を利用して、水素が発熱体を透過するようにしたものである。第２実施形態において、「水素の圧力」は「水素分圧」のことをいうものとする。
【0180】
図３０に示すように、水素利用システム２６５は、水素加熱装置２６６と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置２６６は、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体２６８と、発熱体２６８により仕切られた第１室２６９および第２室２７０を有する密閉容器２７１と、発熱体２６８の温度を調節する温度調節部２７２とを備える。なお、第１室２６９と第２室２７０とを仕切る構造としては、発熱体２６８のみからなる場合に限られず、一部が発熱体２６８であり、その他の一部が金属や酸化物などの水素を遮蔽する壁構造でも良い。
【0181】
発熱体２６８は、有底円筒状に形成されている。発熱体２６８は、例えば、図１１に示した発熱体９０と同様の構成とすることができ、所定数の積層体９０ａが積層されている。すなわち、発熱体２６８は、有底筒状に形成された支持体の外面に多層膜が設けられた積層体が所定数だけ積層され、内側から外側に向けて支持体および多層膜が交互に配置されたものである。なお、支持体の内面側に多層膜を設け、内側から外側に向けて多層膜および支持体を交互に配置してもよいし、最も内側の支持体の内面と外面の両方に多層膜を設けてもよい。
【0182】
支持体は、有底円筒状に限られず、有底角筒状や平板状などとしてもよい。支持体は、水素を透過し、耐熱性および耐圧性を有する材料が好ましく、例えば支持体６１と同じ材料で形成することができる。多層膜は、例えば多層膜６２と同じ構成とすることができる。発熱体２６８の数は、この例では１つであるが、２つ以上としてもよい。
【0183】
密閉容器２７１は、中空の容器であり、内部に発熱体２６８を収容する。密閉容器２７１は、耐熱性および耐圧性を有する材料により形成されることが好ましい。密閉容器２７１の材料としては、例えば、金属やセラミックなどが用いられる。金属としては、Ni、Cu、Ti、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、セラミックなどが挙げられる。セラミックとしては、Al2O3、SiO2、SiC、ZnO2などが挙げられる。密閉容器２７１の外周を断熱材で覆うことが望ましい。発熱体２６８を収容した密閉容器２７１の数は、この例では１つであるが、２つ以上としてもよい。
【0184】
第１室２６９は、発熱体２６８の内面により形成されている。第１室２６９は、水素導入ライン２７３と接続する導入口２７４を有する。水素導入ライン２７３には、水素系ガスを貯留する水素タンク２７５が設けられている。第１室２６９には、導入口２７４を介して、水素導入ライン２７３を流通する水素系ガスが導入される。
【0185】
第２室２７０は、発熱体２６８の外面と密閉容器２７１の内面とにより形成されている。第２室２７０は、水素タンク２８０と接続する導入口２７７と、導出ライン２７６と接続する導出口２７８とを有する。導入口２７７からは、循環ブロワー２７９により水素タンク２８０の水素系ガスを第２室２７０（密閉容器２７１）に導入する。導出ライン２７６は、水素利用装置１２に接続されている。
【0186】
第１室２６９に導入された水素系ガスの水素分圧と、第２室２７０に導入された水素系ガスの水素分圧とは、図示しない水素センサにより測定される。第１室２６９の水素分圧は、第２室２７０の水素分圧の例えば１０～１００００倍とすることが望ましい。一例として、第１室２６９の水素分圧を１０ｋＰａ～１ＭＰａとし、第２室２７０の水素分圧を１Ｐａ～１０ｋＰａとする。これにより、第１室２６９の水素が発熱体２６８を透過して第２室２７０へ移動する。発熱体２６８は、水素が透過することにより過剰熱を発生する。第２室２７０に熱媒体が流通することにより、発熱体２６８の過剰熱を熱媒体に伝達させることができ、かつ、第１室２６９の水素分圧に対し、第２室２７０の水素分圧を低くすることができる。
【0187】
水素加熱装置２６６は、図示しない制御部を有し、この制御部により第１室２６９の水素分圧と第２室２７０の水素分圧とを制御するように構成されている。例えば、第１室２６９の水素分圧を上昇させ、第１室２６９と第２室２７０との水素分圧の差を大きくすることにより、水素透過量を増加させ、発熱体２６８の過剰熱の発生を促進することができる。また、第１室２６９の水素分圧を低下させ、第１室２６９と第２室２７０との水素分圧の差を小さくすることにより、水素透過量を減少させ、発熱体２６８の過剰熱の発生を抑制することができる。第１室２６９の水素分圧を変化させる代わりに、第２室２７０の水素分圧を低下または上昇させることにより、発熱体２６８の過剰熱の発生を促進または抑制することも可能である。第１室２６９の水素分圧と第２室２７０の水素分圧との両方を変化させてもよい。なお、導入口２７７における水素系ガスの流量や温度を変化させることにより、発熱体２６８の過剰熱の発生を調整することもできる。
【0188】
温度調節部２７２は、発熱体２６８の温度を検出する温度センサ２８１と、発熱体２６８を加熱するヒータ２８２と、温度センサ２８１が検出した温度に基づいてヒータ２８２の出力の制御を行う出力制御部２８３とを有する。温度センサ２８１は、図３０では発熱体２６８の外面に設けられているが、発熱体２６８の温度を推定できる部分の温度を検出するようにしてもよい。ヒータ２８２は、水素加熱装置２６６の作動開始時や発熱体２６８の温度が低下した際に作動される。ヒータ２８２は、水素タンク２８０からの水素系ガスを加熱し、加熱された水素系ガスを第２室２７０へ導入させ、発熱体２６８を加熱させる。
【0189】
水素加熱装置２６６は、発熱体２６８から過剰熱を発生させ、当該発熱体２６８により加熱された水素系ガスを、導出ライン２７６を介して水素利用装置１２に送り、水素利用装置１２において有効に利用させることができる。
【0190】
以上のように、水素加熱装置２６６は、発熱体２６８の積層体の積層数を所定数に設定しておくことで、水素系ガスの温度を所定の温度まで昇温させる構成とする他、第１室内２６９と第２室内２７０との水素分圧の差を利用して水素が発熱体２６８を透過するように構成した。このため、水素加熱装置２６６では、上記実施形態と同様の効果を奏する他、例えば第２室内２７０を真空状態とするなどして、第１室内２６９と第２室内２７０との間で、圧力センサで得られる見かけの圧力の差を発生させる必要がない。したがって、水素加熱装置２６６は変形や破損の危険性が低減されている。
【0191】
［第３実施形態］
上記の第１実施形態および第２実施形態では、密閉容器の内部に第１室と第２室とを設け、第１室から発熱体を介して第２室に向けて水素系ガスが流通させて、水素系ガスが発熱体を透過する構成とし、発熱体で発生した過剰熱で水素系ガスを加熱する水素加熱装置について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、図３１に示すように、密閉容器３０２の内部に第１室および第２室を設けずに、密閉容器３０２の内部に設けた発熱体１４において過剰熱を発生させる構成とし、当該発熱体に設けた積層体の積層数を調整することで水素系ガスの温度を調整する水素加熱装置３０１であってもよい。
上記の第１実施形態および第２実施形態では、密閉容器の内部に第１室と第２室とを設け、第１室から発熱体を介して第２室に向けて水素系ガスが流通させて、水素系ガスが発熱体を透過する構成とし、発熱体で発生した過剰熱で水素系ガスを加熱する水素加熱装置について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、図３１に示すように、密閉容器３０２の内部に第１室および第２室を設けずに、密閉容器３０２の内部に設けた発熱体１４において過剰熱を発生させる構成とし、当該発熱体に設けた積層体の積層数を調整することで水素系ガスの温度を調整する水素加熱装置３０１であってもよい。
【0192】
図３１は、第３実施形態に係る水素加熱装置３０１の概略図を示す。この場合、水素利用システム３００は、水素加熱装置３０１と水素利用装置１２とを備える。水素加熱装置３０１は、水素系ガスが導入される密閉容器３０２と、密閉容器３０２の内部に設けられた発熱構造体３０３と、発熱構造体３０３の発熱体１４の温度を調節する温度調節部３２０とを備える。水素加熱装置３０１は、上記第１実施形態と同様に、水素系ガスが密閉容器３０２に導入された後に、発熱構造体３０３において発熱体１４が、温度調節部３２０により加熱されることで、当該発熱体１４で過剰熱を発するものである。なお、発熱体１４の構成は、上記第１実施形態と同じであることから、説明の重複を避けるため、ここではその説明は省略する。
【0193】
密閉容器３０２は、例えばステンレス（SUS306やSUS316）等で形成されている。３０２ａは、コバールガラス等の透明部材で形成された窓部であり、密閉容器３０２内の密封状態を維持しつつ、密閉容器３０２内の様子を作業者が直接目視確認し得るようになされている。密閉容器３０２には、導入ライン３１６が設けられており、当該導入ライン３１６から調整弁３１７ａ，３１７ｂを介して密閉容器３０２の内部に水素系ガスが導入される。その後、密閉容器３０２は、調整弁３１７ａ，３１７ｂにより導入ライン３１６からの水素系ガスの導入が停止され、密閉容器３０２の内部に一定量の水素系ガスが貯留される。なお、３１９はドライポンプであり、必要に応じて導出ライン３１８および調整弁３１７ｃを介して密閉容器３０２内のガスを密閉容器３０２外へ導出し、真空排気や圧力調整等を行え得る。
【0194】
温度調節部３２０は、発熱体１４の温度を調節し、発熱に適正な温度に維持する。発熱体１４において発熱に適正な温度は、例えば５０℃以上１０００℃以下の範囲内である。温度調節部３２０は、温度センサ３１１ａ，３１１ｂ，３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃと、発熱体１４を加熱するヒータ（図示せず）とを有する。
【0195】
本の実施形態の場合、温度センサ３１１ａ，３１１ｂは、密閉容器３０２の内壁に沿って設けられており、当該内壁の温度を測定する。他の温度センサ３１２ａ～３１２ｃは、発熱構造体３０３において発熱体１４を保持するホルダー３０４に設けられており、当該ホルダー３０４における温度を測定する。なお、温度センサ３１２ａ～３１２ｃは、それぞれ長さが異なっており、例えば、ホルダー３０４において、発熱体１４に近い下段、発熱体１４から離れた上段、下段および上段の中間にある中段の各部位の温度を測定する。
【0196】
温度センサ３１１ａ，３１１ｂ，３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃは、図示しない制御部１８と電気的に接続しており、検出した温度に対応する信号を制御部に出力する。
【0197】
発熱体１４を加熱するヒータは、例えば電気抵抗発熱式の電熱線であり、密閉容器３０２の外周に巻き付けられたり、或いは、ホルダー３０４に設置されたりされている。ヒータは、電源３１３と電気的に接続しており、電源３１３から電力が入力されることにより発熱する。なお、ヒータは密閉容器３０２の外周を覆うように配置される電気炉でもよい。また、その他としては、導入ライン３１６にヒータを設けて、導入ライン３１６を流通する水素系ガスを当該ヒータで加熱することにより発熱体１４を加熱するようにしてもよい。
【0198】
本実施形態では、例えば、ホルダー３０４にヒータが設けられており、当該ヒータと電源３１３とが配線３１０ａ，３１０ｂで接続されている。３１４は、配線３１０ａ，３１０ｂに設けられた電流電圧計であり、ヒータを加熱する際に当該ヒータに対して印加する入力電流・入力電力を測定し得る。
【0199】
次に発熱構造体３０３について説明する。図３２に示すように、発熱構造体３０３は、一対のホルダー半体３０４ａ，３０４ｂで構成されたホルダー３０４を有しており、支持体６１および多層膜６２でなる複数の積層体１４ａが積層された発熱体１４がホルダー半体３０４ａ，３０４ｂにより挟み込まれた構成を有する。なお、ヒータは、図示していないが、例えば、板状のセラミックヒータなどであり、ホルダー３０４の所定位置に設けられている。なお、ヒータを発熱体１４とともにホルダー半体３０４ａ，３０４ｂにより挟み込んだ構成としてもよい。
【0200】
ホルダー３０４を構成する一方のホルダー半体３０４ａは、セラミックスにより長方形状に形成されており、所定位置に開口部３０９ａが形成されている。一方のホルダー半体３０４ａでは、開口部３０９ａに発熱体１４が配置され、当該開口部３０９ａの領域から当該発熱体１４を露出させる。他方のホルダー半体３０４ｂは、一方のホルダー半体３０４ａと同様、セラミックスにより長方形状に形成されている。他方のホルダー半体３０４ｂには、一方のホルダー半体３０４ａと重ねて一体化した際に、一方のホルダー半体３０４ａの開口部３０９ａと重なる位置に開口部３０９ｂが設けられている。
【0201】
他方のホルダー半体３０４ｂには、一方のホルダー半体３０４ａと当接する当接面３０９ｄの開口部３０９ｂ周縁に段差部３０９ｃが設けられている。段差部３０９ｃには、発熱体１４が嵌め込まれて位置決めされる。これにより、他方のホルダー半体３０４ｂでは、段差部３０９ｃに発熱体１４が嵌め込まれることで、開口部３０９ｂに発熱体１４が配置され、当該開口部３０９ｂの領域から当該発熱体１４が露出する。段差部３０９ｃに嵌め込まれた発熱体１４は、ホルダー半体３０４ａ，３０４ｂ同士を重ね合わせた際に、一方のホルダー半体３０４ａにおける開口部３０９ａ周縁の当接面により抑えられ、当該段差部３０９ｃ内に収容され、ホルダー３０４に内蔵される。
【0202】
以上、第３実施形態に係る水素加熱装置３０１でも、上記の第１実施形態と同様に、発熱体１４において水素が吸蔵されるとともに水素が放出され、発熱体１４で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して過剰熱が発生する。水素系ガスは、発熱体１４において、発熱体１４で発生した過剰熱により加熱される。水素系ガスは、発熱体１４の厚みが厚いほど、発熱体１４で発生する過剰熱により加熱され易く、水素系ガスの温度が高くなる。
【0203】
したがって、この水素加熱装置で３０１でも、上記第１実施形態と同様に、複数の積層体１４ａの積層数を予め所定数に設定することにより、所定温度の水素系ガスを得ることができる。よって、水素加熱装置３０１では、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体を用いて水素系ガスを加熱するので、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して、加熱した水素系ガスを供給することができる。
【0204】
なお、発熱体は、板状、筒状に形成されたものに限られない。例えば、発熱体の各積層体は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成された粉体を、水素を透過する材料（例えば、多孔質体、水素透過膜、およびプロトン導電体）により形成された容器に収容したものでもよい。
【0205】
水素加熱装置は、上記各実施形態および上記各変形例で説明したものに限定されず、上記各実施形態および上記各変形例の水素加熱装置を適宜組み合わせることによって構成してもよい。また、例えば、導出ライン３０にポンプ３３を設けて密閉容器１５内を所定の圧力にし、水素系ガスを水素利用装置１２へ送るようにしたが、本発明はこれに限らず、導入ライン２９にポンプ３３を設けて密閉容器１５内を所定の圧力にし、水素系ガスを水素利用装置１２へ送るようにしてもよい。
【符号の説明】
【0206】
11，96，121，146，156，166，191，256，266，301 水素加熱装置
12 水素利用装置
14，74，75，80，90，98，160，268 発熱体
15，123，173，193，271，302 密閉容器
16 温度調節部
21，126，184，194，269 第１室
22，127，185，195，270 第２室
61，91，91a 支持体
62，92 多層膜
71 第１層
72 第２層
77 第３層
82 第４層
12 水素利用装置
14，74，75，80，90，98，160，268 発熱体
15，123，173，193，271，302 密閉容器
16 温度調節部
21，126，184，194，269 第１室
22，127，185，195，270 第２室
61，91，91a 支持体
62，92 多層膜
71 第１層
72 第２層
77 第３層
82 第４層
【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】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】