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高い耐久性と信頼性を持つ熱電発電試験用標準参照モジュールを開発

―計測技術の高信頼化を推進し、発電性能試験法の国際標準化活動に活用―
2020年1月14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
国立研究開発法人産業技術総合研究所
未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合

NEDOは、未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発に取り組んでおり、今般、産業技術総合研究所(産総研)、未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合(TherMAT)と共同で、熱電発電モジュールの発電性能評価を行うための試験装置用標準器(標準参照モジュール)を開発しました。

熱電変換材料としてニッケル合金を使用することで、この標準参照モジュールに高い耐久性と信頼性を持たせました。これにより、熱電発電モジュールの発電性能の正確な評価が可能となり、未利用熱発電の産業化と市場拡大に貢献できます。

今後、国内外の研究機関と連携し、本標準参照モジュールの普及を進めることで、熱電発電モジュールに関する信頼性の高い性能計測技術の確立を目指します。また、NEDOと産総研、TherMATは、この熱電発電試験用標準参照モジュールを、現在、国際電気標準会議(IEC-TC47/WG7)で進めている熱電発電モジュールの発電性能試験法に関する国際標準化活動にも活用します。

  • 開発した熱電発電試験用標準参照モジュールの外観と試験の様子 (a)今回開発したニッケル合金を使用した熱電発電モジュール(b)産総研の試験装置での開発モジュールの発電特性評価の様子の図
    図1 開発した熱電発電試験用標準参照モジュールの外観と試験の様子
    (a)今回開発したニッケル合金を使用した熱電発電モジュール
    (b)産総研の試験装置での開発モジュールの発電特性評価の様子

1.概要

1次エネルギーの多くは効率的に利用されておらず、未利用熱エネルギーとして廃棄されています。そのため、未利用熱エネルギーの有効活用は、省エネルギーとCO2排出削減の重要な柱です。特に、未利用熱エネルギーの電力回収(排熱発電)には高いニーズがあり、熱エネルギーを電力に直接変換できる熱電変換技術には大きな期待が寄せられています。しかしながら、熱電発電※1システムの基本構成部品である熱電発電モジュール※2の発電性能や耐久性を正確に評価する技術は標準化されておらず、その性能を保証する技術の確立が課題でした。

今般、こうした課題を解決するため、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は、「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発※3」プロジェクトを通じて、国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)と未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合(TherMAT)とともに、熱電発電モジュールの正確で迅速な発電性能評価を行うための試験装置用標準器(標準参照モジュール)を開発しました。熱電変換材料としてニッケル合金を使用することで、この標準参照モジュールに高い耐久性と信頼性を持たせました。これにより、熱電発電性能の試験法を標準化する上で大きな貢献が期待されます。

なお、この技術の詳細は、2020年1月14日(協定世界時)にElsevierが発行する学術論文誌「Applied Energy※4」に掲載されます。

2.今回の成果

熱電発電モジュールは、p型熱電変換材料※2とn型熱電変換材料※2から構成されています。一般に、熱電変換材料は焼結体※5である場合が多く、そのためにもろいことが一つの欠点とされています。一方、試験装置に使われる標準参照モジュールには、試験法標準化のための正確で迅速な発電性能評価につながる優れた耐久性が求められます。そこで、NEDOと産総研、TherMATは、これらの課題を解決するために、今回、焼結体よりも耐久性に優れたニッケル合金を熱電発電試験用標準参照モジュールのp型とn型熱電変換材料として用いました。具体的には、p型はクロメル(Ni90Cr10)、n型はコンスタンタン(Cu55Ni45)の熱電変換材料です。これらは焼結体の熱電変換材料よりも機械的耐久性が高い一方、熱伝導率※6が高いため、標準参照モジュールとして用いるためには、熱伝導率を低減する必要があります。そこで、ニッケル合金の熱電変換材料を中空に加工し、熱が伝わる面積を減らすことで、焼結体の熱電変換材料と同程度の低い熱伝導率を実現しました(図1)。

表1では、高温側を500℃、低温側を50℃としたときの、ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの最大出力電力と最大変換効率※7の初期値と、クロメル、コンスタンタン、銅電極、基板などの電気と熱の輸送特性からのみ予想されるそれらの計算値※8(熱損失と電気損失を考慮していない値)を示します。実測値と計算値はおおむね一致しており、熱損失と電気損失の少ないモジュール設計を実現しました。

ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの高温側を500℃、低温側を50℃として、1回の試験後にセッティングをモジュールの着脱からやり直す方法で、発電特性を繰り返し試験しました。図2(a)は、熱電発電試験用標準参照モジュールの最大出力電力と最大変換効率の変化を示しています。12回の測定すべてで最大出力電力と最大変換効率はほとんど変化せず、非常に高い安定性を示しております。最大出力電力と最大変換効率における平均値からの偏差は、それぞれ0.5%と0.6%以内に収まることが分かりました。

次に、ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの高温側を500℃、低温側を50℃として、発電性能の120時間耐久試験を実施しました。図2(b)に、熱電発電モジュールの最大出力電力と最大変換効率の時間変化を示します。120時間後において、それらの値は変化せず非常に高い安定性を示しており、最大出力電力と最大変換効率における平均値からの偏差は、それぞれ0.8%と0.3%以内に収まることが分かりました。

このモジュールは、このように高い信頼性を持つために、性能を保証するための参照用熱電発電モジュールとしての使用が期待されます。

表1 ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの最大出力電力と最大変換効率

  • 高温側を500℃、低温側を50℃としたときの実測値と、ニッケル合金などの電気と熱輸送特性から予想される計算値をあわせて示す。
  最大出力電力(W) 最大変換効率(%)
実測値(初期値) 0.39 0.53
計算値 0.41 0.57
  • 図2 ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの耐久試験結果。※高温側を500℃、低温側を50℃としたときの最大出力電力と最大変換効率の(a)繰り返し試験と(b)120時間耐久試験の図
    図2 ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの耐久試験結果
    ※高温側を500℃、低温側を50℃としたときの最大出力電力と最大変換効率の(a)繰り返し試験と(b)120時間耐久試験

3.今後の予定

NEDOと産総研、TherMATは、国内外の研究機関と連携し、本標準参照モジュールの普及を進めることで、熱電発電モジュールに関する信頼性の高い性能計測技術の確立を目指します。またNEDOと産総研、TherMATは、この熱電発電試験用標準参照モジュールを、現在IEC-TC47/WG7において進めている熱電発電モジュールの発電性能試験法に関する国際標準化活動にも活用します。

【注釈】

※1 熱電発電
二つの異なる材料(特殊な半導体材料である熱電変換材料と電極材料)の接合点に温度差をつけることにより、起電力が発生するというゼーベック効果を応用した発電方法です。
※2 熱電発電モジュール、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料
熱電発電モジュールでは、電荷を運ぶ電荷担体(キャリア)が正の電荷を持った正孔(ホール)であるp型熱電変換材料と、負の電荷を持った電子であるn型熱電変換材料を、図に示すように電気的には直列、熱的には並列に配置します。このモジュールの上下に温度差が生じると、キャリアであるホールと電子が、高温側から低温側に拡散して電力が得られます。下図はpn対が1個の一段型熱電発電モジュールを示します。実際のモジュールは、もっと多くのpn対から構成されます。例えば、今回開発した熱電発電モジュールは8個のpn素子対から成ります。

熱電発電モジュールの概要の図
熱電発電モジュールの概要図

※3 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(産総研 企画本部 副本部長)
事業概要:未利用熱エネルギーに関する革新的な活用技術の研究開発を行います。
未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発
事業期間:2013年度から2022年度(うち2013年度から2014年度は経済産業省にて実施)
※4 Applied Energy
エネルギー工学全般の技術分野をカバーし、査読を取り入れた専門性の高い学術雑誌です。
別ウィンドウが開きます Applied Energy(英文HP)
※5 焼結体
粉末を融点よりも低い温度で加熱して緻密に固めたもののことです。焼結体は一般的にもろい材料です。
※6 熱伝導率
優れた熱電変換材料には、高い出力電力を得るために、高いゼーベック係数と低い電気抵抗率が必要とされます。さらに、 熱電発電に必要な温度差を維持するためには、低い熱伝導率が要求されます。
※7 変換効率
熱電発電モジュールの変換効率は、出力電力を入力熱量で割ったものとして定義されます。
※8 計算値
熱電発電モジュールの出力電力と変換効率の計算値は、経済産業省の委託事業「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業」(2015年度から2019年度)の成果です。計算値は、有限要素法により求められました。

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:高橋、永田、小笠原、近藤 TEL:044-520-5281
産総研 省エネルギー研究部門 担当:山本、太田 TEL:029-861-5663
未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合 担当:宇都、箕浦 TEL:03-3592-1284

(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、中里、佐藤 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp