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発明の名称 アルカリ金属熱電発電装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−163089
公開日 平成6年(1994)6月10日
出願番号 特願平4−314913
出願日 平成4年(1992)11月25日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】秋本 正実
発明者 平沼 健 / 塚本 守昭 / 井上 久道
要約 目的
簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができるアルカリ金属熱電発電装置を提供すること。

構成
加熱容器3から発電用の固体電解質1を通過して凝縮容器43に移動したナトリウム6を、この発電用電力により駆動される固体電解質から成る電気化学ポンプ21によって前記加熱容器3に循環させる様に構成したことにより、循環ポンプ用の電源や運転制御装置を不要にしたもの。
特許請求の範囲
【請求項1】 アルカリ金属を加熱する加熱容器及び該加熱容器に固体電解質を介在して取り付けられた凝縮容器を含み、前記加熱容器内のアルカリ金属が固体電解質を通過して凝縮容器内に移動することにより発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器内に移動したアルカリ金属を、電力印加によりアルカリ金属を移動させる固体電解質から成る電気化学ポンプを用いて前記加熱容器に循環することを特徴するアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項2】 アルカリ金属を加熱する加熱容器及び該加熱容器に固体電解質を介在して取り付けられた凝縮容器を含み、前記加熱容器内のアルカリ金属が固体電解質を通過して凝縮容器内に移動することにより発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器が、アルカリ金属を電力印加により通過させる固体電解質から成る電気化学ポンプと、該電気化学ポンプを通過したアルカリ金属を前記加熱容器に導くもどり管とを備え、前記凝縮容器に移動したアルカリ金属を電気化学ポンプがもどり管を介して加熱容器に循環することを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項3】 アルカリ金属を加熱する加熱容器及び該加熱容器に固体電解質を介在して取り付けられた凝縮容器を含み、前記加熱容器内のアルカリ金属が固体電解質を通過して凝縮容器内に移動することにより発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器が、アルカリ金属を電力印加により通過させる固体電解質から成る電気化学ポンプと、前記アルカリ金属を内部の微細な隙間に補足して該電気化学ポンプに導くウイックと、該電気化学ポンプを通過したアルカリ金属を前記加熱容器に導くもどり管とを備え、前記凝縮容器に移動してウイックが補足したアルカリ金属を電気化学ポンプがもどり管を介して加熱容器に循環することを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項4】 前記電気化学ポンプに印加される電力が前記発電を行なう固体電解質から供給されることを特徴とする請求項1乃至3記載のアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項5】 前記電気化学ポンプに印加される電力が前記発電を行なう固体電解質から供給されると共に、電気化学ポンプを構成する固体電解質の表面が波形状又は凸凹形状であることを特徴とする請求項1乃至3記載のアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項6】 中空部を持つ袋管状の固定電解質の周囲にアルカリ金属を加熱する加熱空間を形成する袋管状の加熱容器と、中空部を持つ袋管状の固定電解質から成る電気化学ポンプの周囲にアルカリ金属を凝縮する凝縮空間を形成する袋筒状の凝縮容器と、これら加熱容器及び凝縮容器の中空部を連結し且つ凝縮空間と加熱空間を連結するもどり管を持つ固定部とを備えるアルカリ金属熱電発電装置であって、加熱容器の加熱空間に収容したアルカリ金属が加熱により固体電解質を通過して内部の中空部に移動することによって発電し、この発電電力によって前記電気化学ポンプを駆動してアルカリ金属を中空部から凝縮空間に移動させ、この移動したアルカリ金属を固定手段のもどり管を介して加熱容器に循環する様に構成したことを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項7】 加熱される円筒状の加熱板と、該加熱板外周にアルカリ金属を加熱する加熱空間を形成する円筒状の固体電解質と、該固体電解質の外周に円筒状中空部を形成する固定電解質から成る電気化学ポンプと、該電気化学ポンプの外周にアルカリ金属を凝縮する円筒状凝縮空間を形成し且つ冷却される冷却板と、前記凝縮空間と加熱空間を連結するもどり管とを備え、前記円筒状の加熱板,固定電解質,電気化学ポンプ,冷却板とを同心円状に内面から順に配置したアルカリ金属熱電発電装置であって、前記加熱空間に収容したアルカリ金属が加熱により固体電解質を通過して円筒状中空部に移動することによって発電し、この発電電力によって前記電気化学ポンプを駆動して円筒状中空部からアルカリ金属を凝縮空間に移動させ、この移動してアルカリ金属をもどり管を介して加熱容器に循環する様に構成したことを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項8】 前記中空部にアルカリ金属を内部の微細な隙間に補足して該電気化学ポンプに導くウイックを備えることを特徴とする請求項6又は7記載のアルカリ金属熱電発電装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ金属の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置に係り、特にアルカリ金属を凝縮容器側から加熱容器側に効率良く循環することができるアルカリ金属熱電発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にアルカリ金属熱電発電装置(Alkali Metal thermo Electrical Convertor 以下、AMTECと呼ぶ)は、アルカリ金属とアルカリ金属に対して導電性をもつ固体電解質を組み合わせた直接熱電変換装置であり、高温のアルカリ金属と低温のアルカリ金属の蒸気圧差を駆動力として固体電解質内をアルカリ金属イオンが移動することで発電し、20〜35%の高い熱電変換効率が得られるものである。このAMTECは、図10にその基本構成を示す如く、ヒーター(図示せず)等によってアルカリ金属であるナトリウム5を加熱した状態で収納する加熱容器3と、該加熱容器3に後述する固体電解質1及び多孔性電極2を介して取り付けられ、低温のナトリウム6を収納する凝縮容器4と、該凝縮容器4内のナトリウム6をもどり管10を介して加熱容器3に循環する電磁ポンプ11によって構成されている。このAMTECは、加熱容器3中においてナトリウム6は固体電解質1表面でNa+イオンと電子に解離し、蒸気圧力差によりNa+イオンが固体電解質1内を通過すると共に前記電子が正及び負極リード8及び7を結ぶ外部回路を通過することを利用して発電を行ない、且つ凝縮容器4内で電子と再結合したナトリウム6を電磁ポンプ11によってもどり管10を介して加熱容器3に循環することにより連続的に発電を行なうものである。また前記固体電極1としてはβ''-アルミナ(β''-Al2O3)が使用され、凝縮容器4は自然冷却または強制冷却器などにより冷却されるのが一般的である。
【0003】尚、前述のAMTECの発電原理及びその基本構成は、例えば特公昭47−6660号公報に開示され、前記アルカリ金属を循環させる機構を持つアルカリ金属熱電発電装置が記載された文献としては、例えば特開平2−197274号公報、特開平3−253277号公報、特開平2−262877号公報等が挙げられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術によるAMTECは、実用レベルの電圧を得るためには複数の装置を電気的に直列に結合する必要があり、AMTECと同数の電磁ポンプが必要になり、多数の電磁ポンプ用電源装置及び電源運転制御装置を設けなければならず、装置が大型及び複雑化すると言う不具合があった。尚、1台の電磁ポンプで複数の発電装置でアルカリ金属を循環することも考えられるが、この場合は発電装置が電気的に並列接続状態になるので好ましくない。また、前記従来のAMTECは、電子と再結合したアルカリ金属を凝縮容器の底面に重力によって溜めた状態で電磁ポンプによって回収することを前提としているために、重力の少ない例えば宇宙空間においてはアルカリ金属の循環が困難であると言う不具合も招いていた。
【0005】本発明の目的は、前記従来技術の不具合を除去することであり、簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができるアルカリ金属熱電発電装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため本発明は、加熱容器内のアルカリ金属が固体電解質を通過して凝縮容器内に移動することにより発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器内に移動したアルカリ金属を、電力印加によりアルカリ金属を移動させる固体電解質から成る電気化学ポンプを用いて前記加熱容器に循環することを第1の特徴する。
【0007】また本発明は、加熱容器内のアルカリ金属が固体電解質を通過して凝縮容器内に移動することにより発電を行なうアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器が、アルカリ金属を電力印加により通過させる固体電解質から成る電気化学ポンプと、該電気化学ポンプを通過したアルカリ金属を前記加熱容器に導くもどり管とを設け、前記凝縮容器に移動したアルカリ金属を電気化学ポンプがもどり管を介して加熱容器に循環することを第2の特徴とする。
【0008】更に本発明は、アルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮容器が、アルカリ金属を電力印加により通過させる固体電解質から成る電気化学ポンプと、前記アルカリ金属を内部の微細な隙間に補足して該電気化学ポンプに導くウイックと、該電気化学ポンプを通過したアルカリ金属を前記加熱容器に導くもどり管とを設け、前記凝縮容器に移動してアイックが補足したアルカリ金属を電気化学ポンプがもどり管を介して加熱容器に循環することを第3の特徴とし、前記第1乃至第3の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置において、前記電気化学ポンプに印加される電力が前記発電を行なう固体電解質から供給されることを第4の特徴とし、同様に第1乃至第3の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置において、前記電気化学ポンプに印加される電力が前記発電を行なう固体電解質から供給されると共に、電気化学ポンプを構成する固体電解質の表面が波形状又は凸凹形状であることを第5の特徴とする。
【0009】更に本発明によるアルカリ金属熱電発電装置は、中空部を持つ袋管状の固定電解質の周囲にアルカリ金属を加熱する加熱空間を形成する袋管状の加熱容器と、中空部を持つ袋管状の固定電解質から成る電気化学ポンプの周囲にアルカリ金属を凝縮する凝縮空間を形成する袋筒状の凝縮容器と、これら加熱容器及び凝縮容器の中空部を連結し且つ凝縮空間と加熱空間を連結するもどり管を持つ固定部とを設け、加熱容器の加熱空間に収容したアルカリ金属が加熱により固体電解質を通過して内部の中空部に移動することによって発電し、この発電電力によって前記電気化学ポンプを駆動してアルカリ金属を中空部から凝縮空間に移動させ、この移動したアルカリ金属を固定手段のもどり管を介して加熱容器に循環する様に構成したことを第6の特徴とする。
【0010】更に本発明によるアルカリ金属熱電発電装置は、加熱される円筒状の加熱板と、該加熱板外周にアルカリ金属を加熱する加熱空間を形成する円筒状の固体電解質と、該固体電解質の外周に円筒状中空部を形成する固定電解質から成る電気化学ポンプと、該電気化学ポンプの外周にアルカリ金属を凝縮する円筒状凝縮空間を形成し且つ冷却される冷却板と、前記凝縮空間と加熱空間を連結するもどり管とを、円筒状の加熱板,固定電解質,電気化学ポンプ,冷却板の順で内面から同心円状に配置し、前記加熱空間に収容したアルカリ金属が加熱により固体電解質を通過して円筒状中空部に移動することによって発電し、この発電電力によって前記電気化学ポンプを駆動して円筒状中空部からアルカリ金属を凝縮空間に移動させ、この移動してアルカリ金属をもどり管を介して加熱容器に循環する様に構成したことを第7の特徴とし、該6及び7の発電機において、前記中空部にアルカリ金属を内部の微細な隙間に補足して該電気化学ポンプに導くウイックを備えることを第8の特徴とする。
【0011】
【作用】前記第1の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、発電を行なったアルカリ金属を固体電解質から成る電気化学ポンプによって加熱容器に循環させることにより、多数の電源装置及び制御装置を必要とする電磁ポンプを用いることなく簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができる。前記第2の特徴による発電装置は、もどり管によって前記アルカリ金属の循環を行なうことができ、前記第3の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、発電を行なったアルカリ金属を内部に微細な隙間を持つウイックにより補足してから電気化学ポンプにより循環を行なうため、例えば無重力の宇宙空間においても連続的に使用することができる。また第4の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、前記電気化学ポンプの駆動電力を固体電解質により発電した電力によって発電することにより、外部電源及びその制御装置なしに簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができ、第5の特徴による発電装置は、電気化学ポンプを構成する固体電解質の表面を波型又は凸凹形状にすることによって、単位投影面における電解質表面積を増大して内部抵抗を減少させ、ポンプ駆動電力を低減して発電出力を向上することができる。
【0012】更に第6の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、夫々中空部を持ち且つ発電又は電力駆動される袋管状の固体電解質を持つ加熱容器及び凝縮容器を、もどり管が開口された固定手段を介して連結して構成し、加熱容器内のアルカリ金属を発電用の固体電解質が蒸気圧差により発電を行なうと共に、前記発電用固体電解質を通過したアルカリ金属を電力駆動される固体電解質から成る電気化学ポンプによって凝縮容器内に戻してから固定手段のもとり管を介して加熱容器に循環させる様に構成したことによって、例えば加熱部を太陽光を集光する位置に配置し且つ凝縮部をラジエター等により冷却することにより例えば無重力空間においても連続的な発電を行なうことができる。
【0013】更に第7の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、円筒状の加熱板,発電又は電力駆動される円筒状固体電解質,円筒状冷却板を同心円筒状に配置して構成し、内面の加熱面及び発電用固体電解質間の加熱空間のアルカリ金属を発電用の固体電解質が蒸気圧差により発電を行なうと共に、前記発電用固体電解質を通過したアルカリ金属を電力駆動される固体電解質から成る電気化学ポンプによって凝縮容器内に戻してから固定手段のもとり管を介して加熱容器に循環させる様に構成したことによって、例えば配管の排熱をヒートパイプで筒内面の加熱板に熱輸送して発電する発電システムに適用することができる。また第8の特徴による金属熱電発電装置は、前記第6及び7の発電装置において、前記中空部にアルカリ金属を内部の微細な隙間に補足して該電気化学ポンプに導くウイックを備えることにより、無重力空間においても連続的に発電することができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明によるアルカリ金属熱電発電装置(Alkali Metal thermo Electrical Convertor 以下、AMTECと呼ぶ)の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
[第1実施例の説明]図1は、本発明の第1の実施例によるAMTECの構成を示す図である。本実施例によるAMTECは、ヒーター(図示せず)等によってアルカリ金属であるナトリウム5を加熱した状態で収納する加熱容器3と、アルカリ金属である低温のナトリウム6を収納する凝縮容器41と、該凝縮容器41の底面に溜まったナトリウム6をもどり管10を介して加熱容器3に循環する本実施例の特徴である電気化学ポンプ21と、該電気化学ポンプ21に駆動電力を供給する電源23と、前記凝縮容器41及び加熱容器3間に配置される固体電解質1及び多孔性電極2と、加熱容器3内のナトリウム5と導通する正極リード8と、凝縮容器41内のナトリウム6と導通する負極リード7とによって構成される。前記固体電解質1の材質にはβ''−アルミナ焼結体を使用し、多孔性電極2の材質にはモリブデン,チタン,タングステン等の合金又は金属薄膜を使用し、加熱容器3及び凝縮容器41の材質としては対ナトリウム腐食性を考慮してステンレススチールやハステロイ等が使用されている。また加熱容器3内は運転中に900〜1300K(ナトリウム蒸気圧は5000〜300000Pa)に加熱され、凝縮容器41内は400〜800K(ナトリウム蒸気圧は0.0002〜300Pa)に自然又は強制的に冷却されている。
【0015】特に前記電気化学ポンプ21は、前記冷却容器41の底面の一部を構成する様に小面積の固体電解質を配置したものであって、前記固体電解質1とは逆に固体電解質に電源23からの電力を通電することによって前記容器41の低部に溜まったナトリウム6のNa+イオンを通過させる駆動力を発生するものである。従って、この電気化学ポンプ21は通電により容器41の低部に溜まったナトリウム6のNa+イオンを通過させ、溜め部22内において電子と再結合したナトリウム6をもどり管10を介して加熱容器3に循環するものである。
【0016】この様に構成したAMTECは、加熱容器3中を900〜1300K(ナトリウム蒸気圧は5000〜300000Pa)に加熱し、凝縮容器41内を400〜800K(ナトリウム蒸気圧は0.0002〜300Pa)に冷却すると共に、電源23の電力を電気化学ポンプ21に印加することによって起動され、固体電解質1表面で加熱容器3内のナトリウム6はNa+イオンと電子に解離し、蒸気圧力差によりNa+イオンが固体電解質1内を通過することによって正及び負極リード8及び7を電子が通過して発電が開始されると共に、特に本実施例においては固体電解質から成る電気化学ポンプ21が電力印加によってナトリウム6のNa+イオンを通過させて溜め部22の内部で電子と再結合し、このナトリウム6をもどり管10を介して循環を行なう様に動作するものである。この様に本実施例によるAMTECは、凝縮容器と循環用ポンプを一体的に構成しているため、装置構成を簡略化することができる。
【0017】[第2実施例の説明]図2は、本発明の第2の実施例によるAMTECの構成を示す図である。本実施例によるAMTECは、前記実施例と同様にナトリウム5を加熱した状態で収納する加熱容器3と、該加熱容器3から供給されるナトリウム6を収納し且つ後述する電気化学ポンプ21及び溜め部22が設けられた凝縮容器42と、前記凝縮容器42及び加熱容器3間に配置される固体電解質1及び多孔性電極2と、加熱容器3内のナトリウム5と溜め部22内のナトリウム6とを電気的に接続するリード24と、前記多孔性電極2から延びる正極リード8と、該凝縮容器42に溜められたナトリウム6と接続する負極リード70と、該溜め部22の底面からナトリウム6を加熱容器3の上部に導くもどり管10とによって構成されている。尚、前記固体電解質1/多孔性電極2/加熱容器3及び凝縮容器4等の材質及び容器温度等は前述の第1の実施例と同様である。
【0018】本実施例によるAMTECの特徴は、電気化学ポンプ21の電力をAMTECの発電電力から得るようにしたことである。即ち本実施例によるAMTECは、加熱容器3内のナトリウム5と溜め部22内のナトリウム6とを前記リード24によって電気的に接続することにより、正極リード8から多孔性電極2→固体電解質1→加熱容器3内のナトリウム5→リード24→溜め部22のナトリウム6→電気化学ポンプ21→凝縮容器42内のナトリウム6→負極リード70とを結ぶ電気回路を構成して前記電気化学ポンプ21に発電電力を印加する様に構成されている。
【0019】この様に構成したAMTECは、加熱容器3内のナトリウムのNa+イオンが蒸気圧差によって固体電解質1を通過することによる発電電力の閉回路中に電気化学ポンプ21を介在させることによって、発電電力を電気化学ポンプ21の駆動電力として使用することができ、従来別設していた電源を省略することができる。また、固体電解質1による発電電力及び電気化学ポンプ21の固体電解質の消費電力は、個々の固体電解質を通過するNa+イオンのモルで定義される物質量(分子数)と比例するため等しくなり、制御する必要がなく電源運転制御も省略することができる。
【0020】[第3実施例の説明]図3は、本発明の第3の実施例によるAMTECの構成を示す図である。本装置は、前記実施例と同様にナトリウム5を収納する加熱容器3と、該加熱容器3から供給されるナトリウム6を収納し且つ電気化学ポンプ21及び溜め部22が設けられた凝縮容器43と、前記加熱容器3の低部側面から溜め部22側面とを連結して各々のナトリウム5及び6を通電するもどり管100と、前記加熱容器3及び凝縮容器43間に配置される固体電解質1及び多孔性電極2と、前記多孔性電極2と接続する正極リード8と、凝縮容器43内のナトリウム5と接続する負極リード71とによって構成され、前記固体電解質1その他の材質及び容器温度等は前述の実施例と同様に設定されている。
【0021】本実施例によるAMTECの特徴は、加熱容器3及び溜め部22を連結するもどり管100内のナトリウム5及び6を電気回路の一部に兼用したことである。即ち本実施例によるAMTECは、もどり管100が加熱容器3の低部側面と溜め部22の側面を連結していることにより、これら内部のナトリウム5及び6とが導通して、正極リード8から多孔性電極2→固体電解質1→加熱容器3内のナトリウム5→もどり管100内のナトリウム→溜め部22のナトリウム6→電気化学ポンプ21→凝縮容器42内のナトリウム6→負極リード71とを結ぶ電気回路を構成して前記電気化学ポンプ21に発電電力を印加する様に構成されている。
【0022】この様に構成したAMTECは、加熱容器3内のナトリウムのNa+イオンが蒸気圧差によって固体電解質1を通過することによる発電電力の閉回路中に電気化学ポンプ21を介在させると共に、各容器内のナトリウムが電気回路の一部を構成することによって、発電電力を電気化学ポンプ21の駆動電力として使用することができ、且つ前記実施例におけるリードを省略してより簡素に構成することができる。
【0023】[第4実施例の説明]図4は、本発明の第4の実施例によるAMTECの構成を示す図である。本実施例によるAMTECは、前記第3の実施例と同様に加熱容器3及び溜め部22を連結するもどり管100内のナトリウム5及び6が電気回路の一部に兼用していると共に、電気化学ポンプ210を構成する固体電解質が断面波型に成形していることを特徴とし、他の機構部分は前記第3の実施例と同一に構成している。本実施例によるAMTECは、前記電気化学ポンプ210を構成する固体電解質を断面波型に構成したことによって、電気化学ポンプ210の表面積を増大して固体電解質の単位投影面積における表面積を大きくし、ポンプ内における内部抵抗を低減したものである。これによって本装置は、ポンプ駆動電力を低減して発電出力を向上することができる。尚、前記電気化学ポンプ210を構成する固体電解質は断面が凸凹形状に形成しても同様の効果を得ることができる。
【0024】以上述べた各実施例によるAMTECは、凝縮容器内の低部に重力により溜まったナトリウムを加熱容器に循環するものであるが、本発明によるAMTECはこれに限られるものではなく、例えば無重力空間においても連続的な発電を行なうことも可能である。以下、この実施例を説明する。
【0025】[第5実施例の説明]図5は、本発明の第5の実施例によるAMTECの構成を示す図である。本実施例装置は、前記実施例と同様にナトリウム5を収納すると共に内面に微細な隙間を持つウイック26が設けられた加熱容器3と、該加熱容器3に固定された固体電解質1及び多孔性電極2と、該固体電解質1及び多孔性電極2部分以外の内面に微細な隙間を持つウイック25が設けられた凝縮容器45と、該凝縮容器45のウイック25の一部に接して溜め部220に連結する電気化学ポンプ211と、この溜め部220内部と前記加熱容器3のウイック26を機械的及び電気的に連結するもどり管101と、前記多孔性電極2と接続する正極リード8と、凝縮容器45内のウイック25と電気的に接続する負極リード71とによって構成される。前記ウイック25及び26は内部に微細な隙間が多数設けられた金網,発泡金属や金属フェルトによって構成され、液体を内部の隙間に毛管力により補足するものである。また図5中には図示していないが、各ウイック25及び26中には前記実施例同様にナトリウムを含有しているものである。
【0026】この様に本実施例における凝縮容器45内のウイック25に含有されるナトリウムと加熱容器3内のウイック26に含有されるナトリウムとは電気的に導通する様に構成されている。即ち本実施例における電気回路は、正極リード8から多孔性電極2→固体電解質1→ウイック26及びウイック26内のナトリウム→もどり管101内のナトリウム→溜め部220のナトリウム6→電気化学ポンプ211→ウイック25内のナトリウム及びウイック25→負極リード71とを結ぶ回路を構成している。
【0027】この様に構成されたAMTECは、加熱容器3及び凝縮容器45内の液体状のナトリウムをウイック25及び26で補足しつつ、固体電解質1及び多孔性電極2をナトリウムのNa+イオンが蒸気圧差によって通過して発電すると共に、その発電回路中に電気化学ポンプ211を介在させることによって、発電電力を電気化学ポンプ211の駆動電力として使用することができる。特に本実施例によるAMTECは、液体状のナトリウムをウイック25及び26が毛管力により補足して発電及び循環を行なうため、例えば宇宙空間等の無重力状態においても浮遊したナトリウムを該ウイック25及び26がが補足及び循環して連続的な発電を行なうことができる。尚、通常の重力場においてもナトリウムを補足できることは言うまでもない。
【0028】[第6実施例の説明]図6は、前記実施例による無重力空間でも発電可能なAMTECを更に改良した本発明の第6の実施例の構成を示す図である。本実施例と前記実施例によるAMTECとの相違点は、前記実施例では電気化学ポンプ211及び溜め部220を凝縮容器45の外部に配置しているのに対し、本実施例では凝縮容器46内部に電気化学ポンプ212を含むウイック250を突出させ、且つ電気化学ポンプ212内にナトリウム6を内在可能な空間を設けて溜め部を兼用している点である。また本実施例によるAMTECは前記実施例同様に負極リード72からウィック250→電気化学ポンプ212→ナトリウム6→もどり管102内ナトリウム→加熱容器3内ウイック26及びナトリウム→固体電解質1→多孔性電極2→正極リード8を接続する電気回路を構成し、発電及び電気化学ポンプ駆動が行なわれる。
【0029】この様に構成したAMTECは、凝縮容器46内にナトリウムを補足するウイック250を突出させて表面積を増大したことによって電気化学ポンプ212の内部抵抗を低減して必要とするポンプ駆動電力を更に低減することができる。尚、本実施例における突出したウイック及び電気化学ポンプの形状はナトリムの循環補足効率を考慮して任意の形状にしても良いことは言うまでもない。以上述べた各実施例によるAMTECは、ヒータを用いてナトリウムを加熱する例を示したが本発明はこれに限られることなく、例えば排熱や宇宙空間における太陽光熱を熱源としてナトリウムを加熱するAMTECにも適用することができる。次にこの様な他の熱源を使用するAMTECの実施例について説明する。
【0030】[第7実施例の説明]図7は、袋管状固体電解質を用いて例えば加熱部を太陽光により加熱して発電を行なうAMTECの一実施例を示す図である。本実施例によるAMTECは、概略外形が細長形状であり、内部に袋管状の複数層を形成し、図面上方外周部分がナトリウムを加熱する加熱部,図面下方の外周部がナトリムを凝縮する凝縮部を形成し、内部の中空部分が固体電解質を通過したナトリムを凝縮部に案内する中空部を形成している。まず前記加熱部は、上端が閉じられ且つ内部が袋管状の加熱容器31と、該容器31内に循環されたナトリウムを補足するウイック26と、該ウイック26内のナトリウムのNa+イオンを蒸気圧差により通過させて発電する袋管状固体電解質11及び多孔性電極2と、該多孔性電極2からのNa+イオンと電子とが再結合したナトリウムが放出される中空部とを備える。この加熱容器31内面と固体電解質11外面の間はアルカリ金属を収納して加熱する加熱空間を形成している。
【0031】また凝縮部は、下端が閉じられた筒状の凝縮容器47と、前記加熱部の中空部と連結する中空部(内部空間)からNa+イオンと電子とが結合したナトリウムを補足するウイック25と、該ウイック25で補足したナトリウムを吸引する電気化学ポンプ213と、この通過したナトリウムのNa+イオンを電子と再結合して凝縮する凝縮空間とを備える。この凝縮部は、前記凝縮容器47内面と電気化学ポンプ213外周との間にアルカリ金属を凝縮する凝縮空間を構成している。
【0032】これら加熱部及び凝縮部は一端に前記ウイック26に連結するもどり管102を内設する固定手段によって連結されており、前記加熱部のウイック26が正極リード81に連結され、且つ凝縮部のウイック25が負極リード73に接続されている。
【0033】この様に構成されたAMTECは、例えば加熱部を加熱し且つ凝縮部を冷却することによって加熱容器34のウイック26内のナトリウムがNa+イオンと電子に熱解離し、Na+イオンが蒸気圧差によって袋管状固体電解質11を通過することにより正及び負リード81及び73に電位差を生じて発電が開始される。また多孔性電極12から排出されたNa+イオンと電子とが再結合したナトリウムは、矢印Aの様に内部空間に放出されてから矢印BCの如く凝縮部のウイック25に補足され、袋管状電気化学ポンプ213によって凝縮空間に回収され、この液体状に戻されたナトリウムが固定手段34のもどり管102を介して再び加熱容器31内部に循環され、発電及び循環が連続的に行なわれる。本実施例にるAMTECは、例えば加熱部を太陽光を集光する位置に配置し且つ凝縮部をラジエター等により冷却することによって連続的な発電を行なうことができる。
【0034】[第8実施例の説明]図8は、前記実施例同様に例えば排熱をヒートパイプによって導きナトリウムを加熱するAMTECの実施例を示す図である。本実施例によるAMTECは、概略外形が短筒形状であり、筒内部面が加熱部,筒外部周面が冷却部を形成し、筒内部に内周から固体電解質及び多孔性電極,ナトリウムの凝縮空間,電気化学ポンプ及びナトリウム溜め部が同心円状に配置されている。詳述すると本AMTECは、内周面に熱が加えられる円筒状の加熱板33と、該加熱板33外周との間隔に加熱空間を形成し且つ循環されるナトリウム5のNa+イオンを蒸気圧差により通過して発電を行なう固体電解質1及び多孔性電極2と、該固体電解質1から放出されるNa+イオンを電子と再結合したナトリウムが通過する円筒状中空部と、該ナトリウムを内部の微細な隙間に補足する円筒状のウイック25と、該ウイック25にて補足したナトリウムのNa+イオンを通過させる駆動力を発生する固体電解質から成る電気化学ポンプ214と、該ポンプ214により回収したナトリウム6を収納する円筒状凝縮空間を形成し且つ外周が冷却される冷却板34と、前記凝縮空間内のナトリウム6を前記加熱空間に循環させるもどり管103と、前記円筒状凝縮空間内において加熱空間から凝縮空間に放射されるふく射熱を低減させるための熱遮蔽板35と、前記固体電解質1に接続された正極リード8と、電気化学ポンプ214に接続された負極リード7とを備えている。
【0035】この様に構成したAMTECは、例えば配管の排熱をヒートパイプで加熱板33に熱輸送すると、加熱板33内部のナトリウムが熱解離してNa+イオンが蒸気圧差により固体電解質1及び多孔性電極2を通過して円筒状凝縮空間に排出することにより発電が行なわれる。また、この該円筒状凝縮空間の内のウイック25によって補足されたナトリウムは矢印の如く電気化学ポンプ214によって凝縮空間に移動され、もどり管103を介して前記固体電解質1に循環される。
【0036】この様に本実施例によるAMTECは、加熱部及び凝縮部を同心円状に配置し、且つ凝縮部のナトリウムを電気化学ポンプ及びもどり管により循環させたことにより、円筒半径方向に温度差を設定することにより、例えば配管の排熱をヒートパイプで熱輸送して発電する発電システムに適用することができる。
【0037】以上述べたAMTECは、発電を主目的としたものであるが本発明によるAMTECはアルカリ金属のポンプ装置、例えばナトリウムを移送するポンプ装置にも適用することができ、以下この実施例を説明する。
[第9実施例の説明]図9に示す装置は、本発明による発電装置で得られる電力のすべてを電気化学ポンプの駆動電力としたもので、温度差を駆動源とするポンプ装置である。本装置は、上方に供給されたナトリウム5を加熱する加熱管43と、該加熱管43の底面に配置される固体電解質1及び多孔性電極2と、該固体電解質1を通過したNa+イオンが電子と再結合したナトリウムを補足するウイック25と、該ウイック25が補足したナトリウムを通過させる電気化学ポンプ215と、これらウイック25,電気化学ポンプ215を収納して電気化学ポンプ215から排出されたナトリウム6を送出する冷却管44と、前記加熱管43内のナトリウム5と冷却管44内のナトリウム6とを導通するリード241と、多孔性電極2とウイック25を導通するリード240とを備え、加熱されたナトリウム5のNa+イオンが蒸気圧差により固体電解質1を通過する際に発生する電力を電気化学ポンプ215の駆動電源とする様に構成されている。即ち、固体電解質1→多孔性電極2→リード240→ウイック25→電気化学ポンプ215→ナトリウム6→リード240→ナトリウム5と接続する電気回路を構成することによって、加熱されたナトリウム5のNa+イオンが蒸気圧差により固体電解質1を通過した電力を電気化学ポンプ215の駆動電源として使用し、ナトリウムを移送するポンプを構成している。尚、本ポンプ駆動の起動停止は、前記リード241のオン/オフスイッチ及び又は加熱管43の加熱冷却によって制御することができる。
【0038】この様に構成された装置は、ナトリウム5が供給される加熱管43を加熱することによって該ナトリウム5のNa+イオンが蒸気圧差により固体展開質1及び多孔性電極2を通過させ、且つこのときの発電力を電気化学ポンプ215の駆動源とすることによってナトリウムを移送することができる。また本装置は、この移送と同時にナトリウムを熱解離及び再合成することによってナトリウムの精製も同時に行なうことができ、結果的に精製装置として使用することもできる。
【0039】この様に前記各実施例によるAMTECは、発電に用いられたナトリウムを固定電解質から成る電気化学ポンプにより循環することによって、特別な電磁ポンプ,電磁ポンプ用電源装置及び電源運転制御装置を設けることなく、簡素な構成で効率良く駆動することができる。またウイックを設けたAMTECにあっては、ウイックが内部の微細隙間にナトリウムを毛細力によって補足するため、重力に影響されることなく、例えば宇宙空間においても連続して駆動することができる。またAMTECの形状を種々工夫することによって、特別な加熱手段を設けることなく、例えば排熱や太陽光熱源を利用した発電も行なうみとができる。またアルカリ金属、例えばナトリウムの移送及び精製を行なう装置にも適用することができる。
【0040】
【発明の効果】以上説明した様に本発明の第1の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、発電を行なったアルカリ金属を固体電解質から成る電気化学ポンプによって加熱容器に循環させることにより、多数の電源装置及び制御装置を必要とする電磁ポンプを用いることなく簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができる。また第2の特徴による発電装置は、もどり管によって前記アルカリ金属の循環を行なうことができ、第3の特徴による金属熱電発電装置は、発電を行なったアルカリ金属を内部に微細な隙間を持つウイックにより補足してから電気化学ポンプにより循環を行なうため、例えば無重力の宇宙空間においても連続的に使用することができる。
【0041】また第4の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、電気化学ポンプの駆動電力を固体電解質により発電した電力によって発電することにより、外部電源及びその制御装置なしに簡単な機器構成で効率良くアルカリ金属を循環することができ、記第5の特徴による発電装置は、電気化学ポンプを構成する固体電解質の表面を波型又は凸凹形状にすることによって、ポンプ駆動電力を低減して発電出力を向上することができる。
【0042】更に本発明の第6の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、夫々中空部を持ち且つ発電又は電力駆動される袋管状の固体電解質を持つ加熱容器及び凝縮容器を、もどり管が開口された固定手段を介して連結して構成し、加熱容器内のアルカリ金属が発電用の固体電解質を通過させることにより発電を行なうと共に、前記発電用固体電解質を通過したアルカリ金属を電気化学ポンプによって凝縮容器内に戻してから固定手段のもどり管を介して加熱容器に循環させる様に構成したことによって、加熱部を例えば太陽光を集光する位置に配置することによって簡素な構成で効率良く連続的な発電を行なうことができる。
【0043】更に第7の特徴によるアルカリ金属熱電発電装置は、加熱板,固体電解質及び冷却板を同心円筒状に配置し、アルカリ金属が円筒内周から外周へ発電用固体電解質を通過することにより発電し、且つ該アルカリ金属を電力駆動される固体電解質から成る電気化学ポンプによって凝縮容器内に戻してから固定手段のもどり管を介して加熱容器に循環させる様に構成したことによって、例えば配管の排熱をヒートパイプで筒内面の加熱板に熱輸送して発電する発電システムに適用することができる。また第8の特徴による金属熱電発電装置は、アルカリ金属を内部の微細間隔に補足するウィックを設けたことによって特に無重力空間においても連続的な発電を行なうことができる。




 

 


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