特開 2025-140912 発熱構造体及び発熱装置

(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】P2025140912

(43)【公開日】2025-09-29

(54)【発明の名称】発熱構造体及び発熱装置

(51)【国際特許分類】

   F24V 30/00 20180101AFI20250919BHJP

【ＦＩ】

F24V30/00 302

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024040560

(22)【出願日】2024-03-14

(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 允俊

(72)【発明者】

【氏名】相川 献治

(72)【発明者】

【氏名】吉野 英樹

(57)【要約】

【課題】発熱体の温度分布を均一化し、かつ、発熱面の面積を増大させることができる発熱構造体及び発熱装置を提供する。
【解決手段】発熱構造体８は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はプロトン導電体で形成された支持体と、支持体に設けられ水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜とを有する発熱体１４と、筒状に形成され、発熱体１４に囲まれた外周面１５ａを有するヒータ１５とを備える。発熱体１４は、外周面１５ａに対向して配置された内縁部５１と、外周面１５ａに対し内縁部５１よりもヒータ１５の中心軸線ＣＬに沿った第１方向に直交する第２方向に離間して配置された外縁部５２と、内縁部５１と外縁部５２とを接続し、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続して延びた発熱面５３とを有し、内縁部５１から外縁部５２へ熱伝導により熱を伝達させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はプロトン導電体で形成された支持体と、前記支持体に設けられ水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜とを有する発熱体と、
筒状に形成され、前記発熱体に囲まれた外周面を有するヒータと
を備え、
前記多層膜は、水素吸蔵金属又は水素吸蔵合金で形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金又はセラミックスで形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層とを有し、
前記発熱体は、前記外周面に対向して配置された内縁部と、前記外周面に対し前記内縁部よりも前記ヒータの中心軸線に沿った第１方向に直交する第２方向に離間して配置された外縁部と、前記内縁部と前記外縁部とを接続し、前記中心軸線を中心とする周方向に連続して延びた発熱面とを有し、前記内縁部から前記外縁部へ熱伝導により熱を伝達させる発熱構造体。

【請求項2】

前記内縁部及び前記外縁部は、前記周方向に連続的に延びており、
前記発熱面は、前記第１方向に直交する平面内に配置されている請求項１に記載の発熱構造体。

【請求項3】

前記発熱体は、前記第１方向に複数配置されている請求項２に記載の発熱構造体。

【請求項4】

前記第１方向に沿って配置された複数の前記発熱体のうち隣接する前記発熱体の間に設けられたスペーサーを備える請求項３に記載の発熱構造体。

【請求項5】

前記第１方向に沿って配置された複数の前記発熱体のうち前記第１方向の末端に配置された前記発熱体に隣接して設けられた一対の末端部材を備え、
前記スペーサーは、前記外周面に対し前記第２方向に離間して配置された第１枠部と、前記第１枠部から前記第１方向に突出して設けられ、前記発熱体の前記外縁部に当接している第１突出部とを有し、
前記末端部材は、前記外周面に当接している内枠部と、前記外周面に対し前記内枠部よりも前記第２方向に離間して配置された外枠部と、前記内枠部と前記外枠部とを連結する連結部と、前記外枠部から前記第１方向に突出して設けられ、前記発熱体の前記外縁部に当接している第２突出部とを有する請求項４に記載の発熱構造体。

【請求項6】

前記第１突出部は、前記周方向に間隔をあけて配置された複数の第１ピンで構成され、
前記第２突出部は、前記周方向に間隔をあけて配置された複数の第２ピンで構成されている請求項５に記載の発熱構造体。

【請求項7】

前記内縁部及び前記外縁部は、前記周方向に間欠的に複数配置されており、
前記発熱面は、前記周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている請求項１に記載の発熱構造体。

【請求項8】

前記発熱体の形状を保持する保持部を備え、
前記保持部は、前記発熱体の前記第１方向の端部が嵌合する溝部を有し、
前記溝部は、前記周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている請求項７に記載の発熱構造体。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１項に記載の発熱構造体と、
内部に前記発熱構造体を収容する密閉容器と、
前記密閉容器の内部に前記水素を含む水素系ガスを供給する供給部と、
前記密閉容器の内部の前記水素系ガスを排出する排出部と
を備える発熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発熱構造体及び発熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、水素を含むガスが供給される密閉容器と、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、円柱状のヒータとを備えた発熱装置が提案されている（特許文献１参照）。発熱体は、板状部材が渦巻き状に巻回されて構成された巻回発熱体であり、ヒータの外周面の一部を覆うように配置されている。発熱体及びヒータは、密閉容器に収容されている。発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はプロトン導電体で形成された台座と、台座に設けられた多層膜とを有する。多層膜は、水素吸蔵金属又は水素吸蔵合金で形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第１層と、第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はセラミックスで形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層とを有する。第１層と第２層との間には、異種物質界面が形成されている。特許文献１の発熱装置では、発熱体に水素が吸蔵された後、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ことにより、発熱体において水素が異種物質界面を量子拡散により透過し、或いは、水素が異種物質界面を量子拡散によって拡散し、過剰熱を発生する。

【0003】

一方で、本願発明者らは、発熱体の温度と過剰熱の発生との間に相関関係があり、発熱体の温度が高温であるほど過剰熱が多く発生する傾向にあることを見出した。発熱体の温度が高すぎると当該発熱体が融点に達して破損するため、ヒータにより発熱体を加熱する際は、発熱体の温度を均一かつ破損しない程度の高温にすることが望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０２３／１４９２２０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

発熱体は、多層膜の表面で構成される発熱面の面積を大きくすることにより、発熱量の増加が可能となる。真空排気された密閉容器の内部では気体の対流による熱伝達が期待できないため、ヒータから発熱体へ輻射により熱が伝わるとともに、発熱体の内部においては高温側から低温側へ熱伝導により熱が伝わる。このため、発熱体の発熱面の面積を大きくするほど、発熱体の高温側と低温側との間で温度差がつきやすくなるという問題があった。また、密閉容器の内部に複数の発熱体を配置した場合には、発熱体同士の発熱面が接触し、発熱量の低下や金属の熱拡散による発熱体同士の融着が生じるという問題があった。

【0006】

特許文献１の発熱装置は、円柱状のヒータの外周面が巻回発熱体に囲まれており、ヒータにより巻回発熱体を効率的に加熱できるように構成されている。しかしながら、特許文献１の発熱装置では、ヒータからの輻射熱が巻回発熱体の渦巻き方向の外周部に伝わり難いため、巻回発熱体の渦巻き方向の内周部と外周部との間に温度差が生じ、巻回発熱体の温度分布を均一化することが困難であった。また、巻回発熱体の巻き数を増やすほど巻回発熱体の内周部と外周部との温度差が大きくなるため、発熱面の面積を増大させることも困難であった。

【0007】

本発明は、発熱体の温度分布を均一化し、かつ、発熱面の面積を増大させることができる発熱構造体及び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】

【0008】

本発明に係る発熱構造体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はプロトン導電体で形成された支持体と、前記支持体に設けられ水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜とを有する発熱体と、筒状に形成され、前記発熱体に囲まれた外周面を有するヒータとを備え、前記多層膜は、水素吸蔵金属又は水素吸蔵合金で形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金又はセラミックスで形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層とを有し、前記発熱体は、前記外周面に対向して配置された内縁部と、前記外周面に対し前記内縁部よりも前記ヒータの中心軸線に沿った第１方向に直交する第２方向に離間して配置された外縁部と、前記内縁部と前記外縁部とを接続し、前記中心軸線を中心とする周方向に連続して延びた発熱面とを有し、前記内縁部から前記外縁部へ熱伝導により熱を伝達させる。

【0009】

本発明に係る発熱装置は、上記の発熱構造体と、内部に前記発熱構造体を収容する密閉容器と、前記密閉容器の内部に前記水素を含む水素系ガスを供給する供給部と、前記密閉容器の内部の前記水素系ガスを排出する排出部とを備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、発熱体の温度分布を均一化し、かつ、発熱面の面積を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る熱利用システムの構成を概略的に示す概念図である。

【図2】第１実施形態に係る発熱構造体の分解斜視図である。

【図3】発熱体の構成を示す断面図である。

【図4】第１実施形態に係る発熱構造体の温度分布を示すグラフである。

【図5】第２実施形態に係る発熱構造体の分解斜視図である。

【図6】第３実施形態に係る熱利用システムの構成を概略的に示す概念図である。

【図7】図６のVII－VII線に沿った発熱構造体の概略断面図である。

【図8】第３実施形態に係る発熱構造体の分解斜視図である。

【図9】第３実施形態に係る発熱構造体の温度分布を示すグラフである。

【図10】第４実施形態に係る熱利用システムの構成を概略的に示す概念図である。

【図11】第５実施形態に係る熱利用システムの構成を概略的に示す概念図である。

【図12】第６実施形態に係る熱利用システムの構成を概略的に示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。以下の説明及び図面では、共通の構成については共通の符号を付している。共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

【0013】

（１）第１実施形態に係る熱利用システム
図１において、熱利用システム１は、熱媒体が流通する配管経路２と、配管経路２を流通する熱媒体を加熱する発熱装置３と、発熱装置３により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置４とを備える。配管経路２に発熱装置３及び熱利用装置４が組み込まれている。配管経路２は、発熱装置３と熱利用装置４との間で密閉された循環路を形成する。

【0014】

熱媒体としては、気体又は液体を用いることができ、熱伝導率に優れかつ化学的に安定したものが好ましい。気体としては、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素などが用いられる。液体としては、例えば、水、溶融塩（ＫＮＯ_３（４０％）－ＮａＮＯ_３（６０％）など）、液体金属（Ｐｂなど）などが用いられる。また、熱媒体として、気体又は液体に固体粒子を分散させた混相の熱媒体を用いてもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、合金、セラミックスなどである。金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏなどが用いられる。金属化合物としては、上記金属の酸化物、窒化物、ケイ化物などが用いられる。合金としては、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼などが用いられる。セラミックスとしては、アルミナなどが用いられる。熱媒体は、本実施形態ではヘリウムガスが用いられるが、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。

【0015】

発熱装置３は、中空の密閉容器５と、密閉容器５に接続された水素タンク６と、密閉容器５に接続された真空ポンプ７と、密閉容器５に収容された発熱構造体８とを備える。

【0016】

密閉容器５は、耐熱性及び耐圧性を有する。密閉容器５は、例えば、ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼などから形成されている。密閉容器５の材料としては、使用温度に応じた材料が使用され、例えば、使用温度が７００℃程度までの場合はステンレス鋼が使用され、使用温度が７００℃を超える場合は耐熱性非鉄合金鋼が使用される。密閉容器５は、円筒状に形成されている。密閉容器５は、胴体と、胴体の上端に設けられた上蓋と、胴体の下端に設けられた下蓋とで構成される。胴体の上端が上蓋で気密に閉じられ、胴体の下端が下蓋で気密に閉じられることで、密閉容器５の内部に空間９が区画される。密閉容器５の形状は、円筒状に限定されず、楕円筒状、角筒状、球体状などでもよい。なお、発熱装置３においては、密閉容器５の上蓋側を上側とし、密閉容器５の下蓋側を下側とする。

【0017】

発熱装置３は、密閉容器５と水素タンク６とを接続する導入管１０と、密閉容器５と真空ポンプ７とを接続する排気管１１とを有する。導入管１０は、密閉容器５の下蓋から延びて水素タンク６に結合され、水素タンク６に貯蔵されている水素系ガスを密閉容器５の内部の空間９に案内する導入路を構成する。排気管１１は、密閉容器５の上蓋から延びて真空ポンプ７に結合され、密閉容器５の内部の空間９から真空ポンプ７に吸引される水素系ガスを案内する排気路を構成する。

【0018】

導入管１０は、密閉容器５と水素タンク６との間に設けられた供給バルブ１２を有する。供給バルブ１２は、導入管１０を流通する水素系ガスの流量を調整する。供給バルブ１２は、例えば電磁バルブやエアバルブなどが用いられる。導入管１０は、当該導入管１０を流通する水素系ガスの圧力を検出する圧力センサーを有してもよい。

【0019】

排気管１１は、密閉容器５と真空ポンプ７との間に設けられた排気バルブ１３を有する。排気バルブ１３は、排気管１１を流通する水素系ガスの流量を調整する。排気バルブ１３は、例えば電磁バルブやエアバルブなどが用いられる。排気管１１は、当該排気管１１を流通する水素系ガスの圧力を検出する圧力センサーを有してもよい。

【0020】

排気バルブ１３が閉じられ供給バルブ１２が開かれると、水素タンク６から密閉容器５の内部の空間９に水素系ガスを供給することが可能となる。供給バルブ１２が閉じられ排気バルブ１３が開かれると、真空ポンプ７により密閉容器５の内部の空間９の水素系ガスを排出することが可能となる。

【0021】

水素タンク６は、水素系ガスを貯留している。この例では、供給バルブ１２が開放されたときに、導入管１０を介して高圧の水素タンク６から低圧の密閉容器５の内部の空間９に水素系ガスが供給される。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。導入管１０は、水素タンク６に貯留されている水素系ガスを密閉容器５の内部の空間９に送り出すポンプを有してもよい。

【0022】

真空ポンプ７は、排気管１１を介して密閉容器５の内部から水素系ガスを排出する。真空ポンプ７の駆動により、密閉容器５の内部の空間９が減圧される。真空ポンプ７は、例えば、ターボ分子ポンプとドライポンプとで構成される。ターボ分子ポンプは、後述する制御部２１から入力される制御信号に基づきタービン翼の回転数を調整する。ターボ分子ポンプの回転数に応じて空間９の減圧の速度が調整される。

【0023】

発熱構造体８は、密閉容器５を介して、密閉容器５の外面に沿って流れる熱媒体を加熱する。発熱構造体８により加熱された熱媒体の温度は、例えば５０℃以上１５００℃以下の範囲に達する。この例では、熱媒体の温度は７００℃に設定される。

【0024】

発熱構造体８は、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を加熱するヒータ１５と、発熱体１４の温度を検出する温度センサー１７とを備える。

【0025】

発熱体１４は、貫通孔を有する板状に形成されている。発熱体１４は、本実施形態では、円環状に形成されており、中央に円形の貫通孔を有する。発熱体１４の貫通孔にはヒータ１５が配置されている。発熱体１４は、ヒータ１５の中心軸線ＣＬ（図２参照）に沿った第１方向に複数配置されている。すなわち、発熱構造体８は、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４を備える。なお、発熱体１４は、円環状である場合に限定されず、多角環状などでもよい。発熱体１４の構成については、別の図面を用いて後述する。

【0026】

ヒータ１５は、中空又は中実の筒状に形成されている。本実施形態では、ヒータ１５は、中実の円筒状に形成されており、中心軸線ＣＬに沿った第１方向の全長に亘って均一な直径を有する。なお、「均一」とは、厳密に均一である場合の他、ほぼ均一である場合、すなわち発明の主旨を逸脱しない範囲で異なる場合も含むものとする。ヒータ１５の形状は、円筒状である場合に限定されず、楕円筒状、角筒状など、他の適宜な形状としてもよい。筒状のヒータ１５としては、シーズヒータ、セラミックヒータ、ランプヒータなどが用いられる。例えばシーズヒータは、螺旋状に巻かれた発熱線が金属製のパイプ内に収容された構成を有する。発熱線は、パイプ内において、パイプの軸方向の両端から所定の距離までの部分以外の部分に配置されている。発熱線の両端には、電源と接続される一対の端子が接続されている。一対の端子は、パイプの内部から外部に延びている。発熱線は、一対の端子を介して電源から電流が印加されることにより、ジュール熱を発生する。パイプは、発熱線で発生したジュール熱により加熱される。

【0027】

ヒータ１５は、発熱体１４に囲まれた外周面１５ａを有する。外周面１５ａは、本実施形態では円筒面とされている。ヒータ１５は、外周面１５ａから輻射熱を発生する。

【0028】

ヒータ１５は、一対の電極部２０を有する。一対の電極部２０は、導電線１８と接続されている。導電線１８は、電源１９と接続されており、一対の電極部２０と電源１９とを電気的に接続する。ヒータ１５は、電源１９から導電線１８及び一対の電極部２０を介して電力が供給されることにより、外周面１５ａの温度が上昇する。ヒータ１５は、外周面１５ａから発生する輻射熱により発熱体１４を加熱する。一対の電極部２０は、図１ではヒータ１５の両端に設けられているが、ヒータ１５の一端又は他端に設けてもよい。一対の電極部２０は、図１では密閉容器５の内部から外部に延びているが、密閉容器５の内部に収容されていてもよい。例えば、密閉容器５の上蓋及び下蓋に一対の接続端子を設け、密閉容器５の外部において一対の接続端子を導電線１８と接続し、密閉容器５の内部において一対の電極部２０を一対の接続端子と接続してもよい。

【0029】

温度センサー１７は、検出した温度を特定する検出信号を出力する。温度センサー１７は、例えば、発熱体１４に埋め込まれる熱電対を有する。熱電対は、検出した温度を特定する電圧を出力する。

【0030】

発熱装置３は、真空ポンプ７、供給バルブ１２、排気バルブ１３、温度センサー１７及び電源１９と電気的に接続された制御部２１を備える。制御部２１は、例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）その他の記憶ユニットに格納されたアプリケーションプログラムに基づき演算処理を実現するマイクロプロセッサー（ＭＰＵ）や、演算処理にあたって一時的にプログラムやデータを保持するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などを備える。

【0031】

制御部２１は、真空ポンプ７、供給バルブ１２、排気バルブ１３及び電源１９の動作をそれぞれ制御する制御信号を出力する。真空ポンプ７、供給バルブ１２、排気バルブ１３及び電源１９は、制御部２１から入力される制御信号に基づき動作する。

【0032】

制御部２１は、供給バルブ１２を閉じ、排気バルブ１３を開放し、真空ポンプ７を駆動することにより、密閉容器５の内部の空間９の水素系ガスの排出（真空排気）を行う。

【0033】

制御部２１は、真空ポンプ７の駆動を停止し、排気バルブ１３を閉じ、供給バルブ１２を開放することにより、密閉容器５の内部の空間９に水素系ガスの供給を行う。

【0034】

制御部２１は、電源１９の出力を制御することにより、電源１９から導電線１８及び一対の電極部２０を介してヒータ１５に供給される電力の大きさを調整する。電源１９の出力が制御されることで、ヒータ１５により加熱される発熱体１４の温度が調整され、発熱体１４を発熱に最適な温度の範囲内（例えば、５０℃～１５００℃）に維持することが可能となる。

【0035】

発熱装置３では、水素タンク６と導入管１０と供給バルブ１２とにより、密閉容器５の内部に水素を含む水素系ガスを供給する供給部が構成される。発熱装置３では、真空ポンプ７と排気管１１と排気バルブ１３とにより、密閉容器５の内部の水素系ガスを排出する排出部が構成される。

【0036】

熱利用装置４は、発熱装置３の密閉容器５を格納する格納容器４１と、格納容器４１の内部で発熱装置３により加熱された熱媒体（この例ではヘリウムガス）に基づき発電する第１発電ユニット４２と、第１発電ユニット４２から格納容器４１に向けて熱媒体を送り出す圧力ポンプ４３と、圧力ポンプ４３と格納容器４１との間に設けられた流量制御弁４４とを備える。

【0037】

格納容器４１は、断熱性及び耐圧性を有する。格納容器４１は、例えば、ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼などから形成されている。格納容器４１の材料としては、使用温度に応じた材料が使用され、例えば、使用温度が７００℃程度までの場合はステンレス鋼が使用され、使用温度が７００℃を超える場合は耐熱性非鉄合金鋼が使用される。格納容器４１は、熱媒体が流入する流入口４１ａと、熱媒体が流出する流出口４１ｂとを有する。流入口４１ａから格納容器４１の内部に流入した熱媒体は、格納容器４１の内部に格納された発熱装置３の密閉容器５の外面に沿って流れ、密閉容器５に収容された発熱構造体８により加熱される。格納容器４１の内部で熱媒体の温度が上昇し、高温の熱媒体が得られる。高温の熱媒体は、格納容器４１の流出口４１ｂから流出し、第１発電ユニット４２に流入する。

【0038】

第１発電ユニット４２は、格納容器４１から供給された高温の熱媒体を圧縮する圧縮機（図示なし）と、圧縮機により圧縮された高温かつ高圧の熱媒体に基づき駆動するガスタービン４２ａと、ガスタービン４２ａに連結された発電機４２ｂとを備える。第１発電ユニット４２では、熱媒体の温度は例えば６００℃以上１５００℃以下の範囲内に調整される。ガスタービン４２ａの出力軸は、発電機４２ｂの入力軸に連結されている。ガスタービン４２ａのタービン翼が回転することで、発電機４２ｂのローターが駆動され、発電機４２ｂで電力が生成（発電）される。第１発電ユニット４２で熱が利用された熱媒体は、第１発電ユニット４２から流出し、圧力ポンプ４３に流入する。

【0039】

圧力ポンプ４３は、第１発電ユニット４２から供給された熱媒体を予め定められた圧力で格納容器４１に向けて送り出す。圧力ポンプ４３は、例えばメタルベローズポンプが用いられる。

【0040】

流量制御弁４４は、圧力ポンプ４３から格納容器４１に向けて流通する熱媒体の流量を調整する。流量制御弁４４は、例えばバリアブルリークバルブが用いられる。

【0041】

図２は、第１実施形態に係る発熱構造体８の分解斜視図である。図２に示すように、発熱体１４は、ヒータ１５の外周面１５ａに対向して配置された内縁部５１と、外周面１５ａに対し内縁部５１よりもヒータ１５の中心軸線ＣＬに沿った第１方向に直交する第２方向に離間して配置された外縁部５２と、内縁部５１と外縁部５２とを接続し、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続して延びた発熱面５３とを有する。内縁部５１及び外縁部５２は、ヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続的に延びている。発熱面５３は、ヒータ１５の中心軸線ＣＬに沿った第１方向に直交する平面内に配置されている。連続的とは、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に亘って一つながりであることをいう。第２方向は、中心軸線ＣＬを中心とする放射方向（半径方向とも称する）である。

【0042】

内縁部５１は、周方向の一周に亘って配置されている。内縁部５１により発熱体１４の貫通孔が形成されている。内縁部５１は、ヒータ１５の外周面１５ａから第２方向に離間した位置に設けられている。発熱体１４の内縁部５１とヒータ１５の外周面１５ａとの間には隙間が形成されている。内縁部５１の直径は、ヒータ１５の直径よりも大きい。内縁部５１の直径は、発熱体１４の内径である。例えば発熱体１４が多角環状である場合は、発熱体１４の内径は、内縁部５１の内接円の直径とする。

【0043】

外縁部５２は、周方向の一周に亘って配置されている。外縁部５２は、密閉容器５の内面（胴体の内面）から第２方向に離間した位置に設けられている。発熱体１４の外縁部５２と密閉容器５の内面との間には隙間が形成されている。外縁部５２の直径は、密閉容器５の内径よりも小さい。密閉容器５の内径は、胴体の内面の直径である。外縁部５２の直径は、発熱体１４の外径である。例えば発熱体１４が多角環状である場合は、発熱体１４の外径は、外縁部５２の外接円の直径とする。

【0044】

発熱面５３は、内縁部５１から外縁部５２まで連続して延びている。すなわち、発熱面５３は、第１方向に直交する第２方向に連続して延びている。発熱面５３は、円環状に形成されている。発熱面５３は、後述する多層膜６２（図３参照）の表面である。発熱体１４は、発熱面５３の面積が大きいほど、発熱量が増加する。発熱体１４の発熱量とは、水素原子が後述する異種物質界面７３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７３を量子拡散によって拡散して発生する熱量のことである。

【0045】

発熱体１４は、ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱を内縁部５１で受ける。内縁部５１は、ヒータ１５の外周面１５ａからの輻射熱により温度が上昇する。内縁部５１の熱は、熱伝導により外縁部５２へ伝達される。すなわち、発熱体１４は、内縁部５１から外縁部５２へ熱伝導により熱を伝達させる。外縁部５２は、内縁部５１からの熱伝導により温度が上昇する。これにより、内縁部５１と外縁部５２との温度差が小さくなり、発熱体１４の温度分布が均一化される。

【0046】

発熱構造体８は、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち隣接する発熱体１４の間に設けられたスペーサー５５を備える。スペーサー５５は、耐熱性及び耐圧性を有する材料で形成される。スペーサー５５は、隣接する発熱体１４の間に空間を形成し、隣接する発熱体１４の接触を防止する。スペーサー５５は、複数の発熱体１４の第１方向への位置決めを行う。

【0047】

スペーサー５５は、ヒータ１５の外周面１５ａに当接している。スペーサー５５は、環状に形成されている。スペーサー５５の内縁部で形成される開口にヒータ１５が挿入される。スペーサー５５は、その内縁部がヒータ１５の外周面１５ａに当接していることにより、ヒータ１５の外周面１５ａに固定される。スペーサー５５は、本実施形態では、円環状に形成されている。なお、スペーサー５５は、円環状である場合に限定されず、多角環状などでもよい。

【0048】

次に、発熱体１４の構成について説明する。図３は、発熱体１４の構成を示す断面図である。図３に示すように、発熱体１４は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、又はプロトン導電体で形成された支持体６１（台座とも称する）と、支持体６１に設けられた多層膜６２とを有する。多層膜６２は、水素吸蔵金属又は水素吸蔵合金で形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第１層７１と、第１層７１とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金又はセラミックスで形成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層７２とを有する。第１層７１と第２層７２との間、及び支持体６１と多層膜６２との間には異種物質界面７３が形成されている。異種物質界面７３は、水素原子を透過させる。発熱体１４は、水素原子が異種物質界面７３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７３を量子拡散によって拡散し、過剰熱を発生する。発熱体１４としては、国際公開ＷＯ２０１８／２３０４４７、国際公開ＷＯ２０２０／１２２０９７、国際公開ＷＯ２０２０／１２２０９８などに開示されている発熱体を用いることができる。発熱体１４の詳細な構成、機能、製造方法については、国際公開ＷＯ２０１８／２３０４４７、国際公開ＷＯ２０２０／１２２０９７、国際公開ＷＯ２０２０／１２２０９８などに開示されたものと同じであるため、ここでは説明を省略する。

【0049】

図３では、多層膜６２は、支持体６１の一方の面（例えば表面）に積層された構成としているが、これに限定されず、多層膜６２は、支持体６１の他方の面（例えば裏面）に積層された構成としてもよく、また、多層膜６２は、支持体６１の両方の面（表面及び裏面）に積層された構成としてもよい。

【0050】

本実施形態に係る発熱装置３の作用及び効果を説明する。まず、密閉容器５が開放され、密閉容器５の内部に発熱構造体８が設置され、密閉容器５が密閉される。発熱構造体８の一対の電極部２０は、導電線１８を介して電源１９に接続される。排気バルブ１３が開放され、真空ポンプ７が駆動される。密閉容器５の内部の空間９が真空排気される。真空ポンプ７の駆動が停止され、排気バルブ１３が閉じられ、電源１９が駆動される。電源１９から導電線１８及び一対の電極部２０を介して、ヒータ１５に電力が供給される。ヒータ１５は、電力が供給されることにより外周面１５ａの温度が上昇する。発熱体１４は、ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱を内縁部５１で受ける。内縁部５１は、ヒータ１５の外周面１５ａからの輻射熱により温度が上昇する。発熱体１４は、内縁部５１と外縁部５２とが発熱面５３により連続的に繋がっており、内縁部５１の熱を熱伝導により外縁部５２へ伝達させる。外縁部５２は、内縁部５１からの熱伝導により温度が上昇する。内縁部５１と外縁部５２との温度差が小さくなり、発熱体１４の温度分布が均一化される。このようにして発熱体１４の温度を均一かつ特定の温度に上昇させることができる。例えば、発熱体１４の温度が２００℃程度とされることで、発熱体１４から水分を除去することができる。

【0051】

次に、電源１９の出力が高くされ、発熱体１４の温度が更に上昇する。例えば、発熱体１４の温度が３００℃程度とされる。供給バルブ１２が開放される。水素タンク６から密閉容器５の内部の空間９に水素系ガスが流入する。密閉容器５の内部の空間９は水素系ガスで満たされる。発熱体１４は水素を吸蔵する。具体的には、空間９の水素分子が発熱体１４の多層膜６２の表面（支持体６１とは反対側の面）に吸着し、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６２の内部に侵入（吸蔵）する。

【0052】

発熱体１４に水素を吸蔵させた後、供給バルブ１２が閉じられる。電源１９の出力が制御され、発熱体１４の温度が、発熱に最適な温度の範囲のうちの任意の温度（例えば７００℃程度）とされる。このとき、排気バルブ１３が開放され、真空ポンプ７が駆動される。密閉容器５の内部の空間９から水素系ガスが排出される。発熱体１４は水素を放出する。具体的には、多層膜６２の内部に侵入した水素原子が、多層膜６２の表面に戻って再結合し、水素分子として放出される。この結果、水素原子が異種物質界面７３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７３を量子拡散によって拡散し、発熱体１４において過剰熱を発生する。

【0053】

本実施形態に係る発熱構造体８は、発熱体１４の内縁部５１と外縁部５２とが発熱面５３により接続されており、発熱面５３がヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続して延びている。ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱により、発熱体１４の内縁部５１が加熱される。このとき、発熱体１４では、内縁部５１の熱が熱伝導により外縁部５２へ伝達される。これにより、発熱体１４全体に熱が伝わり、発熱体１４の内縁部５１と外縁部５２との温度差が小さくなる。したがって、発熱構造体８は、発熱体１４の温度分布を均一化することができる。

【0054】

発熱構造体８の温度分布を解析した結果を図４に示す。ヒータ１５の中心軸線ＣＬと発熱体１４の内縁部５１及び外縁部５２を含む断面において、ヒータ１５の中心軸線ＣＬから密閉容器５の内面までの温度を解析した。市販の熱解析ソフトウェアを使用して熱伝導と輻射のシミュレーションを行った。電源１９からヒータ１５に供給される電力は４００Ｗとした。図４において、横軸はヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心とする半径方向（放射方向）の位置を示し、縦軸は温度を示す。図４より、発熱体１４の内縁部５１の温度と外縁部５２の温度とが約５５０℃となり、発熱体１４の温度分布が均一化されていることが確認できた。発熱体１４の内縁部５１と外縁部５２とが発熱面５３により連続的に繋がっていることにより、発熱体１４全体に熱が伝わり、内縁部５１と外縁部５２との温度差が小さくなった結果と考えられる。

【0055】

発熱構造体８は、第１方向に沿って複数の発熱体１４が配置されていることにより、各々の発熱面５３の面積を加算した総面積が増大し、発熱量が増加する。発熱構造体８は、発熱体１４の数を増やすだけで、発熱面５３の総面積を容易に増大させることができる。発熱構造体８は、発熱体１４の数を変更することにより、容易に発熱量を増減させることができる。

【0056】

発熱構造体８は、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち隣接する発熱体１４の間に設けられたスペーサー５５を備えることにより、隣接する発熱体１４の間に空間が形成され、隣接する発熱体１４の接触が防止される。これにより、発熱体１４同士の発熱面５３の接触による発熱量の低下や金属の熱拡散による発熱体１４同士の融着が抑制される。各々の発熱体１４は、隣接する発熱体１４からの輻射熱により効率的に加熱され、より短時間で発熱に最適な温度に到達することが可能となる。

【0057】

本実施形態に係る熱利用システム１の作用及び効果を説明する。配管経路２では、圧力ポンプ４３により、熱媒体としてのヘリウムガスが格納容器４１に流入する。格納容器４１では、発熱装置３からヘリウムガスに熱が伝達され、ヘリウムガスの温度が上昇する。格納容器４１から流出した高温のヘリウムガスは、第１発電ユニット４２の圧縮機（図示なし）に流入する。圧縮機から流出した高温かつ高圧のヘリウムガスは、ガスタービン４２ａに流入し、当該ガスタービン４２ａのタービン翼を回転させる。タービン翼の回転は、発電機４２ｂのローターに伝達される。発電機４２ｂで電力が生成される。

【0058】

ヘリウムガスの熱エネルギーは、ガスタービン４２ａのタービン翼の回転に消費される。ガスタービン４２ａでヘリウムガスの温度が下降するとともに圧力が低下する。ガスタービン４２ａから流出したヘリウムガスは、圧力ポンプ４３に吸い込まれる。圧力ポンプ４３から格納容器４１に向けてヘリウムガスが送り出される。ヘリウムガスの循環に応じて発電が継続される。

【0059】

以上のように、熱利用システム１は、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４を備える発熱装置３により加熱された熱媒体を熱源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。

【0060】

熱利用システム１では、ヒータ１５を中心として、外周面１５ａを覆うように発熱体１４が設けられ、発熱体１４を覆うように密閉容器５が設けられ、密閉容器５を覆うように格納容器４１が設けられていることで、ヒータ１５により効率的に発熱体１４を加熱し、発熱体１４により効率的に熱媒体を加熱することができる。

【0061】

（２）第２実施形態に係る発熱構造体
上記第１実施形態では第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち隣接する発熱体１４の間にスペーサー５５が設けられているが、第２実施形態では、スペーサーに加え、第１方向の末端に配置された発熱体１４に隣接して一対の末端部材が設けられている。

【0062】

図５は、第２実施形態に係る発熱構造体８ａの分解斜視図である。発熱構造体８ａは、第１実施形態に係る発熱装置３において、発熱構造体８の代わりに用いることができる。なお、上記第１実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0063】

図５に示すように、発熱構造体８ａは、発熱体１４と、ヒータ１５と、温度センサー１７（図示なし）とを備える。発熱体１４は、ヒータ１５の中心軸線ＣＬに沿った第１方向に複数配置されている。

【0064】

発熱構造体８ａは、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち隣接する発熱体１４の間に設けられたスペーサー７５と、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち第１方向の末端に配置された発熱体１４に隣接して設けられた一対の末端部材７６とを備える。

【0065】

スペーサー７５は、耐熱性及び耐圧性を有する材料で形成される。スペーサー７５は、隣接する発熱体１４の間に空間を形成する。スペーサー７５は、隣接する発熱体１４の接触を防止する。スペーサー７５は、複数の発熱体１４の第１方向への位置決めを行う。スペーサー７５は、第１枠部７８と、第１突出部７９とを有する。

【0066】

第１枠部７８は、ヒータ１５の外周面１５ａに対し第２方向に離間して配置されている。第１枠部７８は、環状に形成されている。第１枠部７８の内縁部で形成される開口にヒータ１５が挿入される。第１枠部７８の内縁部とヒータ１５の外周面１５ａとの間には隙間が形成されている。第１枠部７８の内径はスペーサー７５の内径であり、第１枠部７８の外径はスペーサー７５の外径である。第１枠部７８の外径は、発熱体１４の外径よりも大きい。第１枠部７８は、本実施形態では、円環状に形成されている。なお、第１枠部７８は、円環状である場合に限定されず、多角環状などでもよい。

【0067】

第１突出部７９は、第１枠部７８から第１方向に突出して設けられ、発熱体１４の外縁部５２に当接している。第１突出部７９は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第１ピンで構成される。複数の第１ピンは、その内縁部で発熱体１４の外縁部５２に当接する。

【0068】

一対の末端部材７６は、複数の発熱体１４と複数のスペーサー７５とを第１方向から挟み込む。一対の末端部材７６は、互いに同じ構成を有する。末端部材７６は、内枠部８１と、外枠部８２と、連結部８３と、第２突出部８４とを有する。

【0069】

内枠部８１は、ヒータ１５の外周面１５ａに当接している。内枠部８１は、環状に形成されている。内枠部８１の内縁部で形成される開口にヒータ１５が挿入される。内枠部８１は、その内縁部がヒータ１５の外周面１５ａに当接していることにより、末端部材７６をヒータ１５の外周面１５ａに固定させる。内枠部８１は、本実施形態では、円環状に形成されている。なお、内枠部８１は、円環状である場合に限定されず、多角環状などでもよい。

【0070】

外枠部８２は、ヒータ１５の外周面１５ａに対し内枠部８１よりも第２方向に離間して配置されている。外枠部８２は、環状に形成されている。外枠部８２の内縁部で形成される開口に内枠部８１が配置されている。外枠部８２は、本実施形態では、円環状に形成されている。なお、外枠部８２は、円環状である場合に限定されず、多角環状などでもよい。

【0071】

連結部８３は、内枠部８１と外枠部８２とを連結している。連結部８３は、周方向に間隔をあけて複数配置されている。すなわち、末端部材７６は、内枠部８１と外枠部８２とを連結する複数の連結部８３を備え、複数の連結部８３が周方向に間隔をあけて配置された構成を有する。複数の連結部８３同士の間には隙間が形成されている。図５では、４つの連結部８３が、ヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心として放射状に延びるように配置されている。

【0072】

第２突出部８４は、外枠部８２から第１方向に突出して設けられ、発熱体１４の外縁部５２に当接している。第２突出部８４は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第２ピンで構成される。複数の第２ピンは、その内縁部で発熱体１４の外縁部５２に当接する。

【0073】

第２実施形態に係る発熱構造体８ａは、発熱体１４の内縁部５１と外縁部５２とが発熱面５３により接続されており、発熱面５３がヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続して延びている。ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱により、発熱体１４の内縁部５１が加熱される。このとき、発熱体１４では、内縁部５１の熱が熱伝導により外縁部５２へ伝達される。これにより、発熱体１４全体に熱が伝わり、発熱体１４の内縁部５１と外縁部５２との温度差が小さくなる。したがって、発熱構造体８ａは、発熱体１４の温度分布を均一化することができる。

【0074】

発熱構造体８ａは、第１方向に沿って複数の発熱体１４が配置されていることにより、発熱面５３の総面積が増大し、発熱量が増加する。発熱構造体８ａは、発熱体１４の数に応じて、発熱量を調整することができる。

【0075】

発熱構造体８ａは、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち隣接する発熱体１４の間にスペーサー７５が設けられていることにより、隣接する発熱体１４の間に空間が形成され、隣接する発熱体１４の接触が防止される。これにより、発熱体１４同士の発熱面５３の接触による発熱量の低下や金属の熱拡散による発熱体１４同士の融着が抑制される。各々の発熱体１４は、隣接する発熱体１４からの輻射熱により効率的に加熱され、より短時間で発熱に最適な温度に到達することが可能となる。

【0076】

発熱構造体８ａは、スペーサー７５に加え、第１方向に沿って配置された複数の発熱体１４のうち第１方向の末端に配置された発熱体１４に隣接して設けられた一対の末端部材７６を備えている。発熱構造体８ａでは、スペーサー７５の第１突出部７９が発熱体１４の外縁部５２に当接し、末端部材７６の第２突出部８４が発熱体１４の外縁部５２に当接し、末端部材７６が内枠部８１でヒータ１５の外周面１５ａに固定されることにより、複数の発熱体１４とヒータ１５と複数のスペーサー７５と一対の末端部材７６とが一体化される。これにより、ヒータ１５に対し、複数の発熱体１４と複数のスペーサー７５と一対の末端部材７６の第１方向及び第２方向への位置決めが行われる。

【0077】

（３）第３実施形態に係る熱利用システム
上記第１及び第２実施形態では発熱体１４が円環状に形成されているが、第３実施形態では発熱体の形状が異なる。

【0078】

図６は、第３実施形態に係る熱利用システム１ａの構成を概略的に示す概念図である。熱利用システム１ａは、上記第１実施形態の発熱装置３に代えて、発熱装置３ａを備える。発熱装置３ａは、熱利用装置４とともに配管経路２に組み込まれている。なお、上記各実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0079】

発熱装置３ａは、密閉容器５と、水素タンク６と、真空ポンプ７と、発熱構造体８ｂとを備える。発熱装置３ａは、第１実施形態に係る発熱構造体８の代わりに、発熱構造体８ｂを備える。発熱構造体８ｂは、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４ａと、発熱体１４ａを加熱するヒータ１５と、発熱体１４ａの温度を検出する温度センサー１７とを備える。

【0080】

発熱体１４ａは、中空の筒状に形成されている。発熱体１４ａの内部の空間にはヒータ１５が配置されている。発熱体１４ａは、ヒータ１５の中心軸線ＣＬに沿った第１方向に連続して延びており、かつ、中心軸線ＣＬを中心とする周方向にジグザグに折り返しながら連続して延びている。

【0081】

図７を用いて発熱体１４ａの具体的な形状を説明する。図７は、図６のVII－VII線に沿った発熱構造体８ｂの概略断面図である。図７に示すように、発熱体１４ａは、ヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心として、内側と外側とで交互に複数回折り返され、その両端が接続された構成を有する。発熱体１４ａは、第１方向から見た平面視において、中心軸線ＣＬを中心とする周方向にジグザグ状に連続して延びた形状（星型形状とも称する）を有する。

【0082】

発熱体１４ａは、ヒータ１５の外周面１５ａに対向して配置された内縁部９１と、外周面１５ａに対し内縁部９１よりも中心軸線ＣＬに沿った第１方向に直交する第２方向に離間して配置された外縁部９２と、内縁部９１と外縁部９２とを接続し、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に連続して延びた発熱面９３とを有する。内縁部９１及び外縁部９２は、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に間欠的に複数配置されている。発熱面９３は、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている。間欠的とは、中心軸線ＣＬを中心とする周方向において一つながりではないことをいう。すなわち、発熱体１４ａは、周方向に間欠的に配置された複数の内縁部９１と、周方向に間欠的に配置された複数の外縁部９２と、周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている発熱面９３とを有する。

【0083】

内縁部９１は、発熱体１４ａの内側の折り返し部を構成する。内縁部９１は、第１方向に延びている。内縁部９１は、ヒータ１５の外周面１５ａから第２方向に離間した位置に設けられている。内縁部９１と外周面１５ａとの間には隙間が形成されている。

【0084】

外縁部９２は、発熱体１４ａの外側の折り返し部を構成する。外縁部９２は、第１方向に延びている。外縁部９２は、密閉容器５の内面（胴体の内面）から第２方向に離間した位置に設けられている。外縁部９２と密閉容器５の内面との間には隙間が形成されている。

【0085】

発熱面９３は、内縁部９１で外側（外縁部９２側）へ折り返され、外縁部９２で内側（内縁部９１側）へ折り返されている。発熱面９３は、ヒータ１５の外周面１５ａに直交する仮想平面９４に対して傾斜した第１面９３ａ及び第２面９３ｂで構成される。図７では仮想平面９４を二点鎖線で示している。第１面９３ａ及び第２面９３ｂは、仮想平面９４を基準として対称に配置されている。第１面９３ａ及び第２面９３ｂは、中心軸線ＣＬを中心とする周方向に交互に複数配置されている。隣接する第１面９３ａと第２面９３ｂとの間には空間が形成されている。隣接する第１面９３ａ及び第２面９３ｂは、互いに対面して配置され、内縁部９１又は外縁部９２で連結されている。複数の第１面９３ａ及び複数の第２面９３ｂが、内縁部９１と外縁部９２とで交互に連結されることで、１つの連続体としての発熱面９３が構成される。発熱面９３は、中心軸線ＣＬを中心とする周方向の一周に亘って配置されている。

【0086】

発熱体１４ａは、ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱を内縁部９１で受ける。内縁部９１は、ヒータ１５の外周面１５ａからの輻射熱により温度が上昇する。内縁部９１の熱は、熱伝導により外縁部９２へ伝達される。すなわち、発熱体１４ａは、内縁部９１から外縁部９２へ熱伝導により熱を伝達させる。外縁部９２は、内縁部９１からの熱伝導により温度が上昇する。これにより、内縁部９１と外縁部９２との温度差が小さくなり、発熱体１４ａの温度分布が均一化される。

【0087】

図８は、第３実施形態に係る発熱構造体８ｂの分解斜視図である。図８に示すように、発熱構造体８ｂは、発熱体１４ａの形状を保持する保持部９５を備える。保持部９５は、耐熱性及び耐圧性を有する材料で形成される。保持部９５は、発熱体１４ａの発熱面９３を構成する第１面９３ａと第２面９３ｂとの間に形成された空間を維持し、隣接する第１面９３ａと第２面９３ｂとの接触を防止する。

【0088】

保持部９５は、密閉容器５に固定される支柱９６と、支柱９６の一端に設けられた第１ガイド部９７と、支柱９６の一端と他端との間に設けられた第２ガイド部９８とを有する。本実施形態では、密閉容器５の上蓋から４本の支柱９６が吊り下げられている。なお、支柱９６は、密閉容器５の上蓋から吊り下げられる場合に限定されず、密閉容器５の下蓋に対し、起立した姿勢で設けてもよい。支柱９６は、密閉容器５の胴体に対し、第２方向に延びるように固定してもよい。

【0089】

第１ガイド部９７は、発熱体１４ａの第１方向の一端部を受け止める。第１ガイド部９７は、中央に開口９７ａを有する円盤状に形成されている。第１ガイド部９７の開口９７ａにヒータ１５が挿入される。

【0090】

第１ガイド部９７は、発熱体１４ａの第１方向の一端部が嵌合する第１溝部９７ｂを有する。第１溝部９７ｂは、周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている。第１溝部９７ｂは、発熱体１４ａの第１方向の一端部の位置決めを行う。第１溝部９７ｂの幅は、発熱体１４ａの厚みよりも若干大きい。第１溝部９７ｂの深さは、特に限定されない。第１溝部９７ｂは、第１ガイド部９７を第１方向に貫通するように構成してもよい。

【0091】

第２ガイド部９８は、発熱体１４ａの第１方向の他端部を受け止める。第２ガイド部９８は、中央に開口９８ａを有する円盤状に形成されている。第２ガイド部９８の開口９８ａにヒータ１５が挿入される。

【0092】

第２ガイド部９８は、発熱体１４ａの第１方向の他端部が嵌合する第２溝部９８ｂを有する。第２溝部９８ｂは、周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている。第２溝部９８ｂは、発熱体１４ａの第１方向の他端部の位置決めを行う。第２溝部９８ｂの幅は、発熱体１４ａの厚みよりも若干大きい。第２溝部９８ｂの深さは、特に限定されない。第２溝部９８ｂは、第２ガイド部９８を第１方向に貫通するように構成してもよい。

【0093】

第３実施形態に係る発熱構造体８ｂは、発熱体１４ａの内縁部９１及び外縁部９２が周方向に間欠的に複数配置されており、発熱面９３が周方向に交互に複数回折り返しながら連続的に延びている。ヒータ１５の外周面１５ａから発生する輻射熱により、発熱体１４ａの内縁部９１が加熱される。このとき、発熱体１４ａでは、内縁部９１の熱が熱伝導により外縁部９２へ伝達される。これにより、発熱体１４ａ全体に熱が伝わり、発熱体１４ａの内縁部９１と外縁部９２との温度差が小さくなる。したがって、発熱構造体８ｂは、発熱体１４ａの温度分布を均一化することができる。

【0094】

発熱構造体８ｂは、発熱体１４ａの発熱面９３を構成する第１面９３ａ及び第２面９３ｂが周方向に交互に複数配置されており、隣接する第１面９３ａと第２面９３ｂとの間に空間が形成されている。発熱構造体８ｂは、当該空間を介して、ヒータ１５の外周面１５ａからの輻射熱を発熱面９３の全面で受けることができるため、発熱体１４ａの内縁部９１と外縁部９２との温度差がより小さくなり、発熱体１４ａの温度分布をより均一化することができる。

【0095】

発熱構造体８ｂは、隣接する第１面９３ａ及び第２面９３ｂが互いに対面している。第１面は、隣接する第２面９３ｂからの輻射熱により効率的に加熱される。第２面９３ｂは、隣接する第１面９３ａからの輻射熱により効率的に加熱される。これにより、発熱体１４ａは、より短時間で発熱に最適な温度に到達することが可能となる。

【0096】

発熱構造体８ｂは、発熱体１４ａの形状を保持する保持部９５を備える。保持部９５は、発熱体１４ａの第１方向の一端部が嵌合する第１溝部９７ｂ、及び発熱体１４ａの第１方向の他端部が嵌合する第２溝部９８ｂを有する。第１溝部９７ｂ及び第２溝部９８ｂは、中心軸線ＣＬを中心とする周方向交互に複数回折り返しながら連続的に延びている。保持部９５により、発熱体１４ａの発熱面９３を構成する第１面９３ａと第２面９３ｂとの間に形成された空間が維持され、隣接する第１面９３ａと第２面９３ｂとの接触が防止される。発熱構造体８ｂは、第１面９３ａと第２面９３ｂとの接触による発熱量の低下や金属の熱拡散による第１面９３ａと第２面９３ｂとの融着が抑制される。

【0097】

発熱構造体８ｂの温度分布を解析した結果を図９に示す。ヒータ１５の中心軸線ＣＬと発熱体１４ａの外縁部９２を含む断面において、ヒータ１５の中心軸線ＣＬから密閉容器５の内面までの温度を解析した。市販の熱解析ソフトウェアを使用して熱伝導と輻射のシミュレーションを行った。電源１９からヒータ１５に供給される電力は６００Ｗとした。図９において、横軸はヒータ１５の中心軸線ＣＬを中心とする半径方向（放射方向）の位置を示し、縦軸は温度を示す。図９では、ヒータ１５の中心軸線ＣＬから外周面１５ａまでのグラフの一部が省略されている。黒塗りの四角は、発熱体１４ａの内縁部９１の温度と外縁部９２の温度を示している。図９より、発熱体１４ａの内縁部９１の温度と外縁部９２の温度とが約６００℃となり、発熱体１４ａの温度分布が均一化されていることが確認できた。発熱体１４ａの内縁部９１と外縁部９２とが発熱面９３により連続的に繋がっていることにより、発熱体１４ａ全体に熱が伝わり、内縁部９１と外縁部９２との温度差が小さくなった結果と考えられる。

【0098】

（４）第４実施形態に係る熱利用システム
図１０は、第４実施形態に係る熱利用システム１ｂの構成を概略的に示す概念図である。熱利用システム１ｂは、上記第１実施形態の熱利用装置４に代えて、熱利用装置４ａを備える。熱利用装置４ａは、発熱装置３とともに配管経路２に組み込まれている。第４実施形態では、熱媒体として水が用いられる。なお、上記各実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0099】

熱利用装置４ａは、発熱装置３の密閉容器５を格納するボイラー１０１と、ボイラー１０１から供給された気相の熱媒体に基づき発電する第２発電ユニット１０２と、第２発電ユニット１０２から供給された気相の熱媒体を冷却して液相の熱媒体とする復水器１０３と、復水器１０３から供給された液相の熱媒体を加圧してボイラー１０１に向けて送り出す給水ポンプ１０４とを備える。

【0100】

ボイラー１０１は、蒸発器として機能する配管１０５を格納している。配管１０５には給水ポンプ１０４から水が供給される。配管１０５は、発熱装置３の熱に曝される。密閉容器５から配管１０５に熱が伝達される。ボイラー１０１は、配管１０５の内部で高温かつ高圧の蒸気（気相の熱媒体）を生成する。高温かつ高圧の蒸気は、ボイラー１０１から第２発電ユニット１０２に供給される。

【0101】

第２発電ユニット１０２は、ボイラー１０１から供給された高温かつ高圧の蒸気に基づき駆動する蒸気タービン１０２ａと、蒸気タービン１０２ａに連結された発電機１０２ｂとを備える。第２発電ユニット１０２では、蒸気の温度は例えば３００℃以上７００℃以下の範囲内で調整される。蒸気タービン１０２ａの出力軸は、発電機１０２ｂの入力軸に連結されている。蒸気タービン１０２ａのタービン翼が回転することで、発電機１０２ｂのローターが駆動され、発電機１０２ｂで電力が生成される。熱が利用された後の蒸気は、第２発電ユニット１０２から復水器１０３に供給される。

【0102】

復水器１０３は、第２発電ユニット１０２から供給された蒸気を冷却水１０３ａにより冷却して水（液相の熱媒体）に戻す。復水器１０３は、低圧の水を出力する。低圧の水は、復水器１０３から給水ポンプ１０４に供給される。給水ポンプ１０４は、復水器１０３から供給された水を予め定められた圧力でボイラー１０１に送り出す。

【0103】

以上のように、熱利用システム１ｂは、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４を備える発熱装置３により加熱された熱媒体を熱源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。

【0104】

なお、熱媒体には、水に代えて、発熱装置３の熱に応じて液相から気相に変化する物質を用いてもよい。熱媒体には、熱伝導率に優れかつ化学的に安定した物質が用いられることが好ましい。

【0105】

（５）第５実施形態に係る熱利用システム
図１１は、第５実施形態に係る熱利用システム１ｃの構成を概略的に示す概念図である。熱利用システム１ｃは、上記第１実施形態の熱利用装置４に代えて、熱利用装置４ｂを備える。熱利用装置４ｂは、発熱装置３から熱を受け取って駆動するスターリングエンジン１１０と、スターリングエンジン１１０に連結される発電機１１１とを備える。なお、上記各実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0106】

スターリングエンジン１１０は、一端に閉塞端を有する第１シリンダー１１２と、閉塞端に向き合う位置で第１シリンダー１１２に収容されて、閉塞端との間に膨張室１１３を区画する膨張ピストン１１４と、一端に閉塞端を有する第２シリンダー１１５と、閉塞端に向き合う位置で第２シリンダー１１５に収容されて、閉塞端との間に圧縮室１１６を区画する圧縮ピストン１１７と、膨張室１１３と圧縮室１１６とを接続し、発熱装置３の密閉容器５から熱エネルギーを受け取る加熱器１１８と、圧縮室１１６及び加熱器１１８の間に配置される冷却器１１９と、冷却器１１９及び加熱器１１８の間に配置される再生器１２０と、連結ロッド１２１ａ、１２１ｂで膨張ピストン１１４及び圧縮ピストン１１７に個別に連結される出力軸としてのクランクシャフト１２２とを有する。

【0107】

スターリングエンジン１１０のクランクシャフト１２２（出力軸）は、発電機１１１の入力軸に連結されている。クランクシャフト１２２が回転することで、発電機１１１のローターが駆動され、発電機１１１で電力が生成される。

【0108】

膨張ピストン１１４は、第１シリンダー１１２内で、第１シリンダー１１２の軸方向に沿って変位する。膨張ピストン１１４が第１シリンダー１１２の閉塞端から遠ざかると、膨張室１１３が拡大する。膨張ピストン１１４が第１シリンダー１１２の閉塞端に接近すると、膨張室１１３が縮小する。膨張ピストン１１４の軸方向の往復動は、クランクシャフト１２２の回転運動に変換される。膨張室１１３には作動流体が封入される。ここでは、作動流体にヘリウムガスが用いられる。作動流体には、ヘリウムガス以外に水素系ガスや空気を用いてもよい。

【0109】

圧縮ピストン１１７は、第２シリンダー１１５内で、第２シリンダー１１５の軸方向に沿って変位する。圧縮ピストン１１７が第２シリンダー１１５の閉塞端から遠ざかると、圧縮室１１６が拡大する。圧縮ピストン１１７が第２シリンダー１１５の閉塞端に接近すると、圧縮室１１６が縮小する。クランクシャフト１２２の回転運動は、圧縮ピストン１１７の軸方向の往復動に変換される。圧縮室１１６が膨張室１１３に接続されていることから、圧縮室１１６は、膨張室１１３と同様に作動流体で充填される。作動流体は、加熱器１１８、再生器１２０及び冷却器１１９を経て膨張室１１３と圧縮室１１６との間を行き来する。

【0110】

加熱器１１８は、密閉容器５から作動流体に熱を伝達する。作動流体は、密閉容器５に収容された発熱構造体８により熱せられて膨張室１１３に流入する。作動流体の膨張に応じて膨張室１１３が拡大する。膨張ピストン１１４は、クランクシャフト１２２に向かって変位する。高温かつ高圧の作動流体は、膨張室１１３の縮小に応じて、加熱器１１８から再生器１２０に流入する。

【0111】

冷却器１１９は、冷却媒体（図示なし）に基づき作動流体を冷却する。冷却媒体には例えば水が用いられる。作動流体は、冷却媒体により冷やされて圧縮室１１６に流入する。圧縮室１１６は拡大する。圧縮ピストン１１７は、クランクシャフト１２２に向かって変位する。低温かつ低圧の作動流体は、圧縮室１１６の縮小に応じて、再生器１２０から加熱器１１８に流入する。

【0112】

再生器１２０は、加熱器１１８から流入する作動流体から熱エネルギーを吸収し蓄熱し、冷却器１１９から流入する作動流体に蓄積した熱エネルギーを伝達する。したがって、膨張室１１３の作動流体は、冷却器１１９に流入する前に再生器１２０で熱エネルギーを放出する。圧縮室１１６の作動流体は、加熱器１１８に流入する前に再生器１２０で加熱される。

【0113】

以上のように、熱利用システム１ｃは、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４を備える発熱装置３により加熱された熱媒体を熱源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。

【0114】

（６）第６実施形態に係る熱利用システム
図１２は、第６実施形態に係る熱利用システム１ｄの構成を概略的に示す概念図である。熱利用システム１ｄは、上記第１実施形態の熱利用装置４に代えて、熱利用装置４ｃを備える。熱利用装置４ｃは、温度差に基づき電力を生成する熱電変換器１３０を備える。なお、上記各実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0115】

熱電変換器１３０は、受熱板１３１及び放熱板１３２を有する。受熱板１３１には高温配管１３３が接触する。高温配管１３３は、配管経路２と接続されており、熱媒体を流通させる。放熱板１３２には低温配管１３４が接触する。低温配管１３４は、冷却水を流通させる。

【0116】

熱電変換器１３０は、受熱板１３１と放熱板１３２との間に挟まれ、受熱板１３１及び放熱板１３２の間に並列に配置されるｐ型半導体１３５ａ及びｎ型半導体１３５ｂを備える。ｐ型半導体１３５ａ及びｎ型半導体１３５ｂは、受熱板１３１に固定される第１電極と、放熱板１３２に固定される第２電極とに基づき電気的に交互に直列に接続される。直列接続の両端に位置する第２電極から電力が取り出される。

【0117】

以上のように、熱利用システム１ｄは、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１４を備える発熱装置３により加熱された熱媒体を熱源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。

【0118】

本発明は、上記各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。

【0119】

発熱装置３は、１つの発熱構造体８を備える場合に限定されず、複数の発熱構造体８を備えるものでもよい。

【0120】

熱利用システム１ｂ、１ｃ、１ｄにおいて、発熱装置３は、発熱構造体８に代えて、発熱構造体８ａを備えるものでもよい。熱利用システム１ｂ、１ｃ、１ｄは、発熱装置３に代えて、発熱装置３ａを備えるものでもよい。

【符号の説明】

【0121】

３、３ａ 発熱装置
５ 密閉容器
６ 水素タンク
７ 真空ポンプ
８、８ａ、８ｂ 発熱構造体
９ 空間
１０ 導入管
１１ 排気管
１２ 供給バルブ
１３ 排気バルブ
１４、１４ａ 発熱体
１５ ヒータ
１５ａ 外周面
１７ 温度センサー
１８ 導電線
１９ 電源
２１ 制御部
５１、９１ 内縁部
５２、９２ 外縁部
５３、９３ 発熱面
５５、７５ スペーサー
６１ 支持体
６２ 多層膜
７１ 第１層
７２ 第２層
７３ 異種物質界面
７６ 末端部材
７８ 第１枠部
７９ 第１突出部
８１ 内枠部
８２ 外枠部
８３ 連結部
８４ 第２突出部
９３ａ 第１面
９３ｂ 第２面
ＣＬ 中心軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】