JP2000323759A

JP2000323759A - 熱電発電システム

Info

Publication number: JP2000323759A
Application number: JP11126717A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Ono; 勝敏小野; Kagehiro Kageyama; 景弘影山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電素子を有効に動作させる熱電発電システ
ムを提供する【解決手段】本発明は、媒体流路を介して多段に配置
された高温側面と低温側面を具備する熱電素子を具備
し、先段の熱電素子の前記高温側面を通過した熱媒体
は、先段の低温側面と次段の高温側面の間に形成される
媒体流路に誘導され、熱電素子の最終段の高温側面を通
過した熱媒体は系外へ導出され、一方、熱電素子の最終
段の低温側面には冷却媒体を通過させ、通過した冷却媒
体が、熱交換器を介して熱媒体として初段の熱電素子高
温側面に導入される熱電発電システムである。また、熱
電素子は、鉄系材料、より好ましくは、熱電変換素子に
よる熱電発電装置がｐ型導電体としてFeとAlとSiを主体
とする３元系鉄合金からなり、ｎ型導電体はFe基の合金
とすることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差を有する物
質の低温、中温の熱エネルギーを電気エネルギーに変換
する熱電変換素子を利用した熱電発電システムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】600Ｋ程度以下の低温ないし中温の熱源
は火力発電、原子力発電の廃熱、製鉄所での廃熱、焼却
プラントでの廃熱、地下熱など膨大に存在する。しか
し、これらの熱源はほとんど利用されずに排出されてい
るか、利用されても利用効率が悪いのが実状である。60
0Ｋ以下の熱源を電気エネルギーに変換する素子として
は熱電効果（以下、ゼーベック効果ともいう。）を利用
した素子が知られている。熱電効果とは２つの異なった
導電物質a,bからなる導体を接合して回路を作り、２つ
の接合部をそれぞれ異なった温度ThとTl（Th＞Tl）に保
つと、導電物質の一部に設けられた開放回路の端子間に
温度差ΔT＝ Th−Tlに応じた開放電圧Vabが発生するこ
とをいう。一方の接合部の温度の１℃の変化に対するVa
bの変化を物質ａに対する物質bの熱電係数（以下、ゼー
ベック係数ともいう。）という。

【０００３】大きい開放電圧が得られる物質には、金属
間化合物ではBi₂Te₃(p型)・Bi₂Te₃(n型)があり、FeSi₂
にコバルト、マンガンをドーピングしてｎ型、ｐ型を発
現させてp-n接合素子とするものも知られている。これ
らはいずれも半導体熱電素子である。合金ではクロメル
・コンスタンタンなどが知られている。クロメルは90%N
i-10%Crなど、コンスタンタンは40%Ni-60%Cuなどであ
る。（％は重量％であり、特に断らない限り、以下も重
量％である。）しかし、Bi-Te系の半導体素子は熱電係
数が大きいが、構成元素が希有金属であり、半導体熱電
素子の価格が極めて高価につき、これらの素子を使って
上記のような廃熱を工業的に利用することは困難であ
り、又、FeSi₂系については低温導電性が悪く、600K以
下の温度で効率良く発電することが困難である。クロメ
ル・コンスタンタンは高価なニッケルを高濃度に含有す
る合金であり経済的な理由から実用性に薄いものであっ
た。

【０００４】本発明者は熱電変換素子の量産性、経済
性、さらには低温の導電性に着目し、鉄基をベースにし
た金属材料からなる熱電変換素子を検討してきた。その
結果、鉄を基本としてアルミニウム、シリコンなどの常
用材料から構成されるp-n接合熱電変換素子を発明し
た。本発明者の発明の一例は特許第2728201号に記載さ
れるように、Feをp型導電体とし、Feと接合させるn型導
電体として、重量％でシリコンを4.0〜6.0％含有させた
Fe-Si合金からなるゼーベック素子である。

【０００５】他の発明は特開平9-298318号で開示される
ように、Feと接合させるn型導電体として、重量％でア
ルミニウムを4.0〜12.0％含有させたFe-Al合金からなる
熱電素子である。これらの発明からなる導電体を使用し
たゼーベック係数は前記の発明に対応してFe-Si系で25
μＶ／Ｋ、Fe-Al系で38μＶ／Ｋ程度である。これらの
値はCu-コンスタンタン（40%Ni-60%Cu）やFe-コンスタ
ンタン（40%Ni-60%Cu）のゼーベック係数40〜50μＶ／
Ｋに近づくものである。また、本発明者は、17^th Inte
rnational Conference on Thermoelectrics(IEEE 1
998/5)で報告したしたように、Fe-Al-Si系とFe-Al系を
組み合わせることおよびFeとFe-Al系を組み合わせるこ
とで、更に優れた熱電素子が得られることを提案してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、熱電
素子は低温から中温の廃熱の有効利用に有効と考えられ
ているが、具体的に効率を高めるシステムの実現が切に
求められている。本発明の目的は熱電素子を有効に動作
させる熱電発電システムを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、媒体流路を介
して多段に配置された高温側面と低温側面を具備する熱
電素子を具備し、先段の熱電素子の前記高温側面を通過
した熱媒体は、先段の低温側面と次段の高温側面の間に
形成される媒体流路に誘導され、熱電素子の最終段の高
温側面を通過した熱媒体は系外へ導出され、一方、熱電
素子の最終段の低温側面には冷却媒体を通過させ、通過
した冷却媒体が、熱交換器を介して熱媒体として初段の
熱電素子の高温側面に導入される熱電発電システムであ
る。

【０００８】前記熱電発電システムにおいて、望ましく
は隣り合う媒体流路を流れる熱媒体を向流とする。ま
た、熱媒体の流れ方向に対して、直列に熱電素子を配置
することが望ましい。また、熱電素子は、鉄系材料、よ
り好ましくは、熱電変換素子による熱電発電装置がｐ型
導電体としてFeとAlとSiを主体とする３元系鉄合金から
なり、ｎ型導電体はFe基の合金とすることが望ましい。
また、p型導電体にはFeを用いても良い。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、熱電素子を効率的に動
作できる熱電発電システムを提供しようとするものであ
る。本発明の具体的な構成の一例を用いて説明する。図
１にその例を示す。図１にあるように、媒体流路２を介
して多段に配置された高温側面３と低温側面４を具備す
る熱電素子１に対して、熱交換器から出た熱媒体５を初
段の熱電素子の高温側に導入する。そして、初段の熱電
素子の前記高温側面３を通過した熱媒体５を、初段の低
温側面４と次段の高温側面３で構成される媒体流路２に
誘導する。誘導手段としては、仕切壁体でも良いし、パ
イプのようなもので有っても良い。

【００１０】そして、さらに、後段へ同様に熱媒体を誘
導し最終段の高温側面を通過し系外へ熱媒体を導出す
る。一方、熱電素子の最終段の低温側面は冷却媒体を通
過させ、通過した冷却媒体６、熱交換器７を介して熱媒
体として初段の熱電素子高温側面に導入するものであ
る。

【００１１】図１で示すように構成することで熱交換器
に導入する冷却媒体６と、この冷却媒体が熱交換器７に
より加熱されて得られる熱媒体５との温度差を効率的に
電力に変換することができる。以下さらに詳しく説明す
る。

【００１２】本発電システムの一例(図１)は発電部の熱
機関本体と熱媒体再加熱の熱交換器よりなっている。図
１に示す熱媒体および冷却媒体は空気、水、水蒸気、蒸
気より空気、その他の液体でも可能であるが、素子の腐
食の問題および無尽蔵に調達可能であることより空気を
使用するのが好ましい。また、熱機関内部は複数の長い
パネルが熱電素子と該パネルで仕切られた複数の熱媒体
流動部よりなる単純構造とし、外部は熱の流出が抑制さ
れるように断熱材等にて囲まれることが望ましい。

【００１３】発電の具体的な方法を図１に基いて下記に
詳しく説明する。まず、最前段の熱電発電パネルの高温
側面と断熱材で覆われた流路(第１流路と記述し、次の
段の流路を第２流路、以下第N流路という様に記述す
る。)に熱交換器で温度Ts(K)に再加熱された空気を流量
Ms(Kg/s)で連続的に導入する。(以下、媒体としては最
も好ましい空気で説明する。)一方、最後段のパネルと
断熱材で覆われた流路(冷却流路と記述する。)に温度Ta
(K)の大気を流量Ma(Kg/s)で導入する。この条件下では
熱機関全体として最前段より最後段へ向かって熱流Qの
流れが存在し、排出媒体としての空気(温度Te(K)、流量
Me(Kg/s))と冷却媒体としての空気に吸収され、熱機関
へ運ばれる熱以外は熱機関系統内に保存される。

【００１４】最前段に導入された熱空気は充分長い流路
を通過する間に温度は低下していくが流路のコーナーで
回転して第２流路に入ると流動空気は第１流路より流入
する熱と第３流路へ排出する熱により温度差異をとる。
流動空気はさらに第３流路、第４流路という様に通過し
て流量Ms=Meで外部へ排出される。この時の排出温度Te
は熱機関の効率を決定し、低ければ低いほど熱効率を大
きくさせる。これは温度Tsで導入された熱空気が温度Te
まで低下した熱量の全てが熱電発電パネルにより電気出
力へ変換されるためであり、使用するパネル量が多いほ
ど熱機関の効率は向上する。尚、この熱機関は巨大であ
り、かつ断熱材等により熱的に外部と絶縁されているの
でパネル内の電流によるジュール熱および輻射熱は熱機
関内に保存され、熱効率に対する損失とはならない。

【００１５】熱効率は下記に記される。まず、単一のp-
n接合素子においては出力pは接合面での素子の高温側温
度θhおよび低温側温度θl(各々高温側空気温度Thおよ
び低温側空気温度Tlより熱伝達により決定される温度)
の差異Δθにより決定され、次式によって示される。 p=(Δα²×Δθ²)/r (Δα：素子のゼーベック係数、r：素子の電気抵抗) n個の素子を直列的に結合させたパネル出力は単一素子
出力のn倍となる。また、素子長さL（Pn接合間の距離に
相当）は重要な要素であり、Lを長く設定すると素子の
抵抗が大きくなるが、与えられた温度差に対してはより
効果的となる。第２段以降のパネルについては温度降下
が第１段によって多く発生するために徐々に短く薄くす
ることが好ましい。

【００１６】ここで流量は質量保存により Ms=Ma=Me となる。この時に熱機関外へ放出されるエネルギーは Me×cp×(Te-Ta)＋P (cp：空気の定圧比熱) であるが、その中での有効な電力の比率ηが熱効率とな
る。 η＝P/(Me×cp×(Te-Ta)＋P)

【００１７】なお、本発明の熱電発電システムは、隣り
合う媒体流路を流れる熱媒体は、向流とすることによ
り、図１に示すように隣り合う流路を特別なバイパスを
設けなくても簡単に導くことが可能である。また、熱媒
体の流れ方向に対して、直列に熱電素子を配置すること
により、接点長さにおける温度を近いものとすることが
でき、熱電素子の直列方向以外の不要な電流が流れるの
を防止できる。

【００１８】また、本発明においては、コスト的に有利
な、鉄系材料を使用することが望ましい。そして、熱電
変換素子がｐ型導電体としてFeとAlとSiを主体とする３
元系鉄合金からなり、ｎ型導電体はFe基の合金で構成す
ることにより、コスト的に有利なＦｅ系材料にあって、
高い熱電変換効率を得ることができる。より具体的には
p型導電体の例としてはFe-12%Al-12%Siが挙げられる。
本発明のp型導電体に接合するｎ型導電体には鉄‐アル
ミニウム系合金、または鉄‐アルミニウム‐シリコン系
合金が適している。ｎ型導電体の前者の例としてはFe-1
2%Al合金が望ましい。後者の３元系合金の場合にはSiが
15%以下のFe-Al-Si合金が望ましい。

【００１９】本発明の熱媒体および冷却媒体としては上
記にも記述した様に空気、水、水蒸気、水蒸気入り空気
などが使用できるが、使い勝手と利用の容易性から大気
が望ましい。本発明における熱電発電素子は粉末冶金法
および鋳造法によって得ることができる。粉末冶金法で
は鋳造性の悪いFe-Al系およびFe-Al-Si系において製造
するのに適している。粉末を得る手法としては溶解した
後に粗粉砕を行い、さらにボールミル等にて微粉砕する
ことによって得ることもできるし、アトマイズ等の急冷
凝固法を用いて得ることもできる。

【００２０】得られた粉末はバインダーと混合させた後
に押出成形によって得ることも可能であるが、真密度よ
り低い密度が得られる可能性が高いため、その後にHIP
（熱間静水圧プレス）を行うことが望ましい。また、ア
トマイズによって得られた粉末をそのままHIPにより焼
結することも可能である。一方、鋳造法はコスト的にさ
らに有利となる。鋳造性の悪い上記合金では鋳型を高温
まで加熱した状態で鋳造する精密鋳造を適用し、加圧鋳
造にて行うことが望ましい。該合金にはAl、Si等の酸化
しやすい元素を含有しているため、真空中およびAr等の
不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。

【００２１】本発明の熱電発電装置における熱電発電素
子パネルは上記にて作製したp型導電体およびn型導電体
を接合させることが必要であるが、熱電素子回路に流れ
る電流を上昇させるために電気抵抗を小さくすることが
望ましく、接触抵抗はなるべく小さくすることが望まし
い。理想的な接合は接合界面での抵抗がないことを意味
する。接合抵抗は気孔、空孔等の欠陥が存在することに
より生じるので無欠陥接合をさせる必要がある。そのた
めには液相拡散接合やHIPによる拡散接合等が適用可能
である。

【００２２】

【実施例】(実施例１)本実施例に使用した低温導電性熱
電変換素子要素のゼーベック係数，抵抗値，熱伝導度の
測定値を表１に示す。Fe-12.8％Al-12.7％Si(ｐ型)−Fe
12.3％Al(ｎ型)素子の起電力は高温側と低温側の接合面
の温度差１Ｋにつき69μＶ／Ｋである。ｐ型導電体８と
なるFe-12%Al-12%Si合金およびｎ型導電体９となるFe-1
2%Al合金を溶解した後にArガスにて噴霧を行い、各々平
均粒度で85μmおよび77μmの金属粉末を作製した。該合
金粉末をHIPを用いて50mm×100mm×3mm、40mm×100mm×
3mm、30mm×100mm×3mmおよび10mm×100mm×2mmの熱電
素子用の素材を作製した。

【００２３】得られた熱電素子素材を図２に示す模式図
のように組み合わせ、HIPを用いて接合を行い、ｐ−ｎ
接合箇所は各々の平板において60箇所とした。また、HI
P条件は各々1200℃、1000atmにて行った。絶縁体１０に
は耐火物の平板を用いた。上記方法により作製した図２
に示すパネル状熱電素子において接合部には欠陥は存在
せず、両者の拡散による遷移領域はゼーベック係数に影
響を与える程度以下の幅で強固な結合がなされているこ
とをミクロ組織的に確認した。

【００２４】又、上記と同様に作製した50mm×100mm×3
mm板と10mm×100mm×2mmを接合させたp-n接合単体素子
に流れる電流を測定したところ0.17Aであり、理論電流
値は0.19Aであることから、接触抵抗は無視できるほど
に小さいことが確認できた。上記にて作製したパネル状
熱電素子を厚い方から順に最前段、次段、最後段とし、
その周囲を断熱材にて囲んだ図１に示す熱電発電システ
ム（パネル状熱電素子は３段）を作製した。この熱交換
器から230℃の空気をファンによって流し、25℃の空気
で最後列を冷却した時に1.2Vの起電力が得られ、32Wの
電力が得られた。

【００２５】

【表１】

【００２６】(実施例２)Fe-12%Al-12%Si合金をArガス中
にて溶解した後に高温に加熱した鋳型に高圧にて鋳造を
行い、図３に示す形状のp型導電体８の鋳物を作製し
た。同様の手法でFe-12%Al合金を図３に示すn型半導体
９の鋳物を作製した。このp型導電体およびn型導電体を
液相拡散法により図３の様に接合させ、熱電発電パネル
を作製した。ｐ−ｎ接合箇所は一つのパネル状熱電素子
について60箇所とした。上記方法により作製したパネル
状熱電素子において接合部には欠陥は存在せず，両者の
拡散による遷移領域はゼーベック係数に影響を与える程
度以下の幅で強固な結合がなされていることをミクロ組
織的に確認した。上記にて作製したパネル状熱電素子を
厚い方から順に最前列、次列、最後列とし、その周囲を
断熱材にて囲んだ図1に示す熱電発電システム（パネル
状熱電素子は３段）を作製した。この熱交換器より150
℃の空気をファンによって流し、25℃の空気で最後列を
冷却した時に0.7Vの起電力が得られ、20Wの電力が得ら
れた。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば比較的低い廃熱等の熱源
を利用する熱効率良い熱電発電装置を安価に製造するこ
とができ、従来利用されていなかった低温の廃熱を産
業、家庭用の電力として活用することができ、かつ廃熱
を少なくすることができることから地球温暖化を抑制す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステムの一例を示す説明図である。

【図２】本システムに使用する熱電素子の構成の一例を
示す図である。

【図３】本システムに使用する熱電素子の構成の別の例
を示す図である。

【符号の説明】

１熱電素子、２媒体流路、３高温側面、４低温
側面、５熱媒体、６冷却媒体、７熱交換器、８ｐ
型導電体、９ｎ型導電体、１０絶縁体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】媒体流路を介して多段に配置された高温
側面と低温側面を具備する熱電素子を具備し、先段の熱
電素子の前記高温側面を通過した熱媒体は、先段の低温
側面と次段の高温側面の間に形成される媒体流路に誘導
され、熱電素子の最終段の高温側面を通過した熱媒体は
系外へ導出され、一方、熱電素子の最終段の低温側面に
は冷却媒体を通過させ、通過した冷却媒体が、熱交換器
を介して熱媒体として初段の熱電素子の高温側面に導入
されることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】隣り合う媒体流路を流れる熱媒体は、向
流であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電シ
ステム。
【請求項３】熱媒体の流れ方向に対して、直列に熱電
素子を配置したことを特徴とする請求項１または２に記
載の熱電発電システム。
【請求項４】熱電素子は、鉄系材料であることを特徴
とする請求項１〜３の何れかに記載の熱電発電システ
ム。
【請求項５】熱電変換素子による熱電発電装置がｐ型
導電体としてFeとAlとSiを主体とする３元系鉄合金から
なり、ｎ型導電体はFe基の合金からなることを特徴とす
る請求項４に記載の熱電発電システム。