(57)【要約】【課題】  アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させる。【解決手段】  アルカリ金属熱電気変換器１であって、受熱部５１、放熱部５２、及び受熱部及び放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路２８を有する密閉容器２と、アルカリ金属イオンの通過を許容し、受熱部における循環路を区切るように設けられ、アノード側面３８及びカソード側面３７を有する固体電解質３３と、アノード側面側に設けられたアノード７と、カソード側面側に設けられたカソード３６と、循環路内のアルカリ金属を固体電解質のアノード側面側に輸送する輸送手段４６とを有し、アノード側面は、複数の凸部３５を有し、カソード側面はアノード側面よりも平滑に形成されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属熱電気変換器であって、
受熱部、放熱部、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路を有する密閉容器と、
アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面及びカソード側面を有する固体電解質と、
前記アノード側面側に設けられたアノードと、
前記カソード側面側に設けられたカソードと、
前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段と
を有し、
前記アノード側面は、複数の凸部を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とするアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項２】
前記凸部は、前記固体電解質の本体部から外方へと突出した板片状をなすことを特徴とするアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項３】
前記循環路は、前記受熱部において入口通路及び出口通路を備えたチャンバを有し、
前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項４】
前記固体電解質は円筒形に形成され、前記カソード側面をなす内面が円筒面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項５】
前記凸部は、前記固体電解質の外周面に沿って周方向に延在し、環状の板片状をなすことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項６】
前記チャンバの前記入口通路側を画成する部分は、導電性材料を含み、前記アノードを構成することを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項７】
前記カソードは、前記カソード側面上に設けられた多孔質体であることを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項８】
前記輸送手段は、前記循環路内に設けられたウィックであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項９】
前記輸送手段は、前記密閉容器を回転させることにより、遠心力によって前記アルカリ金属を輸送することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【請求項１０】
前記輸送手段は、電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のアルカリ金属熱電気変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属熱電気変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電気変換器として、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属のイオン伝導性を有するβアルミナ固体電解質部材を用いたアルカリ金属熱電気変換器（ＡＭＴＥＣ）が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
アルカリ金属熱電気変換器は、高温流体に曝される受熱部と低温流体に曝される放熱部とを有する真空の密閉容器を有し、当該密閉容器内に前記受熱部と前記放熱部とを通過するようにアルカリ金属の循環路が画定され、前記循環路の前記受熱部に対応する部分である高温部において当該循環路を上流側の高温部上流側と下流側の高温部下流側とに区切るように前記密閉容器内にβアルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ）である固体電解質が配置され、前記高温部上流側には陰極部材が配置され、前記高温部下流側には陽極部材が配置されている。
【０００４】
アルカリ金属熱電気変換器の動作原理は、アルカリ金属が陰極部材側、すなわち高温部上流側でイオンと電子とに分離し、イオンのみが固体電解質中を移動し、電子は陰極部材に接続されている外部負荷を通過して陽極部材へ向かう。固体電解質を通過したイオンは固体電解質の高温部下流側において陽極部材上の電子と再結合して元のアルカリ金属になる。高温部下流側のアルカリ金属は、低温部において凝縮した後、毛細管力を利用したウィックポンプや電磁ポンプによって固体電解質の高温部上流側に連続的に輸送され、循環されている。
【０００５】
アルカリ金属熱電気変換器の発電効率は、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量に大きく依存する。そのため、固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させることによって、固体電解質とアルカリ金属との接触面積が増大し、アノード側面においては固体電解質内に進入するアルカリ金属イオンの量が増大し、カソード側面においては固体電解質外に離脱するアルカリ金属イオンの量が増大することが期待される。固体電解質のカソード側面及びアノード側面の表面積を増大させるために、固体電解質を円筒状に形成し、筒部を波形に湾曲させ、カソード側面及びアノード側面に凹凸を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６０１８８９号公報
【特許文献２】特開平３−１７８５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質のカソード側面上にカソードが形成されることがある。カソードは、気体のナトリウムが通過できるように、多孔質の薄膜として形成されることが多い。そのため、ＢＡＳＥのカソード側面に凹凸が形成されるとカソードをカソード側面上に均一に形成することが困難になり、カソードの断線やカソードとカソード側面との接触不良等が生じる虞がある。また、固体電解質のアノード側面及びカソード側面の両面に凹凸が形成されると、固体電解質を成形する際に成形型の分離（抜き出し）が困難になる場合があり、成形を含む製造が困難になる。
【０００８】
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、アルカリ金属熱電気変換器（１）であって、受熱部（５１）、放熱部（５２）、及び前記受熱部及び前記放熱部を通過するように形成されたアルカリ金属の循環路（２８）を有する密閉容器（２）と、アルカリ金属イオンの通過を許容し、前記受熱部における前記循環路を区切るように設けられ、アノード側面（３８）及びカソード側面（３７）を有する固体電解質（３３）と、前記アノード側面側に設けられたアノード（７）と、前記カソード側面側に設けられたカソード（３６）と、前記循環路内のアルカリ金属を前記固体電解質の前記アノード側面側に輸送する輸送手段（４６）とを有し、前記アノード側面は、複数の凸部（３５）を有し、前記カソード側面は前記アノード側面よりも平滑に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、凸部の存在により、固体電解質のアノード側面の表面積が増大し、アノード側面とアルカリ金属との接触面積が増大する。これにより、イオン化してアノード側面から固体電解質内に移動するアルカリ金属の量が増大する。一方、カソード側面は、平滑に形成されているため、カソード側面上へのカソードの形成が容易になる。また、カソード側面が平滑に形成されることによって、固体電解質の成形が容易になる。本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。すなわち、固体電解質内にイオンの通路が余剰に存在する可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面を平滑にし、アノード側面に凸部を設けることによって、カソードのカソード側面への形成を容易にすると共に、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させることができる。
【００１１】
上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の本体部から外方へと突出した板片状をなすようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、凸部を板片状（フィン状）として表面積を効率よく拡張することができる。
【００１３】
上記の発明において、前記循環路は、前記受熱部において入口通路（１７）及び出口通路（１８）を備えたチャンバ（２７）を有し、前記固体電解質は、一端に開口を有して他端が閉じられた筒形に形成され、前記チャンバ内に前記開口が前記出口通路と連通するように配置され、前記チャンバ内を前記入口通路側と前記出口通路側とに区切り、外面が前記入口通路側を向く前記アノード側面となり、内面が前記カソード側面となるようにするとよい。
【００１４】
この構成によれば、成形が比較的容易な筒形の固体電解質を使用して循環路を区切ることができる。また、固体電解質は、筒形の内側を平滑なカソード側面、外側を凸部が設けられたアノード側面とすることによって、成形が容易になる。
【００１５】
上記の発明において、前記固体電解質は円筒形に形成され、前記カソード側面をなす内面が円筒面に形成されているようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、カソード側面を平滑に形成することできる。
【００１７】
上記の発明において、前記凸部は、前記固体電解質の外周面に沿って周方向に延在し、環状の板片状をなすようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、固体電解質の外周面に比較的多くの凸部を配置することができる。
【００１９】
上記の発明において、前記チャンバの前記入口通路側を画成する部分は、導電性材料を含み、前記アノードを構成するようにしてもよい。
【００２０】
この構成によれば、チャンバの入口通路側を画成する部分がアノードを兼ねるため、別途アノードを設ける必要がなく、部品点数を省略することができる。
【００２１】
上記の発明において、前記カソードは、前記カソード側面上に設けられた多孔質体であってもよい。
【００２２】
この構成によれば、気体のアルカリ金属の流れを阻害することなく、カソードと固体電解質、気相の三相界面を広くすることできる。
【００２３】
上記の発明において、前記輸送手段は、前記循環路内に設けられたウィック（４６）であってよい。また、前記輸送手段は、前記密閉容器を回転させることにより、遠心力によって前記アルカリ金属を輸送してもよい。また、前記輸送手段は、電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプであってもよい。
【００２４】
これらの構成によれば、各種輸送手段を用いて、アルカリ金属を輸送することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の構成によれば、アルカリ金属熱電気変換器において、製造を困難化することなく、アルカリ金属イオンの固体電解質に対する通過量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図
【図２】第１実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の平面図であって、１つのセルを破断して示す
【図３】第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図
【図４】第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器を自動車の排気系に配置した概略図
【図５】固体電解質の変形例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明に係るアルカリ金属熱電気変換器の実施形態について説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図であり、図２は第１実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の平面図であって、１つのセルを破断して示す図である。図１及び図２に示すように、アルカリ金属熱電気変換器（ＡＭＴＥＣ）１は、外殻をなす密閉容器２を有する。密閉容器２は、軸線Ａが上下に延びる円盤状の第１ケーシング５と、第１ケーシング５の下面中央部に設けられた円筒状の第２ケーシング６と、第１ケーシング５の上面外周部に設けられた複数（本実施形態では８個）の円筒状の第３ケーシング７とを有する。第１ケーシング５は、耐熱性及び絶縁性を有する材料から形成されている。第２ケーシング６は、熱伝導性及び耐熱性を有する材料から形成されている。複数の第３ケーシング７は、熱伝導性、耐熱性、及び電気伝導性を有する材料から形成されている。第１ケーシング５は高分子材料から形成され、第２ケーシング６及び複数の第３ケーシング７は、ステンレス鋼やアルミ合金等の金属材料から形成されてよい。
【００２９】
第１ケーシング５の下面中央部には第１孔１１が凹設されている。第１孔１１は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Ａと同軸に配置されている。第１ケーシング５の下面中央部の第１孔１１の周囲には、第３ケーシング７の数に対応した数（本実施形態では８個）の第２孔１２が凹設されている。各第２孔１２は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Ａと平行に配置されている。各第２孔１２は、第１孔１１よりも軸線Ａ方向に長く、すなわち深さが深く形成されている。各第２孔１２は、軸線Ａを中心とした周方向に、互いに４５°の間隔をおいて配置されている。
【００３０】
第１ケーシング５の上面の外周部には、第３ケーシング７の数に対応した数（本実施形態では８個）の第３孔１３が凹設されている。各第３孔１３は、断面円形の有底筒孔であり、その軸線が軸線Ａと平行に配置されている。各第３孔１３は、軸線Ａを中心とした周方向に、互いに４５°の間隔をおいて配置されている。各第２孔１２の中心と各第３孔１３の中心は、軸線Ａを中心とした周方向において互いに偏倚している。
【００３１】
第１ケーシング５の下面には、複数の第２孔１２の内側において第１孔１１を囲むように、円筒形状の隔壁１４が下方へと突設されている。すなわち、隔壁１４は第１孔１１と各第２孔１２との間を区画するように配置されている。隔壁１４の下端は開口端となっている。隔壁１４の内周面は、円筒面に形成されており、基端部（上端部）が他の部分に対して内径が小さく形成されている。すななち、隔壁１４は、内部の上端部に内径が小さく設定された絞り部１５を有する。
【００３２】
第１ケーシング５の内部には、第１ケーシング５の径方向に延び、隣接する第２孔１２と第３孔１３とを連通する入口通路１７が複数形成されている。各入口通路１７の端部は、第２孔１２の側面と第３孔１３の側面とに開口している。また、第１ケーシング５の内部には、第１孔１１から第１ケーシング５の径方向に延びて各第３孔１３に繋がる複数の出口通路１８が形成されている。各出口通路１８の端部は、第１孔１１の側面と第３孔１３の底面とに開口している。入口通路１７は出口通路１８及び第１孔１１に連通しないように配置され、出口通路１８は入口通路１７及び第２孔１２に連通しないように配置されている。
【００３３】
第２ケーシング６は、円筒部６Ａと、円筒部６Ａの一端を閉じる端壁６Ｂとを有し、円筒部６Ａの他端は開口端となっている。第２ケーシング６は、開口端が上方を向き、内部に隔壁１４を受容するように第１ケーシング５の下面に接合される。第２ケーシング６は円筒部６Ａの軸線が軸線Ａと同軸となるように配置される。第１ケーシング５と第２ケーシング６とが接合された状態において、円筒部６Ａと隔壁１４とは同心に配置され、隔壁１４の突出端部（下端部）は第２ケーシング６の端壁６Ｂに対して空隙を介して対向する。これにより、第２ケーシング６内には、隔壁１４の内周面によって画成された第１通路２１と、第２ケーシング６の端壁６Ｂと端壁６Ｂ付近の円筒部６Ａとによって画成された第２通路２２と、隔壁１４の外周面と第２ケーシング６の円筒部６Ａの内周面とによって画成された第３通路２３とが形成される。第３通路２３は、第１通路２１を囲むように、第１通路２１の径方向外方に配置されている。第２通路２２は、第１通路２１と第３通路２３との下端部同士を互いに連通している。
【００３４】
第２ケーシング６の円筒部６Ａの外周面には、複数のフィン２５が突設されている。フィン２５は、第２ケーシング６の外面の面積を拡大し、第２ケーシング６と外部熱源（外部雰囲気）との熱交換を促進する効果を奏する。
【００３５】
第３ケーシング７は、円筒部７Ａと、円筒部７Ａの一端を閉じる端壁７Ｂとを有し、円筒部７Ａの他端は開口端となっている。第３ケーシング７は、開口端が第３孔１３と連通するように、第１ケーシング５の上面に接合される。すなわち、第３ケーシング７は、円筒部７Ａの軸線が第３孔１３の軸線と一致し、第３孔１３を閉じるように配置される。これにより、第３ケーシング７及び第３孔１３によってチャンバ２７が画成される。
【００３６】
以上の構成により、第１〜第３ケーシング５〜７からなる密閉容器２の内部には、第１通路２１、第２通路２２、第３通路２３、第２孔１２、入口通路１７、チャンバ２７、出口通路１８、第１孔１１を順に通過して最初の第１通路２１に到る循環路２８が形成される。循環路２８は、各第３ケーシング７に対応して複数に分岐し（本実施形態では８つ）、第１通路２１、第２通路２２、第３通路２３、及び第１孔１１が共通部分となる。
【００３７】
第３ケーシング７の円筒部７Ａの外周面には、複数のフィン３１が突設されている。フィン３１は、第３ケーシング７の外面の面積を拡大し、第３ケーシング７と外部熱源（外部雰囲気）との熱交換を促進する効果を奏する。
【００３８】
チャンバ２７には、アルカリ金属イオンの通過を許容する固体電解質３３が設けられている。本実施形態では、固体電解質３３は高温下でナトリウムイオンの通過を許容するβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質である。固体電解質３３は、βアルミナ又はβ''アルミナの焼結材によって構成されている。
【００３９】
固体電解質３３は、円筒部３３Ａと、円筒部３３Ａの一端を閉じる端壁３３Ｂとを有し、一端が開口した有底円筒形をなす。固体電解質３３は、開口端が第３孔１３の底部に開口した出口通路１８と連通するように第１ケーシング５に接合される。すなわち、固体電解質３３は、チャンバ２７に開口した出口通路１８を閉じるように第３孔１３の底部に接合される。固体電解質３３が第１ケーシング５に接合された状態において、固体電解質３３の円筒部３３Ａは第３ケーシング７の円筒部７Ａと同心に配置され、固体電解質３３の端壁３３Ｂは、第３ケーシング７の端壁７Ｂと空隙を介して対向するように配置される。これにより、チャンバ２７は、固体電解質３３の外面と第３ケーシング７及び第３孔１３の内面とによって画成された外室２７Ａと、固体電解質３３の内側に画成された内室２７Ｂとに区画される。入口通路１７は外室２７Ａに連通し、出口通路１８は内室２７Ｂに連通する。
【００４０】
固体電解質３３は、円筒部３３Ａの外周面に複数の凸部３５を有する。凸部３５は、円筒部３３Ａの外周面の表面積を拡大する目的で形成されている。本実施形態では、凸部３５は、円筒部３３Ａの外周面から外方へと突出した板片（フィン）であり、外周面の周方向に延在して環状となっている。複数の凸部３５は、円筒部３３Ａの軸線方向において互いに空隙を介して配置されている。
【００４１】
固体電解質３３の円筒部３３Ａの内周面は、滑らかな（平滑な）円筒面（円周面）に形成されている。すなわち、円筒部３３Ａの内周面は、外周面よりも滑らかに形成されている。ここでの、滑らかな面や平滑な面は、曲面を含む連続した面を意味し、稜や谷等の急峻な凹凸がない面をいう。本実施形態では、固体電解質３３の円筒部３３Ａの内周面は、軸線方向における各部において内径が一定に形成されている。固体電解質３３は、内周面の内径が一定であり、外周面に複数の凸部３５を有するため、径方向における肉厚が軸線方向に進むにつれて変化する。
【００４２】
固体電解質３３の円筒部３３Ａの内周面及び端壁３３Ｂの内面には、導電性及び通気性を有するカソード（陽極）３６が設けられている。カソード３６は、例えばモリブデン等の薄膜電極である。カソード３６は、気体及び液体のアルカリ金属が通過できるように多孔質（三次元網目構造）に形成されている。カソード３６は、例えばスパッタリング等の公知の積層手法によって形成される。これにより、固体電解質３３の円筒部３３Ａの内周面及び端壁３３Ｂの内面はカソード側面３７を構成する。カソード３６は、円筒部３３Ａの内周面及び端壁３３Ｂの内面（カソード側面３７）の大部分、好ましくは全域を覆うように設けられている。これにより、カソード３６によって電子が供給されるカソード側面３７の面積がより広く形成される。固体電解質３３の円筒部３３Ａの外周面、凸部３５の外面、及び端壁３３Ｂの外面はアノード側面３８を構成する。アノード側面３８の表面積は、カソード側面３７の表面積の２倍以上であることが好ましい。
【００４３】
カソード３６には、導電性を有する接続部材（リード）４１の一端が接続されている。接続部材４１は、他端が出口通路１８内へと延び、出口通路１８から第１ケーシング５を貫通して外部に延びている。本実施形態では、接続部材４１は、カソード３６の表面に接続された第１接続部材４１Ａと、一端が第１接続部材４１Ａに接続される一方、他端が出口通路１８内へと延び、出口通路１８から第１ケーシング５を貫通して外部に延びた第２接続部材４１Ｂとを有している。
【００４４】
第１接続部材４１Ａは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過可能な多孔質（三次元網目構造）の金属（発泡金属体）から形成されている。第１接続部材４１Ａは、例えばモリブデン等の金属の多孔質材料であってよい。第１接続部材４１Ａは、円筒部３３Ａの内部（内室２７Ｂ）の大部分を占めるように設けられていてもよい。
【００４５】
第２接続部材４１Ｂは、導電性を有し、気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成されたバルク（塊）の金属体である。第２接続部材４１Ｂは、例えばモリブデンやニッケル等を含む金属の柱状体やワイヤーであってよい。第２接続部材４１Ｂの一端は、第１接続部材４１Ａに挿入され、第１接続部材４１Ａと電気的に接続されている。第２接続部材４１Ｂが第１ケーシング５を貫通する部分には、気体及び液体のアルカリ金属の漏出を防止するために、シール４２が設けられている。第２接続部材４１Ｂの外端には導電性を有する配線４３が設けられている。これにより、カソード３６、第１接続部材４１Ａ、第２接続部材４１Ｂ、及び配線４３は電気的に接続されている。なお、他の実施形態では、第２接続部材４１Ｂが省略され、配線４３が第１ケーシング５の内方へと挿入され、第１接続部材４１Ａに直接に接続されていてもよい。この場合には、配線４３は気体及び液体のアルカリ金属が通過することができないように形成され、第１ケーシングとの隙間をシール４２によってシールされる。また、第１接続部材４１Ａがカソード３６を覆うように積層された薄膜として形成され、第２接続部材４１Ｂ又は配線４３が薄膜状の第１接続部材４１Ａに接続されるようにしてもよい。
【００４６】
第３ケーシング７は、アノードとして機能する。第３ケーシング７には、導電性を有する配線４４が設けられている。１組の第３ケーシング７、固体電解質３３、カソード３６、及び配線４３、４４は１つのセル４５を構成する。配線４３、４４は、他のセル４５と直列や並列に接続され、外部負荷（不図示）に接続される。
【００４７】
第２ケーシング６の第３通路２３内には、ウィックポンプ４６が設けられている。ウィックポンプ４６は、毛細管力によって液体を輸送する輸送手段である。ウィックポンプ４６は、多孔材料である網ウィックや繊維状ウィック、焼結金属ウィックであってよい。ウィックポンプ４６は、第３通路２３内に加え、第２孔１２内や、入口通路１７内にも設けられてもよい。
【００４８】
循環路２８内は、真空になっており、アルカリ金属が封入されている。本実施形態では、イオン化した際にβアルミナ固体電解質又はβ''アルミナ固体電解質を通過可能なナトリウムがアルカリ金属として使用されている。
【００４９】
複数の第３ケーシング７は高温熱源に曝され、受熱部５１として機能し、第２ケーシング６は低温熱源に曝され、放熱部５２として機能する。循環路２８は、受熱部５１である第３ケーシング７と、放熱部５２である第２ケーシング６とを通過するように配置されている。熱を受けることによって第３ケーシング７及びチャンバ２７は高温になり、熱を放出することによって第２ケーシング６、第１通路２１、第２通路２２、第３通路２３は第３ケーシング７及びチャンバ２７より低温になる。稼動時には、第２ケーシング６、第１通路２１、第２通路２２、及び第３通路２３の温度はアルカリ金属の融点より高く、沸点より低くなる。また、稼動時には、第３ケーシング７及びチャンバ２７の温度はアルカリ金属の沸点以上になることが好ましい。
【００５０】
次に、以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器１の作用について説明する。アルカリ金属熱電気変換器１は、受熱部５１において熱を受け、放熱部５２をおいて熱を放出することによって、循環路２８内のアルカリ金属は、第１通路２１、第２通路２２、第３通路２３において主に液体として存在し、外室２７Ａにおいて液体と気体とが混在した状態として存在する。これにより、ウィックポンプ４６の内室２７Ｂ側においてはアルカリ金属が蒸発し、その結果ウィックポンプ４６は毛細管力により液体のアルカリ金属を外室２７Ａ側へと輸送する。これにより、固体電解質３３のアノード側面３８にアルカリ金属が供給される。
【００５１】
液体及び気体のアルカリ金属は、アノード側面３８において、電子を放出し、アルカリ金属イオンとなって固体電解質３３内に進入する。アノード側面３８において放出された電子は、液体のアルカリ金属及び第３ケーシング７を介して配線４４へと流れる。
【００５２】
固体電解質３３中のアルカリ金属イオンは、カソード側面３７においてカソード３６から電子を受け取り、気体のアルカリ金属になる。気体のアルカリ金属は、カソード３６、内室２７Ｂ、出口通路１８、第１孔１１を介して第１通路２１に到り、温度が低下して液体になる。液体のアルカリ金属は、第２通路２２を介して第３通路２３に到り、ウィックポンプ４６によって外室２７Ａ側へと輸送される。
【００５３】
以上のように構成したアルカリ金属熱電気変換器１では、複数の凸部３５によって固体電解質３３のアノード側面３８の表面積が増大されているため、アルカリ金属とアノード側面３８との接触面積が増大する。アルカリ金属が電子を放出して固体電解質３３内に進入する際のメカニズムは、アノード側面３８近傍に存在するアルカリ金属のうち、一定以上の運動エネルギーを有するものが電子を放出して固体電解質３３内に進入するものと考えられる。そのため、アルカリ金属とアノード側面３８との接触面積を増大させるほど、高い運動エネルギーを有するアルカリ金属がアノード側面３８に近傍に位置する確率が高くなるため、固体電解質３３内へと進入するアルカリ金属イオンの数が増大する。これにより、アルカリ金属熱電気変換器１の出力が増加する。アルカリ金属熱電気変換器１の出力が増加すると、受熱部５１の低温化やアルカリ金属熱電気変換器１の小型化が可能になる。
【００５４】
一方、カソード側面３７は、アノード側面３８よりも滑らかに形成されているため、カソード側面３７上へのカソード３６の形成が容易になり、カソード３６の断線やカソード３６とカソード側面３７との接触不良等を防止することができる。また、固体電解質３３の成形が容易になると共に、固体電解質３３の成形型からの引き抜きが容易になる。
【００５５】
本件出願人らの研究によれば、従来のアルカリ金属熱電気変換器では、固体電解質内のイオン空孔の量よりも固体電解質を通過するイオンの量が大幅に少ない可能性がある。そのため、固体電解質を通過するアルカリ金属イオンの量は、アルカリ金属が電子を放出してアノード側面に進入する過程が、アルカリ金属イオンが電子を受け取りカソード側面から出る過程よりも大きく影響すると考えられる。そのため、カソード側面３７よりもアノード側面３８の表面積を増大させる方が固体電解質３３中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いと考えられる。そのため、カソード側面３７を平滑にし、アノード側面３８に凸部３５を設けることによって、カソードのカソード側面への形成の容易化と、固定電解質を通過するアルカリ金属イオンの量（アノード側面３８においてアルカリ金属から放出される電子の量）の増大化とを両立させることができる。カソード側面３７よりもアノード側面３８の表面積を増大させる方が固体電解質３３中を通過するアルカリ金属イオンの量を増大させる効果が高いため、アノード側面３８の表面積がカソード側面３７の表面積より大きくなるほど好ましく、上記効果が顕著になる。少なくともアノード側面３８の表面積は、カソード側面３７の表面積の２倍以上であることが好ましい。
【００５６】
凸部３５は、板片状（フィン状）に形成されることによって、表面積を効率よく拡張することができる。
【００５７】
第１実施形態では、第１〜第３通路２１〜２３等に存在する液体のアルカリ金属を外室２７Ａに輸送するための輸送手段としてウィックポンプ４６を使用したが、ウィックポンプ４６に代えて電磁誘導作用により前記アルカリ金属を輸送する電磁ポンプとしてもよい。電磁ポンプは、第２ケーシング６の円筒部６Ａの外周面上に設けるとよい。
【００５８】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器６０は、慣性力を利用してアルカリ金属を輸送する構成となっている。図３は、第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器の断面図である。図３に示すように、第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器６０は、第１実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器１と比較して、ウィックポンプ４６が省略され、代わりに密閉容器２を回転させる機構が設けられている。アルカリ金属熱電気変換器６０のうちで、アルカリ金属熱電気変換器１と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
第２ケーシング６の端壁６Ｂには、軸線Ａと同軸となる回転軸６１が下方へと突設されている。回転軸６１はカップリング６２によって電動モータ６３の出力軸６４に連結されている。電動モータ６３のケーシング６５は、基台６６に固定されている。電動モータ６３は軸線Ａを中心として密閉容器２を回転させる。チャンバ２７は、軸線Ａの径方向において第１〜第３通路２３よりも軸線Ａから離れた位置にある。
【００６０】
回転軸６１の外周部には電気絶縁部材６７を介してアノード用スリップリング６８及びカソード用スリップリング６９が取り付けられている。アノード用スリップリング６８及びカソード用スリップリング６９には、直列又は並列に接続された各セル４５の配線４３、４４が接続されている。アノード用スリップリング６８及びカソード用スリップリング６９には、それぞれ集電ブラシ（不図示）が個別に摺接し、回転している密閉容器２から外部（固定側）に集電できる構造になっている。集電ブラシには、外部負荷（不図示）が接続される。
【００６１】
第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器６０には、密閉容器２が電動モータ６３によって軸線Ａを中心として回転されることにより、遠心力が生じる。ここでは、遠心力によってアルカリ金属が第３通路２３から第２孔１２、入口通路１７を介して外室２７Ａに輸送される。絞り部１５は、第１通路２１に存在するアルカリ金属が第１孔１１側へと逆流することを防止する。
【００６２】
第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器１では、隔壁１４の内面を突出端側（下端側）に進むほど拡径するようにテーパ状とし、第２ケーシング６の円筒部の内壁を開口端側（上端側）に進むほど拡径するようにテーパ状としてもよい。これらの構成によれば、軸線Ａを中心として密閉容器２が回転された際に、慣性力により径方向外方に移動しようとする液体のアルカリ金属は、隔壁１４の内面側に導かれて下方に移動し、第２ケーシング６の円筒部６Ａの内周面に導かれて上方に移動する。これらの作用によって、外室２７Ａ側への液体のアルカリ金属の輸送が促進される。
【００６３】
図４は、第２実施形態に係るアルカリ金属熱電気変換器６０を自動車の排気系に配置した概略図である。図４に示すように、密閉容器２の受熱部５１である第２ケーシング６は、内燃機関の排気管７０のメイン通路７１内に配置され、高温流体である排気ガスと熱交換可能となっている。これにより、第３ケーシング７は排気ガスによって加熱される。
【００６４】
密閉容器２の放熱部５２である第２ケーシング６はメイン通路７１と並列に配置されたバイパス通路７２内に配置されている。バイパス通路７２の排気ガス入口７４は開閉弁７５によって開閉される。バイパス通路７２には外気取入口７６が形成されており、外気取入口７６には外気取入用のリード弁７７が取り付けられている。排気管７０と第１ケーシングとの間、及び排気管７０と回転軸６１との間には、排気の漏出を防ぐためのシール部材７８、７９が設けられている。
【００６５】
アルカリ金属熱電気変換器６０の始動時には、第２ケーシング６の予熱のために、開閉弁７５を開いてバイパス通路７２に排気ガスを流し、排気ガスによって放熱部５２を加熱する。放熱部５２の予熱は、第１〜第３通路２１〜２３において固体となったアルカリ金属を液化させるために行われる。放熱部５２の予熱が完了した後は、開閉弁７５を閉じ、リード弁７７によってバイパス通路７２に外気を取り込み、放熱部５２を受熱部５１より低い温度に保つ。放熱部５２の適正温度は受熱部５１の温度により決まり、１００〜５００℃程度であればよい。以上の構成により、アルカリ金属熱電気変換器６０は内燃機関の排気ガスを熱源として動作する。
【００６６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、固体電解質３３の円筒部３３Ａの外周面（アノード側面３８）に形成される凸部８１は、図５に示すように、円筒部３３Ａの外周面から放射状に突出すると共に、固体電解質の軸線方向に延在する形状であってもよい。
【００６７】
また、凸部３５は円筒部３３Ａの外周面から径方向外方へと柱状に突出する形状や、半球状に形成されてもよい。また、円筒部３３Ａの外周面を波形に湾曲させ、その突出部としてもよい。また、円筒部３３Ａの外周面に複数の溝や凹部を凹設し、溝や凹部に囲まれた基面部分を凸部３５としてもよい。このように、円筒部３３Ａの外周面は、表面積を拡大することができる凸部又は凹部を有していればよい。
【００６８】
カソード側面３７となる円筒部３３Ａの内面は、円筒面に限らず、複数の平面から構成されてもよい。例えば、固体電解質３３に断面が三角形や四角形等の角柱状の孔を形成して内孔とした場合、固体電解質のカソード面となる内面は複数の平面から形成される。
【００６９】
また、固体電解質３３の形態を上記の実施形態のように筒状にせず、平板状とした場合には、アノード側面３８に凸部を設け、カソード側面３７を平面に形成するとよい。
【符号の説明】
【００７０】
１、６０…アルカリ金属熱電気変換器、２…密閉容器、５…第１ケーシング、６…第２ケーシング、７…第３ケーシング、１１…第１孔、１２…第２孔、１３…第３孔、１４…隔壁、１７…入口通路、１８…出口通路、２１…第１通路、２２…第２通路、２３…第３通路、２７…チャンバ、２７Ａ…外室、２７Ｂ…内室、２８…循環路、３３…固体電解質、３３Ａ…円筒部、３３Ｂ…端壁、３５…凸部、３６…カソード、３７…カソード側面、３８…アノード側面、４１…接続部材、４１Ａ…第１接続部材、４１Ｂ…第２接続部材、４３…配線、４４…配線、４５…セル、４６…ウィックポンプ、５１…受熱部、５２…放熱部、６１…回転軸、６３…電動モータ、Ａ…軸線
【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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