JPS6342181A

JPS6342181A - 熱発電装置

Info

Publication number: JPS6342181A
Application number: JP61185803A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tanaka; 田中　充広; Yasutsune Katsuta; 康常勝田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1986-08-07
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1988-02-23

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）本発明は熱発電装置に係り、特に触媒を用いて発電効率
を高めた熱発電装置に関するものである。

（従来の技術）従来、導体の一端を加熱し、他端を冷却すると両端の間
に電圧が発生するというゼーベック効果を利用し、高温
熱源より電力を得る熱発電モジュールが知られている。

第４図は、この種の熱発電モジュールの一例を示すもの
で、熱発電モジュールは、ｎ型半導体２と、ｎ型半導体
３と、これらを連結する高温側金属板４と、ｎ型半導体
２を隣接するｎ型半導体３ａ（第５図）に連結する低温
側金属板５とから構成される。高温側金属板４を加熱し
、低温側金属板５を冷却するとゼーベック効果により熱
起電力が発生し、電力を取出すことができる。この第４
図のような熱発電モジュールを、第５図に示すように低
温側金属板５にｎ型半導体３ａ、高温側金属板４にｎ型
半導体４ａ、以下、同様にして低温側金属板５ａにｎ型
半導体、および高温側金属板にｐ型半導体といった順序
で結ぎ合わせ、さらに高温側および低温側金属板の外側
にそれぞれ絶縁層６を設け、その上に熱伝導体７を設け
て熱発電ユニット８が構成される。このような熱発電装
置は、取扱いが便利であるとともに、モジュールの紡ぎ
方により高電圧を取出すことも可能である。これらに使
用される熱発電素子２．３はテルル、セレン等のカルコ
ゲン化合物またはシリコン、ゲルマニウムよす成っテイ
ル。

また、熱導体４．５．７は金属またはセラミックが用い
られる。

このような熱発電装置の用途としては、工場等の産業廃
熱を利用した発電による電力利用、温風暖房器、温水給
湯器の廃熱を利用した、ファン、制御器、表示素子の駆
動電源への利用が挙げられる。また、加熱温度により発
生電力を異なることを利用したセンサへの利用が考えら
れている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来の熱発電ユニットは上記のような構
成で、形状が平板であることから以下のような欠点があ
る。すなわち、一般的にはこの熱発電ユニットには高温
側および低温側にそれぞれ高温ガス、低温ガスを流して
発電するが、平板形状のため熱伝達率は数十ｋ　ｃ　ａ
　ｌ　／　ｒｄ　ｈ　’ＣＬかとれず、単位表面積当た
りの発電量が小さい。単位表面積当たりの発電量を大き
くするためには、第５図の熱伝導体７にフィンを設けね
ばならない。

また、このような熱発電ユニット８で高温側より低温側
に熱が移動する場合には、第６図のような温度分布にな
り、発電ユニット表面温度は低くなり、発電効率は小さ
くなる。また、一般的に熱発電ユニットまたは素子の発
電効率はユニットまたは素子を通過する熱量に対して表
わされているが、実際には、高温側のガスが持ち去る？
！量のほうが大きい場合があり、投入熱量に対する発電
効率を上げるためには、高温側ガスの出口温度を下げね
ばならない。

本発明の目的は、高温側流体の温度を高めることなく、
発電ユニットの表面温度を高くして、発電効率を高める
ことができる熱発電装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）上記目的は、従来の熱発電ユニットの高温側の熱伝導体
の上に、燃焼触媒層を形成し、投入可燃分をこの触媒層
表面で燃焼させ、高温側熱伝導体側を流れる流体温度を
相対的に低くすることによって達成される。

具体的には、本発明は、ｎ型半導体素子およびｎ型半導
体素子と、これらの一端をそれぞれ連結する高温側金属
板および低温側金属板と、これらの外側に設けられた絶
縁層および熱伝導体とからなる熱発電装置において、高
温側の熱伝導体の上に、アルミナ等の表面増加剤にパラ
ジウム等の触媒成分を含浸させた触媒層、または熱伝導
体表面にパラジウム等の触媒成分を蒸着させた触媒層を
設け、投入可燃分をこの触媒層表面で燃焼させるように
したものである。

本発明においては、前記触媒層表面に間隔をおいて電極
を設け、定電流を流して電気抵抗を測定し、この結果に
より、高温側および低温側の流体の流量、温度をコント
ロールし、高温側の流体中の可燃分、酸素濃度を調整す
ることにより、効率的かつ安全に前記目的を達成するこ
とができる。

（作用）パラジウム等の触媒層を設けた熱発電ユニットの高温側
に可燃分を混入して流すと、触媒層の働きにより、触媒
層表面で燃焼し、高温側熱伝導体のバルク温度を上げる
ことなく、高温側の触媒層温度および熱伝導体の表面温
度を高くすることができる。

また、触媒層の電気抵抗は触媒成分の活性状態により異
なることを利用し、触媒層の２点間の電極に定電流を流
し、電気抵抗を測ることにより、触媒の活性状態が最適
状態になるように、可燃分の流量、入口温度、可燃分濃
度および酸素濃度をコントロールできる。

次に本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例を示す熱発電装置の断面図
である。従来の熱発電装置のセラミック復熱伝導体７の
高温側表面にはアルミナ等の表面積増加剤をコーティン
グし、その上にパラジウムを含浸させた触媒Ｎ９が設け
られ、この触媒層９の表面に間隔を置いて白金電極１０
ａ、１０ｂが設けられている。この熱発電装置く以下、
熱発電ユニットと称することがある）の高温側は可燃分
（例えば炭化水素）と酸素を含有する高温流体が流れ、
低温側は水等の低温流体が流れる。電極１０ａ、１０ｂ
間の触媒層表面には熱電対１１が設けられ、また熱電対
１１と同位置の高温流体中には熱電対１２が設けられて
いる。

以上の構成において、高温流体ａとしてメタン３％を含
む空気を７００℃に加熱し、スペースベロシティ（空間
速度）３Ｘ１０４ｈ−１で高温側に流し、低温側には低
温流体すとして常温の水を出口温度が４０℃になるよう
に流したところ、第２図のＣのごとく、熱電対１２で測
定した高温側流体の温度は７００℃、熱電対１１で測定
した触媒層温度は約６５０℃であった。これに対して低
温流体を流さない場合ｄの触媒層温度は約１１５０°Ｃ
であった。熱発電ユニット８の高温側に触媒層９を設け
ない従来の熱発電ユニットを上述のＣと同一操作条件に
すると、触媒層表面温度は図中のｅに示すように３５０
℃であった。このように、熱発電ユニットの高温側に触
媒層９を設けることにより触媒層を設けない従来の熱発
電ユニットに比べて表面温度を高くすることができる。

これは高温ガス中のメタンが触媒層のパラジウムの触媒
作用で表面で燃焼し、表面温度が上昇したためである。

また発電量は高温側および低温側の熱伝導体の温度差に
ほぼ比例するから、本発明のＣの条件では従来のｅの条
件より発電量は約１．８倍となることが分かる。なお、
第２図のｄで示すように表面温度が１１５０℃程度にな
ると、バルク流れでも可燃分が燃焼する場合もあるが、
本発明のＣの条件のように表面温度がバルク流れの温度
より低い場合、このような燃焼を防止することができる
。また表面温度が高温流体より高くなっても低温流体に
より適当に熱を除去することにより、バルク流れの燃焼
をなくすことができる。

第３図は、第１図の触媒層９に設けた電極１０ａ、１０
ｂに定電流を流し、経時的に電気抵抗と触媒層表面温度
を測定した結果を示す。図中、Ｃは上述した高温側にメ
タンと空気を流し、低温側に水を流した場合、ｄは低温
側に水を流さない場合である。Ｃの条件では電気抵抗は
ほぼ一定であるが、ｄの場合は電気抵抗は変動している
。またＣの条件では触媒層表面温度がほぼ一定であるの
に対し、ｄの場合は電気抵抗の変動に関連し、触媒層表
面温度も変動している。すなわち、ｄの場合には触媒層
表面温度が低く、バルク流れと温度が等しいときは電気
抵抗は大きく、一方、燃焼が始まり、触媒層表面温度が
高くなるにつれて電気抵抗は小さくなり、触媒層表面温
度が１１００℃近傍になると、電気抵抗は最小値を示し
、触媒層表面温度は急激に低下することが分かる。この
場合、触媒層表面の燃焼炎の吹き消えが起こっている。

その後、電気抵抗は上昇し、また触媒層温度が上昇し、
燃焼が始まる。このように電気抵抗と触媒層温度が関連
しているのは、触媒成分であるパラジウムの酸化、還元
との関連がある。パラジウム（Ｐｄ）は次式のように酸
素によって酸化され、酸化パラジウム（Ｐ　ｄ　Ｏ）を
生成する。

Ｐｄ＋％０２−ＰｄＯ（１）酸化パラジウムはメタン（ＣＨ４）によって還元されパ
ラジウムに戻る。

４ＰｄＯ＋ＣＨ４−４Ｐｄ＋ＣＯ，＋２Ｈｚ　Ｏ（２）
パラジウムと酸素の解離平衡により、温度が低いときに
は酸化パラジウムが生成し、メタンの燃焼が起こるが、
温度が高くなっていくにつれて酸化パラジウムの生成が
遅くなり、高温になると酸素分圧が高くても酸化パラジ
ウムは生成せず、パラジウムの触媒作用は失われる。パ
ラジウムと酸化パラジウムでは電気抵抗が異なるため、
その結果、第３図のように電気抵抗の変動が表われてく
る。このパラジウムの酸化は、触媒層表面温度とともに
、可燃分濃度および酸素濃度により異なってくるため、
触媒層表面温度だけでは最適燃焼条件を知ることは困難
であるが、電気抵抗を測定しながら、高温側ガス流量、
可燃分濃度、酸素濃度を調節し、さらに低温側流体の流
量を制御すると、最′）Ｉ！ｉ操作条件を選ぶことがで
きる。また、吹き消え等の問題も事前に予知することが
でき、安全対策を講じることができる。なお、低温流体
の流量を変えることにより、条件Ｃの触媒層表面温度を
さらに上昇させたり、下げることもでき、これは電気抵
抗を測定しながら安全に行なうことができる。

本発明の実施例では、触媒層としてアルミナ（表面積増
加剤）に触媒成分としてパラジウムを含浸させたものを
示したが、触媒成分としてはこれに■定するものでなく
、コバルト、白金等を含む元素周期表の第１族、クロム
、モリブデンを含む第ＶＩＢ族、レニウムを含む第■Ｂ
族、銅、銀を含む第１Ｂ族、ストロンチウム、バリウム
を含む第１［Ａ族、ランタンを含むランタン系元素を１
成分あるいは１成分以上組合わせたものでもよい。また
これら成分を熱伝導体上に蒸着したものでもよい。

また、実施例では可燃分としてメタンについて示したが
、水素、−酸化炭素、プロパン等の常温でガス状の可燃
分あるいはガソリン、灯油のごとく常温で液状の可燃分
でもよい。低温流体は水に附らず、空気等のガス、フレ
オン、熱媒体油等の無機および有機媒体でもよい。

（発明の効果）本発明によれば、熱発電ユニットの高温側表面に設けた
触媒層表面で可燃分が燃焼することにより、表面温度が
高くなるため、高温側の流体の温度を上げることなく、
熱発電ユニットの高温側表面温度を高くすることができ
、その結果、投入熱量に対し発電効率を高くすることが
できる。

また触媒層の２点間電極で触媒層の活性を測定しながら
、流量、入口温度、可燃分濃度、酸素濃度を制御するこ
とにより、最適な操作条件を選択するとともに、触媒層
表面の吹き消え等を予知し、事前に安全に対策を講じる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による熱発電装置の一実施例を示す断
面図、第２図は、本発明の実施例における高温側温度分
布を示す説明図、第３図は、本発明の実施例における電
気抵抗の変動を示す説明図、第４図は、従来の熱発電モ
ジュールの断面図、第５図は、従来の熱発電装置の断面
図、第６図は、従来の熱発電装置を用いた温度分布の説
明図である。１・・・熱発電モジュール、２・・・ｐ型半導体素子、
３・・・ｎ型半導体素子、４・・・高温側金属板、５・
・・低温側金属板、６・・・絶縁層、７・・・熱伝導体
、８・・・熱発電ユニット、９・・・触媒層、１０ａ、
１０ｂ・・・電極、１１・・・熱電対、１２・・・熱電
対、ａ・・・高温流体、ｂ・・・低温流体。代理人　弁理士　川　北　武　長第１図　　　　　第２図ハ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子と、これら
の一端をそれぞれ連結する高温側金属板および低温側金
属板と、これらの外側に設けられた絶縁層および熱伝導
体とからなる熱発電装置において、高温側の熱伝導体上
に燃焼触媒層を設けたことを特徴とする熱発電装置。
（２）ｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子と、これら
の一端をそれぞれ連結する高温側金属板および低温側金
属板と、これらの外側に設けられた絶縁層および熱伝導
体とからなる熱発電装置において、高温側の熱伝導体上
に燃焼触媒層を設け、さらに該触媒層表面に間隔を置い
て電極を設け、該触媒層の電気伝導度を測定し、これに
より高温側および／または低温側の流体条件をコントロ
ールする制御手段を設けたことを特徴とする熱発電装置
。