成果報告書詳細
管理番号20100000001533
タイトル*平成21年度中間年報 ナノテク・先端部材実用化研究開発/カゴ状物質を利用したナノ構造制御高性能熱電変換材料の研究開発
公開日2011/1/8
報告書年度2009 - 2009
委託先名国立大学法人広島大学 国立大学法人山口大学 独立行政法人産業技術総合研究所 株式会社デンソー 株式会社KELK
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
カゴ状物質を利用したナノ構造制御高性能熱電変換材料の実用化を目指し、平成21年度は広島大学、山口大学、株式会社KELK、産業技術総合研究所、株式会社デンソーで共同研究を遂行した。平成21年度の具体的な成果を以下に示す。
研究開発項目:
(1)単結晶カゴ状物質による熱電材料高性能化の研究
(1) -1 カゴ状物質の熱伝導率の低減
カゴ状物質のBa8Ga1 6Sn3 0(BGS)の熱伝導率をさらに低減する目的で、ゲストのBa とカゴのGaをそれぞれ置換した単結晶を育成した。Ba をK で置換したところ、I 型の結晶構造をとるK8Ga8Sn3 8(KGS)の単結晶が得られた。室温におけるKGS の熱伝導率はBGS の熱伝導率(0.7W/mK)の2 倍であり、当初の期待には反した。室温における熱電性能指数ZT は0.1 と見積もられた。
またBGS のカゴに乱れを導入することで熱伝導率を下げるために、Ga をAl で部分置換した単結晶を育成した。Al はGa よりもクラーク数が高く安価である点でも優れている。VIII型の結晶中でAl はGa サイトに置換された。そのn 型の電気抵抗は室温で3mΩ cm 程度にまで抑制された。この原因はキャリアの移動度の上昇であると判断された。無置換のBGS より室温での熱伝導率は若干低下した結果、ZT は500K で最大の1.1 となった。( 広島大学)
英文要約Title: Research and Development of High-performance Nano-structured thermoelectric materials using caged compounds (FY2009-FY2010) FY2009 Annual Report
Thermoelectric power generation (TEG) using waste heat from industrial and transport sectors is a potential technology for saving energy and reduction of CO2 emission. The aims of this joint research project are to develop high performance thermoelectric materials using nano-structured caged compounds and to demonstrate the feasibility of 500W-class TEG unit specially designed for an industry furnace. The project is being implemented through the cooperative research among Hiroshima Univ., Yamaguchi Univ., KELK Ltd., AIST, and DENSO Co., Ltd. FY2009 is the first year of the three years project. The team of Hiroshima Univ. investigated high quality single-crystalline caged compounds. Single crystals of Ba8Ga16-xAlxSn30 of type-VIII structure were grown from Sn flux. The ZT reached to 1.1 at 500 K. For p-type materials, Sb doped crystals have rather low resistivity of 5 mohm-cm at 300 K and a high value of ZT = 1.1 at 470 K. The computational materials design team of Yamaguchi Univ. calculated electronic structures of Ba8Ga16Sn30 clathrates with both structures, type-I and type-VIII, to clarify the relaxation effect on the electronic structures. Furthermore, the calculation of electronic structures and thermoelectric properties in several types of clathrates, type-I, type-III, and type-IV, revealed some potential candidates materials that are predicted ZT > 1 theoretically. The experimental team of Yamaguchi Univ. prepared several types of sintered materials such as the K-contained Sn clathrates, K-contained defect Sn clathrates, host-site double-doped Sn clathrates, and type-III Sn clathrates. The K-contained Sn clathrate K8Ga16Sn30 has higher carrier mobility than that of Ba8Ga16Sn30 because the smaller amount of Ga in the cage. KELK Ltd. and AIST conducted some preliminary tests of the surface coating of the clathrate materials for reliable joint formation toward module fabrication. An 8-pairs, 28 × 28 × 5.5 mm3 prototype module was fabricated at AIST using sintered materials supplied by Yamaguchi Univ. The module produced output power of 1.4W at 3.9% conversion efficiency under a temperature difference of 300oC (330oC - 30oC.) DENSO Co., Ltd. investigated the innovative heat exchange technology such as dimpled fin structure. The improvement of heat exchange performance by 50% is first calculated by simulation and then verified by the experiment using small-scale heat exchanger. The heat transfer characteristics of interface between heat exchanger and TE module was evaluated experimentally to collect basic data for the design of 500W-class TEG.(2746 letters including spaces)
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