JPH03178584A

JPH03178584A - アルカリ金属熱電変換装置

Info

Publication number: JPH03178584A
Application number: JP2304174A
Authority: JP
Inventors: Martin H Cooper; マーチン・ハワード・クーパー; Robert K Sievers; ロバート・ケビン・シーバーズ
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1991-08-02
Also published as: CA2029493A1; DE4033346A1; US5039351A

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】本発明は、アルカリ金属熱電変換（ＡＭＴＥＣ）装置に
関し、より詳細には、機械的強度が高く且つ高性能のア
ルカリ金属熱電変換装置に関する。

アルカリ金属熱電変換装置は、ナトリウムイオンを通す
が電子は通さないβ−アルミナ固体電解質からなる部材
を用いて熱を電気エネルギーに直接変換する。この固体
電解質からなる部材はナトリウムで満たされた高圧側領
域と低圧側領域との間の境界をなす。電解質付近の温度
は高くなるので、これと関連のある飽和圧力は低圧側領
域よりも大きくなる。このような条件のもとでは、ナト
リウムイオンを結晶格子のイオン伝導平面に沿って高圧
側から低圧側へ移動させる化学ポテンシャルが電解質の
前後に発生する。正のイオンが低圧側に生じることによ
り電荷又は電位差が電解質の前後に発生し、過剰の電子
が中性ナトリウムのイオン化の際に放出され、高圧側に
蓄積する。

ナトリウムを電解質の表面に通す電子伝導層が電解質の
両側に設けられている。これら伝導層は負、荷を介して
相互に接続されていて、高圧側に蓄積した過剰の電子を
低圧側に移動させることかでき、この低圧側で電子は過
剰のナトリウムイオンと再結合し、このプロセスにおい
て負荷に電気的な仕事を行う。電解質を通り低圧側で電
子と再結合したす）・リウムイオンは電解質の表面から
蒸発し、次に凝縮し、捕集されて高圧側に送り戻される
。アルカリ金属熱電変換装置から発生（、た電気エネル
ギー及び放出された熱を置き換えるため熱エネルギーが
システムに加えられる。本発明者のうちの一人に付与さ
れた米国特許第４．８０８２４０号は上述の原理で動作
する、蒸気が供給される檀重ね式Ａ　Ｍ　Ｔ　Ｅ　Ｃモ
ジュールを開示している。かかる装置で用いられるβ−
アルミナは熱応力及び機械的応力に起因して損傷しやす
い機械的性質を有している。

本発明の目的は、機械的荷重及び熱の作用で生じる荷重
に耐える電解質の能力が実質的に向上し、それにより信
頼性が実質的に増大すると共に製造及び保守が経済的な
アルカリ金属熱電変換装置を提供することにある。

一般に、本発明のアルカリ金属熱電変換装置は、一方が
イオン伝導性被膜で被覆された２つの主要表面を備えた
多孔性構造部材と、多孔性構造部材の一方の側部に設け
られ、た高圧側アルカリ金属と、多孔性構造部材の他方
の側部に設けられた低圧側アルカリ金属とを有すること
を特徴とし、熱をアルカリ金属熱電変換装置に加えると
、電子ではなくアルカリ金属イオンがイオン伝導性被膜
を通過し、自由電子が外部回路を通ってイオン伝導性被
膜の低圧側でアルカリ金属イオンと再結合し、外部回路
中に有用な電気エネルギーが生じる。

特許請求の範囲に記載されている本発明の内容は添付の
図面を参照して以下の詳細な説明を読むと一層明らかに
なろう。なお、図中、同一の参照符号は同一の部分を示
している。

合図面を詳細に参照し、特に第１図及び第２図を参照す
ると、アルカリ金属熱電変換装置１が、封入容器９内に
配置された２つの主要表面５．７を備える管状の多孔性
構造部材３を有している。

多孔性構造部材３の材質は、従来用いられているβ−ア
ルミナ電解質よりも強度が大きな材料、例えばニオブで
ある。β−アルミナの薄い膜１３が多孔性構造部材３の
２つの主要表面のうちの一方である外面７を被覆し、多
孔性の薄膜導体１５がβ−アルミナ被覆１３上に被着さ
れて電極を形成すると共に多孔性構造部材３又は封入さ
れた液状アルカリ金属が第２の電極を構成している。β
−アルミナ被覆１３は容器９を高圧側部分と低圧側部分
に分割し、これら部分はそれぞれ液状のアルカリ金属１
１、例えばナトリウムを収容している。

電極が外部回路１７に電気的に接続されている。

電磁ポンプ又は他の圧送手段１９が液状金属を低圧側部
分から高圧側部分に移送する。多孔性の管状構造部材３
は、機械的な衝撃荷重を受けるような用途については所
要の機械的な強度をもたらす。

高圧高温の液体ナトリウム又は他の液状アルカリ金属は
管状多孔性構造部材３の内部を満たすが、これを通過す
る。β−アルミナ被覆１３はナトリウム及び電子を通さ
ないが、ナトリウムイオンは通すので、このナトリウム
イオンはβ−アルミナ被覆１３を通過する。外部回路１
７は、一方の電極として働く管状構造部材３又は液状ナ
トリウムを、β−アルミナ１３上の多孔性被覆１５によ
って形成される電極に電気的に接続している。

β−アルミナ被覆１３の高圧側におけるナトリウムのイ
オン化によって放出された過剰電子は、仕事が負荷に対
して行なわれると、外部回路（７を通って移動し、β−
アルミナ１３を通って低圧側に移動したナトリウムイオ
ンと再結合する。再結合はβ−アルミナ１３と多孔性被
覆１５との間の界面で生じる。ナトリウムは低圧側部分
の圧力が低いために蒸発し、蒸気は、β−アルミナ（３
の温度よりも低い温度に冷却されている容器の壁９に向
かって流れて凝縮する。凝縮したナトリウムは高圧側部
分に向かって圧送され、かくして装置に直接加えられた
熱を電気エネルギーに変換する閉サイクルが形成される
。

第３図は、第１図及び第２図に示すアルカリ金属熱電変
換装置と類似しているが、広くなった表面を備えていて
、外面７ａがβ−アルミナの薄膜１３ａで被覆された管
状構造部材３ａを有する点で異なるアルカリ金属熱電変
換装置を示している。多孔性の導電材料の薄い被膜１５
ａが電極として働くβ−アルミナ被膜１３ａを覆ってい
る。

この実施例は、アルカリ金属熱電変換装置の全体寸法を
大きくしないで一層大きな電気エネルギーを生ぜしめる
ためにβ−アルミナ被覆１３ａの表面積を増大させてい
る。

第４図では、β−アルミナ被！ｌ！１１３ｂが、第１図
及び第２図に示すような外面ではなく、多孔性構造部材
３の内面７に被着されている。電極１５ｂ又は液体ナト
リウムがβ−アルミナ被膜１３ｂの内側に設けられてい
る。高圧側領域はβ−アルミナ被膜１３ｂによって包囲
されている。外部回路１７は多孔性構造部材３とβ−ア
ルミナ被膜１３ｂの内側に設けられている電極１５ｂ又
は液体ナトリウムとの間に接続されている。この構成に
おけるβ−アルミナ被膜１３ｂは半径方向外方への圧力
荷重に一層抵抗する。

第５図に示す実施例は３１１３図に示す実施例と同様、
広くなった表面を備える同一の管状多孔性構造部材３ａ
を有しているが、β−アルミナの薄膜１３ｃが第４図と
類似の広くなった表面を備えた焼結管３ａの内面５ａに
被着されており、広くなった表面により一層大きな電気
エネルギーが得られるという点を除けば本質的には同一
に動作する。

第６図は、一方の側部５ｄがβ−アルミナの薄膜１３ｄ
で被覆されている平らなプレートとして形成された一対
の多孔性構造部材３ｄを示している。平らなプレートは
製造が安価であるが、これらの前後に生じる差圧のため
に制限されたサイズのものでなければならず、或いはも
し大きなサイズを用いる場合にはクロスタイ又はブレー
シングを備えなければならない。

第７図に示すように、広くなった表面を備える一対の多
孔性構造部材３ｅが第６図に示す平らな焼結金属プレー
トに代えて用いられている。広くなった表面は焼結金属
プレー）３ｅに波を付けることによって得られ、β−ア
ルミナの薄膜］３ｅで被覆されている。波形にする利点
は２つある、ｌっは、液部が本質的には同一の空間内で
表面積を一層多く取ることができると共に剛性を付加し
、或いは断面係数を大きくしてクロスタイ又は他のブレ
ーシングを用いないで表面積を一層大きくすることがで
きるということである。

多孔性構造部材３及び３ａ〜３ｅは、モリブデン、ニオ
ブ、ロジウム、タンタル、タングステン、アルミナ又は
他の任意の耐熱材料或いは熱膨張係数がβ−アルミナと
ほぼ同じ金属合金の幾つかの組合せで作られている。こ
れら材料は強度が大きいので、薄膜状のβ−アルミナの
採用及び多孔性構造部材の多孔性により、ナトリウムイ
オンは、β−アルミナを通過しやす（なる。β−アルミ
ナ薄膜のイオン抵抗は構造部材として用いられているよ
り厚いβ−アルミナの抵抗よりも小さく、その結果従来
型アルカリ金属熱電文換装）Ｗと比ベワット／　ｃ　ｒ
ｎ　２で表した比出力密度が高（なる。

本発明者によって現在考え得る本発明の最適態様として
の好ましい実施例を説明したが、当業者であれば本発明
の多くの設計変更及び改造を想到できよう。従って、上
述の実施例は例示的に考えられるべきであって、当業者
であれば特許請求の範囲に記載されているような本発明
の多くの設計変更及び改造が明らかである。かくして、
本願の特許請求の範囲はかかる設計変更及び改造が本発
明の精神及び範囲に属すると考えられる限りこれらを包
含するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って構成されたアルカリ金属熱電
変換装置の概略断面図である。第２図は、管状の実施例を示す第１図のＩＩ−ＩＩ線に
おける断面図である。第３図は、変形例としてのアルカリ金属熱電変換装置の
断面図である。第４図は、変形例としての管状実施例の断面図である。第５図は、別の管状実施例の断面図である。第６図は、平らなプレートを用いた実施例の部分断面図
である。第７図は、広くなった表面を備えたプレートを用いる実
施例の部分断面図である。１はアルカリ金属熱電変換装置、３は管状の多孔性構造
部材、５．７は主要な表面、９は封入容器、１１は液状
アルカリ金属、１３はβ−アルミナ彼膜、１５は導電性
の多孔性被膜、１９は圧送手段である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アルカリ金属熱電変換装置であって、一方がイオ
ン伝導性被膜で被覆された２つの主要表面を備えた多孔
性構造部材と、多孔性構造部材の一方の側部に設けられ
た高圧側アルカリ金属と、多孔性構造部材の他方の側部
に設けられた低圧側アルカリ金属とを有し、熱をアルカ
リ金属熱電変換装置に加えると、電子ではなくアルカリ
金属イオンがイオン伝導性被膜を通過し、自由電子が外
部回路を通ってイオン伝導性被膜の低圧側でアルカリ金
属イオンと再結合し、外部回路中に有用な電気エネルギ
ーが生じることを特徴とするアルカリ金属熱電変換装置
。
（２）イオン伝導性被膜の材質はβ−アルミナであるこ
とを特徴とする請求項第１項記載のアルカリ金属熱電変
換装置。
（３）多孔性構造部材は、焼結されたモリブデン、ニオ
ブ、ロジウム、タンタル、タングステン又は他の任意の
耐熱金属或いは熱膨脹率がβ−アルミナとほぼ同じ金属
合金の幾つかの組合せで構成されることを特徴とする請
求項第２項記載のアルカリ金属熱電変換装置。
（４）多孔性構造部材は管状であること特徴とする請求
項第１項記載のアルカリ金属熱電変換装置。
（５）イオン伝導性被覆は管状の多孔性構造部材の外面
に設けられていることを特徴とする請求項第４項記載の
アルカリ金属熱電変換装置。
（６）多孔性の導電性被膜がイオン導電性被膜の上に被
着されていることを特徴とする請求項第５項記載のアル
カリ金属熱電変換装置。
（７）イオン伝導性被膜はβ−アルミナであり、多孔性
導電性被膜は、熱膨脹率がβ−アルミナとほぼ同じ金属
又は金属合金であることを特徴とする請求項第６項記載
のアルカリ金属熱電変換装置。
（８）アルカリ金属を低圧側部分から高圧側部分へ移送
する手段を更に有することを特徴とする請求項第１項記
載のアルカリ金属熱電変換装置。
（９）イオン伝導性被膜は管状多孔性構造部材の内面に
設けられていることを特徴とする請求項第４項記載のア
ルカリ金属熱電変換装置。
（１０）イオン伝導性被膜はβ−アルミナであることを
特徴とする請求項第９項記載のアルカリ金属熱電変換装
置。
（１１）β−アルミナ被膜はβ−アルミナの薄膜である
こととを特徴とする請求項第９項記載のアルカリ金属熱
電変換装置。
（１２）管状多孔性構造部材の表面が広くなっているこ
とを特徴とする請求項第１１項記載のアルカリ金属熱電
変換装置。
（１３）前記表面は、管状多孔性構造部材に波を付ける
ことによって広げられていることを特徴とする請求項第
１２項記載のアルカリ金属熱電変換装置。
（１４）アルカリ金属熱電変換装置であって、２つの主
要表面を備えた、液状アルカリ金属を通過させる多孔性
構造部材を有し、前記主要表面のうち一方が、アルカリ
金属を通過させるが電子は通さず、高圧側アルカリ金属
部分及び低圧側アルカリ金属部分を形成するよう設けら
れたβ−アルミナで被覆されており、液状アルカリ金属
を低圧側部分から高圧側部分へ移送する手段と、熱を高
圧側部分に加える手段と、熱を低圧側部分から奪う手段
と、β−アルミナを通過したアルカリ金属イオンと再結
合する電子を供給するために外部回路及び負荷に電気的
に接続されているβ−アルミナの両側部に設けられた電
気接続部とを有し、それによりアルカリ金属が改質され
、外部回路中に電流が生じることを特徴とするアルカリ
金属熱電変換装置。
（１５）多孔性構造部材は、その主要表面のうち一方が
β−アルミナの薄膜で被覆されたプレートであることを
特徴とする請求項第１４項記載のアルカリ金属熱電変換
装置。
（１６）多孔性構造部材は、広げられた表面を有するプ
レートであり、広げられた表面のうち一方はβ−アルミ
ナの薄膜で被覆されていることを特徴とする請求項第１
４項記載のアルカリ金属熱電変換装置。
（１７）広げられた表面を有するプレートは波形になっ
ていることを特徴とする請求項第１６項記載のアルカリ
金属熱電変換装置。