JP3223330B2

JP3223330B2 - 熱電発電方法及びその装置

Info

Publication number: JP3223330B2
Application number: JP19677792A
Authority: JP
Inventors: 亮三越後
Original assignee: ALMT Corp
Current assignee: ALMT Corp
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 2001-10-29
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JPH06302867A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱電発電素子を利用した
熱電発電方法及びその装置に関し、特に往復動燃焼法を
組み合わせた新規な熱電発電方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ゼーベック効果を利用した熱電発
電素子は、金属の場合には例えば熱電対が、半導体の場
合には各種の熱電気変換デバイスがそれぞれ良く知られ
ている。図８は半導体による熱電発電素子の一例を示
し、ｎ型の半導体５１とｐ型の半導体５２とをπ型に組
合せたものである。半導体５１，５２の一端側、すなわ
ち高温側接合部には高温側電極５３を共通に設け、半導
体５１，５２の他端側、すなわち低温側接合部には低温
側電極５４，５５を別個に設けている。

【０００３】このような熱電発電素子によれば、高温側
接合部と低温側接合部とに温度差ΔＴ＝Ｔ_h−Ｔ_cを与
えると、これらの両端には電圧Ｖ_ABが発生する。それ
故、低温側電極５４と５５との間に負荷を接続すると、
電流が流れ電力を取り出すことができる。

【０００４】この種の熱電発電素子の最大効率η_maxは
次の数式１で表わされる。

【０００５】

【数１】

【０００６】但し、Ｍは次の数式２で表わされる。

【０００７】

【数２】

【０００８】数式２中、Ｚは熱電発電素子の性能指数と
呼ばれるパラメータであり、次の数式３で表わされる。

【０００９】

【数３】

【００１０】数式３中、αはゼーベック係数、σは導電
率、λは熱伝導率である。

【００１１】ところで、この種の熱電発電素子の効率は
高々１０％程度にすぎない。これは、高温側接合部に加
えられる熱量をＱ₁とすると、そのほとんどが２つの低
温側接合部から排熱Ｑ₂として系外に捨てられ、（Ｑ₁
−Ｑ₂）のわずかなエネルギーが電力に変換されるにす
ぎないという事情に起因する。しかも、発生した電力を
取り出す際には、熱電発電素子内にジュール発熱が起こ
り、熱損失を増加させるという事情もある。これに対
し、ジュール発熱が小さくなるように、熱電発電素子の
材料として導電率σの大きなものを選択すると、熱伝導
率λも大きくなって排熱Ｑ₂を増加させるだけでなく、
結果的に低温側接合部の温度Ｔ_cを押し上げてΔＴが小
さくなり、ゼーベック効果の低下を招くという二律相反
性の問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】これに対し、本発明者
は、多孔質媒体の内部における燃焼現象について永年に
わたり研究した結果、往復動燃焼法という燃焼方法によ
り多孔質媒体内に急峻な温度勾配が得られる点に着目し
た。

【００１３】往復動燃焼について図９を参照して簡単に
説明する。図９において、多孔質媒体６１にその一端側
から他端側に向けて可燃性ガス（燃焼用空気を含む）を
供給する動作と他端側から一端側に向けて可燃性ガスを
供給する動作とを交互に定周期で行いながら多孔質媒体
６１内で燃焼を生じさせると、中間部領域に最高温領域
が形成され、両端側には最低温領域ができるというもの
である。ここで、多孔質媒体とは、固体内に無数の微小
な空隙があり、しかも固体相が連続していると共に空隙
も連続しているもので、金属材料で言えば、例えばセル
メット（住友電気工業株式会社製）なる商品名で提供さ
れているものがある。

【００１４】上記のように温度差ができるのは、次のよ
うな燃焼動作に起因する。多孔質媒体６１の中心に一様
発熱領域を設定すると、多孔質媒体６１の一端側から供
給された可燃性ガスは燃焼によって中間部領域に達する
までに最高温度に到達し、更に進んで他端側に向かうに
つれて多孔質媒体６１により顕熱を奪われるために他端
側に達する前に最低温度まで低下する。そして、可燃性
ガスの供給が他端側に切換えられると、可燃性ガスは多
孔質媒体６１により予熱されながら中間部領域に達する
と最高温度となり、その後一端側に向かうにつれて多孔
質媒体により顕熱を奪われることにより一端側に達する
前に最低温度に低下する。このような、いわば往復動燃
焼を繰り返すと、最終的に入熱と出熱とが等しくなるま
で多孔質媒体６１内部の温度は上昇を続け、最終的に到
達する温度分布は図１０のようになる。燃焼条件は、可
燃性ガスの流速が０．６（ｍ／ｓ）で、黒丸が周期１０
秒、黒三角が周期５秒の場合である。横軸は多孔質媒体
の長さを示す。

【００１５】以上のように、多孔質媒体を用いた往復動
燃焼では、多孔質媒体の中間部領域と両端部との間には
数倍〜十数倍の著しい温度差が生じることが確認されて
いる。特に、燃焼のために必要な可燃性ガスは、発熱量
が３０ｋｃａｌ／ｍ³程度の低発熱量でも自力燃焼が可
能であるという点で注目されている。

【００１６】このような知見にもとづいて、本発明は高
い熱効率の得られる熱電発電方法及び装置を提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による熱電発電方
法は、多孔質の熱電発電媒体の両端面にそれぞれ電極を
配設すると共に、前記熱電発電媒体の一方の端面から他
方の端面に向けて可燃性ガスを導入して該熱電発電媒体
中で燃焼させる第１の燃焼反応と、前記熱電発電媒体の
前記他方の端面から前記一方の端面に向けて前記可燃性
ガスを導入して該熱電発電媒体中で燃焼させる第２の燃
焼反応とをあらかじめ定められた周期で交互に行うこと
により、前記熱電発電媒体の中間領域で最も高く、前記
電極に近い領域で最も低い温度分布領域を前記熱電発電
媒体中に形成し、前記電極から熱電発電電力を取り出す
ようにしたことを特徴とする。

【００１８】本発明によればまた、両端に電極を設けた
多孔質の熱電発電素子と、該熱電発電素子に対して一方
の端面から他方の端面、他方の端面から一方の端面に向
けてあらかじめ定められた周期で交互に所定時間だけ可
燃性ガスを導入すると共に燃焼ガスを排出して前記熱電
発電素子の中間部領域で燃焼を生じせしめる燃焼制御手
段とを備えたことを特徴とする熱電発電装置が得られ
る。

【００１９】本発明によれば更に、前記燃焼制御手段と
して、前記熱電発電素子に対して一方の端面から他方の
端面に向けて可燃性ガスを導入する第１のガス導入部
と、前記熱電発電素子に対して前記他方の端面から前記
一方の端面に向けて前記可燃性ガスを導入する第２のガ
ス導入部と、前記他方の端面からの燃焼排気ガスを排出
するための第１のガス排出部と、前記一方の端面からの
燃焼排気ガスを排出するための第２のガス排出部と、前
記第１，第２のガス導入部からのガス導入及び前記第
１，第２のガス排出部からのガス排出を切り換える制御
弁と、該制御弁の開閉を制御する制御部とを含むことを
特徴とする熱電発電装置が得られる。

【００２０】なお、前記熱電発電素子としては多孔質の
ｐ型半導体と多孔質のｎ型半導体とを接合したものが使
用される。

【００２１】また、前記あらかじめ定められた周期は数
１０秒以下の範囲が好ましい。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を説明する前に、本発明と密
接な関係にあり、本発明の原理とも言える熱伝導と熱電
発電について言及する。ゼーベック効果とは、量子効果
は別途考えるとすれば、熱伝導によって誘起された図８
に破線で示す如き温度分布に応じ、半導体５１、半導体
５２のいずれかにおいてホールあるいは電子気体が励起
されて起電力が発生することと考えられているが、問題
はこの電気現象が熱伝導（自由電子あるいはフォノン）
による熱移動と連携していることが熱電変換の本質であ
ると考えられている点にある。

【００２３】もし、このことが熱電変換の前提条件であ
るとすれば、図８に示されている通り、高温側接合部に
加えられた熱量Ｑ₁の大半は低温側接合部で排熱Ｑ₂と
して捨てなければならないことになる。したがって、Ｑ
₁とＱ₂のわずかな差が電力に変換され、またＱ₂は大
気温度近くの低質の熱エネルギーであるためほとんど利
用価値が無いことになり、高効率の熱電発電が難しいと
される背景になっている。

【００２４】これに対し、本発明においては、図１に示
すように、多孔性構造を有する多孔質媒体による熱電発
電媒体１０の中を、可燃性ガスが図１中に白抜きの矢印
で示すように、低温側接合部１１から高温側接合部１２
に向かう方向に流れると、熱電発電媒体１０内では流動
と熱的な条件が満たされるような場所で燃焼反応が起こ
る。そして、その発熱分布は図１中に太い破線で示すよ
うに、熱電発電媒体１０の中間部で最も高く、両端部で
最も低くなる。その結果、図１中に細い破線で示すよう
な温度分布が形成される。

【００２５】伝熱学では、これを対流支配によって形成
される温度場といい、熱伝導を考慮した厳密な解析によ
って明らかにすることができ、固体内の熱放射も考慮し
た理論解析により固体内の熱伝導は温度分布形成に決定
的役割を果たすことはないことが確認されている。そし
て、可燃性ガスは燃焼反応帯を経て燃焼ガスへと変化し
ながら熱伝導に逆らって流れてゆくことにより、低温側
接合部からの排熱Ｑ₂を大幅に低減することができ、高
効率化が可能となるのである。排熱Ｑ₂の低減化はま
た、多孔質の熱電発電媒体内での燃焼反応に加えて、ジ
ュール発熱も生じ低温側接合部に移動しようとするが、
可燃性ガスの導入により押し戻されるかたちとなり、結
果として温度分布は熱電発電媒体の熱伝導率に支配され
ず対流現象によって決まることにも起因している。

【００２６】図２は本発明による熱電発電装置を要部の
みについて模式的に示しており、ｎ型半導体２１とｐ型
半導体２２とをこれらの一端面において接合して熱電発
電媒体とし、この熱電発電媒体の両端面には電極２３，
２４を設けて熱電発電素子として成る。ｎ型半導体２
１、ｐ型半導体２２は、いずれも多孔性構造を有し、電
極２３側から電極２４側へ向う可燃性ガスの流れと、電
極２４側から電極２３側へ向かう可燃性ガスの流れとを
実現できる構造にされている。

【００２７】このような熱電発電素子に対して、電極２
３側から電極２４側へ向けて可燃性ガスを導入して第１
の燃焼反応を生じさせると、図１に示された如き発熱分
布、温度分布を呈することとなる。次に、電極２４側か
ら電極２３側へ向けて可燃性ガスを導入して第２の燃焼
反応を生じさせると、発熱分布は図１に示されるものと
同じであるが、温度分布は図１に示されたものと左右対
称、すなわち図１の左側で低く、右側で高くなる温度分
布となる。そして、上述した第１，第２の燃焼反応を一
定周期βで繰り返す（往復動燃焼）と、熱電発電素子に
おける温度分布は、図２に破線で示す如く、ｎ型半導体
２１とｐ型半導体２２との接合部、すなわち熱電発電素
子の中間部領域で最も高い温度Ｔ_Hとなり、電極２３，
２４に近い領域で最も低い温度Ｔ_Lとなる。その結果、
電極２３と２４との間には温度差（Ｔ_H−Ｔ_L）にもと
づく起電力が発生し、電力を得ることができる。

【００２８】なお、熱電発電素子における温度分布は、
第１，第２の燃焼反応の周期βによって異なり、図２に
示す如く好ましい温度分布を得るための周期βの範囲は
数１０秒以下、特に数秒〜１０数秒であることが好まし
いが、１秒以下でも良い。また、熱電発電素子の材料
は、数式３における分子α²σの大きい材料が好まし
く、このような材料は数百〜千数百度の温度条件で使用
可能な半導体が最適であるが、これに限らず、熱電対用
の金属の他、熱電発電効果のある材料であれば多孔質の
金属あるいはセラミックス等も適用可能であり、これま
で熱電変換効率の低さから無視されていた材料であって
も利用可能となる。

【００２９】例えば、半導体を多孔質にするには、粒子
状あるいは粉体状にした半導体材料をプレス処理し、焼
結処理を施すと粉体の一部が相互に溶着し合い、しかも
粉体の間に微小な空隙ができる。金属の場合も同様な方
法で実現できる。この他、熱電対用の金属の場合には、
多数の熱電対をその高温側接点部が２つの電極間の中間
部に位置するように束ねると共に、各熱電対を電気的に
直列接続するようにして実現することもできる。

【００３０】図３は本発明による熱電発電装置の構成を
示した図である。図３において、熱電発電素子として
は、図２に示したような多孔質のｎ型半導体２１とｐ型
半導体２２とを接合し、その両端に電極２３，２４を設
けたものが使用される。図２では説明を省略したが、実
際にはｎ型半導体２１とｐ型半導体２２との接合部に
は、可燃性ガスに点火するための点火手段（図示省略）
が配設される。電極２３，２４はそれぞれ、熱電発電素
子への可燃性ガスの導入、熱電発電素子からの燃焼排気
ガスの導出を可能にするために、多数の貫通孔を有する
ものが使用される。そして、電極２３，２４にはそれぞ
れ、可燃性ガスの導入、燃焼排気ガスの導出のためのガ
スダクト３１，３２が接続される。熱電発電素子の周囲
は耐熱性の絶縁体（図示省略）でカバーされる。

【００３１】ガスダクト３１，３２にはそれぞれ第１、
第２の切換制御弁３３、３４が接続され、第１の切換制
御弁３３について言えば、入側の通路には、第１のガス
導入配管３５が接続され、出側の通路には、第１のガス
排出配管３６が接続されている。第２の切換制御弁３４
についても同様に、入側の通路には第２のガス導入配管
３７が接続され、出側の通路には、第２のガス排出配管
３８が接続されている。第１、第２のガス導入配管３
５，３７は、可燃性ガスの供給源（図示せず）と接続さ
れたＴ型配管から分岐するように構成されている。一
方、第１，第２のガス排出配管３６，３８は、排気ガス
の処理部あるいは放出部（図示せず）と接続されたＴ型
配管で合流する。

【００３２】第１，第２の切換制御弁３３、３４はそれ
ぞれ、図示されない制御部により開閉が制御される。す
なわち、電極２３から電極２４へ向けて可燃性ガスを導
入して第１の燃焼反応を起こさせる場合には、第１の切
換制御弁３３が第１のガス導入配管３５とガスダクト３
１とを接続し、第２の切換制御弁３４はガスダクト３２
と第２のガス排出配管３８とを接続するように制御され
る。逆に、電極２４から電極２３へ向けて可燃性ガスを
導入して第２の燃焼反応を起こさせる時には、第１の切
換制御弁３３は第１のガス排出配管３６とガスダクト３
１とを接続し、第２の切換制御弁３４がガスダクト３２
と第２のガス導入配管３７とを接続するように制御され
る。このような弁の開閉制御が上述した定周期βで行わ
れる。

【００３３】なお、可燃性ガスの点火方法は、様々な方
法が考えられる。すなわち、ヒータの様な点火手段を多
孔質媒体の中間領域に配置することも考えられるが、点
火手段は多孔質媒体外にあるのが好ましい。このため、
例えば電極における可燃性ガスの入り口側で点火するよ
うにしても良い。また、図３のような構造では、第１、
第２の燃焼反応の切換え時に、多孔質媒体の電極寄りの
領域及び電極内の領域、更にはガスダクト内に滞留する
可燃性ガスが未燃焼のままで排出されることになる。こ
のような未燃焼の可燃性ガスの排出量は、第１、第２の
燃焼反応の切換周期が非常に短い時間であれば微量であ
るが、未燃焼の可燃性ガスの排出量を減少させるための
手段として図４のような構造が考えられる。

【００３４】図４に示す構造は燃焼用空気と燃料ガスと
を分けてｎ型半導体２１とｐ型半導体２２とにそれぞれ
供給するためのものである。すなわち、電極２３、２４
にはそれぞれ、燃焼用空気供給用の多数の細孔２３１、
２４１を設けると共に、一端を燃料ガス配管に接続した
燃料ガス供給用の多数の細径ノズル（図示省略）を貫通
させてｎ型半導体２１とｐ型半導体２２の内側に突出す
るように設ける。そして、燃焼用空気はダクト４１、４
２から電極２３、２４の多数の細孔２３１、２４１を通
して供給し、燃料ガスは電極２３、２４を貫通させた多
数の細径ノズルを通して供給する。

【００３５】図５は本発明の効果を確認するための熱電
対用の実験装置を示す。本装置では、燃焼室５１により
高温領域をつくり、その外側に冷却用空気ダクト５２を
配置して低温領域をつくった。熱電対は直径１．６ｍ
ｍ、長さ１００ｍｍのアルメル−クロメルを１０対直列
に接続したもの（直列抵抗０．２４５オーム）を用い、
これらの高温側接点部を燃焼室５１内に配置した。熱電
対素子の抵抗値は常温で２４５ミリオームであり、配線
に使用したリード線の抵抗値は８．２ミリオームであっ
た。このような実験装置により負荷抵抗Ｒ_Lの値を変え
た場合、温度差を変えた場合等についての実験結果は図
６、図７及び以下の表１〜表３に示す通りである。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】図６は負荷抵抗一定（０．１オーム、０．
２オーム、２．０オームの３種類）で温度差ΔＴを変え
た場合の熱発電電力を示し、図７は温度差ΔＴ一定（６
６０度、８３０度、１０４３度の３種類）で負荷抵抗Ｒ
_Lの値を変えた場合の熱発電電力を示す。また、表１〜
表３は図７の温度差ΔＴ一定の条件での熱発電電力以外
の測定結果を示す。以上のような実験結果に基づいて、
本発明装置によれば上記の実験の如き温度差が容易に得
られるので、例えば上記のアルメル−クロメル熱電対
（１本あたり０．０１４Ｗの熱発電電力）を２００００
０〜４０００００本束ねて多孔質媒体を構成した場合に
本発明により得られる熱発電電力は２．８〜５．６ＫＷ
になると考えられる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば多孔質媒体内での往復動燃焼により多孔質媒体の中間
部領域と両端部領域との間に大きな温度差を生じせしめ
ると共に、多孔質媒体の熱伝導率に支配されることなく
低温側接合部から放出される排熱を低減化することがで
きるので高効率の熱電発電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための模式図。

【図２】本発明による熱電発電装置の要部を概略的に示
した図。

【図３】本発明による熱電発電装置の一実施例の構成
図。

【図４】本発明による熱電発電装置における可燃性ガス
の導入の他の例を説明するための断面図。

【図５】本発明の効果を確認するための実験装置を示し
た図。

【図６】図５の実験装置により負荷抵抗一定（０．１オ
ーム、０．２オーム、２．０オームの３種類）で温度差
ΔＴを変えた場合の熱発電電力を示した図。

【図７】図５の実験装置により温度差ΔＴ一定（６６０
度、８３０度、１０４３度の３種類）で負荷抵抗Ｒ_Lの
値を変えた場合の熱発電電力を示した図。

【図８】従来の熱電発電素子の一例を説明するための
図。

【図９】本発明が適用される往復動燃焼を説明するため
の図。

【図１０】図９に示された往復動燃焼により生ずる温度
分布を説明するための図。

【符号の説明】

１０熱電発電媒体２１，５１ｎ型半導体２２，５２ｐ型半導体１１，１２，２３，２４，５３，５４，５５電極３１，３２ガスダクト３３第１の切換制御弁３４第２の切換制御弁３５第１のガス導入配管３６第１のガス排出配管３７第２のガス導入配管３８第２のガス排出配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/28 H02N 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質の熱電発電媒体の両端面にそれぞ
れ電極を配設すると共に、前記熱電発電媒体の一方の端
面から他方の端面に向けて可燃性ガスを導入して該熱電
発電媒体中で燃焼させる第１の燃焼反応と、前記熱電発
電媒体の前記他方の端面から前記一方の端面に向けて前
記可燃性ガスを導入して該熱電発電媒体中で燃焼させる
第２の燃焼反応とをあらかじめ定められた周期で交互に
行うことにより、前記熱電発電媒体の中間領域で最も高
く、前記電極に近い領域で最も低い温度分布領域を前記
熱電発電媒体中に形成し、前記電極から熱電発電電力を
取り出すようにしたことを特徴とする熱電発電方法。
【請求項２】請求項１記載の熱電発電方法において、
前記熱電発電媒体は多孔質のｐ型半導体と多孔質のｎ型
半導体とを接合したものであることを特徴とする熱電発
電方法。
【請求項３】請求項１あるいは２記載の熱電発電方法
において、前記あらかじめ定められた周期は数１０秒以
下の範囲であることを特徴とする熱電発電方法。
【請求項４】両端に電極を設けた多孔質の熱電発電素
子と、該熱電発電素子に対して一方の端面から他方の端
面、他方の端面から一方の端面に向けてあらかじめ定め
られた周期で交互に所定時間だけ可燃性ガスを導入する
と共に燃焼ガスを排出して前記熱電発電素子の中間部領
域で燃焼を生じせしめる燃焼制御手段とを備えたことを
特徴とする熱電発電装置。
【請求項５】請求項４記載の熱電発電装置において、
前記燃焼制御手段は、前記熱電発電素子に対して一方の
端面から他方の端面に向けて可燃性ガスを導入する第１
のガス導入部と、前記熱電発電素子に対して前記他方の
端面から前記一方の端面に向けて前記可燃性ガスを導入
する第２のガス導入部と、前記他方の端面からの燃焼排
気ガスを排出するための第１のガス排出部と、前記一方
の端面からの燃焼排気ガスを排出するための第２のガス
排出部と、前記第１，第２のガス導入部からのガス導入
及び前記第１，第２のガス排出部からのガス排出を切り
換える制御弁と、該制御弁の開閉を制御する制御部とを
含むことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項６】請求項５記載の熱電発電装置において、
前記熱電発電素子は多孔質のｐ型半導体と多孔質のｎ型
半導体とを接合したものであることを特徴とする熱電発
電装置。
【請求項７】請求項４〜６のいずれかに記載の熱電発
電装置において、前記あらかじめ定められた周期は数１
０秒以下の範囲であることを特徴とする熱電発電装置。