成果報告書詳細
管理番号20140000000235
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 (事前研究一体型) 「自立型システムのための熱発電デバイスの研究開発」
公開日2015/2/19
報告書年度2011 - 2013
委託先名パナソニック株式会社 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約温排水や蒸気など比較的低温域の未利用熱を有効活用して発電を行い、省エネルギーに貢献することを目指して、熱発電チューブ(チューブ型熱発電デバイス)の研究開発を行った。主な開発内容は以下のとおりで、全ての項目について計画通り実施し、最終目標を達成した。

1. 高性能デバイス作製のための積層界面形成技術の開発
放電プラズマ焼結法(SPS法)での直接接合による、熱発電チューブの新規作製プロセスの開発を行った。強度および発電特性の観点で損失の少ない安定した接合技術を構築することができた。

2. 複合材料を利用した高性能素子構造の開発
熱発電チューブの構成材料の一部をコンポジット材料とすることなどにより、発電性能の向上を図った。本取り組みの結果、長さ110 mmの熱発電チューブで最大7.8 Wの発電を達成した(温水90℃、冷水10℃)。また、希少元素を含む従来のBiTe系材料に代わる新しい高性能材料として、Zr3Ni3-x(Co, Cu)xSb4の検討を行った。Co量がx = 0.1のとき750KでZT = 0.52、Cu量がx = 0.3のとき670KでZT = 0.41という高いZTが得られることを発見した。

3. シミュレーションを駆使した高性能伝熱構造の開発とごみ焼却施設での検証実験の実施
熱発電チューブの発電電力を極大化する構造設計のためのモデリングおよびシミュレーションを行った。複数の熱発電チューブを並列に配列するなど検討を行い、伝熱構造を最適化した熱発電ユニットを作製して最終目標の達成に取り組んだ。チューブ構造の最適設計とともに、流体の熱伝達のダイナミクスを考慮したデバイス設計により、大幅な性能向上につながる知見を獲得した。また、京都市東北部クリーンセンターにおいて排熱回収のための検証試験設備の設置を完了し、試験を行った。最終目標値(体積あたりの発電量400W/m3)を超える440 W/m3の高出力発電(温水80.3℃、冷水11.8℃)を達成した。
英文要約To improve efficiency in energy use by recovering waste thermal energy from fluid heat sources, we explored a novel approach using thermoelectric tubes. We successfully completed following research topics as planned and achieved excellent power generation performance greater than the final target value.

1. Development of a process technique to fabricate laminate structure for high-performance devices
We have developed innovative powder sintering technique called spark plasma sintering (SPS) method and realized robust BiTe/Ni laminate composite structure in a tubular shape. We confirmed fabricated thermoelectric tubes had good quality in terms of their mechanical properties and generation performances.

2. Development of high-performance device structure using composite material
We explored composite materials to improve generation performance of thermoelectric tubes. High performance of 7.8 W with 110 mm-long tube was achieved under the condition that hot water temperature was 90°C and cold water temperature was 10°C. A series of new materials, Zr3Ni3-x(Co, Cu)xSb4, was also investigated to replace the present BiTe materials which contain scarce element Te. We achieved high figure of merit ZT values, ZT = 0.52 at 750 K for Co-doped p-type material when x = 0.1, and ZT = 0.41 at 670 K for Cu-doped n-type material when x = 0.3.

3. Development of efficient heat transfer structure using simulation technique and generation test in garbage incineration plant
Modelling and simulation were performed to maximize output power. We optimized the design of generator unit using the obtained knowledge through the present investigation. A study of waste heat recovery was launched at Kyoto City Northeast Clean Center, which is a waste incineration plant located in Kyoto city. We achieved power generation of 440 W/m3 which is more than the final target value 400 W/m3, when hot water temperature was 80.3°C and cold water temperature was 11.8°C.
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