JPH02261079A

JPH02261079A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JPH02261079A
Application number: JP1078139A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yagakinai; 野垣内　武志; Kichinosuke Kawamura; 河村　吉之助; Hiroshi Kawakami; 博川上; Nobutaka Wachi; 和智　信隆
Original assignee: Japan Atomic Power Co Ltd
Current assignee: Japan Atomic Power Co Ltd
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-10-23
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2639480B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱電発電装置に関するもので、詳しくは、タ
ービンや発電機を介さないで、熱エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する従来の火力発
電設備は、たとえば、第１Ｏ図に示すような構成からな
っている。

第１０図において、６１はボイラ、６２は火炉、６２ａ
は燃料供給ライン、６３は蒸発水管、６４は空気予熱器
、６４ａは燃焼用空気供給ライン、６５は給水ライン、
６６は給水ポンプ、６７は蒸気ライン、６８は蒸気ター
ビン、６９は交流発電機、７０は電力送電ライン、７１
は復水器、７２は冷却水供給ライン、７３は冷却水排出
ラインである。

すなわち、ボイラ６１の火炉６２で燃焼して発生した高
温ガスは蒸発水管６３の水を加熱して蒸気を発生させる
。この蒸気は蒸気タービン６８に供給され、該タービン
６８は回転して交流発電機６９を回転駆動し、該発電機
６９で交流電力が発生されて電力送電ライン７０から需
要先に供給される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように１．熱エネルギーを電気エネルギーに変換
する従来の技術においては、ボイラ６１、蒸気タービン
６８、復水器７１、発電機６９などを必要とするので、
設備としては、多数の機器およびそれに伴なう多くの配
管などを必要とし、かつ、それらの保守や点検などに多
くの費用がかかるという問題点がある。またそのほか、
信頼性、可動部分による機械的損失および騒音などにも
問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもので
ある。すなわち、本発明は、熱を直接電気に変換するこ
とによって、蒸発水管、蒸気タービン、復水器、発電機
などが不要となり、保守や点検が容易となるとともに、
安全性および信頼性を大幅に向上させることができて、
静的化ならびに単純化が可能となる熱電発電装置を提供
することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の熱電発電装置は、
外殻の内部に設けられた熱電発電器および前記外殻の内
部で燃焼して該熱電発電器の高温側に熱を与える燃料と
燃焼用空気の混合気体の吹出しヘッダを備え、かつ、前
記外殻には、該熱電発電器の低温側から熱を奪う冷却媒
体の入口と、その冷却媒体の出口と、該熱電発電器の高
温側に熱を与えた後の燃焼排ガスの出口とを有し、しか
も、該熱電発電器には、電気的にも熱的に、も良導体で
ある第１薄膜層と、この第１薄膜層に密着されて電気的
にも熱的にも不良導体である絶縁物を介してＰ型アモル
ファス半導体熱電素材とＮ型アモルファス半導体熱電素
材が対をなしている熱電素子の多数からなる第２薄膜層
と、この第２薄膜層に密着されて電気的にも熱的にも良
導体である第３薄膜層とからなる薄膜型の熱電素子集合
体を有し、さらに、前記第２薄膜層の各Ｐ型アモルファ
ス半導体熱電素材と各Ｎ型アモルファス半導体熱電素材
が該第１薄膜層と第３薄膜層によって高温側と低温側と
交互に順に電気的に接続されて全体として直列に接続さ
れているものとした。

〔作　用〕

本発明によれば、外殻の内部に設けられた熱電発電器お
よび前記外殻の内部で燃焼して該熱電発電器の高温側に
熱を与える燃料と燃焼用空気の混合気体の吹出しヘッダ
を備え、かつ、前記外殻には、該熱電発電器の低温側か
ら熱を奪う冷却媒体の入口と、その冷却媒体の出口と、
該熱電発電器の高温側に熱を与えた後の燃焼排ガスの出
口とを有するので、前記外殻内での燃焼によって熱電発
電器の各熱電素子の高温側に連続的に熱が与えられ、同
時に、冷却媒体を流すことによって前記各熱電素子の低
温側から熱が連続的に奪われる。これによって、前記各
熱電素子には起電力が発生する。しかも、前記各熱電素
子は電気的に直列に接続されているので、その起電力の
総和の比較的大きな直流電力が得られる。また熱電素子
集合体は薄膜型であるため、燃焼による熱の熱電素子へ
の伝達および該熱電素子からの冷却媒体への熱の伝達が
良好であって、熱電発電のための熱利用効率が向上し、
熱電発電装置の小型化が可能となるとともに、材料費お
よび製作費の低減を図ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示している。

第１図において、１は熱電発電装置、２は外殻、３は管
板、４は後述する熱電発電器、５は該管板３に取付けら
れた碍子、６は該熱電発電器４からの電力取出し用の電
極、７は該電極６に接続された導線、８は該外殻２の内
部に設けられて熱電発電器４の高温側に熱を与える燃料
と燃焼用空気の混合気体の吹出しヘッダ、９は該熱電発
電器４の高温側に熱を与えた後の燃焼排ガスの出口、１
０は該熱電発電器４の低温側から熱を奪う冷却水の供給
ライン、１１はその冷却水の入口、１２はその冷却水の
出口、１３はその冷却水の排出ライン、１４は煙道、１
５は燃焼用空気供給ライン、１６はガス燃料供給ライン
、１７は空気予熱器、１８は燃料予熱器、１９は空気流
量制御弁、２０は燃料流量制御弁、２１は混合気体供給
ラインである。

すなわち、燃焼用空気は空気予熱器１７で予熱され、ガ
ス燃料は燃料予熱器１８で予熱され、それぞれ、空気流
量制御弁１９および燃料流量制御弁２０で制御されたの
ち、混合気体となって吹出しヘッダ８に供給される。そ
して、吹出しヘッダ８から吹き出した混合気体は、後述
するように、外殻２の内部で燃焼して約１３００°Ｃと
なり、熱電発電器４の高温側に熱を与え、そののち、約
３００°Ｃの燃焼排ガスとなって出口９から煙道１４に
至り、前記再予熱器１７　、１８を加熱して約１００’
Ｃの排ガスとなり、出口２２から排出される。

一方、冷却媒体である約２５°Ｃの冷却水は、外殻２に
設けられた入口１１から流入し、熱電発電器４の低温側
から熱を奪い、約３２°Ｃとなって出口１２から排出さ
れる。

これによって、熱電発電器４の後述する熱電素子に起電
力が発生し、その直流電力は導線７を介して外部へ取り
出せる。

第２図は前記熱電発電装置ｌの半導体による熱電発電の
原理の説明図で、２３はＰ型アモルファス半導体熱電素
材、２４はＮ型アモルファス半導体熱電素材、２５は絶
縁物、２６は正孔（＋）、２７は電子（−Ｌ２８は導線
、２９は高温側導体、３０　、３１は低温側導体、３２
は電球である。

この熱電発電の原理は、公知の温度測定用の熱電対と同
様に、前記両熱電素材２３　、２４の高温側と低温側の
温度差によって、前記両熱電素材２３　、２４の間に起
電力が発生し、これに電球３２を接続すれば点灯する。

この熱電発電効率は、性能指数Ｚが大きいほど、理想効
率（カルノー効率）に近づき、また温度差が大きいほど
、効率が上昇する。

ここで、性能指数Ｚは次の式で表わされる。

ただし、したがって、上記（１）式から、熱電素子は、ゼーベッ
ク係数が太き（、電気を良（通し、熱は通さない物質が
望ましい。

第１表は主な物質の性能指数を表わしている。

第３図は熱電発電の熱効率ηと性能指数Ｚとの関係を示
している。

前記第１表と第３図から、アモルファスＦｅ５ｉｚは性
能指数Ｚが１０−　”であり、高い熱効率を示し、また
原料も安価であるため、アモルファス半導体熱電素材と
しては、前記ＦｅＳｉ２が望ましい。

第４図は第１図の熱電発電器４を示した一部切欠拡大正
面断面図である。

第４図において、３３は、電気的には不良導体で熱的に
は良導体である円管で、たとえば、窒化アルミ（Ａ　Ｐ
、Ｎ）製からなり、内部に冷却水を流すようになってい
る。したがって、この実施例では、熱電発電器４が円管
型になっている。

また３４は薄膜型の熱電素子集合体で、前記円管３３の
外周面に密着されている。そして、熱電素子集合体３４
は、第１薄膜層３５、第２薄膜層３６、第３薄膜層３７
からなっている。

前記第１薄膜′層３５は、円管３３の外周面に密着され
た銅薄膜などの電気的にも熱的にも良導体である薄膜か
らなっている。

前記第２薄膜層３６は、第１薄膜層３５の外周面に密着
されていて、電気的にも熱的にも不良導体である絶縁物
３８を介してＰ型アモルファスＦｅＳｉ２半導体熱電素
材３９とＮ型アモルファスＦｅ５ｔｚ半導体熱電素材４
０が対をなしている薄膜の熱電素子４１の多数からなっ
ている。

前記第３薄膜層３７は、第２薄膜層３６の外周面に密着
された銅薄膜などの電気的にも熱的にも良導体である薄
膜からなっている。

しかも、前記第２薄膜層３６の各Ｐ型アモルファスＦｅ
５ｉｚ半導体熱電素材３９と各Ｎ型アモルファスＰｅＳ
　ｉ　２半導体熱電素材４０が第１薄膜層３５と第３薄
膜層３７によって高温側と低温側と交互に順に電気的に
接続されて全体として直列に接続されている。

また４２は燃焼を促進させるための触媒で、第３薄膜層
３７の外周面に密着された白金などの薄膜層からなって
いる。

なお前記各薄膜層３５　、３６　、３７および触媒４２
の密着手段は、たとえば、ＰＶＤ　（フィジカル・ベー
パー・デポジション）法、ＣＶＯ（ケミカル・ペーパー
・デポジション）法、溶射法などによることが好ましく
、また熱電素子集合体３４の厚さは２１Ｉ１ｍ以下の薄
膜型にすることが望ましい。

第４図に示すように構成された熱電発電器４においては
、第１図に示す空気予熱器１７で予熱されて昇温した燃
焼用空気と燃料予熱器１８で予熱されて昇温したガス燃
料の混合気体の吹出しヘッダ８から吹き出した混合気体
が触媒４２によって熱電発電器４の表面で燃焼し、その
燃焼熱によって熱電素子集合体３４の外側周面がら各熱
電素子４１の高温側を加熱し、同時に、冷却水が円管３
３内を流れることによって、各熱電素子４１の低温側を
冷却するので、第２図で説明したように、各熱電素子４
１には起電力が発生する。しかも、各熱電素子４１は電
気的に直列に接続されているので、その起電力の総和の
直流電力が得られる。

とくに、この実施例においては、触媒４２が熱電発電器
４の外周面を形成しているので、燃焼がその外周面で行
なわれ、熱が直接熱電発電器４に伝えられるため、触媒
のないものに比べて熱の利用効率がさらに向上する。ま
た、触媒の種類を適切に選択することにより、熱電素子
４１の温度特性に見合った燃焼温度を設定することがで
きる。

なお円管３３が通常の金属のように、電気的にも熱的に
も良導体である場合は、円管３３の外周面と第１薄膜層
３５の内周面の間に酸化ベリリウム薄膜またはダイヤモ
ンド薄膜などのような電気的には不良導体で熱的には良
導体である薄膜を密着する。

第５図は本発明の第２実施例を示している。この第２実
施例は、前述の第１図の場合とほぼ同様であるが、ただ
、熱電発電器４を多数設けている点で異なっている。ま
た各熱電発電器４の間は接続用電極６によって電気的に
並列に接続されている。しかし、各熱電発電器４の電気
的接続を、並列に接続する以外に、直列、並列と直列の
組み合わせにしてもよい。

なお、第５図において、４３は着火バーナ、４４は絶縁
ブッシング、４５は燃焼を一様に行なわせるとともに熱
電発電器４を支持するためのガス整流板である。

第６図は本発明の第３実施例に示している。この第６図
では、外殻の図示を省略して内部のみを表わしている。

また各熱電発電器４が、ともに、平板型のものからなり
、後述するように、内側に冷却水の流路４６を形成した
両端開口の箱状の管体４７の外側に、薄膜平板型の熱電
素子集合体を密着させたものからなっている。この第３
実施例のようにすることにより、第５図に示したガス整
流板４５を省略することができる。

第７図は第６図の熱電発電器４の一部を拡大して示して
いる。すなわち、内側に冷却水の流路４６を形成した両
端開口の箱状の管体４７の外側に、薄膜平板型の熱電素
子集合体３４を密着させたものからなっている。つまり
、前述の第４図では、熱電素子集合体３４が円管型であ
るのに対し、この第３実施例では、熱電素子集合体３４
が平板型であるという点で差異があるが、その他につい
ては、全く同様である。

第８図は本発明の第４実施例の熱電発電器４を示してい
る。この第４実施例では、低温側（冷却側）に薄膜平板
型の熱電素子集合体３４を、電気的には不良導体で熱的
には良導体である板壁４８に密着させ、高温側（燃焼側
）に触媒４２を密着させている。なお４９は薄膜の電気
絶縁物であるが、熱の良導体である。

第９図は本発明の第５実施例の熱電素子のみを示したも
ので、第９図（ａ）は平面図、第９図（ｂ）は断面図、
第９図（ｃ）は各部分の温度こう配の説明図、第９図（
ｄ）は性能指数と温度の関係の説明図である。

これは、特性の異なるアモルファスＰｅ５ｔ、半導体熱
電素材Ｌ　　Ｉｌ、　Ｉ［［を多層域化することにより
、熱を有効利用することができる熱電素子５０を示して
いる。

第９図において、５１は絶縁物、５２は高温側の導体、
５３は低温側の導体であり、また低温側の導体５３での
温度はＴｏ、高温側の導体５２での温度はＴｘ、その中
間では温度がＴ、とＴ、であり、それぞれ、第９図（Ｃ
）のように、Ｔｏ＜Ｔ、＜ＴＺ　＜Ｔ３の関係にある。

すなわち、熱電素子５０内の温度こう配に適合するよう
な温度依存性を有する性能指数を持ったそれぞれのアモ
ルファスＦｅ５ｔ２半導体熱電素材を薄膜状の一体構造
に成型する。

このようにすると、取り出されるエネルギーは以下のよ
うになる。

起電力をＥ、温度をＴ、それぞれの性能指数をＺａ　、
Ｚｇ　、’　Ｚｃ　とすると、このため、１つの材料を
使用するより、はるかに大きな起電力が得られる。第１
１図（ｄ）のＡｌＢ、Ｃとしては、それぞれＣ，Ｈ，、
Ｏ□プラズマ雰囲気中で作られたアモルファスＰｅＳｉ
２半導体熱電素材等が考えられる。

また本発明のもう１つの実施例として、前述の（Ｉｌ）第７図における箱状の管体４７を、底壁と両側壁と頂壁
とに分割して製作し、これらを組み立てたものがあげら
れる。

なお本発明では、冷却媒体として、水以外に油や空気な
ど、また燃料として、液化天然ガスなどの気体燃料のほ
かに重油などの液体燃料あるいは微粉炭などの固体燃料
を使用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、外殻の内部に設
けられな熱電発電器および前記外殻の内部で燃焼して該
熱電発電器の高温側に熱を与える燃料と燃焼用空気の混
合気体の吹出しヘッダを備え、かつ、前記外殻には、該
熱電発電器の低温側から熱を奪う冷却媒体の入口と、そ
の冷却媒体の出口と、該熱電発電器の高温側に熱を与え
た後の燃焼排ガスの出口とを有するので、前記外殻内で
の燃焼によって熱電発電器の各熱電素子の高温側に連続
的に熱が与えられ、同時に、冷却媒体を流すことによっ
て前記各熱電素子の低温側から熱が連続的に奪われる。

これによって、前記各熱電素子には起電力が発生する。

とくに、外殻内での燃焼であるため、単なる伝導や対流
のみでなく、輻射熱を前記高温側に有効に与えることが
できて、熱電発電の熱利用効率が向上する。しかも、前
記各熱電素子は電気的に直列に接続されているので、そ
の起電力の総和の比較的大きな直流電力が得られる。ま
た熱電素子集合体は、順に密着された第１薄膜層、第２
薄膜層、第３薄膜層からなる薄膜型であるため、燃焼に
よる熱の該熱電素子への伝達および該熱電素子がらの冷
却媒体への熱の伝達が良好であり、つまり、前記各層が
薄膜であることと、それらの薄膜層が密着されているこ
ととによって、前記第１薄膜層と第３薄膜層および第１
゜２．３の各層間の熱抵抗が著しく小さいため、熱の通
過量を増大することができて、アモルファス半導体熱電
素材等で構成されている前記第２薄膜層の高温側と低温
側の温度差が、燃焼ガスの流路壁面と冷却媒体の流路壁
面の温度差にほぼ等しくなり、したがって、前記第２薄
膜層が薄膜にもかかわらず、熱電発電のための熱利用効
率が向上する。しかも、電気的にも、前記第２薄膜層が
薄膜であるため、熱電素子の内部抵抗が小さくなり、そ
れだけ大きな直流電力をとり出すことができる。

さらに、構造的にも、熱電発電装置の小型化が可能とな
るとともに、必要な材料費および製作費を低減すること
ができる。

このように、本発明によれば、蒸気タービン、復水器、
発電機などを介さないで、熱エネルギーを直接電気エネ
ルギーに変換することができるので、タービンや発電機
ならびに外部燃焼器およびそれらの付属機器や長い配管
などが不要となって、静的化ならびに単純化が可能とな
り、したがって、設備費を著しく低減することができ、
がっ、保守や点検などが容易となり、また安全性および
信軌性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示した説明図、第２図は
熱電発電の原理の説明図、第３図は熱電発電の熱効率と
性能指数との関係の説明図、第４図は第１図の熱電発電
器を拡大して示した一部切欠正面断面図、第５図は本発
明の第２実施例を示した正面断面図、第６図は一部の図
示を省略して示した本発明の第３実施例の斜視図、第７
図は第６図の熱電発電器を拡大して示した一部切欠斜視
図、第８図は本発明の第４実施例の熱電発電器のみを示
した平面断面図、第９図（ａＢ　Ｌ　’Ｄ）、（ｃ＞＋
（ｄ）は本発明の第５実施例の熱電素子のみを示した説
明図、第１０図は従来の技術の一例を示した説明図であ
る。１−・・熱電発電装置、　　２・・・外殻、４・・・熱
電発電器、　　　８・・・吹出しヘッダ、９・・・燃焼
排ガスの出口、１１・・・冷却水の入口、１２・・・冷
却水の出口、　３３・・・円管、３４・・・熱電素子集
合体、３５・・・第１薄膜層、３６・・・第２薄膜層、
　　３７・・・第３薄膜層、３９・・・Ｐ型アモルファ
スＦｅ５ｉｚ半導体熱電素材、４０・・・Ｎ型アモルフ
ァスＦｅ５ｉｚ半導体熱電素材、４１・・・熱電素子、
　　　４２・・・触媒、４６・・・冷却水の流路、　４
７・・・箱状の管体、４８・・・板壁、５０・・・熱電素子。

Claims

【特許請求の範囲】１、外殻の内部に設けられた熱電発電器および前記外殼
の内部で燃焼して該熱電発電器の高温側に熱を与える燃
料と燃焼用空気の混合気体の吹出しヘッダを備え、かつ
、前記外殼には、該熱電発電器の低温側から熱を奪う冷
却媒体の入口と、その冷却媒体の出口と、該熱電発電器
の高温側に熱を与えた後の燃焼排ガスの出口とを有し、
しかも、該熱電発電器には、電気的にも熱的にも良導体
である第１薄膜層と、この第１薄膜層に密着されて電気
的にも熱的にも不良導体である絶縁物を介してＰ型アモ
ルファス半導体熱電素材とＮ型アモルファス半導体熱電
素材が対をなしている熱電素子の多数からなる第２薄膜
層と、この第２薄膜層に密着されて電気的にも熱的にも
良導体である第３薄膜層とからなる薄膜型の熱電素子集
合体を有し、さらに、前記第２薄膜層の各Ｐ型アモルフ
ァス半導体熱電素材と各Ｎ型アモルファス半導体熱電素
材が該第１薄膜層と第３薄膜層によつて高温側と低温側
と交互に順に電気的に接続されて全体として直列に接続
されていることを特徴とする、熱電発電装置。２、熱電発電器の高温側に熱を与える燃焼ガスの燃焼を
促進させる触媒がその熱電発電器の高温側の表面に密着
して設けられている請求項１記載の熱電発電装置。３、Ｐ型アモルファス半導体熱電素材およびＮ型アモル
ファス半導体熱電素材が、ともに、ＦｅＳｉ＿２からな
る請求項１または２記載の熱電発電装置。４、燃料が気体燃料である請求項１、２または３記載の
熱電発電装置。５、冷却媒体が水である請求項１、２、３または４記載
の熱電発電装置。６、多数の熱電発電器を有し、それら熱電発電器間の電
気的接続が、直列、並列、直列と並列の組み合わせ、の
いずれかになつている請求項１、２、３、４または５記
載の熱電発電装置。７、熱電発電器が円管型のものからなる請求項１、２、
３、４、５または６記載の熱電発電装置。８、熱電発電器が平板型のものからなる請求項１、２、
３、４、５または６記載の熱電発電装置。９、吹出しヘッダに供給される混合気体が、燃焼排ガス
によつて予熱されている請求項１、２、３、４、５、６
、７または８記載の熱電発電装置。