JPH0634603B2 - 固体電解質型熱電変換装置 - Google Patents

固体電解質型熱電変換装置

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JPH0634603B2
JPH0634603B2 JP62250290A JP25029087A JPH0634603B2 JP H0634603 B2 JPH0634603 B2 JP H0634603B2 JP 62250290 A JP62250290 A JP 62250290A JP 25029087 A JP25029087 A JP 25029087A JP H0634603 B2 JPH0634603 B2 JP H0634603B2
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solid electrolyte
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power generation
positive electrode
casing
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耕太郎 田中
明 根岸
俊久 増田
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、固体電解質を利用して熱エネルギーを直接電
気エネルギーへ変換する直接発電方式による発電装置に
関する。
[従来の技術] 従来、固体電解質を利用した発電原理は、1969年J.T.Ku
mmerらにより提案され(米国特許第3,458,356号)とさ
れ、Sodium Heat Engine(SHE)あるいはAlkali Metal
Thermo−Electric Convertor(AMTEC)と呼ばれてい
る。その後、1985年にはN.Weberにより電極リードの絶
縁方法(米国特許第4,505,991号)が提案されている。
この発電方式は、発電装置の単位重量あたりの出力が
大きい、エネルギー変換効率が高い、発電規模を自
由に選択することができる、あらゆる熱源に対応可能
である、直接発電のため動作部がなく、振動、騒音も
ない、長寿命で信頼性が高い、など数多くの利点を備
えている。
この発電原理を利用した発電装置は今までにいくつか報
告されているが、発電に関与する作動媒体を固体電解質
へ供給する方法は第4図あるいは第5図に示すいずれか
の方法による。
第4図は従来の発電装置を示す図である。ここで、401
は固体電解質、403は正極電極膜である。404および405
は外部端子であり、外部端子404は負極、外部端子405は
正極である。406は絶縁物であり、407は冷却面である。
408はポンプ、409は作動媒体411の流路である。412はヒ
ータであり、容器413の周囲に設置されている。
この装置における作動媒体の供給は、液相の作動媒体41
1をポンプ408により流路409を経て固体電解質401の内側
へ上方より供給する方式であり、411Aは供給された液相
の作動媒体である。作動媒体411Aの加熱はヒータ412に
より行われる。ヒータ412によって加熱された液相の作
動媒体411Aは、固体電解質401をイオンとして通過し、
正極電極膜403で中性化された後に容器413の下方の冷却
面407と接して凝縮し、液相の作動媒体411となる。ヒー
タ412によって加熱された作動媒体411Aの温度に対応す
る蒸気圧力と冷却面407の温度に対応する蒸気圧力との
差が固体電解質401内のイオンの駆動力となり、イオン
の移動により電力が発生する。この電力は外部端子40
5,405により取り出される。
第5図に示す装置においては固体電解質501が第4図に
示した装置とは上下逆に固定され、作動媒体511はポン
プ508により固体電解質501の内側501Aへ下方より供給さ
れる。511Aは供給された作動媒体である。作動媒体511A
の加熱はこの装置においては固体電解質内側501Bより行
われるが、第4図に示した装置と同様に容器513の周囲
より加熱することも可能である。発生した電力は外部端
子504,505より取り出される。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、従来の発電装置においては、高温加熱面
と固体電解質との間に供給される作動媒体はすべて液相
であるため、作動媒体の必要量が多くなるという問題点
があった。また、熱の移動は液相の作動媒体を介しての
伝導、あるいは周囲からの放射により行われるので、固
体電解質の均一加熱が難しいという問題点があった。さ
らに、作動媒体を加熱するための加熱面と固体電解質と
の距離を大きくすることが難しく、このため設計上の自
由度が少ないという問題点があった。
また、多数の固体電解質を並べて発電を行う際、固体電
解質の内側および作動媒体供給流路が液相の作動媒体で
満たされているために電気的な直列接続が難しい点も重
要な問題点であった。
そこで、本発明の目的は、作動媒体の必要量を減少さ
せ、固体電解質を均一に加熱することが可能で、固体電
解質を直列に接続することのできる固体電解質型熱電変
換装置を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明の固体電解質
型熱電変換装置は、発電部(X)と、作動媒体と、ケーシ
ング(Y)と、ポンプ(8)と、流路(9)と、加熱源(10A)とを
有する固体電解質型熱電変換装置であって、発電部(X)
は、中空有底円筒状の固体電解質(1)と、固体電解質(1)
の一方の表面を覆って形成されて作動媒体の蒸気を凝縮
し負極電極を兼用する凝縮手段(2)と、固体電解質(1)の
他方の表面を覆って形成される正極電極膜(3)とを有
し、ケーシング(Y)は、発電部(X)と作動媒体とを収納
し、発電部(X)の正極電極膜(3)側が低圧部(A)、凝縮手
段(2)側が高圧部(Z)となるように隔離され、高圧部(Z)
側に液溜め(B)を有し、低圧部(A)側において低温側に凝
縮面(7)が形成され、流路(9)は、一端がケーシング(Y)
の凝縮面(7)に、他端が液溜め(B)に開口され、ポンプ
(8)は、流路(9)の中の作動媒体を液溜め(B)の方向へ移
送し、加熱源(10A)は、ケーシング(Y)の液溜め(B)の近
傍に設けられ、作動媒体を加熱して気化することを特徴
とする。
[作 用] 本発明によれば、少量の作動媒体が加熱面近傍にあれば
よいので、装置を軽量化することができる。また、加熱
面から固体電解質表面である凝縮面への熱の移動は作動
媒体の蒸発・凝縮によって行われるので均一となる。さ
らに、加熱された作動媒体は蒸発して固体電解質に到達
するので、加熱面と固体電解質との距離が大となっても
すみやかに作動媒体および熱の両者が固体電解質に供給
され、このことにより装置設計上の自由度が非常に大き
くなる。
また、多数の固体電解質を並べて電気的に直列接続する
場合も気相を介して絶縁されるために、直列接続が容易
となる。
[実施例] 以下、図面を参照し、実施例1,2および3について本
発明を詳細に説明する。
実施例1 第1図は本発明の第1の実施例を示す図である。ここ
で、1はいずれもイオン導電性の高いβアルミナ、β″
アルミナおよびβアルミナなどの固体電解質である。
固体電解質1は一端部に底面を有する円筒形状である。
2は凝縮手段であり、ヒートパイプに用いられるものと
同様のものである。凝縮手段2を使用せず、凝縮した液
相の作動媒体が固体電解質1の外面を覆うことができる
ような形状に固体電解質1の表面を加工してもよい。
3は正極電極膜であり、その材料は作動媒体に対して溶
解度の小さいものが選択される。例えばナトリウムを作
動媒体とした場合には、モリブデン,チタン,クロム,
コバルト,タングステン,ニッケルおよびこれらの合金
が適当である。また、正極電極膜3の作製方法として
は、電子ビーム蒸着法,イオンプレーティング法,スパ
ッタ法,化学気相成長法,熱分解還元法およびスプレー
法があり、正極電極膜3の材料との関係で選択される。
膜厚は0.1μm〜10μmが適当である。また、多成分の
多層膜も有効である。
4および5は外部端子であり、外部端子4は負極、外部
端子5は正極である。6は絶縁物である。7は冷却面、
8はポンプである。9は作動媒体11の流路である。10は
作動媒体11を加熱するための加熱面である。隣接する固
体電解質1同士は接続線14によって気相中で電気的に直
列に接続されている。
この装置は円筒形状の固体電解質1の内側に正極電極膜
3が配置されている発電装置である。以下、この装置の
構成と発電の原理について説明する。
この発電装置は、ケーシングYと発電部Xと液溜めBと
作動媒体11と加熱源10Aとを有する。ケーシングYは発
電部Xにより2つの空間に区分され、一方は加熱源10A
により溶融・気化された高温の作動媒体が充満している
高圧部Zであり、他方は低圧部Aである。発電部Xは、
固体電解質1と凝縮手段2と正極電極膜3とからなり、
凝縮手段2が固体電解質の高圧側Zに位置し、正極電極
膜3は低圧側Aに位置している。10Aは、加熱面10を介
して液溜めB内の作動媒体11を加熱・溶融するための加
熱源である。
液溜めB内の作動媒体は、液溜めの下に設けられた加熱
源10Aにより加熱される。この加熱源10Aにより気化して
充満された高圧部Zは高圧かつ高温になる。発電部X
は、固体電解質1と凝縮手段2と正極電極膜3とから構
成されている。高圧部Z内に充満した高温かつ高圧の作
動媒体は、凝縮手段の表面上において凝縮する。凝縮し
た作動媒体がイオンとして、例えば、β″アルミナから
なる固体電解質1を通過して、正極電極膜3において作
動媒体のイオンは中性化される。このとき、電子は外部
端子4と5との間に接続される外部負荷に電力を発生さ
せる。正極電極膜3を通過した作動媒体は、高圧部Zよ
り低圧の低圧部Aにおいて気化して、低温である冷却面
7において凝縮して凝縮作動媒体11Bとなる。この発電
装置は、高圧部Zと低圧部Aとの作動媒体の蒸気圧差に
よって高圧側から低圧側に駆動される。ここで、高圧側
と低圧側の圧力を、それぞれ、PとPとすれば、こ
の発電装置の起電力はE=(RT/F)・ln(P2/P1)で
与えられる。ここで、Rは気体定数、Tは絶対温度、F
はFaraday定数である。この起電力は高圧部Zの外部端
子4と低圧部の外部端子5により外部に取り出される。
なお、この装置は各固体電解質を電気的に直列に接続し
た例であるが、並列接続も可能である。
実施例2 第2図は本発明の第2の実施例を示す図である。図中、
第1図と同様の個所には同一の符号を付す。
この装置は第1図に示した固体電解質1を上下逆にして
固定し、固体電解質1の外側に正極電極膜3を配した構
成である。この場合は固体電解質1の内側の凝縮手段2
で作動媒体が凝縮する。そのほかの部分については第1
図に示した装置と同様の構成である。また、発電の原理
についても第1図に示した装置と同様である。なお、こ
の装置は第5図に示した従来の装置に対応する装置であ
る。
実施例3 第3図は本発明の第3の実施例を示す図である。図中、
第1図および第2図と同様の個所には同一の符号を付
す。
第3図に示す装置は実施例1および2に示した装置とは
多少異なる。すなわち、固体電解質1の内側は液相の作
動媒体11Aで満たされている。この点は第4図に示した
従来の装置に対応する装置であるが、従来の装置と大き
く異なる点は作動媒体がポンプ8を通過後に液流路9Aに
おいて加熱源10Aより作動媒体11を加熱・昇温して蒸発
させる点である。したがって、作動媒体は流路9Bを経た
後、固体電解質1の内側で凝縮し、液相の作動媒体11A
となる。作動媒体11を高温に保つために補助加熱源10B
を必要に応じて導入することも可能である。第1および
第2の実施例と同様に正極電極膜3で中性化された作動
媒体は冷却面7で凝縮される。発生した電力は外部端子
4,5により取り出される。第4図に示した従来の装置
との大きな差は、加熱源10Aの配置に自由度がある点と
固体電解質の電気的な直列接続が容易な点である。
作動媒体をナトリウムとし、固体電解質としてβ″アル
ミナを使用し、高温側の温度を1175K、低温側の温度を
500Kとし、正極電極膜面積を500cm2とした場合、正極
電極膜単位面積あたりの出力は1.1W/cm2が得られ、熱
効率は最大35%となる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、少量の作動媒体
が加熱面近傍にあればよいので、装置を軽量化すること
ができる。また、加熱面から固体電解質表面である凝縮
面への熱の移動は作動媒体の蒸発・凝縮によって行われ
るので均一となる。さらに、加熱された作動媒体は蒸発
して固体電解質に到達するので、加熱面と固体電解質と
の距離が大となってもすみやかに作動媒体および熱の両
者が固体電解質に供給され、このことにより装置設計上
の自由度が非常に大きくなる。
また、多数の固体電解質を並べて電気的に直列接続する
場合も気相を介して絶縁されるために、直列接続が容易
となる。
【図面の簡単な説明】
第1図,第2図および第3図は本発明の第1,第2およ
び第3の実施例を示す図、 第4図および第5図は従来の発電装置を示す図である。 1……固体電解質、 2……凝縮手段、 3……正極電極膜、 4,5……外部端子、 6……絶縁物、 7……冷却面、 8……ポンプ、 9,9A,9B……流路、 10……加熱面、 10A……加熱源、 10B……補助加熱源、 11,11A,11B……作動媒体、 14……接続線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発電部(X)と、作動媒体と、ケーシング(Y)
    と、ポンプ(8)と、流路(9)と、加熱源(10A)とを有する
    固体電解質型熱電変換装置であって、 発電部(X)は、中空有底円筒状の固体電解質(1)と、固体
    電解質(1)の一方の表面を覆って形成されて作動媒体の
    蒸気を凝縮し負極電極を兼用する凝縮手段(2)と、固体
    電解質(1)の他方の表面を覆って形成される正極電極膜
    (3)とを有し、 ケーシング(Y)は、発電部(X)と作動媒体とを収納し、発
    電部(X)の正極電極膜(3)側が低圧部(A)と、凝縮手段(2)
    側が高圧部(Z)となるように隔離され、高圧部(Z)側に液
    溜め(B)を有し、低圧部(A)側において低温側に凝縮面
    (7)が形成され、 流路(9)は、一端がケーシング(Y)の凝縮面(7)に、他端
    が液溜め(B)に開口され、 ポンプ(8)は、流路(9)の中の作動媒体を液溜め(B)の方
    向へ移送し、 加熱源(10A)は、ケーシング(Y)の液溜め(B)の近傍に設
    けられ、作動媒体を加熱して気化する ことを特徴とする固体電解質型熱電変換装置。
JP62250290A 1987-10-02 1987-10-02 固体電解質型熱電変換装置 Expired - Lifetime JPH0634603B2 (ja)

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