(57)【要約】【課題】安価で大量に調達でき、経済性に優れた低温熱源利用の熱電変換システム及びこの熱電変換システム用熱電パネルの製造方法を提供する。【解決手段】Ｆｅからなる複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nとＦｅ−Ａｌ合金からなる複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとを交互に蛇腹折り構造に配置し、蛇腹折り構造の複数の山部でそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、蛇腹折り構造の複数の谷部でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成するように接続し、これにより複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nと複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとの交互直列接続構造をなし、第１及び第２のｐ−ｎ接合に互いに異なる温度を与え、ゼーベック効果による起電力を得る直列ユニットと、この直列ユニットの陽極端子と陰極端子との間に直接接続された負荷ＲLとを備える。【選択図】      図２
2006100346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄からなる複数のｐ型導電体素子と鉄・アルミニウム合金からなる複数のｎ型導電体素子とを交互に蛇腹折り構造に配置し、前記蛇腹折り構造の複数の山部でそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、前記蛇腹折り構造の複数の谷部でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成するように接続し、これにより前記複数のｐ型導電体素子と複数のｎ型導電体素子との交互直列接続構造をなし、前記第１及び第２のｐ−ｎ接合に互いに異なる温度を与え、ゼーベック効果による起電力を得る直列ユニットと、
該直列ユニットの陽極端子と陰極端子との間に直接接続された負荷
とを備えることを特徴とする熱電変換システム。  
【請求項２】
前記直列ユニットを並列接続し、これにより全体のインピーダンスを低減し、前記負荷とのインピーダンスの調整を行っていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム。
【請求項３】
前記陽極端子を水電解槽に配置された陽極板に直接接続し、
前記陰極端子を前記水電解槽に配置された陰極板に直接接続し、
これにより前記陽極板と前記陰極板間の水の抵抗を前記負荷とし、水の電気分解を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換システム。
【請求項４】
前記交互配置されたｐ型導電体素子とｎ型導電体素子との間に、それぞれ絶縁膜が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換システム。
【請求項５】
前記交互直列接続構造は、平板帯状の前記複数のｐ型導電体素子と、該ｐ型導電体素子と同一の幅を有し、Ｓ字状に折れ曲がった帯状の前記複数のｎ型導電体素子との交互接続であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換システム。
【請求項６】
前記ｐ型導電体素子は、壁状の端子部と、該端子部と第１のＬ字型構造を構成するように直交方向に接続された壁状の熱伝導部と、該熱伝導部に対し前記第１のＬ字型構造とは逆方向に曲がる方向に接続され該熱伝導部とで第２のＬ字型構造を構成する第１の接合形成部とを備え、
前記ｎ型導電体素子は、一端が前記接合形成部とで前記第１のｐ−ｎ接合をなし、前記熱伝導部と平行に延伸する柱状であり、
前記ｎ型導電体素子の他端は、次段の前記ｐ型導電体素子の端子部と接合された前記ｐ型導電体素子からなる第２の接合形成部と前記第２のｐ−ｎ接合をなし、
これにより前記交互直列接続構造を構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換システム。
【請求項７】
前記第１の接合形成部に放熱フィン、前記第２の接合形成部に冷却フィンを更に備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換システム。
【請求項８】
前記次段の端子部と前記第２の接合形成部とは溶接で接合されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱電変換システム。
【請求項９】
鉄製で壁状の端子部と、該端子部と第１のＬ字型構造を構成するように直交方向に接続された鉄製で壁状の熱伝導部と、該熱伝導部に対し前記第１のＬ字型構造とは逆方向に曲がる方向に接続され該熱伝導部とで第２のＬ字型構造を構成する鉄製の第１の接合形成部と、前記熱伝導部と離間して前記第１の接合形成部から前記熱伝導部に平行に延伸する鉄製の側壁部と、前記熱伝導部及び前記側壁部とそれぞれ耐熱性絶縁体を介して接続された鉄製の第２の接合形成部と、前記熱伝導部、前記第１の接合形成部及び前記側壁部に接し、前記第２の接合形成部の底部とは耐熱性絶縁体を介して接続された底板とからなる箱型の容器を用意する工程と、
箱型の容器の前記第１及び第２の接合形成部以外の内面にの耐熱性電気絶縁体を塗装する工程と、
前記容器の内部に溶融鉄・アルミニウム合金を鋳込んでｎ型導電体素子を形成し、更に溶融拡散接合により、ｐ型導電体素子となる前記第１の接合形成部と前記ｎ型導電体素子との界面に第１のｐ−ｎ接合を、ｐ型導電体素子となる前記第２の接合形成部と前記ｎ型導電体素子との界面に第２のｐ−ｎ接合を形成する工程
とを含むことを特徴とする熱電変換システム用熱電パネルの製造方法。
【請求項１０】
次段の端子部と前記第２の接合形成部とを溶接で接合する工程を更に含み、
該溶接で接合する工程を逐次繰り返すことにより複数のｐ型導電体素子と複数のｎ型導電体素子との交互直列接続構造を構成することを特徴とする請求項９に記載の熱電変換システム用熱電パネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー関連分野に係り、特に、低温熱源利用の熱電変換システム及びこの熱電変換システム用熱電パネルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料による二酸化炭素の放出量は、地球温暖化と汚染など環境負荷に対して限界に達しつつあり、クリーンエネルギーシステムの導入が社会的に要望されている。その実現に対し、水素（Ｈ2）の経済的かつ安定的な供給が期待されている。
【０００３】
一方、低温熱源は、発電所廃熱及び製鉄所、廃棄物焼却工場はじめ各種工場廃熱など種々あるが、従来利用価値がなく投棄されている。高温岩体地下熱や蓄熱式太陽熱などの自然エネルギーも低温熱源として利用可能である。
【０００４】
さて、水素の工業的な製造法として、石炭の水性ガス反応、天然ガスやコークス炉ガス、更にはアルコール類の改質反応など高温化学反応に基づく方法と、常温での水の電気分解とが知られている。しかし、高温化学反応に基づく方法は、天然燃料改質反応は高温熱源を必要とし、又、一酸化炭素及び二酸化炭素を副生するため、将来の水素エネルギー生産の手段としては経済性と対環境性に関して不利を免れない。
【０００５】
これに対し、水の電気分解による水素の製造は、現在、火力・原子力・水力発電による一般の工業用電力を用い、低電圧大電流用の直流電源装置を介したシステムにより行われている。又、シリコン半導体による太陽光発電の利用も考えられるが、その電力は既存の発電方式よりも高価である。したがって、果てしなく推移する高い電力単価の国土では、安価な水素を安定して製造することは困難である。
【０００６】
性能指数の高い半導体熱電変換素子を用い、５００ｏＣ以上の熱源を対象とする熱電変換システムは、極く小規模の発電用に実用化されている。この熱電物質は希有元素よりなる化合物半導体であり、例えばｎ型のビスマス・テルル・セレン（Ｂｉ2（Ｔｅ，Ｓｅ）3），ｐ型のビスマス・アンチモン・（テルル（Ｂｉ，Ｓｂ）2Ｔｅ3）などのビスマス・テルル系の化合物半導体が知られているが、量的な確保が困難又高価であるため、大容量の発電には適さない。更に、融点が低いことや毒性を有する問題もある。
【０００７】
このため、ｐ型導電体素子として鉄（Ｆｅ）を選択し、これと接合するｎ型導電体素子をＦｅ−１２重量％Ａｌ合金とした低温用鉄系熱電変換素子が開発されている（非特許文献１〜３参照。）。
【非特許文献１】小野勝敏、他３名「低温用鉄系熱電変換素子」、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、１９９７年、第８３巻、第２号、ｐ．７３−７７
【非特許文献２】正田雅裕、他４名、「Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金のゼーベック効果及び低温熱源熱電変換特性」、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、１９９８年、第８４巻、第２号、ｐ．７０−７４
【非特許文献２】小野勝敏、他２名  「低温熱源を用いた熱電変換用のＦｅ−Ａｌ合金及びＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金の熱電変換特性（Thermoelectric properties of the Fe-Al and Fe-Al-Si alloys for thermoelectric generation utilizing low-temperature heat sources）」、スチール・リサーチ（steel research）、１９９８年９月、第６９巻、ｐ．３８７−３９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、安価で大量に調達でき、経済性に優れた低温熱源利用の熱電変換システム及びこの熱電変換システム用熱電パネルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）第１のｐ−ｎ接合及び第２のｐ−ｎ接合により、複数のｐ型導電体素子と複数のｎ型導電体素子との交互直列接続構造をなし、第１のｐ−ｎ接合及び第２のｐ−ｎ接合に互いに異なる温度を与え、ゼーベック効果による起電力を得る直列ユニットと、（ロ）この直列ユニットの陽極端子と陰極端子との間に直接接続された負荷とを備える熱電変換システムであることを要旨とする。ここで、「複数のｐ型導電体素子と複数のｎ型導電体素子との交互直列接続構造」は、鉄からなる複数のｐ型導電体素子と鉄・アルミニウム合金からなる複数のｎ型導電体素子とを交互に蛇腹折り構造に配置し、この蛇腹折り構造の複数の山部でそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、蛇腹折り構造の複数の谷部でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成するように接続したものである。  
本発明の第２の特徴は：
（イ）鉄製で壁状の端子部と、この端子部と第１のＬ字型構造を構成するように直交方向に接続された鉄製で壁状の熱伝導部と、この熱伝導部に対し第１のＬ字型構造とは逆方向に曲がる方向に接続されこの熱伝導部とで第２のＬ字型構造を構成する鉄製の第１の接合形成部と、熱伝導部と離間して第１の接合形成部から熱伝導部に平行に延伸する鉄製の側壁部と、熱伝導部及び側壁部とそれぞれ耐熱性絶縁体を介して接続された鉄製の第２の接合形成部と、熱伝導部、第１の接合形成部及び側壁部に接し、第２の接合形成部の底部とは耐熱性絶縁体を介して接続された底板とからなる箱型の容器を用意する工程と、
（ロ）箱型の容器の第１及び第２の接合形成部以外の内面にの耐熱性電気絶縁体を塗装する工程と、
（ハ）容器の内部に溶融鉄・アルミニウム合金を鋳込んでｎ型導電体素子を形成し、更に溶融拡散接合により、ｐ型導電体素子となる第１の接合形成部とｎ型導電体素子との界面に第１のｐ−ｎ接合を、ｐ型導電体素子となる第２の接合形成部とｎ型導電体素子との界面に第２のｐ−ｎ接合を形成する工程
とを含む熱電変換システム用熱電パネルの製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価で大量に調達でき、経済性に優れた低温熱源利用の熱電変換システム及びこの熱電変換システム用熱電パネルの製造方法を提供することができる。特に、水の電気分解に応用すれば、システムの耐用性は半永久的で、付設の電子・電気機器を必要とせず、無償の低温熱源と海水、河川水、地下水及び雨水など自然水とを用いて、持続的かつ再生可能な形態で経済的に、大量の需要に適応しつつ、水素（Ｈ2）を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１（ａ）に示すように、ｐ型導電体素子１とｎ型導電体素子（２ａ，２ｂ）を２点で接合し、それぞれの接合部に異なった温度θｈ、θｃ（θｈ＞θｃ）を印加すると、ゼーベック効果により、回路に起電力ｅが発生し、負荷Ｒに電流ｉが流れる。ここで、ｐ型導電体素子１は正孔伝導物質であり、ｎ型導電体素子（２ａ，２ｂ）は電子伝導物質である。このように、物質のゼーベック効果に基づいた熱電変換は、熱エネルギーを電気エネルギーへ転化する直接エネルギー変換の形態に属するので、機械的駆動部を要しない放置型の発電方式としての有利な活用が期待できる。
【００１２】
更に、図１（ｂ）に示すように、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nと正孔伝導物質のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nを、対応するｎ個の高温側接合点及びｎ−１個の低温側接合点でそれぞれ接合し、高温側接合温度θh1，θh2，θh3，・・・・・，θhn-1，θhnと低温側接合温度θc1，θc2，θc3，・・・・・，θcn-1を印加すると、回路に起電力Ｖが発生する：
Ｖ  ＝Δα（θh1−θc1）＋Δα（θh2−θc2）＋・・・・・＋Δα（θhn−θcn）
・・・・・（１）
次に、図面を参照して、上記原理に基づいた、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムは、図２の模式図（概念図）に示すように、鉄（Ｆｅ）からなる複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nと鉄・アルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）合金からなる複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとを交互に蛇腹折り構造に配置し、蛇腹折り構造の複数の山部でそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、蛇腹折り構造の複数の谷部でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成するように接続し、これにより複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nと複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとの交互直列接続構造をなし、第１及び第２のｐ−ｎ接合に互いに異なる温度を与え、ゼーベック効果による起電力を得る直列ユニットと、この直列ユニットの陽極端子と陰極端子との間に直接接続された負荷ＲLとを備える。半導体と同様に、鉄（Ｆｅ）からなるｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nは正孔伝導物質であり、鉄・アルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）合金からなるｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nは電子伝導物質である。ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nと正孔伝導物質のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nとは、蛇腹折り構造の山部で、それぞれ、対応するｎ個の高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnで第１のｐ−ｎ接合を構成している。又、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nと正孔伝導物質のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nとは、蛇腹折り構造の谷部で、それぞれ、対応する（ｎ−１）個の低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1で第２のｐ−ｎ接合を構成している。そして、図２に示す蛇腹折り構造により、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの直列接続構造が構成されている。
【００１４】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネル（直列ユニット）の具体構造の一例である。なお、図１０に示すように、第１の実施の形態に係る熱電変換システムでは、複数（ｍ本）の直列ユニットを並列接続し、これにより全体のインピーダンスを低減し、負荷とのインピーダンスの調整を行う熱電パネルを構成可能であるが、ｍ＝１の場合も含めて、適宜「熱電パネル」と称することとする。
【００１５】
図３では、Ｓ字型に折り曲がった帯状のｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，１j+2，・・・・・，１n-1，１nと直線状（平板帯状）のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとで、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nが、電気的に直列に接続された直列ユニット（熱電パネル）を構成している。平板帯状のｐ型導電体素子のｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，１j+2，・・・・・，１n-1，１nの幅と、Ｓ字状に折れ曲がった帯状のｎ型導電ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nの幅とは等しい。
【００１６】
ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nは、Ａｌの組成が６〜１５重量％のＦｅ−Ａｌ合金である。好ましくは、Ａｌの組成は、７〜１２重量％である。Ｆｅ−Ａｌ合金は、硬度及び脆性が大きいため機械加工が困難であるため、ｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・の部分は折り曲げの応力が印加されないように直線上に構成され、Ｆｅからなるｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nは、硬度及び脆性が小さく機械加工が容易であるため、それぞれＳ字型に折り曲げられている。この結果、高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhn及び低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1ともに、折れ曲がり構造の頂部及び谷部ではなく、頂部及び谷部からそれぞれ内部に移動した位置にある。
【００１７】
そして、互いに対抗するｐ型導電体素子１1とｎ型導電体素子１1との間、ｐ型導電体素子１2とｎ型導電体素子２2との間、ｐ型導電体素子１3とｎ型導電体素子２3との間、・・・・・、ｐ型導電体素子１n-1とｎ型導電体素子２n-1との間、ｐ型導電体素子１nとｎ型導電体素子２nとの間には、それぞれ低温側絶縁膜３c1，３c2，３c3，・・・・・，３cn-1，３cnが挿入され、互いに対抗するｎ型導電体素子２1とｐ型導電体素子１2との間、ｎ型導電体素子２2とｐ型導電体素子１3との間、・・・・・、ｎ型導電体素子２n-1とｐ型導電体素子１nとの間には、それぞれ高温側絶縁膜３h1，３h2，・・・・・，３hn-1が挿入されている。
【００１８】
それぞれ低温側絶縁膜３c1，３c2，３c3，・・・・・，３cn-1，３cn及び高温側絶縁膜３h1，３h2，・・・・・，３hn-1は、電気的絶縁性が高く、使用温度に耐える材料ならば種々の材料が使用可能で、特定の材料や構造に限定されるものではない。例えば、図４に示すような多層構造で構成しても良い。図４では、低温側絶縁膜３cjが絶縁膜３０１j，３０２j，３０３j，３０４j，３０５jの５層の多層構造からなり、高温側絶縁膜３hjが絶縁膜３０１j+1，３０２j+1，３０３j+1，３０４j+1，３０５j+1，３０６j+1の６層の多層構造からなり、低温側絶縁膜３cj+1が絶縁膜３０１j+２，３０２j+２，３０３j+２，３０４j+２，３０５j+２，３０６j+２の６層の多層構造からなる例を示しているが、単層でも良く、２〜４層や７層以上等種々の構造が採用可能である。
【００１９】
図２及び図３に示す第１の実施の形態に係る熱電変換システムは、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nが、電気的直列に接続されて直列ユニット（熱電パネル）を構成しているので、直列ユニット全体の開放電圧Ｖは、熱電変換素子ユニット１個分の起電力のｎ倍の直流の起電力が生じる。即ち式（１）において、高温側接合温度が互いに等しくθh1＝θh2＝θh3＝・・・・・＝θhn-1＝θhnと低温側接合温度が互いに等しくθc1＝θc2＝θc3＝・・・・・＝θcn-1＝θcnであるとすれば、
Ｖ  ＝  ｎΔαΔθ                                  ・・・・・（２）
ここで、Δαは熱電変換素子ユニットのゼーベック係数、即ち、１Ｋの温度差に対する１つの熱電変換素子ユニットの起電力で、Δθは高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnと低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcnでの温度差である。高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnをθｈ（＝θh1＝θh2＝θh3＝・・・・・＝θhn-1＝θhn）とし、低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcnをθｃ（＝θc1＝θc2＝θc3＝・・・・・＝θcn-1＝θcn）とすれば、
Δθ＝θｈ−θｃ                              ・・・・・（３）
である。        
第１の実施の形態に係る熱電変換システムでは、図２のように、直列ユニット（熱電パネル）に抵抗値ＲLの負荷が直列に接続されている。この直列回路の全体に電流Ｉが流れるとすれば、負荷に対する出力Ｗは式（４）で与えられる。
【００２０】
Ｗ  ＝  ｎΔαΔθＩ  −  ＲGＩ2                 ・・・・・（４）
ここで、ＲG  は直列ユニットを構成するｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの全抵抗である。又右辺第２項は、直列ユニットにおけるジュール熱損失である。式（４）の出力は、電流Ｉが
Ｉ  ＝  ｎΔαΔθ／２ＲG                        ・・・・・（５）
のとき最大となり、式（６）で表わされる。
【００２１】
Ｗmax  ＝  （ｎΔαΔθ）2／４ＲG                    ・・・・・（６）
水の電気分解において発生する水素（Ｈ2）の量は電解電流に比例する。したがって、図９又は図１０に示すように、直列ユニット（熱電パネル）の陽極端子を水電解槽４１に配置された陽極板４２に直接接続し、直列ユニットの陰極端子を水電解槽４１に配置された陰極板４３に直接接続し、これにより陽極板４２と陰極板４３間の水の抵抗を負荷とし、水の電気分解を行うと、直列ユニットを構成するそれぞれの熱電変換素子ユニット内部に発生水素量に応じた電流が流れるので、式（５）から明らかなように、熱電変換素子ユニットの電気抵抗を小さくすることが要求される。
【００２２】
表１は、ｐ型導電体素子として、室温での絶対ゼーベック係数がαｐ＝＋１２μＶ／Ｋの鉄（Ｆｅ）、ｎ型導電体素子として絶対ゼーベック係数αｎ＝−２０μＶ／Ｋを有するＦｅ−Ａｌ合金（Ａｌ：６〜１５重量％）を用いた場合の、熱電性能に係る物性の測定結果を示す。
【表１】
2006100346.tif 000003
【００２３】
表１に示すｐ型導電体素子としての鉄（Ｆｅ）及びｎ型導電体素子としてのＦｅ−Ａｌ合金（Ａｌ：６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％のＦｅ−Ａｌ合金である。）は、安価で量産性に優れている。更に、表１から分かるように、良好な導電性を有する。
【００２４】
表１に示した熱電変換素子ユニットのゼーベック係数の値は、同じく３００ｏＣ以下の低温で使用できる化合物半導体熱電変換素子と比較して１０分の１のオーダーである。したがって１０倍の熱電変換素子ユニットの直列結合数ｎ（ｎは２以上の正の整数であるが、一般には数百から千以上の値をとりうる。）を要するが、ＦｅとＦｅ−Ａｌ合金の組み合わせは、価格と消費可能量並びに熱電変換素子ユニットへの加工性において格段の優位性がある。      
更に、第１の実施の形態に係る熱電変換システムでは金属系の熱電変換素子ユニットを用いているので、半導体系熱電変換素子と異なり、微量な不純物によるゼーベック係数の変動は極く僅かである。したがって、ｐ型導電体素子として普通鋼及び鉄鋼スクラップを用いることができる。又、ｎ型導電体素子としてのＦｅ−Ａｌ合金は鉄分を含むアルミニウムスクラップを用いて合金化することができる。又溶融の際に生成する酸化アルミニウム介在物が合金内に存在しても、熱電特性に与える影響はほとんど認められない。
【００２５】
更に、第１の実施の形態に係る熱電変換システムでは、図２のシステムの概念図が示すように、熱源として高温ガスを適用する場合、熱源領域の側面が、多数の熱電変換素子ユニット群を備える熱電パネル（直列ユニット）をなし、熱電パネルの端子を直接に水電解槽４１内の陽極（陽極板）４２と陰極（陰極板）４３に接続している。したがって、第１の実施の形態に係る熱電変換システムには、操業用補助電源及び機械的駆動部などは存在せず、資材として熱電パネル（直列ユニット）、低温熱源及び水電解槽４１のみからなるシステムの構成で、定常状態に放置すれば連続的に水素（Ｈ2）及び酸素（Ｏ2）が発生する。
【００２６】
第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いるそれぞれの熱電変換素子ユニットの形状に関しては、特に、それぞれの高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnと低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcnの接合面間距離Ｌが重要な因子である。更に、ｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nの断面積Ｓp及びｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nの断面積Ｓnが、熱電変換素子ユニットの性能に対して重要な因子となる。即ち、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nの比抵抗をρn、ｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nの比抵抗をρp、高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnにおける接触抵抗をｒch、低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1における接触抵抗をｒccとすれば、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nからなる熱電パネル（直列ユニット）端子間抵抗ＲGは、
ＲG＝ｎ（ρnＬ／Ｓn＋ρpＬ／Ｓp＋ｒch＋ｒcc）      ・・・・・（７）
となる。又、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nの熱伝導率をκn、ｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nの熱伝導率をκpとすれば、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nからなる熱電パネルの熱抵抗Ｒthは、
１／Ｒth＝ｎ（κnＳn／Ｌ＋κpＳp／Ｌ）             ・・・・・（８）
となる。したがって、高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnから低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1に流れる熱流（heat flow rate)Ｑは、
Ｑ＝  Δθ／Ｒth                                  ・・・・・（９）
となる。
【００２７】
第１の実施の形態に係る熱電変換システムにおいては、熱電パネル（直列ユニット）が水電解装置（４１，４２，４３）に直結し、１つの直流電源と２つの抵抗ＲC，ＲGからなる閉回路を構成している故に、両者は相互に連動して作動する。熱電パネルの出力が最大となる条件は、式（６）の導出過程から明らかなように、水電解槽端子間抵抗ＲCと熱電パネル端子間抵抗ＲGの間に、
ＲG＝ＲC                       ・・・・・（１０）
の関係が成立するときである。式（１０）の関係を維持した上で、水の電気分解において水素発生の担体となる回路電流を大きくするためには、水電解槽端子間抵抗ＲCと熱電パネル端子間抵抗ＲGの両抵抗を小さくすることが好ましい。        
従来行われている水の電気分解におけるエネルギー収支に関しては、水の分解反応吸熱量、７０〜８０ｏＣの最適電解浴温度に保持するための電解槽熱量及び給水の昇温熱量など全所要熱量は、電解電流の浴抵抗ジュール熱により補償されている。したがってこの場合、浴抵抗（水電解槽端子間抵抗）ＲCは、陽極４２と陰極４３の極間距離に比例するので、ある限度以下に極間距離を短くすることはできないが、 第１の実施の形態に係る熱電変換システムにおいては、発電に用いる低温熱源を一部流用し、熱交換器を浴に浸漬して所要熱量を補償するので、陽極４２と陰極４３の極間距離を極く短くとり、水電解槽端子間抵抗ＲCを小さくすることが可能となる。
【００２８】
一方、熱電パネルの端子間抵抗ＲGに関しては、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nからなる直列ユニットを、図１０に示すようにｍ本並列接続（ｍは２以上の正の整数）してｎ×ｍマトリクス状の熱電パネルとすることにより低減することができる。
【００２９】
水の電気分解に対する理論分解電圧は１．２Ｖにあり、従来の水の電気分解は１．７〜２．０Ｖの電解電圧で行われている。第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる水電解装置（４１，４２，４３）においては、水電解槽４１の改良設計により最低１．５Ｖの電解電圧を用いる。
【００３０】
金属系の熱電変換素子は表１に示すように熱伝導度κが大きいため、熱源の温度差：
ΔＴ＝Ｔh−ＴC                             ・・・・・（１１）
に対して、式（３）で示される各熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nに付与されるそれぞれの高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnと低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcn間の温度差ΔθをΔＴに近づけるためには、高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnに大容量の加熱フィンを装備した容積の大きなヒートシンク部を設け、低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcnは冷却フィンをｐ−ｎ接合面に近づけて冷却効果を強化すべきである。        
第１の実施の形態に係る熱電変換システムにおいては、熱電パネル５３が水電解装置（４１，４２，４３）に直結して、図１０の等価回路に示すように、１つの直流電源ＶGと２つの電気抵抗ＲG，ＲCからなる閉回路を構成している故に、両者は相互に連動して作動する。熱電パネル端子間抵抗ＲGと水電解槽端子間抵抗ＲCの間に
ＲG ＜  ＲC                  ・・・・・（１２）
の関係が成り立つように、熱電パネル５３と水電解槽４１の設計を行う必要がある。式（６）の導出過程から明らかなように、ＲG＝ＲCのとき熱電パネル５３の出力は最大となるが、もしＲG＞ＲCならば回路電流が流れると、熱電パネル５３での電圧降下が水電解槽４１での電圧降下よりも大きくなるので不利になるからである。又、回路電流Ｉは、水の電気分解における水素発生の担体となるので、閉回路内の全電気抵抗を小さくすることが望ましい。        
図１０の電気回路において、回路電流Ｉが流れているとき、熱電パネル５３の開放電圧がＶGであったとすれば、
ＶG  ＝  Ｉ（ＲG＋ＲC）                    ・・・・・（１３）
であるから、水電解槽４１の端子間に掛かる電圧ＶCは式（１４）で与えられる。
【００３１】
ＶC  ＝  ＶG  ／（ＲG／ＲC＋１）              ・・・・・（１４）
ＶC＝１．５Ｖの水電解槽４１に接続する熱電パネル５３に要求される開放電圧ＶGを、（ＲG／ＲC）比の関数として求め、それぞれのＶGを発生させるために必要な熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの直列結合数ｎと熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnと低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcn間の温度差Δθとの関係を求めると、表２の通りである。
【表２】
2006100346.tif 000004
【００３２】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムによれば、金属系の安価な熱電物質からなる熱電変換素子を用いて発電機に相当する直列ユニット（素子直列結合群）を構成し、整流器など電子機器を介在させることなく、負荷となる水電解装置（４１，４２，４３）に直結して、回路電流に比例する量の水素を発生させるシステムを構築することができる。そして、第１の実施の形態に係る熱電変換システムでは、大容量変換のための熱源としては、「効率」よりも「効用」を重視し、利用価値がなく捨て去られている主として温度が３００ｏＣ以下の無償の低温熱源を用いて、水の電気分解に必要な直流電力を直接取り出すことが可能となる。        
図５を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる直列ユニットの製造方法を説明する。なお、以下に述べる直列ユニットの製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００３３】
（イ）先ず、図５（ａ）に示すように、厚さｔ＝０．０６ｍｍから０．２ｍｍ程度、幅５〜２０ｍｍ程度の鉄（冷延鋼板）の帯を用意する。冷延鋼板の帯の厚さｔは、アルミニウム（Ａｌ）の拡散深さを考慮して決めれば良い。即ち、冷延鋼板の帯の表面と裏面の両方から拡散したＡｌにより、冷延鋼板の帯が完全にＦｅ−Ａｌ合金になる厚さｔを選ぶ。冷延鋼板の帯の幅は、熱電パネル端子間抵抗ＲGの設計によるが、並列接続を考慮すれば任意性がある。冷延鋼板の帯の幅は、その後の折り曲げ加工の容易さをも考慮するのが好ましい。
【００３４】
（ロ）その後、図５（ｂ）に示すように、ｎ型導電体素子形成予定部となる部分に、単位長さあたり、冷延鋼板の６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％に相当する重量のアルミニウム箔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，・・・・・を一定間隔で周期的に巻き付ける。即ち、単位長さあたり、厚さｔの鉄（Ｆｅ）の帯の重量の６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％の１／２に相当する厚さのアルミニウム箔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，・・・・・を冷延鋼板の帯に巻き付ける。
【００３５】
（ハ）更に、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中、１０００ｏＣで２４時間の拡散焼鈍を行う。この処理により、図５（ｃ）に示すように、アルミニウム箔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，・・・・・の位置に、Ａｌが拡散し、Ｆｅと合金化される。この結果、Ａｌの組成が６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％のＦｅ−Ａｌ合金からなるｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・が一定間隔で周期的に形成され、アルミニウム箔が巻かれていなかった冷延鋼板の帯の位置にはｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，１j+2，・・・・・が一定間隔で周期的に形成される。この結果、ｐ型導電体素子１j-1とｎ型導電体素子２j-1との界面、ｎ型導電体素子２j-1とｐ型導電体素子１jとの界面、ｐ型導電体素子１jとｎ型導電体素子２jとの界面、ｎ型導電体素子２jとｐ型導電体素子１j+1との界面、ｐ型導電体素子１j+1とｎ型導電体素子２j+1との界面、ｎ型導電体素子２j+1とｐ型導電体素子１j+2との界面、・・・・・にはそれぞれｐ−ｎ接合が形成される。
【００３６】
（ニ）次に、図５（ｄ）に示すように、各接合部から１〜５ｍｍ程度、好ましくは２〜３ｍｍ程度離間した位置のｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，１j+2，・・・・・の位置を折り曲げ位置とし、この折り曲げ位置で、交互に山折りと谷折りを繰り返し、逐次、逆方向にＵ字型に折り曲げる。Ｆｅ−Ａｌ合金は、硬度及び脆性が大きいため機械加工が困難であるため、ｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・の部分は折り曲げの応力が印加されないように、各接合部の位置を折り曲げ位置からずらす。このため、高温側及び低温側ともに、ｐ−ｎ接合面は折り曲げ位置である頂部及び谷部ではなく、蛇腹折り構造の頂部及び谷部から２〜１０ｍｍ程度、好ましくは３〜５ｍｍ程度内部方向に移動した位置にある。この結果、図５（ｄ）に示すような蛇腹折り構造の直列ユニットが完成する。
【００３７】
第１の実施の形態に係る熱電変換システムの全体の性能は、個々の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nが示す熱電特性の加法性によって決まるが、熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの直列結合数ｎが数百から千以上になる場合があるこの場合は、図６に示すようなメアンダライン（蛇行線）状のパターンを利用するのが好都合である。即ち：      
（イ）厚さ０．２ｍｍ程度、平面寸法０．３８ｍ×２．５ｍ程度の冷延鋼板を用い、図６の如く直角に折れ曲がる線幅１０ｍｍのメアンダライン状に切り込みを入れる。切り込みはプレスを用いても良く、金切り鋏やカッタを用いても良く、種々の手段が採用可能である。隣接するメアンダライン相互間には、図６に示すように幅５ｍｍの平行なスリットが設けられ、周期的繰り返しパターンが形成される。
【００３８】
（ロ）そして、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２n形成予定部となる長さ５０ｍｍの部分に６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％の合金化量に相当する長さ４６ｍｍのアルミニウム箔を密着させ、アルゴン雰囲気中、１０００ｏＣで２４時間の拡散焼鈍を行う。この結果、Ａｌの組成が６〜１５重量％ 、好ましくは７〜１２重量％のＦｅ−Ａｌ合金からなるｎ型導電体素子２1，・・・・・，２j，２j+1，・・・・・，２n-1，２nが一定間隔で周期的に形成され、アルミニウム箔が巻かれていなかった冷延鋼板の帯の位置にはｐ型導電体素子１1，・・・・・，１j，１j+1，・・・・・，１n-1，１nが一定間隔で周期的に形成される。この結果、ｎ型導電体素子２1とｐ型導電体素子１1との界面、・・・・・、ｐ型導電体素子１j-1とｎ型導電体素子２jとの界面、ｎ型導電体素子２jとｐ型導電体素子１jとの界面、ｐ型導電体素子１jとｎ型導電体素子２j+1との界面、ｎ型導電体素子２j+1とｐ型導電体素子１j+1との界面、ｐ型導電体素子１j+1とｎ型導電体素子２j+2との界面、・・・・・、ｐ型導電体素子１n-1とｎ型導電体素子２nとの界面、ｎ型導電体素子２nとｐ型導電体素子１nとの界面にはそれぞれｐ−ｎ接合が形成され、０．３８ｍ×２．５ｍの鋼板上にｎ＝６２５組の熱電変換素子ユニットの直列結合からなる直列ユニット平型が得られる。同様に、更に、９枚の鋼板について同様の処理を行い、全１０組の直列ユニット平型を作製する（ｍ＝１０）。
【００３９】
（ハ）次に、図７のように各接合部を少しずれた位置のｐ型導電体素子１1，・・・・・，１j，１j+1，・・・・・，１n-1，１nに設けられた折曲位置Ｂc1，Ｂh1，・・・・・，Ｂcn，Ｂhnで、逐次、交互に逆方向に、折り曲げ、蛇腹折り構造にする。そして、隣り合うすべての間隙に厚手の紙を挿入して電気絶縁をとり、直列ユニットとする。同様に、更に、９枚の直列ユニット平型について同様の処理を行い、全１０組の直列ユニットを作製する（ｍ＝１０）。１０組の直列ユニットについて端子間の電気抵抗を測定したところ、平均１７．２Ωであった。又、１０組の直列ユニットを並列に接続して熱電パネルを構成し、この熱電パネルの端子間の電気抵抗を測定したところ、１．８３Ωを示した。
【００４０】
（ニ）次に、図８に示すように、上壁３５及び下壁３７を備える風洞内にこれらの熱電パネルを配置し、内壁３６により、高温側チャンネル３１と低温側チャンネル３２の２つのチャンネルに仕切る。そして、高温側チャンネル３１と低温側チャンネル３２に、それぞれ熱風及び冷風を送り込む。例えば、定常状態で素子の接合部に１２７ｏＣの温度差を付与すると、このときの熱電パネル５３の端子間の開放電圧は２．０５Ｖを示す。
【００４１】
熱電パネル５３の端子に接続する水電解槽４１に関しては、８０ｏＣ、２８％ＫＯＨ水溶液を電解液とし、陽極（陽極板）４２は２０ｍｍ×２０ｍｍのニッケルメッキ鋼板、陰極（陰極板）４３は同じ寸法の普通鋼板を用い、電極間距離を１００ｍｍとした。この水電解槽４１の端子間抵抗は２４．７Ωを示した。したがって、（ＲＧ／ＲＣ）比は０．０７４となり、水電解装置（４１，４２，４３）を熱電パネル５３に直結するための電気回路の条件である式（１２）の関係を満足している。この場合、熱電パネル５３と水電解槽４１からなる回路を閉じると、回路に０．０７７Ａの電流が流れて水の電気分解が行われ、２４時間で６．１５Ｎｃｍ３の水素ガスを採取できる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムは、第１の実施の形態に係る熱電変換システムの図２と同様に、鉄（Ｆｅ）からなる複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nと鉄・アルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）合金からなる複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとを交互に蛇腹折り構造に配置し、蛇腹折り構造の複数の山部でそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、蛇腹折り構造の複数の谷部でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成するように接続し、これにより複数のｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nと複数のｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとの交互直列接続構造をなし、第１及び第２のｐ−ｎ接合に互いに異なる温度を与え、ゼーベック効果による起電力を得る直列ユニット（熱電パネル）と、この直列ユニットの陽極端子と陰極端子との間に直接接続された負荷ＲLとを備える。ここで、ｎ型導電体素子２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２nとｐ型導電体素子１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１nとは、蛇腹折り構造の山部において、対応するｎ個の高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnでそれぞれ第１のｐ−ｎ接合を構成し、谷部において、対応する（ｎ−１）個の低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1でそれぞれ第２のｐ−ｎ接合を構成し、これにより、ｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nを構成している。
【００４３】
なお、図１０に示すように、第２の実施の形態に係る熱電変換システムでは、複数（ｍ本）の直列ユニットを並列接続し、これにより全体のインピーダンスを低減し、負荷とのインピーダンスの調整を行う熱電パネルを構成可能であるが、ｍ＝１の場合も含めて、適宜「熱電パネル」と称することは、第１の実施の形態に係る熱電変換システムでの説明と同様である。
【００４４】
図１１は直列結合数ｎの直列ユニットの内の３つの熱電変換素子ユニットを接続した状態を示す模式的な鳥瞰図である。又、図１４は、直列結合数ｎの直列ユニットの内の７つの熱電変換素子ユニットを接続した状態を示す上面図である。第１の実施の形態に係る熱電変換システムにおいて、式（２）或いは表２を用いて説明したように、第２の実施の形態に係る熱電変換システムの熱電パネルにおいても、用いる熱電変換素子ユニットの数（直列結合数ｎ）は、非常に多くなる。このため、熱電変換素子ユニットの構造は、熱電パネルを作製するに際しては、流れ作業による組み立て可能な単純な構造をなしている。
【００４５】
特に、ｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・とｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，・・・・・の内、ｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・は、硬度及び脆性が大きいため機械加工が困難である。このため、図１１に示すように、絶縁膜４j-1，４j，４j+1，・・・・・により、電気的絶縁を施したｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，・・・・・として機能する鉄製容器への直接鋳造によりｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・を形成している。ｐ型導電体素子１j-1とｎ型導電体素子２j-1との界面には高温側接合面Ｊhj-1が形成され、ｎ型導電体素子２j-1とｐ型導電体素子１jとの界面には低温側接合面Ｊcj-1が形成されている。又、ｐ型導電体素子１jとｎ型導電体素子２jとの界面には高温側接合面Ｊhjが形成され、ｎ型導電体素子２jとｐ型導電体素子１j+1との界面には低温側接合面Ｊcjが形成されている。更に、ｐ型導電体素子１j+1とｎ型導電体素子２j+1との界面には高温側接合面Ｊhj+1が形成され、ｎ型導電体素子２j+1とｐ型導電体素子１j+2との界面には低温側接合面Ｊcj+1が形成されている。
【００４６】
図１２に示すように、鉄製容器は、鉄製で壁状の端子部１jと、この端子部１jと第１のＬ字型構造を構成するように直交方向に接続された鉄製で壁状の熱伝導部１jと、この熱伝導部１jに対し第１のＬ字型構造とは逆方向に曲がる方向に接続されこの熱伝導部１jとで第２のＬ字型構造を構成する鉄製の第１の接合形成部１jと、熱伝導部１jと離間して第１の接合形成部１jから熱伝導部に平行に延伸する鉄製の側壁部１jと、熱伝導部１j及び側壁部１jとそれぞれ耐熱性絶縁体７１j，７２jを介して接続された鉄製の第２の接合形成部１j+1と、熱伝導部１j、第１の接合形成部１j及び側壁部１jに接し、第２の接合形成１j+1部の底部とは耐熱性絶縁体を介して接続された底板９jとを備える箱型である。熱伝導部１jと第１の接合形成部１jとは肉盛り溶接８１jで接続されている。又、第１の接合形成部１jと側壁部１jとも、肉盛り溶接８２jで接続されている。この結果、熱伝導部１j、第１の接合形成部１j及び側壁部１jとでコの字型形状を構成している。
【００４７】
図１１に示すように、それぞれの熱電変換素子ユニットは、鉄製の加熱フィン５j-1，５j，５j+1を有する高温側電極、鉄製の冷却フィン６j-1，６j，６j+1を有する低温側電極、鋼板製のｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1及び鋳造Ｆｅ−Ａｌ合金からなるｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1よりなっている（Ａｌの組成は、６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％である。）鉄製の加熱フィン５j-1を有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓnの大きなｎ型導電体素子２j-1を介して、鉄製の冷却フィン６j-1を有する低温側電極（第２の接合形成部）へ還流熱Ｐj-1が流れると同時に、鉄製の加熱フィン５j-1を有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓpの小さなｐ型導電体素子１j-1を介して、鉄製の冷却フィン６j-2を有する低温側電極（第２の接合形成部）（図示省略）へ還流熱Ｐj-1が流れる。又、鉄製の加熱フィン５jを有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓnの大きなｎ型導電体素子２jを介して、鉄製の冷却フィン６jを有する低温側電極（第２の接合形成部）へ還流熱Ｐjが流れると同時に、鉄製の加熱フィン５jを有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓpの小さなｐ型導電体素子１jを介して、鉄製の冷却フィン６j-1を有する低温側電極（第２の接合形成部）へ還流熱Ｐjが流れる。更に、鉄製の加熱フィン５j+1を有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓnの大きなｎ型導電体素子２j+1を介して、鉄製の冷却フィン６j+1を有する低温側電極（第２の接合形成部）へ還流熱Ｐj+1が流れると同時に、鉄製の加熱フィン５j+1を有する高温側電極（第１の接合形成部）から断面積Ｓpの小さなｐ型導電体素子１j＋１を介して、鉄製の冷却フィン６jを有する低温側電極（第２の接合形成部）へ還流熱Ｐjが流れる。
【００４８】
一方、ゼーベック効果による電流Ｉj-1は、図１１に示すように、ｐ型導電体素子１j-1から高温側電極（第１の接合形成部）を介して高温側接合面Ｊhj-1を経由し、ｎ型導電体素子２j-1に流れ、その後、ｎ型導電体素子２j-1から低温側接合面Ｊcj-1を経由し、ｐ型導電体素子１jに流れる。更に、ゼーベック効果による電流Ｉj＝Ｉj-1は、ｐ型導電体素子１jから高温側電極（第１の接合形成部）を介して高温側接合面Ｊhjを経由し、ｎ型導電体素子２jに流れ、その後、ｎ型導電体素子２jから低温側接合面Ｊcjを経由し、ｐ型導電体素子１j+1に流れる。更に、ゼーベック効果による電流Ｉj+1＝Ｉjは、ｐ型導電体素子１j+1から高温側電極（第１の接合形成部）を介して高温側接合面Ｊhj+1を経由し、ｎ型導電体素子２j+1に流れ、その後、ｎ型導電体素子２j+1から低温側接合面Ｊcj+1を経由し、ｐ型導電体素子１j+2に流れる。このため、与えられた高温側の熱源温度Ｔh と低温側の冷媒（大気）温度ＴC の間で、高温側接合面Ｊhj-1，Ｊhj，Ｊhj+1，・・・・・と低温側接合面Ｊcj-1，Ｊcj，Ｊcj+1，・・・・・間に最大限の温度差Δθを効果的に付与するための熱電変換素子ユニットの形状と寸法の設計は、伝熱学的原理と実験による解析に準拠して設計すれば良い。その際、特に、それぞれの高温側接合面Ｊhj-1，Ｊhj，Ｊhj+1，・・・・・と低温側接合面Ｊcj-1，Ｊcj，Ｊcj+1，・・・・・の接合面間距離Ｌ、及びｐ型導電体素子１j-1，１j，１j+1，・・・・・の断面積Ｓp及びｎ型導電体素子２j-1，２j，２j+1，・・・・・の断面積Ｓnが、熱電変換素子ユニットの性能に対して重要な因子となるのは、第１の実施の形態に係る熱電変換システムで説明した通りである。
【００４９】
従来行われている水の電気分解におけるエネルギー収支に関しては、水の分解反応吸熱量、７０〜８０ｏＣの最適電解浴温度に保持するための電解槽熱量及び給水の昇温熱量など全所要熱量は、電解電流の浴抵抗ジュール熱により補償されている。したがってこの場合、浴抵抗は陽極（陽極板）４２と陰極（陰極板）４３の極間距離に比例するので、ある限度以下に極間距離を短くすることはできないが、本発明のシステムに直結する水電解装置（４１，４２，４３）においては、発電に用いる低温熱源を一部流用し、熱交換器を浴に浸漬して所要熱量を補償するので、極間距離を短くとり、よって水電解槽端子間抵抗ＲCを小さくすることが可能となる。
【００５０】
第１の実施の形態に係る熱電変換システムで説明したように、熱電パネルの端子間抵抗ＲGに関しては、直列結合されたｎ個の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nを、図１０に示すようにｍ個並列接続（ｍは２以上の正の整数）により低減することができる。        
金属系の熱電変換素子は表１に示すように熱伝導度κが大きいため、式（３）で示される各熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nに付与されるそれぞれの高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnと低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcn間の温度差Δθを熱源の温度差ΔＴに近づけるためには、図１１等に示すように、高温側接合面Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhnに大容量の加熱フィン５j-1，５j，５j+1を装備した容積の大きなヒートシンク部を設け、低温側接合面Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcnは冷却フィン６j-1，６j，６j+1をｐ−ｎ接合面に近づけて冷却効果を強化している。
【００５１】
第２の実施の形態に係る熱電変換システムは、金属系の熱電変換素子を用いているので、半導体系熱電変換素子と異なり、微量な不純物によるゼーベック係数の変動は極く僅かである。したがって、ｐ型導電体素子として普通鋼及び鉄鋼スクラップを用いることができる。又、ｎ型導電体素子としてのＦｅ−Ａｌ合金は鉄分を含むアルミニウムスクラップを用いて合金化することができる。又溶融の際に生成する酸化アルミニウム介在物が合金内に存在しても、熱電特性に与える影響はほとんど認められない。
【００５２】
第２の実施の形態に係る熱電変換システムには、操業用補助電源及び機械的駆動部などは存在せず、資材として直列ユニット（熱電パネル）、低温熱源及び水電解槽のみからなるシステムの構成で、定常状態に放置して連続的に水素及び酸素が発生させることが可能であり、管理も容易である。
【００５３】
第２の実施の形態に係る熱電変換システムは、非常に多くのｐ−ｎ接合面（Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhn；Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1，Ｊcn）を装備するため、接合界面に空隙や欠陥が存在するならば、熱電パネル端子間抵抗ＲGの増大によるエネルギー損失の原因となる。それ故、接合界面は、溶融拡散接合法で形成する。
【００５４】
第２の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネルは以下のような手法で製造可能である。なお、以下に述べる熱電パネルの製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である：
（イ）先ず熱電変換素子ユニットの基本構造をなす鉄容器を溶接加工で作製する。即ち、図１２（ａ）に示すように、鉄製で壁状の端子部１jと、この端子部１jと第１のＬ字型構造を構成するように直交方向に接続された鉄製で壁状の熱伝導部１jと、この熱伝導部１jに対し第１のＬ字型構造とは逆方向に曲がる方向に接続されこの熱伝導部１jとで第２のＬ字型構造を構成する鉄製の第１の接合形成部１jと、熱伝導部１jと離間して第１の接合形成部１jから熱伝導部に平行に延伸する鉄製の側壁部１jと、熱伝導部１j及び側壁部１jとそれぞれ耐熱性絶縁体７１j，７２jを介して接続された鉄製の第２の接合形成部１j+1とを備える箱型の容器を溶接加工で作製する。例えば、熱伝導部１jと第１の接合形成部１jとは肉盛り溶接８１jで接続し、第１の接合形成部１jと側壁部１jとは、肉盛り溶接８２jで接続する。第１の接合形成部１jには、放熱フィン５jが構成され、第２の接合形成部１j+1には、冷却フィン６jが構成されている。更に、図１２（ｂ）に示すように、熱伝導部１j、第１の接合形成部１j及び側壁部１jの底部と底板９jと溶接で接続する。但し、図１２（ｂ）に示すように、第２の接合形成１j+1部の底部と底板９jとは耐熱性絶縁体を介して接続されている。
【００５５】
（ロ）次に、第１の接合形成部１j及び第２の接合形成部１j+1の表面を残して、鉄容器の内面に耐熱性電気絶縁体、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セメントを、絶縁膜４j-1，４j，４j+1として塗装する。
【００５６】
（ハ）その後、図１２（ａ）に示すように、容器の内部に、所定の溶融Ｆｅ−Ａｌ合金（Ｆｅ−Ａｌ溶湯）６を注入する（鋳込む）。
【００５７】
（ニ）Ｆｅ−Ａｌ溶湯６が凝固すると、図１２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、素子形状の鉄容器が鋳型となり、Ｆｅ−Ａｌ合金２jがｎ型導電体素子として鋳造される（Ａｌの組成は、６〜１５重量％、好ましくは７〜１２重量％である。）。そのとき、鉄が露出している接合面に溶融Ｆｅ−Ａｌ合金が接触し、溶融拡散接合することにより、ｐ型導電体素子となる第１の接合形成部とｎ型導電体素子との界面に第１のｐ−ｎ接合が、ｐ型導電体素子となる第２の接合形成部とｎ型導電体素子との界面に第２のｐ−ｎ接合が形成される。このとき、第１及び第２の接合形成部の固体鉄表面の数１００μｍ内部までアルミニウムが拡散浸透し、凝固後の顕微鏡組織は、拡散層を介して鉄とＦｅ−Ａｌ合金が理想的に接合される。即ち、図１３に示すように、ｐ−ｎ遷移層に相当するこの拡散ゾーンは、数１００μｍの微小幅であり、その範囲内での温度変化は極く僅かであるため、熱電変換素子ユニット全体の起電力に殆んど影響を与えない。
【００５８】
（ホ）第２の実施の形態に係る熱電変換システムの直列ユニット（熱電パネル）としての全体の性能は、個々の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nが示す熱電特性の加法性によって決まる。このため、熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nが完成した段階で、個々の熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nの熱起電力と電気抵抗を、それぞれ正確に測定して理論値であることを確認する。
【００５９】
（ヘ）次に、熱電特性の加法性を実測により確認しながら、熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１nを直列又は並列に溶接する。即ち、次段の端子部（図示省略）と第２の接合形成部１j+2とを、例えば図１１の溶接面６j+1を用いて接合する。この溶接で接合する工程を逐次繰り返すことにより複数のｐ型導電体素子と複数のｎ型導電体素子との交互直列接続構造からなる直列ユニット（熱電パネル）が完成する。図１１では、次段の端子部１jと第２の接合形成部１jとが溶接部８３jで接合され、次段の端子部１j+1と第２の接合形成部１j+1とが溶接部８３j+1で接合されている。この結果、図１４に示すように、熱電変換素子ユニット５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１n間が、溶接箇所８３j-2，８３j-1，８３j，８３j+1，８３j+2，・・・・・で、溶接により接合され、熱電パネルが完成する。
【００６０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】熱電変換の原理を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムを説明する模式図（概念図）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネル（直列ユニット）の具体的な構造の一例を示す断面図である。
【図４】図３に示した熱電パネル（直列ユニット）に用いる低温側絶縁膜と高温側絶縁膜の構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネル（直列ユニット）の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】熱電変換素子ユニットの直列結合数が多い場合の、熱電パネル（直列ユニット）の製造方法を説明するための平面図である。
【図７】図７の工程に引き続き、折曲位置で折り曲げた状態を示す鳥瞰図である。
【図８】風洞内に熱電パネルを配置し、高温側チャンネルと低温側チャンネルに、それぞれ熱風及び冷風を送り込んだ状態を説明する模式的な断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換システムを用いて、水の電気分解を行う場合の構成を説明する模式図である。
【図１０】直列結合数ｎの直列ユニットを、ｍ本並列接続したｎ×ｍマトリクス状の熱電パネルとした場合の回路図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネル（直列ユニット）の具体的な構造の一例を示す鳥瞰図で、直列結合数ｎの直列ユニットの内の３つの熱電変換素子ユニットを接続した状態を示す。模式的な鳥瞰図である。又、図１４は、直列結合数ｎの直列ユニットの内の７つの熱電変換素子ユニットを接続した状態を示す上面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電変換素子ユニットの製造方法を説明するための工程図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子ユニットのｐ−ｎ接合部分のＡｌの濃度分布を説明する図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換システムに用いる熱電パネル（直列ユニット）の具体的な構造の一例を示す上面図で、直列結合数ｎの直列ユニットの内の７つの熱電変換素子ユニットを接続した状態を示す。
【符号の説明】
【００６２】
Ｊc1，Ｊc2，Ｊc3，・・・・・，Ｊcn-1…低温側接合面
Ｊh1，Ｊh2，Ｊh3，・・・・・，Ｊhn-1，Ｊhn…高温側接合面
Ｌ…接合面間距離
Ｐj-1，Ｐj，Ｐj+1…還流熱
Ｗ…出力
ＲC…水電解槽端子間抵抗
ＲG…熱電パネル端子間抵抗
Ｒ…負荷
ＲL…抵抗値
Ｓn…断面積
Ｓp…断面積
ＴC…温度
Ｔh…熱源温度
ＶC…水電解槽端子間電圧
ＶG…開放電圧（直流電源）
Ｖ…起電力（開放電圧）
ｅ…起電力
ｉ…電流
１1，１2，１3，・・・・・，１n-1，１n…ｐ型導電体素子
２1，２2，２3，・・・・・，２n-1，２n…ｎ型導電体素子（Ｆｅ−Ａｌ合金）
３c1，３c2，３c3，・・・・・，３cn-1，３cn…低温側絶縁膜
３h1，３h2，・・・・・，３hn-1…高温側絶縁膜
４j-1，４j，４j+1…絶縁膜
５j-1，５j，５j+1…加熱フィン
６j-1，６j，６j+1…冷却フィン
６…Ｆｅ−Ａｌ溶湯
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，…アルミニウム箔
３１…高温側チャンネル
３２…低温側チャンネル
３５…上壁
３６…内壁
３７…下壁
４１…水電解槽
４２…陽極
４３…陰極
５３…熱電パネル
３０１j…絶縁膜
３０１j，３０２j，３０３j，３０４j，３０５j，；３０１j+1，３０２j+1，３０３j+1，３０４j+1，３０５j+1，３０６j+1；３０１j+２，３０２j+２，３０３j+２，３０４j+２，３０５j+２，３０６j+２…絶縁膜
５１1，５１2，５１3，・・・・・，５１n-1，５１n…熱電変換素子ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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