(57)【要約】 【課題】  高効率、且つ高寿命のアルカリ金属熱電発電装置を提供する。【解決手段】  アルカリ金属Ｎａを加熱して溶融状態に保持する加熱器１と、ガス化したアルカリ金属Ｎａが固体電解質内を通過して発電する発電部１０と、当該固体電解質を通過したアルカリ金属Ｎａを凝縮・液化して回収する凝縮器２とを備える。前記発電部１０を介在して低温側の前記凝縮器２を高温側の前記加熱器１の上部に配置すると共に、当該凝縮器２に回収した液化アルカリ金属Ｎａを、そのヘッド圧を利用して前記加熱器１に循環する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属を加熱して溶融状態に保持する加熱器と、ガス化したアルカリ金属が固体電解質内を通過して発電する発電部と、当該固体電解質を通過したアルカリ金属を凝縮・液化して回収する凝縮器とを備えたアルカリ金属熱電発電装置において、
前記発電部を介在して低温側の前記凝縮器を高温側の前記加熱器の上部に配置すると共に、当該凝縮器に回収した液化アルカリ金属を、そのヘッド圧を利用して前記加熱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２】
アルカリ金属熱電発電装置の内圧が任意に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属熱電発電装置。
【請求項３】
前記凝縮器の内圧を略大気圧としたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載のアルカリ金属熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速増殖炉、高温ガス炉、火力発電所、ゴミ焼却炉、地熱、化学プラント等、様々な熱発生プラントからの高温排熱を利用したアルカリ金属熱電発電装置に関し、特に、液化アルカリ金属を凝縮器側から加熱器側に循環するための循環機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のアルカリ金属熱電発電装置は、β”−アルミナ等、アルカリ金属イオン伝導性を有する固体電解質の両側にアルカリ金属蒸気の濃度差（即ち、蒸気圧）を与えて発電を行う一種の濃淡電池である。
【０００３】
図２は、係るアルカリ金属熱電発電装置２０の基本構成を示している。
図２において、金属ナトリウムＮａ等のアルカリ金属が貯留される密封容器が、例えば、β”−アルミナの固体電解質３と多孔性電極４とで成る発電部を間に介在して、上部の高圧側（加熱器１）と、その下部の低圧側（凝縮器２）とに分離されている。
【０００４】
高圧側の加熱器１には、外部熱源により加熱されて、溶融した液体ナトリウムが貯留されており、一方、低圧側の凝縮器２には、ヒートシンク等の冷却手段にて冷却されたナトリウム蒸気が凝縮・液化し、液体ナトリウムとして貯留されている。そして、この液体ナトリウムは、凝縮器２と加熱器１を連通する戻り管５を通して加熱器１側に送り込まれるようになっており、この戻り管５には液体ナトリウムを循環するための電磁ポンプ６が配設されている。
【０００５】
また、この密封容器は、低圧側の多孔性電極４から引き出された正極端子７と、高圧側の液体ナトリウムから引き出された負極端子８を備えており、これら正極端子７と負極端子８の間には、外部負荷９が接続されている。
【０００６】
このようなアルカリ金属熱電発電装置２０では、加熱器１内において、高温に加熱された液体ナトリウムが固体電解質３の表面でＮａ+ イオンと電子ｅ- に解離し、Ｎａ+ イオンは高温側と低温側のナトリウム蒸気の圧力差による駆動力で固体電解質３内を移動・通過すると共に、電子ｅ- は負極端子８から外部負荷９を通過して正極端子７より多孔性電極４に導かれ、当多孔性電極４の境界面でＮａ+ イオンと結合し、発電が行われる。
【０００７】
そして、電子ｅ- と結合したＮａ+ イオンは中性化してナトリウム蒸気となり、凝縮器２内で凝縮・液化して再度液体ナトリウムに戻る。凝縮器２の底面に溜まった液体ナトリウムを電磁ポンプ６により戻り管５を介して逐次上部の加熱器１に循環することにより発電が継続される。
【０００８】
尚、このようなアルカリ金属熱電発電装置の先行技術として、下記の特許文献１、特許文献２等が開示されている。
【特許文献１】特開平６−５４５６６号公報
【特許文献２】特開平６−１６３０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、アルカリ金属熱電発電装置２０では、低圧側で凝縮・液化したアルカリ金属を高圧側に循環させるために電磁ポンプ６等が使用されることは既述の通りであるが、電磁ポンプ６による循環機構はポンプ駆動用の外部動力源を必要とし、そのための電力負担が発電システムの効率低下を招く要因となっていた。
【００１０】
また、別の循環機構として、このような駆動用の外部電力を要しないウイックも使用されているが、ウイックは微細な繊維質による毛細管現象を利用した流路構造であるため、その流路径は５０μｍ程度と非常に細いものであり、高圧側に循環できる金属ナトリウムの流量も少ないものとなる。
【００１１】
加えて、ウイックは、金属ナトリウム中に含有する固体不純物等で流路が閉塞し、液化アルカリ金属の循環機能が好適に作動しなくなる可能性があるため、固体不純物等が生成される可能性の高い中型・大型の発電プラントへの適用には不向きであって、その適用は主に液化アルカリ金属の循環量が少なくて済む極小型の熱発生プラントに限られていた。このように、現状では中型・大型の熱発生プラントにおいて、外部動力源を用いずに熱電発電を行うことは極めて困難な状況にあった。
【００１２】
また、従来では、固体電解質を通過したアルカリ金属を凝縮するために、凝縮器内を極低圧（例えば、真空に近い状態）に維持するのが一般的であるが、極低圧環境下においては、ステンレス中のＣｒ、Ｍｎ等の微量元素が気化し易くなっており、配管や凝縮器にステンレス材料等を用いると、これがナトリウム中に溶出して、発電部（固体電解質、電極）等を劣化させるという問題を有していた。  このため、現状では、数千時間以上の連続発電は不可能であり、この面からも、長時間発電が前提とされる中型・大型発熱プラントへの適用は極めて困難な状況にあった。
【００１３】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みて成されたもので、発電の効率化と発電システムの高寿命化を図ると共に、中型・大型の熱発生プラントへの適用を可能とするアルカリ金属熱電発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、請求項１に記載の本発明では、アルカリ金属を加熱して溶融状態に保持する加熱器と、ガス化したアルカリ金属が固体電解質内を通過して発電する発電部と、当該固体電解質を通過したアルカリ金属を凝縮・液化して回収する凝縮器とを備えたアルカリ金属熱電発電装置において、前記発電部を介在して低温側の前記凝縮器を高温側の前記加熱器の上部に配置すると共に、当該凝縮器に回収した液化アルカリ金属を、そのヘッド圧を利用して前記加熱器に循環することを特徴としている。
【００１５】
本構成では、アルカリ金属を循環するための外部動力源が不要であり、そのための余分な電力消費を抑えて、発電システムの効率化が図れる。
また、本構成の場合、ヘッド圧は低温側と高温側の内部圧力差（即ち、アルカリ金属の飽和蒸気圧差）以上とする必要があることから、アルカリ金属の貯留用容器は、この圧力差を生じ得る深さを必要とする。必要なヘッド圧を得るためには凝縮器内に貯留されるアルカリ金属の深さを十分深くする必要があり、自ずと装置自体も大型化することから、特に、中型・大型の熱発生プラントへの適用に最適である。
【００１６】
また、請求項２に記載の本発明では、請求項１に記載のアルカリ金属熱電発電装置において、アルカリ金属熱電発電装置の内圧が任意に設定可能であることを特徴としている。
【００１７】
本構成では、低温側の凝縮器と高温側の加熱器に所定の圧力差が維持できれば、発電システム全体の圧力は任意に設定することができる。従って、装置内の圧力を高真空〜大気圧〜大気圧以上の任意の圧力に設定可能であり、必ずしも凝縮器の内圧を極低圧にする必要はなくなる。
【００１８】
また、請求項３に記載の本発明では、請求項１または請求項２の何れかに記載のアルカリ金属熱電発電装置において、前記凝縮器の内圧を略大気圧としたことを特徴としている。
【００１９】
本構成では、低温側の凝縮器と高温側の加熱器に所定の圧力差が維持できれば、発電システム全体の圧力は任意に設定することができる。従って、凝縮器内の圧力を略大気圧に設定し、加熱器内の圧力を大気圧よりも高圧に設定することも可能であり、これにより、従来、低温側の極低圧使用で問題となっていたステンレス材等からの微量元素の溶出で生じる発電部の劣化を防止して、アルカリ金属熱電発電装置の高寿命化が図れる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の本発明によれば、低温側の凝縮器を高温側の加熱器の上部に配置し、当凝縮器に回収したアルカリ金属を、そのヘッド圧を利用して加熱器に循環するように構成したので、液化アルカリ金属を循環するための電磁ポンプ等の外部動力源を用いずに熱電発電を行うことが可能であり、余分な電力消費を抑えて発電システムの効率化が図れる。
また、本構成の場合、凝縮器に必要なヘッド圧を得るため、熱電発電装置自体も大型化することから、特に、中型・大型の熱発生プラントへの適用が好適である。
【００２１】
また、請求項２、請求項３に記載の本発明によれば、装置内の圧力を高真空〜大気圧〜大気圧以上の任意の圧力に設定可能であり、従来のように必ずしも凝縮器の内圧を極低圧にする必要はなくなる。特に、凝縮器の内圧を略大気圧としたので、従来、低温側の極低圧使用で問題となっていた凝縮器材料からの微量元素の溶出による発電部の劣化を防止し、アルカリ金属熱電発電装置の高寿命化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明のアルカリ金属熱電発電装置の一実施形態を説明する。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材に付いては同一の符号を用いた。
【００２３】
図１に示すように、実施形態のアルカリ金属熱電発電装置２０（以下、単に熱電発電装置２０と呼ぶ）は、下部に位置する高圧側の加熱器１と、その上部に位置する低圧側の凝縮器２と、加熱器１と凝縮器２との間に配設されて、ガス化したアルカリ金属が固体電解質内を通過して発電する発電部１０と、発電部１０から引き出された電力取り出し用の出力端子１２等を備えている。
【００２４】
加熱器１は円筒状の密封容器であって、内部に溶融したアルカリ金属（例えば、液体ナトリウムＮａ）が貯留されており、例えば、各種熱発生プラントからの高温排熱等、外部からの供給される高熱により、加熱器内の温度は常時６００〜９００℃の状態に保持されている。
【００２５】
一方、凝縮器２は、図示しないヒートシンク等の冷却手段によって容器の頂壁が外側から冷却されて、内部温度が約４００℃前後の状態に保持されている。よって、発電部１０（固体電解質内）を移動・通過した液体金属蒸気（ナトリウム蒸気）は、凝縮器２の頂壁に当たる冷却面で冷やされて凝縮・液化し、内壁を伝って落下し、下方の貯留部２ａに液体ナトリウムＮａとして貯留されるようになっている。この貯留部２ａは、下方に向かって径を細くし形成した、所謂、ロート状を成し、その縮径先端部にて加熱器１と連通されて、連通部分に幅数ミリ〜数十ｍ程度の循環流路１１を形成している。
【００２６】
凝縮器２内の貯留部２ａに貯留された液体ナトリウムＮａは、そのヘッド圧（貯留部２ａの循環流路入口に加わる液化ナトリウムＮａの重力）により、循環流路１１を通して下部の加熱器１に送り込まれるようになっている。
【００２７】
通常、凝縮器２内は、ほぼ真空状態に保たれており、加熱器１の内部圧力に抗して低圧側より液体ナトリウムＮａを循環するためには、ヘッド圧を低温側と高温側の内部圧力差（即ち、アルカリ金属の飽和蒸気圧差）以上にする必要がある。このため、液体ナトリウムは、凝縮器２内において、この圧力差を生じ得る深さに貯留される必要があり、このため、本実施形態では、貯留部２ａの深さを約１１ｍ以上としている。この場合、液体ナトリウムＮａの密度は０．９ｇ／ｃｍ3 程である。このように、熱電発電装置２０自体が大型化することから、この循環機構は中型・大型の熱発生プラントへの適用に最適である。
【００２８】
また、ヘッド圧は貯留された液体ナトリウムＮａの深さのみによって決まり、貯留部分の形状には依存しないことから、凝縮器２を上記のようにロート状に形成して、貯留部２ａを細長くすることにより、凝縮器２全体の体積を小さくできると共に、熱電発電装置２０をコンパクト化し、発電システムのレイアウトに余裕を持たせるが可能になる。
【００２９】
このように、本実施形態の液化アルカリ金属の循環機構では、従来のような循環用の電磁ポンプ等は一切不要であり、そのための余分な電力消費を抑えることができるため、発電システムの効率化が実現できる。
また、外部電力を要しない従来のウイックとも相違し、液化アルカリ金属の循環流路１１をウイックに比べて大幅に広くすることができるため、液化アルカリ金属の循環流量も多くすることができ、よって、中型・大型の熱発生プラントへの適用が可能となる。加えて、循環流路１１の流路幅を広くできれば、液化アルカリ金属に含まれる固体不純物等により循環流路１１が閉塞する危険性も少なくなり、熱電発電装置２０の信頼性を向上できる。
【００３０】
また、この熱電発電装置２０は、低温側と高温側の圧力差のみで動作可能なことから、低温側の凝縮器２と高温側の加熱器１に所定の圧力差が維持できれば、発電システム全体の圧力は任意に設定することができる。従って、上記説明では、凝縮器２内はほぼ真空状態であるとしたが、凝縮器２の内部圧力を略大気圧に設定し、加熱器１の内部圧力を大気圧よりも高圧に設定することも可能であり、これにより、貯留部２ａを含む凝縮器材料からの微量元素の溶出で生じる発電部１０の劣化を防止することができ、熱電発電装置２０の高寿命化が図れるようになる。
【００３１】
尚、凝縮器２の内部圧力を略大気圧とした場合の高温側の圧力設定は、例えば、加熱器１のカバーガスの抜き加減によって調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るアルカリ金属熱電発電装置の構成を示す図。
【図２】従来のアルカリ金属熱電発電装置の基本構成を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１  加熱器
２  凝縮器
３  固体電解質
２０  アルカリ金属熱電発電装置。
【図１】
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【図２】
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