JP3562733B2

JP3562733B2 - 熱電発電器及びこの熱電発電器を利用した発電装置

Info

Publication number: JP3562733B2
Application number: JP02232995A
Authority: JP
Inventors: 康彦堀; 哲夫伊藤
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JPH08205567A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高温側伝熱板と低温側伝熱板との間に熱電モジュールを挟み込む熱電発電器の改良に関する。また、本発明は、この構造の熱電発電器を利用した発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高温側伝熱板と低温側伝熱板との間に熱電モジュールを挟み込む熱電発電器が知られている。例えば、特開平２−１１９５８９には、図６に示すような発電構造が開示されている。即ち、Ｎ型半導体３１とＰ型半導体３２からなり相互に電極３３で結合される熱電モジュール３４が、給湯管３５と給水管３６の間に挟み込まれている。そして、給湯管３５と給水管３６のそれぞれの内部には、熱電モジュール３４への伝熱効果を向上させるためのフィン３７が設けられている。また、円筒状の高温側伝熱板内に、低温側伝熱板と熱電モジュールを入れ、高温側伝熱板部、低温側伝熱板及び熱電モジュールを多段に積層する構成とした発電装置も知られている（特開平２−３０３３８１号公報参照）。
【０００３】
また、従来からリン酸型燃料電池による発電装置が知られている。このリン酸型燃料電池による発電装置では、発電量と同程度の熱が排出されており、この発電装置の周辺にこの熱を必要とする熱需要があれば、その需要に対応し熱を供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、このような熱電発電器の出力電力は、熱電モジュールにかかる温度差のほぼ２乗に比例して増加する。よって、発電効率を上げるためには高温側流体から熱電モジュールまでの温度降下及び熱電モジュールから低温側流体までの温度降下を出来る限り小さくする必要がある。そして、この温度降下は、各伝熱板と熱電モジュールとの間及び各流体とその流体が入れられる各伝熱板との間で生じるため、これらの部分での熱伝達の向上、温度降下の防止が必要とされている。
【０００５】
しかしながら、図６に示す従来の構成では、内部を流れる流体の圧力により伝熱板となる給湯管３５と給水管３６が変形し、電極３３との接触状態が悪くなり、その部分で熱抵抗が高くなり温度降下が発生し易い。この温度降下が大きいと熱電モジュール３４に加わる温度差が小さくなり、発電効率が減少する。
【０００６】
また、この従来の熱電発電器では、給湯管３５と給水管３６の内部を流れる流体の速度を上げる工夫はされていない。流速を上げることができれば、熱電モジュール３４への熱伝達が良くなり、温度降下も少なくなる。
【０００７】
更に、特開平２−３０３３８１号では、高温側伝熱板部、低温側伝熱板及び熱電モジュールを多段に積層する構成とし小型化されているが、高温側伝熱板部が最外周にきたり、低温側伝熱板が排ガスの通路に接触する構成となっているため高温流体の温度降下が大きくなりがちである。
【０００８】
また、リン酸型燃料電池による発電装置では、その発電効率は約４０％と高いけれども、周辺に熱を必要とする熱需要がないと廃熱は活用されずそのまま捨てられている。
【０００９】
本発明は、高温側流体と低温側流体との間の各接続点での温度降下を少なくし、出力電力を大きくできる熱電発電器を提供することを目的とする。また、本発明は、リン酸型燃料電池の排出熱を有効活用して全体としての発電量を増加させ得る発電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１の発明は、高温の流体が内部を流れる高温側伝熱板と低温の流体が内部を流れる低温側伝熱板との間に熱電モジュールを挟み込み、かつ各伝熱板内に熱電モジュールと接する面とそれに対向する面との間を連結する仕切板を多数設けると共にこの仕切板の一端部を交互に切り欠いてつづら折り状の流路を形成している。
【００１１】
また、請求項２の発明は、高温の流体が内部を流れる高温側伝熱板と、低温の流体が内部を流れる低温側伝熱板と、高温側伝熱板と低温側伝熱板との間に挟み込まれた熱電モジュールとを有する熱電発電器において、各伝熱板と熱電モジュールを、低温側伝熱板、熱電モジュール、高温側伝熱板、熱電モジュール、低温側伝熱板の順序で積層し、最上段及び最下段に低温側伝熱板を配置している。
【００１２】
さらに、請求項３の発明は、請求項１または２記載の熱電発電器の高温側伝熱板にリン酸型燃料電池の高温排熱水を流し、低温側伝熱板には外部から導入する低温流体を流している。
【００１３】
【作用】
したがって、請求項１の熱電発電器では、内部を流れる流体の圧力が大きくなっても、つづら折り状の流路を形成している仕切板のリブ効果によって熱電モジュールと接する面が補強されるため各伝熱板は変形しない。この結果、各伝熱板と熱電モジュールの接触は良い状態で保持される。加えて、つづら折り状の流路としているので、流路を長くとれ、流路の断面積は小さくなる。このため、流量が同一の場合、従来に比べ流速を速くできる。
【００１４】
また、請求項２の熱電発電器では、各伝熱板と熱電モジュールを、低温側伝熱板、熱電モジュール、高温側伝熱板、熱電モジュール、低温側伝熱板の順序で積層し、最上段及び最下段に低温側伝熱板を配置しているので、各流体が自己の伝熱板以外の部材に接触することはない。加えて、高温側伝熱板の両側には必ず熱電モジュールが配置され、高温流体が有効活用される。
【００１５】
また、請求項３の発電装置では、請求項１または２記載の熱電発電器の高温側伝熱板にリン酸型燃料電池の高温排熱水を流し、低温側伝熱板には外部から導入する低温流体を流しているので、リン酸型燃料電池による発電に加え、高温排熱水を利用した熱電発電器による発電も同時に行える。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１から図４に本発明の熱電発電器の一実施例を示す。この熱電発電器の主要構成は、低温側伝熱板１と高温側伝熱板２とその両伝熱板１，２に挟まれる熱電モジュール３からなる。そして、この実施例では、低温側伝熱板１、熱電モジュール３、高温側伝熱板２、熱電モジュール３、低温側伝熱板１の順序で各部材を積層し、最上段及び最下段に低温側伝熱板１を配置している。このため、最上段及び最下段の低温側伝熱板１以外の伝熱板は、両面が伝熱面として利用され、伝熱板当たりの有効伝熱面積（＝熱電モジュール３を設置可能な面積）が増加している。
【００１８】
低温側伝熱板１と高温側伝熱板２は、上下に配置される伝熱板横板４と四方側面を形成する伝熱板縦板５とからそれぞれ形成されており、全体が偏平な直方体形状とされている。そして、低温側伝熱板１の側面の一部には内部を流れる低温流体の入口１ａと出口１ｂとを設け、高温側伝熱板２の側面の一部にも同様に内部を流れる高温流体の入口２ａと出口２ｂとを設けている。また、各伝熱板１，２の内部には強度補強の役目を果たす複数の仕切板６を設け、そしてその先端と後端を交互に切り欠き、流路１０の折り返し部７としている。
【００１９】
各熱電モジュール３は、セラミックからなる平板状の二つの電気絶縁部材８，８とその間に配置される複数の電極部３ａ及び複数の熱電素子９とから構成されている。そして、各熱電素子９は、Ｎ型半導体９ａとＰ型半導体９ｂからなり、交互に電極部３ａで結合されている。また、各熱電モジュール３の側面の一部には各熱電素子９で発生する電力を取り出すためのプラスリード線３ｂとマイナスリード線３ｃとを設けている。
【００２０】
各熱電モジュール３と各伝熱板１，２とは、各接合面に熱伝導性の良いグリース等を塗布した後、接着固定している。なお、接合面の凹凸により接合が不均一となった場合には、接合部での温度降下が大きくなり発電量が減少する。そこで各伝熱板１，２の歪量をグリースの厚さ等で吸収できる範囲に抑える必要がある。なお、歪量は、各伝熱板１，２の材質と一つの流路１０の断面積当たりの流路高さ１１、流路幅１２及び板厚１３と内部流体の圧力により求める。この実施例では、複数の仕切板６を設け、一つの流路１０の断面積当たりの流路高さ１１及び流路幅１２を小さくしているので歪量が小さくなっている。ここで、板厚１３は、厚くなることによる温度降下の増大及び薄くなることによる歪の増大とを考慮し、全体として発電量が最大となるような板厚１３としている。
【００２１】
次に、以上のように構成された熱電発電器の動作について説明する。
【００２２】
低温水等の低温流体を各入口１ａから各低温側伝熱板１に流入させる。一方、高温水等の高温流体を各入口２ａから各高温側伝熱板２に流入させる。なお、一つの出口１ｂを除き残りの各出口１ｂを他の低温側伝熱板１の入口１ａに接続することにより、全ての低温側伝熱板１を連結し、入口と出口を各１個とするようにしても良い。また、高温側伝熱板２についても同様な構成とすることができる。低温側伝熱板１に流入した低温流体は、図３に示すように、折り返し部７で折り返されながら低温側伝熱板１内の流路１０を流れ、出口１ｂから出ていく。高温側伝熱板２に流入する高温流体も同様にして流れていく。なお、この実施例では、流体の流れ方向は、低温側伝熱板１と高温側伝熱板２とでは同じとなっている（いわゆる並流、向流）が、低温側伝熱板１と高温側伝熱板２とを９０度交差させ直交流としても良い。なお、並流（向流）とすると、各流体の出入口を同一側面とでき、熱電発電器の全体幅を小型化する場合等に有利となる。また、熱交換効率を上げるために、場合によっては直交流とすることもある。
【００２３】
そして、低温側伝熱板１に低温流体が流れ、高温側伝熱板２に高温流体が流れることにより、熱電モジュール３の両端に温度差が生じ、発電が行われる。発生した電力は、プラスリード線３ｂとマイナスリード線３ｃとから取り出される。なお、一つのマイナスリード線３ｃを除き残りの各マイナスリード線３ｃを他の熱電モジュール３のプラスリード線３ｂに接続することにより、全ての熱電モジュール３を直列接続しても良い。この場合、高い電圧の電気を取り出すことができる。
【００２４】
なお、図４のように、流路１０内に波板１４を挿入すると、波板１４の面積分、伝熱面積が増加し、流体と各伝熱板１，２の内壁間の温度降下が小さくなると共に、伝熱板横板４を波板１４で支える構造となるため、伝熱板横板４の板厚を薄くすることができる。このように伝熱板横板４の板厚を薄くできる結果、伝熱板横板４の部分での温度降下が少なくなり、全体として薄型化が可能となる。
【００２５】
次に、以上のように構成された熱電発電器とリン酸型燃料電池とを組み合わせて構成した発電装置の例を図５に基づき説明する。まず、燃料電池２０内のカソード２１とアノード２２との間で発電が行われる。この発電効率は約４０％である。そして、燃料電池２０の冷却に使用されて高温となった高温排熱水をポンプ２３を介して、熱電発電器の高温側伝熱板２に流す。一方、低温側伝熱板１には冷却塔２４で冷却された低温水をポンプ２５を介して導入する。そして、この温度差により熱電モジュール３が電力を発生する。この結果、この発電装置全体の発電効率は数％から数十％上昇する。
【００２６】
なお、上述の実施例は、本発明の好適な実施例の一例ではあるが、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、各流体としては、圧力が高くなりがちな水等の液体が本発明には好適であるが、ガス等の気体にも適用できる。なお、高温側伝熱板２に流す液体として、地熱水や工場温排水を使用すると、今まで有効活用されず無駄に捨てられていた熱源の活用になり、資源の活用やコストの面で好ましいものとなる。
【００２７】
また、強度補強部材は実施例のように流路１０を形成する仕切板６とはせず、単なる支柱のようなものにしても良い。更には、仕切板６を伝熱板横板４に対し平行になるように設けても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の熱電発電器では、内部を流れる流体の圧力が大きくなっても、つづら折り状の流路を形成している仕切板によって熱電モジュールと接する面が補強されて伝熱板が変形することがない。この結果、接触面での温度降下が生ぜず、出力電力を大きくできる。加えて、流路を長くできるので、流路の断面積は小さくなり、流量が同一の場合、従来に比べ流速を速くできる。この結果、流体の温度降下が小さくなり、即ち流体と各伝熱板との間の温度降下が小さくなるので、一層出力電力を大きくできる。
【００２９】
また、請求項２記載の発明では、各流体が自己の伝熱板以外の部材に接触することはなく、加えて、高温側伝熱板の両側には必ず熱電モジュールが配置され、高温流体が有効活用されるので、発電効率が高くなる。
【００３０】
また、請求項３記載の発明では、リン酸型燃料電池による発電に加え、高温排熱水を利用した熱電発電器による発電も同時に行えるので、リン酸型燃料電池を使用した発電装置全体の発電効率が高くなる。特に、リン酸型燃料電池の周囲に熱需要がない場合や熱需要より電気需要が優先される場合に好適となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電発電器の実施例の要部断面図とその一部拡大詳細図である。
【図２】図１の熱電発電器の積層構造を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の熱電発電器に使用される伝熱板の内部構造を示した平面図である。
【図４】流路に波板を入れた熱電発電器の断面図である。
【図５】本発明の熱電発電器とリン酸型燃料電池を組み合わせた発電装置のシステム図である。
【図６】従来の熱電発電器を示す図である。
【符号の説明】
１低温側伝熱板
２高温側伝熱板
３熱電モジュール
６仕切板（強度補強部材）
２０リン酸型燃料電池

Claims

高温の流体が内部を流れる高温側伝熱板と低温の流体が内部を流れる低温側伝熱板との間に熱電モジュールを挟み込み、かつ前記各伝熱板内に前記熱電モジュールと接する面とそれに対向する面との間を連結する仕切板を多数設けると共にこの仕切板の一端部を交互に切り欠いてつづら折り状の流路を形成したことを特徴とする熱電発電器。
高温の流体が内部を流れる高温側伝熱板と、低温の流体が内部を流れる低温側伝熱板と、前記高温側伝熱板と前記低温側伝熱板との間に挟み込まれた熱電モジュールとを有する熱電発電器において、前記各伝熱板と前記熱電モジュールを、低温側伝熱板、熱電モジュール、高温側伝熱板、熱電モジュール、低温側伝熱板の順序で積層し、最上段及び最下段に低温側伝熱板を配置したことを特徴とする熱電発電器。
請求項１または２記載の熱電発電器の高温側伝熱板にリン酸型燃料電池の高温排熱水を流し、低温側伝熱板には外部から導入する低温流体を流してなる発電装置。