JPH0634602B2 - 宇宙用固体電解質型熱電変換装置 - Google Patents
宇宙用固体電解質型熱電変換装置Info
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- JPH0634602B2 JPH0634602B2 JP62250289A JP25028987A JPH0634602B2 JP H0634602 B2 JPH0634602 B2 JP H0634602B2 JP 62250289 A JP62250289 A JP 62250289A JP 25028987 A JP25028987 A JP 25028987A JP H0634602 B2 JPH0634602 B2 JP H0634602B2
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Landscapes
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- Secondary Cells (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体電解質を用い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
し、特に宇宙環境（無重力環境）における発電を目的と
した宇宙用発電装置に関する。
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
し、特に宇宙環境（無重力環境）における発電を目的と
した宇宙用発電装置に関する。
［従来の技術］ 従来、固体電解質を用いた発電の原理は1969年J.T.Kumm
erらにより提案され、（米国特許3,458,356号）、Sodiu
m Heat Engine(SHE)あるいはAlkali Metal Thermo
−Electric Convertor(AMTEC）と呼ばれている。その
後1985年にはN.Weberにより電極リードの絶縁方法（米
国特許4,505,991号）が提案されている。
erらにより提案され、（米国特許3,458,356号）、Sodiu
m Heat Engine(SHE)あるいはAlkali Metal Thermo
−Electric Convertor(AMTEC）と呼ばれている。その
後1985年にはN.Weberにより電極リードの絶縁方法（米
国特許4,505,991号）が提案されている。
この発電方式は、発電装置の単位重量あたりの出力が
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、長寿命で信頼性が高い、など数多くの利点を備
えている。
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、長寿命で信頼性が高い、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地上利用を目的とする発電装置
は今までにいくつか報告されているが、宇宙用発電装置
として公知であるものはC.P.Bankstonらの報告が唯一で
ある。第２図および第３図にその装置を示す。これらの
装置はいずれも平板形状の固体電解質を用いている。
は今までにいくつか報告されているが、宇宙用発電装置
として公知であるものはC.P.Bankstonらの報告が唯一で
ある。第２図および第３図にその装置を示す。これらの
装置はいずれも平板形状の固体電解質を用いている。
第２図は放射性同位元素を熱源とした発電装置を示す図
である。この装置は、放射性同位元素を利用した熱源23
の周囲に絶縁板20により仕切られた固体電解質21を配置
し、その外側を凝縮面25とした構成となっている。
である。この装置は、放射性同位元素を利用した熱源23
の周囲に絶縁板20により仕切られた固体電解質21を配置
し、その外側を凝縮面25とした構成となっている。
第３図は原子炉を熱源とした発電装置を示す図である。
この装置は原子炉33で発生する熱をヒートパイプ32によ
り移動させる点が第２図に示した装置と異るが、平板形
状の固体電解質31と、凝縮面35の配置は同様である。
この装置は原子炉33で発生する熱をヒートパイプ32によ
り移動させる点が第２図に示した装置と異るが、平板形
状の固体電解質31と、凝縮面35の配置は同様である。
なお、作動媒体の循環方法については両装置共に記述が
ない。
ない。
［発明が解決しようとする問題点］ 以上説明したような従来の宇宙用発電装置においては、
以下に示すようないくつかの問題点がある。
以下に示すようないくつかの問題点がある。
一つは固体電解質の作用により発生する電力の集電方法
および発電装置の直並列接続方法が検討されていないと
いう問題点である。さらに平板形状の固体電解質21およ
び31と凝縮面25および35との位置関係は放射熱損失を大
きくするという問題点がある。またこの種の装置で重要
である作動媒体の循環方法についてはまったく記述がな
く、この点は宇宙用発電装置としての作動が考慮されて
いないという重要な問題点である。
および発電装置の直並列接続方法が検討されていないと
いう問題点である。さらに平板形状の固体電解質21およ
び31と凝縮面25および35との位置関係は放射熱損失を大
きくするという問題点がある。またこの種の装置で重要
である作動媒体の循環方法についてはまったく記述がな
く、この点は宇宙用発電装置としての作動が考慮されて
いないという重要な問題点である。
本発明の目的は、放射熱損失を小さくし、作動媒体を循
環することのできる宇宙用固体電解質型熱電変換装置を
提供することにある。
環することのできる宇宙用固体電解質型熱電変換装置を
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、本発明の宇宙用固体
電解質型熱電変換装置は、発電部(X)と、作動媒体と、
容器(9)と、作動媒体流路(6c)と、蒸発手段(2A)と、加
熱手段(A)と、供給手段(8)とを有する宇宙用固体電解質
型熱電変換装置であって、発電部(X)は、中空有底円筒
状の固体電解質(1)と、固体電解質(1)の一方の表面を覆
って形成されて作動媒体の蒸気を凝縮し負極電極を兼用
する凝縮手段(2B)と、固体電解質(1)の他方の表面を覆
って形成される正極電極膜(3)とを有し、容器(9)は、発
電部(X)と作動媒体とを収納し、発電部(X)の正極電極膜
(3)側が低圧部(Y)、凝縮手段(2B)側が高圧部(Z)となる
ように隔離され、低圧部(Y)において低温側に凝縮面(7)
が形成され、曲率半径の小さい液溜め(10)が凝縮面(7)
に連設され、蒸発手段(2A)は、凝縮手段(2B)に対向して
容器(9)の内壁側に設けられ、作動媒体流路(6c)は、一
端が低圧部(Y)の液溜め(10)に、他端が高圧部(Z)の蒸発
手段(2A)に接して開口され、供給手段(8)は、作動媒体
を液溜め(10)から高圧部(Z)に移送し、加熱手段(A)は、
蒸発手段(2A)と対向して容器(9)の外壁側に設けられ、
作動媒体を加熱して気化することを特徴とする。
電解質型熱電変換装置は、発電部(X)と、作動媒体と、
容器(9)と、作動媒体流路(6c)と、蒸発手段(2A)と、加
熱手段(A)と、供給手段(8)とを有する宇宙用固体電解質
型熱電変換装置であって、発電部(X)は、中空有底円筒
状の固体電解質(1)と、固体電解質(1)の一方の表面を覆
って形成されて作動媒体の蒸気を凝縮し負極電極を兼用
する凝縮手段(2B)と、固体電解質(1)の他方の表面を覆
って形成される正極電極膜(3)とを有し、容器(9)は、発
電部(X)と作動媒体とを収納し、発電部(X)の正極電極膜
(3)側が低圧部(Y)、凝縮手段(2B)側が高圧部(Z)となる
ように隔離され、低圧部(Y)において低温側に凝縮面(7)
が形成され、曲率半径の小さい液溜め(10)が凝縮面(7)
に連設され、蒸発手段(2A)は、凝縮手段(2B)に対向して
容器(9)の内壁側に設けられ、作動媒体流路(6c)は、一
端が低圧部(Y)の液溜め(10)に、他端が高圧部(Z)の蒸発
手段(2A)に接して開口され、供給手段(8)は、作動媒体
を液溜め(10)から高圧部(Z)に移送し、加熱手段(A)は、
蒸発手段(2A)と対向して容器(9)の外壁側に設けられ、
作動媒体を加熱して気化することを特徴とする。
［作 用］ 本発明によれば、放射熱損失はナトリウム気相流路とな
る円筒の端の円環部からだけとなり、熱効率はかなり改
善される。
る円筒の端の円環部からだけとなり、熱効率はかなり改
善される。
また、本発明によれば、作動媒体を循環して用いること
ができるので、作動媒体の量を少なくすることができ
る。
ができるので、作動媒体の量を少なくすることができ
る。
［実施例］ 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明による宇宙用固体電解質型熱電変換装置
の一実施例を示す図である。第１図(A)は第１図(B)のA-
A断面を示す。ここで、１は固体電解質、2Aは第１のウ
イック、2Bは第２のウイック、３は正極電極膜、４は正
極の電極リード、５は負極の電極リード、６は作動媒体
流路(C)、７は凝縮面、８はポンプ、９は容器、10は液
溜めである。固体電解質１は一端部に底面を有する円筒
形状である。
の一実施例を示す図である。第１図(A)は第１図(B)のA-
A断面を示す。ここで、１は固体電解質、2Aは第１のウ
イック、2Bは第２のウイック、３は正極電極膜、４は正
極の電極リード、５は負極の電極リード、６は作動媒体
流路(C)、７は凝縮面、８はポンプ、９は容器、10は液
溜めである。固体電解質１は一端部に底面を有する円筒
形状である。
この装置は、容器９と発電部Ｘと加熱源Ａと作動媒体Ｄ
とを有する。発電部Ｘは有底円筒状の固体電解質１と、
固体電解質１の内壁に沿って設けられた正極電極膜３
と、固体電解質１の外壁に沿って設けられた第２のウイ
ック2Bと、第２のウイック2Bの外周に設けられた第１の
ウイック2Aとから構成される。
とを有する。発電部Ｘは有底円筒状の固体電解質１と、
固体電解質１の内壁に沿って設けられた正極電極膜３
と、固体電解質１の外壁に沿って設けられた第２のウイ
ック2Bと、第２のウイック2Bの外周に設けられた第１の
ウイック2Aとから構成される。
第２のウイック2Bと第１のウイック2Aは多数の微細孔を
有するモリブデン等からできている。第１のウイック2A
と第２のウイック2Bとの間は、加熱源Ａにより加熱・気
化された作動媒体によって充満されている高圧部Ｚであ
る。
有するモリブデン等からできている。第１のウイック2A
と第２のウイック2Bとの間は、加熱源Ａにより加熱・気
化された作動媒体によって充満されている高圧部Ｚであ
る。
正極電極膜３により囲まれた内側の空間は、減圧された
低圧部Ｙである。この低圧部Ｙは、低温の凝縮面７によ
り囲まれた空間と連通している。10は凝縮面７で凝縮し
た作動媒体Ｄを溜める液溜めである。この液溜め10の作
動媒体Ｄはポンプ８により作動媒体流路Ｃを介して発電
部Ｘに戻される。
低圧部Ｙである。この低圧部Ｙは、低温の凝縮面７によ
り囲まれた空間と連通している。10は凝縮面７で凝縮し
た作動媒体Ｄを溜める液溜めである。この液溜め10の作
動媒体Ｄはポンプ８により作動媒体流路Ｃを介して発電
部Ｘに戻される。
次にこの発電装置の作動原理を各構成要素と関連させて
説明する。まずパイプ形状の容器９の右半分である固体
電解質側は容器周囲より加熱昇温される。固体電解質１
と容器９との間すなわち第１のウイック2Aと第２のウイ
ック2Bとの間は容器９の周囲の加熱によって蒸気となっ
た高温の作動媒体蒸気で満たされる。ウイック2Aを介し
ての蒸発、第１のウイック2Aを介しての蒸発、第２のウ
イック2Bを介しての凝縮過程により熱および作動媒体の
同時移動が起こり、作動媒体は固体電解質の外側（負極
側）面に供給される。第１のウイック2Aと第２のウイッ
ク2Bとの空間を第１のウイック2A，第２のウイック2Bを
取り去って液相の作動媒体で満たすことも可能である
が、この場合は発電装置の重量が増加してしまう。供給
された作動媒体は固体電解質１中をイオンとして通過す
る。通過したイオンは固体電解質１の内側にある正極電
極膜３で中性化された後に、低圧部Ｚにおいて蒸発し、
温度勾配により低温側の凝縮面７に向う。このとき固体
電解質１の内側と外側の間に生じる蒸気圧力差が固体電
解質内のイオンの駆動力となり、固体電解質１の外側か
ら内側へのイオンの移動により電位差が生じる。そし
て、容器９と絶縁された電極リード４，５により容器外
へ出力として取出される。低温側の凝縮面で凝縮した作
動媒体は、表面張力差により曲率半径の小さい方すなわ
ち作動媒体流路６へ移動し、流路６を経てポンプ８によ
り加圧されて高温側に戻されサイクルが完結する。
説明する。まずパイプ形状の容器９の右半分である固体
電解質側は容器周囲より加熱昇温される。固体電解質１
と容器９との間すなわち第１のウイック2Aと第２のウイ
ック2Bとの間は容器９の周囲の加熱によって蒸気となっ
た高温の作動媒体蒸気で満たされる。ウイック2Aを介し
ての蒸発、第１のウイック2Aを介しての蒸発、第２のウ
イック2Bを介しての凝縮過程により熱および作動媒体の
同時移動が起こり、作動媒体は固体電解質の外側（負極
側）面に供給される。第１のウイック2Aと第２のウイッ
ク2Bとの空間を第１のウイック2A，第２のウイック2Bを
取り去って液相の作動媒体で満たすことも可能である
が、この場合は発電装置の重量が増加してしまう。供給
された作動媒体は固体電解質１中をイオンとして通過す
る。通過したイオンは固体電解質１の内側にある正極電
極膜３で中性化された後に、低圧部Ｚにおいて蒸発し、
温度勾配により低温側の凝縮面７に向う。このとき固体
電解質１の内側と外側の間に生じる蒸気圧力差が固体電
解質内のイオンの駆動力となり、固体電解質１の外側か
ら内側へのイオンの移動により電位差が生じる。そし
て、容器９と絶縁された電極リード４，５により容器外
へ出力として取出される。低温側の凝縮面で凝縮した作
動媒体は、表面張力差により曲率半径の小さい方すなわ
ち作動媒体流路６へ移動し、流路６を経てポンプ８によ
り加圧されて高温側に戻されサイクルが完結する。
作動媒体としてナトリウムを使用した場合には高温側す
なわち固体電解質側は800〜1400Ｋ、低温側すなわち凝
縮面側は250〜700Ｋが適当である。作動媒体としてはナ
トリウム以外に固体電解質中をイオンで通過するリチウ
ム、カリウム、銀、水銀、タリウム、鉛、カルシウム、
ストロンチウム、バリウム、ルビジウムおよびこれらの
混合物の使用が可能であり、そのときの高温側および低
温側の温度範囲はそれらの作動媒体の物性値に対応して
変化する。固体電解質としては導電性の高いβアルミ
ナ、β″アルミナおよびβ アルミナを使用することが
できる。
なわち固体電解質側は800〜1400Ｋ、低温側すなわち凝
縮面側は250〜700Ｋが適当である。作動媒体としてはナ
トリウム以外に固体電解質中をイオンで通過するリチウ
ム、カリウム、銀、水銀、タリウム、鉛、カルシウム、
ストロンチウム、バリウム、ルビジウムおよびこれらの
混合物の使用が可能であり、そのときの高温側および低
温側の温度範囲はそれらの作動媒体の物性値に対応して
変化する。固体電解質としては導電性の高いβアルミ
ナ、β″アルミナおよびβ アルミナを使用することが
できる。
正極電極膜の材料は作動媒体に対し溶解度の小さいもの
を選択する。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、ニッケルおよびそれらの合金が適当である。正極電
極膜の作製方法は電子ビーム蒸着法、イオンプレーティ
ング法、スパッタ法、化学気相成長法、熱分解還元法、
スプレー法があり、電極膜の材料との関係で選択され
る。膜厚は0.1μｍ〜10μｍの間が適当である。また、
多成分の多層膜も有効である。
を選択する。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、ニッケルおよびそれらの合金が適当である。正極電
極膜の作製方法は電子ビーム蒸着法、イオンプレーティ
ング法、スパッタ法、化学気相成長法、熱分解還元法、
スプレー法があり、電極膜の材料との関係で選択され
る。膜厚は0.1μｍ〜10μｍの間が適当である。また、
多成分の多層膜も有効である。
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
500Ｋ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1.1Ｗ／cm2が得られ、熱
効率は最大35％となる。
ミナを使用し、高温側の温度を1175Ｋ、低温側の温度を
500Ｋ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1.1Ｗ／cm2が得られ、熱
効率は最大35％となる。
以上説明したように本実施例においては、固体電解質を
用いた、30〜40％の高い変換効率を有し電力１kWあたり
５kg程度（発電装置だけの重量）の発電装置が実現でき
る。これらの性能は、従来の直接発電方式の変換効率が
10％程度であり、ランキン、ブレイトン、スターリング
サイクルなど発電方式においては電力１kWあたり10〜20
kgの発電装置重量であることと比較してもその効果の大
きいことがわかる。
用いた、30〜40％の高い変換効率を有し電力１kWあたり
５kg程度（発電装置だけの重量）の発電装置が実現でき
る。これらの性能は、従来の直接発電方式の変換効率が
10％程度であり、ランキン、ブレイトン、スターリング
サイクルなど発電方式においては電力１kWあたり10〜20
kgの発電装置重量であることと比較してもその効果の大
きいことがわかる。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、放射熱損失はナ
トリウム気相流路となる同筒の端の円環部からだけとな
り、熱効率はかなり改善される。
トリウム気相流路となる同筒の端の円環部からだけとな
り、熱効率はかなり改善される。
また、本発明によれば、作動媒体を循環して用いること
ができるので、作動媒体の量を少なくすることができ
る。
ができるので、作動媒体の量を少なくすることができ
る。
第１図は本発明の一実施例を示す図、 第２図および第３図は従来の宇宙用発電装置を示す図で
ある。 １……固体電解質、 2A……蒸発手段（ウイック）、 2B……凝縮手段（ウイック、負極電極を兼用する）、 ３……正極電極膜、 ４、５……電極リード、 ６……作動媒体流路、 ７……凝縮面、 ８……ポンプ、 ９……容器、 10……液溜め。
ある。 １……固体電解質、 2A……蒸発手段（ウイック）、 2B……凝縮手段（ウイック、負極電極を兼用する）、 ３……正極電極膜、 ４、５……電極リード、 ６……作動媒体流路、 ７……凝縮面、 ８……ポンプ、 ９……容器、 10……液溜め。
Claims (1)
- 【請求項１】発電部(X)と、作動媒体と、容器(9)と、作
動媒体流路(6c)と、蒸発手段(2A)と、加熱手段(A)と、
供給手段(8)とを有する宇宙用固体電解質型熱電変換装
置であって、 発電部(X)は、中空有底円筒状の固体電解質(1)と、固体
電解質(1)の一方の表面を覆って形成されて作動媒体の
蒸気を凝縮し負極電極を兼用する凝縮手段(2B)と、固体
電解質(1)の他方の表面を覆って形成される正極電極膜
(3)とを有し、 容器(9)は、発電部(X)と作動媒体とを収納し、発電部
(X)の正極電極膜(3)側が低圧部(Y)、凝縮手段(2B)側が
高圧部(Z)となるように隔離され、低圧部(Y)において低
温側に凝縮面(7)が形成され、曲率半径の小さい液溜め
(10)が凝縮面(7)に連設され、 蒸発手段(2A)は、凝縮手段(2B)に対向して容器(9)の内
壁側に設けられ、 作動媒体流路(6c)は、一端が低圧部(Y)の液溜め(10)
に、他端が高圧部(Z)の蒸発手段(2A)に接して開口さ
れ、 供給手段(8)は、作動媒体を液溜め(10)から高圧部(Z)に
移送し、 加熱手段(A)は、蒸発手段(2A)と対向して容器(9)の外壁
側に設けられ、作動媒体を加熱して気化する ことを特徴とする宇宙用固体電解質型熱電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62250289A JPH0634602B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 宇宙用固体電解質型熱電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62250289A JPH0634602B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 宇宙用固体電解質型熱電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0197181A JPH0197181A (ja) | 1989-04-14 |
| JPH0634602B2 true JPH0634602B2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=17205692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62250289A Expired - Lifetime JPH0634602B2 (ja) | 1987-10-02 | 1987-10-02 | 宇宙用固体電解質型熱電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0634602B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2742016B2 (ja) * | 1994-04-04 | 1998-04-22 | 株式会社環境工学研究所 | 水分含有率の高い有機物をコンポスト化する方法及び装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4220692A (en) * | 1979-02-28 | 1980-09-02 | Ford Motor Company | Internal geometry of alkali metal thermoelectric generator devices |
| US4505991A (en) * | 1984-05-25 | 1985-03-19 | Ford Motor Company | Sodium heat engine electrical feedthrough |
-
1987
- 1987-10-02 JP JP62250289A patent/JPH0634602B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0197181A (ja) | 1989-04-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |