JPS634111B2

JPS634111B2 -

Info

Publication number: JPS634111B2
Application number: JP6465581A
Authority: JP
Inventors: Michoshi Nishizaki; Minoru Myamoto; Kazuaki Myamoto; Takeshi Yoshida; Katsuhiko Yamaji; Yasushi Nakada
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1981-04-28
Filing date: 1981-04-28
Publication date: 1988-01-27
Also published as: JPS57179549A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は熱エネルギー取得方法及び装置に関す
る。

ある種の金属や合金が発熱的に水素を吸蔵して
金属水素化物を形成し、また、この金属水素化物
が可逆的に吸熱的に水素を放出することが知られ
ている。

近年、このような金属水素化物の特性を利用し
て冷熱や温熱を得るための方法及びそのための装
置が種々提案されているが、効率が一般に低いた
め、その改善が要請されている。

第１ａ図は、平衡分解圧特性の異なる二種の金
属水素化物M₁H及びM₂Hを用いる従来の熱エネ
ルギー取得方法のサイクル線図であり、横軸は絶
対温度Ｔの逆数、縦軸は平衡分解圧Ｐの対数を示
す。このサイクル線図によつて、温熱又は冷熱を
取得する場合のカルノー成績係数COPを求めて
みる。当初、M₁Hは水素を十分に吸蔵しており、
M₂Hは水素を放出しつくしているとし、サイク
ルにおいて水素１モルが吸蔵又は放出され、この
際の反応熱をそれぞれΔH₁及びΔH₂とする。
M₁Hに温度T_Hにおいて高温熱媒からΔH₁の熱を
与えて水素を放出させ（点Ａ）、この水素を温度
T_M（＜T_H）にてM₂Hに吸蔵させると、M₂Hは
ΔH₂の熱を発生する（点Ｂ）。

次に、M₁Hを中温熱媒にて温度T_Mに冷却する
と共に、M₂Hを低温熱媒にて温度T_L（＜T_M）に
冷却すると、分解平衡圧差によつてM₂HはΔH₂
の熱を吸熱して水素を放出し（Ｃ点）、この水素
をM₁Hが吸蔵し、ΔH₁の熱を発生する（点Ｄ）。
そこで、M₁Hを再び温度T_Hに加熱し、M₂Hを温
度T_Mに加熱すれば１サイクルが完結する。

上記したサイクルにおいて、高温熱媒を高温駆
動熱源とし、中温熱媒として冷却水を用い、低温
熱媒を冷却負荷に接続して、点ＡにΔH₁の熱に
入力し、点Ｂ及びＣでの発熱ΔH₂及びΔH₁を系
外に排出することにより、点Ｄで冷熱ΔH₂を得
ることができる。この冷熱サイクルにおけるカル
ノー成績係数は、平衡分解圧特性を示す直線の傾
きが反応熱に等しい、即ち、ΔH₁ΔH₂である
ことを考慮して、上記した説明から明らかなよう
に、 COP_c＝ΔH₂／ΔH₁１ ……(1) である。

一方、高温熱媒を高温駆動熱源とし、低温熱媒
として例えば冷却水を用いれば、中温熱媒から点
Ｂ及びＤにおいて温熱を取得することができる。
このような温熱取得サイクルを後述する別の温熱
取得サイクルと区別するために、ここでは第１種
温熱取得サイクルと称する。この第１種温熱取得
サイクルにおけるカルノー成績係数は、点Ａに
ΔH₁の熱を入力し、点Ｂ及びＤからΔH₁＋ΔH₂
の温熱を出力として取得するから、 COP_H1＝ΔH₁＋ΔH₂／ΔH₁＝１＋COP_c＝２ ……(2) である。

なお、実際のサイクルにおいては、点Ａ，Ｄ間
及び点Ｂ，Ｃ間での加熱、冷却に伴う熱損失が避
けられないので、実際の成績係数は上記の値より
も相当に小さい。

次に、第１ｂ図に第２種温熱取得サイクルを示
す。このサイクルにおいては、当初、M₂Hは十
分に水素を吸蔵しており、M₁Hは水素を放出し
つくしているとし、中温の駆動熱源により温度
T_MにてM₂HにΔH₂の熱を与えて水素を放出させ
（点Ａ）、平衡分解圧差を利用してこの水素を温度
T_H（＞T_M）でM₁Hに吸蔵させる（点Ｂ）。この
際、M₁HはΔH₁の熱を発生するので、これを温
熱出力として得る。次に、低温熱媒によつて
M₂Hを温度T_L（＜T_M）に冷却する一方、M₁Hを
温度T_Mに冷却し、両者の平衡分解圧差によつて
M₁Hから水素を放出させ（点Ｃ）、M₂Hに吸蔵
させる（点Ｄ）。このとき、M₁Hには駆動熱源か
らΔH₁の熱を与え、M₂Hが発生する熱ΔH₂は低
温熱媒に排出する。従つて、この第２種温熱サイ
クルの成績係数COP_H2は、 COP_H2＝ΔH₁／ΔH₁＋ΔH₂＝0.5 ……(3) である。

ほとんどの金属水素化物についてΔH₂≦ΔH₁
であるから、原理的にはCOP_cが１を越えること
はほぼ不可能であり、従つて、COP_H1が２を越え
ることもほぼ不可能である。ない、冷熱又は第１
種温熱取得サイクルにおいて点Ａ，Ｄ間及び点
Ｂ，Ｃ間の加熱、冷却による熱損失を考慮する
と、一般にT_Hがある限界を越えると成績係数が
低下する傾向がある。第２種温熱サイクルは、中
温の駆動熱源を用いて高温の熱エネルギーを取得
するものであるが、本来、その成績係数は非常に
小さい。

このように従来の方法はいずれも成績係数が低
い。本発明はこのような問題を解決するためにな
されたものであつて、成績係数が改善された熱エ
ネルギー取得方法及びそのための装置を提供する
ことを目的とする。

本発明は、作動温度範囲において平衡分解圧の
低い第１の金属水素化物（M₁H）と平衡分解圧
の高い第２の金属水素化物（M₂H）を用い、第
１の金属水素化物から吸熱的に水素を放出させ、
この水素を第２の金属水素化物に発熱的に吸蔵さ
せ、次に、第２の金属水素化物から吸熱的に水素
を放出させ、この水素を第１の金属水素化物に発
熱的に吸蔵させるサイクルを有し、金属水素化物
の水素吸蔵に伴う発熱を温熱として取得し、又は
金属水素化物の水素放出に伴う吸蔵を冷熱として
取得する熱エネルギー取得方法において、第２の
金属水素化物の水素吸蔵によつて生じた熱を、水
素を吸蔵している第１の金属水素化物に与えてこ
の第１の金属水素化物から水素を放出させ、この
水素を第２の金属水素化物に吸蔵させることを特
徴とするものである。

以下に実施例を示す図面に基づいて本発明を説
明する。本発明の方法においては、M₁HとM₂H
の組が複数段に設けられる。第２ａ図は２段と
し、M₁HとM₂Hの粗を２つとした冷熱又は温熱
取得サイクルを示し、M₁HとM₂Hの一つの組内
での水素移動を実線で表わし、単なる組間での水
素移動を破線で表わすこととする。

第１の組において、高温熱媒にてM₁Hを温度
T₁に加熱し、ΔH₁の熱を与えて水素を放出させ
（点Ａ）、この水素を温度T_2hでM₂Hに吸蔵させる
（点Ｂ）ことは前記した従来サイクルと同じであ
るが、本発明においては、この間に第２の組の
M₁Hを温度T₂l（＜T₂h）に保つと共に、M₁Hよ
りも平衡分解圧が小さくなるように選んだ温度
T₃lにM₂Hを保ち、このようにして、第１の組の
M₂H（以下、（M₂H）₁と表わす。他の金属水素化
物についても同じである。）が発生したΔH₂の熱
を温度T₂lの（M₁H）₂に与え、ΔH₂／ΔH₁モルの
水素を放出させ（点Ｃ）、この水素を温度T₃lの
（M₂H）₂に吸蔵させる（点Ｄ）。このとき、
（M₂H）₂は（ΔH₂／ΔH₁）ΔH₂の熱を発生する
が、この熱は温度T₃lの中温熱媒に排出する。

次に、温度T₂hの（M₂H）₁と温度T₃lの
（M₂H）₂を共に低温熱媒にて温度T₄に冷却し、温
度T₁の（M₁H）₁と温度T₂lの（M₁H）₂を共に温度
T₃hに冷却し、（M₂H）₁及び（M₂H）₂がらそれぞ
れ同一組内のM₁Hに水素を移動させる（点Ｅ）。
従つて、温度T₃hは、この温度におけるM₁Hが
温度T₄におけるM₂Hよりも低い平衡分解圧を有
するように選ばれる。このとき、（M₂H）₁は温度
T₄の低温熱源よりΔH₂の熱を奪い、（M₂H）₂は
ΔH₂ ²／ΔH₁の熱を奪う。（M₁H）₁は水素の吸蔵
に伴つてΔH₁の熱を発生し、（M₁H）₂は（ΔH₂／
ΔH₁）ΔH₁（＝ΔH₂）の熱を発生する。この熱は
温度T₃hの熱媒に排出する。

従つて、サイクルに入力された熱は点Ａにおけ
るΔH₁であり、出力としての冷熱は点Ｅにおけ
るΔH₂＋ΔH₂ ²／ΔH₁であるから、冷熱取得サイ
クルの成績係数は COP_c＝ΔH₂＋ΔH₂ ²／ΔH₁／ΔH₁ ＝ΔH₂（ΔH₁＋ΔH₂）／ΔH₁ ² であり、ΔH₁ΔH₂として COP_c２ ……(4) である。

また、雑ＤとＦで温熱出力を取得する第１種温
熱サイクルの成績係数は、サイクルに入力された
熱が点ＡにおけるΔH₁であるから、 COP_H1＝ΔH₁＋ΔH₂＋ΔH₂ ²／ΔH₁／ΔH₁ ＝ΔH₁ ²＋ΔH₁ΔH₂＋ΔH₂ ²／ΔH₂ ² ここでΔH₁ΔH₂であるから、 COP_H1３ (5) となる。

これらの成績係数を前記式(1)及び(2)と比較すれ
ば明らかなように、本発明によれば成績係数が格
段に改善される。

M₁HとM₂Hの組を３組以上設ける場合も同様
であり、点Ｄにおける（M₂H）₂が発生した熱を
さらに（M₁H）₃に与えて水素を発生させ、この
水素を（M₂H）₃に吸蔵させるのであり、理論上
はM₁HとM₂Hの組数が増加するにつれてカルノ
ー成績係数も向上する。

上記の例においては、簡単のため、M₁Hと
M₂Hの組を２つ使用した例を説明したが、M₁H
とM₂Hの組と作動温度の近似するM₁H′と
M₂H′の組を使用するものであつてもよいのは当
然である。

第２ｂ図に本発明による第２種温熱取得サイク
ルを示す。このサイクルにおいては、（M₁H）₁に
温度T₂でΔH₁の熱を与えて水素を発生させ（点
Ａ）、この水素を温度T₃hで（M₂H）₁に吸蔵させ
る（点Ｂ）。このとき（M₂H）₁が発生した熱ΔH₂
を温度T₃l（＜T₃h）の（M₁H）₂に与え、ΔH₂／
ΔH₁モルの水素を発生させ（点Ｃ）、この水素を
温度T₄の（M₂H）₂に吸蔵させる（点Ｄ）。このと
き、（M₂H）₂はΔH₂ ²／ΔH₁の熱を発生するが、
この熱は低温熱媒に排出する。

次に、（M₂H）₁と（M₂H）₂を温度T₂に加熱し、
それぞれにΔH₂及びΔH₂ ²／ΔH₁の熱を与えて水
素を放出させ、（M₁H）₁と（M₁H）₂を温度T₁にて
この水素を吸蔵させる。このとき、（M₁H）₁は
ΔH₁の熱を発生し、（M₁H）₂はΔH₂の熱を発生す
る。これらの熱を温熱として取得する。

このようなサイクルを第２ａ図のサイクルと比
較して明らかなように、第２ｂ図における点Ａか
らＢ、及び点ＣからＤへの水素移動、並びに点Ｂ
からＣへの反応熱の供与は、第２ａ図における点
ＡからＢ、及び点ＣからＤへの水素移動、並びに
点ＢからＣへの反応熱の供与にそれぞれ対応し、
また、第２ｂ図における点ＥからＦへの水素移動
も第2a図における点ＥからＦへの水素移動に対
応する。即ち、第２ａ図と第２ｂ図のサイクル
は、点Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄのサイクル要素と、点Ｅ→
Ｆのサイクル要素からなる点が共通しており、こ
れら二つのサイクル要素を作動させる温度レベル
が相互に逆転しているだけであると理解できる。

従つて、カルノー成績係数は、サイクルへの入
力が点Ａ及びＥにおけるΔH₁＋ΔH₂＋ΔH₂ ²／
ΔH₁、サイクルからの出力が点ＦにおけるΔH₁
＋ΔH₂であるから、 COP_H2＝ΔH₁（ΔH₁＋ΔH₂）／ΔH₁ ²＋ΔH₁ΔH₂＋ΔH₂ ² ここでΔH₁ΔH₂とすると COP_H2＝2/3 (6) となる。前記式(5)と比べて成績係数が向上する。

なお、第２ｂ図において点ＥとＡの温度T₂は
必らずしも同一である必要はない。また、第２
ａ，ｂ図において、温度T₂l及びT₃lは点Ｂから
点Ｃへの温度供与が行なわれる程度にそれぞれ温
度T₂h及びT₃hより低ければよいことは明らかで
あろう。

尚、これまで説明した例のように第１、の組の
第２の金属水素化物の水素吸蔵によつて生じた熱
を第２の組の第１の金属水素化物に与えて、この
第１の金属水素化物から水素を放出させるのを同
時進行的に行なわせてもよいが、第１の組の第２
の金属水素化物で生じた熱を一旦別の蓋熱槽に蓄
め、これを不連続的に逐次取り出し、第２の組の
第１の金属水素化物に与えることも可能である。
更に、複数の組の金属水素化物の間で生成熱の交
換をするのではなく、M₁HとM₂Hの組において
第２ａ図における点ＢでM₂Hから生じた熱を蓄
熱槽に蓄め、Ｅ→Ｆの反応を終了させたM₁Hに
蓄熱した熱を与えて、同じM₁HとM₂HにＣ→Ｄ
の反応を行なわせることも可能である。

次に、本発明の方法を実施するための装置につ
いて説明する。

本発明による装置は、作動温度範囲において平
衡分解圧の低い第１の金属水素化物と平衡分解圧
の高い第２の金属水素化物を用い、第１の金属水
素化物から吸熱的に水素を放出させ、この水素を
第２の金属水素化物に発熱的に吸蔵させ、次に、
第２の金属水素化物から吸熱的に水素を放出さ
せ、この水素を第１の金属水素化物に発熱的に吸
蔵させるサイクルを有し、金属水素化物の水素吸
熱に伴う発熱を温熱として取得し、又は金属水素
化物の水素放出に伴う吸熱を冷熱として取得する
熱エネルギー取得装置において、各組が第１の金
属水素化物を内蔵した第１の反応容器とこれに水
素が連通し得るように連結された第２の金属水素
化物を内蔵した第２の反応容器とからなる第１の
組及び第２の組と、第１の組の第２の反応容器と
第２の組の第１の反応容器とを熱交換させる熱交
換器とを有し、第１の組において第１の金属水素
化物に水素を放出させ、この水素を第２の金属水
素化物に発熱的に吸蔵させ、この水素吸蔵によつ
て生じた熱を第２の組の第１の金属水素化物に与
えて、この第１の金属水素化物から水素を放出さ
せ、この水素を第２の組の第２の金属水素化物に
吸蔵させるようにしたことを特徴とするものであ
る。

また、更には本発明の装置は、作動温度範囲に
おいて平衡分解圧の低い第１の金属水素化物と平
衡分解圧の高い第２の金属水素化物を用い、第１
の金属水素化物から吸熱的に水素放出させ、この
水素を第２の金属水素化物に発熱的に吸蔵させ、
次に、第２の金属水素化物から吸熱的に水素を放
出させ、この水素を第１の金属水素化物に発熱的
に吸蔵させるサイクルを有し、金属水素化物の水
素吸蔵に伴う発熱を温熱として取得し、又は金属
水素化物の水素放出に伴う吸熱を冷熱として取得
する熱エネルギー取得装置において、各組が第１
の金属水素化物を内蔵した第１の反応容器とこれ
に水素が連通し得るように連結された第２の金属
水素化物を内蔵した第２の反応容器とからなる第
１の組及び第２の組と、第１の組の第２の反応容
器と第２の組の第１の反応容器とを熱交換させる
熱交換器とを有し、第１の組において第１の金属
水素化物に水素を放出させ、この水素を第２の金
属水素化物に発熱的に吸蔵させ、この水素吸蔵に
よつて生じた熱を第２の組の第１の金属水素化物
に与えて、この第１の金属水素化物から水素を放
出させ、この水素を第２の組の第２の金属水素化
物に吸蔵させると共に、第１及び第２の組に対称
的に第３及び第４の組を有し、かつ、対応する第
１及び第３の組、並びに第２及び第４の組におい
て第１の反応容器を相互に熱交換させる熱交換器
と、第２の反応容器を相互に熱交換させる熱交換
器とを有し、対応する各組において、一方の組が
高い温度域で水素の放出、吸蔵を終了し、他方の
組が低い温度域で水素の放出、吸蔵を終了したと
き、対応する反応容器間で熱交換させるようにし
たことを特徴とするものである。

第３図に本発明の装置の一実施例を示す。

この装置は２段サイクルを行なうバツチ式熱エ
ネルギー取得装置である。１，３，５，７は
M₁Hを内蔵した反応容器、２，４，６，８は
M₂Hを内蔵した反応容器であつて、１と２が第
１の組をなし、３と４が第２の組をなす。同様に
５と６が第３の組、７と８が第４の組をなし、５
乃至８の反応容器は、それぞれ１乃至４の反応容
器に対して対称に配設されており、１乃至４の反
応容器が行なうサイクルから半サイクル遅れで同
じ作動を行なう。

温度T₁の高温熱媒２３が反応容器１にポンプ
９によつて熱交換可能に接続されていると共に、
温度T₃の中温熱媒（例えば冷却水）２４が反応
容器１，３及び４にポンプ１０，１１によつて熱
交換可能に接続されており、さらに温度T₄の低
温熱媒２５が反応容器２及び４にポンプ１３，１
４によつて熱交換可能に接続されている。また、
反応容器２と３との間で熱交換できるように熱交
換器３１が設けられている。熱交換器３１は例え
ばポンプ１７を備えた熱媒循環管である。M₁H
とM₂Hとの間の水素移動を可能にするために、
反応容器１と２の間、及び３と４の間にそれぞれ
制御弁２６，２７を備えた水素連通管４１，４２
が配設されている。

前記したように、反応容器５乃至８はそれぞれ
反応容器１乃至４と対称をなし、同様にして高
温、中温及び低温熱媒に接続され、反応容器６と
７の間にはポンプ１８を備えた熱交換器３２が配
設され、反応容器５と６との間、及び反応容器７
と８の間にはそれぞれ制御弁２８，２９を備えた
水素連通管４３，４４が配設されている。

さらに第３図の本発明装置においては、反応容
器自体の加熱、冷却に伴う熱損失を少なくするた
めに、反応容器１乃至４と対称をなす反応容器５
乃至８との間にそれぞれポンプ１９乃至２２を備
えた熱媒循環管が熱交換器３３乃至３６として配
設されている。反応容器と熱媒との熱交換、反応
容器間の熱交換及び水素連通管の開閉はポンプや
制御弁、また、図示しないが熱媒流路に設けた切
換弁等を時間的に制御して行なつてサイクルを完
成する。

第４図にM₁HとしてLaNi_4.7Al_0.3の水素化物、
M₂HとしてLaNi₅の水素化物を用いた場合の冷
熱及び第１種温熱取得サイクルを示し、第５図に
前記装置の作動のタイミングチヤートを示す。

サイクルの出発点として、第１の組の反応容器
１及び２はそれぞれ点Ａ及びＦにあつて、
（M₂H）₁から（M₁H）₁への水素移動が完了し、第
２の組の反応容器３及び４もそれぞれ点Ａ及びＦ
にあつて、（M₂H）₂から（M₁H）₂への水素移動が
完了し、また、反応容器１乃至４とそれぞれ対応
し、かつ、半サイクル遅れで作動する反応容器５
乃至８については、第３の組の反応容器５及び６
がそれぞれ点Ｃ及びＤにあつて、（M₁H）₁から
（M₂H）₁への水素移動が完了し、第４の組の反応
容器７及び８がそれぞれ点Ｂ及びＥにあつて、反
応容器７は反応容器６から熱を供与させて水素を
放出し、反応容器８はこの水素を吸蔵した時点を
考える。これらの反応容器の作動位置を第４図及
び第５図に示す。

サイクルにおけるステツプ１は対称に配設され
ている対応する反応容器間の熱交換であつて、反
応容器１と５、２と６、３と７、４と８との間で
それぞれ熱交換器３３，３４，３５及び３６を介
して熱交換を行ない、次のステツプである各反応
容器の加熱又は冷却に要する温熱量又は冷熱量を
少なくする。この熱交換ステツプ終了後の各反応
容器のサイクル線図上の位置は、第５図のステツ
プ１欄の右端に示す。

ステツプ２は、熱交換終了後の反応容器１，５
及び７を熱媒との熱交換によつて所定の温度にま
で加熱又は冷却する温度設定であり、反応容器１
を高温熱媒２３によつて点Ｃの位置まで加熱し、
一方、反応容器５及び７を低温熱媒２５によつて
共に点Ａまで冷却する。他の反応容器は特に加熱
又は冷却せず、放置する。

次に、ステツプ３として、制御弁２６，２７，
２８及び２９を開き、すべての水素連通管を開状
態にし、反応容器１から２へ、３から４へ、６か
ら５へ及び８から７に水素を移動させる。反応容
器１から２への水素移動はサイクル線図において
は、点ＣからＤへの水素移動であり、同様に反応
容器３から４、６から５及び８から７への水素移
動はそれぞれ点ＢからＥ、点ＦからＡ及び点Ｆか
らＡへの水素移動である。このステツプにおい
て、反応容器６及び８は、M₂Hからの水素放出
に伴い、低温熱源２５より熱を奪い、反応容器
４，５及び７は水素の吸蔵に伴い、熱を中温熱媒
２４に与える。従つて、高温熱媒２３を駆動熱源
とし、中温熱媒２４を例えば冷却水とし、低温熱
媒２５を冷却負荷に接続すれば、冷房機能が得ら
れ、一方高温及び低温熱媒２５を駆動熱源とし、
中温熱媒２４を暖房負荷に接続すれば暖房機能が
得られる。このようにして、ステツプ３にて半サ
イクルが終了する。

ステツプ３の終了時には、反応容器１乃至８は
それぞれ点Ｃ，Ｄ，Ｂ，Ｅ，Ａ，Ｆ，Ａ及びＦの
位置にあり、反応容器１乃至４の位置は反応容器
５乃至８のステツプ開始時の位置に相当する。従
つて、後半のステツプ４〜６からなる半サイクル
は反応容器１乃至４の作動と反応容器５乃至８の
作動と交替するのみであるから、説明を省略す
る。

以上の作動に基づいて装置の成績係数を求め
る。計算を簡単化するために、ここでも反応容器
１と２との間、及び５と６との間の水素移動量を
１モルとし、M₁H及びM₂Hの反応水素量１モル
当りの反応熱をそれぞれΔH₁及びΔH₂とし、ま
た、金属水素化物及び反応容器の反応水素量１モ
ル当りの熱容量をすべてＪとする。さらに、反応
容器間の熱交換において、高温の反応容器の温度
Th、低温の反応容器の温度をTc、ThとTcの中
点に相当する温度をTm、即ち、（Th＋Tc）／２
をTm、熱交換後の高温の反応容器の温度をTh′、
低温の反応容器の温度をTc′として、熱交換効率
ηを次のように定める。

η＝Th−Th′／Th−Tm＝Tc−Tc′／Tc−Tm Tmは反応容器間の熱交換が完全に行なわれた
場合の各反応容器の温度を意味する。熱交換効率
ηを用いれば、熱交換後の高温の反応容器の温度
は Th′＝Th−η（Th−Tc）／２で与えられ、低温の反応容器の温度は Tc′＝Tc＋η（Tc−Th）／２で与えられる。

第４図において、点ＣとＡの反応容器を熱交換
させるとき、それぞれ点Ｍ及びＧに至り、点Ｄと
Ｆの反応容器を熱交換させるとき、それぞれ点Ｎ
及びＨに至り、また、点ＢとＡの反応容器を熱交
換させるとき、それぞれ点Ｋ及びＩに至り、点Ｅ
とＦの反応容器を熱交換させるとき、それぞれ点
Ｌ及びＪに至るとする。

そこで、サイクル線図において点Ｃ，Ｄ，Ｂ，
Ａ（Ｅ），Ｆの温度をそれぞれT₁，T₂h，T₂l，
T₃，T₄とすると、ステツプ２において反応容器
１を点ＧからＣに加熱するために必要な熱量はＪ
（T₁−T₃）（１−η／２）であり、次に、ステツ
プ３において（M₁H）₁から（M₂H）₁へ水素を移
動させるのに必要な熱量はΔH₁である。このと
き、（M₂H）₁は水素吸蔵に伴つてΔH₂の熱を発生
するが、このうち、反応容器２を点ＨからＤに加
熱するためにＪ（T₂h−T₄）（１−η／２）の熱量
から消費されるので、反応容器３にはΔH₂−Ｊ
（T₂h−T₄）（１−η／２）の量が与えられる。こ
の熱量は、反応容器３を点ＩからＢに加熱するた
めに消費される熱を除いて、点ＢからＥ、即ち
（M₁H）₂から（M₂H）₂への水素移動に供与され、
これによつて移動する水素量をｘモルとすると、
反応容器３を点ＩからＢに加熱するために必要な
熱はxJ（T₂l−T₃）（１−η／２）、水素移動に供
される熱量はxΔH₁、従つて、点Ｅで（M₂H）₂が
発生する熱はxΔH₂である。

なお、ｘは次の式から得られる。

ｘ＝ΔH₂−Ｊ（T₂h−T₄）（１−η／２）−xJ（T
₂l−T₃）（１−η／２）／ΔH₁ 一方、点ＦからＡ、即ち、（M₂H）₂から
（M₁H）₂への水素移動に伴つて、反応容器６は低
温熱媒２５よりΔH₂−Ｊ（T₂h−T₄）（１−η／
２）の熱を奪い、反応容器８は同じくｘ（ΔH₂−
Ｊ（T₃−T₄）（１−η／２）の熱を奪う。

以上で前半の半サイクルが終了し、この半サイ
クルにおいて、装置を駆動するために高温熱媒２
３より装置に入力した熱量は ΔH₁＋Ｊ（T₁−T₃）（１−η／２） (7) であり、低温熱媒２５から取得した熱量は ΔH₂−Ｊ（T₂h−T₄）（１−η／２）＋xΔH₂ −Ｊ（T₃−T₄）（１−η／２）） (8) であり、装置が中温熱媒２４に放出した熱量は ΔH₁−Ｊ（T₁−T₃）（１−η／２）＋ΔH₂ −Ｊ（T₂h−T₄）（１−η／２）＋ｘ（ΔH₂ −Ｊ（T₃−T₄）（１−η／２）） (9) である。

後半の半サイクルについても上記式(7)，(8)及び
(9)は同様に得られるから、結局、冷熱取得成績係
数は COP_c＝(8)／(7) (10) 第１種温熱取得成績係数は COP_H1＝(9)／(7)＝（(7)＋(8)）／(7)＝１＋COP_c(11) となる。

そこで、LaNi_4.7Al_0.3については、ΔH₁＝8.1
（Kcal／モルH₂）、LaNi₅についてはΔH₂＝7.4
（Kcal／モルH₂）とし、Ｊとして、計算の過程を
省略するが、妥当な値0.04Kcal／モルH₂・℃を
選び、T₁＝140℃、T₂h＝85℃、T₂l＝80℃、T₃
＝40℃、T₄＝10℃とし、ηに対するCOP_cの変化
を第６ａ図実線にて示す。

従来の装置におけるCOP_cを求めるために、第
４図において点Ｂ，Ｅ，Ｆ，Ａのサイクルを考え
ると、反応容器間での熱交換後、容器１を点Ｉか
らＢに加熱するためのＪ（T₂l−T₃）（１−η／
２）と、（M₁H）₁に水素を放出させるためにΔH₁
の熱量を入力し、出力としては、（M₂H）₂の反応
熱ΔH₂から反応容器間の熱交換後の反応容器２
を点ＨからＦに冷却するための冷熱Ｊ（T₃−T₄）
（１−η／２）を減じた冷熱が得られるから、 COP_c＝ΔH₂−Ｊ（T₃−T₄）（１−η／２）／ΔH₁＋Ｊ
（T₂l−T₃）（１−η／２）(12) で与えられる。ηに対するCOP_cの変化を第６ａ
図破線Ｉで示す。通常、η≧0.5としてよいから、
本発明によれば成績係数が向上することが明らか
である。

なお、従来のサイクルとして第４図の点Ｃ，
Ｅ，Ｆ，Ａのサイクルを考えると、COP_cは式(12)
においてT₂lをT₁と置換すれば得られ、ηに対す
るCOP_cの変化は第６ａ図破線で示され、COP_c
の改善が容易に理解されよう。

第２種温熱取得サイクルを第７図に示す、前記
したように、点ＣからＤ、ＢからＥ及びＦからＡ
への水素移動が第４図の同一符号間の水素移動に
対応し、かつ、点ＢからＤへの反応熱の供与も対
応するので、サイクルの作動の説明は省略する。

第２種温熱取得サイクルでは点Ｃにおいて ΔH₁−Ｊ（T₁−T₂）（１−η／２） (13) が入力され、点Ｆにおいて ΔH₂＋Ｉ（T₂−T₃h）（１−η／２）＋ｘ（ΔH₂ ＋Ｊ（T₂−T₄）（１−η／２）） (14) が入力される。

ｘ＝ΔH₂−Ｊ（T₂−T₃h）（１−η／２）／ΔH₁＋Ｊ
（T₁−T₃l）（１−η／２）である。

一方、点Ａで得られる温熱出力は H₁−Ｊ（T₁−T₂）（１−η／２）＋ｘ（ΔH₁ −Ｊ（T₁−T₃l）（１−η／２） (15) であるから、 COP_H2＝(15)／（(13)＋(14)） (16) となる。

ここで、T₁＝120℃、T₂＝80℃、T₃h＝40℃、
T₃l＝35℃、T₄＝０℃として、ηに対するCOP_H2
の変化を第８図に実線で示す。

従来のサイクルとして点Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ａのサイ
クルを考えると COP_H2＝ΔH₁−Ｊ（T₁−T₂）（１−η／２）／ΔH₁＋ΔH
₂−Ｊ（T₁−2T₂＋T₃h）（１−η／２）であり、ηに対するCOP_H2の変化を第８図破線Ｉ
にて示す。また、従来のサイクルとして点Ｃ，
Ｅ，Ｆ，Ａのサイクルを考えると、 COP_H2＝ΔH₁−Ｊ（T₁−T₂）（１−η／２）／ΔH₁＋ΔH
₂−Ｊ（T₁−T₂）（１−η／２）＋Ｊ（T₂−T₄）（１−
η／２）である。ηに対するこのCOP_H2の変化を第８図破
線で示す。

上記の第３図に示される本発明装置において
は、対称的に位置する反応容器１と５、２と６、
３と７、４と８間で、水素の放出、吸蔵が終了し
た時点で対応する反応容器間で熱交換させ、熱損
失を減少させて装置の成績係数を更に向上させる
ものであるが、各反応容器間のこの反応駆動伴な
わない熱交換を省略しても本発明装置が成立つの
は容易に理解されよう。

即ち、第３図の装置の各反応容器間の反応駆動
を伴なわない熱交換を省略することによつて、第
３図に示されるポンプ１９乃至２２及び熱交換器
３３乃至３６の設置は必要なく、その運転に関わ
る付属設備、動力源も必要としない利点が得られ
る。更には、装置の出力が不連続になる不利を除
けば、反応容器５，６，７，８の系列を省略する
ことも可能である。

次に更に別の本発明装置を説明する。この発明
の装置は、作動温度範囲において平衡分解圧の低
い第１の金属水素化物と平衡分解圧の高い第２の
金属水素化物を用い、第１の金属水素化物から吸
熱的に水素を放出させ、この水素を第２の金属水
素化物に発熱的に吸蔵させ、次に、第２の金属水
素化物から吸熱的に水素を放出させ、この水素を
第１の金属水素化物に発熱的に吸蔵させるサイク
ルを有し、金属水素化物の水素吸蔵に伴う発熱を
温熱として取得し、又は金属水素化物の水素放出
に伴う吸熱を冷熱として取得する熱エネルギー取
得装置において、各組が第１の金属水素化物を内
蔵した第１の反応容器とこれに水素が連通し得る
ように連結された第２の金属水素化物を内蔵した
第２の反応容器と、第２の反応容器の第２の金属
水素化物の水素吸蔵によつて生じた熱を受け、且
つその熱を第１の反応容器の第１の金属水素化物
に与える蓄熱槽とからなることを特徴とするもの
である。

第９図にこの発明装置の一実施例を示す。１，
３はM₁Hを内蔵した反応容器、２，４はM₂Hを
内蔵した反応容器であり、反応容器１，２及び反
応容器３，４はそれぞれ組をなしている。温度
T₁の高温熱媒２３はポンプ９によつて熱交換可
能に反応容器１，３に接続されており、温度T₃
の中温熱媒２４が反応容器１，２，３，４にポン
プ１０，１１によつて熱交換可能に且つ接続可能
に接続されており、更に温度T₄の低温熱媒２５
が反応容器２，４にポンプ１３によつて接続され
ている。

反応容器１，２，３，４の間に蓄熱槽４５が設
けられている。蓄熱槽４５は熱交換器２９，３
０，３１，３２によつてそれぞれ反応容器２，
４，１，３と接続されており、反応容器２，４の
発生する熱を受け、適宜反応容器１，３に蓄積し
た熱を与えることができるようになされている。
熱交換器２９，３０，３１，３２はそれぞれポン
プ１５，１６，１７，１８が備えられている。

反応容器１と２の間、及び３と４の間には制御
弁２６，２７を備えた水素連通管４１，４２が配
設されている。反応容器１，３の間、及び２と４
の間には、ポンプ１９，２０を備えた熱交換器３
３，３４が配設されている。尚、熱媒流路に設け
られる切換弁等は省略してある。

第９図の本発明装置において、M₁Hとして
LaNi_4.7Al_0.3の水素化物、M₂HとしてLaNi₅の水
素化物を用いた場合の冷熱及び第１種温熱取得作
動を第４図を利用して説明する。サイクルの出発
点として反応容器１，２はそれぞれ点Ａ及び点Ｆ
にあつて、M₂HからM₁Hへの水素移動は完了
し、反応容器３，４はそれぞれ点Ｃ及び点Ｄにあ
つて、M₁HからM₂Hへの水素移動が完了してい
る状態を考える。

次に、制御弁２６，２７を閉じ、熱交換器３
３，３４によつて反応容器１と３、及び２と４の
間で熱交換させると、反応容器１，２，３，４は
それぞれ点Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎに至る。次に、反応容
器１は高温熱媒２３で点Ｃまで加熱し、反応容器
３は中温熱媒２４で点Ａまで冷却する。そして、
制御弁２６，２７を開き、反応容器１と２は点
Ｃ，Ｄ間でM₁H→M₂Hの水素移動を行ない、反
応容器３と４は点Ａ，Ｆ間でM₂H→M₁Hの水素
移動を行なう。点Ｆにおいて（M₂H）₄から水素
放出に伴い、低温熱媒２５より熱を奪い、点Ｄに
おいて（M₂H）₂の水素吸蔵に伴つて発生する熱
T₂は熱交換器２９によつて蓄熱槽４５に蓄熱さ
れる。従つて、高温熱媒２３を駆動熱源とし、中
温熱媒２４を外気とし、低温熱媒２５を冷却負荷
に接続すれば冷房機能が得られ、一方、高温熱媒
２３及び低温熱媒２５を駆動熱源とし、中温熱媒
２４を暖房負荷に接続すれば暖房機能が得られ
る。反応容器１，２，３，４は熱交換及び加熱、
冷却を介して次のとおりに移動して次のステツプ
（当初の状態）に進む。

反応容器１；Ｃ→Ｍ→Ａ反応容器２；Ｄ→Ｎ→Ｆ反応容器３；Ａ→Ｋ→Ｃ反応容器４；Ｆ→Ｌ→Ｄ点Ｃで水素吸蔵する（M₂H）₂又は（M₂H）₄か
ら発生する熱は蓄熱槽４５に蓄熱され、適宜に
（例えば１サイクルに一度）熱交換器３１又は３
２で取出し、水素を充分吸蔵した状態にある
（M₁H）₁又は（M₁H）₃に与える。（M₁H）₁又は
（M₁H）₃は点Ｂにおいて水素を放出し、中温熱媒
２４によつて冷却されている（M₂H）₂又は
（M₂H）₄に吸蔵させる。このとき、（M₂H）₂又は
（M₂H）₄は点Ｅに位置する。

点Ｂに至るには、反応容器１又は３はＡ→Ｋ→
Ｂに移動し、しかもＡ→Ｋは反応容器３又は１と
の熱交換によつて移動し、Ｋ→Ｂに加熱する熱を
除いて与えられた熱は水素放出に使われる。点Ｅ
に位置する反応容器２又は４はＥ→Ｈ→Ｆに移動
し、しかもＥ→Ｈは反応容器４又は２との熱交換
によつて移動し、点Ｆで水素放出するにはＨ→Ｆ
だけ反応容器２又は４を冷却すればよい。同様に
点Ａの反応容器３又は１はＡ→Ｉ→Ｃに移動し、
点Ｆの反応容器４又は２はＦ→Ｊ→Ｄに移動し
て、次のステツプ（Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｆのサイクル）
に移行する。

このように、第９図の装置によつても、高温熱
媒２３からの駆動熱源を多段に有効に利用するこ
とができる。尚、第２種温熱取得サイクルでの作
動も、原理は同じであるので説明を省略する。

以上の実施例は、独立した反応容器に金属水素
化物を充填し、バツチ式に反応を行なわせるもの
であるが、同一容器の分割された区室にM₁Hと
M₂Hを封入するものや、金属水素化物を異なる
熱源に連続的に移動させるものであつてもよい。

以上のように、本発明によれば、第１の組にお
いてM₁HからM₂Hに水素を移動させる際にM₂H
が発生する熱を、そのM₂Hより低い温度の第２
の組のM₁Hに与え、これによつて第２の組にお
いてM₁HからM₂Hへ水素を移動させ、さらに所
望ならば同様に第２の組から第３の組へと順次、
熱を供与し、M₁HからM₂Hへの水素移動を行な
うから、水素移動に要する駆動熱エネルギーが節
減される。換言すれば、少量の駆動熱エネルギー
にて多量の水素移動を行なわせ、M₂HからM₁H
へ水素を移動させる際に冷熱又は温熱を取得まる
から、装置の成績係数が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は異なる平衡分解圧特性を有する二種
の金属水素化物を用いる従来の冷熱又は第１種温
熱取得サイクル線図、第１ｂ図は第２種温熱取得
サイクル線図、第２ａ図は本発明の方法による冷
熱又は第１種熱取得サイクル線図、第２ｂ図は第
２種温熱取得サイクル線図、第３図は本発明の方
法を実施するための装置の一例を示す配置図、第
４図は第３図の装置による冷熱又は第１種温熱取
得サイクル線図、第５図は第３図の装置の作動を
示すタイミングチヤート、第６図は反応容器間の
熱交換効率ηに対する従来及び第４図のサイクル
による冷熱又は温熱取得成績係数を示すグラフ、
第７図は第３図の装置による第２種温熱取得サイ
クル線図、第８図はηに対する従来及び第７図の
サイクルによる第２種温熱取得成績係数を示すグ
ラフ、第９図は本発明の方法を実施するための装
置の異なる例を示す配置図である。１，５……M₁Hを内蔵した第１の組の反応容
器、３，７……M₁Hを内蔵した第２の組の反応
容器、２，６……M₂Hを内蔵した第１の組の反
応容器、４，８……M₂Hを内蔵した第２の組の
反応容器、２３……高温熱媒、２４……中温熱
媒、２５……低温熱媒、３１，３２，３３，３
４，３５，３６……熱交換器、４１，４２，４
３，４４……水素連通管、４５……蓄熱槽。

Claims

【特許請求の範囲】１作動温度範囲において平衡分解圧の低い第１
の金属水素化物と平衡分解圧の高い第２の金属水
素化物を用い、第１の金属水素化物から吸熱的に
水素を放出させ、この水素を第２の金属水素化物
に発熱的に吸蔵させ、次に、第２の金属水素化物
から吸熱的に水素を放出させ、この水素を第１の
金属水素化物に発熱的に吸蔵させるサイクルを有
し、金属水素化物の水素吸蔵に伴う発熱を温熱と
して取得し、又は金属水素化物の水素放出に伴う
吸熱を冷熱として取得する熱エネルギー取得方法
において、第２の金属水素化物の水素吸蔵によつ
て生じた熱を水素を吸蔵している第１の金属水素
化物に与えてこの第１の金属水素化物から水素を
放出させ、この水素を第２の金属水素化物に吸蔵
させることを特徴とする熱エネルギー取得方法。２第１と第２の金属水素化物の組を少なくとも
２組有し、第１の組の第２の金属水素化物の水素
吸蔵によつて生じた熱を第２の組の第１の金属水
素化物に与えて、この第１の金属水素化物から水
素を放出させ、この水素を第２の組の第２の金属
水素化物に吸蔵させることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の熱エネルギー取得方法。３作動温度範囲において平衡分解圧の低い第１
の金属水素化物と平衡分解圧の高い第２の金属水
素化物を用い、第１の金属水素化物から吸熱的に
水素を放出させ、この水素を第２の金属水素化物
に発熱的に吸蔵させ、次に、第２の金属水素化物
から吸熱的に水素を放出させ、この水素を第１の
金属水素化物に発熱的に吸蔵させるサイクルを有
し、金属水素化物の水素吸蔵に伴う発熱を温熱と
して取得し、又は金属水素化物の水素放出に伴う
吸熱を冷熱として取得する熱エネルギー取得装置
において、各組が第１の金属水素化物を内蔵した
第１の反応容器とこれに水素が連通し得るように
連結された第２の金属水素化物を内蔵した第２の
反応容器とからなる第１の組及び第２の組と、第
１の組の第２の反応容器と第２の組の第１の反応
容器とを熱交換させる熱交換器とを有し、第１の
組において第１の金属水素化物に水素を放出さ
せ、この水素を第２の金属水素化物に発熱的に吸
蔵させ、この水素吸蔵によつて生じた熱を第２の
組の第１の金属水素化物に与えて、この第１の金
属水素化物から水素を放出させ、この水素を第２
の組の第２の金属水素化物に吸蔵させるようにし
たことを特徴とする熱エネルギー取得装置。４作動温度範囲において平衡分解圧の低い第１
の金属水素化物と平衡分解圧の高い第２の金属水
素化物を用い、第１の金属水素化物から吸熱的に
水素を放出させ、この水素を第２の金属水素化物
に発熱的に吸蔵させ、次に、第２の金属水素化物
から吸熱的に水素を放出させ、この水素を第１の
金属水素化物に発熱的に吸蔵させるサイクルを有
し、金属水素化物の水素吸蔵に伴う発熱を温熱と
して取得し、又は金属水素化物の水素放出に伴う
吸熱を冷熱として取得する熱エネルギー取得装置
において、各組が第１の金属水素化物を内蔵した
第１の反応容器とこれに水素が連通し得るように
連結された第２の金属水素化物を内蔵した第２の
反応容器とからなる第１の組及び第２の組と、第
１の組の第２の反応容器と第２の組の第１の反応
容器とを熱交換させる熱交換器とを有し、第１の
組において第１の金属水素化物に水素を放出さ
せ、この水素を第２の金属水素化物に発熱的に吸
蔵させ、この水素吸蔵によつて生じた熱を第２の
組の第１の金属水素化物に与えて、この第１の金
属水素化物から水素を放出させ、この水素を第２
の組の第２の金属水素化物に吸蔵させると共に、
第１及び第２の組の対称的に第３及び第４の組を
有し、かつ、対応する第１及び第３の組、並びに
第２及び第４の組において第１の反応容器を相互
に熱交換させる熱交換器と、第２の反応容器を相
互に熱交換させる熱交換器とを有し、対応する各
組において、一方の組が高い温度域で水素の放
出、吸蔵を終了し、他方の組が低い温度域で水素
の放出、吸蔵を終了したとき、対応する反応容器
間で熱交換させるようにしたことを特徴とする熱
エネルギー取得装置。５作動温度範囲において平衡分解圧の低い第１
の金属水素化物と平衡分解圧の高い第２の金属水
素化物を用い、第１の金属水素化物から吸熱的に
水素を放出させ、この水素を第２の金属水素化物
に発熱的に吸蔵させ、次に、第２の金属水素化物
から吸熱的に水素を放出させ、この水素を第１の
金属水素化物に発熱的に吸蔵させるサイクルを有
し、金属水素化物の水素吸蔵に伴う発熱を温熱と
して取得し、又は金属水素化物の水素放出に伴う
吸熱を冷熱として取得する熱エネルギー取得装置
において、各組が第１の金属水素化物を内蔵した
第１の反応容器とこれに水素が連通し得るように
連結された第２の金属水素化物を内蔵した第２の
反応容器と、第２の反応容器の第２の金属水素化
物の水素吸蔵によつて生じた熱を受け、且つその
熱を第１の反応容器の第１の金属水素化物に与え
る蓄熱槽とからなることを特徴とする熱エネルギ
ー取得装置。