开发全世界首款可实现中高温范围热电转换的笼状烧结体U型元件
~以实现可有效利用废热的高功率热电发电模块为目标 ~

2017年11月17日

国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构
未利用热能革新性利用技术研究组合
古河电气工业株式会社

NEDO与未利用热能革新性利用技术研究组合(TherMAT)以及古河电气工业株式会社成功开发出全世界首款可实现中高温范围热电转换的笼状烧结体U型元件,用蜡烛般小的火焰即可发出电。
今后,将以本次开发为基础,致力于开发可将工业炉及汽车引擎的废热等200-800℃的中高温范围的未利用热能转换为电力的高功率热电发电模块,并在民生领域等其他领域加以应用。
此外,本成果将在2017年11月20日至22日于东京Big Sight国际展示中心召开的“INCHEM TOKYO2017(日本国际化工展览会)”的“NEDO节能技术论坛2017”上展出,作为最新的节能技术,对相关措施及开发情况进行介绍。

图1 笼状烧结体U型元件与以往元件的结构对比

图1 笼状烧结体U型元件与以往元件的结构对比

1. 概要

如今,在运输、产业及民生领域,半数以上的一次能源未得到有效利用即作为废热排放。在这样的背景下,NEDO着眼于未被利用即被排放到环境中的大量未利用热能,以实现让“削减(Reduce)、回收(Recycle)、利用(Reuse)”成为可能的关键技术革新和确立相关体系为目标,自2015年度开始实施“未利用热能创新性利用技术研究开发”(注释1)
在本次NEDO项目中,未利用热能革新性利用技术研究组合(以下简称TherMAT)的组合成员——古河电气工业株式会社(以下简称“古河电工”)领先世界成功开发出由以环保型硅笼状化合物(注释2)制作而成的P型及N型烧结体(注释3)构成的、没有高温电极的U型元件(图1)。今后将在本次开发的基础上,针对在元件高温侧(图1右)提高使用耐久性,实现可将工业领域的工业炉废热及汽车引擎废热等200-800℃的中高温范围的未利用热能转换为电力的高功率热电发电模块,并在民生领域等其他领域加以应用。
此外,本成果将在2017年11月20日至22日于东京Big Sight国际展示中心召开的“INCHEM TOKYO2017(日本国际化工展览会)”的“NEDO节能技术论坛2017”上展出,作为最新的节能技术,对相关措施及开发情况进行介绍。另外,详情请查看以下URL。
“NEDO节能技术论坛2017”的召开:http://www.nedo.go.jp/english/news/AA5en_100300.html(英文)

2. 本次成果

热电转换技术是利用固体的塞贝克效应(注释4)通过废热直接获取电力的技术,有望通过有效利用工厂废热及汽车引擎等中高温范围的200-800℃的未利用热能来为节能做贡献。但是,可在中高温范围内保持较高热电性能的材料基本上都由铅、碲、锑、硒、铊等毒性高又稀少的低熔点元素构成。在空气中使用由这些元素构成的热电转换材料时,需要采用特殊的加工技术等,因此此类材料尚未得到广泛使用。
由以本次所开发的环保型硅笼状化合物制作而成的P型及N型烧结体构成的、没有高温电极的U型元件(图1),以地球上最广泛存在的硅为主要原料,P型、N型均由同类硅笼状化合物构成,因此在线膨胀系数等物理性质方面没有大的差异。此外,还通过去掉以往模块中的高温侧金属电极和绝缘基板的方式获得了高温耐性。如将本元件置于蜡烛等的火焰上方,即可获得50mV的电压。并且,本项目还开发出了使用8个这种元件、在低温侧(图1右)配置金属电极且采用电串联及热并联方式的8对半骨架模块,实施了将该模块置于蜡烛火焰(外焰、约800℃)上方的实验。在该实验中,小型电机成功地转动起来(图2,可扫QR码观看视频)。由此发现,即使在没有特别的集热、放热以及用于防止大气暴露的辅助材料的状态下也可发电。

此外,本次所开发的U型元件适用于与直火烘烤相仿的高温范围,与以往的元件相同,有望通过增加连接元件的数量获得微瓦(µW)到千瓦(kW)水平的发电量(图3)。

图3 可利用温度范围示意图

图3 可利用温度范围示意图

3. 今后的计划

次所开发的技术不仅可以应用于汽车废热及工业废热领域,还可用于其他领域,今后将针对其在节能方面的进一步推广进行研究。作为示例之一,在图4中提出了设置于燃气灶上的小型发电系统方案。还有望通过与作为防灾储备品来推荐使用的台式燃气灶组合,当做备用品灵活使用,例如给智能手机等的小型电子机器充电等。在本次的开发的基础上,今后将努力实现可将工业炉及汽车引擎的废热等200-800℃的中高温范围的未利用热能转换为电力的高功率热电发电模块。
在材料开发方面,将努力确立用于抑制组织纳米化所致电阻率升高的技术。将通过烧结体的试制与测量,对提高新材料特性的问题进行实验确认。并且,还将在掌握热循环特性的同时,开发高密度实装烧结体的技术。

图4 按圆周形配置的半骨架模块与应用示例(燃气灶)

图4 按圆周形配置的半骨架模块与应用示例(燃气灶)

用语解释

(注释 1)未利用热能革新性利用技术研究开发
在项目组长小原春彦先生(国立研究开发法人产业技术综合研究所 能源与环境领域研究战略部 研究战略部长)的领导下,于2013-2022年度(其中,2013-2014年度在经济产业省实施)进行革新性技术的研发工作。

(注释 2)笼状化合物
具有笼状结晶结构的金属间化合物,基本化学式为Ba8Ga16Ge30。将元素包裹起来的各个笼状多面体在相互共面的同时形成立方晶体,具有作为热电转换材料的最理想的结晶结构。作为不含有害元素且性能较高的新材料受到瞩目。

(注释 3)P型及N型烧结体
将在受到正(负)温差时产生正(负)电压的材料称为P型(N型),两者均由烧结体制作而成。

(注释 4)塞贝克效应
如使固体出现温差即可产生电压的现象。将每1℃温差的起电能力称为塞贝克系数。

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