JPH078155B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、熱エネルギーから直接電気エネルギーに変
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） この発明が対象とする発電方式は、アルカリ金属熱電変
換方式或はナトリウムヒートエンジンと呼ばれ、その発
電原理は1969年J.T.Kummerらにより提案されたものであ
る（米国特許3,458,356）。この発電方式は、発電装
置の電極面積当たりの出力が大きい、単位重量当たり
の出力が大きい、比較的高いエネルギー変換効率が達
成可能である、発電規模を自由に選択できる、あら
ゆる熱源に対応できる、直接発電のための作動部がな
く、振動、騒音もなく、信頼性も高い、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迄にいくつか報告
されている。第４図は従来の発電装置を示すものであ
り、装置内にはβアルミナ或はβ″アルミナ等の固体電
解質１、固体電解質１の＋側には正極電極膜２、正極電
極膜２に対向して高温側熱源３がそれぞれ設けられ、ま
たその下方にはコンデンサ４、循環用ポンプ５が設けら
れ、更に正極電極膜２とこれと反対側の固体電解質１を
結ぶ外部回路６が設けられている。

ナトリウム等の作動媒体はコンデンサ４で液相の状態に
した後、そのまま液相の状態で正極電極膜２とは反対側
の固体電解質１に供給される。他の方法としては、本願
発明者らが先に提案したように、液相状態の作動媒体を
蒸発させ、気相で正極電極膜２とは反対側の固体電解質
１に供給される（特開平1-97182号）。

固体電解質１の左側（電極膜２と反対側）に供給された
ナトリウム等の作動媒体は電解質界面において電子を放
出してイオン化され、正極電極膜２側に移動し、正極電
極膜２では電子を受け取って還元されると同時に、高温
側熱源３からの熱で蒸発する。更に気相となった作動媒
体は正極電極膜２と高温側熱源３の間を通ってコンデン
サ４に供給され、ここで凝縮され、液相となった作動媒
体は循環用ポンプ５により最初の状態である正極電極膜
２とは反対側の固体電解質１に供給される。このような
クローズドなサイクルを構成することにより、外部回路
６に直流電力を発生させることができる。

（発明が解決しようとする問題点） アルカリ金属熱電変換方式の大きな問題点の一つは電極
膜部への熱エネルギーの供給方法にあり、上述のような
従来の装置においては高温側熱源３から電極膜２への熱
エネルギーの供給は輻射加熱による方法が採用されてい
る。しかし、電極膜２と高温側熱源３との間は気相の作
動媒体の通路となるため、電極膜２と高温側熱源３との
間には間隔を設ける必要があり、このため熱源３の温度
と電極膜２との温度差が大きくなり、例えば電極膜２の
面を800℃とするために高温側加熱面の温度を1100℃以
上にする必要がある。したがって、熱エネルギーの損失
が大きく、また高温において耐久性のある高価な材料を
使用したり、電極膜と高温側熱源との位置関係を考慮す
る必要があり、したがってシステムを設計する上での制
約条件が多くなるなどの問題点がある。

また、高温側熱源３から電極膜２を輻射加熱に加熱する
場合には、電極膜２面の加熱が不均一になり、このため
固体電解質１の破損を招く恐れがあるばかりでなく、電
極膜２面の加熱が不均一であるため、電極膜２面での作
動媒体の蒸発に差が生じ、最適運転条件での作動が難し
くなるなどの問題点がある。

（問題点を解決するための手段） 以上の問題点を解決するため、この発明では固体電解質
の＋側に電極部を設け、該電極部に対向して高温部を設
け、作動媒体は固体電解質中をイオン化して通過させ、
電極部で電子を受取り還元されると同時に、高温部から
の熱で蒸発させて循環使用する発電装置において、電極
部と高温部との間に多孔質の伝熱体を介在させた発電装
置を提案するものである。

ここで、作動媒体としては、固体電解質のイオン導電率
の高い媒体が選定される。例えば、βアルミナ或はβ″
アルミナ等の固体電解質を使用する場合には、ナトリウ
ム、カリウム、セシウム等のアルカリ金属或は水銀等を
使用することができ、このほか固体電解質を選定するこ
とにより、他の作動媒体の使用も可能である。

多孔質の伝熱体の材質としては、絶縁物質、導電物質何
れをも使用することができるが、高温に耐えることが可
能であり、且つ作動媒体に腐食しないこと等を考慮し
て、ニッケル、モリブデン、タングステン、ニオブ、レ
ニウム、タンタル等の高融点金属が使用されるが、絶縁
物質より成る多孔質物質を複合化した物質の使用も可能
である。また、多孔質伝熱体の形状としては、電極膜か
らの作動媒体の蒸発を妨害しないような気孔率の高い形
状のものを採用することができる。

（作用） 以上のように、この発明では電極部と高温部との間に多
孔質の伝熱体を介在させているため、高温部の熱は伝熱
体を通って電極部に伝えられ、この熱で電極部で蒸発し
た作動媒体は伝熱体の多孔質通路を通ってコンデンサに
送られる。

このように、この発明では高温部の熱は熱伝導により電
極部に伝えるため、高温側と電極部、固体電解質の部分
との温度差を小さくすることができ、このため発電効率
の向上が可能となる。また、この発明では高温側の温度
が低下することにより熱損失を低く抑えることが可能と
なり、また安価な材料の使用が可能となり、更に高温側
加熱面と電極部、固体電解質の位置関係を比較的自由に
設定でき、システム設計上大変有利である。

また、多孔質の伝熱体をニッケルのような導電性物質で
構成する場合には、伝熱体自体が電極部の一部となり、
これに外部回路のリード線を接続することができる。即
ち、第４図に示す従来の装置では電極膜２に外部回路６
のリード線を接続していたが、この電極膜２の厚みはミ
クロンオーダであり、したがって電極膜の全面から発生
する電流を抵抗が小さい状態で取り出すためのリード線
の接続が難しく、また一旦接続しても作動中に断線する
などの難点があったが、この発明で使用する伝熱体の厚
みはセンチオーダであり、リード線の接続を容易に、且
つ確実に行なうことができる。

（実施例） 以下、この発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、この発明の一実施例を示すもので、第４図と
同様に、１はβアルミナ或はβ″アルミナ等の固体電解
質、２は固体電解質１の＋側に設けられた正極電極膜、
３は正極電極膜２に対向して設けられた高温側熱源、４
はコンデンサ、５は循環用ポンプ、６は外部回路であ
る。

電極膜２と高温側熱源３の間には多孔質のニッケル等で
構成される伝熱体７が介在され、外部回路６の一方のリ
ード線は伝熱体７に接続されている。

作動媒体としては、ナトリウムを使用し、したがって第
４図で説明したように、固体電解質１でナトリウムはイ
オン化され、電極膜２方向に移動し、電極膜２では電子
が与えられ、再びナトリウムとなると同時に、高温側熱
源３から伝熱体７を通って伝えられた熱で蒸発し、この
蒸気は伝熱体７の多孔質通路を通って下方のコンデンサ
４に送られる。

このようにして、第４図で説明したと同様にして外部回
路６に直流電流を発生することができるが、この発明で
は高温側熱源３からの熱を伝熱体７により電極膜２に伝
えているため、高温側加熱面と電極膜２、固体電解質１
の部分の温度差を小さくすることができ、発電効率を向
上させることができる。

第２図は、他の実施例を示すもので、この場合固体電解
質１としては円筒状のものを使用し、円筒状の固体電解
質１の周縁に電極膜２が設けられ、更にその外周にはニ
ッケルで構成された多孔質の伝熱体７、高温側熱源３が
それぞれ設けられており、循環用ポンプ５からの作動媒
体の通路の先端は円筒状の固体電解質１の内側に臨ませ
るようしてある。

他の箇所は第１図と同様であり、同一符号を使用してそ
の説明を省略するが、この実施例では第１図とは異な
り、円筒状の固体電解質１の周縁に設けられた電極膜２
をその外周に設けられた高温側熱源３から伝熱体７を介
して加熱するため、比較的小さな熱エネルギーで電極膜
２を有効に加熱することができる。したがって、高温側
加熱面と電極面との温度差を小さくすることができる。
例えば、この形状について従来の輻射加熱方式の場合、
電極面を800℃とするためには周囲高温側加熱面は1100
℃以上にすることが必要であったが、第２図の実施例で
は高温側加熱面温度は860℃程度で十分である。

第３図は、第２図を更に改良した実施例であり、この場
合は円筒状の高温側熱源３の内壁に伝熱体７を接して４
本の円筒状の固体電解質１が配置され、循環用ポンプ５
からはそれぞれの円筒状の固体電解質１の内部に作動媒
体が供給される。他の動作については上記実施例と同様
であるので、ここでは説明を省略する。

第３図においては、第２図より更に効率よく、且つ均一
に電極面を加熱できるため、従来の電極面の不均一加熱
に起因する固体電解質の破損を防ぐことができる。電極
面が均一に加熱されるため、最適運転条件で装置を作動
させることができる。

（発明の効果） 以上要するに、この発明によれば電極部と高温部との間
に多孔質の伝熱体を介在させることにより、従来の輻射
加熱方式と比較して高温側加熱面と電極面の間の温度差
を大幅に減少させることができ、熱エネルギーの有効利
用を図ることができる。また、比較的小さな熱エネルギ
ーで効率よく発電できるので、この発明の対象とするア
ルカリ金属熱電変換方式の応用範囲を広げることができ
る。

また、この発明では高温側温度が低下することにより熱
損失を低減させることが可能となり、さらに安価な材料
の使用が可能となり、コスト低減効果もある。

更に、この発明では電極面を均一に加熱できることか
ら、固体電解質の破損を招来することなく、同時に最適
運転条件で装置を作動させることができる。

また、この発明では従来の輻射加熱方式と比較して高温
側加熱面と電極、固体電解質の位置関係の制約条件が少
なく、このためシステム設計上の自由度を増すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す発電装置の概略側
面図、第２図は、この発明の他の実施例を示す発電装置
の概略側面図、第３図は、この発明の更に他の実施例を
示す発電装置の概略平面図、第４図は、従来の発電装置
の概略側面図である。 図中、１は固体電解質、２は電極膜、３は高温側熱源、
７は多孔質の伝熱体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 武夫 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 電子技 術総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−249879（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質の＋側に電極部を設け、該電極
   部に対向して高温部を設け、作動媒体は固体電解質中を
   イオン化して通過させ、電極部で電子を受取り還元され
   ると同時に、高温部からの熱で蒸発させて循環使用する
   発電装置において、電極部と高温部との間に多孔質の伝
   熱体を介在させたことを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】多孔質の伝熱体を導電性物質で構成した特
   許請求の範囲第１項記載の発電装置。