(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極となる水素吸蔵合金を収容した２つの合金収容体を対にして間隙を設けて対向配置するとともに、該間隙に、電解質を収容した電解質収容体を配置して水素吸蔵合金間に電解質を介在させて電池セルを構成し、さらに前記合金収容体のそれぞれの背部に前記水素吸蔵合金を加熱または冷却するべく熱媒が導入、収容される熱媒収容体を配置したことを特徴とする水素吸蔵合金発電装置
【請求項２】
前記各熱媒収容体を隣接する電池セルで共用するようにして電池セルおよび熱媒体収容体が順次積層されていることを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合金発電装置
【請求項３】
前記電解質収容体に、電解質と導電可能に多孔性活性化用電極が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素吸蔵合金発電装置
【請求項４】
各収容体に、収容空間に連通する連通路が収容体配置方向と交差する方向に沿って形成されており、さらに各収容体には、複数の収容体を収容体配置方向に貫通して前記各連通路にそれぞれ連通する複数の貫通孔が独立して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素吸蔵合金発電装置
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の発電装置を使用して、電池セルを挟んだ熱媒収容体の一方に加熱用の熱媒を導入し、他方に冷却用の熱媒を導入してこれら熱媒収容体で挟む電池セルで起電力を得るとともに、上記熱媒収容体に導入する熱媒を前記熱媒収容体間で加熱用と冷却用とを交互に変換しつつ前記電池セルで連続的に起電力を得ることを特徴とする水素吸蔵合金を用いた発電方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度差を駆動力として水素吸蔵合金における水素の吸蔵、放出現象を利用して発電を行う水素吸蔵合金発電装置および発電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の商業規模の大電流、大電圧発電システムとして、一般的に火力発電、水力発電、原子力発電、風力発電などがある。また温度差発電を行う方法としては、熱電半導体（ゼーベック効果利用）によるもの、形状記憶合金を利用するもの、スターリングエンジンを利用するもの、あるいは酸化還元反応を利用した臭素電池によるものなどが知られている。温度差発電は廃熱等の利用が可能であり、省エネルギ発電としての期待がある。
上記のうち、熱電半導体による温度差発電では、半導体のｐ−ｎ接合部を片側の面に、ｎ−ｐ接合をもう一方の面に配列させた複数個の半導体を用意して、その両面の間に温度差を付けることにより、ゼーベック効果によって素子の両端に直流電圧を発生させる。
【０００３】
形状記憶合金を利用するものでは、形状記憶合金によってばね状のものを作製し、これを加熱（または冷却）するとその形状記憶効果により収縮もしくは膨張し、冷却（または加熱）することで元の状態に戻ることを利用して回転エネルギーを生み出し、発電させる。
スターリングエンジンは高温ガスの膨張で仕事をするエンジンであり、ガス膨張のための熱はピストンシリンダの外部から供給される外燃機関である。
レドックス電池は、電極間の温度差に起因する酸化還元電位の差を利用した温度差電池であり、酸化体と還元体の温度差がつくことにより、発生電位を減少させる方向に反応が進行する。酸化還元物質としては、酸化還元電位の差が温度で大きくなるような物質が用いられ、臭素の場合はＢｒ／Ｂｒ−の対が、フェリシアン／フェロシアンの場合はＦｅ（ＣＮ）６３−／Ｆｅ（ＣＮ）６４−の対が酸化還元物質として使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、最近では省エネルギ、低コスト化の要請も益々高まっており、必要な供給エネルギを工場などからの低温排熱（低熱）を利用することで、省エネルギ化や低コスト化を達成することが望まれている。
しかし、廃熱の利用が可能な上記従来技術のうち、熱電半導体を用いる温度差発電方法は、ごみ焼却時の排熱を利用したごみ焼却発電やリン酸型燃料電池の排熱を利用した発電など、高い温度の排熱を利用したものでは実績があるが、実用的には数百℃もの大きな温度差が必要であり、低温排熱では効率が悪く適用が困難である。
また、他の方法は、いまだ研究段階であり実用化には至っていない。すなわち、形状記憶合金を用いる方法は、回転エネルギを用いて発電するために発電モータが必要であり、また効率の悪さから実用には至っていない。スターリングエンジンも高温排熱には適用されるが低温排熱への適用が困難である。レドックス電池は原理的に低温排熱への適用の可能性は高いが、いまだ研究段階であり、実用には至っていない。
さらに本発明に関連する特許として、特開平９−３０８２７７号公報に水素吸蔵合金を用いた発電方法が示されているが、実用化が可能なシステムとしては描かれておらず、これまでに水素吸蔵合金を利用した温度差発電システムは存在していなかった。
【０００５】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、工場などからの低温の排熱を利用して効率的に発電を行うことができ、かつコンパクト化が容易で大電流大電圧の供給が可能な発電装置および発電方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＭＨの温度差による平衡水素解離圧の違いを、直接、高品位のエネルギである電気へと変換する新しい発電システムであり、水素吸蔵合金の加熱（例えば８０℃）・冷却（例えば２０℃）には、工場などの低温の排熱水を有効活用できる。大電流、大電圧を得るには、１対の水素吸蔵合金電極と電解質とからなるセルを積層することで、原理的には無限大の電流、電圧を得ることが可能となる。セル構造は、発電効率を良くするために極力近づけた薄膜状の水素吸蔵合金電極１対とそれの電解質、熱媒体部から構成すれば、構造が簡単で、セル自体も極力薄く出来る。このため、積層した装置全体もコンパクトになる。さらに、装置の排出物は、水素吸蔵合金の活性化に際しての初期の微量の酸素と少量の水素ガスのため、環境に優しい発電システムとなる。
【０００７】
すなわち、前記課題を解決するため本発明の水素吸蔵合金発電装置のうち第１の発明は、電極となる水素吸蔵合金を収容した２つの合金収容体を対にして間隙を設けて対向配置するとともに、該間隙に、電解質を収容した電解質収容体を配置して水素吸蔵合金間に電解質を介在させて電池セルを構成し、さらに前記合金収容体のそれぞれの背部に前記水素吸蔵合金を加熱または冷却するべく熱媒が導入、収容される熱媒収容体を配置したことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明の水素吸蔵合金発電装置は、第１の発明において、前記各熱媒収容体を隣接する電池セルで共用するようにして複数の電池セルおよび熱媒収容体が順次積層されていることを特徴とする。
第３の発明の水素吸蔵合金発電装置は、第１または第２の発明において、前記電解質収容体に、電解質と導電可能に多孔性活性化用電極が配置されていることを特徴とする。
第４の発明の水素吸蔵合金発電装置は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、各収容体に、収容体配置方向と交差する方向に沿って収容空間に連通する連通路が形成されており、さらに各収容体には、複数の収容体を収容体配置方向に貫通して各連通路にそれぞれ連通する複数の貫通孔が独立して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
第５の発明の水素吸蔵合金を用いた発電方法は、第１〜第４のいずれかの発明の発電装置を使用して、電池セルを挟んだ熱媒収容体の一方に加熱用の熱媒を導入し、他方に冷却用の熱媒を導入してこれら熱媒収容体で挟む電池セルで起電力を得るとともに、上記熱媒収容体に導入する熱媒を前記熱媒収容体間で加熱用と冷却用とを交互に変換しつつ連続的に起電力を得ることを特徴とする。
【００１０】
（作用）
本発明では、熱媒収容体に所定の熱媒を導入、収容することで電池セルに設置したプロトン電導性の電解質（例えばＫＯＨ水溶液）を媒介とする１対の水素吸蔵合金の片方（水素吸収状態）を加熱（例えば８０℃）し、もう片方の水素吸蔵合金（水素放出状態）を冷却（例えば２０℃）することで、両合金間に平衡水素解離圧の差に応じた電位差が発生する。この両水素吸蔵合金を電極として両者間を電気回路で結ぶと、電気回路内を電子が、電解質内部をプロトンが移動することにより、水素吸収状態の水素吸蔵合金への水素移動が生じ、エネルギを電流として取り出せる。この水素移動には限界があるため、いずれ両合金の平衡水素解離圧が等しくなり、電流は流れなくなるが、その際には、両合金の加熱・冷却を、熱媒収容体への導入熱媒を変更して逆にすると、逆向きの電流を得ることができる。これにより、連続的に電流を得ることができる。電流はそのまま極性が交互に変わる交流として取り出すこともでき、また整流して同一極性の電流として取り出すこともできる。
また、大電流、大電圧を得るには、この電池セルと熱媒収容体とを幾層にも重ね合わせた積層型とすることで可能になる。このとき電池セルと熱媒収容体とを薄平な構造として、これを薄平な面が重なるように積層することでコンパクト化が達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下に本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
薄平な水素吸蔵合金収容体１は、直方体形状のシリコンゴムからなり、その中央部に方形孔２が貫通するように形成されて水素吸蔵合金収容空間が確保されており、該空間に水素吸蔵合金３が収容されている。なお、この実施形態では、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ３．４Ｃｏ１．２Ｍｎ０．１Ａｌ０．３が使用されているが、本発明としては特定の水素吸蔵合金に限定されないことは当然である。
この水素吸蔵合金収容体１は、２つで一対になっており、互いに間隙を有してそれぞれに収容されている水素吸蔵合金３、３が対向するように配置される。
【００１２】
さらに両者間の間隙には薄平で直方体形状を有する電解質収容体４が隙間なく配置されている。該電解質収容体４はＮｉで形成されており、その中央部に、電解質収容空間として、上記水素吸蔵合金収容の方形孔２と同じ穴形状の方形孔５が貫通するように形成されており、該方形孔５の内側周縁部に収容体４のＮｉ部分と導電可能に方形枠状の発泡Ｎｉ６が収容されており、その内側に電解質としてＫＯＨ水溶液が収容されている。また、各水素吸蔵合金収容体１の方形孔２における電解質収容体４側には、方形孔２内に収容される水素吸蔵合金３と発泡Ｎｉ６との接触避けるため方形枠状の絶縁体７、７がセパレータとして配置されている。
【００１３】
さらに、水素吸蔵合金収容体１、１の両外側には、収容体１内にある水素吸蔵合金３、３と導電するように薄板のＮｉ板１０、１０が積層されており、該Ｎｉ板１０、１０の両外側に、シリコンゴム製で、冷却または加熱用の熱媒が導入される熱媒収容体１１、１２が配置されており、該熱媒収容体１１、１２の外側に薄板のＮｉ板１４、１４が積層されている。熱媒体部１１、１２には、前記した合金収容体１に形成された方形孔２と同じ穴形状の熱媒収容体方形孔１５、１６が形成されており、該方形孔１５、１６が熱媒の導入空間に割り当てられている。この方形孔１５、１６には、直方体形状で目の粗い発泡Ｎｉ１７、１７が変形防止のために配置されており、その隙間に熱媒が導入される。なお発泡Ｎｉ１７、１７の積層方向両側には、発泡Ｎｉ１７とＮｉ板１０、１４との絶縁を行うために薄膜絶縁体１８、１８が配置されている。
【００１４】
次に、この実施形態の作用について説明する。
先ず、適宜の方法で水素吸蔵合金への水素供給および水素の排出を可能にした状態で、Ｎｉ板１０と電解質収容体４との間に電圧を印加する。これにより水素吸蔵合金３、電解質、発泡Ｎｉ６を通して電流が流れ、水素吸蔵合金３が電気化学的に活性化される。このとき、少量の酸素および水素が発生するが、これらは発泡Ｎｉ６を通して速やかに発生場所から排除され、適宜の方法で発電装置外に排出される。
次いで、熱媒収容体１１に加熱または冷却用の熱媒を導入し、熱媒収容体１２には、収容体１１とは逆に冷却または加熱用の熱媒を導入する。収容体１１に加熱用熱媒、収容体１２に冷却用熱媒を導入する場合について説明すると、このとき、収容体１１に近接する水素吸蔵合金３には水素が吸蔵されており、収容体１２側に近接する水素吸蔵合金には水素が吸蔵されていないものとする。
【００１５】
上記の状態で収容体１１に加熱用熱媒（例えば８０℃の温水）が導入されると、該熱媒は方形孔１５内へと導かれ、その中にある発泡Ｎｉ１７の空隙に侵入するようにして方形孔１５に収容される。この熱媒は一端貯留させてもよく、またそのまま発泡Ｎｉ１７を通って収容体１１から排出されるものであってもよい。この熱媒の導入によってその熱がＮｉ板１０を通して水素吸蔵合金３に伝達され、該合金に吸蔵されている水素を放出させる。このとき、収容体１２には冷却用熱媒（例えば２０℃の冷水）が導入され、該熱媒は方形孔１６内へと導かれ、その中にある発泡Ｎｉ１７を通って収容体１２から排出される。該熱媒の導入によりＮｉ板１０を通して収容体１２側の水素吸蔵合金３が冷却され、収容体１１側の水素吸蔵合金と収容体１２側の水素吸蔵合金との間で平衡水素解離圧差が生じ、収容体１１側の水素吸蔵合金から放出された水素がプロトンとなって電解質中を移動し、収容体１２側の水素吸蔵合金側で反応して該合金に吸収される。この結果、両合金間で電流が発生するため、これをＮｉ板１０、１０から取り出すことにより起電力が得られる。なお、熱媒収容体１２に近接する水素吸蔵合金では水素の吸収によって膨張力が発生し、熱媒収容体１２に応力がかかるが、収容体１２内に配置されている発泡Ｎｉ１７によって収容体１２の変形が阻止される。
【００１６】
また、上記の作用においては、収容体１１側の合金から水素が放出されつくすと上記起電力の発生も尽きるため、その前に収容体１１、１２に導入される熱媒を逆にして、収容体１１に近接する合金を冷却し、収容体１２に近接する合金を加熱する。この結果、収容体１２側の合金から水素が放出され、プロトンの状態で電解質中を移動して収容体１１側の合金で吸収されることになるので、上記とは逆の起電力が発生する。これらの動作を繰り返すことによって連続的に起電力を得ることができる。
【００１７】
（実施形態２）
次に、他の実施形態を図４〜図１１に基づいて説明する。なお、この実施形態は、上記した実施形態１の発電装置を積層して多層（３層）セル化したものである。また、この実施形態では各セルへの電解質液の供給、熱媒の循環、水素の供給等を容易にするための工夫がなされている。以下に、本実施形態を具体的に説明する。なお、実施形態１と同様の構造については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
【００１８】
多層セル化では、電解質収容体６を挟んで、２つの水素吸蔵合金収容体１、１とその外側のＮｉ板１０、１０で１つの電池セルとし、その外側に配置する熱媒収容体を共通にして他の電池セルを積層する。したがって、３層セルの発電装置では、順次、熱媒収容体、電池セル、熱媒収容体、電池セル、熱媒収容体、電池セル、熱媒収容体が積層される。なお、この積層では、熱媒収容体としては、収容体１１、１２が交互に配置されている。これにより隣接する電池セルで熱媒収容体を共用して積層方向の厚さを小さくできる。
【００１９】
また、この実施形態では、図４に示すように水素合金収容体１に、前記方形孔２の上下端の横方向中央位置から縦方向に伸長する合金収容体連通路２０ｂ、２０ｅが形成されており、該連通路２０ｂ、２０ｅの左右両側に、それぞれ合金収容体貫通孔２１ａ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｆが形成されている。
また、電解質収容体６には、図５に示すように、上記方形孔７の上下端の横方向中央位置から縦方向に伸長する電解質収容体連通路７０ｂ、７０ｅが形成されており、該連通路７０ｂ、７０ｅの左右両側に、それぞれ合金収容体貫通孔７１ａ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｆが形成されている。なお、これら通路７０ｂ、７０ｅは前記した連通路２０ｂ、２０ｅと、貫通孔７１ａ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｆは前記した貫通孔２１ａ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｆとそれぞれ収容体積層方向（以下単に積層方向という）において連通している。
【００２０】
また、熱媒収容体１１には、図６に示すように、上記方形孔１５の上端の横方向一端側位置から上方、下端の横方向他端側位置から下方に伸長する熱媒収容体連通路１５０ｃ、１５０ｄが形成されており、熱媒収容体１２には、図７に示すように上記方形孔１６の上端の横方向他端側位置から上方、下端の横方向一端側位置から下方に伸長する熱媒収容体連通路１６０ａ、１６０ｆが形成されており、各連通路に並んで貫通孔１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｅ、１５１ｆ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄ、１６１ｅが形成されている。
これらの連通路および貫通孔は、それぞれ前記貫通穴２１ａ〜２１ｆ、７１ａ〜７１ｆまたは連通路２０ｂ、２０ｅ、７０ｂ、７０ｅと積層方向において連通している。
さらに、前記Ｎｉ板１２、１４には、図８、図９に示すように、一部を除いて上記連通路および貫通孔と連通する貫通穴１２０ａ〜１２０ｆ、貫通穴１４０ａ〜１４０ｆがそれぞれ形成されている。
上記各収容体は、図１０に示すように、前記実施形態１と同様に積層され、さらに複数の電池セルが熱媒収容体を共用して積層され、最外層には、ゴム板３０およびＮｉ押さえ板３１を配して固定する。なお、図１０は、各収容体の積層順を概略的に示すものであり、絶縁体７、１８や発泡Ｎｉ６、１７は省略している。
また、Ｎｉ押さえ板３１には、前記した各貫通孔および連通路に連通する貫通孔が形成されており、該貫通孔を通して積層セル内に熱媒（温水および冷却水）、ＫＯＨ水溶液、水素ガスを導入するためのジョイント（図示しない）が設けられている。
また、上記積層セルでは、上記ジョイントを通して供給される熱媒が、熱媒収容体１１、１２を通って他の同種の熱媒収容体にのみ流れるように、Ｎｉ板１０において上記各貫通孔の一部が封止されており、その封止位置は図１０に示した積層概略図に×点で示してある。
【００２１】
次に、この実施形態の作用について説明する。
先ず、貫通孔１４０ｂ、１５１ｂ（又は１６１ｂ）、連通路２０ｂ、７０ｂまたは貫通孔１４０ｄ、１５１ｄ（又は１６１ｄ）、連通路２０ｄ、７０ｄを通して各電解質収容体４の方形孔７内に電解質液を収容する。次いで、同様にして各水素吸蔵合金収容体１の方形孔２内の水素吸蔵合金３に水素を供給し、または水素吸蔵合金３から水素を排出可能な状態にして、Ｎｉ板１２と電解質収容体４との間に電圧を印加する。電圧は発泡Ｎｉ６、電解質を通して各水素吸蔵合金３に加わり、該合金３の活性化が行われる。このとき、少量の酸素および水素が発生するが、これらは発泡Ｎｉ６を通り、上記貫通孔および連通路を通して速やかに外部に排除される。
【００２２】
上記処理においては電解質収容体４を挟む水素吸蔵合金３のうちで、同種の熱媒収容体１１または１２のいずれかに近接する側の水素吸蔵合金３に水素を吸蔵させておき、他方側の水素吸蔵合金３では水素が放出された状態にしておく。ここでは、熱媒収容体１１に近接する水素吸蔵合金に水素が吸蔵されているものとする。そして、同種の熱媒収容体１１に加熱用の熱媒（例えば８０℃の温水）、熱媒収容体１２に冷却用の熱媒（例えば２０℃の冷却水）が供給されるように、Ｎｉ押さえ板３１の貫通孔を通して熱媒を供給する。熱媒は、図１１に示されるように同種の熱媒収容体に供給される。そして、熱媒収容体１１に加熱用熱媒が導入されることにより、これに近接する、水素を吸蔵している水素吸蔵合金３が加熱され、熱媒収容体１２に冷却用熱媒が導入されることにより、これに近接する、水素を吸蔵していない水素吸蔵合金３が冷却される。これら水素吸蔵合金３、３は、電解質を挟んで対向しており、両者間に生じる平衡水素解離圧差が生じ、前記実施形態と同様に各電池セルで電圧が発生する。水素の放出、吸蔵が完了した際には、熱媒収容体に供給される熱媒を加熱用と冷却用とで入れ換えることにより、上記と同様にして各電池セルで逆極性の電圧が得られる。
各積層セルでは、同様に電圧が発生しており、これを集合させることにより所望の電圧または電流を得ることができ、大電圧化、大電流化も容易である。
【００２３】
なお、この実施形態では、電池セルを３層積層したものについて説明したが、その積層数は任意であり、より多層に積層することもできる。
図１２は、セルを７層に積層したものを動作させている概略図である。この発電装置においても、同種の熱媒収容体に同じ熱媒を供給することによって多層のセルで同時に起電力を得ることができ、一層の大電圧化、大電流化が容易になる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素吸蔵合金発電装置によれば、電極となる水素吸蔵合金を収容した２つの合金収容体を対にして間隙を設けて対向配置するとともに、該間隙に、電解質を収容した電解質収容体を配置して水素吸蔵合金間に電解質を介在させて電池セルを構成し、さらに前記合金収容体のそれぞれの背部に前記水素吸蔵合金を加熱または冷却するべく熱媒が導入、収容される熱媒収容体を配置したので、比較的低温の廃熱を利用して効果的に電圧を発生させることができ、装置の小型化も容易となる。
【００２５】
また、上記装置において、前記各熱媒収容体を隣接する電池セルで共用するようにして電池セルおよび熱媒体収容体を順次積層すれば、各電池セルで電圧を発生させることができ、大電圧化、大電流化が容易であり、装置もコンパクトに構成することができる。
【００２６】
また、上記装置において、電池セルを挟んだ熱媒収容体の一方に加熱用の熱媒を導入し、他方に冷却用の熱媒を導入してこれら熱媒収容体で挟む電池セルで起電力を得るとともに、上記熱媒収容体に導入する熱媒を前記熱媒収容体間で加熱用と冷却用とを交互に変換することにより、電池セルで連続的に起電力を得ることができ、効率的かつ低コストで発電を行うことができる。また、発電に際しての装置からの排出物も少量の酸素（初期活性化時のみ）および水素ガスであるので、環境問題の観点からも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】    同じく組み立て斜視図である。
【図３】    同じく一部断面した断面図である。
【図４】    本発明の他の実施形態における水素吸蔵合金収容体の斜視図である。
【図５】    同じく電解質収容体の斜視図である。
【図６】    同じく熱媒収容体の斜視図である。
【図７】    同じく他の熱媒収容体の斜視図である。
【図８】    同じくＮｉ板の斜視図である。
【図９】    同じくＮｉ板の斜視図である。
【図１０】  同じく積層セルの概略図である。
【図１１】  同じく積層セルの動作概略図である。
【図１２】  本発明のさらに他の実地形態における、積層数を７層とした積層セルの動作概略図である。
【符号の説明】
１    水素吸蔵合金収容体
２    方形孔
３    水素吸蔵合金
４    電解質収容体
５    方形孔
６    発泡Ｎｉ
１０    Ｎｉ板
１１    熱媒収容体
１２    熱媒収容体
１４    Ｎｉ板
１５    方形孔
１６    方形孔
１７    発泡Ｎｉ
２０ｂ  合金収容体連通路
２０ｅ  合金収容体連通路
７０ｂ  電解質収容体連通路
７０ｅ  電解質収容体連通路
１５０ｃ  熱媒収容体連通路
１５０ｄ  熱媒収容体連通路
１６０ａ  熱媒収容体連通路
１６０ｆ  熱媒収容体連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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