(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸放熱を伴ってガスの吸放出がなされるガス吸放出物質を収容した容器を対で備え、該ガス吸放出物質を加熱、冷却することによって対となる容器でそれぞれガス供給側とガス利用側に対し対称的にガス吸放出を行うガス吸放出装置において、対となる容器のガス吸放出経路を連結するガス連絡路が開閉可能に設けられており、該ガス連絡路は対となる容器でのガス吸放出の切り替えに際し、一時的な連通が可能となっており、該連通によってガスを放出していた側の比較的高圧な容器から、ガスを吸収していた側の比較的低圧な容器に、圧力差により自発的にガス移動を可能とすることを特徴とするガス吸放出装置。
【請求項２】
吸放熱を伴ってガスの吸放出がなされるガス吸放出物質を収容した容器を対で備え、該ガス吸放出物質を加熱、冷却することによって対となる容器でそれぞれガス供給側とガス利用側に対しガス吸収とガス放出とを対称的に、かつ交互に切替ながら行うガス吸放出装置の運転方法において、対となる容器でそれぞれ吸放熱を切り替える際に、これら容器のガス吸放出経路を一時的に連通させ、高圧側容器のガス吸放出経路から低圧側容器の吸放出経路に圧力差により自発的にガスを移動させ、その後、切り替えたガス吸放出行程に移行することを特徴とするガス吸放出装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温・低温の熱媒体を交互に使用して、例えば水素吸蔵合金の水素吸放出等のように、加熱・冷却を繰返して吸・発熱を伴う処理をさせるガス吸放出装置および該装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金のようなガス吸放出物質は、吸発熱を伴って水素等のガスの吸放出反応を起こすので、従来からこの反応を利用した各種のシステムが提案されている。
例えば、水素吸蔵合金は水素を吸放出する際に吸放熱が生じるので、温度操作によって水素の吸放出を行い、その際に発生する熱を利用して冷暖房や冷凍、熱回収を行うガス吸放出装置が提案されている。また、吸放熱を利用して水素の貯蔵、運搬、回収、精製等を行うガス吸放出装置も提案されている。
【０００３】
図５に、従来のガス吸放出装置の系統図を示す。
この装置では、ガス吸放出物質（図示しない）が充填された容器１、２を有しており、さらに該容器１、２にガスを供給するガス供給装置３と、容器１、２から放出されたガスが供給されるガス利用装置４とを備える。上記ガス供給装置３と容器１、２との間は開閉弁８、９をはさんで配管接続され、ガス利用装置４と容器１、２との間は開閉弁１０、１１をはさんで配管接続されている。さらに、上記容器１、２に熱媒を供給する加熱装置５と、冷媒を供給する冷却装置６とを有しており、容器１、２と加熱装置５、冷却装置６とは、開閉弁１２、１３、１４、１５と方向制御弁１６、１７、１８、１９とをはさんで配管接続されている。
また、容器１、２の熱媒出入口は、開閉弁２０、２１、顕熱回収ポンプ７を介して配管接続されている。
【０００４】
図６に上記した従来のガス吸放出装置の行程図を示す。この装置では、容器１、２でガスの吸放出（吸放熱）を対称的に行っており、それぞれガス吸放出（吸放熱）を交互に切り替えることにより連続したガス吸放出を行っている。また、ガス吸放出を切り替える際には、容器１、２における顕熱回収を行っている。以下に各行程を具体的に説明する。
【０００５】
▲１▼容器１：加熱（放出）／容器２：冷却（吸収）行程
加熱装置５に接続された開閉弁１２、１３を開き、方向制御弁１６、１７の加熱装置側を開いて、容器１に加熱媒体を通し、容器１内のガス吸放出物質を加熱してガスを放出する（この行程以前に容器１内のガス吸放出物質にはガスが吸収されている）。その際、ガス利用装置４に接続された開閉弁１０を開き（開閉弁１１は閉）、容器１から放出したガスをガス利用装置４に供給する。同時に、冷却装置６に接続された開閉弁１４、１５を開き、方向制御弁１８、１９の冷却装置側を開いて、容器２に冷却媒体を通し、容器２内のガス吸放出物質を冷却する。その際、ガス供給装置３に接続された開閉弁９を開き（開閉弁８は閉）、ガス供給装置３からのガスを容器２に供給して、容器２内のガス吸放出物質にガスを吸収させる。
【０００６】
▲２▼顕熱回収行程
顕熱回収ポンプ７に接続された開閉弁２０、２１を開き、方向制御弁１６、１８がつながる向きにした後、顕熱回収ポンプ７を作動させて、容器１と容器２の間で熱媒を循環させ、▲１▼行程で加熱した容器１と容器１内のガス吸放出物質と熱媒が持っている顕熱エネルギを、次の▲３▼行程で加熱される容器２と容器２内のガス吸放出物質に回収する。その際、加熱装置５および冷却装置６に接続されたそれぞれの開閉弁１２、１３、１４、１５は、加熱装置５および冷却装置６の方に熱媒が行かないように閉じ、また、方向制御弁１７、１９は循環する熱媒が短絡しないような方向に向ける。
【０００７】
▲３▼容器１：冷却（吸収）／容器２：加熱（放出）行程
冷却装置６に接続された開閉弁１４、１５を開き、方向制御弁１６、１７の冷却装置側を開いて、容器１に冷却媒体を通し、容器１内のガス吸放出物質を冷却する。その際、ガス供給装置３に接続された開閉弁８を開き（開閉弁９は閉）、ガス供給装置３からのガスを容器１に供給して容器１内のガス吸放出物質でガスを吸収させる。同時に、加熱装置５に接続された開閉弁１２、１３を開き、方向制御弁１８、１９の加熱装置側を開いて、容器２に加熱媒体を通し、容器２内のガス吸放出物質を加熱してガスを放出させる。その際、ガス利用装置４に接続された開閉弁１１を開き（開閉弁１０は閉）、容器２から放出したガスをガス利用装置４に供給する。
【０００８】
▲４▼顕熱回収行程
顕熱回収ポンプ７に接続された開閉弁２０、２１を開き、方向制御弁１６、１８がつながる向きにした後、顕熱回収ポンプ７を作動させて、容器１と容器２の間で熱媒を循環させ、▲３▼行程で加熱した容器２と容器２内のガス吸放出物質と熱媒が持っている顕熱エネルギを、次の▲１▼行程で加熱される容器１と容器１内のガス吸放出物質に回収する。その際、加熱装置５および冷却装置６に接続されたそれぞれの開閉弁１２、１３、１４、１５は、加熱装置５および冷却装置６の方に熱媒が行かないように閉じて、また、方向制御弁１７、１９は循環する熱媒が短絡しないような方向に向ける。
上記▲１▼行程→▲２▼行程→▲３▼行程→▲４▼行程→▲１▼行程→・・・を繰返すことによって連続的にガスの吸放出を行う。
【０００９】
図７に、上記ガス吸放出装置の運転時における容器内温度および容器内圧力の時間変化を示す。温度変化図から分かるように、▲２▼、▲４▼行程において、容器１／容器２の熱媒を循環させ、▲１▼、▲３▼行程の終了時の加熱と冷却の温度差を利用して熱を移動させ、その顕熱エネルギを回収している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法や装置では、容器１、２の加熱／冷却行程切替の間に、熱媒を循環させて合金や容器の顕熱エネルギを回収するため、熱媒を循環させるポンプや操作弁等の熱媒系機器が必要になり、装置が大型化したり、設備費やランニングコストがかかる。また、顕熱回収行程で熱媒を循環して顕熱エネルギを回収している間は、ガス供給装置およびガス利用装置との吸放出ができないため、その間の時間が無駄になるという問題がある。
【００１１】
この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、従来の熱媒を循環させて顕熱回収するエネルギ回収方法に代えて、エネルギをより効率的に回収できる装置および運転方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のガス吸放出装置のうち第１の発明は、吸放熱を伴ってガスの吸放出がなされるガス吸放出物質を収容した容器を対で備え、該ガス吸放出物質を加熱、冷却することによって対となる容器でそれぞれガス供給側とガス利用側に対し対称的にガス吸放出を行うガス吸放出装置において、対となる容器のガス吸放出経路を連結するガス連絡路が開閉可能に設けられており、該ガス連絡路は対となる容器でのガス吸放出の切り替えに際し、一時的な連通が可能となっており、該連通によってガスを放出していた側の比較的高圧な容器から、ガスを吸収していた側の比較的低圧な容器に、圧力差により自発的にガス移動を可能とすることを特徴とする。
【００１３】
第２の発明のガス吸放出装置の運転方法は、吸放熱を伴ってガスの吸放出がなされるガス吸放出物質を収容した容器を対で備え、該ガス吸放出物質を加熱、冷却することによって対となる容器でそれぞれガス供給側とガス利用側に対しガス吸収とガス放出とを対称的に、かつ交互に切替ながら行うガス吸放出装置の運転方法において、対となる容器でそれぞれ吸放熱を切り替える際に、これら容器のガス吸放出経路を一時的に連通させ、高圧側容器のガス吸放出経路から低圧側容器の吸放出経路に圧力差により自発的にガスを移動させ、その後、切り替えたガス吸放出行程に移行することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、吸放熱を伴うガスの吸放出反応を利用してガスの回収、精製、貯蔵装置やガス供給装置に適用することができ、また吸放熱を利用して冷暖房装置や冷凍装置、ヒートポンプ等に適用することができる。ただし、本発明としてはガス吸放出の利用や吸放熱の利用がなされるものであれば、特定の用途に限定されるものではない。
また、本発明に使用されるガスの吸放出物質は、ガスの吸収、放出を可逆的に行うことができ、ガス吸放出に伴って吸発熱する性質を有するものである。例えば吸着剤としてガスの吸収、放出を行ったり、化学反応によってガスの吸収、放出を行ったりするものを使用することができる。上記材料としては活性炭、カーボンファイバ、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、また化学反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として水素吸蔵合金を挙げることができる。また、ガスの種別は、主として上記ガス吸放出物質の種別に依る。これらガスの種別、吸放出物質の種別は、ガス吸放出装置の用途等を勘案して選定すればよい。
なお、ガスの吸収と放出を交互に行わせる方法としては、加熱、冷却による熱駆動を用いる。
【００１５】
上記したガス吸放出物質は容器に収納され、該容器に対しガスの導入、排出がなされる。したがってガス吸放出物質はガスと効率的に接触でき、またガスが円滑に移動できるように容器内に収納するのが望ましい。
また、上記容器には、ガス吸放出物質を加熱、冷却するため、または、さらにガス吸放出物質の吸放熱を回収するために熱媒が導入される。
本発明のガス吸放出装置では、上記容器を複数備えており、吸放出を対称的に行う容器が対の関係にある。したがって容器は二つでもよく、またそれ以上であってもよい。本発明の装置では、対となる容器間には、互いのガス吸放出経路を一時的に連通できるように開閉可能な連絡路が設けられている。連絡路は直接容器のガス吸放出空間に接続するものであってもよく、また、容器に接続されているガス移動路に接続して間接的にガス吸放出空間に接続するものであってもよい。
【００１６】
本発明では、対となる容器でガス吸放出物質を加熱、冷却してガス吸放出を対称的に行うことにより連続的な操業を可能にし、一方、ガス吸放出を切り替える際には、対となる容器のガス吸放出経路を上記連絡路等によって連通させる。このとき、ガスを放出していた側の容器のガス吸放出経路ではガスの存在によって比較的高圧な状態にあり、一方、ガスを吸収していた側の容器のガス吸放出経路では比較的低圧な状態にある。このため、両経路の連通によって比較的高圧な側から比較的低圧な側に向けて圧力が平衡するまでガスを移動させることができる。なお、このガス移動をどの時点まで継続するかは任意であり、両経路の圧力が平衡する前に移動行程を終了させるものであってもよい。
上記ガス移動は、圧力差による自発的な動作を利用できるので、従来の熱媒移動のように特別にポンプ等を設ける必要はなく、装置コストおよびランニングコストを低減できる。また、ガスの移動は短時間でなされるのでガス吸放出に対する無駄な時間を極力少なくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に、この発明のガス吸放出装置の系統図を示す。
このガス吸放出装置は、図５の従来装置との共通部分があり、その共通部分については同一の符号を付してその説明を簡略化する。
ガス吸放出物質（図示しない）が充填された容器１、２には、ガス経路の一部をなすガス出入部１ａ、２ａが設けられており、このガス出入部１ａ、２ａには、開閉弁８、９をはさんでガス供給装置３が配管接続され、同じく開閉弁１０、１１をはさんでガス利用装置４が配管接続されている。また、上記容器１、２に熱媒を供給する加熱装置５と、冷媒を供給する冷却装置６とが従来装置と同様に、開閉弁１２、１３、１４、１５と方向制御弁１６、１７、１８、１９とをはさんで上記容器１、２に配管接続されている。
また、容器１、２のガス出入部１ａ、２ａには、開閉弁２５を介設したガス連絡路２６が接続されている。
【００１８】
以下に、図２の工程図に基づいて上記ガス吸放出装置の作用を説明する。
▲１▼容器１：加熱（放出）／容器２：冷却（吸収）の行程
容器１に接続された方向制御弁１６、１７の加熱装置側を開いて、容器１に加熱媒体を通し、容器１内のガス吸放出物質を加熱してガスを放出する。その際、ガス利用装置４に接続された開閉弁１０を開き、（開閉弁１１は閉）、容器１から放出したガスをガス利用装置４に供給する。同時に、容器２に接続された方向制御弁１８、１９の冷却装置側を開いて、容器２に冷却媒体を通し、容器２内のガス吸放出物質を冷却する。その際、ガス供給装置３に接続された開閉弁９を開き（開閉弁８は閉）、ガス供給装置３からのガスを容器２に供給して容器２内のガス吸放出物質にガスを吸収させる。また、上記行程において容器１のガス出入部１ａと容器２のガス出入部２ａとをつなぐガス連絡路２６に設けられた開閉弁２５は閉じておく。
【００１９】
▲２▼エネルギ回収行程
容器１と容器２およびガス供給装置３とガス利用装置４とをつなぐ配管に設けられた開閉弁８、９、１０、１１は全て閉じ、容器１と容器２をつなぐガス連絡路２６に設けられた開閉弁２５を開く。このとき、▲１▼行程で加熱（放出）であった容器１は高圧に、冷却（吸収）であった容器２は低圧になっているため、その圧力差によりガスがガス出入部１ａ、ガス連絡路２６、ガス出入部２ａを通って容器１から容器２に移動する．容器１内のガス吸放出物質は放出に伴う吸熱反応により温度が下がり、一方、容器２内のガス吸放出物質は吸収に伴う発熱反応により温度が上昇する。
【００２０】
▲３▼容器１：冷却（吸収）／容器２：加熱（放出）行程
容器１に接続された方向制御弁１６、１７の冷却装置側を開いて、容器１に冷却媒体を通し、容器１内のガス吸放出物質を冷却する。その際、ガス供給装置３に接続された開閉弁８を開き（開閉弁９は閉）、ガス供給装置３からのガスを容器１に供給し容器１内のガス吸放出物質にガスを吸収させる。同時に、容器２に接続された方向制御弁１８、１９の熱装置側を開いて、容器２に加熱媒体を通し、容器２内のガス吸放出物質を加熱してガスを放出させる。その際、ガス利用装置４に接続された開閉弁１１を開き（開閉弁１０は閉）、容器２から放出したガスをガス利用装置４に供給する。また、容器１と容器２とをつなぐガス連絡路２６に設けられた開閉弁２５は閉じておく。
【００２１】
▲４▼エネルギ回収行程
容器１と容器２およびガス供給装置３とガス利用装置４とをつなぐ配管に設けられた開閉弁８、９、１０、１１は全て閉じ、容器１と容器２とをつなぐガス連絡路２６に設けられた開閉弁２５を開く。前記▲３▼行程で冷却（吸収）であった容器１は低圧に、加熱（放出）であった容器２は高圧になっているため、その圧力差によりガスがガス出入部２ａ、ガス連絡路２６、ガス出入部１ａを通って容器２から容器１に移動する。容器１内のガス吸放出物質は吸収に伴う発熱反応により温度が上昇し、一方、容器２内のガス吸放出物質は放出に伴う吸熱反応により温度が下がる。
上記▲１▼行程→▲２▼行程→▲３▼行程→▲４▼行程→▲１▼行程→・・・の行程を繰返して連続的な操業がなされる。
【００２２】
図３に、この発明のガス吸放出装置における容器内温度および容器内圧力の時間変化を示す。本発明では、ガス吸放出の切替時に、容器内温度差ではなく、容器内圧力差によってガスが移動してエネルギ回収がされることが示されている。図４にガス吸蔵量とガス圧力の行程毎の変化を示す。エネルギ回収行程において、ガス吸放出行程の終了時に、容器間の圧力差を利用してガス移動させることによって実質的なガス吸放出量が増大しており、エネルギ回収が効果的になされていることが示されている。
なお、この実施形態では、容器は２個で、ガス供給装置、ガス利用装置、加熱装置、冷却装置はそれぞれ１組ずつであるが、本発明としてはさらに多数の容器やガス供給装置、ガス利用装置、加熱装置、冷却装置の組み合わせも可能であることは当然である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス吸放出装置の運転方法によれば、従来の容器の加熱／冷却切替時に熱媒を循環させて顕熱回収するエネルギ回収方法に代えて、容器間のガス径路をつなぎ、加熱（高圧）側容器のガスを冷却（低圧）側容器に移すという行程にすることにより、ガスの放出／吸収をさせ、その際に放出／吸収反応に伴うエネルギ吸収／放出によってエネルギを回収するようにしたので、熱媒を循環させるためのポンプや操作弁等の熱媒系機器が不要になり、装置が小型化したり、設備費やランニングコストが低減する。また、エネルギ回収行程の時間が大幅に（例えば数分→数秒）短縮するため、無駄時間が無くなり、装置としての単位時間あたりの吸放出量が増加する。さらに、容器内のガス吸放出物質はより多くのガスを吸収／放出するので、次の行程ではより多くのガスを放出／吸収でき、ガス吸放出装置としての処理能力や効率が向上する。
また、本発明のガス吸放出装置では、対となる容器のガス経路を一時的に連絡することができ、上記効果を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態におけるガス吸放出装置の系統図を示す図である。
【図２】  同じく系統図による行程を示す図である。
【図３】  同じく容器内温度および容器内圧力の時間変化を示すグラフである。
【図４】  実施形態および従来例装置におけるガス吸蔵量とガス圧力の行程毎の変化を示すグラフである。
【図５】  従来例のガス吸放出装置の系統図を示す図である。
【図６】  同じく系統図による行程を示す図である。
【図７】  同じく容器内温度および容器内圧力の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  容器
２  容器
３  ガス供給装置
４  ガス利用装置
５  加熱装置
６  冷却装置
７  顕熱回収ポンプ
２０  開閉弁
２１  開閉弁
２５  開閉弁
２６  ガス連絡路
【図１】
0004301386.tif 000002
【図２】
0004301386.tif 000003
【図３】
0004301386.tif 000004
【図４】
0004301386.tif 000005
【図５】
0004301386.tif 000006
【図６】
0004301386.tif 000007
【図７】
0004301386.tif 000008