JP3614531B2

JP3614531B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP3614531B2
Application number: JP26804995A
Authority: JP
Inventors: 三千郎小堤; 伸介小原
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: JPH0993968A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱電発電媒体からなる多孔体を用いたガス燃焼型の熱電発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種の金属又は半導体の２か所の接点に温度差を与えると、ゼーベック効果により起電力が発生する。この起電力を活用して熱を電気エネルギーに変換する直接変換型発電装置は、装置構造が単純で、低騒音，小型等の長所を備えていることから、要求特性を満足する素材の研究開発が盛んに行われている。しかし、現在のところコストを含めて十分な材料が未だ開発されておらず、熱電発電は種々の利点をもっているにも拘らず、特殊な分野で実用化されているだけである。
このような状況の中で、特開平６−３０２８６７号公報では、熱電発電媒体の多孔体内部で予混合された燃料を燃焼させる熱電発電装置が紹介されている。多孔体内部での燃料によって発生した熱量は、多孔体が持つ超断熱効果によって狭い領域に閉じ込められ、多孔体の両端面に配設した電極によって電気エネルギーとして取り出される。また、Ｋ．ＮＡＫＡＭＵＲＡ，Ｒ．ＥＣＨＩＧＯ ”Ｉｎｓｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ．Ｔｒａｎｓｆｅｒ”ｖｏｌ．３６ｎｏ．１３（１９９３），ｐ３２０１には、ガスの流れ方向を一定時間ごとに切り替えるとき、効率よく温度差が作り出されることも報告されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多孔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多孔体内部で燃焼させる燃焼反応と、逆方向の燃焼反応とを交互に繰り返す方式では、ガスの流れ方向切替え時に排ガス排出口から一定量の未燃焼ガスの排出が原理的に避けられない。未燃焼ガスの排出は、熱電発電装置が有効な発電方式として今後開発・発展される過程で、エネルギー変換効率を向上させる上での障害になる。
未燃焼ガスの排出を抑制するため、特開平６−３０２８６７号公報では多孔体の途中に燃料ガスのみを供給する方法を紹介している。しかし、そのための構造設計，製作や供給位置等の選定が難しく、またガス供給系に関しても切替えバルブを含む配管が別途必要になり、システムの複雑化が避けられない。
【０００４】
しかも、ガスの流れ方向切替え時に逆方向から送り込まれた燃料ガスが到達するまで、多孔体の中央部にある燃焼ゾーンは、燃料ガスの供給が中断した状態にある。この状態から再度燃焼状態に移行するため、ガスの流速等の条件にもよるが、燃焼ゾーンにおける燃焼状態が不安定になる。この傾向は、ガスの流れ方向の切替え頻度が高いほど、また流れを制御するバルブから多孔体内のガス燃焼領域までの間の体積が大きいほど大きな影響となって現れる。そのため、効率を重視した時間間隔を自由に設定できず、切替え頻度に制約が加わる。また、燃焼状態の不安定化に伴って、所期の温度勾配を安定してつけるための制御が困難になる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、分割した多孔体の中央部に燃料を別途供給することにより、燃料利用効率が高く、効率よく電力を取り出すことができる熱電発電装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電発電装置は、その目的を達成するため、助燃ガスの流れ方向に沿って直列配置された２個の熱電発電媒体と、これら熱電発電媒体に挟まれた燃料送給用の空間部と、助燃ガスの流れ方向を一定時間ごとに交互に切り替える手段とを備え、空間部に送り込まれた燃料の燃焼によって発生した多孔体内部のガスの流れ方向に沿った温度差から電力を取り出すことを特徴とする。
熱電発電媒体としては、本発明者等が特願平７−７８２６２号で提案した熱電発電媒体を使用することができる。この熱電発電媒体は、直列接続された多数の熱電対が形成されるように熱電対の関係にある２種の金属板又は金属箔の複数を互い違いに接続してツヅラ折り状に積層した構造をもつ。助燃ガスには、空気，酸素，酸素富化空気等が使用される。燃料としては、炭化水素系のガス燃料を始めとして、種々の気体燃料や気化又は霧化した液体燃料が使用される。
【０００６】
【作用】
本発明者等は、多孔体内部で燃料を燃焼させて電力を取り出す熱電発電装置について種々の観点から調査・研究した結果、必要とする急峻な温度勾配の発生原因は、多孔体内で可燃性ガスが燃焼することにあるのではなく、大量の気体が多孔体内部の低温側から高温側に向かって熱の授受を行いながら通過することにあること、また多孔体内部で燃焼させる燃料ガスは空気に対して約１％程度の非常に少ない量であること等を知見した。
そこで、熱電発電媒体からなる多孔体を二つに分割してガスの流れに沿って直列に配置する構造とし、多孔体の中間部に燃料を導入する空間を設け、空気等の助燃ガスのみを多孔体の両側から交互に流す方式を採用した。
すなわち、図１（ａ）に示すように、燃焼器筐体１０の内部に一対の多孔体１１，１２を収容し、多孔体１１と１２との間に空間部１３を設ける。助燃ガスは、給排管２１から多孔体１１の内部に、又は他方の給排管２２から多孔体１２の内部に送り込まれる。燃料は、空間部１３に開口した燃料導入管２３から多孔体１１と１２との間の空間部１３に送り込まれ、多孔体１１又は１２からの助燃ガスによって燃焼する。燃焼排ガスは、他方の多孔体１２又は１１の内部を通過して給排管２２又は２１から排出される。
【０００７】
このように燃料と助燃ガスとの供給経路を分離することによって、空間部１３及び空間部１３近傍の多孔体１１，１２の内部の狭い範囲に燃焼ゾーンが限定される。すなわち、助燃ガスが流れ方向▲１▼であるとき、多孔体１１の内部を通過することによって高温になった助燃ガスが空間部１３で燃料と接触するため、燃料は、十分に高い温度及び十分な量の助燃ガスによって瞬時に燃焼反応する。その結果、図１（ｂ）に示すように多孔体１１，１２の内部に急峻な勾配をもった温度分布が形成される。
また、流れ方向に沿った酸素の濃度分布は、図１（ｃ）に示すように空間部１３を境として急激に減少する。他方、ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等の燃焼廃ガスは空間部１３を境として急激に増加する。すなわち、送り込まれた燃料は、空間部１３でほぼ全量が燃焼し、空間部１３に隣接する多孔体１２の内部で残りの未燃焼部が燃焼する。したがって、送り込まれた燃料が未燃焼のままで排出されることがない。
【０００８】
助燃ガスの流れ方向を▲１▼から▲２▼に切り替えた時点では、燃焼に使用された助燃ガスが多孔体１２から多孔体１１に戻ってくる。しかし、安定状態では、もとより助燃ガス過剰の状態にあるので、燃焼に必要十分な量の酸素量が確保されており、流れ方向の切り替えによって燃焼がとぎれることはない。この点、従来の方式では、図１（ｄ）に示すように他方の多孔体１２から燃焼廃ガスを廃棄させ、新たに給排管２２から供給された燃焼ガスが到達するまでの間、燃料が供給されない期間がある。これに対し、本発明においては、多孔体１２から多孔体１１に戻ってきた助燃ガスでも十分な酸素濃度をもっていることから、空間部１３に送り込んだ燃料を連続して燃焼させることができる。しかも、燃料濃度が希薄で且つ少量であることから、予熱せずに燃料を空間部１３に供給しても、温度が低下することなく、安定した燃焼ゾーンが維持される。
【０００９】
このように、本発明に従った熱電発電装置は、従来法のように流れ方向の切替え時に未燃焼排ガスを系外に排出することがなく、燃料を効率よく燃焼させる。また、燃料供給の中断もなく、安定な燃焼状態が維持されるので、高効率で電気エネルギーを取り出すことができる。また、空間部１３に金属メッシュや金属ワイヤの集合体等を配置したとき、燃焼効率が一層向上する。このとき使用される金属メッシュや金属ワイヤの集合体は、空間部１３に単体として配置してもよいが、空間部１３に臨む多孔体１１又は１２に対向配置することが好ましい。これによって、燃料導入管２３から送り出された燃料が多孔体１１又は１２の孔部に入る前に金属メッシュや金属ワイヤと接触し、燃焼効率の改善が図られる。
本発明の熱電発電装置においては、燃焼によって酸素の少なくなった空気が全て排出される時間ｔまで流れ方向切替えの時間間隔を短縮できる。この時間ｔは、燃焼器１０の体積をＶ，ガスの流量をＦとするとき、ｔ＝Ｖ／Ｆで表される。そのため、最適時間を高い自由度で設定できる。この点、従来の発電方式では、時間ｔ（＝Ｖ／Ｆ）まで流れ方向切替えの時間間隔を短くすると、燃料ガスの利用効率が５０％程度までに落ちてしまう。
【００１０】
【実施例】
熱電発電媒体としては、本発明者等が特願平７−７８２６２号で提案したものを使用した。すなわち、板厚５０μｍのアルメル及びクロメルを３５ｍｍ×４０ｍｍの短冊状に裁断し、短冊状のアルメル及びクロメルをそれぞれ３１枚を交互に重ね合わせ、両端を交互にスポット溶接して、アルメル及びクロメルを交互にツヅラ折り状態に接続し、３１対の熱電対が直列に接続された幅４０ｍｍ，厚み４０ｍｍ，長さ３５ｍｍのブロックを２個用意した。このブロックを１０００℃の大気中で４５分間加熱酸化処理し、アルメル表面にアルミナ，クロメル表面に酸化クロムの絶縁性皮膜を形成した。
２個の熱電発電媒体を、図２に示すように多孔体１１，１２として燃焼器筐体１０に収容し、多孔体１１と１２との間に間隔０．５ｃｍの空間部１３を設けた。そして、燃焼器筐体１０の中で、取出し電極３１，３１・・が低温側になるようにセットした。
【００１１】
一方の給排管２１から空気を流量１０リットル／分で供給し、空気送給量の３％程度の流量で燃料導入管２３から空間部１３に燃料ガスを送り込み、点火した。燃焼によって空間部１３近傍の多孔体１１，１２が赤熱し、多孔体１１，１２の温度が十分に高くなったところで、燃料ガスの流量を空気送給量の１％程度まで減少させ、空気の送入方向を切り替えた。その後、５〜１０秒程度の間隔で送入方向を交互に切り替えることにより、安定燃焼に至った。
安定燃焼状態では、温度分布を示す図３にみられるように約９００Ｋの温度差をつけることができた。その結果、両多孔体１１，１２の取出し電極３１，３１を直列接続した状態で端子開放電圧Ｅ＝２Ｖ，作動時内部抵抗Ｒ＝１．６Ωとなり、このときの出力電力Ｐは、Ｐ＝Ｅ^２／４Ｒから６２５ｍＷとなった。
【００１２】
本実施例においては、ガス流れ方向に関し断面４ｃｍ×４ｃｍ，長さ３．５ｃｍの多孔体１１，１２を使用している。このように断面積の小さな多孔体１１，１２を使用しているので、燃料導入管２３を単に空間部１３に臨ませるだけでよい。しかし、大きな断面をもつ多孔体を使用して発電能力を向上させる場合、空間部に均一な濃度分布で燃料を送り込むため、多数のノズル孔が穿設された金属管を空間部１３に配置することが好ましい。また、空間部１３に金属メッシュや金属細線をブロック状にまとめた通気性多孔体を配置するとき、燃焼反応が均一化され、より安定した燃焼状態が得られる。金属メッシュ，金属ワイヤには、種類によっては触媒作用をもつものもあり、空間部１３の全域及び多孔体１１，１２の断面全域が燃焼に効率よく使用され、温度分布が均一化される。
【００１３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の熱電発電装置においては、燃焼ガスの流れ方向に沿って熱電発電媒体からなる多孔体を２個直列に配置し、多孔体の間に燃料供給用の空間部を形成している。そして、助燃ガス及び燃料の供給系統を分離させ、助燃ガスを多孔体の一端面から他端面又は逆方向に流すと共に、多孔体間の空間部に送り込まれた燃料を燃焼させている。このように送り込まれた燃料を燃焼するとき、従来の方式に比較して燃料利用効率が高く、安定した燃焼ゾーンが形成され、電気エネルギーを高効率で取り出すことが可能になる。しかも、燃料ガス供給系が簡単な構造であることから、保守点検も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った熱電発電装置及びその性能を模式的に示し、熱電発電装置の構造（ａ），燃料燃焼時における多孔体内部の温度分布（ｂ），燃焼ガスの流れ方向に沿った酸素及び燃焼廃ガスの濃度分布（ｃ）及び燃料ガス分布を従来方式と比較したグラフ（ｄ）
【図２】本発明実施例で使用した熱電発電装置
【図３】同装置を使用して得られた温度分布
【符号の説明】
１０：燃焼器筐体１１，１２：多孔体（熱電発電媒体）１３：空間部
２１，２２：給排管２３：燃料導入管３１：取出し電極

Claims

助燃ガスの流れ方向に沿って直列配置された２個の熱電発電媒体と、これら熱電発電媒体に挟まれた燃料送給用の空間部と、助燃ガスの流れ方向を一定時間ごとに交互に切り替える手段とを備え、空間部に送り込まれた燃料の燃焼によって発生した多孔体内部のガスの流れ方向に沿った温度差から電力を取り出す熱電発電装置。
直列接続された多数の熱電対が形成されるように熱電対の関係にある２種の金属板又は金属箔の複数を互い違いに接続してツヅラ折り状に積層した熱電発電媒体を使用する請求項１記載の熱電発電装置。
金属メッシュ，金属ワイヤの集合体等でできた単数又は複数の通気性多孔体を空間部に設けた請求項１記載の熱電発電装置。