JP2007068297A - Gas power generation equipment and fuel cell system combined with gas power generation equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換させる際、より一層熱電変換効率を向上を図ったガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a gas power generator that further improves thermoelectric conversion efficiency when converting thermal energy of a high-temperature gas into electric energy, and a fuel cell system combined with the gas power generator.
近時、人類のエネルギ消費量が歴史的に例を見ないほど加速されており、CO2等の温室効果ガスによる地球温暖化が深刻な社会問題としてクローズアップされ、CO2発生をできるだけ抑制する施策が世界中から求められている。 Recently, human energy consumption has been accelerated to an unprecedented level, and global warming due to greenhouse gases such as CO 2 has been highlighted as a serious social problem, and CO 2 generation is suppressed as much as possible. Measures are required from all over the world.
このような要望の中、省エネルギの観点から、廃熱の有効活用の研究開発が進められており、その中でも、中小規模の廃熱利用が注目されている。 Under such demands, research and development of effective use of waste heat is being promoted from the viewpoint of energy saving, and among them, the use of medium to small-scale waste heat is attracting attention.
中小規模の廃熱利用は、たとえその熱の質が良好でも、熱量自体が比較的低いので、例えば、蒸気タービン等の大規模な廃熱利用の発電プラントでは、熱量を大きくするために大掛りな設備になってしまい、発電効率が低くなり、既存設備の改造や保守、補修のコストに見合う電気量が得られない等の問題がある。 Medium and small-scale waste heat use has a relatively low heat quantity even if the heat quality is good. For example, in a large-scale waste heat use power plant such as a steam turbine, a large amount of heat is required to increase the heat quantity. There is a problem that the power generation efficiency is lowered and the amount of electricity corresponding to the cost of modification, maintenance and repair of the existing equipment cannot be obtained.
また、その熱量が低いことから、温水利用などにも見送られている場合が多く、世界的に中小規模の廃熱利用は、広い分野に亘って積極的に活用し難い傾向にあった。 In addition, due to its low calorific value, it is often sent off for hot water use and the like, and the use of small and medium-sized waste heat worldwide tends to be difficult to actively use over a wide range of fields.
このような情況の中で、中小規模の廃熱でも、その熱エネルギから電気エネルギを簡易にして小さな設備で変換できる熱電変換装置の実現が求められていた。 Under such circumstances, there has been a demand for the realization of a thermoelectric conversion device that can easily convert electric energy from the heat energy into small-scale waste heat with a small facility even with small-scale waste heat.
このような要請に基づいて、最近、特許文献1や非特許文献1に見られるように、半導体素子を用いて高温流体の熱エネルギを、直接、電気エネルギに変換する熱電変換装置の開発が進められている。
Based on such a request, recently, as seen in
高温流体がガスの場合、例えば、特許文献2に開示されているように、高温ガスが流れる高温ガス流路(高温側)と冷却媒体流路(低温側)との間に熱エネルギを電気エネルギに変換する半導体素子をモジュール化し、モジュール化した半導体素子を高温側と低温側との間に配置して発電を行うことが提案されている。
When the high-temperature fluid is a gas, for example, as disclosed in
このような構成を有するガス発電システムにおいて、熱電変換効率を向上させるには、高温側の温度を高めるとともに、高温側と低温側との温度差を大きく採ることが必要である。 In the gas power generation system having such a configuration, in order to improve the thermoelectric conversion efficiency, it is necessary to increase the temperature on the high temperature side and to take a large temperature difference between the high temperature side and the low temperature side.
また、高温側および低温側の各流路部材の熱伝導性を良好にすることはもとより、モジュール化した半導体素子の高温側および低温側の接触熱抵抗が少なく、かつ適切な面圧力で互いを接触させることが必要とされていた。 In addition to improving the thermal conductivity of each flow path member on the high temperature side and the low temperature side, the contact heat resistance on the high temperature side and the low temperature side of the modularized semiconductor element is small, and each other with an appropriate surface pressure. Contact was required.
このような問題点に対し、試行錯誤的に考察が加えられているものの、未だ解決の目途が見えず、現在、模索中である。
ガス発電装置は、高温側が、例えば、固体電解質型燃料電池の場合、800〜1000℃程度まで温度上昇するので、その温度に応じて長手方向(軸方向)、幅方向、厚さ方向の熱膨張が大きくなる。 In the case of a gas power generation device, for example, in the case of a solid oxide fuel cell, the temperature of the gas power generation device rises to about 800 to 1000 ° C. Therefore, thermal expansion in the longitudinal direction (axial direction), width direction, and thickness direction depends on the temperature. Becomes larger.
その一方、低温側では、最近でも外気温度程度であり、熱膨張が小さい。 On the other hand, on the low temperature side, the temperature is still around the outside temperature recently and thermal expansion is small.
このように、著しく温度差が大きくなると、モジュール化した半導体素子の高温側と低温側とでひずみやずれが生じ、半導体素子は、破損の虞があった。 Thus, when the temperature difference becomes remarkably large, distortion and deviation occur between the high temperature side and the low temperature side of the modularized semiconductor element, and the semiconductor element may be damaged.
また、温度差が大きいと、半導体素子は、熱膨張に伴って高温側や低温側との面接触力が低下し、接触熱抵抗が大きくなって熱伝導性が悪くなり、熱電変換効率が著しく低下することがあった。特に、ガス発電装置に使用されているモジュール化した半導体素子の材料は脆く、剛性が低いため、変形に伴う熱伝導性の低下や材料自体の破損等の問題を抱えていた。 In addition, if the temperature difference is large, the surface contact force between the high temperature side and the low temperature side is reduced due to thermal expansion, the semiconductor element has a large contact thermal resistance, and the thermal conductivity is deteriorated, and the thermoelectric conversion efficiency is remarkably increased. There was a decline. In particular, since the material of the modularized semiconductor element used in the gas power generation apparatus is brittle and has low rigidity, it has problems such as a decrease in thermal conductivity due to deformation and damage to the material itself.
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換する際、熱電変換効率のより一層の向上を図ったガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such circumstances, and is combined with a gas power generation apparatus and a gas power generation apparatus that further improve the thermoelectric conversion efficiency when converting the thermal energy of gas into electric energy. An object is to provide a fuel cell system.
本発明に係るガス発電装置は、上述の目的を達成するために、本体胴内の中央部に高温ガスを通流させるガス通路と、このガス通路の外側に、冷却媒体通路壁で画成され、p型半導体チップとn型半導体チップで構成する熱電変換モジュールを収容する熱電変換モジュール収容部とを備える通路区画部を設けるとともに、前記通路区画部に隣接し、前記高温ガスの通流に対し、冷却媒体を交差しながら蛇行させて通流する冷却媒体通路を設けたものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the gas power generator according to the present invention is defined by a gas passage for allowing a high-temperature gas to flow through a central portion in the body trunk, and a cooling medium passage wall outside the gas passage. Providing a passage partition portion including a thermoelectric conversion module housing portion for housing a thermoelectric conversion module composed of a p-type semiconductor chip and an n-type semiconductor chip, and adjacent to the passage partition portion, for the flow of the high-temperature gas In addition, a cooling medium passage is provided which passes through the cooling medium while meandering.
本発明に係るガス発電装置と組み合せた燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、少なくとも二つ以上のガス発電装置に燃料電池を組み合せるとともに、前記ガス発電装置に前記燃料電池からの排ガスを高温ガスとして供給する手段と、前記ガス発電装置に冷却媒体として燃料ガス、空気、水素と空気の混合ガス、燃料ガスと空気との混合ガス、一酸化炭素と空気との混合ガスのいずれかを選択して供給する手段とを備えたものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system combined with a gas power generation device according to the present invention combines a fuel cell with at least two gas power generation devices, and the gas power generation device from the fuel cell. Any of means for supplying exhaust gas as a high-temperature gas, and fuel gas, air, a mixed gas of hydrogen and air, a mixed gas of fuel gas and air, and a mixed gas of carbon monoxide and air as a cooling medium to the gas power generator And a means for selecting and supplying these.
本発明に係るガス発電装置は、高温ガスの流れに対し、冷却媒体を交差させながら蛇行させる通路区画部を設けるとともに、通路区画部の両側の外側にガス通路壁、冷却媒体通路壁を設け、各壁内に熱電変換モジュールを収容させ、その剛性および面接触性を高める構成にしたので、熱電変換モジュールの安定性を維持させて熱伝導性と熱電変換効率をより一層良好にし、かつ向上させることができる。 The gas power generation device according to the present invention is provided with a passage partition portion that meanders while intersecting the cooling medium with respect to the flow of the high-temperature gas, and a gas passage wall and a cooling medium passage wall are provided outside both sides of the passage partition portion, Since the thermoelectric conversion module is accommodated in each wall and its rigidity and surface contactability are increased, the stability of the thermoelectric conversion module is maintained, and the thermal conductivity and thermoelectric conversion efficiency are further improved and improved. be able to.
また、本発明に係るガス発電装置と組み合せた燃料電池システムは、ガス発電装置の熱電変換モジュールに、燃料電池本体からの排ガスを高温ガスとして供給し、エネルギの再利用を図ったので、排エネルギの有効活用の下、ガス発電装置の熱電変換効率をより一層向上させることができる。 Further, the fuel cell system combined with the gas power generation device according to the present invention supplies the exhaust gas from the fuel cell main body as a high-temperature gas to the thermoelectric conversion module of the gas power generation device, so that the energy can be reused. The effective thermoelectric conversion efficiency of the gas power generator can be further improved.
以下、本発明に係るガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。 Hereinafter, embodiments of a gas power generation apparatus and a fuel cell system combined with the gas power generation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings and reference numerals attached to the drawings.
図1は、本発明に係るガス発電装置に組み込まれる熱電変換モジュールの一つを取り出し、その原理を説明する概念図である。 FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the principle of one of the thermoelectric conversion modules incorporated in the gas power generation apparatus according to the present invention.
熱電変換モジュール1には、p型半導体チップ2およびn型半導体チップ3が高温側電極5を有する高温側絶縁板7と、低温側電極6を有する低温側絶縁板8とに挟まれ、ペアとして熱電変換素子4を構成し、電気的および熱的に多くの熱電変換素子4が設けられている。
In the
また、p型半導体チップ2およびn型半導体チップ3は、高温側電極5と高温側半導体チップ接続部11で接続させ、さらにp型半導体チップ2およびn型半導体チップ3は、低温側電極6と低温側半導体チップ接続部12で接続される。
The p-
このような構成を備える熱電変換モジュール1において、高温側電極5に熱流13が与えられると、その熱は高温側半導体チップ接続部11を介してp型半導体チップ2およびn型半導体チップ3のそれぞれに伝えられる。
In the
さらに、その熱は各半導体チップ2,3を通る際、熱流14に沿って流れるとともに、各内部における半導体キャリアである正孔16および電子17のそれぞれが低温側はとチップ接続部12を介して低温側電極6に向って移動する。
Furthermore, when the heat passes through the
また、各半導体チップ2,3を通る熱流14は、低温側電極6を通過し、ここから外部に放出される熱流15になる。
Further, the heat flow 14 passing through each of the
一方、熱電変換モジュール1の外部には、熱電変換素子4に設けた電極電流取合部9および電流取出部10を介して電気負荷部19が設けられており、上述各半導体キャリアの移動が電流の流れ18として電気負荷部19で取り出され、電力として外部に供給される。
On the other hand, an
このように、熱電変換モジュール1は、高温側と低温側との温度差を、熱電変換素子4の持つ能力を巧みに利用し、直接、電気に変換して外部に電力を供給するようになっている。
As described above, the
このように、熱エネルギを電気エネルギに変換させる熱電変換モジュール1を組み込んだガス発電装置20は、図2に示すように、ボックス状の本体胴21と、この本体胴21の中央部における軸方向(長手方向)に沿って高温ガス22を通流させるガス通路23と、冷却媒体24を本体胴21に供給する冷却媒体供給路25と、本体胴21内の高温ガス22と熱電変換させた後の冷却媒体24を外部に排出させる冷却媒体排出路26とを備えている。
In this way, the gas
また、ガス発電装置20の本体胴21には、図3に示すように、その内部中央を、高温ガス22が軸方向に沿って流れるのに対し、冷却媒体供給路25から供給される冷却媒体24が横断しながら蛇行流れとなるように、底部側から頭部側に向って一側端を冷却媒体通路開口部27にし、他側端を冷却媒体袋通路部18に形成する冷却媒体通路28a,28a,…と、この冷却媒体通路28a,28a,…毎に区画部29,29,…が設けられ、各通路区画部29,29,…内に熱電変換モジュール1を収容させる構成になっている。
Further, as shown in FIG. 3, the
図4は、ガス発電装置20の本体胴21内の熱電変換モジュール1、冷却媒体通路開口部27および冷却媒体袋通路部28等の位置関係を示す図であり、ガス発電装置20は、本体胴21の両側に冷却発電通路開口部27と冷却媒体通路部28を配置し、中間位置に熱電変換モジュール1とガス流路23を収容、形成する通路区画部29,29,…を備えている。
FIG. 4 is a diagram showing a positional relationship among the
そして、破線の領域Aを抜き出し、冷却媒体通路28a,28a,…と、通路区画部29,29,…との位置関係を、今少し、図5を用いて詳しく説明すると、本体胴21は、冷却媒体通路28a,28a,…毎に隣接して通路区画部29,29,…を設けるとともに、通路区画部29,29,…内のうち、中央部をガス通路壁30,30,…で区画するガス通路23を備え、その外側に冷却媒体通路壁32で画成し、熱電変換モジュール1を収容させる熱電変換モジュール収容部31を備える一方、熱電変換モジュール収容部31の端部に、熱電変換モジュール1に接続させるリード線等を挿通させる通路部33を備えている。
Then, a broken line area A is extracted, and the positional relationship between the
このような構成を備えるガス発電装置20において、ガス通路23に供給される高温ガスは、ガス通路壁30,30を介して熱電変換モジュール1に高温熱を与え、さらに、冷却媒体供給路25から冷却媒体通路28a,28a,…に供給され、高温ガスに交差しながら蛇行して流れる冷却媒体は、冷却媒体通路壁32,32を介して熱電変換モジュール1に冷媒熱を与える。そして、熱電変換モジュール1は、高温ガスの高温熱と冷却媒体の冷媒熱との温度差を利用して電力を生成する。
In the
このように、本実施形態は、高温ガスの流れに対し、冷却媒体を交差し、蛇行させて流す際、冷却媒体通路28a,28a,…毎に隣接して通路区画部29,29,…を設け、各通路区画部29,29,…をガス通路壁30,30と冷却媒体通路壁32,32とで区画し、区画した各壁29,29,…32,32,…間に形成する熱電変換モジュール収容部31に熱電変換モジュール1を収容させてその剛性および面接触性を高く維持させる構成にしたので、熱電変換モジュール1の安定性を維持させて熱伝導性を良好にさせ、熱電変換効率をより一層向上させてより多くの電力を生成させることができる。
As described above, in the present embodiment, when the cooling medium intersects and meanders with respect to the flow of the high-temperature gas, the
図6は、本発明に係るガス発電装置の第2実施形態を示す斜視図である。 FIG. 6 is a perspective view showing a second embodiment of the gas power generator according to the present invention.
本実施形態に係るガス発電装置20は、第1ガス発電装置20aと第2ガス発電装置20bとの少なくとも2台以上のガス発電装置を組み合せたものである。
The gas
第1ガス発電装置20aと第2ガス発電装置20bは、ともに、第1実施形態と同様に、ボックス状の本体胴21a,21bと、本体胴21a,21bの軸方向に沿って高温ガス22を通流させるガス通路23a,23bと、冷却媒体24を本体胴21a,21bに供給する冷却媒体供給路25a,25bと、冷却媒体24を本体胴21a,21bに供給する冷却媒体供給路25a,25bと、本体胴21a,21b内の高温ガス22と熱電変換させた後の冷却媒体24を外部に排出させる冷却媒体排出路26a,26bとを備えている。
Both the first gas
また、第1ガス発電装置20aの本体胴21aに設けた冷却媒体供給路25aに冷媒として空気34が供給され、ガス通路23aに高温ガスとして固体電解質型燃料電池(図示せず)の排ガス35が供給される。
In addition,
また、第2ガス発電装置20bの本体胴21bに設けた冷却媒体供給路25bに冷媒として燃料ガス36が供給され、ガス通路23bに高温ガスとして固体電解質型燃料電池の排ガス35が供給される。
Further, the
この場合、空気34と燃料ガス36は、混合であってもよく、燃料ガスは都市ガス、水素ガスあるいは一酸化炭素ガスでもよい。
In this case, the
なお、各本体胴21a,21b内は、第1実施形態の構成と同様なので、ここでは説明を省略する。 In addition, since each main body trunk | drum 21a, 21b is the same as that of the structure of 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted here.
このように、本実施形態は、ガス発電装置20を、第1ガス発電装置20aと第2ガス発電装置20bの少なくとも2台以上を組み合わせて構成するとともに、冷却媒体供給路25a,25bおよびガス通路23a,23bのそれぞれ供給する流体を異ならしめたので、流体の種類を広く選択して熱電変換に対処させることができる。
As described above, in the present embodiment, the gas
図7は、本発明に係るガス発電装置を組み合せた燃料電池システムの実施形態を示す概略系統図である。 FIG. 7 is a schematic system diagram showing an embodiment of a fuel cell system combined with a gas power generation apparatus according to the present invention.
本実施形態に係るガス発電装置を組み合せた燃料電池システムは、図6で示した、例えば第1ガス発電装置21aと第2ガス発電装置21bとの少なくとも2台以上のガス発電装置20と、例えば固体電解質型の燃料電池本体37とを組み合わせて構成する発電プラント43になっている。
The fuel cell system combined with the gas power generation device according to the present embodiment includes, for example, at least two gas
発電プラント43のうち、ガス発電装置20の一つは、高温ガスとして燃料電池本体37からの排ガス35を使用し、冷却媒体として空気34を使用するとともに、例えば大気からの空気を吸引するブロア38と、吸い込んだ空気34を燃料電池本体37からの排ガス35の流量とバランスさせるために流量制御する空気流量制御部39とを備え、この空気流量制御部39からの指令に基づいてブロア38の回転数を増減調整している。
Among the power generation plants 43, one of the gas
また、ガス発電装置20の他の一つは、高温ガスとして燃料電池本体37からの排ガス35を使用し、冷却媒体として、例えば都市ガス(燃料ガス)40を使用するとともに、都市ガス40に含まれる硫黄を除去する脱硫器41と、供給された都市ガス40を燃料電池本体37からの排ガス35の流量とバランスさせるために流量制御する都市ガス流量制御部42とを備え、この都市ガス流量制御部42によって都市ガス40の流量を制御している。なお、冷却媒体は、都市ガス40に代えて水素と空気の混合ガス、燃料ガスと空気との混合ガス、一酸化炭素と空気との混合ガスのうち、いずれかを選択して使用してもよい。
Another one of the gas
都市ガス流量制御部42で流量制御され、都市ガス40は、少なくとも2台以上の第1ガス発電装置20a、第2ガス発電装置20bからなる発電装置20に供給され、ここで熱電変換が行われる。
The city gas flow
この熱電変換は、高温ガスとして燃料電池本体37からの排ガス35を使用し、冷却媒体としての都市ガス40との温度差を利用し、上述図3〜図5で示した熱電変換モジュール(図示せず)で熱エネルギを電気エネルギに変換し、電力を生成する。
In this thermoelectric conversion, the
熱電変換後の都市ガス40は、改質器44で水素濃度リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池本体37で酸素ガスと化学反応し、電力を生成する。
The
なお、ガス発電装置20(20a,20b)に組み込まれる熱電変換モジュール1のp型半導体チップ2およびn型半導体チップ3は、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、すず、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、ビスマス、テルル、セレン、鉛のうち、少なくも3つ以上の元素が選択される。
The p-
また、p型半導体チップ2−n型半導体チップ3は、ゲルマニウム−シリコン、ビスマス−テルル、ビスマス−アンチモン、ビスマス−テルル−アンチモン、亜鉛−アンチモン、コバルト−アンチモン、鉄−アンチモン、鉄−シリコン、鉛−テルル、ホウ素−炭素のいずれかを主成分にしてもよい。
The p-type semiconductor chip 2 -n-
また、p型半導体チップおよびn型半導体チップ3は、マンガン−シリコン、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト結晶構造、ホイスラー結晶構造、ハーフホイスラー結晶構造、クラスレート結晶構造のいずれでもよい。
The p-type semiconductor chip and the n-
このように、本実施形態は、ともに電力を生成するガス発電装置20(20a,20b)と燃料電池本体37を備えるとともに、ガス発電装置20(20a,20b)の熱電変換モジュール1に供給する高温ガスと燃料電池本体37からの排ガス35に求め、エネルギの有効活用を図ったので、ガス発電装置20(20a,20b)の熱電変換効率をより一層向上させることができる。
As described above, the present embodiment includes the gas power generation device 20 (20a, 20b) and the fuel cell
1 熱電変換モジュール
2 p型半導体チップ
3 n型半導体チップ
4 熱電変換素子
5 高温側電極
6 低温側電極
7 高温側絶縁板
8 低温側絶縁板
9 電極電流取合部
10 電流取出部
11 高温側半導体チップ接続部
12 低温側半導体チップ接続部
13,14,15 熱流
16 正孔
17 電子
18 電流の流れ
19 電気負荷部
20 ガス発電装置
20a 第1ガス発電装置
20b 第2ガス発電装置
21,21a,21b 本体胴
22 高温ガス
23,23a,23b ガス通路
24 冷却媒体
25,25a,25b 冷却媒体供給路
26,26a,26b 冷却媒体排出路
27 冷却媒体通路開口部
28 冷却媒体袋通路部
28a 冷却媒体通路
29 通路区画部
30 ガス通路壁
31 熱電変換モジュール収容部
32 冷却媒体通路壁
33 通路部
34 空気
35 排ガス
36 燃料ガス
37 燃料電池本体
38 ブロア
39 空気流量制御部
40 都市ガス
41 脱硫器
42 都市ガス流量制御部
43 発電プラント
44 改質器
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Legal Events
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