(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合した固体エネルギ・蓄電デバイスであって、セルを具え、前記セルが、酸化マンガンの層と接触する電子が豊富なドナー材料の層を具え、前記セルの一方の面から他方の面へと電子の流れを促進させるために、前記セル内にイオン性物質が吸収または取り込まれて、これにより前記ドナー材料と酸化マンガン材料の界面を横切る電位を有するセルが生成されることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記ドナー材料が、導電性であり電子が豊富と考えられるｎ型材料であることを特徴とする固体デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記電子が豊富なドナー材料が、グラファイトまたは他のカーボン粉体であることを特徴とする固体デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の固体デバイスにおいて、
前記電子が豊富なドナー材料が、塩化ナトリウムをさらに含むことを特徴とする固体デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記酸化マンガンの層が、塩化ナトリウムをさらに含むことを特徴とする固体デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記イオン性物質が、水、プロピレングリコールおよび塩化ナトリウムの成分により任意の比率で構成されることを特徴とする固体デバイス。
【請求項７】
抵抗負荷を通して電流を流す方法であって、
請求項１に記載のデバイスに抵抗負荷を接続するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
前記抵抗負荷は、一定の電圧と電流を維持するレートで電子と正孔の再結合を発生可能であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、
熱源または電磁波源から熱を加えて、自由電子に運動エネルギを獲得させ、それにより前記セルの拡散電位を増加させることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記イオン性物質が液体であることを特徴とする固体デバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載の固体デバイスにおいて、
前記イオン性物質が固体であることを特徴とする固体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照：
本出願は、２００５年１０月５日出願の米国暫定出願番号６０／４５４，５１１の優先権の利益を主張するものであり、その開示は参照として本書に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
連邦政府出資の研究：適用外
シーケンスリスト：適用外
発明の背景−技術分野
本発明は、固体デバイスによる電気エネルギの発電に関し、より具体的には、金属、半導体、セラミックス（酸化物、炭化物、等）、およびカーボン（グラファイト、チャコール）を含む異種物品間の接合点で生じる熱強化性の拡散電位の電源としての使用による。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
背景：従来技術の検討
電気発電装置は、限定しないが、電磁波（太陽光、赤外光など）、熱エネルギ、機械エネルギ、核エネルギを含む入力を利用して、これらの異なるエネルギ形態の入力を利用可能な電力に変換する。このような装置の製造は、十分に確立されているが、未だに高価で複雑である。今日の発電の殆どが、化石燃料を不可逆的燃焼させており、この形態のエネルギ燃焼が他の種類の発電より安価でないとはいえ、長期に亘る環境と人間の健康へのダメージは、現在のところエネルギ生産コストに負担されていない。さらに、石油から電気エネルギへの変換効率はたった９％と評価されている。太陽電池で生成される電気のコストは、未だ化石燃料による発電と比較して非常に高価であり、適切な光の使用量がないとき（夜間）にエネルギ保存の問題が残る。さらに、光電効果により、太陽電池は特定の太陽光周波数でのみ有利となり、入射する太陽エネルギのおよそ１１−３０％の効率となる。風力、水力、核エネルギ入力に基づく他の種類のエネルギ変換システムは、いくつかの場合に費用効率がよいが、やはり環境に悪い影響を与え、および／または膨大な資本支出を必要とする。熱電気式、熱電子式、磁気流体力学式といった他の新種の発電装置は、現在のところ主要な電力生産に適合するのに必要な変換効率を有さず、さらに製造が複雑である。２００６年１０月２日現在の石油価格＄６１／バレルであるが、代替的なエネルギ変換形態は製造して運用するのに費用対効果が悪い。石油ベースの入力エネルギと費用的に競争可能と考えられる形態の入力エネルギ（例えば、石炭や核）は、温室ガスや粒子または放射性廃棄物の生成による環境破壊を生ずる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
背景：目的と利点
したがって、本発明のいくつかの目的と利点は：
（ａ）世界中の殆どの場所で簡単に入手可能な様々な材料により発電する方法を提供する。
（ｂ）昔から続く、連続的または一度の印刷および塗布技術で、高価な加工機械または製造プロセスが必要のない、発電方法を提供する。
（ｃ）放射性粒子、放射性廃棄物、温室ガス、または他の有害温泉物質を伴わない発電方法を提供する。
（ｄ）非常に定温（室温以下）や非常に高温（３０００Ｋ以上）の双方またはその間で同様に動作する発電方法を提供する。
（ｅ）変換目的の入力を常に供給する必要がない発電方法を提供する。
（ｆ）特定の材料を接合したときの界面で利用可能な静電力から、存在する拡散電位の利点を得るために熱を必要としない発電方法を提供する。
（ｇ）非常に平坦な寸法で、壁、車両フード、飛行機の胴体、道などの既存の領域に嵩張らずに組み込むことができる発電方法を提供する。
（ｈ）限定しないが、飛行機、オートバイ、車、船舶、トラックなどの輸送用乗り物に利用可能な発電方法を提供する。
（ｉ）発電装置が、バッテリ、発電機、および蓄電器で既に用いられている親しまれた構成に組み入れることができ、既存のインフラへの利点となる発電方法を提供する。
【０００５】
さらなる目的と利点は、寸法と規模を変更可能であり、ラジオなどの小さな装置と同様に、家や町や都市などの大規模が必要とする電力を満たすことができる発電方法を提供する。さらなる目的と利点は、後述する説明と図面を考察して明らかになるであろう。
【０００６】
発明の概要
本発明では、新種の発電装置が、材料の界面で電位差が現れ、電圧値全体が装置の陽極と陰極の外側層で見られるような、酸化物、半導体、金属、炭素などの安定材料の層化に基づいている。この装置または電池からの電力の生成は、異種の電子／正孔構造および密度を用いる安定材料間の界面を横切って生成される拡散電位を活用することにより実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、新しい種類の発電装置であり、異なる材料、酸化物、半導体、金属、およびカーボンを、材料の界面で電圧差が見られ全体的な電圧値が装置の陽極と陰極間に示されるように、目的をもって階層化することに基づいている。この装置による電力の生産は、異なる電子構成および密度で安定材料間の界面を横切る拡散電位の生成による。正しい一連の層が適用されたら、装置は様々な電力装置として扱われ、所望の電圧または電力出力に到達するために直列または並列に積層される。
【０００８】
電子は、振動し、波形となって電磁エネルギを放出する。これらの波形は、プランクの公式に基づく周波数分布となる。また、原子間の結合により、平衡状態から１またはそれ以上の原子の置換により、格子を通り伝搬する一連の振動波が生じる。材料は固体状態で非結晶と結晶の双方の要素を有するため、電子の移動は、限定しないが光子および光子運動となる。熱電子放射では、元の材料の表面に電子を保持する力を熱振動エネルギが打ち負かすため、材料表面から電子が飛んで異種材料の上に集中する。その代わり、ゼーベック効果により、温度が異なる金属または半導体の出現で生じる電圧の発現に作用する。光電子放出では、電子は、閾値以上の周波数の電磁放射を吸収した場合に電子が放出される。
【０００９】
２の異なる材料が、異なる電子／正孔の密度で、互いに接合されたら、これらの２つの材料の境界には拡散電位が生じる。これは、電子や正孔が、より低い密度の電子や正孔の領域へと拡散するからである。再結合が生じ、最終的にさらなる再結合を妨害する電界が形成される。２つの材料間の空乏域にわたるこの電界の統合が、拡散電位の値を決定する。
【００１０】
自由電子は、熱を加えると熱または電磁気のソースから運動エネルギを獲得するため、これら以上が空乏域を超えて移動しバリア領域の反対側の正孔と結合する。その結果、空乏域が幅広くなり、接合温度の一次関数の拡散電位が増大する。これら２つの異種材料にまたがって負荷が接続されると、電流が流れる。装置の層にイオン流が現れ、回路を通る電子の流れがさらに促進される。
【００１１】
熱平衡に到達すると、拡散電位も一定となり平衡値となる。この時点で、セルのターミナル間に抵抗負荷が適用されると、拡散電位は荷電ポンプ（charge pump）として作用し、負荷を通る電流を後押しする。セルの表面領域が十分に大きい場合、あるいは抵抗負荷が十分に大きい場合は、電流中の流れは、空乏域にまたがる再結合のレートが十分に速くなり拡散電位と電流が一様に不定に維持されるように、十分に小さくなる。しかしながらもし、抵抗負荷が小さすぎたり、セルの表面領域が小さすぎると、再結合のレートは、セルに求められる電力を維持することができず、電流は蓄電装置によく見られる形となり、最終的に低下する。
【００１２】
光子と、音子と、適切に選択された材料にまたがる拡散電位の存在と組み合わさった動力学的に誘導される電子運動との結合は、固体発電機が、装置の温度上昇に直接比例する電圧増加と、温度上昇の４乗に比例する電流増大を示す。熱電子／熱電気デバイスと異なり、温度勾配はデバイスの作動に必要ではなく、事実、一定の特性を有する正しい材料を選択する以上デバイスは室温で電気を生成する。特定の使用材料の閾値周波数より上の電磁放射に依存する光電子デバイスと異なり、本件のデバイスは、材料中に存在する熱エネルギを利用して拡散電位を生成し、これによりセルに負荷が加わったときに電子が流れることになる。
【００１３】
ここに説明する固体発電機の好適な実施例では、カーボングラファイトと（重量のおよそ９０％だが変動しうる）、塩化ナトリウムと（イオン性固体−重量のおよそ１０％だが変動しうる）、任意でアクリルポリマーエマルジョンなどの少量の接合剤とを、揮発性流体（水）とともに混合して薄いインクペーストを作成する。このペーストを金属面またはフォイルに、十分かつ均一な厚みで供給し（０．２−１．０ミリメートルとするが、動作温度が高いとより厚くする必要がありこれらの温度で高い拡散電位が求められる）、乾燥させてから任意でより安定した固体材料となるのに十分な温度に加熱する（用いる乾燥温度は摂氏１５０度以下であるが、動作温度やデバイスの状況によっては高くてもよい）。この乾燥させた層の上に、酸化物、塩化ナトリウム、アクリルポリマエマルジョン接合剤（上記参照）、および水基質の第２のペーストの第１の基質を十分な厚みで供給する（これも、０．２−１ミリメートルの厚みだが動作状況によってはこれ以上が必要となる）。この第２の基質層を乾燥させる前に、この層の上に金属シートまたはフォイルが配設される。これにより、セルの内側層と陽極および／または陰極との間がより好適に接着する。この基本的なセルは、４層でなる：金属−カーボン／グラファイト材料−酸化物−金属を乾燥させ、および／または、より安定した固体材料へ硬化すべくセルを損傷させない十分に高い温度で加熱する（＜摂氏１５０度）。乾燥したら、セルは、予期される最低および最高動作温度によって水などの流体が注がれ、これにより固体中の電解質と結合して溶解し、または実際に主たる電解質になることのいずれかにより、電荷担体の伝導が促進される。イオン流体の選択は、セルの動作温度による。電解質の蒸発点より高い温度で動作するセルは、イオン流体が逃げないように封止され加圧されなければならない。セルが十分な量の電解質液を含む場合、これは縁部の周りを適切な温度で、電気および水分を隔離する密閉剤で封止され、セルの完全性を確保する。密閉剤は限定しないが、エポキシ接着剤、熱処理プラスチック、絶縁テープ、または他の種類の密閉剤とともに、電解質の溶融温度以下で硬化するセラミックのうわぐすりを含む。セルは、動作温度に維持される限り電圧を生じ、この温度は電解質液を機能させるがセル内の電解材料以外や金属をこれらの溶融点まで到達させない。この点で、セルを異なる温度の浴槽に浸漬させると、電圧特性が変化する。セルの動作には温度変化は必要でないが、これに取り付けられた抵抗負荷やセルの周囲温度によって変化する（erogate）。理想的な抵抗負荷により、電子と正孔が再結合し一定の電圧と電流が維持されるレートとなる。
【００１４】
製造および材料の詳細
電力出力は、カーボンと酸化物層の間の表面積の寸法に直接比例するため、金属基層は多数の溝、皺、畝を設けて構成してもよく、その後カーボンと酸化物の層が前記溝、皺、または畝に連続的に各層に形成される。カーボンペーストまたはペイントと、酸化物ペーストまたはペイントは、ローラ、ブラシ、スプレー、スクリーン印刷技術、インクジェットプリンタ、または表面にインクまたはペイントを散布しうる他の様々な方法で供給される。セルは非結晶材料のみならずカーボン材料と酸化物の結晶層にさらに作用するが、材料をペーストとして単純に供給する能力は、製造コストと高価な結晶成長の利用、および製造技術を大幅に低減する。光電子および熱電子装置の電流の欠点の１つは、結晶成長やデバイス製造にクリーンルームや高度に洗練された（高価な）技術とプロセスが必要なことである。作成された試作品では、使用された金属フォイルまたはシートはアルミニウム、ステンレススチール、および亜鉛メッキされたステンレススチールである。カーボン層は、塩化ナトリウム、水、およびアクリル接合剤と混合したグラファイトからなる。使用される酸化物の層は、プラセオジム、チタン、スズ、ニッケル、鉄、銅、クロム、マンガンの各々からなり、また塩化ナトリウム、水、およびアクリル接合剤と混合される。室温で最大の電圧と電流を得るため、およびアプリケーションの簡単のため、プラセオジムとチタン酸化物が最適である。最終的に、セル全体をプラスチックシートで包含し、陽極と陰極の接触子を露出させてヒートシールする。１の基本的なセルのサイズは、８．５ｘ１１の紙シートであり、紙シート約８枚分の厚みを有する。酸化マンガンでなるセルは再充電可能であり、このため蓄電装置としても動作する。動作温度に関して、異なる材料を用いることができる。例えば、アルミニウムシート、酸化プラセオジム、およびグラファイトでなるセルの場合、動作温度はアルミニウムの溶融温度以下となり、水が生じるためもっと低いことが望まれる。イオン溶液の一部に水を含むセルを用いる場合、動作温度は水の沸点以下とするか、セルの外側を加圧して膨張する水蒸気にも一体性が保たれるようにする。高温のセルは、陽極と陰極としてタングステン（溶融温度３６９５Ｋ）を用い、グラファイト（溶融温度４３００−４７００Ｋ）または他のカーボン材料および酸化トリウム（溶融温度３５７５Ｋ）を用いる。電荷担体を高めるためのイオン流体として塩化ナトリウムを用いると、理論上は最大動作温度が１７３８ケルビンの沸騰温度以下となる。酸化トリウムに近い溶融点のイオン流体を用いる場合、最大動作温度は３５７３Ｋのケルビン溶融点より下のどこかとなる。タングステン、グラファイト、および酸化トリウムを用いた単一の１平方メートルのセルが、室温において１ボルトで１００マイクロアンペア（．０００１ワット）を実現し、理論上は３０００Ｋで約１アンペアで１０ボルト（１０ワット）を実現する。したがって、動作温度が３００Ｋから３０００Ｋに上昇すると、デバイスの電力出力が１００，０００倍に増大する。これはもちろん、イオン流体がこの高い温度で正確に作用することを仮定している。
【００１５】
第２実施例も、タイルへのビスク焼成されたセラミックスの使用を考慮している。これらのタイル上に、カーボンペーストを設け、その後に金属の陰極を上述のように設けるか、加圧して取り付ける。このケースでは酸化物層がより安定したセラミックの形態であるため、動作温度をより高くすることができる。いずれの場合も、本実施例は電解質液を含有すべく密閉されることが必要である。
【００１６】
実験結果
図１Ｃは、セルの角部からみた斜視図である。導電シートまたはフォイル２０を基部として用い、その上に適切な厚みのドナー材料２１が設けられ、これが導電体２０とドナー材料２１の界面にまたがって電圧差を生ずる。２０に用いる導電体は、限定しないが、アルミニウム、銅、鉄、スチール、ステンレススチール、亜鉛メッキステンレススチール、およびカーボンプレートである。追加的に、導電体は、上述していない様々な他の金属または合金を含んでもよい。ドナー材料２１は、限定しないが、これまでに試験された材料であって、電圧差を生じ導電率が良好な、ジルコニウムとシリカ複合材、酸化クロムよおびシリコンカーバイドをまた含むプラセオジム酸化物混合体である。２０と２１間の界面に現れた電圧は、水分や他の電荷担体の流体および複合体の存在に影響される。酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化アルミニウム、酸化銅、およびＦｅ２０２酸化鉄のすべてにおいて、様々な比率の以下の成分からなる電荷担体流体を添加することにより識別可能な電圧が現れる：水、プロピレングリコール、および塩化ナトリウム。電荷担体（イオン）流体は、２０と２１間の界面電圧を発生させる様々な流体であってもよい。プロピレングリコールと塩とすると、イオン流体が液体のままで流動するより上の温度帯に上昇する。層２３の上には、ドナー材料が層２２として供給され、これは生成される電圧が層２０と２１間と同じとなり、３つの層を一緒に形成すると層２１と２２間の界面に形成されるいかなる電位も打ち消されるため、層２０と同じ導電体ではない。層２２に有効な導電体の代わりに、グラファイトペーストとしてもよく、これはグラファイト、水、およびユーザがペイントするためのアクリル接合剤を含む。他のカーボン粉体もグラファイトと同じく作用する。グラファイトペーストは、層２０と２２間に１ボルトの電位差を生じさせる。層２３は、層２０で用いたのと同じ金属とすることができる。アルミニウム、酸化プラセオジム、グラファイト、アルミニウム層のセルの場合、正のリード線が図１Ｃで２５で示され、負のリード線が図１Ｃで２４で示されている。セルの論理上の電気記号は、図１Ｂに示されており、ここではセル２７の内部抵抗が直列であり電位差２８を有する。
【００１７】
図３は、１００，０００オームの抵抗に接続された、層が形成され熱塑性シールされたアルミニウムフォイル、酸化プラセオジム、およびカーボングラファイトのセルの、３つの異なるシナリオで時間の関数としての電流を示す（グラフ線３１，３２，３３）。また、１００，０００オームの抵抗に接続された、大きなスチール−酸化プラセオジム−カーボングラファイト−亜鉛めっきスチールセルの電流を示す（図３のグラフ線３４）。
【００１８】
・グラフの電流ライン３１は、３．２ＥＥ−５アンペアでゼロから立ち上がり（spike）、その後ある下降レートで下降している。
・グラフの電流ライン３２は、２．８ＥＥ−５アンペアでゼロから立ち上がり、その後ある下降レートで下降している。これはセルを１０分間休めた後である。
・グラフの電流ライン３３は、４ＥＥ−５アンペアでゼロから立ち上がり、その後ある下降レートで下降している。これは、セルを勢いよく沸騰するお湯に入れて数分加熱した後である。
・グラフの電流ライン３４は、室温で２．７ＥＥ−５アンペアに上昇する大きなスチールのセルを示す。この電流は安定しており、よりゆっくり下降する。これはこのセルの表面の機能であり、電子がより簡単に空乏域を横切って移動可能である。
【００１９】
図４は、１００，０００オームの抵抗に接続された、層が形成され熱塑性シールされたアルミニウムフォイル、酸化プラセオジム、およびカーボングラファイトにまたがって測定された、３つの異なるシナリオで時間の関数としての電圧を示す（グラフ線４５，４６，４７）。また、１００，０００オームの抵抗に接続された、大きなスチール−酸化プラセオジム−カーボングラファイト−亜鉛めっきスチールセルの電圧を示す。
【００２０】
・グラフの電圧ライン４５は、時間ゼロで４．５ボルトの開回路電圧を示す。回路が１００，０００オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧はある下降レートで下降する。
・グラフの電圧ライン４６は、時間ゼロで４．２ボルトの開回路電圧を示す。回路が１００，０００オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧はある下降レートで下降する。この結果は、セルを電圧ライン４５と図３の電流ライン３１に示す前の放電から１０分間休めた後である。
・図４のグラフの電圧ライン４７は、時間ゼロで４．９ボルトの開回路電圧を示す。回路が１００，０００オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧はある下降レートで下降する。この結果は、セルを勢いよく沸騰するお湯に入れて２分間加熱し、（開回路）１０分休めた後である。
・図４のグラフの電圧ライン４８は、大きな鉄−酸化プラセオジム−カーボン／グラファイト−亜鉛めっきスチールのセルにおいて室温の開回路電圧が時間ゼロで３ボルトであることを示す。回路が１００，０００オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧は非常にゆっくり下降する。このセルは、電圧プロット４５から４７で用いられたセルより面積が広いと考えられ、放電がかなりゆっくりであるが再充電がより迅速である。
【００２１】
これを繰り返し、セルで得られる（erogable）電流の量は、セル内の層の間の界面の面積に直接比例する。さらに、セルで得られる電流は、セルの周囲温度に多項式的（polinomially）に比例する。与えられたセル構造においてこれら２つの最も重要な要素は、セルの寸法を決定する際に考慮されるべきである。スペースがさほど重要でなければ、大きなセルアレイで定温で動作させることにより配慮してもよい。
【００２２】
図５は、スチール、酸化プラセオジム、カーボン／グラファイト、亜鉛めっきスチールのセルの電圧−電流グラフである。この特定のセルの電圧−電流ライン５９は室温で以下の通りである：
Ｖ＝−５３６３５６＊Ｉ＋Ｖｏｃ  または
Ｖ＝−５．６３５６Ｉ＋２．６４
ここで、電力Ｐ＝ＶｘＩ、
Ｐ＝−５．６３５６＊Ｉ２＋Ｖｏｃ＊Ｉ
ｄＰ／ｄＩ＝−５．６３５６＊２＊Ｉ＋Ｖｏｃ
ＩについてｄＰ／ｄＩ＝０で解くとＩｍａｘ＝−Ｖｏｃ／（５．６３５６＊２）＝２．６４／（５．６３５６＊２）＝．２３４２３ＥＥ−５アンペア
これは、電力出力が最大となる電流であり、負荷Ｒｍａｘ＝（−５．６３５６＊Ｉｍａｘ＋Ｖｏｃ）／Ｉｍａｘ＝５６３５６０オームによる結果となる。
【００２３】
図６は、断熱蓋６１を具える断熱容器６０内に直列でいくつかスタックされた電力セル６４の横方向断面図である。このスタックセル６４は、容器６０から出てコントローラ回路７２に取り付けられた正のリード６５と負のリード６６を有する。このコントローラ回路のロジックが、図２に示されている。このコントローラ回路７２は、セルからリード線６５、６６を通ってくる電力を利用する。このコントローラ回路は、熱電対デバイス６３への接続６９を通じて温度を測定する。リード７０、７１にまたがる定格電圧を維持するために、コントローラ回路７２はセル６４からの電力を用いて、リード６８、６７に取り付けられたソレノイド６２を用いることにより容器６０内を加熱して断熱容器６０、６１内の温度を上昇させる。コントローラ７２は、断熱容器６０の空洞内を加熱しすぎることなく最適な温度上昇となるよう予めプログラムされている。容器６０，６１内の温度降下は、容器の壁、配線、蓋を通して容器外に熱が伝達し降下するのであり、熱を電気に変換したためではないことに留意すべきである。
【００２４】
エネルギシステムへのセルの組み込み
本書で述べたセルは、温度差の必要がないため、多くの面白い設計を用いることができる。多数のセルを直列または並列に接続して一緒に配置し、様々な目的の直流電流の形でエネルギ供給してもよい。必要に応じて、ＤＣをＡＣに変換するインバータを用いてもよい。拡散電位は温度により変化するため、ＤＣ電圧の予測にＤＣ−ＤＣコンバータの実装が必要となる。
【００２５】
様々な組合せのセルをヒートトラップに内包して、より高い動作電圧と電力出力を提供するようにしてもよい。電磁波照射（太陽光、人工光等）の場合、セルは光吸収媒体内に配置され光を熱に変換する。図８に示すように、太陽光を熱に変換して蓄熱する黒い吸収体を具える酸化炭素セルがガラスまたはプラスチックに内包されている。
【００２６】
これらのセルを採用する様々なシステムの効率は、システムの蓄熱とセルからの消失を防ぐ能力による。外側セルが外部の熱を電気に変換し、これが中心のセルで熱に変換されるように、セルをカスケード状に使用してもよい。この方法では、セル自体を断熱媒体として用い、暖かい領域から熱を上流に移動する。さらに、完全にカプセル化されるか断熱されたシステムでは、誘導加熱とサセプタを用いることにより、直接操作する必要なく熱をシステムに組み込むことができ、非常に効率的な発電機となる。カプセル材料に正しい材料を用いると、熱エネルギのロスがかなり低減される。カプセル材料は、セラミックス、プラスチック、エポキシ、アクリルを含んでもよい。図６の断熱／カプセル化システムの概略を参照されたい。
【００２７】
本デバイスは、室温で電力を生成する。このデバイスをヒートバスに浸漬すると、比例して電圧が上昇し（ケルビンでのデバイス温度に比例）、電流が指数関数的に上昇する。その結果、デバイスの周辺温度を低くすると、得られる電圧が低減する。この熱−電圧−電流の特性のため、より効率的なシステムでは、デバイスを断熱容器内に保持するか、熱的および電気的に隔離する材料に埋め込む。容器内部の周辺温度は、必要とする電力出力に応じて、誘導ヒータを用いて上昇させてもよい。出力配線を通る伝導からデバイス内の熱の損失を避けるため、電力を直流から交流へと変換して変圧装置を用いて生成された磁界から電流を抽出することにより、電力をデバイスから抽出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１Ａは、もっとも基本的な装置セルを陽極または陰極の側から見た二次元図である。図１Ｂは、セルと等価の理論上の電気回路である。図１Ｃは、もっとも基本的な装置セルの斜視図であり、本発明の説明にしたがって１の形状に構成したものである。
【図２】図２は、カプセル化または防護したモデルにおいてセル周囲の温度をどのように管理するかをを示すフローチャートである。
【図３】図３は、２つの現実のセルに異なる熱処理をした後の電流の流れを示すグラフである。
【図４】図４は２つの現実のセルに異なる熱処理をした後の電圧を示すグラフである。
【図５】図５は、異なる抵抗付加を取り付けた、スチール、プラセオジム酸化物、カーボン／グラファイト、および亜鉛メッキスチールのセルからのサンプル点に対する最適な電圧−電流線である。
【図６】図６は、デューアびんまたはセラミック容器などの絶縁型容器に収容された電力セル装置の横方向断面図であり、制御回路と、熱電対や加熱素子とともに示す概略図である。
【図７】図７Ａは、装置のカーボンと酸化物の層を接合する前の充電作用を示す概略図である。図７Ｂは、装置のカーボンと酸化物の層を接合させた直後の充電作用を示す概略図である。図７Ｃは、装置のカーボンと酸化物の層を接合させた後の熱平衡における充電作用を示す概略図である。図７Ｄは、装置のカーボンと酸化物の層の接合部にまたがって抵抗負荷が取り付けられた場合のセル中の充電作用を示す概略図である。
【図８】図８は、ブラックボディのアブソーバと蓄熱パネルを具えるガラスまたはプラスチックのシートで包んだ／ヒートシールした酸化物カーボンセルである。
【符号の説明】
【００２９】
２０−金属陽極層
２１−応用型またはセラミックタイル型の酸化物、炭化物Ｐ型材料層
２２−応用型またはセラミックタイル型のカーボン／グラファイトまたはＮ型材料
２３−金属陰極層
２４−金属陽極の突出部またはコネクタまたは負リード線
２５−金属陰極の突出部またはコネクタまたは正リード線
２７−セルの内部抵抗記号
２８−セルの電源記号
３１−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−グラファイトセル
３２−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を除去して１０分間休めた後のグラファイトセル
３３−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を除去してセルを熱湯で１０分間加熱した後のグラファイトセル
３４−スチール−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を加えたグラファイトセル
４５−１００，０００オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
４６−曲線４５で測定される放電から１０分間休めた後の、１００，０００オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
４７−２分間熱湯につけて１０分間休めた後の、１００，０００オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
４８−１００，０００オーム抵抗に接続された、大きなスチール−プラセオジム酸化物−カーボングラファイト−亜鉛メッキスチールのセルの電圧曲線
５９−スチール、プラセオジム酸化物、カーボン／グラファイト、および亜鉛メッキスチールのセルのデータプロットに対しあてはめた電圧-電流線
６０−熱的および電気的に絶縁された容器
６１−熱的および電気的に絶縁された容器のキャップまたは蓋
６２−熱素子−ソレノイド、ニクロム素子、誘導ヒータ、等
６３−熱電対
６４−熱強化型固体ジェネレータセル−電池
６５−電池を制御回路へ接続する正のリード線
６６−電池を制御回路へ接続する負のリード線
６７−制御回路を熱素子へ接続する負のリード線
６８−制御回路を熱素子へ接続する正のリード線
６９−熱電対と回路間の接続
７０−制御部から外部負荷への正の接続
７１−制御部から外部負荷への負の接続
７２−制御回路
８１−セルのＰ型層
８２−Ｐ型層の正孔
８３−セルのＮ型層
８４−Ｎ型層の余剰電子
８６−Ｐ型層へ電子を消失した後の空乏域の縁部のＮ型層の正荷電イオン
８７−Ｎ型層から電子を取得した後の空乏域の縁部のＰ型層の負荷電イオン
２０１−温度データサンプリングとバッファクリアサイクルを制御するシステムクロック
２０２−温度データを保持する一次バッファ
２０３−論理決定出力２０４に基づいて熱素子をターンオフする論理プロセス
２０４−評価した温度がセルシステム内で到達したら試験する論理決定
２０５−論理決定出力２０４に基づいて熱素子をターンオンする論理プロセス
２２１−熱強化型固体ジェネレータセル
２２３−高い熱容量材料を有しスペクトル吸収色で塗られた蓄熱素子またはブリック
２２１−シールされた透明プラスチックまたはガラスのスリーブ包含セル２２１と、蓄熱吸収ブリック２２３
３０１−電磁波の吸収を促進するよう適用されたブラックボディペイント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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