(57)【要約】【課題】現在ゼーベック素子を用いた発電には、高温側と低温側の温度差維持のために、低温側の冷却機能を必要としているが、初期コスト及び運転コスト負担が大きい事が、実用化の制約となっていることから、温度差を設けずに発電できる発電素子とそれを用いた発電ユニットを提案することを課題とする。【解決手段】本発明の発電素子は、物質が元来有する熱電子を効率的に取り出すために、選択した物質を発電プレートとし、その両面に電流を一方向へ整流するための整流プレートを設けた簡易的な構造であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プレートの両面に整流プレートを積層したことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記発電プレートは、元素番号の低い物質から選択することを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発電素子を複数積層しセルとしたことを特徴とする発電素子。
【請求項４】
前記セルを連結しモジュールとしたことを特徴とする発電素子。
【請求項５】
前記モジュールを連結したことを特徴とする発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物質が有する熱電子を電気エネルギーとして出力する発電素子とそれを用いた発電ユニットの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電素子からの電気エネルギーを抽出するためには、素子の高温側と低温側に温度差を設けることが必要であり、その温度差を長時間維持する必要もある。これらに用いられる素子の代表的なものとして、ゼーベック素子が挙げられるが、温度差を長時間維持するためのコスト負担により、結果として発電が非効率となっている。一方で、発電効率を改善するため、発電素子を積層する技術も検討されている。
【０００３】
例えば、特開２０１３−２２５５５０号公報には、複数の導電性貫通ビアを備えた基板要素と、前記導電性貫通ビアの両側に電気的に接続された単一の種類或いは二種類の熱電変換部材と、を備えた熱電変換要素を有し、前記熱電変換部材が同じ種類同士で当接し且つ電気的に接続するように複数の前記熱電変換要素を積層したことを特徴とする熱電変換デバイスに関する技術が開示されている。
【０００４】
一方、特開２０１７−０４１５４０号公報には、電気伝導率の低下を抑制するイオン液体を含む熱電半導体組成物からなり、薄膜を有する熱電変換材料を用いて構成したペルチェ冷却素子及び放熱フィルムとして該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを貼付したペルチェ冷却素子に関する技術が開示されている。が、温度差維持は充分でないことが予測される。
【０００５】
双方に共通する課題として、充分な発電効果を得るためには、素子に温度差を設けることが必須の要素となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２２５５５０号公報（段落００１６、図１、図２）
【特許文献２】特開２０１７−０４１５４０号公報（段落００１０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在ゼーベック素子を用いた発電には、高温側と低温側の温度差維持のために、低温側の冷却機能を必要としているが、初期コスト及び運転コスト負担が大きい事が、実用化の制約となっていることから、温度差を設けずに発電できる発電素子とそれを用いた発電ユニットを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電素子は、物質が元来有する熱電子を効率的に取り出すために、選択した物質を発電プレートとし、その両面に電流を一方向へ整流するための整流プレートを設けた簡易的な構造であることを特徴とする。但し、発電プレート周囲の温度が絶対０度になると、電圧及び電流の出力は停止する。
【０００９】
発電総量を増加するため、発電素子を複数積層してセル化し、前記セルを複数連結してモジュール化し、前記モジュールを複数連結してユニット化し、前記ユニットを複数連結することで、必要とする電力を生み出すことを第二の特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
元来物質が有する熱電子を利用することで、発電素子に温度差を設けずに発電することが可能となり、発電装置の大幅な小型化が可能となる。
【００１１】
簡易構造であり、採用する物質には安価な材料が選択できることから、製造コストの低減が図れ、素子の積層と連結により、セル化、モジュール化、ユニット化が可能で、必要な電力を出力することが可能な発電装置が実現できる。また、装置の保守も簡易化される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の発電素子の模式図
【図２】発電素子を積層したセルの模式図
【図３】セルを連結したモジュールの模式図
【図４】モジュールを連結したユニットの模式図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１は、発電素子１の構造を示すものである。発電プレート２の両面に整流プレート３を積層または貼付けたものである。発電プレート２が元来有する熱電子を、各々の整流プレート３から電圧及び電流として出力する。整流プレート３は、発電プレート２からの電気の誘導と電流の流れを一方向へ制限する役割を持つ。積層には、スパッタまたは蒸着などが用いられる。
【００１５】
発電プレート２は、典型金属元素から元素番号の低い物質より安価なものを選択することが望ましい。元素番号の低いものほど、熱電子量が多いためである。例えば、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、亜鉛、アルミニウムなどが選択される。
【００１６】
整流プレート３は半導体で、電流の流れを一方向へ制限するため、ダイオードであることが望ましい。発電プレート２から出力される電流の流れ４を一方向に統一することで、発電素子の積層及び連結による加算効果を得るためである。
元来発電プレート（物質）が有する熱電子を利用しているため、発電素子１に温度差を設ける必要はなく、常温でも発電が可能である。
【００１７】
発電プレート２にアルメル、整流プレート３にクロメルを用いて、室温２０度にて電圧及び電流を測定した試験結果を以下に示す。電流電圧抵抗測定器の型番はＴＲ６８７１である。本試験では、少なくとも２４時間、電圧及び電流が継続して発生していることを確認している。
測定試験結果
発電プレート数        電圧            電流  
１枚                  ０．３ｍＶ        ２．９μＡ（初期値）
９枚                  ２．８ｍＶ      ２０．３μＡ（初期値）
１８枚                ５．８ｍＶ      ３１．０μＡ（初期値）
１８枚                ５．８ｍＶ      ３１．０μＡ（２４Ｈ後）
【００１８】
図２は、発電素子１を積層したセル５の模式図である。整流プレート３、発電プレート２の順で積層し、整流プレート３で終わる。本例では５枚の発電プレート２で構成しているが、積層数は任意に選択すればよい。
【００１９】
図３は、セル５を連結したモジュール６の模式図である。セル５同士の連結には整流プレート３を用いるが、部分的な数か所の結合とすることで、隙間を媒体の流動空間とし加熱手段（熱エネルギー）を用いて加熱効果を得るものである。図３の例としては、１番目のセル５の最終端は発電プレート２とし、中間に配置するセル５は、両端を発電プレート２とし、最後のセル５は、初端を発電プレート２としているが、図２に示すセル５を整流プレート３又は半導体（ダイオード）で連結してもよい。
【００２０】
図４は、モジュール６を連結したユニット７の模式図である。モジュール６同士の連結には整流プレート３又半導体（ダイオード）が用いられる。
ユニット化することで、実用的な電圧及び電流を出力することが可能となる。
【実施例２】
【００２１】
元来発電プレート（物質）が有する熱電子を利用しているため、発電素子に温度差を設ける必要はなく、常温でも発電は可能であるが、物質は熱エネルギーを得ると活性化する性質があり、熱を加えることで発電能力を向上させることができる。但し、選択する物質に依り、その発電能力は相違する。
熱エネルギーには、太陽熱、地下熱などの自然エネルギーや、冷暖房装置及び車両などの排熱を利用することが望ましい。
【実施例３】
【００２２】
本発電素子１を用いて発電機を構成しそれを電源とした応用例について説明する。空中に気化している水蒸気を冷却し水に還元する空中井戸の稼働、人が採掘することが困難な海中資源を発掘する海中鉱山装置の稼働、空中に敷地を設けその敷地を都市化する空中都市の開発とその都市の主要電源としての利用が見込まれる。
【００２３】
一般的に電池は、２種類の物質の電位差を利用し、電圧及び電流を出力しているが、その媒体（化学変化）としてアルカリや酸を用いている。アルカリや酸の消耗、電極金属の劣化が電池の寿命を迎えるものであるが、本発明はアルカリや酸を用いていないため、継続的に発電が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の発電素子及び発電ユニットは工業生産が可能で、本発電素子を用いた発電装置の等への応用も可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１  発電素子
２  発電プレート
３  整流プレート
４  電流の流れる方向
５  セル
６  モジュール
７  ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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