JP2015504645A

JP2015504645A - 突出セル積層物を有する熱電変換器

Info

Publication number: JP2015504645A
Application number: JP2014537132A
Authority: JP
Inventors: ロッシ，デイビッド，エム．; スタスクス，マイケル，ピー．; ナム，デレク，ダブリュー．
Original assignee: ナノコンバージョンテクノロジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JP5995980B2; EP2769420A4; US8865999B2; US20150020860A1; WO2013059100A1; EP2769420A1; US20130098419A1; CN104025328A

Abstract

熱電変換器は、パーティションによってプレナムを高圧チャンバ及び低圧チャンバに分割することで形成され、パーティションからチャンバの一方内に垂直に突出する直列結合アルカリ金属熱電セルの積層物を含む。【選択図】図２

Description

［関連出願の相互参照］
[0001] 本出願は、２０１１年１０月２１日に出願された「Concentration-mode Thermoelectric Converter (C-TEC)」と題する米国仮出願第６１／６２７，９４９号に対する優先権を主張し、引用によりこれを含むものとする。

[0002] 本開示は、熱電気発電に関する。

[0003] 図１Ａ及び図１Ｂは、アルカリ金属熱電気変換器（ＡＭＴＥＣ：alkali-metal thermal-to-electric converter）１００及び１２０の従来技術の実施を示す。図１Ａの実施においては、プレナム１０１が高ナトリウム蒸気圧チャンバ１０２及び低ナトリウム蒸気圧チャンバ１０３に分割され、試験管形状の熱電気セル１０５が高圧チャンバから低圧チャンバ内に突出している。セルの各々は、多孔性の内部電極と外部電極すなわちアノード１０９とカソード１１１との間に挟まれた固体電解質突起１０７によって形成されている。固体電解質はイオン伝導体及び電子障壁の双方として機能し、熱により活性化されたナトリウムイオンを２つのチャンバ間で（すなわち圧力勾配を介して）伝達しつつ、対応する自由電子をアノードに集める。結果として生じる固体電解質の両側の電位によって、電子流がアノードから外部負荷１１５を流れ（電力送出）、カソードに戻り、ここで電子は電解質を透過したナトリウムイオンと再結合して還元（又は中和）によりナトリウム蒸気となる。電磁ポンプ（図示せず）を設けて、プールされた液体金属ナトリウムを低圧チャンバから高圧チャンバに戻す。

[0004] 電力を消費するオーム損失を抑制するため、比較的コンダクタンスが低い多孔性電極の上には典型的にワイヤラッピング又は他の補助的な集電構造がある。しかしながら、かかる構造は、熱的に厳しい変換器環境では早期に劣化する傾向がある。例えば、ラッピングされたワイヤは経時的に物理的及び電気的な接触を失い（例えばワイヤ及びそれらが包囲する構造の熱膨張／収縮が非均一であるために）、これによってＩ^２Ｒ損失が増大し、従って変換器の電力密度を劣化させる傾向がある。

[0005] 図１Ｂの断面図に示す熱電気変換器１２０においては、円筒形プラナム１２２の上壁と下壁との間に直列結合した環状ＡＭＴＥＣセル１２５_１〜１２５_３の積層物が延出し、これによって固体電解質セル壁で分離された同心円状の環状チャンバ１２２、１２３（すなわち高蒸気圧チャンバ及び低蒸気圧チャンバ）が形成されている。理論上、この配列は、出力電圧（すなわち個々のセルの直列相互接続による電圧の和）を上昇させ、これに応じて変換器全体の出力電流を低下させることによって、管状セル設計に悪影響を与えるＩ^２Ｒ損失を軽減する。しかしながら実際には、この同軸チャンバ配列には多数の欠点がある。第１に、セル対セル相互接続構造における隣接セルのアノード又はカソード（すなわち異なる電位の電極）の短絡を回避するように注意しなければならない。この問題は、各低電位セルのアノードとその下の高電位セルへの相互接続との間にギャップ１３１（詳細図１３０に示す）を残すことで対処される（同様のギャップ１３２が各セルのカソードとその上の低電位セルへの相互接続との間に設けられている）。しかしながら、発電の観点からデッドゾーンとなるこれらの電極ギャップが実現不可能なほど大きくない限り、電圧勾配を介して著しい漏れ電流が流れて、デバイスの電力密度が劣化する。また、高温のナトリウム蒸気が存在する場合に露出した固体電解質及び導電性相互接続の連結部は、ナトリウムのイオン化により放出された電子がセル対セル相互接続を介してセルのカソードに分流する三重点（triple point）となり、固体電解質の両側の電圧差をさらに著しく降下させ、このため変換器の電力密度がさらに劣化する。ギャップ（従って三重点）を覆うために、スパッタリングで形成する非多孔性の絶縁部が提案されているが、かかる被覆の実現可能性は特に高圧チャンバにおいて疑わしいものである。さらに、調査によると、スパッタリングによる被覆は、アノードと相互接続との間の電圧勾配を介して流れる漏れ電流を低減するためにはほとんど有用でないことが示されている。

[0006] 変換器１２０の環状設計では、さらに問題が増える。１つには、セル積層物及びプレナム筐体の対向端部への相互接続は、熱膨張／圧縮の間に著しい応力／歪みを受ける（すなわち、プレナム筐体及びセル積層物の構成要素が非均一に膨張／収縮する傾向があるので）。これは、デバイス電力密度を劣化させる傾向があり、特に高頻度の温度サイクルを伴う用途においては早期の故障につながる機械的な摩耗力である。また、同軸加熱配列では、複雑さが増し（非貫通孔に熱を注入する必要がある）、熱が内部の熱源から直接プレナムの低温の格納壁へ放射するので熱的に低効率である傾向がある。おそらくさらに重要なことは、熱源とプレナム壁との間の大きい温度勾配（及び、セル積層物と低温のプレナム壁との間の比較的短い距離）によって、セル積層物表面でのナトリウム凝縮の防止が困難となることである。導電性のナトリム凝縮物は電位の異なるセルを相互に短絡させ、変換器の動作を著しく混乱させる恐れがあるために、これは非常に問題となる現象である。

[0007] さらに別の問題が図１Ｂの実施態様に支障を来す。例えば、積層物の最後のセルと筐体への相互接続との間のギャップの両側の電圧が高い（すなわち筐体の双方の端部における物理的なセル積層物の接続を考慮している）ことが、漏れ電流の原因となる。これは、セルの数が増え、従って最後のギャップの両側の電圧が高くなるにつれて、ますます難しい問題となり、積層物全体（例えば３個のセル）の比較的多いセルを妨害する。同様に、隣接セルを相互接続するために用いられる金属板１３５は、構成要素の数を増やすだけでなく、セル数が増えるにつれてセル積層物表面の占有率が高くなるデッドゾーンとなり、この場合も積層されたセルのうち多くのセルを妨害する。また、図１Ａ及び図１Ｂの双方の実施において、デリケートなデバイスカソードは見通し線（line-of-sight）接触により低圧蒸気チャンバのチャンバ壁に露呈され、ステンレス鋼から出たクロム又はマンガン等、筐体内の材料から寿命を縮める電極汚染を受ける。

[0008] 本明細書の開示は、限定としてではなく一例として、添付図面の図を用いて説明する。図面において同様の参照番号は同様の要素を示す。

[0009] 従来技術のアルカリ金属熱電気変換器を示す。 [0009] 従来技術のアルカリ金属熱電気変換器を示す。 [0010] チャンバ画定パーティションから垂直に突出するアルカリ金属熱電気変換セルの多数の積層物を有する熱電気変換器の一実施形態を示す。 [0011] 図２の突出したセル積層物内で個々のセルを実施するために使用可能である例示的な低アスペクト比の熱電セルの断面図を示す。 [0012] 一実施形態に従った突出セル積層物の部分断面図を示す。 [0013] 図４のセル対セル相互接続及び突出分離部の拡大図であり、アノードとセル相互接続との間の拡大した表面経路長を強調して示す。 [0014] 突出セル積層物における熱電セルの代替的な相互接続を示す。 [0015] 図６の分離された電解質の実施形態に従った突出セル積層物の断面図を示す。 [0016] 図７の実施形態により達成される電気的相互接続の全体を示す。 [0017] 図４から図８を参照して記載した突出分離部（又は絶縁部）を実施するために使用可能である個別分離部の代替的な実施を示す。 [0017] 図４から図８を参照して記載した突出分離部（又は絶縁部）を実施するために使用可能である、板を一体化した分離部の代替的な実施を示す。 [0017] 図４から図８を参照して記載した突出分離部（又は絶縁部）を実施するために使用可能である、板を一体化した分離部の代替的な実施を示す。 [0018] 突出セル積層物内の熱電セルの電極（電子伝導体）及び電解質の抵抗の集中定数素子モデルを示す。

[0019] 様々な実施形態において、パーティションにより高圧チャンバ及び低圧チャンバに分割されたプレナムと、パーティションからチャンバの一方内に垂直に突出するアルカリ金属熱電気セルの積層物と、を有する熱電気変換器を、本明細書において開示する。一実施形態において、パーティションは実質的に平面の部材によって形成され、この部材は、プレナムの側壁間に延出してプレナムを高蒸気圧チャンバ及び低蒸気圧チャンバに分割すると共に、各セル積層物によって覆われた１つ以上の開口を有する。セル積層物は、固定されていない端部に蓋が被せられている。セル積層物を一端のみで（すなわちパーティション開口において）固定することで、セル積層物は自由に拡張及び収縮するので、双方の端部で固定されたセル積層物に悪影響を与える機械的な応力／歪み力を受けることがない。さらにさらに、セル積層物を高蒸気圧チャンバ内に突出させて、プレナム筐体からセル積層物へと内側に熱を向かわせることで、高効率の熱配列が得られ（すなわち、セル積層物を介して放射される熱エネルギーが、例えば低温のプレナム壁に流れるのではなく、主として高蒸気圧チャンバ内に留まるので）、作動流体の凝縮を回避する温度にセル積層物を維持する。また、多数の実施形態において、所与の積層物のセルは連続的な接合部によって電気的に相互接続されて封止されるので、セル積層物の構築が簡略化すると共にセル間のデッドスペースが制限される。他の実施形態では、セル積層物の壁から外側に（及び／又は内側に）突出する分離障壁によってシャント電流を抑制して、異なる電位のセル電極とセル相互接続との間の電気経路長を拡大する。さらに別の実施形態では、突出分離障壁をセル壁内に延長させることで、及び／又は１つ以上のセラミック接合部によって、個々のセルの固体電解質構成要素をセル対セル相互接続から物理的に分離させて、三重点の分離を行う。これら及び他の実施形態並びにそれらの特性及び利点について以下で論じる。

[0020] 図２は熱電気変換器１５０の一実施形態を示す。これは、チャンバ画定パーティションから垂直に突出するアルカリ金属熱電気変換セル（１６０_１〜１６０_Ｎ）の多数の積層物１６０を有する。変換器１５０は「熱電」変換器とも称する。本明細書では、熱エネルギーを電気に変換することを示すために熱電気及び熱電という言葉を交換可能に用いるからである。図２に示す例では、パーティション１５３は、円筒形プレナム１５１（本明細書ではエンクロージャ又は変換器筐体とも称する）の側壁の周囲に固定された実質的に平面の円板によって形成され、これによってプレナム１５１を高蒸気圧チャンバ１５５及び低蒸気圧チャンバ１５６に分割する。図示する実施においては、２つのチャンバ間に電磁ポンプ１５８を結合して低圧チャンバから高圧チャンバにアルカリ金属液体を注入するが、代替的な実施形態では、チャンバ間でアルカリ金属液体を搬送するためのウィック（毛管作用により動作する）又は他のいずれかの実現可能な機構を用いることも可能である。

[0021] 高圧チャンバに隣接したプレナム壁の外面に適用される熱源１５９（この代わりに又はこれに加えて、熱源を高圧チャンバ内に突出させるか又は埋め込むことができ、及び／又は遠隔ボイラを用いることができる）によって、内部の高圧力アルカリ金属蒸気（例えばナトリウム蒸気、カリウム蒸気、又は他のいずれかの実現可能なアルカリ金属蒸気）を、２つのチャンバ間で圧力（又は濃度）勾配が生じる温度に加熱する。これがデバイス動作のための駆動力となる。さらに具体的には、パーティション１５３の開口は、低圧チャンバをセル積層物１６０の内部へ拡張させるという効果があり、各セル１６１_ｉの固体電解質壁を介した圧力又は濃度勾配が確立し、これがアルカリ金属イオン化を促進すると共に、固体電解質を介して各セルの内面へとイオン化アルカリ金属イオンを進ませる。イオン化反応によって自由になった電子は、固体電解質により阻止され、多孔性電極（すなわちアノード）によってセル外面上に集められるので、各セルの外面と内面との間に電位が生じる。

[0022] さらに図２を参照すると、セル相互接続構造１６２は、隣り合ったセルのカソードとアノードとの間に延出して（さらに隣接セル間のギャップを封止して高圧チャンバと低圧チャンバとの間の分離を維持する）、積層物１６０の構成セルを直列に結合する。従って、各突出セル積層物１６０の全電位は、積層されたセルの数（Ｎ）及びセル当たりの電圧（Ｖ_ｃｅｌｌ）の積であり、このため一体型の突出セルの電圧のＮ倍である。この比較をさらに進めて、積層セルと一体型セル突出物との間の電力密度及びネットインピーダンスが同等であると想定すると、突出セル積層物１６０における電流は一体型の実施における電流のＮ分の１であり、劇的に低い（すなわちＮ^２で除算した）オーム損失となり、これに応じて熱電変換効率が高くなる。以下で論じるように、積層セル突出物の高い出力電圧／低い出力電流という性質により、高インピーダンス電極に対する許容度が与えられ、このため、典型的に従来の設計が必要とした高コストかつ低信頼性の補助集電構造（例えばワイヤラッピング）を省略することができる設計が可能となる。従って、以下で論じる多数の実施形態において、アノード及びカソード電極を多孔性金属堆積のみで形成して、デバイスの信頼性及び寿命を改善すると共に、図２に示す熱効率の高いチャンバ配列（すなわち突出セル積層物の外側にある高圧チャンバ）の簡単かつ有効な実施を可能とする。

[0023] セル積層物の壁を形成する固体電解質板は概して、プレナム筐体及びパーティション１５３の形成に用いられる抗酸化材料（例えばステンレス鋼）に比べて熱膨張率が低い。従って、プレナム１５１、パーティション１５３、及び突出セル積層物１６０の潜在的に非均一な熱膨張に対処するために、可鍛性の積層物搭載部材１６６を設けて、所与の積層物の最初のセル（１６１_１）を対応するパーティション開口の外周部に固定する。一実施形態において例えば詳細図１７０ａ及び１７０ｂに示すように、積層物搭載部１６６は、パーティション開口の外周部と最初のセルの下面との間で、ろう付け又は他の方法で固定されて電気的に結合されたニオブのドーム（モリブデン、タンタル、チタン、様々な合金等も使用可能である）により実施される。この可鍛性ドーム形積層物搭載部１６６は、接合部１６９において過度の応力を与えずに低熱膨張率の固体電解質板１７２に直接接合することができ、一方で、積層物搭載部１６６の半径は可塑的に変形して、接合部１６８（これはパーティション１５３の開口の周囲に配置された切り欠き、溝、溝部、又は他のくぼみ内に形成可能である）において高熱膨張率のパーティション材料で誘発された応力を緩和し、この応力を固体電解質板１７２に伝達しない。従って、この配列により、接合部１６８及び１６９並びに可鍛性積層物搭載部１６６は、最初のセル１６１_１をパーティション１５３に固定し（パーティション開口を封止し、従って高圧チャンバと低圧チャンバとの間の分離を維持する）、パーティションを最初のセルのアノード電極１７１に電気的に結合する。変換器のアイドル（未加熱）状態及び動作（加熱）状態を示す２つの詳細図１７０ａ及び１７０ｂを比較すると、パーティションが高温になると（パーティション及びプレナム壁が膨張するとパーティション開口が大きくなる）、可鍛性積層物搭載部材１６６は、ドーム半径の周囲で可塑的に変形し（すなわち積層物搭載部／パーティション接合部１６８において内径がしだいに拡大し、従ってドームが平坦になる）、パーティションが低温になると収縮し、これによって、突出セル積層物１６０及びパーティション部材１５３が経験する温度範囲にわたって、接合部１６９及び突出セル積層物における基部のセルの固体電解質板を、可鍛性積層物搭載１６６で誘発された応力から保護する。

[0024] 上述のように、図２の突出セル積層物配列の一方側搭載は、セル積層物が軸方向に（すなわちプレナムパーティションに垂直な方向に）膨張及び収縮する自由度を与え、図１Ｂの両側接続セル積層物に悪影響を与える機械的な圧縮及び張力を受けることはない。さらに、セル積層物の外側に高圧チャンバを設けること（すなわち裏返しのチャンバ構成）によって、高圧アルカリ金属蒸気が全てのセル相互接続接合部を共に圧縮状態とすることが確実となり、図１Ｂの対向型構成又は両側接続環状チャンバ配列（セル壁が湾曲し、従ってセル相互接続に著しい引っ張り力が加わる）における重大な引っ張り圧力の結果として生じ得る破壊的な接合部の破損を回避する。また、デリケートなカソードは電解質セルの内部にあるので、汚染源（例えばステンレス鋼のプレナム壁）に対する低い見通し線の露呈及び、電解質アセンブリからパーティション開口を介して低圧チャンバの広域へのナトリウム蒸気の流れのポンプ作用から保護される。また、裏返しのチャンバ構成によって、上述のように熱的に高効率の加熱構成が可能となり、図１Ａ及び図１Ｂに示した内部加熱セルの大きい熱損失（及び高価な熱遮蔽配列の必要性）が回避される。

[0025] 図２に示す特定の実施形態に関して、パーティション開口、セル積層物、積層物当たりのセルの具体的な数、変換器の向き等は、説明の目的のためにのみ図示したものであり、代替的な実施形態ではかかるパラメータは全て変更される場合がある。また、図２では、円板形のパーティション（及び対応する円筒形のプレナム）における円形のパーティション開口（又はオリフィス）の周囲に配置された円筒形のセル積層物を示し、以下の例でもこれについて述べるが、代替的な実施形態では、所与の用途又は製造プロセスにおいて有利なフォームファクタに応じて、セル積層物及び対応するパーティション開口及び／又はパーティション及びプレナムの外形は、他の形状（例えば三角形、四辺形、又は他の多角形）を有する場合がある。さらに、可鍛性積層物搭載部材１６６を設けて、突出セル積層物並びにプレナム筐体及びパーティション（すなわちそれぞれ１５１及び１５３）の形成に用いる材料の熱膨張が異なることにより生じる応力を低減させるが、代替的な実施形態では、プレナム筐体及び／又はパーティションは、突出セル積層物内の材料と同様の低い熱膨張係数を有する材料（例えばアルミナ）から形成することも可能であり、いくつかの設計では可鍛性積層物搭載部材１６６を省略することができる。

[0026] 図３は、図２の突出セル積層物内で個々のセルを実施するために使用可能である例示的な低アスペクト比の熱電セル１８５の断面図を示す。図示のように、セルは、円筒形の固体電解質板１８７（例えばナトリウム又はカリウムの作動液の場合、それぞれナトリウムベータもしくはベータ’’アルミナ固体電解質又はカリウムベータもしくはベータ’’アルミナ固体電解質であり、又はベータ及びベータ’’相及び安定剤等の混合物であり、これらは全て本明細書において「ＢＡＳＥ」と包括的に称される）によって形成され、内面及び外面に多孔性電極が堆積されてカソード１８８及びアノード１８９をそれぞれ形成する。多孔性電極のコンダクタンスが比較的低いにもかかわらず、研究によれば、セル高を比較的低いアスペクト比のセル（すなわち高さ−直径比が低いか、又は高さ−外周比が低い）に抑え、望ましくないシャント電流を抑制する構造を設けることで、積層構造において達成される電流の低減を考慮して、低い電極コンダクタンスを許容することができ、これによってワイヤラッピング又は他の高コストかつ低信頼性の補助集電の必要性が回避される。さらに具体的には、設計最適化が得られる傾向があるのは、セル高が、セル対セル相互接続の過度の増加（発電の観点からはデッドスペース）を回避するのに充分な高さであるが、補助集電を必要とするレベルまで電極インピーダンスを上昇させるほどは高くない場合である。いくつかの実施形態では、例えばセル高さが３．０センチメートル未満、さらには１．０センチメートル未満（例えば８ミリメートル（８ｍｍ））であると、この最適化範囲に収まることができる。このセル高の基準を用いて、所与の変換器設計内のセル数を決定することができる。このためには、例えばチャンバ高（積層物の上部とプレナム壁との間のアイドル温度許容差を除く）をターゲットのセル高で除算すれば良い。一例として、１０センチメートルのチャンバ高（可鍛性積層物搭載部の最大高を含める）を有し、４ｍｍの許容差を有する変換器において、パーティションとプレナムとの間に１２個の８ｍｍセルを積層することができる。異なるタイプの多孔性電極、異なる化学物質（例えば作動液としてカリウム蒸気）、セル直径等を用いた実施形態では、異なる最適セル高を適用可能である。また、円錐形又は円筒形のセルでは、少なくとも、セルのアスペクト比（すなわち軸方向の長さ対直径の比）の点で設計最適化を表すことができる。アスペクト比は０．１から１であり、必須ではないが好ましくは０．５未満である。

[0027] 図４は、一実施形態に従った突出セル積層物２００の部分断面図を示す。上述の実施形態におけるように、Ｎ個のセル２０１の各々は、多孔性アノード及びカソード電極２０７及び２０９間にそれぞれ挟まれた固体電解質板２０５（例えばベータ’’アルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ））を含む。各低電位セルのカソードから隣り合った高電位セルのアノードまで（すなわちセル「ｉ」のカソードからセル「ｉ＋１」のアノードまで。ここで「ｉ」はセル指数である）連続的に延出するろう付け接合部２１１は、セルを直列に結合する（従って各セルのカソードにおいてしだいに増分する電位ｉ*Ｖ_Ｃｅｌｌを確立する）こと及びセル間のギャップを封止することの２つの機能を有する。図１Ｂの従来技術のセル積層物において隣り合ったセル間で溶接された金属板とは異なり、単一接合相互接続は、構成要素数を少なくし（デバイス生成を簡略化し経済的とする）、セル間のデッドゾーンを著しく小さくし、これによって変換器の電力密度を過度に損なうことなくセル数を増やす（例えば図１Ｂに示す３個のセルよりも）ことを可能とする。

[0028] また、ろう付け接合部２１２及び２１４が積層物の搭載端及び自由端に（すなわち積層物における最初のセル及び最後のセルに）それぞれ設けられており、接合部２１２は積層物の最初の（又は基部の）セルを導電性の可鍛性搭載部材２１５に（従ってプレナムパーティションに）固定して電気的に結合し、接合部２１４は積層物の最後のセルを積層物の自由端に被せた導電性の蓋２１８に固定して電気的に結合する。蓋２１８は、導電性金属によって又は複合材料（例えば接合部２１４に電気的に結合された導電性の下板を有するガラス及び／又はセラミック構造）によって実施可能である。図示する実施形態では、蓋２１８（又はその導電性構成要素）に、リードワイヤ２２１、導電性ロッド等を結合して、セル積層物の正端子を形成する。多数のセル積層物を有する変換器では、各セル積層物のリードワイヤ２２１は、プレナムパーティションの対応する開口を通して引き回され、他のセル積層物（２つ以上の積層物がある場合）のリードワイヤに接合した後にプレナム筐体から外に出すか、又は各出口においてプレナムから直接出す（すなわちセルの負端子を形成するプレナム壁から分離する）ことができる。

[0029] さらに図４を参照すると、従来技術の変換器１２０（図１Ｂ）に悪影響を与えるシャント表面電流を克服するために突出分離部材が設けられている。さらに具体的には、本明細書においてアノード側分離部と称する環状分離部材２２５が、セルのアノード２０７とこれより高電位のセルのアノードへのろう付け相互接続２１１との間で、各電解質セルの外周に配置されている。また、同様のカソード側分離部２２７を、セルのカソード２０９とこれより低電位のセルのカソードへのろう付け相互接続との間で、各セルの内周に配置することも可能である。双方の場合において、分離部は、これがなければ露出していた電解質板２０５の部分を被覆する（ナトリウム蒸気に対する電解質／相互接続の連結を抑え、これによって三重点及びそれらによって生じ得る望ましくないシャント電流を防ぐ）と共に、相互接続２１１と高電位又は低電位の電極との間の表面経路長を拡大するという２つの機能を実行する。表面経路長の拡大は、図１Ｂの従来技術の手法に悪影響を与えると考えられる表面レベルのシャント電流（すなわちナトリウム蒸気内でセル壁の表面を介する電子流）を阻止するために特に有効である。アノードと高電位のセルの相互接続との間のデッドスペースを広げる必要なく、電力を弱める電流を遮断するからである。

[0030] 図５は、図４のセル対セル相互接続２１１及び突出分離部の拡大図であり、アノード２０７とセル相互接続２１１との間の拡大した表面経路長「Ｚ」（すなわちアノード側分離部の周囲）を強調して示す。一実施形態において、例えば拡大した表面経路長は、アノードとセル相互接続との間の（すなわち絶縁性分離部材が省略された場合の分離部の）距離「Ｘ」の少なくとも２倍である。一実施形態では、突出距離「Ｙ」（すなわちアノード側分離部がセル積層物から離れる方向に突出する距離であり、この例では固体電解質板の表面から測定される）は、アノード２０７の厚さよりも実質的に大きい（例えば少なくとも５０％大きい）、及び／又は少なくともアノード２０７と相互接続２１１との間の直接距離「Ｘ」と同じ長さである。他の実施形態では、所与のセルのアノードと高電位のセルへの相互接続との間のシャント電流を抑えるのに充分であるいかなる寸法の突出分離部も用いることができる。同様の考察がカソード側分離部の寸法にも当てはまるが、もっと小さい分離部の幅及び突出距離も適用可能である（例えばアノード側分離部の対応する寸法の７５％又は５０％）。

[0031] 図４及び図５に示す突出分離部は、高圧チャンバ及び低圧チャンバの金属蒸気環境に耐えるのに充分ないずれかの絶縁材料から実施可能であり、この材料は例えば、限定ではないが、アルミナ、ジルコニア、又は他の高温ガラス、セラミック、又はサーメットを含む。また、高温ガラスフリット２３１又は他の取り付け材料を用いて、分離部材（又は絶縁部）を固体電解質板に取り付けることができる。これは例えば詳細図２３０に示されている。

[0032] 図５は、連続的なろう付け接合部２１１でなく、隣り合ったセル間のギャップを電気的に相互接続すると共に封止するために使用可能な複合型の相互接続構造も示す。図示する実施形態において、複合型の相互接続は、Ｓ字形の断面を有するウォッシャ２３７（例えばモリブデン、チタン、タンタル、ニオブ、金属合金等から形成される）を含み、これは、隣接セルの固体電解質板間でウォッシャを固定するガラスフリット２３７（又は他の絶縁性媒体）によって接合されている。終点ろう付け接合部２３９は、ウォッシャ２３７を隣り合ったセルの電極（カソード及びアノード）に電気的に結合するために設けられている。代替的な実施形態では、ウォッシャ２３７は実質的に矩形（又は他の四辺形）の断面を有することができ、終点ろう付け接合部を延長させてセル電極とウォッシャとの間の距離を埋める。本明細書に記載する実施形態に関連付けて一般に連続的なろう付け接合部を図示するが、全てのかかる場合において、限定ではないが図５に示す複合型の相互接続構造を含む複合型の相互接続構造を用いることも可能である。

[0033] 図６は、突出セル積層物における熱電セルの代替的な相互接続を示す。図示のように、突出分離部材２５５及び２５７は、隣り合ったセルの固体電解質板２４５間の領域に延出し、これによってセル対セル相互接続（すなわちろう付け接合部２５１）から固体電解質を完全に分離する。図示する実施形態では、ガラス又はセラミックの接合部２５３を設けて突出分離部材２５５、２５７を各電解質板２４５に取り付け、相互接続２５１は分離部材間に形成された部分（channel）に延出し、分離部材を相互に固定することで隣接セル間のギャップを封止し、同時にセル対セル電気相互接続を形成する。図６が示すように、アノード電極及びカソード電極（２４７、２４９）は固体電解質板の全長に沿って延出し（すなわち分離ギャップは存在しない）、セラミック接合部２５３並びに突出分離部材２５５及び２５７の一方又は双方の短辺の一部又は全体よりも先まで延出することができる。

[0034] 図７は、図６の分離された電解質の実施形態に従った突出セル積層物の断面図を示す。図４の実施形態におけるように、連続的なろう付け接合部２６２、２６４を用いて、可鍛性搭載部２１５（すなわちパーティション開口の周囲に基部のセルを搭載するためのもの）と金属又は複合材料の蓋２１８との間で多数のセル２７１を電気的に直列に相互接続する。図示する配列により、比較的高い電圧で低いオーム損失のセルを達成する。この場合、突出分離部材はシャント電流を抑制すると共に、セル壁を介した単独の集電及び伝導機構として比較的高いインピーダンスの多孔性電極アノード及びカソードの使用を可能とする。図８は、図７の実施形態によって達成される電気的相互接続の全体を示し、電気的相互接続を強調するために全ての伝導体を濃い影で示している。上述の実施形態におけるように、セル積層物の一方側機械的接続によって、セル積層物は、プレナムの対向端間で固定されたセル積層物を急速に摩耗させる機械的応力／歪み力を受けることなく、熱的に膨張及び収縮することができる。このため、図７及び図８の突出セル積層物によって、高頻度の熱サイクルを必要とするものを含む様々な用途に展開可能な、実用性が高く効率的で堅固な熱電変換器が可能となる。

[0035] 図９Ａから図９Ｃは、図４から図８を参照して記載した突出分離部（又は絶縁部）を実施するために使用可能である、個別分離部及び板を一体化した分離部の代替的な実施を示す。さらに具体的には、図９Ａが示すセル断面３０１において、個別の環状分離部３０３ａ及び３０３ｂは電解質板３０５の外面及び内面に固定され（例えば多孔性電極が覆っていない板の対向端の各領域において）、従ってこれは、図４及び図５を参照して記載した構造に概ね対応する（あるいは、個別分離部３０３ａ及び／又は３０３ｂは、図６から図８に示したように電解質板の上面／下面に固定することも可能である）。これとは異なり、図９Ｂ及び図９Ｃは板を一体化した突出分離部の実施形態を示し、この場合の突出分離部は固体電解質板と一体的に形成されている。図９Ｂのセル断面３１１に示す実施形態において、双方の端部における電解質板３１２の半径方向の突出部３１４、３１６（すなわち一方の端部では内向きであり他方の端部では外向き）は、高温ガラス等の高誘電率材料によって覆われて上述の突出分離部を形成する。図９Ｃのセル断面３２１に示す実施形態において、半径方向の電解質突出部３２４及び３２６は、拡散又は他の方法でドーパントを注入してイオン及び電子の伝導性を消失させて、セル相互接続構造と高電位／低電位の隣接電極との間の表面経路長を拡大する突出分離部を形成する。

[0036] 図１０は、突出セル積層物（３５０）内の熱電セルの電極（電子伝導体）及び電解質（イオン伝導体）の抵抗の集中定数素子モデルと、簡略化した等価回路（３６０）と、を示す。一般に、いずれかの発電機の最大電力が発生するのは、インピーダンス整合された負荷Ｚに接続した場合であり、これはＰ＝Ｖ^２／４Ｚによって表される。ここで、Ｖは発電機の開回路電圧であり、Ｚは発電機のインピーダンスである。開回路電圧は変換器の動作温度によって影響され、変換器では一般に２つのタイプの電力損失がある。すなわち、寄生損失及び発電機インピーダンスのＩ^２Ｒ損失である。アルカリ金属熱電気変換カソードについてこれらの考察及び比電力の既知の値を適用すると、高効率で高電力の熱電変換器を生成可能であるのは、ｉ）寄生損失が充分に抑えられた場合、及び２）９００℃未満の動作温度でカソード面積１平方センチメートル当たり約３００ミリワット（３００ｍＷ）より大きい比電力を生じるほどＩ^２Ｒ損失が充分に低い場合である。デバイスにおける固有の損失は、ナトリウムサイクル損失又はカリウムサイクル損失（すなわち蒸発の潜熱）並びに、電磁ポンプを用いる場合はポンプ電力を含む。寄生損失は、主に熱損失（高温側から低温側への放射及び熱伝導）及びセル間の分離抵抗によるシャント電流損失から成る。高インピーダンスを有する短いセルでは、セル間でさらに高いインピーダンス分離を用いて（例えば上述の突出分離構造におけるように）、この寄生損失を低減させる。上述のように、セル積層物を高蒸気チャンバ（すなわち高温側）内に突出させることにより、高圧チャンバ内で高温の電解質を遮蔽することで熱損失を著しく低減させ、ナトリウムサイクル損失はほとんど固定される。発電機における抵抗性Ｉ^２Ｒ損失は、最大電力が整合負荷に送出された場合の出力電力に等しいので、抵抗性損失は一般に設計目標を満足させるのに充分な低さでなければならない（例えば９００℃未満で３００ｍＷ／ｃｍ^２、又は動作温度がもっと高いか低い場合にはそれぞれもっと高いか低い電力密度）。本明細書における多数の実施形態において、１）電子によるナトリウムイオンの中和のための場所、及び２）高電圧を維持するための低圧側の低ナトリウム背圧、の双方を与えるカソードは、極めて短い集電距離で導電性材料の薄い堆積（又は他の方法で形成した）層によって実施される。セル高（従って集電距離）を、過度のＩ^２Ｒ損失を回避する寸法に抑えると共に、カソード厚さを、蒸気経路に対する（すなわち電極及び電解質壁を介した）過度の背圧を回避する寸法に制限することで、ターゲットの電流密度（例えば一実施形態においては９００℃未満で３００ｍＷ／ｃｍ^２）を達成することができ、しかも高コストで低信頼性の補助集電構造を設ける必要はない。各構成セルの高さが３．０ｃｍ未満、さらには１．０ｃｍ未満（例えば８ｍｍ）であるか、又は軸方向の長さと直径との比が０．１から１である積層セル突出物は、かかる設計目標を満足させることがわかっているが、他の実施形態では、これらの範囲外のセル高及び／又はアスペクト比を有するセル積層物を使用可能である。

[0037] 前述の記載及び添付図面において、本発明の完全な理解を得るために具体的な用語及び図面の記号を用いた。場合によっては、これらの用語及び記号は本発明を実施するために必須ではない具体的な詳細事項を暗示することがある。例えば、セル、セル積層物の具体的な数、セル寸法、材料の種類、構成要素の形状、相互接続又は構築の方法等のいずれかは、代替的な実施形態では上述のものとは異なる場合がある。本明細書で用いる場合、「結合された」という言葉は、直接的な接続及び１つ以上の介在する回路又は構造を介した接続を表す。「例示的な」及び「実施形態」という言葉は、好適又は必須ではなく一例を表すために用いられる。

[0038] 本発明について、その具体的な実施形態を参照して記載したが、もっと広い精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び変形を実施可能であることは明らかである。例えば、実施形態のいずれかの特性又は態様を、少なくとも実施可能な場合に、他のいずれかの実施形態と組み合わせて又はその対応する特性もしくは態様の代わりに適用することができる。従って、明細書及び図面は限定的な意味ではなく例示的な意味と見なされるものとする。

Claims

プレナムと、
前記プレナム内で積層物として相互に搭載された複数のアルカリ金属熱電変換セルであって、前記積層物が第１及び第２の端部を有し、前記第１の端部のみにおいて前記プレナムに機械的に固定されたセルと、
を備える、熱電変換器。
前記積層物の前記第２の端部に結合されて前記積層物の外部のチャンバから前記積層物の内部領域を分離する蓋を備える、請求項１に記載の熱電変換器。
前記プレナムは、前記積層物の外部の前記チャンバと前記積層物の前記内部領域との間で圧力差を維持するのに充分なアルカリ金属蒸気流を受けるための蒸気流入口を備える、請求項１に記載の熱電変換器。
前記積層物の前記熱電変換セルは、相互に固定され、導電性接合部を介して相互に電気的に直列に結合されている、請求項３に記載の熱電変換器。
前記圧力差は、前記導電性接合部に圧縮力を与えるものである、請求項４に記載の熱電変換器。
開口を有するパーティションによって第１及び第２のチャンバに分割されたプレナムと、
前記パーティションの前記開口の周囲に配置され、前記パーティションから垂直に前記第２のチャンバ内に突出する、積層物として相互に搭載された複数のアルカリ金属熱電変換セルと、
を備える、熱電変換器。
前記パーティションの前記開口とは反対側の前記積層物の端部に結合された蓋と、
前記蓋に結合され、前記積層物の内部領域を通って延出して前記積層物の第１の電気端子を形成する導体と、
を備える、請求項６に記載の熱電変換器。
前記積層物を前記パーティションの前記開口の周囲に固定し、前記積層物における前記熱電変換セルの最初の１つの端子を前記パーティションに電気的に結合するための可鍛性の積層物搭載部材を備える、請求項６に記載の熱電変換器。
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で確立された圧力差を前記熱電変換セルの各々の電解質壁の両側に生じさせるために前記積層物が封止された、請求項６に記載の熱電変換器。
前記積層物の前記熱電変換セルが、相互に固定され、導電性接合部を介して相互に電気的に直列に結合されており、前記圧力差が前記導電性接合部に圧縮力を与える、請求項９に記載の熱電変換器。
各々がアノードとカソードとの間に配置された固体電解質部材を備える、第１及び第２のアルカリ金属熱電変換セルと、
前記第１の熱電変換セルの前記アノードから前記第２の熱電変換セルの前記カソードまで連続的に延出し、積層物において前記第１及び第２の熱電変換セルを物理的に固定する、導電性ろう付け接合部と、
を備える、熱電変換器。
前記積層物の一端に結合されて前記積層物の外部のチャンバから前記積層物の内部領域を分離する蓋を備える、請求項１１に記載の熱電変換器。
第２のチャンバが、前記積層物の外部の前記チャンバと前記積層物の前記内部領域との間で圧力差を維持するのに充分なアルカリ金属蒸気流を受けるための蒸気流入口を備える、請求項１２に記載の熱電変換器。
前記圧力差は、前記導電性ろう付け接合部に圧縮力を与えるものである、請求項１３に記載の熱電変換器。
アノードとカソードとの間に配置された固体電解質部材を有する第３のアルカリ金属熱電変換セルと、
前記第２の熱電変換セルの前記アノードから前記第３の熱電変換セルの前記カソードまで連続的に延出し、前記積層物において前記第３の熱電変換セルを物理的に固定する、別の導電性ろう付け接合部と、
を備える、請求項１１に記載の熱電変換器。
積層物として相互に搭載された第１及び第２のアルカリ金属熱電変換セルであって、前記第１及び第２のセルの各々がアノードとカソードとの間に配置された固体電解質部材を備える、セルと、
前記第１のセルの前記カソードから前記第２のセルの前記アノードまで延出する電気的相互接続構造と、
前記第１のセルの前記アノードと前記電気的相互接続構造との間に配置され、前記第１のセルの前記アノードの厚さよりも実質的に大きい距離だけ前記積層物から離れるように突出する第１の絶縁性障壁と、
を備える、熱電変換器。
前記第１のセルの前記アノードから前記電気的相互接続構造までの前記第１の絶縁性障壁の上の表面経路長が、前記第１のセルの前記アノードと前記電気的相互接続構造との間の距離の少なくとも２倍である、請求項１６に記載の熱電変換器。
前記第２のセルの前記カソードと前記電気的相互接続構造との間に配置され、前記第１の絶縁性障壁の前記突出とは反対の方向に前記積層物から離れるように突出する第２の絶縁性障壁を備える、請求項１６に記載の熱電変換器。
前記第１の絶縁性障壁がガラスフリットによって前記第１のセルの前記固体電解質部材に固定されている、請求項１６に記載の熱電変換器。
前記第１の絶縁性障壁が実質的に四辺形の断面を有する、請求項１６に記載の熱電変換器。
前記第１の絶縁性障壁が前記第１及び第２のセルの前記固体電解質部材の間に延出する、請求項１６に記載の熱電変換器。