JPS597032B2 - 熱エネルギ−を機械エネルギ−に変換する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法
に関し、よシ詳しくは、金属と水素との可逆反応を利用
し、密封容器内で金属水素化物を加熱することにより水
素を発生させるとともに、該金属水素化物に対応する金
属を密封容器内で冷却することにより水素を吸収させて
、両容器間の圧力差を利用してピストン、タービン等を
駆動する方法に関する。

水を媒体として用いる火力発電の場合、通常ＬＮＧ，ナ
フサ等の燃料を１５００℃で燃焼させてボイラーを加熱
し、約５６６℃の蒸気を得てこれをタービンの駆動に使
用している。

このように燃焼温度が１５００℃であるにもかかわらず
、実際には５６６℃に下げて使用していることになり、
１５００℃と５６６℃との間の温度はボイラーの？伝導
だけのために使用され、無駄に効率を下げていることに
なる。

本発明者等は、無公害の燃機関として金属水素化物を用
いる熱エネルギーを機械エネルギーに変換する技術を既
に提案した（特願昭５１−８９ ０７４、 ５３−５３
３５５、 ５３−５３３５６）。

この熱機関においては加熱媒体として液体を用いること
ができ、ボイラーにおけるような加熱媒体と変換系との
間の大きい温度降下は無い。

しかも小さい温度差から大きい圧力差が得られるだめ低
質の廃熱を利用することができるなど金属水素｛ｌｍの
使用は多くの利点をもたらす。

たとえばＬ ａ Ｎ ｉ ５ Ｈ ６の場合、その平衡
水素圧は２０℃で２．２ａｔｍであるが、２００℃では
２３０ａ ｔｍ ％ ４ ０ ０℃では２３００ａｔｍ
， ５６６℃では６９００ａｔｍである。

しかしながら、装置の安全性の観点からすれば、水素圧
約５０ａｔｍ程度が実際上の限度であり、Ｌａ Ｎｉ
Ｈ の場５ 合１２０℃が加熱媒体の最大使用温度とさぜるを得ない
。

実際には、加熱媒体熱液として工場からの廃熱を利用す
る場合廃熱は３００℃のものも６００℃のものもあるの
で、これど１２０℃との間の温度は無駄なものとなり、
効率は低下する。

一方例えばＭ ｇ ２ Ｎ ｉ Ｎ４の場合には４５０
℃と２５０℃の間で使用しなければならず、冷却媒体と
して海水を用いる場合２５０℃と１５０℃との間の温度
差は利用できない。

本発明者等は、例えば比較的高温度の工場廃熱と海水と
の間のような大きい温度差をすべて利用し熱を効率よく
機械エネルギーに変換できるようなシステムを開発すべ
く鋭意研究した結果、異なった温度で等しい〒衡水素圧
を示す２種類以上の金属水素化物を使用することにより
この課題が達成できることを見出した。

本発明によれば、ｎ種類（ｎは２以上の整数）の金属水
素化物であって、それぞれ異ったｎ種の温度Ｔ ，Ｔ
，●●●Ｔｎで互いにほほ等しいｌ２ 平衡水素圧力ＰＨを示し、且つそれぞれ異なったｎ種の
温度ｔ１ ，ｔ２●●●ｔｎ （ただしＴ〉ｔ ≧Ｔ
″’＞ｔ ＠ ＊ ●ｔｎ−Ｉ Ｔｎ）ｔｎ ）で互
２ ２ ／ ２ いにほぼ等しい平衡水素圧力Ｐ ＣただしＰＨ〉Ｌ ＰＬである）を示す金属水素化物を、ｎ種の密封反応室
からなる第１反応室群にそれぞｔ別々に収容して、熱媒
体を用いてそれぞれの金属水素化物？温度Ｔ１ ，Ｔ２
・・●Ｔｎに保つことにより第１反応室群の各反応室に
水素圧ＰＨを発生せしめるとともに、第１反応室群の反
応室を互いに並列に連結し、前記金属水素化物にそれぞ
れ対応するｎ種類の脱水素化金属をｎ個の反応室からな
る第２反応室群にそれぞれ別々に収容して、冷媒体を用
いてそれぞれの脱水素化金属を温度ｔ１，ｔ２・●・ｔ
ｎに保つことにより、第２反応室群の各反応室が水素を
受けたとき水素を吸収して水素圧力ＰＬを示すことを可
能ならしめるとともに、第２反応室群の反応室を互いに
並列に連結し、この際、温度１ ．１ ・・●ｔｎ
−１での冷却に用い１２ る冷媒体をそれぞれ温度Ｔ２ ， Ｔ３ ｓ・・・
Ｔｎでの加熱に用いる熱媒体として用い、圧力差を駆動
源として連動可能な機械エネルギー発現手段に前記第１
及び第２反応室群間の圧力差ＰＨ−ＰＬを与えることに
よシこれを駆動させることを特徴とする、熱エネルギー
を機械エネルギーに変換する方法が提供される。

以下本発明を図面によシ詳細に説明する。

第１図は、本発明による熱〜機械エネルギー変換システ
ムの原理説明図であって、金属水素化物ＭＡ ＨＸ ｓ
ＭＢ Ｈ ｙ ， Ｍ Ｃ Ｈｚの３種を用いた例を
示す。

ＭＡＨＸ／Ｉ′ｉ温度Ｔ及びｔ１でそれぞれ平衡水素圧
力ＰＨおよびＰＬを示し、ＭＢＨＹは温度Ｔ２及びｔ２
でそれぞれＰＨ及びＰＬの平衡水素圧力を示し、ＭＯＨ
ｚは温度Ｔ３ 及びｔ３ でそれぞれ平衡水素圧力Ｐ
Ｈ及びＰＬを示す金属水素化物であって、この際Ｔ１〉
ｔ１≧Ｔ２ ”’＞ ｊ ２≧Ｔ３ ＞ ｔ３の関係が
成立するよう適宜選択される。

これらの金属水素化物はそれぞれ密封反応室Ｒ ｓ Ｒ
３ ＊ Ｒ５に収容されている。

Ｒ２ ｓ Ｒ４ｔＲ６ぱＭＡＨＸ−ＭＢＨｙ ｓＭＣ
Ｈｚにそれぞれ対応する脱水素化金属Ｍ Ａ＊ＭＢ ，
ＭＯが収容される密封反応室である。

反応室Ｒ ，Ｒ３，Ｒ５ぱ互いに並列に連結され、王立
伝達管１により切換弁２に結合され、一方反応室Ｒ２
ｓ Ｒ４ ＊Ｒ６ も同様に互いに並列に連結され、
圧力伝達管３により切換弁２に結合されている。

切換弁２は反応室群Ｒｓ Ｒ３ ｓ Ｒ５及び反応室群
Ｒ２ ｓ Ｒ４ ｓ Ｒ６を交互に全体を４で示す機械
エネルギー発現手段に連通させるだめのものである。

図示の例では機械エネルギー発現手段として、ピストン
とはずみ車を組合せたもの？用いられる。

即ち切換弁２は、ピストンシリンダー５に連通され、ピ
ストン６ははずみ車７にクランク軸８を介して連結され
、ピストン６の往復動作によりはずみ車７ぱ７駆動され
る。

尚、切換弁２／Ｉ″ｉ図示しない。

ピストンの上及び下死点位置検出手段により切換動作を
行う。

即ち、ピストン６が上及び下死点に至ると、これを上記
検出手段が検出し、その出力に応じ、切換弁は作動して
、反応室群Ｒ１ ｓ Ｒ ３ ｘ Ｒ ５ 又はＲ
２ ＊ Ｒ４ ｘ Ｒ６をピストンシリンダー５と連
通させる。

さて、反応室Ｒは温度ＴＨを有する高温熱源（たとえば
工場廃熱）により加熱され、ＭＡＨＸは温度Ｔ１に保た
れる。

その結果ＭＡＨＸは熱量Ｑ１を吸収して、 ２２ −ＭＡＨＸ→−ＭＡ＋Ｈ２ Ｘ Ｘ なる反応を起しＰＨの水素圧を発生する。

一方、反応室Ｒ２は温度ＴＡを有する蓄熱槽９内の媒体
によシ冷却され、ＭＡは温度ｔに保たれる。

その結果ＭＡ．はＰＨの圧の水素存在下では熱量Ｑ２を
放出し、 ２ 一ＭＡ＋Ｈ２→一ＭＡＨＸ Ｘ Ｘ なる反応を起しＰ Ｈ − Ｐ Ｌに相当する圧の水素
を吸収することができも 反応室Ｒ３は蓄熱槽９の熱媒体によシ加熱され、ＭＢＨ
Ｙは温度Ｔ２に保たれる。

そして熱量Ｑ′２を吸収しＭＢとなシこのときＰＨの水
素圧を発生する。

一方反応室Ｒ４は蓄熱槽１０中の温度ＴＢを有する媒体
により冷却されてＭＢＨ温度ｔ２に保たれＰＨの水素圧
下では熱量Ｑ３を放出しＭＢＨＹとな’）ＰＨ−ＰＬに
相当する水素圧を吸収することができる。

また、反応室Ｒ５は蓄熱槽１０中の媒体によシ加熱を受
けＭＯＨＺは温度Ｔ３に保たれ、熱量Ｑ’３を吸収しＭ
ｃとなシ、Ｐ Ｈの水素圧を発生する。

反応室Ｒ６は温度ＴＬを有する熱源（例えば海水〕によ
シ冷却され、Ｍｃは温度ｔ３に保たれ、ＰＨの水素圧下
では熱量Ｑ４を放出してＭｃＨＺとなシ、ＰＨ−ＰＬに
相当する水素圧を吸収することができる。

尚、Ｔ２＝ｔ１ 及びＴ３＝ｔ２カ≦成り立つような
金属水素化物を使用し、且つ蓄熱槽９，１０の媒体が液
体であれば、Ｔ２＝ｔ＝ＴＡであり、Ｔ３＝ｔ２＝ＴＢ
である。

この場合Ｑ２ ＝Ｑイ，Ｑ３？Ｑ３′であり蓄熱槽９，
１０の断熱をよくすることにより、外部から加熱又は冷
却を行わなくても、媒体をそれぞれＴＡ ｓ Ｔ Ｂの
温度に保つことができる。

以上の，ごとく金属水素化物及び金属を温度制御するこ
とにより、金属水素化物Ｍ Ａ Ｈ ｘ ｓ ＭＢＨｙ
ｓＭＣＨＺは加熱される温度がＴ ｓ Ｔ２ ｓ Ｔ
３の如く異っていても発生する水素の圧力はすべてＰＨ
であり、反応室Ｒ１ ｓ Ｒ２ ｓ Ｒ３を並列に連結
することができる。

まだ金属Ｍ Ａ ｔ Ｍ Ｂ ｓ Ｍ Ｃは連結するこ
とができる。

また金属Ｍ Ａ Ｉ Ｍ Ｂ ｓＭＣは冷却される温度
がそれぞれｔ ，ｔ２，ｔ３と異っていても吸収できる
水素圧力は等しく反応室Ｒ２ ｓ Ｒ４ ｔ Ｒ６を
並列に連結することができる。

このような構成の勢エネルギーを機械エネルギーに変換
するシステムは次の如く運転される。

ピストン６が図示の実線の如く上死点にあるとき切換弁
２が反応室Ｒ， Ｒ２ ， Ｒ３ （第１反応室群〕を
ピストンシリンダー５と連通させる位置にあれば、第１
反応室群に生じる圧ＰＨはシリンダー内に伝達され、ピ
ストン６を下降させる。

ピストン６が図示の点線の如く下死点に達したとき切換
弁２を切換え、反応室Ｒ２ ｓＲ４ ｓＲ６ Ｃ第２反
応室群）とピストンシリンダー５とを連通させると、シ
リンダー内の水素は第２反応室群の金属に吸収されシリ
ンダー内の圧はＰＬまで下がりその結果ピストン６は上
昇する。

このようにして切換弁２によりピストンシリンダー５を
第１及び第２反応室群に交互に連通させることにより、
ピストンは往復運動を行い、その結果はずみ車７を駆動
させることができる。

本発明によれば、温度ＴＨの熱源の熱を反応室Ｒ１ に
与えるだけで、熱はカスケード式に次々とＲ３ ｓＲ
５の加熱Ｒ２＊Ｒ４の冷却に利用された後最後に温度Ｔ
Ｌの熱源に棄てられ、ＴＨとＴＬ間の温度差をすべて有
効に機械エネルギーに変換することができる。

上記した如き熱エネルギーの機械エネルギーへの変換シ
ステムは、第１反応室群の金属水素化物が反応を終了し
水素圧ＰＨをもはや示すことができなくなり、及び／又
は第２反応室群の金属が水素吸収反応を終了し水素圧Ｐ
Ｌを示すことができなくなるまで（即ち、第１反応室群
と第２反応室？との圧力差がなくなるまで）運転される
。

その後は、反応室Ｒ１をｔ２ に、Ｒ２をＴに、Ｒ３を
ｔ２に、Ｒ４をＴ２に、Ｒ５をｔ３にそしてＲ６をＴ３
にそれぞれ保つように温度制御を切換えれば、反応室Ｒ
２＊ Ｒ４ ｓＲ６が水素発生側、反応室Ｒ＊ Ｒ ３
ｓ Ｒ ５が水素吸収側として作動する。

しかし、実際には、規定温度に達するまで時間を要しそ
の間機械エネルギーを取シ出すことはできない。

従って、長時間の連続運転を行うために、上記したよう
な変換システムをもう１組用意して、一方が反応を行っ
ている間に他方を予熱もしぐは予冷しておき圧力差がな
くなったとき他方に切換えることを繰返すようにすれば
よい。

第２図ｉ ， ｉｉ ， ｉｉｉ ，ｉｖは上記エネル
ギー変換システムの２組を使用して高温熱源Ｔ１と低温
熱源Ｔ４とからタービンとダイナモを用いて連続的に電
気エネルギーを発生させる方法を時間を追って示したも
のである。

第２図１において、水素ガスにより駆動されるタービン
とダイナモが中央部にあり、実線は水の導管を、矢印は
ガスの流れる方向を示す。

図の左側の系がタービンに結合されて作動中でシ、右側
は予熱段階にある。

左側の系において、高温熱源Ｔ１からの加熱媒体は２重
線で示される啼によＤＭＡＨｘをおさめた反応室をＴ１
に保持しながら、反応熱Ｑ１を与える。

発生したＰＨの高圧水素は矢印の導管によシタービンに
導ひかれ、Ｔ２に保持されたＭＡをおさめた反応室に戻
される。

ＭＡはＰＬの水素ガスをＴ２で吸収し、Ｑ２の熱を発生
する。

Ｔ２の蓄熱槽からの熱媒体は同時にＭＢＨＹをおさめた
反応室をも環流しており、ＭＢＨＹにＱ２の熱を与えて
ＰＨの高圧水素を発生する。

この水素はＭＡＨＸからの水素の圧力と等しいので混合
されタービンへ導かれる。

このようにして高温熱源からのＱ１の熱は系の内部を移
動しつつ機械エネルギーへ変換されてゆき、最後に残っ
たＱの熱がＴ４の低温熱源に放出される。

このとき得られる最大の変換効率はカルノーのＴ１−Ｔ
４ 式から×１００係である。

Ｔ１ 右側の図の水素の導管は２個のバルブにより、タービン
とダイナモから切離されており、各々の反応容器は高温
裂源Ｔ１ ，Ｔ２とＴ３の蓄熱槽およびＴ４の低温熱源
からの熱媒体によりそれぞれの温度に予熱及び予熱され
ていて、左側の系の反応が終了するまで待機している。

この場合反応熱を必要としないので熱媒体の流路におけ
る熱の流れを示す矢印になく水素ガスの流れを示す矢印
もない。

第２図１１は左側の変換システムの反応が終了してター
ビンから切離され、予熱予冷が行なわれている一方、右
側のシステムによりタービンが駆動されている状態を示
している。

さらに第２図ｉｉｉ，ｉｖを系由してこの変換サイクル
は完結し、再度第２図１へ戻る。

このシステムを使用すればＴ１の高温熱源とＴ４の低温
熱源さえあれば何らの部品を消耗することなく機械エネ
ルギー又は電気エネルギーを長期にわたり増出すことが
可能となる。

以上、本発明の方法を３種の金属水素化物を用いた例に
ついて説明したが、２種類又は４種類もしくはそれ以上
の金属水素化物及びそれに対応する金属を用いることが
できる。

実際に使用する金属水素化物の種類及び数は、各種の金
属水素化物のアルレニウスプロット（温度（絶対温度の
逆数と平衡水素圧力（対数）との関係）により適宜決定
できる。

即ち、得られる熱源温度（ＴＨ及びＴＬ）、効率ならび
に必要なＰＨ−ＰＬ値を考慮して、適宜決定すればよい
。

例えば２種類の金属水素化物を使用する場合には、高温
側（ ＭＡ ＨＸ ）のものとしてはＭｇ２ ＮｉＨ４
＋ＴＩ ＣＯＨｓＺｒＭｎ２Ｈ２ＣａＮｉ５ Ｈ６な
どが、低温側（ Ｍ Ｂ Ｈ ｙ ）のものとしてはＣ
ａ Ｎｉ５ Ｈ６ ｓＬａＮｉ５Ｈ６ ｓ Ｆ ｅ
Ｔ ］ Ｈｚ Ｔ ｉＭｎ１５ Ｈ２ ＊Ｌ ａ Ｃ
０５ Ｈ３などが例として挙げることができそれぞれの
中から適当な１種を選ぶとよい。

また３種の金属水素化物を使用する例としては、高温用
ＭＡＨＸとしてＭｇ ２ Ｎｉ Ｈ４ ＊ Ｍｇ Ｃ
ｕ２ Ｈ２など、中温用のＭＢＨＹとしてＴｉＣｏＨ
ｓＺｒＭｎ２Ｈ２ｓＬａＣｏ５Ｈ３ ｓＰｄＨなど、
及び低温用ＭｃＨＺとしてＣ ａ Ｎ ｉ５ Ｈ４ｓＮ
ｉ５ Ｈ ５１ＴｉＭｎ１５Ｈ２５＊ ＦｅＴｉＨ，
ＬａＮｉ５ Ｈ６などが使用でき適宜組合せて使用する
。

また、以上の説明では反応室を固定しこれにヤケット等
を設けて熱又は冷媒体を循環し温度制を行ったが、これ
に限らず熱又は冷媒体を固定媒体中に反応室を浸漬せし
めてもよい。

更に、？械エネルギー発現手段としてはピストンに限ら
ず、圧力差を駆動源として駆動することができるもので
あれば任意のものが適用される。

実施例 密封耐圧容器Ｒ １ ｓ Ｒ ３ ｓ Ｒ５ にＭ
ｇ ２ Ｎ ｉ Ｈ ４１５５７、ＴｉＣｏＨ１６６ｆ
、及びＬ ａ Ｎ ｉ ５ Ｈ ６７１０１をそれぞれ
粉砕して収容し、密封耐圧容器Ｒ ２ ｓ Ｒ ４ ｓ
Ｒ６にＭｇＮｉ １ ５ ０グ、 Ｔｉ Ｃｏ１６０
ｆ，及びＬａＮｊ５ ７ ０ ０ ？をそれぞれ粉細し
で収容した。

容器Ｒ１を４５０℃の硝酸ナトリウムの塩バス中に入れ
、容器Ｒ２及びＲ３を２５０℃のオイルバス中に、容器
Ｒ゛４及びＲ５を１３０℃のオイルバス中に、及び容器
Ｒ６を１５℃の水中にそれぞれ浸漬させた。

容器Ｒ，Ｒ３，Ｒ５を互いに並列に連結し−、一方容器
Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６ を互いに並列に連結し、それぞれの
組を第１図に示したように切換弁を介し、直径２０馴の
ピストンシリンダーに交互に連通させピストンを駆動さ
せた。

はずみ車には直流発動機を接続しこれを駆動させた。

Ｒ１ ＊ Ｒ３ ｓ Ｒ５側の水素圧は４ ８ ａ
ｔｍ ％ Ｒ２ ＊ Ｒ４ ｓ Ｒ６側の水素圧は２
ａｔｍであった。

このときの理論変換効率は６０．１係であシ、本実施例
で得られる変換効率は２８係であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するだめの装置の原理説明
図及び第２図は本発明の方法を連続的に行うだめの装置
である。 Ｒ１〜Ｒ６・・・反応室、２・・・切換弁、５・・・ピ
ストンシリンダー、６・・・ピストン、７・・・はずみ
車、９，１０・・・蓄熱槽、１２・・・切換弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｎ種類（ｎは２以上の整数〕の金属水素化物であっ
   て、それぞれ異ったｎ種の温度Ｔ１，Ｔ２．●●Ｔｎで
   互いにほぼ等しい平衡水素圧力ＰＨを示し、且つそれぞ
   れ異ったｎ種の温度ｔ１，ｔ２・・・ｔｎ（ただしＴ１
   ） ｊ ’ｉ≧Ｔ２≧ｔ２・・・ｔ ｎ − ｔ≧Ｔ
   ｎ＞ｔｎである）で互いにほぼ等しい平衡水素圧力ＰＬ
   （ただしＰＨ＞ＰＬである）を示す金属水素化物を、ｎ
   個の密封反応室からなる第一反応室群にそれぞれ別々に
   収容して、熱媒体を用いてそれぞれの金属水素化物を温
   度Ｔ１ ，Ｔ２ｓ・・・Ｔｎに保つことにより第１反応
   室群の各反応室に水素圧ＰＨを発生せしめるとともに、
   第１反応室群の反株室を互いに並列に連結し、前？金属
   水素化物にそれぞれ対応するｎ種類の脱水素化金属をｎ
   個の反応室からなる第２反応室群にそれぞれ別々に収容
   して、冷媒体を用いてそれぞれの脱水素化金属を温度ｔ
   ，ｔ２ ・・・ｔｎに保つことにより、第２反応室群
   の各反応室が水素を受けたとき水素を吸収して水素圧力
   ＰＬを示すことを可能ならしめるとともに、第２反応室
   群の反応室を互いに並列に連結し、この際、温度ｔエ，
   ｔ２・・・・・ｔｎ−１での冷却に用いる冷媒体をそれ
   ぞれ温度Ｔ２ ｔ Ｔ３ ＊・・・Ｔｎでの加熱に
   用いる熱媒体として用い、圧力差を駆動源として運動可
   能な機械エネルギー発現手段に前記第１及び第２反応室
   群間の圧力差ＰＨ−ＰＬを与えることによりこれを１駆
   動させることを特徴とする、熱エネルギーを機械エネル
   ギーに変換する方法。 ２ 前肥機械エネルギー発現手段がピストンとピストン
   シリンダーまたはタービン等を含むものであって、ピス
   トンシリンダー内またはタービン内を前記第１及び第２
   反応室群と交互に連通せしめることによシこれを駆動さ
   せる、特許請求の範囲第１項記載の方法。