JPH09275692A

JPH09275692A - 熱発電システム

Info

Publication number: JPH09275692A
Application number: JP8110326A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ko; 博高; Saburo Yokoyama; 三郎横山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】焼却炉や工業炉、ボイラ−などの炉で発生す
る熱エネルギ−を電気エネルギ−に変換して、廃熱エネ
ルギ−を有効活用するに当たり、安価で信頼性の高い熱
電素子を得るとともに、この熱電素子による発電方式を
実現し、焼却炉や工業炉などの炉への配線工事を不要に
した熱発電システムを得ることを目的とする。【構成】鉄シリサイド（ＦｅＳｉ₂）系遷移金属けい
化物にあって、（Ｆｅ／Ｓｉ）のモル組成比が０.４〜
０.６に対し、Ｐ型およびＮ型素子には遷移元素として
クロム（Ｃｒ）とコバルト（Ｃｏ）が、それぞれ０.０
８〜０.１２および０.０３〜０.０７含有した熱電素子
と、該熱電素子を加熱して得られる起電力を補助する蓄
電池と、前記熱電素子および蓄電池が発生する直流電力
を、交流電力に変換する電圧変換器、とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電効果を利用して熱
エネルギ−を電気エネルギ−に変換する熱電素子を、焼
却炉や工業炉、ボイラ−などの炉壁に取り付けて、それ
らの燃焼熱や排熱を有効利用する熱発電システムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱電素子は直接結合せしめたＰ
型素子とＮ型素子の結合部分を直接加熱し、低温の両分
極から電力を取り出す。従って、高温用熱電素子はＰ
型、Ｎ型ともに耐熱性および耐食性の優れていることが
要求される。従来、高温大気中での熱電素子としては、
Ｐ型熱電素子としてＣｒＳｉ₂が、またＮ型熱電素子と
してＣｏＳｉが良く知られている。更に、この目的に適
合するものとして、ＦｅＳｉ₂に関しては、ＦｅＳｉ₂
に適当量のＣｏを添加するとＮ型の、またＡｌを添加す
るとＰ型の熱電素子として利用できることが知られてい
る。しかしながら、ＦｅＳｉ₂にＡｌを添加したＰ型熱
電素子は、Ａｌが溶解中に蒸発してＡｌの添加量を制御
することが非常に困難なため、熱電素子の特性がばらつ
き目的に適した熱電素子を作ることができない。

【０００３】尚、Ｐ型としての遷移金属としては、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｒ
ｅなどがあるが、熱電素子組成物の製法上、これらの遷
移金属は単体またはそのけい化物（ＭＳｉ₂）にて前記
金属群の少なくても１種以上がＦｅＳｉ₂に対して添加
される。しかしながら、これら遷移金属のうち、高温用
に適した安価で熱電変換効率のよいものの最適な含有率
については現在研究段階にある。この点については、Ｎ
型のＣｏについても同様である。

【０００４】ところで、熱電技術は、化学機器のうちで
構造が簡単でよく知られているもののひとつであり、熱
電対が動作するのと同じ現象のゼ−ベック効果に基づい
ている。熱電対は構造が簡単で安価、それに信頼度が高
いという理由から広く温度計測や制御装置に使われてい
る。しかし、電力用としてはラジオアイソト−プ熱発電
器（ＲＴＧ）以外には実用例がほとんどないのが現状で
ある。

【０００５】一方、１９９２年リオサミットといわれる
地球環境問題のサミットがブラジルで行われ、これを契
機に日本も国際公約として地球温暖化防止計画に参加す
ることになった。原子力や石油、石炭など色々なエネル
ギ−があるが、２０００年に約３％は太陽光エネルギ−
などの新エネルギ−でまかなわないと、国際公約を実行
できないということになった。そこで新エネルギ−の導
入を加速しようと、政府は平成６年に「新エネルギ−導
入大綱」を閣議決定した。その流れの一環として科学技
術庁は平成７年度より未利用の廃熱を有効活用する熱電
技術の開発に着手することになった。現在、国内の一次
エネルギ−の約６割、石油換算で年間約２億キロリット
ルにもなる膨大な排熱エネルギ−が捨てられている。

【０００６】そこで、一例として焼却炉について次に述
べる。この焼却炉の廃熱を有効利用しようとするゴミ発
電が近年注目され始め出した。このようなゴミ発電の方
法は大きく分けて二つあるが、一つはゴミを燃やす際に
発生する焼却熱をボイラ−で回収し、発電機を駆動する
方式で、従来は発電機を回す蒸気の温度が低く、発電効
率は最大でも２０％前後と低いことがネックだったが、
近年になりガスタ−ビンを併用して蒸気の温度を高める
「ス−パ−ゴミ発電（複合発電）方式」が登場した。図
５にこのゴミの複合発電の仕組みを示すが、これは発電
効率を２５％程度まで高められるうえ、窒素酸化物の排
出が少ない点も注目されている。

【０００７】もう一つのゴミ発電の方式は可燃ゴミを固
形燃料にして発電専用炉で燃やす技術である。回収した
ゴミから金属や土砂などを取り除き、消石灰などを加え
てペレット（丸薬）状に焼き固めるものであり、１キロ
グラム当たりの熱量は石炭の半分程度だが、成分が均質
で炉へのダメ−ジが少ないのが利点である。

【０００８】しかし、上述のようなゴミ発電は大型焼却
炉に限られ経済的にも見合わず、現状では自治体が発電
設備を建設する場合、費用の７割が国庫補助となってお
り、自治体側の負担としては比較的軽いものである。

【０００９】一方、焼却能力が１日当たり５トン以下の
小型焼却炉にあっては、従来のようなゴミ発電方式が適
用できず、廃熱の利用としては温水を得るにとどまって
いた。また、このような小型焼却炉は極めて小型なもの
を除き、ゴミを完全焼却させるために、バ−ナ−やファ
ン等を設置しており、これらの制御に商用電源が必要と
なるが、焼却炉までの配線工事は設置場所によっては大
変厄介になる場合もしばしば生じていた。

【００１０】このような現状に鑑み、出願人は熱エネル
ギ−の有効活用として先に高温用熱電素子（特願平７−
１０９０００）及び熱電素子埋込耐火材（特願平７−１
５０９４８）を出願したが、今までは考えられていなか
った小型焼却炉や工業炉などの電源確保として、安価で
信頼性の高い熱電素子による、構成が簡単な熱発電シス
テムが望まれるようになってきた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の課題
を解決するためになされたもので、安価な金属半導体セ
ラミックの熱電素子を得るとともに、この熱電素子を焼
却炉や工業炉、ボイラ−などの炉壁に設け、これら炉内
の燃焼熱により発生する電力を、炉のバ−ナ−やファン
等の電源に利用することで、炉までの電気配線工事をな
くすようにした発電機能を有する熱発電システムを得る
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の熱発電システムは、鉄シリサイド（ＦｅＳｉ₂）系遷
移金属けい化物にあって、（Ｆｅ／Ｓｉ）のモル組成比
が０.４〜０.６に対し、Ｐ型およびＮ型素子には遷移元
素としてクロム（Ｃｒ）とコバルト（Ｃｏ）が、それぞ
れ０.０８〜０.１２および０.０３〜０.０７含有した熱
電素子と、該熱電素子を加熱して得られる起電力を補助
する蓄電池と、前記熱電素子および蓄電池が発生する直
流電力を、交流電力に変換する電圧変換器、とで構成す
る。

【００１３】

【作用】本発明によれば、焼却炉や工業炉などの燃焼熱
により起電力を発生する熱電素子と、補助蓄電池および
電圧変換器からなる熱発電手段を、焼却炉や工業炉など
の強制燃焼装置の電源としているので、構造が簡単で安
価な発電方式となり、炉への電気配線工事が不要なオン
サイト型の熱発電システムが実現し、焼却炉や工業炉の
廃熱エネルギ−を極めて有効に活用することができると
いう作用を有する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に関する実施例を図１、図２、
図３、および図４に基づいて説明する。

【００１５】図１は小型焼却炉の一例を示す図である。
小型焼却炉は大型焼却炉と違い、燃焼室温度、排ガス温
度、排ガス量が大きく変化するため、燃焼条件が悪く温
度低下や局部的酸素不足などによる影響を受けやすく、
黒煙など未燃物質が出やすい傾向にある。従って、燃焼
条件をよくするため極めて小型なものを除き、通常はバ
−ナ−やファンを設置している。図１の小型焼却炉はフ
ァンのみを設置した例である。

【００１６】ゴミなどの廃棄物は投入口３の扉を開け１
次燃焼室１内に投入し、焚口６よりマッチなどで点火す
る（バ−ナ−を設けて自動点火することもできる）。廃
棄物が着火し燃焼を始めれば操作盤２のスイッチを入れ
ファン５を作動させ送風を開始する。４はスプレ−ノズ
ルで、１次燃焼室の温度を熱電対温度計（図示しない）
で監視し高温（例えば８５０℃以上）になると水を噴霧
する。この水の噴霧は燃焼炉の炉壁保護もさることなが
ら、ＮＯ_X（窒素酸化物）の抑制にもなり効果的な方法
である。

【００１７】７は火格子揺動ハンドルで、火格子１３を
揺動させ灰落し作業を改善したもので、焼却中に燃焼空
気の流通をよくすることができる。灰は灰室１０に落
ち、灰出し口８より外部に取り出す。９は断熱基礎板
で、コンクリ−ト等の基礎床面（図示しない）と接して
いる。１２は２次燃焼室で、廃棄物より発生した熱分解
ガスの大部分は、１次燃焼室１で燃焼するが、未燃ガス
や炭素粒子をこの２次燃焼室１２でさらに燃焼させるも
のである。通常、２次燃焼室１２にはたいていバ−ナ−
が設置されているが、バ−ナ−がない場合、１次燃焼室
１から可燃性ガスが連続的に２次燃焼室１２に供給され
ないと２次燃焼室１２の温度が下がり、黒煙が発生する
ことがある。１１は煙突で排ガスを外部に排出させる
が、２次燃焼室１２内の灰は掃除口１４より外部に取り
出す。

【００１８】１５は２次燃焼室１２内の燃焼熱および煙
突１１の排ガス熱により起電力を発生する熱電素子部
で、多数の熱電素子から構成されている。図１では熱電
素子部１５を２次燃焼室１２内および煙突１１の外面に
配しているが、この例に限らず１次燃焼室１の炉壁やそ
の他高熱部に設けてもよいことは勿論である。熱電素子
部１５で発生した直流電力は、熱発電変換装置２０にて
操作盤２やファン５に必要な交流電力に変換する。

【００１９】図２は熱発電システムのブロック図であ
る。１５は図１の符号で示したのと同様な熱電素子部
で、ここで発生した直流電力は電圧変換器１６に入力さ
れるが、電圧変換器１６は一種の直流−交流インバ−タ
である。熱電素子部１５で生じる熱起電力は、焼却炉が
稼働し熱の発生を伴ったときに誘起する電力であるた
め、焼却炉の始動のために補助用として蓄電池１７を設
ける。この蓄電池１７には焼却炉の稼働中に発生する余
剰電力を充電させる構成としておく。１８および１９は
それぞれ１００Ｖ出力回路および２００Ｖ出力回路で、
１００Ｖ出力回路１８は例えば図１の操作盤２の電源
に、またファン５が２００Ｖ動力用の場合は２００Ｖ出
力回路１９よりファン５に電力を供給する。なお、図１
の熱発電変換装置２０は電圧変換器１６と蓄電池１７、
１００Ｖ出力回路１８および２００Ｖ出力回路１９より
構成したものである。

【００２０】図３は熱電素子部の構成例を示す図であ
る。２１は耐火材で、例えば耐火レンガや断熱レンガ、
キャスタブルなどであり、熱電素子２２が貫通孔２７の
中に素子支持材２６でもって固定してある。素子支持材
２６としては、例えばシリカアルミナ系の超高温用無機
繊維断熱材（セラミックファイバ−）で、低熱伝導率か
つ熱衝撃性に優れたものを用いる。２５は耐熱性被覆材
で、例えば耐火性セラミックスと無機ポリマ−を主成分
とした耐熱性セラミックコ−ティング材であり、耐火材
２１にコ−ティングする。２８は耐熱性接着剤で、例え
ば加熱硬化型の無機接着剤で、成分としては耐熱性被覆
材２５と類似のものである。熱電素子２２は素子支持材
２６とともに耐熱性被覆材２５と耐熱性接着剤２８で固
定される。２３はヒ−トシンク（放熱板）、２４は熱電
素子２２より発生する熱起電力取出し用の出力端子であ
る。また、耐火材２１の高温側をＡ、低温側をＢとし、
熱電素子２２の長さと幅をそれぞれＬおよびＷで示す。

【００２１】ここで一例として、Ｌ＝４ｃｍ、Ｗ＝２.
５ｃｍ、断面積０.３６ｃｍ²（０.６ｃｍ×０.６ｃ
ｍ）、また高温側耐火材壁Ａの温度を６９０℃、低温側
耐火材壁Ｂの温度を２１０℃とした場合、出願人が先に
出願した熱電素子埋込耐火材（特願平７−１５０９４
８）にて試作したＦｅＳｉ₂セラミックの熱電素子を用
いると、熱電素子１個で取り出し得る電力は０.５
（Ｗ）である。いま、耐火材２１の高温側Ａの表面積６
２５ｃｍ²（２５ｃｍ×２５ｃｍ）とした場合、ヒ−ト
シンク２３の大きさ（１.５ｃｍ×１.５ｃｍ×２.０ｃ
ｍ）や出力端子２４の配線スペ−スなどを考慮すると、
耐火材１枚に少なくとも５×９＝４５個の素子を埋込む
ことができる。従ってこの場合、耐火材１枚より取り出
し得る電力は０.５（Ｗ）×４５＝２２.５（Ｗ）であ
り、単位面積当たりの取り出し電力は２２.５（Ｗ）×
１６＝３６０Ｗ／ｍ²となる。よって、焼却炉の操作盤
やファンに必要な電力を、一例として図３のような熱電
素子部の構成によって得ることができる。

【００２２】図４は本発明の熱電素子の形状図である。
３０はＰ型素子であり、遷移元素としてＣｒ１０％をド
−ブしＦｅ_0.9Ｃｒ_0.1Ｓｉ_2.125のモル組成比のもの
とする。３１はＮ型素子で遷移元素Ｃｏ５％を含むＦｅ
_0.95Ｃｏ_0.05Ｓｉ_2.125のものである。ここで、原料と
して用いたＦｅＳｉ₂粉末は、例えば不活性ガス（Ａ
ｒ）雰囲気中で直流ア−ク放電によって溶融した後、ボ
−ル・ミルで平均粒径０_.５〜５μｍまで粉砕する。こ
のＦｅＳｉ₂の微粒粉体にバインダ−としてポリビニ−
ル・アルコ−ル（ＰＶＡ）１％を加えて加圧成型し、そ
の後空気中で２００℃〜３５０℃に加熱してデバインド
する（アルコ−ル分を抜く）。さらにこれを真空中で１
１７０℃の温度にて約２時間焼いて固める。この状態の
ＦｅＳｉ₂はα型であり金属のままである。このα型Ｆ
ｅＳｉ₂を半導体としてのβ型ＦｅＳｉ₂にするには、
α型とβ型の変態点温度（９４０℃）以下、例えば９０
０℃の温度で空気中にて１０〜２０時間程度焼けばよ
い。

【００２３】３２はＰ−Ｎ接合部であり、Ｐ型素子３０
とＮ型素子３１の接合にはＰｄを用いてもよい。３４は
加熱される高温部、３５は低温部である。ここで高温部
３４の加熱温度は、α型ＦｅＳｉ₂とβ型ＦｅＳｉ₂の
変態点温度（９４０℃）以下でなければならないが、後
述するように熱電素子の熱電変換効率は低温部３５の温
度を一定とすると、高温部３４の温度が高い程大きくな
る。従って、用途によってはα型とβ型の変態点温度を
高くすると、高温用熱電素子としては都合のよい場合が
ある。このような変態点温度を高める必要があるときに
は、ＰｄにＲｕを少量添加することで変態点温度は１０
００℃近く（９８０℃）まで上昇する。更に、変態点温
度１０００℃以上にするときには、ＳｉＣ粉末をつけて
接合することで可能となる。

【００２４】３３ａ、３３ｂはセラミックで、Ｐ型素子
３０とＮ型素子３１の表面をアルミナ系のものでコ−テ
ィングする。このセラミックのコ−ティングにより酸化
防止が図れ、高温中での耐食性が増し、熱電素子の寿命
が飛躍的に向上する。

【００２５】３６ａ、３６ｂは出力端子で、電力の取り
出しのため低温部３５の両分極にろう付けや接着剤等を
用いて接合する。このような構成では端子３６ａが正電
位（＋）、また端子３６ｂは負電位（−）となり、外部
負荷（図示しない）をつなぐことにより直流電力が取り
出せる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、焼却炉や工業炉の燃焼熱によ
り起電力を発生する熱電素子と、補助蓄電池および電圧
変換器からなる熱発電手段を、焼却炉の強制燃焼装置等
の電源としているので、炉への電気配線工事が不要な、
構造が簡単かつ安価な熱発電システムを得ることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】小型焼却炉の一例を示す図である。

【図２】熱発電システムのブロック図である。

【図３】熱電素子部の構成例を示す図である。

【図４】熱発電素子の形状図である。

【図５】ゴミの複合発電の仕組みを示す図である。

【符号の説明】

１１次燃焼室２操作盤３投入口４スプレ−ノズル５ファン６焚口７火格子揺動ハンドル８灰出し口９断熱基礎板１０灰室１１煙突１２２次燃焼室１３火格子１４掃除口１５熱電素子部１６電圧変換器１７蓄電池１８１００Ｖ出力回路１９２００Ｖ出力回路２０熱発電変換装置２１耐火材２２熱電素子２３ヒ−トシンク（放熱板）２４出力端子２５耐熱性被覆材２６素子支持材２７貫通孔２８耐熱性接着剤３０Ｐ型素子３１Ｎ型素子３２Ｐ−Ｎ接合部３３ａ、３３ｂセラミック３４高温部３５低温部３６ａ、３６ｂ出力端子

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 35/14 Ｈ０１Ｌ 35/14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄シリサイド（ＦｅＳｉ₂）系遷移金属
けい化物にあって、（Ｆｅ／Ｓｉ）のモル組成比が０_.
４〜０_.６に対し、Ｐ型およびＮ型素子には遷移元素と
してクロム（Ｃｒ）とコバルト（Ｃｏ）が、それぞれ０
_.０８〜０_.１２および０_.０３〜０_.０７含有した熱電素
子と、該熱電素子を加熱して得られる起電力を補助する
蓄電池と、前記熱電素子および蓄電池が発生する直流電
力を、交流電力に変換する電圧変換器、とで成ることを
特徴とする熱発電システム。