化学蓄熱システム
【課題】電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができるようにする。
【解決手段】化学蓄熱システムは、電流電圧検出部９４によって、電力供給部９０から電気ヒーターへ供給される電流及び印加される電圧を検出し、内部温度センサ８８によって、電気ヒーター層１６Ｂの温度を検出する。電力量制御部９０によって、検出された温度に基づいて、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。また、蓄熱ＥＣＵによって、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【解決手段】化学蓄熱システムは、電流電圧検出部９４によって、電力供給部９０から電気ヒーターへ供給される電流及び印加される電圧を検出し、内部温度センサ８８によって、電気ヒーター層１６Ｂの温度を検出する。電力量制御部９０によって、検出された温度に基づいて、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。また、蓄熱ＥＣＵによって、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生じる電気を有効利用するための化学蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、２次電池以外のエネルギー貯蔵手段として、電気２重層キャパシターや、フライホイール(例えば、特許文献１、２)、顕熱、潜熱蓄熱が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４４２３７９４号明細書
【特許文献２】英国特許第２４４９１１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、エネルギー貯蔵密度が低い、という問題や、長期保存ができない、という問題がある。また、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵するときにおいて、間欠的な電力供給条件となる場合には、蓄熱量を正確に把握することが必要となる。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる化学蓄熱システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る化学蓄熱システムは、電気を熱に変換するエネルギー変換部と、前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、かつ、水和反応により放熱する化学蓄熱材とが内蔵された反応器と、前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、前記エネルギー変換部に電力を供給する電力供給部と、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する電力量制御部と、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、を含んで構成されている。
【０００７】
第１の発明に係る化学蓄熱システムでは、反応器の化学蓄熱材は、エネルギー変換部からの熱供給を受けることで、脱水反応を生じつつ蓄熱する。この脱水反応に伴って生じる水蒸気は、蒸発凝縮部にて凝縮される。化学蓄熱材に蓄熱した熱を放出する際には、蒸発凝縮部において、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、水和反応のための水蒸気を反応器に供給する。これにより、化学蓄熱材の水和反応が生じ、該化学蓄熱材に蓄えられていた熱が放出される。
【０００８】
ここで、化学蓄熱システムは、電流電圧検出部によって、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出し、温度検出部によって、前記エネルギー変換部の温度を検出する。電力量制御部によって、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する。また、蓄熱量算出部によって、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する。
【０００９】
このように、エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、エネルギー変換部の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる。
【００１０】
第２の発明に係る化学蓄熱システムは、電気を熱に変換するエネルギー変換部、及び前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、水和反応により放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、前記エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する電力供給部と、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、を含んで構成されている。
【００１１】
第２の発明に係る化学蓄熱システムは、電力供給部によって、エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する。ここで、脱水が完了すると、化学蓄熱材の吸熱項Qs減少によりエネルギー変換部の温度が上昇し、エネルギー変換部の電気抵抗が増大して、供給電力量が制限され、脱水後のエネルギー変換部の過昇温が抑制される。
【００１２】
第１の発明及び第２の発明に係る蓄熱量算出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、前記温度検出部によって検出された温度、及び予め求められた前記反応器の熱容量に基づいて、前記エネルギー変換部へ供給された総電力量と、前記熱容量における顕熱変化量と、放熱量との関係に従って、前記反応器の蓄熱量を算出するようにすることができる。
【００１３】
上記の温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧に基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出するようにすることができる。これによって、エネルギー変換部に温度センサを内設せずに、蓄熱量を算出することができる。
【００１４】
また、上記の温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧と、予め求められた前記エネルギー変換部の抵抗温度係数、電気抵抗率、抵抗断面積、及び抵抗長さとに基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出するようにすることができる。
【００１５】
上記の電力供給部は、車両に搭載された駆動部から供給される電力を、前記エネルギー変換部に供給するようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明に係る化学蓄熱システムは、エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、エネルギー変換部の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】（Ａ）電気ヒーターと発電部との接続関係を示す概略図、及び（Ｂ)反応器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムを構成する蓄熱ＥＣＵを示すブロック図である。
【図５】電気ヒーター層の温度、電気ヒーターの抵抗、電圧、電流、及び電力量の時間変化を示すグラフである。
【図６】電気ヒーター層の温度及び反応器の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図８】電流電圧検出部と電気ヒーターとの接続関係を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムを構成する蓄熱ＥＣＵを示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図１１】電気ヒーター層の温度、電気ヒーターの抵抗、電圧、電流、及び電力量の時間変化を示すグラフである。
【図１２】電気ヒーター層の温度及び反応器の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図１〜図６に基づいて説明する。
【００１９】
図１には、車両用化学蓄熱システム１０の概略全体構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、車両用化学蓄熱システム１０は、ステンレスなどの金属材料で構成された容器１２内における化学蓄熱材用空間としての蓄熱層に化学蓄熱材（図示所略）が充填された反応器１６を備えている。反応器１６を構成する化学蓄熱材は、脱水に伴って蓄熱（吸熱）し、水和（水酸化カルシウムへの復原）に伴って放熱（発熱）する構成とされている。
【００２０】
この実施形態では、化学蓄熱材として、アルカリ土類金属の水酸化物の１つである水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）が採用されている。したがって、反応器１６内では、以下に示す反応で蓄熱、放熱を可逆的に繰り返し得る構成とされている。
【００２１】
Ｃａ（ＯＨ）２ ⇔ ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ
【００２２】
この式に蓄熱量、発熱量Ｑを併せて示すと、
【００２３】
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ
【００２４】
となる。この化学蓄熱材（Ｃａ（ＯＨ）２）の１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、略１．８６［ＭＪ／ｋｇ−Ｃａ（ＯＨ）２］とされている。
【００２５】
さらに、この実施形態では、図２（Ｂ）の断面図に示すように、反応器１６の容器１２内には、２つの蓄熱層１６Ａの間であって、隔壁１７を介して蓄熱層１６Ａに隣接するように配置された電気ヒーター層１６Ｂが設けられている。このように、電気ヒーター層１６Ｂは、蓄熱層１６Ａ内の化学蓄熱材との熱交換可能に、蓄熱層１６Ａに隣接して設けられている。電気ヒーター層１６Ｂには、エネルギー変換部としての電気ヒーターが内蔵されている。電気ヒーターは、例えば、ヒーター線（発熱部)と絶縁部などを用いて構成されている。また、蓄熱層１６Ａの各々に隣接し、かつ、電気ヒーター層１６Ｂと反対側に、化学蓄熱材に反応媒体蒸気を供給するための蒸気拡散層１６Ｃが設けられている。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターは、後述する電力供給部９０（図３参照)を介して、電気エネルギー源としての発電部２２に接続されている。この実施形態では、発電部２２は、電気モータであり、例えば車両用化学蓄熱システム１０が適用された自動車の駆動源としての電気モータであり、バッテリへの充電ができない余剰電力が、発電部２２から電力供給部９０に供給される構成とすることができる。余剰電力としては、例えば、車両減速に伴う回生エネルギ相当分や、燃料電池等の発電装置を搭載する構成においては、負荷変動に伴う余剰発電量相当分が挙げられる。
【００２７】
また、図３に示すように、車両用化学蓄熱システム１０は、反応器１６の電気ヒーター層１６Ｂの内部の温度Ｔｄに対応した信号を出力する内部温度センサ８８と、発電部２２から供給された電力を用いて、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターに電力を供給する電力供給部９０と、内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、電力供給部９０から供給される電力量を制御する電力量制御部９２と、電力供給部９０から電気ヒーターへ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部９４とを備えている。
【００２８】
電力量制御部９２は、内部温度センサ８８により検出された温度Ｔｄと、予め設定された温度Ｔｓとの偏差ε(＝Ｔｓ−Ｔｄ）に基づいた制御信号を、電力供給部９０に出力することにより、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。これにより、電気ヒーター層１６Ｂの温度を所定温度に設定することが可能となる。
【００２９】
また、反応器１６には、熱輸送ライン（図示省略）が接続されている。熱輸送ラインにおける下流側には、車両用化学蓄熱システム１０による加熱対象（図示省略）との熱交換部が設けられている。これにより、車両用化学蓄熱システム１０では、反応器１６で化学蓄熱材が放熱した熱を加熱対象の加熱（暖機）に供することができる構成とされている。熱輸送ラインの下流端は大気開放端とされている。加熱対象としては、内燃機関ＥＧ、該内燃機関ＥＧの排気ガスを浄化するための排気触媒、モータ駆動用のバッテリを統制する構成では該バッテリなどが挙げられ、複数の加熱対象（候補）から一部の加熱対象を選択する構成としても良い。
【００３０】
また、車両用化学蓄熱システム１０は、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃから導入された水蒸気を凝縮する凝縮部、及び水を蒸発させて反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃに供給する水蒸気を生成する蒸発部としての機能を兼ね備える蒸発・凝縮器３０を備えている。蒸発・凝縮器３０は、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃに水蒸気循環ライン３２を介して連通された蒸気流路３４と、蒸気流路３４内の水蒸気を凝縮すると共に、蒸気流路３４内の水を蒸発させるための媒体流路３８とが容器４０内に形成されて構成されている。媒体流路３８は、内部を流れる冷媒、熱媒と蒸気流路３４内の水又は水蒸気との熱交換可能に、該蒸気流路３４に隣接（図示は省略）して設けられている。
【００３１】
蒸気流路３４は、水蒸気循環ライン３２、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃと共に真空脱気されている。水蒸気循環ライン３２には、蒸気流路３４と蒸気拡散層１６Ｃとの連通、非連通を切り替えるための開閉弁４２が設けられている。また、蒸気流路３４における重力方向の低所は、水循環ライン４４を介して水タンク４６に連通されている。水循環ライン４４には、ウォータポンプ４８、開閉弁５０が設けられている。水タンク４６は、蒸気流路３４で凝縮された水を、該蒸気流路３４で蒸発させるための水として貯留するようになっている。ウォータポンプ４８は、作動することで、水タンク４６の水を蒸気流路３４に供給するようになっている。
【００３２】
媒体流路３８には、冷媒循環ライン５２が接続されている。冷媒循環ライン５２には、冷却器５４及び冷媒ポンプ５６が媒体流路３８と直列を成すように設けられている。これにより、冷媒ポンプ５６が作動されることで冷媒が媒体流路３８、冷却器５４を循環し、媒体流路３８における水蒸気の凝縮熱を冷却器５４で放熱するようになっている。すなわち、車両用化学蓄熱システム１０では、蒸発・凝縮器３０を構成する媒体流路３８での水蒸気から水への凝縮を維持するための凝縮器冷却系５８が構成されているものと捉えることができる。
【００３３】
冷媒循環ライン５２は、媒体流路３８の上流側及び下流側の各々で分岐しており、各分岐点で、冷却水循環ライン６２に接続されている。冷却水循環ライン６２には、冷却器６４、冷却水ポンプ６６、及び内燃機関ＥＧが媒体流路３８と直列を成すように設けられている。これにより、冷却水ポンプ６６が作動されることでエンジン冷却水が内燃機関ＥＧ、媒体流路３８、冷却器６４を循環し、熱媒を媒体流路３８に流すことにより、蒸気流路３４内の水を蒸発させるようになっている。すなわち、車両用化学蓄熱システム１０では、蒸発・凝縮器３０の媒体流路３８での水の蒸発のための蒸発熱を付与するための蒸発器加熱系６０が構成されているものと捉えることができる。蒸発・凝縮器３０では、熱媒から水への放熱（熱交換）が行われる構成である。
【００３４】
冷媒循環ライン５２と冷却水循環ライン６２との２つの接続位置（分岐位置）には、媒体流路３８に流れる媒体を、冷媒循環ライン５２の冷媒及び冷却水循環ライン６２のエンジン冷却水の何れかにするかを切り換える切換バルブ６８Ａ、６８Ｂが設けられている。
【００３５】
また、図４に示されるように、車両用化学蓄熱システム１０は、蓄熱ＥＣＵ８２を備えている。蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０、切換バルブ６８Ａ、６８Ｂ、ウォータポンプ４８、冷媒ポンプ５６、冷却水ポンプ６６、冷却器５４、６４のそれぞれに電気的に接続されており、これらの動作を制御するようになっている。
【００３６】
この蓄熱ＥＣＵ８２には、自動車の図示しないスタートスイッチ（運転制御ＥＣＵやメインコントローラ）から適用された自動車の運転状態に応じた信号が入力されるようになっている。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、内部温度センサ８８及び電流電圧検出部９４に電気的に接続されている。
【００３７】
蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【００３８】
ここで、本実施の形態における蓄熱量を算出する原理について説明する。
【００３９】
検出された電流（I［A］）、電圧（V［V］）、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度により、供給電力量V×I×ｔ［kJ］（t:ヒーター加熱時間［ｓ］）と、全熱容量Ct［kJ/K］（ヒーター層熱容量Ch、蓄熱層Cr、蒸気拡散層Cs、反応容器Cv［kJ/K］の和）における顕熱変化量ΔHt[kJ]と、外周への放熱量Qlとの関係から、以下の（１）式、（２）式に従って、蓄熱量Qs [kJ]を算出することができる。
【００４０】
Qs[kJ]=V×l×t-ΔHt-Ql (Td≧Ts) ・・・（１）
Qs[kJ]=0 (Td≦Ts) ・・・（２）
顕熱変化量ΔHt[kJ]=Ct・(Td-Tl)
反応器熱容量 Ct[kJ]=Ch+Cr+Cs+Cv
放熱量 Ql[kJ]=f(Td,Ti)
【００４１】
ただし、V[V]は検出電圧、Ｉ[A]は検出電流、Ch[kJ/K]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂの熱容量、Cr[kJ/K]は予め求められた蓄熱層１６Aの熱容量、Cs[kJ/K]は予め求められた蒸気拡散層１６Cの熱容量、Cv[kJ/K]は予め求められた容器１２の熱容量である。また、Ts[℃]は予め求められた脱水開始温度、Td[℃]は検出温度、Ti[℃]は予め求められた初期温度である。また、図５に示すように、Td≧Tsは、脱水開始の状態を表し、Td≦Tsは、脱水開始前の状態を表している。
【００４２】
蓄熱ＥＣＵ８２は、上記（１）式、（２）式に従って、反応器１６の蓄熱量を算出する。これにより間欠的な電力供給条件であっても、図６に示すように、蓄熱量を正確に把握することが可能となり、蓄熱材に熱を供給する電気ヒーターへの過剰な電力供給を防止することにより、電気エネルギーを有効利用することができる。
【００４３】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００４４】
まず、発電部２２から反応器１６へ電力が供給されて、蓄熱モードが開始されると、蓄熱ＥＣＵ８２によって、電力供給部９０からの電力供給を開始させると共に、凝縮器冷却系５８の冷媒ポンプ５６、冷却器５４を作動させる。これにより、冷却器５４、蒸発・凝縮器３０の順で冷媒が冷媒循環ライン５２を循環する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ開放させる。
【００４５】
反応器１６では、電気ヒーター層１６Bから供給された熱によって蓄熱層１６Ａの化学蓄熱材が脱水反応を生じ、該化学蓄熱材への蓄熱が成される。そして、化学蓄熱材の脱水反応に伴って生じた水蒸気が水蒸気循環ライン３２を介して蒸発・凝縮器３０の蒸気流路３４に導入されると、該水蒸気が媒体流路３８を流れる冷媒との熱交換によって凝縮され、重力にて水タンク４６に回収される。水蒸気との熱交換で加熱された冷媒は、冷却器５４で外気と熱交換することで冷却される。これにより、反応器１６での蓄熱動作が維持される。
【００４６】
このとき、内部温度センサ８８の信号に基づき、電力量制御部９２は、電力供給部９０からの電力量を制御し、電気ヒーター層１６Ｂの温度が設定温度となるように制御する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、内部温度センサ８８によって検出された温度、及び電流電圧検出部９４によって検出された電流・電圧に基づいて、化学蓄熱材の蓄熱量を算出する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、化学蓄熱材の蓄熱量が、予め求められた最大蓄熱量に達したこと（蓄熱率１００％）を検出すると、蓄熱が完了したと判断し、蓄熱ＥＣＵ８２は、電力供給部９０からの電力供給を停止させる。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ閉止させると共に、凝縮器冷却系５８の冷媒ポンプ５６、冷却器５４を停止させ、蓄熱モードを終了する。
【００４７】
また、加熱対象の加熱が必要となり、放熱モードに遷移した場合には、加熱対象の要求熱量（Ｗ）を求め、蓄熱ＥＣＵ８２は、要求熱量だけ反応器１６（化学蓄熱材）に放熱させるための水和反応量（Ｗ）を算出する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ開放させ、ウォータポンプ４８を作動させる。
【００４８】
次いで蓄熱ＥＣＵ８２は、水和反応を行うために必要な量の水蒸気を蒸発・凝縮器３０が発生するように、蒸発器加熱系を制御し、蒸発器加熱系の熱媒は、蒸発・凝縮器３０の媒体流路３８において、水タンク４６から蒸気流路３４に供給された水との熱交換（凝縮熱の付与）に供される。これにより、蒸気流路３４から反応器１６の反応流路１４に水蒸気が供給され、反応流路１４内の化学蓄熱材が水和反応を生じ、該水和反応に伴い放熱する。この熱は、熱輸送ラインを流れる空気によって加熱対象に輸送され、該加熱対象の加熱（暖機）に寄与する。
【００４９】
さらに、蓄熱ＥＣＵ８２は、加熱対象の昇温が完了したか否かを判断し、加熱対象の昇温が完了したと判断した場合、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ閉止させると共に、ウォータポンプ４８を停止させ、放熱モードを終了する。
【００５０】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、電気ヒーター層へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、電気ヒーター層の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる。また、算出した蓄熱量に基づいて、化学蓄熱材に熱を供給する電気ヒーターへの過剰な電力供給を防止することにより、エネルギーを有効利用することができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図７〜図９に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図７には、車両用化学蓄熱システム１０の反応器１６に対する制御構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０は、内部温度センサが、反応器１６に内設されていない点で、第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０とは異なる。
【００５３】
また、図８に示すように、電流電圧検出部２９４は、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーター（ヒーター電気抵抗）との間が４本の導線で接続される４線式となっている。これにより、ヒーター電気抵抗（Rh）が小さい場合には、導線抵抗(RL)が無視できないレベルとなるため、４線式により導線抵抗RLを相殺・排除させて、検出精度を向上させることができる。
【００５４】
図９に示すように、蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧と、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数α[1/K]、電気抵抗率ρ０[Ωｍ]、及びヒーター線の形状（断面積A[ｍ2]、長さL[ｍ]）とに基づいて、以下の（３）式に従って、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度Tdを算出して、電力量制御部９２に出力する。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ただし、ρo[Ωｍ]は、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の電気抵抗率であり、α[1/K]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数である。A[ｍ2]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター線の抵抗断面積であり、L[ｍ]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター線の抵抗長さである。T0[℃]は、予め定められた基準温度である。
【００５７】
電力量制御部９２は、蓄熱ＥＣＵ８２により算出された温度Ｔｄと、予め設定された温度Ｔｓとの偏差ε(＝Ｔｓ−Ｔｄ)に基づいた制御信号を、電力供給部９０に出力することにより、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。
【００５８】
また、蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに算出された温度Ｔｄに基づいて、上記（１）式、（２）式に従って、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【００５９】
なお、第２の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システム１０の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６０】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、検出された電流及び電圧に基づいて、電気ヒーター層の温度を算出するため、反応器に温度センサを内設せずに、蓄熱量を算出することができる。
【００６１】
なお、上記の実施の形態では、電流電圧検出部を、４線式で電気ヒーターと接続した場合を例に説明したが、電気ヒーターの抵抗が大きい場合には、導線抵抗を無視できるため、電流電圧検出部を、２線式で電気ヒーターと接続するようにしてもよい。
【００６２】
（第３の実施形態）
【００６３】
本発明の第３の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図１０〜図１２に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図１０には、車両用化学蓄熱システム１０の反応器１６に対する制御構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、車両用化学蓄熱システム１０は、内部温度センサが反応器１６に内設されていない点と、電力量制御部を設けていない点とで、第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０とは異なる。
【００６５】
蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧と、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数α[1/K]、電気抵抗率ρ０[Ωｍ]、及びヒーター線の形状（断面積A[ｍ2]、長さL[ｍ]）とに基づいて、上記（３）式に従って、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度Tdを算出して、電力量制御部９２に出力する。
【００６６】
電力供給部３９０は、発電部２２から供給された電力を用いて、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターに対して、一定電圧となるように電力を供給する。発電部２２から電力が供給されていない場合には、電力供給部３９０から電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターへは、電力が供給されない。
【００６７】
ここで、本実施の形態における電気ヒーター層１６Ｂへの電力量を制御する原理について説明する。
【００６８】
電力供給部３９０の電力供給を一定電圧による供給とし、電力量制御部を持たないとした場合、図１１、図１２に示すように、蓄熱完了後は吸熱項Qsの減少により発熱と吸熱のバランスが崩れてヒーター温度は上昇する。ヒーター温度の上昇に伴い電気抵抗は増大するため、一定電圧の供給において供給電力量は抑制され、脱水後の発熱と吸熱のバランスが回復し、ヒーター温度の過昇温を抑制することが可能となる。これにより、一定電圧による電力供給部３９０が、脱水完了のヒーター過昇温を防止する保護機能を有するため、電力量制御部を持つことなく、化学蓄熱材を脱水することが可能となる。
【００６９】
なお、第３の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システム１０の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７０】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、電力制御手段を持つことなく、電気ヒーターの電流抑制機能により電気ヒーターの過昇温を防止することができる。
【００７１】
また、上記の第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、車両用化学蓄熱システムに本発明を適用する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、車両以外に搭載された化学蓄熱システムに、本発明を適用するようにしてもよい。
【００７２】
また、エネルギー変換部として、電気ヒーターを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、電気エネルギーを熱に変換できるものであれば、電気ヒーター以外のエネルギー変換部であってもよい。
【００７３】
また、上記した実施形態では、蒸発器としての機能と凝縮器としての機能とを併せ持つ蒸発・凝縮器３０を備えて車両用化学蓄熱システムが構成された例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、車両用化学蓄熱システムが、独立して構成された蒸発器、凝縮器を備えた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 車両用化学蓄熱システム
１２ 容器
１６ 反応器
１６Ａ 蓄熱層
１６Ｂ 電気ヒーター層
１６Ｃ 蒸気拡散層
２２ 発電部
３０ 蒸発・凝縮器
８２ 蓄熱ＥＣＵ
８８ 内部温度センサ
９０ 電力供給部
９０、３９０ 電力供給部
９２ 電力量制御部
９４、２９４ 電流電圧検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生じる電気を有効利用するための化学蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、２次電池以外のエネルギー貯蔵手段として、電気２重層キャパシターや、フライホイール(例えば、特許文献１、２)、顕熱、潜熱蓄熱が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４４２３７９４号明細書
【特許文献２】英国特許第２４４９１１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、エネルギー貯蔵密度が低い、という問題や、長期保存ができない、という問題がある。また、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵するときにおいて、間欠的な電力供給条件となる場合には、蓄熱量を正確に把握することが必要となる。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる化学蓄熱システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る化学蓄熱システムは、電気を熱に変換するエネルギー変換部と、前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、かつ、水和反応により放熱する化学蓄熱材とが内蔵された反応器と、前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、前記エネルギー変換部に電力を供給する電力供給部と、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する電力量制御部と、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、を含んで構成されている。
【０００７】
第１の発明に係る化学蓄熱システムでは、反応器の化学蓄熱材は、エネルギー変換部からの熱供給を受けることで、脱水反応を生じつつ蓄熱する。この脱水反応に伴って生じる水蒸気は、蒸発凝縮部にて凝縮される。化学蓄熱材に蓄熱した熱を放出する際には、蒸発凝縮部において、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、水和反応のための水蒸気を反応器に供給する。これにより、化学蓄熱材の水和反応が生じ、該化学蓄熱材に蓄えられていた熱が放出される。
【０００８】
ここで、化学蓄熱システムは、電流電圧検出部によって、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出し、温度検出部によって、前記エネルギー変換部の温度を検出する。電力量制御部によって、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する。また、蓄熱量算出部によって、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する。
【０００９】
このように、エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、エネルギー変換部の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる。
【００１０】
第２の発明に係る化学蓄熱システムは、電気を熱に変換するエネルギー変換部、及び前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、水和反応により放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、前記エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する電力供給部と、前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、を含んで構成されている。
【００１１】
第２の発明に係る化学蓄熱システムは、電力供給部によって、エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する。ここで、脱水が完了すると、化学蓄熱材の吸熱項Qs減少によりエネルギー変換部の温度が上昇し、エネルギー変換部の電気抵抗が増大して、供給電力量が制限され、脱水後のエネルギー変換部の過昇温が抑制される。
【００１２】
第１の発明及び第２の発明に係る蓄熱量算出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、前記温度検出部によって検出された温度、及び予め求められた前記反応器の熱容量に基づいて、前記エネルギー変換部へ供給された総電力量と、前記熱容量における顕熱変化量と、放熱量との関係に従って、前記反応器の蓄熱量を算出するようにすることができる。
【００１３】
上記の温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧に基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出するようにすることができる。これによって、エネルギー変換部に温度センサを内設せずに、蓄熱量を算出することができる。
【００１４】
また、上記の温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧と、予め求められた前記エネルギー変換部の抵抗温度係数、電気抵抗率、抵抗断面積、及び抵抗長さとに基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出するようにすることができる。
【００１５】
上記の電力供給部は、車両に搭載された駆動部から供給される電力を、前記エネルギー変換部に供給するようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明に係る化学蓄熱システムは、エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、エネルギー変換部の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】（Ａ）電気ヒーターと発電部との接続関係を示す概略図、及び（Ｂ)反応器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムを構成する蓄熱ＥＣＵを示すブロック図である。
【図５】電気ヒーター層の温度、電気ヒーターの抵抗、電圧、電流、及び電力量の時間変化を示すグラフである。
【図６】電気ヒーター層の温度及び反応器の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図８】電流電圧検出部と電気ヒーターとの接続関係を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムを構成する蓄熱ＥＣＵを示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る車両用化学蓄熱システムの反応器に対する制御構成を示すブロック図である。
【図１１】電気ヒーター層の温度、電気ヒーターの抵抗、電圧、電流、及び電力量の時間変化を示すグラフである。
【図１２】電気ヒーター層の温度及び反応器の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図１〜図６に基づいて説明する。
【００１９】
図１には、車両用化学蓄熱システム１０の概略全体構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、車両用化学蓄熱システム１０は、ステンレスなどの金属材料で構成された容器１２内における化学蓄熱材用空間としての蓄熱層に化学蓄熱材（図示所略）が充填された反応器１６を備えている。反応器１６を構成する化学蓄熱材は、脱水に伴って蓄熱（吸熱）し、水和（水酸化カルシウムへの復原）に伴って放熱（発熱）する構成とされている。
【００２０】
この実施形態では、化学蓄熱材として、アルカリ土類金属の水酸化物の１つである水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）が採用されている。したがって、反応器１６内では、以下に示す反応で蓄熱、放熱を可逆的に繰り返し得る構成とされている。
【００２１】
Ｃａ（ＯＨ）２ ⇔ ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ
【００２２】
この式に蓄熱量、発熱量Ｑを併せて示すと、
【００２３】
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ
【００２４】
となる。この化学蓄熱材（Ｃａ（ＯＨ）２）の１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、略１．８６［ＭＪ／ｋｇ−Ｃａ（ＯＨ）２］とされている。
【００２５】
さらに、この実施形態では、図２（Ｂ）の断面図に示すように、反応器１６の容器１２内には、２つの蓄熱層１６Ａの間であって、隔壁１７を介して蓄熱層１６Ａに隣接するように配置された電気ヒーター層１６Ｂが設けられている。このように、電気ヒーター層１６Ｂは、蓄熱層１６Ａ内の化学蓄熱材との熱交換可能に、蓄熱層１６Ａに隣接して設けられている。電気ヒーター層１６Ｂには、エネルギー変換部としての電気ヒーターが内蔵されている。電気ヒーターは、例えば、ヒーター線（発熱部)と絶縁部などを用いて構成されている。また、蓄熱層１６Ａの各々に隣接し、かつ、電気ヒーター層１６Ｂと反対側に、化学蓄熱材に反応媒体蒸気を供給するための蒸気拡散層１６Ｃが設けられている。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターは、後述する電力供給部９０（図３参照)を介して、電気エネルギー源としての発電部２２に接続されている。この実施形態では、発電部２２は、電気モータであり、例えば車両用化学蓄熱システム１０が適用された自動車の駆動源としての電気モータであり、バッテリへの充電ができない余剰電力が、発電部２２から電力供給部９０に供給される構成とすることができる。余剰電力としては、例えば、車両減速に伴う回生エネルギ相当分や、燃料電池等の発電装置を搭載する構成においては、負荷変動に伴う余剰発電量相当分が挙げられる。
【００２７】
また、図３に示すように、車両用化学蓄熱システム１０は、反応器１６の電気ヒーター層１６Ｂの内部の温度Ｔｄに対応した信号を出力する内部温度センサ８８と、発電部２２から供給された電力を用いて、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターに電力を供給する電力供給部９０と、内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、電力供給部９０から供給される電力量を制御する電力量制御部９２と、電力供給部９０から電気ヒーターへ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部９４とを備えている。
【００２８】
電力量制御部９２は、内部温度センサ８８により検出された温度Ｔｄと、予め設定された温度Ｔｓとの偏差ε(＝Ｔｓ−Ｔｄ）に基づいた制御信号を、電力供給部９０に出力することにより、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。これにより、電気ヒーター層１６Ｂの温度を所定温度に設定することが可能となる。
【００２９】
また、反応器１６には、熱輸送ライン（図示省略）が接続されている。熱輸送ラインにおける下流側には、車両用化学蓄熱システム１０による加熱対象（図示省略）との熱交換部が設けられている。これにより、車両用化学蓄熱システム１０では、反応器１６で化学蓄熱材が放熱した熱を加熱対象の加熱（暖機）に供することができる構成とされている。熱輸送ラインの下流端は大気開放端とされている。加熱対象としては、内燃機関ＥＧ、該内燃機関ＥＧの排気ガスを浄化するための排気触媒、モータ駆動用のバッテリを統制する構成では該バッテリなどが挙げられ、複数の加熱対象（候補）から一部の加熱対象を選択する構成としても良い。
【００３０】
また、車両用化学蓄熱システム１０は、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃから導入された水蒸気を凝縮する凝縮部、及び水を蒸発させて反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃに供給する水蒸気を生成する蒸発部としての機能を兼ね備える蒸発・凝縮器３０を備えている。蒸発・凝縮器３０は、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃに水蒸気循環ライン３２を介して連通された蒸気流路３４と、蒸気流路３４内の水蒸気を凝縮すると共に、蒸気流路３４内の水を蒸発させるための媒体流路３８とが容器４０内に形成されて構成されている。媒体流路３８は、内部を流れる冷媒、熱媒と蒸気流路３４内の水又は水蒸気との熱交換可能に、該蒸気流路３４に隣接（図示は省略）して設けられている。
【００３１】
蒸気流路３４は、水蒸気循環ライン３２、反応器１６の蒸気拡散層１６Ｃと共に真空脱気されている。水蒸気循環ライン３２には、蒸気流路３４と蒸気拡散層１６Ｃとの連通、非連通を切り替えるための開閉弁４２が設けられている。また、蒸気流路３４における重力方向の低所は、水循環ライン４４を介して水タンク４６に連通されている。水循環ライン４４には、ウォータポンプ４８、開閉弁５０が設けられている。水タンク４６は、蒸気流路３４で凝縮された水を、該蒸気流路３４で蒸発させるための水として貯留するようになっている。ウォータポンプ４８は、作動することで、水タンク４６の水を蒸気流路３４に供給するようになっている。
【００３２】
媒体流路３８には、冷媒循環ライン５２が接続されている。冷媒循環ライン５２には、冷却器５４及び冷媒ポンプ５６が媒体流路３８と直列を成すように設けられている。これにより、冷媒ポンプ５６が作動されることで冷媒が媒体流路３８、冷却器５４を循環し、媒体流路３８における水蒸気の凝縮熱を冷却器５４で放熱するようになっている。すなわち、車両用化学蓄熱システム１０では、蒸発・凝縮器３０を構成する媒体流路３８での水蒸気から水への凝縮を維持するための凝縮器冷却系５８が構成されているものと捉えることができる。
【００３３】
冷媒循環ライン５２は、媒体流路３８の上流側及び下流側の各々で分岐しており、各分岐点で、冷却水循環ライン６２に接続されている。冷却水循環ライン６２には、冷却器６４、冷却水ポンプ６６、及び内燃機関ＥＧが媒体流路３８と直列を成すように設けられている。これにより、冷却水ポンプ６６が作動されることでエンジン冷却水が内燃機関ＥＧ、媒体流路３８、冷却器６４を循環し、熱媒を媒体流路３８に流すことにより、蒸気流路３４内の水を蒸発させるようになっている。すなわち、車両用化学蓄熱システム１０では、蒸発・凝縮器３０の媒体流路３８での水の蒸発のための蒸発熱を付与するための蒸発器加熱系６０が構成されているものと捉えることができる。蒸発・凝縮器３０では、熱媒から水への放熱（熱交換）が行われる構成である。
【００３４】
冷媒循環ライン５２と冷却水循環ライン６２との２つの接続位置（分岐位置）には、媒体流路３８に流れる媒体を、冷媒循環ライン５２の冷媒及び冷却水循環ライン６２のエンジン冷却水の何れかにするかを切り換える切換バルブ６８Ａ、６８Ｂが設けられている。
【００３５】
また、図４に示されるように、車両用化学蓄熱システム１０は、蓄熱ＥＣＵ８２を備えている。蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０、切換バルブ６８Ａ、６８Ｂ、ウォータポンプ４８、冷媒ポンプ５６、冷却水ポンプ６６、冷却器５４、６４のそれぞれに電気的に接続されており、これらの動作を制御するようになっている。
【００３６】
この蓄熱ＥＣＵ８２には、自動車の図示しないスタートスイッチ（運転制御ＥＣＵやメインコントローラ）から適用された自動車の運転状態に応じた信号が入力されるようになっている。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、内部温度センサ８８及び電流電圧検出部９４に電気的に接続されている。
【００３７】
蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに内部温度センサ８８によって検出された温度に基づいて、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【００３８】
ここで、本実施の形態における蓄熱量を算出する原理について説明する。
【００３９】
検出された電流（I［A］）、電圧（V［V］）、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度により、供給電力量V×I×ｔ［kJ］（t:ヒーター加熱時間［ｓ］）と、全熱容量Ct［kJ/K］（ヒーター層熱容量Ch、蓄熱層Cr、蒸気拡散層Cs、反応容器Cv［kJ/K］の和）における顕熱変化量ΔHt[kJ]と、外周への放熱量Qlとの関係から、以下の（１）式、（２）式に従って、蓄熱量Qs [kJ]を算出することができる。
【００４０】
Qs[kJ]=V×l×t-ΔHt-Ql (Td≧Ts) ・・・（１）
Qs[kJ]=0 (Td≦Ts) ・・・（２）
顕熱変化量ΔHt[kJ]=Ct・(Td-Tl)
反応器熱容量 Ct[kJ]=Ch+Cr+Cs+Cv
放熱量 Ql[kJ]=f(Td,Ti)
【００４１】
ただし、V[V]は検出電圧、Ｉ[A]は検出電流、Ch[kJ/K]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂの熱容量、Cr[kJ/K]は予め求められた蓄熱層１６Aの熱容量、Cs[kJ/K]は予め求められた蒸気拡散層１６Cの熱容量、Cv[kJ/K]は予め求められた容器１２の熱容量である。また、Ts[℃]は予め求められた脱水開始温度、Td[℃]は検出温度、Ti[℃]は予め求められた初期温度である。また、図５に示すように、Td≧Tsは、脱水開始の状態を表し、Td≦Tsは、脱水開始前の状態を表している。
【００４２】
蓄熱ＥＣＵ８２は、上記（１）式、（２）式に従って、反応器１６の蓄熱量を算出する。これにより間欠的な電力供給条件であっても、図６に示すように、蓄熱量を正確に把握することが可能となり、蓄熱材に熱を供給する電気ヒーターへの過剰な電力供給を防止することにより、電気エネルギーを有効利用することができる。
【００４３】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００４４】
まず、発電部２２から反応器１６へ電力が供給されて、蓄熱モードが開始されると、蓄熱ＥＣＵ８２によって、電力供給部９０からの電力供給を開始させると共に、凝縮器冷却系５８の冷媒ポンプ５６、冷却器５４を作動させる。これにより、冷却器５４、蒸発・凝縮器３０の順で冷媒が冷媒循環ライン５２を循環する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ開放させる。
【００４５】
反応器１６では、電気ヒーター層１６Bから供給された熱によって蓄熱層１６Ａの化学蓄熱材が脱水反応を生じ、該化学蓄熱材への蓄熱が成される。そして、化学蓄熱材の脱水反応に伴って生じた水蒸気が水蒸気循環ライン３２を介して蒸発・凝縮器３０の蒸気流路３４に導入されると、該水蒸気が媒体流路３８を流れる冷媒との熱交換によって凝縮され、重力にて水タンク４６に回収される。水蒸気との熱交換で加熱された冷媒は、冷却器５４で外気と熱交換することで冷却される。これにより、反応器１６での蓄熱動作が維持される。
【００４６】
このとき、内部温度センサ８８の信号に基づき、電力量制御部９２は、電力供給部９０からの電力量を制御し、電気ヒーター層１６Ｂの温度が設定温度となるように制御する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、内部温度センサ８８によって検出された温度、及び電流電圧検出部９４によって検出された電流・電圧に基づいて、化学蓄熱材の蓄熱量を算出する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、化学蓄熱材の蓄熱量が、予め求められた最大蓄熱量に達したこと（蓄熱率１００％）を検出すると、蓄熱が完了したと判断し、蓄熱ＥＣＵ８２は、電力供給部９０からの電力供給を停止させる。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ閉止させると共に、凝縮器冷却系５８の冷媒ポンプ５６、冷却器５４を停止させ、蓄熱モードを終了する。
【００４７】
また、加熱対象の加熱が必要となり、放熱モードに遷移した場合には、加熱対象の要求熱量（Ｗ）を求め、蓄熱ＥＣＵ８２は、要求熱量だけ反応器１６（化学蓄熱材）に放熱させるための水和反応量（Ｗ）を算出する。また、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ開放させ、ウォータポンプ４８を作動させる。
【００４８】
次いで蓄熱ＥＣＵ８２は、水和反応を行うために必要な量の水蒸気を蒸発・凝縮器３０が発生するように、蒸発器加熱系を制御し、蒸発器加熱系の熱媒は、蒸発・凝縮器３０の媒体流路３８において、水タンク４６から蒸気流路３４に供給された水との熱交換（凝縮熱の付与）に供される。これにより、蒸気流路３４から反応器１６の反応流路１４に水蒸気が供給され、反応流路１４内の化学蓄熱材が水和反応を生じ、該水和反応に伴い放熱する。この熱は、熱輸送ラインを流れる空気によって加熱対象に輸送され、該加熱対象の加熱（暖機）に寄与する。
【００４９】
さらに、蓄熱ＥＣＵ８２は、加熱対象の昇温が完了したか否かを判断し、加熱対象の昇温が完了したと判断した場合、蓄熱ＥＣＵ８２は、開閉弁４２、５０をそれぞれ閉止させると共に、ウォータポンプ４８を停止させ、放熱モードを終了する。
【００５０】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、電気ヒーター層へ供給される電流及び印加される電圧を検出すると共に、電気ヒーター層の温度を検出し、検出された電流及び電圧、並びに検出された温度に基づいて、反応器の蓄熱量を算出することにより、電気エネルギーを熱へ変換して貯蔵する場合において、蓄熱量を精度よく算出することができる。また、算出した蓄熱量に基づいて、化学蓄熱材に熱を供給する電気ヒーターへの過剰な電力供給を防止することにより、エネルギーを有効利用することができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図７〜図９に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図７には、車両用化学蓄熱システム１０の反応器１６に対する制御構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、第２の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０は、内部温度センサが、反応器１６に内設されていない点で、第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０とは異なる。
【００５３】
また、図８に示すように、電流電圧検出部２９４は、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーター（ヒーター電気抵抗）との間が４本の導線で接続される４線式となっている。これにより、ヒーター電気抵抗（Rh）が小さい場合には、導線抵抗(RL)が無視できないレベルとなるため、４線式により導線抵抗RLを相殺・排除させて、検出精度を向上させることができる。
【００５４】
図９に示すように、蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧と、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数α[1/K]、電気抵抗率ρ０[Ωｍ]、及びヒーター線の形状（断面積A[ｍ2]、長さL[ｍ]）とに基づいて、以下の（３）式に従って、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度Tdを算出して、電力量制御部９２に出力する。
【００５５】
【数１】
【００５６】
ただし、ρo[Ωｍ]は、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の電気抵抗率であり、α[1/K]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数である。A[ｍ2]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター線の抵抗断面積であり、L[ｍ]は予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター線の抵抗長さである。T0[℃]は、予め定められた基準温度である。
【００５７】
電力量制御部９２は、蓄熱ＥＣＵ８２により算出された温度Ｔｄと、予め設定された温度Ｔｓとの偏差ε(＝Ｔｓ−Ｔｄ)に基づいた制御信号を、電力供給部９０に出力することにより、電力供給部９０から供給される電力量を制御する。
【００５８】
また、蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧、並びに算出された温度Ｔｄに基づいて、上記（１）式、（２）式に従って、反応器１６の蓄熱量を算出する。
【００５９】
なお、第２の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システム１０の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６０】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、検出された電流及び電圧に基づいて、電気ヒーター層の温度を算出するため、反応器に温度センサを内設せずに、蓄熱量を算出することができる。
【００６１】
なお、上記の実施の形態では、電流電圧検出部を、４線式で電気ヒーターと接続した場合を例に説明したが、電気ヒーターの抵抗が大きい場合には、導線抵抗を無視できるため、電流電圧検出部を、２線式で電気ヒーターと接続するようにしてもよい。
【００６２】
（第３の実施形態）
【００６３】
本発明の第３の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０について、図１０〜図１２に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図１０には、車両用化学蓄熱システム１０の反応器１６に対する制御構成が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、車両用化学蓄熱システム１０は、内部温度センサが反応器１６に内設されていない点と、電力量制御部を設けていない点とで、第１の実施形態に係る車両用化学蓄熱システム１０とは異なる。
【００６５】
蓄熱ＥＣＵ８２は、電流電圧検出部９４によって検出された電流及び電圧と、予め求められた電気ヒーター層１６Ｂのヒーター材質の抵抗温度係数α[1/K]、電気抵抗率ρ０[Ωｍ]、及びヒーター線の形状（断面積A[ｍ2]、長さL[ｍ]）とに基づいて、上記（３）式に従って、電気ヒーター層１６Ｂの内部温度Tdを算出して、電力量制御部９２に出力する。
【００６６】
電力供給部３９０は、発電部２２から供給された電力を用いて、電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターに対して、一定電圧となるように電力を供給する。発電部２２から電力が供給されていない場合には、電力供給部３９０から電気ヒーター層１６Ｂの電気ヒーターへは、電力が供給されない。
【００６７】
ここで、本実施の形態における電気ヒーター層１６Ｂへの電力量を制御する原理について説明する。
【００６８】
電力供給部３９０の電力供給を一定電圧による供給とし、電力量制御部を持たないとした場合、図１１、図１２に示すように、蓄熱完了後は吸熱項Qsの減少により発熱と吸熱のバランスが崩れてヒーター温度は上昇する。ヒーター温度の上昇に伴い電気抵抗は増大するため、一定電圧の供給において供給電力量は抑制され、脱水後の発熱と吸熱のバランスが回復し、ヒーター温度の過昇温を抑制することが可能となる。これにより、一定電圧による電力供給部３９０が、脱水完了のヒーター過昇温を防止する保護機能を有するため、電力量制御部を持つことなく、化学蓄熱材を脱水することが可能となる。
【００６９】
なお、第３の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システム１０の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７０】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る車両用化学蓄熱システムによれば、電力制御手段を持つことなく、電気ヒーターの電流抑制機能により電気ヒーターの過昇温を防止することができる。
【００７１】
また、上記の第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、車両用化学蓄熱システムに本発明を適用する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、車両以外に搭載された化学蓄熱システムに、本発明を適用するようにしてもよい。
【００７２】
また、エネルギー変換部として、電気ヒーターを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、電気エネルギーを熱に変換できるものであれば、電気ヒーター以外のエネルギー変換部であってもよい。
【００７３】
また、上記した実施形態では、蒸発器としての機能と凝縮器としての機能とを併せ持つ蒸発・凝縮器３０を備えて車両用化学蓄熱システムが構成された例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、車両用化学蓄熱システムが、独立して構成された蒸発器、凝縮器を備えた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 車両用化学蓄熱システム
１２ 容器
１６ 反応器
１６Ａ 蓄熱層
１６Ｂ 電気ヒーター層
１６Ｃ 蒸気拡散層
２２ 発電部
３０ 蒸発・凝縮器
８２ 蓄熱ＥＣＵ
８８ 内部温度センサ
９０ 電力供給部
９０、３９０ 電力供給部
９２ 電力量制御部
９４、２９４ 電流電圧検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気を熱に変換するエネルギー変換部と、前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、かつ、水和反応により放熱する化学蓄熱材とが内蔵された反応器と、
前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、
前記エネルギー変換部に電力を供給する電力供給部と、
前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、
前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する電力量制御部と、
前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、
を含む化学蓄熱システム。
【請求項２】
電気を熱に変換するエネルギー変換部、及び前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、水和反応により放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、
前記エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する電力供給部と、
前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、
前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、
前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、
を含む化学蓄熱システム。
【請求項３】
前記蓄熱量算出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、前記温度検出部によって検出された温度、及び予め求められた前記反応器の熱容量に基づいて、前記エネルギー変換部へ供給された総電力量と、前記熱容量における顕熱変化量と、放熱量との関係に従って、前記反応器の蓄熱量を算出する請求項１又は２記載の化学蓄熱システム。
【請求項４】
前記温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧に基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の化学蓄熱システム。
【請求項５】
前記温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧と、予め求められた前記エネルギー変換部の抵抗温度係数、電気抵抗率、抵抗断面積、及び抵抗長さとに基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出する請求項４記載の化学蓄熱システム。
【請求項６】
前記電力供給部は、車両に搭載された駆動部から供給される電力を、前記エネルギー変換部に供給する請求項１〜請求項５の何れか１項記載の化学蓄熱システム。
【請求項１】
電気を熱に変換するエネルギー変換部と、前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、かつ、水和反応により放熱する化学蓄熱材とが内蔵された反応器と、
前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、
前記エネルギー変換部に電力を供給する電力供給部と、
前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、
前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記電力供給部から供給される電力量を制御する電力量制御部と、
前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、
を含む化学蓄熱システム。
【請求項２】
電気を熱に変換するエネルギー変換部、及び前記エネルギー変換部からの熱供給により脱水反応を行って蓄熱し、水和反応により放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
前記反応器から前記脱水反応に伴って放出された水蒸気を、冷媒との熱交換によって凝縮させると共に、冷媒との熱交換によって水を蒸発させることで、前記水和反応のための水蒸気を前記反応器に供給する蒸発凝縮部と、
前記エネルギー変換部に対して一定電圧となるように電力を供給する電力供給部と、
前記電力供給部から前記エネルギー変換部へ供給される電流及び印加される電圧を検出する電流電圧検出部と、
前記エネルギー変換部の温度を検出する温度検出部と、
前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、並びに前記温度検出部によって検出された温度に基づいて、前記反応器の蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、
を含む化学蓄熱システム。
【請求項３】
前記蓄熱量算出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧、前記温度検出部によって検出された温度、及び予め求められた前記反応器の熱容量に基づいて、前記エネルギー変換部へ供給された総電力量と、前記熱容量における顕熱変化量と、放熱量との関係に従って、前記反応器の蓄熱量を算出する請求項１又は２記載の化学蓄熱システム。
【請求項４】
前記温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧に基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の化学蓄熱システム。
【請求項５】
前記温度検出部は、前記電流電圧検出部によって検出された電流及び電圧と、予め求められた前記エネルギー変換部の抵抗温度係数、電気抵抗率、抵抗断面積、及び抵抗長さとに基づいて、前記エネルギー変換部の温度を算出する請求項４記載の化学蓄熱システム。
【請求項６】
前記電力供給部は、車両に搭載された駆動部から供給される電力を、前記エネルギー変換部に供給する請求項１〜請求項５の何れか１項記載の化学蓄熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１１３５５１（Ｐ２０１３−１１３５５１Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２３４９（Ｐ２０１１−２６２３４９）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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