JP6012526B2 - アルカリ金属熱電変換器 - Google Patents

Description

本発明はアルカリ金属熱電変換器に関し、さらに詳細には、固体電解質を用いたアルカリ金属熱電気変換器に関する。

ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンの伝導性を有するβ或いはβ"アルミナを固体電解質として用いたアルカリ金属熱電変換器（ＡＭＴＥＣ）が知られている（例えば、特許文献１）。アルカリ金属熱電変換器は、外部から熱を受けて高温（６００〜１０００℃）になる高温部と、放熱して低温（１００〜５００℃）になる低温部とを有する真空に密閉された容器を有する。容器内には高温部と低温部とを通過するように循環路が画定され、循環路にはアルカリ金属が封入される。高温部における循環路内には、β或いはβ"アルミナである固体電解質が、循環路を第１室及び第２室に区切るように設けられる。第１室にはアノードが設けられ、第２室にはカソードが設けられる。循環路にはウィックポンプや電磁ポンプ等のポンプが設けられ、ポンプによって低温部における循環路内の液体のアルカリ金属は第１室へと輸送される。

第１室へと輸送された液体のアルカリ金属は、第１室において高温になり、一部が気体になる。気体のアルカリ金属は、固体電解質の表面において電子を放出してアルカリ金属イオンになり、固体電解質内に進入する。放出された電子は、アノードへと流れる。固体電解質内に進入したアルカリ金属イオンは、固体電解質内を通過して第２室側の表面において、カソードから電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。このように、アルカリ金属イオンが固体電解質を通過することによって、電子がアノードからカソードへと外部負荷を介して流れ、電流が発生する。第２室に存在する気体のアルカリ金属は、低温部へと流れて凝縮し、再びポンプによって第１室に輸送される。以上のように構成されたアルカリ金属熱電変換装置は、固体電解質の第１室側及び第２室側の表面におけるアルカリ金属の濃度差を利用した濃淡電池といえる。

アルカリ金属熱電変換器の発電効率は、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量に依存する。そのため、固体電解質の第１室側及び第２室側の表面積を増大させる手法や、第１室及び第２室における気体のアルカリ金属の濃度差（蒸気圧差）を増大させる手法によって発電効率を高めることができる。

特開平３−１７８５８４号公報

以上のようなアルカリ金属熱電変換器は、単セルでの起電力が０．１〜０．７Ｖであるため、用途に応じて必要な電位（出力電圧）を得るべく複数のセルを互いに接続する必要がある。しかしながら、複数のセルを単純に寄せ集めると、装置全体の体積が増大するという問題がある。特に、各セルに設けられる電磁ポンプ等の液体アルカリ金属を輸送する手段が装置全体で見て重複することにより装置全体が大型化する。また、各セルを接続するための配線構造が複雑になり、装置構成が複雑になるという問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、複数のセルを含み、出力電圧が高いアルカリ金属熱電変換器を簡素かつコンパクトに構成することを課題とする。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、熱を受けて高温になる高温側ハウジング（３２）と、放熱して低温になる低温側ハウジング（５４）と、前記高温側ハウジング（３２）内の高温室（３６）を第１室（３６Ａ）と第２室（３６Ｂ）とに区画するように設けられ、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質（３８）と、前記第１室（３６Ａ）に設けられたアノード（３２）と、前記第２室（３６Ｂ）に設けられたカソード（４８）と、前記低温側ハウジング（５４）内の低温室（５６）と前記第１室（３６Ａ）とを連通する第１通路（６６）と、前記低温室（５６）と前記第２室（３６Ｂ）とを連通する第２通路（６２）と、前記低温室（５６）に貯容された液体のアルカリ金属とを有するセル（３０）を複数有し、前記セル（３０）は一つの回転軸線（Ｘ）周りに配置され、前記高温側ハウジング（３２）は前記回転軸線（Ｘ）に沿った一側に配置され、前記低温側ハウジング（５４）は前記回転軸線（Ｘ）に沿った他側に配置され、更に、前記複数のセル（３０）を電気的に直列に接続する直列接続回路（８２、８４、８６、８８、９０、９２）と、前記セル（３０）の全てを前記回転軸線（Ｘ）を中心として回転させる駆動装置（７０）とを有し、前記回転軸線（Ｘ）を中心とした回転により生じる遠心力によって前記低温室（５６）内の前記アルカリ金属を前記第１通路（６６）を介して前記第１室（３６Ａ）に移動させる。

この構成によれば、複数のセル（３０）が電気的に直列に接続されているので、高い出力電圧を得ることができる。直列接続では、液体のアルカリ金属によってセル（３０）間が電気的に短絡することを回避するために、アルカリ金属はセル（３０）毎に独立した流れをもって循環しなけばならない。このことに対して、アルカリ金属を循環させるための輸送が、セル（３０）を駆動装置（７０）によって回転軸線（Ｘ）周りに回転されることにより生じる遠心力によって行われるので、セル（３０）毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセル（３０）を直列接続したアルカリ金属熱電変換器（１０）を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記回転軸線（Ｘ）に直交する方向に延在する板状部材（１６）を有し、前記セル（３０）は前記高温側ハウジング（３２）と前記低温側ハウジング（５４）とを個別に構成され、前記高温側ハウジング（３２）の全てが前記板状部材（１６）の一方の側に固定され、前記低温側ハウジング（５４）の全てが前記板状部材（１６）の他方の側に固定されている。

この構成によれば、個別に構成された高温側ハウジング（３２）と低温側ハウジング（５４）との共通の支持体をなす板状部材（１６）の一方の側に各セル（３０）の高温側ハウジング（３２）が集められ、他方の側に各セル（３０）の低温側ハウジング（５４）が集められているので、構造の簡素化が図られると同時に板状部材（１６）をもって高温側と低温側とが明確に区画され、アルカリ金属熱電変換器（１０）の温度管理が容易になる。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記高温側ハウジング（３２）は導電性材料によって構成されて前記アノードを兼ね、前記板状部材（１６）が電気絶縁性材料により構成されている。

この構成によれば、高温側ハウジング（３２）がアノードを兼ねることにより固体電解質（３８）のアノード側にアノードを別途構成する必要がなくなる。これにより、固体電解質３８のアノード側面４２に、アノードを構成することによる制約を受けることなくフィン４６を設けることが可能になる。板状部材（１６）は電気絶縁性材料によって構成されるので、高温側ハウジング（３２）が導電性材料によって構成されていても、高温側ハウジング（３２）は各セル（３０）間で電気的に絶縁されて短絡を生じることがなく、複数のセル（３０）を電気的に直列に接続することができる。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記回転軸線（Ｘ）と同心位置に配置されて前記板状部材（１６）を取り付けられた回転軸（１２）を有し、前記回転軸（１２）にはアノード側とカソード側のスリップリングとの何れか一方（７６）が電気絶縁状態で取り付けられており、他方（７８）が電気導通状態で取り付けられており、前記直列接続回路の一方の端子が前記一方のスリップリング（７６）に前記回転軸（１２）とは電気絶縁状態で導電接続され、前記直列接続回路の他方の端子が前記回転軸（１２）に導電接続されている。

この構成によれば、回転軸（１２）が導電路の一部をなし、直列接続回路と他方のスリップリング（７８）との導電接続構造が簡単になる。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記高温側ハウジング（３２）のそれぞれは前記回転軸線（Ｘ）を中心として互いに回転対称となる位置に配置され、前記低温側ハウジング（５４）のそれぞれも前記回転軸線（Ｘ）を中心として互いに回転対称となる位置に配置されている。

この構成によれば、高温側ハウジング（３２）と低温側ハウジング（５４）とが遠心力を得るべく回転軸線（Ｘ）周りに回転しても、偏心荷重による回転バランスの不均衡が生じることがない。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記固体電解質（３８）が前記第１室（３６Ａ）側を向く部分は、当該固体電解質（３８）の表面積を拡張するための凹凸（４６）が設けられている。

この構成によれば、固体電解質（３８）の第１室（３６Ａ）側を向く部分とアルカリ金属との接触面積が増大し、電子を放出して固体電解質（３８）中に進入するアルカリ金属イオンの量が増大する。それに伴い固体電解質（３８）のアノード側で分離する電子量が増え、発電容量が増大する。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器（１０）は、好ましくは、前記高温側ハウジング（３２）が内燃機関の排気ガスと熱交換可能に配置されている。

この構成によれば、廃熱利用によってアルカリ金属熱電気変換器（１０）が動作する。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器によれば、各セルのアルカリ金属の輸送が、セルを駆動装置によって回転軸線周りに回転させることにより生じる遠心力によって行われるので、セル毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセルを直列接続したアルカリ金属熱電変換器を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。

本発明によるアルカリ金属熱電変換器の一つの実施形態を示す斜視図。 図３の線II-IIに沿ったアルカリ金属熱電変換器の断面図（♯２と♯３のセルの図示を省略）。 図２の線III−IIIに沿った断面図。 図２の線IV−IVに沿った断面図。 本発明によるアルカリ金属熱電変換器の使用例を示す概略構成図。

以下に、本発明によるアルカリ金属熱電変換器の一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

アルカリ金属熱電変換器（ＡＭＴＥＣ）１０は、上下（鉛直方向）に延在する金属等の導電材料製の回転軸１２を有する。回転軸１２の軸線方向の中間部には回転軸１２に一体形成されたフランジ部１２Ａと回転軸１２に係合した固定リング１４（図２参照）とによって円盤部材（板状部材）１６が固定されている。円盤部材１６は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、回転軸１２の中心軸線、即ち回転軸線Ｘに直交する方向（水平方向）に延在している。回転軸１２は回転軸線Ｘと同心位置に配置されていると云える。

ＡＭＴＥＣ１０は、円盤部材１６より上側を５００℃以上の高温環境下に配置され、円盤部材１６より下側を１００〜５００℃程度の低温環境下に配置される。

円盤部材１６には回転軸線Ｘを中心とした回転対称位置に後述するセル３０の個数と同数の開口１８が軸線方向（上下方向）に貫通形成されている。本実施形態では、セル３０の個数が６個であることにより、開口１８は回転軸線Ｘ周りに６０度の回転角をもって等間隔に配置されている。開口１８の平面形状は、図４に示されているように、略扇状である。

円盤部材１６の上面には各開口１８の上側を塞ぐように平面形状が開口１８の平面形状と相似形（図３参照）をした金属等の導電材料製のセル取付基板２０が取り付けられている。各セル取付基板２０の上面には円盤状をした２枚重ねの絶縁板２２が取り付けられている。各絶縁板２２は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、回転軸線Ｘを中心とした回転対称位置に配置されている。

絶縁板２２上には各セル３０の高温側ハウジング３２が取り付けられている。回転軸１２の上端部には当該上端部にねじ止めされたナット２４によって挟み込むようにしてもう一つの円盤部材２６が取り付けられている。円盤部材２６は、セラミック等の耐熱性を有する電気絶縁材料によって構成され、各セル３０の高温側ハウジング３２の上端面に当接している。これにより、各セル３０の全ての高温側ハウジング３２は、電気絶縁性の円盤部材１６と２６とによって軸線方向から挟まれるようにして、互いに電気的に短絡することなく個別の電気絶縁性を保って回転軸１２に固定される。

高温側ハウジング３２のそれぞれは、セル３０毎に個別に存在し、各セル取付基板２０の絶縁板２２上に配置されていることにより、回転軸線Ｘを中心として互いに回転対称となる位置に、且つ回転軸線Ｘ周りに６０度の回転角をもって等間隔に配置されることになる。

高温側ハウジング３２は、熱伝導性及び電気伝導性が高い金属等の導電材料によって構成され、上端を端壁３２Ａによって閉じられた下部開口の円筒形状をしている。高温側ハウジング３２の円筒部３２Ｂには、熱交換可能な表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン３４が一体形成されている。本実施形態では、フィン３４は円筒部３２Ｂの全周に亘って設けられて円環状をなしている。

高温側ハウジング３２は、図２に示されているように、当該高温側ハウジング３２の底板をなす絶縁板２２と協働して内部に密閉構造の高温室３６を画成している。高温室３６には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質３８が設けられている。本実施形態では、固体電解質３８は、高温下でナトリウムイオンの通過を許容するβアルミナ固体電解質又はβ"アルミナ固体電解質であり、βアルミナ又はβ"アルミナの焼結材によって上端を端壁３８Ａによって閉じられた下部開口の円筒形状に焼結形成されている。

固体電解質３８は、高温室３６において絶縁板２２上に高温側ハウジング３２と同心に配置され、絶縁板２２を底板として高温室３６を第１室３６Ａと第２室３６Ｂとに区画している。第１室３６Ａは固体電解質３８の外側にあり、第２室３６Ｂは固体電解質３８の内側にある。固体電解質３８の外面（第１室３６Ａ側の面）はアノード（陰極）側面４２をなし、固体電解質３８の内面（第２室３６Ｂ側の面）はカソード（陽極）側面４４をなす。

固体電解質３８の円筒部３８Ｂには、固体電解質３８の外周面、つまりアノード側面４２の表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン４６が焼結によって一体形成されている。本実施形態では、フィン４６は円筒部３８Ｂの全周に亘って設けられて円環状をなしている。

高温側ハウジング３２は、第１室３６Ａを満たす後述する液体のアルカリ金属が一方においてアノード側面４２と接触し、他方において高温側ハウジング３２の内周面に接触することにより、アノード（アノード電極）を兼ねる。

固体電解質３８の円筒部３８Ｂの内周面は、図２に示されているように、軸線方向の全域に亘って同一径で内径が変化せず、滑らかな（平滑な）円筒面（円周面）に形成されている。ここでの、滑らかな面や平滑な面は、曲面を含む連続した面を意味し、稜や谷等の急峻な凹凸がない面をいう。これにより、固体電解質３８の焼結成形時の型（中子）抜きを行うことができる。なお、型抜きのために円筒部３８Ｂは、下端の開口に向かうほど、内径が大きくなるテーパ形状であってもよい。

固体電解質３８の内面、つまりカソード側面４４には、導電性及び通気性を有するカソード（カソード電極）４８が形成されている。カソード４８は、モリブデン等による薄膜電極であり、気体及び液体のアルカリ金属が通過できるように多孔質（三次元網目構造）に形成されている。カソード４８は、スパッタリング等の公知の積層手法によって形成されればよく、固体電解質３８の内面の大部分、好ましくは全域を覆うように設けられている。円筒部３８Ｂの内周面は、軸線方向の全域に亘って同一径で内径が変化せず、滑らかな円筒面に形成されているから、欠陥のない薄膜構造のカソード４８を公知の積層手法によって確実に且つ容易に形成することができる。

カソード４８の内側にはカソード４８の内側空間を埋めるように多孔質リード部材５０が設けられている。多孔質リード部材５０は、気体及び液体のアルカリ金属が通過可能な多孔質金属体（三次元網目構造の発泡金属体）によって形成され、カソード４８の全面に接触し、カソード４８と電気的に接続されている。多孔質リード部材５０の下端部には金属等の導電材料製の接続端子５２が多孔質リード部材５０と導電関係をもって固定されている。接続端子５２は、多孔質リード部材５０の下端面より下方に突出し、絶縁板２２に貫通形成されている連通用開口２２Ａ内に進入している。

円盤部材１６の下側には、図２に示されているように、各セル３０の低温側ハウジング５４が吊り下げられた状態で設けられている。低温側ハウジング５４は、熱伝導性及び電気伝導性が高い金属等の導電材料によって構成され、上端を上端壁５４Ａによって閉じられ、下端を下端壁５４Ｂによって閉じられた扇状横断面の筒形状をしており、内部の密閉構造の低温室５６を画成している。低温側ハウジング５４は各開口１８に配置されて上端壁５４Ａを各セル取付基板２０の下部に導電関係で固定されている。低温側ハウジング５４の筒部５４Ｃには、熱交換可能な表面積を拡大するために、外周面より径方向外方へ突出した複数のフィン６０が一体形成されている。

低温側ハウジング５４は、セル３０毎に個別に存在し、各セル取付基板２０に固定されていることにより、高温側ハウジング３２と同様に、回転軸線Ｘを中心として互いに回転対称となる位置に、且つ回転軸線Ｘ周りに６０度の回転角をもって等間隔に配置されることになる。なお、本実施形態では、高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とは互いに回転軸線Ｘを中心とした同位相の回転位置に配置されている。各セル３０の低温側ハウジング５４は、セル取付基板２０を支持する電気絶縁性の円盤部材１６により、互いに電気的に絶縁されて短絡することがない個別の電気絶縁性が保証される。

このように、高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とは、個別に構成され、セル３０毎の個別の電気絶縁性を保ってセル取付基板２０および後述する管部材６４によりに互いに電気的に接続されている。

各セル３０は、高温側ハウジング３２および低温側ハウジング５４が各セル取付基板２０に配置されていることにより、回転軸線Ｘを中心とした回転対称位置に、且つ回転軸線Ｘ周りに等間隔に配置されることになる。しかも、各セル３０の全ての高温側ハウジング３２は円盤部材１６の上側、つまり回転軸線Ｘに沿った上側に固定され、各セル３０の全ての低温側ハウジング５４は円盤部材１６の下側、つまり回転軸線Ｘに沿った下側に固定されていることになる。また、各セル３０の高温側ハウジング３２は、低温側ハウジング５４より径方向外方に存在する。

低温側ハウジング５４の上端部には、図２、図４に示されているように、上端壁５４Ａより径方向外方に延出した扇状の延出板状部５４Ｄが低温側ハウジング５４と一体形成されている。セル取付基板２０の下底部には上端壁５４Ａと延出板状部５４Ｄとを連続した扇形状と同一形状の枠状をした突出部２０Ａが形成されている。上端壁５４Ａおよび延出板状部５４Ｄの周縁が突出部２０Ａの全周に気密に係合することにより、セル取付基板２０と低温側ハウジング５４とで当該両者間に通路５８が画成される。

通路５８は、回転軸１２の径方向に延在し、径方向外側部においてセル取付基板２０に貫通形成された連通用開口２０Ｂと絶縁板２２の連通用開口２２Ａとを経て第２室３６Ｂの下部に連通している。通路５８は径方向内側部において上端壁５４Ａに貫通形成された連通用開口５４Ｅを経て低温室５６の径方向内方（最内方）の上部に連通している。このようにして、連通用開口２２Ａおよび２０Ｂと、通路５８と、連通用開口５４Ｅによって第２室３６Ｂの下端部と低温室５６の径方向内方の上部とを連通する第２通路（戻り通路）６２がセル３０毎に個別に構成される。

絶縁板２２とセル取付基板２０と上端壁５４Ａとには、これらを貫通するように金属等の導電材料製の管部材６４が取り付けられている。管部材６４は低温室５６の径方向外方（最外方）の上部と第１室３６Ａの下端部の径方向外方（最外方）とを連通する第１通路（往き通路）６６をセル３０毎に個別に画成する。同時に、管部材６４は、高温側ハウジング３２に接触し、高温側ハウジング３２とセル取付基板２０および低温側ハウジング５４とを導電接続している。

高温側ハウジング３２内の第１室３６Ａおよび第２室３６Ｂと、第１通路６６と、第２通路６２と、低温室５６とは真空になっており、これらにはアルカリ金属が封入されている。本実施形態では、イオン化することによってβアルミナ又はβ"アルミナである固体電解質３８を通過可能なナトリウムがアルカリ金属として使用されている。

回転軸１２の下端部は電気絶縁性のカップリング６８によって回転駆動手段である固定配置の電動モータ７０の出力軸（ロータ軸）７２にトルク伝達関係をもって連結されている。この電動モータ７０の回転出力によって各セル３０の高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とが円盤部材１６、２６と共に回転軸線Ｘ周りに回転駆動される。

各セル３０の高温側ハウジング３２および低温側ハウジング５４は、回転軸線Ｘを中心とした回転対称位置に配置されているので、各セル３０の高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とが回転軸線Ｘ周りに回転しても、偏心荷重による回転バランスの不均衡が生じることがない。

つぎに、ＡＭＴＥＣ１０の配線構造について説明する。ここで、セル３０の配線構造の説明の便宜上、６個のセル３０を、図３、図４に示されているように、♯１〜♯６と云う識別符号を付けて個別に説明することがある。

回転軸１２の外周には、図２に示されているように、電気絶縁性のスリーブ７４によって回転軸１２とは電気絶縁関係にあるアノード側スリップリング７６と、回転軸１２とは直接に導電関係にあるカソード側スリップリング７８とが軸線方向に隔置して取り付けられている。アノード側スリップリング７６およびカソード側スリップリング７８には、外部負荷に接続された集電ブラシ（不図示）が摺接する。各スリップリング７６、７８と集電ブラシとにより、回転軸線Ｘ周りに回転するＡＭＴＥＣ１０から外部負荷に電力が供給される。

♯１のセル３０の低温側ハウジング５４は後述する一方の端子をなし、この低温側ハウジング５４の底部には、図２、図３に示されているように、導電接続板８０の一端が導電状態で取り付けられている。導電接続板８０の他端はアノード側スリップリング７６と導電接続されている。低温側ハウジング５４は管部材６４およびセル取付基板２０によって高温側ハウジング３２と導電関係にあるから、♯１のセル３０のアノード（高温側ハウジング３２）が回転軸１２とは電気絶縁状態でアノード側スリップリング７６と導電接続されたことになる。

図３に示されているように、♯１のセル３０の接続端子５２にはリード線８２の一端が導電接続されている。リード線８２は２枚の絶縁板２２の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯２のセル３０のセル取付基板２０に導電接続されている。以下同様に、♯２のセル３０の接続端子５２にはリード線８４の一端が導電接続されている。リード線８４は２枚の絶縁板２２の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯３のセル３０のセル取付基板２０に導電接続されている。♯３のセル３０の接続端子５２にはリード線８６の一端が導電接続されている。リード線８６は２枚の絶縁板２２の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯４のセル３０のセル取付基板２０に導電接続されている。♯４のセル３０の接続端子５２にはリード線８８の一端が導電接続されている。リード線８８は２枚の絶縁板２２の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯５のセル３０のセル取付基板２０に導電接続されている。♯５のセル３０の接続端子５２にはリード線９０の一端が導電接続されている。リード線９０は２枚の絶縁板２２の上下間を通って外方に延出し、隣接する♯６のセル３０のセル取付基板２０に導電接続されている。なお、リード線８２、８４、８６、８８、９０は、各々、延出元のセル３０のセル取付基板２０とは接触することがない。

セル取付基板２０は、管部材６４および低温側ハウジング５４、更にはこれらの内部に存在する液体のアルカリ金属を介して各セル３０毎に個別に高温側ハウジング３２と導電関係にあるから、リード線８２、８４、８６、８８、９０によって♯１〜♯６による６個のセル３０が直列に接続された直列接続回路が確立することになる。

♯６のセル３０の接続端子５２は上述の直列接続回路の他方の端子をなし、♯６のセル３０の接続端子５２にはリード線９２の一端が導電接続されている。リード線９２の他端は回転軸１２に導電関係で取り付けられた導電接続板９４に導電接続されている。これにより、♯６のセル３０のカソード４８は回転軸１２を導体としてカソード側スリップリング７８に導電接続される。このように、回転軸１２が導電路の一部をなすことで、上述の直列接続回路とソード側スリップリング７８との導電接続構造が簡単になる。

以下に本実施形態に係るＡＭＴＥＣ１０の作用について説明する。

ＡＭＴＥＣ１０は、電動モータ７０によって回転軸１２が回転駆動されることにより、回転軸線Ｘ周りに回転する。これにより、６個のセル３０が回転軸線Ｘ周りに一括して回転する。

全てのセル１０の低温側ハウジング５４は低温環境下にあることにより、低温室５６には液体のアルカリ金属が存在しており、この液体のアルカリ金属は、回転軸線Ｘ周りの回転により生じる遠心力によって、重力に抗して回転軸線Ｘの径方向外方に移動して低温室５６の径方向外方の壁面を伝って上方へ移動する。これにより、低温室５６のアルカリ金属（液体）の液面Ｌは、図２に２点鎖線によって示されているようになる。なお、液面Ｌは、ＡＭＴＥＣ１０の回転速度に応じて変化する。

低温室５６を上方へと移動する液体のアルカリ金属は、遠心力の作用の下に第１通路６６を通って高温側ハウジング３２の第１室３６Ａへ輸送される。これにより、第１室３６Ａは液体のアルカリ金属によって満たされる。

全てのセル３０の高温側ハウジング３２は高温環境下にあることにより、第１室３６Ａでは液体のアルカリ金属は昇温され、一部が蒸発して気体となる。液体及び気体のアルカリ金属は、固体電解質３８の第１室３６Ａ側を向く面において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質３８内に進入する。放出された電子は、第１室３６Ａ内の液体のアルカリ金属を導体として高温側ハウジング５に流れる。これにより、各セル３０の高温側ハウジング３２は各セル３０のアノードとして機能する。

固体電解質３８中のアルカリ金属イオンは、固体電解質３８の第２室３６Ｂ側を向く面においてカソード４８から電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。気体のアルカリ金属は、第２室３６Ｂの多孔質リード部材５０内を通過して第２通路６２を通って低温室５６に戻る。低温室５６に戻ったアルカリ金属は、液化し、再び遠心力の作用の下に第１通路６６を通って高温側ハウジング３２の第１室３６Ａへ輸送される。

このようにしてアルカリ金属は、固体電解質３８を含む高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とをセル３０毎に独立した流れをもって循環する。

アルカリ金属がアルカリ金属イオンになって第１室３６Ａから固体電解質３８内に進入する過程及びアルカリ金属イオンが気体のアルカリ金属となって固体電解質３８から第２室３６Ｂへと移動する過程によって、アノード（高温側ハウジング５）とカソード４８との間に電位差が生じる。

本実施形態では、フィン４６によって固体電解質３８のアノード側面４２の表面積がカソード側面４４の表面積に比して増大し、この表面積の増大に応じて固体電解質３８のアノード側面４２の第１室３６Ａのアルカリ金属と接触する面積が増大する。

これにより、高い運動エネルギーを有するアルカリ金属が固体電解質３８のアノード側面４２に近傍に位置する確率が高くなり、固体電解質３８内へ進入するイオンの数が増大する。これに応じて固体電解質３８のアノード側にて分離する電子量が増え、各セル３０の発電効率が向上する。

そして６個のセル３０のアノード（高温側ハウジング３２）とカソード４８とは、アノード側スリップリング７６とカソード側スリップリング７８との間において直列に接続されているから、アノード側スリップリング７６とカソード側スリップリング７８との間に、各セル３０のアノード（高温側ハウジング３２）とカソード４８との間に生じる電位差を合計した値の電位差が生じる。

高い電圧を得るために、複数のセル３０を電気的に直列に接続する場合、液体のアルカリ金属によってセル３０間が電気的に短絡することを回避するために、アルカリ金属は、固体電解質３８を含む高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４とをセル３０毎に独立した流れをもって循環輸送する必要が生じる。このことに対して、各セル３０のアルカリ金属の輸送は、電動モータ７０による回転軸１２の回転駆動によって全てのセル３０が回転軸線Ｘ周りに回転することにより生じる遠心力によって行われるので、セル３０毎にアルカリ金属を輸送するための輸送手段を個々に設ける必要がない。これにより、複数個のセル３０を電気的に直列に接続したＡＭＴＥＣ１０を、輸送手段の重複を避けてコンパクトに構成することができる。

回転軸１２の軸線方向（回転軸線Ｘ）の一端側に各セル３０の高温側ハウジング３２が集められ、他端側に低温側ハウジング５４が集められているため、回転軸線Ｘ周りの回転に拘わらず、複数の高温側ハウジング３２を共通の高温熱源に常時曝すことができると共に、複数の低温側ハウジング５４を共通の低温側熱源に常時曝すことができる。これにより、ＡＭＴＥＣ１０の温度管理を伴う運転が容易になる。更に、個別に構成された高温側ハウジング３２と低温側ハウジング５４との共通の支持体である円盤部材１６の一方の側（上側）に各セル３０の高温側ハウジング３２が集められ、他方の側（下側）に各セル３０の低温側ハウジング５４が集められているので、構造の簡素化が図られると同時に円盤部材１６をもって高温側と低温側とが明確に区画され、このことによってもＡＭＴＥＣ１０の温度管理が容易になる。

また、高温側ハウジング３２が導電性材料によって構成されていることにより高温側ハウジング３２がアノードを兼ねることになり、固体電解質３８のアノード側面４２にアノードを別途構成する必要がなくなる。これにより、固体電解質３８のアノード側面４２に、アノードを構成することによる制約を受けることなく、フィン４６を設けることができる。そして各セル３０の高温側ハウジング３２を支持する円盤部材１６が電気絶縁材料によって構成されることにより、高温側ハウジング３２が導電性材料によって構成されていても各セル３０間で電気的な短絡を生じることがなく、複数のセル３０を電気的に直列に接続することができる。

図５は、廃熱である内燃機関の排気ガスを熱源とするＡＭＴＥＣ１０の使用例を示している。ＡＭＴＥＣ１０の受熱部である高温側ハウジング３２は、換言すると円盤部材１６より上側は、内燃機関の排気管１００のメイン通路１０２内にあってメイン通路１０２を流れる排気ガスと熱交換可能に配置されている。これにより、高温側ハウジング３２は排気ガスによって加熱される。排気ガスによる高温側ハウジング３２の加熱温度は５００℃以上であればよい。

ＡＭＴＥＣ１０の放熱部である低温側ハウジング５４は、換言すると円盤部材１６より下側は、メイン通路１０２と並列のバイパス通路１０４内に配置されている。バイパス通路１０４の排気ガス入口１０６は開閉弁１０８によって開閉される構造になっている。バイパス通路１０４には外気取入口１１０が形成されており、外気取入口１１０には外気取入用のリード弁１１２が取り付けられている。なお、符号１１４、１１５は各々の気密用の回転シール部である。

ＡＭＴＥＣ１０の始動時には、放熱部（低温側ハウジング５４）の予熱のために、開閉弁１０８を開いてバイパス通路１０４に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部を加熱する。放熱部の予熱は、低温室５６において固体となったアルカリ金属を液体化させるために行われる。放熱部の予熱が完了した後は、開閉弁１０８を閉じ、リード弁１１２によってバイパス通路１０４に外気を取り込み、放熱部を受熱部より低い温度に保つ。放熱部の適正温度は受熱部の温度により決まり、１００〜５００℃程度であればよい。

これにより、ＡＭＴＥＣ１０は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、セル３０の個数は使用目的、要求電圧に応じて適宜増減することが可能である。セル３０の直列接続構造も、上述の実施形態のものに限れることはなく、耐熱性を有する配線基板を用いたもの等、種々の態様で実施可能である。

上述の実施形態では、アノード側スリップリング７６が回転軸１２に電気絶縁状態で取り付けられ、カソード側スリップリング７８が回転軸１２に電気導通状態で取り付けられているが、これとは逆にアノード側スリップリング７６が回転軸１２に電気導通状態で取り付けられ、カソード側スリップリング７８が回転軸１２に電気絶縁状態で取り付けられていもよい。この場合には、両スリップリングに対する直列接続回路の接続も逆になる。

また、固体電解質３８のアノード側におけるアルカリ金属との接触面積を増大するための凹凸は、フィン４６に限られることはなく、蛇腹形状であったり、半球状等の突起や窪みであったりしてもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。固体電解質３８のフィン４６等は、必須ではなく、省略されてもよい。

１０ アルカリ金属熱電変換器（ＡＭＴＥＣ）
１２ 回転軸
１６ 円盤部材（板状部材）
２０ セル取付基板
２２ 絶縁板
２７ 固体電解質
３０ セル
３２ 高温側ハウジング
３６ 高温室
３６Ａ 第１室
３６Ｂ 第２室
３８ 固体電解質
４６ フィン
４８ カソード
５０ 多孔質リード部材
５２ 接続端子
５４ 低温側ハウジング
５６ 低温室
６２ 第２通路
６６ 第１通路
７０ 電動モータ
７６ アノード側スリップリング
７８ カソード側スリップリング
８０ 導電接続板
８２ リード線
８４ リード線
８６ リード線
８８ リード線
９０ リード線
９２ リード線
９４ 導電接続板

Claims (7)

1. 熱を受けて高温になる高温側ハウジングと、放熱して低温になる低温側ハウジングと、前記高温側ハウジング内の高温室を第１室と第２室とに区画するように設けられ、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質と、前記第１室に設けられたアノードと、前記第２室に設けられたカソードと、前記低温側ハウジング内の低温室と前記第１室とを連通する第１通路と、前記低温室と前記第２室とを連通する第２通路と、前記低温室に貯容された液体のアルカリ金属とを有するセルを複数有し、
   前記セルは一つの回転軸線周りに配置され、
   前記高温側ハウジングは前記回転軸線に沿った一側に配置され、
   前記低温側ハウジングは前記回転軸線に沿った他側に配置され、
   更に、前記複数のセルを電気的に直列に接続する直列接続回路と、
   前記セルの全てを前記回転軸線を中心として回転させる駆動装置とを有し、
   前記回転軸線を中心とした回転により生じる遠心力によって前記低温室内の前記アルカリ金属を前記第１通路を介して前記第１室に移動させるアルカリ金属熱電変換器。
2. 前記回転軸線に直交する方向に延在する板状部材を有し、
   前記セルは前記高温側ハウジングと前記低温側ハウジングとを個別に構成され、前記高温側ハウジングの全てが前記板状部材の一方の側に固定され、前記低温側ハウジングの全てが前記板状部材の他方の側に固定されている請求項１に記載のアルカリ金属熱電変換器。
3. 前記高温側ハウジングは導電性を有する材料によって構成されて前記アノードを兼ね、前記板状部材が電気絶縁性を有する材料により構成されている請求項２に記載のアルカリ金属熱電変換器。
4. 前記回転軸線と同心位置に配置されて前記板状部材を取り付けられた回転軸を有し、
   前記回転軸にはアノード側とカソード側のスリップリングとの何れか一方が電気絶縁状態で取り付けられており、他方が電気導通状態で取り付けられており、前記直列接続回路の一方の端子が前記一方のスリップリングに前記回転軸とは電気絶縁状態で導電接続され、前記直列接続回路の他方の端子が前記回転軸に導電接続されている請求項２または３に記載のアルカリ金属熱電変換器。
5. 前記高温側ハウジングのそれぞれは前記回転軸線を中心として互いに回転対称となる位置に配置され、且つ前記低温側ハウジングのそれぞれは前記回転軸線を中心として互いに回転対称となる位置に配置されている請求項１から４の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電変換器。
6. 前記固体電解質が前記第１室側を向く部分は、当該固体電解質の表面積を拡張するための凹凸が設けられている請求項１から５の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電変換器。
7. 前記高温側ハウジングが内燃機関の排気ガスと熱交換可能に配置されている請求項１から６の何れか一項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。

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