熱電池というものをご存知でしょうか？実は、最近徐々に身近なものになりつつある熱電発電方法というエコな発電方式を利用した電池で注目を集めています。
今回は、熱電池について解説します。
発電の仕組みや、身近な活用例についても解説しているので、ぜひご覧ください。
目次
熱電池とは、熱エネルギーで発電する電池のこと
熱電池は、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池です。熱い面と冷たい面の温度差により発電します。
熱電池は一般的な化学電池とは異なり、熱エネルギーを利用するため環境に優しく近年注目を集めている電池です。
熱電池の仕組み
熱電池は熱電変換素子を用いて、温度差により発電しています。温度差があると、熱い方にプラスの電子、冷たい方にマイナスの電子が移動します。このマイナスとプラスを繋ぐことで電気を発生させる仕組みです。
図説で見ていきましょう。
名前の似ている「熱化学電池」は、熱エネルギーで化学反応を促進させることによって電気を作る仕組みのため、別物です。
熱電池の3つの長所
熱電池には今までの電池では実現できなかった長所があります。主に発電方法による長所を見ていきましょう。
長所1：環境にやさしい
熱電発電は、化学燃料を燃焼させずに熱エネルギーを電気エネルギーに変換するため、温室効果ガスや有害物質の排出がありません。
また、廃棄時に有害物質のリスクが低いことから、環境負荷が低いとされています。
長所2：温度範囲が広い
発電に使える温度範囲が広いため、様々な熱を電気に変換可能です。つまり、車や工場などから出る、今まで使われなかった「廃熱」も再利用できるようになります。
熱源と冷却源さえあれば電気を作り出せるシステムのため、緊急時の発電システムとしての利用も期待されています。
長所3：耐震・耐衝撃性能が高く、長期間使える
熱電池や熱電発電システムは、構造がシンプルであり、移動部品がないため、振動や衝撃に対して強い耐性があります。そのため、メンテナンスが比較的簡単で、長期間使い続けられる点も長所です。
車載・船舶・宇宙探査機など、過酷な環境下で使われるのはこのためです。
熱電池の3つの短所
熱電池には短所もあります。それぞれ見ていきましょう。
短所1：発電効率が低い
熱電池の発電効率は、他の電池技術と比較して低いことが一般的です。
具体的には、熱電発電は11〜18%ほどの発電効率と言われており、火力発電の55%と比べると低い数値になっています。これは、熱電変換素子の効率が限られているためです。
短所2：コストが高い
熱電池に使用される材料や製造プロセスが複雑であるため、他の電池技術と比べてコストが高くなります。
特に、希少金属（レアメタル）を使用したものは価格が高いものが多いです。しかし、近年の研究で希少金属を使用しない安価な熱電発電システムが実用化間近と言われており、コストは10分の1ほどになるとのこと。
短所3：大規模な発電設備には適さない
熱電池は、発電の仕組みから大規模な発電設備には適さないことも短所の一つです。
例えば、発電効率を保つには熱源と冷却源の温度差を一定にする必要がありますが、大規模な設備になればなるほど大量の冷却設備が必要など、コストが多くかかってしまいます。
安定して実用的に運用するためには、小規模の使用や廃熱を再利用するために使用することが適していると言えます。
熱電池の活用例
次に、熱電池の活用例について紹介します。身近なものから、環境問題解決の鍵になるものまでありますのでそれぞれ見ていきましょう。
キャンプ用品としての熱電池
熱電池は最近キャンプ用品としても人気が出始めているアイテムの一つです。
一人用のコンロに発電機能がついたもので、お湯を沸かしたりお肉を焼きながら充電できる優れもの。バッテリーに充電された電気はスマホの充電にも使用可能なため、いざという時も安心です。
熱電池により荷物が減るのはキャンパーとしても嬉しいのではないでしょうか。
ヤンマーが開発した「廃熱発電ユニット」
トラクターなど農業機械でお馴染みのヤンマーは、「廃熱発電ユニット」を開発しました。
このシステムでは、なんと温泉の熱から発電が可能とのこと。もちろん工場の廃熱からも発電できるため、今まで使われていなかった熱を電気に変え、化石燃料の使用を減らせる可能性が高いシステムです。
CO2による環境問題が取り上げられる現代の救い手になる可能性があります。
熱電池と熱化学電池の違い
- 差を電気エネルギーに変える
- 化学電池：温度差により化学反応を起こし、電気エネルギーを生み出
例えば、酸化還元反応を利用した「連続発電タイプ」のイオンが入った電池に分離剤を使用する「充電タイプ」の熱化学電池などが代表されます。
熱化学電池は、体温だけで発電できるため、IoTデバイスへの利用が期待されています。
まとめ
今回は熱電池について解説しました。最後にポイントを振り返りましょう。
- 熱電池とは、熱エネルギーで発電する電池のこと
- 温度差により電子が移動した状態を利用して発電する仕組み
- 長所は「環境に優しい」「温度範囲が広い」「頑丈で使い続けられる」
- 短所は「発電効率が低い」「今のところコストが高い」「大規模な発電設備に適さない」
- 熱化学電池は化学反応を起こし発電する
この他にも電池には多くの種類が存在します。身近なリチウムイオンから、マニアックなニッケル水素電池まで以下の記事で解説しているので、電池に興味がわいた方はご覧ください。
参考サイト
熱化学電池の蘊奥を開く 熱を電気に変える液体技術の予測設計に道 | 東工大ニュース
熱が電気に変換される？不思議な「ゼーベック効果」を理系学生ライターがわかりやすく解説！
熱を電気に変える（はぴエネ！#600）／Converting Heat to Energy
