JP2866926B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーから
直接電気エネルギーを得る直接発電方式による発電装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルカリ金属熱電変換の発電原理は、１
９６９年にJ.T.Kummerにより提案された（米国特許第
３，４５８，３５６号明細書）ものであり、温度差によ
って生じるアルカリ金属の蒸気圧差をアルカリ金属イオ
ン固体電解質を用いることで起電力に変換するものであ
る。

【０００３】図４は、従来の発電装置の一例を示す構成
図で、１はβ″アルミナ等からなる固体電解質チューブ
で、その外周面に設けられた多孔性電極２，固体電解質
チューブ１の外側を囲むチューブ状の容器３，ポンプ
４，導管５，正極リード６，負極リード７を備え、固体
電解質チューブ１内にはアルカリ金属である高温に加熱
されるナトリウム８が収納され、容器３，導管５内には
低温に保持されるナトリウム９が収納されてアルカリ金
属熱電発電装置が構成されている。

【０００４】多孔性電極２付近をヒータ等の加熱手段
（図示せず）等で加熱すると、固体電解質チューブ１内
部のナトリウム８は昇温して蒸気圧が高まり、固体電解
質チューブ１の内周面で電子を放出してイオンとなり、
固体電解質チューブ１の内部を移動して固体電解質チュ
ーブ１の外周面へと向かう。一方、放出された電子は負
極リード７から外部負荷回路（図示せず）に直流電力を
発生させ、正極リード６により多孔性電極２へと流れ
る。ナトリウムイオンと電子は多孔性電極２と固体電解
質チューブ１の界面で再度結合して中性原子となり、容
器３内部へ蒸気として拡散する。容器３を冷却するとナ
トリウム８の蒸気は容器３内面で凝縮して液体となりナ
トリウム９のように底部３ａに溜るので、ポンプ４で昇
圧し、導管５により再び固体電解質チューブ１内へ供給
する。このようなサイクルを構成することで、連続的に
熱エネルギーを電力に変換することができる。

【０００５】また、ナトリウム８を循環させるためのポ
ンプ４は、従来電磁ポンプを使うのが一般的であるが、
特開平６−１６３０８９号公報に開示されているように
固体電解質を利用する電気化学ポンプに置き換えると、
自ら発電した電力でナトリウム８を循環させることがで
きる。

【０００６】図５は、従来の発電装置の他の例を示す構
成図で、上記特開平６−１６３０８９号公報の「アルカ
リ金属熱電発電装置」からの抜粋であり、図５で図４と
同一符号は同一部分を示し、１１は固体電解質、１２は
加熱容器、１３は凝縮容器、１４は溜め部、１５は電気
化学ポンプ部である。

【０００７】すなわち、正・負極リード６，７からなる
発電部と電気化学ポンプ部１５とが電気回路的に直列に
なっていれば、発電により消費されるナトリウム８の量
と電気化学ポンプ部１５から送出されるナトリウム９の
量とが一致するので、循環ポンプ用の電源や運転制御装
置を不要にすることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示す
ようにポンプ４を発電槽である容器３の外に置き、容器
３の底部３ａの凝縮部に蓄積した液体のナトリウム９を
導管５によりポンプ４に導き、昇圧後再び導管５により
発電槽である固体電解質チューブ１に戻す方式は、構成
が複雑で装置が大型化する上、導管５やポンプ４をナト
リウム９が凝固しない温度に保持する必要がある。さら
に発電部を構成する固体電解質チューブ１と容器３をつ
なぐ導管５、また固体電解質チューブ１，容器３と導管
５の間の接合材料がナトリウム８，９により腐食されや
すく、これらが破損してリークを生じたり、溶出成分で
ナトリウム８，９が汚染されることがある。さらに、接
合部分は、各材料の熱膨張係数の違いのため温度変化に
より破損しやすい問題点があった。

【０００９】また、図５に示す従来例においては、装置
が大型化し、ナトリウム８が凝固しない温度に保持した
り、溜め部１４と加熱容器１２を接続する導管５やその
接合部分が腐食されやすい点は図４の場合と同様の問題
点であった。

【００１０】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、簡単な構成で、高い出力密度と信頼性と
を有する熱電変換による発電装置を得ることを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体電解質チ
ューブの上方に発電部を、下方に電気化学ポンプ部を一
体に形成したものであり、従来から使用されていた固体
電解質チューブと容器とを接続する導管を不要とし、そ
の接合部に対してアルカリ金属による腐食の発生や温度
変化により破損するという問題点を取り除いたものであ
る。

【００１２】また、容器を金属で形成し、負極リードを
直接接続したものである。

【００１３】さらに、固体電解質チューブ内のアルカリ
金属中の熱流を小さくするため、固体電解質チューブの
内部に中空部または断熱材からなる断熱部を形成したも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の発電装置は、ナトリウム
のようなアルカリ金属を収納した密閉された固体電解質
チューブを容器内に設け、多孔性電極を固体電解質チュ
ーブの上部外周面に取り付ける。ナトリウムが昇温して
固体電解質チューブを抜けて容器内に移動した後、冷却
され容器の下方に貯溜される。貯溜されたナトリウムは
負極リードを取り付けた電気化学ポンプ部により固体電
解質チューブ内に移動した後、発電部へと循環するの
で、従来取り付けられていた導管が不要となる。

【００１５】

【実施例】

〔実施例１〕図１は、本発明の第１の実施例を示す構成
図で、図４と同一符号は同一部分を示す。β″アルミナ
等のアルカリ金属イオン導電性を示す固体電解質チュー
ブ２１の中ほどより上部の外周面に、窒化チタン，モリ
ブデン，白金など耐熱・耐アルカリ金属性の材料からな
る多孔性電極２２を取り付けるとともに、正極リード６
を接続する。固定電界質チューブ２１内にはアルカリ金
属であるナトリウム８を充填する。

【００１６】多孔性電極２２付近を各種高温熱源（図示
せず）により加熱する（６００〜１０００℃）と、図４
の従来例の場合と同様に多孔性電極２２付近では固体電
解質チューブ２１内のナトリウム８は電子を放出してイ
オンとなり、固体電解質チューブ２１中を多孔性電極２
２に向かって移動する。一方、放出された電子は負極リ
ード７から外部負荷回路（図示せず）に直流電力を発生
させ、正極リード６により多孔性電極２２へと流れる。
ナトリウムイオンは多孔性電極２２から電子を受け取っ
て中性原子となり蒸発する。このようにして固体電解質
チューブ２１に多孔性電極２２を取り付けた部分が発電
部２４となる。

【００１７】容器２３の下部を冷却により低温（１００
〜３００℃）に保っておくと、多孔性電極２２から発生
したナトリウム蒸気はそこで冷却されて凝縮し、液体の
ナトリウム９となって底部２３ａに溜る。そして、この
液体のナトリウム９に負極リード７を接続する。正・負
極リード６，７間が外部負荷回路を経由して電気的に接
続されている場合には固体電解質チューブ２１内のナト
リウム８に対して、固体電解質チューブ２１外のナトリ
ウム９は正の電位を持つ。そのため固体電解質チューブ
２１のチューブ外の液体のナトリウム９に浸っている部
分が電気化学ポンプとして作用し、ナトリウム９を固体
電解質チューブ２１の外側から内側への向かって移動さ
せる。このようにナトリウム９の移動部分が電気化学ポ
ンプ部２５を形成する。固体電解質チューブ２１内に戻
ったナトリウム８は図４，図５に示す導管５等を経由す
ることなく再び発電部２４へと循環する。発電部２４と
電気化学ポンプ部２５とは回路的に直列になるため両者
に流れる電気量は一致し、発電部２４で消費されるナト
リウム８の量と電気化学ポンプ部２５で固体電解質チュ
ーブ２１内に送られるナトリウム９の量は一致するので
電気化学ポンプ部２５の運転制御は不要となる。

【００１８】〔実施例２〕図２は、本発明の第２の実施
例を示す構成図で、図１と同一符号は同一部分を示し、
容器２３をステンレス鋼など耐ナトリウム性があり、か
つ導電性を持つ金属で形成したもので、この構成にする
と、負極リード７を図１のように容器２３内部に差し込
まなくても、図２のように容器２３から直接電流を取り
出すことができる。一方、固体電解質チューブ２１は上
部は加熱され下部は冷却されて温度差が生じるため、上
方から下方への熱流が発生するが、これは発電には寄与
せず熱効率低下の原因となる。この問題に対しては、図
２のように固体電解質チューブ２１の内部に固体電解質
チューブ２１の内径より小さく、かつ熱伝導率の小さな
断熱材２６を挿入するか、あるいは図示はされないが断
熱材２６とほぼ同一の大きさの中空部を設けるかして断
熱部を形成して充填されたナトリウム８中を伝わる熱流
を最小限にすれば、熱効率低下を防ぐことができる。

【００１９】〔実施例３〕図３は、本発明の第３の実施
例を示す構成図である。この図においては、図２の例に
見られるように容器２３から正・負極リード６，７が出
ているだけの簡単な形状の発電装置のユニット２７を作
製できるので、複数のユニット２７を組み合わせて直・
並列化することも容易である。図３は複数のユニット２
７を直列化した例である。容器２３が導電性であれば各
ユニット２７間を接続するリード２８は短くでき、リー
ド２８による抵抗損失を最小限にすることができる。ま
た、共通の高温熱源２９と低温熱源３０により各ユニッ
ト２７を上方から加熱し下方から冷却することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、固体電解
質チューブの上部に発電部と、下部にに電気化学ポンプ
部とを一体に形成したので、コンパクトで出力密度が高
く、信頼性が高い熱電変換器を作成できる。そして、高
度な技術を要する固体電解質チューブとアルカリ金属循
環用導管の接合を省略できるので、装置の制作も従来よ
り簡単でコストも低減できる。

【００２１】また、容器を金属で形成して負極リードを
接続したので、容器から直接電流を取り出すことができ
る。また、固体電解質チューブの中に断熱部を形成し
て、アルカリ金属中の熱流を少なくしたので、アルカリ
金属熱電変換の熱効率の低下を防ぐことができる。

【００２２】また、発電装置のユニットは円筒形など単
純な形状にできるので、複数のユニットを組み合わせて
直・並列化し、大容量発電装置を構築することも容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す断面略図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施例の構成を示す断面略図で
ある。

【図３】本発明の第３の実施例の構成を示す断面略図で
ある。

【図４】従来のアルカリ金属熱電発電装置の一例の構成
を示す断面略図である。

【図５】従来のアルカリ金属熱電発電装置の他の例の構
成を示す断面略図である。

【符号の説明】

６ 正極リード ７ 負極リード ８ ナトリウム ９ ナトリウム ２１ 固体電解質チューブ ２２ 多孔性電極 ２３ 容器 ２４ 発電部 ２５ 電気化学ポンプ部 ２６ 断熱材 ２７ ユニット ２８ リード ２９ 高温熱源 ３０ 低温熱源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 根岸 明 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (56)参考文献 特開 平６−163089（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−253561（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 14/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルカリ金属を収納し、上方が加熱され
   下方が冷却される密閉された固体電解質チューブを容器
   内に設け、前記電解質チューブの上部外周面に多孔性電
   極を設け、この多孔性電極に正極リードを取り付けて発
   電部を形成するとともに、前記容器の下部に貯溜された
   前記アルカリ金属を前記固体電解質チューブ内へ移動さ
   せるため、前記アルカリ金属に接続された負極リードを
   有する電気化学ポンプ部を前記固体電解質チューブの下
   部に形成したことを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】 容器は導電性を有する金属で形成すると
   ともに、この容器に負極リードを接続したことを特徴と
   する請求項１記載の発電装置。
3. 【請求項３】 固体電解質チューブ内のアルカリ金属中
   の熱流を小さくするため前記固体電解質チューブの内部
   に断熱部を設けたことを特徴とする請求項１または２記
   載の発電装置。