JP2002345271A

JP2002345271A - 多孔体熱電発電素子

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Publication number: JP2002345271A
Application number: JP2001146886A
Authority: JP
Inventors: Michiro Kozutsumi; 三千郎小堤
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Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-11-29
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Abstract

(57)【要約】【課題】熱電対の関係にある２種の金属箔を多数積層
して多孔体とし、多孔体内でガスを燃焼させて発電する
発電素子において、熱電変換効率を向上するため金属箔
表面の放射熱吸収率を高くする。またガス流動方向に直
角な方向の温度分布を小さくする。【解決手段】金属箔表面に放射熱吸収率の高い耐熱性
皮膜を設ける。また多孔体としての放射の自由行路を、
ガス流動方向に小さくし、ガス流動方向に直角な方向に
大きくする。具体的には、金属箔に付ける波型の振幅を
ガス流動方向に大きくし、ガス流動方向に直角な方向に
小さくする。金属箔に付ける波型の周期をガス流動方向
に小さくし、ガス流動方向に直角な方向に大きくしても
よい。また、ガス流動方向に直角な方向に長い形状の突
出部を金属箔表面に設けてもよい。【効果】固体と気体の熱交換効率が向上し、多孔体と
しての放射の自由行路が短くなり、発電効率が向上す
る。また放射の自由行路を、ガス流動方向に直角な方向
に大きくすることで、この方向の温度分布が小さくな
り、さらに発電効率を高くすることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異種の金属板または金
属箔を積層した多孔体中でのガス燃焼による温度勾配を
利用したガス燃焼型の多孔体熱電発電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電は放射性廃棄物等の問題を抱
え、一部の先進国では廃止の方向にあり、さらにエネル
ギーの有効利用を図るため、大規模集中型発電から送電
ロスのない小型分散型の発電装置の必要性も強くなって
いる。また、大都市での健康への影響さらに地球環境へ
の影響を配慮して排気ガスの少ない電気自動車の開発が
急がれている。こういった状況の中で、幾多の発電方式
が提案され、開発されており、最近では電気自動車・分
散発電装置用途として燃料電池の開発も進んでいる。し
かし水素と酸素の反応を直接利用する燃料電池は、燃料
が水素に限られるため、メタン・エタン等の天然ガス，
ＬＰＧ等の燃料ガス，ガソリン等の石油製品を直接使用
できず、別途のエネルギーを投入して水素に変換（改
質）する必要がある。

【０００３】一方、異種の金属または半導体を二ヶ所で
接続し、二ヶ所の接点に温度差を与えると、ゼーベック
効果によって起電力が発生し、電流が流れる。この現象
を利用して熱を電気に直接変換する発電装置は、熱の発
生源ならばメタン・エタン等の天然ガス，ＬＰＧ等の燃
料ガス，アルコール，ガソリン等の石油製品を直接使用
でき、さらにエンジン式発電機等に比べ、設備構成がシ
ンプルであり可動部分がないので、耐久性がある，騒音
が少ない，保守が容易，小型に作れる等の長所を持って
いる。

【０００４】そのため、熱電変換効率の高い素材の研究
が永年行われているが、未だに宇宙等特殊用途分野で利
用されるだけで工業用や民生用にはほとんど利用されて
いない。その理由は、起電力（熱電能）の高い組み合わ
せの材料の例では、ＰｂやＴｅ，Ｂｉ，Ｓｂ等のように
低融点であったり、毒性が強かったりで使いにくい材料
が多いため等が考えられる。その上、接続された二ヶ所
（高温接点及び低温接点）の温度差を効率よく発生させ
るため熱伝導率が低い必要があり、発生した起電力を外
部に取出すためには、逆に電気伝導率が高い必要があ
る、と言う材料にとって相矛盾する性質が要求される。
永年の研究にもかかわらず高起電力，低熱伝導率，高電
気伝導率で、環境に優しく、低コストの材料はなかなか
見つかっていないといえる。

【０００５】一方、超断熱効果をもつ通気性の多孔体内
でのガス燃焼によって発生する温度勾配を利用する熱電
発電が提唱された。この考え方によれば、温度勾配は投
入する熱量と物質の熱伝導率によって決まるものではな
く、多孔体としての超断熱性能によって決まる。そこ
で、本発明者は特殊な素材を用いず、一般的な材料であ
る熱電対用等の起電力をもつ組合せの金属を用いた多孔
体の超断熱効果を利用して発電を行うことのできる熱電
発電素子を発明し、特開平８−２５１９５７号公報で紹
介した。

【０００６】この熱電発電素子は、熱電対の関係にある
２種の金属箔の縦横方向に波型を形成すると共に開孔を
設け、この金属箔をツヅラ折状に互い違いに接続・積層
し、全体として通気性の多孔体とした素子である。ガス
をこの多孔体内に導き、通過・燃焼させることによっ
て、多孔体内に超断熱効果による温度勾配を発生させ、
ツヅラ折状に接続した熱電対材料の両端から電力を取出
す。また、通常は自燃しないような、塗装工場等から排
気される希薄な可燃ガスを含んだ気体を助燃ガスを要せ
ずに燃焼させることが出来る、往復燃焼排気処理装置に
利用できることも多孔体内の超断熱効果を利用した燃焼
方式の利点である。

【０００７】この方式によれば、発生する温度差又は温
度勾配は原理的に、高温側接合部に供給される熱量と材
料の熱伝導率のみによって決まるものではなく、多孔体
を構成する固体表面の局部的な熱吸収率や多孔体を構成
する固体と気体（ガス）との熱交換効率、また輻射熱の
通りにくさ等に支配される多孔体としての性能（超断熱
効果を効率よく起こす性能）によって決まる。多孔体の
性能さえ良ければ、投入した熱量と熱電材料の熱伝導率
のみによって決まる従来の熱電発電システム以上の温度
勾配が得られるので、採用できる材料の自由度が高くな
る。すなわち、素材として、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，
Ｃｕ等といった熱伝導率の高い金属又はこれらの合金も
使用可能となり、これらの金属又は合金は毒性も弱く、
歴史が永く十分熟しきった製造・加工技術を適用するこ
とができる。

【０００８】前記公報でも紹介した越後教授らの論文In
t.J.Mass.Transfer., vol.36, No.13, pp.3201-3209(19
93)によれば、燃焼熱を閉じこめる多孔体の超断熱効果
は、多孔体の性能としての放射の自由行路が短いほど高
くなり、大きい温度勾配が得られる。すなわち、ガスの
燃焼により発生した熱量が高温のガスから発する熱放射
により温度の低い方向へ移動するのを、近傍の固体が吸
収することにより阻止し、温度の低い方向から流れてく
るガスに固体−気体間の接触による熱伝導によりその熱
量を与えることで、燃焼熱量と多孔体を構成する固体の
熱伝導で決まる温度勾配以上の温度勾配が得られる。

【０００９】このとき、高温のガスから温度の低い方向
へ熱放射により熱量が移動する距離が短いほど、また固
体が放射熱を吸収し易いほど、また固体から気体へ熱量
が移動しやすいほど、小さい空間に局部的に熱量が保存
されて温度が上がり、温度勾配が高くなる。すなわち高
い超断熱効果が得られる。同時に温度の低い方向から流
れて来たガスは、固体から熱量を貰って十分に加熱され
燃焼温度に達する。温度勾配が大きければ、短い距離で
大きい温度差が得られ熱電発電体の内部抵抗は低くなり
起電力は大きくなるため発電効率が高くなる。

【００１０】上記の発電方式は超断熱効果を利用したも
のであるため、発電多孔体はその多孔体内で熱の放射の
自由行路が出来るだけ短くなるように設計・製作をす
る。多孔体の内部構造としての観点からは、放射の自由
行路は、多孔体内のある点からある方向を見たとき、見
通せる距離が短く断面積が少ないほど短いと言える。見
通せる断面積が多い（放射の自由行路が長い）と、それ
だけ遠くまで放射熱が伝わってしまうので超断熱効果が
低くなり温度勾配が得られない。見通せる距離が短く、
見通せる断面積が少ない（放射の自由行路が短い）と、
温度の低い方向に放射された輻射熱は直ちに近傍の多孔
体を構成する固体に吸収され、温度の低い方向から流れ
てきた気体に接触による熱伝導で熱を与える。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記特開平
８−２５１９５７号公報に紹介した、数々の長所をもつ
金属箔を用いた多孔体熱電発電素子をその基本原理に基
づいて詳細に検討し、発電効率（熱電変換効率）を高め
た発電素子を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明では、
前記熱電発電素子を構成する金属又は合金の箔の表面の
熱吸収率及び金属又は合金の箔と気体との熱交換率を高
くすることで温度勾配を高くし、さらに、熱電発電素子
内でガス流動方向と直角の方向の温度を均一にし、外部
に取出せない無効な電流成分を抑制するような多孔体の
構造・形状とすることにより、発電効率を向上する事を
目的とする。

【００１３】本発明の多孔体熱電発電素子は、上記目的
を達成するため、熱電対の関係にある２種の金属又は合
金の箔を積層し、第１の金属又は合金の箔の一端を隣合
う第２の金属又は合金の箔の一端に接合することにより
多数の直列接続された熱電対をツヅラ折状に構成し、接
合部以外の個所で第１の金属又は合金の箔と第２の金属
又は合金の箔とを電気的に絶縁し、燃焼ガスが通過する
複数の細孔が第１及び／又は第２の金属又は合金の箔に
穿設され、第１及び／又は第２の金属又は合金の箔の表
面に放射熱吸収率の高い耐熱性皮膜が設けられたことを
特徴とする。箔の表面に形成された放射熱吸収率の高い
耐熱性皮膜は、高温の燃焼ガスから輻射される放射熱を
よく吸収するため超断熱効果を高める。

【００１４】熱電対の関係にある２種の金属又は合金の
箔を積層し、第１の金属又は合金の箔の一端を隣合う第
２の金属又は合金の箔の一端に接合することにより多数
の直列接続された熱電対をツヅラ折状に構成し、接合部
以外の個所で第１の金属又は合金の箔と第２の金属又は
合金の箔とを電気的に絶縁し、燃焼ガスが通過する複数
の細孔が第１及び／又は第２の金属又は合金の箔に穿設
され、ガス流動方向に直角な方向に沿った放射の自由行
路がガス流動方向に沿った放射の自由行路よりも長くす
ることも、ガス流動方向に直角な方向に沿った温度分布
を均一にするため接合部での無効電流を抑制し、発電効
率を向上できる。

【００１５】放射の自由行路の長さは、金属又は合金の
箔に波型が縦横方向に形成されている構造では波型の振
幅や周期で調整できる。すなわち、ガス流動方向と直角
な方向の波型の振幅をガス流動方向の波型の振幅より小
さくしたり、ガス流動方向と直角な方向の波型の周期を
ガス流動方向の波型の周期より大きくなるようにすれば
よい。勿論、ガス流動方向のみに波型が付けられていて
も良い。

【００１６】表面に設けられた複数の突起が等ピッチで
１列ごとに交互に整列するようになっている２個のロー
ルを用い、金属又は合金の箔の表裏から交互に突き刺さ
るように、２個のロール間を通板させることにより、金
属又は合金の箔に細孔の形成と同時に波型が縦横方向異
なる形状に形成される。２個のロール表面に設けられた
複数の突起の間に小突起を整列して配置すれば、金属又
は合金の箔に大きい波型の間に小さい波型が形成された
状態になって、箔と気体との熱交換効率が上がる。

【００１７】金属箔表面上に、ガス流動方向と直角な方
向に延びる形状の突出部を設ける事によって、ガス流動
方向と直角な方向の放射の自由行路を短くすることなく
ガス流動方向の放射の自由行路を短くする事もでき、該
突出部自身が通気性の多孔体素材でできていれば、さら
に気体と固体の熱交換がしやすくなり、多孔体熱電発電
素子としての性能を向上できる。

【００１８】

【作用】本発明者は、前記特開平８−２５１９５７号公
報に紹介された熱電発電素子の発電効率を高める方法に
ついて鋭意検討を重ねた。なお、本明細書では金属又は
合金の薄板を一般に箔又は金属箔と称し、その厚みに制
限が与えられているものではない。前記公報に紹介され
た技術に基づき、図１（ａ）に示すように、縦横方向に
波型に形成された厚み５０μｍ程度のアルメル（Ｎｉ＋
２％Ａｌ合金）の箔Ａ及びクロメル（Ｎｉ＋１０％Ｃｒ
合金）の箔Ｂを、高温側接合部２Ｈ及び低温側接合部２
Ｌで交互に接続し、空気中で加熱することにより金属箔
Ａ，Ｂの表面に絶縁膜を形成し、全体として多孔体ブロ
ックを成す状態にし、ツヅラ折状の両側にあたる低温側
接合部２Ｌに取り出し電極３を接続し、発電素子１を作
成した。

【００１９】作成した発電素子１を、図１（ｂ）に示す
ように石英ガラス製の燃焼器１０（内寸法：４×４ｃ
ｍ）にセットした。発電素子１と燃焼器１０の間にはア
スベスト等の耐熱材を挟んだ。ＬＰＧと空気をそれぞ
れ、送気口１１，１２に送り込み、発電素子１を燃焼ガ
スが通過したところで点火し、その後ＬＰＧと空気の送
入量を調節すると炎は次第に後退し、ＬＰＧは多孔体内
で燃焼するようになり、その状態で発電が起きた。無負
荷状態で開放電圧Ｅｏを測定し、出力端子を短絡して短
絡電流Ｉｏを測定し、内部抵抗Ｒｉ＝Ｅｏ／Ｉｏから最
大取り出し電力Ｐ＝Ｅｏ²／Ｒｉを計算した。

【００２０】従来方法で作成された発電素子１の箔表面
は、加熱により絶縁膜（酸化クロム等の酸化物）が形成
され、加熱前の金属光沢を多少失っていたが、なお高い
光反射率をもっていた。そこで、水で擦った書道用の墨
を箔に塗布・乾燥して実験したところ、燃焼開始初期に
は可燃成分（ニカワと考えられる）が燃焼して煙が発生
したが、出力は約２５０ｍＷと従来の１．２５倍となっ
た。多孔体を形成する箔の表面に炭素粒子（スス）が付
着して放射熱を吸収しやすくなり、温度勾配が大きくな
り出力が上昇したものと考えられる。実用的には、炭素
粒子付着の外、金属酸化物，セラミックス等の耐熱黒色
顔料、理想的にはゴールドブラック（最も完全黒体に近
い）等を適宜の手段で箔の表面に付着させる。

【００２１】さらに、実験を進めるうちに、箔表面の変
色状態等から図２（ａ）に等温線で示すような箔の面内
温度分布があることがわかった。すなわち、１枚１枚の
箔の面内で燃焼器１０に近い両側の温度が低く、中央で
の温度が高くなって、水平方向の温度不均一性が生じて
いると推測された。これは、断熱材を介して燃焼器１０
に接している多孔体の両側で石英ガラスへの熱伝導によ
り熱が逃げてしまっているのが主原因と考えられる。

【００２２】図２（ａ）に示すような箔の面内温度分布
があると、高温側接合部２の領域で温度差が発生し、温
度差による発電電流は温度勾配に沿って高温側接合部２
の領域部分のみに流れ、外部に取り出せない無効電流Ｉ
となってしまう（図２ｂ）。低温側接合部３の領域部分
でも同様に温度差ができ、外部に取り出せない無効電流
が発生する。その結果、全体として外部に取り出し可能
な電流は高温側接合部２の最も低温の部分（端部）と低
温側接合部３の最も高温の部分（中央部）との温度差に
基づく電流になってしまう。すなわち、水平方向の温度
分布（温度不均一性）は、発電効率を大きく低下させる
原因となる。このことは、金属多孔体と燃焼器の間に断
熱材を設けることによりこの水平方向の温度分布をある
程度解消でき、発電効率に一定の効果が認められたこと
からも伺える。

【００２３】本発明者は、本発電方式の基本原理に戻っ
て、多孔体発電素子としての性能向上を検討した結果、
発電効率の向上のためガス流方向にはできるだけ急峻な
温度勾配が必要なので放射の自由行路をできるだけ短く
する必要があるが、それに直角な方向には逆に熱伝導が
促進されるように放射の自由行路をできるだけ長くする
ように、多孔体の構造を構成することに思い至った。

【００２４】放射の自由行路とは前述のように、多孔体
を構成する固体物質の気体との熱交換効率や輻射熱の吸
収係数等の材料物性によっても左右されるが、構造・形
状的な要因としては、一般に多孔体のある位置からある
方向を眺めたとき、多孔体内の空隙部分を通して見通し
にくい場合には短く、よく見通せる場合には長いと理解
できる。したがって、本発明の発電多孔体では、ガス流
動方向に直角な方向によく見通せるようにすることで放
射の自由行路を長くし、この方向の温度分布（温度差）
を少なくする。金属箔の面内で、このガス流動方向に直
角な方向の温度分布（温度差）を少なくすることによっ
て、高温側接合部２や低温側接合部３の内部に流れる無
効電流を抑制し、ガス流方向のみの温度分布から外部に
効率的に電流を取り出せるようにできる。

【００２５】このような多孔体特性の異方性を、例えば
セラミック粒子等の焼結多孔体等で実現しようとすると
非常に困難であることが予想できるが、機械加工等で一
定の形状を付与された金属箔を積層することで多孔体を
構成する本発明の方式においては比較的容易である。

【００２６】すなわち、図３に示したように、金属箔
Ａ，Ｂを波型加工する際、ガス流動方向には金属箔の波
型形状の振幅を大きくし、ガス流動方向と直角な方向に
は波型形状の振幅を小さくする（図３では簡単のため、
ガス流動方向と直角な方向に振幅ゼロつまりガス流動方
向Ｇのみに波型を付けた例を示している）。すると、ガ
ス流動方向には放射の自由行路が短くなり、ガス流動方
向に直角な方向には放射の自由行路が長くなる。そのた
め、ガス流動方向には温度差が発生しやすく、ガス流動
方向に直角な方向には温度差が発生しにくくなる。同様
の効果は、ガス流動方向には金属箔の波型形状の周期を
小さくし、ガス流動方向と直角な方向には波型形状の周
期を大きくする事でも得られる。

【００２７】この効果は、図４（ａ）に示すように、金
属箔Ａ，Ｂの表面に熱伝導性の良いセラミック等の素材
で、ガス流動方向に直角な方向に細長い突出部Ｔを設け
ることでさらに効果的になる。勿論、突出部Ｔを設ける
場合、金属箔Ａ，Ｂを波型加工せず平板を用いても（図
４ｂ）、金属箔Ａ，Ｂの積層体は本発明に従った多孔体
になる。すなわち、図５（ａ）で判るように、ガス流動
方向Ｇには放射の自由行路は短くなる。ガスそのものは
矢印ｇで示すように、突出部Ｔの間隙を、突出部Ｔに衝
突・熱伝導を繰返しながら、乱流状態で多孔体内をガス
流動方向Ｇに通過する。ガス流動方向に直角な方向Ｈに
は、図５（ｂ）に断面図を示すようによく見通せるた
め、放射の自由行路が長くなる。勿論、完全に見通せな
くても見通せる距離が長ければよい。

【００２８】該突出部Ｔは、気体との熱交換の容易なよ
うに、突出部Ｔ自体が、例えばスポンジ状の通気性の多
孔体であることが好ましい。さらに、該突出部が絶縁体
であれば隣接する箔同士の電気絶縁を確保するための箔
表面上の絶縁膜形成の必要が無く、また突出部Ｔの高さ
で決まる金属箔同士の間隔（開孔）を安定にする。

【００２９】

【実施の形態】本発明の発電素子は例えば、前記のよう
に熱電対の関係にあるアルメル及びクロメルの金属箔
Ａ，Ｂを用いる。アルメル及びクロメルはＮｉ基合金で
あり、耐熱性，耐久性は高く、燃焼反応に際しての触媒
作用も期待できる。アルメル及びクロメル以外にも、鉄
及びコンスタンタン（銅合金）等が考えられるが、温度
計測用のように温度・起電力間の直線性は必要でないの
で、温度計測用に比べ熱電対材料の選択自由度は高い。
動作温度や起電力，耐久性，コストなどを勘案して最適
な材料が選択される。

【００３０】金属箔Ａ，Ｂの表面に塗布又は付着される
放射熱吸収率の高い耐熱性皮膜の形成方法には、箔材料
に応じて高温酸化や薬品による表面処理・化学処理や、
炭素粒子，金属酸化物等の耐熱性黒色顔料等を塗装等に
より付着させる方法がある。塗装は、浸漬，ロールコー
ティング，スピンコーティング，吹き付け等が採用可能
である。箔の材質によっては、例えば適当な露点に調整
された水蒸気雰囲気中、処理温度：５００℃程度、均熱
時間：数１０分程度の熱処理で表面を黒化することもで
きる。鉄基合金の場合は、いわゆる黒さびを表面に形成
するとよい。

【００３１】炭素粒子の場合、発電時の温度レベルや酸
化雰囲気等によっては燃えてしまって損耗することが考
えられる。この点、耐熱性の無機顔料等が適当である。
放射熱吸収率の高いものは一般的には黒色であるが、放
射熱（赤外〜遠赤外線）を吸収する限り、白色でも採用
可能である。放射熱の吸収性から言えば、窒素雰囲気中
で金を加熱蒸着することにより得られる金黒（ゴールド
ブラック）を付着させるのが最も好ましい。放射熱吸収
率の高い耐熱性皮膜の形成は、金属箔の形状加工前に行
ってもよいが、加工による皮膜の脱落等を避けるため、
形状加工後に行うのがよい。

【００３２】金属箔Ａ，Ｂに付けられる波型の形状は、
ガス流動方向の超断熱性能の観点から、気体との接触面
積を大きくするため金属箔の厚みは出来るだけ薄くして
枚数を多くし、ガス流動方向に放射の自由行路（見通せ
る距離）を短くするため、金属箔Ａ，Ｂにつけられる波
型の周期は出来るだけ小さく、波型の振幅は大きくする
のが良い。そのうえで、ガス流動方向に直角な方向には
放射の自由行路が長くなるように、波型をつけないか、
適宜波型の周期を大きく、振幅を小さくする。

【００３３】このような波型を形成する方法のひとつ
に、周面にスパイク状の鋭い突起Ｓａ，Ｓｂを備えた２
個のロールＲａ，Ｒｂの間に帯状の箔材Ｗを通す方法が
ある（図６）。この方法によると、箔材Ｗは表裏反対方
向から突起Ｓａ及びＳｂにより変形し，同時に穿孔され
るので、金属箔に要求される細孔と波型を同時に付ける
ことが出来る。この突起Ｓａ，Ｓｂの間隔，配置を変え
ることにより金属箔の形状を変化させることが出来る。
すなわち、縦横等ピッチで、突起Ｓａ，Ｓｂを通板方向
Ｒに１列ごとに互い違いに整列（図７ａ）させると、縦
横両方向に略同形の波型がつけられる。突起Ｓａ，Ｓｂ
を通板方向Ｒに直角な方向に１列ごとに並べた配置（図
７ｂ）では通板方向Ｒに直角な方向の波型の振幅が大き
くなる。図７（ｃ）のように配置すると通板方向Ｒの波
型の振幅が大きくなる。図７（ｄ）のように通板方向Ｒ
に直角な方向のピッチＰｌを大きくすれば、この方向の
波型の周期を大きくし、振幅も小さく出来、細孔の数も
減らせる。

【００３４】波型と同時に穿孔される細孔は、周囲にバ
リが残される状態になるので、気体との接触面積が増え
気体の乱流が発生し、気体・固体間の熱交換効率が高く
なる。突起Ｓａ，Ｓｂによる金属箔に付けられる凹凸は
互いに逆になり、バリの出る方向も互いに逆になる。穿
孔により金属箔の全体としての電気抵抗が上がるが、電
気抵抗が上がることを極力防ぐため、例えば突起Ｓａ，
Ｓｂの高さを一つおきに低くする事等で、細孔のサイズ
を変えたり、突起Ｓａ，Ｓｂの低いところでは穿孔せず
凹凸のみを付けることも可能である。

【００３５】気体に乱流を起こさせ、気体との接触面積
を大きくするため、金属箔の表面が細かい凹凸を有する
とさらに好ましい。突起Ｓａ，Ｓｂの間に小突起Ｓｓを
多数設ければ（図７ｅ）、細孔を伴う主たる波型の間に
さざなみ状の形状をもった断面（図７ｆ）が形成され
る。このように、この加工方法では２個のロールＲａ，
Ｒｂのスパイク状の鋭い突起Ｓａ，Ｓｂのロール面上の
配置や高さを適宜変えたり、またロールＲａ，Ｒｂ間の
距離を変えることにより、金属箔に付けられる波型が調
整でき、ひいては発電多孔体の性能を調整できる。加工
技術にもよるが現状では、金属箔の厚み：５０μｍ程
度，波型の周期（スパイクの間隔で決まる）・振幅：各
１ｍｍ前後が現実的である。

【００３６】ガス流動方向の波型の付いた金属箔Ａ，Ｂ
の組合せは、図８（ａ）に示すように位相を一にして組
合せても良いし、図８(ｂ)のように位相を１８０度ずら
せ、波型の山部と山部を付合わせても良い。図８（ａ）
の場合は、金属箔Ａ，Ｂの間隙を確保する意味でも、前
記突出部Ｔをスペーサを兼ねて設けるのが好ましい。図
８(ｂ)の場合にも、付合わせられる波型の山部同士で電
気的な短絡が発生しやすいので、絶縁を兼ねて前記突出
部Ｔを設けるのが好ましい。この場合、山部の付合わせ
部分でガス流れを確保するように突出部には適宜、切れ
目が設けられる。図８(ｃ)のように、金属箔Ａ，Ｂに付
けられる波型を適宜傾斜させ、金属箔Ａ，Ｂをそれぞれ
波型の傾斜が反対方向になるように組合せると、各波型
の山部の付合わせ部分が、図８(ｄ)のようにポイントｐ
となり、このポイント以外の部分ではガス流が確保で
き、同時に金属箔Ａ，Ｂ同士の間隔も確保できる。

【００３７】以上のように準備されたアルメル及びクロ
メルの金属箔Ａ，Ｂは、定寸に切断され図３のように、
それぞれ上端および下端が溶接，ロウ付け等の適宜の手
段で、互い違いにツヅラ折状に接続される。低温側接合
部２Ｌ，２Ｌ，．．のツヅラ折状の最両端に、ニッケル
帯等の取出し電極３，３が接続される。必要に応じて酸
化処理により金属表面に絶縁膜が形成され、本発明に従
った発電素子となる。

【００３８】熱電対の金属箔Ａ，Ｂ上に設けられる突出
部Ｔは、金属箔Ａ，Ｂと同様に気体との熱交換が良いよ
うにスポンジ状で通気性があり、熱伝導性に富み、放射
熱吸収率のよい素材が好ましく、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ等の高
融点金属やシリカ，アルミナ，サファイア，炭化ケイ
素，窒化珪素等のセラミックス材料及びこれらの混合物
が考えられる。これらの粉末や繊維の焼結・圧着等によ
り金属箔Ａ，Ｂ上に形成される。突出部Ｔの形成には、
半導体の微細加工技術，機械の精密加工技術等も採用で
きる。勿論、突出部Ｔの表面を放射熱吸収率の高い耐熱
性皮膜で覆うこともできる。

【００３９】放射の自由行路を小さくするため突出部Ｔ
のガス流動方向の幅・配置ピッチは小さいほど良いが、
加工・成型技術にもより、０．１〜数ｍｍ程度が現実的
である。突出部Ｔのガス流動方向に直角方向の長さは、
発電素子のガス流動方向の通気性（低圧損）が確保でき
る範囲で長いほど良い。

【００４０】このように作成された多孔体熱電発電素子
は通気性であり、低温側接合部２Ｌ側から高温側接合部
２Ｈに向けて混合可燃ガスを導入し、多孔体内で燃焼さ
せると、高温側接合部２Ｈは燃焼熱によって加熱され、
低温側接合部２Ｌは続けて補給される低温（常温）の可
燃ガスによって冷却される。逆に可燃ガスは多孔体内を
移動するうちに加熱され、燃焼領域に到達する時点では
十分に温度が上がってスムーズな燃焼反応が起きる。結
果として低温側接合部２Ｌと高温側接合部２Ｈとの間に
急峻な温度勾配が発生し、ツヅラ折り状に構成され多数
の熱電対が直列接続された多孔体の両取出し電極から、
高い効率で電力が取り出せる。

【００４１】実際の装置では、燃焼済みの高温排気ガス
は熱の有効利用の観点から、湯を沸かす等の仕事をさせ
ることも考えられる。しかし、発電装置として発電効率
向上の観点からは、燃焼済みの高温排気ガスは、排気側
に対向配置された第２の多孔体熱電発電素子又は超断熱
多孔体を通して排気するのが好ましい。この時、排気ガ
スはこの多孔体に熱量を伝達して冷却されてから大気に
開放されるので、この配置により両多孔体の間の空間は
高温に維持される。さらには、前掲の越後教授の論文に
紹介されたような、往復燃焼システムとすることも考え
られる。なお、この発電素子を用いた発電装置の最初の
予備加熱は、前記実験のようにガスに点火した後、ガス
量を調整してもよいが、この多孔体に外部から電流を流
してやることで容易に多孔体を加熱できる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の多孔体熱電発電素子は、以上に
説明したように多孔体を構成する金属箔の表面を放射熱
吸収率の高い耐熱性皮膜で覆っている。そのため、ガス
流動方向に温度勾配がつきやすく、高い起電力が得られ
る。また、多孔体の放射の自由行路をガス流動方向に直
角の方向には長く設定し、ガス流動方向には短く設定す
るとき、ガス流動方向に直角の方向には温度の均一性が
図られるため、接合部分での無効電流を抑制する。発生
した急峻な温度勾配を有効利用できるので発電の効率を
向上させることが可能となる。この発電方式によれば、
アルコール，メタン，エタン等の燃料を直接利用でき燃
料電池等のように燃料の改質の必要もない。さらに、超
断熱効果を利用するため、例えば塗装工場等から排出さ
れる希薄燃焼ガスを別途の助燃ガスを必要とせず燃焼で
きる往復燃焼排気処理装置にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は多孔体熱電発電素子の従来例（ａ）及び多孔
体熱電発電素子を用いた発電実験装置（ｂ）。

【図２】は従来の多孔体熱電発電素子を用いた発電時の
金属箔の温度分布を等温線で示した図（ａ）及び高温側
接合部内で発生する無効電流を説明する断面図（ｂ）。

【図３】は本発明に従った一実施例。

【図４】は本発明に従った他の実施例。

【図５】は本発明の突出部の作用を説明する図。

【図６】は金属箔に波型を付ける方法の一例。

【図７】はロール上でのスパイク状突起の配置例を示す
図（ａ〜ｅ）及び波型を付けた金属箔の断面図（ｆ）。

【図８】はガス流動方向のみに波型を付けた金属箔Ａ，
Ｂの突合せ方法を示す図（ａ，ｂ）及び波型の方向をわ
ずかに傾斜させた金属箔Ａ，Ｂを示す図（ｃ，ｄ）。

【符号の説明】

１：発電素子２Ｈ：高温側接合部２Ｌ：低
温側接合部３：取り出し電極Ａ，Ｂ：熱電対の関係にある２種の金属の箔Ｔ：突出部Ｇ：ガス流動方向Ｈ：ガス流動
方向に直角な方向Ｒａ，Ｒｂ：ロールＳａ，Ｓｂ：スパイク状突起
Ｗ：箔材Ｒ：通板方向Ｐｈ：通板方向のピッチＰ
ｌ：通板方向に直角な方向のピッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電対の関係にある２種の金属又は合金
の箔を積層し、第１の金属又は合金の箔の一端を隣合う
第２の金属又は合金の箔の一端に接合することにより多
数の直列接続された熱電対をツヅラ折状に構成し、接合
部以外の個所で第１の金属又は合金の箔と第２の金属又
は合金の箔とを電気的に絶縁し、燃焼ガスが通過する複
数の細孔が第１及び／又は第２の金属又は合金の箔に穿
設され、第１及び／又は第２の金属又は合金の箔の表面
に放射熱吸収率の高い耐熱性皮膜が設けられたことを特
徴とする多孔体熱電発電素子。
【請求項２】熱電対の関係にある２種の金属又は合金
の箔を積層し、第１の金属又は合金の箔の一端を隣合う
第２の金属又は合金の箔の一端に接合することにより多
数の直列接続された熱電対をツヅラ折状に構成し、接合
部以外の個所で第１の金属又は合金の箔と第２の金属又
は合金の箔とを電気的に絶縁し、燃焼ガスが通過する複
数の細孔が第１及び／又は第２の金属又は合金の箔に穿
設され、ガス流動方向に直角な方向に沿った放射の自由
行路がガス流動方向に沿った放射の自由行路よりも長い
ことを特徴とする多孔体熱電発電素子。
【請求項３】２種の金属又は合金の箔の少なくとも一
方に波型が縦横方向に形成され、ガス流動方向と直角な
方向の波型の振幅がガス流動方向の波型の振幅より小さ
く形成され、及び／又はガス流動方向と直角な方向の波
型の周期がガス流動方向の波型の周期より大きく形成さ
れた請求項１又は２に記載の多孔体熱電発電素子。
【請求項４】２個のロールの表面に等ピッチで１列ご
とに交互に整列して設けられた複数の突起が金属又は合
金の箔の表裏から交互に突き刺さるように、ロール間を
通板させることにより、縦横方向の波型が異なる形状に
形成された金属又は合金の箔を用いる請求項３に記載の
多孔体熱電発電素子。
【請求項５】表面に等ピッチで整列して設けられた複
数の突起の間に、小突起が整列して設けられた２個のロ
ール間を通板させることにより、小さな波型が同時に形
成された金属又は合金の箔を用いる請求項４に記載の多
孔体熱電発電素子。
【請求項６】２種の金属又は合金の箔の少なくとも一
方の表面上に、ガス流動方向と直角な方向に長い形状の
突出部が設けられている請求項１〜５何れかに記載の多
孔体熱電発電素子。
【請求項７】突出部が通気性の多孔体素材からなる請
求項６に記載の多孔体熱電発電素子。