(57)【要約】【課題】最小の温度差を水素吸蔵合金に与え、水素圧の変動によるポンプ作用で作動流体の圧縮を行い、その作動流体の膨張運動に伴う流体運動を機械運動に変換したのち電気変換を行うことで、小型化およびコストの低化ができる。【解決手段】ゴム化水素吸蔵合金を装着した水素吸蔵合金ユニットによる水素吸蔵放出手段と、前記水素吸蔵放出手段と、揺動ピストン機関の二連による作動流体圧縮手段と、前記作動流体圧縮手段の単体または複数を設けて構成し、熱媒体循環系などの電動機器を電子制御する電子制御手段と、前記作動流体圧縮手段で圧縮された作動流体が逆止弁、制圧弁、高圧タンクおよび低圧タンクを含めて構成する循環路を密閉にして循環をする温度差縮小手段と、前記温度差縮小手段の循環路に発電機を連結連動させた動力回収体を設けて電気変換をする発電手段とで構成したことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム化水素吸蔵合金を装着した水素吸蔵合金ユニットによる水素吸蔵放出手段と、
前記水素吸蔵放出手段と、揺動ピストン機関の二連による作動流体圧縮手段と、前記作動流体圧縮手段の単体または複数を設けて構成し、熱媒体循環系などの電動機器を電子制御する電子制御手段と、
前記作動流体圧縮手段で圧縮された作動流体が逆止弁、制圧弁、高圧タンクおよび低圧タンクを含めて構成する循環路を密閉にして循環をする温度差縮小手段と、
前記温度差縮小手段の循環路に発電機を連結連動させた動力回収体を設けて電気変換をする発電手段とで構成したことを特徴とする温度差発電装置。
【請求項２】
波形部を持つ金属のプレートの平面部内に水素ホールを設けて、前記プレートを重ねあわせてプレートカセットを構成し、
前記プレートカセット両面の波形部の波形溝内にゴム化水素吸蔵合金を装着して、前記プレートカセットを積層したことを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵放出手段。
【請求項３】
揺動ピストン機関を連結連動するクランク室を密閉にして、シール材を封入しシール材の分子間に水素分子で飽和にすることを特徴とする請求項１記載の作動流体圧縮手段。
【請求項４】
水素圧縮ポンプとして可逆的に用いることを特徴とする請求項１記載の作動流体圧縮手段。
【請求項５】
低圧タンク内の作動流体圧は、水素吸蔵合金ユニット内の水素化時の水素圧より常に高くなるように予め作動流体を圧縮して封入したことを特徴とする請求項１記載の温度差縮小手段。
【請求項６】
動力回収体がタービン系もしくは揺動ピストン系の機関であることを特徴とする請求項１記載の発電手段。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金の機能を用いて、温度差を水素吸蔵合金に与え水素圧の変動によるポンプ作用を利用して作動流体を圧縮しておき低圧下で解放させ、その流体膨脹による流体運動を機械運動として回収して電気変換ができる熱電変換に係り、特に常温域での低温度差から電気変換ができる温度差発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで水素吸蔵合金を利用した関連装置について、文献１（ＪＰ，２−１１０２６３）、文献２（ＪＰ，６０−９８３９）、文献３（ＪＰ，２０００―４５９２６）、文献４（ＪＰ，６３−１６１３６８）、文献５（ＪＰ−２５２８６２１）、文献６（ＵＳ―４６０９０３８）、文献７（ＪＰ，４−２３２２０２）、文献８（ＪＰ，２−１８８４０１）等があり、熱電変換装置として高温ガス熱と常温空気を熱源とする発電装置（文献９：ＪＰ，０８−２４０１０６）等がある。
【０００３】
これまでの温度差発電装置は、常温との温度差が１００℃以上必要で、常温との温度差３０℃以下では、効率のよい発電技術の提案がない。
【０００４】
本発明は文献１０（国際公開  ＷＯ  ０２／０６８８８２  Ａ１）の改良に係るもので、文献１０の熱電変換技術においては、作動流体の圧縮および圧縮流体の膨張力を用いた流体運動からの動力回収などの技術提案がない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
常温域での低温度差による発電装置では、装置が大きくなるためコストも高くなるという問題点に繋がる課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上述の点を考慮してなされたもので、水素吸蔵合金の可逆的反応熱を短時間に伝播することで水素吸蔵合金の使用量を最少にして、熱源の温度差が小さくても水素吸蔵合金の機能を最大限用いることができる熱電変換装置を目的とする。当該発明者が考案したゴム化水素吸蔵合金を装着した水素吸蔵合金ユニット（文献１０：国際公開ＷＯ  ０２／０６８８８２  Ａ１）を用いて、作動流体を圧縮しておき低圧下で解放させ、その膨張運動力を発電機の駆動源にすることで、小型化、メンテナンスフリー化および低コスト化ができる装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ゴム化水素吸蔵合金を装着した水素吸蔵合金ユニットによる水素吸蔵放出手段と、
前記水素吸蔵放出手段と、揺動ピストン機関の二連による作動流体圧縮手段と、前記作動流体圧縮手段の単体または複数を設けて構成し、熱媒体循環系などの電動機器を電子制御する電子制御手段と、前記作動流体圧縮手段で圧縮された作動流体が逆止弁、制圧弁、高圧タンクおよび低圧タンクを含めて構成する循環路を密閉にして循環をする温度差縮小手段と、前記温度差縮小手段の循環路に発電機を連結連動させた動力回収体を設けて電気変換をする発電手段とで構成したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ゴム化水素吸蔵合金を装着した水素吸蔵合金ユニットによる水素吸蔵放出手段は、当該発明者によって考案された「水素吸蔵合金ユニットを用いる熱電変換装置および冷暖房・冷凍の装置（国際公開ＷＯ  ０２／０６８８８２  Ａ１）」の水素吸蔵合金ユニットであり、特に水素の吸蔵と放出に要する時間を大幅に短縮できる。
【０００９】
また、作動流体圧縮手段は、シリンダーおよびピストンによる揺動ピストン機関の二連が連結連動するクランク室を密閉にして、シール材を封入しシール材の分子間に水素分子で飽和にする。すなわち作動中に一方のシリンダー内の水素が漏れて他方のシリンダー内に入らないように防止することができる。
【００１０】
また、電子制御手段は、作動流体圧縮手段の単体または複数で構成された水素吸蔵合金ユニットの熱媒体ノズルに設けられる加熱および冷却の電磁弁ほか、熱媒体循環系の電動機器などの電源を、各部の温度、流量、レベルなどセンサーの計測値と、予め設定された値によって電子制御することができる。すなわち装置が安定して作動をすることができる。
【００１１】
また、温度差縮小手段は、作動流体圧縮手段の二連機関で圧縮された作動流体が逆止弁、制圧弁、高圧タンクおよび低圧タンクを含めて構成する循環路を密閉にして、低圧タンク内の作動流体圧が、水素吸蔵合金ユニット内の水素化時の水素圧より常に高くなるように予め作動流体を圧縮して封入することで、水素吸蔵合金ユニットの水素吸蔵温度を常圧時の吸蔵温度に比べ高くして水素化反応を実現させることができる。すなわち熱源の温度差を縮小して、且つ、水素吸蔵時に水素の体積を縮小することでシリンダーのコンパクト化とともに水素吸蔵合時間を短縮できる。
【００１２】
この、温度差縮小手段の水素化反応熱は、水素加圧から水素化反応熱の発熱温度が常圧反応による発熱温度に比べて高温となるため、文献１０（国際公開ＷＯ  ０２／０６８８８２  Ａ１）の温度還元手段を採用して、発熱を熱媒体で回収して熱源として生成することが容易にできる。
【００１３】
また、発電手段は、作動流体の循環路に発電機を連結連動させた動力回収体を設けて電気変換をする。すなわち圧縮した作動流体の膨張運動を機械運動に変換することで電気変換ができる。
【００１４】
【実施例】
図２、３、４の実施例によって説明すると、一方のプレート３０は、長方形の金属プレートに凹な平面部４０、４０ａ内に水素ホール４１、４１ａを開けて、縦方向中央に水素誘導溝３５と、水素誘導溝３５に対し４５度方向に直線な溝をプレート全面に複数列を平行に設けた波形溝３３を、長辺側の両端面を折り曲げた平面な側面部がそれぞれ形成できるようにした金型を用いて、プレス加工により製造する。
【００１５】
また、他方のプレート３１は、長方形の金属プレートの両端に凸な平面部４２、４２ａ内に水素ホール４３、４３ａを開けて、縦方向中央に水素誘導溝３６と、プレート３０に設けた波形溝３３とは逆の角度で、水素誘導溝３６に対し４５度方向に直線な溝をプレート全面に複数列を平行に設けた波形溝３４を、長辺側の両端面を折り曲げた平面な側面部がそれぞれ形成できるようにした金型を用いて、プレス加工により製造する。なお、この平面部は、水素を循環させる必要性がない場合は、金属プレート中央の一個所だけでも機能できる。
【００１６】
次いで、プレート３０とプレート３１の間にロー付材の薄膜材を挟み真空炉内で高温処理により平面部４０、４２および４０ａ、４２ａの面と面、波形溝３３、３４の山と谷４６、４７、側面部の面と面のそれぞれ接合する部分がロー付けされプレートカセットが製造される。
【００１７】
その後、水素吸蔵合金ペーストをプレートカセットの両面に薄膜状で水素吸蔵合金を塗布したのち熱硬化によりゴム化して装着され、プレートカセットを必要枚数積層し密着接合させて、接合する外周の先端部を溶接で水素吸蔵合金部を密封にして、プレートカセットの積層体が製造される。
【００１８】
水素吸蔵合金ペーストは、水素吸蔵合金（Ｆｅ−Ｔｉ、Ｔｉ−Ｍｎ等のチタン系、Ｍｇ−Ｎｉ等のマグネシウム系、Ｌａ−Ｎｉ等の希土類系）などで環境熱源温度に合わせて選択し、特に合金の種類やプロセスを限定するものでなく、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ初期粉砕工程を経て粒子の径が約５０μｍ程度に調整した粉末、または、粉末の表面に水素解離性の金属（触媒）の薄膜処理をして、ゴム剤または接着剤とを混合して水素吸蔵合金ペーストとして用いる。
【００１９】
この水素吸蔵合金の装着条件として、膨張に伴う体積変化に対応でき、微紛の飛散防止をするほか熱伝導性がよく、例えば材料としてゴム剤にはシリコンゴムの高分子が最適である。紛体の水素吸蔵合金の周囲が、高分子材（シリコンゴム材など）で覆われて、水素分子のみが通過できるポアを持たせた仕組みから、不要ガスが混入していても、水素だけを選択して通過させ合金内部に貯蔵をすることができるため、被毒する要因がない。
【００２０】
また、積層体の左右両端には、内部に開放する熱媒体ノズルを設けたキャップを取り付け、最上部のプレートカセットの両水素ホールにそれぞれ水素パイプを取り付け、積層体の上下両面から補強板がボルトによって締め付け拘束して水素吸蔵合金ユニットが耐圧化され製造される。
【００２１】
このように水素吸蔵合金ユニットが構成されると、熱媒体ノズルから８０℃程度の加熱媒体を通過させながら水素ノズルから真空引きしてゴム化水素吸蔵合金５５の脱気を行い、次いで、熱媒体ノズルから２０℃程度の冷却媒体を通過させながら、３０ｋｇ／ｃｍ２程度で水素加圧が行えるため、水素吸蔵合金の初期活性化が専用チャンバーを用いることなく装置の設置後に直接に行うことができる。
【００２２】
また、熱媒体ノズルから熱媒体流路５３へ熱媒体１０２が通過することで、水素吸蔵合金の可逆的反応熱の授受を熱媒体が効率よく行い、水素は水素流路５４と水素ノズル間を流動することができる。
【００２３】
図１の実施例によって説明すると、水素吸蔵合金ユニット２の熱媒体ノズルの口先が流入側および流出側とに分岐し、それぞれ電磁弁を介して加熱および冷却の熱媒体循環系の配管と連結連通されている。
【００２４】
また、水素吸蔵合金ユニット２の水素ノズルと水素パイプを介して二連機関７０のシリンダー７１の水素ノズルとが連結連通されている。
【００２５】
また、シリンダーおよびピストンによる揺動ピストン機関の二つを連結連動するクランク７６の室内を密閉にして、作動中にシリンダー内の水素が漏れて他方のシリンダー内に漏れ出さないように防止するシール材が封入され、二連機関が構成されて運転されている。必要にあっては同様に構成した二連機関７０を複数設けて運転することもよい。
【００２６】
また、二連機関７０を水素圧縮ポンプとして可逆的に適用する場合では、シリンダー７１に逆止弁を設け、作動流体を液体にして液体ポンプで作動液体をシリンダー７４内へ送液すると、これまでのダイヤフラム方式の水素圧縮ポンプに比べ、特に高圧縮時では昇圧の機能性において勝る。
【００２７】
シール材は、潤滑用の液体を注入した後、加圧封入するとよい。材質はアルゴンなど不活性ガスが最適で、このように加圧封入することで、シリンダー内の水素がクランク室内へ漏れ込み、シール材の分子間へ飽和状態まである程度水素分子が進入する。運転作動時にあっては、水素、クランク室、作動流体の圧力が均衡的であり、飽和水素が他方のシリンダー７４内へ流出することを防止できる。
【００２８】
シリンダー７４には、逆止弁を介した作動流体の流出および流入のノズルが取り付けられ、シリンダー７４から流出した作動流体は、高圧タンク９４、制圧弁９６、動力回収体９８、低圧タンク９５を経て再度シリンダー７４まで循環できるように密閉で配管されている。
【００２９】
また、作動流体は、水素吸蔵合金ユニット内の水素化時の水素圧より常に低圧タンク内の作動流体圧が高くなるように予め作動流体を圧縮して封入され、水素吸蔵合金ユニットの水素吸蔵温度を常圧時で吸蔵する温度に比べ高くできるようにして水素化反応を実現している。この手段により熱源の温度差を縮小して、且つ、水素吸蔵時に水素の体積を縮小するとともに水素吸蔵合時間を短縮している。
【００３０】
また、作動流体の材質は特定するものではないが、部材の酸化など耐久度を考慮するとアルゴンなど不活性ガスが最適である。
【００３１】
また、タービン系または揺動ピストン系の動力回収機９８の回転軸は、外部に設けられた発電機９９の回転軸と連結連動できるように設けられ、動力回収体９８の作動流体の流入口と制圧弁９６を介して高圧タンクと、他方の作動流体の流出口と低圧タンクとがそれぞれ配管によって連結連通されている。
【００３２】
作動流体圧の位差は、シリンダー７４内および高圧タンク９４内が水素合金ユニットの水素放出圧に同等で高く、制圧弁９６を通過した作動流体圧は、動力回収体９８の出口、低圧タンク９５内が水素吸蔵合金ユニットの水素吸蔵圧に近く低いため、この圧力差のある作動流体の循環路に動力回収体９８が設けられているため、動力回収体９８が作動流体の流入口と流出口との圧力差からの流体膨張運動を回転運動に変換している。
【００３３】
また、媒体循環系１０５は、熱交換器９０から水素吸蔵合金ユニット２、加熱媒体タンク９１を経てポンプを介して加熱の熱媒体が循環している。
【００３４】
また、冷却媒体循環系１０６は、熱交換器９２から水素吸蔵合金ユニット２、冷却媒体タンク９３を経てポンプを介して冷却の熱媒体が循環している。
【００３５】
また、水素吸蔵合金ユニット２の熱媒体ノズルに設けられた加熱および冷却の熱媒体の電磁弁ほか、熱媒体循環系の電動機器などの電源を、各部の温度、流量、レベルなどセンサーの計測値と、予め設定された値によって電子制御がされている。
【００３６】
このように装置が構成されたことで、作動流体圧縮手段では、シール材によって、作動流体と水素が交わることなく水素吸蔵合金ユニットの水素放出圧によって作動流体を圧縮することができ、一方、水素吸蔵合金ユニットの水素吸蔵行程では、温度差縮小手段による水素吸蔵時の水素圧力を高めることができるため、騒音もなく、シリンダーを小型にして、熱媒体の温度差が２０℃程度でも水素の吸蔵と放出の機能を可能とした。
【００３７】
この機能性は多くの新分野で適用できる。例えば、ガス化溶融炉の排熱は６０℃であり、発電変換はこれまで不可能とされて膨大な熱量が大気へ放熱されていたが、温度差が小さい夏季でも外気温度３０℃で冷却して温度差発電ができるようになる。ほかにも利雪市場など、温度差２０℃での新しい市場候補は多くある。
【００３８】
また、水素吸蔵合金の水素化時の高温発熱を回収した熱媒体を用い、文献１０（国際公開  ＷＯ  ０２／０６８８８２  Ａ１）の温度還元手段を適用して、熱源を生成利用することで、変換効率を高めることができる。
【００３９】
また、二連機関は、燃料電池自動車の超高圧水素貯蔵タンクへの超高圧充填装置として、可逆的に用いることを可能とした。
【００４０】
本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したようにゴム化水素吸蔵合金が装着された水素吸蔵合金ユニットを用いた発電装置は、低温域の低温度差による発電のほか、小型化、メンテナンスフリー化、コスト低下などを可能にし、特に水素超高圧縮ポンプに応用できるという利点がある。水素社会おいては、地球温暖化効果ガス削減から地球環境保全に功を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の系統線図であって、全体概要を示している。
【図２】本発明の一実施例の平面図であって、２種類のプレート上面を示している。
【図３】本発明の一実施例の断面図であって、２種類のプレート側面を示している。
【図４】本発明の一実施例の断面図であって、プレートカセットの積層体の断面を示している。
【符号の説明】
１  温度差発電装置
２  水素吸蔵合金ユニット
３０、３１  プレート
３２  波形部
４０、４０ａ  凹な平面部
４２、４２ａ  凸な平面部
５３  熱媒体流路
５４  水素流路
５５  ゴム化水素吸蔵合金
７１、７４  シリンダー
７２、７５  ピストン
７６  クランク
９４  高圧タンク
９５  低圧タンク
９６  制圧弁
９８  動力回収体
９９  発電機
１００  水素
１０１  作動流体
１０２  熱媒体
１０３  シール材
１０５  加熱媒体循環系
１０６  冷却媒体循環系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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