JPH03253277A - アルカリ金属熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体電解質を横切るアルカリ金属を電気化学
的に膨張させることによって、熱エネルギを電気エネル
ギに直接変換するアルカリ金属熱電発電装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置では、アメリカ特許第４，０４２，７５７号
に記載のように、固体電解質が熱応力等で破損しないよ
うに内管でウィックを介して支える構造になっており、
Ｎａの流路として、固体電解質及びウィックがある。

また、エム、エル、アンダーラード、その他による「再
循環するアムテツク発電の運転及び要素試験」に関する
西暦１９８９年アメリカ電気電電気電子工学膜稿論文（
Ｍ、Ｌ、Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ、ｅｔ　ａｌ、。

”ＡＭＴＥＣＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　Ｔｅ５ｔ　
Ｃｅ１ｌ　ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＴｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ
　０ｐｅｒａｔｉｏｎ”１９８９　ＩＥＥＥ）では、固
体電解質と異種金属の接続方法について論じられている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第一の従来技術では、以下に示す問題点がある。

（１）固体電解質は、耐応力（約２０ｋｇ／ｍ＋”）が
さほど大きくなく、集中応力に弱いことから、熱応力で
破損しないように、内管でウィックを介して支える構造
になっているが、この場合、Ｎａの流路として、固体電
解質を横切るものと、内管と固体電解質で挾んだウィッ
クがある。第二の従来技術であるＡＭＴＥＣは、固体電
解質を挾んだ内外のＮａの蒸気圧差により圧力損失の大
きい固体電解質内をＮａが通過して発電するものである
ため、圧力損失の小さい別流路があると、これから流れ
が多くなり、性能の低下が発生する。

（２）ＡＭＴＥＣは、固体電解質の一方の面がＮａで濡
れていないとその性能は発揮しない、そのため、この従
来例では、ウィックを用いて、その毛細管力でＮａをホ
ールドする機構を採用している。この毛細管力は、ウィ
ックが濡れている状態（ウィックの表面の不着物がとれ
、ウィック全体にＮａが接着している状態）でないと機
能しない。Ｎａの濡れを良くするためには。

高温（４００〜６００℃）Ｎａ中に漬は数時間放置する
必要があるが、この従来例では、その対策が施されてい
ないため、初期状態では、定格性能が出ないと同時に、
内部構造物の汚れ等によりＮａ自信が汚染され、性能の
低下が発生する。

上記従来技術（２）では、固体電解質を挾み高温側と低
温側のシール方法の研究結果が示されてる。

ここでは、固体電解質と金属の接着およびかしめ法につ
いて検討されているが、熱応力および集中応力の影響が
あり、良い結果が得られていない。

固体電解質は破損しやすい等の問題があるのに対して交
換できる構造となっていないため、破損した場合、全体
が廃棄処分されることになる。

上記以外の問題点として、固体電解質の取り扱いがある
。つまり、固体電解質は、その内部にＮａを含んでいる
ことから、大気中で取り扱うと大気中の酸素と反応して
表面に酸化物を形威し、性能の低下を誘発するため不活
性ガス中で組立を行なう必要がある。この場合、取扱上
できるだけコンパクトにして、作業性の良い構造としな
ければならない。

本発明の目的は、性能低下並びに固体電解質の破損防止
を図ると共に組立安い構造を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

ＡＭＴＥＣを組立安くするために本発明では、ＡＭＴＥ
Ｃ本体を固体電解質が組み込まれる加熱部ユニットと冷
却部ユニットをラブチャディスクを介して二つに分解し
、それぞれのユニットで組立を行ない、最終的には、そ
れらユニットを合体して一つのＡＭＴＥＣを作る構造と
した。

このような構造としたことによる利点を以下に示す。

（１）、冷却部ユニットは大気中での組立が可能。

（２）、固体電解質が収納される加熱部ユニットが小さ
くなるため、不活性ガス内での作業性が良くなる。

（３）、加熱部ユニットと冷却部ユニットは、一つのね
じで固定後、圧力差でラブチャディスクを破壊して合体
するため、加熱部ユニット内は大気にさらされることが
ない。

ＡＭＴＥＣは、その性能を維持すると同時に、運転初期
から定格出力が得られなければならない。

これらの機能を達成するためには、固体電解質の性能低
下並びに破損原因の大きな因子であるＮａ中の不純物の
排除、および運転初期から定格出力を得るためには、固
体電解質の高温側外表面および毛細管力を利用するウィ
ックをＮａで濡らしておく必要がある。

そこで、本発明では、以下に示す手段を採用した。

（１）、加熱部ユニットを組立後、加熱部ユニット上下
に設けた配管をＮａ精製装置に接続し、高温（４００〜
６００℃）のＮａを循環させると同時に精製し、Ｎａを
封じこめる。これによって、固体電解質外表面及びウィ
ックの汚れの排除、濡れ状態の形成並びに高純度Ｎａの
充填ができる。

（２）、ＡＭＴＥＣが起動すると、Ｎａは固体電解質内
を通り下部の冷却部ユニットに流れ込み下部に溜まる。

この時、冷却部ユニット内のＮａ流路に不着している不
純物がＮａ内に混入する。

この不純物を排除するため冷却部ユニットで最も温度が
低くなる部分に不純物析出ポットを設けた。これによっ
て、ポンプによって再度加熱部ユニットに運搬されるＮ
ａは、高純度を維持する。

ＡＭＴＥＣは、固体電解質の内外差圧の違いで、Ｎａが
固体電解質内を通過し発電するものであるため、固体電
解質を挾んでシールする必要がある。このシールの方法
については、固体電解質の特有の性質（耐応力が小さい
。集中応力は弱い。）があるために、いまだ確立されて
いない。

そこで、本発明では、以下に示す手段を採用した。

加熱部ユニットの中で最も低温となる最下部に固体電解
質と熱膨張率がさほど差のない凹型のαアルミナを設置
して、その凹部に高温用パツキンを配置し、そのパツキ
ンを固体電解質の端で圧縮して固体電解質の内外をシー
ルする。この時の圧縮力は、固体電解質の上部に設けた
スプリングにより得るが、固体電解質への圧縮力は分圧
板を介して固体電解質の上部を押しつけて得る。これら
によって固体電解質への集中応力の回避および熱応力の
緩和が可能となる。

上記した問題点のほかにＡＭＴＥＣでは、集電極の取り
付は方が問題になる。本発明では、固体電解質の内側に
良電体の金属メツシュを配置し、そのメツシュを熱膨張
率の大きい筒型の整形焼結金属（Ｎａが通過できる流路
を持つ）で押しつける構造とした。これによって、Ｎａ
流路の確保ができ、ＡＭＴＥＣが作動する高温領域では
、メツシュの押しつけ力が増加し、接触抵抗を小さくす
ることができる。

〔作用〕

本発明によるアルカリ金属熱電発電装置の構成は大別し
て加熱部ユニット、冷却ユニットに分けられる。以下に
これらユニットの各部の作用について列記する。

（加熱部ユニットの構成要素の作用） ウィックは、毛細管力によりＮａを吸い上げ。

固体電解質前領域にＮａを供給するものであり、これに
よって、冷却部ユニットからＮａを供給するポンプの揚
程を低くすることができる。

固体電解質は、その中をＮａを通してイオン化し、電気
化学的に膨張させることにより発電するものである。

集電極は、固体電解質で発生した電力を取出すものであ
り、電極内側の焼結金属で押しつけられている。この焼
結金属は固体電解質より熱膨張率が大きい金属を採用す
るため高温になるほど押しつけ力が大きくなり接触抵抗
が小さくなる。

下部低板は、電気的に絶縁する必要があることからαア
ルミナ板を採用し、形状は、凹型としてその凹部に高温
用パツキンを配置し、固体電解質端を押し付は固体電解
質内外をシールする。

スプリングは、固体電解質を上部から押し付けるもので
、その圧縮力は、分圧板を介して分散力となり固体電解
質に伝わる。これによって、応力集中が回避できる。

電極板は、良電体の金属で、集電極を下部底抜（絶縁体
）と挾むように取り付けられている。これによって、外
部に電力を供給する電極を一箇所数り付けるだけで良く
なる。

ラブチャディスクは、電極板に取付られでおり、加熱部
ユニット内を外気から遮断している。このラブチャディ
スクは、加熱部ユニットと冷却部ユニットを合体した時
に破壊して一体のＡＭＴＥＣを形成する。

加熱部容器は、受熱部をかねて内容物を保持するもので
、この下端に下部底抜、電極板がパツキンを介して取り
付けられる。なお、Ｎａ充填配管は、この加熱部容器の
上、下に設置されている。

雌ねじ付キャップは、加熱部ユニット下部に設けられて
いるもので、冷却部ユニットとの合体時に使用するもの
であり、この締は付は力で冷却部ユニットと合体する。

（冷却部ユニットの構成要素の作用） 電極絶縁板は、加熱部ユニット下端に設けた電極板を電
気的に絶縁するもので、冷却部ユニット上部に設けた袋
ナツト内に設置される。加熱部ユニットとの合体は、こ
の袋ナツト内に加熱部ユニットが挿入され、雌ねじ付キ
ャップと袋ナツトにより締め付けられる。

バッフル板は、滴下するＮａの冷却効果を高めるもので
ある。また、冷却容器外側に設けたフィンも同様な効果
がある。

冷却容器は、低温Ｎａを保持する容器である。

ガス吸排気管は、冷却容器上部に設置されているもので
、加熱部ユニットとの合体時にラブチャディスクを破壊
する時に使用する。

不純物析出ポットは、冷却容器下部の最も低温となる所
に設置され、冷却容器内に溜まるＮａの自己純度管理を
行なう。

電磁ポンプは、冷却部ユニット内で凝縮したＮａを加熱
部ユニットに輸送するもので、冷却部ユニットと加熱部
ユニットを接続する配管系に設置される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明におけるアルカリ金属熱電発電装置の
構成を示す。なお、ここでは、高純度Ｎａを充填した加
熱部ユニットと冷却部ユニットを合体した後、ラブチャ
ディスク４０を破壊し一体化した状況における作動状態
を示す。

加熱部容器１が外熱２（白抜き矢印）により加熱される
と、内部の金属性ウィック３に充填されているＮａが融
解が液体となり高温（９００〜１３００に、飽和蒸気圧
：５Ｘ１０”〜３　Ｘ　１０’Ｐａ）になる。冷却容器
４は外気で冷却され放熱５（黒矢印）し、容器内は４０
０〜８００Ｋに保持される。この時のＮａの蒸気圧は、
２Ｘ１０−４〜Ｉ　Ｘ　１０”Ｐ　ａ　　となる、固体
電解質６（β“アルミナ）は、Ｎａの陽イオンに対して
導電性をもち、電子に対しては絶縁体である。そのため
、高温Ｎａ　（ウィック３領域のＮａ）は、固体電解質
６の外表面で電子を放出し、Ｎａ陽イオンが固体電解質
６の内外差圧を駆動源として固体電解質６内を通過し、
固体電解質６内面に達する。一方、電子はウィック３に
保有している高温Ｎａから外部電気回路７．電極８．電
極板９．集電極１０（金属メツシュ）を経由して固体電
解質６内面の界面で固体電解質６内に通過してきたＮａ
陽イオンを中性化する。中性化されたＮａは、集電極ｌ
Ｏを拡散する間に蒸発熱を吸収する。蒸発したＮａは、
集電極１０を押さえる目的で設置した整形焼結金属１１
を通過し、真空層１２を通って、下部の冷却容器４内で
バッフル板１３で冷却が加速され凝縮する。凝縮した液
相のＮａ　１４は、電磁ポンプ１５で高温領域に設置し
たウィック３内に戻される。このようなＮａの流れを形
成することで１発電を継続することができる。このよう
な熱発電素子で特に問題になるのに、固体電解質６の固
定方法及び充填するＮａの純度管理がある。

この問題を解決するために本発明では、以下に示す対策
を行なった。

（固体電解質の固定方法） 必須条件： 固体電解質６内外をシールする。

固体電解質６は、耐応力（約２０ｋｇ／■２）が小さく
、集中応力に弱いので、応力が大きくなり固定方法は不
向き。

固体電解質６の内側は、外側容器と電気的に絶縁する。

上記した必須条件を満足する構造として、本発明では、
スプリング１６９分圧板１７．高温用パツキン１８．下
部底板１９．電極板９を用いた構戒とした。つまり、固
定電解質６内外のシールは。

固定電解質６下端の平坦な部分を絶縁体であるαアルミ
ナの凹型下部底板１９に設けた高温用パツキン１８を押
し付けて行なう。この時の押し付は力は、加熱部容器ｌ
の上部に設けたスプリング１６で得るが、固体電解質６
に、直接、作用する部分には、Ｎａの出入りが自由にで
きるように穴の開いた分圧板１７を採用した。なお、こ
こで、下部底板１９にαアルミナを使用するが、αアル
ミナは集中応力に弱い（β′アルミナよりは強い）こと
から、その下部には、厚さの厚い電極板９を使用し、こ
の電極板と９と加熱部容器ｌのフランジ１ａで下部底板
１９を挾みボルト１ｂで締め付は固定した。

（Ｎａの純度管理） Ｎａ純度が低下すると、固体電解質６の性能低下ひいて
は、破損の可能性が増大することから、Ｎａの純度管理
は重要となる。そこで、本発明では、以下の対策を行な
った。

Ｎａ充填は、加熱部容器ｌの側面に接続されている配管
２０，２１をＮａ精製装置に接続して、Ｎａを流しＮａ
が高純度になったら封入する。このＮａ充填法について
は、後述する。

上記により、固体電解質６外側に封入するＮａは、高純
度であるが１発電を開始すると、初期の段階で、集電極
１０．焼結金属１１．冷却容器４内の汚れが混入したＮ
ａが冷却容器４千部に溜まる。このＮａを上部の高温部
に戻すと固体電解質６に悪影響を及ぼす。そこで、本発
明では、冷却容器４で、最も温度が低くなる部分に不純
物析出ポット２２を設けた。これによって、固体電解質
６に最も悪影響を及ぼすＮａ酸化物をトラップすること
ができ、循環Ｎａを常に高純度に保つことができる。

なお、上記した構成で、加熱部ユニットとは、電極板９
を含む上部構成であり、冷却部ユニットとは、電気絶縁
板１９ａから以下の構成である。

これらは、加熱部ユニットの構成要素である雌ねじ付き
キャップ３２と袋ナツト３２ａで締め付は固定する。

固体電解質６の最大出力を得るためには、固体電解質６
の外側をＮａで覆う必要がある。高温領域のＮａを固体
電解質６の最上部まで上昇させる力として、電磁ポンプ
１５の吐出圧とウィック３の毛細管力がある。この毛細
管力は、ウィック３がＮａで充分溝たされているときに
は作用せず、満たされていない時に作用する。従って、
電磁ポンプ１５の吐出圧は、固体電解質６最上部までの
水頭から、毛細管力を差し引いた圧力となる。

この毛細管力による吸い上げ高さｈ（ｃｍ）は、以下の
計算式で求めることができる。

ここで、 γ：表面張力（ｄｙｎ／国） ｒ：毛細管の半径（ａｎ） ｄ：液の密度（ｇ／ｃ＋＋’） ｇ：重力の加速度（ａｍ／ｓ２） 第２図に上式（１）で計算した結果を示す。これから、
Ｎａの吸い上げ高さは、高温になるほど減少するが、実
効毛細管半径を小さくすると増加することがわかる。い
ま、熱発電を９００℃（１１７３Ｋ）で行ないＮａの吸
い上げ高さを５０ａａ必要な場合、実効毛細管半径とし
て、約５０μｍ、ウィック３として必要なメツシュ寸法
は、約＃３００メツシュあればよいことがわかる。この
ことから、毛細管力は、十分期待が持てることがわかる
。しかし、この毛細管力は、高温領域のウィック３が濡
れている状態でないとその効果を発揮しない。

そこで、Ｎａ充填時に高温Ｎａ　（４００〜６００℃）
を充分循環させウィック３の濡れ状態を形成して、Ｎａ
を封入する方法を採用した。第３図にそのＮａ充填法を
示す。Ｎａの充填は、加熱部ユニットだけをＮａ精製装
置に組み込んで行なう。

ここで、Ｎａ精製装置は、Ｎａタンク２４．Ｎａ加熱ヒ
ータ２５．加熱部ユニット内のウィック３に充填するＮ
ａ　２６．Ｎａを駆動する電磁ポンプ２７、Ｎａ純度を
監視する純度計２８．Ｎａを精製するコールドトラップ
２９で構成される。なお、Ｎａの充填作業を行なう場合
、加熱部ユニットは、ラブチャディスク４０の保護のた
め押さえ金具３０を設置すると共に、各部の圧力を同圧
にするように共通のガス系３１を接続する。このような
方法でＮａ充填を行なうことで、加熱部ユニット内の構
造物の汚れの排除、高純度Ｎａの充填並びにウィック３
の濡れ状態の形成ができる利点がある。

なお、Ｎａ充填後の加熱部ユニットを冷却部ユニットに
合体する場合は、Ｎａ循環系配管、ガス系３１．ラブチ
ャディスク押さえ金具３０を取り外して冷却部ユニット
に固定する。加熱部ユニットと冷却部ユニットの間にあ
るラブチャディスク４０は、両ユニットの合体後、ラブ
チャディスク４０の内外に差圧をつけ破壊して、両ユニ
ットを導通状態にする。

〔実施例−２〕 第４図には、固体電解質６（β′アルミナ）と下部底体
１９（αアルミナ）を高温用接着剤で固定した場合の構
成を示す。この場合、実施例−ｌで示したスプリング１
６９分圧板１７．パツキン１８が不要となるが、他の実
施例−１に示した構成と同じである。この構成を達成す
るためには、高温に耐えるアルミナ用接着剤の開発が必
要になる。

〔発明の効果〕

（イ）新しい機能 （１）本発明によれば、Ｎａの自己精製ができるので、
常にＮａの純度を高純度の状態で維持できる。

（２）本発明によれば、スプリングの圧縮力で分圧板を
介して固体電解質を押付け、固体電解質下端に設置した
パツキンで固体電解質の内外をシールする構造としたこ
とで、固体電解質への集中応力の回避ならびに熱応力の
緩和に効果がある。

（３）本発明によれば、Ｎａが通過する上で邪魔になら
ない整形焼結金属を集電極の外側に設けたことにより、
固体電解質と整形焼結金属の伸びに違いが発生し、集電
極の押付は力が増加するので、集電極の接触抵抗を小さ
くする効果がある。

（ロ）性能、効率の向上 （１）本発明によれば、Ｎａ充填時に加熱部ユニット内
をＮａを循環させるため、充填時にＮａの濡れ状態が形
成されるので、発電初期から定格出力が得られる。

（２）本発明によれば、高純度のＮａが充填できると共
に運転中は、自己精製によりＮａを高純度で維持できる
ので、不純物による性能の低下並びに固体電解質の破損
を防止できる。

（ハ）経済性、簡略化 本発明によれば、組立作業性を良くするたる本体を二つ
に分解（加熱部ユニットと冷却部ユニット）シ、コンパ
クトにした。これによって以下の効果が発生した。

固体電解質が収納される加熱部ユニットは、不活性ガス
中で組立を行なうが、その時の作業性が良くなる。

冷却部ユニットは、大気中での組立が可能になる。

加熱部ユニットに充填したＮａは密閉されているので大
気にさらされることはない。

万一、固体電解質が破損した場合、加熱部ユニットを交
換するだけで再起動ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のアルカリ金属熱電発電装
置の系統図、第２図は、ウィックの毛細管力の計算結果
の説明図、第・３図は、Ｎａの充填法を示す系統図、第
４図は、本発明の他の実施例の系統図である。 ３・・・ウィック、６・・・固体電解質、９・・・電極
板、１０・・・集電極、１１・・・整形焼結金属、１６
・・・スプリング、１７・・・分圧板、１９・・・下部
底板（αアルミナ）、２２・・・不純物析出ポット、４
０・・・ラブチ托友計 マールトドクツ７９ う７゛すＹディスク方す家（Ｊし ノスネジＣ「キャ７７゜ メンシュナづス゛ メツシュ１；よろＮ＾のＤｆｉ　、ｈ　ｌア高２第ｄ目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルカリ金属を固体電解質内を横切つて電気化学的
   に膨張させることにより、熱エネルギを電気エネルギに
   変換する熱電発電素子において、加熱部ユニットと冷却
   部ユニットを分けて別別に製作並びに組立を行うことを
   特徴とするアルカリ金属熱電発電装置。 ２、請求項１において、前記加熱部ユニットと前記冷却
   部ユニットを一箇所のねじ部で固定するアルカリ金属熱
   電発電装置。 ３、請求項１において、前記固体電解質の固定を分圧板
   及びスプリングを設けてパッキンを圧縮する方式とする
   アルカリ金属熱電発電装置。 ４、請求項１において、前記加熱部ユニットと前記冷却
   部ユニットの別組立を可能にし、これらのユニットの結
   合を外気に触れずに行なうことを可能にしたラプチヤー
   デイスクを前記加熱部ユニットの下部に設けたアルカリ
   金属熱電発電装置。 ５、請求項１において、前記冷却部ユニットで最も温度
   が低い場所にＮａ自己精製用ポットを設けたアルカリ金
   属熱電発電装置。 ６、請求項１において、前記加熱部ユニットの不純物の
   除去及び精製Ｎａの充填を同時に行なうように構成した
   アルカリ金属熱電発電装置。