JPH09149666A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電対の関係にある金属材料の熱伝導率が高
いことを利用し、高い熱利用効率で熱伝変換する。 【解決手段】 熱電対の関係にある２種の金属のうち第
１の金属を平坦金属箔２とし、一定間隔をおいて筐体１
の内部に複数立設される。平坦金属箔２の間には、ガス
透過用の細孔が形成された第２の金属からなる複数の波
形金属箔３を挟み込む。平坦金属箔２と前記波形金属箔
３の上端４及び下端５を互い違いに接続し、複数の熱電
対が直列接続された構造にする。接続部４，５を除いて
金属箔２，３に絶縁処理を施す。平坦金属箔２と筐体１
の内壁面との間に燃焼空間１０が設けられ、平坦金属箔
２の隣接間隙に一つおきに形成されたガス供給側間隙８
を介して送り込まれた燃料ガスが燃焼し、排ガスがガス
排気側間隙９を経て系外に送り出される。このとき、ガ
スの流れ方向に沿って接続部４と５との間に生じる温度
差に起因する電力を、取出し電極６，７を介して出力さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電対の関係にある２
種類の金属からなる熱交換器で発生する温度勾配を利用
し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二か所の接点に
温度差を与えると、ゼーベック効果による起電力が発生
する。この起電力を利用して熱を電気に直接変換する熱
電発電装置は、装置構成が単純で低騒音，小型等の長所
をもっていることから、実用化を目指して必要特性を備
えた材料開発が活発に行われている。この種の熱電発電
装置で使用される素材には、熱電発電材料としての性能
指数Ｚ（＝α² ／ρ・λ）が大きいことが要求される。
ただし、αは１℃当りの熱起電力（電圧），ρは抵抗
率，λは熱伝導率を示す。すなわち、 ・ 熱起電力（ゼーベック係数α）が大きいこと。 ・ 電気抵抗率ρが小さいこと。 ・ 高温雰囲気に曝されることから耐熱性に優れている
こと。 材料特性に対するこのような要求から、起電力が大きく
性能指数Ｚが高い各種半導体材料、最近では特に耐熱性
に優れたＦｅＳｉ₂ 等が開発されている。他方、金属材
料に関しては、性能指数Ｚが低いため、熱電発電材料と
しての開発はほとんど進んでいない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、コスト及び実
用性を含めた観点からするとき、熱電発電材料として十
分な特性をもった材料はいまだ実用化されていない。そ
のため、熱電発電は、種々の長所をもっているにも拘ら
ず、特殊な用途分野でのみ実用化されているのに止まっ
ている。本発明者等は、このような優れた長所をもつ熱
電発電装置に適した材料として、性能指数Ｚが低いとい
うことで従来では全く考えられていなかった金属材料を
使用した場合でも十分な温度差をつけ、電力を取り出す
ことができる熱電発電装置を開発し、特願平７−７８２
０２号，特願平７−２６８０４９号としてその一部を出
願した。本発明は、先願で提案した熱電発電装置を更に
改良すべく案出されたものであり、燃料の利用効率を高
め、より簡単で実際的な構造の発電装置を提供すること
を目的とする。

【０００４】

【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、熱電対の関係にある２種
の金属のうち第１の金属からなり、一定間隔をおいて筐
体の内部に立設された複数の平坦金属箔と、該平坦金属
箔の間に挟み込まれ、ガス透過用の細孔が形成された第
２の金属からなる複数の波形金属箔と、複数の熱電対が
直列接続されるように、隣接する前記平坦金属箔と前記
波形金属箔の上端及び下端を互い違いに接続する上端接
続部及び下端接続部と、これら接続部を除いて前記平坦
金属箔と前記波形金属箔とを相互に絶縁する絶縁皮膜
と、前記平坦金属箔と前記筐体の内壁面との間に形成さ
れた燃焼空間と、前記平坦金属箔の隣接間隙に一つおき
に形成されたガス供給側間隙及びガス排気側間隙と、両
最端部の平坦金属箔及び波形金属箔に接続された取出し
電極とを備えている。

【０００５】ガス供給側間隙を経て送り込まれた燃料ガ
スを燃焼空間で燃焼させ、ガス排気側間隙を経て送り出
すとき、ガスの流れ方向に沿って上端接続部と下端接続
部との間で生じる温度差に起因する電力を前記取出し電
極を介して出力させる。本発明者等は、以前から温度計
測用として使用されている熱電対用の金属材料に着目
し、安定で加工し易く電気伝導率が高い等の利点もあ
り、コスト的に有利な金属材料を熱電発電に応用するこ
とに想到した。現在知られている熱電対用材料の中で
は、価格，耐熱性，熱起電力等を考慮すると、アルメル
・クロメルが好適な材料である。そして、この種の材料
の熱伝導性が高いことを逆に利用して熱交換技術を確立
し、発電媒体としての利用と同時に燃焼熱を加熱に有効
利用する熱交換器構成材料として使用することを完成し
たものである。

【０００６】以下、図面を参照しながら、本発明を具体
的に説明する。本発明の熱電発電装置は、図１に示すよ
うに、下部のガス出入り口を除いて密閉構造となってい
る筐体１を備えている。筐体１の内部には、第１の金属
からなる平坦な複数の箔２が一定の間隔で配列されてい
る。平坦金属箔２の各間隙に、第２の金属からなる波形
の箔３が配置されている。波形金属箔３には、多数の細
孔が形成されている。平坦金属箔２及び波形金属箔３
は、それぞれの上端４及び下端５が交互に電気的に接続
され、接続部４，５以外では電気的に絶縁されている。
すなわち、平坦金属箔２と波形金属箔３とを一対とした
複数の熱電対が電気的に直列接続された構造になってお
り、直列接続された熱電対の両端に電極６，７を取り付
ける。筐体１内部に配置された平坦金属箔２，２・・の
隣接間隔は、一つおきに供給側間隙８及び排気側間隙９
として使用される。燃料ガス，気化燃料，霧化燃料等
は、供給側間隙８から燃焼空間１０に向けて送り込ま
れ、燃焼空間１０で燃焼した後、排気側間隙９から系外
に送り出される。燃焼に必要な混合ガスは、空気に対し
濃度１％程度の割合で燃料を混合したガスが使用され
る。或いは、熱交換のために送り込む気体を空気のみと
し、燃料を燃焼空間１０に直接導入する方式も作用でき
る。

【０００７】高温の燃焼ガスが排気側間隙９を通過する
際、排気側間隙９に臨む両側の平坦金属箔２及び波形金
属箔３が加熱され、燃焼ガスが冷却される。他方、供給
側間隙８では常に常温の未燃焼ガスが通過することか
ら、供給側間隙８に臨む両側の平坦金属箔２及び波形金
属箔３が冷却される。同時に、未燃焼ガスは、加熱さ
れ、燃焼空間１０に達するまでに十分予熱される。この
燃焼過程によって、燃焼空間１０で発生した熱の大部分
は、平坦金属箔２及び波形金属箔３を介した熱交換作用
によって、外部に放出されることなく効率よく燃焼空間
１０に蓄熱される。その結果、平坦金属箔２及び波形金
属箔３の上端接続部４と下端接続部５との間に急峻な温
度差が生じ、その温度差に応じた起電力が熱電対に発生
する。このとき、熱電対を直列接続している構造から、
（一対の熱電対で発生した熱起電力）×（熱電対の個
数）に相当する電圧が取出し電極６と７との間に出力さ
れる。

【０００８】発電効率は、上端接続部４と下端接続部５
との間に付ける温度勾配が急峻なほど高くなる。これ
は、出力電圧が高温−低温両接合部分４，５の温度差の
二乗に比例し、熱電対の抵抗（内部抵抗）に反比例する
からである。この点、上端接続部４と下端接続部５との
間の温度差がたいして変わらないのであれば、上端接続
部４と下端接続部５との間の距離を短くするほど内部抵
抗を小さくすることができる。したがって、発電効率を
向上させるため、温度勾配が最も急峻な部分を挟み込む
ように上端接続部４及び下端接続部５を位置決定するこ
とが好ましい。燃焼空間１０が外部から十分断熱される
構造を採用するとき、少ない燃料で燃焼空間１０を高温
に維持できるため、エネルギー変換効率が一層向上す
る。また、燃焼空間１０を中心として、前述した構成の
熱電対直列接続体を上下対称に配置するとき、高い熱効
率で電力を取り出すことができる。燃焼空間１０には、
蓄熱性を高めるためにセラミックス等の多孔体や、燃焼
反応を促進するためにＮｉ等の触媒作用を呈するメッシ
ュを配置することも可能である。

【０００９】

【実施例】セラミックス基板１１（図２）に孔１２を開
け、幅１ｍｍの供給側ガス誘導路１３及び排気側ガス誘
導路１４を形成した。また、平坦金属箔２を嵌め込むた
めの箔固定溝１５を配列間隔２ｍｍのピッチで刻設し
た。ガス供給側は、セラミックス基板１１をＡ−Ａ断面
でみた図３（ａ）に示した断面構造になっている。ガス
排気側は、セラミックス基板１１をＢ−Ｂ断面でみた図
３（ｂ）に示した断面構造になっている。誘導路１３，
１４及び箔固定溝１５は、セラミックス基板１１をＣ−
Ｃ断面でみた図２（ｃ）に示される位置関係をもってい
る。平坦金属箔２には、縦５．５ｃｍ×横４．５ｃｍの
サイズをもち厚み５０μｍのクロメルを使用した。波形
金属箔３には、縦５ｃｍ×横４ｃｍのサイズをもち厚み
５０μｍのアルメルを波形に成形したものを使用した。
平坦金属箔２と波形金属箔３との上端接続部４及び下端
接続部５をスポット溶接し、２０対の熱電対を直列配置
した。接合後の平坦金属箔２及び波形金属箔３を大気中
で１０００℃×３０分加熱し、接続部４，５を除く各金
属箔２，３の表面に絶縁膜を形成した。また、熱電対の
両最端部に平板状のアルメル及びクロメルを取り付け、
取出し電極６，７として外部に導いた。

【００１０】波形金属箔３が接続された平坦金属箔２の
下端をセラミックス基板１１の箔固定溝１５に差し込
み、図４に示すように固定した。セラミックス基板１１
に固定された平坦金属箔２及び波形金属箔３にセラミッ
クス性の筐体１を被せ、外側を金属製バンドで固定し
た。そして、空気に濃度３％でＬＰＧを混合した燃料ガ
スをガス供給孔１２からガス誘導路１３を経て燃焼空間
１０に送り込み、筐体１の上部に設置したスパークプラ
グによって点火した。筐体１の上部のみが十分に昇温し
たところで、ＬＰＧ濃度を１％まで低下させ、定常状態
に達した。定常状態では、解放出力電圧０．６Ｖ，内部
抵抗０．８Ωとなった。この結果から、最大１１２ｍＷ
の出力電力を取出し可能なことが判った。

【００１１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の熱電発
電装置は、熱電対として使用されるアルメル・クロメル
等の金属材料が熱伝導率が高いことを利用して供給側と
排気側とで熱交換を行わせ、両方の接続部の間に大きな
温度差を付けている。そのため、複数の熱電対が直列接
続されている構造と相俟つて、高い燃料利用効率で大き
な電力を取出すことができる。しかも、ガス供給・排気
系の構造が簡単であるため、設備的にも有利な熱電発電
装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った熱電発電装置の基本構造

【図２】 複数の金属箔を立設させるセラミックス基板

【図３】 セラミックス基板の図２Ａ−Ａ断面図
（ａ），同Ｂ−Ｂ断面図（ｃ）及び同Ｃ−Ｃ断面図
（ｃ）

【図４】 セラミックス基板に立設した金属箔

【符号の説明】

１：筐体 ２：平坦金属箔 ３：波形金属箔
４：上端接続部 ５：下端接続部 ６，７：取出し
電極 ８：供給側間隙 ９：排気側間隙 １０：燃焼空間 １１：セラミックス基板 １２：
ガス導入用の孔 １３：供給側ガス誘導路 １４：排気側ガス誘導路
１５：箔固定溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電対の関係にある２種の金属のうち第
   １の金属からなり、一定間隔をおいて筐体の内部に立設
   された複数の平坦金属箔と、該平坦金属箔の間に挟み込
   まれ、ガス透過用の細孔が形成された第２の金属からな
   る複数の波形金属箔と、複数の熱電対が直列接続される
   ように、隣接する前記平坦金属箔と前記波形金属箔の上
   端及び下端を互い違いに接続する上端接続部及び下端接
   続部と、これら接続部を除いて前記平坦金属箔と前記波
   形金属箔とを相互に絶縁する絶縁皮膜と、前記平坦金属
   箔と前記筐体の内壁面との間に形成された燃焼空間と、
   前記平坦金属箔の隣接間隙に一つおきに形成されたガス
   供給側間隙及びガス排気側間隙と、両最端部の平坦金属
   箔及び波形金属箔に接続された取出し電極とを備え、前
   記ガス供給側間隙を経て送り込まれた燃料ガスを前記燃
   焼空間で燃焼させ、前記ガス排気側間隙を経て送り出す
   とき、ガスの流れ方向に沿って前記上端接続部及び前記
   下端接続部に生じる温度差に起因する電力を前記取出し
   電極を介して出力させる熱電発電装置。