热发电装置的制作方法

1.本公开涉及热发电装置。


背景技术：

2.作为将热能转换为电能的元件，公知有组合了电解质与生成热激发电子及空穴的热电转换材料的热利用发电元件(参照专利文献1)。根据使用了上述热利用发电元件的发电系统，即使不对系统赋予温度差，仅通过使系统整体为高温就能够发电。
3.专利文献1：国际公开第2017/038988号


技术实现要素：

4.例如，为了兼得使用了专利文献1所记载的元件的发电系统的高输出化和小型化，需要尽可能提高热发电装置的能量密度。本公开提供一种对提高能量密度是有用的热发电装置。
5.本公开的一侧面所涉及的热发电装置具备：第一热发电模块，具有至少一个热利用发电元件和收容该热利用发电元件的第一壳体；第二热发电模块，具有至少一个热利用发电元件和收容该热利用发电元件的第二壳体；以及导电部件，将第一及第二热发电模块电连接，第一壳体的外表面与第二壳体的外表面相接。上述热利用发电元件至少包含电解质层及热电转换层。通过第一壳体的外表面与第二壳体的外表面相接，能够使热发电装置为紧凑的尺寸。
6.第一壳体的外表面与第二壳体的外表面相接在小型化方面是有利的，而根据热发电装置的运转条件等可能会产生难以对热发电模块供给热量的状况。若不能对热发电模块有效地供给热量，则即使发电系统具有产生高电压以及/或者大电流的电气的电势，也无法充分发挥该电势。从对热发电模块有效地供给热量，由此实现稳定的发电的观点出发，第一壳体及第二壳体的至少一部分可以由具有电绝缘性且具有导热性的材料构成，也可以由具有电绝缘性的第一材料和被埋设于第一材料的内部的具有导热性的第二材料构成。
7.第一及第二热发电模块可以以串联的方式电连接，也可以以并联的方式电连接。通过将多个热发电模块串联连接，能够增大热发电装置的电动势。另一方面，通过将多个热发电模块并联连接，能够增大热发电装置的输出电流。
8.从增大电动势以及/或者输出电流的观点出发，第一及第二热发电模块可以分别具有多个热利用发电元件。多个热利用发电元件可以层叠成为电气串联的状态，也可以层叠成为电气并联的状态。在多个热利用发电元件的电连接状态为串联的情况下，从进一步增大电动势的观点出发，可以在邻接的热利用发电元件之间设置电子传导层。在多个热利用发电元件的电连接状态为并联的情况下，只要在邻接的热利用发电元件之间设置与上述导电部件电连接的集电极和绝缘层即可。
9.根据本公开，能够提供一种对提高能量密度是有用的热发电装置。
附图说明
10.图1是示意性地表示本公开所涉及的热发电装置的第一实施方式的剖视图。
11.图2是示意性地表示第一实施方式所涉及的热发电装置的变形例的剖视图。
12.图3是示意性地表示本公开所涉及的热发电装置的第二实施方式的剖视图。
13.图4是示意性地表示图3所示的热发电装置所具备的热发电模块的剖视图。
14.图5是示意性地表示第二实施方式所涉及的热发电装置的变形例的剖视图。
具体实施方式
15.以下，参照附图，对本公开的实施方式详细地进行说明。此外，在以下的说明中，对相同要素或具有相同功能的要素使用相同的附图标记，并省略重复的说明。
16.＜第一实施方式＞
17.图1是示意性地表示本实施方式所涉及的热发电装置的剖视图。该图所示的热发电装置50具备三个热发电模块10a、10b、10c，它们通过外部集电体12(导电部件)以并联的方式电连接。热发电模块10a配置在两个热发电模块10b、10c之间。热发电模块10a的外表面9a分别与热发电模块10b的外表面9b及热发电模块10c的外表面9c相接。外部集电体12也与热发电模块10a、10b、10c的外表面相接。热发电模块10a、10b、10c以及外部集电体12相接配置，由此能够提高热发电装置50的能量密度。以下，对热发电模块10a的结构进行说明。此外，在本实施方式中，热发电模块10b、10c结构与热发电模块10a相同，因此省略它们的说明。
18.热发电模块10a具有两个热利用发电元件5a、5b、电子传导层6、一对集电极8a、8b以及收容它们的壳体9。俯视时的热发电模块10a的形状例如为矩形状等多边形状，也可以是圆形状或椭圆形状。两个热利用发电元件5a、5b层叠成为电气串联的状态。热利用发电元件5a、5b通过从外部被供给的热量而生成热激发电子及空穴。基于热利用发电元件5a、5b的热激发电子及空穴的生成例如在25℃以上且300℃以下产生。从生成足够数量的热激发电子及空穴的观点出发，热利用发电元件5a、5b例如可以被加热至50℃以上。从良好地防止热利用发电元件5a、5b的劣化等的观点出发，热利用发电元件5a、5b的加热温度的上限例如为200℃。此外，生成足够数量的热激发电子的温度例如是热利用发电元件5a、5b的热激发电子密度成为10
15
/cm3以上的温度。
19.热利用发电元件5a具有依次具备电解质层1、电子热激发层2a以及电子输送层2b的层叠构造。热电转换层2由电子热激发层2a与电子输送层2b构成。此外，在本实施方式中，热利用发电元件5b的结构与热利用发电元件5a相同，因此省略其说明。
20.电解质层1是包含在上述温度条件下，能够供电荷输送离子对在内部移动的固体电解质的层。上述电荷输送离子对在电解质层1内移动，由此在电解质层1流过电流。“电荷输送离子对”是价数相互不同的稳定的一对离子。若一方的离子被氧化或还原，则成为另一方的离子，从而能够在电子和空穴移动。电解质层1内的电荷输送离子对的氧化还原电位与电子热激发层2a所包含的热电转换材料的价电子带电位相比为负。因此，在电子热激发层2a与电解质层1的界面处，电荷输送离子对中的容易被氧化的离子被氧化，而成为另一方的离子。此外，电解质层1也可以包含电荷输送离子对以外的离子。电解质层1例如能够通过刮板法、丝网印刷法、溅射法、真空蒸镀法、cvd法、溶胶凝胶法或旋涂法形成。电解质层1的厚
度例如为0.1μm以上且100μm以下。电解质层1也可以是空穴输送半导体。
21.电解质层1所包含的固体电解质例如是在上述温度下物理及化学上稳定的物质，包含多价离子。固体电解质例如是钠离子传导体、铜离子传导体、铁离子传导体、锂离子传导体、银离子传导体、氢离子传导体、锶离子传导体、铝离子传导体、氟离子传导体、氯离子传导体、氧化物离子传导体等。固体电解质例如也可以是分子量60万以下的聚乙二醇(peg)或其衍生物。在固体电解质为peg的情况下，例如在电解质层1也可以包含有铜离子、铁离子等多价离子源。从提高寿命等的观点出发，在电解质层1也可以包含有碱金属离子。peg的分子量相当于通过凝胶渗透色谱法利用聚苯乙烯换算而被测定的重均分子量。电解质层1也可以包含固体电解质以外的材料。例如，电解质层1也可以包含使固体电解质结合的粘结剂、对固体电解质的成型进行辅助的烧结助剂等。
22.电子热激发层2a是生成热激发电子及空穴的层，与电解质层1相接。电子热激发层2a包含热电转换材料。热电转换材料是在高温环境下使激发电子增加的材料，例如是金属半导体(si、ge)、碲化合物半导体、硅锗(si-ge)化合物半导体、硅化物化合物半导体、方钴化合物半导体、包合物化合物半导体、惠斯勒化合物半导体、半惠斯勒化合物半导体、金属氧化物半导体、有机半导体等半导体材料。从在相对较低的温度下生成足够的热激发电子的观点出发，热电转换材料也可以是锗(ge)。电子热激发层2a也可以包含多个热电转换材料。电子热激发层2a也可以包含热电转换材料以外的材料。例如，电子热激发层2a也可以包含使热电转换材料结合的粘结剂、对热电转换材料的成型进行辅助的烧结助剂等。电子热激发层2a例如通过刮板法、丝网印刷法、放电等离子体烧结法、压缩成型法、溅射法、真空蒸镀法、化学气相沉积法(cvd法)、旋涂法等形成。电子热激发层2a的厚度例如为0.1μm以上且100μm以下。
23.电子输送层2b是将在电子热激发层2a中生成的热激发电子向外部输送的层，在层叠方向隔着电子热激发层2a位于电解质层1的相反侧。电子输送层2b包含电子输送材料。电子输送材料是其传导带电位与热电转换材料的传导带电位相同或与该热电转换材料的传导带电位相比为正的材料。电子输送材料的传导带电位与热电转换材料的传导带电位之差例如为0.01v以上且0.1v以下。电子输送材料例如是半导体材料、电子输送性有机物等。电子输送层2b例如通过刮板法、丝网印刷法、放电等离子体烧结法、压缩成型法、溅射法、真空蒸镀法、cvd法、旋涂法等形成。电子输送层2b的厚度例如为0.1μm以上且100μm以下。
24.电子输送材料所使用的半导体材料例如与电子热激发层2a所包含的半导体材料相同。电子输送性有机物例如是n型导电性高分子、n型低分子有机半导体、π电子共轭化合物等。电子输送层2b也可以包含多个电子输送材料。电子输送层2b也可以包含电子输送材料以外的材料。例如，电子输送层2b也可以包含使电子输送材料结合的粘结剂、对电子输送材料的成型进行辅助的烧结助剂等。从电子输送性的观点出发，半导体材料可以为n型si。包含n型si的电子输送层2b例如通过在硅层中掺杂磷等而形成。
25.电子传导层6是用于使在热发电模块10a内移动的电子仅向规定的方向传导的层。电子传导层6是显示电子传导性且不显示离子传导性的层。因此，电子传导层6也可以说是离子传导防止层。电子传导层6被热利用发电元件5a的电子输送层2b与热利用发电元件5b的电解质层1夹持。热利用发电元件5a、5b经由电子传导层6相互串联连接。
26.电子传导层6例如通过刮板法、丝网印刷法、放电等离子体烧结法、压缩成型法、溅
射法、真空蒸镀法、cvd法、旋涂法、镀覆法等形成。在电解质层1是有机电解质层的情况下，电子传导层6例如只要设置于热利用发电元件5a的电子输送层2b的表面即可。另一方面，在电解质层1是无机电解质层的情况下，电子传导层6例如只要设置于热利用发电元件5b的电解质层1的表面即可。电子传导层6的厚度例如为0.1μm以上且100μm以下。
27.电子传导层6的功函数比电子输送层2b的功函数大。换言之，电子传导层6的带隙比电子输送层2b的带隙大。电子传导层6的功函数或带隙与电子输送层2b的带隙之差例如为0.1ev以上。另外，电子传导层6的价电子带电位也可以与电解质层1内的离子的还原电位相比为正。在该情况下，在电子传导层6与电解质层1的界面处，不易发生上述离子的氧化反应。例如，在电解质层1是有机电解质层的情况下，电子传导层6包含ito(氧化铟锡)、fto(掺氟氧化锡)、电子传导聚合物材料等。另外，例如在电解质层1是无机电解质层的情况下，电子传导层6包含pt(铂)、au(金)、ag(银)、铝合金(例如，硬铝、si-al合金)、电子传导聚合物材料等。电子传导聚合物材料例如是pedot/pss。此外，电子传导层6的传导带电位也可以与电子输送层2b的传导带电位相比为负。在该情况下，电子容易从电子输送层2b向电子传导层6移动。
28.集电极8a是热发电模块10a的正极，在层叠方向上位于热发电模块10a的一端。集电极8b是热发电模块10a的负极，在层叠方向上位于热发电模块10a的另一端。集电极8a、8b分别例如是具有单层构造或层叠构造的导电板。导电板例如是金属板、合金板以及它们的复合板。从良好地发挥热发电模块10a的性能的观点出发，集电极8a、8b的至少一方也可以显示高导热性。例如，集电极8a、8b的至少一方的导热率也可以为10w/m
·
k以上。在热发电模块10a中不需要温度差，因此优选集电极8a、8b双方都显示高导热性。
29.壳体9收容热利用发电元件5a、5b等。壳体9例如由具有优异的导热性以及绝缘性的材质构成。壳体9的导热性高，由此能够从外部向热利用发电元件5a、5b有效地供给热量。作为壳体9的材质，例如可列举包含si的树脂(si导热树脂)、陶瓷、高导热性玻璃。为了维持壳体9的绝缘性，并且实现更优异的导热性，也可以由具有绝缘性的材料和被埋设于该材料的内部的具有导热性的材料(例如，金属)构成壳体9。
30.通过将热发电装置50配置于高温的环境，能够进行高能量密度下的发电。热发电装置50例如应用于高温炉、以温泉或地热为热源的发电系统，由此能够有效地产生高电压以及/或者大电流的电气。热发电模块10a可以是规模较小的，也可以是规模较大的。本实施方式所涉及的热发电模块10a的发电输出例如可以为1000kwh以上，也可以为10～1000kwh或0.1～10kwh。
31.以上，对第一实施方式的热发电装置50详细地进行了说明，但也可以如以下那样变更热发电装置50的结构。例如，各热发电模块所包含的热利用发电元件的数量不限定于两个，也可以为一个，也可以为三个以上。另外，热发电模块的数量也不限定于三个，也可以为两个，也可以为四个以上。另外，多个热发电模块的电连接不限定于并联，也可以是串联(参照图2)，也可以组合并联与串联。另外，热发电装置50也可以具备收容壳体9的外壳。
32.＜第二实施方式＞
33.图3是示意性地表示本实施方式的热发电装置的剖视图。该图所示的热发电装置60具备三个热发电模块20a、20b、20c，它们通过外部集电体12以并联的方式电连接。热发电模块20a配置在两个热发电模块20b、20c之间。热发电模块20a的外表面19a分别与热发电模
块20b的外表面19b及热发电模块20c的外表面19c相接。外部集电体12也与热发电模块20a、20b、20c的外表面相接。热发电模块20a、20b、20c以及外部集电体12相接配置，由此能够提高热发电装置60的能量密度。以下，对热发电模块20a的结构进行说明。此外，在本实施方式中，热发电模块20b、20c的结构与热发电模块20a相同，因此省略它们的说明。另外，主要对热发电装置60的与热发电装置50的不同点进行说明。
34.图4是示意性地表示热发电模块20a的结构的剖视图。如图4所示，热发电模块20a具有三个热利用发电元件15a、15b、15c、两个绝缘层16a、16b、三对集电极17a、17b、一对外电极18a、18b以及收容它们的壳体19。三个热利用发电元件15a、15b、15c层叠成为电气并联的状态。
35.热利用发电元件15a、15b、15c与上述热利用发电元件5a同样，具有依次具备电解质层1、电子热激发层2a以及电子输送层2b的层叠构造。热利用发电元件15a、15b、15c在层叠方向上分别被一对集电极17a、17b夹持。三个集电极17a与外电极18a电连接，三个集电极17b与外电极18b电连接。
36.绝缘层16a防止热利用发电元件15a、15b的短路。绝缘层16b防止热利用发电元件15b、15c的短路。绝缘层16a包含例如表现耐热性的有机绝缘物或无机绝缘物。有机绝缘物例如是耐热性塑料。无机绝缘物例如是氧化铝等陶瓷。从良好地发挥热发电模块20a的性能的观点出发，绝缘层16a、16b可以表现高导热性。例如，绝缘层16a、16b的导热率可以为10w/m
·
k以上。或者，绝缘层16a、16b也可以包含表现优异的导热性的部件或粒子。只要将该部件或粒子埋入绝缘材料，则部件或粒子也可以具有导电性。
37.通过将热发电装置60配置于高温的环境，能够进行高能量密度下的发电。热发电装置60例如应用于高温炉、以温泉或地热为热源的发电系统，由此能够有效地产生高电压以及/或者大电流的电气。热发电模块20a可以是规模较小的，也可以是规模较大的。热发电模块20a的发电输出例如可以是1000kwh以上，也可以是10～1000kwh或0.1～10kwh。
38.以上，对第二实施方式的热发电装置60详细地进行了说明，但也可以如以下那样变更热发电装置60的结构。例如，各热发电模块所包含的热利用发电元件的数量不限定于三个，也可以是一个或两个，也可以是四个以上。另外，热发电模块的数量也不限定于三个，也可以是两个，也可以是四个以上。多个热发电模块的电连接不限定于并联，也可以是串联(参照图5)，也可以组合并联与串联。例如，为了即使在热源存在温度不均的情况下也能充分发挥各热发电模块的性能，如图5所示，只要将具有与热发电模块20a相同的结构(并联连接了多个热利用发电元件的结构)的多个热发电模块串联连接即可。另外，热发电装置60也可以具备收容壳体19的外壳。
39.产业上的可利用性
40.根据本公开，能够提供一种对提高能量密度是有用的热发电装置。
41.附图标记说明
[0042]1…
电解质层；2
…
热电转换层；2a
…
电子热激发层；2b
…
电子输送层；5a、5b、15a、15b、15c
…
热利用发电元件；6
…
电子传导层；8a、8b、17a、17b
…
集电极；18a、18b
…
外电极；9、19
…
壳体；9a、9b、9c
…
外表面；10a、10b、10c、20a、20b、20c
…
热发电模块；12
…
外部集电体(导电部件)；16a、16b
…
绝缘层；50、60
…
热发电装置。