JP3446146B2 - 熱電発電方法及びその装置 - Google Patents
熱電発電方法及びその装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱電発電素子を利用した
熱電発電方法及びその装置に関し、特に多孔質媒体を用
いた燃焼法を組み合わせた新規な熱電発電方法及び装置
に関する。
熱電発電方法及びその装置に関し、特に多孔質媒体を用
いた燃焼法を組み合わせた新規な熱電発電方法及び装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ゼーベック効果を利用した熱電発
電素子は、金属の場合には例えば熱電対が、半導体の場
合には各種の熱電気変換デバイスがそれぞれよく知られ
ている。図４は半導体による熱電発電素子の一例を示
し、ｐ型の半導体４１とｎ型の半導体４２とをΠ型に組
み合わせたものである。半導体４１，４２の一端側、す
なわち高温接合部には高温側電極４３を共通に設け、半
導体４１，４２の他端側、すなわち低温側接合部には低
温側電極４４，４５を個別に設けている。
電素子は、金属の場合には例えば熱電対が、半導体の場
合には各種の熱電気変換デバイスがそれぞれよく知られ
ている。図４は半導体による熱電発電素子の一例を示
し、ｐ型の半導体４１とｎ型の半導体４２とをΠ型に組
み合わせたものである。半導体４１，４２の一端側、す
なわち高温接合部には高温側電極４３を共通に設け、半
導体４１，４２の他端側、すなわち低温側接合部には低
温側電極４４，４５を個別に設けている。
【０００３】このような熱電発電素子によれば、高温側
接合部と低温側接合部とに温度差Ｔ＝ＴH −ＴL を与え
ると、これらの両端には電圧ＶABが発生する。それ故、
低温側電極４４と４５との間に負荷を接続すると、電流
が流れ電力を取り出すことができる。
接合部と低温側接合部とに温度差Ｔ＝ＴH −ＴL を与え
ると、これらの両端には電圧ＶABが発生する。それ故、
低温側電極４４と４５との間に負荷を接続すると、電流
が流れ電力を取り出すことができる。
【０００４】この種の熱電発電素子の最大効率ηmax は
次の数式１で表わされる。
次の数式１で表わされる。
【０００５】
【数１】
ただし、Ｍは下記の数式２で表わされる。
【０００６】
【数２】
数式２中、Ｚは熱電発電素子の性能指数と呼ばれるパラ
メータであり、次の数３で表わされる。
メータであり、次の数３で表わされる。
【０００７】
【数３】
数式３中、αはゼーベック係数、σは導電率、λは熱伝
導率である。
導率である。
【０００８】ところで、この種の熱電発電素子の効率は
高々１０％程度にすぎない。これは、高温側接合部に加
えられる熱量をＱ1 とすると、そのほとんどが２つの低
温側接合部から排熱Ｑ2 として系外に捨てられ、（Ｑ1
−Ｑ2 ）のわずかなエネルギーが電力に変換されるにす
ぎないという事情に起因する。しかも、発生した電力を
取り出す際には、熱電発電素子内にジュール熱が起こ
り、熱損失を増加させるという事情もある。これに対
し、ジュール熱が小さくなるような熱電発電素子の材料
として導電率のσの大きなものを選択すると、熱伝導率
λも大きくなって排熱Ｑ2 を増加させるだけでなく、結
果的に低温側接合部の温度ＴL を押し上げてΔＴが小さ
くなり、ゼーベック効果の低下を招くという二律相反性
の問題がある。
高々１０％程度にすぎない。これは、高温側接合部に加
えられる熱量をＱ1 とすると、そのほとんどが２つの低
温側接合部から排熱Ｑ2 として系外に捨てられ、（Ｑ1
−Ｑ2 ）のわずかなエネルギーが電力に変換されるにす
ぎないという事情に起因する。しかも、発生した電力を
取り出す際には、熱電発電素子内にジュール熱が起こ
り、熱損失を増加させるという事情もある。これに対
し、ジュール熱が小さくなるような熱電発電素子の材料
として導電率のσの大きなものを選択すると、熱伝導率
λも大きくなって排熱Ｑ2 を増加させるだけでなく、結
果的に低温側接合部の温度ＴL を押し上げてΔＴが小さ
くなり、ゼーベック効果の低下を招くという二律相反性
の問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】これに対し、本発明者
は、多孔質媒体を用いた燃焼現象について研究した結
果、多孔質媒体内に急峻な温度勾配が得られる点に着目
した。ここで、多孔質媒体とは、固体内に無数の微小な
空隙があり、しかも固体相が連続しているとともに空隙
も連続しているものであり、金属材料でいえば、例えば
セルメット（住友電気工業（株）製）なる商品で提供さ
れているものがある。
は、多孔質媒体を用いた燃焼現象について研究した結
果、多孔質媒体内に急峻な温度勾配が得られる点に着目
した。ここで、多孔質媒体とは、固体内に無数の微小な
空隙があり、しかも固体相が連続しているとともに空隙
も連続しているものであり、金属材料でいえば、例えば
セルメット（住友電気工業（株）製）なる商品で提供さ
れているものがある。
【００１０】このような、多孔質媒体を用いた燃焼法で
は、多孔質媒体の両端面の間に数倍〜十数倍の著しい温
度差が生じることが確認されている。このように大きな
温度差が生じるのは、低温側接合部では可燃性ガスの連
続的供給によって冷却され、高温側接合部では平面状の
火炎によって加熱され、さらに媒体が多孔質であるため
遮熱効果が高いためである。
は、多孔質媒体の両端面の間に数倍〜十数倍の著しい温
度差が生じることが確認されている。このように大きな
温度差が生じるのは、低温側接合部では可燃性ガスの連
続的供給によって冷却され、高温側接合部では平面状の
火炎によって加熱され、さらに媒体が多孔質であるため
遮熱効果が高いためである。
【００１１】このような知見に基づいて、本発明は高い
熱効率の得られる熱電発電方法及び装置を提供すること
にある。
熱効率の得られる熱電発電方法及び装置を提供すること
にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明による熱電発電方
法は、多孔質の熱電発電媒体の両端面にそれぞれ電極を
配設するとともに、前記熱電発電媒体の一方の端面から
可燃性ガスを導入し、他方の端面から排出すると共に燃
焼させる燃焼反応を行うことにより、可燃性ガスを導入
する端面の電極に近い領域で最も低く、他方の端面の電
極に近い領域で最も高い温度分布を前記熱電発電媒体中
に形成し、前記電極から熱電発電電力を取り出すように
したことを特徴とする。
法は、多孔質の熱電発電媒体の両端面にそれぞれ電極を
配設するとともに、前記熱電発電媒体の一方の端面から
可燃性ガスを導入し、他方の端面から排出すると共に燃
焼させる燃焼反応を行うことにより、可燃性ガスを導入
する端面の電極に近い領域で最も低く、他方の端面の電
極に近い領域で最も高い温度分布を前記熱電発電媒体中
に形成し、前記電極から熱電発電電力を取り出すように
したことを特徴とする。
【００１３】本発明によればまた、両端に電極を設けた
多孔質の熱電発電素子と、熱電発電素子に対して一方の
端面から可燃性ガスを導入し、他方の端面から排出する
と共に燃焼せしめる手段を備えたことを特徴とする熱電
発電装置が得られる。
多孔質の熱電発電素子と、熱電発電素子に対して一方の
端面から可燃性ガスを導入し、他方の端面から排出する
と共に燃焼せしめる手段を備えたことを特徴とする熱電
発電装置が得られる。
【００１４】なお、前記熱電発電素子としては、例えば
多孔質のｐ型半導体とｎ型半導体とを接合したものが使
用される。
多孔質のｐ型半導体とｎ型半導体とを接合したものが使
用される。
【００１５】
【実施例】本発明の実施例を説明する前に、本発明と密
接な関係にあり、本発明の原理ともいえる熱伝導と熱電
発電について言及する。ゼーベック効果とは、量子効果
は別途考えるとすれば、熱伝導によって誘起された図４
に破線で示すような温度分布に応じ、半導体４１，４２
のいずれかにおいてホールあるいは電子が励起されて起
電力が発生すると考えられているが、問題はこの電気現
象が熱伝導（自由電子あるいはフォノン）による熱移動
と連携していることが熱電変換の本質であると考えられ
ている点にある。
接な関係にあり、本発明の原理ともいえる熱伝導と熱電
発電について言及する。ゼーベック効果とは、量子効果
は別途考えるとすれば、熱伝導によって誘起された図４
に破線で示すような温度分布に応じ、半導体４１，４２
のいずれかにおいてホールあるいは電子が励起されて起
電力が発生すると考えられているが、問題はこの電気現
象が熱伝導（自由電子あるいはフォノン）による熱移動
と連携していることが熱電変換の本質であると考えられ
ている点にある。
【００１６】もし、このことが熱電変換の前提条件であ
るとすれば、高温側接合部に加えられた熱量Ｑ1 の大半
は低温側接合部で排熱Ｑ2 として捨てなければならない
ことになる。したがって、Ｑ1 とＱ2 のわずかな差が電
力に変換され、またＱ2 は大気温度近くの低質の熱エネ
ルギーであるためほとんど利用価値が無いことになり、
高効率の熱電発電が難しいとされる背景になっている。
るとすれば、高温側接合部に加えられた熱量Ｑ1 の大半
は低温側接合部で排熱Ｑ2 として捨てなければならない
ことになる。したがって、Ｑ1 とＱ2 のわずかな差が電
力に変換され、またＱ2 は大気温度近くの低質の熱エネ
ルギーであるためほとんど利用価値が無いことになり、
高効率の熱電発電が難しいとされる背景になっている。
【００１７】これに対し、本発明においては、図１に示
すように、多孔質媒体による熱電発電媒体１１の中を可
燃性ガスが、図１中に白抜きの矢印で示すように、低温
側接合部１２から高温側接合部１３に向かう方向に流
れ、高温側接合部１３側で点火して安定な平面状の火炎
１４を生じさせると、可燃性ガスを導入する端面に近い
領域で最も低く、排出する端面に近い領域で最も高い温
度になる。その結果、図１中に破線で示すような高温側
ＴH 、低温側ＴL の温度分布が形成される。
すように、多孔質媒体による熱電発電媒体１１の中を可
燃性ガスが、図１中に白抜きの矢印で示すように、低温
側接合部１２から高温側接合部１３に向かう方向に流
れ、高温側接合部１３側で点火して安定な平面状の火炎
１４を生じさせると、可燃性ガスを導入する端面に近い
領域で最も低く、排出する端面に近い領域で最も高い温
度になる。その結果、図１中に破線で示すような高温側
ＴH 、低温側ＴL の温度分布が形成される。
【００１８】伝熱学では、これを対流支配によって形成
される温度場といい、熱伝導を考慮した厳密な解析によ
って明らかにすることができ、固体内の熱放射も考慮し
た理論解析により、固体内の熱伝導は温度分布形成に決
定的役割を果たすことはないことが確認されている。そ
して、可燃性ガスは熱伝導に逆らって流れて行くことに
より、低温側接合部からの排熱Ｑ2 を大幅に低減するこ
とができ、高効率化が可能になるのである。排熱Ｑ2 の
低減はまた、多孔質の熱電発電媒体内でジュール熱が生
じて低温側接合部に移動しようとする。しかし、可燃性
ガスの導入により押し戻されることになり、結果とし
て、温度分布は熱電発電媒体の熱伝導率に支配されず対
流現象によって決まることにも起因している。
される温度場といい、熱伝導を考慮した厳密な解析によ
って明らかにすることができ、固体内の熱放射も考慮し
た理論解析により、固体内の熱伝導は温度分布形成に決
定的役割を果たすことはないことが確認されている。そ
して、可燃性ガスは熱伝導に逆らって流れて行くことに
より、低温側接合部からの排熱Ｑ2 を大幅に低減するこ
とができ、高効率化が可能になるのである。排熱Ｑ2 の
低減はまた、多孔質の熱電発電媒体内でジュール熱が生
じて低温側接合部に移動しようとする。しかし、可燃性
ガスの導入により押し戻されることになり、結果とし
て、温度分布は熱電発電媒体の熱伝導率に支配されず対
流現象によって決まることにも起因している。
【００１９】図２は本発明による熱電発電装置を要部の
みについて模式的に示しており、複層のｐ型半導体２１
とｎ型半導体２２とを、絶縁体２３を介在させて交互に
重ねて熱電発電媒体とし、この熱電発電媒体の両端には
ｐ型半導体２１とｎ型半導体２２との直列接続体が得ら
れるように電極２４，２５を設けて熱電発電素子２０と
して成る。ｐ型半導体２１、ｎ型半導体２２は、いずれ
も多孔質構造を有し、電極２４，２５も多孔質構造とし
て電極２４側から電極２５側へ向かう可燃性ガスの流れ
を実現できる構造にされている。
みについて模式的に示しており、複層のｐ型半導体２１
とｎ型半導体２２とを、絶縁体２３を介在させて交互に
重ねて熱電発電媒体とし、この熱電発電媒体の両端には
ｐ型半導体２１とｎ型半導体２２との直列接続体が得ら
れるように電極２４，２５を設けて熱電発電素子２０と
して成る。ｐ型半導体２１、ｎ型半導体２２は、いずれ
も多孔質構造を有し、電極２４，２５も多孔質構造とし
て電極２４側から電極２５側へ向かう可燃性ガスの流れ
を実現できる構造にされている。
【００２０】このような熱電発電素子に対して、電極２
４側から電極２５側に向けて可燃性ガスを導入し、電極
２５側で点火（点火手段は図示省略）して燃焼反応を生
じさせると、温度分布は可燃性ガスを導入する端面にお
けるｎ型半導体とｐ型半導体の接合部で最も低い温度Ｔ
L となり、可燃性ガスを排出する端面におけるｐ型半導
体とｎ型半導体の接合部で最も高い温度ＴH となる。そ
の結果、電極２４と２５との間には温度差（ＴH −
ＴL ）にもとづく起電力が発生し、電力を得ることがで
きる。
４側から電極２５側に向けて可燃性ガスを導入し、電極
２５側で点火（点火手段は図示省略）して燃焼反応を生
じさせると、温度分布は可燃性ガスを導入する端面にお
けるｎ型半導体とｐ型半導体の接合部で最も低い温度Ｔ
L となり、可燃性ガスを排出する端面におけるｐ型半導
体とｎ型半導体の接合部で最も高い温度ＴH となる。そ
の結果、電極２４と２５との間には温度差（ＴH −
ＴL ）にもとづく起電力が発生し、電力を得ることがで
きる。
【００２１】熱電発電素子の材料は、前述した数式３に
おける分子α2 σの大きい材料が好ましく、このような
材料としては半導体が最適であるが、これに限らず、熱
電対用の金属のほか、熱電発電効果のある材料であれば
多孔質の金属あるいはセラミックス材料であっても利用
可能である。例えば、半導体を多孔質にするには、粒子
状あるいは粉末状にした半導体材料をプレスし、焼結す
ると粉末の一部が相互に接合し、しかも粉体の間に微小
な空隙ができる。金属の場合も同様な方法でできる。多
孔質体は空隙部及び固体部が連続していればよく、たと
えば前記材料からなる金網や繊維の集合体でもよい。こ
のほか、熱電対用の金属の場合には、多数の熱電対をそ
の低温側接合部及び高温側接合部がそれぞれ可燃性ガス
導入側及び排出側の電極になるように束ねるとともに各
熱電対を電気的に直列接続するように電極を構成して実
現することもできる。
おける分子α2 σの大きい材料が好ましく、このような
材料としては半導体が最適であるが、これに限らず、熱
電対用の金属のほか、熱電発電効果のある材料であれば
多孔質の金属あるいはセラミックス材料であっても利用
可能である。例えば、半導体を多孔質にするには、粒子
状あるいは粉末状にした半導体材料をプレスし、焼結す
ると粉末の一部が相互に接合し、しかも粉体の間に微小
な空隙ができる。金属の場合も同様な方法でできる。多
孔質体は空隙部及び固体部が連続していればよく、たと
えば前記材料からなる金網や繊維の集合体でもよい。こ
のほか、熱電対用の金属の場合には、多数の熱電対をそ
の低温側接合部及び高温側接合部がそれぞれ可燃性ガス
導入側及び排出側の電極になるように束ねるとともに各
熱電対を電気的に直列接続するように電極を構成して実
現することもできる。
【００２２】図３は本発明の効果を確認するための熱電
対用の実験装置を示す。本装置では、熱電対３１は直径
１．０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアルメル−クロメル線を３
０２５対直列に接続したものを用いた。これらの熱電対
を断面が２．２５ｍｍ2 の正方形の貫通孔を３０２５個
配列した厚さ２５ｍｍのセラミックス製多孔体燃焼室３
２に配置した。このような実験装置により、一方の端面
から都市ガスを供給し、他方の端面で燃焼させた。都市
ガス導入部の熱電対の温度は７０℃、燃焼部の温度は５
６５℃であった。この状態で負荷抵抗ＲL の値を０．２
Ω及び１．０Ωとした時の熱電発電電力はそれぞれ８５
Ｗ及び３８Ｗであった。以上のような実験に基づいて、
本発明によれば上記の実験のごとき温度差が容易に得ら
れるので、温度差１０００℃を得ることができれば、上
記のアルメル−クロメル熱電対（一本あたり０．１４Ｗ
として）を２０００００〜４０００００本束ねて多孔体
を構成すると、本発明により得られる熱電発電電力は
２．８〜５．６ｋＷになると考えられる。
対用の実験装置を示す。本装置では、熱電対３１は直径
１．０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアルメル−クロメル線を３
０２５対直列に接続したものを用いた。これらの熱電対
を断面が２．２５ｍｍ2 の正方形の貫通孔を３０２５個
配列した厚さ２５ｍｍのセラミックス製多孔体燃焼室３
２に配置した。このような実験装置により、一方の端面
から都市ガスを供給し、他方の端面で燃焼させた。都市
ガス導入部の熱電対の温度は７０℃、燃焼部の温度は５
６５℃であった。この状態で負荷抵抗ＲL の値を０．２
Ω及び１．０Ωとした時の熱電発電電力はそれぞれ８５
Ｗ及び３８Ｗであった。以上のような実験に基づいて、
本発明によれば上記の実験のごとき温度差が容易に得ら
れるので、温度差１０００℃を得ることができれば、上
記のアルメル−クロメル熱電対（一本あたり０．１４Ｗ
として）を２０００００〜４０００００本束ねて多孔体
を構成すると、本発明により得られる熱電発電電力は
２．８〜５．６ｋＷになると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば多孔質媒体を用いた燃焼法により、多孔質媒体の両端
面の間に大きな温度差を生じせしめるとともに、多孔質
媒体の熱伝導率に支配されることなく低温側接合部から
放出される排熱を低減することができるので高効率の熱
電発電を行うことができる。
ば多孔質媒体を用いた燃焼法により、多孔質媒体の両端
面の間に大きな温度差を生じせしめるとともに、多孔質
媒体の熱伝導率に支配されることなく低温側接合部から
放出される排熱を低減することができるので高効率の熱
電発電を行うことができる。
【図１】本発明の原理を説明するための模式図である。
【図２】本発明による熱電発電装置の要部を概略的に示
した断面図である。
した断面図である。
【図３】本発明の効果を確認するための実験装置を示し
た図である。
た図である。
【図４】従来の熱電発電素子の一例を説明するための図
である。
である。
１１，２０ 熱電発電素子
１２ 低温側接合部
１３ 高温側接合部
１４，３４ 火炎
２１，４１ ｐ型半導体
２２，４２ ｎ型半導体
２３ 絶縁体
２４，２５，４３，４４，４５ 電極
Claims (4)
- 【請求項１】 多孔質の熱電発電媒体の両端面にそれぞ
れ電極を配設するとともに、前記熱電発電媒体の一方の
端面から可燃性ガスを導入し、他方の端面から排出する
と共に燃焼させる燃焼反応を行うことにより、前記可燃
性ガスを導入する端面の電極に近い領域で最も低く、前
記他方の端面の電極に近い領域で最も高い温度分布を前
記熱電発電媒体中に形成し、前記電極から熱電発電電力
を取り出すようにしたことを特徴とする熱電発電方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の熱電発電方法において、
前記熱電発電媒体は多孔質のｐ型半導体と多孔質のｎ型
半導体を電極部で接合したものであることを特徴とする
熱電発電方法。 - 【請求項３】 両端に電極を設けた多孔質の熱電発電素
子と、該熱電発電素子に対して一方の端面から可燃性ガ
スを導入し、他方の端面から排出すると共に燃焼せしめ
る手段を備えたことを特徴とする熱電発電装置。 - 【請求項４】 請求項３記載の熱電発電装置において、
前記熱電発電素子は多孔質のｐ型半導体と多孔質のｎ型
半導体を電極部で接合したものであることを特徴とする
熱電発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21758093A JP3446146B2 (ja) | 1993-09-01 | 1993-09-01 | 熱電発電方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21758093A JP3446146B2 (ja) | 1993-09-01 | 1993-09-01 | 熱電発電方法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0774397A JPH0774397A (ja) | 1995-03-17 |
| JP3446146B2 true JP3446146B2 (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=16706513
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21758093A Expired - Fee Related JP3446146B2 (ja) | 1993-09-01 | 1993-09-01 | 熱電発電方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3446146B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6598405B2 (en) * | 2001-02-09 | 2003-07-29 | Bsst Llc | Thermoelectric power generation utilizing convective heat flow |
| JP4777536B2 (ja) * | 2001-05-16 | 2011-09-21 | オパーツ株式会社 | 多孔体熱電発電素子 |
| EP1897154B1 (en) | 2005-06-28 | 2013-04-24 | Bsst, Llc | Thermoelectric power generator for variable thermal power source |
| CN110254159A (zh) | 2007-05-25 | 2019-09-20 | 詹思姆公司 | 分配式热电加热和冷却的***和方法 |
| US8640466B2 (en) | 2008-06-03 | 2014-02-04 | Bsst Llc | Thermoelectric heat pump |
| IN2012DN00830A (ja) | 2009-07-24 | 2015-06-26 | Bsst Llc | |
| FR2962597B1 (fr) * | 2010-07-06 | 2013-04-26 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de generation de courant et/ou de tension a base de module thermoelectrique dispose dans un flux de fluide. |
| US9306143B2 (en) | 2012-08-01 | 2016-04-05 | Gentherm Incorporated | High efficiency thermoelectric generation |
| WO2014120688A1 (en) | 2013-01-30 | 2014-08-07 | Gentherm Incorporated | Thermoelectric-based thermal management system |
| US11223004B2 (en) | 2018-07-30 | 2022-01-11 | Gentherm Incorporated | Thermoelectric device having a polymeric coating |
| US11152557B2 (en) | 2019-02-20 | 2021-10-19 | Gentherm Incorporated | Thermoelectric module with integrated printed circuit board |
-
1993
- 1993-09-01 JP JP21758093A patent/JP3446146B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0774397A (ja) | 1995-03-17 |
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