JP5723425B2 - 熱交換器を含むアルカリ金属熱電変換器 - Google Patents
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Description
この時、低電圧、大電流が発生するが、直列や並列に連結してモジュール化する場合、大容量発電が可能である。
また、熱源は、太陽エネルギー、化石燃料、廃熱、地熱、原子炉など多様な熱源を使用できるという長所があり、既存の発電方式とは異なり、タービンやモーターのような駆動部なしに電気を生産することができる発電セルから構成され、熱と接触される部位から直接電気を生産することができ、直列又は並列でモジュール化する場合、数kWから数百MW規模の大容量発電が可能である。
廃熱の形態は、排ガス、排空気、廃温水、廃蒸気などがあり、生産工程の製品の顕熱、反応熱もまた廃熱に分類され、これらの廃熱回収は、腐食性物質を含むか否か、温度及び流量の条件により適用可能な熱交換器の形態及び規格と材質なども多様に適用されている。
このような廃熱利用装置としては、廃熱回収器、全熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器などがあり、特別な場合に別途の回収システムが考慮されている。
アルカリ金属熱電変換器発電技術の特徴のうちの一つは、他の熱電気変換素子に比べて簡単な構造を持ちながらも高いエネルギー変換効率を有することである。
特に太陽電気変換システム(solar thermal power plant)と比較すると、タービンなどの機械的駆動部が必要なく、熱電素子(thermoelectric device)と比較すると、高容量、高効率のシステムに適用することができるという長所がある。
Solid Electrolyte:BASE)で通過し、自由電子は陰極(anode)から電気負荷で通過して陽極(cathode)に戻ってきて低温低圧領域のベータアルミナ固体電解質の表面から出るイオンと再結合して中性化される過程で電気を発生する。
固体電解質には、ベータアルミナ(Beta−Alumina)とNASICON(Na super−ionic conductor)が使用される。
ベータアルミナには、beta'−aluminaとbeta''−aluminaの二種類がある。
beta''−aluminaが層状構造がさらに発展しており、Na+イオンの伝導性がはるかに良いため、一般的に使用されている。
中性のNa蒸気は、低圧領域の凝縮器内表面で冷却によって凝縮され、毛細管ウィックにより蒸発器に移動して蒸発器で再び蒸気状態に変わる過程を繰り返すことになる。蒸発器の温度は900〜1100Kの範囲にあり、凝縮器の温度は500〜600Kになるのが一般的である。
また、アルカリ金属熱電変換器の熱変換電気発生効率は40%まで可能であり、出力密度が高く、別途の駆動部位が必要ない簡単な構造という長所などを有している。
より詳しくは、図1で確認できるように、従来の熱変換発電機200は、下部の熱源280により作動流体が加熱されて蒸発部240で蒸発し、凝縮部230で凝縮される方式を使用した。
しかし、このような方式は、一方に位置する熱源によって熱源の周辺部だけ熱源の直接的影響を受けることになり、アルカリ金属熱電変換器セル自体にも温度勾配を与えて部位別に他の電気化学的な効率を示すようになり、熱勾配に伴う応力発生でセラミック及び接合部の機械的特性を低下させるという短所がある。
また、壁面など冷却部以外の望まない部位で気状のNaなどの作動流体の凝結が起きて、作動流体の循環に良くない影響を及ぼしかねない。
このような構成を通じて、温度勾配がなく、熱流体が熱交換器を介してシステム温度を高めた後に循環する方式でリサイクル可能なため、効率が非常に高いシステム構成が可能である。
また、既存のシステムとは違って、システム内に温度勾配がほとんどないため、熱衝撃が非常に小さく、アルカリ金属熱電変換器を構成するセル性能が一定に保持され得るという長所がある。
これと共に、システムと冷却部の温度差が大きく、凝縮が冷却部にのみ効率的になされるため、Naなどの作動流体の循環が円滑になされるという長所がある。
これを通じて、システム効率を極大化させることができ、最後に、熱交換器は熱流体の入口及び出口だけが必要なコンパクトな形態で製造可能であり、モジュール構成が容易である。
熱交換器を含み、多数個の熱変換発電セル110を含む熱変換発電機100は、多数個の熱変換発電セル100、前記多数個の熱変換発電セル110を位置させることができるケース120、前記ケース120上端部に位置して前記多数個の熱変換発電セル110を通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部130、前記ケース120下端部に位置して作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させ、前記多数個の熱変換発電セル110で作動流体の蒸気を移送する蒸発部140、前記凝縮部130と接している前記ケース120外部の上端面を除く残りの面に位置し、熱流体を通過させる熱交換器170、前記凝縮部130と前記蒸発部140の空間を連結して作動流体が移送できる循環部160、前記蒸発部140と前記多数個の熱変換発電セル110との間を接合する接合部150及び前記ケース120下端部を加熱する熱源を含む。
前記熱流体は気体、液体の形状を含む物質中の少なくとも何れか一つ以上が含まれてもよい。
前記熱変換発電セル110は、チューブ型の金属支持体112、前記チューブ型金属支持体112の内部表面に形成された多孔性内部電極111、前記チューブ型の金属支持体112の外部表面に形成された固体電解質113及び前記固体電解質113の表面に形成された多孔性外部電極114を含んで構成することができる。
前記金属支持体112は、多孔性金属支持体としてMo,Ti,W,Cu,Ni,Fe,Crのうち少なくとも何れか一つ以上を含むことが好ましいだろう。
また、前記固体電解質113は、ベータアルミナ系又はNASICON系固体電解質であり、薄膜で形成されたものが望ましく、より好ましくは、ベータアルミナ系薄膜であるが、これに限定される訳ではない。
前記多孔性電極は、Mo,Ni,Al,PtW,RhW,TiC,TiN,SiN,RuO,Ru2O,RuW,NbCの少なくとも何れか一つを含むことが好ましい。
前記接合部150は、前記熱変換発電セル110で生成された電気が、前記発電部に流れていくようにするため、絶縁性を有する材質からなっていてもよく、絶縁性を有するアルファアルミナ、前記蒸発部140と接合性を高めるために前記アルファアルミナの下部に位置する金属リングを含んでいてもよい。
前記凝縮部130は、上部の低温低圧作動流体が通過する毛細管ウィック131、前記毛細管ウィック131上部の凝縮器132を含んでいてもよい。
また、前記循環部160は、前記凝縮部130に連結される毛細管循環ウィック161であってもよい。
このような構成を通じて、温度勾配がなく、熱流体が熱交換器を介してシステム温度を高めた後に循環する方式でリサイクル可能なので、効率が非常に高いシステム構成が可能である。
また、既存のシステムとは違って、システム内に温度勾配が殆どないため、熱衝撃が非常に小さく、アルカリ金属熱電変換器を構成するセル性能が一定に保持され得るという長所がある。
これと共に、システムと冷却部の温度差が大きく、凝縮が冷却部にのみ効率的になされるため、Naなどの作動流体の循環が円滑になされるという長所がある。
これを通じて、システム効率を極大化させることができ、最後に、熱交換器は熱流体の入口及び出口だけが必要なコンパクト形態でモジュール構成が容易である。
また、図面の一部の構成は、構成をより明確に説明するためのもので、実際よりも誇張されたり縮小されて提供されたものである。
110 熱変換発電セル
111 内部電極
112 金属支持体
113 固体電解質
114 外部電極
120 ケース
130 凝縮部
131 毛細管ウィック
132 凝縮器
140 蒸発部
150 接合部
160 循環部
161 毛細管循環ウィック
170 熱交換器
171 流体移動方向
180 熱源
200 従来の熱変換発電機
210 従来の熱変換発電セル
220 従来のケース
230 従来の凝縮部
240 従来の蒸発部
261 従来の毛細管循環ウィック
280 従来の熱源
Claims (13)
- 熱交換器を含み、多数個の熱変換発電セルを含む熱変換発電機において、
前記熱変換発電機は、
多数個の熱変換発電セルと、
前記多数個の熱変換発電セルを位置させることができるケースと、
前記ケース上端部に位置して、前記多数個の熱変換発電セルを通過した作動流体を捕集して凝縮する凝縮部と、
前記ケース下端部に位置して、作動流体に熱を伝達して蒸気に変換させ、前記多数個の熱変換発電セルで作動流体蒸気を移送する蒸発部と、
前記凝縮部と接している前記ケース外部の上端面を除いた残りの面に位置し、熱流体を通過させる熱交換器と、
前記凝縮部と前記蒸発部との空間を連結して作動流体が移送できる循環部と、
前記蒸発部と前記多数個の熱変換発電セルとの間を接合する接合部と、
前記ケースの下端部を加熱する熱源とを含み、
前記接合部は、
絶縁性を有するアルファアルミナと、前記蒸発部と接合性を高めるために前記アルファアルミナ下部に位置する金属リングとを含む
ことを特徴とする熱変換発電機。 - 前記熱交換器は、
高温の流体を流入する一つ以上の入口と、
熱交換がなされた低温の流体を排出する一つ以上の出口と、
熱流体が通過する流動部とを含む
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記熱流体は、
気体、液体の形状を含む物質のうち少なくとも何れか一つ以上含む
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記熱交換器は、
前記熱変換発電機内部の温度勾配を均一にする
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記熱変換発電セルは、
チューブ型の金属支持体と、
前記チューブ型金属支持体の内部表面に形成された多孔性内部電極と、
前記チューブ型金属支持体の外部表面に形成された固体電解質と、
前記固体電解質の表面に形成された多孔性外部電極とを含む
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記金属支持体は、多孔性金属支持体として、Mo,Ti,W,Cu,Ni,Fe,Crのうち少なくとも何れか一つ以上を含む
請求項5に記載の熱変換発電機。 - 前記固体電解質は、ベータアルミナ系又はNASICON系固体電解質であり、薄膜で形成される
請求項5に記載の熱変換発電機。 - 前記多孔性内部電極及び前記多孔性外部電極は、Mo,Ni,Al,PtW,RhW,TiC,TiN,SiN,RuO,Ru2O,RuW,NbCの少なくとも何れか一つ以上を含む
請求項5に記載の熱変換発電機。 - 前記熱変換発電セルにおいて、前記多孔性内部電極及び前記多孔性外部電極と前記金属支持体が電気的に連結されると共に、発電される電気を制御する発電部を含む
請求項5に記載の熱変換発電機。 - 前記接合部は、
前記熱変換発電セルで生成された電気が前記発電部に流れていくようにするために、絶縁性を有する材質からなる
請求項9に記載の熱変換発電機。 - 前記作動流体は、Na,K,Liのうち少なくとも何れか一つ以上含む
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記凝縮部は、
上部の低温低圧作動流体が通過する毛細管ウィックと、
前記毛細管ウィック上部の凝縮機とを含む
請求項1に記載の熱変換発電機。 - 前記循環部は、前記凝縮部に連結される毛細管循環ウィックである
請求項1に記載の熱変換発電機。
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