JP2020196929A - コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自己発電による電力を使用することで外部からの商用電力の供給を不要としつつ、夜間や天候不順のときも安定した電力の供給が可能なコンクリート構造物における鋼材の電気防食技術を提供する。【解決手段】コンクリート構造物に設置された陽極材からコンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該鋼防食対象材を防食する電気防食装置であって、陽極材から防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、発電部は、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法に関する。

コンクリート構造物においては、酸素、水、塩化物イオン等の内部浸透によって、その内部に配設されている鉄筋等の鋼材に腐食が発生する。そのような鋼材腐食が発生すると、それに伴う腐食生成物の体積膨張により、コンクリートにひび割れが発生し、腐食をさらに加速させ、鋼材の断面減少等が引き起こされ、最終的には構造物の強度等の諸性能が低下する。そのため、コンクリート構造物における鋼材の腐食を防止する様々な手段が開発されてきており、その中の一つとして電気防食方法が知られている。

電気防食方法は、コンクリート構造物内の鋼材（防食対象鋼材）を陰極とし、当該陰極と、コンクリート構造物の表面又はその表面に切削した溝等に設置された陽極（電気防食用電極）との間に電流（防食電流）を通すことで、防食対象鋼材（陰極）の電位を卑方向に変化させることによって防食する方法である。

電気防食方法には、流電陽極方式と外部電源方式とが知られている。流電陽極方式は、防食対象鋼材よりも自然電位が卑な金属からなる陽極（電気防食用電極）をコンクリート表面等に設置し、当該陽極と防食対象鋼材とを導線等によって電気的に接続し、コンクリートを電解質とする電池作用によって陽極と防食対象鋼材との間に防食電流を生じさせることで鋼材の腐食を防止する方式である。流電陽極方式による電気防食方法は、外部電源装置が不要であるが、陽極（電気防食用電極）を定期的に取り換える必要がある。

一方、外部電源方式は、コンクリート構造物の表面又はその表面に切削した溝等に設置された陽極（電気防食用電極）を外部電源装置のプラス極に接続し、防食対象鋼材を外部電源装置のマイナス極に接続し、外部電源装置により陽極と防食対象鋼材との間に防食電流を流すことで防食を行う方式である。外部電源方式による電気防食方法は、外部電源装置を用いることで長期間にわたって安定した電力を得ることができる反面、外部電源装置から常時電力を供給する必要があり、電気防食に要するコストが嵩みやすい。

これに関連して、太陽電池を電源とする外部電源方式の電気防食方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、太陽電池を電源とする外部電源方式の場合、夜間時や天候不順によって電力の供給が不安定になったり、太陽光が照射しない構造物への適用が難しいといった問題がある。

特開平７−３１６８５０号公報

また、特許文献１には、太陽光線が不足した場合に、予め組み込んだ犠牲陽極回路を外部電源から切り替えて作動させ、定常的に防食を行う方法が開示されているが、この方法では複数の異なる防食方式を組み合わせる必要がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、自己発電
による電力を使用することで外部からの商用電力の供給を不要としつつ、夜間や天候不順のときも安定した電力の供給が可能なコンクリート構造物における鋼材の電気防食技術を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食装置であって、前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、前記発電部は、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含むことを特徴とする。

本発明において、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子は、それぞれフォノニック結晶構造を有していても良い。また、熱電変換モジュールは、薄膜形状を有していても良いし、バルク形状を有していても良い。ここで、前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子は、素子を厚さ方向に貫通するサブマイクロオーダー又はナノオーダーの直径を有する細孔が多数形成されていても良い。

また、本発明において、前記発電部は、複数の前記熱電変換モジュールを含んでいても良い。

また、本発明において、前記熱電変換モジュール同士が電気的に並列又は直列に接続されていても良い。

また、本発明において、前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、前記電極は、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっていても良い。

また、前記熱電変換モジュールは、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とが前記電極を介して交互に直列に接続されることでπ型を呈すると共に、互いに平行に配列される複数のπ型部を含み、前記複数のπ型部において、互いに隣接する一組のπ型部が連結部を介して連結されると共に、前記連結部を介して連結された一組のπ型部が前記支持基板に突設されると共に互いに離間して配置される一対の支持部に支持されることで、当該一組のπ型部が一対の支持部間に架け渡されており、前記連結部を介して連結される一組のπ型部に含まれる前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子の前記低温側端部が前記支持部に支持されると共に、前記高温側端部が前記連結部によって連結されていても良い。

また、本発明において、前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されていても良い。

また、本発明は、コンクリート構造物における鋼材の電気防食方法として特定することができる。すなわち、本発明は、コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食方法であって、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを有する発電部において、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における高温側端部と低温側端部との温度差を利用し
て発電し、当該発電した電力を利用して前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すことを特徴とする。

本発明によれば、自己発電による電力を使用することで外部からの商用電力の供給を不要としつつ、夜間や天候不順のときも安定した電力の供給が可能なコンクリート構造物における鋼材の電気防食技術を提供できる。

図１は、実施形態１に係る電気防食装置および電気防食方法を適用する鉄筋コンクリート構造物の概略側面図である。 図２は、実施形態１に係る橋桁の横断面図である。 図３は、実施形態１に係る電気防食装置を説明する図である。 図４は、実施形態１に係る主桁の設置対象面に設置された発電装置の正面図である。 図５は、実施形態１に係る発電パネルの正面図である。 図６は、実施形態１に係る熱電変換ユニットの平面構造を模式的に説明する図である。 図７は、実施形態１に係る熱電変換ユニットの断面構造を模式的に示す図である。 図８は、実施形態１に係る熱電変換モジュールのブリッジ構造を説明するための図である。 図９は、実施形態１に係る熱電変換モジュールにおいて、ゼーベック効果によって生じた電位差によって流れる電流を説明するための模式図である。 図１０は、作製した熱電変換モジュールの一部を電子顕微鏡で写した像である。 図１１は、トンネルの内壁面に発電装置の発電パネルを設置する例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法について、図面を参照しながら説明する。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る電気防食装置および電気防食方法を適用する鉄筋コンクリート構造物の一例である橋桁１の概略側面図である。橋桁１は、図１に示すように、橋脚２，２の間に架け渡されたものである。図２は、実施形態１に係る橋桁１の横断面図である。橋桁１は、複数の主桁１０をほぼ平行に配列して形成されている。橋桁１は、図２に示す例において、主桁１０の断面形状はほぼＴ型となっており、隣り合う主桁１０の上床版部１０ａの間にＰＣ版１１が設置されている。そして、主桁１０の上床版部１０ａおよびＰＣ版１１の上部にＲＣ床版１２が現場打設されて、連続するコンクリート床版が形成されている。このコンクリート床版の上面には、舗装１３が施されるなどして、路面が形成される。また、主桁１０の端部には、図２に示すように横桁１４が設けられ、複数の主桁１０が一体となっており、これらが支承１５によって橋脚２の上に支持されている。

図３は、実施形態１に係る電気防食装置１００を説明する図である。図３においては、主桁１０の下部領域を図示している。図３の符号４は、主桁１０の鉄筋（主筋）を例示したものである。鉄筋４は、主桁１０の長手方向（橋軸方向）に沿って伸びている。図３の符号５は、コンクリートである。本実施形態における電気防食装置１００は、陽極材６、発電装置７等を備える。本実施形態では、主桁１０の鉄筋４を防食対象鋼材として、電気
防食装置１００によって電気防食する態様について説明する。

図３に示す例において、陽極材６は面状陽極方式を採用しており、コンクリート構造物である主桁１０の表面（ここでの例では底面）に設置されている。陽極材６は、例えばチタンメッシュ等であっても良い。発電装置７は、主桁１０のコンクリート表面である設置対象面５Ａに取り付けられている。本実施形態では、主桁１０の側面を形成するコンクリート側面を設置対象面５Ａとする例を説明するが、他の部位におけるコンクリート表面に発電装置７を設置しても良い。

図４は、実施形態１に係る主桁１０の設置対象面５Ａに設置された発電装置７の正面図である。発電装置７は、複数の発電パネル７０および外部接続装置８０を備える。外部接続装置８０には、外部端子としてのプラス極端子８０Ａおよびマイナス極端子８０Ｂ等を有している。発電パネル７０は、電気絶縁性材料からなる支持基板７１と、支持基板７１に形成された発電部７２と、支持基板７１に設けられた外部端子としてのプラス極端子７３Ａおよびマイナス極端子７３Ｂ等を有している。各発電パネル７０におけるプラス極端子７３Ａおよびマイナス極端子７３Ｂは、それぞれリード線（図示せず）等を介して外部接続装置８０におけるプラス極端子８０Ａおよびマイナス極端子８０Ｂに接続されている。図４中で、一点鎖線で囲まれた領域は、発電パネル７０において発電部７２が形成されている領域を示している。

ここで、発電装置７における発電パネル７０および外部接続装置８０は、適宜の方法を用いて主桁１０の設置対象面５Ａに取り付けられている。本実施形態においては、各発電パネル７０における支持基板７１の裏面が熱伝導性を有する接着材を介して主桁１０の設置対象面５Ａに接着されている。発電パネル７０における発電部７２の詳細構造については後述するが、本実施形態における発電部７２はる熱電変換方式によって発電する熱電変換モジュールを多数備えている。そして、各発電パネル７０において発電された電力は、リード線等を介して外部接続装置８０に供給されるようになっている。

また、図３に示すように、発電装置７における外部接続装置８０のプラス極端子８０Ａは、リード線８１を介して主桁１０のコンクリート表面に設置された陽極材６に接続されることで当該陽極材６と導通している。また、外部接続装置８０のマイナス極端子８０Ｂは、リード線８２を介して主桁１０における防食対象鋼材としての各鉄筋４に接続されることで当該各鉄筋４と導通している。発電装置７は、各発電パネル７０において発電した電力を利用して、外部接続装置８０のプラス極端子８０Ａから陽極材６に直流電流を供給する。ここで、コンクリート５は電解質であるため、発電装置７から陽極材６に供給された直流電流は、コンクリート５を経由して外部接続装置８０のマイナス極端子８０Ｂに接続されている鉄筋４（防食対象鋼材）の表面を流れる。このようにして、防食対象鋼材としての鉄筋４の表面に防食電流を流すことにより、鉄筋４の腐食反応を停止させ、腐食を抑制することができる。

次に、発電パネル７０における発電部７２について詳しく説明する。図５は、実施形態１に係る発電パネル７０の正面図である。発電パネル７０における発電部７２は、支持基板７１の表面に面状の熱電変換ユニット９が多数配列された発電領域である。図５に示すように、発電部７２における複数の熱電変換ユニット９は、支持基板７１の表面上に、縦方向および横方向に沿ってグリッド状に配列されている。熱電変換ユニット９の平面形状および大きさは特に限定されないが、図示の例では、熱電変換ユニット９は各辺が数ｍｍ〜十数ｍｍ程度の矩形平面形状を有している。また、発電パネル７０の支持基板７１についても、その平面形状および大きさは特に限定されないが、図示の例では、支持基板７１は各辺が数１０ｃｍ程度の矩形平面形状を有している。

図６は、実施形態１に係る熱電変換ユニット９の平面構造を模式的に説明する図である。図７は、実施形態１に係る熱電変換ユニット９の断面構造を模式的に示す図である。本実施形態における熱電変換ユニット９は、１又は複数の熱電変換モジュール３を含む。すなわち、本実施形態においては、熱電変換ユニット９に含まれる熱電変換モジュール３の数は特に限定されず、一の熱電変換ユニット９に複数の熱電変換モジュール３が含まれている場合には、当該一の熱電変換ユニット９に含まれる各熱電変換モジュール３が電気的に直列に接続されていても良いし、電気的に並列に接続されていても良い。また、発電部７２に含まれる複数の熱電変換ユニット９間において、各々の熱電変換モジュール３同士が直列に接続されていても良いし、並列に接続されていても良い。

ここでは、熱電変換ユニット９に単一の熱電変換モジュール３が含まれている態様を例に説明する。図６等に示すように、熱電変換モジュール３は、フォノニック結晶構造を有するｎ型熱電変換素子３１とフォノニック結晶構造を有するｐ型熱電変換素子３２とが電極３４Ａ，３４Ｂを介して交互に且つ電気的に直列に接続された、いわゆるπ（パイ）型を呈する薄膜状の熱電変換モジュールである。ここで、フォノニック結晶構造については後から詳述する。なお、図６は、熱電変換モジュール３の部分拡大図であり、熱電変換モジュール３の一部だけが図示されている。

図６中の符号３３は、熱電変換モジュール３に含まれる「π型部」である。図６に示す例では、熱電変換モジュール３は、電気的に直列に接続される複数のπ型部３３を含んで構成されている。但し、本実施形態において、熱電変換モジュール３は単一のπ型部３３によって形成されていても良い。図６に示す例において、熱電変換モジュール３における各π型部３３は、同一方向に延伸している。以下、各π型部３３の延伸方向を「π型部延伸方向Ｄ１」と呼ぶ。ここで、熱電変換モジュール３における各π型部３３は、互いに平行に配置されている。より具体的には、熱電変換モジュール３における各π型部３３は、π型部延伸方向Ｄ１と直交する「π型部配列方向Ｄ２」に並んで配置されている。従って、モジュール全体としては、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２がマトリックス状に配置されて熱電変換モジュール３が形成されている。なお、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の大きさは特に限定されないが、例えば、１辺が数１０μｍの矩形形状を有していても良い。

熱電変換モジュール３の各π型部３３において、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２が、π型部延伸方向Ｄ１に沿って交互に隣り合うように配置されており、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の端部同士が電極３４Ａ，３４Ｂによって接合されている。ここで、図６に示す符号３１Ａ，３２Ａは、電極３４Ａを介して互いに接続される一組のｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２のそれぞれの高温側端部である。また、図６に示す符号３１Ｂ，３２Ｂは、電極３４Ｂを介して互いに直列に接続される一組のｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２のそれぞれの低温側端部である。

電極３４Ａおよび電極３４Ｂは、熱電変換素子１個分だけずれた状態で配置されており、このような電極配置にすることで、π（パイ）型の熱電変換モジュール３（π型部３３）が形成されている。本実施形態においては、各π型部３３に含まれるｎ型熱電変換素子３１の高温側端部３１Ａとｐ型熱電変換素子３２の高温側端部３２Ａの位置がπ型部配列方向Ｄ２において互いに揃えられている。また、各π型部３３に含まれるｎ型熱電変換素子３１の低温側端部３１Ｂとｐ型熱電変換素子３２の低温側端部３２Ｂの位置がπ型部配列方向Ｄ２において互いに揃えられている。そして、本実施形態における熱電変換モジュール３は、ｎ型熱電変換素子３１における高温側端部３１Ａから低温側端部３１Ｂに向けて、双方の温度差に基づいて熱伝導が行われ、ｐ型熱電変換素子３２の高温側端部３２Ａから低温側端部３２Ｂに向けて、双方の温度差に基づいて熱伝導が行われるようになって
いる。以下、ｎ型熱電変換素子３１における高温側端部３１Ａと低温側端部３１Ｂを結ぶ方向、および、ｐ型熱電変換素子３２における高温側端部３２Ａと低温側端部３２Ｂを結ぶ方向を「熱伝導方向」と呼ぶ。なお、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における熱伝導方向は、π型部配列方向Ｄ２と一致している。

また、図６においては、図示されているｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２のうち、一部の高温側端部３１Ａ，３２Ａ、低温側端部３１Ｂ，３２Ｂのみについて、便宜上、符号を表記している。また、図６においては、一部の電極３４Ａ，３４Ｂのみについて、これらの符号を表記している。

次に、熱電変換ユニット９の断面構造について、図７を参照して説明する。図７に示すように、熱電変換ユニット９における熱電変換モジュール３は、支持基板７１上に配置されている。また、図７に示すように、支持基板７１には、複数の支持部７１０が隆起するように突設されており、この支持部７１０によって熱電変換モジュール３が支持されている。なお、図７に示す断面構造図は、図６に示すＡ−Ａ矢視断面における断面を示している。支持基板７１に突設される支持部７１０は、熱電変換ユニット９におけるπ型部延伸方向Ｄ１に沿って延伸配置されている。また、各支持部７１０は、π型部配列方向Ｄ２に対して一定間隔毎に配置されている。また、支持基板７１における表面のうち、各支持部７１０によって挟まれた領域は、支持部７１０に対して相対的に表面が凹んだ凹表面領域７１１が形成されている。そのため、支持基板７１の表面が隆起する支持部７１０に熱電変換モジュール３の背面Ｓ１が支持されることで、熱電変換モジュール３の背面Ｓ１と、支持基板７１における凹表面領域７１１との間には、空洞部７１２が形成されている。

本実施形態における支持基板７１は、上記のように電気絶縁性材料によって形成されている。本実施形態においては、支持基板７１をシリコン基板によって形成しているが、シリコンと異なる半導体や、銅やアルミニウムなどの金属、炭化ケイ素などのセラミックス、炭素系材料、高熱伝導性樹脂など、他の材料によって支持基板７１を形成しても良い。また、支持部７１０は、例えば、支持基板７１を形成するシリコン基板上に積層された薄膜状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）絶縁膜によって形成されている。本実施形態において、支持部７１０が絶縁性材料によって形成されていれば、支持基板７１は電気伝導性を有していても良い。

図７中の符号３００は、熱電変換モジュール３を形成するためのシリコン薄膜材料である。シリコン薄膜材料３００は、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２を形成するドープ領域Ｒ１と、非ドープ領域Ｒ２とを含む。ドープ領域Ｒ１は、シリコン原子にドーパントを混ぜることでｎ型又はｐ型にドープした領域である。すなわち、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１は、例えば、シリコン原子にリン（Ｐ）など５価の原子をドーパントとして注入することによってｎ型にドープした領域によって形成したものであり、電子をキャリアとする半導体素子である。一方、熱電変換モジュール３におけるｐ型熱電変換素子３２は、シリコン原子にホウ素（Ｂ）など３価の原子をドーパントとして注入することによってｐ型にドープした領域によって形成したものであり、ホール（正孔）をキャリアとする半導体素子である。一方、シリコン薄膜材料における非ドープ領域Ｒ２は、シリコン原子がドープされていない領域であり、真性半導体として形成されている。本実施形態において、シリコン薄膜材料３００における非ドープ領域Ｒ２には、絶縁膜が成膜されている。なお、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の端部同士を接合する電極３４Ａ，３４Ｂは、シリコン薄膜材料３００のドープ領域Ｒ１上に、例えばアルミニウム電極を蒸着するなどして形成することができる。

ここで、図７に示すように、熱電変換モジュール３は、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ
型熱電変換素子３２の各低温側端部３１Ｂ，３２Ｂが支持基板７１における支持部７１０上に載置されることで支持されている。一方、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の各高温側端部３１Ａ，３２Ａは、支持基板７１における支持部７１０間に位置する凹表面領域７１１から離間した状態で当該凹表面領域７１１の上部に配置されている。すなわち、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の各高温側端部３１Ａ，３２Ａは、支持基板７１と非接触の状態で配置されている。

また、本実施形態における熱電変換モジュール３は、π型部配列方向Ｄ２に隣接する一対のπ型部３３同士が、シリコン薄膜材料３００における非ドープ領域Ｒ２によって形成される連結部３１０を介して連結されている。連結部３１０は、π型部配列方向Ｄ２に隣接する一対のπ型部３３のうち、一方のπ型部３３におけるｎ型熱電変換素子３１の高温側端部３１Ａと、他方のπ型部３３におけるｐ型熱電変換素子３２の高温側端部３２Ａ同士を連結している。上記のように構成される熱電変換モジュール３は、連結部３１０を介して連結された一対のπ型部３３が支持部７１０に支持されることで、凹表面領域７１１（空洞部７１２）上に架け渡されたブリッジ構造となっている。

図８は、実施形態１に係る熱電変換モジュール３のブリッジ構造を説明するための図である。このようなブリッジ構造によれば、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の各高温側端部３１Ａ，３２Ａは、支持基板７１と非接触の状態で配置されるため、空気を介して外部環境（外部雰囲気）に晒され易くなる。一方、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の各低温側端部３１Ｂ，３２Ｂは、支持部７１０に支持されることで、支持基板７１を介して主桁１０（コンクリート構造物）における設置対象面５Ａの温度が伝達され易くなる。その結果、主桁１０（コンクリート構造物）における設置対象面５Ａの表面温度と、その周辺の雰囲気温度（例えば、外気温）との温度差を利用して、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１の高温側端部３１Ａと低温側端部３１Ｂとの間に温度差を生じさせることができる。同様に、ｐ型熱電変換素子３２の高温側端部３２Ａと低温側端部３２Ｂとの間に温度差を生じさせることができる。その結果、ゼーベック効果によって、上記熱電変換素子両端の温度差に比例した電位差（電圧）を生じさせることができる。なお、本実施形態においては、支持基板７１とシリコン薄膜材料３００の間に空洞部７１２を形成することで当該空洞部７１２に空気を介在させる構造を採用しているが、例えば樹脂やエアロゲルなどからなる熱伝導率の低い低熱伝導率材料を空洞部７１２に充填する構造を採用しても良く、そのような構造を採用することで、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における高温側端部３１Ａ，３２Ａと低温側端部３１Ｂ，３２Ｂとの間に温度差を好適に生じさせることができる。

本実施形態においては、発電装置７における発電パネル７０が主桁１０のコンクリート表面である設置対象面５Ａに対して熱伝導性接着材を用いて取り付けられている。また、一般に、外気温に比べてコンクリート表面温度の方が低温であると考えられる。従って、発電パネル７０の発電部７２に配置される各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）においては、ｎ型熱電変換素子３１における低温側端部３１Ｂが高温側端部３１Ａよりも相対的に低温になり、高温側端部３１Ａから低温側端部３１Ｂに向けて熱伝導が起こる。同様に、ｐ型熱電変換素子３２における低温側端部３２Ｂが高温側端部３２Ａよりも相対的に低温になり、高温側端部３２Ａから低温側端部３２Ｂに向けて熱伝導が起こる。

図９は、実施形態１に係る熱電変換モジュール３において、ゼーベック効果によって生じた電位差によって流れる電流を説明するための模式図である。ｎ型熱電変換素子３１は、マイナスの電荷を持つ電子の数がプラスの電荷を持つホール（正孔）より多いため、高温側端部３１Ａおよび低温側端部３１Ｂの温度差に応じて、高温側端部３１Ａから低温側端部３１Ｂに向かって電子が拡散してゆく（図９中、破線矢印にて図示）。その結果、ｎ
型熱電変換素子３１においては、高温側端部３１Ａが低温側端部３１Ｂよりも高電位となる。

一方、ｐ型熱電変換素子３２は、ホール（正孔）の数が電子より多いため、高温側端部３２Ａおよび低温側端部３２Ｂの温度差に応じて、高温側端部３２Ａから低温側端部３２Ｂに向かってホール（正孔）が拡散してゆく（図９中、鎖線矢印にて図示）。その結果、ｐ型熱電変換素子３２においては、低温側端部３２Ｂが高温側端部３２Ａよりも高電位となる。以上のようなメカニズムにより、本実施形態における熱電変換モジュール３は、図９に示す実線矢印の方向に向かって電流を流れる。なお、図９中、蛇行状に示す太実線は、熱電変換モジュール３の各熱電変換素子３１，３２、電極３４Ａ，３４Ｂを電路として流れる電流の流れを模式的に示したものである。

ここで、図９に示す符号９１は、各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）におけるプラス極端子であり、符号９２は、各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）におけるマイナス極端子である。プラス極端子９１は、熱電変換モジュール３において、高電位側に位置する方の端部を形成する熱電変換素子（図９に示す例では、符号３２（Ｘ）で示すｐ型熱電変換素子が該当）の電極（図９に示す例では、電極３４Ｂ）に接続されている。また、マイナス極端子９２は、熱電変換モジュール３において、低電位側に位置する方の端部を形成する熱電変換素子（図９に示す例では、３１（Ｘ）で示すｎ型熱電変換素子が該当）の電極（図９に示す例では、電極３４Ｂが該当）に接続されている。そして、各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）におけるプラス極端子９１およびマイナス極端子９２は、例えばリード線などを介して、図５に示す発電パネル７０のプラス極端子７３Ａおよびマイナス極端子７３Ｂにそれぞれ接続されている。これにより、各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）によって発電された電力を、外部接続装置８０に送電することができる。なお、ここでの説明では、一の発電パネル７０に含まれる各熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）をすべて並列接続する場合を例に説明しているが、その一部又は全部が直列に接続されていても良い。

次に、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２のフォノニック結晶（Phononic crystal, PnC）構造について説明する。ここで、フォ
ノニック結晶構造は、異種弾性体の周期構造より構成される人工結晶である。また、フォノニック結晶構造は、異種弾性体がフォノンの波長オーダーの長さで周期的に配列した結晶構造ということもできる。ここで、フォノン（「熱フォノン」と呼ばれる場合もある）とは、固体中において熱を輸送する粒子であり、フォノンが固体中を高温側から低温側に伝播することで、固体中における熱伝導が行われる。本実施形態においては、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２にサブマイクロオーダー又はナノオーダーで周期的に整列した貫通孔を多数形成することで、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２をフォノニック結晶構造としている。

図１０は、作製した熱電変換モジュール３の一部を電子顕微鏡で写した像である。図１０に示すように、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２には、多数（複数）の細孔Ｃが周期的に配列されている。細孔Ｃは、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２を厚さ方向に貫通しており、本実施形態では円形の横断面形状を有する円孔として形成されている。細孔Ｃの直径は、サブマイクロオーダー又はナノオーダーの寸法に設計されている。ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２に対する細孔Ｃの形成は、半導体微細加工技術を用いて行うことができる。なお、図８において、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における細孔Ｃを模式的に図示しているが、図６、図７、図９等においては細孔Ｃの図示を省略している。

ところで、熱電変換の性能指数ＺＴは、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導率σ、熱伝導率ｋ
、温度差Ｔを用いると下記（１）式のように表される。
ＺＴ＝Ｓ^２×σ×Ｔ／ｋ ・・・（１）
ここで、Ｓ[Ｖ／Ｋ]：ゼーベック係数、σ[１／Ωｍ]：電気抵抗率、ｋ[Ｗ／（ｍＫ）]：熱伝導率

従って、熱電変換モジュール３における熱電変換効率を高めるためには、熱伝導率を低減することが重要なファクターとなる。これに対して、本実施形態の熱電変換モジュール３においては、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２をフォノニック結晶構造とし、多数の細孔Ｃを配列するようにした。これによれば、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２において、高温側端部３１Ａから低温側端部３１Ｂに向かってフォノンが輸送される際、細孔Ｃによってフォノンが散乱されるため、フォノンの輸送を著しく阻害することができる。その結果、熱電変換モジュール３におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の熱伝導率を大幅に低減することができ、故に、熱電変換材料の両端に発生する温度差が大きくなり、熱電変換効率（発電効率）を高めることができる。

なお、本実施形態におけるｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２において、細孔Ｃ同士の間隔は、フォノンの平均自由行程より小さい寸法に設定されていることが好ましい。フォノンの平均自由行程とは、フォノンが、散乱源による散乱（衝突）で妨害されることなく進むことのできる距離（自由行程）の平均値として定義される。例えば、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における細孔Ｃ同士の間隔は、数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であっても良い。細孔Ｃ同士の間隔を、フォノンの平均自由行程より小さい寸法に設定することで、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２においてフォノンをより一層散乱させることができる。その結果、熱電変換モジュール３の熱電変換効率（発電効率）をより一層向上することができる。

以上のように構成される熱電変換モジュール３を有する発電装置７および当該発電装置７を備えた電気防食装置１００によれば、鉄筋４（防食対象鋼材）の表面に防食電流を流すための電力を、熱電変換モジュール３において好適に発電することができる。よって、外部電源装置から常時電力を供給する必要がなく、鉄筋４の電気防食に要するコストを低減することができる。また、流電陽極方式による電気防食方法と異なり、陽極（電気防食用電極）を定期的に取り換える必要がなく、メンテナンス性に優れている。

また、本実施形態における熱電変換モジュール３は、コンクリート構造物のコンクリート表面温度と、周辺の雰囲気温度（例えば、外気温）との温度差を利用して発電を行うことができるため、昼夜を問わず、また、天候にも影響されず、安定的に発電を行うことができる。すなわち、本実施形態に係る電気防食装置１００によれば、夜間や天候不順のときも安定して、常時、鉄筋４（防食対象鋼材）の表面に防食電流を流すことができる。特に、本実施形態における熱電変換モジュール３は、上記のようにフォノニック結晶構造を採用しているため、熱電変換効率（発電効率）を好適に高めることができる。

更に、本実施形態における電気防食装置１００の発電装置７によれば、温度差を利用して熱電変換モジュール３が発電を行うため、発電パネル７０を設置する場所を選ばず、設置場所を選択する際の自由度が高い。すなわち、主桁１０の底面等、日射の届き難い場所に設置しても、環境温度差を利用して安定的に発電を行うことができる。従って、図４等に示す例では、主桁１０のコンクリート側面に発電装置７（発電パネル７０）を設置する態様について説明したが、主桁１０の底面等、他の部位に発電装置７（発電パネル７０）を設置しても良い。

また、本実施形態における電気防食装置１００の発電装置７においては、発電パネル７
０を、鉄筋４（防食対象鋼材）を含むコンクリート構造物のコンクリート表面に直接取り付けることができるので、コンクリート構造物から離れた外部電源装置から送電する場合に比べて、送電ロスが起こることを抑制できる。

次に、本実施形態における発電装置７が備える熱電変換モジュール３によって発電可能な発電能力について評価する。

ここで、電気化学的防食工法 設計施工指針（案）[土木学会]（以下、単に「設計施工指針」という）によると、電気防食工法において、鋼材の防食に必要な防食電流の電流密度は０．００１〜０．０３Ａ／ｍ^２（０．１〜３μＡ／ｃｍ^２）程度が一般的で、防食電流の通電電圧は１〜５Ｖ程度が一般的である旨が記載されている。

これに対して、発電装置７における発電パネル７０を設置するコンクリート構造物における設置対象面５Ａの表面温度と、その周辺の雰囲気温度（例えば、外気温）との温度差（環境温度差）を２℃、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における高温側端部３１Ａ，３２Ａと低温側端部３１Ｂ，３２Ｂとの温度差を１℃と仮定した場合に、３０μＷ／ｃｍ^２程度の電力が得られるというシミュレーション結果が得られた。

また、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における高温側端部３１Ａ，３２Ａと低温側端部３１Ｂ，３２Ｂとの温度差を１℃とした場合、一対の熱電変換素子（１組のｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２）当たり約３００μＶの電位差が発生するという結果が得られている。図１０に示すように、実際に作製した熱電変換モジュール３は、一対の熱電変換素子（１組のｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２）の大きさは短辺寸法が約３０μｍ、長辺寸法が約４０μｍであるため、１ｃｍ^２当たり８万対の熱電変換素子を敷き詰めることが可能である。この場合、８万対の熱電変換素子を直列に接続することで、約２４Ｖの電位差を生じさせることができる（８００００対×３００μＶ×１０^−６＝２４Ｖ）。

上記のように算出された２４Ｖは、本設計施工指針において防食電流の通電電圧として要求される１〜５Ｖよりも大きい。そのため、熱電変換素子対（ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２の組数）を直列に接続する組数（段数）を調整することで、本設計施工指針において要求される防食電流の通電電圧を容易に得ることができる。また、実用上は、１ｃｍ^２当たりに複数の熱電変換モジュール３を配置し（例えば、５ｍｍ角の領域ごとに１つの熱電変換モジュール３を配置）、これら複数の熱電変換モジュール３を並列に接続することで、熱電変換モジュール３毎において発生する電位差が１〜５Ｖの範囲となるように調整すると良い。

次に、熱電変換モジュール３によって得られる電流の電流密度について算出すると、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２における高温側端部３１Ａ，３２Ａと低温側端部３１Ｂ，３２Ｂとの温度差を１℃と仮定し、電流の通電電圧を１〜５Ｖの範囲となるように熱電変換素子対の組数を調整した場合に、下記（２）式に、電力Ｗ＝３０μＷ／ｃｍ^２、電圧Ｖ＝１〜５Ｖを代入すると、Ａ＝６〜３０μＡ／ｃｍ^２の電流が得られることがわかる。
Ａ（電流）＝Ｗ（電力）／Ｖ（電圧） ・・・（２）

従って、熱電変換モジュール３によって、本設計施工指針において要求される防食電流の電流密度を容易に得ることができることがわかる（６〜３０μＡ／ｃｍ^２＞０．１〜３μＡ／ｃｍ^２）。

以上のように、フォノニック結晶構造を有する本発明に係る熱電変換モジュール３によ
れば、本設計施工指針で要求される通電電圧、電流密度を満足する電流を容易に得ることができる。

なお、本実施形態では、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２において配列する細孔Ｃを円孔とする例を説明したが、細孔Ｃの形状は特に限定されない。また、本実施形態においては、ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２が、それぞれフォノニック結晶構造を有する形態を例に説明したが、必ずしもフォノニック結晶構造を有していていなくても良い。ｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２として、フォノニック結晶構造を採用しない場合、細孔Ｃはフォノニック結晶のように周期性を持たなくてもよい。また、本実施形態では、シリコン薄膜材料３００におけるシリコン原子をｎ型又はｐ型にドープすることでｎ型熱電変換素子３１およびｐ型熱電変換素子３２を形成するようにしたが、シリコン材料の代わりに、例えばＧｅ、ＳｉＧｅ、ＣｒＳｉ_２、ＦｅＳｉ_２、ＭｎＳｉ、Ｍｇ_２Ｓｉ、Ｍｇ_２Ｇｅ、ＣｏＳｂ_３、ＡｇＳｂＴｅ_２、ＳｎＴｅ、ＰｂＴ等を使用しても良い。なお、本実施形態においては、熱電変換モジュール３を薄膜状に形成する形態を例に説明したが、これには限定されない。例えば、熱電変換モジュール３をバルク状に形成しても良い。

また、本実施形態の発電装置７は、熱電変換モジュール３における温度差を利用して得られた防食電流の電圧を昇圧するための昇圧器（昇圧回路）を備えていても良い。これにより、環境温度差が小さい状況下においても、上記設計施工指針で要求される電圧を容易に確保することができる。また、発電装置７は、整流器（整流回路）を備えていても良い。これにより、発電装置７における発電パネル７０を設置する設置対象面５Ａの表面温度が、その周辺の雰囲気温度（例えば、外気温）よりも高くなった場合においても、防食電流が逆方向に流れてしまうことを抑制できる。

また、本実施形態における電気防食装置１００の発電装置７は、熱電変換ユニット９（熱電変換モジュール３）に加えて、太陽光発電装置や振動発電装置を更に備えていても良い。太陽光や、電気防食装置１００を設置するコンクリート構造物の振動を利用することで、防食対象鋼材に対し安定して防食電流を供給できる。なお、上述した振動発電装置は、例えば圧電素子を備えたものを採用しても良く、例えば、橋桁１を車両が通行する際の振動等を利用して発電することができる。また、本実施形態における電気防食装置１００は、発電装置７によって発電した電力を蓄電するコンデンサーや二次電池などの蓄電装置を更に備えていても良い。これらによれば、防食対象鋼材に、より安定的に防食電流を供給することができる。

なお、上記実施形態では、主桁１０の鉄筋４を防食対象鋼材とする例を説明したが、これには限定されないのは勿論である。すなわち、本実施形態における電気防食装置１００は、種々のコンクリート構造部における鋼材の電気防食に適用することができる。例えば、本実施形態における電気防食装置１００を、図１１に示すトンネル２００の覆工コンクリート２１０に含まれる鉄筋などの鋼材を電気防食するために用いても良い。この場合、トンネル２００の内空側の内壁面２２０に、発電装置７（発電パネル７０）を設置することが好ましい。すなわち、トンネル２００の内空側は、例えば、トンネル２００を通行する車両の排気ガス等の影響で温度が比較的高く、トンネル２００の内壁面２２０の温度との温度差を確保しやすい。その結果、環境温度差を十分に確保しやすく、熱電変換モジュール３における熱電変換効率（発電効率）を好適に高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明に係るコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法は、種々の変形例を採用することができる。

１・・・橋桁
２・・・橋脚
３・・・熱電変換モジュール
４・・・鉄筋
５・・・コンクリート
６・・・陽極材
７・・・発電装置
９・・・熱電変換ユニット
Ｃ・・・細孔
３１・・・ｎ型熱電変換素子
３２・・・ｐ型熱電変換素子
３３・・・π型部
７０・・・発電パネル
７１・・・支持基板
７２・・・発電部
８０・・・外部接続装置
３１０・・・連結部
７１０・・・支持部
３１Ａ，３２Ａ・・・高温側端部
３１Ｂ，３２Ｂ・・・低温側端部
３４Ａ，３４Ｂ・・・電極

Claims (9)

1. コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食装置であって、
   前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、
   前記発電部は、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含む、
   コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
2. 前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子は、それぞれフォノニック結晶構造を有する、請求項１に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
3. 前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子は、素子を厚さ方向に貫通するサブマイクロオーダー又はナノオーダーの直径を有する細孔が多数形成されている、
   請求項１又は２に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
4. 前記発電部は、複数の前記熱電変換モジュールを含む、請求項１から３の何れか一項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
5. 前記熱電変換モジュール同士が電気的に並列又は直列に接続されている、請求項４に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
6. 前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、
   前記電極は、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、
   前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっている、
   請求項１から５の何れか一項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
7. 前記熱電変換モジュールは、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とが前記電極を介して交互に直列に接続されることでπ型を呈すると共に、互いに平行に配列される複数のπ型部を含み、
   前記複数のπ型部において、互いに隣接する一組のπ型部が連結部を介して連結されると共に、前記連結部を介して連結された一組のπ型部が前記支持基板に突設されると共に互いに離間して配置される一対の支持部に支持されることで、当該一組のπ型部が一対の支持部間に架け渡されており、
   前記連結部を介して連結される一組のπ型部に含まれる前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子の前記低温側端部が前記支持部に支持されると共に、前記高温側端部が前記連結部によって連結されている、
   請求項６に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
8. 前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されている、
   請求項１から７の何れか一項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
9. コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食方法であって、
   ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを有する発電部において、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子における高温側端部と低温側端部との温度差を利用して発電し、当該発電した電力を利用して前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流す、
   コンクリート構造物における鋼材の電気防食方法。

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