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Press Release

世界初、中高温域での熱電変換を実現するクラスレート焼結体U字素子を開発

―排熱を有効利用するための高出力熱電発電モジュールの実現を目指す―
2017年11月17日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合
古河電気工業株式会社

NEDOと未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合(TherMAT)、古河電気工業(株)は、世界で初めて、中高温域での熱電変換を実現するクラスレート焼結体U字素子を開発、ろうそくのような小さな炎で電気を起こすことに成功しました。

今回の開発をもとに、工業炉や自動車エンジンの排熱など200~800℃の中高温域での未利用熱エネルギーを電力に変換する高出力熱電発電モジュールの実現や、民生分野など他分野への応用を目指します。

なお、本成果は、2017年11月20日から22日まで東京ビッグサイトで開催される「INCHEM TOKYO 2017」の「NEDO省エネルギー技術フォーラム2017」で展示、最新の省エネルギー技術として取り組みや開発について紹介します。

  • 高温側電極をなくし、PNを直接結合した今回の開発によるクラスレート焼結体U字素子を従来のデバイス構成と比較した図
    図1 クラスレート焼結体U字素子と従来のデバイス構成との比較

1.概要

現在、運輸・産業・民生の分野において、一次エネルギーの半分以上が利用されずに排熱になっています。このような背景のもと、NEDOは利用されることなく環境中に排出されている膨大な量の未利用熱に着目し、その「削減(Reduce)・回収(Recycle)・利用(Reuse)」を可能とするための要素技術の革新と、システムの確立を目指した「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」※1を2015年度から実施しています。

今般、NEDOプロジェクトにおいて、未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合(以下、TherMAT)の組合員である古河電気工業株式会社(以下、古河電工)は、世界で初めて、環境調和型のシリコンクラスレート化合物※2からなるP型およびN型焼結体※3が一体となった高温電極レスのU字型素子を開発しました(図1)。今回の開発を基に、素子の高温側(図1右図)での使用について耐久性が向上し、産業分野における工業炉からの排熱や自動車エンジンの排熱など、200~800℃の中高温域での未利用熱エネルギーを電力に変換する高出力熱電発電モジュールの実現や民生分野など他分野への応用を目指します。

なお、本成果は、2017年11月20日から22日まで東京ビッグサイトで開催される「INCHEM TOKYO 2017」の「NEDO省エネルギー技術フォーラム2017」で展示、最新の省エネルギー技術として取り組みや開発について紹介します。なお、詳細は以下URLをご参照ください。

2.今回の成果

熱電変換技術は、固体のゼーベック効果※4を利用して排熱から直接電力を得ることが可能な技術であり、工場排熱や自動車エンジンなど、中高温域といわれる200~800℃の未利用熱を有効に利用して省エネルギーに資することが期待されます。しかし、中高温域で熱電性能の高い材料は、鉛、テルル、アンチモン、セレン、タリウムなど、毒性が高く希少で低融点の元素から構成されるものがほとんどです。これらの元素から構成される熱電変換材料は、空気中での使用には工夫が必要なことなどから、広く利用されるには至っていません。

今回開発した環境調和型のシリコンクラスレート化合物からなるP型およびN型焼結体が一体となった高温電極レスのU字素子(図1)は、地球上に最も豊富に存在するシリコンを主原料とし、P型、N型ともに同系のシリコンクラスレート化合物で構成しているため、線膨張係数などの物性値に大きな差異がありません。また、従来のモジュールにある高温側の金属電極と絶縁性基板を無くしたことにより、高温耐性が得られています。この素子をろうそくなどの炎にかざすと50mVの電圧が得られます。なお、この素子を8個用いて、低温側(図1右図)に金属電極を配し、電気的に直列に、熱的に並列に配置した、8対ハーフスケルトンモジュールを開発し、実際に、このモジュールをろうそくの炎(外炎、約800℃)にかざす実験を実施したところ、小型のモーターを回転させることに成功しました(図2、動画は、QRコードより参照)。これによって、特別な集熱や放熱、大気暴露防止のための補助部材がない状態でも発電できることが分かりました。

  • 小さな炎で電気を起こしている様子の写真
    図2 小さな炎で電気を起こしている様子(動画:QRコード)

また、今回開発したU字素子は、直火であぶれるほどの高温域に特化しており、これまでと同様に、接続する素子の数を増やすことで、マイクロワット(μW)からキロワット(kW)レベルの発電量を得ることが期待されます(図3)。

  • 未利用熱エネルギーの温度と発電量の関係グラフにより今回の開発が高温域に特化したものであることを説明する図
    図3 利用温度域イメージ

3.今後の予定

今回開発した技術は、自動車排熱や産業排熱分野だけでなく他分野へも応用可能であり、さらなる省エネに向けた展開を検討します。その一例として、図4にコンロに設置した小型発電システム案を示します。防災備蓄品として推奨されているカセットコンロと組み合わせることで、スマートフォンなどの小型電子機器への充電ができるような、備えとしての活用も期待されます。さらに、今回の開発を基に工業炉や自動車エンジンの排熱など200~800℃の中高温域で未利用熱エネルギーを電力に変換する高出力熱電発電モジュールの実現を目指します。

材料開発においては、ナノ組織化による電気抵抗率の上昇を抑える技術の確立を目指します。新材料の特性向上を焼結体の試作・測定により実験的に確認します。さらに、熱サイクル特性を把握するとともに、焼結体を高密度に実装する技術を開発します。

  • コンロの炎の外側に沿うようにU字素子を円周状に高密度配列した応用例
    図4 円周状配置のハーフスケルトンモジュールと応用例(コンロ)

【用語解説】

※1 未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発
プロジェクトリーダー 小原春彦氏(国立研究開発法人産業技術総合研究所 エネルギー・環境領域 研究戦略部 研究 戦略部長)のもと2013~2022年度(うち2013~2014年度は経済産業省にて実施)で革新的な技術の研究開発を行う。
※2 クラスレート化合物
カゴ状の結晶構造を有する金属間化合物であり基本化学式はBa8Ga16Ge30である。元素を内包したカゴ状の多面体同士 が、互いに面を共有しながら立方晶を形成することにより、熱電変換材料として最も理想的な結晶構造を持つと考えられ ている。有害元素を含まずかつ高性能な新材料として注目されている。
※3 P型およびN型焼結体
正(負)の温度差が与えられたときに正(負)の電圧を発生する材料をP型(N型)といい、それぞれが焼結体から作られている。
※4 ゼーベック効果
固体に温度差を与えると電圧が発生する現象。温度差1℃あたりの起電力をゼーベック係数という。

4.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO 省エネルギー部 担当:近藤、星野、今田 TEL:044-520-5281

未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合 担当:赤穗、箕浦 TEL:03-3592-1284

古河電気工業(株) 研究開発本部 担当:菊地、加藤 TEL:045-311-1324

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:坂本、髙津佐、藤本 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp