WO2020262149A1 - 熱発電装置 - Google Patents

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WO2020262149A1
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thermoelectric
heat
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thermoelectric generation
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▲ヒョウ▼ 梅
直哉 後藤
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Sanoh Industrial Co Ltd
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Sanoh Industrial Co Ltd
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/82—Interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00—Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • H10N19/101—Multiple thermocouples connected in a cascade arrangement

Definitions

  • thermoelectric generator This disclosure relates to a thermoelectric generator.
  • a heat-utilizing power generation element that combines an electrolyte and a thermoelectric conversion material that generates thermally excited electrons and holes is known (see Patent Document 1). According to the power generation system using the heat-utilizing power generation element, power can be generated only by raising the temperature of the entire system without giving a temperature difference to the system.
  • thermoelectric power generation device that can sufficiently prevent the heat supply from becoming rate-determining and is useful for achieving high output.
  • thermoelectric generation apparatus includes a first thermoelectric generation module, a second thermoelectric generation module, and a conductive member for electrically connecting the first and second thermoelectric generation modules.
  • One thermoelectric generation module is separated from the second thermoelectric generation module.
  • the first thermoelectric generation module has at least one heat utilization power generation element including an electrolyte layer and a thermoelectric conversion layer, and a first housing for accommodating the heat utilization power generation element.
  • the second thermoelectric generation module has at least one thermoelectric power generation element including an electrolyte layer and a thermoelectric conversion layer, and a second housing for accommodating the heat utilization power generation element.
  • thermoelectric generation module Since the first thermoelectric generation module is separated from the second thermoelectric generation module, for example, a flow path is defined by the outer surface of the first housing and the outer surface of the second housing. By flowing a thermal fluid (for example, a high-temperature gas or liquid) through this flow path, heat can be efficiently supplied to the first and second thermoelectric generation modules.
  • This flow path may extend in a direction along the main surface of the thermoelectric generation module, or may extend in a direction along the side surface of the thermoelectric generation module.
  • the first and second thermoelectric generation modules may be electrically connected in series or electrically connected in parallel. By connecting a plurality of thermoelectric generation modules in series, the electromotive force of the thermoelectric generation device can be increased. On the other hand, by connecting a plurality of thermoelectric generation modules in parallel, the output current of the thermoelectric generation device can be increased.
  • the first and second thermoelectric generation modules may each have a plurality of heat utilization power generation elements.
  • the plurality of heat-utilizing power generation elements may be laminated so as to be electrically in series, or may be laminated so as to be electrically in parallel.
  • an electron conductive layer may be provided between the adjacent heat-utilizing power generation elements from the viewpoint of further increasing the electromotive force.
  • a collector electrode electrically connected to the conductive member and an insulating layer are provided between the adjacent heat-utilizing power generation elements. Just do it.
  • thermoelectric power generation device that can sufficiently prevent the heat supply from becoming rate-determining and is useful for achieving high output is provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment of the thermoelectric power generation device according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the thermoelectric power generation device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the thermoelectric power generation device according to the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a thermoelectric power generation module included in the thermoelectric power generation device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the thermoelectric power generation device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a thermoelectric power generation device according to the present embodiment.
  • the thermoelectric generator 50 shown in this figure includes three thermoelectric generator modules 10A, 10B, and 10C, which are electrically connected in parallel by an external current collector 12 (conductive member).
  • the thermoelectric generation module 10A is arranged between the two thermal power generation modules 10B and 10C, and is separated from the thermal power generation modules 10B and 10C.
  • the external current collector 12 is also separated from the thermoelectric generation modules 10A, 10B, and 10C.
  • the configuration of the thermoelectric generation module 10A will be described.
  • the configurations of the thermoelectric generation modules 10B and 10C are the same as those of the thermoelectric power generation modules 10A, and thus the description thereof will be omitted.
  • the thermoelectric generation module 10A has two heat-utilizing power generation elements 5a and 5b, an electron conduction layer 6, a pair of collector electrodes 8a and 8b, and a housing 9 accommodating them.
  • the shape of the thermoelectric generation module 10A in a plan view is a polygonal shape such as a rectangular shape, and may be a circular shape or an elliptical shape.
  • the two heat-utilizing power generation elements 5a and 5b are laminated so as to be electrically in series.
  • the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b generate thermally excited electrons and holes by heat supplied from the outside.
  • the generation of thermally excited electrons and holes by the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b occurs, for example, at 25 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
  • the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b may be heated to, for example, 50 ° C. or higher.
  • the upper limit of the heating temperature of the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b is, for example, 200 ° C.
  • the temperature at which a sufficient number of thermally excited electrons are generated is, for example, a temperature at which the thermal excited electronic densities of the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b are 10 15 / cm 3 or more.
  • the heat-utilizing power generation element 5a has a laminated structure including an electrolyte layer 1, an electron thermal excitation layer 2a, and an electron transport layer 2b in this order.
  • the thermoelectric conversion layer 2 is composed of the electron thermal excitation layer 2a and the electron transport layer 2b.
  • the configuration of the heat utilization power generation element 5b is the same as that of the heat utilization power generation element 5a, and thus the description thereof will be omitted.
  • the electrolyte layer 1 is a layer containing a solid electrolyte in which charge transport ion pairs can move inside under the above temperature conditions. As the charge transport ion pair moves in the electrolyte layer 1, a current flows through the electrolyte layer 1.
  • a "charge transport ion pair" is a stable pair of ions with different valences. When one ion is oxidized or reduced, it becomes the other ion and can move electrons and holes.
  • the redox potential of the charge transport ion pair in the electrolyte layer 1 is more negative than the valence electron charging position of the thermoelectric conversion material contained in the electron thermoexcited layer 2a.
  • the electrolyte layer 1 may contain ions other than the charge transport ion pair.
  • the electrolyte layer 1 can be formed by, for example, a squeegee method, a screen printing method, a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a sol-gel method, or a spin coating method.
  • the thickness of the electrolyte layer 1 is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the electrolyte layer 1 may be a hole transport semiconductor.
  • the solid electrolyte contained in the electrolyte layer 1 is, for example, a substance that is physically and chemically stable at the above temperatures, and contains polyvalent ions.
  • Solid electrolytes include, for example, sodium ion conductors, copper ion conductors, iron ion conductors, lithium ion conductors, silver ion conductors, hydrogen ion conductors, strontium ion conductors, aluminum ion conductors, and fluorine ion conductors. , Chlorine ion conductor, oxide ion conductor, etc.
  • the solid electrolyte may be, for example, polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of 600,000 or less or a derivative thereof.
  • the solid electrolyte is PEG
  • a multivalent ion source such as copper ion or iron ion may be contained in the electrolyte layer 1.
  • the alkali metal ion may be contained in the electrolyte layer 1 from the viewpoint of improving the life.
  • the molecular weight of PEG corresponds to the weight average molecular weight measured by gel permeation chromatography in terms of polystyrene.
  • the electrolyte layer 1 may contain a material other than the solid electrolyte.
  • the electrolyte layer 1 may contain a binder for binding the solid electrolyte, a sintering aid for assisting the molding of the solid electrolyte, and the like.
  • the electronically excited electron layer 2a is a layer that generates thermally excited electrons and holes, and is in contact with the electrolyte layer 1.
  • the electron thermal excitation layer 2a contains a thermoelectric conversion material.
  • the thermoelectric conversion material is a material in which excitation electrons increase in a high temperature environment.
  • a metal semiconductor Si, Ge
  • a tellurium compound semiconductor silicon germanium (Si—Ge) compound semiconductor
  • Si—Ge silicon germanium
  • silicide compound semiconductor a silicide compound semiconductor
  • scutterdite a semiconductor material such as a compound semiconductor, a class rate compound semiconductor, a Whistler compound semiconductor, a half-Whisler compound semiconductor, a metal oxide semiconductor, and an organic semiconductor.
  • the thermoelectric conversion material may be germanium (Ge).
  • the electron thermal excitation layer 2a may include a plurality of thermoelectric conversion materials.
  • the electron thermal excitation layer 2a may contain a material other than the thermoelectric conversion material.
  • the electron-thermally excited layer 2a may include a binder for binding the thermoelectric conversion material, a sintering aid for assisting the molding of the thermoelectric conversion material, and the like.
  • the electron thermal excitation layer 2a is formed by, for example, a squeegee method, a screen printing method, a discharge plasma sintering method, a compression molding method, a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, a chemical vapor deposition method (CVD method), a spin coating method, or the like. ..
  • the thickness of the electron thermal excitation layer 2a is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the electron transport layer 2b is a layer that transports the thermionic electrons generated in the electron thermal excitation layer 2a to the outside, and is located on the opposite side of the electrolyte layer 1 via the electron thermal excitation layer 2a in the stacking direction.
  • the electron transport layer 2b contains an electron transport material.
  • the electron transport material is a material whose conduction charge level is the same as or more positive than the conduction charge position of the thermoelectric conversion material. The difference between the conduction charge position of the electron transport material and the conduction charge position of the thermoelectric conversion material is, for example, 0.01 V or more and 0.1 V or less.
  • the electron transporting material is, for example, a semiconductor material, an electron transporting organic substance, or the like.
  • the electron transport layer 2b is formed by, for example, a squeegee method, a screen printing method, a discharge plasma sintering method, a compression molding method, a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a spin coating method, or the like.
  • the thickness of the electron transport layer 2b is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the semiconductor material used for the electron transport material is, for example, the same as the semiconductor material contained in the electron thermal excitation layer 2a.
  • the electron-transporting organic substance is, for example, an N-type conductive polymer, an N-type low-molecular-weight organic semiconductor, a ⁇ -electron conjugated compound, or the like.
  • the electron transport layer 2b may include a plurality of electron transport materials.
  • the electron transport layer 2b may contain a material other than the electron transport material.
  • the electron transport layer 2b may contain a binder for binding the electron transport material, a sintering aid for assisting the molding of the electron transport material, and the like.
  • the semiconductor material may be n-type Si.
  • the electron transport layer 2b containing n-type Si is formed, for example, by doping a silicon layer with phosphorus or the like.
  • the electron conduction layer 6 is a layer for conducting electrons moving in the thermoelectric generation module 10A only in a predetermined direction.
  • the electron conductive layer 6 is a layer that exhibits electron conductivity and does not exhibit ionic conductivity. Therefore, the electron conduction layer 6 can be said to be an ion conduction prevention layer.
  • the electron conduction layer 6 is sandwiched between the electron transport layer 2b of the heat utilization power generation element 5a and the electrolyte layer 1 of the heat utilization power generation element 5b.
  • the heat-utilizing power generation elements 5a and 5b are connected in series with each other via the electron conductive layer 6.
  • the electron conductive layer 6 is formed by, for example, a squeegee method, a screen printing method, a discharge plasma sintering method, a compression molding method, a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, a CVD method, a spin coating method, a plating method, or the like.
  • the electrolyte layer 1 is an organic electrolyte layer
  • the electron conduction layer 6 may be provided, for example, on the surface of the electron transport layer 2b of the heat utilization power generation element 5a.
  • the electrolyte layer 1 is an inorganic electrolyte layer
  • the electron conduction layer 6 may be provided on the surface of the electrolyte layer 1 of the heat utilization power generation element 5b, for example.
  • the thickness of the electron conductive layer 6 is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the work function of the electron conduction layer 6 is larger than the work function of the electron transport layer 2b.
  • the bandgap of the electron conduction layer 6 is larger than the bandgap of the electron transport layer 2b.
  • the difference between the work function or band gap of the electron conduction layer 6 and the band gap of the electron transport layer 2b is, for example, 0.1 eV or more.
  • the valence electron charging position of the electron conducting layer 6 may be more positive than the reduction potential of the ions in the electrolyte layer 1. In this case, the oxidation reaction of the ions is unlikely to occur at the interface between the electron conductive layer 6 and the electrolyte layer 1.
  • the electron conductive layer 6 contains ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), an electron conductive polymer material, and the like.
  • the electron conduction layer 6 contains Pt (platinum), Au (gold), Ag (silver), an aluminum alloy (for example, duralumin, Si—Al alloy), and electron conduction. Includes polymer materials and the like.
  • the electron conductive polymer material is, for example, PEDOT / PSS.
  • the conduction charge position of the electron conduction layer 6 may be more negative than the conduction charge position of the electron transport layer 2b. In this case, electrons easily move from the electron transport layer 2b to the electron conduction layer 6.
  • the collecting electrode 8a is the positive electrode of the thermoelectric generation module 10A, and is located at one end of the thermoelectric power generation module 10A in the stacking direction.
  • the collector electrode 8b is the negative electrode of the thermoelectric generation module 10A, and is located at the other end of the thermoelectric generation module 10A in the stacking direction.
  • Each of the collector electrodes 8a and 8b is, for example, a conductive plate having a single-layer structure or a laminated structure.
  • the conductive plate is, for example, a metal plate, an alloy plate, and a composite plate thereof. From the viewpoint of satisfactorily exhibiting the performance of the thermoelectric generation module 10A, at least one of the collector electrodes 8a and 8b may exhibit high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of at least one of the collector electrodes 8a and 8b may be 10 W / m ⁇ K or more. Since no temperature difference is required in the thermoelectric generation module 10A, it is desirable that both the collector electrodes 8a and 8b exhibit high thermal conductivity.
  • the housing 9 houses the heat-utilizing power generation elements 5a, 5b, and the like.
  • the housing 9 is made of, for example, a material having excellent heat transfer properties and insulating properties. Due to the high heat transfer property of the housing 9, heat is efficiently supplied to the heat utilization power generation elements 5a and 5b from the outside.
  • Examples of the material of the housing 9 include a resin containing Si (Si heat transfer resin), ceramics, and high thermal conductive glass.
  • the housing is made of a material having insulation and a material having heat transfer (for example, metal) embedded inside the material. 9 may be configured.
  • thermoelectric generation module 10A is arranged between the two thermal power generation modules 10B and 10C, and is separated from the thermal power generation modules 10B and 10C. Since the thermoelectric generation modules 10A, 10B, and 10C are arranged apart from each other, the flow paths P1 and P2 can be formed between the adjacent thermoelectric generation modules.
  • the flow path P1 is defined by an outer surface 9a of the housing 9 of the thermoelectric generation module 10A and an outer surface 9b of the housing 9 of the thermoelectric generation module 10B.
  • the flow path P2 is defined by an outer surface 9a of the housing 9 of the thermoelectric generation module 10A and an outer surface 9c of the housing 9 of the thermoelectric generation module 10C.
  • thermoelectric generation modules 10A, 10B, 10C are also formed between the thermoelectric generation modules 10A, 10B, 10C and the external current collector 12.
  • the flow paths P1 and P2 extend in the direction along the main surface F1 of the thermoelectric generation modules 10A, 10B, and 10C.
  • the flow path P3 extends in the direction along the side surface F2 of the thermoelectric generation modules 10A, 10B, 10C.
  • thermoelectric generation module 10A By flowing a thermal fluid (for example, high-temperature gas or liquid) through the flow paths P1, P2, P3, heat can be efficiently supplied to the thermoelectric generation modules 10A, 10B, and 10C.
  • the thermal power generation device 50 can efficiently generate high voltage and / or high current electricity by applying it to a system in which a thermal fluid flows (for example, a heat exchanger, a pete pump or a cooling pipe).
  • the thermoelectric generation module 10A may be of a relatively large scale because the heat supply is unlikely to be rate-determining.
  • the power generation output of the thermoelectric generation module 10A according to the present embodiment may be, for example, 1000 kWh or more, or 10 to 1000 kWh or 0.1 to 10 kWh.
  • thermoelectric generation device 50 of the first embodiment has been described in detail above, but the configuration of the heat power generation device 50 may be changed as follows.
  • the number of heat-utilizing power generation elements included in each thermoelectric generation module is not limited to two, and may be one or three or more.
  • the number of thermoelectric generation modules is not limited to three, and may be two or four or more.
  • the electrical connection of the plurality of thermoelectric generation modules is not limited to parallel, and may be in series (see FIG. 2), or a combination of parallel and series may be used.
  • the thermoelectric generation device 50 may include a case in which the housing 9 is housed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a thermoelectric power generation device according to the present embodiment.
  • the thermoelectric generator 60 shown in this figure includes three thermoelectric generator modules 20A, 20B, and 20C, which are electrically connected in parallel by an external current collector 12.
  • the thermoelectric generation module 20A is arranged between the two thermal power generation modules 20B and 20C, and is separated from the thermal power generation modules 20B and 20C.
  • the configuration of the thermoelectric generation module 20A will be described.
  • the configurations of the thermoelectric generation modules 20B and 20C are the same as those of the thermoelectric power generation modules 20A, and thus the description thereof will be omitted.
  • the difference between the thermoelectric power generation device 60 and the heat power generation device 50 will be mainly described.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the thermoelectric generation module 20A.
  • the thermoelectric generation module 20A includes three heat-utilizing power generation elements 15a, 15b, 15c, two insulating layers 16a, 16b, three pairs of collecting electrodes 17a, 17b, and a pair of external electrodes. It has 18a and 18b, and a housing 19 for accommodating them.
  • the three heat-utilizing power generation elements 15a, 15b, and 15c are laminated so as to be electrically parallel to each other.
  • the heat-utilizing power generation elements 15a, 15b, and 15c have a laminated structure including an electrolyte layer 1, an electron thermal excitation layer 2a, and an electron transport layer 2b in this order, similarly to the heat utilization power generation element 5a described above.
  • the heat-utilizing power generation elements 15a, 15b, and 15c are sandwiched by a pair of collector electrodes 17a, 17b in the stacking direction, respectively.
  • the three collecting electrodes 17a are electrically connected to the outer electrode 18a, and the three collecting electrodes 17b are electrically connected to the outer electrode 18b.
  • the insulating layer 16a prevents short circuits of the heat-utilizing power generation elements 15a and 15b.
  • the insulating layer 16b prevents short circuits of the heat-utilizing power generation elements 15b and 15c.
  • the insulating layer 16a includes, for example, an organic insulator or an inorganic insulator exhibiting heat resistance.
  • the organic insulator is, for example, a heat resistant plastic.
  • the inorganic insulator is a ceramic such as alumina.
  • the insulating layers 16a and 16b may exhibit high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the insulating layers 16a and 16b may be 10 W / m ⁇ K or more.
  • the insulating layers 16a and 16b may contain members or particles exhibiting excellent heat transfer properties. As long as the member or particle is embedded in the insulating material, the member or particle may be conductive.
  • thermoelectric generation module 20A is arranged between the two thermal power generation modules 20B and 20C, and is separated from the thermal power generation modules 20B and 20C. Since the thermoelectric generation modules 20A, 20B, and 20C are arranged apart from each other, the flow paths P11 and P12 can be formed between the adjacent thermoelectric generation modules.
  • the flow path P11 is defined by an outer surface 19a of the housing 19 of the thermoelectric generation module 20A and an outer surface 19b of the housing 19 of the thermoelectric generation module 20B.
  • the flow path P12 is defined by an outer surface 19a of the housing 19 of the thermoelectric generation module 20A and an outer surface 19c of the housing 19 of the thermoelectric generation module 20C.
  • the flow paths P11 and P12 extend in the direction along the side surface F2 of the thermoelectric generation modules 20A, 20B and 20C.
  • thermoelectric generation modules 20A, 20B, and 20C By flowing a thermal fluid (for example, high-temperature gas or liquid) through the flow paths P11 and P12, heat can be efficiently supplied to the thermoelectric generation modules 20A, 20B, and 20C.
  • the thermal power generator 60 can efficiently generate high voltage and / or high current electricity by applying it to a system through which a thermal fluid flows (for example, a heat exchanger, a pete pump or a cooling pipe).
  • the thermoelectric generation module 20A according to the present embodiment may have a relatively large scale because the heat supply is unlikely to be rate-determining.
  • the power generation output of the thermoelectric generation module 20A may be, for example, 1000 kWh or more, or 10 to 1000 kWh or 0.1 to 10 kWh.
  • the heat power generation device 60 of the second embodiment has been described in detail above, but the configuration of the heat power generation device 60 may be changed as follows.
  • the number of heat-utilizing power generation elements included in each thermoelectric generation module is not limited to three, and may be one or two, or four or more.
  • the number of thermoelectric generation modules is not limited to three, and may be two or four or more.
  • the electrical connection of the plurality of thermoelectric generation modules is not limited to parallel, but may be in series (see FIG. 5), or a combination of parallel and series may be used.
  • the configuration is the same as that of the thermoelectric generation module 20A (a plurality of heat utilization power generation elements).
  • a plurality of thermoelectric generation modules having a configuration in which are connected in parallel) may be connected in series.
  • the thermoelectric generation device 60 may include a case in which the housing 19 is housed.
  • thermoelectric generation modules 20A, 20B and 20C the embodiment in which the flow paths P11 and P12 extend in the direction along the side surface F2 of the thermoelectric generation modules 20A, 20B and 20C is illustrated, but the flow paths P11 and P12 extend in the direction along the side surface F2. , 20C may extend in the direction along the main surface F1.
  • thermoelectric power generation device that can sufficiently prevent the heat supply from becoming rate-determining and is useful for achieving high output is provided.
  • Electrode layer 1 ... Electrode layer, 2 ... Thermoelectric conversion layer, 2a ... Electron thermal excitation layer, 2b ... Electron transport layer, 5a, 5b, 15a, 15b, 15c ... Heat utilization power generation element, 6 ... Electron conducting layer, 8a, 8b, 17a , 17b ... collector electrode, 18a, 18b ... outer electrode, 9,19 ... housing, 9a, 9b, 9c ... outer surface, 10A, 10B, 10C, 20A, 20B, 20C ... thermoelectric generation module, 12 ... external current collector (Conductive member), 16a, 16b ... Insulation layer, 50, 60 ... Thermoelectric generator, F1 ... Main surface, F2 ... Side surface, P1, P2, P3, P11, P12 ... Flow path

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Abstract

本開示の一側面に係る熱発電装置は、第１の熱発電モジュールと、第２の熱発電モジュールと、第１及び第２の熱発電モジュールを電気的に接続する導電部材とを備え、第１の熱発電モジュールが第２の熱発電モジュールから離隔している。第１及び第２の熱発電モジュールは、電解質層及び熱電変換層の積層体を含む少なくとも１つの熱利用発電素子と当該熱利用発電素子を収容する筐体とをそれぞれ有する。

Description

熱発電装置
　本開示は熱発電装置に関する。
　熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として、電解質と、熱励起電子及び正孔を生成する熱電変換材料とを組み合わせた熱利用発電素子が知られている（特許文献１参照）。上記熱利用発電素子を用いた発電システムによれば、システムに温度差を与えなくても、システム全体を高温にするだけで発電できる。
国際公開第２０１７／０３８９８８号
　本発明者らの検討によると、特許文献１に記載の素子を用いた発電システムの高出力化を実現するには、発電システムへの熱供給が律速になるという課題をクリアする必要がある。すなわち、発電システムが高電圧及び／又は大電流の電気を発電するポテンシャルを有していても、発電システムが備える熱利用発電素子に対して熱ができるだけ偏りなく供給されなければ、そのポテンシャルを十分に発揮できない。
　本開示の一側面は、熱供給が律速になることを十分に防止でき、高出力化を実現するのに有用な熱発電装置を提供する。
　本開示の一側面に係る熱発電装置は、第１の熱発電モジュールと、第２の熱発電モジュールと、第１及び第２の熱発電モジュールを電気的に接続する導電部材とを備え、第１の熱発電モジュールが第２の熱発電モジュールから離隔している。第１の熱発電モジュールは、電解質層及び熱電変換層を含む少なくとも１つの熱利用発電素子と、当該熱利用発電素子を収容する第１の筐体とを有する。第２の熱発電モジュールは、電解質層及び熱電変換層を含む少なくとも１つの熱利用発電素子と、当該熱利用発電素子を収容する第２の筐体とを有する。
　第１の熱発電モジュールが第２の熱発電モジュールから離隔していることで、例えば、第１の筐体の外面と第２の筐体の外面とによって流路が画成される。この流路に熱流体（例えば、高温のガス又は液体）を流すことで、第１及び第２の熱発電モジュールに対して効率的に熱を供給することができる。この流路は、熱発電モジュールの主面に沿う方向に延在していてもよいし、熱発電モジュールの側面に沿う方向に延在していてもよい。
　第１及び第２の熱発電モジュールは、電気的に直列に接続されてもよいし、電気的に並列に接続されていてもよい。複数の熱発電モジュールを直列に接続することで、熱発電装置の起電力を大きくできる。他方、複数の熱発電モジュールを並列に接続することで、熱発電装置の出力電流を大きくできる。
　起電力及び／又は出力電流を大きくする観点から、第１及び第２の熱発電モジュールは複数の熱利用発電素子をそれぞれ有してもよい。複数の熱利用発電素子は、電気的に直列の状態となるように積層されていてもよいし、電気的に並列の状態となるように積層されていてもよい。複数の熱利用発電素子の電気的な接続状態が直列である場合、起電力をより一層の大きくする観点から、隣接する熱利用発電素子の間に、電子伝導層を設けてもよい。複数の熱利用発電素子の電気的な接続状態が並列である場合、隣接する熱利用発電素子の間に、上記導電部材と電気的に接続されている集電極と、絶縁層と、を設ければよい。
　本開示の一側面によれば、熱供給が律速になることを十分に防止でき、高出力化を実現するのに有用な熱発電装置が提供される。
図１は本開示に係る熱発電装置の第一実施形態を模式的に示す断面図である。 図２は第一実施形態に係る熱発電装置の変形例を模式的に示す断面図である。 図３は本開示に係る熱発電装置の第二実施形態を模式的に示す断面図である。 図４は図３に示す熱発電装置が備える熱発電モジュールを模式的に示す断面図である。 図５は第二実施形態に係る熱発電装置の変形例を模式的に示す断面図である。
　以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
＜第一実施形態＞
　図１は本実施形態に係る熱発電装置を模式的に示す断面図である。この図に示された熱発電装置５０は、３つの熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを備え、これらが外部集電体１２（導電部材）によって電気的に並列に接続されている。熱発電モジュール１０Ａは、２つの熱発電モジュール１０Ｂ，１０Ｃの間に配置されており、熱発電モジュール１０Ｂ，１０Ｃから離隔している。外部集電体１２も熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃから離隔している。以下、熱発電モジュール１０Ａの構成について説明する。なお、本実施形態において、熱発電モジュール１０Ｂ，１０Ｃの構成は熱発電モジュール１０Ａと同じであるから、これらの説明は省略する。
　熱発電モジュール１０Ａは、２つの熱利用発電素子５ａ，５ｂと、電子伝導層６と、一対の集電極８ａ，８ｂと、これらを収容する筐体９とを有する。平面視における熱発電モジュール１０Ａの形状は、例えば矩形状等の多角形状であり、円形状又は楕円形状であってもよい。２つの熱利用発電素子５ａ，５ｂは、電気的に直列の状態となるように積層されている。熱利用発電素子５ａ，５ｂは、外部から供給される熱によって熱励起電子及び正孔を生成する。熱利用発電素子５ａ，５ｂによる熱励起電子及び正孔の生成は、例えば２５℃以上３００℃以下で生じる。十分な数の熱励起電子及び正孔を生成する観点から、熱利用発電素子５ａ，５ｂは、例えば５０℃以上に加熱されてもよい。熱利用発電素子５ａ，５ｂの劣化等を良好に防止する観点から、熱利用発電素子５ａ，５ｂの加熱温度の上限は、例えば、２００℃である。なお、十分な数の熱励起電子が生成される温度は、例えば熱利用発電素子５ａ，５ｂの熱励起電子密度が１０１５／ｃｍ３以上となる温度である。
　熱利用発電素子５ａは、電解質層１と、電子熱励起層２ａと、電子輸送層２ｂとをこの順序で備える積層構造を有する。電子熱励起層２ａと電子輸送層２ｂによって熱電変換層２が構成されている。なお、本実施形態において、熱利用発電素子５ｂの構成は、熱利用発電素子５ａと同じであるから、その説明は省略する。
　電解質層１は、上記の温度条件において、電荷輸送イオン対が内部を移動できる固体電解質を含む層である。電解質層１内を上記電荷輸送イオン対が移動することによって、電解質層１に電流が流れる。「電荷輸送イオン対」は、互いに価数が異なる安定な一対のイオンである。一方のイオンが酸化又は還元されると他方のイオンとなり、電子と正孔とを移動できる。電解質層１内の電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、電子熱励起層２ａに含まれる熱電変換材料の価電子帯電位よりも負である。このため、電子熱励起層２ａと電解質層１との界面では、電荷輸送イオン対のうち、酸化されやすいイオンが酸化され、他方のイオンとなる。なお、電解質層１は、電荷輸送イオン対以外のイオンを含んでもよい。電解質層１は、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、又はスピンコート法によって形成できる。電解質層１の厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。電解質層１はホール輸送半導体でもよい。
　電解質層１に含まれる固体電解質は、例えば、上記温度にて物理的及び化学的に安定である物質であり、多価イオンを含む。固体電解質は、例えば、ナトリウムイオン伝導体、銅イオン伝導体、鉄イオン伝導体、リチウムイオン伝導体、銀イオン伝導体、水素イオン伝導体、ストロンチウムイオン伝導体、アルミニウムイオン伝導体、フッ素イオン伝導体、塩素イオン伝導体、酸化物イオン伝導体等である。固体電解質は、例えば、分子量６０万以下のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）又はその誘導体でもよい。固体電解質がＰＥＧである場合、例えば銅イオン、鉄イオン等の多価イオン源が電解質層１に含まれてもよい。寿命向上等の観点から、アルカリ金属イオンが電解質層１に含まれてもよい。ＰＥＧの分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィーによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量に相当する。電解質層１は、固体電解質以外の材料を含んでもよい。例えば、電解質層１は、固体電解質を結合させるバインダ、固体電解質の成形を補助する焼結助剤などを含んでもよい。
　電子熱励起層２ａは、熱励起電子及び正孔を生成する層であり、電解質層１に接する。電子熱励起層２ａは、熱電変換材料を含む。熱電変換材料は、高温環境下にて励起電子が増加する材料であり、例えば、金属半導体（Ｓｉ，Ｇｅ）、テルル化合物半導体、シリコンゲルマニウム（Ｓｉ－Ｇｅ）化合物半導体、シリサイド化合物半導体、スクッテルダイト化合物半導体、クラスレート化合物半導体、ホイスラー化合物半導体、ハーフホイスラー化合物半導体、金属酸化物半導体、有機半導体等の半導体材料である。比較的低温にて十分な熱励起電子を生成する観点から、熱電変換材料は、ゲルマニウム（Ｇｅ）でもよい。電子熱励起層２ａは、複数の熱電変換材料を含んでもよい。電子熱励起層２ａは、熱電変換材料以外の材料を含んでもよい。例えば、電子熱励起層２ａは、熱電変換材料を結合させるバインダ、熱電変換材料の成形を補助する焼結助剤などを含んでもよい。電子熱励起層２ａは、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、科学気相成長法（ＣＶＤ法）、スピンコート法等によって形成される。電子熱励起層２ａの厚さは、例えば、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。
　電子輸送層２ｂは、電子熱励起層２ａにて生成された熱励起電子を外部へ輸送する層であり、積層方向において電子熱励起層２ａを介して電解質層１の反対側に位置する。電子輸送層２ｂは、電子輸送材料を含む。電子輸送材料は、その伝導帯電位が熱電変換材料の伝導帯電位と同じかそれよりも正である材料である。電子輸送材料の伝導帯電位と、熱電変換材料の伝導帯電位との差は、例えば０．０１Ｖ以上０．１Ｖ以下である。電子輸送材料は、例えば半導体材料、電子輸送性有機物等である。電子輸送層２ｂは、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スピンコート法等によって形成される。電子輸送層２ｂの厚さは、例えば、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。
　電子輸送材料に用いられる半導体材料は、例えば、電子熱励起層２ａに含まれる半導体材料と同一である。電子輸送性有機物は、例えば、Ｎ型導電性高分子、Ｎ型低分子有機半導体、π電子共役化合物等である。電子輸送層２ｂは、複数の電子輸送材料を含んでもよい。電子輸送層２ｂは、電子輸送材料以外の材料を含んでもよい。例えば、電子輸送層２ｂは、電子輸送材料を結合させるバインダ、電子輸送材料の成形を補助する焼結助剤などを含んでもよい。電子輸送性の観点から、半導体材料はｎ型Ｓｉでもよい。ｎ型Ｓｉを含む電子輸送層２ｂは、例えばシリコン層にリン等をドーピングすることによって形成される。
　電子伝導層６は、熱発電モジュール１０Ａ内を移動する電子を所定の方向のみに伝導させるための層である。電子伝導層６は、電子伝導性を示し、且つ、イオン伝導性を示さない層である。よって電子伝導層６は、イオン伝導防止層とも言える。電子伝導層６は、熱利用発電素子５ａの電子輸送層２ｂと熱利用発電素子５ｂの電解質層１に挟まれている。熱利用発電素子５ａ，５ｂは電子伝導層６を介して互いに直列に接続される。
　電子伝導層６は、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スピンコート法、メッキ法等によって形成される。電解質層１が有機電解質層である場合、電子伝導層６は、例えば、熱利用発電素子５ａの電子輸送層２ｂの表面に設ければよい。他方、電解質層１が無機電解質層である場合、電子伝導層６は、例えば、熱利用発電素子５ｂの電解質層１の表面に設ければよい。電子伝導層６の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。
　電子伝導層６の仕事関数は、電子輸送層２ｂの仕事関数より大きい。換言すれば、電子伝導層６のバンドギャップは、電子輸送層２ｂのバンドギャップより大きい。電子伝導層６の仕事関数もしくはバンドギャップと、電子輸送層２ｂのバンドギャップとの差は、例えば０．１ｅＶ以上である。また、電子伝導層６の価電子帯電位は、電解質層１内のイオンの還元電位よりも正でもよい。この場合、電子伝導層６と電解質層１との界面にて、上記イオンの酸化反応が発生しにくい。例えば、電解質層１が有機電解質層である場合、電子伝導層６は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、電子伝導ポリマー材料等を含む。また、例えば電解質層１が無機電解質層である場合、電子伝導層６は、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、アルミニウム合金（例えば、ジュラルミン、Ｓｉ－Ａｌ合金）、電子伝導ポリマー材料等を含む。電子伝導ポリマー材料は、例えばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳである。なお、電子伝導層６の伝導帯電位は、電子輸送層２ｂの伝導帯電位よりも負でもよい。この場合、電子輸送層２ｂから電子伝導層６へ電子が移動しやすくなる。
　集電極８ａは、熱発電モジュール１０Ａの正極であり、積層方向において熱発電モジュール１０Ａの一端に位置する。集電極８ｂは、熱発電モジュール１０Ａの負極であり、積層方向において熱発電モジュール１０Ａの他端に位置する。集電極８ａ，８ｂのそれぞれは、例えば単層構造もしくは積層構造を有する導電板である。導電板は、例えば、金属板、合金板、及びそれらの複合板である。熱発電モジュール１０Ａの性能を良好に発揮する観点から、集電極８ａ，８ｂの少なくとも一方は、高熱伝導性を示してもよい。例えば、集電極８ａ，８ｂの少なくとも一方の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。熱発電モジュール１０Ａのでは温度差は不要であるため、集電極８ａ，８ｂの両方が高熱伝導性を示すことが望ましい。
　筐体９は、熱利用発電素子５ａ，５ｂ等を収容している。筐体９は、例えば、優れた伝熱性及び絶縁性を有する材質からなる。筐体９の伝熱性が高いことで、外部から熱利用発電素子５ａ，５ｂに熱が効率的に供給される。筐体９の材質として、例えば、Ｓｉを含む樹脂（Ｓｉ伝熱樹脂）、セラミックス、高熱伝導性ガラスが挙げられる。筐体９の絶縁性を維持しつつ、より優れた伝熱性を達成するため、絶縁性を有する材料と、この材料の内部に埋設された伝熱性を有する材料（例えば、金属）とによって筐体９を構成してもよい。
　上述のとおり、熱発電モジュール１０Ａは、２つの熱発電モジュール１０Ｂ，１０Ｃの間に配置されており、熱発電モジュール１０Ｂ，１０Ｃから離隔している。熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが互い離隔して配置されていることで、隣接する熱発電モジュールの間に流路Ｐ１，Ｐ２を形成することができる。流路Ｐ１は、熱発電モジュール１０Ａの筐体９の外面９ａと熱発電モジュール１０Ｂの筐体９の外面９ｂとによって画成されている。流路Ｐ２は、熱発電モジュール１０Ａの筐体９の外面９ａと熱発電モジュール１０Ｃの筐体９の外面９ｃとによって画成されている。また、熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと外部集電体１２の間にも流路Ｐ３が形成されている。流路Ｐ１，Ｐ２は、熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの主面Ｆ１に沿う方向に延在している。他方、流路Ｐ３は、熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの側面Ｆ２に沿う方向に延在している。
　流路Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に熱流体（例えば、高温のガス又は液体）を流すことで、熱発電モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対して効率的に熱を供給することができる。熱発電装置５０は、熱流体が流れるシステム（例えば、熱交換器、ピートポンプ又は冷却パイプ）に適用することで、高電圧及び／又は大電流の電気を効率的に発電できる。熱発電モジュール１０Ａは、熱供給が律速となりにくいため、比較的規模が大きいものであってもよい。本実施形態に係る熱発電モジュール１０Ａの発電出力は、例えば、１０００ｋＷｈ以上であってもよく、１０～１０００ｋＷｈ又は０．１～１０ｋＷｈであってもよい。
　以上、第一実施形態の熱発電装置５０について詳細に説明したが、熱発電装置５０の構成を以下のように変更してもよい。例えば、各熱発電モジュールが含む熱利用発電素子の数は２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、熱発電モジュールの数も３つに限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、複数の熱発電モジュールの電気的な接続は、並列に限定されず、直列であってもよいし（図２参照）、並列と直列とを組み合わせてもよい。また、熱発電装置５０は、筐体９が収容されるケースを備えてもよい。
＜第二実施形態＞
　図３は本実施形態に熱発電装置を模式的に示す断面図である。この図に示される熱発電装置６０は、３つの熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備え、これらが外部集電体１２によって電気的に並列に接続されている。熱発電モジュール２０Ａは、２つの熱発電モジュール２０Ｂ，２０Ｃの間に配置されており、熱発電モジュール２０Ｂ，２０Ｃから離隔している。以下、熱発電モジュール２０Ａの構成について説明する。なお、本実施形態において、熱発電モジュール２０Ｂ，２０Ｃの構成は熱発電モジュール２０Ａと同じであるから、これらの説明は省略する。また、熱発電装置６０における熱発電装置５０との相違点について主に説明する。
　図４は、熱発電モジュール２０Ａの構成を模式的に示す断面図である。図４に示されるように、熱発電モジュール２０Ａは、３つの熱利用発電素子１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、２つの絶縁層１６ａ，１６ｂと、三対の集電極１７ａ，１７ｂと、一対の外電極１８ａ，１８ｂと、これらを収容する筐体１９とを有する。３つの熱利用発電素子１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、電気的に並列の状態となるように積層されている。
　熱利用発電素子１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、上述の熱利用発電素子５ａと同様、電解質層１と、電子熱励起層２ａと、電子輸送層２ｂとをこの順序で備える積層構造を有する。熱利用発電素子１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、積層方向において一対の集電極１７ａ，１７ｂによってそれぞれ挟まれている。三つの集電極１７ａは外電極１８ａと電気的に接続されており、三つの集電極１７ｂは外電極１８ｂと電気的に接続されている。
　絶縁層１６ａは、熱利用発電素子１５ａ，１５ｂの短絡を防止するものである。絶縁層１６ｂは、熱利用発電素子１５ｂ，１５ｃの短絡を防止するものである。絶縁層１６ａは、例えば耐熱性を示す有機絶縁物もしくは無機絶縁物を含む。有機絶縁物は、例えば耐熱性プラスチックである。無機絶縁物は、例えばアルミナ等のセラミックスである。熱発電モジュール２０Ａの性能を良好に発揮する観点から、絶縁層１６ａ，１６ｂは、高熱伝導性を示してもよい。例えば、絶縁層１６ａ，１６ｂの熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。もしくは、絶縁層１６ａ，１６ｂは、優れた伝熱性を示す部材又は粒子を含んでもよい。この部材又は粒子が絶縁材料に埋め込まれている限り、部材又は粒子は導電性を有するものであってもよい。
　上述のとおり、熱発電モジュール２０Ａは、２つの熱発電モジュール２０Ｂ，２０Ｃの間に配置されており、熱発電モジュール２０Ｂ，２０Ｃから離隔している。熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが互い離隔して配置されていることで、隣接する熱発電モジュールの間に流路Ｐ１１，Ｐ１２を形成することができる。流路Ｐ１１は、熱発電モジュール２０Ａの筐体１９の外面１９ａと熱発電モジュール２０Ｂの筐体１９の外面１９ｂとによって画成されている。流路Ｐ１２は、熱発電モジュール２０Ａの筐体１９の外面１９ａと熱発電モジュール２０Ｃの筐体１９の外面１９ｃとによって画成されている。流路Ｐ１１，Ｐ１２は、熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの側面Ｆ２に沿う方向に延在している。
　流路Ｐ１１，Ｐ１２に熱流体（例えば、高温のガス又は液体）を流すことで、熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対して効率的に熱を供給することができる。熱発電装置６０は、熱流体が流れるシステム（例えば、熱交換器、ピートポンプ又は冷却パイプ）に適用することで、高電圧及び／又は大電流の電気を効率的に発電できる。本実施形態に係る熱発電モジュール２０Ａは、熱供給が律速となりにくいため、比較的規模が大きいものであってもよい。熱発電モジュール２０Ａの発電出力は、例えば、１０００ｋＷｈ以上であってもよく、１０～１０００ｋＷｈ又は０．１～１０ｋＷｈであってもよい。
　以上、第二実施形態の熱発電装置６０について詳細に説明したが、熱発電装置６０の構成を以下のように変更してもよい。例えば、各熱発電モジュールが含む熱利用発電素子の数は３つに限定されず、１つ又は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、熱発電モジュールの数も３つに限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。複数の熱発電モジュールの電気的な接続は、並列に限定されず、直列であってもよいし（図５参照）、並列と直列とを組み合わせてもよい。例えば、熱源に温度むらがある場合であっても各熱発電モジュールの性能を十分に発揮させるためには、図５に示すように、熱発電モジュール２０Ａと同様の構成（複数の熱利用発電素子が並列接続された構成）を有する複数の熱発電モジュールを直列に接続すればよい。また、熱発電装置６０は、筐体１９が収容されるケースを備えてもよい。
　上記実施形態においては、流路Ｐ１１，Ｐ１２が熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの側面Ｆ２に沿う方向に延在している態様を例示したが、流路Ｐ１１，Ｐ１２が熱発電モジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの主面Ｆ１に沿う方向に延在している態様としてもよい。
　本開示の一側面によれば、熱供給が律速になることを十分に防止でき、高出力化を実現するのに有用な熱発電装置が提供される。
１…電解質層、２…熱電変換層、２ａ…電子熱励起層、２ｂ…電子輸送層、５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…熱利用発電素子、６…電子伝導層、８ａ，８ｂ，１７ａ，１７ｂ…集電極、１８ａ，１８ｂ…外電極、９，１９…筐体、９ａ，９ｂ，９ｃ…外面、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…熱発電モジュール、１２…外部集電体（導電部材）、１６ａ，１６ｂ…絶縁層、５０，６０…熱発電装置、Ｆ１…主面、Ｆ２…側面、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ１１，Ｐ１２…流路

Claims (11)

  1. 　電解質層及び熱電変換層の積層体を含む少なくとも１つの熱利用発電素子と、当該熱利用発電素子を収容する第１の筐体とを有する第１の熱発電モジュールと、
    　電解質層及び熱電変換層の積層体を含む少なくとも１つの熱利用発電素子と、当該熱利用発電素子を収容する第２の筐体とを有する第２の熱発電モジュールと、
    　前記第１及び第２の熱発電モジュールを電気的に接続する導電部材と、
    を備え、
    　前記第１の熱発電モジュールが前記第２の熱発電モジュールから離隔している、熱発電装置。
  2. 　前記第１の筐体の外面と前記第２の筐体の外面とによって画成される流路を備え、
    　前記流路を熱流体が流れる、請求項１に記載の熱発電装置。
  3. 　前記流路は、前記熱発電モジュールの主面に沿う方向に延在している、請求項２に記載の熱発電装置。
  4. 　前記流路は、前記熱発電モジュールの側面に沿う方向に延在している、請求項２に記載の熱発電装置。
  5. 　前記第１及び第２の熱発電モジュールが電気的に直列に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱発電装置。
  6. 　前記第１及び第２の熱発電モジュールが電気的に並列に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱発電装置。
  7. 　前記第１及び第２の熱発電モジュールが複数の前記熱利用発電素子をそれぞれ有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱発電装置。
  8. 　複数の前記熱利用発電素子が電気的に直列の状態となるように積層されている、請求項７に記載の熱発電装置。
  9. 　隣接する前記熱利用発電素子の間に、電子伝導層を含む、請求項８に記載の熱発電装置。
  10. 　複数の前記熱利用発電素子が電気的に並列の状態となるように積層されている、請求項７に記載の熱発電装置。
  11. 　隣接する前記熱利用発電素子の間に、前記導電部材と電気的に接続されている集電極と、絶縁層とを含む、請求項１０に記載の熱発電装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762542C1 (ru) * 2021-04-05 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина" Термоэлектрическая батарея
EP4398699A4 (en) * 2021-09-03 2025-09-24 Sanoh Ind Co Ltd POWER GENERATION MODULE USING HEAT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023100560A (ja) * 2022-01-06 2023-07-19 株式会社Ｇｃｅインスティチュート 発電機能付二次電池
WO2023038109A1 (ja) * 2021-09-10 2023-03-16 株式会社Ｇｃｅインスティチュート 発電機能付二次電池
CN117128660A (zh) * 2023-10-12 2023-11-28 铋盛半导体(深圳)有限公司 半导体制冷组件、制作方法及制冷装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006039024A1 (de) * 2006-08-19 2008-02-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Thermogenerator
WO2017038988A1 (ja) 2015-09-04 2017-03-09 国立大学法人東京工業大学 熱電発電素子及びそれを含む熱電発電モジュール、並びにそれを用いた熱電発電方法
JP2017135157A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 トヨタ自動車株式会社 車両の発電装置
JP2017152694A (ja) * 2016-02-24 2017-08-31 三菱マテリアル株式会社 熱電変換セル及び熱電変換モジュール

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5638329B2 (ja) * 2010-09-27 2014-12-10 京セラ株式会社 熱電素子及びこれを備えた熱電モジュール
JP5988172B2 (ja) * 2011-04-12 2016-09-07 国立大学法人 筑波大学 酸化還元反応を利用した熱電変換方法および熱電変換素子
AT512315B1 (de) * 2011-12-19 2014-05-15 Eduard Dipl Ing Buzetzki Thermo-elektrisches-element
JPWO2017022663A1 (ja) * 2015-08-06 2018-06-21 三桜工業株式会社 多重巻管、多重巻管の製造方法及び多重巻管の製造装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006039024A1 (de) * 2006-08-19 2008-02-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Thermogenerator
WO2017038988A1 (ja) 2015-09-04 2017-03-09 国立大学法人東京工業大学 熱電発電素子及びそれを含む熱電発電モジュール、並びにそれを用いた熱電発電方法
JP2017135157A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 トヨタ自動車株式会社 車両の発電装置
JP2017152694A (ja) * 2016-02-24 2017-08-31 三菱マテリアル株式会社 熱電変換セル及び熱電変換モジュール

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3993255A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762542C1 (ru) * 2021-04-05 2021-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина" Термоэлектрическая батарея
EP4398699A4 (en) * 2021-09-03 2025-09-24 Sanoh Ind Co Ltd POWER GENERATION MODULE USING HEAT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

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