JPS60249879A - 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】 本発明は、固体電解質の間にアルカリ金属、望ましくは
す）　ＩＪウム金属を電気化学的に膨張させることによ
って熱源からの熱エネルギーを直接昂気エネルギーへ転
換する、改良された熱電式発電装置に関する。特に、本
発明は、アルカリ金属返送管路の少なくとも一部分が当
該発電器の真空空間内に位置し、返送管路のこの部分内
のアルカリ金属が発電機用熱源による発電機の運転中に
その溶融温間以上に保たれていることから成る、改良さ
れた熱電式発電機に関する０ 本発明の背景 本発明の改良装置が適用される熱電式発電機の例および
その作動の原理は米国特許第３．４５８，３５６号およ
び第４，０９４，８７７号に記載されている。

「ナトリウム熱エンジン」とは固体電解質の間に電気化
学的にナトリウム金属を膨張させるような熱電式発電機
に共通に賦与されている名称である。

本発明の発電機には他のアルカリ金属も使用してよいの
で、ナトリウム熱エンジンとは本明細書中ではこのよう
な発電機全例示するものとして使われている。

ナトリウム熱エンジンは固体電解質によって第１と第２
の反応域に分離された密閉容器（第１図）でできている
のが一般的である。液体ナトリウム金属が第１の反応域
（つ″！！シ固体電解質の片仰１）にあり、この第１反
応域は本装置の運転中には第２反応域の圧力より高い圧
力に保持されている。

より低圧の第２反応域には透過性の、電導性電極が固体
電解質と接している。このような装置の運転中、熱源に
よって第１反応域内す）　ＩＪウム金属温度は高温（Ｔ
２）まで上げられ、対応する高蒸気圧（Ｐ２）によって
固体電解質の間にナトリウム蒸気の圧力差が発生する。

この圧力差に対応して、ナトリウム元素がナトリウム金
属に接している電極に電子を放出する。そしてその結果
生ずるナトリウムイオンが固体電解質の間を移動する。

外部負（ＩＩＩＴを辿ってきた電子は透過性電極と固体
電解質との界面でナトリウムイオンを中和する。ナトリ
ウム金属元素は透過性電極から蒸発し、低圧（Ｐｌ）第
２反応域（つまり、真空空間）を通って低＠　（Ｔｌ　
）の凝縮器へ移動する。凝縮した液体す）　ＩＪウムは
次に第１反応域内の高温領域へ、例えば返送管路および
電磁ボンデによって送り戻され、閉回路を形成すること
ができる。かくして、装置の運転中ナトリウムは第１の
反応域から第２の反応域へと移るが、装置がこのナトリ
ウムを第１反応域へ返送する手段ヲ有している場合には
ナトリウムのサイクルが完結する。電解質内およびす）
　ＩＪウム／電解質と電極／電解質間の界面で起る上記
の過程は、温［Ｔ２における圧力Ｐ２からＰｌへのアル
カリ金属の等温膨張にはソ等しい。可動部分の必要性は
なく、この過程の仕事の出力は電気のみである。

連続運転においては、このナトリウム熱エンジンは凝縮
したナトリウムを第２反応域から第１反応域内部へ返送
する管路が必要となる。返送管路内のナトリウムは管路
の閉塞を防止するためにその融点より高く保たれねばな
らない。戻ってくる液体す）　ＩＪウムのｆＩｉＡ度は
、それが高温の反応域へ入る時にナトリウムによって熱
的なショックを電解質が受けるのを防止するために十分
に高いことが望ましい。旧来の設計では、本出願の第１
図または米国特許第４，０９８，９５８号の第１図に示
されているようにこの返送管路は凝縮器室の外側のルー
トを通って第１反応域へ連結されていた。このような道
筋で行うと返送管路中のす）　ＩＪウムの渦＃′を適当
に維持することを確実に行うためには特別な手段を必要
としてきた。加熱テープ、凝縮器の外部に加熱管を巻く
こと、などがこの目的のために用いられてきた。本発明
によって第２反応域内に存在する熱エネルギーヲ戻って
くる液体アルカリ金属の加熱のために効率的に用いるこ
とが出来る。

本発明の概要説明 熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーへ変換するの
に用いられる熱電式発電機で本発明のヴ良が適用される
ものは　（１）第１の反応ｆｉ７ｋかこむ手段、（２）
第２の反応域金かこむ手段、（３）　反応域分離板で、
それは（ａ）当該筒１および第２反応域を分離しかつこ
れらの周囲を実質的に完結せしめるものであり、また（
ｂ）アルカリ金属元素およびその化合物に対して本質的
に不透過性でアルカリ金属類の陽イオンに関してイオン
伝導性である陽イオン伝導性固体電解質より成るもの、
（４）第１反応域内にあって固体電解質と流体（液体お
よび／または蒸気）的に通じているアルカリ金属元素、
（５）　固体電解質と電気的に接しておりアルカリ金属
蒸気を通過させるに十分な透溝性を有している、第１反
応域内電極、（６）第１反応域内アルカリ金属元素と電
極との間で電子流を伝導させる手段１　（７）　第２反
応域中の最低温度より少なくとも１００℃高く第１反応
域中の温度を維持する手段、および　（８）　凝縮した
アルカリ金属の返送管および凝縮したアルカリ金属をこ
の返送管を通してポンプで送る手段より成ることを特徴
とする。凝縮したアルカリ金属元素を第２反応域から第
１反応域へ返送する手段、から成っているものである。

本発明の改良は、アルカリ金属の返送管路の少なくとも
一部が第２反応域内に位置しており、そのため第２反応
域内の返送管路の部分が発電機の運転中に熱源から十分
な熱を受容し、返送管路のその部分内のアルカリ金属が
その融点より高い温度に維持されることより成るもので
ある。返送管路から第１反応域へ導入されるアルカリ金
属の温度は、少なくとも電極に対する熱ショックによる
破壊を防止するに足るだけのものであることが望ましい
。

発電機内の真空空間にアルカリ返送管路を設けることに
よって、返送されるアルカリ金属は効率的に加熱され、
高温の第１反応域への導入に先だってその温度に実質的
に達せさせることができる０かくして、この装置は冷い
アルカリ金属の第１反応域への不注意な導入に対して保
護される０さもなけれは加熱された電解質と冷却された
アルカリ金属との接触が電極に熱ショックによる破壊を
ひき起すことになるであろう０アルカリ金属の返送管路
を本発明のように位置させることは電解質と凝縮器間に
生ずる高温熱輻射を得るという利点かある。さらに、こ
うすることによって、内部で直列的につながって、より
大きな装置モジュールとなっている電解質要素に対して
容易に外部から手を入れることが可能になる。

本発明の詳細な説明 本発明の改良が適用される熱雷式発電機の例は上記およ
び一般的には米国特許第６，４５８．３５６号に開示さ
れている。本明細書にはこの特許を参考として編入する
こととする。

本発明の改良された熱電式発電機の一つの態様が垂直断
面図で示されている第２図を参照することによって、本
発明の詳細な説明することができる。この装置は化学的
耐性の筒１、例えはステンレス鋼およびセラミックなど
に収められている筒１の耐真空密封は覆い板９より成る
手段によってなされるＯこの覆い板はステンレス調性化
学的耐性の材料および図示されていないがネジ、ボルト
または他の従来的固定手段、またはガスケットのような
密封手段で作られている。筒１の内部に位置しているの
は、固体電解質から成る、より小さな筒２である０筒２
にはアルカリ金属、望ましくはナトリウムが部分的ある
いは一杯に充填されている。筒２は化学的耐性材料で作
られている谷器手段１０で密閉されており、耐食性電気
絶縁材、例えば酸化アルミでできている支持板で筒１の
内に収められている。電解質筒２の外表面の一部分には
、ナトリウムを通過させるに十分な透過性を持ち、月つ
電気を通すために十分な厚さと連続性を有する薄い雷導
性電極が設けられている０電極３はその位置と存在とを
明らかにするのに容易にするため他の部品とは不相応に
厚く書いて示されている。筒１には弁５を有する出口導
管４が設けられている。図示されていないが真空ポンプ
が導管４に接続されており、筒１の圧力を下げるのに用
いられる。

この装置はまた熱源から熱を受け入れられるようになっ
ている。特に熱電式発電機は筒１の最低温より少なくと
も１００℃高く筒２の温度全維持するように熱を受入れ
るように設計されている。

第２図に示される装置では加熱器６が筒１の側壁の一部
分のまわりに配置されている０別法としては管の内に収
められた加熱装置（図示はされていないが）を筒２のア
ルカリ金属中に浸漬してもよい。他の好適な加熱手段も
当技術に熟達した者にとっては既知である。

返送管路が筒２中のアルカリ金属元素と電極との間の電
子流伝導手段の一部として働くことが所望される場合に
は、この返送管路は筒２内でアルカリ金属７と接する。

図には示されていないが、外部負荷への負極リーダ線８
がポンプ１３に接続されており、さらに負極リード線の
一部８ａが発電機の壁に接続されている。別法としては
、負極ＩＪ　（＋線は化学的耐性の金属線でキャップ１
０カ）らアルカリ土類金属Ｔへ伸びているものでよく、
このリード線はさらに覆い板９から発電機の外へ伸びて
いてよい。外部負荷への正のリード線１１は覆い板９か
ら外へ伸びる電気的に絶縁の貫通口全通って、電極３と
電気的に接触している０この貫通口は本発明と同時出願
のネイル・ウェーバ−（Ｎｅｅｌｌ　Ｗｅｂｅｒ　）共
願の米国特許出願「ナトリウム熱エンジンの電線貫通口
」に記載のものであることが望ましい。

この装置を運転するには、筒１が圧力約０．１Ｔｏｒｒ
未満、望寸しくは約０．００１　Ｔｏｒｒまで導線４を
経てポンプ手段によって真空にされ、次いで密封される
。筒２中のアルカリ金属、例えばすトリウムは例えは炉
中で熱雷式発電機の側面部分を加熱することによって６
００℃以上例えば６００゜〜１０００℃の温［まで加熱
される。一方この発電機の他の部分（例えば筒１の下端
部分）は常温空気または他の冷却流体との熱父換のよう
な手段によって上記の温度より少なくとも１００℃低く
維持される。電解質の両側でのアルカリ金属蒸気圧の差
によって電解質の両端に電位差が生ずることになる。電
子が外部回路を流れるにつれて、アルカリ金属７は陽イ
オンの形で電解質Ｔを通過し、次いで電極３から電子を
受けとり、元素状態に戻る０ 筒１の下端部が十分低温に維持されるならば、アルカリ
金属がそこに凝縮し、外側の筒１の圧力は概略アルカリ
金属の蒸気圧で、電極３から筒１の冷却器壁までのアル
カリ金属の質量流れによって引き起される蒸気圧力降下
分だけ修正した圧力になる。連続運転では、発電機の底
の凝縮したアルカリ金属は返送管路１４より成る手段に
よって筒２中の第１反応域へ戻される。本発明の改良に
よれば、この返送管路の一部１４ａが第２反応域内に位
置される。返送管路１４は筒１の壁から第２反応域へ入
り、その壁のところで完全に密封され、さらに筒２ヘキ
ャップ１０を経て伸びる。電磁ポンプ１３が管１４中に
位置され、返送管路内のナトリウムを筒２ヘポンプで送
る。

望ましいアルカリ金属反応物はナトリウムである。しか
し、電解質分離板が対応する材質ならばカリウムや他の
アルカリ金属も用いることができる。本発明の装置にお
ける固体電解質はガラス、セラミックあるいは多結晶セ
ラミック材がよい。

このような装置に使用してよく、シかも耐アルカリ金属
性にきわめて高度な性能を示すものに、ベーターベータ
ー貢アルミナがある。このような物）ＪＬは当技術分野
において、よく知られたものであり、本明細書中に疹考
として引用されている米国特許第４，０９４，８７７号
にも記載されている。電極は透過性でアルカリ金属蒸気
をよく通過させ得るが、電気を通すに十分な厚さがある
。この■桶としては、例えば塩化プラチナよりなる光沢
性デラチゾ塗布膜の薄い電導性膜、あるいはスパッタリ
ングまたは参考として本明細書中に使われ又いるセイラ
ント（５ａｉｌｌａｎｔ　）他発明の米国特許第４．０
４９．８７７号に記載の手段によって作られたモリブデ
ン膜を使うことができるＯ 第２図は不発明の改良の一態様を示すものであるが、他
の態様も同様に石川である。例えば、この容器は面列に
つながれている二つ以上の電解質要素を含んでいてもよ
く、および／または二つ以上の返送管路が本発明に従っ
て発電機の内部に位置されていてもよい。

本発明の改良 本発明の改良は、返送管の少なくとも一部を第２反応域
内に位置させること、そうすることによって第２反応域
内の返送管路部分が発電機の運転中熱源から十分な熱を
受け、返送管のその部分内のアルカリ金属をその融点よ
り静い温度に維持することより成る。第１反応域に導入
されるアルカリ金属の温度は少なくとも電解質に対する
熱シヨツク破壊を防止するに十分な温度であるのが望ま
しい。

返送管路の一部分を第２反応域内に位置させることは、
従来技術による装置に比して、前述したような明白な利
点を提供するものである０従来のものは、第１図に示さ
れるように返送管路は発電機の外側をまわって取付けら
れている。

アルカリ土類金属の流量は少ないので、この返送管路は
小さな径の管で作ることができる。直径１／、６〜１／
８インチの管が例えばナトリウム會用い数百アンペアの
電流を伝えるのに適当である０返送管路は発電機に用い
られているアルカリ金属による腐食に対して強いもので
あればどんな材質によってできていてもよい。セラミッ
ク相料で返送管路を作ってもよいが、金属製の返送管路
を採用するのが望ましい。金属製の返送管路は小径のも
のが利用可能であり、しかも融通性と耐久性があるから
である。第２図は数体アルカリ金属が望ましくは第１反
応域の上端へ戻される、本発明の一態様を示すものでは
あるが、返送管路は第１反応域のどの点、例えばその底
部の点へ入ってもよいのである。しかしやはり返送管路
は上端にて第１反応域へ入るようにすることが望ましい
。この域の上端へ液体アルカリ金属れることは重力によ
って助けられるからである。この態様においては返送管
路１４はポンプ手段１３近くの発車機下端壁を通って発
電機中へ入るのが望ましいのであるが、この返送管路を
例えば側壁から発電機へ入れてもよい。

さらに言えば、所望ならこの返送管路は発電機を入った
り出たりしてもかまわない。

戻ってくるアルカリ金属を第１反応域の温度近くまで加
熱することが望ましいのであるが、必ずしもそうする必
要はない。返送管路中のす）　ＩＪウム＠段ハナトリウ
ムの融点より高くなければならないのは勿論であり、望
ましくはセラミック電解質に熱ショックを起させる温度
より高いことである。ベータおよびベーター＼アルミナ
電解質に対する熱シヨツク破壊を防止するＶＣは、第１
反応域へ入るアルカリ金属の温度はこの域２００℃辺内
であるべきであり、より望ましくはこの域の温度の約１
００℃以内であるっ返送管路は第２反応域内に位置され
ており、熱源から例えば熱輻射によって直接的に、また
は熱源からの熱伝導によって、あるいは第２反応域内で
の反射熱輻射のいずれかによって熱を受けることができ
るようになっている。熱源が第２図のように筒１の一部
分をぐるりと巻いて配列された加熱器（すなわち、この
場合は筒１の側壁の部分は高温になっている）であるな
らば、この返送管路は筒１の長さ方向に平行に走り筒１
と接することができるし、あるいは筒１と筒２との間の
真空空間にある筒に平行になるように位置させることが
できる。この装置に熱エネルギーを与えるために浸漬加
熱器も筒２に採用することができる。本明細書に参考の
ために引用されている米国特許第４．０９８，９５８号
に記載のように、浸漬加熱器として筒２内の先端が閉じ
たヒートパイプを用いることができるＯ加熱法としての
浸漬ヒーターにおいては、返送管路が電解質近くかある
いはそれと熱的に接しているように位置しているのが望
ましい。この装置がその長さ方向に一杯に伸びる中央加
熱管を有しているならば、Ｎ解質を囲んでいる第１反応
域をそのような中央加熱管のまわりに平行に配置すると
よい。この時には筒１の壁面は比較的低温である。この
場合には返送管路を中央加熱管と電解質筒との間に設け
ると好都合である。本発明によれば、第２反応域内の返
送管路の最適位置と第１反応域へのその導入最適位置の
選定は、例えば所望の返送液体加熱温度と熱源や第１反
応域の位置による。

不発明は以下の詳細な実施例を参考することによってよ
り深く理解される。これら特定的な実施例は内容會明ら
かにするために提供されたものであって決して制限する
ためではないことが理解されるべきである。

実施例１ 筒１によって作られた家門に直列に接続されたベーダー
アルミナ奄解質筒２を用いて第２図に概略従って、ナト
リウム熱エンジン装置が組立てられたっこの例において
は、室の中央に設けられた中央加熱器から熱が供給され
た。加熱管は約７００℃の温度に維持され、凝縮器表面
は筒１の外表面で構成され、約２００℃の温度に維持さ
れた。二つの電解質筒には上端からす）　ＩＪウムが供
給された。内径０．０３２インチ外径０．０６３インチ
のインコネル管よりなる返送管路が使われた。これらの
管は前記の図−２に示される（ポンプ１３）ような電磁
ポンプから供給される単一の小さな室にその下端部にお
いて接続されていた。電解質筒は長さ約３０ｃｒｎで返
送管は組立てる余地を与えるため約４０ｃＩｎであった
。この返送管は二つの電解質筒の間に位置され、従って
中央加熱器の壁表面からの熱輻射に十分にさらされた。

返送管には他には加熱されなかった。これらの狭い管路
を通過するす）　ＩＪウム流が最大正味装置電流５０ア
ンペアを支え得ることが見い出された。これに相当する
ナトリウムの全流量は約１００ｃＩｎ”／ｈｒであった
。

実施例２ 第２図に示される下端凝縮の形です）　ＩＪウム熱エン
ジン装置が作られた。外径１．６　ａｍで肉厚約１．２
朋の１個のベーダー貞アルミナ′＃３′解質筒が用いら
れた。筒１の側面は炉中に置くことによって８００〜９
００℃の温度に維持された。実施例１の供給管に用いら
れたものと同一な材質で作られているナトリウム供給管
は室の底部を経て電磁ポンプから取出され、外壁の内弐
面に部分的に沿って電解質筒の上端部まで引きまわされ
た。凝縮器表面は装置の底部に集められた液体ナトリウ
ムの表面であった。この表面は約２２０　’Ｃの温度に
維持され、かくして装置の運転に必要な温朋差と蒸気圧
力差とが得られた。実施例１の装置より高い温度で運転
されるこの装置では、ナ）　ＩＪウム返送管路を加熱表
面に熱的に接触させることが効果的にできるので、電解
質筒内高温域のナトリウムに十分近い温度にまで、入っ
てくるナトリウムを予熱することができ、結果として低
温のナトリウムの導入による偶発的な熱シヨツク問題が
回避される０ この開示するところを鑑みれば、本発明の多くの変形が
、当業者には明らかになろうっそのような変形のすべて
は本発明の範囲に含まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱電式発電機の一例の概略図での一実施
例の垂直断面図である。 １・・・筒、２・・・筒、３・・・電極、６・・・加熱
器、７・・・アルカリ金属、９・・・覆い板、１０・・
・キャップ。 代理人　浅　村　皓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーへ変換
   するのに適用される熱電式発電機において、（１）　第
   １反応域を囲む手段： （２）第２反応域を囲む手段： （３） （ａ）　当該第１反応域と第２反応域とを分離しかつそ
   れらの容器を実質上完結させ、そして （ｂ）　本質的にはアルカリ金属元素およびその化合物
   に対して不透過性ではあるが当該アルカリ金属の陽イオ
   ンに関してはイオン的に伝導性である、イオン伝導性固
   体電解質より成る 反応域分離板： （４）　当該第１反応域内にありしかも当該固体電解質
   と流体的に連絡されているアルカリ金属元素： （５）　当該固体電解質と電気的に接触しており１しか
   もアルカリ金属を通過させるに十分な透過性を有する当
   該第１反応塘内電極： （６）第１反応域内アルカリ金属元素と電極との間で電
   子流を伝導させる手段： （７）轟該第２反応絨の最低湯度より少なくとも１００
   ℃高く当該第１反応域の温胛を維持する手段：および （８）　凝縮したアルカリ金属のだめの返送管および当
   該凝縮アルカリ金属を当該反送管を通じてポンプで送る
   手段より成る、 当該第２反応域から当該第１反応域へ尚該凝縮アルカリ
   金属元素を返送する手段二 より成り、かつ 当該返送管路の少なくとも一部は当該第２反応域内に位
   置され、当該返送管の尚該部分は尚該発電機の作動中熱
   源から十分な熱を受け、当該返送管路の当該部分内の尚
   該アルカリ金属の温度が当該アルカリ金属の融点より高
   く維持されることがら成ることを特徴とする、熱電式発
   電機っ２、　当該第１反応域へ導入される当該アルカリ
   金属の温度が当該電極への熱シヨツク破壊を少なくとも
   防止するに足るだけ高いことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の熱雷式発電機０６、　当該第２反応域
   内にある当該返送管路の当該部分が金属でできているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱電式発
   電機。 ４　当該返送管路が当該第１反応域の頂部近くで当該第
   １反応域へ入ることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の熱電式発電機。 ５、　当該返送管路の長さの大部分が当該第２反応域内
   に置かれていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の熱電式発電機０ ６、　当該返送管路が発電機の底部から当該第２反応域
   へ入ること全特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載
   の熱電式発電機。