JP2005143286A - 多孔性半導体材料マトリクス状燃焼器を含む発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼で発生したエネルギーが、安定な電子−正孔対を生成し、電位差を電極間に発生する、燃焼器と、第１および第２電極とを備える発電装置を提供する。
【解決手段】 高い圧力の燃料５および燃焼支援材６を受ける入口空間４と、より低い圧力の燃焼生成物の排気用の出口空間７と、ナノまたはマイクロ多孔性の半導体材料からなり、入口空間４を出口空間７から分離する分離素子９とを備える燃焼器２を含む。分離素子９は、入口空間４と出口空間７との間を規定する複数のナノまたはマイクロ細孔１０を有する。表面は、分離素子９の半導体材料に関して、ｐｎ接合、ショットキー接合またはヘテロ接合を形成する導電性または半導電性の材料からなる層１１で少なくとも部分被覆。第１、第２電極１３，１４は、細孔１０の被覆１１と、分離素子９の半導体材料に接続。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多孔性半導体材料からなるマトリクス形状の燃焼器を含む発電装置に関する。

国際公開ＷＯ２００４／０８６５１７号 特開２００１−２１０８７９号公報 米国特許公開２００３／１６２１４１号

本発明に係る装置は、燃焼器と、第１および第２電極とを備える発電装置であって、
燃焼器は、高い圧力の燃料および燃焼支援材(supporting)または燃焼補助材(comburent)の流れを受け入れるようにした入口領域または入口空間と、
相対的により低い圧力の燃焼生成物のための出口領域、出口空間または排気口と、
ナノ多孔性またはマイクロ多孔性の半導体材料からなり、入口領域または入口空間を出口領域または出口空間から分離する、少なくとも１つの分離素子とを含み、この分離素子は、入口領域または入口空間と出口領域または出口空間との間を連通路を規定する、複数の貫通するナノ細孔またはマイクロ細孔を有しており、ナノ細孔またはマイクロ細孔の表面は、前記分離素子の材料に関して実質的に広範な(extensive)ｐｎ接合を形成する導電性または半導電性の材料からなる層で少なくとも部分的に被覆されているものであり、
第１および第２電極は、前記ナノ多孔性またはマイクロ多孔性の被覆(cladding)と分離素子の半導体材料にそれぞれ接続されており、
動作時に、分離素子を貫通する前記ナノ細孔またはマイクロ細孔は、閉じ込め燃焼マイクロ空間として機能し、燃焼によって発生したエネルギーは、前記ｐｎ接合に安定した電子−正孔対を生成し、相応の電位差を前記電極間に発生することを特徴とする。

本発明の更なる特徴および利点は、添付図面を参照しつつ、単に非限定的な例である下記詳細な説明から明らかとなろう。

図１において、本発明に係る発電装置が概略的に符号１で示されている。この発電装置１は、概略的に符号２で示す燃焼器を含む。例示した実施形態において、この燃焼器は、第１端部が、動作時に、高い圧力の燃料５の流れおよび燃焼支援材６の流れを受け入れるようした入口領域または入口空間４として規定されるケーシング３を備える。

ケーシング３の反対側端部は、燃焼生成物の排気のための出口領域または出口空間７が規定されている。排気ガスや燃焼生成物は、矢印８で表現している。

入口領域または入口空間４と出口領域または出口空間７との間には、ナノ多孔性またはマイクロ多孔性の半導体材料からなり、実質的にシート形状または円板形状の分離素子９が介在している。

分離素子９は、好ましくはシリコンで形成され、これを貫通する複数のナノ細孔またはマイクロ細孔１０を有し、入口領域または入口空間４と出口領域または出口空間７との間を連通路を規定している。

分離素子９を貫通する細孔１０の表面は、導電性または半導電性の材料１１からなる層によって形成された被覆が少なくとも部分的に設けられている。前記被覆材料は、分離素子９の半導体材料に関して実質的に広範なｐｎ接合を形成している。

ナノ細孔またはマイクロ細孔１０の被覆１１の材料は、例えば、貴金属、好ましくは、パラジウムや金、あるいは所定の型または符号の導電性を示すようにしたドープされた半導体材料で構成される。

さらに、スルー細孔１０の形成は、フッ化水素酸(hydrofluoric acid)の浴槽で陽極酸化処理によって実現可能である。ナノ多孔性のシリコンを得るための典型的な電流は、１０ｍＡ／ｃｍ^２のオーダーである。この処理時間は、分離素子９を貫通する細孔を実現するのに充分なものでなければならない。

ナノ細孔またはマイクロ細孔１０の壁の被覆は、ゾル・ゲル(sol gel)堆積技術、より一般にはＣＳＤ（化学溶液堆積）技術やスパッタ法あるいは、より一般にはＣＶＤ（化学気相堆積）技術を用いて形成できる。

金属で被覆された貫通細孔を有する多孔性のシリコン素子の製造装置は、同一出願人による先の国際特許出願（ＷＯ２００４／０８６５１７）に記述されている。

好ましくは、個々の貫通細孔１０の被覆１１は、分離素子９の主表面または主面に延びる被覆１２によって相互接続されている。図示した実施形態において、この主表面または主面は、燃焼器の入口領域または入口空間４に面した上側面である。

２つの電極は、符号１３，１４で示され、被覆１２とシート形状または円板形状の分離素子９を構成する半導体材料にそれぞれ接続されている。

この配置は、動作時に、分離素子９の細孔１０が、燃焼支援材６とともに燃料５の高速な閉じ込め燃焼が生ずる反応マイクロ空間として機能するものである。各貫通細孔１０での燃焼によって発生したエネルギーの一部は、電子−正孔対に直接に変換される。実際には、燃焼の反応エンタルピー(enthalpy)は、１０ｅＶ／分子のオーダーであり、一方、励起（電子−正孔対）の形成に必要なエネルギーは、典型的には１ｅＶである。

燃焼プロセスによって発生したエネルギーは、それ自体、反応生成物の分子の運動エネルギーの形態で現れる（この一部は可視または赤外のフォトン、例えば炎として発生する）。燃焼が数十ナノメータ以下の寸法の閉じ込め空間で生ずる場合、ガス分子の運動モードは強く抑制される。それでもなお、これらのモードに関連するエネルギーは、何らかの方法で消失されなければならず、この一部はフォノンの形態で生じ（反応を受け入れる細孔１０の表面上で）、一部は、前記細孔の壁の原子の電子的励起の形態で生ずる（ガスの運動エネルギーによって電子の励起となる）。フォノンは、空洞壁の温度上昇を生じさせる。電荷は、貫通細孔１０の壁に形成された半導体−半導体またはショットキー(Schottky)接合において、それ自体の接合エネルギー構成により現れて、励起されると、電子−正孔対（エキシトン(exciton)）を形成する。内部電界のため、電子および正孔は、空間的に分離して、対向電極に向かって移動するようになり、電極１３，１４の間に電位差を発生し、利用装置に印加されると、電流が流れるようになる。

当然ながら、上述のような別々の発電装置は、それ自体知られている相互接続モードで一緒に接続可能であり、より高い電圧及び／又はより大きなあるいはより小さな電流の電位差を利用することができる。

添付した図面の図２において、本発明に係る装置の変形実施形態を概略的に示している。この図において、既述した構成部品と同一または本質的に等価である部品および素子は、前に用いたものと同じ参照符号が付与されている。

図２による装置において、半導体材料からなる分離素子９は、実質的に管状の形状を有し、内側表面と外側表面の間にほぼ放射状に延びる前記ナノ細孔またはマイクロ細孔１０を有する。図示した実施形態において、燃焼支援材６は、管状の分離素子９の内側領域に対応しており、一方、燃焼生成物８の排気のための出口領域または出口空間７は、分離素子９を取り囲んでいる。

図２による実施形態において、貫通細孔１０の表面もまた、分離素子９を構成する半導体材料とともに、広範なｐｎ接合を形成可能な導電性または半導電性の被覆材料からなる層が設けられる。

分離素子９の細孔１０の被覆は、例えば、分離素子９の外側に延びる被覆１２によって相互接続される。

図２による装置の動作モードは、図１に示した装置について上述したものと同様である。

当然ながら、本発明の原理は、本発明と実施形態と構成の詳細に存在し、添付の請求項で規定された本発明の範囲を逸脱することなく、単に非限定的な例で説明し図示したものに関して広く変化させることができる。

本発明に係る装置の第１実施形態の軸方向断面図での概略図である。 本発明に係る装置の第２実施形態の部分破断斜視図での概略図である。

符号の説明

１ 発電装置
２ 燃焼器
３ ケーシング
４ 入口領域または入口空間
５ 燃料
６ 燃焼支援材
７ 出口領域または出口空間
８ 燃焼生成物
９ 分離素子
１０ ナノ細孔またはマイクロ細孔
１１，１２ 被覆
１３，１４ 電極

Claims (5)

1. 燃焼器（２）と、第１および第２電極（１３，１４）とを含む発電装置（１）であって、
   燃焼器（２）は、高い圧力の燃料（５）および燃焼支援材（６）の流れを受け入れるようにした入口領域または入口空間（４）と、
   相対的に低い圧力の燃焼生成物の排気のための出口領域または出口空間（７）と、
   ナノ多孔性またはマイクロ多孔性の半導体材料からなり、入口領域または入口空間（４）を出口領域または出口空間（７）から分離する少なくとも１つの分離素子（９）とを備え、分離素子（９）は、入口領域または入口空間（４）と出口領域または出口空間（７）との間を連通路を規定する、複数の貫通するナノ細孔またはマイクロ細孔（１０）を有しており、貫通する前記細孔（１０）の表面は、前記分離素子（９）の半導体材料に関して広範な接合、特に、ｐｎ接合、ショットキー接合またはヘテロ接合を実質的に形成する導電性または半導電性の材料からなる層（１１）で少なくとも部分的に被覆されているものであり、
   第１および第２電極（１３，１４）は、貫通する前記細孔（１０）の被覆（１１）と、分離素子（９）の半導体材料にそれぞれ接続されており、
   動作時に、貫通する前記細孔（１０）は、閉じ込め燃焼マイクロ空間として機能し、燃焼によって発生したエネルギーは、前記接合において安定した電子−正孔対を生成し、相応の電位差（Ｖ）を前記電極（１３，１４）間に発生するようにした発電装置。
2. 分離素子（９）の半導体材料はシリコンであり、貫通する細孔（１０）の被覆（１１）は、触媒材料または貴金属、特に、パラジウムや金、プラチナ、あるいは所定の型または符号の導電性を持つドープされた半導体材料で形成されている請求項１記載の発電装置。
3. 分離素子（９）は、シート形状または円板形状に形成されている請求項１または２記載の発電装置。
4. 分離素子（９）は、実質的に管状であり、貫通する前記細孔（１０，１１）は、内側表面と外側表面の間に延びている請求項１または２記載の発電装置。
5. 分離素子（９）を貫通する細孔（１０）の被覆（１１）は、入口領域または入口空間（４）または出口領域または出口空間（７）に面した、分離素子（９）の主表面または主面に延びる被覆（１２）によって相互接続されている請求項１〜４のいずれかに記載の発電装置。
   
   

Images