成果報告書詳細
管理番号20110000000250
タイトル平成19年度~平成20年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発/新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー)/廃熱を有効利用する熱電発電技術の開発
公開日2011/5/17
報告書年度2007 - 2008
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P10020
部署名研究開発推進部
和文要約1. 熱電酸化物原料粉末・焼結体製造
 p型のCa3Co4O9(Co-349)素子はホットプレス焼結により結晶粒の高配向化と高密度化した焼結体から作製しているが、この方法は量産には全く不向きである。そこで本プロジェクトでは焼結前の成型段階で結晶粒配向度を高め、ホットプレスをしなくても低い電気抵抗率を示す素子の製造技術を開発した。
 脆性破壊が問題であったCaMnO3(Mn-113)素子については、焼結体内の結晶粒径を微細化することで、脆性破壊を克服すると共に、室温~1000℃間の加熱・冷却サイクルを50回以上繰り返しても破断することがないMn-113素子を得ることができた。さらに自動成型機を導入することで3600本/日でMn-113素子の生産が可能となった。
2. 熱電モジュール製造と特性評価
 モジュールの製造は素子配列、電極形成、焼成の三工程からなる。素子配列に関しては治具を開発し、将来的には機械化も可能な技術を構築できた。電極形成については印刷機を導入し、均一条件、高速での銀ペースト塗布が可能となった。現在これらの方法により50枚/日・人でモジュールを組み上げることができる。銀ペーストの固化に関しては、現在は加圧焼成を行っているが、生産性を高めるため常圧下での焼成技術の開発に取り組んでいる。
 モジュールの出力密度を高めるため、素子間隔を0.5mmにまで狭めた。その結果、モジュールの受熱面積に対し4.2kW/m2の出力密度を達成した。
3. バーナーによる実証試験
 燃焼ガスから固体の熱電モジュールに熱伝達を効率よく行うことは、発電システムとしての変換効率を高めるためには必要不可欠である。本プロジェクトでは炉内のキャスターとして用いられる耐火物や鉄を用いたフィンによる熱回収を試みた。その結果、鉄製フィンを用いることで、フィン無しで加熱したときよりも開放電圧が6倍高くなった。4枚の10cm角モジュールで構成される熱電アレイを製造し、産業廃棄物実験炉で実証試験を行っている。これまでに0.55kW/m2の出力密度を実証している。
英文要約1. Preparation of powders and devices of thermoelectric oxides
 p-type Ca3Co4O9 devices have been prepared by hot-pressing to obtain high bulk density and high degree of grain alignment. However, this technique is not suitable for mass production. A preparation technique including no hot-pressing, by which the grains are aligned well and electrical resistivity is as low as hot-pressed devices, was developed in this project.
 n-type CaMnO3 devices are brittle. In order to solve this problem, grain size of Mn-113 powder was fined. The devices composed of small grains are not broken by 50th thermal cycling between room temperature and 1273K. The Mn-113 devices can be prepared by 3600 pieces/day using an automatic pressing machine.
2. Fabrication and properties of thermoelectric oxide modules
 Fabrication of thermoelectric oxide modules is composed with three components; device arrangement, junction preparation, and solidification. Some tools were developed for the device arrangement. This technique can be applied for mechanization. Screen printing is used for preparation of junction. In order to make this process efficient, a printing machine was developed. At present, 50 pieces of modules can be fabricated. Power density per surface area of modules reaches 4.2kW/m2 by compacting devices. The distance between the devices is 0.5 mm.
3. Generation test using a kerosene burner
 Thermal transmission for hot gas to solid thermoelectric modules must be made efficient. Generally, thermal collecting fins are used. In this project, some kinds of fins composed of metals and ceramics, were fabricated and tested using a kerosene burner. The large sized metallic fins show good thermal transmission. Thermoelectric arrays consisting with 4 pieces of modules are tested in an industrial test incinerator.
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