СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА И ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
HEAT RECOVERY SYSTEM AND HEAT GENERATING DEVICE

Область изобретения
[0001]
Настоящее изобретение относится к системе утилизации тепла и теплогенерирующему устройству.
Предпосылки изобретения
[0002]
В последние годы появились сообщения о явлении теплогенерации, при котором тепло вырабатывают за счет окклюдирования и выпуска водорода с использованием водород-аккумулирующего металла или подобного материала (см., например, непатентный документ 1). Водород может быть получен из воды и, следовательно, является неисчерпаемым и недорогим ресурсом, и он не создает парниковый газ, такой как диоксид углерода, и, следовательно, представляет собой чистую энергию. В отличие от ядерной реакции деления явление теплогенерации с использованием водород-аккумулирующего металла или подобного материала, безопасно, так как отсутствует цепная реакция. Тепло, генерируемое за счет окклюдирования и выпуска водорода, может быть использовано как оно есть и может быть использовано путем последующего преобразования в электроэнергию. Таким образом, ожидается, что такое тепло будет эффективным источником тепловой энергии.
Список ссылочных документов
Непатентная литература
[0003]
Непатентный документ 1: A. Kitamura et. al, «Brief summary of latest experimental results with a mass-flow calorimetry system for anomalous heat effect of nano-composite metals under D(H)-gas charging» CURRENT SCIENCE, VOL. 108, NO. 4, p.589-593, 2015.
Сущность изобретения
Техническая задача
[0004]
Однако источником тепловой энергии по-прежнему является выработка тепловой энергии или выработка энергии на атомных станциях. Таким образом, с точки зрения экологических проблем и энергетических проблем существует потребность в новой системе утилизации тепла и новом теплогенерирующем устройстве, которые используют недорогой, чистый и безопасный источник тепловой энергии и которые не были раскрыты в соответствующей области техники.
[0005]
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в разработке новой системы утилизации тепла и теплогенерирующего устройства, которые используют недорогой, чистый и безопасный источник тепловой энергии.
Решение задачи
[0006]
Система утилизации тепла в соответствии с изобретением включает теплогенерирующий элемент, выполненный с возможностью генерировать тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода, герметичный контейнер, имеющий первую камеру и вторую камеру, разделенные теплогенерирующим элементом, блок регулирования температуры, выполненный с возможностью регулировать температуру теплогенерирующего элемента, и устройство утилизации тепла, выполненное с возможностью использовать теплоноситель, нагретый теплом, выработанным теплогенерирующим элементом. Первая камера и вторая камера имеют разные давления водорода. Теплогенерирующий элемент включает опорный элемент, выполненный из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника, и многослойную пленку, поддерживаемую опорным элементом. Многослойная пленка имеет первый слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину меньше чем 1000 нм, и второй слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину меньше чем 1000 нм.
[0007]
Другая система утилизации тепла в соответствии с изобретением включает теплогенерирующий элемент, выполненный с возможностью генерировать тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода, герметичный контейнер, вмещающий теплогенерирующий элемент, блок введения газа, выполненный с возможностью вводить газ на основе водорода в герметичный контейнер, блок выпуска газа, выполненный с возможностью выпускать газ на основе водорода внутри герметичного контейнера наружу из герметичного контейнера, датчик температуры, выполненный с возможностью детектировать температуру теплогенерирующего элемента, теплогенерирующую ячейку, предусмотренную в блоке введения газа и включающую нагреватель, выполненный с возможностью нагревать теплогенерирующий элемент путем нагревания газа на основе водорода, циркулирующего через блок введения газа, и блок управления, выполненный с возможностью управлять температурой теплогенерирующего элемента путем управления нагревателем на основании температуры, детектированной датчиком температуры. Герметичный контейнер имеет первую камеру и вторую камеру, разделенные теплогенерирующим элементом. Первая камера и вторая камера имеют разные давления водорода. Теплогенерирующий элемент включает опорный элемент, выполненный из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника, и многослойную пленку, поддерживаемую опорным элементом. Многослойная пленка имеет первый слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину меньше чем 1000 нм, и второй слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину меньше чем 1000 нм.
[0008]
Теплогенерирующее устройство в соответствии с изобретением включает теплогенерирующий элемент, выполненный с возможностью генерировать тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода, герметичный контейнер, имеющий первую камеру и вторую камеру, разделенные теплогенерирующим элементом, и блок регулирования температуры, выполненный с возможностью регулировать температуру теплогенерирующего элемента. Первая камера и вторая камера имеют разные давления водорода. Теплогенерирующий элемент включает опорный элемент, выполненный из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника, и многослойную пленку, поддерживаемую опорным элементом. Многослойная пленка имеет первый слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину меньше чем 1000 нм, и второй слой, выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину меньше чем 1000 нм.
Положительные эффекты изобретения
[0009]
В соответствии с изобретением, поскольку теплогенерирующий элемент, который вырабатывает тепло путем окклюдирования и выпуска водорода, используют в качестве источника тепловой энергии, может быть предоставлена недорогая, чистая и безопасная энергия.
Краткое описание чертежей
[0010]
ФИГ. 1 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с первым вариантом осуществления.
ФИГ. 2 представляет собой поперечное сечение, показывающее структуру теплогенерирующего элемента, имеющего первый слой и второй слой.
ФИГ. 3 представляет собой схему, показывающую генерирование избыточного тепла.
ФИГ. 4 представляет собой схему, показывающую функцию теплогенерирующего устройства.
ФИГ. 5 представляет собой схему, показывающую теплогенерирующий элемент, имеющий многослойную пленку на обеих поверхностях, в соответствии с модификацией 1.
ФИГ. 6 представляет собой схему, показывающую теплогенерирующий элемент, имеющий первый слой, второй слой и третий слой, в соответствии с модификацией 2.
ФИГ. 7 представляет собой схему, показывающую теплогенерирующий элемент, имеющий первый слой, второй слой, третий слой и четвертый слой, в соответствии с модификацией 3.
ФИГ. 8 представляет собой график, показывающий зависимость между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом.
ФИГ. 9 представляет собой график, показывающий зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом.
ФИГ. 10 представляет собой график, показывающий зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом.
ФИГ. 11 представляет собой разрез, показывающий теплогенерирующий элемент, имеющий цилиндрическую форму с дном.
ФИГ. 12 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 4.
ФИГ. 13 представляет собой разрез, показывающий теплогенерирующий элемент, включающий опорный элемент, имеющий столбчатую форму.
ФИГ. 14 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 5.
ФИГ. 15 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 6.
ФИГ. 16 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 7.
ФИГ. 17 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 8.
ФИГ. 18 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 9.
ФИГ. 19 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 10.
ФИГ. 20 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 11.
ФИГ. 21 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 12.
ФИГ. 22 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 13.
ФИГ. 23 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 14.
ФИГ. 24 представляет собой схему, показывающую насадочную часть, имеющую множество выпускных отверстий.
ФИГ. 25 представляет собой поперечное сечение, показывающее цилиндрический теплогенерирующий элемент, имеющий два открытых конца.
ФИГ. 26 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 15.
ФИГ. 27 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 16.
ФИГ. 28 представляет собой схему, показывающую первый режим блока управления давлением водорода.
ФИГ. 29 представляет собой схему, показывающую второй режим блока управления давлением водорода.
ФИГ. 30 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 17.
ФИГ. 31 представляет собой схему, показывающую функцию теплогенерирующего устройства в соответствии с модификацией 17.
ФИГ. 32 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 18.
ФИГ. 33 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 19.
ФИГ. 34 представляет собой схему, показывающую патрубок для введения газа.
ФИГ. 35 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 20.
ФИГ. 36 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 21.
ФИГ. 37 представляет собой схему, показывающую соединение между теплогенерирующей ячейкой и линией циркуляции водорода.
ФИГ. 38 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 22.
ФИГ. 39 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 23.
ФИГ. 40 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 24.
ФИГ. 41 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 25.
ФИГ. 42 представляет собой поперечное сечение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 25.
ФИГ. 43 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии с модификацией 26.
ФИГ. 44 представляет собой график, показывающий зависимость между количеством проникшего водорода, давлением подачи водорода и температурой образца в справочном примере.
ФИГ. 45 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой образца и входной электрической мощностью в справочном примере.
ФИГ. 46 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой теплогенерирующего элемента и избыточным теплом в соответствии с экспериментальным примером 26.
ФИГ. 47 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой теплогенерирующего элемента и избыточным теплом в соответствии с экспериментальным примером 27.
ФИГ. 48 представляет собой схематичное изображение, показывающее систему утилизации тепла в соответствии со вторым вариантом осуществления.
ФИГ. 49 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 1 второго варианта осуществления.
ФИГ. 50 показывает вид спереди и вид сверху блока теплогенерирующих элементов в соответствии с модификацией 2 второго варианта осуществления.
ФИГ. 51 представляет собой поперечное сечение, показывающее блок теплогенерирующих элементов в соответствии с модификацией 2 второго варианта осуществления.
ФИГ. 52 представляет собой схематичное изображение, показывающее теплогенерирующее устройство в соответствии с модификацией 3 второго варианта осуществления.
Описание вариантов осуществления
[0011]
Первый вариант осуществления
Как показано на ФИГ. 1, система 10 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 11 и устройство 12 утилизации тепла. Система 10 утилизации тепла нагревает теплоноситель, который будет описанный позднее, за счет тепла, генерируемого теплогенерирующим устройством 11, и задействует устройство 12 утилизации тепла, используя нагретый теплоноситель в качестве источника тепла.
[0012]
Теплогенерирующее устройство 11 включает теплогенерирующий элемент 14, герметичный контейнер 15, блок 16 регулирования температуры, линию 17 циркуляции водорода и блок управления 18.
[0013]
Теплогенерирующий элемент 14 размещен в герметичном контейнере 15 и нагревается с помощью нагревателя 16b блока 16 регулирования температуры, который будет описан ниже. Теплогенерирующий элемент 14 вырабатывает тепло (далее называют избыточным теплом), имеющее температуру равную или выше, чем температура нагревания нагревателя 16b, за счет окклюдирования и выпуска водорода. Теплогенерирующий элемент 14 нагревает теплоноситель до температуры в пределах интервала, например, 50°C или выше и 1500°C или ниже, за счет генерирования избыточного тепла. В этом примере теплогенерирующий элемент 14 имеет пластинчатую форму, имеющую переднюю поверхность и заднюю поверхность. Детальная конфигурация теплогенерирующего элемента 14 будет описана ниже со ссылкой на другой чертеж.
[0014]
Герметичный контейнер 15 представляет собой полый контейнер и вмещает теплогенерирующий элемент 14. Герметичный контейнер 15 выполнен из нержавеющей стали или подобного материала. В этом примере герметичный контейнер 15 имеет форму с продольным направлением, параллельным направлению, ортогональному передней поверхности или задней поверхности теплогенерирующего элемента 14. Установочная часть 20 для установки теплогенерирующего элемента 14 предусмотрена внутри герметичного контейнера 15.
[0015]
Герметичный контейнер 15 имеет первую камеру 21 и вторую камеру 22, разделенные теплогенерирующим элементом 14. Первая камера 21 ограничена передней поверхностью, которая представляет собой одну поверхность теплогенерирующего элемента 14, и внутренней поверхностью герметичного контейнера 15. Первая камера 21 имеет отверстие 23 для введения, соединенное с линией 17 циркуляции водорода, описанной позднее. Газ на основе водорода, циркулирующий через линию 17 циркуляции водорода, вводят в первую камеру 21 через отверстие 23 для введения. Вторая камера 22 образована задней поверхностью, которая представляет собой другую поверхность теплогенерирующего элемента 14, и внутренней поверхностью герметичного контейнера 15. Вторая камера 22 имеет отверстие 24 для сбора, соединенное с линией 17 циркуляции водорода. Газ на основе водорода во второй камере 22 возвращают в линию 17 циркуляции водорода через отверстие 24 для сбора.
[0016]
-4
Первая камера 21 находится под давлением за счет введения газа на основе водорода. Во второй камере 22 давление снижают за счет сбора газа на основе водорода. Соответственно, давление водорода в первой камере 21 выше, чем давление водорода во второй камере 22. Давление водорода в первой камере 21 составляет, например, 100 кПа. Давление водорода во второй камере 22 составляет, например, 1×10 Па или меньше. Вторая камера 22 может находиться в состоянии вакуума. Таким образом, первая камера 21 и вторая камера 22 имеют разные давления водорода. Следовательно, внутреннее простанство герметичного контейнера 15 находится в состоянии, в котором создана разность давлений между двумя сторонами теплогенерирующего элемента 14.
[0017]
Когда между двумя сторонами теплогенерирующего элемента 14 создана разность давлений, молекула водорода, содержащаяся в газе на основе водорода, адсорбируется на одной поверхности (передней поверхности) теплогенерирующего элемента 14 на стороне высокого давления, и молекула водорода диссоциирует на два атома водорода. Атомы водорода, полученные в результате диссоциации, проникают в теплогенерирующий элемент 14. То есть, водород окклюдируют в теплогенерирующий элемент 14. Атомы водорода диффундируют в теплогенерирующий элемент 14 и проходят от одной поверхности к другой поверхности теплогенерирующего элемента 14. На другой поверхности (задней поверхности) теплогенерирующего элемента 14 на стороне низкого давления атомы водорода, которые прошли через теплогенерирующий элемент 14, рекомбинируются друг с другом и выводятся в виде молекулы водорода. То есть, водород выводят из теплогенерирующего элемента 14. Таким образом, водород проникает через теплогенерирующий элемент 14 со стороны высокого давления на сторону низкого давления. Понятие «проникает» относится к тому, что водорода, окклюдированный с одной поверхности теплогенерирующего элемента, выводят с другой поверхности теплогенерирующего элемента. Теплогенерирующий элемент 14, который будет описан подробно позднее, генерирует тепло за счет окклюдирования водорода, и генерирует тепло также за счет выведения водорода. Следовательно, теплогенерирующий элемент 14 генерирует тепло за счет проникновения водорода. В приведенном ниже описании выражение «водород проникает через теплогенерирующий элемент» может быть описано как «газ на основе водорода проникает через теплогенерирующий элемент».
[0018]
Датчик давления (не показан), который детектирует внутреннее давление первой камеры 21, предусмотрен внутри первой камеры 21. Датчик давления (не показан), который детектирует внутреннее давление второй камеры 22, предусмотрен внутри второй камеры 22. Датчики давления, предусмотренные в первой камере 21 и второй камере 22, электрически соединены с блоком управления 18 и выдают сигнал, соответствующий детектированному давлению, на блок управления 18.
[0019]
Блок 16 регулирования температуры регулирует температуру теплогенерирующего элемента 14 и поддерживает теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла. Соответствующая температура для выработки тепла в теплогенерирующем элементе 14 находится в пределах интервала, например, 50°C или выше и 1500°C или ниже.
[0020]
Блок 16 регулирования температуры включает датчик 16a температуры и нагреватель 16b. Датчик 16a температуры детектирует температуру теплогенерирующего элемента 14. Датчик 16a температуры представляет собой, например, термопару, и предусмотрен в установочной части 20 герметичного контейнера 15. Датчик 16a температуры электрически соединен с блоком 18 управления и выдает сигнал, соответствующий детектированной температуре, на блок 18 управления.
[0021]
Нагреватель 16b нагревает теплогенерирующий элемент 14. Нагреватель 16b представляет собой, например, электрический нагревательный провод типа теплогенерирующего электрического сопротивления, и намотан вокруг внешней периферии герметичного контейнера 15. Нагреватель 16b электрически соединен с источником 26 питания и генерирует тепло путем подачи электроэнергии от источника 26 питания. Нагреватель 16b может представлять собой электрическую печь, которая охватывает внешнюю периферию герметичного контейнера 15.
[0022]
Линия 17 циркуляции водорода предусмотрена снаружи герметичного контейнера 15, соединяет первую камеру 21 и вторую камеру 22 и обеспечивает циркуляцию газа на основе водорода, содержащего водород, между внутренним пространством и наружным пространством герметичного контейнера 15. Линия 17 циркуляции водорода включает буферную емкость 28, линию 29 введения, линию 30 сбора и фильтр 31. Хотя и не показано на ФИГ. 1, система 10 утилизации тепла включает линию питания для подачи газа на основе водорода к линии 17 циркуляции водорода, и линию выпуска для выпуска газа на основе водорода из линии 17 циркуляции водорода. Например, газ на основе водорода подают из линии питания к линии 17 циркуляции водорода при начале работы системы 10 утилизации тепла, и газ на основе водорода в линии 17 циркуляции водорода выпускают в линию выпуска, когда работу системы 10 утилизации тепла останавливают.
[0023]
В буферной емкости 28 хранят газ на основе водорода. Газ на основе водорода представляет собой газ, содержащий изотопы водорода. В качестве газа на основе водорода используют по меньшей мере любой из газа-дейтерия и газа-протия. Газ-протий включает смесь протия и дейтерия природного происхождения, то есть, смесь, в которой относительное содержание протия составляет 99,985% и относительное содержание дейтерия составляет 0,015%. Колебание расхода газа на основе водорода поглощаются буферной емкостью 28.
[0024]
Линия 29 введения соединяет буферную емкость 28 и отверстие 23 для введения первой камеры 21 и вводит газ на основе водорода, хранящийся в буферной емкости 28, в первую камеру 21. Линия 29 введения включает клапан 32 регулирования давления. Клапан 32 регулирования давления сбрасывает давление газа на основе водорода, поданного из буферной емкости 28, до заданного давления. Клапан 32 регулирования давления электрически соединен с блоком 18 управления.
[0025]
Линия 30 сбора соединяет отверстие 24 для сбора второй камеры 22 и буферную емкость 28, собирает газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 14 из первой камеры 21 во вторую камеру 22, и возвращает собранный газ на основе водорода в буферную емкость 28. Линия 30 сбора включает циркуляционный насос 33. Циркуляционный насос 33 выводит газ на основе водорода во второй камере 22 в линию 30 сбора, повышает давление газа на основе водорода до заданного давления и направляет газ на основе водорода под давлением в буферную емкость 28. Примеры циркуляционного насоса 33 включают металлический сильфонный насос. Циркуляционный насос 33 электрически соединен с блоком 18 управления.
[0026]
Фильтр 31 удаляет примеси, содержащиеся в газе на основе водорода. В данном случае проникающее количество водорода, проникающего через теплогенерирующий элемент 14 (далее называемое количеством проникшего водорода), определяется температурой теплогенерирующего элемента 14, разностью давлений между двумя сторонами теплогенерирующего элемента 14 и состоянием поверхности теплогенерирующего элемента 14. Когда газ на основе водорода содержит примеси, примеси могут прилипать к поверхности теплогенерирующего элемента 14 и могут ухудшать состояние поверхности теплогенерирующего элемента 14. Когда примеси прилипают к поверхности теплогенерирующего элемента 14, адсорбция и диссоциация молекулы водорода на поверхности теплогенерирующего элемента 14 затруднены, и количество проникшего водорода падает. Примерами примесей, которые препятствуют адсорбции и диссоциации молекулы водорода на поверхности теплогенерирующего элемента 14, включают воду (в том числе пар), углеводороды (метан, этан, метанол, этанол и т.п.), C, S и Si. Считается, что вода выводится из внутренней стенки или т.п. герметичного контейнера 15 или образуется при восстановлении водородом оксидной пленки, присутствующей в элементе, находящемся внутри герметичного контейнера 15. Считают, что углеводороды, C, S и Si выводятся из различных элементов, находящихся внутри герметичного контейнера 15. Таким образом, фильтр 31 удаляет по меньшей мере примеси, включающие воду (в том числе пар), углеводороды, C, S и Si. Фильтр 31 удаляет примеси, содержащиеся в газе на основе водорода, так что может быть предотвращено снижение количества проникшего водорода через теплогенерирующий элемент 14.
[0027]
Блок 18 управления управляет работой каждого блока системы 10 утилизации тепла. Блок 18 управления преимущественно включает, например, арифметическое устройство (центральный блок обработки данных) и устройство хранения данных, такое как постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство. Арифметическое устройство выполняет различные виды арифметической обработки с использованием программы, данных и т.п., хранящихся в устройстве хранения данных.
[0028]
Блок 18 управления электрически соединен с датчиком 16a температуры, источником 26 питания, клапаном 32 регулирования давления и циркуляционным насосом 33. Блок 18 управления регулирует выход избыточного тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом 14, регулируя входную электрическую мощность нагревателя 16b, давление герметичного контейнера 15 и т.п.
[0029]
Блок 18 управления функционирует как блок управления выходными параметрами, который управляет выходными параметрами нагревателя 16b на основании температуры, детектированной датчиком 16a температуры. Блок 18 управления управляет источником 26 питания, чтобы регулировать входную электрическую мощность нагревателя 16b, поддерживая тем самым теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла.
[0030]
Блок 18 управления управляет клапаном 32 регулирования давления и циркуляционным насосом 33, чтобы регулировать разность давлений водорода, создаваемую между первой камерой 21 и второй камерой 22, на основании давления, детектированного датчиком давления (не показан), предусмотренным в каждой из первой камеры 21 и второй камеры 22.
[0031]
Блок 18 управления выполняет этап окклюдирования водорода для окклюдирования водорода в теплогенерирующем элементе 14 и этап выпуска водорода из теплогенерирующего элемента 14. В настоящем варианте осуществления блок 18 управления одновременно выполняет этап окклюдирования водорода и этап выпуска водорода путем создания разности давлений водорода между первой камерой 21 и второй камерой 22. Блок 18 управления создает давление в первой камере 21, которое выше, чем давление во второй камере 22, путем введения газа на основе водорода из линии 29 введения в первую камеру 21 и сбора газа на основе водорода из второй камеры 22 в линию 30 сбора, и поддерживает состояние, при котором окклюдирование водорода на передней поверхности теплогенерирующего элемента 14 и выпуск водорода на задней поверхности теплогенерирующего элемента 14 выполняются одновременно. «Одновременно» в данном описании относится к точно одновременному или относится к короткому периоду времени в такой степени, что может рассматриваться как практически одновременно. Так как водород непрерывно проникает через теплогенерирующий элемент 14 за счет одновременно проходящих этапов окклюдирования водорода и этапа выпуска водорода, избыточное тепло может быть эффективно выработано в теплогенерирующем элементе 14. Блок 18 управления может поочередно повторять этап окклюдирования водорода и этап выпуска водорода. То есть, блок 18 управления может вначале выполнять этап окклюдирования водорода, чтобы окклюдировать водород в теплогенерирующем элементе 14, и после этого проводить этап выпуска водорода, окклюдированного в теплогенерирующем элементе 14. Таким образом, избыточное тепло можно быть выработано теплогенерирующим элементом 14 за счет поочередного повторения этапа окклюдирования водорода и этапа выпуска водорода.
[0032]
В теплогенерирующем устройстве 11, когда разность давлений водорода создана между первой камерой 21 и второй камерой 22, которые окружают теплогенерирующий элемент 14, водород проникает через теплогенерирующий элемент 14 и вырабатывается избыточное тепло.
[0033]
3
3
Устройство 12 утилизации тепла использует в качестве источника тепла теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 14. Теплоноситель может представлять собой газ или жидкость и предпочтительно имеет прекрасную теплопроводность и химическую стойкость. Примеры газа включают благородный газ, такой как гелий и аргон, водород, азот, пар, воздух, диоксид углерода и газ для образования гидрида. Примеры жидкости включают воду, расплавленную соль (такую как KNO(40%)-NaNO(60%)) и жидкий металл (такой как Pb). С другой стороны, теплоноситель может представлять собой теплоноситель, имеющий смешанные фазы, в котором твердые частиц диспергированы в газе или жидкости. Примеры твердых частиц включают металл, соединение металла, сплав и керамику. Примеры металла включают медь, никель, титан и кобальт. Примеры соединения металла включают оксид, нитрид и силицид описанных выше металлов. Примеры сплава включают нержавеющую сталь и хромомолибденовую сталь. Примеры керамики включают оксид алюминия. В этом примере в качестве теплоносителя используют гелий.
[0034]
Устройство 12 утилизации тепла включает контейнер 41 для размещения, блок 42 циркуляции теплоносителя, газовую турбину 43, парогенератор 44, паровую турбину 45, двигатель 46 Стирлинга и термоэлектрический преобразователь 47. Хотя на ФИГ. 1 устройство 12 утилизации тепла включает газовую турбину 43, парогенератор 44, паровую турбину 45, двигатель 46 Стирлинга и термоэлектрический преобразователь 47, устройство 12 утилизации тепла может включать любую комбинацию этих компонентов.
[0035]
Контейнер 41 для размещения представляет собой полый контейнер и вмещает герметичный контейнер 15 теплогенерирующего устройства 11. Контейнер 41 для размещения выполнен из керамики, нержавеющей стали или т.п. В этом примере контейнер 41 для размещения имеет форму, имеющую продольное направление, параллельное продольному направлению герметичного контейнера 15. Материал контейнера 41 для размещения предпочтительно представляет собой материал, имеющий теплоизолирующие свойства. Контейнер 41 для размещения покрыт теплоизолирующим элементом 51, чтобы надежно отсекать теплообмен с внешней средой.
[0036]
Контейнер 41 для размещения имеет входное отверстие 41a и выходное отверстие 41b, которые соединены с блоком 42 циркуляции теплоносителя, служащим в качестве линии циркуляции теплоносителя, которая будет описана позднее. Теплоноситель циркулирует через зазор 54 между контейнером 41 для размещения и герметичным контейнером 15. Входное отверстие 41a предусмотрено на одном конце контейнера 41 для размещения в продольном направлении. Выходное отверстие 41b предусмотрено на другом конце контейнера 41 для размещения в продольном направлении. Зазор 54 образован внутренней поверхностью контейнера 41 для размещения и внешней поверхностью герметичного контейнера 15.
[0037]
Блок 42 циркуляции теплоносителя осуществляет циркуляцию теплоносителя между внутренним пространством и снаружи контейнера 41 для размещения. В настоящем варианте осуществления блок 42 циркуляции теплоносителя включает первую трубу 42a, которая соединяет контейнер 41 для размещения и газовую турбину 43, вторую трубу 42b, которая соединяет газовую турбину 43 и парогенератор 44, третью трубу 42c, которая соединяет парогенератор 44 и двигатель 46 Стирлинга, четвертую трубу 42d, которая соединяет двигатель 46 Стирлинга и контейнер 41 для размещения, насос 42e, который заставляет теплоноситель проходить из контейнера 41 для размещения в первую трубу 42a, и блок 42f управления расходом теплоносителя, который регулирует расход теплоносителя, выходящего из контейнера 41 для размещения в первую трубу 42a. Насос 42e и блок 42f управления расходом теплоносителя предусмотрены в первой трубе 42a. Примеры насоса 42e включают металлический сильфонный насос.
[0038]
Теплоноситель, выходящий из контейнера 41 для размещения, последовательно проходит через первую трубу 42a, вторую трубу 42b, третью трубу 42c и четвертую трубу 42d, и возвращается в контейнер 41 для размещения. Таким образом, блок 42 циркуляции теплоносителя функционирует как линия циркуляции теплоносителя, через которую теплоноситель циркулирует между внутренним пространством и снаружи контейнера 41 для размещения. Теплоноситель, нагретый теплогенерирующим устройством 11 внутри контейнера 41 для размещения, проходит через блок 42 циркуляции теплоносителя, служащий в качестве линии циркуляции теплоносителя, и охлаждается последовательно посредством газовой турбины 43, парогенератора 44, 46 двигателя Стирлинга и термоэлектрического преобразователя 47. Охлажденный теплоноситель проходит в контейнер 41 для размещения и снова нагревается теплогенерирующим устройством 11. То есть, устройство 12 утилизации тепла выпускает теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 14 внутри контейнера 41 для размещения, в линию циркуляции теплоносителя и вводит теплоноситель, охлажденный при циркуляции через линию циркуляции теплоносителя, в контейнер 41 для размещения.
[0039]
Блок 42f управления расходом теплоносителя управляет расходом теплоносителя на основании температуры, детектированной датчиком 16a температуры. Блок 42f управления расходом теплоносителя включает переменный напускной клапан или т.п. в качестве регулирующего клапана. Например, когда температура теплогенерирующего элемента 14, детектированная датчиком 16a температуры, выше верхней граничной температуры соответствующего температурного интервала для выработки тепла теплогенерирующего элемента 14, блок 42f управления расходом теплоносителя повышает циркуляционный расход теплоносителя. Охлаждение теплогенерирующего элемента 14 стимулируют путем повышения циркуляционного расхода теплоносителя. С другой стороны, когда температура теплогенерирующего элемента 14, детектированная датчиком 16a температуры, ниже нижней граничной температуры соответствующего температурного интервала для выработки тепла теплогенерирующего элемента 14, блок 42f управления расходом теплоносителя снижает циркуляционный расход. Охлаждение теплогенерирующего элемента 14 замедляют путем снижения циркуляционного расхода теплоносителя. Таким образом, блок 42f управления расходом теплоносителя поддерживает теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла путем повышения или снижения циркуляционного расхода теплоносителя.
[0040]
Газовая турбина 43 приводится в действие теплоносителем, выходящим из контейнера для размещения 41. Температура теплоносителя, поданного в газовую турбину 43, предпочтительно находится в интервале, например, 600°C или выше и 1500°C или ниже. Газовая турбина 43 включает компрессор 43a и турбину 43b. Компрессор 43a и турбина 43b соединены друг с другом с помощью вала вращения (не показан). Компрессор 43a вырабатывает теплоноситель с высокой температурой и высокого давления путем сжатия гелия, нагретого теплогенерирующим устройством 11. Турбина 43b вращается вокруг вала вращения теплоносителем, который прошел через компрессор 43a.
[0041]
Газовая турбина 43 соединена с генератором 48 мощности. Генератор 48 мощности соединен с валом вращения газовой турбины 43 и генерирует мощность за счет вращения турбины 43b.
[0042]
Парогенератор 44 вырабатывает пар за счет тепла теплоносителя, выходящего из газовой турбины 43. Парогенератор 44 включает внутреннюю трубу 44a и теплообменный блок 44b. Внутренняя труба 44a соединяется со второй трубой 42b и третьей трубой 42c и обеспечивает циркуляцию теплоносителя. Теплообменный блок 44b выполнен в виде трубы, через которую циркулирует котловая вода, и осуществляет обмен между котловой водой, циркулирующей через трубу, и теплоносителем, проходящим через внутреннюю трубу 44a. Котловая вода нагревается за счет теплообмена, вырабатывая пар.
[0043]
Парогенератор 44 соединен с паровой турбиной 45 через паровую трубу 44c и трубу 44d подачи воды. Паровая труба 44c подает пар, выработанный теплообменным блоком 44b, на паровую турбину 45. Труба 44d подачи воды включает конденсатор (не показан) и насос подачи воды (не показан). Пар, выведенный из паровой турбины 45, охлаждают конденсатором и возвращают в котловую воду, а котловую воду направляют на теплообменный блок 44b через трубу подачи воды.
[0044]
Паровую турбину 45 приводят в действие паром, выработанным парогенератором 44. Температура пара, поданного на паровую турбину 45, предпочтительно находится в интервале, например, 300°C или выше и 700°C или ниже. Паровая турбина 45 имеет вал вращения (не показан) и вращается вокруг вала вращения.
[0045]
Паровая турбина 45 соединена с генератором мощности 49. Генератор мощности 49 сопряжен с валом вращения паровой турбины 45 и вырабатывает энергию за счет вращения паровой турбины 45.
[0046]
Двигатель 46 Стирлинга приводят в действие теплоносителем, выходящим из парогенератора 44. Температура теплоносителя, поданного на двигатель 46 Стирлинга, предпочтительно находится в интервале, например, 300°C или выше и 1000°C или ниже. В этом примере двигатель Стирлинга представляет собой двигатель Стирлинга вытесняющего типа. Двигатель 46 Стирлинга включает цилиндрическую часть 46a, поршень-вытеснитель 46b, силовой поршень 46c, проточный канал 46d и кривошипную часть 46e.
[0047]
Цилиндрическая часть 46a имеет цилиндрическую форму, и один ее конец закрыт, а другой ее конец открыт. Поршень-вытеснитель 46b находится внутри цилиндрической части 46a. Силовой поршень 46c находится на другой торцевой стороне внутри цилиндрической части 46a относительно поршня-вытеснителя 46b. Поршень-вытеснитель 46b и силовой поршень 46c могут совершать возвратно-поступательные движения в осевом направлении цилиндрической части 46a.
[0048]
Полость расширения 52 и полость сжатия 53, разделенные поршнем-вытеснителем 46b, предусмотрены внутри цилиндрической части 46a. Полость расширения 52 находится на одной торцевой стороне цилиндрической части 46a относительно полости сжатия 53. Рабочая жидкость герметизирована в полости расширения 52 и полости сжатия 53. Примеры рабочей жидкости включают гелий-газ, газ на основе водорода и воздух. В этом примере в качестве рабочей жидкости используют гелий.
[0049]
Проточный канал 46d предусмотрен снаружи цилиндрической части 46a и соединяет полость расширения 52 и полость сжатия 53. Проточный канал 46d обеспечивает циркуляцию рабочей жидкости между полостью расширения 52 и полостью сжатия 53.
[0050]
Проточный канал 46d включает высокотемпературную часть 55, низкотемпературную часть 56 и регенератор 57. Рабочая жидкость в полости расширения 52 последовательно проходит через высокотемпературную часть 55, регенератор 57 и низкотемпературную часть 56 и поступает в полость сжатия 53. Рабочая жидкость в полости сжатия 53 последовательно проходит через низкотемпературную часть 56, регенератор 57 и высокотемпературную часть 55 и входит в полость расширения 52.
[0051]
Высокотемпературная часть 55 представляет собой теплообменник для нагревания рабочей жидкости. Теплопередающая труба 58 предусмотрена снаружи высокотемпературной части 55. Теплопередающая труба 58 соединяет третью трубу 42c и четвертую трубу 42d и обеспечивает циркуляцию теплоносителя от третьей трубы 42c к четвертой трубе 42d. Когда теплоноситель проходит из третьей трубы 42c к теплопередающей трубе 58, тепло теплоносителя передается высокотемпературной части 55, и рабочая жидкость, проходящая через высокотемпературную часть 55, нагревается.
[0052]
Низкотемпературная часть 56 представляет собой теплообменник для охлаждения рабочей жидкости. Охлаждающая труба 59 находится снаружи низкотемпературной части 56. Охлаждающая труба 59 соединена с блоком подачи охлаждающей среды (не показан). Охлаждающая труба 59 обеспечивает циркуляцию охлаждающей среды, поданной из блока подачи охлаждающей среды. Когда охлаждающая среда проходит через охлаждающую трубу 59, тепло рабочей жидкости, проходящей через низкотемпературную часть 56, отбирается охлаждающей средой, и рабочая жидкость охлаждается. Охлаждающей средой, например, является вода.
[0053]
Регенератор 57 представляет собой теплообменник для аккумулирования тепла. Регенератор 57 расположен между высокотемпературной частью 55 и низкотемпературной частью 56. Когда рабочая жидкость перемещается из полости расширения 52 к полости сжатия 53, регенератор 57 принимает и накапливает тепло от рабочей жидкости, которая прошла через высокотемпературную часть 55. Когда рабочая жидкость перемещается от полости сжатия 53 к полости расширения 52, регенератор 57 подает тепло к рабочей жидкости, которая прошла через низкотемпературную часть 56.
[0054]
Кривошипная часть 46e предусмотрена на другом конце цилиндрической части 46a. Кривошипная часть 46e включает, например, коленчатый вал, поддерживаемый с возможностью вращения картером, шток, соединенный с поршнем-вытеснителем 46b, шток, соединенный с силовым поршнем 46c, и соединительный элемент, который соединяет штоки и коленчатый вал. Кривошипная часть 46e преобразует возвратно-поступательные движения поршня-вытеснителя 46b и силового поршня 46c во вращательное движение коленчатого вала.
[0055]
Двигатель 46 Стирлинга соединен с генератором мощности 50. Генератор мощности 50 сопряжен с коленчатым валом двигателя 46 Стирлинга и вырабатывает энергию за счет вращения коленчатого вала.
[0056]
Термоэлектрический преобразователь 47 преобразует тепло теплоносителя, циркулирующего через четвертую трубу 42d в электрическую энергию за счет использования эффекта Зеебека. Термоэлектрический преобразователь 47 генерирует электроэнергию путем преобразования тепла теплоносителя, например, с температурой 300°C или ниже. Термоэлектрический преобразователь 47 имеет цилиндрическую форму и охватывает внешнюю периферию четвертой трубы 42d.
[0057]
Термоэлектрический преобразователь 47 включает модуль термоэлектрического преобразования 47a, предусмотренный на его внутренней поверхности, и блок 47b охлаждения, предусмотренный на его внешней поверхности. Модуль термоэлектрического преобразования 47a включает тепловоспринимающую подложку, обращенную к четвертой трубе 42d, электрод на тепловоспринимающей стороне, находящийся на тепловоспринимающей подложке, теплоотводящую подложку, обращенную к блоку 47b охлаждения, электрод на теплоотводящей стороне, находящийся на теплоотводящей подложке, термоэлектрические элементы р-типа, каждый выполненный из полупроводника p-типа, и термоэлектрические элементы n-типа, каждый выполненный из полупроводника n-типа. В этом примере в модуле термоэлектрического преобразования 47a термоэлектрические элементы р-типа и термоэлектрические элементы n-типа расположены поочередно, и термоэлектрический элемент р-типа и термоэлектрический элемент n-типа, соседние друг другу, электрически соединены друг с другом через электрод на тепловоспринимающей стороне и электрод на теплоотводящей стороне. Вывод электрически соединен с термоэлектрическим элементом р-типа, находящимся на одном конце модуля термоэлектрического преобразования 47a, и термоэлектрическим элементом n-типа, находящимся на другом конце модуля термоэлектрического преобразования 47a, через электрод на теплоотводящей стороне. Блок 47b охлаждения выполнен, например, в виде трубы, по которой циркулирует охлаждающая вода. Соответственно, термоэлектрический преобразователь 47 вырабатывает электрическую энергию, соответствующую разности температур, созданной между внутренней поверхностью и внешней поверхностью.
[0058]
Подробно структура теплогенерирующего элемента 14 будет описана со ссылкой на ФИГ. 2. Как показано на ФИГ. 2, теплогенерирующий элемент 14 включает опорный элемент 61 и многослойную пленку 62.
[0059]
5
5
2
2
2
2
2
3
0,95
0,05
3-6
3
0,95
0,05
3-6
3
0,95
0,05
3-α
3
0,9
0,1
3-α
2
3
2
3
Опорный элемент 61 выполнен из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника. В этом примере опорный элемент 61 имеет пластинчатую форму, имеющую переднюю поверхность и заднюю поверхность. Пористое тело имеет поры такого размера, через которые может проходить газ на основе водорода. Пористое тело выполнено из металла, неметалла, керамики или т.п. Пористое тело предпочтительно выполнено из материала, который не препятствует реакции между газом на основе водорода и многослойной пленкой 62 (далее называемой экзотермической реакцией). Проницаемая для водорода пленка выполнена, например, из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава. Примеры водород-аккумулирующего металла включают Ni, Pd, V, Nb, Ta и Ti. Примеры водород-аккумулирующего сплава включают LaNi, CaCu, MgZn, ZrNi, ZrCr, TiFe, TiCo, MgNi и MgCu. Проницаемая для водорода пленка представляет собой пленку в виде сетчатого листа. Примеры протонного проводника включают проводник на основе BaCeO (например, Ba(CeY)O), проводник на основе SrCeO (например, Sr(CeY)O), проводник на основе CaZrO (например, CaZrYO), проводник на основе SrZrO (например, SrZrYO), β-AlO и β-GaO.
[0060]
Многослойная пленка 62 предусмотрена на опорном элементе 61. Многослойная пленка 62 имеет первый слой 71, выполненный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, и второй слой 72, выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя 71, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя 71, или керамики. Граница раздела гетерогенного материала 73, которая будет описана позднее, формируется между опорным элементом 61 и первым слоем 71 и вторым слоем 72. На ФИГ. 2 многослойная пленка 62 сформирована путем поочередного наложения первого слоя 71 и второго слоя 72 по порядку на одной поверхности (например, передней поверхности) опорного элемента 61. Первый слой 71 и второй слой 72 каждый имеет по пять слоев. Число слоев в каждом слое из первого слоя 71 и второго слоя 72 может меняться при необходимости. Многослойная пленка 62 может быть сформирована путем поочередного наложения второго слоя 72 и первого слоя 71 по порядку на передней поверхности опорного элемента 61. Многослойная пленка 62 предпочтительно имеет один или несколько первых слоев 71 и один или несколько вторых слоев 72, и предпочтительно образованы одна или несколько границ раздела гетерогенного материала 73.
[0061]
Первый слой 71 выполнен, например, из любого из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co и их сплава. Сплав для формирования первого слоя 71 предпочтительно представляет собой сплав, полученный из двух или нескольких металлов из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для формирования первого слоя 71 может представлять собой сплав, полученный путем добавления элемента-присадки к Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co.
[0062]
Второй слой 72 выполнен, например, из любого из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, их сплава и SiC. Сплав для формирования второго слоя 72 предпочтительно представляет собой сплав, полученный из одного или нескольких компонентов из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для формирования второго слоя 72 может представлять сбой сплав, полученный путем добавления элемента-присадки к Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co.
[0063]
Комбинация первого слоя 71 и второго слоя 72 предпочтительно представляет собой Pd-Ni, Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Fe, Ni-Mg и Ni-Co, когда типы элементов отражают «первый слой 71-второй слой 72 (второй слой 72-первый слой 71)». Когда вторым слоем является керамика, «первый слой 71-второй слой 72» предпочтительно представляет собой Ni-SiC.
[0064]
Как показано на ФИГ. 3, атомы водорода проникают через границу раздела гетерогенного материала 73. ФИГ. 3 представляет собой схематичное изображение, показывающее состояние, в котором атомы водорода в решетке металла первого слоя 71 проникают через границу раздела гетерогенного материала 73 и перемещаются к решетке металла второго слоя 72 в первом слое 71 и втором слое 72, каждый из которых выполнен из водород-аккумулирующего металла, имеющего гранецентрированную кубическую структуру. Известно, что водород является легким и перескакивает методом квантовой диффузии у сайта (октаэдрический сайт или тетраэдрический сайт), занятого водородом, в некотором веществе A и веществе B. Таким образом, водород, окклюдированный в теплогенерирующем элементе 14, перескакивает в многослойной пленке 62 по методу квантовой диффузии. В теплогенерирующем элементе 14 водород проникает через первый слой 71, границу раздела гетерогенного материала 73 и второй слой 72 в режиме квантовой диффузии.
[0065]
Толщина каждого первого слоя 71 и второго слоя 72 предпочтительно составляет меньше, чем 1000 нм. Когда толщина каждого из первого слоя 71 и второго слоя 72 составляет 1000 нм или больше, водород с меньшей вероятностью проникает через многослойную пленку 62. Когда толщина каждого из первого слоя 71 и второго слоя 72 составляет меньше чем 1000 нм, наноструктура, которая не проявляет объемных свойств, может быть сохранена. Толщина каждого из первого слоя 71 и второго слоя 72 более предпочтительно составляет меньше чем 500 нм. Когда толщина каждого из первого слоя 71 и второго слоя 72 меньше чем 500 нм, может быть сохранена наноструктура, которая вообще не проявляет объемных свойств.
[0066]
Далее описан пример способа производства теплогенерирующего элемента 14. Готовят опорный элемент пластинчатой формы 61, используют испарительное устройство для получения водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава для формирования первого слоя 71 или второго слоя 72 в газо-фазном состоянии, и затем первый слой 71 и второй слой 72 поочередно формируют на передней поверхности опорного элемента 61 путем агрегации или адсорбции для получения теплогенерирующего элемента 14. Первый слой 71 и второй слой 72 предпочтительно формируют непрерывно в условиях вакуума. Соответственно, между первым слоем 71 и вторым слоем 72 не образуется никакой оксидной пленки, а образуется только граница раздела гетерогенного материала 73. Испарительное устройство может представлять собой физическое испарительное устройство, в котором водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав испаряют физическим методом. Физическим испарительным устройством предпочтительно является устройство напыления, устройство вакуумного испарения и устройство химического осаждения из паровой фазы (CVD). С другой стороны, водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав могут быть осаждены на переднюю поверхность опорного элемента 61 методом гальванизации, и первый слой 71 и второй слой 72 могут быть сформированы поочередно.
[0067]
Как показано на ФИГ. 4, в теплогенерирующем элементе 14, опорный элемент 61 находится со стороны первой камеры 21 (сторона высокого давления), а многослойная пленка 62 находится со стороны второй камеры 22 (сторона низкого давления). Вследствие разности давлений водорода, созданной между первой камерой 21 и второй камерой 22, водород, введенный в первую камеру 21, проникает внутрь теплогенерирующего элемента 14 последовательно через опорный элемент 61 и многослойную пленку 62 и перемещается во вторую камеру 22. Теплогенерирующий элемент 14 генерирует избыточное тепло, когда водорода проникает через многослойную пленку 62, то есть, за счет окклюдирования водорода многослойной пленкой 62 и выпуска водорода из многослойной пленки 62. В теплогенерирующем элементе 14 опорный элемент 61 может быть предусмотрен со стороны второй камеры 22 (сторона низкого давления), а многослойная пленка 62 может находиться со стороны первой камеры 21 (сторона высокого давления).
[0068]
Так как теплогенерирующий элемент 14 генерирует тепло, используя водород, парниковый газ, такой как диоксид углерода, не образуется. Используемый водород получают из воды и, следовательно, является недорогим. В отличие от реакции ядерного деления тепловыделение теплогенерирующего элемента 14 безопасно, так как отсутствует цепная реакция. Таким образом, поскольку система 10 утилизации тепла и теплогенерирующее устройство 11 используют теплогенерирующий элемент 14 в качестве источника тепловой энергии, может быть предоставлена недорогая, чистая и безопасная энергия.
[0069]
Изобретение не ограничено первым вариантом осуществления, описанным выше, и может быть модифицировано при необходимости без отклонения от объема изобретения. Далее описаны модификации первого варианта осуществления. На чертежах и в описании модификаций компоненты и элементы, такие же или эквивалентные компонентам и элементам первого варианта осуществления, описанного выше, обозначены одинаковыми номерами позиций. Повторное описание первого варианта осуществления, описанного выше, если это уместно, опускают, и в основном будут описаны конфигурации, отличные от конфигураций, описанных выше в первом варианте осуществления.
[0070]
Модификация 1
Как показано на ФИГ. 5, вместо теплогенерирующего элемента 14, в котором многослойная пленка 62 предусмотрена только на передней поверхности опорного элемента 61, в теплогенерирующем устройстве 11 используют теплогенерирующий элемент 74, в котором многослойная пленка 62 образована на двух поверхностях опорного элемента 61. Теплогенерирующий элемент 74 вырабатывает избыточное тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода. Высокий выход избыточного тепла может быть достигнут при использовании теплогенерирующего элемента 74.
[0071]
Модификация 2
Вместо теплогенерирующего элемента 14 теплогенерирующее устройство 11 включает теплогенерирующий элемент 75, показанный на ФИГ. 6. Как показано на ФИГ. 6, многослойная пленка 62 теплогенерирующего элемента 75 дополнительно имеет третий слой 77 помимо первого слоя 71 и второго слоя 72. Третий слой 77 выполнен из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от материалов первого слоя 71 и второго слоя 72. Толщина третьего слоя 77 предпочтительно меньше чем 1000 нм. На ФИГ. 6 первый слой 71, второй слой 72 и третий слой 77 наложены на переднюю поверхность опорного элемента 61 в таком порядке: первый слой 71, второй слой 72, первый слой 71 и третий слой 77. Первый слой 71, второй слой 72 и третий слой 77 могут быть наложены на переднюю поверхность опорного элемента 61 в таком порядке: первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71 и второй слой 72. То есть, многослойная пленка 62 имеет слоистую структуру, в которой первый слой 71 предусмотрен между вторым слоем 72 и третьим слоем 77. Многослойная пленка 62 предпочтительно имеет один или несколько третьих слоев 77. Подобно границе раздела гетерогенного материала 73 атомы водорода проникают через границу раздела гетерогенного материала 78, образованную между первым слоем 71 и третьим слоем 77.
[0072]
2
3
6
Третий слой 77 выполнен, например, из любого из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, их сплава, SiC, CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO. Сплав для формирования третьего слоя 77 предпочтительно представляет собой сплав, полученный из одного или нескольких из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для формирования третьего слоя 77 может представлять собой сплав, полученный путем добавления элемента-присадки к Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co.
[0073]
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
В частности, третий слой 77 предпочтительно выполнен из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO. В теплогенерирующем элементе 75, имеющем третий слой 77, выполненный из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, количество окклюдирования водорода повышается, количество водорода, проникающего через границу раздела гетерогенного материала 73 и границу раздела гетерогенного материала 78, растет, и может быть достигнут высокий выход избыточного тепла. Толщина третьего слоя 77, выполненного из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, предпочтительно составляет 10 нм или меньше. Соответственно, атомы водорода легко проникают через многослойную пленку 62. Третий слой 77, выполненный из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, может не быть сформирован в форме сплошной пленки и может быть образован в форме островов. Первый слой 71 и третий слой 77 предпочтительно формируют непрерывно в условиях вакуума. Соответственно, между первым слоем 71 и третьим слоем 77 не формируется никакой оксидной пленки, а образуется только граница раздела гетерогенного материала 78.
[0074]
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
Комбинация первого слоя 71, второго слоя 72 и третьего слоя 77 предпочтительно представляет собой Pd-CaO-Ni, Pd-YO-Ni, Pd-TiC-Ni, Pd-LaB-Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-YO-Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-LaB-Cu, Ni-Co-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-YO-Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-LaB-Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-YO-Fe, Ni-TiC-Fe, Ni-LaB-Fe, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-YO-Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-LaB-Mg, Ni-CaO-Co, Ni-YO-Co, Ni-TiC-Co, Ni-LaB-Co, Ni-CaO-SiC, Ni-YO-SiC, Ni-TiC-SiC и Ni-LaB-SiC, если типы элементов отражают «первый слой 71-третий слой 77-второй слой 72».
[0075]
Модификация 3
Вместо теплогенерирующего элемента 14 теплогенерирующее устройство 11 включает теплогенерирующий элемент 80, показанный на ФИГ. 7. Как показано на ФИГ. 7, многослойная пленка 62 теплогенерирующего элемента 80 дополнительно имеет четвертый слой 82 помимо первого слоя 71, второго слоя 72 и третьего слоя 77. Четвертый слой 82 выполнен из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от материала первого слоя 71, второго слоя 72 и третьего слоя 77. Толщина четвертого слоя 82 предпочтительно составляет меньше чем 1000 нм. На ФИГ. 7 первый слой 71, второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 наложены на переднюю поверхность опорного элемента 61 в таком порядке: первый слой 71, второй слой 72, первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71 и четвертый слой 82. Первый слой 71, второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 могут быть наложены на переднюю поверхность опорного элемента 61 в таком порядке: первый слой 71, четвертый слой 82, первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71 и второй слой 72. То есть, многослойная пленка 62 имеет слоистую структуру, в которой второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 наложены в любом порядке, а первый слой 71 предусмотрен между вторым слоем 72 и третьим слоем 77, между третьим слоем 77 и четвертым слоем 82 и между вторым слоем 72 и четвертым слоем 82. Многослойная пленка 62 предпочтительно имеет один или несколько четвертых слоев 82. Аналогично границе раздела гетерогенного материала 73 и границе раздела гетерогенного материала 78 атомы водорода проникают через границу раздела гетерогенного материала 83, образованную между первым слоем 71 и четвертым слоем 82.
[0076]
2
3
6
Четвертый слой 82 выполнен, например, из любого из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, их сплава, SiC, CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO. Сплав для формирования четвертого слоя 82 предпочтительно представляет собой сплав, полученный из одного или нескольких из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для формирования четвертого слоя 82 может представлять собой сплав, полученный путем добавления элемента-присадки к Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co.
[0077]
2
3
6
2
3
6
2
3
6
2
3
6
В частности, четвертый слой 82 предпочтительно выполнен из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO. В теплогенерирующем элементе 80, имеющем четвертый слой 82, выполненный из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, количество окклюдирования водорода повышается, количество водорода, проникающего через границу раздела гетерогенного материала 73, границу раздела гетерогенного материала 78 и границу раздела гетерогенного материала 83 растет, и может быть достигнут высокий выход избыточного тепла. Толщина четвертого слоя 82, выполненного из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, предпочтительно составляет 10 нм или меньше. Соответственно, атомы водорода легко проникают через многослойную пленку 62. Четвертый слой 82, выполненный из любого из CaO, YO, TiC, LaB, SrO и BaO, может не быть сформирован в форме сплошной пленки и может быть образован в виде островов. Первый слой 71 и четвертый слой 82 предпочтительно формируют непрерывно в условиях вакуума. Соответственно, между первым слоем 71 и четвертым слоем 82 не формируется никакой оксидной пленки, а образуется только граница раздела гетерогенного материала 83.
[0078]
2
3
6
Комбинация первого слоя 71, второго слой 72, третьего слоя 77 и четвертого слоя 82 предпочтительно представляет собой Ni-CaO-Cr-Fe, Ni-YO-Cr-Fe, Ni-TiC-Cr-Fe и Ni-LaB-Cr-Fe, если типы элементов отражают «первый слой 71-четвертый слой 82-третий слой 77-второй слой 72».
[0079]
Конфигурация многослойной пленки 62, например, отношение толщины слоев, число слоев для каждого слоя и материал, может быть соответствующим образом изменена в зависимости температуры, которая должна быть использована. Ниже описан пример конфигурации многослойной пленки 62, соответствующей температуре, после описания «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом», «зависимости между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом» и «зависимости между материалом многослойной пленки и избыточным теплом».
[0080]
«Зависимость между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом», «зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом» и «зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом» исследованы путем подготовки экспериментального теплогенерирующего устройства (не показано) и проведения с использованием экспериментального теплогенерирующего устройства эксперимента, чтобы проверить вырабатывает ли теплогенерирующий элемент избыточное тепло. Экспериментальное теплогенерирующее устройство включает герметичный контейнер, два теплогенерирующих элемента, предусмотренные внутри герметичного контейнера, и нагреватель, который нагревает теплогенерирующие элементы. Теплогенерирующий элемент имеет форму пластины. Нагреватель представляет собой керамический нагреватель, имеющий форму пластины, и включает встроенную термопару. Нагреватель находится между двумя теплогенерирующими элементами. Герметичный контейнер соединен с каналом подачи газа на основе водорода и выпускным каналом. Канал подачи газа на основе водорода соединяет газовый баллон, в котором хранится газ на основе водорода, и герметичный контейнер. Канал подачи газа на основе водорода снабжен регулирующим клапаном или подобным элементом для регулирования объема подачи газа на основе водорода, хранящегося в газовом баллоне, в герметичный контейнер. Выпускной канал соединяет сухой насос для создания вакуума внутри герметичного контейнера и герметичный контейнер. Выпускной канал снабжен регулирующим клапаном для регулирования выпускаемого объема газа.
[0081]
Экспериментальное теплогенерирующее устройство генерирует избыточное тепло от теплогенерирующего элемента путем повторения поочередно этапа окклюдирования водорода и этапа выпуска водорода. То есть, экспериментальное теплогенерирующее устройство окклюдирует водород в теплогенерирующем элементе 14 за счет выполнения этапа окклюдирования водорода, а затем выпускает водород, окклюдированный в теплогенерирующем элементе 14, за счет выполнения этапа выпуска водорода. На этапе окклюдирования водорода газ на основе водорода подают в герметичный контейнер. На этапе выпуска водорода внутреннее пространство герметичного контейнера вакуумируют и нагревают теплогенерирующий элемент.
[0082]
Далее описана «зависимость между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между отношением толщины второго слоя 72 к толщине первого слоя 71 и избыточным теплом изучена с использованием теплогенерирующего элемента 14, включающего опорный элемент 61, выполненный из Ni, и многослойную пленку 62, имеющую первый слой 71, выполненный из Cu, и второй слой 72, выполненный из Ni. Далее отношение толщины слоев многослойной пленки 62 обозначается как Ni:Cu.
[0083]
Готовят восемь типов теплогенерирующих элементов 14, в которых многослойная пленка 62 сформирована в одинаковых условиях, за исключением отношения Ni:Cu, и используют в качестве экспериментальных примеров 1-8. Многослойная пленка 62 предусмотрена только на передней поверхности опорного элемента 61. Отношения Ni:Cu в теплогенерирующих элементах 14 в экспериментальных примерах 1-8 равны соответственно 7:1, 14:1, 4,33:1, 3:1, 5:1, 8:1, 6:1 и 6,5:1. В каждом из теплогенерирующих элементов 14 в соответствии с экспериментальными примерами 1-8 многослойную пленку 62 формируют путем повторения наложения конфигурации, имеющей первый слой 71 и второй слой 72. В каждом из теплогенерирующих элементов 14 в соответствии с экспериментальными примерами 1-8 число слоев в слоистой конфигурации многослойной пленки 62 (далее называют числом слоев многослойной пленки) составляет 5. Толщина всей многослойной пленки 62 в каждом из теплогенерирующих элементов 14 в экспериментальных примерах 1-8 практически одинаковая.
[0084]
Каждый из теплогенерирующих элементов 14 в соответствии с экспериментальными примерами 1-8 находится внутри герметичного контейнера экспериментального теплогенерирующего устройства, и этап окклюдирования водорода и этап выпуска водорода повторяют поочередно. Протий-газ (производства компании Numata Oxygen Co., сорт 2, чистота 99,999% об. или больше) используют в качестве газа на основе водорода. На этапе окклюдирования водорода газ на основе водорода подают в герметичный контейнер под давлением приблизительно 50 Па. Время для окклюдирования водорода в теплогенерирующем элементе 14 составляет приблизительно 64 часа. Перед этапом окклюдирования водорода внутреннее пространство герметичного контейнера вначале отжигают с помощью нагревателя при температуре приблизительно 200°C или выше в течение 36 часов для удаления воды и т.п., прилипшей к передней поверхности теплогенерирующего элемента 14. Этапы выпуска водорода проводят с входной электрической мощностью нагревателя 9 Вт, 18 Вт и 27 Вт, и этапы окклюдирования водорода проводят между этапами выпуска водорода. Затем, температуру теплогенерирующего элемента 14 на каждом из этапов выпуска водорода измеряют с использованием термопары, встроенной в нагреватель. Результаты показаны на ФИГ. 8. ФИГ. 8 представляет собой график, полученный путем аппроксимации измеренных данных заранее заданным методом. На ФИГ. 8 горизонтальная ось показывает температуру нагревателя и вертикальная ось указывает на электрическую мощность избыточного тепла. Температура нагревателя означает температуру теплогенерирующего элемента 14 при заданной входной электрической мощности. На ФИГ. 8 экспериментальный пример 1 представлен как «Ni:Cu=7:1», экспериментальный пример 2 представлен как «Ni:Cu=14:1», экспериментальный пример 3 представлен как «Ni:Cu=4,33:1», экспериментальный пример 4 представлен как «Ni:Cu=3:1», экспериментальный пример 5 представлен как «Ni:Cu=5:1», экспериментальный пример 6 представлен как «Ni:Cu=8:1», экспериментальный пример 7 представлен как «Ni:Cu=6:1» и экспериментальный пример 8 представлен как «Ni:Cu=6,5:1».
[0085]
Данные ФИГ. 8 подтверждают, что избыточное тепло генерируется во всех теплогенерирующих элементах 14 в экспериментальных примерах 1-8. При сравнении теплогенерирующих элементов 14 в экспериментальных примерах 1-8 при температуре нагревателя 700°C или выше установлено, что теплогенерирующий элемент 14 в соответствии с экспериментальным примером 1 генерирует самое большое избыточное тепло. При сравнении теплогенерирующего элемента в соответствии с экспериментальным примером 3 с теплогенерирующими элементами 14 в экспериментальных примерах 1, 2, 4-8 установлено, что теплогенерирующий элемент в соответствии с экспериментальным примером 3 генерирует избыточное тепло в широком интервале, в котором температура нагревателя составляет 300°C или выше и 1000°C или ниже. Установлено, что избыточное тепло растет по мере роста температуры нагревателя в теплогенерирующих элементах 14 в экспериментальных примерах 1, 3-8, в которых отношение Ni:Cu многослойной пленки 62 составляет от 3:1 до 8:1. Установлено, что избыточное тепло уменьшается при температуре нагревателя 800°C или выше в теплогенерирующем элементе 14 в соответствии с экспериментальным примером 2, в котором отношение Ni:Cu многослойной пленки 62 равно 14:1. Таким образом, считают, что избыточное тепло не растет буквально в зависимости от отношения Ni:Cu из-за квантового эффекта водорода в многослойной пленке 62.
[0086]
Далее описана «зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между числом слоев многослойной пленки 62 и избыточным теплом изучают с использованием теплогенерирующего элемента 14, включающего опорный элемент 61, выполненный из Ni, и многослойную пленку 62, имеющую первый слой 71, выполненный из Cu, и второй слой 72, выполненный из Ni.
[0087]
Готовят восемь типов теплогенерирующих элементов 14, в которых многослойная пленка 62 произведена при таких же условиях, как и условия производства теплогенерирующего элемента 14 в соответствии с экспериментальным примером 1, за исключением числа слоев, и используют в экспериментальных примерах 9-16. Число слоев многослойных пленок 62 теплогенерирующих элементов 14 в экспериментальных примерах 1, 9-16 составляет соответственно 5, 3, 7, 6, 8, 9, 12, 4 и 2.
[0088]
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
0,875
0,125
Каждый из теплогенерирующих элементов 14 в соответствии с экспериментальными примерами 1, 9-16 находится внутри герметичного контейнера экспериментального теплогенерирующего устройства. Экспериментальное теплогенерирующее устройство представляет собой то же самое устройство, что и устройство, использованное для оценки описанной выше «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом». В экспериментальном теплогенерирующем устройстве температуру каждого из теплогенерирующих элементов 14 во время этапов выпуска водорода измеряют тем же методом, что и метод для описанной выше «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Результаты показаны на ФИГ. 9. ФИГ. 9 представляет собой график, полученный путем аппроксимации измеренных данных заранее заданным методом. На ФИГ. 9, горизонтальная ось показывает температуру нагревателя и вертикальная ось указывает на электрическую мощность избыточного тепла. На ФИГ. 9 на основании толщины каждого слоя экспериментальный пример 1 представлен как «NiCu 5 слоев», экспериментальный пример 9 представлен как «NiCu 3 слоя», экспериментальный пример 10 представлен как «NiCu 7 слоев», экспериментальный пример 11 представлен как «NiCu 6 слоев», экспериментальный пример 12 представлен как «NiCu 8 слоев», экспериментальный пример 13 представлен как «NiCu 9 слоев», экспериментальный пример 14 представлен как «NiCu 12 слоев», экспериментальный пример 15 представлен как «NiCu 4 слоя» и экспериментальный пример 16 представлен как «NiCu 2 слоя».
[0089]
Данные ФИГ. 9 подтверждают, что избыточное тепло генерируется во всех теплогенерирующих элементах 14 в экспериментальных примерах 1, 9-16. При сравнении теплогенерирующих элементов 14 в экспериментальных примерах 1, 9-16 при температуре нагревателя 840°C или выше установлено, что теплогенерирующий элемент 14 в соответствии с экспериментальным примером 11, в котором число слоев многослойной пленки 62 равно 6, генерирует самое большое избыточное тепло, а теплогенерирующий элемент 14 в соответствии с экспериментальным примером 12, в котором число слоев многослойной пленки 62 равно 8, генерирует самое низкое избыточное тепло. Таким образом, считают, что избыточное тепло не растет буквально относительно числа слоев многослойной пленки 62, так как длина волны поведения в качестве волновой функции водорода в многослойной пленке 62 имеет нанометровый порядок и мешает многослойной пленке 62.
[0090]
Далее описана «зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между типом материала для формирования третьего слоя 77 и избыточным теплом изучена с использованием теплогенерирующего элемента 75, включающего многослойную пленку 62, имеющую первый слой 71, выполненный из Ni, второй слой 72, выполненный из Cu, и третий слой 77, выполненный из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от первого слоя 71 и второго слоя 72.
[0091]
2
3
6
2
Готовят девять типов теплогенерирующих элементов 75, в которых многослойная пленка 62 изготовлена при одинаковых условиях, за исключением типов материала для формирования третьего слоя 77, и используют в качестве экспериментальных примеров 17-25. Типы материала для формирования третьего слоя 77 в теплогенерирующих элементах 75 в экспериментальных примерах 17-25 представляют собой соответственно CaO, SiC, YO, TiC, Co, LaB, ZrC, TiB и CaOZrO.
[0092]
0,793
0,113
0,094
0,793
0,113
0,094
0,793
2
30,113
0,094
0,793
0,113
0,094
0,793
0,113
0,094
0,793
60,113
0,094
0,793
0,113
0,094
0,793
20,113
0,094
0,793
0,113
0,094
Каждый из теплогенерирующих элементов 75 в соответствии с экспериментальными примерами 17-25 находится внутри герметичного контейнера экспериментального теплогенерирующего устройства. Экспериментальное теплогенерирующее устройство представляет собой то же самое устройство, что и устройство, используемое для изучения описанной выше «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом». В экспериментальном теплогенерирующем устройстве температуру каждого из теплогенерирующих элементов 75 во время этапа выпуска водорода измеряют тем же методом, что и метод для описанной выше «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Результаты показаны на ФИГ. 10. ФИГ. 10 представляет собой график, полученный путем аппроксимации измеренных данных заранее заданным методом. На ФИГ. 10, горизонтальная ось показывает температуру нагревателя и вертикальная ось указывает на электрическую мощность избыточного тепла. На ФИГ. 10 на основании толщины каждого слоя экспериментальный пример 17 представлен как «NiCaOCu», экспериментальный пример 18 представлен как «NiSiCCu», экспериментальный пример 19 представлен как «NiYOCu», экспериментальный пример 20 представлен как «NiTiCCu», экспериментальный пример 21 представлен как «NiCoCu», экспериментальный пример 22 представлен как «NiLaBCu», экспериментальный пример 23 представлен как «NiZrCCu», экспериментальный пример 24 представлен как «NiTiBCu» и экспериментальный пример 25 представлен как «NiCaZrOCu».
[0093]
6
Данные ФИГ. 10 подтверждают, что избыточное тепло генерируется во всех теплогенерирующих элементах 75 в экспериментальных примерах 17-25. В частности, при сравнении экспериментального примера 17, в котором материалом для формирования третьего слоя 77 является CaO, экспериментального примера 20, в котором материалом для формирования третьего слоя 77 является TiC, и экспериментального примера 22, в котором материалом для формирования третьего слоя 77 является LaB, с экспериментальными примерами 18, 19, 21, 23-25, установлено, что избыточное тепло растет практически линейно в широком интервале, в котором температура нагревателя составляет 400°C или выше и 1000°C или ниже. Материалы для формирования третьих слоев 77 в экспериментальных примерах 17, 20 и 22 имеют работу выхода меньше, чем работа выхода материалов в экспериментальных примерах 18, 19, 21, 23-25. Таким образом, установлено, что тип материала для формирования третьего слоя 77 предпочтительно имеет небольшую работу выхода. Исходя из этих результатов, электронная плотность в многослойной пленке 62 может способствовать экзотермической реакции.
[0094]
Далее описан пример конфигурации многослойной пленки 62, соответствующей температуре теплогенерирующего элемента 14. При рассмотрении описанной выше «зависимости между отношением толщины слоев многослойной пленки и избыточным теплом» теплогенерирующего элемента 14, когда температура теплогенерирующего элемента 14 является низкой температурой (например, в интервале 50°C или выше и 500°C или ниже), отношение толщины слоев многослойной пленки 62 предпочтительно находится в интервале 2:1 или больше и 5:1 или меньше. Когда температура теплогенерирующего элемента 14 является промежуточной температурой (например, в интервале 500°C или выше и 800°C или ниже), отношение толщины слоев многослойной пленки 62 предпочтительно находится в интервале 5:1 или больше и 6:1 или меньше. Когда температура теплогенерирующего элемента 14 является высокой температурой (например, в интервале 800°C или выше и 1500°C или ниже), отношение толщины слоев многослойной пленки 62 предпочтительно находится в интервале 6:1 или больше и 12:1 или меньше.
[0095]
При рассмотрении описанной выше «зависимости между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом», когда температура теплогенерирующего элемента 14 является любой из низкой температуры, промежуточной температуры и высокой температуры, число слоев первого слоя 71 многослойной пленки 62 предпочтительно находится в интервале 2 слоя или больше и 18 слоев или меньше, и число слоев второго слоя 72 предпочтительно находится в интервале 2 слоя или больше и 18 слоев или меньше.
[0096]
2
3
6
При рассмотрении описанной выше «зависимости между материалом многослойной пленки и избыточным теплом» теплогенерирующего элемента 75, когда температура теплогенерирующего элемента 75 является низкой температурой, первый слой 71 предпочтительно выполнен из Ni, второй слой 72 предпочтительно выполнен Cu, и третий слой 77 предпочтительно выполнен из YO. Когда температура теплогенерирующего элемента 75 является промежуточной температурой, первый слой 71 предпочтительно выполнен из Ni, второй слой 72 предпочтительно выполнен из Cu, и третий слой 77 предпочтительно выполнен из TiC. Когда температура теплогенерирующего элемента 75 является высокой температурой, первый слой 71 предпочтительно выполнен из Ni, второй слой 72 предпочтительно выполнен из Cu, и третий слой 77 предпочтительно выполнен из CaO или LaB.
[0097]
Модификация 4
ФИГ. 11 представляет собой разрез, показывающий теплогенерирующий элемент 90, имеющий цилиндрическую форму с дном с одним концом открытым и другим концом закрытым. Теплогенерирующий элемент 90 включает опорный элемент 91 и многослойную пленку 92. Опорный элемент 91 выполнен из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника. Многослойная пленка 92 имеет первый слой (не показан), выполненный водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину меньше чем 1000 нм, и второй слой (не показан), выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину меньше чем 1000 нм. Хотя на ФИГ. 11 теплогенерирующий элемент 90 имеет цилиндрическую форму с дном, теплогенерирующий элемент 90 может иметь многоугольную цилиндрическую форму с дном.
[0098]
Далее описан способ производства теплогенерирующего элемента 90. Теплогенерирующий элемент 90 производят путем подготовки опорного элемента 91, имеющего цилиндрическую форму с дном, и формирования многослойной пленки 92 на опорном элементе 91 с использованием способа мокрого формирования пленки. В этом примере многослойную пленку 92 формируют на внешней поверхности опорного элемента 91. Соответственно, получают теплогенерирующий элемент 90, имеющий цилиндрическую форму с дном. Примеры способа мокрого формирования пленки включают способ нанесения покрытия центрифугированием, способ нанесения покрытия распылением и способ нанесения покрытия окунанием. Многослойная пленка 92 может быть получена с использованием способа осаждения атомных слоев (ALD), или многослойная пленка 92 может быть сформирована на опорном элементе 91 при вращении опорного элемента 91 с использованием напыляющего устройства, включающего механизм вращения, который вращает опорный элемент 91. Многослойная пленка 92 не ограничена размещением только на внешней поверхности опорного элемента 91 и может быть предусмотрена на внутренней поверхности опорного элемента 91 или на двух поверхностях опорного элемента 91.
[0099]
Как показано на ФИГ. 12, система 95 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 96 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 96 отличается от теплогенерирующего устройства 11 в соответствии с описанным выше вариантом осуществления тем, что теплогенерирующее устройство 96 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14. Теплогенерирующий элемент 90 установлен в герметичном контейнере 15 с использованием монтажной трубы 97. Хотя на ФИГ. 12 не показано, система 95 утилизации тепла включает датчик температуры, который детектирует температуру теплогенерирующего элемента 90, источник питания, который подает электроэнергию на нагреватель 16b, блок управления, служащий в качестве блока управления выходными параметрами, который управляет выходными параметрами нагревателя 16b на основании температуры, детектированной датчиком температуры. Датчик температуры находится, например, на внешней поверхности теплогенерирующего элемента 90.
[0100]
Монтажная труба 97 выполнена, например, из нержавеющей стали. Монтажная труба 97 проходит через герметичный контейнер 15. Один конец монтажной трубы 97 находится в зазоре 54 между внутренней поверхностью контейнера для размещения 41 и внешней поверхностью герметичного контейнера 15, и другой конец монтажной трубы 97 находится внутри герметичного контейнера 15. Один конец монтажной трубы 97 соединен с линией введения 29 линии 17 циркуляции водорода. Другой конец монтажной трубы 97 снабжен теплогенерирующим элементом 90.
[0101]
В модификация 4 первая камера 21 образована внутренней поверхностью теплогенерирующего элемента 90. Вторая камера 22 ограничена внутренней поверхностью герметичного контейнера 15 и внешней поверхностью теплогенерирующего элемента 90. Следовательно, в теплогенерирующем элементе 90 опорный элемент 91 предусмотрен со стороны первой камеры 21 (сторона высокого давления), и многослойная пленка 92 предусмотрена со стороны второй камеры 22 (сторона низкого давления) (см. ФИГ. 11). Из-за разности давлений, созданной между первой камерой 21 и второй камерой 22, водород, введенный в первую камеру 21, проникает внутрь теплогенерирующего элемента 90 последовательно через опорный элемент 91 и многослойную пленку 92 и перемещается во вторую камеру 22. То есть, водород проникает через теплогенерирующий элемент 90 от его внутренней поверхности в направлении его внешней поверхности. Соответственно, теплогенерирующий элемент 90 вырабатывает избыточное тепло, когда водород выпускают из многослойной пленки 92. Следовательно, система 95 утилизации тепла проявляет такие же эффекты, как и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0102]
Система 95 утилизации тепла может включать теплогенерирующий элемент 98, показанный на ФИГ. 13, вместо теплогенерирующего элемента 90. Теплогенерирующий элемент 98 отличается от теплогенерирующего элемента 90 тем, что теплогенерирующий элемент 98 включает опорный элемент 99, имеющий столбчатую форму. Подобно опорному элементу 61 опорный элемент 99 выполнен из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника. Опорный элемент 99 улучшает механическую прочность теплогенерирующего элемента 98, позволяя при этом проходить через него газу на основе водорода. Хотя на ФИГ. 13 опорный элемент 99 имеет цилиндрическую столбчатую форму, опорный элемент 99 может иметь многоугольную столбчатую форму.
[0103]
Модификация 5
Как показано на ФИГ. 14, система 100 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 101 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 101 отличается от теплогенерирующего устройства 11 в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления тем, что теплогенерирующее устройство 101 включает линию 102 циркуляции водорода вместо линии 17 циркуляции водорода.
[0104]
Линия 102 циркуляции водорода включает буферную емкость 28, линию 29 введения, линию 103 сбора и фильтр 31. Линия 103 сбора соединяет отверстие 24 для сбора второй камеры 22 и буферную емкость 28, собирает газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 14 из первой камеры 21 во вторую камеру 22, и возвращает собранный газ на основе водорода в буферную емкость 28. Линия 103 сбора включает циркуляционный насос 33.
[0105]
Линия 103 сбора проходит через зазор 54 между внутренней поверхностью контейнера для размещения 41 и внешней поверхностью герметичного контейнера 15. Говоря точнее, линия 103 сбора имеет в зазоре 54 часть, простирающуюся в направлении, параллельном продольному направлению герметичного контейнера 15. Часть линии 103 сбора, предусмотренная в зазоре 54, находится в теплоносителе, нагретом теплом теплогенерирующего элемента 14. Газ на основе водорода, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 14 внутри герметичного контейнера 15, проходит в линию 103 сбора. Тепло газа на основе водорода, проходящего в линию 103 сбора, забирает теплоноситель, когда газ на основе водорода циркулирует через часть линии 103 сбора, предусмотренную в теплоносителе, и затем газ на основе водорода возвращается в буферную емкость 28 в охлажденном состоянии. То есть, линия 103 сбора возвращает газ на основе водорода, тепло которого забрал теплоноситель, циркулирующий через зазор 54, в буферную емкость 28.
[0106]
Как описано выше, не только тепло теплогенерирующего элемента 14 передается теплоносителю, но также тепло газа на основе водорода, нагретого путем проникновения через теплогенерирующий элемент 14, передается теплоносителю, так что система 100 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0107]
Модификация 6
Как показано на ФИГ. 15, система 105 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 106 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 106 отличается от теплогенерирующего устройства 101 в соответствии с модификацией 5 тем, что теплогенерирующее устройство 106 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14.
[0108]
Подобно системе 100 утилизации тепла в соответствии с модификацией 5, не только тепло теплогенерирующего элемента 90 передается теплоносителю, но также тепло газа на основе водорода, нагретого путем проникновения через теплогенерирующий элемент 90, передается теплоносителю, так что система 105 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0109]
Модификация 7
Как показано на ФИГ. 16, система 110 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 111 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 111 отличается от теплогенерирующего устройства 11 в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления тем, что теплогенерирующее устройство 111 включает линию 112 циркуляции водорода вместо линии 17 циркуляции водорода.
[0110]
Линия 112 циркуляции водорода включает буферную емкость 28, линию 113 введения, линию 30 сбора и фильтр 31. Линия 113 введения соединяет буферную емкость 28 и отверстие 23 для введения первой камеры 21 и вводит газ на основе водорода, хранящийся в буферной емкости 28, в первую камеру 21. Линия 113 введения включает клапан 32 регулирования давления.
[0111]
Линия 113 введения проходит через зазор 54 между внутренней поверхностью контейнера для размещения 41 и внешней поверхностью герметичного контейнера 15. Более конкретно, линия 113 введения имеет в зазоре 54 часть, простирающуюся в направлении, параллельном продольному направлению герметичного контейнера 15. Часть линии 113 введения, предусмотренная в зазоре 54, находится в теплоносителе, нагретом теплом теплогенерирующего элемента 14. Газ на основе водорода, поданный из буферной емкости 28, нагревается теплоносителем, когда проходит через часть линии 113 введения, предусмотренной в теплоносителе. Следовательно, в первую камеру 21 вводят предварительно нагретый газ на основе водорода. То есть, линия 113 введения вводит в первую камеру 21 газ на основе водорода, который предварительно нагрет теплоносителем, циркулирующим через зазор 54.
[0112]
Как описано выше, газ на основе водорода предварительно нагревают в системе 110 утилизации тепла, так что предупреждают изменение температуры теплогенерирующего элемента 14, и температуру теплогенерирующего элемента 14 поддерживают более надежно.
[0113]
Модификация 8
Как показано на ФИГ. 17, система 115 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 116 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 116 отличается от теплогенерирующего устройства 111 в соответствии с модификацией 7 тем, что теплогенерирующее устройство 116 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14.
[0114]
Подобно системе 110 утилизации тепла в соответствии с модификацией 7 газ на основе водорода предварительно нагревают в системе 115 утилизации тепла, так что предупреждают изменение температуры теплогенерирующего элемента 90, а температура теплогенерирующего элемента 90 может быть поддержана более надежно.
[0115]
Модификация 9
Как показано на ФИГ. 18, система 120 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 121 и устройство 122 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 121 отличается от теплогенерирующего устройства 11 в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления тем, что теплогенерирующее устройство 121 включает герметичный контейнер 123 вместо герметичного контейнера 15. Устройство 122 утилизации тепла отличается от устройства 12 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления тем, что устройство 122 утилизации тепла не включает контейнер для размещения 41 и включает блок 124 циркуляции теплоносителя вместо блока 42 циркуляции теплоносителя.
[0116]
Герметичный контейнер 123 представляет собой полый контейнер и вмещает теплогенерирующий элемент 14. Герметичный контейнер 123 покрыт теплоизолирующим элементом 51. Монтажная труба 125 для установки теплогенерирующего элемента 14 предусмотрена в герметичном контейнере 123.
[0117]
Монтажная труба 125 выполнена, например, из нержавеющей стали. Монтажная труба 125 проходит через герметичный контейнер 123. Один конец монтажной трубы 125 находится снаружи герметичного контейнера 123, и другой конец монтажной трубы 125 предусмотрен внутри герметичного контейнера 123. В этом примере один конец монтажной трубы 125 находится внутри теплоизолирующего элемента 51. Один конец монтажной трубы 125 соединен с линией 29 введения линии 17 циркуляции водорода. Другой конец монтажной трубы 125 снабжен теплогенерирующим элементом 14. Нагреватель 16b блока регулирования температуры (не показан) намотан вокруг наружной периферии монтажной трубы 125.
[0118]
Герметичный контейнер 123 имеет первую камеру 126 и вторую камеру 127, разделенные монтажной трубой 125 и теплогенерирующим элементом 14. Первая камера 126 образована передней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 и внутренней поверхностью монтажной трубы 125. Первая камера 126 имеет отверстие 23 для введения, соединенное с линией 29 введения. Вторая камера 127 образована внутренней поверхностью герметичного контейнера 123, задней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 и внешней поверхностью монтажной трубы 125. Вторая камера 127 имеет отверстие 24 для сбора, соединенное с линией 30 сбора. На ФИГ. 18 отверстие 24 для сбора предусмотрено практически в центральном положении герметичного контейнера 123 в его продольном направлении. В первой камере 126 давление повышают путем введения газа на основе водорода. Во второй камере 127 давление снижают путем выпуска газа на основе водорода. Соответственно, давление водорода в первой камере 126 выше давления водорода во второй камере 127. Первая камера 126 и вторая камера 127 имеют разные давления водорода. Таким образом, герметичный контейнер 123 находится в состоянии, в котором между двумя сторонами теплогенерирующего элемента 14 создана разность давлений.
[0119]
Блок 124 циркуляции теплоносителя включает пятую трубу 128, которая соединяет первую трубу 42a и четвертую трубу 42d. Хотя на ФИГ. 18 не показано, блок 124 циркуляции теплоносителя включает вторую трубу 42b, третью трубу 42c, насос 42e и блок 42f управления расходом теплоносителя, подобно блоку 42 циркуляции теплоносителя. Блок 124 циркуляции теплоносителя функционирует как линия циркуляции теплоносителя за счет соединения первой трубы 42a и четвертной трубы 42d через пятую трубу 128.
[0120]
Пятая труба 128 представляет собой теплопередающую трубу, предусмотренную вдоль внешней периферии герметичного контейнера 123. Теплоноситель, циркулирующий через пятую трубу 128, нагревают теплом теплогенерирующего элемента 14, находящегося внутри герметичного контейнера 123. То есть, блок 124 циркуляции теплоносителя, служащий в качестве линии циркуляции теплоносителя, нагревает теплоноситель, циркулирующий через пятую трубу 128, за счет обмена теплом с теплогенерирующим элементом 14.
[0121]
Устройство 122 утилизации тепла включает первый теплообменник 129, предусмотренный на линии 30 сбора. Первый теплообменник 129 обменивается теплом с газом на основе водорода, который нагрет теплом теплогенерирующего элемента 14 и циркулирует через линию 30 сбора. Первый теплообменник 129 образован, например, трубой, через которую циркулирует вода, и обменивает тепло между водой и газом на основе водорода. Вода, циркулирующая через трубу, нагревается теплом газа на основе водорода, циркулирующего через линию 30 сбора, становится теплой или превращается в пар и используется для различных целей, например, для обогрева. То есть, газ на основе водорода, который прошел через теплогенерирующий элемент 14, функционирует как теплоноситель, нагретый теплогенерирующим элементом 14, и используется в качестве источника тепла для получения тепловой энергии. Устройство 122 утилизации тепла может включать термоэлектрический преобразователь 47 вместо первого теплообменника 129, чтобы преобразовывать тепло газа на основе водорода, циркулирующего через линию 30 сбора, в электроэнергию.
[0122]
Как описано выше, система 120 утилизации тепла включает пятую трубу 128, служащую в качестве теплопередающей трубы, предусмотренной вдоль внешней периферии герметичного контейнера 123, так что тепло теплогенерирующего элемента 14 передается теплоносителю, циркулирующему через пятую трубу 128. Следовательно, система 120 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0123]
Система 120 утилизации тепла включает первый теплообменник 129, так что газ на основе водорода, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 14, используют в качестве источника тепла в добавление к теплоносителю, который используют в качестве источника тепла. Следовательно, система 120 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0124]
Модификация 10
Как показано на ФИГ. 19, система 130 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 131 и устройство 122 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 131 отличается от теплогенерирующего устройства 121 в соответствии с модификацией 9 тем, что теплогенерирующее устройство 131 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14.
[0125]
Система 130 утилизации тепла включает пятую трубу 128, служащую в качестве теплопередающей трубы, предусмотренной вдоль внешней периферии герметичного контейнера 123, так что тепло теплогенерирующего элемента 90 передается теплоносителю, циркулирующему через пятую трубу 128. Таким образом, система 130 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0126]
Система 130 утилизации тепла включает первый теплообменник 129, так что газ на основе водорода, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 90 используют в качестве источника тепла в дополнение к теплоносителю, который используют в качестве источника тепла. Таким образом, система 130 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0127]
Модификация 11
Как показано на ФИГ. 20, система 135 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 136 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 136 отличается от теплогенерирующего устройства 11 в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления расположением нагревателя 137 блока регулирования температуры (не показан). Блок регулирования температуры (не показан) включает датчик 16a температуры, нагреватель 137 и блок 18 управления, служащий в качестве блока управления выводом.
[0128]
Нагреватель 137 предусмотрен на линии 29 введения и нагревает теплогенерирующий элемент 14 путем нагревания газа на основе водорода, циркулирующего через линию 29 введения. Нагреватель 137 электрически соединен с источником 26 питания и генерирует тепло путем подачи электроэнергии от источника 26 питания. Входной электрической мощностью источника 26 питания управляют с помощью блока 18 управления. Блок 18 управления регулирует входную электрическую мощность на нагреватель 137 на основании температуры, детектированной датчиком 16a температуры, в результате чего поддерживает теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла.
[0129]
Система 135 утилизации тепла включает нагреватель 137, предусмотренный на линии 29 введения, так что теплогенерирующий элемент 14 может быть нагрет теплом газа на основе водорода, и теплогенерирующий элемент 14 может поддерживаться при соответствующей температуре для выработки тепла. Таким образом, система 135 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0130]
Модификация 12
Как показано на ФИГ. 21, система 140 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 141 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 141 отличается от теплогенерирующего устройства 136 в соответствии с модификацией 11 тем, что теплогенерирующее устройство 141 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14. Датчик температуры 16a находится, например, на внешней поверхности теплогенерирующего элемента 90. Хотя на ФИГ. 21 датчик 16a температуры находится на другом конце теплогенерирующего элемента 90, датчик 16a температуры может быть предусмотрен на одном конце теплогенерирующего элемента 90 или может быть соответствующим образом расположен между одним концом и другим концом теплогенерирующего элемента 90.
[0131]
Система 140 утилизации тепла включает нагреватель 137, предусмотренный на линии 29 введения, так что теплогенерирующий элемент 90 может быть нагрет теплом газа на основе водорода, и теплогенерирующий элемент 90 может поддерживаться при соответствующей температуре для выработки тепла. Таким образом, система 140 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0132]
Модификация 13
Как показано на ФИГ. 22, система 145 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 146 и устройство 147 утилизации тепла. В теплогенерирующем устройстве 146 нагреватель 137 предусмотрен на линии 29 введения, и внутри герметичного контейнера 15 находится насадочная часть 148.
[0133]
Насадочная часть 148 находится между отверстием 23 для введения и теплогенерирующим элементом 14. Насадочная часть 148 соединена с линией 29 введения посредством отверстия 23 для введения. Насадочная часть 148 выпускает из выпускного отверстия, предусмотренного на конце наконечника насадки, газ на основе водорода, который циркулирует через линию 29 введения и из которого удалены примеси с помощью фильтра 31. Расстояние между концом наконечника насадки и передней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 составляет, например, от 1 до 2 см. Направление конца наконечника насадки перпендикулярно передней поверхности теплогенерирующего элемента 14. Соответственно, насадочная часть 148 впрыскивает газ на основе водорода по всей передней поверхности, которая является одной поверхностью теплогенерирующего элемента 14. Расстояние между концом наконечника насадки и передней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 или направление конца наконечника насадки предпочтительно представляют собой расстояние или направление, при которых газ на основе водорода, выпущенный из конца наконечника насадки, выдувается на всю переднюю поверхность теплогенерирующего элемента 14.
[0134]
Устройство 147 утилизации тепла включает первый теплообменник 129, линию 149 сбора непроникшего газа и второй теплообменник 150. Описание первого теплообменника 129 опускают, и приведено описание линии 149 сбора непроникшего газа и второго теплообменника 150.
[0135]
Линия 149 сбора непроникшего газа соединена с отверстием 151 для сбора непроникшего газа, предусмотренным в первой камере 21, и выводит непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 14, помимо газа на основе водорода, введенного в первую камеру 21. Линия 149 сбора непроникшего газа соединена с буферной емкостью 28 и возвращает собранный непроникший газ в буферную емкость 28. Отверстие 151 для сбора непроникшего газа находится рядом с отверстием 23 для введения.
[0136]
Газ на основе водорода, введенный в первую камеру 21, нагревают теплом теплогенерирующего элемента 14. Часть нагретого газа на основе водорода проникает через теплогенерирующий элемент 14 и вводится в линию 30 сбора. Газ на основе водорода, выделенный в линию 30 сбора, обменивается теплом с первым теплообменником 129 и возвращается в буферную емкость 28 через буферную емкость 154 и клапан 32 регулирования давления.
[0137]
Помимо газа на основе водорода, который вводят в первую камеру 21 и нагревают теплом теплогенерирующего элемента 14, остальную часть газа на основе водорода, которая не проникла через теплогенерирующий элемент 14, собирают в линию 149 сбора непроникшего газа в виде непроникшего газа. Непроникший газ циркулирует через линию 149 сбора непроникшего газа и возвращается в буферную емкость 28, циркулирует через линию 29 введения и снова вводиться в первую камеру 21 в виде газа на основе водорода. То есть, линия 149 сбора непроникшего газа соединяет первую камеру 21 и линию 29 введения, собирает непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 14, помимо газа на основе водорода, введенного из линии 29 введения в первую камеру 21, и возвращает непроникший газ в линию 29 введения.
[0138]
Линия 149 сбора непроникшего газа включает блок 152 управления расходом непроникшего газа и циркуляционный насос 153. Блок 152 управления расходом непроникшего газа включает, например, переменный напускной клапан в качестве регулирующего клапана. Блок 152 управления расходом непроникшего газа управляет расходом непроникшего газа на основании температуры, детектированной датчиком 16a температуры. Например, когда температура теплогенерирующего элемента 14, детектированная датчиком 16a температуры, выше, чем верхняя граничная температура соответствующего температурного интервала для выработки тепла теплогенерирующего элемента 14, блок 152 управления расходом непроникшего газа повышает циркуляционный расход непроникшего газа. Когда температура теплогенерирующего элемента 14, детектированная датчиком 16a температуры, ниже, чем нижняя граничная температура соответствующего температурного интервала для выработки тепла теплогенерирующего элемента 14, блок 152 управления расходом непроникшего газа снижает расход непроникшего газа. Таким образом, блок 152 управления расходом непроникшего газа поддерживает теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла за счет увеличения или снижения циркуляционного расхода непроникшего газа.
[0139]
Циркуляционный насос 153 выводит непроникший газ в первой камере 21 из отверстия 151 для сбора непроникшего газа и направляет непроникший газ в буферную емкость 28. Примеры циркуляционного насоса 153 включают металлический сильфонный насос. Циркуляционный насос 153 электрически соединен с блоком 18 управления.
[0140]
Второй теплообменник 150 предусмотрен на линии 149 сбора непроникшего газа и обменивается теплом с непроникшим газом, нагретым теплом теплогенерирующего элемента 14. Подобно, например, первому теплообменнику 129 второй теплообменник 150 образован трубой, через которую циркулирует вода, и осуществляет теплообмен между водой и газом на основе водорода. Вода, циркулирующая через трубу, нагревается теплом непроникшего газа, циркулирующего через линию 149 сбора непроникшего газа, превращается в теплую воду или пар и используется в различных целях, например, для обогрева. То есть, непроникший газ, который не проникал в теплогенерирующий элемент 14, функционирует как теплоноситель, который нагревается теплогенерирующим элементом 14, и его используют в качестве источника тепла для получения тепловой энергии. Вместо второго теплообменника 150 может быть предусмотрен термоэлектрический преобразователь 47 для преобразования тепла газа на основе водорода в электроэнергию.
[0141]
Система 145 утилизации тепла включает линию 149 сбора непроникшего газа, так что непроникший газ, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 14, используют в качестве источника тепла. Таким образом, система 145 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления. В частности, система 145 утилизации тепла включает первый теплообменник 129 и второй теплообменник 150, так что газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 14, и непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 14, используют в качестве источников тепла. Таким образом, система 145 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0142]
Система 145 утилизации тепла включает насадочная часть 148, так что газ на основе водорода после удаления примесей выдувают непосредственно на переднюю поверхность теплогенерирующего элемента 14. Соответственно, примеси на поверхности и на периферии теплогенерирующего элемента 14 уносятся и передняя поверхность теплогенерирующего элемента 14 находится в атмосфере, включающей свежий газ на основе водорода, из которого удалены примеси с помощью фильтра 31 в системе 145 утилизации тепла. Таким образом, может быть достигнут высокий выход избыточного тепла.
[0143]
Модификация 14
Как показано на ФИГ. 23, система 155 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 156 и устройство 147 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 156 включает теплогенерирующий элемент 90 вместо теплогенерирующего элемента 14 и внутри герметичного контейнера 15 предусмотрена насадочная часть 158. В этой модификации отверстие 23 для введения и отверстие 151 для сбора непроникшего газа предусмотрены рядом друг с другом на монтажной трубе 97.
[0144]
Насадочная часть 158 находится между отверстием 23 для введения и теплогенерирующим элементом 90. Один конец насадочной части 158 соединен с отверстием 23 для введения, и другой конец насадочной части 158 проходит вплоть до другого конца теплогенерирующего элемента 90. Насадочная часть 158 соединена с линией 29 введения посредством отверстия 23 для введения.
[0145]
Как показано на ФИГ. 24, насадочная часть 158 имеет множество выпускных отверстий 159, расположенных в осевом направлении теплогенерирующего элемента 90. Насадочная часть 158 впрыскивает газ на основе водорода из множества выпускных отверстий 159 на всю внутреннюю поверхность теплогенерирующего элемента 90. Множество выпускных отверстий 159 предпочтительно размещены через равные интервалы. Газ на основе водорода равномерно впрыскивают на всю внутреннюю поверхность теплогенерирующего элемента 90 за счет размещения множества выпускных отверстий 159 через равные интервалы. Число и диаметр выпускных отверстий 159 может быть изменено при необходимости.
[0146]
Система 155 утилизации тепла включает линию 149 сбора непроникшего газа, так что непроникший газ, нагретый теплом теплогенерирующего элемента 90, используют в качестве источника тепла. Таким образом, система 155 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления. В частности, система 155 утилизации тепла включает первый теплообменник 129 и второй теплообменник 150, так что газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 90, и непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 90, используют в качестве источников тепла. Таким образом, система 155 утилизации тепла имеет прекрасную энергоэффективность.
[0147]
Система 155 утилизации тепла включает насадочную часть 158, так что примеси на внутренней поверхности и периферии теплогенерирующего элемента 90 сдуваются, и внутреннее пространство теплогенерирующего элемента 90 находится в атмосфере, включающей свежий газ на основе водорода, из которого примеси удалены фильтром 31. Таким образом, может быть достигнут высокий выход избыточного тепла.
[0148]
Модификация 15
ФИГ. 25 представляет собой поперечное сечение, показывающее цилиндрический теплогенерирующий элемент 160, имеющий два открытых конца. Теплогенерирующий элемент 160 включает опорный элемент 161 и многослойную пленку 162. Опорный элемент 161 выполнен из по меньшей мере одного из пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника. Многослойная пленка 162 имеет первый слой (не показан), выполненный водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину меньше чем 1000 нм, и второй слой (не показан), выполненный из водород-аккумулирующего металла, отличного от металла первого слоя, водород-аккумулирующего сплава, отличного от сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину меньше чем 1000 нм. Поскольку способ производства теплогенерирующего элемента 160 является таким же, как способ производства теплогенерирующего элемента 90, за исключением получения цилиндрического опорного элемента 161, имеющего два открытых конца, описание способа производства теплогенерирующего элемента 160 опускают. Хотя на ФИГ. 25 теплогенерирующий элемент 160 имеет цилиндрическую форму, имеющую два открытых конца, теплогенерирующий элемент 160 может иметь многоугольную цилиндрическую форму с двумя открытыми концами.
[0149]
Как показано на ФИГ. 26, система 165 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 166 и устройство 147 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 166 отличается от теплогенерирующего устройства 156 в соответствии с модификацией 14 тем, что теплогенерирующее устройство 166 включает теплогенерирующий элемент 160 вместо теплогенерирующего элемента 90.
[0150]
Монтажная труба 97 находится на двух концах теплогенерирующего элемента 160. Монтажная труба 97, предусмотренная на одном конце теплогенерирующего элемента 160, соединена с линией 29 введения. Монтажная труба 97, предусмотренная на другом конце теплогенерирующего элемента 160, соединена с линией 149 сбора непроникшего газа. То есть, один конец теплогенерирующего элемента 160 соединен с линией 29 введения, и его другой конец соединен с линией 149 сбора непроникшего газа. Таким образом, система 165 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 155 утилизации тепла в соответствии с модификацией 14.
[0151]
Модификация 16
В описанном выше варианте осуществления и описанных выше модификациях линия циркуляции водорода вводит газ на основе водорода в первую камеру и собирает газ на основе водорода из второй камеры, создавая в результате разность давлений водорода между первой камерой и второй камерой. Однако в модификации 16 вместо линии циркуляции водорода используют водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав для создания разности давлений водорода между первой камерой и второй камерой за счет использования окклюдирования и вывода водорода.
[0152]
Как показано на ФИГ. 27, система 170 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 171 и устройство 122 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 171 включает теплогенерирующий элемент 14, герметичный контейнер 173, первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода, второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода, первый датчик 176 температуры, второй датчик 177 температуры, первый нагреватель 178, второй нагреватель 179, первый манометр 180, второй манометр 181 и блок 182 управления давлением водорода. Описание теплогенерирующего элемента 14 опускают. Система 170 утилизации тепла дополнительно включает блок управления в качестве блока управления выходными параметрами (не показан). Блок управления в качестве блока управления выходными параметрами, первый датчик 176 температуры, второй датчик 177 температуры, первый нагреватель 178 и второй нагреватель 179 образуют блок регулирования температуры (не показан). Блок регулирования температуры регулирует температуру теплогенерирующего элемента 14 и поддерживает теплогенерирующий элемент 14 при соответствующей температуре для выработки тепла.
[0153]
Герметичный контейнер 173 имеет первую камеру 184 и вторую камеру 185, разделенные теплогенерирующим элементом 14. Первая камера 184 и вторая камера 185 имеют разные давления водорода за счет осуществления управления переключением блоком 182 управления давлением водорода, который будет описан позднее. Первая камера 184 образована передней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 и внутренней поверхностью герметичного контейнера 173. Вторая камера 185 образована задней поверхностью теплогенерирующего элемента 14 и внутренней поверхностью герметичного контейнера 173. Хотя на ФИГ. 27 не показано, например, линия введения для введения газа на основе водорода, когда система 170 утилизации тепла работает, и линия сбора для сбора газа на основе водорода, когда систему 170 утилизации тепла останавливают, соединены с герметичным контейнером 173.
[0154]
Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода находится в первой камере 184. Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода выполнен из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава. Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода окклюдирует и выпускает водород. Окклюдирование и выпуск водорода, осуществляемые первым блоком 174 окклюдирования и выпуска водорода, последовательно переключают с помощью блока 182 управления давлением водорода, который будет описан ниже.
[0155]
Второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода находится во второй камере 185. Второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода выполнен из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава. Второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода окклюдирует и выпускает водород. Окклюдирование и выпуск водорода, осуществляемые вторым блоком 175 окклюдирования и выпуска водорода, последовательно переключают с помощью блока 182 управления давлением водорода, который будет описан ниже.
[0156]
Первый датчик 176 температуры находится в первом блоке 174 окклюдирования и выпуска водорода и детектирует температуру первого блока 174 окклюдирования и выпуска водорода. Второй датчик 177 температуры находится во втором блоке 175 окклюдирования и выпуска водорода и детектирует температуру второго блока 175 окклюдирования и выпуска водорода.
[0157]
Первый нагреватель 178 находится в первом блоке 174 окклюдирования и выпуска водорода и нагревает первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода. Первый нагреватель 178 электрически соединен с источником 187 питания и генерирует тепло за счет подачи электроэнергии от источника 187 питания. Второй нагреватель 179 находится во втором блоке 175 окклюдирования и выпуска водорода и нагревает второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода. Второй нагреватель 179 электрически соединен с источником 188 питания и генерирует тепло за счет подачи электроэнергии от источника 188 питания.
[0158]
Первый манометр 180 предусмотрен внутри первой камеры 184 и детектирует давление водорода в первой камере 184. Второй манометр 181 предусмотрен внутри второй камеры 185 и детектирует давление водорода во второй камере 185.
[0159]
Блок 182 управления давлением водорода электрически соединен с первым датчиком 176 температуры, вторым датчиком 177 температуры, первым манометром 180, вторым манометром 181, источником 187 питания и источником 188 питания.
[0160]
Блок 182 управления давлением водорода управляет температурой первого блока 174 окклюдирования и выпуска водорода на основании температуры, детектированной первым датчиком 176 температуры. Блок 182 управления давлением водорода включает источник 187 питания и регулирует входную электрическую мощность на первый нагреватель 178, в результате нагревая первый блок 174окклюдирования и выпуска водорода до заданной температуры. Блок 182управления давлением водорода выключает источник 187 питания, в результате охлаждая первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода. Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода может быть охлажден с использованием охлаждающего устройства (не показано).
[0161]
Блок 182 управления давлением водорода управляет температурой второго блока 175 окклюдирования и выпуска водорода на основании температуры, детектированной вторым датчиком 177 температуры. Блок 182 управления давлением водорода включает источник 188 питания и регулирует входную электрическую мощность на второй нагреватель 179, в результате нагревая второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода до заданной температуры. Блок 182 управления давлением водорода выключает источник 188 питания, в результате охлаждая второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода. Второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода может быть охлажден с использованием охлаждающего устройства (не показано).
[0162]
Блок 182 управления давлением водорода имеет первый режим, при котором давление водорода в первой камере 184 выше чем давление водорода во второй камере 185, и второй режим, при котором давление водорода во второй камере 185 выше чем давление водорода в первой камере 184.
[0163]
Как показано на ФИГ. 28, при первом режиме блок 182 управления давлением водорода нагревает первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода с помощью первого нагревателя 178 и охлаждает второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода. Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода нагревают, чтобы выпустить водород. В первой камере 184 давление повышается за счет выпуска водорода из первого блока 174 окклюдирования и выпуска водорода. С другой стороны, второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода охлаждают, чтобы окклюдировать водород. Во второй камере 185 давление снижается за счет окклюдирования водорода вторым блоком 175 окклюдирования и выпуска водорода. Как результат, давление водорода в первой камере 184 выше, чем давление водорода во второй камере 185. Водород в первой камере 184 проникает через теплогенерирующий элемент 14 и перемещается во вторую камеру 185 вследствие разности давлений водорода, созданной между первой камерой 184 и второй камерой 185. Теплогенерирующий элемент 14 генерирует избыточное тепло за счет проникновения водорода.
[0164]
Как показано на ФИГ. 29, при втором режиме блок 182 управления давлением водорода охлаждает первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода и нагревает второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода с помощью второго нагревателя 179. Первый блок 174 окклюдирования и выпуска водорода охлаждают, чтобы окклюдировать водород. В первой камере 184 давление снижается за счет окклюдирования водорода первым блоком 174 окклюдирования и выпуска водорода. С другой стороны, второй блок 175 окклюдирования и выпуска водорода нагревают, чтобы выпустить водород. Во второй камере 185 давление повышается за счет выпуска водорода из второго блока 175 окклюдирования и выпуска водорода. Как результат, давление водорода во второй камере 185 выше, чем давление водорода в первой камере 184. Водород во второй камере 185 проникает через теплогенерирующий элемент 14 и перемещается в первую камеру 184 вследствие разности давлений водорода, созданной между первой камерой 184 и второй камерой 185. Теплогенерирующий элемент 14 генерирует избыточное тепло за счет проникновения водорода.
[0165]
Блок 182 управления давлением водорода осуществляет управление переключением для переключения между первым режимом и вторым режимом. Далее описан пример управления переключением. Блок 182 управления давлением водорода переключается с первого режима на второй режим, когда давление, детектированное первым манометром 180, равно или ниже чем заданный порог в первом режиме. Блок 182 управления давлением водорода переключается со второго режима в первый режим, когда давление, детектированное вторым манометром 181, равно или ниже чем заданное давление во втором режиме. Блок 182 управления давлением водорода осуществляет управление переключением между первым режимом и вторым режимом, в результате чего переключает направления, в котором водород проникает через теплогенерирующий элемент 14, чтобы периодически продолжать выработку избыточного тепла в теплогенерирующем элементе 14. Таким образом, система 170 утилизации тепла проявляет те же эффекты, что и система 10 утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления. Поскольку в системе 170 утилизации тепла и теплогенерирующем устройстве 171 разность давлений водорода может быть создана между первой камерой и второй камерой без использования линии циркуляции водорода, может быть достигнута миниатюризация системы 170 утилизации тепла и теплогенерирующего устройства 171.
[0166]
Модификация 17
Хотя в системах утилизации тепла в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления и в описанных выше модификациях используют один теплогенерирующий элемент, может быть использовано множество теплогенерирующих элементов.
[0167]
Как показано на ФИГ. 30, система 190 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 191 и устройство 192 утилизации тепла. Устройство 192 утилизации тепла включает контейнер для размещения 41, блок 42 циркуляции теплоносителя и линию 149 сбора непроникшего газа.
[0168]
Теплогенерирующее устройство 191 включает множество теплогенерирующих элементов 14, герметичный контейнер 193, который вмещает множество теплогенерирующих элементов 14, и т.п. Каждый из множества теплогенерирующих элементов 14 имеет пластинчатую форму. Множество теплогенерирующих элементов 14 имеют между собой зазор, так что их поверхности обращены друг к другу. В этой модификации шесть теплогенерирующих элементов 14 находится внутри герметичного контейнера 193 (см. ФИГ. 30 и 31). Нагреватель 16b блока регулирования температуры (не показан) предусмотрен на внешней периферии герметичного контейнера 193. Нагреватель 16b нагревает множество теплогенерирующих элементов 14 за счет подачи электроэнергии от источника питания (не показан).
[0169]
Герметичный контейнер 193 снабжен множеством отверстий 23 для введения, множеством отверстий 24 для сбора и множеством отверстий 151 для сбора непроникшего газа. Отверстие 23 для введения расположено напротив отверстия 151 для сбора непроникшего газа. Отверстия 24 для сбора и отверстия 151 для сбора непроникшего газа расположены поочередно в направлении расположения множества теплогенерирующих элементов 14. Множество отверстий 23 для введения соединены с линией 29 введения с использованием, например, патрубка для введения газа (не показан). Множество отверстий 24 для сбора соединены с линией 30 сбора с использованием, например, патрубка для введения газа (не показан).
[0170]
Герметичный контейнер 193 имеет множество первых камер 194 и множество вторых камер 195, разделенных множеством теплогенерирующих элементов 14. Первые камеры 194 и вторые камеры 195 расположены поочередно в направлении расположения множества теплогенерирующих элементов 14. Первая камера 194 имеет отверстие 23 для введения и отверстие 151 для сбора непроникшего газа. Вторая камера 195 имеет отверстие 24 для сбора. В первой камере 194 давление повышают путем введения газа на основе водорода. Во второй камере 195 давление снижают за счет сбора газа на основе водорода. Соответственно, давление водорода в первой камере 194 выше чем давление водорода во второй камере 195.
[0171]
Как показано на ФИГ. 31, вследствие разности давлений водорода, созданной между первой камерой 194 и второй камерой 195, часть газа на основе водорода, введенного в первую камеру 194, проникает через теплогенерирующий элемент 14, перемещается во вторую камеру 195 и выводится в линию 30 сбора. С другой стороны, непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 14, помимо газа на основе водорода, введенного в первую камеру 194, выводится в линию 149 сбора непроникшего газа. Каждый из теплогенерирующих элементов 14 генерирует избыточное тепло за счет проникновения газа на основе водорода. Таким образом, система 190 утилизации тепла может повышать выход избыточного тепла за счет обеспечения множества теплогенерирующих элементов 14.
[0172]
Модификация 18
В модификация 17 непроникший газ, который не проник через теплогенерирующий элемент 14, собирают в линию 149 сбора непроникшего газа и возвращают в линию 29 введения, чтобы обеспечить циркуляцию непроникшего газа. Однако в модификации 18 непроникший газ не циркулирует.
[0173]
Как показано на ФИГ. 32, система 200 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 201 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 201 включает множество теплогенерирующих элементов 14 и герметичный контейнер 202, который вмещает множество теплогенерирующих элементов 14. Герметичный контейнер 202 отличает от герметичного контейнера 193 в соответствии с модификацией 17 тем, что герметичный контейнер 202 имеет множество отверстий 23 для введения и множество отверстий 24 для сбора и не имеет отверстия 151 для сбора непроникшего газа.
[0174]
Газ на основе водорода, введенный в первую камеру 194, проникает через теплогенерирующий элемент 14, перемещается во вторую камеру 195 и собирается в линию 30 сбора. Каждый из теплогенерирующих элементов 14 генерирует избыточное тепло за счет проникновения газа на основе водорода. Таким образом, подобно модификации 17 система 200 утилизации тепла может повышать выход избыточного тепла за счет обеспечения множества теплогенерирующих элементов 14.
[0175]
Модификация 19
Как показано на ФИГ. 33, система 205 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 206 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 206 включает множество теплогенерирующих элементов 90 и герметичный контейнер 207, который вмещает множество теплогенерирующих элементов 90. В этой модификации девять теплогенерирующих элементов 90, каждый имеющий цилиндрическую форму с дном, находится внутри герметичного контейнера 207 (см. ФИГ. 34). Теплогенерирующий элемент 90 установлен в герметичном контейнере 207 посредством монтажной трубы 97. Герметичный контейнер 207 снабжен множеством отверстий 23 для введения и одним отверстием 24 для сбора. Нагреватель 16b блока регулирования температуры (не показан) предусмотрен на внешней периферии герметичного контейнера 207. Нагреватель 16b нагревает множество теплогенерирующих элементов 90 путем подачи электроэнергии от источника питания (не показан).
[0176]
Как показано на ФИГ. 34, теплогенерирующее устройство 206 также включает патрубок 208 для введения газа. Один конец патрубка 208 для введения газа соединен с линией 29 введения, и его другой конец разветвлен и соединен со множеством отверстий 23 для введения. Патрубок 208 для введения газа и множество отверстий 23 для введения могут быть отсоединены друг от друга. Патрубок 208 для введения газа направляет газ на основе водорода, циркулирующий через линию 29 введения, ко множеству отверстий 23 для введения. Число разветвлений патрубка 208 для введения газа может быть соответствующим образом спроектировано в зависимости от числа используемых теплогенерирующих элементов 90.
[0177]
Герметичный контейнер 207 включает множество первых камер 209 и одну вторую камеру 210 (см. ФИГ. 33). Во множестве первых камер 209 давление повышают путем введения газа на основе водорода. Во второй камере 210 давление снижают за счет выведения газа на основе водорода. Соответственно, давление водорода во множестве первых камер 209 выше, чем давление водорода во второй камере 210. Вследствие разности давлений водорода, созданной между первыми камерами 209 и второй камерой 210, газ на основе водорода, введенный в первые камеры 209, проникает через теплогенерирующие элементы 14, перемещается во вторую камеру 210 и собирается в линию 30 сбора. Каждый из теплогенерирующих элементов 90 генерирует избыточное тепло за счет проникновения газа на основе водорода. Таким образом, система 205 утилизации тепла может повышать выход избыточного тепла за счет обеспечения множества теплогенерирующих элементов 90.
[0178]
Модификация 20
В модификация 19 температуры множества теплогенерирующих элементов 90 регулируют совместно с использованием нагревателя 16b, предусмотренного на внешней периферии герметичного контейнера 207. Однако в модификация 20 температуры теплогенерирующих элементов 90 регулируют независимо.
[0179]
Как показано на ФИГ. 35, система 215 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 216 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 216 включает множество теплогенерирующих элементов 90, герметичный контейнер 207, патрубок 208 для введения газа, множество датчиков 217 температуры, множество нагревателей 218, блок 18 управления и источник питания (не показан).
[0180]
Датчик 217температуры находится на теплогенерирующем элементе 90. Один датчик 217 температуры предусмотрен на одном теплогенерирующем элементе 90. То есть, температуру одного теплогенерирующего элемента 90 детектируют с помощью одного датчика 217 температуры. Множество датчиков 217 температуры электрически соединены с блоком 18 управления, и сигнал, соответствующий детектированной температуре каждого из теплогенерирующих элементов 90, представляет собой выход на блок 18 управления.
[0181]
Нагреватели 218 предусмотрены на разветвленных концах патрубка 208 для введения газа. Множество нагревателей 218 электрически соединены с источником питания (не показан). Нагреватель 218 генерирует тепло путем подачи электроэнергии от источника питания.
[0182]
Блок 18 управления независимо управляет выходными параметрами каждого из нагревателей 218 на основании температуры, детектированной каждым из датчиков 217 температуры. Таким образом, поскольку система 215 утилизации тепла независимо регулирует температуру каждого из теплогенерирующих элементов 90 и поддерживает множество теплогенерирующих элементов 90 при соответствующих температурах для выработки тепла, выход избыточного тепла может быть стабилизирован.
[0183]
Модификация 21
Как показано на ФИГ. 36, система 220 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 221 и устройство 12 утилизации тепла. Теплогенерирующее устройство 221 включает множество теплогенерирующих ячеек 222, патрубок 208 для введения газа, патрубок 224 для сбора газа, линию 17 циркуляции водорода, блок управления (не показан), источник питания (не показан) и т.п. Теплогенерирующая ячейка 222 представляет собой ячейку, в которой теплогенерирующий элемент 90, герметичный контейнер 225, блок 226 введения газа, блок 227 выпуска газа, датчик 228 температуры и нагреватель 229 составлены из модулей в виде одного блока. Блок управления (не показан) электрически соединен с датчиком 228 температуры, нагревателем 229 и источником питания (не показан) и управляет выходными параметрами нагревателя 229 на основании температуры, детектированной датчиком 228 температуры. Блок управления регулирует входную электрическую мощность к нагревателю 229 для каждой из теплогенерирующих ячеек 222, в результате поддерживая каждый из теплогенерирующих элементов 90 при соответствующей температуре для выработки тепла.
[0184]
Как показано на ФИГ. 37, один конец патрубка 208 для введения газа соединен с линией 29 введения линии 17 циркуляции водорода, и его другой конец разветвлен и соединен с блоками 226 введения газа множества теплогенерирующих ячеек 222. Патрубок 208 для введения газа и блок 226 введения газа могут быть отсоединены друг от друга. Один конец патрубка 224 для сбора газа соединен с линией 30 сбора линии 17 циркуляции водорода, и его другой конец разветвлен и соединен с блоками 227 выпуска газа множества теплогенерирующих ячеек 222. Патрубок 224 для сбора газа и блок 227 выпуска газа могут быть отсоединены друг от друга. Число разветвлений патрубка 208 для введения газа и число разветвлений патрубка 224 для сбора газа могут быть соответствующим образом спроектированы в зависимости от числа используемых теплогенерирующих ячеек 222.
[0185]
Каждая конфигурация теплогенерирующих ячеек 222 описана со ссылкой на ФИГ. 36 и 37. Герметичный контейнер 225 представляет собой полый контейнер, имеющий цилиндрическую форму, и вмещает теплогенерирующий элемент 90. Блок 226 введения газа находится на одном конце герметичного контейнера 225 в осевом направлении. Блок 226 введения газа соединен с линией 29 введения через патрубок 208 для введения газа. Блок 226 введения газа вводит газ на основе водорода, циркулирующий через линию 29 введения, в герметичный контейнер 225. Блок 227 выпуска газа находится на другом конце герметичного контейнера 225 в осевом направлении. Блок 227 выпуска газа соединен с линией 30 сбора через патрубок 224 для сбора газа. Блок 227 выпуска газа выпускает газ на основе водорода в герметичным контейнере 225 из линии 30 сбора наружу из герметичного контейнера 225. Датчик 228 температуры предусмотрен внутри герметичного контейнера 225 и детектирует температуру теплогенерирующего элемента 90. Нагреватель 229 предусмотрен на блоке 226 введения газа и нагревает теплогенерирующий элемент 90 путем нагревания газа на основе водорода, циркулирующего через блок 226 введения газа.
[0186]
Герметичный контейнер 225 имеет первые камеры 231 и вторые камеры 232, разделенные теплогенерирующими элементами 90 (см. ФИГ. 36). Первая камера 231 имеет отверстие для введения (не показано) и давление в ней повышают путем введения газа на основе водорода. Вторая камера 232 имеет отверстие для сбора (не показано) и давление в ней снижают за счет сбора газа на основе водорода. Соответственно, давление водорода в первой камере 231 выше чем давление водорода во второй камере 232. Газ на основе водорода, введенный в первую камеру 231, проникает через теплогенерирующий элемент 90 и перемещается во вторую камеру 232 вследствие разности давлений водорода, созданной между первой камерой 231 и второй камерой 232. Теплогенерирующий элемент 90 генерирует избыточное тепло за счет проникновения газа на основе водорода.
[0187]
Теплогенерирующая ячейка 222 представляет собой ячейку, в которой герметичный контейнер 225, блок 226 введения газа, блок 227 выпуска газа, датчик 228 температуры и нагреватель 229 составлены из модулей в виде одного блока, и может быть соединена с возможностью отсоединения с линией 17 циркуляции водорода через патрубок 208 для введения газа и патрубок 224 для сбора газа. Таким образом, так как число теплогенерирующих ячеек 222 может быть изменено в зависимости от назначения, система 220 утилизации тепла и теплогенерирующее устройство 221 имеют превосходную степень гибкости конструкции.
[0188]
Модификация 22
Помимо элементов теплогенерирующего устройства 221 в соответствии с модификацией 21 теплогенерирующее устройство 236, показанное на ФИГ. 38, дополнительно включает включает множество клапанов 237 регулирования расхода. Множество клапанов 237 регулирования расхода предусмотрено на патрубке 208 для введения газа. Клапан 237 регулирования расхода представляет собой, например, переменный напускной клапан. Теплогенерирующее устройство 236 включает один клапан 237 регулирования расхода в одной теплогенерирующей ячейке 222, так что циркуляционный расход газа на основе водорода можно регулировать в каждой из теплогенерирующих ячеек 222.
[0189]
Блок 18 управления регулирует циркуляционный расход газа на основе водорода для каждой из теплогенерирующих ячеек 222, осуществляя в результате управление тепловыделением, чтобы поддерживать температуру теплогенерирующего элемента 90 при соответствующей температуре для выработки тепла. Далее описан пример управления тепловыделением, осуществляемый блоком 18 управления.
[0190]
Далее описан пример, в котором управление тепловыделением осуществляют на основании температуры, детектированной датчиком 228 температуры. При начале работы теплогенерирующего устройства 236 блок 18 управления устанавливает входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на заданные начальные установленные значения. Соответственно, растет температура теплогенерирующего элемента 90 до соответствующей температуры для выработки тепла.
[0191]
Блок 18 управления получает температуру, детектированную датчиком 228 температуры, и сравнивает полученную температуру с опорной температурой. Опорная температура представляет собой температуру, при которой теплогенерирующий элемент 90, как можно предположить, не генерирует избыточное тепло, и заранее сохранена в блоке 18 управления. Например, в качестве опорной температуры в блоке 18 управления хранится температура нагревания нагревателя 229.
[0192]
Когда температура, полученная от датчика 228 температуры, равна или ниже, чем опорная температура, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло не вырабатывается. При определении, что избыточное тепло не вырабатывается, блок 18 управления поддерживает входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на начальных установочных значениях. Соответственно, можно стимулировать выработку избыточного тепла в теплогенерирующем элементе 90, который не вырабатывает избыточное тепло.
[0193]
С другой стороны, когда температура полученная от датчика 228 температуры, выше, чем опорная температура, блок 18 управления определяет, что вырабатывается избыточное тепло. При определении, что избыточное тепло вырабатывается, блок 18 управления повышает циркуляционный расход газа на основе водорода, который вводят в теплогенерирующую ячейку 222, путем повышения степени открытия клапана 237 регулирования расхода. Избыточное тепло вырабатывается, так что температура теплогенерирующего элемента 90 выше чем соответствующая температура для выработки тепла. Теплогенерирующий элемент 90 охлаждают путем повышения циркуляционного расхода газа на основе водорода и возвращают к соответствующей температуре для выработки тепла. Соответственно, выход избыточного тепла может быть увеличен в теплогенерирующем элементе 90, который генерирует избыточное тепло.
[0194]
Когда включены теплогенерирующая ячейка 222, в которой избыточное тепло не генерируется, и теплогенерирующая ячейка 222, в которой избыточное тепло генерируется, теплогенерирующее устройство 236 может стимулировать экзотермическую реакцию в теплогенерирующей ячейке 222, в которой избыточное тепло генерируется, путем осуществления управления тепловыделением для каждой из теплогенерирующих ячеек 222. Таким образом, выход избыточного тепла во всем устройстве может быть надежно и легко стабилизирован.
[0195]
В модификация 22, когда теплогенерирующая ячейка 222, в которой не генерируется избыточное тепло, и теплогенерирующая ячейка 222, в которой избыточное тепло генерируется, включены, управление тепловыделением проводят для теплогенерирующей ячейки 222, в которой избыточное тепло генерируется. Однако теплогенерирующая ячейка 222, в которой не генерируется избыточное тепло, включает теплогенерирующую ячейку 222, в которой экзотермическая реакция не происходит вообще, и теплогенерирующую ячейку 222, в которой экзотермическая реакция является недостаточной. Для теплогенерирующей ячейки 222, в которой экзотермическая реакция недостаточна и избыточное тепло не генерируется, может быть выполнено управление тепловыделением, чтобы стимулировать экзотермическую реакцию для выработки избыточного тепла. Таким образом, из теплогенерирующей ячейки 222, в которой не генерируется избыточное тепло, и теплогенерирующей ячейки 222, в которой избыточное тепло генерируется, теплогенерирующее устройство 236 может выполнять управление тепловыделением на теплогенерирующей ячейке 222, в которой не генерируется избыточное тепло. Таким образом, число теплогенерирующих ячеек 222, в которых избыточное тепло генерируется, может быть увеличено, и, следовательно, может быть увеличен выход избыточного тепла всего устройства.
[0196]
Модификация 23
В модификация 23 газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 90, отбирают в качестве образца, отобранный газ на основе водорода анализируют, а управление тепловыделением проводят на основании результатов анализа.
[0197]
Помимо элементов теплогенерирующего устройства 221 в модификация 21 теплогенерирующее устройство 241, показанное на ФИГ. 39, дополнительно включает множество труб для отбора образцов 242, множество регулирующих клапанов 243, молекулярный турбонасос 244, сухой насос 245 и блок 246 анализа.
[0198]
Множество труб для отбора образцов 242 соединяют вторые камеры 232 множества теплогенерирующих ячеек 222 и блок 246 анализа. Газ на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 90, проходит в трубу для отбора образцов 242. Труба 242 для отбора образцов снабжена регулирующими клапанами 243, блоком 246 анализа, турбомолекулярным насосом 244 и сухим насосом 245 по порядку от стороны соединения со второй камерой 232. Регулирующий клапан 243 регулирует расход газа на основе водорода, проходящий в трубу 242 для отбора образцов. Турбомолекулярный насос 244 и сухой насос 245 откачивают газ внутри трубы 242 для отбора образцов, вследствие чего газ на основе водорода во второй камере 232 проходит в трубу 242 для отбора образцов.
[0199]
Для каждой из теплогенерирующих ячеек 222 блок 246 анализа отбирает образец газа на основе водорода, который проник через теплогенерирующий элемент 90, и анализирует отобранный газ на основе водорода. В результате анализа блок 246 анализа устанавливает, содержит ли газ на основе водорода, например, газ, однозначно выработанный экзотермической реакцией в теплогенерирующем элементе 90. Блок 246 анализа электрически соединен с блоком 18 управления и выдает результаты анализа на блок 18 управления. При необходимости может быть задан временной интервал, когда блок 246 анализа выполняет анализ.
[0200]
На основании результатов анализа блока 246 анализа блок 18 управления выполняет управление тепловыделением, чтобы поддерживать температуру теплогенерирующего элемента 90 при соответствующей температуре для выработки тепла, путем регулирования циркуляционного расхода газа на основе водорода для каждой из теплогенерирующих ячеек 222.
[0201]
Далее описан пример, в котором управление тепловыделением осуществляют на основании результатов анализа блока 246 анализа. При начале работы теплогенерирующего устройства 241 блок 18 управления устанавливает входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на заданные начальные установочные значения. Соответственно, температура теплогенерирующего элемента 90 растет до соответствующей температуры для выработки тепла.
[0202]
Блок 18 управления получает результаты анализа блока 246 анализа, то есть, результат, устанавливающий, содержит ли газ на основе водорода генерируемый газ. Когда газ на основе водорода не содержит генерируемый газ, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло не генерируется. При определении, что избыточное тепло не генерируется, блок 18 управления сохраняет входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на начальных установочных значениях. Соответственно, можно стимулировать выработку избыточного тепла в теплогенерирующем элементе 90, который не вырабатывает избыточное тепло.
[0203]
С другой стороны, когда газ на основе водорода содержит генерируемый газ, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло генерируется. При определении, что избыточное тепло генерируется, блок 18 управления повышает циркуляционный расход газа на основе водорода, который вводят в теплогенерирующие ячейки 222, путем увеличения степени открытия клапана 237 регулирования расхода. Температуру теплогенерирующего элемента 90, которая была повышена вследствие генерации избыточного тепла, возвращают к соответствующей температуре для выработки тепла путем увеличения циркуляционного расхода газа на основе водорода. Соответственно, выход избыточного тепла может быть увеличен в теплогенерирующем элементе 90, который вырабатывает избыточное тепло. Таким образом, поскольку теплогенерирующее устройство 241 осуществляет управление тепловыделением для каждой из теплогенерирующих ячеек 222, объем тепловыделения всего устройства может быть стабилизирован.
[0204]
Из теплогенерирующей ячейки 222, в которой не генерируется избыточное тепло, и теплогенерирующей ячейки 222, в которой избыточное тепло генерируется, теплогенерирующее устройство 241 может осуществляет управление тепловыделением на теплогенерирующей ячейке 222, в которой не генерируется избыточное тепло. Соответственно, число теплогенерирующих ячеек 222, в которых избыточное тепло генерируется, может быть увеличено, и, следовательно, выход избыточного тепла всего устройства может быть увеличен.
[0205]
Блок 246 анализа может анализировать ингибитор, содержащийся в газе на основе водорода. Ингибитор представляет собой газ (далее называют ингибирующим газом), который ингибирует экзотермическую реакцию теплогенерирующего элемента 90. Примеры ингибитора включают воду (в том числе пар) и углеводороды. Когда ингибитор анализируют, например, масс-спектрометр, такой как квадрупольный масс-спектрометр, используют в качестве блока 246 анализа. Блок 246 анализа осуществляет анализ масс на ингибирующем газе, и выводит, например, ионный ток или парциальное давление газа для ингибирующего газа, в качестве результата анализа. Блок 18 управления выполняет управление тепловыделением на основании результатов анализа на ингибиторе. Блок 18 управления повышает или снижает циркуляционный расход газа на основе водорода, например, на основании ионного тока ингибирующего газа. Соответственно, ингибирующий газ надежно выпускают из внутреннего пространства герметичного контейнера 225, а внутреннее пространство герметичного контейнера 225 сохраняется чистым. Таким образом, выход избыточного тепла может быть увеличен. Кроме того, блок 18 управления повышает температуру нагревания нагревателя 229, чтобы предупредить снижение температуры теплогенерирующего элемента 90 из-за повышения циркуляционного расхода газа на основе водорода. Соответственно, так как температуру теплогенерирующего элемента 90 поддерживают при соответствующей температуре для выработки тепла, выход избыточного тепла может быть дополнительно увеличен.
[0206]
Блок 246 анализа может выполнять анализ масс на адсорбционном примесном газе, содержащемся в газе на основе водорода. Блок 246 анализа выводит, например, концентрацию примесного газа в качестве результата анализа. В этом случае блок управления 18 повышает циркуляционный расход газа на основе водорода, когда концентрация примесного газа низкая. С другой стороны, блок 18 управления повышает температуру нагревания нагревателя 229, когда концентрация примесного газа низкая. Соответственно, температура теплогенерирующего элемента 90 может быть поддержана при соответствующей температуре для выработки тепла, и выход избыточного тепла может быть увеличен.
[0207]
Модификация 24
В модификация 24 измеряют электрическое сопротивление водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, и управление тепловыделением проводят на основании значения измеренного электрического сопротивления.
[0208]
Помимо элементов теплогенерирующего устройства 221 в соответствии с модификацией 21 теплогенерирующее устройство 251, показанное на ФИГ. 40, дополнительно включает множество блоков 252 измерения электрического сопротивления. На ФИГ. 40 датчик 228температуры отсутствует. Каждый из теплогенерирующих элементов 90 снабжен одним блоком 252 измерения электрического сопротивления. Блок 252 измерения электрического сопротивления измеряет электрическое сопротивление водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава теплогенерирующего элемента 90. В данном случае, чем больше количество накопленного водорода для водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, чем более вероятно имеет место экзотермическая реакция в теплогенерирующем элементе 90. Чем больше количество накопленного водорода для водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, тем меньше электрическое сопротивление теплогенерирующего элемента 90. Таким образом, количество накопленного водорода может быть оценено путем измерения электрического сопротивления водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава теплогенерирующего элемента 90. Множество блоков 252 измерения электрического сопротивления электрически соединены с блоком 18 управления и выдают результат измерения электрического сопротивления на блок 18 управления.
[0209]
На основании значения электрического сопротивления, измеренного блоком 252 измерения электрического сопротивления, блок 18 управления выполняет управление тепловыделением, чтобы поддержать температуру теплогенерирующего элемента 90 при соответствующей температуре для выработки тепла, путем регулирования циркуляционного расхода газа на основе водорода для каждой из теплогенерирующих ячеек 222.
[0210]
Далее описан пример, в котором управление тепловыделением осуществляют на основании значения электрического сопротивления, измеренного блоком 252 измерения электрического сопротивления. При начале работы теплогенерирующего устройства 251 блок 18 управления устанавливает входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на заданные начальные установочные значения. Соответственно, температура теплогенерирующего элемента 90 растет до соответствующей температуры для выработки тепла.
[0211]
Блок 18 управления получает результат измерения блока 252 измерения электрического сопротивления, то есть, значение электрического сопротивления, и сравнивает полученное значение электрического сопротивления с заданным пороговым значением.
[0212]
Когда значение электрического сопротивления, полученное от блока 252 измерения электрического сопротивления, равно или больше, чем пороговое значение, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло не генерируется. Можно предположить, что это обусловлено чем, что избыточное тепло не генерируется, так как количество накопленного водорода в теплогенерирующем элементе 90 является небольшим, когда значение электрического сопротивления высокое. При определении, что избыточное тепло не генерируется, блок 18 управления сохраняет входную электрическую мощность на нагреватель 229 и степень открытия клапана 237 регулирования расхода на начальных установочных значениях. Соответственно, можно стимулировать выработку избыточного тепла в теплогенерирующем элементе 90, который избыточное тепло не генерирует.
[0213]
С другой стороны, когда значение электрического сопротивления, полученное от блока 252 измерения электрического сопротивления, меньше, чем пороговое значение, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло генерируется. Можно предположить, что это обусловлено тем, что избыточное тепло генерируется, так как количество накопленного водорода в теплогенерирующем элементе 90 является высоким, когда значение электрического сопротивления низкое. При определении, что избыточное тепло генерируется, блок 18 управления повышает циркуляционный расход газа на основе водорода, который вводят в в теплогенерирующие ячейки 222, за счет увеличения степени открытия клапана 237 регулирования расхода. Температуру теплогенерирующего элемента 90, которая была повышена из-за генерирования избыточного тепла, возвращают к соответствующей температуре для выработки тепла путем повышения циркуляционного расхода газа на основе водорода. Когда теплогенерирующий элемент 90 поддерживают при соответствующей температуре для выработки тепла, растет количество накопленного водорода для водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и стимулируется экзотермическая реакция. Соответственно, выход избыточного тепла может быть увеличен в теплогенерирующем элементе 90, который генерирует избыточное тепло. Таким образом, так как теплогенерирующее устройство 251 осуществляет управление тепловыделением для каждой теплогенерирующей ячейки 222, объем тепловыделения всего устройства может быть стабилизирован.
[0214]
Из теплогенерирующей ячейки 222, в которой не генерируется избыточное тепло, и теплогенерирующей ячейки 222, в которой избыточное тепло генерируется, теплогенерирующее устройство 251 может осуществлять управление тепловыделением на теплогенерирующей ячейке 222, в которой избыточное тепло не генерируется. Соответственно, число теплогенерирующих ячеек 222, в которых избыточное тепло генерируется, может быть увеличено, и, следовательно, выход избыточного тепла всего устройства может быть увеличен.
[0215]
Модификация 25
Как показано на ФИГ. 41, теплогенерирующее устройство 256 включает теплогенерирующий элемент 14, множество датчиков температуры от 257a до 257i, которые детектируют температуру теплогенерирующего элемента 14, и множество насадочных частей от 258a до 258i, которые впрыскивают газ на основе водорода на переднюю поверхность теплогенерирующего элемента 14. В этой модификации газ на основе водорода выпускают из множества насадочных частей от 258a до 258i на один теплогенерирующий элемент 14. На ФИГ. 41 герметичный контейнер 15 не приведен.
[0216]
Множество датчиков температуры от 257a до 257i расположены в виде массива. На ФИГ. 41 девять датчиков 257a-257i температуры двумерно расположены с равными интервалами на задней поверхности теплогенерирующего элемента 14. Множество датчиков 257a-257i температуры детектируют температуры множества из целевых областей измерения температуры от R1 до R9, образованных путем деления теплогенерирующего элемента 14. Например, датчик 257a температуры детектирует температуру целевой области измерения температуры R1. Целевые области измерения температуры R1-R9 поделены с помощью граничных линий. Граничная линия проходит через середину соседних датчиков температуры среди датчиков 257a-257i температуры. Граничная линия является концептуальной линией. В приведенном ниже описании в случае, если они не отличаются друг от друга, датчики 257a-257i температуры упоминаются как датчики 257 температуры. В случае, если они не отличаются друг от друга, целевые области измерения температуры R1-R9 называют целевыми областями измерения температуры R.
[0217]
Множество насадочных частей 258a-258i предусмотрены соответственно в целевых областях измерения температуры R1-R9. На ФИГ. 41 девять насадочных областей 258a-258i соответствуют целевым областям измерения температуры R1-R9. В приведенном ниже описании, в случае, если они не отличаются друг от друга, насадочные части 258a-258i упоминаются как насадочные части 258.
[0218]
ФИГ. 42 представляет вид продольного поперечного сечения, проходящего через центр теплогенерирующего элемента 14 на ФИГ. 41. ФИГ. 42 показывает датчики 257b, 257e и 257h температуры среди датчиков 257a-257i температуры и насадочные части 258b, 258e и 258h среди насадочных частей 258a-258i. Как показано на ФИГ. 42, датчики 257 температуры электрически соединены с блоком 18 управления и выдают сигналы, соответствующие температурам целевых областей измерения температуры R на блок 18 управления. Насадочные части 258 монтируют на монтажной пластине 259, предусмотренной у отверстия 23 для введения герметичного контейнера 15. Насадочные части 258 соединены с линией 29 введения через отверстие 23 для введения и выпускают газ на основе водорода на переднюю поверхность теплогенерирующего элемента 14.
[0219]
Теплогенерирующее устройство 256 дополнительно включает блок 18 управления, патрубок 208 для введения газа и множество клапанов 237 регулирования расхода. Один конец патрубка 208 для введения газа соединен с линией 29 введения, и его другой конец разветвлен и соединен с множеством насадочных частей 258. Патрубок 208 для введения газа и множество насадочных частей 258 могут быть отсоединены друг от друга. Множество клапанов 237 регулирования расхода предусмотрены на патрубке 208 для введения газа. Теплогенерирующее устройство 256 включает один клапан 237 регулирования расхода для одной насадочной части 258, так что циркуляционным расходом газа на основе водорода можно управлять для каждой насадочной части 258.
[0220]
На основании температур, детектированных множеством датчиков 257 температуры, блок 18 управления выполняет управление изменениями, чтобы изменить насадочную часть 258, которая впрыскивает газ на основе водорода. Управление изменениями описано ниже.
[0221]
Когда теплогенерирующее устройство 256 начинает работать, блок 18 управления устанавливает входную электрическую мощность на нагревателе (не показан) и степень открытия всех клапанов 237 регулирования расхода на заданные начальные установочные значения. Соответственно, температура теплогенерирующего элемента 14 растет до соответствующей температуры для выработки тепла. При начальных установочных значениях газ на основе водорода выпускают из всех насадочных частей 258. Нагреватель (не показан) предусмотрен на внешней периферии герметичного контейнера 15 как, например, в теплогенерирующем устройстве 11 в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления.
[0222]
Блок 18 управления получает температуры, детектированные датчиками 257 температуры, и сравнивает каждую из полученных температур с опорной температурой. Опорная температура представляет собой, например, температуру, при которой, как можно предположить, избыточное тепло не генерируется в целевых областях измерения температуры R. Опорная температура заранее сохраняется в блоке 18 управления для каждой из целевых областей измерения температуры R.
[0223]
Когда температура, полученная от датчика 257 температуры, равна или ниже чем опорная температура, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло не генерируется в целевой области измерения температуры R, в которой измерена температура. Блок 18 управления сохраняет на начальных установочных значениях входную электрическую мощность на нагреватель (не показан) и степень открытия клапана 237 регулирования расхода, соответствующего целевой области измерения температуры R, в которой определено, что избыточное тепло не генерируется. Соответственно, в теплогенерирующем элементе 14 выработка избыточного тепла может быть простимулирована в целевой области измерения температуры R, в которой не генерируется избыточное тепло.
[0224]
С другой стороны, когда температура, полученная от датчика 257 температуры, выше чем опорная температура, блок 18 управления определяет, что избыточное тепло генерируется в целевой области измерения температуры R, в которой измерена температура. Блок 18 управления увеличивает степень открытия клапана 237 регулирования расхода, соответствующего целевой области измерения температуры R, в которой определено, что генерируется избыточное тепло, чтобы увеличить расход газа на основе водорода, выпускаемого из насадочной части 258 к целевой области измерения температуры R. Температуру целевой области измерения температуры R, которая была повышена из-за генерации избыточного тепла, возвращают к соответствующей температуре для выработки тепла путем увеличения циркуляционного расхода газа на основе водорода. Соответственно, выход избыточного тепла может быть увеличен в целевой области измерения температуры R, в которой генерируется избыточное тепло.
[0225]
Теплогенерирующее устройство 256 выполняет управление изменениями для множества целевых областей измерения температуры R, чтобы изменить насадочные части 258, которые выпускают газ на основе водорода, в соответствии с состоянием тепловыделения теплогенерирующего элемента 14, которое меняется со временем. Таким образом, выход избыточного тепла теплогенерирующего элемента 14 может быть стабилизирован.
[0226]
Из целевой области измерения температуры R, в которой не генерируется избыточное тепло, и целевой области измерения температуры R, в которой избыточное тепло генерируется, теплогенерирующее устройство 256 осуществляет управление тепловыделением в целевой области измерения температуры R, в которой не генерируется избыточное тепло. Соответственно, число целевых областей измерения температуры R, в которых избыточное тепло генерируется, может быть увеличено, и, следовательно, выход избыточного тепла всех теплогенерирующих элементов 14 и всего устройство может быть увеличен.
[0227]
Теплогенерирующее устройство 256 может включать множество теплогенерирующих элементов 14. Выход избыточного тепла всего устройства может быть также увеличен за счет выполнения управления тепловыделением для каждого из теплогенерирующих элементов 14.
[0228]
Модификация 26
Как показано на ФИГ. 43, система 260 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 11 и устройство 261 утилизации тепла. На ФИГ. 43 блок регулирования температуры, линия циркуляции водорода, блок управления и т.п. теплогенерирующего устройства 11 опускают. В модификации 26 в качестве теплоносителя используют воду.
[0229]
Устройство 261 утилизации тепла включает контейнер для размещения 41, блок 42 циркуляции теплоносителя и паровую турбину 45. Воду подают в контейнер для размещения 41. Образуется пространство над поверхностью воды в контейнере для размещения 41. В контейнере для размещения 41 происходит теплообмен между водой и теплогенерирующим элементом 14, и вода закипает, генерируя пар. Блок 42 циркуляции теплоносителя включает паровую трубу 42g и трубу 42h подачи воды вместо первой трубы 42a, второй трубы 42b, третьей трубы 42c, четвертой трубы 42d, насоса 42e и блока 42f управления расходом теплоносителя. Паровая труба 42g подает пар, образованный в контейнере для размещения 41, на паровую турбину 45. Труба 42h подачи воды включает конденсатор (не показан) и насос подачи воды (не показан). Пар, выпущенный из паровой турбины 45 охлаждают с помощью конденсатора и возвращают в воду, а воду подают в контейнер для размещения 41 насосом для подачи воды. Паровая турбина 45 соединена с генератором мощности 49 через вал вращения. Паровую турбину 45 вращают, генерируя электрическую энергию.
[0230]
Эксперимент
Часть конфигураций теплогенерирующего устройства 121 (см. ФИГ. 18) в соответствии с модификацией 9 меняют, чтобы подготовить экспериментальное теплогенерирующее устройство. Эксперимент проводят, чтобы оценить избыточное тепло теплогенерирующего элемента с помощью экспериментального теплогенерирующего устройства. Вначале описано экспериментальное теплогенерирующее устройство, а затем описан экспериментальный метод и результаты эксперимента.
[0231]
В теплогенерирующем устройстве 121 в соответствии с модификацией 9 газ на основе водорода циркулируют с использованием линии 17 циркуляции водорода, тогда как в экспериментальном теплогенерирующем устройстве вместо линии 17 циркуляции водорода отдельно предусмотрены линия введения и линия сбора и газ на основе водорода не циркулируют.
[0232]
В теплогенерирующем устройстве 121 в соответствии с модификацией 9 электрический нагревательный провод в качестве нагревателя 16b намотан вокруг внешней периферии монтажной трубы 125, тогда как в экспериментальном теплогенерирующем устройстве предусмотрена электрическая печь, чтобы покрыть внешнюю периферию герметичного контейнера.
[0233]
В теплогенерирующем устройстве 121 в соответствии с модификацией 9 используют теплогенерирующий элемент 14, в котором многослойная пленка 62 предусмотрена только на передней поверхности опорного элемента 61, тогда как в экспериментальном теплогенерирующем устройстве вместо теплогенерирующего элемента 14, используют теплогенерирующий элемент, в котором многослойная пленка предусмотрена на двух сторонах опорного элемента.
[0234]
Экспериментальное теплогенерирующее устройство описано подробно. Экспериментальное теплогенерирующее устройство включает теплогенерирующий элемент, который вырабатывает тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода, герметичный контейнер, который имеет первую камеру и вторую камеру, разделенные теплогенерирующим элементом, и блок регулирования температуры, который регулирует температуру теплогенерирующего элемента.
[0235]
Ниже описан теплогенерирующий элемент. Подобно теплогенерирующему элементу 74 (см. ФИГ. 5) в соответствии с модификацией 1 теплогенерирующий элемент включает многослойную пленку на двух поверхностях опорного элемента. Готовят два типа теплогенерирующих элементов, имеющих разные конфигурации многослойной пленки, и используют в качестве экспериментального примера 26 и экспериментального примера 27. В качестве опорного элемента используют подложку, выполненную из Ni и имеющую диаметр 20 мм и толщину 0,1 мм. Опорный элемент готовят путем проведения вакуумного отжига при 900°C в течение 72 часов в вакууме, а затем травления двух поверхностей подложки концентрированной азотной кислотой.
[0236]
Многослойную пленку формируют на двух поверхностях опорного элемента с использованием устройства ионно-лучевого напыления. Многослойная пленка в соответствии с экспериментальным примером 26 имеет первый слой, выполненный из Cu, и второй слой, выполненный из Ni. Число слоистых конфигураций (число слоев) первого слоя и второго слоя в соответствии с экспериментальным примером 26 равно 6. Многослойная пленка в соответствии с экспериментальным примером 27 имеет первый слой выполненный из Cu, второй слой, выполненный из Ni, и третий слой, выполненный из CaO. Число слоистых конфигураций (число слоев) первого слоя, второго слой и третьего слой в соответствии с экспериментальным примером 27 равно 6.
[0237]
Ниже описан герметичный контейнер. Герметичный контейнер включает трубу из кварцевого стекла, вакуумную трубу для вакуумирования внутренней части трубы из кварцевого стекла, монтажную трубу для установки теплогенерирующего элемента внутри трубы из кварцевого стекла и т.п. Верхний конец трубы из кварцевого стекла герметизирован и ее опорный конец открыт.
[0238]
Вакуумная труба соединена с опорным концом трубы из кварцевого стекла. Линия сбора для сбора газа внутри трубы из кварцевого стекла соединена с вакуумной трубой. Линия сбора снабжена вакуумным откачным блоком, включающим турбомолекулярный насос и сухой насос, датчик давления, который детектирует внутреннее давление трубы из кварцевого стекла и вакуумметр, который измеряет проникающее количество (количество проникшего водорода) водорода, проникающего через теплогенерирующий элемент. Вакуумный откачной блок не соединен с монтажной трубой. Таким образом, внутреннее пространство монтажной трубы не вакуумируют.
[0239]
Монтажная труба вставлена в кварцевую трубу через вакуумную трубу. Один конец монтажной трубы находится снаружи вакуумной трубы (снаружи трубы из кварцевого стекла), и другой конец монтажной трубы находится внутри трубы из кварцевого стекла. Монтажная труба выполнена из нержавеющей стали (SUS).
[0240]
Линия введения для введения газа на основе водорода в монтажную трубу соединена с одним концом монтажной трубы. Линия введения снабжена водородным баллоном, в котором хранится газ на основе водорода, датчиком давления, который детектирует внутреннее давление монтажной трубы, водород-подающим клапаном для подачи и остановки подачи газа на основе водорода в монтажную трубу и регулирующим клапаном для регулирования давления.
[0241]
Другой конец монтажной трубы снабжен соединением VCR, которое обеспечивает возможность подсоединения и отсоединения теплогенерирующего элемента. Соединение VCR имеет два отверстия утечки, которые проходят через внутреннюю периферийную поверхность и внешнюю периферийную поверхность соединения VCR в положениях, где предусмотрен теплогенерирующий элемент. Теплогенерирующий элемент находится внутри соединения VCR в состоянии, когда он размещен между двумя прокладками из нержавеющей стали.
[0242]
В герметичном контейнере внутреннее пространство монтажной трубы и внутреннее пространство трубы из кварцевого стекла разделены теплогенерирующим элементом. Во внутреннем пространстве монтажной трубы давление повышают путем введения газа на основе водорода. Во внутреннем пространстве трубы из кварцевого стекла давление снижают путем откачивания газа. Соответственно, давление водорода во внутреннем пространстве монтажной трубы выше, чем давление водорода во внутреннем пространстве трубы из кварцевого стекла. Внутреннее пространство монтажной трубы функционирует как первая камера, а внутреннее пространство трубы из кварцевого стекла функционирует как вторая камера.
[0243]
Вследствие разности давлений, созданной между двумя сторонами теплогенерирующего элемента, водород проникает из внутреннего пространства монтажной трубы, которое представляет собой сторону высокого давления, во внутреннее пространство трубы из кварцевого стекла, которое представляет собой сторону низкого давления. Как описано выше, в процессе проникновения водорода теплогенерирующий элемент генерирует тепло за счет окклюдирования водорода от одной поверхности (передней поверхности) на стороне высокого давления и генерирует избыточное тепло за счет выпуска водорода с другой поверхности (задней поверхности) на стороне низкого давления.
[0244]
Ниже описан блок регулирования температуры. Блок регулирования температуры включает датчик температуры, который детектирует температуру теплогенерирующего элемента, нагреватель, который нагревает теплогенерирующий элемент, и блок управления выходными параметрами, который регулирует выходные параметры нагревателя на основании температуры, детектированной датчиком температуры. Термопару (K тип термопары с оболочкой) используют в качестве датчика температуры. В эксперименте готовят две термопары (первая термопара и вторая термопара) и вставляют в два отверстия утечки соединения VCR. Две термопары вводят в контакт с теплогенерирующим элементом и измеряют температуру теплогенерирующего элемента. Электрическую печь используют в качестве нагревателя. Электрическая печь охватывает внешнюю периферию трубы из кварцевого стекла. Контрольная термопара предусмотрена в электрической печи. Блок управления выходными параметрами электрически соединен с контрольной термопарой и электрической печью и приводит в действие электрическую печь при заданном напряжении на основании температуры, детектированной контрольной термопарой. Электрическую печь приводят в действие с помощью источника питания переменного тока 100 В. Электрический счетчик используют для измерения входной электрической мощности на электрическую печь.
[0245]
Далее описаны экспериментальный способ и результаты эксперимента. Теплогенерирующий элемент вставляют между двумя прокладками из SUS, прикрепляют к другому концу монтажной трубы с использованием соединения VCR и помещают внутрь трубы из кварцевого стекла. Перед началом эксперимента теплогенерирующий элемент отжигают при 300°C в течение 3 дней.
[0246]
-4
Эксперимент начинают после завершения описанного выше отжига. Клапан подачи водорода открывают, чтобы подать газ на основе водорода в монтажную трубу, а регулирующий клапан используют для доведения давления (также называемого давлением подачи водорода) в первой камере (внутреннее пространство монтажной трубы) до 100 кПа. Трубу из кварцевого стекла вакуумируют, и давление во второй камере (внутреннее пространство трубы из кварцевого стекла) доводят до 1×10 Па. Электрическую печь приводят в действие, чтобы нагреть теплогенерирующий элемент до заданной установочной температуры. Установочную температуру меняют каждые полдня и ступенчато повышают в пределах интервала от 300 до 900°C.
[0247]
Контрольный эксперимент проводят перед проведением экспериментального примера 26 и экспериментального примера 27. В контрольном эксперименте готовят и используют образцы контрольного эксперимента, то есть, только опорный элемент (Ni подложка, имеющая диаметр 20 мм и толщину 0,1 мм). Контрольный эксперимент проводят дважды, меняя образцы контрольного эксперимента.
[0248]
ФИГ. 44 представляет собой график, показывающий зависимость между количеством проникшего водорода, давлением подачи водорода и температурой образца в контрольном эксперименте. На ФИГ. 44 горизонтальная ось показывает время (час), первая вертикальная ось на левой стороне показывает количество проникшего водорода (SCCM, кубический сантиметр в минуту), вторая вертикальная ось на правой стороне показывает давление подачи водорода (кПа), температуру первого образца (°C) и температуру второго образца (°C). Количество проникшего водорода рассчитывают из значения вакуумметра, расход которого откалиброван. Температура первого образца представляет собой температуру, детектированную первой термопарой, и температура второго образца представляет собой температуру, детектированную второй термопарой. Данные ФИГ. 44 подтверждают, что температура первого образца и температура второго образца практически совпадают друг с другом, и температуры образцов контрольного эксперимента измерены точно. Также подтверждено, что количество проникшего водорода растет в соответствии с повышениями температуры в примерах контрольного эксперимента. ФИГ. 44 показывает результаты контрольного эксперимента для первого опыта. Так как результаты контрольного эксперимента для второго опыта являются практически такими же, что и результаты контрольного эксперимента для первого опыта, описание результатов контрольного эксперимента для второго опыта опускают.
[0249]
ФИГ. 45 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой образца и входной электрической мощностью в контрольном эксперименте. На ФИГ. 45 горизонтальная ось показывает температуру образца (°C), и вертикальная ось показывает входную электрическую мощность (Вт). Входная электрическая мощность представляет собой входную электрическую мощность на электрическую печь. Так как измеренные значения измерителя мощности сильно колеблются из-за управления включением/выключением источника питания переменного тока, измеренные значения добавляют при каждой установочной температуре, и входную электрическую мощность рассчитывают на основании наклона сложения. Входную электрическую мощность рассчитывают для областей, в которых измеренные значения измерителя мощности стабильны после достаточного периода времени после изменения установочной температуры. Среднее значение температур, детектированных первой термопарой, и среднее значение температур, детектированных второй термопарой, рассчитывают для каждой из областей, описанных выше, два средних значения усредняют и полученное значение используют в качестве температуры образца. ФИГ. 45 представляет собой график, полученный путем нанесения на график результатов контрольного эксперимента, проведенного дважды, и представляет собой калибровочную кривую, созданную с использованием метода наименьших квадратов. На ФИГ. 45 Y означает функцию, представляющую калибровочную кривую, M0 представляет собой постоянный член, M1 представляет собой коэффициент первого порядка, M2 представляет собой коэффициент второго порядка, и R означает коэффициент корреляции. Оценку избыточного тепла для экспериментального примера 26 и экспериментального примера 27 проводят, основываясь на результатах контрольного эксперимента.
[0250]
ФИГ. 46 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой теплогенерирующего элемента и избыточным теплом в экспериментальном примере 26. На ФИГ. 46 горизонтальная ось показывает температуру теплогенерирующего элемента (°C), и вертикальная ось показывает избыточное тепло (Вт). Рассчитывают среднее значение температур, детектированных первой термопарой, и среднее значение температур, детектированных второй термопарой, два средних значения усредняют и полученное значение используют в качестве температуры теплогенерирующего элемента, используя тот же метод, что и метод для расчета температуры образца в контрольном эксперименте. Далее описан метод расчета избыточного тепла. Вначале измеряют температуру теплогенерирующего элемента при конкретной входной электрической мощности (далее называют измеренной температурой). Затем рассчитывают входную электрическую мощность (называемую преобразованной электрической мощностью) в контрольном эксперименте, соответствующую измеренной температуре, с использованием калибровочной кривой, показанной на ФИГ. 45. Затем рассчитывают разность между преобразованной электрической мощностью и конкретной входной электрической мощностью, а разность используют в качестве электрической мощности избыточного тепла. Метод расчета конкретной входной электрической мощности представляет собой тот же метод, что и метод расчета входной электрической мощности в контрольном эксперименте. На ФИГ. 46 электрическую мощность избыточного тепла выражают в виде «избыточного тепла (Вт)». Данные ФИГ. 46 подтверждают, что избыточное тепло генерируется в интервале, в котором температура теплогенерирующего элемента составляет от 300 до 900°C. Подтверждается, что максимальное значение избыточного тепла составляет приблизительно 2 Вт при 600°C или ниже, и избыточное тепло растет при 700°C или выше и равно приблизительно 10 Вт приблизительно при 800°C.
[0251]
ФИГ. 47 представляет собой график, показывающий зависимость между температурой теплогенерирующего элемента и избыточным теплом в экспериментальном примере 27. На ФИГ. 47 горизонтальная ось показывает температуру теплогенерирующего элемента (°C), и вертикальная ось показывает избыточное тепло (Вт). Данные ФИГ. 47 подтверждают, что избыточное тепло генерируется в интервале, в котором температура теплогенерирующего элемента составляет от 200 до 900°C. Подтверждено, что максимальное значение избыточного тепла равно приблизительно 4 Вт в интервале от 200 до 600°C, и избыточное тепло растет при 700°C или выше и составляет больше 20 Вт приблизительно при 800°C.
[0252]
При сравнении экспериментального примера 26 и экспериментального примера 27 установлено, что выработанное количество избыточного тепла при 600°C или ниже имеет тенденцию быть выше в экспериментальном примере 27. Установлено, что избыточное тепло при 700°C или выше имеет тенденцию расти как в экспериментальном примере 26, так и экспериментальном примере 27. Установлено, что при 700°C или выше избыточное тепло в экспериментальном примере 27 превышает приблизительно двукратно избыточное тепло в экспериментальном примере 26.
[0253]
2
2
2
Если рассчитывать избыточное тепло на единицу площади приблизительно при 800°C в экспериментальном примере 11 (см. ФИГ. 9), экспериментальном примере 26 (см. ФИГ. 46) и экспериментальном примере 27 (см. ФИГ. 47), то избыточное тепло на единицу площади в экспериментальном примере 11 составляет приблизительно 0,5 Вт/см, избыточное тепло на единицу площади в экспериментальном примере 26 равно приблизительно 5 Вт/см, и избыточное тепло на единицу площади в экспериментальном примере 27 равно приблизительно 10 Вт/см. Исходя из этих результатов установлено, что избыточное тепло, выработанное в экспериментальном примере 26, приблизительно в 10 раз больше, чем в экспериментальном примере 11, и избыточное тепло, выработанное в экспериментальном примере 27, приблизительно в 20 раз больше, чем в экспериментальном примере 11.
[0254]
Второй вариант осуществления
Во втором варианте осуществления парциальное давление водорода в газе, введенном в первую камеру, отличается от парциального давления водорода в газе, введенном во вторую камеру, и водород проникает через теплогенерирующий элемент за счет использования разницы парциального давления водорода между первой камерой и второй камерой. Во втором варианте осуществления «давление водорода» называют «парциальным давлением водорода».
[0255]
Как показано на ФИГ. 48, система 265 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 266 и устройство 267 утилизации тепла.
[0256]
Теплогенерирующее устройство 266 включает теплогенерирующий элемент 268, который вырабатывает тепло за счет окклюдирования и выпуска водорода, герметичный контейнер 271, который имеет первую камеру 269 и вторую камеру 270, разделенные теплогенерирующим элементом 268, и блок 272 регулирования температуры, который регулирует температуру теплогенерирующего элемента 268. Структура, которая разделяет первую камеру 269 и вторую камеру 270, не ограничена структурой, образованной только теплогенерирующим элементом 268, и может представлять собой структуру, в которой часть структуры представляет собой теплогенерирующий элемент 268, а другая часть структуры представляет собой водород-экранирующую стенку, такую как металл или оксид.
[0257]
Теплогенерирующий элемент 268 имеет цилиндрическую форму с дном. Теплогенерирующий элемент 268 может иметь ту же конфигурацию, как, например, теплогенерирующий элемент 90 (см. ФИГ. 11). То есть, теплогенерирующий элемент 268 снабжен многослойной пленкой на внешней поверхности опорного элемента, имеющего цилиндрическую форму с дном. Многослойная пленка может быть предусмотрена на внутренней поверхности опорного элемента. С другой стороны, многослойная пленка может быть предусмотрена как на внутренней поверхности, так и внешней поверхности опорного элемента. Форма опорного элемента не ограничена цилиндрической формой с дном и может представлять собой многоугольную цилиндрическую форму с дном, плоскую пластину или т.п. Опорный элемент предпочтительно выполнен из материала, который обеспечивает проникновение водорода и обладает термостойкостью и устойчивостью к давлению, и может быть выполнен из того же материала, например, что и опорный элемент 61. Многослойная пленка может иметь такую же конфигурацию, например, как и многослойная пленка 62. Число теплогенерирующих элементов 268 в этом примере равно одному. С другой стороны, число теплогенерирующих элементов 268 может быть два или больше.
[0258]
Далее описан пример способа производства теплогенерирующего элемента 268. Готовят опорный элемент пластинчатой формы, который можно гнуть. Многослойную пленку формируют на одной поверхности опорного элемента, используя способ напыления. Затем опорный элемент сгибают с образованием цилиндрической формы. Когда опорный элемент сгибают так, что одна поверхность (поверхность, на которой образована многослойная пленка) является внутренней поверхностью, другую поверхность (то есть, внешнюю поверхность) опорного элемента предпочтительно снабжают ребрами. Ребра выполняют, например, по спирали. Когда ребра предусмотрены, площадь контакта между теплогенерирующим элементом 268 и теплоносителем может быть увеличена, и эффективность теплообмена между теплогенерирующим элементом 268 и теплоносителем может быть улучшена. Способ формирования многослойной пленки не ограничен способом напыления и может представлять собой способ испарения, влажный способ, способ термического распыления, способ гальванизации и т.п. Многослойная пленка может быть образована только на внешней поверхности или может быть образована на обеих поверхностях опорного элемента.
[0259]
2
3
2
2
Герметичный контейнер 271 представляет собой полый контейнер и вмещает теплогенерирующий элемент 268. Герметичный контейнер 271 предпочтительно выполнен из материала, обладающего термостойкостью и устойчивостью к давлению. Примеры материала герметичного контейнера 271 включат металл и керамику. Примеры металла включают Ni, Cu, Ti, углеродистую сталь, аустенитную нержавеющую сталь, жаропрочную сталь из цветного сплава и керамику. Примеры керамики включают AlO, SiO, SiC и ZnO. Желательно покрывать внешнюю периферию герметичного контейнера 271 теплоизоляционным элементом. В этом примере герметичный контейнер 271, вмещающий теплогенерирующий элемент 268, один. С другой стороны, число герметичных контейнеров 271 может быть равно двум или больше.
[0260]
Первая камера 269 образована внутренней поверхностью теплогенерирующего элемента 268. Первая камера 269 имеет отверстие 274 для введения, соединенное с линией 273 введения водорода. Линия 273 введения водорода снабжена емкостью 275 для водорода, в которой хранится газ на основе водорода. Газ на основе водорода, циркулирующий через линию 273 введения водорода, вводят в первую камеру 269 через отверстие 274 для введения.
[0261]
Вторая камера 270 образована внешней поверхностью теплогенерирующего элемента 268 и внутренней поверхностью герметичного контейнера 271. Вторая камера 270 имеет входное отверстие 277 и выходное отверстие 278, которые соединены с линией 276 циркуляции теплоносителя. Линия 276 циркуляции теплоносителя обеспечивает циркуляцию теплоносителя между внутренним пространством и внешним пространством второй камеры 270 (герметичным контейнером 271) с помощью циркуляционного вентилятора 279. Во втором варианте осуществления теплоносителем предпочтительно является благородный газ из описанных выше. На ФИГ. 48 входное отверстие 277 находится на левой стороне листа, и выходное отверстие 278 находится на правой стороне листа. С другой стороны, положения входного отверстия 277 и выходного отверстия 278 могут быть изменены при необходимости.
[0262]
Парциальное давление водорода газа на основе водорода, введенного в первую камеру 269, и парциальное давление водорода теплоносителя, введенного во вторую камеру 270, измеряют с помощью водородного датчика (не показан). Парциальное давление водорода в первой камере 269 предпочтительно, например, в 10-10000 раз выше парциального давления водорода во второй камере 270. Например, парциальное давление водорода в первой камере 269 составляет от 10 кПа до 1 мПа, и парциальное давление водорода во второй камере 270 составляет от 1 Па до 10 кПа. Соответственно, водород в первой камере 269 проникает через теплогенерирующий элемент 268 и перемещается во вторую камеру 270. Теплогенерирующий элемент 268 генерирует избыточное тепло за счет проникновения водорода. Теплоноситель циркулирует через вторую камеру 270, так что избыточное тепло теплогенерирующего элемента 268 может быть передано теплоносителю, а парциальное давление водорода во второй камере 270 может быть сделано ниже, чем парциальное давление водорода в первой камере 269.
[0263]
Линия 276 циркуляции теплоносителя соединена с устройством 267 утилизации тепла. Теплоноситель, нагретый избыточным теплом теплогенерирующего элемента 268, может быть эффективно использован в теплоутилизирующем устройстве 267. Устройство 267 утилизации тепла представляет собой, например, теплообменник, силовую установку или термоэлектрический элемент. Примеры теплообменника включают устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и газом, устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и жидкостью, и устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и твердым веществом. Устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и газом, используют для предварительного нагрева воздуха и получения горячего воздуха для сушки или нагревания, такое как воздушный кондиционер, котел отопления и печь сжигания. Устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и жидкостью, используют для источника тепла котла обогрева, масляного обогрева, химической реакционной емкости и т.п. Устройство, которое осуществляет теплообмен между теплоносителем и твердым веществом, используют в двутрубной роторной нагревательной машине и используют, чтобы нагревать вещество в форме частиц в двойной трубе. Примеры силовой установки включают двигатель Стирлинга, систему органического цикла Ренкина (ORCS) и термоэлектрический элемент.
[0264]
Линия 276 циркуляции теплоносителя снабжена блоком 280 удаления водорода, который удаляет водород из теплоносителя. Блок 280 удаления водорода предупреждает повышение концентрации водорода в теплоносителе. Блок 280 удаления водорода может представлять собой трубу или проницаемую для водорода пленку, выполненную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава, проницаемого для водорода материала или т.п. Примеры проницаемого для водорода материала включают каучук, пластик, Ti и Ni. Предпочтительно направлять водород, удаленный из теплоносителя блоком 280 удаления водорода, в емкость 275 для водорода, как показано на ФИГ. 48. Блок 280 удаления водорода может работать непрерывно или время от времени. Блок 280 удаления водорода может быть предусмотрен не на линии 276 циркуляции теплоносителя и может удалять водород из теплоносителя, выводимого из линии 276 циркуляции теплоносителя.
[0265]
Блок 272 регулирования температуры включает датчик 281 температуры, который детектирует температуру теплогенерирующего элемента 268, нагреватель 282, который нагревает теплогенерирующий элемент 268, и блок 283 управления выходными параметрами, который управляет выходными параметрами нагревателя 282 на основании температуры, детектированной датчиком 281 температуры. Хотя на ФИГ. 48 датчик 281 температуры находится на внешней поверхности теплогенерирующего элемента 268, датчик 281 температуры может детектировать температуру части теплогенерирующего элемента 268, где температура теплогенерирующего элемента 268 может быть оценена. Нагреватель 282 работает, когда начинает работу теплогенерирующее устройство 266 или когда снижается температура теплогенерирующего элемента 268. На ФИГ. 48 нагреватель 282 предусмотрен на линии 276 циркуляции теплоносителя. С другой стороны, нагреватель 282 может быть установлен, например, на трубе (не показана), которая предусмотрена отдельно, чтобы подавать теплоноситель в линию 276 циркуляции теплоносителя. Когда теплоноситель, циркулирующий через трубу, нагревают с помощью нагревателья 282, нагретый теплоноситель направляют во вторую камеру 270 посредством линии 276 циркуляции теплоносителя и нагревают теплогенерирующий элемент 268.
[0266]
Теплогенерирующее устройство 266 включает блок управления (не показан) и управляет с помощью блока управления парциальным давлением водорода в первой камере 269 и парциальным давлением водорода во второй камере 270. Например, когда парциальное давление водорода в первой камере 269 повышают и разность парциальных давлений водорода между первой камерой 269 и второй камерой 270 увеличивается, количество проникшего водорода может быть увеличено и генерация избыточного тепла теплогенерирующего элемента 268 может быть простимулирована. С другой стороны, когда парциальное давление водорода в первой камере 269 снижают и разность парциальных давлений водорода между первой камерой 269 и второй камерой 270 уменьшается, количество проникшего водорода может быть уменьшено и генерация избыточного тепла теплогенерирующего элемента 268 может быть предупреждена. Вместо изменения парциального давления водорода в первой камере 269 выработка избыточного тепла теплогенерирующего элемента 268 может быть простимулирована или предупреждена путем снижения или повышения парциального давления водорода во второй камере 270. Как парциальное давление водорода в первой камере 269, так и парциальное давление водорода во второй камере 270 могут быть изменены. С другой стороны, генерирование избыточного тепла теплогенерирующего элемента 268 можно регулировать путем измерения расхода или температуры теплоносителя во входном отверстии 277.
[0267]
Как описано выше, теплогенерирующее устройство 266 выполнено так, что водород проникает через теплогенерирующий элемент 268 из-за разницы парциального давления водорода между первой камерой 269 и второй камерой 270. Таким образом, в теплогенерирующем устройстве 266 нет необходимости создавать кажущуюся разность давлений, измеряемую датчиком давления, между первой камерой 269 и второй камерой 270, например, за счет приведения второй камеры 270 в вакуумированное состояние. Следовательно, риск деформации или поломки теплогенерирующего устройства 266 уменьшается.
[0268]
Так как система 265 утилизации тепла и теплогенерирующее устройство 266 используют теплогенерирующий элемент 268 в качестве источника тепловой энергии, может быть поставлена недорогая, чистая и безопасная энергия.
[0269]
Модификация 1
Как показано на ФИГ. 49, теплогенерирующее устройство 286 включает блок 287 теплогенерирующих элементов, образованный множеством теплогенерирующих элементов 268 внутри герметичного контейнера 271. Хотя на ФИГ. 49 блок 287 теплогенерирующих элементов состоит из шести теплогенерирующих элементов 268, число блоков 287 теплогенерирующих элементов особенно не ограничено. Хотя на ФИГ. 49 множество теплогенерирующих элементов 268 соединены с линией 273 введения водорода через блок 288 коллектора, множество линий 273 введения водорода может быть подготовлено, и множество теплогенерирующих элементов 268 могут быть соединены соответственно со множеством линий 273 введения водорода. Теплогенерирующее устройство 286 может иметь такую же конфигурацию, как и теплогенерирующее устройство 266, за исключением того, что блок 287 теплогенерирующих элементов образован множеством теплогенерирующих элементов 268 и множество теплогенерирующих элементов 268 соединены посредством блока 288 коллектора. Таким образом, так как теплогенерирующее устройство 286 включает блок 287 теплогенерирующих элементов, образованный множеством теплогенерирующих элементов 268, может быть достигнут высокий выход избыточного тепла.
[0270]
Теплогенерирующее устройство 286 предпочтительно включает ребра на каждом из множества теплогенерирующих элементов 268. Когда ребра созданы на каждом из множества теплогенерирующих элементов 268, эффективность теплообмена между множеством теплогенерирующих элементов 268 и теплоносителем может быть улучшена.
[0271]
Хотя на ФИГ. 49 теплогенерирующее устройство 286 выполнено так, что теплоноситель циркулирует вдоль продольного направления теплогенерирующего элемента 268, положения входного отверстия 277 и выходного отверстия 278 могут быть изменены, и теплоноситель может циркулировать в направлении, ортогональном продольному направлению теплогенерирующего элемента 268.
[0272]
Может быть подготовлено множество теплогенерирующих модулей, каждый включающий герметичный контейнер 271 и блок 287 теплогенерирующих элементов, и множество теплогенерирующих модулей могут быть соединены последовательно или параллельно. Число теплогенерирующих модулей особенно не ограничено и может быть подходящим образом изменено в зависимости от желаемого выхода.
[0273]
Модификация 2
Как показано на ФИГ. 50, блок 290 теплогенерирующих элементов имеет плоскую пластинчатую форму, имеющую пространство внутри. Блок 290 теплогенерирующих элементов имеет, например, вертикальную длину 800 мм, горизонтальную длину 600 мм и толщину 15 мм. На ФИГ. 50 на верхней стороне листа показан вид спереди блока 290 теплогенерирующих элементов, и на нижней стороне листа показан вид сверху блока 290 теплогенерирующих элементов. Блок 290 теплогенерирующих элементов соединен с линией 273 введения водорода. Хотя внешняя форма блока теплогенерирующих элементов 290 на виде сверху представляет собой прямоугольник в этой модификации, внешняя форма блока теплогенерирующих элементов 290 не ограничена им и может быть соответствующим образом изменена на многоугольную форму, круглую форму или т.п.
[0274]
Блок 290 теплогенерирующих элементов включает ребра 291. Ребра 291 созданы на внешней поверхности блока 290 теплогенерирующих элементов. На ФИГ. 50 ребра 291 образованы на двух обращенных друг к другу поверхностях (плоская поверхность и нижняя поверхность) среди внешней поверхности блока 290 теплогенерирующих элементов. Каждое ребро 291 включает множество выступов 292. Множество выступов 292 выступают из внешней поверхности блока 290 теплогенерирующих элементов. Материалом ребер 291 является, например, металл, имеющий температуру плавления или температуру Кюри 800°C или выше. Примеры материала ребер 291 включают Ni, Cu и W.
[0275]
Как показано на ФИГ. 51, блок 290 теплогенерирующих элементов включает множество теплогенерирующих элементов 293. ФИГ. 51 представляет собой поперечное сечение, показывающее блок 290 теплогенерирующих элементов и показывающее внутреннюю структуру блока 290 теплогенерирующих элементов. Теплогенерирующие элементы 293 включают опорный элемент 294, имеющий форму ящика, и множество многослойных пленок 295, предусмотренных на внутренней поверхности опорного элемента 294. Теплогенерирующий элемент 293 включает многослойные пленки 295 и часть опорного элемента 294, соответствующую многослойным пленкам 295. Опорный элемент 294 выполнен из такого же материала, например, как и опорный элемент 61. Многослойная пленка 295 может иметь такую же конфигурацию, например, как и многослойная пленка 62. Опорный элемент 294 снабжен отверстием 274 для введения, соединенным с линией 273 введения водорода.
[0276]
Ниже описан пример способа производства блока 290 теплогенерирующих элементов. Готовят два пластинчатых элемента, и краевую часть каждого из пластинчатых элементов загибают. В процессе изгибания краевую часть каждого из пластинчатых элементов сгибают практически под прямым углом относительно плоскостного направления каждого из пластинчатых элементов. Многослойную пленку 295 формируют на поверхности каждого из пластинчатых элементов, обращенной к краевой части, методом напыления или т.п. Затем краевые части пластинчатых элементов соединяют вместе сваркой или т.п. Два пластинчатых элемента соединяют с образованием опорного элемента 294. Многослойные пленки 295 и часть опорного элемента 294, соответствующая многослойным пленкам 295, образуют теплогенерирующий элемент 293. Затем блок 290 теплогенерирующих элементов получают путем создания ребер 291 на внешней поверхности опорного элемента 294. Краевая часть пластинчатого элемента не ограничена ее формированием путем сгибания, как описано выше, и может быть получена с использованием другого элемента пластинчатой формы. Многослойная пленка 295 не ограничена формированием непосредственно на пластинчатом элементе методом напыления или т.п., как описано выше, и может быть приготовлена отдельно и присоединена к пластинчатому элементу.
[0277]
Блок 290 теплогенерирующих элементов может быть изготовлен легко и, следовательно, производственные затраты могут быть уменьшены. Так как блок 290 теплогенерирующих элементов включает ребра 291, эффективность теплообмена между теплогенерирующим элементом 293 и теплоносителем может быть улучшена, а термическая деформация предотвращена.
[0278]
Готовят множество теплогенерирующих элементов, в которых многослойная пленка предусмотрена на по меньшей мере одной из передней поверхности и задней поверхности опорного элемента, в качестве теплогенерирующего элемента 14 (см. ФИГ. 4) или теплогенерирующего элемента 74 (см. ФИГ. 5), и множество теплогенерирующих элементов присоединяют к контейнеру, имеющему форму ящика, чтобы получить блок теплогенерирующих элементов. В этом случае контейнер предпочтительно выполнен из того же материала, что и опорный элемент 294.
[0279]
Модификация 3
Как показано на ФИГ. 52, теплогенерирующее устройство 300 снабжено множеством блоков 290 теплогенерирующих элементов внутри герметичного контейнера 271. Хотя на ФИГ. 52 число блоков 290 теплогенерирующих элементов равно двум, число блоков 290 теплогенерирующих элементов может быть изменено при необходимости. ФИГ. 52 представляет собой поперечное сечение, показывающее блок 290 теплогенерирующих элементов на левой стороне листа. Внутреннее пространство каждого блока 290 теплогенерирующих элементов представляет собой первую камеру 302. Первая камера 302 имеет отверстие 274 для введения, соединенное с линией 273 введения водорода. Пространство между герметичным контейнером 271 и блоком 290 теплогенерирующих элементов представляет собой вторую камеру 303. Вторая камера 303 имеет входное отверстие 277 и выходное отверстие 278, которые соединены с линией 276 циркуляции теплоносителя. Разность парциальных давлений водорода создают между первой камерой 302 и второй камерой 303 путем введения газа на основе водорода в первую камеру 302 и введения теплоносителя во вторую камеру 303, водород в первой камере 302 проникает через теплогенерирующий элемент 293 и перемещается во вторую камеру 303. Теплогенерирующий элемент 293 генерирует избыточное тепло за счет проникновения водорода. Так как теплогенерирующее устройство 300 включает множество блоков 290 термогенерирующих элементов, может быть достигнут высокий выход избыточного тепла.
[0280]
Другие модификации
Устройство 12 утилизации тепла может включать только контейнер для размещения 41 и блок 42 циркуляции теплоносителя. Теплоноситель, протекающий через блок 42 циркуляции теплоносителя, используют для различных целей, таких как бытовое отопление, бытовой водонагреватель, автомобильный обогреватель, сельскохозяйственная нагревательная машина, дорожный обогреватель, источник тепла для опреснения морской воды и дополнительный источник тепла для выработки геотермальной энергии.
[0281]
Газовая турбина 43 может быть использована в качестве двигателя без подключения к генератору мощности 48. Паровая турбина 45 может быть использована в качестве двигателя без подключения к генератору мощности 49. Двигатель 46 Стирлинга может быть использован в качестве двигателя без подключения к генератору мощности 50.
[0282]
Теплогенерирующий элемент не ограничен пластинчатой формой и цилиндрической формой. Например, теплогенерирующий элемент может быть изготовлен путем размещения порошка, полученного из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, в контейнере, изготовленном из проницаемого для водорода материала (например, пористого тела, проницаемой для водорода пленки и протонного проводника).
[0283]
Система утилизации тепла не ограничена системой, рассмотренной в вышеописанных вариантах осуществления и вышеописанных модификациях, и может быть реализована путем подходящего объединения теплогенерирующих устройств и устройств утилизации тепла в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления и вышеописанными модификациями.
Список ссылочных позиций
[0284]
10, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 130, 135, 140, 145, 155, 165, 170, 190, 200, 205, 215, 220, 260, 265 - система утилизации тепла
11, 96, 101, 106, 111, 116, 121, 131, 136, 141, 146, 156, 166, 171, 191, 201, 206, 216, 221, 236, 241, 251, 256, 266, 286, 300 - теплогенерирующее устройство
12, 122, 147, 192, 261, 267 - устройство утилизации тепла
14, 74, 75, 80, 90, 98, 160, 268, 293 - теплогенерирующий элемент
15, 123, 173, 193, 202, 207, 225, 271 - герметичный контейнер
16, 272 - блок регулирования температуры
21, 126, 184, 194, 209, 231, 269- первая камера
22, 127, 185, 195, 210, 232, 270- вторая камера
61, 91, 99, 161, 294 - опорный элемент
62, 92, 162, 295 - многослойная пленка
71 - первый слой
72 - второй слой
77 - третий слой
82 - четвертый слой
222 - теплогенерирующая ячейка.