(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒和物質としてメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造を有するセルと、
前記セルの中央に位置し、前記セルを両側に分離する分極または多孔性分離膜と、
前記セルの一側に位置する加熱部と、
を含む溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項２】
前記セルの両側にそれぞれセル外部と内部を貫通する金属素材の陽極及び陰極がさらに含まれていることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項３】
前記陽極及び陰極の素材は、アルミニウム、鉄、白金、銀、金、及び前記金属のうちの一つ以上を含む合金からなる群より選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項２に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項４】
前記陽極及び陰極は、前記加熱部が位置して加熱される側が陽極となり、他の側が陰極となることを特徴とする請求項２に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項５】
前記セルの構造は、円筒状、板状、チューブ状、円状及びフィルム状からなる群より選択された一つであることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項６】
前記セルの両側は、伝導体素材であることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項７】
前記セルの一側は、他の一側に比べて熱伝導度が低い素材であることを特徴とする請求項６に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項８】
前記セルの内部には、前記溶媒和物質との接触面積を増やすための金属構造物が内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項９】
前記分極または多孔性分離膜は絶縁素材であり、前記分極は前記セルの両側を貫通する通路である空間を有し、前記多孔性分離膜は、前記閉鎖された構造の独立したセル２つが多孔性分離膜を中心にして接合されたことを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項１０】
前記メタルアンモニアまたはメタルアミン化合物は、アンモニア及びアミン化合物からなる群より選択された一つ以上と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を含む金属元素のうち選択された一つ以上とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項１１】
前記アミン化合物は、メチルアミン（ｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、エチルアミン（ｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ジグリム（ｄｉｇｌｙｍｅ）、エタノールアミン（ｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、ジエタノールアミン（ｄｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、プロピルアミン（ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｎ−ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｉｓｏｐｒｏｐｌｙａｍｉｎｅ）、ブチルアミン（ｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ）、トリエチルアミン（ｔｒｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ヘキサミン（ｈｅｘａｍｉｎｅ）、エチレンジアミン（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，３−プロパンジアミン（１，３−ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，２−１  プロパンジアミン（１，２−１  ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，４−ブタンジアミン（１，４−ｂｕｔａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，５−ペンタンジアミン（１，５−ｄｉａｍｉｎｏｐｅｎｔａｎｅ）、ヘキサンジアミン（ｈｅｘａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，７−ヘプタンジアミン（１，７−ｄｉａｍｉｎｏｈｅｐｔａｎｅ）、１，８−オクタンジアミン（１，８−ｄｉａｍｉｎｏｏｃｔａｎｅ）、及びジエチレントリアミン（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｔｒｉａｍｉｎｅ）からなる群より選択された一つ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項１２】
前記金属元素は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）（３族）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、水銀（Ｈｇ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、及びユウロピウム（Ｅｕ）からなる群より選択された一つ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項１３】
前記加熱部の加熱源は、廃熱であることを特徴とする請求項１に記載の溶媒和物質を用いる熱電変換装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の熱電変換装置を用いて熱を電気エネルギーに変換する方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の熱電変換装置のセルの両側または陽極及び陰極を２次電池の両極に接続して２次電池を充電する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶媒和物質を用いる熱電変換装置に関し、より詳細には、溶媒和物質であるメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造のセルと、分極または多孔性分離膜と、加熱部と、を含み、物質の流出を防止して溶媒和物質が可逆可能な状態を維持することができる溶媒和物質を用いる熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や環境汚染に対する関心が高まり、再生エネルギーやクリーンエネルギーに関する研究が活発に行われつつある。これにより、固体状態から直接発電が可能であり、騷音及び振動などがなくて、温度の差があれば電気エネルギーを生産することができる熱電変換分野に関する研究が行われている。
【０００３】
一般的に、熱電変換による発電は、１８２１年ドイツの科学者ゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）が互いに異なる二つの金属を接合し、それぞれを異なる温度に露出させると起電力が発生する現象を見つけ出したことに基づいて発展してきた。アメリカや日本などにおいての既存の熱電電池は、ｐ−ｎ接合構造を用いたものであって、大部分薄膜またはナノワイドの高効率の熱電物質の開発に力を注いでおり、金属化合物の特性を有する大部分の熱電物質は、両極間の温度差（＋極と−極との間の△Ｔ）により熱電が行われる。熱電による性能は熱電性能指数ＺＴで表示し、下記式のようになる。
【数１】
0005456204.tif 000002
【０００４】
しかし、両極間の温度差により反応する熱電物質の場合は、大きさや重さに比して非常に低い熱電効率を示し、エネルギー源としての使用が略不可能であり、また高温（１００℃以上）の温度差（＋極と−極極の温度差、△Ｔ＝１５０〜７００℃）により反応する熱電物質は、自動車、核発電、焼却炉などの大型廃熱発電環境が必ず必要であるとの短所があった。
【０００５】
一方、溶媒和物質として使用されるメタルアンモニア及びメタルアミン物質は、当該物質と熱電応用方式が、世界的に新しいエネルギー源としての活用可能性だけが確認された状態であり、未だ物質の電気的な現象の実験段階にとどまっている。溶媒和物質は、現在まで零下６５℃〜零下３５℃にて熱電現象が存在するという実験論文のみが発表された状態であって、未だ基礎的な開発段階であるといえる。
【０００６】
上述した溶媒和電子を含む和合物質である溶媒和物質は、その金属の濃度に応じて金属的な特性と非金属的な特性を有する。液体状態で存在する零下３４℃未満では、アルカリ金属またはアルカリ土類金属、そしてランタン系金属及びアクチニウム系金属などとの合成により生成されるものである溶媒和物質Ｍ（ＮＨ３）ｎは、小さな熱によりＭ（ＮＨ３）ｎ−ｘとｘＮＨ３とに分離される。Ｍの物質がアルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタン系金属及びアクチニウム系金属である場合は、反応性が大きくて、酸素や水に露出されると酸化しやすくなり、ＮＨ３は、軽くて空気中に飛散しやすくて、反応性が低下するという短所があり、相対的にｎ値が４であるＭ（ＮＨ３）４にて安定的な状態を示す。物質の合成に関する化学式は下記の通りである。
【化１】
0005456204.tif 000003
【０００７】
また、金属の溶媒として使用されるものの一つであるアンモニアに飽和された濃度が高いほど液体として存在する溶媒和物質は、銅色（Ｂｒｏｎｚｅ）を呈し、高い電気伝導度や金属イオン及び自由電子を有する金属と類似の物理的性質を示す。メタルアンモニア物質の濃度が０．０１ＭＰＭ以下では、ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎと  ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｃａｔｉｏｎとを含む電解質特性を有し、２〜５ＭＰＭでは非金属特性から金属的な特性を呈する物質への変化が行われ、４ＭＰＭでは、自由電子が発生する。約２０ＭＰＭでは水銀と類似の電気伝導度に到逹し、２２ＭＰＭでは電気伝導度が１５００Ω−１ｃｍ−１であって水銀の電気伝導度（１０００Ω−１ｃｍ−１）を超えることになる。
【０００８】
溶媒和物質の様々な濃度範囲では色相を確認することができ、金属の濃度が高くて金属の性質を呈する２２ＭＰＭでは銅色（Ｂｒｏｎｚｅ）を呈し、その濃度が低くなるほど色がますます淡くなり、赤色を経て（Ｒｅｄ  ｓｈｉｆｔ）、２ＭＰＭでは青色（Ｂｌｕｅ）を呈することになるが、このとき、低いＭＰＭの溶液にて青色を呈する理由は、アンモニアが電子を取り囲んだ形態の溶媒和電子（ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を含むからである。Ｋｒａｕｓが提案した金属溶液でのイオン化反応は、
Ｍｍｅｔａｌ→Ｍｓ＋＋ｅｓ−
のような過程であって、メタルから一つの電子を放出し、ＮＨ３により取り囲まれて、電子が周りを取り囲む形態になる。
【０００９】
リチウムを例に挙げると、リチウムがアンモニア溶液に溶解される過程でリチウムによる電子の分離が生じ、Ｌｉ＋の形態を有することになり、
Ｌｉｍｅｔａｌ→Ｌｉｓ＋  ＋ｅｓ−
のようなイオン化反応が生じる。
【００１０】
一般的に、高い電子密度を有するアルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタン系金属及びアクチニウム系金属は、アンモニアに溶解される過程で生成された電子がアンモニアとして放出され、アンモニアが電子を取り囲む形態の溶媒和電子（ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を形成することになるが、溶媒和物質溶液の電気化学的な酸化反応をリチウム（Ｌｉ）で例を挙げると、
Ｌｉ（ＮＨ３）ｘ（ｌ）→Ｌｉ＋  ＋ｘＮＨ３（ｇ）＋ｅ−
のように、溶媒和物質溶液が分解されて自由電子とアンモニア気体とが発生し、発生された電子とアンモニアとが結合して低濃度では溶媒和電子を形成し、高濃度では電子が分離されて自由電子となる。
【００１１】
一方、下記の反応式において、ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ状態であるｅｓ−（ｉＮＨ３）は、溶媒和された金属の濃度が高くなるにつれてｆｒｅｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎであるｅｆ−を生成することができ、ＮＨ３を再び注入するか、物質の濃度を低くするとまた溶媒和電子状態のｅｓ−（ｉＮＨ３）を生成可能である。
【化２】
0005456204.tif 000004
【００１２】
また、８ＭＰＭ以下で発見されるｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎは、メタルから分離された電子とアンモニア分子とが結合した形態であって、ＭＰＭが低ければ低いほど電子とアンモニア分子との間の結合がより多くなって絶縁体に近くなり、ＭＰＭが高いほど溶媒和電子から電子が分離され、４ＭＰＭ以上の濃度の溶媒和物質では自由な電子が発見される。
【００１３】
上記のように、溶媒和物質が合成される濃度に応じて、メタルから生成された電子とアンモニアとが結合した形態である溶媒和電子が発見されており、温度変化による溶媒和物質の酸化反応と、金属濃度変化による溶媒和電子からの電子の脱出や結合により熱電能力が確認されて来たが、使用されるアルカリ金属及びアルカリ土類金属、ランタン系金属及びアクチニウム系金属の場合、反応性が大きくて酸素や水に露出されると酸化しやすくなり、アンモニアガスは空気中に飛散しやすくなって反応性が低下するので、生成された物質の流出を防止し、溶媒和物質が可逆可能な状態を維持することができる構造の開発が求められる実情であった。したがって、溶媒和電子を含む物質が熱により自由電子と溶媒（気体）とに分離され、分離された物質から発生した気体により内部圧力が増加し、電子が放出されて電気エネルギーを生成するに当たって、生成された物質の流出のため可逆的な反応が困難であり、これを補うための熱電変換装置の開発が求められていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明者らは、上述した従来技術の問題点を解決するために、溶媒和物質を用いる熱電変換装置を開発しようと鋭意研究を重なった結果、本発明を完成するに至った。
【００１５】
本発明は、溶媒和物質であるメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造のセルと、分極または多孔性分離膜と、加熱部と、を含み、物質の流出を防止して溶媒和物質が可逆可能な状態を維持することができる溶媒和物質を用いる熱電変換装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、溶媒和物質としてメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造を有するセルと、上記セルの中央に位置し、上記セルを両側に分離する分極または多孔性分離膜と、上記セルの一側に位置する加熱部と、を含む溶媒和物質を用いる熱電変換装置が提供される。
【００１７】
本発明の一実施例によれば、上記セルの両側にそれぞれセルの外部と内部を貫通する金属素材の陽極及び陰極がさらに含まれることができる。
【００１８】
本発明の一実施例によれば、上記陽極及び陰極は、アルミニウム、鉄、白金、銀、金、及び上記金属のうちの一つ以上を含む合金からなる群より選択されたいずれか一つであることができる。
【００１９】
本発明の一実施例によれば、上記陽極及び陰極は、上記加熱部が位置して加熱される側が陽極となり、他の側が陰極となることができる。
【００２０】
本発明の一実施例によれば、上記セルの構造は、円筒状、板状、チューブ状、円状及びフィルム状からなる群より選択された一つであることができる。
【００２１】
本発明の一実施例によれば、上記セルの両側は伝導体素材であってもよい。
【００２２】
本発明の一実施例によれば、上記セルの一側は、他の一側に比べて熱伝導度が低い素材であってもよい。
【００２３】
本発明の一実施例によれば、上記セルの内部には、上記溶媒和物質との接触面積を増やすための金属構造物が内蔵されることができる。
【００２４】
本発明の一実施例によれば、上記分極または多孔性分離膜は、絶縁素材であり、上記分極は、上記セルの両側を貫通する通路である空間を有し、上記多孔性分離膜は、上記閉鎖された構造の独立したセル２つが多孔性分離膜を中心にして接合されることができる。
【００２５】
本発明の一実施例によれば、上記メタルアンモニアまたはメタルアミン化合物は、アンモニア及びアミン化合物からなる群より選択された一つ以上と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を含む金属元素のうちの選択された一つ以上とから構成されることができる。
【００２６】
本発明の一実施例によれば、上記アミン化合物は、メチルアミン（ｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、エチルアミン（ｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ジグリム（ｄｉｇｌｙｍｅ）、エタノールアミン（ｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、ジエタノールアミン（ｄｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、プロピルアミン（ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｎ−ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｉｓｏｐｒｏｐｌｙａｍｉｎｅ）、ブチルアミン（ｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ）、トリエチルアミン（ｔｒｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ヘキサミン（ｈｅｘａｍｉｎｅ）、エチレンジアミン（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，３−プロパンジアミン（１，３−ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，２−１  プロパンジアミン（１，２−１  ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，４−ブタンジアミン（１，４−ｂｕｔａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，５−ペンタンジアミン（１，５−ｄｉａｍｉｎｏｐｅｎｔａｎｅ）、ヘキサンジアミン（ｈｅｘａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，７−ヘプタンジアミン（１，７−ｄｉａｍｉｎｏｈｅｐｔａｎｅ）、１，８−オクタンジアミン（１，８−ｄｉａｍｉｎｏｏｃｔａｎｅ）、及びジエチレントリアミン（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｔｒｉａｍｉｎｅ）からなる群より選択された一つ以上であることができる。
【００２７】
本発明の一実施例によれば、上記金属元素は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）（３族）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、水銀（Ｈｇ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、及びユウロピウム（Ｅｕ）からなる群より選択された一つ以上であることができる。
【００２８】
本発明の一実施例によれば、上記加熱部の加熱源は廃熱であってもよい。
【００２９】
本発明の他の側面によれば、上記熱電変換装置を用いて、熱を電気エネルギーに変換する方法が提供される。
【００３０】
本発明のまた他の側面によれば、上記熱電変換装置のセルの両側または陽極及び陰極を  ２次電池の両極に接続して２次電池を充電する方法が提供される。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置は、捨てられる熱を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができるので、既存の石油、石炭などを用いた発電に比べて資源の無駄使いを低減することができる。また、少ない熱でも両極の温度差により電気エネルギーが発生されるという長所を有し、装置の大きさを多様化することができ、特に溶媒和物質の可逆的な反応が可能であって連続的な電気エネルギーの生産が可能であるという長所がある。さらに、本発明に係る熱電変換装置は、セル構造を直列で集束形態にして電力を算出することもできるので、小さな電力を必要とする小型機器から大きな電力を必要とする大型機器まで幅広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置の動作原理を示すものである。
【図２】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの基本形態を示すものである。
【図３】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの基本形態の断面図である。
【図４】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの内部面積を増やすために、様々な形態の金属構造物を内面に付着した状態を示すものである。
【図５】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの内部面積を増やすために、様々な形態の金属構造物を内面に付着した状態を示すものである。
【図６】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの内部面積を増やすために、様々な形態の金属構造物を内面に付着した状態を示すものである。
【図７】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルが、板状またはフィルム状である場合を示すものである。
【図８】本発明に係る溶媒和物質を用いて分極を有する熱電変換装置の透視図である。
【図９】本発明に係る溶媒和物質を用いて多孔性分離膜中心の両方に図２の基本形態を有する、独立した２つの熱電変換装置（板状またはフィルム状）のセルを接合した形態であって、陽極と陰極がセル胴体と一体型である熱電変換装置の透視図である。
【図１０】本発明に係る溶媒和物質を用いて分極を有する熱電変換装置の図８の分解図である。
【図１１】本発明に係る溶媒和物質を用いて多孔性分離膜を有する熱電変換装置の図９の分解図である。
【図１２】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置の中央に分極を配置する場合に、セルの両側を繋ぐ通路となる空間が示されており、陽極と陰極がセル胴体と一体型である熱電変換装置を示すものである。
【図１３】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置において、陽極及び陰極がセル胴体と分離型である熱電変換装置を示すものである。
【図１４】本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置を用いた２次電池の充電形態を示すものである。
【図１５】溶媒和物質の基本となる溶媒和金属（Ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｍｅｔａｌ）と溶媒和電子（Ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）との結合形態を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、特定の実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定することではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物ないし代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明を説明するに当たって、係わる公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
本発明は、溶媒和物質であるメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造のセルと、分極または多孔性分離膜と、加熱部と、を含み、物質の流出を防止して溶媒和物質が可逆可能な状態を維持することができる溶媒和物質を用いる熱電変換装置に関するもので、具体的には、溶媒和物質としてメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物が内蔵され、閉鎖された構造を有するセルと、上記セルの中央に位置して上記セルを両側に分離する分極または多孔性分離膜と、上記セルの一側に位置する加熱部と、を含む溶媒和物質を用いる熱電変換装置が提供される。図８は、本発明に係る溶媒和物質を用いて分極を有する熱電変換装置の透視図であり、図１０は、その分解図である。図９は、本発明に係る溶媒和物質を用いて多孔性分離膜を有する熱電変換装置の透視図であり、図１１は、その分解図である。図１０及び図１１に示すように、多孔性分離膜により分離された熱電変換装置の陽極及び陰極は、それぞれ独立した熱電変換装置として用いられ、金属構造物と一体型になっている。
【００３５】
以下で説明するように、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセル構造は、溶媒和物質の可逆的な反応が可能であり、連続的に電気エネルギーを生産するための構造として閉鎖された構造になっており、溶媒和物質が外部と接触することを防止する役割をするので、セルの形態は特に限定されないが、円筒状、板状、チューブ状、円状及びフィルム状からなる群より選択されることができる。上記セル構造は、内蔵された溶媒和物質が外部と接触しないように、内部空間と外部とを隔離する完全に閉鎖された構造である。
【００３６】
図２は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの基本形態を示すものであり、図３は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの基本形態の断面図である。また、図７、図８、図９及び図１１は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルが板状またはフィルム状である場合を示すものである。
【００３７】
また、上記セルの材質は、メタルアンモニアまたはメタルアミン化合物との腐食性を考慮し、これらとの反応性が極めて低い材質であることが好ましく、特にメタルアンモニアを使用する時に温度に応じて気体状態で存在するアンモニアの膨脹によるセル内部の圧力増加を考慮して、セルの素材の強度に合わせた厚さを考慮する必要がある。さらに、熱を電気に変換して電気エネルギーを生成する形態であるので、熱伝導度及び電気伝導度を考慮しなければならない。熱伝導度においては、温度変化による熱伝達が効果的に行われ、かつ熱平衡に容易に達しなく、熱電物質により生成された電気エネルギーの損失を最小化するのために、電気伝導度が非常に優れた素材からなることが好ましい。したがって、上記セルの両側は伝導体素材であることが好ましい。
【００３８】
一方、上記加熱部が位置する上記セルの一側は、熱を迅速に吸収し、内部に挿入されている物質が熱により化学反応を起こして電子が生成されるように誘導する部分であって、熱伝導度及び電気伝導度が高くて抵抗による電力の損失を防止できるものが好ましく、セルの他の一側は、伝達された熱により熱平衡に容易に達することを防止するために、電気伝導度は高いものの熱伝導度は相対的に低い素材からなって温度差を維持できるようにすることが好ましいので、上記セルの一側は他の一側に比べて熱伝導度が低い素材であることが好ましい。
【００３９】
本発明によれば、上記セルの内部には、上記溶媒和物質との接触面積を増やすための金属構造物が内蔵されることができる。これは、セル内に内蔵された溶媒和物質の反応性を増加させるためのものであって、セル内に金属構造物を挿入することにより、さらに広い反応面積を有することになり、さらに多くの電子の生成が可能になるため、様々な形態の金属構造物をセル内部に形成することができる。図４、５及び６は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置のセルの内部面積を増やすために、様々な形態の金属構造物を内面に付着した状態を示すものである。
【００４０】
一方、分極または多孔性分離膜は、セルの中央に位置し、セルを両側に分離する役割をするものであって、溶媒和物質から分離された電子がセル胴体伝いに流れなく、各金属電極を介してのみ移動するように、絶縁素材であることが好ましい。
【００４１】
上記分極は、セルを両側に分離し、上記セルの両側を貫通する通路の役割をする空間を有することが好ましい。これは、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置の電気エネルギーの生成反応メカニズムにおいて、電子の移動が気体の移動により行われるため、生成された電子の移動が行われる通路が必要であるからである。上記分極の空間の幅を調整することにより、温度変化による両極の間の物質の移動速度を調整することもできる。
【００４２】
図１２は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置の分極に、セル両側の通路となる空間が設けられていることを示すものである。
【００４３】
また、上記多孔性分離膜は、セルを両側に分離し、上記多孔性分離膜の気孔を介して電子の移動が行われる。図９及び図１１には、本発明に係る溶媒和物質を用いて多孔性分離膜を有する熱電変換装置の透視図及び分解図が示されている。
【００４４】
図９及び１１に示された本発明に係る多孔性分離膜を有する熱電変換装置は、多孔性分離膜を中心にして両方に、図２に示された基本形態の熱電変換装置のセルを接合した形態であって、それぞれ独立した熱電変換装置のセルは、板状またはフィルム状の陽極及び陰極がそれぞれのセル胴体と一体型になっている。このような熱電変換装置は、板状またはフィルム状に製造されて、半導体のように超小型または精密部品分野に使用できる。また、多孔性分離膜を用いるｐｎ半導体と類似して、より高い変換効率を提供することができる。
【００４５】
一方、上記セル内に内蔵された上記メタルアンモニアまたはメタルアミン化合物は、アンモニア及びアミン化合物からなる群より選択された一つ以上と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を含む金属元素のうち選択された一つ以上とから構成されることができる。
【００４６】
上記でのアミン化合物は、アミン類化合物であれば特に制限されないが、メチルアミン（ｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、エチルアミン（ｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ジグリム（ｄｉｇｌｙｍｅ）、エタノールアミン（ｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、ジエタノールアミン（ｄｉｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）、プロピルアミン（ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｎ−ｐｒｏｐｙｌａｍｉｎｅ、ｉｓｏｐｒｏｐｌｙａｍｉｎｅ）、ブチルアミン（ｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ）、トリエチルアミン（ｔｒｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｅ）、ヘキサミン（ｈｅｘａｍｉｎｅ）、エチレンジアミン（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，３−プロパンジアミン（１，３−ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，２−１  プロパンジアミン（１，２−１  ｐｒｏｐａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，４−ブタンジアミン（１，４−ｂｕｔａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，５−ペンタンジアミン（１，５−ｄｉａｍｉｎｏｐｅｎｔａｎｅ）、ヘキサンジアミン（ｈｅｘａｎｅｄｉａｍｉｎｅ）、１，７−ヘプタンジアミン（１，７−ｄｉａｍｉｎｏｈｅｐｔａｎｅ）、１，８−オクタンジアミン（１，８−ｄｉａｍｉｎｏｏｃｔａｎｅ）、及びジエチレントリアミン（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｔｒｉａｍｉｎｅ）からなる群より選択された一つ以上であることが好ましい。
【００４７】
また、上記金属元素は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を含む金属元素であれば特に制限されないが、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、バナジウム（Ｖ）、チタニウム（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）（３族）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、水銀（Ｈｇ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、及びユウロピウム（Ｅｕ）からなる群より選択された一つ以上であることが好ましい。
【００４８】
さらに、本発明によれば、上記加熱部の加熱源は、熱を発生するものであれば特に限定されないが、本発明は、捨てられる熱を用いても電気エネルギーを生産することができるため、既存の石油、石炭などを用いた発電に比べて資源の無駄使いを低減することができることから、加熱源として廃熱を用いることが好ましい。また、熱が非常に少ない場合であっても両極の温度差により電気エネルギーが発生するので、小さな熱を加えても電気エネルギーの生産が可能である。
【００４９】
本発明によれば、上記セルの両側にそれぞれセル外部と内部を貫通する金属素材の陽極及び陰極をさらに含むことが好ましい。上述したように、分極または多孔性分離膜により分離されたセルの両側そのものが陽極及び陰極として作用することもできるが、上記のように、セル外部と内部を貫通する金属素材の陽極及び陰極がセルの両側に存在しながらセル内部の溶媒和物質と接触していると、電子がセル胴体伝いに流れる時に受ける抵抗を低減することができる。
【００５０】
また、上記陽極及び陰極は、特に制限されないが、アルミニウム、鉄、白金、銀、金、及び上記金属のうちの一つ以上を含む合金からなる群より選択されたいずれか一つであることが好ましい。金属中、電気伝導度及び熱伝導度に優れたものを用いることが好ましい。
【００５１】
さらに、上記陽極及び陰極という名称は、上述した加熱部が位置して加熱される側を陽極、他の側を陰極と称することに由来する。加熱される極から熱が伝達され、溶媒和物質から電子が発生されて他の極に電子が移動し、セル外部へ電子が移動して再び加熱される極に戻ってくるので、加熱部が位置して加熱される側が陽極となり、加熱されない側が陰極となる。
【００５２】
以下では、上述した本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置を利用して熱を電気エネルギーに変換する方法及びそのメカニズムについて詳述する。
【００５３】
上記のような熱電変換装置の加熱部からセルの一側または陽極を加熱すると、セル内のメタルアンモニアまたはメタルアミン化合物に熱が伝達されて、化合物の溶媒がガスで放出されることになる。溶媒を放出した溶媒和物質は、相対的に高濃度になり、低濃度にて存在した溶媒和電子が分解されて電子が放出され、セルの他の側または陰極に移動することにより電気エネルギーが生成される。
【００５４】
上記で、溶媒和物質により生成された溶媒和電子が熱により分離され、溶媒ガスが生成されることにより金属の濃度が高くなり、電気エネルギー生成に有効な自由電子を放出し、温度及び圧力により再び溶媒和電子として再結合するメカニズムが提供される。図１は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置の動作原理を示すものであり、図１３は、溶媒和物質の基本になる溶媒和金属（Ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｍｅｔａｌ）と溶媒和電子（Ｓｏｌｖａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）の結合形態を示すものである。
【００５５】
より具体的には、体積（Ｖ）が一定の状態では、物質のモル数（ｎ）及び温度（Ｔ）の変化により圧力（Ｐ）が決められるが、体積が一定のセル内部に溶媒ガスの沸騰点以下の温度にて液体状態で存在する溶媒和物質が内蔵されている場合、加熱して沸騰点以上の温度になると液体として存在していた溶媒和物質から溶媒ガスが分離され、セルの空き空間は溶媒ガスで満たされることになり、温度が増加するほど分離されて存在する溶媒ガスの量が多くなり、一定の体積のセルであることからＰ∝Ｔの比例関係によりさらに大きい圧力が加えられることになる。また、上記圧力は、液体状態で存在する溶媒和物質にも作用し、温度増加により生成された気体のために一定水準以上の圧力は加えられなくなり、これにより、一定の体積に、増加される温度に対する補償圧力が加えられることにより、物質そのものからはそれ以上の気体分離が起こらずに液体状態で存在し、一定の濃度を維持することになる。このようなメカニズムにより本発明に係る熱電変換装置を利用して電気エネルギーを生産する反応は可逆的な反応であって、溶媒和物質の可逆的な反応が可能となり、連続的な電気エネルギーの生産が可能であるという長所がある。
【００５６】
さらに、本発明の他の側面によれば、上記熱電変換装置のセルの両側または陽極及び陰極を２次電池の両極に接続して２次電池を充電することができる。図１２に示すように、本発明に係る熱電変換装置のセルの陽極及び陰極に２次電池の両極をそれぞれ接続して電気エネルギーを生産することにより、接続された２次電池を充電することができる。図１２は、本発明に係る溶媒和物質を用いる熱電変換装置を利用した２次電池の充電形態を示すものである。
【００５７】
以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、これらの実施例は、ただ本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲がこれらの実施例により制限されるものではないことを理解できよう。
【実施例】
【００５８】
［実施例１］
リチウム０．０３６９ｇ及びアンモニア０．７５７１ｇから構成された溶媒和物質であるリチウムアンモニア化合物が内蔵されており、厚さ１．５ｍｍ、体積７３１３ｍｍ３であり、テプロン素材の分極が中央に位置し、内部空間が空いている閉鎖された構造のセルを準備した。上記セルの素材は分極を基準にして、一側はアルミニウムであり、他の一側は鉄であった。２０℃の環境下で、上記セルのアルミニウム素材部分を３５℃で１０分間加熱した。電圧及び電流を測定した結果、０．３５Ｖの電圧と１１２μＡの電流が発生したことが分かった。
【００５９】
［実施例２］
リチウム０．０１９ｇ及びアンモニア０．０６４５ｇから構成された溶媒和物質であるリチウムアンモニア化合物が内蔵されており、厚さ１．５ｍｍ、体積７３１３ｍｍ３であり、テプロン素材の分極が中央に位置し、内部空間が空いている閉鎖された構造のセルを準備した。上記セルの素材は分極を基準にして、一側はアルミニウムであり、他の一側は鉄であった。２０℃の環境下で、上記セルのアルミニウム素材部分を３５℃で１０分間加熱した。電圧及び電流を測定した結果、６．３Ｖの電圧と３．５μＡの電流が発生したことが分かった。
【００６０】
［実施例３］
図２の基本形態を有する独立した２つの熱電変換装置（板状）のセルのそれぞれに、リチウム０．００８ｇ及びアンモニア０．０３１７ｇから構成された溶媒和物質であるリチウムアンモニア化合物が内蔵されており、厚さ１．５ｍｍ、体積７３１３ｍｍ３であり、１ｍｍ未満のポリマー素材の多孔性分離膜を中央に位置させ、２つの独立したセルを両方にそれぞれ接合した構造を準備した。上記セルの素材は、多孔性分離膜を基準にして、一側はアルミニウムであり、他の一側は鉄であった。２０℃の環境下で、上記セルのアルミニウム素材部分を３５℃で１０分間加熱した。電圧及び電流を測定した結果、７．９Ｖの電圧と２．８μＡの電流が発生したことが分かった。
【００６１】
以上のように、本発明の内容の特定部分を詳細に説明したが、当該技術分野の通常の知識を有する者において、このような具体的技術は単に好ましい実施様態であるだけであり、これにより本発明の範囲が制限されないことは明らかである。よって、本発明の実質的な範囲は添付した請求項とそれらの等価物により定義されるべきである。
【符号の説明】
【００６２】
１０      加熱部
２０、２１    セル胴体
３０      分極
３１      多孔性分離膜
４０      陽極
４１      陰極
５０      分極の通路空間
【図１】
0005456204.tif 000005
【図２】
0005456204.tif 000006
【図３】
0005456204.tif 000007
【図４】
0005456204.tif 000008
【図５】
0005456204.tif 000009
【図６】
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【図７】
0005456204.tif 000011
【図８】
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【図９】
0005456204.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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