车辆的发电装置的制作方法

本发明涉及车辆的发电装置，特别涉及利用热电变换元件的车辆的发电装置。

背景技术：

已知利用了塞贝克效应的各种热电变换元件。为了使用该热电变换元件得到电动势，在构成该热电变换元件的2种金属或者半导体之间需要温度差。因此，为了利用该热电变换元件进行发电，需要用于维持温度差的冷却装置等。相对于此，在专利文献1中，公开了可用作不需要温度差就能够进行发电的热电变换元件的半导体单晶。

专利文献1记载的半导体单晶具体而言具有n型半导体部、p型半导体部以及位于n型半导体部与p型半导体部之间的本征半导体部，构成为本征半导体部的带隙能量比n型半导体部以及p型半导体部的带隙能量低。如果对具有这样的结构的半导体单晶进行加热以收敛于预定的温度范围，则即使在n型半导体部与p型半导体部之间未产生温度差，在本征半导体部中，电子也从价带激发到导带。激发到导带的电子移动到能量低的n型半导体部，在价带中产生的空穴移动到能量高的p型半导体部。由于通过这些移动产生的载流子(电子以及空穴)的偏移，上述半导体单晶成为将p型半导体部作为正极、将n型半导体部作为负极的发电材料。因此，通过将具有上述结构的半导体单晶用作热电变换元件，即使在n型半导体部与p型半导体部之间未产生温度差，也能够在热电变换元件的温度处于预定的温度范围内时发电。

专利文献1：国际公开第2015/125823号

专利文献2：日本特开2004-011512号公报

技术实现要素：

为了有效利用在汽车等车辆中产生的热，考虑在车辆的各种流路内流过的流体中，将上述专利文献1记载的半导体单晶设置为热电变换元件。在此，该流体的流速或者温度可能会根据来自驾驶员的要求或者其它各种要求而过渡性地变化。在根据来自驾驶员的要求等而流体的流速或者温度过渡性地变化的状况下，向n型半导体部、p型半导体部以及本征半导体部的各部位的热的传导方式不均匀，作为其结果，认为在这些部位之间产生温度差。如果在这样的情况下产生的温度差是带隙能量相对高的n型半导体部或者p型半导体部的温度比本征半导体部的温度高这样的方式，则难以高效地确保具有上述专利文献1记载的结构的热电变换元件的电动势。其结果，存在难以利用该热电变换元件高效地发电的可能性。

本发明是鉴于上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种具备构成为位于n型半导体部与p型半导体部之间的本征半导体部的带隙能量比n型半导体部以及p型半导体部的带隙能量低的热电变换元件的车辆的发电装置、并且以高效地发电的方式将热电变换元件设置于车辆的流路内的发电装置。

本发明的车辆的发电装置具备热电变换元件，该热电变换元件具有n型半导体部、p型半导体部以及位于所述n型半导体部与所述p型半导体部之间的本征半导体部，构成为所述本征半导体部的带隙能量比所述n型半导体部以及所述p型半导体部的带隙能量低。所述发电装置应用于具有对所述热电变换元件供给热的流体所流经的流路的车辆。所述热电变换元件以所述本征半导体部的表面与所述流体的流动相向的方式，设置于所述流路内。

所述发电装置也可以还具备以覆盖所述热电变换元件中的高带隙能量部的表面中的至少所述流体的流动方向的上游侧的部位的方式设置的高带隙能量护罩。另外，所述高带隙能量部也可以是不包括所述本征半导体部、并且包括所述n型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端部以及所述p型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端部的部位。

所述热电变换元件也可以具有多个热电变换元件。所述多个热电变换元件也可以经由电极电连接而构成为元件层叠体。在将所述热电变换元件的所述n型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端部称为第1端部，将所述热电变换元件的所述p型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端部称为第2端部的情况下，所述电极也可以将相邻的一个所述热电变换元件的所述第1端部和相邻的另一个所述热电变换元件的所述第2端部进行电连接。另外，所述发电装置也可以还具备以覆盖所述电极的表面中的至少所述流体的流动方向的上游侧的部位的方式设置的电极护罩。

所述电极护罩也可以构成为以与所述电极接触的方式覆盖该电极、并且具有比所述电极的热传导率低的热传导率。

所述发电装置也可以还具备以覆盖所述热电变换元件中的高带隙能量部的表面中的至少所述流体的流动方向的上游侧的部位的方式设置的高带隙能量护罩。另外，所述高带隙能量部也可以是不包括所述本征半导体部、并且包括所述第1端部以及所述第2端部的部位。

所述高带隙能量护罩也可以构成为以与所述高带隙能量部接触的方式覆盖该高带隙能量部，使所述本征半导体部的表面露出在所述流体中，并且具有比所述热电变换元件的热传导率低的热传导率。

所述元件层叠体也可以包括多个将所述多个热电变换元件隔着所述电极进行层叠而得到的单位层叠体。多个所述单位层叠体也可以被设置成各个所述单位层叠体中包含的所述热电变换元件的层叠方向为与所述流体的流动方向正交的第1正交方向。多个所述单位层叠体也可以隔开预定间隔而配置。另外，在将与所述流体的流动方向以及所述第1正交方向这双方正交的方向称为第2正交方向的情况下，所述高带隙能量护罩也可以构成为在所述流体的流动方向以及所述第2正交方向中的至少一个方向上按照板状延伸、并且覆盖处于与该高带隙能量护罩重叠的位置的所述热电变换元件的所述高带隙能量部。

所述电极护罩和所述高带隙能量护罩也可以一体地形成。

所述热电变换元件也可以具有由包括所述本征半导体部的表面的侧面、所述n型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端面以及所述p型半导体部中的与所述本征半导体部相反侧的端面构成的棱柱形状或者圆柱形状。另外，所述热电变换元件也可以以所述侧面从所述流体接受的热流束比所述n型半导体部的所述端面以及所述p型半导体部的所述端面的各个从所述流体接受的热流束大的方式，设置于所述流路内。

也可以是，所述流路是搭载于所述车辆的内燃机的排气管的流路，所述流体是在所述排气管中流动的排放气体。

根据本发明，构成为位于n型半导体部与p型半导体部之间的本征半导体部的带隙能量比n型半导体部以及p型半导体部的带隙能量低的热电变换元件以本征半导体部的表面与流体的流动相向的方式设置于流路内。在热电变换元件的表面中的与流体的流动相向的表面的周围中，起因于流体向该表面的碰撞而流体的流动增大，所以促进从流体向热电变换元件的热传递。根据本发明中的设置手法，在这样的表面中包括本征半导体部的表面。由此，难以产生带隙能量相对高的n型半导体部或者p型半导体部的温度比本征半导体部的温度高这样的方式的温度差，所以能够高效地确保热电变换元件的电动势。因此，能够进行效率良好的发电。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的车辆的发电装置的应用例的图。

图2是示意地示出图1所示的发电装置具备的热电变换元件的结构的立体图。

图3是示出图1所示的热电变换元件的带隙能量的状态的概念图。

图4是示出热电变换元件的电动势与温度的关系的图。

图5是示出本发明的实施方式1中的元件层叠体的结构例的立体图。

图6是用于说明图5所示的元件层叠体相对排放气体流的设置手法的示意图。

图7是用于补充地说明热电变换元件的表面s的解释的图。

图8是用于说明实施方式1中的热电变换元件的设置手法的效果的图。

图9是用于说明本发明的实施方式2的车辆的发电装置的整体结构的示意图。

图10是用于说明实施方式2中的与电极有关的结构的效果的图。

图11是用于说明本发明的与电极有关的结构的变形例的图。

图12是用于说明本发明的实施方式3的车辆的发电装置的整体结构的示意图。

图13是示意地示出图12所示的元件层叠体周围的结构的立体图。

图14是用于说明与本发明的高带隙能量护罩有关的结构的第1变形例的图。

图15是用于说明与本发明的高带隙能量护罩有关的结构的第1变形例的图。

图16是用于说明与本发明的高带隙能量护罩有关的结构的第2变形例的图。

图17是用于说明图2所示的热电变换元件的其它层叠手法的图。

(符号说明)

1：内燃机；2：排气管；10、30、50、60、70：发电装置；12、62：热电变换元件；12a：n型半导体部；12ae：n型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端部；12aes：n型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端面；12b：p型半导体部；12be：p型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端部；12bes：p型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端面；12c、62c：本征半导体部；12d、62d：高带隙能量部(高be部)；14、32、64、80：元件层叠体；14a、32a、64a：元件层叠体的单位层叠体；16：电路；18：开关；20：电气零件；22：电子控制单元(ecu)；24、34、68、82、84：电极；36、38、40、52、66、72：护罩。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的各实施方式。此外，在各附图中，对同一或者类似的构成要素附加同一符号。

实施方式1.

首先，参照图1～图8，说明本发明的实施方式1。图1是示出本发明的实施方式1的车辆的发电装置10的应用例的图。图2是示意地示出图1所示的发电装置10具备的热电变换元件12的结构的立体图。

[车辆中的发电装置的应用部位]

本实施方式的发电装置10具备的热电变换元件12的设置部位只要是车辆的各种流路内则没有特别限定。在实施方式1中，作为一个例子，热电变换元件12如图1所示，配置于搭载在车辆的内燃机1具备的排气管2内流过的排放气体中。即，在图1所示的例子中，在内燃机1的燃烧室内燃烧之后的高温的排放气体的热被供给到热电变换元件12。作为在车辆的流路内流过的流体并且对热电变换元件12供给热的流体，除了排放气体以外，还可以举出例如用于内燃机1的冷却的冷却水流路内流过的发动机冷却水以及用于内燃机1的润滑的油流路内流过的发动机油。

在本实施方式的发电装置10中，以将多个热电变换元件12电连接而得到的元件层叠体14这样的方式，将热电变换元件12设置于排放气体中。关于元件层叠体14的具体的结构例，参照图5后述。发电装置10具备：将元件层叠体14的两端通过导线连接而构成的电路16；和使该电路16开闭的开关18。对电路16，连接了搭载于车辆的电气零件(例如灯火类)20。通过搭载于车辆的电子控制单元(ecu)22，控制开关18的开闭。

根据如上所述构成的发电装置10，在车辆系统的启动中，在通过来自排放气体的热供给而热电变换元件12的温度成为适合于发电的温度的状态下使开关18闭合，从而能够使元件层叠体14进行发电。在本实施方式中，供给热的流体是排放气体，所以通过该发电，能够进行内燃机1的废热回收。而且，能够将通过元件层叠体14的发电而得到的电力供给给电气零件20。此外，也可以代替开关18而具备可变电阻。由此，能够通过可变电阻的电阻值的调整，更详细地控制从元件层叠体14供给给电气零件20的电力。另外，接受电力的供给的车辆零件不限于电气零件20，也可以例如代替电气零件20或者与该电气零件20一起将积蓄车辆使用的电力的蓄电池连接到电路16。

[热电变换元件的结构]

在图2所示的一个例子中，热电变换元件12按照棱柱形状形成。热电变换元件12在一端侧具备n型半导体部12a，在另一端侧具备p型半导体部12b。另外，热电变换元件12在n型半导体部12a与p型半导体部12b之间，具备本征半导体部12c。

图3(a)以及图3(b)是示出图1所示的热电变换元件12的带隙能量的状态的概念图。图3(a)以及图3(b)的纵轴是电子的能量，横轴是热电变换元件12中的从n型半导体部12a侧的端面12aes起的距离l(参照图2)。

如图3(a)以及图3(b)所示，n型半导体部12a是费米能级f处于导带侧的部位，p型半导体部12b是费米能级f处于价带侧的部位。本征半导体部12c是费米能级f处于导带与价带之间的禁带的中央的部位。带隙能量相当于价带的最上部与导带的最下部的能量差。如从这些图可知，在热电变换元件12中，本征半导体部12c中的带隙能量比n型半导体部12a以及p型半导体部12b中的带隙能量低。此外，在图3(a)以及图3(b)中示出的n型半导体部12a、p型半导体部12b以及本征半导体部12c的长度的比例是一个例子，该比例根据热电变换元件(半导体单晶)12的形成方法而变化。另外，n型半导体部12a、p型半导体部12b以及本征半导体部12c中的带隙能量例如能够通过逆光电子光谱法来测定。

具有上述特性(即本征半导体部12c中的带隙能量比n型半导体部12a以及p型半导体部12b中的带隙能量低)的热电变换元件(半导体单晶)12例如能够由包合物的化合物(包合化合物)构成。作为这样的包合物的化合物的一个例子，能够使用硅包合物ba8au8si38。

本实施方式的热电变换元件12的制造方法只要能够使热电变换元件12具有上述特性，则没有特别限定。在热电变换元件12作为一个例子是硅包合物ba8au8si38的情况下，能够使用例如在国际专利申请的国际公开第2015/125823号中详述的制造方法。其概要如下所述。即，以ba、au和si的比(摩尔比)为8：8：38的方式，称量ba粉末、au粉末以及si粉末。利用电弧熔融法将称量出的粉末熔融。通过对得到的融液进行冷却，得到硅包合物ba8au8si38的锭。将这样调制出的硅包合物ba8au8si38的锭粉碎为粒状。通过利用提拉法(czochralskimethod)在坩埚内将粉碎的硅包合物ba8au8si38熔融，得到硅包合物ba8au8si38的单晶。图2所示的热电变换元件12是将通过这样的手法得到的硅包合物ba8au8si38的单晶切断为棱柱形状(更具体而言为长方体形状)而得到的。关于热电变换元件的形状，不限于将上述单晶切断为长方体形状，能够将上述单晶切断为立方体形状、圆柱形状或者其它期望的形状从而任意地选择。

[发电原理]

图3(a)是示出将热电变换元件12加热到预定的温度时的热激发的状态的概念图。如果将热电变换元件12加热到温度t0(参照后述图4)以上，则如图3(a)所示，价带的电子(黑圆)热激发到导带。更具体而言，如果由于热的供给而超过带隙能量的能量提供到位于价带的最上部的电子，则电子激发到导带。在热电变换元件12的温度上升的过程中，得到仅在带隙能量相对低的本征半导体部12c中产生这样的热所致的电子的激发的状态。图3(a)示出将热电变换元件12加热到得到这样的状态的预定的温度(例如温度t0)的状态。在该状态下，在带隙能量相对高的n型半导体部12a以及p型半导体部12b中，电子不被热激发。

图3(b)是示出将热电变换元件12加热到上述预定的温度时的电子(黑圆)以及空穴(白圆)的移动的概念图。如图3(b)所示，激发到导带的电子移动到能量低的一方、即n型半导体部12a侧。另一方面，通过电子的激发而在价带中产生的空穴移动到能量高的一方、即p型半导体部12b。通过这样的载流子的偏移，n型半导体部12a带负电，p型半导体部12b带正电，所以在n型半导体部12a与p型半导体部12b之间产生电动势。因此，根据热电变换元件12，即使在n型半导体部12a与p型半导体部12b之间无温度差，也能够发电。这样的发电原理与根据温度差产生电动势的塞贝克效应不同。利用了热电变换元件12的发电装置10无需一定设置温度差，所以不需要用于设置温度差的冷却部，所以能够简化装置结构。

图4是示出热电变换元件12的电动势与温度的关系的图。此处所称的热电变换元件12的电动势是指作为正极发挥功能的p型半导体部12b侧的端部与作为负极发挥功能的n型半导体部12a侧的端部的电位差。更具体而言，图4所示的关系表示以n型半导体部12a与p型半导体部12b之间不产生温度差的方式对热电变换元件12进行加热时产生的电动势的温度特性。此外，产生电动势的温度范围是根据热电变换元件的组成而不同。

如图4所示，通过将热电变换元件12加热到温度t0以上，产生电动势。更具体而言，随着热电变换元件12的温度变高，电动势上升。如图4所示随着升温而电动势变高的理由在于，通过供给热量的增加，在带隙能量相对低的本征半导体部12c中可激发的电子以及空穴的数量增加。另外，如图4所示，电动势在某个温度t1下呈现峰值，如果使热电变换元件12比温度t1进一步升温，则电动势降低。其理由是如下情况造成了影响：如果热电变换元件12的温度变高，则不仅在本征半导体部12c中产生电子以及空穴的热激发，而且在n型半导体部12a以及p型半导体部12b中也产生电子以及空穴的热激发。

[热电变换元件(元件层叠体)相对排放气体的流动方向的设置手法]

如从上述图4也可知，只要能够将热电变换元件12的温度设为预定的温度范围内，就能够进行利用了热电变换元件12的发电。更优选为，只要能够将热电变换元件12的温度设为图4中的电动势达到峰值的温度t1附近的温度，就能够进行效率良好的发电。因此，为了在车辆上利用热电变换元件12高效地进行发电，首先，从车辆的各种流路中选择能够对热电变换元件12供给热的流体以使热电变换元件12成为适合于发电的温度，在选择的流体中设置热电变换元件12即可。具体而言，排气管2内的排放气体的温度随着朝向下游而变低。因此，如本实施方式那样，在作为热源发挥功能的流体是排放气体的情况下，为了得到能够进行效率良好的发电的热源，在排放气体的流动方向上确定排气管2内的热电变换元件12的设置部位即可。

(想要高效地进行发电的情况下的课题)

如上述那样，热电变换元件12是在接受到来自流体的热的供给时，利用本征半导体部12c中的与电子的热激发相伴的电子以及空穴的移动来得到电动势这样的结构。为了能够利用热电变换元件12进行效率良好的发电，关于热电变换元件12(元件层叠体14)相对排放气体的流动方向的设置，期望满足以下的要求。

如果是作为热源发挥功能的流体(在本实施方式中是排放气体)的流速以及温度稳定地恒定的稳定的热流下，则接受来自该流体的热的供给的热电变换元件12的各部位的温度随着时间经过而均匀地接近。然而，车辆的流体的流速或者温度可能会根据来自驾驶员的要求或者其它各种要求而过渡性地变化。在这样流体的流速或者温度过渡性地变化的状况下，向n型半导体部12a、p型半导体部12b以及本征半导体部12c的各部位的热的传导方式不均匀，作为其结果，认为在这些部位之间产生温度差。假设是以本征半导体部12c的温度比n型半导体部12a以及p型半导体部12b的温度高的方式产生温度差的情况，则相比于n型半导体部12a以及p型半导体部12b中的电子的热激发，本征半导体部12c中的电子的热激发更被促进，所以可以说没问题，反倒可以说是优选的。另一方面，根据热电变换元件12相对流体的设置方式，还可能存在如下情况：易于产生n型半导体部12a以及p型半导体部12b的一方或者双方的温度比本征半导体部12c的温度高的方式的温度差。如果该方式的温度差变大，则在n型半导体部12a以及p型半导体部12b的一方或者双方中易于产生电子的热激发。作为其结果，存在难以确保热电变换元件12的电动势的可能性。这样的话，难以进行效率良好的发电。

根据以上的理由，期望不仅在稳定的热流下，而且如上所述在流体的流速或者温度变化的热流下，也能够高效地进行实际的车辆环境中的利用热电变换元件的发电以及与其相伴的热回收。而且，为此，使得不易产生n型半导体部12a以及p型半导体部12b的一方或者双方的温度比本征半导体部12c的温度高的方式的温度差是有效的。

(实施方式1的热电变换元件(元件层叠体)的设置手法)

于是，在本实施方式中，按照以下的图5以及图6所示的结构，将作为热电变换元件12的层叠体的元件层叠体14设置于排气管2内(即排放气体流中)。

图5是示出本发明的实施方式1中的元件层叠体14的结构例的立体图。图6是用于说明图5所示的元件层叠体14相对排放气体流的设置手法的示意图。此外，在图5等中，为了易于理解地图示热电变换元件12(后述的热电变换元件62也同样)的配置，将热电变换元件12分成n型半导体部12a侧和p型半导体部12b侧而表示。位于两者之间的本征半导体部12c存在于划分n型半导体部12a和p型半导体部12b的边界线的附近。此外，虽然在图6中省略了图示，但元件层叠体14是通过省略图示的安装工具固定于排气管2的内壁。

如图5所示，构成元件层叠体14的多个热电变换元件12经由电极24串联地连接。这样，元件层叠体14将热电变换元件12和电极24构成为构成要素。作为电极24，能够使用例如电气电阻率低的铜等金属材料。根据已述的热电变换元件12的发电原理，p型半导体部12b作为正极发挥功能，n型半导体部12a作为负极发挥功能。因此，通过发电而产生的电动势所致的电流的流动方向f从p型到n型。在本实施方式中，为了在尽可能确保电极24的两端的电位差的同时使电流平滑地流过，电极24构成为将一个热电变换元件12的n型半导体部12a中的与本征半导体部12c相反侧的端部12ae(参照图2)和另一个热电变换元件12的p型半导体部12b中的与本征半导体部12c相反侧的端部12be(参照图2)(即，带隙能量最高的部位彼此)进行连接。

更具体而言，n型半导体部12a的端部12ae的表面由端面12aes和n型半导体部12a的侧面中的端面12aes的附近的部位构成。同样地，p型半导体部12b的端部12be的表面由端面12bes和p型半导体部12b的侧面中的端面12bes的附近的部位构成。在图5所示的一个例子中，电极24连接了端面12aes和端面12bes。然而，本发明中的电极连接相邻的热电变换元件的端部之间(即第1端部(n型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端部)与第2端部(p型半导体部中的与本征半导体部相反侧的端部)之间)即可。因此，电极24也可以代替上述一个例子，而构成为连接端面12aes的附近的n型半导体部12a的侧面和端面12bes的附近的p型半导体部12b的侧面。

在此，将元件层叠体14中的各个棒状的部位称为单位层叠体14a。多个(在图5所示的例子中是9个)单位层叠体14a被设置成各个单位层叠体14a中包含的热电变换元件12的层叠方向成为与排放气体的流动方向f正交的第1正交方向d1。另外，隔开预定间隔(作为一个例子是等间隔)配置了多个单位层叠体14a。更具体而言，关于相邻的单位层叠体14a彼此，将正极以及负极的朝向变更为相互不同，并且隔开预定间隔经由电极24连接。为了对设置于排放气体流的下游侧的单位层叠体14a尽可能多地供给排放气体的热，优选使排放气体流入到在排放气体的流动方向f上按照纵列排列的单位层叠体14a之间。因此，上述预定间隔被设定为满足能够确保这样的排放气体流入的间隔。

进一步附加而言，在图5以及图6所示的例子中，单位层叠体14a在排放气体的流动方向f上按照纵列(在本实施方式的一个例子中是3列)设置，并且，在与排放气体的流动方向f以及上述第1正交方向d1正交的第2正交方向d2上也作为一个例子设置3列。热电变换元件12的层叠方式没有特别限定，但在元件层叠体14中，以如图5所示单位层叠体14a经由电极24按照蛇形状折回这样的方式，串联地层叠了热电变换元件12。此外，根据元件层叠体14，适当地决定所层叠的热电变换元件12的数量，由此能够通过来自排气管2的热供给，在设想的热电变换元件12的温度条件下，得到期望的大小的电动势。

根据如图5以及图6所示那样设置的元件层叠体14，各热电变换元件12以本征半导体部12c的表面与排放气体流相向的方式(更具体而言，热电变换元件12的表面中的与排放气体流相向的表面s中包括本征半导体部12c的表面的一部分的方式)设置于排气管2内。在本实施方式中，如上述那样，热电变换元件12作为一个例子以棱柱形状(长方体形状)形成。因此，热电变换元件12中面向排放气体的上游侧的侧面(参照后述图7(a))相当于本热电变换元件12中的表面s。

图7(a)～图7(e)是用于补充地说明热电变换元件的表面s的解释的图。图7(a)～图7(e)的各图中的粗线以及阴影线部表示与排放气体流相向的表面s的相应部分。首先，图7(a)是表示与图6相同的配置的热电变换元件12的侧面图以及立体图。在该例子中，在表面s中，包括本征半导体部12c的表面的一部分s1。

接下来，图7(b)是示出n型半导体部12a的端面12aes与排放气体的流动方向f相向的设置例的侧面图以及立体图。端面12aes相当于该例子中的表面s，所以本征半导体部12c的表面的一部分不包含于表面s。这在p型半导体部12b的端面12bes与排放气体的流动方向f相向的情况下也是同样的。

接下来，图7(c)是示出以相对排放气体的流动方向f倾斜的状态(以第2正交方向d2的轴线为中心，相对图7(a)所示的设置状态旋转的状态)设置了热电变换元件12的一个例子的侧面图以及立体图。在该例子中，热电变换元件12的1个侧面和1个端面12aes相当于表面s。因此，在该例子中也是本征半导体部12c的表面的一部分s1包含于表面s。此外，在n型半导体部12a和p型半导体部12b的配置与图7(c)所示的一个例子相反的情况下，热电变换元件12的1个侧面和1个端面12bes相当于表面s。

接下来，图7(d)是示出以相对排放气体的流动方向f倾斜的状态(以第1正交方向的轴线为中心，相对图7(a)所示的设置状态旋转的状态)设置了热电变换元件12的其它例的图(更具体而言，从与端面12bes垂直的方向观察的图和立体图)。在该例子中，热电变换元件12中的排放气体的流动方向f的上游侧的2个侧面相当于表面s。因此，在该例子中也是本征半导体部12c的表面的一部分s1包含于表面s。

接下来，图7(e)是示出以与图7(a)相同的朝向设置了按照圆柱形状形成的热电变换元件的例子的图(更具体而言，从与n型半导体部或者p型半导体部的端面垂直的方向观察的图和从排放气体的流动方向f观察的图)。热电变换元件中的与排放气体流相向的一侧的半圆柱部相当于该例子中的表面s。因此，在该例子中也是本征半导体部的表面的一部分s1包含于表面s。

返回到图6的说明，继续说明本实施方式的结构。与排放气体流相向的表面s是热电变换元件12在暴露于温度比自身高的排放气体的情况下易于变热的部位。其理由在于，在与排放气体相向的表面s的周围中，由于排放气体向表面s碰撞，排放气体的紊流(流动)增大，伴随该紊流(流动)的增大，从排放气体向热电变换元件12的热传递被促进。该效果不限于排放气体的上游侧的第1列的单位层叠体14a具有的热电变换元件12，在第2列以及第3列的单位层叠体14a具有的热电变换元件12中也能得到。其理由是因为有通过了第1列的单位层叠体14a的周围的排放气体朝向第2列以及第3列的单位层叠体14a的各表面s流入这样的排放气体流。因此，在考虑了热电变换元件12的各部位从排放气体接受的热流束(在每单位时间通过单位面积的热量)的情况下，本实施方式的各热电变换元件12的设置方式可以说是使与表面s相当的热电变换元件12的侧面从排放气体接受的热流束比带隙能量最高的n型半导体部12a的端面12aes以及p型半导体部12b的端面12bes的各个从排放气体接受的热流束大的方式。这不限于如本实施方式那样以长方体形状形成热电变换元件12的情况，在热电变换元件以作为棱柱形状的其它方式的立方体形状或者圆柱形状等形成的情况下也是相同的。

(实施方式1的热电变换元件(元件层叠体)的设置手法的效果)

图8(a)以及图8(b)是用于说明实施方式1中的热电变换元件12的设置手法的效果的图。图8(b)示出按照未利用本发明的设置手法的手法来设置的热电变换元件。即，在图8(b)的设置手法的情况下，与图7(b)所示的例子同样地，本征半导体部的表面不包含于作为易于变热的部位(热传递系数最高的部位)的表面s。在图8(b)所示的例子中与表面s相当的部位是带隙能量最高的部位(在该例子中是n型半导体部的端面)。因此，带隙能量相对低的本征半导体部的表面相比于带隙能量最高的上述端面，难以促进来自排放气体的热传递。其结果，易于产生带隙能量相对高的n型半导体部的温度比本征半导体部的温度高这样的样式的温度差，存在难以高效地确保热电变换元件的电动势的可能性。

相对于此，图8(a)与图6所示的结构同样地，示出按照本实施方式的手法设置的热电变换元件12。根据这样的结构，在作为易于变热的部位(热传递系数最高的部位)的表面s中包括本征半导体部12c的表面的一部分，所以能够易于在本征半导体部12c的表面中促进来自排放气体的热传递。由此，不易产生上述方式的温度差，所以能够高效地确保热电变换元件12的电动势。因此，即使在作为热源的排放气体的流速或者温度根据驾驶员的要求等而过渡性地变化那样的情况下，也能够高效地进行利用了热电变换元件12的发电。

但是，排放气体的流动中的热电变换元件12的设置朝向也可以代替上述实施方式1的图7(a)所示的例子，而是图7(c)或者图7(d)所示的例子。另外，本发明中的热电变换元件的形状如上述那样不限于长方体形状，也可以是例如立方体形状或者圆柱形状。即使在立方体形状的热电变换元件的情况下，也与图7(a)、图7(c)或者图7(d)所示的例子同样地考虑设置的朝向即可。另外，在圆柱形状的热电变换元件的情况下，如图7(e)所示的例子那样考虑设置的朝向即可，也可以与图7(c)所示的例子同样地以相对排放气体的流动方向f倾斜的方式设置。

实施方式2.

接下来，参照图9以及图10，说明本发明的实施方式2。

图9是用于说明本发明的实施方式2的车辆的发电装置30的整体结构的示意图。本实施方式的发电装置30具备具有多个单位层叠体32a的元件层叠体32。构成各单位层叠体32a的多个热电变换元件12如图9所示经由电极34串联地连接。作为元件层叠体32的层叠图案，作为一个例子，与实施方式1的元件层叠体14同样。发电装置30在与电极34有关的结构中与实施方式1的发电装置10不同。因此，以该不同点为中心，如以下那样进行说明。

如图9所示，发电装置30针对将相邻的热电变换元件12之间进行连接的各个电极34，配备护罩36，该护罩36是以不仅覆盖电极34中的排放气体的上游侧的部位的表面而且还整体地覆盖电极34的表面这样的方式设置的。更具体而言，在图9所示的一个例子中，护罩36以护罩36的所有内表面接触到与其对应的电极34的所有表面这样的方式覆盖该电极34。护罩36构成为具有比电极34以及热电变换元件12各自的热传导率低的热传导率。具体而言，作为护罩36的材质，使用能够例如陶瓷。即，本实施方式的护罩36构成为绝热材料。

图10(a)以及图10(b)是用于说明实施方式2中的与电极34有关的结构的效果的图。图10(b)示出实施方式1中的电极24的结构。在该结构的情况下，电极24与排放气体直接接触。因此，在该结构中，电极24的表面也构成上述表面s(易于变热的部位)的一部分。在此，作为金属的电极24的热传导率基本上比热电变换元件12的热传导率高。因此，在图10(b)的结构的情况下，相比于热电变换元件12，电极24这一方更易于受到来自排放气体的热供给。其结果，在随着排放气体的温度的上升而向元件层叠体14的供给热量增加的状况下，相比于热电变换元件12的温度，电极24的温度更易于先上升。其结果，供给到电极24的热易于传递到与电极24接触的热电变换元件12的部位(带隙能量最高的n型半导体部12a以及p型半导体部12b的端面12aes以及12bes)。

另一方面，如图10(a)所示，在本实施方式的结构中，护罩36介于电极34与排放气体之间。根据这样的护罩36，覆盖了排放气体的上游侧的电极34的表面，所以能够避免由于排放气体流碰撞到电极34而促进从排放气体向电极34的热传递的现象。

而且，本实施方式的护罩36以护罩36的所有内表面接触到与其对应的电极34的所有表面这样的方式覆盖了该电极34。与该结构不同，如果护罩36和电极34隔开，则存在由于排放气体流入到护罩36与电极34之间而排放气体的热被传递到电极34的可能性。然而，根据本结构，还能够抑制这样的方式的热传递。进而，护罩36的热传导率低于电极34的热传导率。因此，还能够抑制从护罩36向电极34的热传导。由此，能够抑制从电极34向n型半导体部12a以及p型半导体部12b的热输入。其结果，能够抑制产生上述方式的温度差，所以能够进行高效的发电。进一步附加而言，在本实施方式中，护罩36的热传导率低于热电变换元件12的热传导率。因此，还能够抑制从护罩36向热电变换元件12的热输入。

但是，用于抑制向电极34的热输入的护罩(相当于本发明中的“电极护罩”)的结构除了上述实施方式2的护罩36的结构以外，也可以是例如以下那样的结构。图11(a)以及图11(b)是用于说明本发明的与电极有关的结构的变形例的图。

首先，在图11(a)所示的结构中，护罩38并不是整体地覆盖电极34的表面，而是设置成在由于与排放气体流相向而易于变热的部位的排放气体的上游侧(按照不与电极34接触的方式)覆盖电极34的表面。如该护罩38那样，本发明中的电极护罩也可以设置成仅覆盖电极的表面中的流体的流动方向的上游侧的部位。通过这样的结构，也能够抑制排放气体流直接碰撞到电极34，所以能够抑制由于这样的排放气体的碰撞而促进从排放气体向电极34的热传递的现象。此外，护罩38是使用省略图示的安装工具安装于热电变换元件12或者排气管2。

另外，图11(b)所示的护罩40也是仅在排放气体的上游侧覆盖电极34的表面，但是，护罩40以与电极34接触的方式覆盖电极34。因此，在该护罩40的情况下，与图11(a)所示的护罩38不同，为了抑制从护罩40向电极34的热传导，与实施方式2的护罩36同样地构成为绝热材料。根据图11(b)所示的结构，相比于图11(a)所示的结构，能够避免排放气体流入护罩40与电极34之间所致的向电极34的热输入，并且，还能够抑制从护罩40向电极34的热传导。因此，相比于图11(a)所示的结构，能够抑制向电极34的热输入。

实施方式3.

接下来，参照图12以及图13，说明本发明的实施方式3。

图12是用于说明本发明的实施方式3的车辆的发电装置50的整体结构的示意图。图13是示意地示出图12所示的元件层叠体14周围的结构的立体图。本实施方式的发电装置50与实施方式1同样地具备元件层叠体14。

在此，图12所示，将以不包括本征半导体部12c、并且包括n型半导体部12a的端部12ae以及p型半导体部12b的端部12be(都是带隙能量最高的部位)的方式确定的部位称为各热电变换元件12的高带隙能量部(以下主要简称为“高be部”)12d。

单位层叠体14a是多个(作为一个例子是2个)热电变换元件12的层叠体。单位层叠体14a作为一个例子具备9个，这些单位层叠体14a如图12以及图13所示，在排放气体的流动方向f以及第2正交方向d2各自的方向上隔开预定间隔配置。另外，元件层叠体14构成为这些单位层叠体14a的各个具有的热电变换元件12(以及电极24)的位置在第1正交方向d1上对齐。

本实施方式的发电装置50中的元件层叠体14具备护罩52。为了具有上述结构的元件层叠体14，护罩52构成为在排放气体的流动方向f以及第2正交方向d2这双方上按照板状延伸、并且在第1正交方向d1上覆盖处于与该护罩52重叠的位置的热电变换元件12各自的高be部12d。更具体而言，与如上所述构成的元件层叠体14的结构对应地，护罩52按照以与排放气体的流动方向f以及第2正交方向d2分别平行地延伸的方式进行了3分割的样式构成。

元件层叠体14的各热电变换元件12具有的高be部12d被如上所述构成的护罩52的各个不仅覆盖高be部12d中的排放气体的上游侧的部位的表面，而且还整体地覆盖高be部12d的表面。更具体而言，护罩52的各个以与高be部12d的表面接触的方式覆盖高be部12d的整个面、并且使本征半导体部12c和其附近的部位(即高be部12d以外的部位)露出在排放气体中。另外，护罩52与高be部12d接触，所以构成为具有比热电变换元件12的热传导率低的热传导率。具体而言，作为护罩52的材质，例如能够使用陶瓷。

进而，在上述实施方式2中，只有电极34被护罩36覆盖，相对于此，本实施方式的护罩52将各热电变换元件12的高be部12d和各电极24一起覆盖。即，在本实施方式中，用于电极24的电极护罩和用于高be部12d的高带隙能量护罩(相当于本发明中的“高带隙能量护罩”)一体地形成。

在更详细地说明时，护罩52覆盖了电极24和与其连接的n型半导体部12a以及p型半导体部12b的高be部12d。关于电极24，护罩52也以与电极24接触的方式覆盖。因此，护罩52由不仅比热电变换元件12的热传导率低而且还比电极24的热传导率低的部件(作为一个例子是如上所述陶瓷)构成。

通过具有以上说明的结构的护罩52，堵住排气管2的流路的一部分，排气管2的流路剖面积变小。如上所述，本征半导体部12c及其附近的部位不被护罩52覆盖而露出在排放气体中。即，以本征半导体部12c及其附近的部位的周围被确保为排放气体的流路这样的方式，通过护罩52，闭塞了排气管2的流路的一部分。

根据具备护罩52的本实施方式的结构，能够防止排放气体碰撞到高be部12d。由此，能够抑制高be部12d的周围处的排放气体的紊流(流动)所致的热传递促进。另外，根据本结构，针对带隙能量相对低的本征半导体部12c及其附近的部位，能够使由于通过采用护罩52来缩小流路剖面积而提高了流速的排放气体碰撞。由此，能够在本征半导体部12c及其附近的部位的周围处产生流速高的排放气体的流动，所以能够促进本征半导体部12c及其附近的部位处的热传递。这样，根据本结构，能够在本征半导体部12c及其附近的部位处，集中地进行来自排放气体的热传递。因此，相比于实施方式2的结构，能够更可靠地抑制产生上述方式的温度差。

另外，本实施方式的护罩52以与高be部12d接触的方式覆盖高be部12d。因此，能够防止由于排放气体流入护罩52与高be部12d之间而排放气体的热被传递到高be部12d的现象。这关于护罩52与电极24的关系也是同样的。另外，构成为护罩52的热传导率低于热电变换元件12以及电极24各自的热传导率。由此，还能够抑制从护罩52向高be部12d以及电极24的热传导。

但是，用于抑制流体向高be部的碰撞并且促进本征半导体部12c和流速高的流体的碰撞的高带隙能量护罩除了上述实施方式3的护罩52以外，也可以例如构成为如以下说明的护罩66或者护罩72。

图14以及图15是用于说明与本发明的高带隙能量护罩有关的结构的第1变形例的图。图14是从与图12相同的方向观察了第1变形例的发电装置60的结构的图，图15是从排放气体的流动方向f观察了图14所示的元件层叠体64的一部分的图。

关于护罩的结构以外的第1变形例和实施方式3的主要的区别点是热电变换元件的形状。即，构成发电装置60具备的元件层叠体64的热电变换元件62如从图14以及图15可知那样形成为正八面体。热电变换元件62的本征半导体部62c位于2个四棱锥的接合部。

设为元件层叠体64的层叠图案作为一个例子与元件层叠体14相同。发电装置60具备多个护罩66。其中的一部分护罩66针对每个单位层叠体64a分割而配备，并形成为在单位层叠体64a的层叠方向(即第1正交方向d1)上延伸。另外，剩余的护罩66以与上述护罩52同样的结构，配置于元件层叠体64中的第1正交方向d1的端部。该第1变形例的结构中的护罩66也与上述护罩52同样地，构成为以与高be部62d接触的方式覆盖高be部62d、并且使本征半导体部62c的表面露出在排放气体中。另外，护罩66构成为不仅覆盖高be部62d，而且还覆盖电极68(以与电极68接触的方式)。而且，护罩66构成为具有比热电变换元件62以及电极68各自的热传导率低的热传导率。具体而言，作为护罩66的材质，例如能够使用陶瓷。

在第1变形例的结构中，也与实施方式1等的结构同样地，在作为易于变热的部位(热传递系数最高的部位)的表面s(参照图15)中，包括本征半导体部62c的表面的一部分。而且，通过本结构，通过设计热电变换元件62的形状，与实施方式3的结构同样地，也能够抑制排放气体向高be部62d的碰撞，并且促进本征半导体部62c和流速高的排放气体的碰撞。

接下来，图16是用于说明与本发明的高带隙能量护罩有关的结构的第2变形例的图。图16是从与图12相同的方向观察了第2变形例的发电装置70的结构的图。该发电装置70的结构关于护罩的结构以外基本上与实施方式2的发电装置30相同。

在图16所示的发电装置70中，护罩72并不是整体地覆盖高be部12d的表面，而是在由于与排放气体流相向而成为易于变热的部位的排放气体的上游侧以覆盖高be部12d的表面(按照不与高be部12d接触的方式)的方式设置。如该护罩72那样，本发明中的高带隙能量护罩也可以设置成仅覆盖高带隙能量部的表面中的流体的流动方向的上游侧的部位。另外，也可以如本结构那样，电极护罩和高带隙能量护罩是独立的结构。进而，也可以在本发明中的热电变换元件中，仅具备高带隙能量护罩。

通过图16所示的结构，也能够抑制排放气体流直接地碰撞到高be部12d，所以能够抑制由于这样的排放气体的碰撞而从排放气体向高be部12d的热传递被促进的现象。另外，通过设置护罩72，能够促进本征半导体部12c和流速高的排放气体的碰撞。此外，护罩72是使用省略图示的安装工具而安装到热电变换元件12或者排气管2。另外，与本结构不同，护罩72也可以构成为使用比热电变换元件12的热传导率低的热传导率的部件，以与高be部12d接触的方式覆盖高be部12d。

另外，在上述实施方式3中，说明了作为除了高be部12d以外的部位，存在本征半导体部12c及其附近的部位的例子。然而，作为被高带隙能量护罩覆盖的对象的高be部也可以是除了本征半导体部以外的所有部位。

另外，在上述实施方式3中例示的元件层叠体14中，在排放气体的流动方向f以及第2正交方向d2这双方上，隔开预定间隔而配置了多个(作为一个例子是3个)单位层叠体14a。与这样的结构不同，在排放气体的流动方向f以及第2正交方向d2中的某一方向上隔开预定间隔而配置多个单位层叠体的结构的情况下，高带隙能量护罩构成为朝向流动方向f以及第2正交方向d2中的设置多个单位层叠体的方向延伸即可。

但是，在上述实施方式1～3以及它们的变形例中，说明了具备多个热电变换元件12等元件层叠体14等的发电装置10等。然而，本发明的发电装置未必限定为具备多个热电变换元件而作为元件层叠体，也可以具备以本征半导体部的表面与流体的流动相向的方式设置在流路内的1个热电变换元件。

另外，图17是用于说明图2所示的热电变换元件12的其它层叠手法的图。图17是从排放气体的流动方向f观察了元件层叠体80的图。在该图17所示的结构中，构成元件层叠体80的各热电变换元件12也以本征半导体部12c的表面与排放气体流相向的方式设置于排气管2内。

在图17所示的结构中，作为正极发挥功能的p型半导体部12b的端面12bes彼此通过电极82电连接，作为负极发挥功能的n型半导体部12a的端面12aes彼此通过电极84电连接。在层叠多个热电变换元件12而形成元件层叠体的情况下，不限于如上述其它例子那样将热电变换元件12串联地连接，也可以如图17所示的结构那样并联地连接热电变换元件12。另外，在层叠多个热电变换元件12的情况下，也可以适当地组合串联连接和并联连接。

此外，根据在本发明中的设置热电变换元件(例如热电变换元件12)的流路内流过的流体的种类，有时为了抑制从热电变换元件向流体的电流泄漏，需要使热电变换元件与流体之间绝缘。在该情况下，热电变换元件的表面也可以与绝缘部件接触。另外，针对热电变换元件的表面，除了可以接触绝缘部件以外，也可以接触例如保护构件(例如覆盖热电变换元件的罩)。即使在这样的情况下，流体的热也经由绝缘部件以及保护部件中的某一方或者双方传递到热电变换元件。因此，即使在这样的情况下，通过以本征半导体部与流体的流动相向的方式将热电变换元件设置于流路内，能够促进热从流体移动到本征半导体部。此外，当发电装置具备收容热电变换元件的壳体时，上述罩可以构成该壳体的一部分。

另外，以上说明的各实施方式的例子以及其它各变形例除了明示的组合以外也可以在可能的范围内适当地组合，并且，也可以在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种变形。