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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024174112
(43)【公開日】2024-12-13
(54)【発明の名称】熱利用発電モジュール
(51)【国際特許分類】
H10N 15/00 20230101AFI20241206BHJP
H02N 11/00 20060101ALI20241206BHJP
【ＦＩ】
H10N15/00
H02N11/00 A
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024171257
(22)【出願日】2024-09-30
(62)【分割の表示】P 2019119037の分割
【原出願日】2019-06-26
(71)【出願人】
【識別番号】390039929
【氏名又は名称】三桜工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100114270
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 朋也
(74)【代理人】
【識別番号】100130052
【弁理士】
【氏名又は名称】大阪 弘一
(74)【代理人】
【識別番号】100186761
【弁理士】
【氏名又は名称】上村 勇太
(72)【発明者】
【氏名】梅 ▲ヒョウ▼
(72)【発明者】
【氏名】後藤 直哉
(72)【発明者】
【氏名】竹内 正樹
(72)【発明者】
【氏名】松下 祥子
(57)【要約】
【課題】ニーズに応じた性能を発揮可能な熱利用発電モジュールを提供する。
【解決手段】熱利用発電モジュールは、積層方向に沿って互いに重なる第１熱電変換層及び第１電解質層を有する第１熱利用発電素子と、積層方向において第１熱利用発電素子に重なり、積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、積層方向における一端側に位置する第１集電極と、積層方向における他端側に位置する第２集電極と、積層方向において第１熱利用発電素子及び第２熱利用発電素子の間に配置される絶縁部材と、を備え、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、積層方向において第１集電極と第２集電極との間に位置し、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、互いに並列接続される。
【選択図】図１
【解決手段】熱利用発電モジュールは、積層方向に沿って互いに重なる第１熱電変換層及び第１電解質層を有する第１熱利用発電素子と、積層方向において第１熱利用発電素子に重なり、積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、積層方向における一端側に位置する第１集電極と、積層方向における他端側に位置する第２集電極と、積層方向において第１熱利用発電素子及び第２熱利用発電素子の間に配置される絶縁部材と、を備え、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、積層方向において第１集電極と第２集電極との間に位置し、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、互いに並列接続される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
積層方向に沿って互いに重なる第１熱電変換層及び第１電解質層を有する第１熱利用発電素子と、
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子に重なり、前記積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、
前記積層方向における一端側に位置する第１集電極と、
前記積層方向における他端側に位置する第２集電極と、
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子及び前記第２熱利用発電素子の間に配置される絶縁部材と、
を備え、
前記第１熱利用発電素子と前記第２熱利用発電素子とは、前記積層方向において前記第１集電極と前記第２集電極との間に位置し、
前記第１熱利用発電素子と前記第２熱利用発電素子とは、互いに並列接続される、
熱利用発電モジュール。
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子に重なり、前記積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、
前記積層方向における一端側に位置する第１集電極と、
前記積層方向における他端側に位置する第２集電極と、
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子及び前記第２熱利用発電素子の間に配置される絶縁部材と、
を備え、
前記第１熱利用発電素子と前記第２熱利用発電素子とは、前記積層方向において前記第１集電極と前記第２集電極との間に位置し、
前記第１熱利用発電素子と前記第２熱利用発電素子とは、互いに並列接続される、
熱利用発電モジュール。
【請求項2】
前記積層方向において前記絶縁部材及び前記第１熱利用発電素子の間に位置する第３集電極と、
前記積層方向において前記絶縁部材及び前記第２熱利用発電素子の間に位置する第４集電極と、をさらに備え、
前記第１集電極と前記第３集電極とは、互いに電気的に接続され、
前記第２集電極と前記第４集電極とは、互いに電気的に接続される、請求項１に記載の熱利用発電モジュール。
前記積層方向において前記絶縁部材及び前記第２熱利用発電素子の間に位置する第４集電極と、をさらに備え、
前記第１集電極と前記第３集電極とは、互いに電気的に接続され、
前記第２集電極と前記第４集電極とは、互いに電気的に接続される、請求項１に記載の熱利用発電モジュール。
【請求項3】
前記積層方向において前記絶縁部材及び前記第１熱利用発電素子の間に位置し、前記積層方向に沿って互いに重なる第３熱電変換層及び第３電解質層を有する第３熱利用発電素子と、
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子及び前記第３熱利用発電素子の間に位置する電子伝導層と、をさらに備え、
前記第１熱利用発電素子と前記第３熱利用発電素子とは、前記電子伝導層を介して互いに直列接続される、請求項１または２に記載の熱利用発電モジュール。
前記積層方向において前記第１熱利用発電素子及び前記第３熱利用発電素子の間に位置する電子伝導層と、をさらに備え、
前記第１熱利用発電素子と前記第３熱利用発電素子とは、前記電子伝導層を介して互いに直列接続される、請求項１または２に記載の熱利用発電モジュール。
【請求項4】
前記第１熱電変換層は、前記積層方向において積層される電子熱励起層及び電子輸送層を有し、
前記電子熱励起層は、前記電子輸送層と前記第１電解質層との間に位置し、
前記電子伝導層は前記電子輸送層及び前記第３電解質層に接し、
前記電子伝導層の仕事関数もしくはバンドギャップは、前記電子輸送層のバンドギャップよりも大きい、請求項３に記載の熱利用発電モジュール。
前記電子熱励起層は、前記電子輸送層と前記第１電解質層との間に位置し、
前記電子伝導層は前記電子輸送層及び前記第３電解質層に接し、
前記電子伝導層の仕事関数もしくはバンドギャップは、前記電子輸送層のバンドギャップよりも大きい、請求項３に記載の熱利用発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱利用発電モジュールに関し、特に熱電変換機能を奏する熱利用発電モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
地熱又は工場の排熱等を利用した熱利用発電として、ゼーベック効果を利用した方法が挙げられる。また、ゼーベック効果を利用しない熱利用発電として、下記特許文献１に開示される熱利用発電素子が挙げられる。下記特許文献１では、電解質と、熱励起電子及び正孔を生成する熱電変換材料とを組み合わせることによって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが開示されている。このような熱利用発電素子を電子部品の電源として用いることによって、例えば一般的な電池が劣化しやすい高温環境下（例えば、５０℃以上）においても、当該電子部品に対して安定した電力を供給できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１７／０３８９８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述したような熱を利用した発電装置は、様々な条件下及び用途にて用いられ得る。このため、ニーズに応じた性能（例えば、高起電力、高出力電流等）を発揮可能な熱発電装置の実現が望まれる。
【0005】
本発明の一側面の目的は、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱利用発電モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面に係る熱利用発電モジュールは、積層方向に沿って互いに重なる第１熱電変換層及び第１電解質層を有する第１熱利用発電素子と、積層方向において第１熱利用発電素子に重なり、積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、積層方向における一端側に位置する第１集電極と、積層方向における他端側に位置する第２集電極と、積層方向において第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子との間に位置する電子伝導層と、を備え、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、積層方向において第１集電極と第２集電極との間に位置する。
【0007】
上記熱利用発電モジュールは、積層方向において第１集電極と第２集電極との間に位置し、且つ、互いに重なる第１熱利用発電素子及び第２熱利用発電素子を有する。例えば、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とが直列接続されることによって、熱利用発電モジュールの起電力を向上できる。もしくは、例えば第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とが並列接続されることによって、熱利用発電モジュールの出力電流を増大できる。このように熱利用発電モジュールが複数の熱利用発電素子を備え、且つ、各熱利用発電素子の接続態様を適宜調整することによって、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱利用発電モジュールを提供できる。
【0008】
上記熱利用発電モジュールにおいて、第１熱利用発電素子と、第２熱利用発電素子とは、電子伝導層を介して互いに直列接続されてもよい。この場合、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とが、電子伝導層を介して互いに離間する。これにより、熱利用発電モジュール内の電子は、所望の方向のみに沿って流れやすくなるので、熱利用発電モジュールの起電力を良好に向上できる。
【0009】
第１熱電変換層は、積層方向において積層される電子熱励起層及び電子輸送層を有し、電子熱励起層は、電子輸送層と第１電解質層との間に位置し、電子伝導層は電子輸送層及び第２電解質層に接し、電子伝導層の仕事関数もしくはバンドギャップは、電子輸送層のバンドギャップよりも大きくてもよい。この場合、電子伝導層と第２電解質層との界面における電解質の酸化反応の発生を防止できる。これにより、第２電解質層内の電子は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。
【0010】
第２電解質層は、金属イオンを含む有機電解質層または無機電解質層であり、電子伝導層は、第２電解質層内の金属イオンよりもイオン化傾向が低い金属、黒鉛、導電性酸化物、または電子伝導ポリマー材料を含んでもよい。この場合、有機電解質層または無機電解質層を用いた場合であっても、第２電解質層内の電子は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。
【0011】
上記の場合において、電子伝導層は、第２電解質層内の金属イオンよりもイオン化傾向が低い金属として、白金、金、銀、およびアルミニウム合金の少なくとも一を含んでもよいし、導電性酸化物として、酸化インジウムスズ、およびフッ素ドープ酸化スズの少なくとも一を含んでもよい。
【0012】
本発明の別の一側面に係る熱利用発電モジュールは、積層方向に沿って互いに重なる第１熱電変換層及び第１電解質層を有する第１熱利用発電素子と、積層方向において第１熱利用発電素子に重なり、積層方向に沿って互いに重なる第２熱電変換層及び第２電解質層を有する第２熱利用発電素子と、積層方向における一端側に位置する第１集電極と、積層方向における他端側に位置する第２集電極と、積層方向において第１熱利用発電素子及び第２熱利用発電素子の間に配置される絶縁部材と、を備え、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、積層方向において第１集電極と第２集電極との間に位置し、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、互いに並列接続されている。この熱利用発電モジュールは、各熱利用発電素子の接続態様を適宜調整することによって、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱利用発電モジュールを提供できる。また、第１熱利用発電素子及び第２熱利用発電素子の間に絶縁部材が配置されるとともに、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とが互いに並列接続されている。このため、積層方向から見た熱利用発電モジュールを小型化しつつ、熱利用発電モジュールの出力電流を増大できる。
【0013】
上記熱利用発電モジュールは、積層方向において絶縁部材及び第１熱利用発電素子の間に位置する第３集電極と、積層方向において絶縁部材及び第２熱利用発電素子の間に位置する第４集電極と、をさらに備え、第１集電極と第３集電極とは、互いに電気的に接続され、第２集電極と第４集電極とは、互いに電気的に接続されてもよい。
【0014】
上記熱利用発電モジュールは、積層方向において絶縁部材及び第２熱利用発電素子の間に位置し、積層方向に沿って互いに重なる第３熱電変換層及び第３電解質層を有する第３熱利用発電素子と、積層方向において第２熱利用発電素子及び第３熱利用発電素子の間に位置する電子伝導層と、をさらに備え、第２熱利用発電素子と第３熱利用発電素子とは、電子伝導層を介して互いに直列接続されてもよい。この場合、熱利用発電モジュールの起電力の向上と、熱利用発電モジュールから出力される電流の増大とを両立できる。
【0015】
第１熱電変換層は、積層方向において積層される電子熱励起層及び電子輸送層を有し、電子熱励起層は、電子輸送層と第１電解質層との間に位置し、電子伝導層は電子輸送層及び第３電解質層に接し、電子伝導層の仕事関数もしくはバンドギャップは、電子輸送層のバンドギャップよりも大きくてもよい。この場合、電子伝導層と第３電解質層との界面における電解質の酸化反応の発生を防止できる。これにより、第３電解質層内の電子は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。
【0016】
本発明の別の一側面に係る熱発電装置は、上記複数の熱利用発電モジュールを備えており、複数の熱利用発電モジュールのそれぞれにおいて、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、互いに直列接続され、複数の熱利用発電モジュールは、積層方向に交差する方向に配置され、互いに並列接続されると共に互いに一体化している。この場合、起電力の向上と、出力電流の増大とが両立された熱発電装置を実現可能である。したがって、例えば熱発電装置に含まれる熱利用発電モジュールの数を調整することによって、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱発電装置を提供できる。
【0017】
本発明のさらに別の一側面に係る熱発電装置は、上記複数の熱利用発電モジュールを備え、複数の熱利用発電モジュールのそれぞれにおいて、第１熱利用発電素子と第２熱利用発電素子とは、互いに直列接続され、複数の熱利用発電モジュールは、積層方向に交差する方向に配置され、互いに直列接続されると共に互いに一体化している。この場合、さらなる起電力の向上が可能な熱発電装置を実現できる。したがって、例えば熱発電装置に含まれる熱利用発電モジュールの数を調整することによって、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱発電装置を提供できる。
【0018】
上記熱発電装置は、隣り合う熱利用発電モジュール同士の間に設けられる絶縁部材をさらに備えてもよい。この場合、隣り合う熱利用発電モジュール同士の短絡を良好に抑制できる。
【発明の効果】
【0019】
本発明の一側面によれば、ニーズに応じた性能を発揮可能な熱利用発電モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【0022】
（第１実施形態）
まず、図１を参照しながら、第１実施形態に係る熱利用発電モジュールの構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る熱利用発電モジュールを示す概略断面図である。図１に示される熱利用発電モジュール１は、外部から熱が供給されることによって発電する機能を示す部材（すなわち、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電体）の集合体である。熱利用発電モジュール１は、複数の熱利用発電素子２と、複数の電子伝導層３と、一対の集電極４，５とを備える。熱利用発電モジュール１の形状は、特に限定されない。平面視における熱利用発電モジュール１の形状は、例えば矩形状等の多角形状でもよいし、円形状でもよいし、楕円形状でもよい。
まず、図１を参照しながら、第１実施形態に係る熱利用発電モジュールの構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る熱利用発電モジュールを示す概略断面図である。図１に示される熱利用発電モジュール１は、外部から熱が供給されることによって発電する機能を示す部材（すなわち、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電体）の集合体である。熱利用発電モジュール１は、複数の熱利用発電素子２と、複数の電子伝導層３と、一対の集電極４，５とを備える。熱利用発電モジュール１の形状は、特に限定されない。平面視における熱利用発電モジュール１の形状は、例えば矩形状等の多角形状でもよいし、円形状でもよいし、楕円形状でもよい。
【0023】
複数の熱利用発電素子２と、複数の電子伝導層３と、一対の集電極４，５とは、所定の方向に沿って互いに重なっている。複数の熱利用発電素子２と複数の電子伝導層３とは、一対の集電極４，５の間に位置する。以下では、上記所定の方向を単に「積層方向」とする。また、本明細書における「同一」は、「完全同一」だけではなく「実質的に同一」も含む概念である。
【0024】
複数の熱利用発電素子２のそれぞれは、同一形状を呈する熱発電体であり、外部から熱が供給されることによって熱励起電子及び正孔を生成する。熱利用発電素子２による熱励起電子及び正孔の生成は、例えば２５℃以上３００℃以下にて実施される。十分な数の熱励起電子及び正孔を生成する観点から、熱利用発電モジュール１の使用時において熱利用発電素子２は、例えば５０℃以上に加熱されてもよい。熱利用発電素子２の劣化等を良好に防止する観点から、熱利用発電モジュール１の使用時において熱利用発電素子２は、例えば２００℃以下に加熱されてもよい。なお、十分な数の熱励起電子が生成される温度は、例えば「熱利用発電素子２の熱励起電子密度が１０１５／ｃｍ３以上となる温度」である。
【0025】
第１実施形態では、複数の熱利用発電素子２のそれぞれは、積層方向に沿って互いに重なっており、且つ、互いに直列接続されている。複数の熱利用発電素子２の数は、熱利用発電モジュール１に対して求められる性能に応じて変化する。
【0026】
熱利用発電素子２は、積層方向において互いに重なる熱電変換層１２及び電解質層１３を有する積層体である。熱電変換層１２は、積層方向において互いに重なる電子熱励起層１２ａ及び電子輸送層１２ｂを有する。第１実施形態では、各熱利用発電素子２における電子熱励起層１２ａ、電子輸送層１２ｂ及び電解質層１３の積層順序は、揃っている。
【0027】
電子熱励起層１２ａは、熱利用発電素子２にて熱励起電子及び正孔を生成する層であり、電解質層１３に接する。電子熱励起層１２ａは、熱電変換材料を含む。熱電変換材料は、高温環境下にて励起電子が増加する材料であり、例えば、金属半導体（Ｓｉ，Ｇｅ）、テルル化合物半導体、シリコンゲルマニウム（Ｓｉ－Ｇｅ）化合物半導体、シリサイド化合物半導体、スクッテルダイト化合物半導体、クラスレート化合物半導体、ホイスラー化合物半導体、ハーフホイスラー化合物半導体、金属酸化物半導体、有機半導体等の半導体材料である。比較的低温にて十分な熱励起電子を生成する観点から、熱電変換材料は、ゲルマニウム（Ｇｅ）でもよい。
【0028】
電子熱励起層１２ａは、複数の熱電変換材料を含んでもよい。電子熱励起層１２ａは、熱電変換材料以外の材料を含んでもよい。例えば、電子熱励起層１２ａは、熱電変換材料を結合させるバインダ、熱電変換材料の成形を補助する焼結助剤などを含んでもよい。電子熱励起層１２ａは、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、スピンコート法等によって形成される。
【0029】
電子輸送層１２ｂは、電子熱励起層１２ａにて生成された熱励起電子を外部へ輸送する層であり、積層方向において電子熱励起層１２ａを介して電解質層１３の反対側に位置する。よって熱利用発電素子２では、電子輸送層１２ｂ、電子熱励起層１２ａ、及び電解質層１３は、積層方向において順に積層される。電子輸送層１２ｂは、電子輸送材料を含む。電子輸送材料は、その伝導帯電位が熱電変換材料の伝導帯電位と同じかそれよりも正である材料である。電子輸送材料の伝導帯電位と、熱電変換材料の伝導帯電位との差は、例えば０．０１Ｖ以上０．１Ｖ以下である。電子輸送材料は、例えば半導体材料、電子輸送性有機物等である。電子輸送層１２ｂは、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スピンコート法等によって形成される。
【0030】
電子輸送材料に用いられる半導体材料は、例えば、電子熱励起層１２ａに含まれる半導体材料と同一である。電子輸送性有機物は、例えば、Ｎ型導電性高分子、Ｎ型低分子有機半導体、π電子共役化合物等である。電子輸送層１２ｂは、複数の電子輸送材料を含んでもよい。電子輸送層１２ｂは、電子輸送材料以外の材料を含んでもよい。例えば、電子輸送層１２ｂは、電子輸送材料を結合させるバインダ、電子輸送材料の成形を補助する焼結助剤などを含んでもよい。電子輸送性の観点から、半導体材料はｎ型Ｓｉでもよい。ｎ型Ｓｉを含む電子輸送層１２ｂは、例えばシリコン層にリン等をドーピングすることによって形成される。
【0031】
電解質層１３は、熱利用発電素子２にて十分な数の熱励起電子が生成される温度にて、電荷輸送イオン対が内部を移動できる電解質を含む層である。電解質層１３内を上記電荷輸送イオン対が移動することによって、電解質層１３に電流が流れる。「電荷輸送イオン対」は、互いに価数が異なる安定な一対のイオンであり、例えば金属イオンである。一方のイオンが酸化または還元されると他方のイオンとなり、電子と正孔とを移動できる。電解質層１３内の電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、電子熱励起層１２ａに含まれる熱電変換材料の価電子帯電位よりも負である。このため、電子熱励起層１２ａと電解質層１３との界面では、電荷輸送イオン対のうち、酸化されやすいイオンが酸化され、他方のイオンとなる。なお、電解質層１３は、電荷輸送イオン対以外のイオンを含んでもよい。電解質層１３は、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、又はスピンコート法によって形成できる。
【0032】
電解質層１３に含まれる電解質は、特に限定されない。当該電解質は、例えば、液体電解質でもよいし、固体電解質でもよいし、ゲル状電解質でもよい。第１実施形態では、電解質層１３は固体電解質を含む。固体電解質は、例えば、上記温度にて物理的及び化学的に安定である物質であり、多価イオンを含み得る。固体電解質は、例えば、ナトリウムイオン伝導体、銅イオン伝導体、鉄イオン伝導体、リチウムイオン伝導体、銀イオン伝導体、水素イオン伝導体、ストロンチウムイオン伝導体、アルミニウムイオン伝導体、フッ素イオン伝導体、塩素イオン伝導体、酸化物イオン伝導体等である。固体電解質は、例えば、分子量６０万以下のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）またはその誘導体でもよい。固体電解質がＰＥＧである場合、例えば銅イオン、鉄イオン等の多価イオン源が電解質層１３に含まれてもよい。寿命向上等の観点から、アルカリ金属イオンが電解質層１３に含まれてもよい。ＰＥＧの分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィーによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量に相当する。
【0033】
電解質層１３は、有機電解質層でもよいし、無機電解質層でもよい。電解質層１３が有機電解質層であるか無機電解質層であるかは、例えば電子伝導層３の組成に応じて決定される。有機電解質層は、例えば１又は複数の有機物を主な組成とする電解質層である。有機物は、低分子有機化合物及び高分子有機化合物の少なくとも一方を含む。無機電解質層は、例えば１又は複数の無機物を主な組成とする電解質層である。無機物は、単体でもよいし、無機化合物でもよい。有機電解質層に無機物が含まれてもよいし、無機電解質層に有機物が含まれてもよい。上述した有機物及び無機物のそれぞれは、電解質であってもよいし、電解質とは異なってもよい。例えば、電解質層１３は、電解質を結合させるバインダ、電解質の成形を補助する焼結助剤などとして機能する有機物または無機物を含み得る。有機物は例えばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトニトリル等であり、無機物は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等である。なお、分子量が１万以上である有機化合物を高分子有機化合物とする。
【0034】
電子伝導層３は、熱利用発電モジュール１内を移動する電子を所定の方向のみに伝導させるための層である。第１実施形態では、電子伝導層３は、電子伝導性を示し、且つ、イオン伝導性を示さない層である。よって電子伝導層３は、イオン伝導防止層とも言える。電子伝導層３は、積層方向において隣り合う熱利用発電素子２同士の間に位置する。このため、積層方向において隣り合う２つの熱利用発電素子２同士は、電子伝導層３を介して互いに直列接続される。第１実施形態では、電子伝導層３は、一方の熱利用発電素子２の電解質層１３と、他方の熱利用発電素子２の電子輸送層１２ｂとのそれぞれに接している。
【0035】
電子伝導層３は、例えばスキージ法、スクリーン印刷法、放電プラズマ焼結法、圧縮成形法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スピンコート法、メッキ法等によって形成される。例えば電解質層１３が有機電解質層である場合、隣り合う熱利用発電素子２同士の間に位置する電子伝導層３は、一方の熱利用発電素子２に含まれる電子輸送層１２ｂの表面（電子熱励起層１２ａが設けられた表面と反対側の表面）に設けられる。例えば電解質層１３が無機電解質層である場合、電子伝導層３は、熱利用発電素子２に含まれる電解質層１３の表面に設けられる。電子伝導層３の厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。
【0036】
第１実施形態では、電子伝導層３の仕事関数（もしくはバンドギャップ）は、電子輸送層１２ｂのバンドギャップより大きい。電子伝導層３の仕事関数もしくはバンドギャップと、電子輸送層１２ｂのバンドギャップとの差は、例えば０．１ｅＶ以上である。また、電子伝導層３の価電子帯電位は、電解質層１３に含まれる電解質層１３内のイオンの還元電位よりも正でもよい。この場合、電子伝導層３と電解質層１３との界面にて、上記イオンの酸化反応が発生しにくい。例えば、電解質層が有機電解質層である場合、電子伝導層３は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）及びＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）等の導電性酸化物、電子伝導ポリマー材料等を含む。また、例えば電解質層が無機電解質層である場合、電子伝導層３は、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、アルミニウム合金（例えば、ジュラルミン、Ｓｉ－Ａｌ合金）、電子伝導ポリマー材料等を含む。電子伝導ポリマー材料は、例えばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳである。なお、電子伝導層３の伝導帯電位は、電子輸送層１２ｂの伝導帯電位よりも負でもよい。この場合、電子輸送層１２ｂから電子伝導層３へ電子が移動しやすくなる。電解質層１３に金属イオンが含まれる場合、電子伝導層３は、当該金属イオンよりもイオン化傾向が低い金属、黒鉛、導電性酸化物、または電子伝導ポリマー材料を含んでもよい。このような金属、導電性酸化物、電子伝導ポリマー材料の例は、上述した通りである。
【0037】
集電極４は、熱利用発電モジュール１における正極及び負極の一方として機能する電極であり、積層方向において熱利用発電モジュール１の一端に位置する。集電極５は、熱利用発電モジュール１における正極及び負極の他方として機能する電極であり、積層方向において熱利用発電モジュール１の他端に位置する。集電極４，５のそれぞれは、例えば単層構造もしくは積層構造を有する導電板である。導電板は、例えば、金属板、合金板、及びそれらの複合板である。熱利用発電モジュール１の性能を良好に発揮する観点から、集電極４，５の少なくとも一方は、高熱伝導性を示してもよい。熱利用発電モジュール１では温度差は不要であるため、集電極４，５の両方が高熱伝導性を示すことが望ましい。例えば、集電極４，５の少なくとも一方の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。
【0038】
次に、図２を参照しながら、熱利用発電素子の発電機構の概要について説明する。図２（ａ）は、単一の熱利用発電素子及び端子を示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、熱利用発電素子の発電機構を説明するための模式図である。説明のため、図２（ａ），（ｂ）に示される電解質層１３に含まれる電荷輸送イオン対を鉄イオン（Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋）とする。図２（ｂ）に示されるように、まず、高温環境下において、電子熱励起層１２ａが熱を吸収すると、電子熱励起層１２ａにて励起した電子ｅ－が生じる。この電子ｅ－は、電子輸送層１２ｂに移動する。これにより、電子熱励起層１２ａには正孔ｈ＋が生じる。この正孔ｈ＋は、電子熱励起層１２ａと電解質層１３との第１界面ＢＳ１にてＦｅ２＋を酸化する。すなわち、この正孔ｈ＋が第１界面ＢＳ１にてＦｅ２＋の電子を奪う。これにより、第１界面ＢＳ１に位置するＦｅ２＋がＦｅ３＋になる。一方、電子輸送層１２ｂ内にて過剰になった電子ｅ－は、外部に移動し、抵抗Ｒ及び端子Ｔを通過して電解質層１３に到達する。電解質層１３に到達した電子ｅ－は、電解質層１３と端子Ｔとの第２界面ＢＳ２にてＦｅ３＋を還元する。これにより、第２界面ＢＳ２に位置するＦｅ３＋がＦｅ２＋になる。そして、第１界面ＢＳ１にて酸化されたＦｅ３＋が第２界面ＢＳ２に向かって拡散されると共に、第２界面ＢＳ２にて還元されたＦｅ２＋が第１界面ＢＳ１に向かって拡散される。これにより、第１界面ＢＳ１と第２界面ＢＳ２との上記酸化還元反応が維持される。このような熱励起による電子の生成と、酸化還元反応とが発生することによって、熱利用発電素子２が発電する。なお、電子が抵抗Ｒを通過する際に発生する仕事が発電に相当する。
【0039】
次に、以上に説明した第１実施形態に係る熱利用発電モジュール１の作用効果について、以下に示す比較例を用いながら説明する。図３は、比較例に係る熱利用発電モジュールを示す概略断面図である。図３に示される熱利用発電モジュール１０１は、電子伝導層を備えない点で、第１実施形態に係る熱利用発電モジュール１と異なる。このため熱利用発電モジュール１０１では、各熱利用発電素子２は互いに接しており、且つ、互いに直列接続される。このため、隣り合う熱利用発電素子２同士においては、一方の熱利用発電素子２に含まれる電子輸送層１２ｂと、他方の熱利用発電素子２に含まれる電解質層１３とが、互いに接する。
【0040】
図４（ａ）は、比較例に係る熱利用発電モジュール内の電子の移動を説明するための模式図であり、図４（ｂ）は、第１実施形態に係る熱利用発電モジュール内の電子の移動を説明するための模式図である。説明のため、図４（ａ），（ｂ）においては、隣り合う熱利用発電素子２の一方を第１熱利用発電素子１１とし、他方を第２熱利用発電素子２１とする。また、電子熱励起層１２ａには第１半導体が含まれ、電子輸送層１２ｂには第２半導体が含まれ、電解質層１３には電荷輸送イオン対（Ｉ１，Ｉ２）が含まれるとする。加えて、電解質層１３に含まれる電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、第１半導体のバンドギャップ内に位置し、且つ、第１半導体の価電子帯電位よりも負である。さらには、第２半導体の価電子帯電位は、第１半導体の価電子帯電位よりも正であるとする。すなわち、電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、第２半導体の価電子帯電位よりも負であるとする。なお、イオンＩ１の価数は、イオンＩ２の価数よりも大きい。
【0041】
図４（ａ）に示されるように、第１熱利用発電素子１１の電解質層１３は、第１熱利用発電素子１１に含まれる電子熱励起層１２ａと、第２熱利用発電素子２１に含まれる電子輸送層１２ｂとの両方に接している。上述したように、第１熱利用発電素子１１においては、電解質層１３にて、イオンＩ１が第１界面ＢＳ１へ拡散する。また図示はしないが、イオンＩ２は、第２熱利用発電素子２１の電子輸送層１２ｂと第１熱利用発電素子１１の電解質層１３との第３界面ＢＳ３へ拡散する。これにより、第２熱利用発電素子２１から第１熱利用発電素子１１へ電子ｅ－が移動する。すなわち、熱利用発電モジュール１０１における積層方向の一方側に沿って、電子ｅ－が移動する。
【0042】
ここで電子輸送層１２ｂには第２半導体が含まれているため、電子輸送層１２ｂにおいても励起した電子ｅ－が生成し得る。この電子ｅ－が電解質層１３に移動することによって、電子輸送層１２ｂにも正孔ｈ＋が生じ得る。上述したように、第２半導体の価電子帯電位は、第１半導体の価電子帯電位よりも正であり、且つ、電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、第２半導体の価電子帯電位よりも負である。このため、電子輸送層１２ｂにて生成した正孔ｈ＋は、第３界面ＢＳ３にて、当該電解質層１３に含まれるイオンＩ１を酸化する。よって、積層方向における電解質層１３の両端にて酸化反応が発生する。この場合、イオンＩ１は、第１界面ＢＳ１側へ拡散するだけでなく、第３界面ＢＳ３側へも拡散してしまう。これにより、電解質層１３においては、第２熱利用発電素子２１から第１熱利用発電素子１１へ電子ｅ－が移動するだけではなく、第１熱利用発電素子１１から第２熱利用発電素子２１へも電子ｅ－が移動し得る。すなわち、複数の熱利用発電素子２を単に積層すると、電解質層１３において電子ｅ－は、熱利用発電モジュール１０１における積層方向の両側に移動し得る。このような場合、隣り合う熱利用発電素子２同士の電位差が広がりにくくなる。したがって、比較例においては、複数の熱利用発電素子２が用いられた場合であっても熱利用発電モジュール１０１の起電力が向上しにくく、このため、熱利用発電モジュール１０１の出力は、理論値よりも低くなってしまうことがある。
【0043】
これに対して第１実施形態に係る熱利用発電モジュール１では、図４（ｂ）に示されるように、隣り合う熱利用発電素子２同士の間には電子伝導層３が位置する。このような電子伝導層３が設けられることによって、一方の熱利用発電素子２の電解質層１３と、他方の熱利用発電素子２の電子輸送層１２ｂとは、互いに離間する。この場合、電子輸送層１２ｂにて正孔ｈ＋が生じたとしても、当該正孔ｈ＋は、電解質層１３に含まれるイオンＩ１から電子を奪うことはできない。このため、イオンＩ１の酸化反応は、第１界面ＢＳ１のみにて発生させることができる。よって、電解質層１３に含まれるイオンＩ１が、電解質層１３と電子伝導層３との第４界面ＢＳ４側に拡散しにくくなる。すなわち、イオンＩ１は、電解質層１３において第１界面ＢＳ１側へのみ拡散する傾向にある。これにより、熱利用発電モジュール１内の電子ｅ－は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。したがって、熱利用発電モジュール１においては、隣り合う熱利用発電素子２同士の電位差が広がりやすいので、熱利用発電モジュール１の起電力を良好に向上できる。加えて、熱利用発電モジュール１に含まれる熱利用発電素子２の数を調整することによって、熱利用発電モジュール１の起電力をニーズに合った値に設定できる。
【0044】
第１実施形態では、熱電変換層１２は、積層方向において積層される電子熱励起層１２ａ及び電子輸送層１２ｂを有し、電子熱励起層１２ａは、一方の熱利用発電素子２に含まれる電子輸送層１２ｂと、他方の熱利用発電素子２に含まれる電解質層１３との間に位置し、電子伝導層３は上記電子輸送層１２ｂ及び上記電解質層１３に接し、電子伝導層３の仕事関数もしくはバンドギャップは、電子輸送層１２ｂのバンドギャップよりも大きくてもよい。この場合、電子伝導層３と電解質層１３との第４界面ＢＳ４における電解質（イオンＩ１）の酸化反応の発生を防止できる。これにより、電解質層１３内の電子ｅ－は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。
【0045】
第１実施形態では、電解質層１３は、金属イオンを含む有機電解質層または無機電解質層であり、電子伝導層３は、電解質層１３内の金属イオンよりもイオン化傾向が低い金属、黒鉛、導電性酸化物、または電子伝導ポリマー材料を含んでもよい。この場合、電解質層１３として有機電解質層または無機電解質層が用いられる場合であっても、電解質層１３内の電子ｅ－は、所望の方向のみに沿って流れやすくなる。
【0046】
第１実施形態では、電子伝導層３は、電解質層１３内の金属イオンよりもイオン化傾向が低い金属として、白金、金、銀、およびアルミニウム合金の少なくとも一を含んでもよいし、導電性酸化物として、酸化インジウムスズ、およびフッ素ドープ酸化スズの少なくとも一を含んでもよい。
【0047】
（第２実施形態）
以下では、第２実施形態に係る熱利用発電モジュールについて説明する。第２実施形態の説明において第１実施形態と重複する記載は省略し、第１実施形態と異なる部分を記載する。つまり、技術的に可能な範囲において、第２実施形態に第１実施形態の記載を適宜用いてもよい。
以下では、第２実施形態に係る熱利用発電モジュールについて説明する。第２実施形態の説明において第１実施形態と重複する記載は省略し、第１実施形態と異なる部分を記載する。つまり、技術的に可能な範囲において、第２実施形態に第１実施形態の記載を適宜用いてもよい。
【0048】
図５は、第２実施形態に係る熱利用発電モジュールを示す概略断面図である。図５に示されるように、熱利用発電モジュール１Ａは、積層方向において互いに積層される複数の熱利用発電素子２と、複数の集電極４Ａ，５Ａと、外電極３１，３２と、複数の絶縁部材３３とを備える。
【0049】
各熱利用発電素子２は、積層方向において集電極４Ａ，５Ａの間に位置している。すなわち、各熱利用発電素子２は、積層方向において集電極４Ａ，５Ａによって挟持される。熱利用発電モジュール１Ａでは、各熱利用発電素子２の間には、絶縁部材３３が設けられる。具体的には、積層方向において隣り合う集電極４Ａ，５Ａの間には、絶縁部材３３が設けられる。このため、隣り合う２つの熱利用発電素子２の間には、集電極５Ａ、絶縁部材３３及び集電極４Ａが、積層方向に沿って順に積層される。換言すると、積層方向において絶縁部材３３と一方の熱利用発電素子２との間には集電極５Ａが位置し、積層方向において絶縁部材３３と他方の熱利用発電素子２との間には集電極４Ａが位置する。また、積層方向において隣り合う絶縁部材３３同士の間には、集電極４Ａ、熱利用発電素子２、及び集電極５Ａが順に積層される。
【0050】
集電極４Ａは、熱利用発電素子２の正極及び負極の一方として機能する導電体であり、略板形状を示す。また、集電極５Ａは、熱利用発電素子２の正極及び負極の他方として機能する導電体であり、略板形状を示す。集電極４Ａ，５Ａは、例えば上記第１実施形態の集電極４，５と同一材料から構成される。集電極４Ａ，５Ａの一部は、積層方向に交差する方向（例えば、水平方向）に沿って、各熱利用発電素子２から突出している。外電極３１，３２の接触防止の観点から、集電極４Ａの一部と集電極５Ａの一部とは、互いに反対向きに突出することが望ましい。
【0051】
外電極３１は、熱利用発電モジュール１Ａの正極及び負極の一方として機能する導電体であり、各集電極４Ａに電気的に接続される。外電極３２は、熱利用発電モジュール１Ａの正極及び負極の他方として機能する導電体であり、各集電極５Ａに電気的に接続される。このため、熱利用発電モジュール１Ａでは、各熱利用発電素子２は、互いに並列接続される。熱利用発電モジュール１Ａの性能を良好に発揮する観点から、外電極３１，３２の少なくとも一方は、高熱伝導性を示してもよい。例えば、外電極３１，３２の少なくとも一方の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。外電極３１，３２は熱利用発電素子２に対して離間しているので、外電極３１，３２は銅等を含んでもよい。熱利用発電モジュール１Ａでは温度差は不要であるため、外電極３１，３２の両方が高熱伝導性を示すことが望ましい。
【0052】
絶縁部材３３は、積層方向において隣り合う熱利用発電素子２同士の短絡を防止する絶縁体であり、略板形状を示す。水平方向において、絶縁部材３３の縁は、熱利用発電素子２の縁と揃ってもよいし、揃っていなくてもよい。絶縁部材３３の機能を良好に発揮する観点から、水平方向において、絶縁部材３３の縁は、熱利用発電素子２の縁よりも外側に位置してもよい。この場合、絶縁部材３３の縁の少なくとも一部が、熱利用発電素子２の縁よりも外側に位置してもよい。絶縁部材３３は、例えば耐熱性を示す有機絶縁物もしくは無機絶縁物を含む。有機絶縁物は、例えば耐熱性プラスチックである。無機絶縁物は、例えばアルミナ等のセラミックスである。各熱利用発電モジュール１の性能を良好に発揮する観点から、絶縁部材３３は、高熱伝導性を示してもよい。例えば、絶縁部材３３の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。もしくは、絶縁部材３３には、高熱伝導性を示す部材、粒子等が含まれてもよい。この部材は、導電性を示してもよい。この場合、当該部材は、絶縁材料によって完全に被覆される。絶縁部材３３は、例えば塗布、蒸着、粉体塗装、押し出しコーティング、コールドスプレー等によって形成される。
【0053】
熱利用発電モジュール１Ａの性能を良好に発揮する観点から、絶縁部材３３は、高熱伝導性を示してもよい。例えば、絶縁部材３３の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。もしくは、絶縁部材３３には、高熱伝導性を示す熱伝導部材が含まれてもよい。この熱伝導部材は、導電性を示してもよい。この場合、当該部材は、絶縁体によって完全に被覆されている。絶縁部材３３は、例えば塗布、蒸着、粉体塗装、押し出しコーディング、コールドスプレー等によって形成される。
【0054】
以上に説明した第２実施形態に係る熱利用発電モジュール１Ａでは、各熱利用発電素子２は、積層方向において互いに積層され、且つ、互いに並列接続される。このため、積層方向から見た熱利用発電モジュール１Ａの面積を抑制しつつ、熱利用発電モジュール１Ａの出力電流を増大できる。
【0055】
第２実施形態では、熱利用発電モジュール１Ａは、積層方向において絶縁部材３３と一方の熱利用発電素子２との間に位置する集電極５Ａと、積層方向において絶縁部材３３と他方の熱利用発電素子２との間に位置する集電極４Ａと、を備え、各集電極４Ａは互いに電気的に接続され、各集電極５Ａは、互いに電気的に接続される。この場合、各熱利用発電素子２同士の短絡を良好に抑制できる。
【0056】
図６は、第２実施形態の変形例に係る熱利用発電モジュールを示す概略断面図である。図６に示される熱利用発電モジュール１Ｂは、上記第１実施形態に示される熱利用発電モジュール１と、上記第２実施形態に示される熱利用発電モジュール１Ａとを組み合わせた態様である。具体的には、熱利用発電モジュール１Ｂにおける一対の集電極４Ａ，５Ａの間には、複数の熱利用発電素子２が積層方向において互いに積層され、且つ、互いに直列接続される。また、上記複数の熱利用発電素子２において、隣り合う熱利用発電素子２同士の間には、電子伝導層３が位置する。
【0057】
一対の集電極４Ａ，５Ａに挟持される熱利用発電素子２と電子伝導層３とを集合体４１と定義すると、熱利用発電モジュール１Ｂは、複数の集合体４１を有する。熱利用発電モジュール１Ｂの起電力を安定させる観点から、各集合体４１に含まれる熱利用発電素子２及び電子伝導層３の数は、互いに一致することが望ましい。
【0058】
このような変形例に係る熱利用発電モジュール１Ｂでは、上記第１及び第２実施形態の両方の作用効果が奏される。例えば、各集合体４１に含まれる熱利用発電素子２の数を調整することによって、熱利用発電モジュール１Ｂの起電力をニーズに合った値に設定できる。もしくは、集合体４１の数を調整することによって、熱利用発電モジュール１Ｂの出力電流をニーズに合った値に設定できる。
【0059】
（第３実施形態）
以下では、第３実施形態に係る熱利用発電モジュールを含む熱発電装置について説明する。第３実施形態の説明において第１実施形態及び第２実施形態と重複する記載は省略し、第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分を記載する。つまり、技術的に可能な範囲において、第３実施形態に第１実施形態及び第２実施形態の記載を適宜用いてもよい。
以下では、第３実施形態に係る熱利用発電モジュールを含む熱発電装置について説明する。第３実施形態の説明において第１実施形態及び第２実施形態と重複する記載は省略し、第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分を記載する。つまり、技術的に可能な範囲において、第３実施形態に第１実施形態及び第２実施形態の記載を適宜用いてもよい。
【0060】
図７は、熱発電装置の一例を示す概略断面図である。図７に示される熱発電装置２００は、上記第１実施形態に係る熱利用発電モジュール１を複数備える。熱発電装置２００では、複数の熱利用発電モジュール１は、互いに並列接続されると共に積層方向に交差する方向（例えば、水平方向）に配置されている。加えて、複数の熱利用発電モジュール１は、互いに一体化されている。本例では、各熱利用発電モジュール１に含まれる一対の集電極のそれぞれは、共通化されている。具体的には、熱発電装置２００は、各熱利用発電モジュール１に含まれる熱利用発電素子２と電子伝導層３とを、積層方向において挟持する一対の集電極５１，５２を備える。加えて、熱発電装置２００は、積層方向にて一対の集電極５１，５２に挟持される絶縁部材５３を備える。
【0061】
集電極５１は、熱発電装置２００の正極及び負極の一方として機能する電極であり、積層方向において各熱利用発電モジュール１の一端に位置する。すなわち、集電極５１は、各熱利用発電モジュール１に対して正極及び負極の一方として機能する。集電極５２は、熱発電装置２００の正極及び負極の他方として機能する電極であり、積層方向において各熱利用発電モジュール１の他端に位置する。すなわち、集電極５２は、各熱利用発電モジュール１に対して正極及び負極の他方として機能する。集電極５１，５２のそれぞれは、例えば、上記第１実施形態の集電極４，５と同一材料から構成される。図５では、集電極５１，５２のそれぞれは、単一の板形状を有するが、これに限られない。例えば、集電極５１，５２のそれぞれは、各熱利用発電モジュールに設けられる電極と、これらの電極同士を電気的に接続する配線もしくは導電板との複合体でもよい。
【0062】
絶縁部材５３は、積層方向から見て、隣り合う熱利用発電モジュール１同士の間に位置する絶縁体である。絶縁部材５３は、例えば上記第２実施形態にて示される絶縁部材３３と同一材料から構成される。熱発電装置２００を保護する観点から、絶縁部材５３は、積層方向から見て熱利用発電モジュール１を囲っている。隣り合う熱利用発電モジュール１同士の接触防止の観点から、絶縁部材５３は、集電極５１，５２の両方に対して隙間なく接触することが望ましい。
【0063】
このような熱発電装置２００では、各熱利用発電モジュール１に含まれる熱利用発電素子２の数を調整することによって、熱発電装置２００の起電力をニーズに合った値に設定できる。加えて、熱利用発電モジュール１の数を調整することによって、熱発電装置２００の出力電流をニーズに合った値に設定できる。したがって、ニーズに合った性能を発揮可能な熱発電装置２００を提供できる。
【0064】
熱発電装置２００は、隣り合う熱利用発電モジュール１同士の間に設けられる絶縁部材５３を備える。このため、隣り合う熱利用発電モジュール１同士の短絡を良好に抑制できる。
【0065】
図８は、熱発電装置の別例を示す概略断面図である。図８に示されるように、熱発電装置３００は、互いに直列接続されると共に積層方向に交差する方向（例えば、水平方向）に配置される複数の熱利用発電モジュール１を備える。複数の熱利用発電モジュール１は、互いに一体化されている。以下では説明のため、熱発電装置３００は、図８の紙面左側から順に配置される第１熱利用発電モジュール１ａ、第２熱利用発電モジュール１ｂ、第３熱利用発電モジュール１ｃを備えるとする。第１熱利用発電モジュール１ａと第２熱利用発電モジュール１ｂとは互いに隣り合っており、第２熱利用発電モジュール１ｂと第３熱利用発電モジュール１ｃとは互いに隣り合っている。第１熱利用発電モジュール１ａに含まれる各熱利用発電素子２の積層順序と、第３熱利用発電モジュール１ｃに含まれる各熱利用発電素子２の積層順序とは、互いに同一である。一方、第２熱利用発電モジュール１ｂに含まれる各熱利用発電素子２の積層順序は、第１熱利用発電モジュール１ａ及び第３熱利用発電モジュール１ｃの積層順序と異なる。
【0066】
熱発電装置３００は、集電極６１～６４を備える。集電極６１は、第１熱利用発電モジュール１ａの正極及び負極の一方として機能する導電体であり、積層方向において熱発電装置３００の一端に位置する。集電極６２は、第１熱利用発電モジュール１ａの正極及び負極の他方、並びに、第２熱利用発電モジュール１ｂの正極及び負極の一方として機能する導電体であり、積層方向において熱発電装置３００の他端に位置する。集電極６３は、第２熱利用発電モジュール１ｂの正極及び負極の他方、並びに、第３熱利用発電モジュール１ｃの正極及び負極の一方として機能する導電体であり、積層方向において熱発電装置３００の一端に位置する。集電極６４は、第３熱利用発電モジュール１ｃの正極及び負極の他方として機能する導電体であり、積層方向において熱発電装置３００の他端に位置する。図８では、集電極６２，６３のそれぞれは、単一の板形状を有するが、これに限られない。例えば、集電極６２は、第１熱利用発電モジュール１ａに設けられる電極と、第２熱利用発電モジュール１ｂに設けられる電極と、これらの電極同士を電気的に接続する配線もしくは導電板との複合体でもよい。
【0067】
熱発電装置３００は、絶縁部材６５，６６を備える。絶縁部材６５は、第１熱利用発電モジュール１ａと第２熱利用発電モジュール１ｂとの間に設けられる絶縁体である。第１熱利用発電モジュール１ａと第２熱利用発電モジュール１ｂとの短絡を防止する観点から、絶縁部材６５は集電極６１，６３の間に設けられる。また、絶縁部材６６は、第２熱利用発電モジュール１ｂと第３熱利用発電モジュール１ｃとの間に設けられる絶縁体である。第２熱利用発電モジュール１ｂと第３熱利用発電モジュール１ｃとの短絡を防止する観点から、絶縁部材６６は集電極６２，６４の間に設けられる。絶縁部材６５，６６は、例えば上記第２実施形態にて示される絶縁部材３３と同一材料から構成される。
【0068】
このような熱発電装置３００では、複数の熱利用発電モジュール１が互いに直列接続されるので、さらなる起電力の向上が可能である。したがって、よりニーズに応じた性能を発揮可能な熱発電装置３００を提供できる。
【0069】
熱発電装置３００は、隣り合う熱利用発電モジュール１同士の間に設けられる絶縁部材６５，６６を備える。この場合、隣り合う熱利用発電モジュール１同士の短絡を良好に抑制できる。
【0070】
本発明に係る熱利用発電モジュール及びそれを備える熱発電装置は、上記実施形態及び上記変形例等に限定されず、他に様々な変形が可能である。例えば、上記第１実施形態等では、複数の電子伝導層が含まれるが、これに限られない。熱利用発電モジュールに２つの熱利用発電素子が含まれる場合、熱利用発電モジュールは、１つの電子伝導層を有してもよい。
【0071】
上記実施形態及び上記変形例では、熱利用発電素子は熱電変換層及び電子輸送層を有しているが、これに限られない。熱利用発電素子は、上記２層以外の層を有してもよい。また、電子伝導層は電子輸送層と電解質層との両方に接しているが、これに限られない。例えば、電子伝導層と電子輸送層との間には、何らかの層が設けられてもよい。すなわち、電子伝導層と熱利用発電素子との間には、何らかの層が設けられてもよい。
【0072】
上記実施形態及び上記変形例にて、熱利用発電モジュール及び熱発電装置のそれぞれは、保護材等によって覆われてもよい。この場合、熱利用発電モジュール及び熱発電装置の破損等を抑制できる。保護材は、熱利用発電モジュールの全体を覆ってもよいし、その一部を覆ってもよい。例えば、保護材は熱利用発電モジュールの側面のみを覆ってもよい。この場合、保護材は当該側面を隙間なく覆うことが望ましい。同様に、保護材は、熱発電装置の全体を覆ってもよいし、その一部を覆ってもよい。熱発電効率の観点から、保護材は高熱伝導性を示すことが望ましい。保護材は、例えばＳｉを含む樹脂（Ｓｉ伝熱樹脂）、セラミックス、高熱伝導性ガラス等である。保護材には、高熱伝導性を示す熱伝導部材が含まれてもよい。この熱伝導部材は、導電性を示してもよい。この場合、熱伝導部材は、絶縁体によって完全に被覆されている。
【0073】
上記第２実施形態では、電子輸送層は、半導体材料に限られない。例えば、当該電子輸送層は、金属材料でもよい。金属材料は、例えば金属、合金、Ｎ型金属酸化物、Ｎ型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属等である。Ｎ型金属は、例えばニオブ、チタン、亜鉛、錫、バナジウム、インジウム、タングステン、タンタル、ジルコニウム、モリブデン及びマンガンである。
【符号の説明】
【0074】
１，１Ａ，１Ｂ…熱利用発電モジュール、１ａ…第１熱利用発電モジュール、１ｂ…第２熱利用発電モジュール、１ｃ…第３熱利用発電モジュール、２…熱利用発電素子、３…電子伝導層、４，４Ａ，５，５Ａ，５１，５２，６１～６４…集電極、１１…第１熱利用発電素子、１２…熱電変換層、１２ａ…電子熱励起層、１２ｂ…電子輸送層、１３…電解質層、２１…第２熱利用発電素子、３１，３２…外電極、３３，５３，６５，６６…絶縁部材、２００，３００…熱発電装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】