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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】P2025009557
(43)【公開日】2025-01-20
(54)【発明の名称】発熱システム、火力発電システム、及び発熱方法
(51)【国際特許分類】
F24V 30/00 20180101AFI20250110BHJP
F28D 20/00 20060101ALI20250110BHJP
F02C 3/22 20060101ALI20250110BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20250110BHJP
【ＦＩ】
F24V30/00 302
F28D20/00 H
F02C3/22
F02C7/22 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023112638
(22)【出願日】2023-07-07
(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】吉野 伸
(57)【要約】
【課題】水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる発熱システム、火力発電システム、及び発熱方法を提供する。
【解決手段】発熱システム１は、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、発熱体を格納する密閉容器と、密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ライン４と、発熱体における水素の吸蔵と放出とにより発熱体における発熱に供した水素を含むガスを導出する導出ライン５とを有する発熱装置１１と、密閉容器の外側から発熱体を加熱するガスを供給する、あるいは密閉容器の内側で発熱体を加熱する水素を含むガスを加熱する熱源７とを備えた構成とする。
【選択図】図１
【解決手段】発熱システム１は、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、発熱体を格納する密閉容器と、密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ライン４と、発熱体における水素の吸蔵と放出とにより発熱体における発熱に供した水素を含むガスを導出する導出ライン５とを有する発熱装置１１と、密閉容器の外側から発熱体を加熱するガスを供給する、あるいは密閉容器の内側で発熱体を加熱する水素を含むガスを加熱する熱源７とを備えた構成とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、
前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを供給する、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する熱源と
を備える、発熱システム。
前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを供給する、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する熱源と
を備える、発熱システム。
【請求項2】
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層とを備える
請求項１に記載の発熱システム。
請求項１に記載の発熱システム。
【請求項3】
多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、
ガスタービンを有する火力発電装置とを備え、
前記ガスタービンは、前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガス又は前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱するガスを排出する、又は、前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーをさらに有する
火力発電システム。
ガスタービンを有する火力発電装置とを備え、
前記ガスタービンは、前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガス又は前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱するガスを排出する、又は、前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーをさらに有する
火力発電システム。
【請求項4】
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層とを備える
請求項３に記載の火力発電システム。
請求項３に記載の火力発電システム。
【請求項5】
前記火力発電装置は蒸気タービンをさらに有する
請求項３に記載の火力発電システム。
請求項３に記載の火力発電システム。
【請求項6】
前記火力発電装置は水素燃焼ガスタービンを有する発電装置である
請求項３に記載の火力発電システム。
請求項３に記載の火力発電システム。
【請求項7】
前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とによる前記発熱体における発熱により加熱された前記水素を含むガスを前記水素燃焼ガスタービンで燃焼して発電する
請求項６に記載の火力発電システム。
請求項６に記載の火力発電システム。
【請求項8】
多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、
前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱するための前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーと、
前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とによる前記発熱体における発熱により加熱された前記水素を含むガスを燃焼する水素燃焼ボイラーと
を備える、火力発電システム。
前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱するための前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーと、
前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とによる前記発熱体における発熱により加熱された前記水素を含むガスを燃焼する水素燃焼ボイラーと
を備える、火力発電システム。
【請求項9】
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層とを備える
請求項８に記載の火力発電システム。
請求項８に記載の火力発電システム。
【請求項10】
多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体を、密閉容器に収容し、
前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを熱源から供給し、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを熱源で加熱し、
前記水素を含むガスを前記密閉容器に導入し、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において発熱させる
発熱方法。
前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを熱源から供給し、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを熱源で加熱し、
前記水素を含むガスを前記密閉容器に導入し、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において発熱させる
発熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発熱システム、火力発電システム、及び発熱方法に関する。
【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）システム等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、本出願人等は、水素吸蔵合金等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、本出願人等は、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、水素透過膜又はプロトン導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、水素吸蔵金属又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、水素吸蔵合金又はセラミックスで構成された厚さ１０００ｎｍ未満の第２層とを交互に積層することによって構成されている。
【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水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いた発熱装置においては、ヒータで水素又は発熱体を加熱して使用することが必要であり、ヒータを用いずに簡略化することが求められている。
【0007】
本発明は、水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる発熱システム、火力発電システム、及び発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】
【0008】
本発明に係る発熱システムは、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを供給する、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する熱源とを備える。
【0009】
本発明に係る火力発電システムは、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、ガスタービンを有する火力発電装置とを備え、前記ガスタービンは、前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガス又は前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱するガスを排出する、又は、前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーをさらに有する。
【0010】
本発明に係る火力発電システムは、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体と、前記発熱体を格納する密閉容器と、前記密閉容器に水素を含むガスを導入する導入ラインと、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における発熱に供した前記水素を含むガスを導出する導出ラインとを有する発熱装置と、前記密閉容器の外側からあるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱するための前記水素を含むガスを加熱する水素ボイラーと、前記発熱体における前記水素の吸蔵と放出とによる前記発熱体における発熱により加熱された前記水素を含むガスを燃焼する水素燃焼ボイラーとを備える。
【0011】
本発明に係る発熱方法は、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜が形成された発熱体を、密閉容器に収容し、前記密閉容器の外側から前記発熱体を加熱するガスを熱源から供給し、あるいは前記密閉容器の内側で前記発熱体を加熱する前記水素を含むガスを熱源で加熱し、前記水素を含むガスを前記密閉容器に導入し、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において発熱させる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１実施形態に係る発熱システムの概略図である。
【図2A】発熱装置を説明するための説明図である。
【図2B】発熱装置の他の構成を説明するための説明図である。
【図3】発熱体の構造を示す断面図である。
【図4】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5】過剰熱の発生を説明するための説明図である。
【図6】第２実施形態に係る火力発電システムの概略図である。
【図7】発熱装置を説明するための説明図である。
【図8A】第３実施形態に係る火力発電システムの概略図である。
【図8B】第３実施形態の他の構成の火力発電システムの概略図である。
【図9】第１変形例に係る火力発電システムの概略図である。
【図10】第２変形例に係る火力発電システムの概略図である。
【図11】発熱装置を説明するための説明図である。
【図12】第３変形例に係る火力発電システムの概略図である。
【図13A】第４実施形態に係る火力発電システムの概略図である。
【図13B】第４実施形態の他の構成の火力発電システムの概略図である。
【図14】火力発電システムの熱効率の向上を説明する説明図である。
【図15】第１層と第２層と第３層とを有する第４変形例の発熱体を説明するための説明図である。
【図16】第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第５変形例の発熱体を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る発熱システム１について説明する。
第１実施形態に係る発熱システム１について説明する。
【0015】
（発熱システム１）
図１は本実施形態に係る発熱システム１の概略図である。図示の発熱システム１は、格納容器２に発熱装置１１が収容されて構成されている。発熱装置１１は、水素を含むガス（以下水素系ガスと称する）を供給する水素タンク３に導入ライン４を介して接続され、水素系ガスが導入される。発熱装置１１は、導出ライン５を介してポンプ６に接続され、発熱装置１１内で発熱に供した水素系ガスが排出される。格納容器２は、熱源７に配管８を介して接続され、熱源７から発熱装置１１の発熱体１４（後述する）を加熱するガスが供給される。格納容器２は、配管９を介して発熱システム１の外部に接続されている。発熱装置１１、熱源７、ポンプ６等に接続して制御部１０が設けられている。
図１は本実施形態に係る発熱システム１の概略図である。図示の発熱システム１は、格納容器２に発熱装置１１が収容されて構成されている。発熱装置１１は、水素を含むガス（以下水素系ガスと称する）を供給する水素タンク３に導入ライン４を介して接続され、水素系ガスが導入される。発熱装置１１は、導出ライン５を介してポンプ６に接続され、発熱装置１１内で発熱に供した水素系ガスが排出される。格納容器２は、熱源７に配管８を介して接続され、熱源７から発熱装置１１の発熱体１４（後述する）を加熱するガスが供給される。格納容器２は、配管９を介して発熱システム１の外部に接続されている。発熱装置１１、熱源７、ポンプ６等に接続して制御部１０が設けられている。
【0016】
図１に示す発熱システム１では、発熱装置１１の外側から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスが熱源７から供給される構成を示している。発熱装置１１の外側から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスは、例えばガスタービンの燃焼ガスあるいは加熱された水素系ガス等である。発熱装置１１の外側から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスによって発熱体１４が発熱に適正な温度に加熱される。
【0017】
また、発熱装置１１の内側で発熱装置１１の発熱体１４と接触して発熱装置１１の発熱体１４を加熱するためのガスが熱源７により加熱されてもよい。発熱装置１１の内側で発熱体１４を加熱するガスは、例えば発熱体１４における発熱に供する前の予め熱源で加熱された水素系ガス等である。発熱装置１１の内側で発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスによって発熱体１４が発熱に適正な温度に加熱される。
【0018】
（格納容器２）
格納容器２は、例えば中空の容器であり、内部に発熱装置１１を収容する。格納容器２は、例えばステンレス等で形成される。発熱システム１において、熱源７から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスが供給されるように構成されていればよく、格納容器２は空間を区画する容器の形態でなくてもよい。例えば、発熱システム１は、ガスタービンの燃焼ガスを排出する流路等に発熱装置１１が設けられた構成であってもよい。
格納容器２は、例えば中空の容器であり、内部に発熱装置１１を収容する。格納容器２は、例えばステンレス等で形成される。発熱システム１において、熱源７から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスが供給されるように構成されていればよく、格納容器２は空間を区画する容器の形態でなくてもよい。例えば、発熱システム１は、ガスタービンの燃焼ガスを排出する流路等に発熱装置１１が設けられた構成であってもよい。
【0019】
（水素タンク３）
水素タンク３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。
水素タンク３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。
【0020】
（発熱装置１１）
図２Ａは発熱装置１１を説明するための説明図である。図示の発熱装置１１は、密閉容器１５に発熱体１４が格納されて構成されている。発熱体１４は、水素の吸蔵と放出とにより、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、例えば５０℃以上１０００℃以下の範囲内の温度に加熱される。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、発熱体１４が所定の温度になるように発熱体１４の表面積が予め調整されている。
図２Ａは発熱装置１１を説明するための説明図である。図示の発熱装置１１は、密閉容器１５に発熱体１４が格納されて構成されている。発熱体１４は、水素の吸蔵と放出とにより、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、例えば５０℃以上１０００℃以下の範囲内の温度に加熱される。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、発熱体１４が所定の温度になるように発熱体１４の表面積が予め調整されている。
【0021】
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、例えばステンレス等で形成される。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直交する長手方向を有する形状とされている。発熱体１４は、不図示の設置部により密閉容器１５の内部に設置されている。
【0022】
密閉容器１５は、導入ライン２９と接続する導入口２３を有する。導入ライン２９は図１の発熱システム１の導入ライン４に接続されている。密閉容器１５には、導入口２３を介して水素タンク３から水素系ガスが導入される。密閉容器１５は、導出ライン３０と接続する導出口２４を有する。導出ライン３０は図１の発熱システム１の導出ライン５に接続されている。密閉容器１５の水素系ガスは、導出口２４に接続された導出ライン３０を介して密閉容器１５から発熱装置１１の外部に排出される。
【0023】
密閉容器１５は、水素タンク３からの水素系ガスが導入される。このとき、水素系ガスに含まれる水素分子が発熱体１４に吸着し、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。水素が発熱体１４に吸蔵された後、密閉容器１５は、ポンプ６の駆動による水素系ガスの導出により減圧されて例えば１×１０－４［Ｐａ］以下とされ、あるいは真空引きをされる。これにより、発熱体１４の内部の水素と密閉容器１５の内側であって発熱体１４の外部の水素との濃度の差に起因して水素原子は発熱体１４の内部を拡散し、発熱体１４では水素の吸蔵と放出がなされる。発熱体１４は、詳しくは後述するが、水素が拡散する過程で、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する。
【0024】
図２Ａに示す構成において、発熱体１４への水素の供給が少量でも水素の吸蔵と放出によって発熱体１４を発熱させることができる。発熱体１４の熱は回収して利用することができる。
【0025】
図２Ｂは図２Ａとは異なる他の構成の発熱装置１１を説明するための説明図である。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、例えばステンレス等で形成される。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。
【0026】
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、導入ライン２９と接続する導入口２３を有する。導入ライン２９は図１の発熱システム１の導入ライン４に接続されている。第１室２１には、導入口２３を介して水素タンク３から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、導出ライン３０と接続する導出口２４を有する。導出ライン３０は図１の発熱システム１の導出ライン５に接続されている。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から発熱装置１１の外部に排出される。
【0027】
第１室２１は、水素タンク３からの水素系ガスの導入により昇圧される。第２室２２は、ポンプ６の駆動による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。導入ライン２９及び導出ライン３０の経路上には、上記のように第１室２１及び第２室２２の圧力を調整するための圧力調整弁（図示なし）が適宜設けられている。
【0028】
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。
【0029】
上記のように、発熱体１４では水素の吸蔵と放出がなされる。発熱体１４は、詳しくは後述するが、水素が拡散する過程で、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する。
【0030】
発熱体１４での水素の吸蔵と放出がなされるとき、水素系ガスが十分供給されると、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。従って、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。水素系ガスは、発熱体１４を透過するとき、発熱体１４の熱によって加熱される。加熱された水素系ガスは、例えばガスタービンの燃料として利用することができる。
【0031】
発熱体１４での発熱は、図２Ｂに示す構成のような水素が発熱体１４を透過する場合に限定されるものではない。図２Ａに示す構成等のように、発熱体１４で水素の吸蔵と放出がなされれば発生するものであり、発熱体１４への水素系ガスの供給が少量でも水素の吸蔵と放出によって発熱体１４を発熱させることができる。この場合、供給される水素系ガスは少量であるので水素系ガスとして利用するのに十分な量ではないが、発熱体１４の熱は回収して利用することができる。発熱体１４と水素が直接接触しない場合、発熱体１４での発熱に供した水素系ガスは回収して再利用するか大気に放出される。
【0032】
図２Ａに示す構成では、密閉容器１５内部には、密閉容器１５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。圧力センサは、制御部１０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１０に出力する。
【0033】
図２Ｂに示す構成では、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１０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１０に出力する。
【0034】
発熱システム１は、発熱装置１１の外側から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスが熱源７から供給される。発熱装置１１の外側から発熱装置１１の発熱体１４を加熱するガスは、例えばガスタービン等の燃焼ガスあるいは加熱された水素系ガス等である。これにより、発熱体１４の温度が発熱に適正な温度に維持される。
【0035】
また、発熱装置１１の内側で発熱装置１１の発熱体１４と接触して発熱装置１１の発熱体１４を加熱するためのガスが熱源７で加熱されてもよい。発熱装置１１の内側で発熱体１４を加熱するためのガスは、例えば発熱体１４における発熱に供する前の水素系ガス等である。これにより、発熱体１４の温度が発熱に適正な温度に維持される。
【0036】
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。発熱装置１１には、温度センサ（図示なし）が設けられている。温度センサは、発熱体１４の温度を検出する。温度センサは、例えば熱電対であり、密閉容器１５の設置部２０等に設けられている。温度センサは、水素系ガスの温度を検出するように構成されてもよい。温度センサは、制御部１０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１０に出力する。
【0037】
導入ライン２９の経路上には、水素系ガスに含まれる不純物を除去するフィルタが必要に応じて設けられている。ここで、発熱体１４で水素の吸蔵と放出がなされる量（以下、水素吸蔵放出量という）、あるいは水素が発熱体１４を透過する場合には水素が発熱体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、密閉容器１５内に導入された水素系ガスの圧力あるいは発熱体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、水素吸蔵放出量あるいは水素透過量が減少する。
【0038】
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の内壁等から放出、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における水素吸蔵放出量あるいは水素透過量の減少を抑制する。
【0039】
（制御部１０）
発熱装置１１の圧力センサ及び温度センサ、ポンプ６、導入ライン４及び導出ライン５の経路上の圧力調整弁（図示なし）、及び熱源７等に、制御部１０が接続されており、発熱システム１の各部の動作を制御する。制御部１０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）等の記憶部等を主に備えている。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等を用いて各種の演算処理を実行する。
発熱装置１１の圧力センサ及び温度センサ、ポンプ６、導入ライン４及び導出ライン５の経路上の圧力調整弁（図示なし）、及び熱源７等に、制御部１０が接続されており、発熱システム１の各部の動作を制御する。制御部１０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）等の記憶部等を主に備えている。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等を用いて各種の演算処理を実行する。
【0040】
制御部１０は、発熱装置１１での発熱に供する前の水素系ガスを加熱する熱源からのガスの温度及び供給量の調整、及び密閉容器１５の圧力の調整等を行い、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１０は、図２Ａの構成では密閉容器１５内への水素系ガスの供給後に密閉容器１５内を減圧あるいは真空引きすることによって、水素吸蔵工程と水素放出工程とを行う。なお、制御部１０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１０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。制御部１０は、図２Ｂの構成では第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。上記の「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、発熱体１４での水素の吸蔵と放出が連続的になされるので、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１０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１０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。
【0041】
発熱装置１１において発熱体１４での水素の吸蔵と放出がなされると、過剰熱が発生する。図２Ａに示す構成において、発熱体１４の過剰熱によって、格納容器２の内部であって発熱装置１１の外部を通過するガス、例えば熱源７から供給されたガスが加熱される。この場合には、発熱体１４の過剰熱が発熱装置１１の外部を通過するガスに熱伝導するように構成されており、発熱体１４の表面積が大きいほど発熱体１４で発生する過剰熱が大きくなり、その分、発熱装置１１の外部を通過するガスの温度が高くなる。そのため、発熱体１４は、発熱装置１１の外部を通過するガスが所定の温度になるように、後述する発熱体１４の表面積が所定の大きさに設定されている。
【0042】
あるいは、図２Ｂに示す構成において、発熱体１４の過剰熱によって、発熱装置１１の内部を通過するガス、例えば水素系ガスが加熱される。この場合、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。
【0043】
【0044】
ここでは、例えば、２５℃程度の水素系ガスが発熱体１４へ吸蔵され、発熱体１４から放出されることにより、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、本実施形態では、水素系ガスが導入される方向、あるいは水素系ガスが透過する方向はどのような構成でもよい。
【0045】
支持体６１は、水素系ガスが発熱体１４へ吸蔵され、発熱体１４から放出されることを可能にする構成であればよく、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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、この例では表面及び裏面を有する板状に形成されている。多孔質体は、例えば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、セラミックス等により形成される。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。水素吸蔵放出膜は水素透過膜であってもよく、例えば、水素吸蔵金属又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等が用いられる。水素吸蔵合金としては、LaNi5、CaCu5、MgZn2、ZrNi2、ZrCr2、TiFe、TiCo、Mg2Ni、Mg2Cu等が用いられる。水素吸蔵放出膜は、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等が用いられる。
【0046】
図４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、水素吸蔵金属又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、水素吸蔵合金又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４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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
異種物質界面７３における水素原子の挙動について説明する。図５に示すように、異種物質界面７３は水素原子を透過させることができる。図５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及び第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。
【0051】
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。
【0052】
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又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及び第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及び第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及び第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、水素吸蔵金属又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又は水素吸蔵合金を析出させ、第１層７１及び第２層７２を交互に成膜してもよい。
【0053】
図４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。
【0054】
（熱源７）
熱源７は、発熱装置１１を構成する密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを供給する。あるいは熱源７は、密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを加熱する。このような熱源７は、例えば、ガスタービンを有する火力発電装置、ガスタービン及び蒸気タービンを有する火力発電装置、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置、及び水素ボイラー等である。
熱源７は、発熱装置１１を構成する密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを供給する。あるいは熱源７は、密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを加熱する。このような熱源７は、例えば、ガスタービンを有する火力発電装置、ガスタービン及び蒸気タービンを有する火力発電装置、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置、及び水素ボイラー等である。
【0055】
（発熱システム１の作用）
次に、以上のように構成された発熱システム１の作用について説明する。図１に示すように、熱源７から発熱装置１１を構成する密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを供給する、あるいは熱源７で密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを加熱することで、発熱体１４の温度が所定の温度に加熱される。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が発生する。具体的には、各発熱体１４の多層膜６２の表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して発熱体１４の内部へ浸入し、水素原子は発熱体１４に吸蔵され、発熱体１４の内部を拡散し、発熱体１４では水素の吸蔵と放出がなされる。このように、水素原子が多層膜６２の異種物質界面７３（図５参照）を量子拡散によって透過し、あるいは、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、各発熱体１４において加熱温度以上の過剰熱を発生させることができる。発熱システム１においては、水素が各発熱体１４で連続的に吸蔵放出することによって、過剰熱を効率的に発生させることができる。発熱システム１において、発熱体１４の過剰熱によって、発熱装置１１の外部を通過するガス、例えば熱源７から供給されたガスが加熱される。熱源７から供給されたガス等で回収された過剰熱は熱エネルギーとして利用される。あるいは、発熱体１４の過剰熱によって、発熱装置１１の内部を通過するガス、例えば水素系ガスが加熱される。加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービンあるいは水素燃焼ボイラー等の水素燃焼装置で燃焼して利用される。
次に、以上のように構成された発熱システム１の作用について説明する。図１に示すように、熱源７から発熱装置１１を構成する密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを供給する、あるいは熱源７で密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを加熱することで、発熱体１４の温度が所定の温度に加熱される。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が発生する。具体的には、各発熱体１４の多層膜６２の表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して発熱体１４の内部へ浸入し、水素原子は発熱体１４に吸蔵され、発熱体１４の内部を拡散し、発熱体１４では水素の吸蔵と放出がなされる。このように、水素原子が多層膜６２の異種物質界面７３（図５参照）を量子拡散によって透過し、あるいは、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、各発熱体１４において加熱温度以上の過剰熱を発生させることができる。発熱システム１においては、水素が各発熱体１４で連続的に吸蔵放出することによって、過剰熱を効率的に発生させることができる。発熱システム１において、発熱体１４の過剰熱によって、発熱装置１１の外部を通過するガス、例えば熱源７から供給されたガスが加熱される。熱源７から供給されたガス等で回収された過剰熱は熱エネルギーとして利用される。あるいは、発熱体１４の過剰熱によって、発熱装置１１の内部を通過するガス、例えば水素系ガスが加熱される。加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービンあるいは水素燃焼ボイラー等の水素燃焼装置で燃焼して利用される。
【0056】
（発熱システム１の効果）
本実施形態の発熱システム１によれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる。
本実施形態の発熱システム１によれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる。
【0057】
発熱体１４は、水素を使用して発熱するので、二酸化炭素等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。従って、発熱装置１１は、このような発熱体１４を熱エネルギー源とすることで、安価、クリーン、安全な熱エネルギー源を利用して過剰熱あるいは加熱された水素系ガスを得ることができる。本実施形態で用いられる発熱体１４の電熱設計は容易である。
【0058】
上記のようにして得られた過剰熱は熱エネルギーとして利用することができる。あるいは、得られた加熱された水素系ガスを水素燃焼ガスタービンあるいは水素燃焼ボイラー等の水素燃焼装置で利用することができる。
【0059】
（発熱方法）
本実施形態の発熱方法は、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜６２が形成された発熱体１４を、密閉容器１５に収容する。次に、密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを熱源７から供給し、あるいは密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを熱源７で加熱する。続いて、水素系ガスを密閉容器１５に導入し、発熱体１４における水素の吸蔵と放出とにより発熱体１４において発熱させる。
本実施形態の発熱方法は、多孔質体、水素吸蔵放出膜、及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の表面に、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する多層膜６２が形成された発熱体１４を、密閉容器１５に収容する。次に、密閉容器１５の外側から発熱体１４を加熱するガスを熱源７から供給し、あるいは密閉容器１５の内側で発熱体１４を加熱する水素系ガスを熱源７で加熱する。続いて、水素系ガスを密閉容器１５に導入し、発熱体１４における水素の吸蔵と放出とにより発熱体１４において発熱させる。
【0060】
（発熱方法の効果）
本実施形態の発熱方法によれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体１４を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる。
本実施形態の発熱方法によれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体１４を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができる。
【0061】
本発明は、上記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、他の実施形態及び変形例について説明する。他の実施形態及び変形例の図面及び説明では、上記実施形態と同一又は同等の構成要素及び部材に対し同一の符号を付する。上記実施形態と重複する説明を適宜省略し、上記実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
【0062】
［第２実施形態］
図６は第２実施形態に係る火力発電システム１Ａの概略図である。図示の火力発電システム１Ａは、ガスタービン３４と蒸気タービン３７とを有する火力発電装置７Ａと、ガスタービン３４の燃焼ガス排出配管３５の一部３５ａに設けられた発熱装置４２（後述する）とを備える。ガスタービン３４は、発熱装置４２の発熱体１４を加熱するガスを排出する。
図６は第２実施形態に係る火力発電システム１Ａの概略図である。図示の火力発電システム１Ａは、ガスタービン３４と蒸気タービン３７とを有する火力発電装置７Ａと、ガスタービン３４の燃焼ガス排出配管３５の一部３５ａに設けられた発熱装置４２（後述する）とを備える。ガスタービン３４は、発熱装置４２の発熱体１４を加熱するガスを排出する。
【0063】
ガスタービン３４は、空気３１と天然ガスを燃焼して得た燃焼ガス３３の圧力により回転される。ガスタービン３４は発電機４１に接続されており、ガスタービン３４の回転により発電機４１で発電される。ガスタービン３４には燃焼ガス排出配管３５が接続して設けられており、ガスタービン３４の回転に供した燃焼ガスは燃焼ガス排出配管３５から排出される。燃焼ガス排出配管３５には、排熱回収ボイラー３６が接続して設けられている。
【0064】
蒸気タービン３７は、復水器３８、第１配管３９、及び第２配管４０が接続して設けられている。第１配管３９の熱交換部３９ａは、排熱回収ボイラー３６の内部を通過するように設けられている。復水器３８、第１配管３９、及び第２配管４０には、熱媒体として水及び水蒸気が流されている。復水器３８に貯留された水は、第１配管３９を通過して排熱回収ボイラー３６においてガスタービン３４からの燃焼ガスと熱交換して水蒸気となる。得られた水蒸気は、第２配管を通過して蒸気タービン３７に導入される。蒸気タービン３７は、水蒸気の圧力により回転される。蒸気タービン３７は発電機４１に接続されており、蒸気タービン３７の回転により発電機４１で発電される。蒸気タービン３７は配管を介して復水器３８に接続されており、蒸気タービン３７の回転に供した水蒸気は復水器３８で水となる。ガスタービン３４からの燃焼ガスは、排熱回収ボイラー３６において熱交換し、配管３６ａから排出される。
【0065】
燃焼ガス排出配管３５は、例えば断面が５ｍ×７ｍ、長さが２０ｍの大きさがあり、本実施形態では、燃焼ガス排出配管３５の一部３５ａに発熱装置４２が設けられている。ガスタービン３４から発熱装置４２に供給される燃焼ガスは、発熱装置４２の発熱体１４を加熱することができる。
【0066】
図７は発熱装置４２を説明するための説明図である。図７に示すように、燃焼ガス排出配管３５の一部３５ａの流路内に発熱装置４２が収容されて構成されている。図７に示す構成では、３個の発熱装置４２が設けられた構成を示しているが、発熱装置４２の個数に特に限定はない。発熱装置４２は、第１実施形態に記載の発熱装置１１と同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。
【0067】
発熱装置４２は、水素系ガスを供給する水素タンク４３及び水素供給装置４４に導入ライン４５を介して接続され、水素系ガスが導入される。発熱装置４２は、導出ライン４６を介してポンプ４７に接続され、発熱装置４２内が減圧あるいは真空引きされる。
【0068】
燃焼ガス排出配管３５はガスタービン３４に接続されており、ガスタービン３４から燃焼ガス排出配管３５へ例えば大気圧の燃焼ガス４８が供給される。燃焼ガス４８は、発熱装置４２の発熱体を加熱することができる。発熱装置４２の発熱体１４へ少量の水素系ガスが供給され、発熱装置４２内が減圧あるいは真空引きされることで発熱体１４の内部を水素が拡散し、水素が拡散する過程で、発熱体１４での水素の吸蔵と放出によって発熱体１４が発熱する。燃焼ガス排出配管３５は、排熱回収ボイラー３６に接続されている。燃焼ガス４８は、発熱装置４２の発熱体１４を一度所定の温度に加熱した後は、発熱体１４で発生する過剰熱が伝導されて、ガスタービン３４から排出された直後よりも高温の排出ガス４９として排熱回収ボイラー３６に供給され、排熱回収ボイラー３６において排出ガス４９から熱回収がされて蒸気タービン３７での発電がなされる。このようにして、発熱装置４２の発熱体１４で発生した過剰熱は熱エネルギーとして利用される。
【0069】
上記の発熱装置４２において、ガスタービン３４から燃焼ガス４８を供給することで、発熱装置４２の発熱体１４の温度が所定の温度に加熱される。発熱装置４２に水素系ガスを導入し、発熱装置４２の内部を減圧あるいは真空引きすると、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が発生する。発熱体１４で発生した過剰熱は、熱交換により燃焼ガス排出配管３５を通過する燃焼ガス４８を加熱して、排熱回収ボイラー３６に供給される排出ガス４９の温度を高めることができる。例えば、ガスタービン３４から燃焼ガス排出配管３５へ供給される燃焼ガス４８の温度が６５０℃のときに、燃焼ガス排出配管３５から排熱回収ボイラー３６へ供給される排出ガス４９の温度を６５０℃以上とすることができる。これによって蒸気タービン３７での発電効率を高めることができる。
【0070】
本実施形態の火力発電システム１Ａによれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体１４を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができ、これよって、発電効率を高めることができる。
【0071】
［第３実施形態］
図８Ａは第３実施形態に係る火力発電システム１Ｂの概略図である。図示の火力発電システム１Ｂは、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｂ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｂは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱するガスを排出する。
図８Ａは第３実施形態に係る火力発電システム１Ｂの概略図である。図示の火力発電システム１Ｂは、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｂ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｂは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱するガスを排出する。
【0072】
火力発電装置７Ｂは、水素燃焼ガスタービン５０を有する。水素燃焼ガスタービン５０は、圧縮器５１、燃焼器５２、タービン５３、５４、及び燃焼ガスの排出口５５を含んで構成されている。水素燃焼ガスタービン５０へ外気５６を吸気しながら燃焼器５２に水素系ガスを導入して燃焼して得た燃焼ガス５７の圧力により、タービン５３、５４が回転される。タービン５３、５４は発電機（図示なし）に接続されており、タービン５３、５４の回転により発電機で発電される。燃焼ガス５７は、タービン５３、５４を回転させた後に排出口５５から排出される。
【0073】
本実施形態では、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられている。火力発電システム１Ｂは、水素タンク１０１、配管１０２、熱交換器１０３、配管１０４、発熱装置１０５ａ、格納容器１０５ｂ、及び配管１０６を有する。発熱装置１０５ａは格納容器１０５ｂに格納されている。水素燃焼ガスタービン５０、発熱装置１０５ａ、格納容器１０５ｂ、各配管１０２、１０４、１０６の経路上に適宜設けられた圧力調整弁（図示なし）等は、制御部（図示なし）に接続され、制御部により、水素燃焼ガスタービン５０の駆動、水素系ガスの供給、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスの加熱がそれぞれ制御される。
【0074】
水素タンク１０１は配管１０２を介して熱交換器１０３に接続されている。熱交換器１０３は燃焼ガス５７の排出経路上に配置されている。熱交換器１０３は水素タンク１０１から水素系ガスが導入され、導入された水素系ガスと熱交換器１０３近傍を流れる燃焼ガス５７との熱交換を行い、例えば水素系ガスを６５０℃に加熱する。加熱された水素系ガスは配管１０４を介して発熱装置１０５ａを格納する格納容器１０５ｂに導入される。
【0075】
発熱装置１０５ａは図２Ａに示す構成を有し、水素燃焼ガスタービン５０が排出する燃焼ガス５７との熱交換により、発熱装置１０５ａに導入される水素系ガスが所定の温度に加熱されるとともに、加熱された水素系ガスによって発熱装置１０５ａの外側から発熱体１４の温度が所定の温度に加熱される。発熱装置１０５ａに別途設けられた配管（不図示）によって発熱装置１０５ａの発熱体１４へ少量の水素系ガスが供給され、発熱装置１０５ａ内が減圧あるいは真空引きされることで発熱体１４の内部を水素が拡散し、水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。
【0076】
上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0077】
本実施形態の火力発電システム１Ｂのガスタービン出力をシミュレーションにより算出した。ここでは、熱交換器１０３での加熱前の水素系ガスの温度を２０℃、熱交換器１０３での加熱後の水素系ガスの温度を６５０℃、発熱装置１０５ａでさらに加熱された水素系ガスの温度を９００℃、燃焼器５２での燃焼温度を１６００℃と想定した。シミュレーションの結果、本実施形態の火力発電システム１Ｂでは、発熱装置１０５ａが設けられておらずに水素系ガスを加熱しないで供給する場合と比較して、燃料量が１５．７％減少し、これによりガスタービン効率が１８．６％上昇する。燃料量の減少により、ガスタービンの作動流体が減少し、ガスタービン出力は２．３％減少する。上記のガスタービン効率の上昇とガスタービン出力の減少を相殺すると、トータルのガスタービン効率は１５．９％上昇し、例えばガスタービン効率３５％が４０．５％に上昇する。
【0078】
水素系ガスと熱交換器１０３において熱交換した燃焼ガス５７は、水素燃焼ガスタービン５０の外部に排出される。例えば、第２実施形態に記載された蒸気タービン３７及び排熱回収ボイラー３６と同様な構成をさらに有する場合には、燃焼ガス５７の熱を回収して蒸気タービンを用いた発電を行うことができる。この場合、燃焼ガス５７は水素系ガスとの熱交換により温度が低下し、それに応じて、燃焼ガス５７を用いた蒸気タービンでの発電の効率は低下する。
【0079】
本実施形態の火力発電システム１Ｂによれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体１４を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができ、これによって、発電効率を高めることができる。
【0080】
図８Ｂは本実施形態の他の構成の火力発電システム１Ｂａの概略図である。図８Ｂの構成では、図８Ａに示す格納容器１０５ｂに格納された発熱装置１０５ａの代わりに、格納容器に格納されていない発熱装置１０５ｃが設けられている。発熱装置１０５ｃは図２Ｂに示す構成を有し、水素燃焼ガスタービン５０が排出する燃焼ガス５７との熱交換により、発熱装置１０５ｃに導入される水素系ガスが所定の温度に加熱されるとともに、発熱装置１０５ｃの内側で水素系ガスが接触する発熱体１４の温度が所定の温度に加熱される。発熱装置１０５ｃに加熱された水素系ガスを導入すると、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が発生する。発熱体１４は、発生した過剰熱によって、発熱装置１０５ｃの内部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。このようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができ、発電効率を高めることができる。
【0081】
［第１変形例］
図９は第１変形例に係る火力発電システム１Ｃの概略図である。図示の火力発電システム１Ｃは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｃ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｃは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱するガスを排出する。火力発電装置７Ｃの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられている。
図９は第１変形例に係る火力発電システム１Ｃの概略図である。図示の火力発電システム１Ｃは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｃ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｃは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱するガスを排出する。火力発電装置７Ｃの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられている。
【0082】
本変形例では、水素タンク１０１から導出された配管１０２ａが、配管１０２ｂ及び配管１０２ｃに分岐している。一方の配管１０２ｃは、第３実施形態と同様に、熱交換器１０３に接続されており、以降は配管１０４、発熱装置１０５ａを格納する格納容器１０５ｂ、及び配管１０６を介して水素燃焼ガスタービン５０の燃焼器５２に接続されており、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスが燃焼して用いられる。発熱装置１０５ａは、図８Ａに示す第３実施形態に記載の発熱装置１０５ａと同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。発熱装置１０５ａを格納する格納容器１０５ｂに加熱された水素系ガスを導入すると、発熱装置１０５ａの発熱体１４が所定の温度に加熱され、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が発生する。発熱装置１０５ａの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0083】
また、図９に示す格納容器１０５ｂに格納された発熱装置１０５ａの代わりに、格納容器に格納されていない図２Ｂに示す構成を有する発熱装置が設けられていてもよい。発熱装置の発熱体１４は、発生した過剰熱によって、発熱装置１０５ａの内部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱し、これを水素燃焼ガスタービン５０で燃焼することで発電効率を高めることができる。
【0084】
本変形例に係る火力発電システム１Ｃは、さらに、配管１０２ａから分岐する他方の配管１０２ｂに接続して、水素供給装置１０７、配管１０８、発熱装置１０９、配管１１０、及びポンプ１１１を有する。発熱装置１０９は燃焼ガス５７の排出経路上に配置されている。発熱装置１０９は、第１実施形態に記載の発熱装置１１と同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。水素燃焼ガスタービン５０から発熱装置１０９の発熱体１４を加熱する燃焼ガス５７を供給することで、発熱装置１０９の外側から発熱体１４が所定の温度に加熱される。発熱装置１０９に少量の水素系ガスを導入して発熱装置１０９の内部を減圧あるいは真空引きすると、発熱体１４の内部で水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱体１４で発生した過剰熱は、熱交換により排出口５５から排出される燃焼ガス５７を加熱することができる。加熱された燃焼ガス５７を排熱回収ボイラー３６に供給することで、発熱体１４で発生した過剰熱を回収することができる。
【0085】
燃焼ガス５７は、熱交換器１０３において水素系ガスとの熱交換による温度低下があるが、発熱装置１０９で発生した過剰熱による温度上昇があるため、燃焼ガス５７を用いた蒸気タービンでの発電効率の低下を抑制することができる。本変形例の火力発電システム１Ｃのガスタービン出力を、上記の第３実施形態のシミュレーションと同様の温度を想定してシミュレーションにより算出すると、発熱装置１０５ａが設けられておらずに水素系ガスを加熱しないで供給する場合と比較して、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル全体の熱効率も同様に１５．９％上昇し、例えばガスタービン効率６０％が６９．５％に上昇する。
【0086】
［第２変形例］
図１０は第２変形例に係る火力発電システム１Ｄの概略図である。図示の火力発電システム１Ｄは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｄ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｄの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられている。火力発電装置７Ｄは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱する発熱装置１０９を有する。
図１０は第２変形例に係る火力発電システム１Ｄの概略図である。図示の火力発電システム１Ｄは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｄ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｄの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられている。火力発電装置７Ｄは、発熱装置１０５ａの発熱体１４を加熱するための水素系ガスを加熱する発熱装置１０９を有する。
【0087】
図１１は火力発電システム１Ｄを構成する発熱装置１０９を説明するための説明図である。図１１に示すように、発熱装置１０９とそれを格納する格納容器１０９ｘとが、水素燃焼ガスタービン５０からの燃焼ガス１２２の排出経路１２１上に配置されて構成されている。発熱装置１０９は、第１実施形態に記載の発熱装置１１と同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。水素タンク１０１から導出された配管１０２ｄは、配管１０２ｅ及び配管１０２ｆに分岐しており、水素タンク１０１から導出された配管１０２ｄから分岐した一方の配管１０２ｆは、水素供給装置１０７を介して発熱装置１０９に接続されている。発熱装置１０９は配管１１０を介してポンプ１１１に接続されている。水素タンク１０１から導出された配管１０２ｄから分岐した他方の配管１０２ｅは、格納容器１０９ｘに接続され、配管１０４ａ、発熱装置１０５ａ、及び配管１０６を介して水素燃焼ガスタービン５０の燃焼器５２に接続されている。
【0088】
格納容器１０９ｘの内部に発熱装置１０９が格納されており、発熱装置１０９の内部の空間と、発熱装置１０９の外部であって格納容器１０９ｘの内部の空間とに、それぞれ水素系ガスが導入可能に設けられている。水素燃焼ガスタービン５０から発熱装置１０９の発熱体１４を加熱する燃焼ガス１２２を導入することで、発熱装置１０９の外側から発熱体１４が所定の温度に加熱される。発熱装置１０９に少量の水素系ガスを導入して発熱装置１０９を減圧あるいは真空引きすると、発熱体１４の内部で水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱装置１０９の発熱体１４で発生した過剰熱は、熱交換により、発熱装置１０９の外部であって格納容器１０９ｘの内部の空間を流れる水素系ガスを加熱することができる。例えば、水素タンク１０１から２０℃の水素系ガスが導入され、６５０℃に加熱された水素系ガスが配管１０４ａから導出される。
【0089】
格納容器１０９ｘの内部で熱交換により例えば６５０℃に加熱された水素系ガスは、配管１０４ａを介して発熱装置１０５ａが格納された格納容器１０５ｂに導入される。発熱装置１０５ａは、図８Ａに示す第３実施形態に記載の発熱装置１０５ａと同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。発熱装置１０５ａが格納された格納容器１０５ｂに加熱された水素系ガスを導入すると、発熱装置１０５ａの発熱体１４が所定の温度に加熱され、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が発生する。発熱装置１０５ａの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0090】
また、図１０に示す格納容器１０５ｂに格納された発熱装置１０５ａの代わりに、格納容器に格納されていない図２Ｂに示す構成を有する発熱装置が設けられていてもよい。発熱装置の発熱体１４は、発生した過剰熱によって、発熱装置の内部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱し、これを水素燃焼ガスタービンで燃焼することで発電効率を高めることができる。
【0091】
発熱装置１０９の発熱体１４で発生した過剰熱は、熱交換により、格納容器１０９ｘの内部であって発熱装置１０９の外部の空間を流れる水素系ガスを加熱する。第３実施形態のように熱交換器で発熱装置１０５ａに導入される水素系ガスを加熱する場合には燃焼ガス１２２の温度低下が発生するが、発熱装置１０９で発生した過剰熱によって発熱装置１０５ａに導入される水素系ガスを加熱するので燃焼ガス１２２の温度低下はない。例えば６５０℃の温度で供給された燃焼ガス１２２は温度低下がなく６５０℃のままで排出ガス１２３として排出され、蒸気タービンでの発電効率の低下を抑制することができる。本変形例の火力発電システム１Ｄのガスタービン出力を、上記の第３実施形態のシミュレーションと同様の温度を想定してシミュレーションにより算出すると、発熱装置１０５ａが設けられておらずに水素系ガスを加熱しないで供給する場合と比較して、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル全体の熱効率も同様に１５．９％上昇し、例えばガスタービン効率６０％が６９．５％に上昇する。
【0092】
本変形例の火力発電システム１Ｄでは、駆動の初期においては発熱装置１０９の駆動方法を以下のように変更できる。火力発電システムの駆動の初期においては、発熱装置１０９の温度が高められていないので、水素系ガスを発熱装置１０９及び格納容器１０９ｘに供給せずに、別途設けられた水素系ガスのバイパスラインを用いて水素燃焼ガスタービン５０に水素系ガスを供給し、燃焼ガス１２２を得る。燃焼ガス１２２を得て、発熱装置１０９の発熱体１４の温度を十分に高めることができるようになった後、水素系ガスを発熱装置１０９及び格納容器１０９ｘに流し、上記のようにして、加熱された水素系ガスが配管１０４ａから導出されるようにすることができる。
【0093】
［第３変形例］
図１２は第３変形例に係る火力発電システム１Ｅの概略図である。図示の火力発電システム１Ｅは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｅ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｅの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられて、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスが燃焼して用いられる。発熱装置１０５ａは、図８Ａに示す第３実施形態に記載の発熱装置１０５ａと同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。発熱装置１０５ａが格納された格納容器１０５ｂに例えば６５０℃に加熱された水素系ガスを導入すると、発熱装置１０５ａの発熱体１４が所定の温度に加熱され、発熱体１４の内部で水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱装置１０５ａの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
図１２は第３変形例に係る火力発電システム１Ｅの概略図である。図示の火力発電システム１Ｅは、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービンを有する火力発電装置７Ｅ及び発熱装置１０５ａを含む。火力発電装置７Ｅの構成は、第３実施形態と同様である。また、第３実施形態と同様に、水素燃焼ガスタービン５０への水素系ガスの供給部として発熱装置１０５ａを含む構成が設けられて、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスが燃焼して用いられる。発熱装置１０５ａは、図８Ａに示す第３実施形態に記載の発熱装置１０５ａと同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。発熱装置１０５ａが格納された格納容器１０５ｂに例えば６５０℃に加熱された水素系ガスを導入すると、発熱装置１０５ａの発熱体１４が所定の温度に加熱され、発熱体１４の内部で水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱装置１０５ａの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１０５ｂの内部であって発熱装置１０５ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0094】
また、図１２に示す格納容器１０５ｂに格納された発熱装置１０５ａの代わりに、格納容器に格納されていない図２Ｂに示す構成を有する発熱装置が設けられていてもよい。発熱装置の発熱体１４は、発生した過剰熱によって、発熱装置の内部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱し、これを水素燃焼ガスタービンで燃焼することで発電効率を高めることができる。
【0095】
本変形例では、水素タンク１０１から導出された配管１０２ｇと、配管１０２ｇから分岐された配管１０２ｈと、配管１０２ｈから供給される水素系ガスを燃焼して配管１０２ｇを流れる水素系ガスを加熱する水素ボイラー１１２とを有する。水素ボイラー１１２による加熱によって、発熱装置１０５ａが格納された格納容器１０５ｂに導入される水素系ガスは、例えば６５０℃に加熱される。発熱装置１０５ａにより水素系ガスは例えば９００℃に加熱される。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、水素燃焼ガスタービン５０で利用することができる。水素燃焼ガスタービン５０は、発熱装置１０５ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0096】
本変形例の火力発電システム１Ｅのガスタービン出力を上記の第３実施形態のシミュレーションと同様の温度を想定してシミュレーションにより算出すると、本変形例の火力発電システム１Ｅでは、発熱装置１０５ａが設けられておらずに水素系ガスを加熱しないで供給する場合と比較して、燃料量が３．１％減少し、これによりガスタービン効率が３．２％上昇する。燃料量の減少により、ガスタービンの作動流体が減少し、ガスタービン出力は２．３％減少する。上記のガスタービン効率の上昇とガスタービン出力の減少を相殺すると、ガスタービン効率と、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル全体の熱効率とは、共に約１％上昇する。例えばガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル全体の熱効率は５０％から５０．５％に上昇する。
【0097】
［第４実施形態］
図１３Ａは第４実施形態に係る火力発電システム１Ｆの概略図である。図示の火力発電システム１Ｆは、水素燃焼ボイラーを有する火力発電装置７Ｆ及び発熱装置１３８ａを含む。火力発電装置７Ｆは、水素燃焼部１３０、復水器１３１、蒸気タービン１３２、及び発電機１３３を有し、さらに水素燃焼部１３０、蒸気タービン１３２、及び復水器１３１を循環する流路が設けられている。
図１３Ａは第４実施形態に係る火力発電システム１Ｆの概略図である。図示の火力発電システム１Ｆは、水素燃焼ボイラーを有する火力発電装置７Ｆ及び発熱装置１３８ａを含む。火力発電装置７Ｆは、水素燃焼部１３０、復水器１３１、蒸気タービン１３２、及び発電機１３３を有し、さらに水素燃焼部１３０、蒸気タービン１３２、及び復水器１３１を循環する流路が設けられている。
【0098】
水素燃焼部１３０で水素が燃焼されると、水素燃焼部１３０、蒸気タービン１３２、及び復水器１３１を循環する流路を流れる熱媒体である水が加熱されて水蒸気となる。得られた水蒸気は、蒸気タービン１３２に供給される。蒸気タービン１３２は、水蒸気の圧力により回転される。蒸気タービン１３２は発電機１３３に接続されており、蒸気タービン１３２の回転により発電機１３３で発電される。蒸気タービン１３２は配管を介して復水器１３１に接続されており、蒸気タービン１３２の回転に供した水蒸気は復水器１３１で水となる。水素燃焼部１３０には、排出口１３４が設けられており、水素燃焼部１３０からの燃焼ガスは、排出口１３４から排出される。
【0099】
本実施形態では、水素タンク１３５から導出された配管１３６ａと、配管１３６ａから分岐された配管１３６ｂと、配管１３６ｂから導入される水素系ガスを燃焼して配管１３６ａを流れる水素系ガスを加熱する水素ボイラー１３７とを有する。水素ボイラー１３７による加熱によって、発熱装置１３８ａが格納された格納容器１３８ｂに導入される水素系ガスは、例えば６５０℃に加熱される。発熱装置１３８ａは、図８Ａに示す第３実施形態に記載の発熱装置１０５ａと同様の構成を有し、図２Ａに示す構成を有する。発熱装置１３８ａが格納された格納容器１３８ｂに加熱された水素系ガスを導入すると、発熱装置１３８ａの発熱体１４が所定の温度に加熱され、発熱体１４の内部で水素が拡散する過程で、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が発生する。発熱装置１３８ａの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、格納容器１３８ｂの内部であって発熱装置１３８ａの外部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱する。上記のようにして得られた加熱された水素系ガスは、燃料として水素燃焼部１３０に供給され、水素燃焼ボイラーで利用される。水素燃焼ボイラーは、発熱装置１３８ａで加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができる。
【0100】
本実施形態の火力発電システム１Ｆのタービン出力を上記の第３実施形態のシミュレーションと同様の温度を想定してシミュレーションにより算出すると、本実施形態の火力発電システム１Ｆでは、発熱装置１３８ａが設けられておらずに水素系ガスを加熱しないで供給する場合と比較して、燃料量が３．１％減少し、これによりボイラーとタービンを組み合わせた全体効率が３．２％上昇し、例えばボイラーとタービンを組み合わせた全体効率が４３％から４７．５％に上昇する。
【0101】
本実施形態の火力発電システム１Ｆによれば、水素吸蔵合金等を用いた発熱体１４を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱することができ、これによって、発電効率を高めることができる。
【0102】
図１３Ｂは第４実施形態の他の構成の火力発電システム１Ｆａの概略図である。図１３Ｂの構成では、図１３Ａに示す格納容器１３８ｂに格納された発熱装置１３８ａの代わりに、格納容器に格納されていない発熱装置１３８ｃが設けられている。発熱装置１３８ｃは図２Ｂに示す構成を有し、発熱装置１３８ｃの発熱体１４は、発生した過剰熱によって、発熱装置１３８ｃの内部を通過する水素系ガスを例えば９００℃に加熱し、これを水素燃焼ボイラーで燃焼することで発電効率を高めることができる。
【0103】
図１４は上記の本実施形態及び変形例に係る水素燃焼ガスタービンを有する火力発電システムのガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル全体の熱効率（Ｃ／Ｃ熱効率）の向上を説明する説明図である。図１４に示されるように、タービンの世代とともに、図１４のＤ、Ｆ、Ｇ、Ｊで示す点の順にタービン入口温度が高められ、これに伴ってＣ／Ｃ熱効率も高められている。
【0104】
ここで、上記の実施形態及び変形例に示すように、水素吸蔵合金等を用いた発熱体を用いて発熱する際に、ヒータを用いずに簡略化した構成で発熱し、発熱装置で加熱された水素系ガスを燃焼することで、発電効率を高めることができ、図１４に示すように、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｊで示す点から伸びる矢印の分、Ｃ／Ｃ熱効率が向上できる。
【0105】
［第４変形例］
図１５は第１層と第２層と第３層とを有する第４変形例の発熱体を説明するための説明図である。上記の実施形態及び変形例における発熱体１４の代わりに図１５に示す発熱体７５を備えることができる。図１５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。第３層７７は、第１層７１及び第２層７２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１５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。
図１５は第１層と第２層と第３層とを有する第４変形例の発熱体を説明するための説明図である。上記の実施形態及び変形例における発熱体１４の代わりに図１５に示す発熱体７５を備えることができる。図１５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。第３層７７は、第１層７１及び第２層７２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１５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。
【0106】
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。
【0107】
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及び異種物質界面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及び第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及び第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。
【0108】
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。
【0109】
［第５変形例］
図１６は第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第５変形例の発熱体を説明するための説明図である。上記の実施形態及び変形例における発熱体１４の代わりに図１６に示す発熱体８０を備えることができる。図１６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。第４層８２は、第１層７１、第２層７２及び第３層７７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１６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及び異種物質界面７８と同様に、水素原子を透過させる。
図１６は第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第５変形例の発熱体を説明するための説明図である。上記の実施形態及び変形例における発熱体１４の代わりに図１６に示す発熱体８０を備えることができる。図１６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。第４層８２は、第１層７１、第２層７２及び第３層７７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１６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及び異種物質界面７８と同様に、水素原子を透過させる。
【0110】
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。
【0111】
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、及び異種物質界面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及び第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及び第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。
【0112】
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。
【0113】
なお、複数の層からなる発熱体としては、図４に示す発熱体１４、図１５に示す発熱体７５、及び図１６に示す発熱体８０から２種以上を混合して用いてもよい。例えば、内周側の発熱体と外周側の発熱体とで、異なる層構成の発熱体を用いてもよい。複数の層構成の発熱体を、任意の順番で配置し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。
【符号の説明】
【0114】
１ 発熱システム
２ 格納容器
３ 水素タンク
４ 導入ライン
５ 導出ライン
６ ポンプ
７ 熱源
８ 配管
９ 配管
１０ 制御部
１１ 発熱装置
２ 格納容器
３ 水素タンク
４ 導入ライン
５ 導出ライン
６ ポンプ
７ 熱源
８ 配管
９ 配管
１０ 制御部
１１ 発熱装置
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】