特許 7300267 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-21

(45)【発行日】2023-06-29

(54)【発明の名称】熱利用発電モジュール

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20230622BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20230622BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20230622BHJP

   H02J 1/10 20060101ALI20230622BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20230622BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H01M10/48 P

H01M10/44 P

H02J1/10

H02J1/00 304E

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018247915

(22)【出願日】2018-12-28

(65)【公開番号】P2020108308

(43)【公開日】2020-07-09

【審査請求日】2021-10-21

(73)【特許権者】

【識別番号】390039929

【氏名又は名称】三桜工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(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】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(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】松下 祥子

(72)【発明者】

【氏名】林 ゆう子

(72)【発明者】

【氏名】荒木 拓真

【審査官】大濱 伸也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１７６４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０３７３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３８９８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００１／０７１８２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｊ １／００

Ｈ０２Ｊ １／１０

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０１Ｌ ３５／２８

Ｈ０１Ｌ ３５／３２

Ｈ０１Ｌ ３５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱利用発電可能な熱利用発電素子であって、発電能力が低下した場合に負荷から切り離されることによって前記発電能力が回復する前記熱利用発電素子を含む複数の熱利用発電電池が前記負荷に対して互いに電気的に並列に接続されてなる電池群と、
前記複数の熱利用発電電池のそれぞれと前記負荷との間の接続経路上に設けられ、前記複数の熱利用発電電池のそれぞれと前記負荷との電気的な接続をオン／オフする複数のスイッチと、
前記複数の熱利用発電電池の両極間の電位差を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出された前記電位差と規定値との比較結果を基に、前記複数のスイッチのうちでオン状態にある少なくとも１つのスイッチをオフ状態に遷移させ、オフ状態にある少なくとも１つのスイッチをオン状態に遷移させて、前記複数の熱利用発電電池が前記負荷に対して交代で電力を供給することによって前記負荷に対して電力が継続的に供給されるように、前記複数のスイッチを制御する制御部と、を備える熱利用発電モジュール。

【請求項2】

前記電圧検出部は、前記複数の熱利用発電電池から前記負荷に印加される電位差を前記電位差として検出可能に構成され、
前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された前記電位差が規定値を下回ったと判定したタイミングで、複数のスイッチのうちでオフ状態にあるスイッチを順次入れ替えるように、前記複数のスイッチを制御する、
請求項１記載の熱利用発電モジュール。

【請求項3】

前記電圧検出部は、前記複数の熱利用発電電池のそれぞれの両極間の前記電位差を独立して検出可能に構成され、
前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された前記電位差が規定値を下回ったと判定された熱利用発電電池に対応するスイッチであって、オン状態にあるスイッチをオフ状態に遷移させ、前記電圧検出部によって検出された前記電位差が規定値を上回ったと判定された熱利用発電電池に対応するスイッチであって、オフ状態にあるスイッチをオン状態に遷移させる、
請求項１記載の熱利用発電モジュール。

【請求項4】

前記制御部は、前記複数のスイッチのうちでオフ状態にあるスイッチが時間経過とともに順次入れ替わるように、前記複数のスイッチを制御する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の熱利用発電モジュール。

【請求項5】

前記複数の熱利用発電電池から前記負荷に対して供給される電流を検出する電流検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記電圧検出部によって検出された前記電位差と前記電流検出部によって検出された前記電流とに対応する電力を基に、同時に前記負荷に電気的に接続される前記熱利用発電電池の個数を変更するように、前記複数のスイッチを制御する、
請求項１～４のいずれか１項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、熱利用発電により電力を供給する熱利用発電モジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

最近、温度勾配を必要としない熱利用発電素子が開発されている（下記特許文献１参照）。この熱利用発電素子は、温度勾配を与えることなく熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することにより、熱利用発電を行うことができる。このことから、熱利用発電素子は、地熱、自動車の排熱、工場の排熱などを利用した発電システムにおける利用が期待されている。一方で、従来から二次電池を利用した電力供給システムも用いられている（下記特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２０１７／０３８９８８号公報

【文献】特開２００３－１１１２８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した熱利用発電素子を利用した発電システムにおいては、継続的な電力の供給を求められる傾向にある。一方で、熱利用発電素子単体での発電能力の持続時間は、供給する電力が大きくなるに従って短くなる傾向にある。また、熱利用発電素子の発電能力が低下した場合に負荷を低減させると発電能力が回復する現象が認められた。そのため、熱利用発電素子を利用した発電システムにおいては、継続的な電力供給を実現するための適切な制御が求められる。また、上記特許文献２に記載の電力供給システムでは、スイッチ操作によって劣化した二次電池を別の二次電池に交換する制御が行われているが、継続的な電力供給を行うことには限界がある。

【0005】

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、継続的な電力供給を実現することが可能な熱利用発電モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る熱利用発電モジュールは、熱利用発電可能な熱利用発電素子を含む複数の熱利用発電電池が負荷に対して互いに電気的に並列に接続されてなる電池群と、複数の熱利用発電電池のそれぞれと負荷との間の接続経路上に設けられ、複数の熱利用発電電池のそれぞれと負荷との電気的な接続をオン／オフする複数のスイッチと、複数の熱利用発電電池の両極間の電位差を検出する電圧検出部と、電圧検出部によって検出された電位差と規定値との比較結果を基に、複数のスイッチのうちでオン状態にある少なくとも１つのスイッチをオフ状態に遷移させ、オフ状態にある少なくとも１つのスイッチをオン状態に遷移させるように、複数のスイッチを制御する制御部と、を備える。

【0007】

上記一側面に係る熱利用発電モジュールによれば、負荷に対して互いに電気的に並列に接続された熱利用発電素子を含む複数の熱利用発電電池を利用して負荷に電力を供給する際に、複数の熱利用発電電池の両極間の電位差と規定値との比較結果に基づいて、負荷との接続が遮断されている熱利用発電電池と負荷との接続が確立されている熱利用発電電池とが入れ替えられる。これにより、複数の熱利用発電電池の両極間の電位差に対応して、複数の熱利用発電電池から負荷に対して交代して電力を供給させることができ、供給電力の大きさに応じて継続的な電力供給を実現することができる。

【0008】

ここで、上記一側面係る熱利用発電モジュールにおいては、電圧検出部は、複数の熱利用発電電池から負荷に印加される電位差を電位差として検出可能に構成され、制御部は、電圧検出部によって検出された電位差が規定値を下回ったと判定したタイミングで、複数のスイッチのうちでオフ状態にあるスイッチを順次入れ替えるように、複数のスイッチを制御する、ことが好適である。かかる構成を採れば、複数の熱利用発電電池の両極から負荷に印加される電位差が下がったタイミングで、複数の熱利用発電電池のうち負荷との電気的接続が遮断される熱利用発電電池を順次入れ替えることができる。その結果、熱利用発電電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の熱利用発電電池の供給電力の大きさに応じて効率的に実現することができる。

【0009】

また、電圧検出部は、複数の熱利用発電電池のそれぞれの両極間の電位差を独立して検出可能に構成され、制御部は、電圧検出部によって検出された電位差が規定値を下回ったと判定された電池に対応するスイッチであって、オン状態にあるスイッチをオフ状態に遷移させ、電圧検出部によって検出された電位差が規定値を上回ったと判定された熱利用発電電池に対応するスイッチであって、オフ状態にあるスイッチをオン状態に遷移させる、ことも好適である。この場合、複数の熱利用発電電池の個々の発電能力に応じて適切なタイミングで複数の熱利用発電電池と負荷との電気的接続を切り替えることができ、熱利用発電電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の熱利用発電電池の供給電力の大きさに応じて効率的に実現することができる。

【0010】

さらに、制御部は、複数のスイッチのうちでオフ状態にあるスイッチが時間経過とともに順次入れ替わるように、複数のスイッチを制御する、ことも好適である。こうすれば、熱利用発電電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の熱利用発電電池の供給電力の大きさに応じてさらに効率的に実現することができる。

【0011】

またさらに、複数の熱利用発電電池から負荷に対して供給される電流を検出する電流検出部をさらに備え、制御部は、電圧検出部によって検出された電位差と電流検出部によって検出された電流とに対応する電力を基に、同時に負荷に電気的に接続される熱利用発電電池の個数を変更するように、複数のスイッチを制御する、ことも好適である。かかる構成を採れば、供給電力の大きさに応じて同時に負荷に電気的に接続させる熱利用発電電池の数を変更することで、継続的な電力供給を確実に実現することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば継続的な電力供給を実現することが可能な熱利用発電モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に係る熱利用発電モジュール１の構成を示す回路図である。

【図2】図１の熱利用発電電池３ａ，３ｂ，３ｃに内蔵される熱利用発電素子の構成を示す図である。

【図3】図１のコントローラ１１によるスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃの制御機能を説明するためのフローチャートである。

【図4】図３に示す制御によって時間経過とともに遷移するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフの状態を示すタイミングチャートである。

【図5】図１のコントローラ１１による電池個数の変更制御機能を説明するためのフローチャートである。

【図6】図５に示す制御によって時間経過とともに遷移するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフの状態を示すタイミングチャートである。

【図7】変形例に係る熱利用発電モジュール１Ａの構成を示す回路図である。

【図8】図７のコントローラ１１Ａによるスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃの制御機能を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0015】

図１は、実施形態に係る熱利用発電モジュール１の構成を示す回路図である。熱利用発電モジュール１は、自動車等の運搬装置用のセンサー等の装置、地熱等を利用した発電装置、工場又はオフィス等における各種センサー等の装置に内蔵されて用いられ、熱エネルギーを利用して電力を供給する電源システムである。熱利用発電モジュール１は熱利用して電流を発生する装置ともいえる。図１に示すように、熱利用発電モジュール１は、熱利用発電可能な熱利用発電素子を内蔵する複数の熱利用発電電池（以下、「電池」と略称する。）３ａ，３ｂ，３ｃによって構成される電池群３、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応して設けられる複数のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応して設けられる電圧センサー（電圧検出部）７ａ，７ｂ，７ｃ、電流センサー（電流検出部）９、及びコントローラ（制御部）１１を含んで構成される。この熱利用発電モジュール１には、センサー等の負荷Ｌが電気的に接続される。図１においては、各構成要素間を結ぶ電気的な接続経路を実線で示し、コントローラ１１と各構成要素との間でやり取りされる信号の経路を点線で示している。

【0016】

なお、電池群３を構成する電池の個数は特定の個数には限定されない。本実施形態では、電池の個数が３個の場合を例として説明する。

【0017】

複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれは、熱利用発電素子を内蔵する電池であり、その構成としては国際公開２０１７／０３８９８８号公報に記載の構成を採用できる。図２には、電池３ａ，３ｂ，３ｃに内蔵される熱利用発電素子１３の構成例を示している。このように、熱利用発電素子１３は、２つの電極層である負極１５ａ及び正極１５ｂの間に電子輸送層１７、電荷熱励起材料層１９、及びイオン酸化還元層２１の三層が積層されて構成されている。

【0018】

電荷熱励起材料層１９は、熱を吸収して熱励起電子及び正孔を生成する半導体材料を含む。イオン酸化還元層２１は、電荷輸送イオン対が移動できる固体電解質または電解質溶液を含む。ここでいう「電荷輸送イオン対」とは価数の異なる安定な２つのイオンであり、一方のイオンが酸化又は還元されて他方のイオンとなることにより、電子及び正孔を運ぶことができるイオンである。電子輸送層１７は、半導体または金属等の電子輸送材料を含み、電荷熱励起材料層１９で生成された熱励起電子を輸送するための層である。ただし、熱利用発電素子１３においては、この電子輸送層１７は省略されていてもよい。

【0019】

上記構成の熱利用発電素子１３においては、電荷熱励起材料層１９において熱の吸収が生じると熱励起電子ｅ^－及び正孔ｈ^＋が生じ、熱励起電子ｅ^－が電子輸送層１７に向けて移動する。電荷熱励起材料層１９で生じた正孔ｈ^＋が電荷熱励起材料層１９とイオン酸化還元層２１との界面で電荷輸送イオン対の一方であるイオンＸを酸化して他方のイオンＹに変化させる（Ｘ＋ｈ^＋→Ｙ）。そして、電子輸送層１７で過剰になった電子ｅ^－が負極１５ａを通って外部に移動し、負荷Ｌを介して正極１５ｂまで移動する。このとき、熱利用発電素子１３での発電による負荷Ｌにおける仕事が為される。さらに、正極１５ｂまで移動した電子ｅ^－が正極１５ｂとイオン酸化還元層２１との界面でイオンＹを還元してイオンＸに変化させる（Ｙ＋ｅ^－→Ｘ）。イオン酸化還元層２１と電荷熱励起材料層１９との界面に生じたイオンＹと、イオン酸化還元層２１と正極１５ｂとの界面で生じたイオンＸとが、イオン酸化還元層２１内を拡散して層内のイオン局在化が緩和される。このような熱励起電子ｅ^－の移動と電荷輸送イオン対の拡散とが繰り返されることによって熱利用発電素子による発電が持続する。

【0020】

複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれは、熱利用発電素子１３を１つあるいは複数内蔵する電池である。電池３ａ，３ｂ，３ｃは、熱利用発電素子１３を複数備える場合には、複数の熱利用発電素子１３を内部で互いに電気的に直列に接続された形態で備える。

【0021】

このような構成の電池３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれにおいては、上述したように、熱励起電子ｅ^－の移動による電力の供給と、熱利用発電素子１３内のイオン酸化還元層２１内での電荷輸送イオン対の拡散とが並行して繰り返されることによって、電力の供給が持続される。このとき、単位時間あたりに取り出される熱励起電子ｅ^－の量（＝電流量）が小さければ、電荷輸送イオン対の拡散が十分に追いつくために、電力の供給の持続時間は長くなる傾向がある。特に、電流量が十分小さければ半永久的な電力の供給が可能となる。一方で、単位時間あたりに取り出される熱励起電子ｅ^－の量（＝電流量）が大きくなるに従って、イオン酸化還元層２１と電荷熱励起材料層１９との界面にイオンＹが溜まってイオンＸの量が少なくなり、イオンＸからイオンＹに変化する反応が生じにくくなり、イオン酸化還元層２１と正極１５ｂとの界面にイオンＸが溜まってイオンＹの量が少なくなり、イオンＹからイオンＸに変化する反応が生じにくくなる。この場合は、発電の持続時間が短くなる傾向にある。ただし、発電の持続時間は、電流量のみでなく、環境温度、熱利用発電素子１３の各層の材料の組成（特にイオン酸化還元層２１の材料の組成）によって決まってくるため、事前に決定することは困難である。

【0022】

このような熱利用発電素子１３における発電能力の低下（イオン酸化還元層２１におけるイオンの局在化の高まり）は、負荷Ｌを熱利用発電素子１３から切り離すことによって時間経過とともに回復する。これは、熱励起電子ｅ^－の移動が止まると電荷輸送イオン対の還元も止まるため、イオン対の酸化及び電荷輸送イオン対の拡散のみが進行するためである。ただし、この発電能力の回復時間も、環境温度、熱利用発電素子１３の各層の材料の組成（特にイオン酸化還元層２１の材料の組成）によって決まってくる。

【0023】

図１に戻って、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃは、負荷Ｌに対して互いに電気的に並列に接続されている。具体的には、電池３ａの正極は、スイッチ５ａ及び電流センサー９を介して負荷Ｌの一方の端子に接続され、電池３ａの負極はグラウンドを経由して負荷Ｌの他方の端子に接続されている。同様に、電池３ｂ，３ｃのそれぞれの正極は、スイッチ５ｂ，５ｃ及び電流センサー９を介して負荷Ｌの一方の端子に接続され、電池３ｂ，３ｃのそれぞれの負極はグラウンドを経由して負荷Ｌの他方の端子に接続されている。

【0024】

複数のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃは、外部からの制御によってその両端間の電気的な接続をオン／オフする半導体スイッチ、リレースイッチ等のスイッチング素子であり、それぞれが複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃと負荷Ｌとの接続経路上に設けられる。すなわち、スイッチ５ａは、電池３ａの正極と負荷Ｌの一方の端子との間の接続経路上に設けられ、電池３ａと負荷Ｌとの電気的接続のみをオン／オフする。同様に、スイッチ５ｂ，５ｃは、それぞれ、電池３ｂ，３ｃの正極と負荷Ｌの一方の端子との間の接続経路上に設けられ、それぞれの電池３ｂ，３ｃと負荷Ｌとの電気的接続のみをオン／オフする。これらのスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃは、コントローラ１１からの信号による制御により、オン／オフを切り替え可能に構成される。

【0025】

電圧センサー７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ、個別に電池３ａ，３ｂ，３ｃの両端に接続され、電池３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれの両極間の電位差を独立して検出するセンサーである。これらの電圧センサー７ａ、７ｂ，７ｃは、検出した電位差を示す信号をコントローラ１１に送出することが可能とされている。

【0026】

電流センサー９は、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃの並列回路におけるスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ側の一端と負荷Ｌの一方の端子との間の接続経路上に挿入され、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃの並列回路から負荷Ｌに対して供給される電流を検出する。この電流センサー９は、検出した電流の量を示す信号をコントローラ１１に送出することが可能とされている。

【0027】

コントローラ１１は、電圧センサー７ａ，７ｂ，７ｃおよび電流センサー９から送出された信号の示す値を参照して、それらの値と規定値との比較結果を基に、スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフを制御する制御装置である。このコントローラ１１は、演算処理を担うＣＰＵ等の演算ユニットと、ＲＯＭおよびＲＡＭ等で構成され、演算処理で参照されるデータあるいは演算処理で生成されるデータを記憶するメモリユニットと、他の構成要素との信号のやり取りを行う通信ユニット等を内蔵する。コントローラ１１への電力の供給は、電池３ａ，３ｂ，３ｃの並列回路から行われてもよいし、二次電池等の他の供給源から行われてもよい。以下、コントローラ１１の機能について説明する。

【0028】

図３は、コントローラ１１によるスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃの制御機能を説明するためのフローチャートである。このように、コントローラ１１は、電圧センサー７ａ，７ｂ，７ｃによって検出された電位差を基に、電位差が規定値を下回った電池３ａ，３ｂ，３ｃを判定し、その電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応するオン状態のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオフ状態に遷移させる。それとともに、コントローラ１１は、電圧センサー７ａ，７ｂ，７ｃによって検出された電位差を基に、電位差が規定値を上回った電池３ａ，３ｂ，３ｃを判定し、その電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応するオフ状態のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオン状態に遷移させる。その際、コントローラ１１は、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのうちでオフ状態にあるスイッチが時間経過とともに順番に入れ替わるように制御する。

【0029】

具体的には、ユーザによる操作等を契機にコントローラ１１の動作が開始されると、コントローラ１１は、予め設定された最初の電池３ａに対応するスイッチ５ａをオンするように制御する（ステップＳ０１）。それに応じて、コントローラ１１は、負荷Ｌへの電力供給が稼働中である電池３ａの電位差を、電圧センサー７ａからの信号を基に検出する（ステップＳ０２）。次に、コントローラ１１は、検出した電位差が予め設定された規定値ＶＡ以下であるか否かを判定する（ステップＳ０３）。この規定値ＶＡは、想定される環境温度、電池３ａ，３ｂ，３ｃに内蔵される熱利用発電素子１３を構成する材料（特にイオン酸化還元層２１の材料）の組成、熱利用発電素子１３の直列数、及び負荷への入力特性の少なくとも一つに応じて予め設定され、発電能力の低下（イオン酸化還元層２１におけるイオンの局在化の高まり）を示す値に対応する。コントローラ１１は、判定の結果、検出した電位差が規定値ＶＡを超えておりイオンの局在化が生じていないと判定される場合には（ステップＳ０３；ＮＯ）、ステップＳ０２の処理に戻って、稼働中の電池３ａに関するステップＳ０２，Ｓ０３の処理を繰り返す。

【0030】

一方、コントローラ１１は、検出した電位差が規定値ＶＡ以下でありイオンの局在化が生じていると判定される場合には（ステップＳ０３；ＹＥＳ）、オフ状態のスイッチ５ｂに対応する待機中の電池３ｂの電位差を、電圧センサー７ｂからの信号を基に検出する（ステップＳ０４）。そして、コントローラ１１は、電位差が規定値ＶＢ以上であるか否かを判定する（ステップＳ０５）。この規定値ＶＢは、想定される環境温度、電池３ａ，３ｂ，３ｃに内蔵される熱利用発電素子１３を構成する材料（特にイオン酸化還元層２１の材料）の組成、熱利用発電素子１３の直列数、及び負荷への入力特性の少なくとも一つに応じて予め設定され、発電能力の回復（イオン酸化還元層２１におけるイオンの局在化の緩和）を示す値に対応し、ＶＢ≧ＶＡである。判定の結果、規定値ＶＢ未満でありイオンの局在化が未だ緩和されていないと判定された場合は（ステップＳ０５；ＮＯ）、コントローラ１１は、ステップＳ０４に戻って電位差の検出及び判定を繰り返す。

【0031】

その一方で、規定値ＶＢ以上でありイオンの局在化が緩和されていると判定された場合は（ステップＳ０５；ＹＥＳ）、コントローラ１１は、稼働中である電池３ａに対応するスイッチ５ａをオフにし、待機中の電池３ｂに対応するスイッチ５ｂをオンにするように制御する（ステップＳ０６）。その後、ステップＳ０２に戻ってステップＳ０２～Ｓ０６の処理を繰り返し、コントローラ１１は、稼働中の電池を順次入れ替え、時間経過とともに稼働中にある電池を順次待機中の状態に遷移させるように制御する。

【0032】

図４には、コントローラ１１の制御によって時間経過とともに遷移するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフの状態を示すタイミングチャートを示し、（ａ）はスイッチ５ａの状態、（ｂ）はスイッチ５ｂの状態、（ｃ）はスイッチ５ｃの状態を示している。このように、コントローラの制御により、各スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン状態の期間Ｔ_ＯＮが時間経過とともに順次入れ替わり、各スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃが順次オフ状態に切り替えられてオフ状態の期間Ｔ_ＯＦＦが順次開始される。期間Ｔ_ＯＦＦの間に、図２に示したイオンＸとイオンＹの拡散が十分に行われ、界面での局在化がなくなっている。

【0033】

ここで、コントローラ１１は、負荷Ｌに供給される電力を基に、負荷Ｌに電気的に接続される電池の個数を変更するように制御する機能も有する。図５は、コントローラ１１による電池個数の変更機能を説明するためのフローチャートである。図５に示す処理は、図４に示すステップＳ０２の直前に実行される。

【0034】

詳細には、ユーザによる操作等を契機にコントローラ１１の動作が開始されると、コントローラ１１は、予め設定された最初の電池３ａに対応するスイッチ５ａをオンするように制御する（ステップＳ１１）。次に、コントローラ１１は、負荷Ｌへの電力供給が稼働中である電池３ａの電位差と、負荷Ｌに対して供給される電流とを、電圧センサー７ａ及び電流センサー９からの信号を基に検出する（ステップＳ１２）。そして、コントローラ１１は、検出した電位差及び電流を基に負荷Ｌに供給されている電力値を計算し、その電力値が規定値ＷＡ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。この規定値ＷＡは、負荷Ｌの消費電力値に応じて予め設定される。判定の結果、規格値以上である場合には（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、負荷Ｌに接続される電池の個数を変更することなく処理をステップＳ０２（図３）に移行させ、稼働中の電池の入れ替えを制御する。

【0035】

一方で、規格値未満である場合には（ステップＳ１３；ＮＯ）、負荷Ｌに接続される電池の個数を増加させるために、コントローラ１１は、待機中の次の電池３ｂに対応するスイッチ５ｂをオンさせるように制御する（ステップＳ１４）。その結果、負荷Ｌに電気的に接続される電池は２個となる。その後は、コントローラ１１は、処理をステップＳ０２に移行させ、稼働中の電池を順次待機中の電池と入れ替えるように制御する。

【0036】

図６には、コントローラ１１の制御によって時間経過とともに遷移するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフの状態を示すタイミングチャートを示し、（ａ）はスイッチ５ａの状態、（ｂ）はスイッチ５ｂの状態、（ｃ）はスイッチ５ｃの状態を示している。このように、コントローラの制御により、稼働中の電池が２個に変更される場合には、電池３ａ，３ｂ，３ｃのうちでオン状態の期間Ｔ_ＯＮが重複する個数が常に２個となるようにスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃが制御され、稼働中の電池が順次待機中の電池と入れ替わり、電池３ａ，３ｂ，３ｃのオフ状態の期間Ｔ_ＯＦＦが順次他の電池の期間Ｔ_ＯＦＦに変更される。

【0037】

本実施形態に係る熱利用発電モジュール１によれば、負荷Ｌに対して互いに電気的に並列に接続された複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃを利用して負荷Ｌに電力を供給する際に、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃの個々の発電能力に応じて適切なタイミングで複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃと負荷Ｌとの電気的接続を切り替えることができる。具体的には、電池の３ａ，３ｂ，３ｃの両極間の電位差により、熱利用発電素子１３内のイオン酸化還元層２１内でのイオンの局在化を判定し、その判定結果を基に負荷Ｌとの電気的接続を入れ替えている。その結果、電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の電池の供給電力の大きさに応じて効率的に実現することができる。

【0038】

特に、コントローラ１１は、複数のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのうちでオフ状態にあるスイッチが時間経過とともに順次入れ替わるように、複数のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃを制御する機能を有している。これにより、電力供給能力の低下した電池３ａ，３ｂ，３ｃの能力の回復が効率的に行われる。その結果、電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の電池の供給電力の大きさに応じてさらに効率的に実現することができる。

【0039】

さらに、コントローラ１１は、電池３ａ，３ｂ，３ｃの並列回路から負荷Ｌに供給される電力を基に負荷Ｌに電気的に接続される電池の個数を変更する機能を有している。これにより、負荷Ｌに必要な消費電力に応じて負荷Ｌを安定して動作させることができ、継続的かつ安定した電力供給を確実に実現することができる。

【0040】

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。

【0041】

図７は、本発明の変形例に係る熱利用発電モジュール１Ａの構成を示す回路図である。本変形例に係る熱利用発電モジュール１Ａの構成の熱利用発電モジュール１との相違点は、各電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応して設けられた電圧センサー７ａ，７ｂ，７ｃの代わりに１つの電圧センサー７が設けられる点である。

【0042】

すなわち、電圧センサー７は、電池３ａ，３ｂ，３ｃの正極にスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃを経由して電気的に接続され、電池３ａ，３ｂ，３ｃの並列回路から負荷Ｌの両端に印加される電位差を検出するセンサーである。この電圧センサー７は、検出した電位差を示す信号をコントローラ１１Ａに送出することが可能とされている。

【0043】

コントローラ１１Ａは、コントローラ１１と同様な構成を有し、電圧センサー７および電流センサー９から送出された信号の示す値を参照して、それらの値と規定値との比較結果を基に、スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのオン／オフを制御する。

【0044】

図８は、コントローラ１１Ａによるスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃの制御機能を説明するためのフローチャートである。このように、コントローラ１１Ａは、電圧センサー７によって検出された電位差を基に、稼働中の電池の電位差が規定値を下回ったタイミングを判定し、そのタイミングで稼働中の電池に対応するオン状態のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオフ状態に遷移させ、待機中の電池に対応するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオン状態に遷移させる。その際、コントローラ１１Ａは、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃに対応するスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃのうちでオフ状態にあるスイッチが時間経過とともに順番に入れ替わるように制御する。

【0045】

具体的には、ユーザによる操作等を契機にコントローラ１１の動作が開始されると、コントローラ１１Ａは、予め設定された最初の電池３ａに対応するスイッチ５ａをオンするように制御する（ステップＳ２１）。それに応じて、コントローラ１１Ａは、負荷Ｌへの電力供給が稼働中である電池３ａの電位差を、電圧センサー７からの信号を基に検出する（ステップＳ２２）。次に、コントローラ１１Ａは、検出した電位差が予め設定された規定値ＶＡ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。コントローラ１１Ａは、判定の結果、検出した電位差が規定値ＶＡを超えている場合には（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２２の処理に戻って、稼働中の電池３ａに関するステップＳ２２，Ｓ２３の処理を繰り返す。

【0046】

一方、コントローラ１１Ａは、検出した電位差が規定値ＶＡ以下である場合には（ステップＳ２３；ＹＥＳ）、稼働中である電池３ａに対応するスイッチ５ａをオフにし、待機中の電池３ｂに対応するスイッチ５ｂをオンにするように制御する（ステップＳ２４）。その後、ステップＳ２２に戻ってステップＳ２２～Ｓ２４の処理を繰り返し、コントローラ１１Ａは、稼働中の電池を順次入れ替え、時間経過とともに稼働中にあった電池を順次待機中の状態に遷移させるように制御する。

【0047】

上記変形例によれば、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃの両極から負荷Ｌに印加される電位差が下がったタイミングで、複数の電池３ａ，３ｂ，３ｃのうち負荷Ｌとの電気的接続が遮断される電池を順次入れ替えることができる。その結果、電池の個数を削減しながら継続的な電力供給を個々の電池の供給電力の大きさに応じて効率的に実現することができる。加えて、電圧センサーの数が削減されるので小型化、軽量化、及びスイッチ制御のレスポンスの向上に有利である。

【符号の説明】

【0048】

１，１Ａ…熱利用発電モジュール、３…電池群、３ａ，３ｂ，３ｃ…電池、５ａ，５ｂ，５ｃ…スイッチ、７，７ａ，７ｂ，７ｃ…電圧センサー（電圧検出部）、９…電流センサー（電流検出部）、１１，１１Ａ…コントローラ（制御部）、１３…熱利用発電素子、１５ａ…負極、１５ｂ…正極、１７…電子輸送層、１９…電荷熱励起材料層、２１…イオン酸化還元層、Ｌ…負荷。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】