JPS5843869B2 - 熱エネルギ−を電気エネルギ−に変換する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特別の電池を用いて熱エネルギーを直接的に電
気エネルギーに変換する方法に関するものである。

熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する方法としては
、周知の如く、火力発電や原子力発電などに見られるよ
うに、熱エネルギーを先ず機械エネルギーに変換し、次
に電気エネルギーとして取出す方法が採られている。

しかしながら、この方法によると、エネルギー効率は最
高でも約４０％と低く、エネルギー資源の欠乏が世界的
に深刻な問題としてとりあげられている現在、熱源によ
る既存の発電方法の根本的な改善ないし新規な発電方法
の開発が強く望まれている。

このような観点から、従来より種々の検討がなされてい
るが、未だ既存の技術を凌駕するものは見出されていな
い。

エネルギー変換効率を高める方法の一つとして水を熱化
学的に分解し、燃料としても利用され得る水素を製造す
る方法が提供されているが、工業的に実用するには至っ
ていない。

本発明者は、熱エネルギーを連続的に電気エネルギーに
変換する方法について、工学的に極めて簡単な系で、操
作条件が穏やかである上、エネルギー変換効率が高く、
源料を必要とせず加えて無公害化の観点からクローズド
、システムでの実施が可能な基本プロセスを開発すべく
鋭意研究を重ねた結果、特別の電極系を用いて温度差の
ある高温で作動する電池を構成すれば、両電極系を交互
に加熱冷却して、両電極系の温度関係を交互に逆転させ
るだけで、絶えず放電を行なわせて電力を得るとともに
、放電により変化した両電極系物質の再生を行なうこと
ができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完
成するに到った。

すなわち、本発明によれば、金属電極と電解質溶融塩か
らなる電極系Ａと金属電極と電解質溶融塩からなる電極
系Ｂとを用い、かつそれら電極系Ａ、Ｂにおける電解質
溶融塩の少なくとも一方に電極金属に対応する金属を陽
イオンとする電解質を共存させることによって電池を構
成するとともに、電極系Ａ及びＢ電極を周期的にかつ交
互に加熱冷却し、電極系Ａ及びＢの再生を同時に行ない
ながら熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法が
提案される。

本発明で用いる電池は、金属電極と電解質溶融塩からな
る電極系Ａと、金属電極と電解質溶融塩からなる電極系
Ｂとを含み、かつそれら電極系Ａ。

Ｂにおける電解質溶融塩の少なくとも一方に、その電極
金属に対応する金属を陽イオンとする電解質を共存させ
るものである。

本発明で電解液として用いる電解質溶融塩としては、種
々のものが使用され、たとえば、ＺｎＣＡ２ＫＣｌ、Ｋ
Ｃｌ−ＡｌＣｌ３．ＺｎＣ１２−ＫＣｌ−ＮａＣ＃ 、
ＬｉＢｒ−ＮａＢｒ−ＫＢｒ 、ＬｉＩ−ＫＩＮａＩ、
Ｎａ０Ｈ−ＫＯＨ，Ｌｉ０Ｈ−ＮａＯＨ，ＫＮＯ３−Ｎ
ａＮＯ３，ＬｉＮｏ３−ＫＮＯ３−ＮａＮＯ３などが挙
げられる。

また、本発明で電極として使用するとしては、種々のも
のが適用され、たとえば、Ｃｕ。

Ｎｉ 、Ａｇ、Ｆｅ 、Ｃｄ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｂｉ 、Ｐ
ｂ。

Ｓｎ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒなどが挙げら
れる。

本発明により適用される電極金属の組合せを例示すると
、たとえば、Ｎ ｉ ／Ｎｉ 、 Ｎｉ／ＣｕＮｉ／Ａ
ｇ Ｃｄ／Ｃｕ Ｃｄ／Ａｇ Ｆｅ／ＰｂＦｅ／
Ｃｕ Ｆｅ／Ａｇ Ｓｎ／Ａｇ Ｓｎ／Ｃｕ５ｂ
、”ｃｃｔ Ｓｂ／Ｓｎ Ｍｎ／Ｃｕ Ｍｎ／Ａ
ｇＳｅ／Ｎｉ Ｓｅ／Ｆｅ Ｃｏ／Ｃｕ Ｃｏ／
ＡｇＣｏ／Ｐｂ Ｃｏ／Ｓｅ Ｃｒ／Ｃｕ Ｃｒ
／ＡｇＴｉ／Ｃｕ Ｔｉ／Ａｇ Ｚｒ／Ｃｕ Ｚ
ｒ／Ａｇなどが挙げられる。

本発明において電解液中に共存させる金属電解質は、当
該電極に対応する金属を陽イオンとするものであれば任
意であり、たとえば、次の式で表わされるものが適用さ
れる。

−Ｘ （式中、Ｍは電極金属陽イオン、Ｘはハロゲン、ＮＯ３
−、ＯＨ−などの陰イオンである）本発明は、前記のよ
うにして構成された電池に関し、電極系Ａと電極系Ｂを
周期的にかつ交互に加熱冷却し、両電極系Ａ、Ｂ間に温
度差を与えることによって、その際の熱エネルギーを電
気エネルギーに変換するものである。

この場合、電極系の加熱温度は電極金属や共存させる電
極金属を陽イオンとする電解質の種類によって異なるが
、一般的には、３５０℃以上、通常、３５０〜７００℃
の範囲である。

一方、冷却温度は、加熱温度よりも低められたものであ
ればよく、通常、加熱温度よりも少なくとも５０℃、好
ましくは、２５０〜５００℃低められた温度が採用され
る。

本発明で適用する加熱と冷却の組合せの１例を示すと、
たとえば、一方の加熱電極系の温度を３５０〜７００℃
に保持し、他方の冷却電極系の温度を１５０〜３００℃
に保持する。

次に、本発明におげろ熱エネルギーを電気エネルギーに
変換する原理を反応式及び図面により説明する。

まず、本発明における電極系Ａと電極系Ｂよりなる電池
において放電又は充電（再生）時に起る反応は次の式に
よって表わされる。

Ｍａ＋ＭｂＸｊＭａＸ＋Ｍｂ （１）（
式中、Ｍａは電極系Ａの電極金属、Ｍｂは電極系Ｂの電
極金属、ＭｂＸは電極系Ｂの電解液中に共存させた電極
金属を陽イオンとする電解質であり、Ｘは陰イオンを示
す） この反応において、ＭａとＭｂはいずれも金属単体であ
るから、それぞれ異なる温度下にあっても、それらの化
学ポテンシャルは、たとえＭａとＭｂが異なっていても
、それ程の差異はなく、近似的に等しいものとすること
ができる。

したがって、前記反応はＭａＸとＭｂＸの化学ポテンシ
ャルの間の差異によって進行すると考えることができる
。

今、図面において、ＭａＸとＭｂＸの化学ポテンシャル
μ（Ｔ（ａ））及びμ（Ｔ（ｂ） ）を温度Ｔに対して
プロットする。

この場合、それらの化学ポテンシャルは温度上昇により
増大するものとする。

電極系Ａの温度Ｔ、が電極系Ｂの温度Ｔ２より大きい時
（Ｔ１〉Ｔ２）のＭａＸとＭｂＸの化学ポテンシャルの
差ｈ１−Δμ〔Ｔ１（ａ）−Ｔ２（ｂ）〕は、図面から
明らかなように、電極系Ａ、Ｂがともに等しい温度Ｔ１
における化学ポテンシャルの差り。

−Δμ（Ｔ １ （ａ） Ｔ ｓ （ｂ） ：）より
も太きい。

すなわち、Δμ〔Ｔ１（ａ）−Ｔ２（ｂ）〕〉△μ（Ｔ
１（ａ）−ＴＩ（ｂ）） （２）一方、化学ポテンシ
ャルの差Δμと起電力Ｅとの間には、周知のように次の
式が成立する。

ΔμニーＩＺＩＦＥ （３）（式中、
Ｚは電荷、Ｆはファラデ一定数、Ｅは起電力を表わす） したがって、電極系Ａ、Ｂにより生起されるその起電力
Ｅは、式（２）と式（３）を関係させることによりバ電
極系Ａ、Ｂの温度差が大きい程より大きな起電力が得ら
れることがわかる。

次に、電極系Ａの温度をＴ２、電極系Ｂの温度をＴ１に
逆転させた時のＭａＸとＭｂＸの化学ポテンシャルの差
ｈ２＝Δμ（’ｒ２（ａ）−、’ｒ１（ｂ） ）も同様
に温度Ｔ１における両電極系Ａ、Ｂの化学ポテンシャル
の差り。

よりも大きい。したがって、この場合にも大きい起電力
を得ることができる。

なお、この場合には、化学ポテンシャルの差ｈ２−Δμ
（Ｔ ２ （ａ） Ｔ ｔ （ｂ） 、ｌは、前記ｈ
１−Δμ（Ｔ ｓ （ａ） −Ｔ２（ｂ）〕とはその正
負の符号が逆になるので、電流は逆方向に流れる。

ところで、図面に示すように、温度Ｔ。

（Ｔ２〈Ｔｏ＜Ｔ１）において、ＭａＸとＭｂＸの化学
ポテンシャルが等しくなるようなＭａＸとＭｂＸを選べ
ば、電極系Ａと電極系Ｂの温度をそれぞれ’ｒ１（＞Ｔ
ｏ ） 、 ’ｒ２（＜−Ｔｏ ）のように関係すげ、
それらの温度を交互に逆転させる、すなわち、電極系Ａ
をＴ１、電極系ＢをＴ２に一定時間保持した後、逆に電
極系ＡをＴ２、電極糸ＢをＴ１に保持する操作を繰返す
ことによって、常により高い電力を得ることができ、し
かも同時に電池を再生することができる。

換言すれば、電極系Ａ、Ｂを交互に加熱冷却するだけで
、力１）の反応を正逆両方向に進める、すなわち放電し
ながら電池を再生していることとなる。

以上のことは、ＭａＸもＭｂＸともにそれらの化学ポテ
ンシャルが温度の上昇に応じて増大するということを前
提としたが、この逆の場合も同様のことがいえる。

また、本発明の場合、図面から明らかなように、ＭａＸ
とＭｂＸの化学ポテンシャルの温度変化を表わす直線μ
（Ｔ（ａ） ）とμＣＴ（ｂ） ）は、全く同一、すな
わち、金属ＭａとＭｂとは同一であることができ、さら
に、はぼ類似の関係を有するものであってもよい。

μ（Ｔ（ａ））とμ（Ｔ（ｂ））との関係が類似する場
合、実用性の高い電池を得るには、その差μ（Ｔ（ａ）
−μ（Ｔ（ｂ））はＩＫｃａｌ／ｒ１１ｏｌ！以下、殊
に０．５ＫｃａＡ以下になるような電極系Ａ、Ｂを選ぶ
のがよい。

本発明においては、電極系Ａ、Ｂにおける電極金属Ｍａ
、Ｍｂ及び電解液中に共存させる電極金属を陽極とする
金属電解質は、前記したような本発明の本質を充分に考
慮した上、プロセスコストや実施容易性との関係で適当
に選択される。

なお、電解液の両方あるいは一方に共存させる対応電極
金属を陽イオンとする電解質の量は、所望する電力及び
変換効率にもよるが、一般的には、０．１〜３０重量饅
である。

本発明においては、電池を構成する反応槽を熱源に対し
て熱を効率的に伝えることができるように設置し、熱源
からの熱の量を制御することによって、電極槽の温度を
適宜に上昇、降下させると。

いう操作のみで熱エネルギーを直接的に高いエネルギー
変換効率、たとえば５０％の効率をもって電気エネルギ
ーに変換することができるのである。

なお、本発明における加熱とは、電極系の温度を上昇さ
せる操作を言い、また冷却とは電極系の温度を降下させ
る操作を言い、冷却の場合、強制冷却、自然冷却の他に
、熱量の供給を制限した冷却も包含される。

なお、この場合の電極系の加熱は、電極系の温度を上昇
させ得る方法であれは直接及び間接加熱を問わず任意に
採用され、例えば、電熱による加熱や、赤外線等の熱線
による加熱、高温流体（ガスや液体）を利用した加熱等
が採用される。

このように、本発明の方法は、操作が簡単であり、しか
もエネルギー変換方法としては、完全にクローズド・シ
ステムとすることが可能であり、従来実施されている熱
源に基づくエネルギー変換方法に比して、電力を著しく
低減された価格でかつ無公害的に得ることを可能にし、
その産業的価値は著しく高い。

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例 銅を陰極とし、ニッケルを陽極とし、及び塩化カリウム
と塩化亜鉛（モル比で１対１．１７４）の混合溶融塩を
電解液として用いるが、この場合、陽極電解液中には溶
融塩化ニッケルを共存（１重量％）させて電池を構成し
た。

次に、この電池において、加熱手段として赤外線を用い
、陰極系を強く加熱し、陽極系を弱く加熱することによ
って、陰極系を５５０℃及び陽極系を２５０℃に保った
とごろ、平均０．３６ボルト、］、、３ｍＡの電力を得
た。

約３０分間電力を得た後、今後は逆に、陰極系を２５０
℃及び陽極系を５５０℃に保ったところ、平均０．１０
ボルト、０．４５ｍＡの電力を約３０分間得ることがで
きた。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の詳細な説明するための電極系の化学ポテ
ンシャルμと温度Ｔとの関係を示すグラフの一例である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属電極と電解質溶融塩からなる電極系Ａと金属電
   極と電解質溶融塩からなる電極系Ｂとを用い、かつそれ
   ら電極系Ａ、Ｂにおける電解質溶融塩の少なくとも一方
   に電極金属に対応する金属を陽イオンとする電解質を共
   存させることによって電池を構成するとともに、電極系
   Ａ及び電極Ｂを周期的にかつ交互に加熱冷却し、電極系
   Ａ及びＢの再生を同時に行ないながら熱エネルギーを電
   気エネルギーに変換する方法。