JPH0197182A - 固体電解質型熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体電解質間利用して熱エネルギーを直接電
気エネルギーへ変換する直接発電方式による発電装置に
関する。

［従来の技術］ 従来、固体電解質を利用した発電原理は、１９６９年Ｊ
、Ｔ、Ｋｕｍｍｅｒらにより提案され（米国特許第３、
．１５８，３５６号）とされ、Ｓｏｄｉｕｍ　ｔｌｅａ
ｔ　Ｅｎｇｉｎｅ（ＳＩＩＥ）　あるいはＡｌｋａｌｉ
　Ｍｅｔａｌ　Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（：ｏ
ｎｖｅｒｔｏｒ　（ＡＭＴＥＣ）と呼ばれている。その
後、１９８５年にはＮ、ＷｅｂｅｒによりＴ；、極り−
ドの絶縁方法（米国特許第４，５０５，９９１号゛）が
提案されている。

この発電方式は、■発電装置の単位ｆｆ１ｆｆｉあたり
の出力が大きい、■エネルギー変換効率が高い、■発電
規模を自由に選択することができる、■あらゆる熱源に
対応可能である、■直接発電のため動作部がなく、振動
、騒音もない、■長寿命で信顆性が高い、など数多くの
利点を備えている。

この発電原理を利用した発電装置は今までにいくつか報
告されているが、発電に関与する作動媒体を固体電解質
へ供給する方法は第４図あるいは第５図に示すいずれか
の方法による。

第４図は従来の発電装置を示す図である。ここで、１は
固体電解質、３は正極電極膜である。４、および５は外
部端子であり、外部端子４は負極、外部６＋４子５は正
極である。６は絶縁物であり、７は冷却面である。８は
ポンプ、９は作動媒体１１の流路である。１２はヒータ
であり、容器１３の周囲に設置されている。

この装置における作動媒体の供給は、液相の作動媒体１
１をポンプ８により流路９を経て固体電解質ｌの内側へ
上方より供給する方式であり、ＩＩ八は供給された液相
の作動媒体である。作動媒体１１Ａの加熱はヒータ１２
により行われる。ヒータ１２によって加熱された液相の
作動媒体１１八け、固体電解質１をイオンとして通過し
、正極電８１Ｍ３で中性化された後に容器１３の下方の
冷却面７と接して凝縮し、液相の作動媒体１１となる。

ヒータ１２によって加熱された作動媒体１１Ａの温度に
対応する蒸気圧力と冷却面７の温度に対応する蒸気圧力
との差が固体電解Ｓｔｌ内のイオンの駆動力となり、イ
オンの移動により電力が発生する。この電力は外部端子
４，５により取り出される。

第５図に示す装置においては固体電解質１が第４図に示
した装置とは上下逆に固定され、作動媒体１１はポンプ
８により固体電解質１の内側ＩＡへ下方より供給される
。１１Δは供給された作動媒体である。作動媒体１１Ａ
の加熱はこの装置においては固体電解質内側ＩＢより行
われるが、第４図に示した装着と同様に容器１３の周囲
より加熱することも可能である。発生した電力は外部端
子４，５より取り出される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来の発電装置においては、高温加熱面
と固体電解質との間に供給される作動媒体はすべて液相
であるため、作動媒体の必要量が多くなるという問題点
があった。また、熱の移動は液相の作動媒体を介しての
伝導、あるいは周囲からの放射により行われるので、固
体電解質の均一加熱が難しいという問題点があった。さ
らに、作動媒体を加熱するための加熱面と固体電解質間
の距離を大きくすることが難しく、このため設計上の自
由度が少ないという問題点があった。

また、多数の固体電解質を並べて発電を行う際、固体電
解質の内側および作動媒体供給流路が液相の作動媒体で
満たされているために電気的な直列接続が難しい点も重
要な問題点であった。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、効率良く発電
すること−のできる発電装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、固体電解
質によフて熱電変換を行う発電装置において、発電に関
与する作動媒体を加熱蒸発させる加熱手段と、加熱手段
によって蒸発した作動媒体を固体電解質表面上に凝縮さ
せる凝縮手段とを有し、複数個の固体電解質間の電気的
接続部が気相中にあることを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、少景の作動媒体が加熱面近傍にあれば
よいので、装置を＠量化することができる。また、加熱
面から固体電解質表面である凝縮面への熱の８動は作動
媒体の蒸発・凝縮によって行われるので均一となる。さ
らに、加熱された作−勤媒体は蒸発して固体電解質に到
達するので、加熱面と固体電解質との距離が大となって
もすみやかに作動媒体および熱の両者が固体電解質に供
給され、このことに、、より装置設計上の自由度が非常
に大きくなる。

また、多数の固体電解質を並べて電気的に直列接続する
場合も気相を介して絶縁されるために、直列接続が容易
となる。

［実施例］ 以下、図面を参照し、実施例１．２および３について本
発明の詳細な説明する。

衷迦ル工 第１図は本発明の第１の実施例を示す図である。ここで
、１はいずれもイオン導電性の高いβアルミナ、β″ア
ルミナおよびβ　アルミナなどの固体電解質である。固
体電解質１は一端部に底面を有する円筒形状である。２
はウィックであり、ヒートパイプに用いられるものと同
様のものである。ウィック２を使用せず、凝縮した液相
の作動媒体が固体電解′ｉｆの外面を覆うことができる
ような形状に固体電解質ｌの表面を加工してもよい。

３は正極ＴＬ電極膜あり、その材料は作動媒体に対して
溶解度の小さいものが選択される。例えばナトリウムを
作動媒体とした場合には、モリブデン、チタン、クロム
、コバルト、タングステン。

ニッケルおよびこれらの合金が適当である。また、正極
ＴＬ電極膜の作製方法としては、電子ビーム蒸看法、イ
オンブレーティング法、スパッタ法、化学気相成長法、
熱分解還元法およびスプレー法があり、正極電極膜３の
材料との関係で選択される。、膜厚は０．１μｍ−Ｉ　
０μｍが適当である。

また、多成分の多層膜も有効である。

４および５は外部端子であり、外部端子４は負極、外部
端子５は正極である。６は絶縁物である。７は冷却面、
８はポンプである。９は作動媒体１１の流路である。ｌ
Ｏは作動媒体１１を加熱するための加熱面である。隣接
する固体電解質１同士は接続線１４によって気相中で電
気的に直列に接続されている。

この装置は円筒形状の固体電解質１の内側に正極電極膜
３が配置されている発電装置である。以下、この装置の
構成と発電の原理について説明する。

加熱面１０で昇温した液相の作動媒体１１は蒸発し、固
体電解質１の外側のウィック２で凝縮する。凝縮した作
動媒体１１は固体電解質１中をイオンとして通過し、正
極電極膜３で中性化された後に再び蒸発し、冷却面７と
接して凝縮する。凝縮作動媒体１１１１は流路９を通り
、ポンプ８で加圧されて加熱面ｌＯに戻る。固体電解質
１を挟む、作動媒体蒸気圧力の差が固体電解質内のイオ
ンの駆動力となり、電力はイオンの移動により発生する
。

発電された電力は絶縁物６により第１図に示すように配
線された外部端子４．５によりそれぞれ容器外へ取り出
される。なお、この装置は各固体電解質を電気的に直列
に接続した例であるが、並列接続も可能である。

夾凰■ユ 第２図は本発明の第２の実施例を示す図である。図中、
第１図と同様の個所には同一の符号を付す。

この装置は第１図に示した固体電解′ＪＩＬｌを上下逆
にして固定し、固体電解質１の外側に正極電極膜３を配
した構成である。この場合は固体電解質１の内側のクイ
ック２で作動媒体が凝縮する。そのほかの部分について
は第１図に示した製画と同様の構成である。また、発電
の原理についても第゛１図に示した装置と同様である。

なお、この装置は第５図に示した従来の装置に対応する
装置である。

哀族■旦 第３図は本発明の第３の実施例を示す図である。図中、
第１図および第２図と同様の個所には同一の符号を付す
。

第３図に示す装置は実施例１および２に示した装置とは
多少異なる。すなわち、固体電解質１の内側は液相の作
動媒体１１Ａで満たされている。この点は第４図に示し
た従来の装置に対応する装置であるが、従来の装置と大
きく異なる点は作動媒体がポンプ８を通過後に液流路９
＾において加熱源１０Ａより作動媒体１１を加熱・昇温
して蒸発させる点である。したがって、作動媒体は流路
９Ｂを経た後、固体電解質１の内側で凝縮し、液相の作
動媒体１１八となる。作動媒体１１を高・温に保つため
に補助加熱源１０Ｂを必要に応じて導入することも可能
である。第１および第２の実施例と同様に正極電極膜３
で中性化された作動媒体は冷却面７で凝縮される０発生
した電力は外部端子４．５により取り出される。第４図
に示した従来の装置との大きな差は、加熱源１０への配
置に自由度がある点と固体電解質の電気的な直列接続が
容易な点である。

作動媒体をナトリウムとし、固体電解質としてβ″アル
ミナを使用し、高温側の温度を１１７５Ｋ、低温側の温
度を５００にとし、正極電極膜面積を５００ｃｍ２とし
た場合、正極電極膜単位面積あたりの出力はｌ　、　Ｉ
　Ｗ　／　ｃｍ’が得られ、熱効率は最大３５％となる
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明においては、作動媒体の供給
と熱の供給とが蒸発・凝縮過程により同時に行い、かつ
複数の固体電解質同士を気相を介して絶縁するようにし
たので、以下のような効果がある。

■作動媒体の必要量が少量なので装置を軽量化すること
ができる。

■加熱面から固体電解質表面までの熱の８勅が均一に行
われる。

■加熱面と固体電解質との距離の制約が少ないので発電
装置設計上の自由度が大きい。

■複数の固体電解質の電気的直列接続が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明の第１゜第２およ
び第３の実施例を示す図、 第４図および第５図は従来の発電装習を示す図である。 １・・・固体電解質、 ２・・・ウィック、 ３・・・正極電極膜、 ４．５・・・外部端子、 ゛　６・・・絶縁物、 ７・・・冷却面、 ８・・・ポンプ、 ９．９Δ、９Ｂ・・・流路、 ｌＯ・・・加熱面、 １〇八・・・加熱源、 １０Ｂ・・・補助加熱源、 １１．１１八、１１Ｂ・・・作動媒体、１４・・・接続
線。 ３正才を電極膜 本絶明の廃１の莢プ旭イ列を示オ図 第１図 ネ屓払ロ月〃】Ｇ２の突１炬Ｌイダ１」を示すａ第２図 本沼口月の第３０文１克イ列を示す凶 第３図 狡凛Ａ彪電装置を示す凹 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 固体電解質によって熱電変換を行う発電装置において、 発電に関与する作動媒体を加熱蒸発させる加熱手段と、
   該加熱手段によって蒸発した前記作動媒体を前記固体電
   解質表面上に凝縮させる凝縮手段とを有し、複数個の前
   記固体電解質間の電気的接続部が気相中にあることを特
   徴とする発電装置。