JP4576529B2 - 熱電発電素子及びその利用 - Google Patents
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Description
本発明に係る熱電発電素子は、熱電素子上に触媒部を備えるものであればよく、大きさ、形状、材質等のその他の具体的な構成については特に限定されるものではない。本熱電発電素子は、熱電素子上に触媒を担持し、そこで起こる反応熱を起電力に変換するという原理に基づくものである。このため、触媒部と熱電素子上との接続形式についても、上記原理に反しない限度において、特に限定されるものではなく、従来公知の設置方式を採用することができる。例えば、後述する実施例に示すように、単純に触媒、熱電素子、及び電極等を雲母基板で挟持することにより行うことができる。これ以外にも、熱電発電が可能なあらゆる物理的接続の形式が可能であることはいうまでもない。
上述のように、本発明に係る熱電発電素子は、非常に効率よく熱電発電を行うことができる。このため、本発明の熱電発電素子を用いる発電を行うことができる。すなわち、本発明には、上記<1>欄で説明した熱電発電素子を用いる発電方法が含まれる。
新しい発電システムの構築として、NaCo2O4に注目して触媒反応によって得られる酸化反応熱を利用して熱電発電できるか検討した。触媒反応熱を利用する利点として、反応が全て触媒表面で起きるため、反応熱は触媒表面に集中しており、熱エネルギーとして利用しやすいことが考えられる。そこで、単純にヒーターを用いて試料両面間に温度差を与えた場合と触媒反応熱を与えた場合における発電量(電位差)を測定、比較した。また、触媒反応熱による熱電発電を分析するために、酸化反応測定装置を利用して、酸化反応、電位、試料温度を同時に測定できる装置を製作した。
(1−1)実験試薬
使用した試薬は以下の通りである。
・CH3COONa(関東化学 特級)
・(CH3COO)2Co/4H2O(関東化学 鹿特級)
・C2H5OH(関東化学 一級)
・CH3COCH3(関東化学 鹿一級)
・Pt−Al2O3(DASH−220)(エヌ・イー ケムキャット)
・蒸留水(和光純薬)
(1−2)試料の調製
(1−2−I)2cm NaCo2O4ペレットの調製
CH3COONa(5.00g,60.95mmol)と(CH3COO)2Co/4H2O(19.0g,76.28mmol)を秤量し、500mlテフロンビーカー内で蒸留水40mlを用いて溶解した。70℃で撹拌しながら水を蒸発乾固させて、一昼夜80℃で乾燥させた。乾燥させた試料をメノウ乳鉢でよく粉砕し電気炉で空気中750℃、5h仮焼きした。仮焼き後、4.00gを秤量しメノウ乳鉢でよく粉砕し30MPa、5minでペレット(直径2cm,圧さ約3mm)に成型して電気炉で空気中790℃,3h本焼きした。その後、メノウ乳鉢でよく粉砕し、再度30MPa,5minでペレット(直径2cm,圧さ約3mm)に成型して900℃,32h焼結した。
Pt/Al2O3(0.05g)をAl2O3乳鉢でよく粉砕し、アセトン1ml中で乳鉢を用いて分散させた。ピペッターで15μlを取り、上記(1−2−I)で調製した直径2cmのNaCo2O4ペレットの片面に滴下した。これを5回繰り返し75μlを滴下し、室温で10min乾燥させた。Ptの担持量は13.433μgだった。
測定は図1に示した装置によって行った。雲母板を直径3cmの円盤状に切り出し、中心に直径1.3cmの加熱、冷却用の穴を開けた。上記(1−2−I)より得られた直径2cmのNaCo2O4ペレット試料を雲母基板の間に挟み、ステンレス製電極(SUS−304)と熱電対(チノー社製 シート・カップル熱電対)を雲母基板と試料の間に差し込み、ねじで四点をしっかりと締めた。試料の片面にヒーターの外に突き出たステンレスパイプを接して自然放熱させ、もう片面には半田ごてを接して加熱させた。半田ごてを昇温させながら、試料表面間の温度差と電位差を測定した。測定条件は以下の通りである。
(1−4)エタノール酸化反応熱熱電発電測定
エタノールの酸化反応熱を利用した発電を測定するために、反応装置を利用して反応活性、試料表面の温度差及び起電位を測定できる装置を作製した。反応は図2に示した装置によって行った。反応において、19℃に保ったエタノールにN2とO2を送りバブリングさせた。バブリングにより19℃での飽和蒸気圧分のエタノール蒸気を含んだ反応ガスを用いた。
粉末X線回折装置(Rigaku RINT-Ultima+)を用いて構造解析を行った。測定条件は以下の通りである。
(2)結果と考察
(2−1)ヒーターを用いた温度差による熱電発電
上記(1−2−I)より得られた、Pt/Al2O3−NaCo2O4ペレットを用いて、電極、熱電対と共に2枚の雲母基板で挟んだ。雰囲気温度を200℃に保った後、測定開始から約0.8hまでは雰囲気を200℃に保ち、ペレットの片面のみに半田ごてを利用したヒーターにより、200,220,250,270,300℃にそれぞれ加熱して、試料表面間の温度差とその時の電位差を測定した。測定結果を図4に示す。横軸に測定時間を取り、左の縦軸に電位差(実線)、右の縦軸にペレット試料の面間の温度差(点線)を取った。
触媒反応熱を得る際、完全酸化反応が進行した方がより多くの生成熱を得られると考えられる。また、用いる試料がペレットであり高温焼結しているため、表面積が非常に小さい。そこで、酸化反応が進行しやすい反応物としてエタノールを選択した。エタノールをN2とO2でバブリングして、エタノール混合ガスを流した。NaCo2O4に酸化触媒能があることは以前の研究で明らかにした(データ不図示)が、同時に構造が壊れてしまうため、触媒と発電素子として両機能の発現は難しい。そこで、(1−2−I)に示した方法で、NaCo2O4ペレットの片面のみにPt/Al2O3を担持したPt/Al2O3−NaCo2O4ペレット試料を調製し、電極、熱電対と共に2枚の雲母基板で挟んだ。雰囲気温度を200℃にして所定の流量比の混合ガスを用いて酸化反応を行い、その時の温度差、電位差、酸化反応を測定した。温度差(点線)と電位差(実線)の測定結果を図6に、酸化反応結果を図7に示す。ここで、図6において混合ガスの流量比は、C2H5OH:O2:N2=0:20:20,2.3:20:20,0:20:40,3.5:20:40,0:20:60,4.6:20:60ml/minの順に変化させて流し、エタノールの流通、ガス流量の影響を観測した。
(2−1)と(2−2)において測定した2つの熱電発電の結果を比較するために、図11に酸化反応条件と温度差に対する電位差をまとめて示した。また、それぞれの熱電発電において、温度差に対する電位差をプロットした結果を図9に示した。触媒反応による熱電発電の結果を●で、ヒーター加熱による熱電発電の結果を○で示す。
触媒反応による熱電発電後のNaCo2O4ペレットの両面について、XRD測定した結果を図10に示す。下から順に、(1)触媒反応熱電発電前、(2)触媒反応熱電発電後のPt/Al2O3を担持した面、(3)触媒反応熱電発電後の放熱器を取り付けていた面のそれぞれのXRDパターンを示している。ただし、測定の際には、Pt/Al2O3をふき取り、放熱器も取り外した。
NaCo2O4について、作製した熱電発電測定装置を用いて、ヒーターで温度差を与えることにより熱電発電することが確認できた。与える温度差に比例して電位差が大きくなった。
Claims (3)
- NaCo 2 O 4 を含む熱電素子上に触媒部を備え、
上記触媒部は、酸化反応を触媒するものであり、かつ上記熱電素子の片面に形成されていることを特徴とする熱電発電素子。 - 上記触媒部はPt/Al2O3を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の熱電発電素子。
- 請求項1または2に記載の熱電発電素子を用いることを特徴とする発電方法。
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