JPS60143575A - 熱を電気に変換する装置 - 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、熱エネルギーを直接電気エネルギーに効率よ
く変換する装置に関するものであり、こ２′・ン の装置は、エネルギー変換、センサなど熱エネルギーの
存在するところで広く利用できるものである。

従来例の構成とその問題点 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法として、
機械的エネルギーを介して変換する火力発電、原子力発
電、地熱発電、海洋温度差発電などがあり、これらは広
く実用化されているものが多い。しかし、これらのエネ
ルギー変換効率は最高４ｏ％程度であり、一層の高効率
化が望まれている。

一方、機械的エネルギーを介さないで直接電気に変換す
る方式として、熱電発電、熱電子発電。

ＭＨＤ発電などが古くから研究されているが、実用的規
模で工業的に実施できるほど高効率のものはまだ得られ
ていない。

また、別の方式として、電気化学電池がある。

これは通常の二次電池と異なり、電気による充電の代り
に、加熱あるいは冷却などの熱エネルギーを加えること
によって、放電可能な状態に再生す３ノ・７ るものである。

この種の電池として、リチウムなどのアルカリ金属と水
素の組合せの高温作動型電池、Ｆｅ３＋−Ｆｅ２＋ある
いはＦｅ（ＣＮ）ｊ”ｆ　Ｆｅ（ＯＮ）ｊ＋　の酸化還
元対を用いた水溶液電池などがある。しかし前者におい
ては、開路電圧がｏ、２Ｖ／−ｖしと比較的低く、熱エ
ネルギー変換効率は１０％以下と低い。

さらに後者については０．０５〜０．０７　Ｖ／−Ｕし
、変換効率０．１％と非常に低い。

発明の目的 本発明は、比較的簡単々構成で熱エネルギーを効率よく
電気エネルギーに聞けつ的にあるいは連続的に変換する
装置を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明の装置は、プロトンイオン伝導体の両面にそれぞ
れ独立したガス拡散電極を設け、これらのガス拡散電極
に水素を供給あるいはガス拡散電極で生じた水素ガスを
貯蔵するだめのガス室を設け、少なくとも一方のガス室
内に金属水素化物を収納し、この金属水素化物を必要に
より加熱あるいは放熱させるだめの熱交換器を備えたも
のである。そして、この金属水素化物を加熱して水素ガ
スをこれに連通ずるガス拡散電極に供給することにより
、前記ガス拡散電極ｆ正極、他方のガス拡散電極が負極
となり、この両者間で電力を取出すものである。

各々のガス室に金属水素化物を収納すれば、一方向の水
素ガスが移動し終わった後反対側の金属水素化物を加熱
し、他方を冷却すると、電池の正負極が逆になるが、同
じく電力が得られる。

また、電力は間けつ的に得られることになるが、水素を
元の方向へ戻す通路として、両室間にバイパスを設けて
もよい。この時の特徴として、正極側の金属水素化物の
平衡圧力を、負極側より低くすることにより、より高電
圧で、また１サイクルで得られる電気量が増大する。

正負極で生じる反応式は次のとおりである。

負極（高圧側）　Ｈ２−２Ｈ”　＋２　ｅ正極（低圧側
）２Ｈ＋＋２ｅ→Ｈ２ ここで、プロトンは電解質を通って負極側から５１＼−
ン 正極側へ移動する。

実施例の説明 第１図は本発明による装置の構成例を示す。１は正極端
子を兼ねる上ケース、２は負極端子を兼ねる下ケースで
あり、両者の開口縁に設けた鍔部は絶縁体３を介してボ
ルト４により一体に結合されて装置の外筐を形成してい
る。５はスルホン基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜
で構成した厚さ０．５ａのプロトンイオン伝導体であり
、外筐の中央に配置されている。６はプロトンイオン伝
導体６の一方の面に密着して設けたガス拡散電極、７は
他方の面に密着して設けたガス拡散電極であり、これら
の電極の背面にはそれぞれガス室８゜９が設けである。

１０．１１はケース１，２と一体に設けた熱交換器を構
成するひれであり、ここには金属水素化物１２．１３が
収納されている。

この装置を図のように、熱せられた金属板１４上に載せ
ると、装置の下半分が高圧側（負極側）。

上半分が低圧側（正極側）となり、水素ガスは下部から
上部へ移動しながら電力が得られる。放電６ベ・−ン が終了したら、この装置の上下を逆にすると、水素の移
動方向が逆となり再び電力が得られる。

第２図の例は、ひれ１ｏの代わりに油などの熱媒を流し
て金属水素化物と熱交換させるだめの熱交換器１０’を
設けるとともに、両ガス室間にバイパス管１６を設け、
ここに逆止弁またはバルブ１６を設けたものである。そ
して、下半分を加熱し、上半分を冷却することによって
、第１図と同様に電力を取出した後、今度は逆に上半分
を加熱し、下半分を冷却することによって、水素圧力は
上部が高くなる。このとき逆止弁またはパルプ１６を通
って水素は下部へ移動する。移動終了後、再び下半分を
加熱すると電力が取れることになり、このサイクルをく
りかえす。

次に、第１図において、Ｍｑ−ＭｑＨ２系金属水素化物
を上方および下方にそれぞれ１００ｇずつ入れ１．下方
を４００　℃（１０ａｔｍ　）　、上方は７７℃（０，
０００１ａ　ｔｍ　）とすると、その時の両電極の開路
電圧は約３００　ｍＶとなった。この値は、１０倍の圧
力差当り約６０ｍ　Ｖの理論値（ａｏｍＶ　Ｘ　５　：
７１・−ン ３ｏｏｍＶ）と一致する。

第３図は各種金属水素化物の温度と千才新水素圧の関係
を示す。まだ第４図には、この電池の電流−電圧特性を
示し、上記の実験結果を曲線Ａに示す。この曲線より、
性能はイオン伝導体の電気抵抗が律則になっていると推
察できる。また１回の放電可能電気容量は１００ｍＡ／
ｃｒＡの条件で約ｅ　０Ａｈ（理論値１１ｏＡｈ）とな
り、熱入力に対する変換効率は約４３％（カルノーサイ
クル効率４８％）が得られ、いずれもすぐれた値といえ
る。前記の放電が終了後装置の上下を逆にすると、再び
上記の特性で電力が得られた。

また別の例として、第２図の下方にはＭｇ−ＭｇＨ２、
上方にはこれより平衡圧の低いＮａ　−ＮａＨをそれぞ
れ入れた場合について示す。絢ＭＩＪＨ２を４００℃に
加熱し、Ｎａ−ＮａＨを７７℃に冷却すると、画室間は
１０８の圧力比となり、開路電圧は４５０　ｍＶと高く
なった。また、電流−電圧曲線を第４図の曲線Ｂに示す
。この場合には再生時には電流が得られないが、放電時
には曲線への場合よりも高い電圧が得られた。

さらに一層の高電圧を一つの装置から得るために、両極
とも２つづつに分割し、しかもこれらを互いに直列に結
線した以外は曲線Ａの装置と全く同一の装置を組立てた
。開路電圧は２倍の６００ｍＶとなった。第４図の曲線
Ｃはこの放電特性を示す。曲線ＡおよびＢに比べ高電圧
である。

なお、使用可能な金属水素化物として、上記のほかに、
Ｃａ−ＣａＨ２，Ｔｉ−ＴｉＨ２，に−ＫＨ，Ｖ−ＶＨ
３゜Ｌａ−ＬａＨ２々どがあり、作動温度により適当な
平衡圧力を有するものを選択することができる。また２
種以上を必要により混合したり、熱伝導を向上させるた
めに金属片などを加えてもよい。

プロトンイオン伝導体には、高い伝導度を示し、耐熱性
、耐圧性などが要求される。機械的強度を補うためには
金属メツシュ、セラミック多孔体などを用いてもよい、
また耐熱性を補う手段として金属水素化物と膜の間の距
離を大きくすることもできる。

また、装置の容器ガどを伝って熱の伝導損失が９・＼−
ン あり、これを抑制するために容器の一部を金属以外の熱
伝導度の低い材料で構成するとか、または同容器間に断
熱材をはさんで固定す′るなどの工夫をするのは望まし
い。

ガス拡散電極は、性能を高めるだめの白金、パラジウム
などの触媒や、炭素粉末を加えてもよい。

また出力特性を高めるために、イオン伝導体や電極をあ
る程度温度を上げた状態で作動させてもよい。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、比較的簡単な構成で効
率よく、熱エネルギーを電気エネルギーに変換すること
ができ、作動音が静かで、小型化が可能であるなどの特
徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明によるエネルギー変換装置の
構成例を示す縦断面図、第３図は代表的な金属水素化物
の平衡圧力特性図、第４図は本発明による装置の特性図
である。 １・・・・・・上ケース、２・・・・・・下ケース、４
・・・・・・グロ１０’・−ンン トンイオン伝導体、６，７・・・・・・ガス拡散電極、
８゜９・・・・・・ガス室、１０．１０’、１１．１１
　’・川・・熱交換器、１２．１３・・・・・・金属水
素化物、１６・旧・・管、１６・・φ・・・バルブ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）プロトンイオン伝導体の両面にそれぞれ独立した
   ガス拡散電極を設けるとともに、各々のガス拡散電極と
   連通ずるガス室を設け、これらのガス室の少なくとも一
   方に、外部と熱交換が可能な熱交換器と接触した金属水
   素化物を内蔵させたことを特徴とする熱を電気に変換す
   る装置。
2. （２）前記の各ガス室間を逆止弁またはバルブを介して
   連結した特許請求の範囲第１項記載の熱を電気に変換す
   る装置。
3. （３）前記の各ガス拡散電極を複数個に分離し、これら
   を直列に結合した特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の熱を電気に変換する装置。