JP2014158337A - Alkali metal thermoelectric converter - Google Patents
Alkali metal thermoelectric converter Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014158337A JP2014158337A JP2013027132A JP2013027132A JP2014158337A JP 2014158337 A JP2014158337 A JP 2014158337A JP 2013027132 A JP2013027132 A JP 2013027132A JP 2013027132 A JP2013027132 A JP 2013027132A JP 2014158337 A JP2014158337 A JP 2014158337A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- alkali metal
- solid electrolyte
- cathode
- thermoelectric converter
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アルカリ金属熱電気変換器に関する。 The present invention relates to an alkali metal thermoelectric converter.
熱電気変換器として、ナトリウム(Na)等のアルカリ金属のイオン伝導性を有するβアルミナ固体電解質部材を用いたアルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)が知られている(例えば、特許文献1)。 As a thermoelectric converter, an alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) using a β alumina solid electrolyte member having ion conductivity of alkali metal such as sodium (Na) is known (for example, Patent Document 1).
アルカリ金属熱電気変換器は、高温流体に曝される受熱部と低温流体に曝される放熱部とを有する真空の密閉容器を有し、当該密閉容器内に前記受熱部と前記放熱部とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定され、前記循環路の前記受熱部に対応する部分である高温部において当該循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器内にβアルミナ固体電解質(BASE)である固体電解質が配置され、前記高温部上流側には陰極部材が配置され、前記高温部下流側には陽極部材が配置されている。 The alkali metal thermoelectric converter has a vacuum sealed container having a heat receiving part exposed to a high temperature fluid and a heat radiating part exposed to the low temperature fluid, and the heat receiving part and the heat radiating part are disposed in the sealed container. An alkali metal circulation path is defined so as to pass through, and in the high temperature part which is a part corresponding to the heat receiving part of the circulation path, the circulation path is divided into an upstream high temperature part upstream and a downstream high temperature part downstream. A solid electrolyte, which is β-alumina solid electrolyte (BASE), is disposed in the sealed container so as to divide, a cathode member is disposed upstream of the high temperature portion, and an anode member is disposed downstream of the high temperature portion. .
アルカリ金属熱電気変換器の動作原理は、アルカリ金属が陰極部材側、すなわち高温部上流側でイオンと電子とに分離し、イオンのみが固体電解質中を移動し、電子は陰極部材に接続されている外部負荷を通過して陽極部材へ向かう。固体電解質を通過したイオンは固体電解質の高温部下流側において陽極部材上の電子と再結合して元のアルカリ金属になる。高温部下流側のアルカリ金属は、低温部において凝縮した後、毛細管力を利用したウィックポンプや電磁ポンプによって固体電解質の高温部上流側に連続的に輸送され、循環されている。 The operating principle of the alkali metal thermoelectric converter is that the alkali metal is separated into ions and electrons on the cathode member side, that is, on the upstream side of the high temperature part, only ions move through the solid electrolyte, and the electrons are connected to the cathode member. Passes through the external load and heads toward the anode member. Ions that have passed through the solid electrolyte recombine with electrons on the anode member on the downstream side of the high temperature portion of the solid electrolyte to become the original alkali metal. The alkali metal on the downstream side of the high temperature part is condensed in the low temperature part, and then continuously transported and circulated to the upstream side of the high temperature part of the solid electrolyte by a wick pump or an electromagnetic pump using capillary force.
アルカリ金属熱電気変換器の発電効率は、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量に大きく依存する。そのため、固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させることによって、固体電解質とアルカリ金属との接触面積が増大し、アノード側面においては固体電解質内に進入するアルカリ金属イオンの量が増大し、カソード側面においては固体電解質外に離脱するアルカリ金属イオンの量が増大することが期待される。固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させるために、固体電解質を円筒状に形成し、筒部を波形に湾曲させ、カソード側面及びアノード側面に凹凸を設けたものがある(例えば、特許文献2参照)。 The power generation efficiency of the alkali metal thermoelectric converter greatly depends on the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte. Therefore, by increasing the surface area of the cathode side surface and the anode side surface of the solid electrolyte, the contact area between the solid electrolyte and the alkali metal increases, and the amount of alkali metal ions entering the solid electrolyte increases on the anode side surface. On the cathode side, it is expected that the amount of alkali metal ions released from the solid electrolyte will increase. In order to increase the surface area of the cathode side surface and anode side surface of the solid electrolyte, the solid electrolyte is formed in a cylindrical shape, the cylindrical portion is curved into a corrugated shape, and irregularities are provided on the cathode side surface and the anode side surface (for example, patents). Reference 2).
アルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質のカソード側面上にカソードが形成されることがある。カソードは、気体のナトリウムが通過できるように、多孔質の薄膜として形成されることが多い。そのため、BASEのカソード側面に凹凸が形成されるとカソードをカソード側面上に均一に形成することが困難になり、カソードの断線やカソードとカソード側面との接触不良等が生じる虞がある。また、固体電解質のアノード側面及びカソード側面の両面に凹凸が形成されると、固体電解質を成形する際に成形型の分離(抜き出し)が困難になる場合があり、成形を含む製造が困難になる。 In an alkali metal thermoelectric converter, the cathode may be formed on the cathode side surface of the solid electrolyte. The cathode is often formed as a porous thin film so that gaseous sodium can pass through. Therefore, if unevenness is formed on the side surface of the cathode of the BASE, it becomes difficult to form the cathode uniformly on the side surface of the cathode, and there is a possibility that disconnection of the cathode or poor contact between the cathode and the side surface of the cathode may occur. In addition, when irregularities are formed on both the anode side surface and the cathode side surface of the solid electrolyte, it may be difficult to separate (extract) the molding die when molding the solid electrolyte, which makes it difficult to manufacture including molding. .
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることを課題とする。 This invention is made | formed in view of the above background, Comprising: It makes it a subject to increase the passage amount with respect to the solid electrolyte of an alkali metal ion, without making manufacture difficult in an alkali metal thermoelectric converter. .
上記課題を解決するために、本発明は、アルカリ金属熱電気変換器(1)であって、受熱部(51)、放熱部(52)、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路(28)を有する密閉容器(2)と、アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面(38)及びカソード側面(37)を有する固体電解質(33)と、前記アノード側面側に設けられたアノード(7)と、前記カソード側面側に設けられたカソード(36)と、前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段(46)とを有し、前記アノード側面は、複数の凸部(35)を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is an alkali metal thermoelectric converter (1), which passes through a heat receiving part (51), a heat radiating part (52), and the heat receiving part and the heat radiating part. A sealed container (2) having a formed alkali metal circulation path (28); and an anode side face (38) and a cathode provided to permit passage of alkali metal ions and to divide the circulation path in the heat receiving section. A solid electrolyte (33) having a side surface (37), an anode (7) provided on the anode side surface side, a cathode (36) provided on the cathode side surface side, and an alkali metal in the circulation path; Transport means (46) for transporting the solid electrolyte to the anode side surface side, the anode side surface has a plurality of convex portions (35), and the cathode side surface is formed more smoothly than the anode side surface. Characterized in that it is.
この構成によれば、凸部の存在により、固体電解質のアノード側面の表面積が増大し、アノード側面とアルカリ金属との接触面積が増大する。これにより、イオン化してアノード側面から固体電解質内に移動するアルカリ金属の量が増大する。一方、カソード側面は、平滑に形成されているため、カソード側面上へのカソードの形成が容易になる。また、カソード側面が平滑に形成されることによって、固体電解質の成形が容易になる。本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。すなわち、固体電解質内にイオンの通路が余剰に存在する可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面を平滑にし、アノード側面に凸部を設けることによって、カソードのカソード側面への形成を容易にすると共に、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させることができる。 According to this configuration, the surface area of the anode side surface of the solid electrolyte increases due to the presence of the convex portion, and the contact area between the anode side surface and the alkali metal increases. This increases the amount of alkali metal that ionizes and migrates from the anode side into the solid electrolyte. On the other hand, since the cathode side surface is formed smoothly, it is easy to form the cathode on the cathode side surface. Further, since the cathode side surface is formed smoothly, the solid electrolyte can be easily formed. According to the applicant's research, in a conventional alkali metal thermoelectric converter, the amount of ions passing through the solid electrolyte may be significantly less than the amount of ion vacancies in the solid electrolyte. That is, there may be an excess of ion paths in the solid electrolyte. Therefore, it is considered that the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte has a larger influence on the process in which alkali metal emits electrons and enters the anode side surface than the process in which alkali metal ions receive electrons and exit from the cathode side surface. Therefore, by smoothing the cathode side surface and providing a convex portion on the anode side surface, the cathode can be easily formed on the cathode side surface, and the amount of alkali metal ions passing through the fixed electrolyte can be increased.
上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の本体部から外方へと突出した板片状をなすようにしてもよい。 In the above invention, the convex portion may have a plate-like shape projecting outward from the main body portion of the solid electrolyte.
この構成によれば、凸部を板片状(フィン状)として表面積を効率よく拡張することができる。 According to this configuration, the surface area can be efficiently expanded by making the convex portion into a plate shape (fin shape).
上記の発明において、前記循環路は、前記受熱部において入口通路(17)及び出口通路(18)を備えたチャンバ(27)を有し、前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となるようにするとよい。 In the above invention, the circulation path has a chamber (27) having an inlet passage (17) and an outlet passage (18) in the heat receiving portion, and the solid electrolyte has an opening at one end and the other end. Is formed in a closed cylindrical shape, the opening is disposed in the chamber so as to communicate with the outlet passage, the chamber is divided into the inlet passage side and the outlet passage side, and an outer surface is the inlet passage. It is preferable that the anode side surface is directed to the side, and the inner surface is the cathode side surface.
この構成によれば、成形が比較的容易な筒形の固体電解質を使用して循環路を区切ることができる。また、固体電解質は、筒形の内側を平滑なカソード側面、外側を凸部が設けられたアノード側面とすることによって、成形が容易になる。 According to this configuration, the circulation path can be partitioned using a cylindrical solid electrolyte that is relatively easy to mold. In addition, the solid electrolyte can be easily formed by providing a cylindrical cathode side surface on the inner side of the cylindrical shape and an anode side surface provided with projections on the outer side.
上記の発明において、前記固体電解質は円筒形に形成され、前記カソード側面をなす内面が円筒面に形成されているようにしてもよい。 In the above invention, the solid electrolyte may be formed in a cylindrical shape, and an inner surface forming the cathode side surface may be formed in a cylindrical surface.
この構成によれば、カソード側面を平滑に形成することできる。 According to this configuration, the cathode side surface can be formed smoothly.
上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の外周面に沿って周方向に延在し、環状の板片状をなすようにしてもよい。 In the above invention, the convex portion may extend in the circumferential direction along the outer peripheral surface of the solid electrolyte to form an annular plate piece.
この構成によれば、固体電解質の外周面に比較的多くの凸部を配置することができる。 According to this structure, a comparatively many convex part can be arrange | positioned on the outer peripheral surface of a solid electrolyte.
上記の発明において、前記チャンバの前記入口通路側を画成する部分は、導電性材料を含み、前記アノードを構成するようにしてもよい。 In the above invention, a portion defining the inlet passage side of the chamber may include a conductive material to constitute the anode.
この構成によれば、チャンバの入口通路側を画成する部分がアノードを兼ねるため、別途アノードを設ける必要がなく、部品点数を省略することができる。 According to this configuration, since the portion defining the inlet passage side of the chamber also serves as the anode, it is not necessary to separately provide an anode, and the number of parts can be omitted.
上記の発明において、前記カソードは、前記カソード側面上に設けられた多孔質体であってもよい。 In the above invention, the cathode may be a porous body provided on a side surface of the cathode.
この構成によれば、気体のアルカリ金属の流れを阻害することなく、カソードと固体電解質、気相の三相界面を広くすることできる。 According to this configuration, the three-phase interface between the cathode, the solid electrolyte, and the gas phase can be widened without hindering the flow of gaseous alkali metal.
上記の発明において、前記輸送手段は、前記循環路内に設けられたウィック(46)であってよい。また、前記輸送手段は、前記密閉容器を回転させることにより、遠心力によって前記アルカリ金属を輸送してもよい。また、前記輸送手段は、電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプであってもよい。 In the above invention, the transportation means may be a wick (46) provided in the circulation path. The transport means may transport the alkali metal by centrifugal force by rotating the closed container. The transporting means may be an electromagnetic pump that transports the alkali metal by electromagnetic induction.
これらの構成によれば、各種輸送手段を用いて、アルカリ金属を輸送することができる。 According to these configurations, the alkali metal can be transported using various transportation means.
以上の構成によれば、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることができる。 According to the above configuration, in the alkali metal thermoelectric converter, the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte can be increased without making the production difficult.
以下、図面を参照して、本発明に係るアルカリ金属熱電気変換器の実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of an alkali metal thermoelectric converter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図であり、図2は第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の平面図であって、1つのセルを破断して示す図である。図1及び図2に示すように、アルカリ金属熱電気変換器(AMTEC)1は、外殻をなす密閉容器2を有する。密閉容器2は、軸線Aが上下に延びる円盤状の第1ケーシング5と、第1ケーシング5の下面中央部に設けられた円筒状の第2ケーシング6と、第1ケーシング5の上面外周部に設けられた複数(本実施形態では8個)の円筒状の第3ケーシング7とを有する。第1ケーシング5は、耐熱性及び絶縁性を有する材料から形成されている。第2ケーシング6は、熱伝導性及び耐熱性を有する材料から形成されている。複数の第3ケーシング7は、熱伝導性、耐熱性、及び電気伝導性を有する材料から形成されている。第1ケーシング5は高分子材料から形成され、第2ケーシング6及び複数の第3ケーシング7は、ステンレス鋼やアルミ合金等の金属材料から形成されてよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an alkali metal thermoelectric converter according to the first embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the alkali metal thermoelectric converter according to the first embodiment. FIG. As shown in FIG.1 and FIG.2, the alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) 1 has the
第1ケーシング5の下面中央部には第1孔11が凹設されている。第1孔11は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと同軸に配置されている。第1ケーシング5の下面中央部の第1孔11の周囲には、第3ケーシング7の数に対応した数(本実施形態では8個)の第2孔12が凹設されている。各第2孔12は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと平行に配置されている。各第2孔12は、第1孔11よりも軸線A方向に長く、すなわち深さが深く形成されている。各第2孔12は、軸線Aを中心とした周方向に、互いに45°の間隔をおいて配置されている。
A
第1ケーシング5の上面の外周部には、第3ケーシング7の数に対応した数(本実施形態では8個)の第3孔13が凹設されている。各第3孔13は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Aと平行に配置されている。各第3孔13は、軸線Aを中心とした周方向に、互いに45°の間隔をおいて配置されている。各第2孔12の中心と各第3孔13の中心は、軸線Aを中心とした周方向において互いに偏倚している。
The number of
第1ケーシング5の下面には、複数の第2孔12の内側において第1孔11を囲むように、円筒形状の隔壁14が下方へと突設されている。すなわち、隔壁14は第1孔11と各第2孔12との間を区画するように配置されている。隔壁14の下端は開口端となっている。隔壁14の内周面は、円筒面に形成されており、基端部(上端部)が他の部分に対して内径が小さく形成されている。すななち、隔壁14は、内部の上端部に内径が小さく設定された絞り部15を有する。
A
第1ケーシング5の内部には、第1ケーシング5の径方向に延び、隣接する第2孔12と第3孔13とを連通する入口通路17が複数形成されている。各入口通路17の端部は、第2孔12の側面と第3孔13の側面とに開口している。また、第1ケーシング5の内部には、第1孔11から第1ケーシング5の径方向に延びて各第3孔13に繋がる複数の出口通路18が形成されている。各出口通路18の端部は、第1孔11の側面と第3孔13の底面とに開口している。入口通路17は出口通路18及び第1孔11に連通しないように配置され、出口通路18は入口通路17及び第2孔12に連通しないように配置されている。
A plurality of
第2ケーシング6は、円筒部6Aと、円筒部6Aの一端を閉じる端壁6Bとを有し、円筒部6Aの他端は開口端となっている。第2ケーシング6は、開口端が上方を向き、内部に隔壁14を受容するように第1ケーシング5の下面に接合される。第2ケーシング6は円筒部6Aの軸線が軸線Aと同軸となるように配置される。第1ケーシング5と第2ケーシング6とが接合された状態において、円筒部6Aと隔壁14とは同心に配置され、隔壁14の突出端部(下端部)は第2ケーシング6の端壁6Bに対して空隙を介して対向する。これにより、第2ケーシング6内には、隔壁14の内周面によって画成された第1通路21と、第2ケーシング6の端壁6Bと端壁6B付近の円筒部6Aとによって画成された第2通路22と、隔壁14の外周面と第2ケーシング6の円筒部6Aの内周面とによって画成された第3通路23とが形成される。第3通路23は、第1通路21を囲むように、第1通路21の径方向外方に配置されている。第2通路22は、第1通路21と第3通路23との下端部同士を互いに連通している。
The
第2ケーシング6の円筒部6Aの外周面には、複数のフィン25が突設されている。フィン25は、第2ケーシング6の外面の面積を拡大し、第2ケーシング6と外部熱源(外部雰囲気)との熱交換を促進する効果を奏する。
A plurality of
第3ケーシング7は、円筒部7Aと、円筒部7Aの一端を閉じる端壁7Bとを有し、円筒部7Aの他端は開口端となっている。第3ケーシング7は、開口端が第3孔13と連通するように、第1ケーシング5の上面に接合される。すなわち、第3ケーシング7は、円筒部7Aの軸線が第3孔13の軸線と一致し、第3孔13を閉じるように配置される。これにより、第3ケーシング7及び第3孔13によってチャンバ27が画成される。
The
以上の構成により、第1〜第3ケーシング5〜7からなる密閉容器2の内部には、第1通路21、第2通路22、第3通路23、第2孔12、入口通路17、チャンバ27、出口通路18、第1孔11を順に通過して最初の第1通路21に到る循環路28が形成される。循環路28は、各第3ケーシング7に対応して複数に分岐し(本実施形態では8つ)、第1通路21、第2通路22、第3通路23、及び第1孔11が共通部分となる。
With the above configuration, the first passage 21, the
第3ケーシング7の円筒部7Aの外周面には、複数のフィン31が突設されている。フィン31は、第3ケーシング7の外面の面積を拡大し、第3ケーシング7と外部熱源(外部雰囲気)との熱交換を促進する効果を奏する。
A plurality of
チャンバ27には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質33が設けられている。本実施形態では、固体電解質33は高温下でナトリウムイオンの通過を許容するβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質である。固体電解質33は、βアルミナ又はβ''アルミナの焼結材によって構成されている。
The
固体電解質33は、円筒部33Aと、円筒部33Aの一端を閉じる端壁33Bとを有し、一端が開口した有底円筒形をなす。固体電解質33は、開口端が第3孔13の底部に開口した出口通路18と連通するように第1ケーシング5に接合される。すなわち、固体電解質33は、チャンバ27に開口した出口通路18を閉じるように第3孔13の底部に接合される。固体電解質33が第1ケーシング5に接合された状態において、固体電解質33の円筒部33Aは第3ケーシング7の円筒部7Aと同心に配置され、固体電解質33の端壁33Bは、第3ケーシング7の端壁7Bと空隙を介して対向するように配置される。これにより、チャンバ27は、固体電解質33の外面と第3ケーシング7及び第3孔13の内面とによって画成された外室27Aと、固体電解質33の内側に画成された内室27Bとに区画される。入口通路17は外室27Aに連通し、出口通路18は内室27Bに連通する。
The
固体電解質33は、円筒部33Aの外周面に複数の凸部35を有する。凸部35は、円筒部33Aの外周面の表面積を拡大する目的で形成されている。本実施形態では、凸部35は、円筒部33Aの外周面から外方へと突出した板片(フィン)であり、外周面の周方向に延在して環状となっている。複数の凸部35は、円筒部33Aの軸線方向において互いに空隙を介して配置されている。
The
固体電解質33の円筒部33Aの内周面は、滑らかな(平滑な)円筒面(円周面)に形成されている。すなわち、円筒部33Aの内周面は、外周面よりも滑らかに形成されている。ここでの、滑らかな面や平滑な面は、曲面を含む連続した面を意味し、稜や谷等の急峻な凹凸がない面をいう。本実施形態では、固体電解質33の円筒部33Aの内周面は、軸線方向における各部において内径が一定に形成されている。固体電解質33は、内周面の内径が一定であり、外周面に複数の凸部35を有するため、径方向における肉厚が軸線方向に進むにつれて変化する。
The inner peripheral surface of the
固体電解質33の円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面には、導電性及び通気性を有するカソード(陽極)36が設けられている。カソード36は、例えばモリブデン等の薄膜電極である。カソード36は、気体及び液体のアルカリ金属が通過できるように多孔質(三次元網目構造)に形成されている。カソード36は、例えばスパッタリング等の公知の積層手法によって形成される。これにより、固体電解質33の円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面はカソード側面37を構成する。カソード36は、円筒部33Aの内周面及び端壁33Bの内面(カソード側面37)の大部分、好ましくは全域を覆うように設けられている。これにより、カソード36によって電子が供給されるカソード側面37の面積がより広く形成される。固体電解質33の円筒部33Aの外周面、凸部35の外面、及び端壁33Bの外面はアノード側面38を構成する。アノード側面38の表面積は、カソード側面37の表面積の2倍以上であることが好ましい。
A cathode (anode) 36 having conductivity and air permeability is provided on the inner peripheral surface of the
カソード36には、導電性を有する接続部材(リード)41の一端が接続されている。接続部材41は、他端が出口通路18内へと延び、出口通路18から第1ケーシング5を貫通して外部に延びている。本実施形態では、接続部材41は、カソード36の表面に接続された第1接続部材41Aと、一端が第1接続部材41Aに接続される一方、他端が出口通路18内へと延び、出口通路18から第1ケーシング5を貫通して外部に延びた第2接続部材41Bとを有している。
One end of a conductive connection member (lead) 41 is connected to the
第1接続部材41Aは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過可能な多孔質(三次元網目構造)の金属(発泡金属体)から形成されている。第1接続部材41Aは、例えばモリブデン等の金属の多孔質材料であってよい。第1接続部材41Aは、円筒部33Aの内部(内室27B)の大部分を占めるように設けられていてもよい。
The first connecting
第2接続部材41Bは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成されたバルク(塊)の金属体である。第2接続部材41Bは、例えばモリブデンやニッケル等を含む金属の柱状体やワイヤーであってよい。第2接続部材41Bの一端は、第1接続部材41Aに挿入され、第1接続部材41Aと電気的に接続されている。第2接続部材41Bが第1ケーシング5を貫通する部分には、気体及び液体のアルカリ金属の漏出を防止するために、シール42が設けられている。第2接続部材41Bの外端には導電性を有する配線43が設けられている。これにより、カソード36、第1接続部材41A、第2接続部材41B、及び配線43は電気的に接続されている。なお、他の実施形態では、第2接続部材41Bが省略され、配線43が第1ケーシング5の内方へと挿入され、第1接続部材41Aに直接に接続されていてもよい。この場合には、配線43は気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成され、第1ケーシングとの隙間をシール42によってシールされる。また、第1接続部材41Aがカソード36を覆うように積層された薄膜として形成され、第2接続部材41B又は配線43が薄膜状の第1接続部材41Aに接続されるようにしてもよい。
The second connecting
第3ケーシング7は、アノードとして機能する。第3ケーシング7には、導電性を有する配線44が設けられている。1組の第3ケーシング7、固体電解質33、カソード36、及び配線43、44は1つのセル45を構成する。配線43、44は、他のセル45と直列や並列に接続され、外部負荷(不図示)に接続される。
The
第2ケーシング6の第3通路23内には、ウィックポンプ46が設けられている。ウィックポンプ46は、毛細管力によって液体を輸送する輸送手段である。ウィックポンプ46は、多孔材料である網ウィックや繊維状ウィック、焼結金属ウィックであってよい。ウィックポンプ46は、第3通路23内に加え、第2孔12内や、入口通路17内にも設けられてもよい。
A
循環路28内は、真空になっており、アルカリ金属が封入されている。本実施形態では、イオン化した際にβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質を通過可能なナトリウムがアルカリ金属として使用されている。
The inside of the
複数の第3ケーシング7は高温熱源に曝され、受熱部51として機能し、第2ケーシング6は低温熱源に曝され、放熱部52として機能する。循環路28は、受熱部51である第3ケーシング7と、放熱部52である第2ケーシング6とを通過するように配置されている。熱を受けることによって第3ケーシング7及びチャンバ27は高温になり、熱を放出することによって第2ケーシング6、第1通路21、第2通路22、第3通路23は第3ケーシング7及びチャンバ27より低温になる。稼動時には、第2ケーシング6、第1通路21、第2通路22、及び第3通路23の温度はアルカリ金属の融点より高く、沸点より低くなる。また、稼動時には、第3ケーシング7及びチャンバ27の温度はアルカリ金属の沸点以上になることが好ましい。
The plurality of
次に、以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器1の作用について説明する。アルカリ金属熱電気変換器1は、受熱部51において熱を受け、放熱部52をおいて熱を放出することによって、循環路28内のアルカリ金属は、第1通路21、第2通路22、第3通路23において主に液体として存在し、外室27Aにおいて液体と気体とが混在した状態として存在する。これにより、ウィックポンプ46の内室27B側においてはアルカリ金属が蒸発し、その結果ウィックポンプ46は毛細管力により液体のアルカリ金属を外室27A側へと輸送する。これにより、固体電解質33のアノード側面38にアルカリ金属が供給される。
Next, the operation of the alkali metal
液体及び気体のアルカリ金属は、アノード側面38において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質33内に進入する。アノード側面38において放出された電子は、液体のアルカリ金属及び第3ケーシング7を介して配線44へと流れる。
The liquid and gaseous alkali metals emit electrons at the
固体電解質33中のアルカリ金属イオンは、カソード側面37においてカソード36から電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。気体のアルカリ金属は、カソード36、内室27B、出口通路18、第1孔11を介して第1通路21に到り、温度が低下して液体になる。液体のアルカリ金属は、第2通路22を介して第3通路23に到り、ウィックポンプ46によって外室27A側へと輸送される。
The alkali metal ions in the
以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器1では、複数の凸部35によって固体電解質33のアノード側面38の表面積が増大されているため、アルカリ金属とアノード側面38との接触面積が増大する。アルカリ金属が電子を放出して固体電解質33内に進入する際のメカニズムは、アノード側面38近傍に存在するアルカリ金属のうち、一定以上の運動エネルギーを有するものが電子を放出して固体電解質33内に進入するものと考えられる。そのため、アルカリ金属とアノード側面38との接触面積を増大させるほど、高い運動エネルギーを有するアルカリ金属がアノード側面38に近傍に位置する確率が高くなるため、固体電解質33内へと進入するアルカリ金属イオンの数が増大する。これにより、アルカリ金属熱電気変換器1の出力が増加する。アルカリ金属熱電気変換器1の出力が増加すると、受熱部51の低温化やアルカリ金属熱電気変換器1の小型化が可能になる。
In the alkali metal
一方、カソード側面37は、アノード側面38よりも滑らかに形成されているため、カソード側面37上へのカソード36の形成が容易になり、カソード36の断線やカソード36とカソード側面37との接触不良等を防止することができる。また、固体電解質33の成形が容易になると共に、固体電解質33の成形型からの引き抜きが容易になる。
On the other hand, since the
本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面37よりもアノード側面38の表面積を増大させる方が固体電解質33中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いと考えられる。そのため、カソード側面37を平滑にし、アノード側面38に凸部35を設けることによって、カソードのカソード側面への形成の容易化と、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量(アノード側面38においてアルカリ金属から放出される電子の量)の増大化とを両立させることができる。カソード側面37よりもアノード側面38の表面積を増大させる方が固体電解質33中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いため、アノード側面38の表面積がカソード側面37の表面積より大きくなるほど好ましく、上記効果が顕著になる。少なくともアノード側面38の表面積は、カソード側面37の表面積の2倍以上であることが好ましい。
According to the applicant's research, in a conventional alkali metal thermoelectric converter, the amount of ions passing through the solid electrolyte may be significantly less than the amount of ion vacancies in the solid electrolyte. Therefore, it is considered that the amount of alkali metal ions passing through the solid electrolyte has a larger influence on the process in which alkali metal emits electrons and enters the anode side surface than the process in which alkali metal ions receive electrons and exit from the cathode side surface. Therefore, it is considered that increasing the surface area of the
凸部35は、板片状(フィン状)に形成されることによって、表面積を効率よく拡張することができる。
The
第1実施形態では、第1〜第3通路21〜23等に存在する液体のアルカリ金属を外室27Aに輸送するための輸送手段としてウィックポンプ46を使用したが、ウィックポンプ46に代えて電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプとしてもよい。電磁ポンプは、第2ケーシング6の円筒部6Aの外周面上に設けるとよい。
In the first embodiment, the
(第2実施形態)
第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60は、慣性力を利用してアルカリ金属を輸送する構成となっている。図3は、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図である。図3に示すように、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60は、第1実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器1と比較して、ウィックポンプ46が省略され、代わりに密閉容器2を回転させる機構が設けられている。アルカリ金属熱電気変換器60のうちで、アルカリ金属熱電気変換器1と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
The alkali metal
第2ケーシング6の端壁6Bには、軸線Aと同軸となる回転軸61が下方へと突設されている。回転軸61はカップリング62によって電動モータ63の出力軸64に連結されている。電動モータ63のケーシング65は、基台66に固定されている。電動モータ63は軸線Aを中心として密閉容器2を回転させる。チャンバ27は、軸線Aの径方向において第1〜第3通路23よりも軸線Aから離れた位置にある。
A rotating
回転軸61の外周部には電気絶縁部材67を介してアノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69が取り付けられている。アノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69には、直列又は並列に接続された各セル45の配線43、44が接続されている。アノード用スリップリング68及びカソード用スリップリング69には、それぞれ集電ブラシ(不図示)が個別に摺接し、回転している密閉容器2から外部(固定側)に集電できる構造になっている。集電ブラシには、外部負荷(不図示)が接続される。
An
第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60には、密閉容器2が電動モータ63によって軸線Aを中心として回転されることにより、遠心力が生じる。ここでは、遠心力によってアルカリ金属が第3通路23から第2孔12、入口通路17を介して外室27Aに輸送される。絞り部15は、第1通路21に存在するアルカリ金属が第1孔11側へと逆流することを防止する。
In the alkali metal
第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器1では、隔壁14の内面を突出端側(下端側)に進むほど拡径するようにテーパ状とし、第2ケーシング6の円筒部の内壁を開口端側(上端側)に進むほど拡径するようにテーパ状としてもよい。これらの構成によれば、軸線Aを中心として密閉容器2が回転された際に、慣性力により径方向外方に移動しようとする液体のアルカリ金属は、隔壁14の内面側に導かれて下方に移動し、第2ケーシング6の円筒部6Aの内周面に導かれて上方に移動する。これらの作用によって、外室27A側への液体のアルカリ金属の輸送が促進される。
In the alkali metal
図4は、第2実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器60を自動車の排気系に配置した概略図である。図4に示すように、密閉容器2の受熱部51である第2ケーシング6は、内燃機関の排気管70のメイン通路71内に配置され、高温流体である排気ガスと熱交換可能となっている。これにより、第3ケーシング7は排気ガスによって加熱される。
FIG. 4 is a schematic view in which an alkali metal
密閉容器2の放熱部52である第2ケーシング6はメイン通路71と並列に配置されたバイパス通路72内に配置されている。バイパス通路72の排気ガス入口74は開閉弁75によって開閉される。バイパス通路72には外気取入口76が形成されており、外気取入口76には外気取入用のリード弁77が取り付けられている。排気管70と第1ケーシングとの間、及び排気管70と回転軸61との間には、排気の漏出を防ぐためのシール部材78、79が設けられている。
The
アルカリ金属熱電気変換器60の始動時には、第2ケーシング6の予熱のために、開閉弁75を開いてバイパス通路72に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部52を加熱する。放熱部52の予熱は、第1〜第3通路21〜23において固体となったアルカリ金属を液化させるために行われる。放熱部52の予熱が完了した後は、開閉弁75を閉じ、リード弁77によってバイパス通路72に外気を取り込み、放熱部52を受熱部51より低い温度に保つ。放熱部52の適正温度は受熱部51の温度により決まり、100〜500℃程度であればよい。以上の構成により、アルカリ金属熱電気変換器60は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。
When the alkali metal
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、固体電解質33の円筒部33Aの外周面(アノード側面38)に形成される凸部81は、図5に示すように、円筒部33Aの外周面から放射状に突出すると共に、固体電解質の軸線方向に延在する形状であってもよい。
Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, the
また、凸部35は円筒部33Aの外周面から径方向外方へと柱状に突出する形状や、半球状に形成されてもよい。また、円筒部33Aの外周面を波形に湾曲させ、その突出部としてもよい。また、円筒部33Aの外周面に複数の溝や凹部を凹設し、溝や凹部に囲まれた基面部分を凸部35としてもよい。このように、円筒部33Aの外周面は、表面積を拡大することができる凸部又は凹部を有していればよい。
Moreover, the
カソード側面37となる円筒部33Aの内面は、円筒面に限らず、複数の平面から構成されてもよい。例えば、固体電解質33に断面が三角形や四角形等の角柱状の孔を形成して内孔とした場合、固体電解質のカソード面となる内面は複数の平面から形成される。
The inner surface of the
また、固体電解質33の形態を上記の実施形態のように筒状にせず、平板状とした場合には、アノード側面38に凸部を設け、カソード側面37を平面に形成するとよい。
Further, when the
1、60…アルカリ金属熱電気変換器、2…密閉容器、5…第1ケーシング、6…第2ケーシング、7…第3ケーシング、11…第1孔、12…第2孔、13…第3孔、14…隔壁、17…入口通路、18…出口通路、21…第1通路、22…第2通路、23…第3通路、27…チャンバ、27A…外室、27B…内室、28…循環路、33…固体電解質、33A…円筒部、33B…端壁、35…凸部、36…カソード、37…カソード側面、38…アノード側面、41…接続部材、41A…第1接続部材、41B…第2接続部材、43…配線、44…配線、45…セル、46…ウィックポンプ、51…受熱部、52…放熱部、61…回転軸、63…電動モータ、A…軸線
DESCRIPTION OF
Claims (10)
受熱部、放熱部、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路を有する密閉容器と、
アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面及びカソード側面を有する固体電解質と、
前記アノード側面側に設けられたアノードと、
前記カソード側面側に設けられたカソードと、
前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段と
を有し、
前記アノード側面は、複数の凸部を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とするアルカリ金属熱電気変換器。 An alkali metal thermoelectric converter,
A sealed container having a heat receiving portion, a heat radiating portion, and an alkali metal circulation path formed so as to pass through the heat receiving portion and the heat radiating portion;
A solid electrolyte that allows passage of alkali metal ions and is provided so as to delimit the circulation path in the heat receiving part, and has an anode side surface and a cathode side surface;
An anode provided on the side surface of the anode;
A cathode provided on the side surface of the cathode;
Transport means for transporting the alkali metal in the circulation path to the anode side surface side of the solid electrolyte,
The alkali metal thermoelectric converter, wherein the anode side surface has a plurality of convex portions, and the cathode side surface is formed more smoothly than the anode side surface.
前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアルカリ金属熱電気変換器。 The circulation path includes a chamber having an inlet passage and an outlet passage in the heat receiving portion,
The solid electrolyte is formed in a cylindrical shape having an opening at one end and closed at the other end, and is disposed in the chamber so that the opening communicates with the outlet passage. 3. The alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, wherein an alkali metal thermoelectric converter according to claim 1, wherein the alkali metal thermoelectric converter is divided into an outlet side and an outer surface is the anode side surface facing the inlet channel side, and an inner surface is the cathode side surface. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013027132A JP6037883B2 (en) | 2013-02-14 | 2013-02-14 | Alkali metal thermoelectric converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013027132A JP6037883B2 (en) | 2013-02-14 | 2013-02-14 | Alkali metal thermoelectric converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014158337A true JP2014158337A (en) | 2014-08-28 |
JP6037883B2 JP6037883B2 (en) | 2016-12-07 |
Family
ID=51578898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013027132A Expired - Fee Related JP6037883B2 (en) | 2013-02-14 | 2013-02-14 | Alkali metal thermoelectric converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6037883B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014191878A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Honda Motor Co Ltd | Alkali metal thermoelectric converter |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55117475A (en) * | 1979-02-28 | 1980-09-09 | Ford Motor Co | Device for generating thermoelectric energy of alkaline metal |
JPH03178584A (en) * | 1989-11-17 | 1991-08-02 | Westinghouse Electric Corp <We> | Alkali metallic thermoelectric converter |
US5942719A (en) * | 1997-07-28 | 1999-08-24 | Advanced Modular Power Systems, Inc. | Alkali metal thermal to electric conversion (AMTEC) cells |
US6239350B1 (en) * | 1998-09-28 | 2001-05-29 | Advanced Modular Power Systems | Internal self heat piping AMTEC cell |
-
2013
- 2013-02-14 JP JP2013027132A patent/JP6037883B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55117475A (en) * | 1979-02-28 | 1980-09-09 | Ford Motor Co | Device for generating thermoelectric energy of alkaline metal |
JPH03178584A (en) * | 1989-11-17 | 1991-08-02 | Westinghouse Electric Corp <We> | Alkali metallic thermoelectric converter |
US5942719A (en) * | 1997-07-28 | 1999-08-24 | Advanced Modular Power Systems, Inc. | Alkali metal thermal to electric conversion (AMTEC) cells |
US6239350B1 (en) * | 1998-09-28 | 2001-05-29 | Advanced Modular Power Systems | Internal self heat piping AMTEC cell |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014191878A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Honda Motor Co Ltd | Alkali metal thermoelectric converter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6037883B2 (en) | 2016-12-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10330392B2 (en) | Three-dimensional heat transfer device | |
US8575467B2 (en) | Generator of electric energy based on the thermoelectric effect | |
JP2020503646A (en) | Battery cell with integrated steam chamber | |
JP2014517890A (en) | Device having a heat exchanger for a thermoelectric generator of a motor vehicle | |
JP2016119450A (en) | Thermoelectric conversion device and application system thereof | |
US7047639B1 (en) | Method for manufacturing a heat-dissipating structure of a rectifier | |
JP2007157479A (en) | Fuel cell | |
CN112996339B (en) | Uniform temperature plate device | |
TWI651775B (en) | Plasma source and semiconductor processing device | |
CN103618394A (en) | Disc-type motor stator adopting heat pipe windings | |
JP6037883B2 (en) | Alkali metal thermoelectric converter | |
CN110763062A (en) | Heat conduction and heat dissipation integrated flat heat pipe | |
WO2002082536A2 (en) | Laminated heat transfer device and method of producing thereof | |
CN108598301A (en) | Battery case | |
EP1717536A1 (en) | Method for manufacturing a heat-dissipating structure of a rectifier | |
CN111059932A (en) | Plate-fin heat regenerator of miniature gas turbine | |
US20200107472A1 (en) | Additively manufactured cooling assemblies for thermal and/or mechanical systems, and methods for manufacturing the assemblies | |
JP2007026928A (en) | Fuel cell | |
JP2008135300A (en) | Solid electrolyte fuel cell module and air supplying method of solid electrolyte fuel cell | |
US6896987B2 (en) | Fuel cell container cooling system | |
CN107481983B (en) | Microwave power tube packaging shell, manufacturing method and cooling system | |
CN220341216U (en) | Phase-change liquid-cooling coupling heat dissipation structure and electronic chip heat dissipation device | |
CN115833486B (en) | In-tank direct-cooling generator based on heat pipe cooling | |
CN116314077B (en) | Structure for improving thermoelectric conversion | |
CN211297499U (en) | Ultrathin vapor chamber with composite liquid absorption core structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151127 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160713 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160719 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160914 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161004 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161101 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6037883 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |