特開 2024-30452 熱利用発電モジュール

(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】P2024030452

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】熱利用発電モジュール

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20240229BHJP

   H10N 10/856 20230101ALI20240229BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

H01L35/32 A

H01L35/24

H02N11/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022133373

(22)【出願日】2022-08-24

(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】王 曄

(72)【発明者】

【氏名】後藤 直哉

(57)【要約】

【課題】制約されたスペースで所望の性能を実現できる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、互いに離間する第１熱電変換層及び第２熱電変換層と、積層方向において第１熱電変換層及び第２熱電変換層のそれぞれに重なり、可撓性を有する電解質層と、を備え、電解質層は、積層方向に交差する交差方向において順に並ぶ第１端部と、中間部と、第２端部と、を有し、積層方向において、第１熱電変換層と第１端部とが互いに重なり、且つ、第２熱電変換層と第２端部とが互いに重なる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに離間する第１熱電変換層及び第２熱電変換層と、
積層方向において前記第１熱電変換層及び前記第２熱電変換層のそれぞれに重なり、可撓性を有する電解質層と、を備え、
前記電解質層は、前記積層方向に交差する交差方向において順に並ぶ第１端部と、中間部と、第２端部と、を有し、
前記積層方向において、前記第１熱電変換層と前記第１端部とが互いに重なり、且つ、前記第２熱電変換層と前記第２端部とが互いに重なる、
熱利用発電モジュール。

【請求項2】

前記電解質層は、第１面と、前記積層方向において前記第１面の反対側に位置する第２面と、を有し、
前記第１熱電変換層は、前記第１面に接しており、
前記第２熱電変換層は、前記第２面に接している、
請求項１に記載の熱利用発電モジュール。

【請求項3】

前記第１端部は、前記第１熱電変換層及び前記第２熱電変換層よりも前記積層方向の一方側に位置し、
前記第２端部は、前記第１熱電変換層及び前記第２熱電変換層よりも前記積層方向の他方側に位置する、
請求項１又は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順に重なる第１電子熱励起層と第１電子輸送層とを有し、
前記第１電子熱励起層は、前記第１端部に接しており、
前記第２熱電変換層は、前記積層方向において順に重なる第２電子熱励起層と第２電子輸送層とを有し、
前記第２電子輸送層は、前記第２端部に接している、
請求項１又は２に記載の熱利用発電モジュール。

【請求項5】

前記第１熱電変換層は、前記積層方向において順に重なる第１電子熱励起層と第１電子輸送層とを有し、
前記第１電子熱励起層は、前記第１端部に接しており、
前記第２熱電変換層は、前記積層方向において順に重なる第２電子熱励起層と第２電子輸送層とを有し、
前記第２電子熱励起層は、前記第２端部に接しており、
請求項１又は２に記載の熱利用発電モジュール。

【請求項6】

前記電解質層は、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と、多価イオンとを含む、
請求項１又は２に記載の熱利用発電モジュール。

【請求項7】

前記積層方向と交差する方向に向かって巻かれた巻回体である、
請求項１又は２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を実用化するためには、制約されたスペースで所望の性能を実現することが求められる。

【0005】

本発明の一側面の目的は、制約されたスペースで所望の性能を実現できる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、以下の通りである。

【0007】

［１］互いに離間する第１熱電変換層及び第２熱電変換層と、積層方向において第１熱電変換層及び第２熱電変換層のそれぞれに重なり、可撓性を有する電解質層と、を備え、電解質層は、積層方向に交差する交差方向において順に並ぶ第１端部と、中間部と、第２端部とを有し、積層方向において、第１熱電変換層と第１端部とが互いに重なり、かつ、第２熱電変換層と第２端部とが互いに重なる、熱利用発電モジュール。

【0008】

［１］の熱利用発電モジュールは、可撓性を有する電解質層の中間部の変形によって、第１熱電変換層及び第２熱電変換層が変形することなく可撓性を示すことができる。したがって、各熱電変換層が破損することなく、例えば円筒状の排熱パイプの表面上等にも熱利用発電モジュールを配置できる。また、上記熱利用発電モジュールでは、第１熱電変換層と、電解質層の第１端部とが互いに重なり、且つ、第１熱電変換層と離間する第２熱電変換層と、電解質層の第２端部とが互いに重なる。これにより、単に第１熱電変換層と第２熱電変換層とを積層する場合と比較して、熱利用発電モジュールの厚さを抑制できる。ここで、例えば、第１熱電変換層及び第２熱電変換層を電解質層を介して互いに直列に接続することで、出力電圧を増大させることができる。また、例えば、第１熱電変換層及び第２熱電変換層を電解質層を介して互いに並列に接続することで、出力電流を増大させることができる。以上より、制約されたスペースで所望の性能を実現できる。

【0009】

［２］電解質層は、第１面と、積層方向において第１面の反対側に位置する第２面と、を有し、第１熱電変換層は、第１面に接しており、第２熱電変換層は、第２面に接している、［１］に記載の熱利用発電モジュール。

【0010】

［２］の熱利用発電モジュールでは、中間部の変形によって、第１熱電変換層及び第２熱電変換層を同一平面上に配置できる。このため、第１熱電変換層が第１面に接しており、第２熱電変換層が第２面に接している場合でも、熱利用発電モジュールの厚さを抑制できる。

【0011】

［３］第１端部は、第１熱電変換層及び第２熱電変換層よりも積層方向の一方側に位置し、第２端部は、第１熱電変換層及び第２熱電変換層よりも積層方向の他方側に位置する、［１］又は［２］に記載の熱利用発電モジュール。

【0012】

［３］の熱利用発電モジュールでは、熱利用発電モジュールの厚さをより抑制できる。

【0013】

［４］第１熱電変換層は、積層方向において順に重なる第１電子熱励起層と第１電子輸送層とを有し、第１電子熱励起層は、第１端部に接しており、第２熱電変換層は、積層方向において順に重なる第２電子熱励起層と第２電子輸送層とを有し、第２電子輸送層は、第２端部に接している、［１］～［３］のいずれかに記載の熱利用発電モジュール。

【0014】

［４］の熱利用発電モジュールでは、第１熱電変換層及び第２熱電変換層を互いに直列に接続できる。これにより、出力電圧を増大させることができる。

【0015】

［５］第１熱電変換層は、積層方向において順に重なる第１電子熱励起層と第１電子輸送層とを有し、第１電子熱励起層は、第１端部に接しており、第２熱電変換層は、積層方向において順に重なる第２電子熱励起層と第２電子輸送層とを有し、第２電子熱励起層は、第２端部に接している、［１］～［３］のいずれかに記載の熱利用発電モジュール。

【0016】

［５］の熱利用発電モジュールでは、第１熱電変換層及び第２熱電変換層を互いに並列に接続できる。これにより、出力電流を増大させることができる。

【0017】

［６］電解質層は、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と、多価イオンとを含む、［１］～［５］のいずれかに記載の熱利用発電モジュール。

【0018】

［６］の熱利用発電モジュールでは、可撓性を示しつつ、第１熱電変換層及び第２熱電変換層の間に良好に電流を流すことができる。

【0019】

［７］積層方向と交差する方向に向かって巻かれた巻回体である、［１］～［６］のいずれかに記載の熱利用発電モジュール。

【0020】

［７］の熱利用発電モジュールでは、用途に応じて制約されたスペースで熱利用発電モジュールをより効率的に配置できる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の一側面によれば、制約されたスペースで所望の性能を実現できる熱利用発電モジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、一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2】図２は、一実施形態に係る熱利用発電モジュールを示す別の概略断面図である。

【図3】図３は、一実施形態に係る熱利用発電モジュールの使用例を示す概略断面図である。

【図4】図４は、第１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5】図５は、第２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】図６は、第２変形例の別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7】図７は、第３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8】図８は、第３変形例の別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。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

まず、図１を参照しながら、一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、一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で発電する機能を示す部材の集合体である。すなわち、熱利用発電モジュール１は、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。

【0025】

熱利用発電モジュール１は、例えばシート形状を有すると共に、可撓性を示す。平面視におけ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。なお、図１に示される熱利用発電モジュール１は、未変形状態である。

【0026】

熱利用発電モジュール１は、互いに同一の構成を有する複数の熱利用発電素子２を備える。図１において、複数の熱利用発電素子２は、一の方向（図１における紙面上下方向）に沿って配列されている。また、上記一の方向において互いに隣り合う２つの熱利用発電素子２同士において、一方の熱利用発電素子２の一部と、他方の熱利用発電素子２の一部とは、互いに重なっている。以下では、一方の熱利用発電素子２の一部と、他方の熱利用発電素子２の一部とが互いに重なる方向（図１における紙面左右方向）を、単に積層方向Ｄ１と称する。積層方向Ｄ１は、上記一の方向と交差又は直交している。このため、上記一の方向を単に交差方向Ｄ２と称する。なお、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。

【0027】

複数の熱利用発電素子２は、互いに同一形状を呈する熱発電体である。熱利用発電素子２は、外部から熱が供給されることで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℃以上且つ３００℃以下の温度にて実施される。十分な量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℃以上の温度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、一例として、熱利用発電素子２の熱励起電子密度が１０^１５／ｃｍ^３以上となる温度である。一方、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℃以下の温度とされてもよい。熱利用発電素子２の発電機構は、例えば、特開２０２１－００５６５１号公報に記載される発電機構と同様である。

【0028】

熱利用発電素子２は、積層方向Ｄ１において順に重なる熱電変換層３及び電解質層４を有する積層体である。熱電変換層３は、積層方向Ｄ１において順に重なる電子熱励起層５と電子輸送層６とを有する。本実施形態では、電解質層４、電子熱励起層５及び電子輸送層６は、積層方向Ｄ１に沿ってこの順に積層している。

【0029】

電子熱励起層５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４に接する。電子熱励起層５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、金属硫化物半導体、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及び可撓性の観点から、熱電変換材料は、ゲルマニウム（Ｇｅ）でもよい。

【0030】

電子熱励起層５は、複数の熱電変換材料を含んでもよい。電子熱励起層５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５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５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。電子熱励起層５の厚さは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下である。

【0031】

電子輸送層６は、電子熱励起層５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Ｄ１において電子熱励起層５を介して電解質層４の反対側に位置する。電子輸送層６は、電子熱励起層５に接している。本実施形態では、電子輸送層６の外形は、平面視において、電子熱励起層５の外形と一致している。

【0032】

電子輸送層６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６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。電子輸送層６の厚さは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下である。

【0033】

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５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６は、複数の電子輸送材料を含んでもよい。電子輸送層６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６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。電子輸送性及び可撓性の観点から、半導体材料はｎ型Ｓｉでもよい。ｎ型Ｓｉを含む電子輸送層６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。

【0034】

電解質層４は、熱利用発電素子２で十分な数の熱励起電子が生成される温度において、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４内を上記電荷輸送イオン対が移動することで電解質層４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る。一方のイオンが酸化又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４内の電荷輸送イオン対の酸化還元電位は、電子熱励起層５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５と電解質層４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４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４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。

【0035】

電解質層４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、固体電解質でもよいし、ゲル状電解質でもよい。本実施形態では、電解質層４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）又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４に含まれてもよい。電解質層４の寿命を長くする等の観点から、アルカリ金属イオンが電解質層４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。

【0036】

電解質層４は、有機電解質層でもよい。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。有機電解質層には、無機物が含まれてもよい。上述した有機物は、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４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又は無機物を含み得る。

【0037】

電解質層４は、可撓性を有する。電解質層４の耐久性、可撓性などの観点から、電解質層４の厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。電解質層４は、第１端部７と、第２端部８と、中間部９とを有する。第１端部７は、交差方向Ｄ２における電解質層４の一端を含む部分である。第２端部８は、交差方向Ｄ２における電解質層４の他端を含む部分である。中間部９は、交差方向Ｄ２における第１端部７及び第２端部８の間に位置する部分である。このため、第１端部７、中間部９、第２端部８は、交差方向Ｄ２においてこの順に並んでいる。

【0038】

電解質層４は、第１面４ａと、積層方向Ｄ１において第１面４ａの反対側に位置する第２面４ｂと、を有する。平面視において、電解質層４の面積は、例えば、熱電変換層３の面積の２倍よりも大きい。加えて、本実施形態では、交差方向Ｄ２に沿った電解質層４の長さは、交差方向Ｄ２に沿った熱電変換層３の長さの２倍よりも大きい。

【0039】

本実施形態では、熱利用発電素子２において、熱電変換層３は、電解質層４の第１面４ａに接している。積層方向Ｄ１において、熱電変換層３と電解質層４の第１端部７とは、互いに接して重なっている。一方、積層方向Ｄ１において、電解質層４の第２端部８と中間部９とは、熱電変換層３に重なっていない。交差方向Ｄ２における電子熱励起層５の一端と、交差方向Ｄ２における電解質層４の一端とは、互いに揃ってもよいし、互いにずれていてもよい。

【0040】

以下では、説明の便宜のため、図１において交差方向Ｄ２の一方側（図１における紙面下側）に配列された熱利用発電素子２を第１熱利用発電素子１０と称することがある。また、交差方向Ｄ２において第１熱利用発電素子１０に隣接する熱利用発電素子２を第２熱利用発電素子２０と称することがある。加えて、第１熱利用発電素子１０の熱電変換層３、電解質層４、電子熱励起層５及び電子輸送層６のそれぞれを、第１熱電変換層３１、第１電解質層４１、第１電子熱励起層５１、第１電子輸送層６１と称することがある。さらに、第２熱利用発電素子２０の熱電変換層３、電解質層４、電子熱励起層５及び電子輸送層６のそれぞれを、第２熱電変換層３２、第２電解質層４２、第２電子熱励起層５２、第２電子輸送層６２と称することがある。

【0041】

図１に示されるように、積層方向Ｄ１において、第１熱利用発電素子１０の一部と、第２熱利用発電素子２０の一部とは、互いに重なる。具体的には、第１熱利用発電素子１０に含まれる第１電解質層４１の第２端部８は、積層方向Ｄ１において第２熱利用発電素子２０に含まれる第２熱電変換層３２に重なる。ここで、第１熱利用発電素子１０に含まれる第１電解質層４１の第１端部７は、積層方向Ｄ１において第１熱電変換層３１に重なる。このため、第１熱電変換層３１と第２熱電変換層３２とは、積層方向Ｄ１において互いに重なっておらず、かつ、交差方向Ｄ２において互いに離間している。また、第１電解質層４１の中間部９は、積層方向Ｄ１において第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２のいずれにも重なっていない。

【0042】

第１電解質層４１の第１面４ａは、第１熱電変換層３１に接している。第１電解質層４１の第２面４ｂは、第２熱電変換層３２に接している。ここで図１に示されるように、未変形状態の熱利用発電モジュール１においては、第１熱電変換層３１と、第２熱電変換層３２とは、積層方向Ｄ１に直交する同一平面上に位置する。この場合、第１電解質層４１の第１端部７は、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２よりも積層方向Ｄ１の一方側（図１における紙面右側）に位置する。また、第１電解質層４１の第２端部８は、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２よりも積層方向Ｄ１の他方側（図１における紙面左側）に位置する。すなわち、積層方向Ｄ１における第１端部７の位置と、積層方向Ｄ１における第２端部８の位置とは、互いに異なり得る。例えば、積層方向Ｄ１における第１端部７の位置と、積層方向Ｄ１における第２端部８の位置とのずれ量は、熱電変換層３の厚さ以上である。なお、第１電解質層４１の中間部９は、第１端部７と第２端部８とをつなぐ形に変形する（例えば、湾曲もしくは屈曲する）。これにより、第１電解質層４１の第１端部７と第２端部８とは、中間部９を介して互いに電気的接続される。

【0043】

第１電子熱励起層５１は、第１電解質層４１の第１端部７に接し、第２電子輸送層６２は、第１電解質層４１の第２端部８に接し、且つ、第２電子熱励起層５２は、第２電解質層４２の第１端部７に接する。このため、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２は、第１電解質層４１を介して互いに直列に接続されている。

【0044】

以上、熱利用発電素子２の一例として、第１熱利用発電素子１０及び第２熱利用発電素子２０を説明した。交差方向Ｄ２において互いに隣り合う２つの熱利用発電素子２の配置関係は、第１熱利用発電素子１０及び第２熱利用発電素子２０の配置関係と同様である。このため、複数の熱利用発電素子２は、互いに直列に接続されている。

【0045】

熱利用発電モジュール１は、一対の絶縁層７１，７２を備える。絶縁層７１，７２のそれぞれは、熱利用発電素子２を保護すると共に可撓性を示す層である。絶縁層７１は、積層方向Ｄ１において熱利用発電モジュール１の一端に位置する。絶縁層７２は、積層方向Ｄ１において熱利用発電モジュール１の他端に位置する。絶縁層７１，７２のそれぞれは、可撓性及び耐熱性を備える。例えば、絶縁層７１，７２のそれぞれは、ポリイミド基板、ポリフェノール基板等の耐熱性樹脂基板である。絶縁層７１，７２それぞれの厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。この場合、絶縁層７１，７２のそれぞれは、良好な可撓性を示す。

【0046】

熱利用発電モジュール１は、一対の集電体（不図示）を備える。一対の集電体のそれぞれは、熱利用発電モジュール１により発電された電力の取り出し電極として機能する。一方の集電体は、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。一方の集電体は、交差方向Ｄ２における熱利用発電モジュール１の一端に位置する熱利用発電素子２に接続される。他方の集電体は、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。他方の集電体は、交差方向Ｄ２における熱利用発電モジュール１の他端に位置する熱利用発電素子２に接続される。各集電体の少なくとも一部は、絶縁層７１，７２に被覆され得る。

【0047】

一対の集電体のそれぞれは、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。一対の集電体のそれぞれの厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下である。この場合、一対の集電体のそれぞれは、良好な可撓性を示す。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、一対の集電体の少なくとも一方は、高熱伝導性を示してもよい。例えば、一対の集電体の少なくとも一方の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でもよい。熱利用発電モジュール１では温度差は不要であるため、一対の集電体の両方が高熱伝導性を示すことが望ましい。

【0048】

続いて、上述した熱利用発電モジュール１の製造方法の一例を説明する。まず、熱電変換層３を作製する。熱電変換層３は、例えば、集電体上又は電子輸送層６上に熱電変換材料を用いて電子熱励起層５を製膜することで形成される。熱電変換材料は、一例として、スパッタリング法により製膜されてもよい。また、熱電変換材料は、バインダにより担持された状態で集電体に塗布されてもよく、スプレー等により集電体に塗布されてもよい。一例として、電子輸送層６がＳｉ基板である場合、電子熱励起層５は、電子輸送層６上にゲルマニウムを真空蒸着することで形成されてもよい。

【0049】

また、可撓性を有する電解質層４を作製する。まず、イオン伝導性を有する高分子材料（イオン伝導性ポリマー）が添加される有機溶媒（例えば、ジメチルスルホキシド等）を攪拌する。次に、当該有機溶媒に電荷輸送イオン対及び促進添加剤（例えば、塩化銅（ＩＩ）、塩化リチウム等を含む溶液等）を添加した後に攪拌する。これにより、上記高分子材料、電荷輸送イオン対及び促進添加剤が溶解される電解質溶液を作製する。

【0050】

続いて、ガラス板の上にイオン透過性及び絶縁性を有するセパレータを載置した後、上記電解質溶液をセパレータに塗布する。これにより、セパレータが電解質溶液に含浸される。そして、電解質溶液を乾燥させることで、可撓性を有する電解質層４を作成する。電解質溶液の乾燥は、自然乾燥でもよく、真空乾燥でもよく、公知の加熱乾燥でもよい。

【0051】

続いて、複数の熱利用発電素子２を作製する。まず、一の電解質層４を用意する。次に、当該一の電解質層４の第１端部７に一の熱電変換層３を載置する。このとき、電解質層４の第１面４ａに熱電変換層３を載置する。これにより、一の熱利用発電素子２を作製する。同様の手順にて、複数の熱利用発電素子２を作製する。続いて、一の熱利用発電素子２と別の熱利用発電素子２を所定の方向に並べた後、一の熱利用発電素子２に含まれる電解質層４の第２端部８に、別の熱利用発電素子２の熱電変換層３を載置する。このように、電解質層４及び熱電変換層３の載置を繰り返すことで、所定方向（例えば、交差方向Ｄ２）に配列される複数の熱利用発電素子２を作製できる。

【0052】

続いて、積層方向Ｄ１における複数の熱利用発電素子２の一端に絶縁層７１を配置すると共に、積層方向Ｄ１における他端に絶縁層７２を配置する。以上の工程を経て、上述した熱利用発電モジュール１が製造される。

【0053】

以上に説明した、本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、図２を参照しながら説明する。図２は、一実施形態に係る熱利用発電モジュールを示す別の概略断面図である。

【0054】

上述したように、熱利用発電素子２の電解質層４は可撓性を示し、かつ、電解質層４の中間部９は、積層方向Ｄ１において熱電変換層３と重なっていない。これにより、熱利用発電素子２においては、電解質層４のうち中間部９が最も変形しやすくなっている。このため、図２に示されるように、熱利用発電モジュール１の中心が積層方向Ｄ１において突出するように、熱利用発電モジュール１が交差方向Ｄ２に向かって巻回するとき、各中間部９が変形する。これにより、熱利用発電モジュール１全体として十分な可撓性を示すことができる。よって、電解質層４の第１端部７及び第２端部８が変形することなく、熱利用発電モジュール１全体として十分な可撓性を示すことができる。したがって、熱電変換層３が破損することなく、例えば円筒状の排熱パイプの表面上等にも熱利用発電モジュール１を配置できる。さらには、熱利用発電モジュール１は、交差方向Ｄ２に向かって巻かれた巻回体（例えば、円筒形状の巻回体）になるように、熱利用発電モジュール１が交差方向Ｄ２に向かって巻回されてもよい。ここで、図２では、熱利用発電モジュール１の中心が積層方向Ｄ１における一方側（図２における紙面左側）に向かって突出しているが、当該中心は、積層方向Ｄ１における他方側（図２における紙面右側）に向かって突出してもよい。

【0055】

また、上記熱利用発電モジュール１では、第１熱電変換層３１と、電解質層４の第１端部７とが互いに重なり、且つ、第１熱電変換層３１と離間する第２熱電変換層３２と、電解質層４の第２端部８とが互いに重なる。これにより、単に第１熱電変換層３１と第２熱電変換層３２とを積層する場合と比較して、熱利用発電モジュール１の厚さを抑制できる。ここで、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２を第１電解質層４１を介して互いに直列に接続することで、出力電圧を増大させることができる。

【0056】

ここで図３を用いて、上述した熱利用発電モジュール１の使用例を説明する。図３は、一実施形態に係る熱利用発電モジュールの使用例を示す概略断面図である。図３に示されるように、互いに同一の構成を有する複数の熱利用発電モジュール１が積層方向Ｄ１において互いに重なっている。この場合、例えば、一の熱利用発電モジュール１と、当該一の熱利用発電モジュール１と積層方向Ｄ１に隣り合う別の熱利用発電モジュール１とを集電体を介して互いに直列に接続することで、出力電圧を増大させることができる。また、例えば、当該一の熱利用発電モジュール１と当該別の熱利用発電モジュール１とを互いに並列に接続することで、出力電流を増大させることができる。よって、本使用例によれば、単一の熱利用発電モジュール１を用いる場合と比較して、一層好適に所望の性能を実現できる。

【0057】

本実施形態では、電解質層４は、第１面４ａと、積層方向Ｄ１において第１面４ａの反対側に位置する第２面４ｂと、を有し、第１熱電変換層３１は、第１面４ａに接しており、第２熱電変換層３２は、第２面４ｂに接している。この場合、中間部９の変形によって、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２を同一平面上に配置できる。このため、第１熱電変換層３１が第１面４ａに接しており、第２熱電変換層３２が第２面４ｂに接している場合でも、熱利用発電モジュール１の厚さを抑制できる。

【0058】

本実施形態では、第１端部７は、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２よりも積層方向Ｄ１の一方側に位置し、第２端部８は、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２よりも積層方向Ｄ１の他方側に位置する。この場合、熱利用発電モジュール１の厚さをより抑制できる。

【0059】

本実施形態では、第１熱電変換層３１は、積層方向Ｄ１において順に重なる第１電子熱励起層５１と第１電子輸送層６１とを有し、第１電子熱励起層５１は、第１端部７に接しており、第２熱電変換層３２は、積層方向Ｄ１において順に重なる第２電子熱励起層５２と第２電子輸送層６２とを有し、第２電子輸送層６２は、第２端部８に接している。この場合、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２を互いに直列に接続できる。これにより、出力電圧を増大させることができる。

【0060】

本実施形態では、電解質層４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と、多価イオンとを含む。この場合、可撓性を示しつつ、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２の間に良好に電流を流すことができる。

【0061】

本実施形態では、熱利用発電モジュール１は、交差方向Ｄ２に向かって巻かれた巻回体でもよい。この場合、用途に応じて制約されたスペースで熱利用発電モジュール１をより効率的に配置できる。

【0062】

続いて、変形例に係る熱利用発電モジュールについて説明する。各変形例の説明において上述した実施形態と重複する記載は省略し、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、各変形例に上述した実施形態の記載を適宜用いてもよい。

【0063】

図４は、第１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４に示される熱利用発電モジュール１Ａは、第２熱利用発電素子２０に代えて第３熱利用発電素子３０を備える点で、上記実施形態の熱利用発電モジュール１と異なる。

【0064】

第３熱利用発電素子３０は、交差方向Ｄ２において第１熱利用発電素子１０に隣接する素子であり、積層方向Ｄ１において互いに重なる第３熱電変換層３３及び第３電解質層４３を有する。第３熱電変換層３３は、第３電子熱励起層５３と、第３電子輸送層６３とを有する。第３熱利用発電素子３０では、積層方向Ｄ１において、第３電解質層４３と、第３電子輸送層６３と、第３電子熱励起層５３とが、順に重なる。第３電子輸送層６３は、第３電解質層４３の第１端部７に接し、かつ、第３電解質層４３の第１面４ａに接する。第３電子熱励起層５３は、第１熱利用発電素子１０に含まれる第１電解質層４１の第２端部８に接し、且つ、第１電解質層４１の第２面４ｂに接する。このため、第１熱電変換層３１と第３熱電変換層３３とは、第１電解質層４１を介して互いに並列に接続される。

【0065】

以上に説明した第１変形例では、熱利用発電モジュール１Ａ内において、第１熱利用発電素子１０と第３熱利用発電素子３０とが、互いに並列に接続される。これにより、出力電流を増大させることができる。ここで、熱利用発電モジュール１Ａにおいては、互いに直列接続される複数の熱利用発電素子２の群同士が、互いに並列に接続される。これにより、出力電圧の増大及び出力電流の増大を両立することが可能となる。以上より第１変形例においても、制約されたスペースで所望の性能を実現できる。

【0066】

続いて、第２変形例に係る熱利用発電モジュール１Ｂについて説明する。図５は、第２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５では、絶縁層７１，７２の図示が省略されている。

【0067】

図５に示される熱利用発電モジュール１Ｂは、交差方向Ｄ２に隣り合う２つの熱利用発電素子２の配置関係に関し、上記実施形態の熱利用発電モジュール１と異なる。具体的には、第２熱利用発電素子２０の一部が第１熱利用発電素子１０の一部に積層された状態において、第２熱利用発電素子２０の第２熱電変換層３２が第１熱利用発電素子１０の第１電解質層４１の第１面４ａに接している。換言すると、第１熱電変換層３１及び第２熱電変換層３２の両方が、第１電解質層４１の第１面４ａに接している。

【0068】

熱利用発電モジュール１Ｂが未変形状態において、各電解質層４は、各熱電変換層３の間において湾曲しておらず、交差方向Ｄ２に沿って延びている。このため、積層方向Ｄ１における第１端部７の位置と、積層方向Ｄ１における第２端部８の位置とは、互いに一致している。

【0069】

以上に説明した第２変形例に係る熱利用発電モジュール１Ｂにおいても、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。

【0070】

図６は、第２変形例の別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でも、図５と同様に、絶縁層７１，７２の図示が省略される。図６に示される熱利用発電モジュール１Ｃは、上記実施形態、第１変形例及び第２変形例の組み合わせに相当する。

【0071】

図６において交差方向Ｄ２の一方側（図６における紙面下側）に配列された一の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子熱励起層５及び電子輸送層６が順に積層されている。交差方向Ｄ２において当該一の熱利用発電素子２と隣接する別の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子輸送層６及び電子熱励起層５が順に積層されている。そして、当該別の熱利用発電素子２に含まれる熱電変換層３は、当該一の熱利用発電素子２に含まれる電解質層４の第１面４ａに接している。一の熱利用発電素子２と別の熱利用発電素子２とは、互いに並列に接続されている。

【0072】

一方、図６において交差方向Ｄ２の他方側（図６における紙面上側）に配列された一の熱利用発電素子２、及び、交差方向Ｄ２において当該一の熱利用発電素子２と隣接する別の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子輸送層６及び電子熱励起層５が順に積層されている。そして、当該別の熱利用発電素子２に含まれる熱電変換層３は、当該一の熱利用発電素子２に含まれる電解質層４の第１面４ａに接している。一の熱利用発電素子２と別の熱利用発電素子２とは、互いに直列に接続されている。

【0073】

以上説明したように、第２変形例の別例に係る熱利用発電モジュール１Ｃは、互いに並列に接続され、交差方向Ｄ２において互いに隣接する２つの熱利用発電素子２の組を有すると共に、互いに直列に接続され、交差方向Ｄ２において互いに隣接する２つの熱利用発電素子２の組を有する。

【0074】

図７は、第３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７でも、図５及び図６と同様に、絶縁層７１，７２の図示が省略される。

【0075】

図７に示される熱利用発電モジュール１Ｄは、上記実施形態と上記第２変形例との組み合わせに相当する。具体的には、第１熱利用発電素子１０と第２熱利用発電素子２０との配置関係は、上記第２変形例と同様に配置されている。すなわち、第１熱利用発電素子１０の一部が第２熱利用発電素子２０の一部に積層された状態において、第２熱利用発電素子２０の第２熱電変換層３２が第１熱利用発電素子１０の第１電解質層４１の第２面４ｂに接している。加えて、第２熱利用発電素子２０と、交差方向Ｄ２において第２熱利用発電素子２０に隣接する別の熱利用発電素子２との配置関係は、上述した実施形態と同様である。すなわち、当該別の熱利用発電素子２の一部が第２熱利用発電素子２０の一部に積層された状態において、当該別の熱利用発電素子２の熱電変換層３は、第２熱利用発電素子２０の第２電解質層４２の第１面４ａに接している。

【0076】

以上に説明した第３変形例に係る熱利用発電モジュール１Ｄでも、少なくとも一部の電解質層４が変形することによって、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。

【0077】

図８は、第３変形例の別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８でも、図５～図７と同様に、絶縁層７１，７２の図示が省略される。図８に示される熱利用発電モジュール１Ｅは、上記実施形態、第１変形例及び第３変形例の組み合わせに相当する。

【0078】

図８において交差方向Ｄ２の一方側（図８における紙面下側）に配列された一の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子熱励起層５及び電子輸送層６が順に積層されている。交差方向Ｄ２において当該一の熱利用発電素子２に隣接する別の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子輸送層６及び電子熱励起層５が順に積層されている。そして、当該別の熱利用発電素子２に含まれる熱電変換層３は、当該一の熱利用発電素子２に含まれる電解質層４の第１面４ａに接している。一の熱利用発電素子２と別の熱利用発電素子２とは、互いに並列に接続されている。

【0079】

一方、図８において交差方向Ｄ２の他方側（図８における紙面上側）に配列された一の熱利用発電素子２、及び、交差方向Ｄ２において当該一の熱利用発電素子２と隣接する別の熱利用発電素子２においては、積層方向Ｄ１において電解質層４、電子輸送層６及び電子熱励起層５が順に積層されている。そして、当該一の熱利用発電素子２に含まれる熱電変換層３は、当該別の熱利用発電素子２に含まれる電解質層４の第２面４ｂに接している。一の熱利用発電素子２と別の熱利用発電素子２とは、互いに直列に接続されている。

【0080】

以上説明したように、第３変形例の別例に係る熱利用発電モジュール１Ｅも、互いに並列に接続され、交差方向Ｄ２において互いに隣接する２つの熱利用発電素子２の組を有すると共に、互いに直列に接続され、交差方向Ｄ２において互いに隣接する２つの熱利用発電素子２の組を有する。

【0081】

本発明の一側面に係る熱利用発電モジュールは、上記実施形態及び上記変形例に限定されず、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び上記変形例は、上記説明したように、適宜組み合わされてもよい。例えば、第１変形例を、第２変形例もしくは第３変形例に組み合わせてもよい。

【0082】

上記実施形態では、熱利用発電モジュール１が交差方向Ｄ２に向かって巻かれた巻回体である例について説明した。しかし、電解質層４に加えて電子熱励起層５及び電子輸送層６が可撓性を示す場合、熱利用発電モジュール１は、交差方向Ｄ２とは異なる方向に巻かれた巻回体でもよい。例えば、熱利用発電モジュール１は、積層方向Ｄ１及び交差方向Ｄ２の双方に直交する方向（図２における紙面に直交する方向）に向かって巻かれた巻回体でもよい。

【0083】

上記実施形態及び上記変形例では、熱利用発電素子２は熱電変換層３及び電解質層４を有しているが、これに限られない。熱利用発電素子２は、上記２層以外の層を有してもよい。また、上記実施形態では、熱電変換層３は、電子熱励起層５及び電子輸送層６を有しているが、これに限られない。熱電変換層３は、電子熱励起層５のみの単層構造を有してもよい。

【0084】

電子輸送層６は、半導体材料に限られない。例えば、当該電子輸送層６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】

【0085】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…熱利用発電モジュール、４…電解質層、４ａ…第１面、４ｂ…第２面、７…第１端部、８…第２端部、９…中間部、３１…第１熱電変換層、３２…第２熱電変換層、５１…第１電子熱励起層、５２…第２電子熱励起層、６１…第１電子輸送層、６２…第２電子輸送層、Ｄ１…積層方向。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】