本文へジャンプ

成果報告書詳細
管理番号20190000000242
タイトル平成29年度―平成30年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム/温度変化発電を利用した廃熱回生技術の研究開発
公開日2019/6/6
報告書年度2017 - 2018
委託先名ダイハツ工業株式会社 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 学校法人関西学院関西学院大学 国立大学法人大阪大学 国立大学法人長岡技術科学大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約研究項目A.発電メカニズムの理論構築(担当:原子力機構、関学、ダイハツ)
温度変化発電に用いる素子の静的・動的な平均的結晶・ドメイン構造を調べるため、研究室X線(Off―Line)/放射光X線・中性子回折実験システムを整備し、発電中の動的測定を含む回折実験を行った。また、透過電子顕微鏡(TEM)と圧電応答顕微鏡(PFM)を使用し、局所的ドメイン状態を直接観察した。特にTEM実験では、温度・電場制御下でのドメイン挙動の動的観察を行なった。これらの結果を統合する事で、細長い形状のナノドメインが電場に対して大きく応答する材料が温度変化発電に適していることを見出した。さらに、材料性能の指標として、既存の性能指数に温度及び電場変化を取り入れて検討した。

研究項目B.素子/積層モジュールの高出力化(担当:阪大産研、長岡技科大、ダイハツ)
温度変化発電の鍵となる圧電体材料を用いて、基礎物性と発電特性の相関についてスクリーニング評価および多様な解析を行った。その知見を活用して様々な候補材料の作製と評価を行った結果、PZT系材料において優れた発電特性を示すことが分った。これらPZT系を中心とした材料作製を行うと共に各種物性の温度・電圧特性の評価を行い、材料作製、素子作製の要件を導出した。さらに素子発電特性の知見を基に積層モジュールの試作ならびに発電特性評価を行い、高い発電特性を得るための素子・積層構造の指針を得ると共に、更なる発電量向上のための課題を明確にした。

研究項目C.発電サイクルの高効率化(担当:長岡技科大、ダイハツ)
発電サイクルにおける材料ドメインの構造ダイナミクスの解析結果に基づいて、最小限のエネルギー投入で最大限の発電出力が得られるようにサイクル効率の向上・システムの最適化を図った。単層素子を用いた解析では、独自の理論モデルを構築し、損失要因を評価、発電特性を明らかにした。その発電特性の知見を基に、電場印加タイミング制御等により損失を低減した。また、実用化を見据えた発電サイクルの解析においては、電極の多層構造(積層モジュール)の熱抵抗解析や、積層構造を利用した高電場化、周波数と素子厚の発電性能への影響調査を行った結果、発電サイクルの高効率化への有益な指針を得た。

研究項目D.未利用熱を模擬した温度変化に伴う材料特性評価(担当:ダイハツ)
上記の検討結果により得られた知見、即ち発電メカニズムの原理把握、材料検討や発電サイクル制御などから発電量向上のアイテムを見出した。実排ガスでの発電試験にそのアイテムを織り込んだ結果、単層素子の目標が達成できた。積層モジュール開発では、モジュールの構造検討から評価システム構成、本技術の可能性まで検討した。その結果、材料の結晶構造設計、エピタキシャル化、薄膜化、高電場化、温度変化の高周波数化など発電性能向上に大きく寄与する新たなアイテムを実証、実用化に向けた貴重な知見が蓄積できた。

実施項目E.研究開発推進委員会の開催(担当:ダイハツ)
推進委員会は9の機関(NEDOは含まず)から25のメンバーで構成し、1回/2ヶ月の頻度で計11 回開催した。その中2回はNEDO川崎本部で開催、事業化への議論を行った。
英文要約Research section A: Fundamental research of generation mechanism Evaluation systems using diffraction techniques of X-ray and pulsed neutron were developed to identify the crystal and domain structures of pyroelectric materials, and in/ex-situ diffraction measurements during the power generation cycle were performed. The dynamical observation of domain behavior with the temperature and electric field was conducted, and materials with long-thin shaped nanodomains showed high performance due to the large response to the electric field. A new figure of merit for the system was also proposed by introducing the temperature and electric field.

Research section B: Enhancement of power generation for single device/multi-layer module
To investigate the correlation between the materials properties and power generation performance, the screening tests and analysis had been carried out for the piezoelectric materials. We conducted the pilot production of the materials mainly by focusing on the PZT-based ceramics and analyzed their temperature and electric field characteristics. Consequently, we derived the requirements for piezoelectric materials and device fabrication. Multi-layer modules were also produced and evaluated, and the requirements for the single/multi-layer structure and further tasks to be resolved for high performance were clarified.

Research section C: High Efficiency of power generation cycle
The improvement of efficiency and optimization of the system were promoted so that the maximum output power was implemented with minimal input energy. The generating characteristics including the loss factors were improved through the construction of an original theory model and the control of the system. In the analysis of the power generation cycles for practical application, valuable knowledge for high efficiency of power generation cycle were obtained with the evaluations including: the thermal resistance and high electric field in the multi-layer structure; and effect of the frequency and thickness on the generating performance.
Research section D: Evaluation of material characteristics based on temporal temperature variations
We had derived the means for improvement of power generation through the knowledge gained from the above researches. These means were applied in the driving cycle assessments using real exhaust gas, and consequently the performance goal has been achieved with single device. In the development of multi-layer modules, the investigation about module/system structure and possibilities in these technologies were conducted. As a result, valuable knowledge contributing greatly to improvement of power generation performance has been accumulated for further demonstration and practical use.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る