(57)【要約】【課題】ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換する際、熱電変換効率のより一層の向上を図ったガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係るガス発電装置は、本体胴２１内の中央部に高温ガスを通流させるガス通路２３と、このガス通路２３の外側に、冷却媒体通路壁３２で画成され、ｐ型半導体チップ２とｎ型半導体チップ３で構成する熱電変換モジュール１を収容する熱電変換モジュール収容部３１とを備える通路区画部２９を設けるとともに、前記通路区画部２９に隣接し、前記高温ガスの通流に対し、冷却媒体を交差しながら蛇行させて通流する冷却媒体通路２８ａを設けた。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体胴内の中央部に高温ガスを通流させるガス通路と、このガス通路の外側に、冷却媒体通路壁で画成され、ｐ型半導体チップとｎ型半導体チップで構成する熱電変換モジュールを収容する熱電変換モジュール収容部とを備える通路区画部を設けるとともに、前記通路区画部に隣接し、前記高温ガスの通流に対し、冷却媒体を交差しながら蛇行させて通流する冷却媒体通路を設けたことを特徴とするガス発電装置。
【請求項２】
冷却媒体通路は、一端に冷却媒体供給路に連通する冷却媒体通路開口部を備え、他端に冷却媒体袋通路部を備えたことを特徴とする請求項１記載のガス発電装置。
【請求項３】
少なくとも二つ以上のガス発電装置に燃料電池を組み合せるとともに、前記ガス発電装置に前記燃料電池からの排ガスを高温ガスとして供給する手段と、前記ガス発電装置に冷却媒体として燃料ガス、空気、水素と空気の混合ガス、燃料ガスと空気との混合ガス、一酸化炭素と空気との混合ガスのいずれかを選択して供給する手段とを備えたことを特徴とするガス発電装置と組み合せた燃料電池システム。
【請求項４】
ガス発電装置は、ブロアと、このブロアが吸引する空気量を制御する空気流量制御部を備えたことを特徴とする請求項３記載のガス発電装置と組み合せた燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池は、脱硫器と、この脱硫器を通流した燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部と、燃料ガスを水素ガスに改質させる改質器を備えたことを特徴とする請求項３記載のガス発電装置と組み合せた燃料電池システム。
【請求項６】
熱電変換モジュールを構成するｐ型半導体チップおよびｎ型半導体チップは、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、すず、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、ビスマス、テルル、セレン、鉛のうち、少なくも３つ以上の元素を選択したことを特徴とする請求項１記載のガス発電装置。
【請求項７】
熱電変換モジュールを構成するｐ型半導体チップおよびｎ型半導体チップは、スクッテルダイト結晶構造、ホイスラー結晶構造、ハーフホイスラー結晶構造、クラスレート結晶構造のうち、いずれかを選択したことを特徴とする請求項１記載のガス発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換させる際、より一層熱電変換効率を向上を図ったガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、人類のエネルギ消費量が歴史的に例を見ないほど加速されており、ＣＯ２等の温室効果ガスによる地球温暖化が深刻な社会問題としてクローズアップされ、ＣＯ２発生をできるだけ抑制する施策が世界中から求められている。
【０００３】
このような要望の中、省エネルギの観点から、廃熱の有効活用の研究開発が進められており、その中でも、中小規模の廃熱利用が注目されている。
【０００４】
中小規模の廃熱利用は、たとえその熱の質が良好でも、熱量自体が比較的低いので、例えば、蒸気タービン等の大規模な廃熱利用の発電プラントでは、熱量を大きくするために大掛りな設備になってしまい、発電効率が低くなり、既存設備の改造や保守、補修のコストに見合う電気量が得られない等の問題がある。
【０００５】
また、その熱量が低いことから、温水利用などにも見送られている場合が多く、世界的に中小規模の廃熱利用は、広い分野に亘って積極的に活用し難い傾向にあった。
【０００６】
このような情況の中で、中小規模の廃熱でも、その熱エネルギから電気エネルギを簡易にして小さな設備で変換できる熱電変換装置の実現が求められていた。
【０００７】
このような要請に基づいて、最近、特許文献１や非特許文献１に見られるように、半導体素子を用いて高温流体の熱エネルギを、直接、電気エネルギに変換する熱電変換装置の開発が進められている。
【０００８】
高温流体がガスの場合、例えば、特許文献２に開示されているように、高温ガスが流れる高温ガス流路（高温側）と冷却媒体流路（低温側）との間に熱エネルギを電気エネルギに変換する半導体素子をモジュール化し、モジュール化した半導体素子を高温側と低温側との間に配置して発電を行うことが提案されている。
【０００９】
このような構成を有するガス発電システムにおいて、熱電変換効率を向上させるには、高温側の温度を高めるとともに、高温側と低温側との温度差を大きく採ることが必要である。
【００１０】
また、高温側および低温側の各流路部材の熱伝導性を良好にすることはもとより、モジュール化した半導体素子の高温側および低温側の接触熱抵抗が少なく、かつ適切な面圧力で互いを接触させることが必要とされていた。
【００１１】
このような問題点に対し、試行錯誤的に考察が加えられているものの、未だ解決の目途が見えず、現在、模索中である。
【特許文献１】特開２００４−１１９８３３号公報
【特許文献２】特開平１１−３６９８１号公報
【非特許文献１】「熱電変換工学−基礎と応用−」リアライズ社  Ｐ．３４９〜３６３（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ガス発電装置は、高温側が、例えば、固体電解質型燃料電池の場合、８００〜１０００℃程度まで温度上昇するので、その温度に応じて長手方向（軸方向）、幅方向、厚さ方向の熱膨張が大きくなる。
【００１３】
その一方、低温側では、最近でも外気温度程度であり、熱膨張が小さい。
【００１４】
このように、著しく温度差が大きくなると、モジュール化した半導体素子の高温側と低温側とでひずみやずれが生じ、半導体素子は、破損の虞があった。
【００１５】
また、温度差が大きいと、半導体素子は、熱膨張に伴って高温側や低温側との面接触力が低下し、接触熱抵抗が大きくなって熱伝導性が悪くなり、熱電変換効率が著しく低下することがあった。特に、ガス発電装置に使用されているモジュール化した半導体素子の材料は脆く、剛性が低いため、変形に伴う熱伝導性の低下や材料自体の破損等の問題を抱えていた。
【００１６】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換する際、熱電変換効率のより一層の向上を図ったガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システム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】
【００１７】
本発明に係るガス発電装置は、上述の目的を達成するために、本体胴内の中央部に高温ガスを通流させるガス通路と、このガス通路の外側に、冷却媒体通路壁で画成され、ｐ型半導体チップとｎ型半導体チップで構成する熱電変換モジュールを収容する熱電変換モジュール収容部とを備える通路区画部を設けるとともに、前記通路区画部に隣接し、前記高温ガスの通流に対し、冷却媒体を交差しながら蛇行させて通流する冷却媒体通路を設けたものである。
【００１８】
本発明に係るガス発電装置と組み合せた燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、少なくとも二つ以上のガス発電装置に燃料電池を組み合せるとともに、前記ガス発電装置に前記燃料電池からの排ガスを高温ガスとして供給する手段と、前記ガス発電装置に冷却媒体として燃料ガス、空気、水素と空気の混合ガス、燃料ガスと空気との混合ガス、一酸化炭素と空気との混合ガスのいずれかを選択して供給する手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るガス発電装置は、高温ガスの流れに対し、冷却媒体を交差させながら蛇行させる通路区画部を設けるとともに、通路区画部の両側の外側にガス通路壁、冷却媒体通路壁を設け、各壁内に熱電変換モジュールを収容させ、その剛性および面接触性を高める構成にしたので、熱電変換モジュールの安定性を維持させて熱伝導性と熱電変換効率をより一層良好にし、かつ向上させることができる。
【００２０】
また、本発明に係るガス発電装置と組み合せた燃料電池システムは、ガス発電装置の熱電変換モジュールに、燃料電池本体からの排ガスを高温ガスとして供給し、エネルギの再利用を図ったので、排エネルギの有効活用の下、ガス発電装置の熱電変換効率をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るガス発電装置およびガス発電装置と組み合せた燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係るガス発電装置に組み込まれる熱電変換モジュールの一つを取り出し、その原理を説明する概念図である。
【００２３】
熱電変換モジュール１には、ｐ型半導体チップ２およびｎ型半導体チップ３が高温側電極５を有する高温側絶縁板７と、低温側電極６を有する低温側絶縁板８とに挟まれ、ペアとして熱電変換素子４を構成し、電気的および熱的に多くの熱電変換素子４が設けられている。
【００２４】
また、ｐ型半導体チップ２およびｎ型半導体チップ３は、高温側電極５と高温側半導体チップ接続部１１で接続させ、さらにｐ型半導体チップ２およびｎ型半導体チップ３は、低温側電極６と低温側半導体チップ接続部１２で接続される。
【００２５】
このような構成を備える熱電変換モジュール１において、高温側電極５に熱流１３が与えられると、その熱は高温側半導体チップ接続部１１を介してｐ型半導体チップ２およびｎ型半導体チップ３のそれぞれに伝えられる。
【００２６】
さらに、その熱は各半導体チップ２，３を通る際、熱流１４に沿って流れるとともに、各内部における半導体キャリアである正孔１６および電子１７のそれぞれが低温側はとチップ接続部１２を介して低温側電極６に向って移動する。
【００２７】
また、各半導体チップ２，３を通る熱流１４は、低温側電極６を通過し、ここから外部に放出される熱流１５になる。
【００２８】
一方、熱電変換モジュール１の外部には、熱電変換素子４に設けた電極電流取合部９および電流取出部１０を介して電気負荷部１９が設けられており、上述各半導体キャリアの移動が電流の流れ１８として電気負荷部１９で取り出され、電力として外部に供給される。
【００２９】
このように、熱電変換モジュール１は、高温側と低温側との温度差を、熱電変換素子４の持つ能力を巧みに利用し、直接、電気に変換して外部に電力を供給するようになっている。
【００３０】
このように、熱エネルギを電気エネルギに変換させる熱電変換モジュール１を組み込んだガス発電装置２０は、図２に示すように、ボックス状の本体胴２１と、この本体胴２１の中央部における軸方向（長手方向）に沿って高温ガス２２を通流させるガス通路２３と、冷却媒体２４を本体胴２１に供給する冷却媒体供給路２５と、本体胴２１内の高温ガス２２と熱電変換させた後の冷却媒体２４を外部に排出させる冷却媒体排出路２６とを備えている。
【００３１】
また、ガス発電装置２０の本体胴２１には、図３に示すように、その内部中央を、高温ガス２２が軸方向に沿って流れるのに対し、冷却媒体供給路２５から供給される冷却媒体２４が横断しながら蛇行流れとなるように、底部側から頭部側に向って一側端を冷却媒体通路開口部２７にし、他側端を冷却媒体袋通路部１８に形成する冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…と、この冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…毎に区画部２９，２９，…が設けられ、各通路区画部２９，２９，…内に熱電変換モジュール１を収容させる構成になっている。
【００３２】
図４は、ガス発電装置２０の本体胴２１内の熱電変換モジュール１、冷却媒体通路開口部２７および冷却媒体袋通路部２８等の位置関係を示す図であり、ガス発電装置２０は、本体胴２１の両側に冷却発電通路開口部２７と冷却媒体通路部２８を配置し、中間位置に熱電変換モジュール１とガス流路２３を収容、形成する通路区画部２９，２９，…を備えている。
【００３３】
そして、破線の領域Ａを抜き出し、冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…と、通路区画部２９，２９，…との位置関係を、今少し、図５を用いて詳しく説明すると、本体胴２１は、冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…毎に隣接して通路区画部２９，２９，…を設けるとともに、通路区画部２９，２９，…内のうち、中央部をガス通路壁３０，３０，…で区画するガス通路２３を備え、その外側に冷却媒体通路壁３２で画成し、熱電変換モジュール１を収容させる熱電変換モジュール収容部３１を備える一方、熱電変換モジュール収容部３１の端部に、熱電変換モジュール１に接続させるリード線等を挿通させる通路部３３を備えている。
【００３４】
このような構成を備えるガス発電装置２０において、ガス通路２３に供給される高温ガスは、ガス通路壁３０，３０を介して熱電変換モジュール１に高温熱を与え、さらに、冷却媒体供給路２５から冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…に供給され、高温ガスに交差しながら蛇行して流れる冷却媒体は、冷却媒体通路壁３２，３２を介して熱電変換モジュール１に冷媒熱を与える。そして、熱電変換モジュール１は、高温ガスの高温熱と冷却媒体の冷媒熱との温度差を利用して電力を生成する。
【００３５】
このように、本実施形態は、高温ガスの流れに対し、冷却媒体を交差し、蛇行させて流す際、冷却媒体通路２８ａ，２８ａ，…毎に隣接して通路区画部２９，２９，…を設け、各通路区画部２９，２９，…をガス通路壁３０，３０と冷却媒体通路壁３２，３２とで区画し、区画した各壁２９，２９，…３２，３２，…間に形成する熱電変換モジュール収容部３１に熱電変換モジュール１を収容させてその剛性および面接触性を高く維持させる構成にしたので、熱電変換モジュール１の安定性を維持させて熱伝導性を良好にさせ、熱電変換効率をより一層向上させてより多くの電力を生成させることができる。
【００３６】
図６は、本発明に係るガス発電装置の第２実施形態を示す斜視図である。
【００３７】
本実施形態に係るガス発電装置２０は、第１ガス発電装置２０ａと第２ガス発電装置２０ｂとの少なくとも２台以上のガス発電装置を組み合せたものである。
【００３８】
第１ガス発電装置２０ａと第２ガス発電装置２０ｂは、ともに、第１実施形態と同様に、ボックス状の本体胴２１ａ，２１ｂと、本体胴２１ａ，２１ｂの軸方向に沿って高温ガス２２を通流させるガス通路２３ａ，２３ｂと、冷却媒体２４を本体胴２１ａ，２１ｂに供給する冷却媒体供給路２５ａ，２５ｂと、冷却媒体２４を本体胴２１ａ，２１ｂに供給する冷却媒体供給路２５ａ，２５ｂと、本体胴２１ａ，２１ｂ内の高温ガス２２と熱電変換させた後の冷却媒体２４を外部に排出させる冷却媒体排出路２６ａ，２６ｂとを備えている。
【００３９】
また、第１ガス発電装置２０ａの本体胴２１ａに設けた冷却媒体供給路２５ａに冷媒として空気３４が供給され、ガス通路２３ａに高温ガスとして固体電解質型燃料電池（図示せず）の排ガス３５が供給される。
【００４０】
また、第２ガス発電装置２０ｂの本体胴２１ｂに設けた冷却媒体供給路２５ｂに冷媒として燃料ガス３６が供給され、ガス通路２３ｂに高温ガスとして固体電解質型燃料電池の排ガス３５が供給される。
【００４１】
この場合、空気３４と燃料ガス３６は、混合であってもよく、燃料ガスは都市ガス、水素ガスあるいは一酸化炭素ガスでもよい。
【００４２】
なお、各本体胴２１ａ，２１ｂ内は、第１実施形態の構成と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００４３】
このように、本実施形態は、ガス発電装置２０を、第１ガス発電装置２０ａと第２ガス発電装置２０ｂの少なくとも２台以上を組み合わせて構成するとともに、冷却媒体供給路２５ａ，２５ｂおよびガス通路２３ａ，２３ｂのそれぞれ供給する流体を異ならしめたので、流体の種類を広く選択して熱電変換に対処させることができる。
【００４４】
図７は、本発明に係るガス発電装置を組み合せた燃料電池システムの実施形態を示す概略系統図である。
【００４５】
本実施形態に係るガス発電装置を組み合せた燃料電池システムは、図６で示した、例えば第１ガス発電装置２１ａと第２ガス発電装置２１ｂとの少なくとも２台以上のガス発電装置２０と、例えば固体電解質型の燃料電池本体３７とを組み合わせて構成する発電プラント４３になっている。
【００４６】
発電プラント４３のうち、ガス発電装置２０の一つは、高温ガスとして燃料電池本体３７からの排ガス３５を使用し、冷却媒体として空気３４を使用するとともに、例えば大気からの空気を吸引するブロア３８と、吸い込んだ空気３４を燃料電池本体３７からの排ガス３５の流量とバランスさせるために流量制御する空気流量制御部３９とを備え、この空気流量制御部３９からの指令に基づいてブロア３８の回転数を増減調整している。
【００４７】
また、ガス発電装置２０の他の一つは、高温ガスとして燃料電池本体３７からの排ガス３５を使用し、冷却媒体として、例えば都市ガス（燃料ガス）４０を使用するとともに、都市ガス４０に含まれる硫黄を除去する脱硫器４１と、供給された都市ガス４０を燃料電池本体３７からの排ガス３５の流量とバランスさせるために流量制御する都市ガス流量制御部４２とを備え、この都市ガス流量制御部４２によって都市ガス４０の流量を制御している。なお、冷却媒体は、都市ガス４０に代えて水素と空気の混合ガス、燃料ガスと空気との混合ガス、一酸化炭素と空気との混合ガスのうち、いずれかを選択して使用してもよい。
【００４８】
都市ガス流量制御部４２で流量制御され、都市ガス４０は、少なくとも２台以上の第１ガス発電装置２０ａ、第２ガス発電装置２０ｂからなる発電装置２０に供給され、ここで熱電変換が行われる。
【００４９】
この熱電変換は、高温ガスとして燃料電池本体３７からの排ガス３５を使用し、冷却媒体としての都市ガス４０との温度差を利用し、上述図３〜図５で示した熱電変換モジュール（図示せず）で熱エネルギを電気エネルギに変換し、電力を生成する。
【００５０】
熱電変換後の都市ガス４０は、改質器４４で水素濃度リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池本体３７で酸素ガスと化学反応し、電力を生成する。
【００５１】
なお、ガス発電装置２０（２０ａ，２０ｂ）に組み込まれる熱電変換モジュール１のｐ型半導体チップ２およびｎ型半導体チップ３は、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、すず、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、ビスマス、テルル、セレン、鉛のうち、少なくも３つ以上の元素が選択される。
【００５２】
また、ｐ型半導体チップ２−ｎ型半導体チップ３は、ゲルマニウム−シリコン、ビスマス−テルル、ビスマス−アンチモン、ビスマス−テルル−アンチモン、亜鉛−アンチモン、コバルト−アンチモン、鉄−アンチモン、鉄−シリコン、鉛−テルル、ホウ素−炭素のいずれかを主成分にしてもよい。
【００５３】
また、ｐ型半導体チップおよびｎ型半導体チップ３は、マンガン−シリコン、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト結晶構造、ホイスラー結晶構造、ハーフホイスラー結晶構造、クラスレート結晶構造のいずれでもよい。
【００５４】
このように、本実施形態は、ともに電力を生成するガス発電装置２０（２０ａ，２０ｂ）と燃料電池本体３７を備えるとともに、ガス発電装置２０（２０ａ，２０ｂ）の熱電変換モジュール１に供給する高温ガスと燃料電池本体３７からの排ガス３５に求め、エネルギの有効活用を図ったので、ガス発電装置２０（２０ａ，２０ｂ）の熱電変換効率をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るガス発電装置に組み込まれる熱電変換モジュールの一つを取り出し、その原理を説明する概念図。
【図２】本発明に係るガス発電装置の第１実施形態を示す外観図。
【図３】図２に示した本発明に係るガス発電装置の縦断面図。
【図４】本発明に係るガス発電装置のうち、熱電変換モジュールを抜き出した図。
【図５】図４に示した本発明に係るガス発電装置の横断面図。
【図６】本発明に係るガス発電装置の第２実施形態を示す外観図。
【図７】本発明に係るガス発電装置と組み合せた燃料電池システムの実施形態を示す系統図。
【符号の説明】
【００５６】
１  熱電変換モジュール
２  ｐ型半導体チップ
３  ｎ型半導体チップ
４  熱電変換素子
５  高温側電極
６  低温側電極
７  高温側絶縁板
８  低温側絶縁板
９  電極電流取合部
１０  電流取出部
１１  高温側半導体チップ接続部
１２  低温側半導体チップ接続部
１３，１４，１５  熱流
１６  正孔
１７  電子
１８  電流の流れ
１９  電気負荷部
２０  ガス発電装置
２０ａ  第１ガス発電装置
２０ｂ  第２ガス発電装置
２１，２１ａ，２１ｂ  本体胴
２２  高温ガス
２３，２３ａ，２３ｂ  ガス通路
２４  冷却媒体
２５，２５ａ，２５ｂ  冷却媒体供給路
２６，２６ａ，２６ｂ  冷却媒体排出路
２７  冷却媒体通路開口部
２８  冷却媒体袋通路部
２８ａ  冷却媒体通路
２９  通路区画部
３０  ガス通路壁
３１  熱電変換モジュール収容部
３２  冷却媒体通路壁
３３  通路部
３４  空気
３５  排ガス
３６  燃料ガス
３７  燃料電池本体
３８  ブロア
３９  空気流量制御部
４０  都市ガス
４１  脱硫器
４２  都市ガス流量制御部
４３  発電プラント
４４  改質器
【図１】
2007068297.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007068297.tif 000007
【図６】
2007068297.tif 000008
【図７】
2007068297.tif 000009