JPH07111344A

JPH07111344A - 熱電発電素子

Info

Publication number: JPH07111344A
Application number: JP5257115A
Authority: JP
Inventors: Akiko Nakasuji; 章子中筋; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Yasushi Nakagiri; 康司中桐; Yoshiaki Yamamoto; 義明山本; Masato Hosaka; 正人保坂
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 1995-04-25

Abstract

(57)【要約】【目的】熱を電気に変換する熱電発電素子であって、
より高効率な熱電発電素子を提供することを目的とす
る。【構成】ガス状または液体の燃料の熱電材料表面での
燃焼を利用した高効率な熱電発電素子を、（１）液体燃
料４の気化熱による冷却または触媒燃焼を利用すること
によって、熱電材料２両端の温度差を拡大し、従来より
エネルギ変換効率を高くすることが可能となる。また、
（２）充填率、導電性等の性質の異なる二層以上の構造
を有する熱電材料を用いることによって、熱電材料内部
の燃料の流動状態を制御したり、熱電材料表面の集電部
分の強度や導電性を制御することができ、燃焼や集電の
効率を高くすることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル機器の電源
等に用いられる、熱を電気に変換する機能を有する高効
率な熱電発電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電効果は、温度差をつけると電圧が発
生し、逆に、通電すると温度差が発生するといった性質
を持ち、太陽光や廃熱利用による発電や、通電して局所
部分を冷却し、センサの冷却部や冷蔵庫、除湿機等に使
用されている。なかでも熱電発電は、環境問題がクロー
ズアップされている近年特に注目され、炎、海底、人体
の表面等で生じる温度差を利用した発電も期待されてい
る。それらの発電素子は、従来、ｐ型とｎ型半導体素子
を組み合わせた熱電材料部分と両電極によって構成され
ている。

【０００３】熱電発電素子の構成の従来例を図４を用い
て説明する。図４の熱電発電素子は、Ｐ型熱電材料９
と、Ｎ型熱電材料１０と、それら各熱電材料の両側に図
のように取り付けられた金属電極８とによって形成さ
れ、熱電材料９、１０のそれぞれの両端に温度勾配をつ
けると、金属電極８間に電圧が発生する。このような素
子を多数並列することにより、発電に使用することが可
能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電材
料自体の性能が低いため、高いエネルギ変換効率が得ら
れないという制約があり、高いエネルギ変換効率を得る
ためには、材料の熱電性能の向上と並行して、素子の構
成上の改善が必要である。

【０００５】これについては以下のような例がこれまで
提案されている。すなわち、多孔性熱電材料内部に燃料
ガスを通し、熱電材料の高温側で燃焼させることを特徴
とする熱電発電素子である。このような構成の場合、熱
電材料低温側は燃料ガスの顕熱による冷却が起こり、燃
料ガスの燃焼部である高温側との温度差が増大するた
め、エネルギ変換効率の向上が期待される。この変換効
率をさらに高めるためには、熱電材料低温側でより効率
の高い冷却を行うことや、燃料を熱電材料表面に近い位
置でかつ安定に燃焼させることが必要である。また、熱
電材料の高温側表面で発生する燃焼や集電のロスを減少
させるために、材料内部の燃料の流動状態を制御した
り、集電部分である熱電材料表面の強度や導電性を大き
くすることが必要である。

【０００６】本発明は、これらの課題を解決し、より一
層高いエネルギ変換効率を持つ熱電発電素子の提供を目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による熱電発電素
子は、ガス状または液体の燃料の熱電材料表面での燃焼
を利用した高効率な発電素子であり、液体燃料の気化熱
で熱電材料の低温側を冷却することを特徴とする、また
は燃料を熱電材料高温側表面で触媒燃焼させることを特
徴とする。あるいはまたは性質の異なる二層以上の構造
を有する熱電材料を用いることを特徴とするものであ
る。

【０００８】

【作用】上記のような構成の本発明では、熱電材料低温
側の気化熱による冷却または高温側の触媒燃焼によっ
て、熱電材料両端の温度差を増大することができ、従来
よりエネルギ変換効率の高い熱電発電素子を、従来の熱
電材料の性能のままで製造することが可能となる。

【０００９】また、充填率や導電率等の性質の異なる熱
電材料を組み合わせて多層構造にすることにより、材料
内部の気液界面の位置や燃料ガスの流量を制御したり、
集電部分である熱電材料表面の強度や導電性を大きくす
ることができ、ロスの少ない、長時間使用可能な熱電発
電素子を製造することが可能となる。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１の実施例について、図１を参
照しながら説明する。

【００１１】図１において、本実施例の熱電発電素子
は、円筒形のセラミック容器２０内部に構成されてい
る。すなわち、セラミック容器２０内の片側には熱電材
料２が配置され、この熱電材料２はバルク状のＭｎ添加
のＦｅＳｉ₂熱電材料であり、さらに、熱電材料２の表
裏にはそれぞれ金属電極１が設置されている。また、セ
ラミック容器２０の内の中央の熱電材料２の低温側に
は、アルミナ製の多孔性セラミック３が配置されてい
る。さらに、セラミック容器２０の反対側スペースに
は、エタノールからなる液体燃料４が貯められている。
多孔性セラミック３の表裏は、熱電材料２の低温側表面
と液体燃料４に接触するように構成されている。

【００１２】以上のように構成された熱電発電素子につ
いて、図１を用いてその動作を説明する。

【００１３】まず、図１の熱電発電素子に供給された液
体燃料４は、多孔性セラミック３を介して、熱電材料２
の内部を低温側表面から通過する。液体燃料４は熱電材
料２の内部で気化し、熱電材料２の高温側に送り込まれ
る。このエタノール蒸気を熱電材料２の高温側表面Ａで
燃焼させる。この燃焼によって、高温側の温度を300度
程度に保ち、かつ熱電材料２内部の液体エタノールを気
化し続けることができる。また、このメニスカス（気液
界面）Ｂでエタノールの気化熱により、熱電材料２の低
温側を冷却することができる。この冷却方法は、従来の
燃料ガスの顕熱を利用する方法と比べて冷却能力が高
く、また本実施例では低温側表面の温度がエタノールの
沸点である78度より上がることはない。このように、熱
電材料２の表裏に発生する温度差は従来より大きくな
り、高温側と低温側表面にそれぞれ設置された金属電極
１間により大きな電圧を発生させることが可能となる。

【００１４】以上のように本実施例によれば、熱電材料
の低温側で気化熱による冷却を行うことにより、熱電材
料の表裏に発生する温度差が増大し、従来よりもさらに
エネルギ変換効率の高い発電を行うことが可能である。

【００１５】なお、熱電材料２として、ＦｅＳｉ₂系以
外に、Ｓｉ−Ｇｅ系、ＳｉＣ系等の他の熱電変換材料を
使用してもよい。また液体燃料４として、アルコール以
外にベンジン、石油等を用いることもできる。熱電材料
２の高温側の金属電極１は網目状に設置することが望ま
しい。

【００１６】（実施例２）本発明の第３の実施例につい
て、図２を参照しながら説明する。

【００１７】図２において、Ｍｎ添加のＦｅＳｉ₂熱電
材料２と金属電極１と多孔性セラミック３と液体燃料４
が図１と同様に構成されているが、図２ではさらに、熱
電材料２の高温側の表面に触媒５として活性アルミナ担
持白金触媒が設置されている。触媒５の表面Ｃには金属
電極１が網目状に設置されている。

【００１８】このような構成では、熱電材料２の高温側
表面に送り込まれたエタノール蒸気を、触媒５によっ
て、材料表面に近い位置で安定に燃焼させることができ
る。そのため、本実施例の高温側表面の温度を、触媒を
用いない場合よりも高く保つことができる。また、触媒
燃焼を行えば、燃焼に必要な燃料の量が減少するため、
発電の効率アップにつながる。

【００１９】以上のように本実施例によれば、熱電材料
の高温側で液体燃料４の触媒燃焼を行うことにより、熱
電材料の表裏に発生する温度差が増大し、従来よりもさ
らにエネルギ変換効率の高い発電を行うことが可能であ
る。

【００２０】なお、熱電材料２として、ＦｅＳｉ₂系以
外に、Ｓｉ−Ｇｅ系、ＳｉＣ系等の熱電変換材料を使用
してもよい。また液体燃料４として、アルコール以外に
ベンジン、石油等を用いることもできるのはもちろんで
あるが、液体燃料４の代わりに、プロパンと酸素の混合
ガス等の気体燃料を用いることも可能である。この場
合、熱電材料の低温側は、燃料ガスの顕熱で冷却される
が、低温側、高温側とも本実施例より高温となるため、
より高温性の熱電材料が必要である。

【００２１】（実施例３）本発明の第３の実施例につい
て、図３を参照しながら説明する。

【００２２】図３において、Ｍｎ添加のＦｅＳｉ₂熱電
材料２と金属電極１と多孔性セラミック３と液体燃料４
が図２と同様に構成されているが、図３で用いる熱電材
料２はＦｅＳｉ₂の二層構造であり、高温側は高密度層
５、低温側は充填率50％以下の多孔質層６によって形成
されている。

【００２３】このような構成では、熱電材料２の多孔質
層６内部を通過する液体燃料４は、多孔質層６と高密度
層５の境界面Ｂで気化され、エタノール蒸気となって高
密度層５内部を通過し、高温側表面で燃焼する。そのた
め、熱電材料２内部のメニスカス（気液界面）Ｂの位置
を固定することができ、高温側表面の燃焼を安定でかつ
効率的に行うことが可能となる。また、充填の状態によ
って燃料の流量を調節することもできる。なお、本実施
例では熱電材料は２層であったが、３層以上でもかまわ
ない。

【００２４】以上のように本実施例によれば、充填率の
異なる多層構造を有する熱電材料を用いて、熱電材料内
部を通過する燃料の流量やメニスカスの位置等、燃料の
流動状態を制御することにより、より効率的な燃焼を行
うことができるため、従来よりエネルギ変換効率の高い
発電を行うことが可能である。

【００２５】なお、熱電材料２の多層構造を利用した燃
料の流動状態の制御以外に、高密度層によって、電極の
取付部等の強度を大きくすることもできる。

【００２６】また、液体燃料４の代わりに気体燃料を用
いる場合、細孔の形状等の粒子構造の異なる多層構造を
持つ多孔性熱電材料２を用いて、気体燃料の流れを制御
することもできる。

【００２７】また、導電性の高い層を表面側に持つ熱電
材料２を用いて集電の効率を高めることも可能である。
この方法は、集電部分が燃焼面である高温側に特に有用
である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、液体燃料の気化熱で熱電材料の低温側を冷却
する、または燃料を熱電材料高温側表面で触媒燃焼させ
ることにより、熱電材料両端の温度差を増大することが
でき、従来よりエネルギ変換効率の高い熱電発電素子
を、従来の熱電材料の性能のままで製造することが可能
となる。

【００２９】また、性質の異なる二層以上の構造を有す
る熱電材料を用いることにより、材料内部の燃料の流動
状態を制御したり、集電部分である熱電材料表面の強度
や導電性を大きくすることができ、ロスの少ない、長時
間使用可能な熱電発電素子を製造することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における、液体燃料の気
化熱による冷却を利用した熱電発電素子の構成図

【図２】本発明の第２の実施例における、触媒燃焼を利
用した熱電発電素子の構成図

【図３】本発明の第３の実施例における、性質の異なる
二層以上の構造を有する熱電材料を用いた熱電発電素子
の構成図

【図４】従来の熱電発電素子の構成図

【符号の説明】

１金属電極２熱電材料３多孔性セラミック４液体燃料５触媒６高密度層７多孔質層８金属電極９Ｐ型熱電材料１０Ｎ型熱電材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本義明大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者保坂正人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電材料と、それを挟む電極とを備え、
前記熱電材料の低温側は液体燃料の気化熱で冷却され、
気化した前記燃料が前記熱電材料の高温側表面で燃焼す
ることを特徴とする熱電発電素子。
【請求項２】燃料が多孔性の熱電材料の内部を通過す
ることを特徴とする請求項１記載の熱電発電素子。
【請求項３】熱電材料と、それを挟む電極とを備え、
前記熱電材料内部に液体またはガス状の燃料が通され、
また前記熱電材料の高温側表面で前記燃料が触媒燃焼す
ることを特徴とする熱電発電素子。
【請求項４】性質の異なる二層以上の構造を有する熱
電材料と、それを挟む電極とを備え、前記熱電材料内部
に、液体またはガス状の燃料が通され、また、前記熱電
材料の高温側表面で前記燃料が燃焼することを特徴とす
る熱電発電素子。