JP2887253B1

JP2887253B1 - 熱電変換発電装置

Info

Publication number: JP2887253B1
Application number: JP6312398A
Authority: JP
Inventors: 耕太郎田中; 陽一刈田; 俊二井上
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11262282A

Abstract

【要約】【課題】本質的に信頼性の向上を図るとともに、基本的
な構造としてシンプルな形態を採用して、製造方法コス
トも大幅に低減する。【解決手段】容器本体２の内部には、外面に正極電極膜
３２を備えた固体電解質３１からなる発電要素３がその
内部を高圧力域２１に設定して配設され、この発電要素
３と前記容器本体２の内壁との間が低圧力域２２に設定
され、その底部には作動媒体液相５が滞留しており、さ
らに前記発電要素３の下部には、毛細管部材４が接続さ
れ、その他端は、滞留する前記作動媒体液相５に挿入さ
れ、前記作動媒体液相５を前記発電要素３内部に供給可
能とされている。また、正極電極膜３２には正極リード
部材３３が接続され、その他端は正極外部端子３４に接
続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギを直接
に電気エネルギに変換する熱電変換型の発電装置に関す
るものであって、特に、気密維持の信頼性、あるいは製
作、加工作業性を改良した発電装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の形式の発電装置は、代表
的にはアルカリ金属熱電変換と呼ばれる原理を応用した
ものであり、その原理そのものは、例えば米国特許第
３，４５８，３５６号、あるいは日本特許第１，８０
７，２８６号に記載されているように、知られている。

【０００３】その原理の概略を図５を参照して説明する
と、電解質１１を含む上部半分が７００〜１３００Ｋの
高温域とされ、対してポンプ１２を含む下側半分が４０
０〜７００Ｋの低温域１３を形成している。この高温域
と低温域の温度差に基づく相対的圧力差により、固体電
解質１１を挟んで化学ポテンシャル差を生じ、固体電解
質１１内に作動媒体イオンの流れが生じる。この場合、
固体電解質１１内の電子導電率が低いため固体電解質１
１の前方の作動媒体からマイナス極、後方の電極１３か
らプラス極を引き出し、発電出力を得ることができる。

【０００４】ここで、固体電解質１１を通過した作動媒
体イオンは電子を受け取り、下降して作動媒体液相とし
て滞留する。この作動媒体液相はポンプ１２により左側
に送られるとともに高温域の固体電解質１１に到達し
て、イオン化して電子をマイナス極に送り出す。かくし
て、低温域から高温域にポンプ１２によって作動媒体を
送り出すことにより、この循環経路で構成される発電装
置内を作動媒体が循環するとともに、発電作用が継続さ
れるのである。

【０００５】また、この図５において、左側半分の領
域、ポンプ１２の出口から固体電解質１１までの領域
が、圧力１×１０³Ｐａ〜５×１０⁵Ｐａ程度の高圧力
域１４として、また右側半分の領域、固体電解質１１に
右側の電極１３からポンプ１２までの領域が、圧力２×
１０^-4Ｐａ〜１×１０²Ｐａ程度の低圧力域１５として
配置されているのである。

【０００６】なお、低温域から高温域に作動媒体を送り
出すには、このようなポンプ１２を用いる方法の他、図
６に例示するように、毛細管部材１６をポンプ１２の代
わりに配置し、その毛細管力を利用して低温域から高温
域に作動媒体液相を移動させる方法も知られている。

【０００７】しかしながら、以上説明した従来の構造の
発電装置においては、その作動原理は単純に見えるもの
の、実際に稼働できるよう製作しようとすると、その内
部構造はかなり複雑となり、その製造は必ずしも容易と
は言いがたい。このように従来の装置の構造が複雑にな
る理由は、前記高圧力域１４と低圧力域１５を仕切るた
めの境界構造の一部が発電装置の主要部材である容器本
体１０に接触しているという点にある。

【０００８】例えば、図５において上部の境界構造であ
る、固体電解質１１を取り付けるための何らかの部材が
容器本体１０に接触する形態となるし、また下部の境界
構造であるポンプ１２の取り付け部材が容器本体１０に
接触せざるを得ない構造となっている。

【０００９】従来の装置の具体的なものとして図７、図
８に示すような構造が知られている。図７においては、
密閉容器本体１０の下部に溜まった液相の作動媒体をポ
ンプ１８により固体電解質１１で囲まれた部分を含む高
圧力域１４に戻してやる方式であり、密閉容器本体１１
の外側に戻り管１７を配置する構造となっている。ま
た、図８に示す構造では、密閉容器本体１０内に毛細管
力を作用させる構造体１９を配置して、作動媒体を上方
の低圧力域１５から下方の高圧力域１４に送って循環さ
せる構造を採用している。

【００１０】ここで注目すべき点は、前記したように従
来の方式の構造では、作動媒体の高圧力域と低圧力域と
を仕切る境界線の一部が、発電装置の密閉容器本体のい
ずれかの部分で接続してしているところにある。すなわ
ち、図７においては、戻り管１７のポンプ１８を通過し
た後方部分は高圧力域に相当するのであるが、密閉容器
本体１０の上面で密閉容器本体１０に接続されている。
また、図８の場合には、密閉容器本体１０自体を上方の
低圧力域１５と下方の高圧力域１４とに仕切り構造によ
って区切られる構造となっているのである。

【００１１】このように、作動媒体の循環経路が容器の
内部または外部のいずれに設けられていても、高圧力域
の境界構造が密閉容器本体に接続され連続した構造とな
っているのである。このような高圧力域１４と低圧力
域１５を仕切るための境界構造は、その気密を保つため
の製作上の難しさがあり、装置の構造が複雑なものとな
る。また、応力を発生し易い点でも問題があり、充分に
安全を見込んだ構造設計を行わないと、発電装置そのも
のの信頼性の点で問題を残すことになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】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あり、本質的に信頼
性の向上を図るとともに、基本的な構造としてシンプル
な形態を採用して、製造方法コストも大幅に低減するこ
とが可能となる熱電変換発電装置を提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めの本発明の熱電変換発電装置は、高圧力域と低圧力域
とを仕切る境界構造を容器本体から構造的に分離しよう
とするものであり、その特徴は、容器本体の内部に固体
電解質からなる発電要素で区画された高圧力域と作動媒
体液相をその下部において滞留するための低圧力域とを
内蔵する熱電変換発電装置であって、その高圧力域の全
域を前記低圧力域で包囲して配置したところにある。

【００１４】また、同じく本発明の熱電変換発電装置
は、容器本体とその容器本体内部に内壁から隔離して配
置された、固体電解質からなる発電要素を具備し、該発
電要素の内部を高圧力域とし、該発電要素と前記容器本
体内壁との間を低圧力域とするとともに、前記容器本体
内下部に滞留する作動媒体液相と前記発電要素とを毛細
管部材で連結し、前記作動媒体液相を前記発電要素内部
に供給可能に配置したことを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の
第１の実施形態を説明するための発電装置の断面略図で
あり、容器本体２の内部には、外表面に正極電極膜３２
を備えた固体電解質３１からなる発電要素３がその内部
を高圧力域２１に設定した状態で配設され、この発電要
素３と前記容器本体２の内壁との間が低圧力域２２に設
定され、その底部には作動媒体液相５が滞留している。

【００１６】つまり、本発明の熱電変換発電装置は、容
器本体２の内部に発電要素３で区画された高圧力域２１
と作動媒体液相５を滞留するための低圧力域２２とを内
蔵するものであって、その高圧力域２１を前記低圧力域
２２で包囲して配置し、高圧力域２１を形成する部材が
前記容器本体２に接触することなく分離した構造からな
ることをことを特徴とする。

【００１７】次に第２の特徴とするは、前記発電要素３
の下部には、毛細管部材４が接続され、その毛細管部材
４の他端は、容器本体２底部に滞留する作動媒体液相５
に挿入して、前記作動媒体液相５を前記発電要素３内部
に供給可能に配置しているところにある。すなわち、従
来の可動部品からなるポンプなどを省略して、可動部品
を含まない毛細管部材４を作動媒体液相５の供給手段と
したものである。

【００１８】また、正極電極膜３２には正極リード部材
３３が接続され、その他端は容器本体２を貫通して設け
られた正極外部端子３４に接続されている。そして、こ
の図１に示す事例では、この正極リード部材３３によっ
て、発電要素３および毛細管部材４が吊り下げられた状
態で容器本体２内の所定の位置に配置しているのであ
る。なお、発電装置としての負極外部端子（図示せず）
は、容器本体２が金属製の場合は、負極側である作動媒
体液相に接している容器本体２の適宜な箇所に設けられ
得る。

【００１９】本発明の熱電変換発電装置は、上記実施形
態に例示される構造からなるので、高圧力域２１の応力
などが及ぶ範囲は、固体電解質３１などからなる発電要
素３と毛細管部材４の上部に限定され、容器本体２の各
部はすべて低圧力域２２に接することとなる。そこで、
先ず、この熱電変換発電装置の外郭を形成する容器本体
の設計に当たっては、外界外気と内部の気密性の保持を
考慮すればよく、従来の構造に付随していた内部の仕切
り構造、仕切り構造との接続構造や配置、あるいは作動
媒体の戻り管の配置などの配慮が不必要となったのであ
る。

【００２０】そして、単純な円筒と蓋との組合せ構造が
採用できるので、構造が簡素になり、熱応力の集中など
が避けられ、設計上の自由度も大きくなる利点が得られ
る。同時に装置の製作、加工作業の観点からも容器内部
の溶接等の工程が大幅に削減でき、製造コスト面からも
有利となる。

【００２１】また、発電要素と毛細管部材も、容器本体
とは別個に独立しているので、不均一な熱応力を受ける
ことが少なくなり、簡単な構造が採用できるから、設
計、製作が容易になる他、毛細管部材にはポンプのよう
な可動部品を含まないので、発電装置としての信頼性向
上と製作およびメンテナンスコスト低減の両方のメリッ
トが期待できるのである。

【００２２】さらに、本発明の形態について補足する
と、本発明の固体電解質３１は、使用する作動媒体のイ
オンに対する伝導性の良好な材料が選択され得る。例え
ば、作動媒体としてナトリウム、カリウムなどのアルカ
リ金属の単体、または混合物が用いられる場合には、固
体電解質には、ベータアルミナ質固体電解質が好適であ
る。

【００２３】また、作動媒体液相を移動させる毛細管部
材４としては、耐蝕性金属、セラミックスなどからなる
微小細管、微小細線材あるいは粉体などの集合体のよう
な毛細管力が応用できる微構造を有する部材が適用でき
る。この場合、高圧力域の温度を９００Ｋに設定したと
きには、所要の毛細管力は約５３００Ｐａ以上必要であ
るから、それに流れ抵抗を考慮すると、毛細管の相当管
径として５０μｍ程度のものを採用すれば、容器本体２
底部に滞留する作動媒体液相５を前記発電要素３内部に
供給でき、発電が継続できることが分かった。このよう
に、毛細管部材４の所要サイズなどは、高圧力域の温度
条件によって決定すればよい。

【００２４】このような発電装置を製造するには、先ず
固体電解質３１と正極電極膜３２を備えた発電要素３を
製作し、これに正極リード部材３３を接続するととも
に、毛細管部材４を固定する。次に、この組立体を容器
本体２の一方から挿入し、正極リード部材３３を外部に
引き出し、これを容器本体２とは絶縁して固定するとと
もに、さきの組立体を所定の位置に配置する。次いで、
容器本体２を密閉した後、真空バルブ排気してから所定
の作動媒体を封入する。そして、この発電要素３を含む
容器本体２の上半分を加熱し、下半分との間に先に述べ
たような温度差を保持することにより発電出力が継続的
に得られるのである。

【００２５】次に、図２は、本発明の第２の実施形態を
説明するための斜視略図であり、ここでは、容器本体２
内に、前述と同じく毛細管部材４を備えた多数の発電要
素３を密集させて配置しており、この発電要素３は、先
の場合と同様に出力電力引き出し用のリード部材（記載
を省略した）により所定位置にセットされている。この
場合においても、容器本体２の内壁と発電要素３とが電
気的に接触しないよう配置されればよいので、それぞれ
の部品がかなり自由な形状に設計できる利点が得られ
る。特に、容器本体２が電気絶縁性材料で形成される場
合には、単なる機械的な接触が許されるので、さらに有
利なものとなる。

【００２６】このように本発明では、容器本体の高温域
に該当する部分においても、その形状設計の自由度が高
く、高温域の加熱熱源の種類、熱伝達の効率などを考慮
して設計され得る。すなわち、加熱熱源が、高温ガスま
たは高温液体による加熱、火炎などの放射加熱、太陽光
による加熱、核反応を含む反応熱の加熱等々、それぞれ
の特殊性に応じて容器本体の形状は選択できる。また同
様に、容器本体の低温域に該当する部分においても、そ
の形状は放熱という目的に応じて適宜な形状設計が可能
となるのである。

【００２７】また、図３は、本発明の第３の実施形態を
説明するための断面略図であり、複数の毛細管部材４、
４と単数の発電要素３を組み合わせて容器本体２に収納
して熱電変換発電装置を構成した事例を示す。先の図
１、２に例示したように、固体電解質３１と電極膜３２
からなる発電要素と毛細管部材とは、１：１という組み
合わせだけが採用されるのではなく、１個の発電要素に
複数の毛細管部材の組合せの他、図４に例示するように
複数個の発電要素に単数の毛細管部材の組合せも適用可
能である。このような組合せは、作動媒体の移動に伴う
圧力損失、熱伝達の効率、装置の製造上の都合などを考
慮して、最適な構造が選択され得るのである。

【００２８】

【発明の効果】本発明の熱電変換発電装置は、以上に説
明したように構成されているので、次に示す諸効果を奏
するものである。よって本発明は従来の問題点を解消し
た熱電変換発電装置として、その工業的価値は極めて大
なるものがある。１）発電装置の外郭容器本体が発電要素の高圧力域と分
離しているため、容器構造の簡略化、製作コストの低
減、気密性の向上などが図れ、信頼性が大幅に向上す
る。

【００２９】２）発電要素と毛細管部材が容器本体から
分離しているうえ、構造が簡単な毛細管部材が適用され
るので、設計、製作が容易である、製作コストが低減で
きるなどの他、応力集中が生じないので、この点からも
信頼性が大幅に向上する。

【００３０】３）発電装置の外郭容器本体の設計自由度
が大きくなり、発電サイズの自由な設定はもちろん、各
種の熱源態様の熱電変換伝達、交換特性に最適の構造が
採用可能となり、発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための発電
装置の断面略図。

【図２】本発明の第２の実施形態を説明するための斜視
略図。

【図３】本発明の第３の実施形態を説明するための断面
略図。

【図４】本発明の他の実施形態を説明するための断面略
図。

【図５】熱電変換発電の原理を説明するための発電装置
モデル図。

【図６】同じく原理を説明するための他の発電装置モデ
ル図。

【図７】従来の熱電変換発電装置の要部断面略図。

【図８】同じく熱電変換発電装置の別の事例を示す要部
断面略図。

【符号の説明】

２容器本体、２１高圧力域、２２低圧力域、３
発電要素、３１固体電解質、３２正極電極膜、３３
正極リード部材、３４正極外部端子、４毛細管部
材、５作動媒体液相。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−249878（ＪＰ，Ａ) 特開平１−136580（ＪＰ，Ａ) 特開平６−54566（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 3/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】容器本体の内部に固体電解質からなる発電
要素で区画された高圧力域と作動媒体液相をその下部に
おいて滞留するための低圧力域とを内蔵する熱電変換発
電装置であって、その高圧力域の全域を前記低圧力域で
包囲して配置したことを特徴とする熱電変換発電装置。
【請求項２】容器本体とその容器本体内部に内壁から隔
離して配置された、固体電解質からなる発電要素を具備
し、該発電要素の内部を高圧力域とし、該発電要素と前
記容器本体内壁との間を低圧力域とするとともに、前記
容器本体内下部に滞留する作動媒体液相と前記発電要素
とを毛細管部材で連結し、前記作動媒体液相を前記発電
要素内部に移動可能に配置したことを特徴とする熱電変
換発電装置。