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発表・掲載日:2017/03/23

200 ℃から800 ℃の熱でいつでも発電できる熱電発電装置

-冷却水不要のポータブルな空冷式熱電発電装置の開発-

ポイント

  • 高温でも安定して発電する酸化物熱電モジュールと、ヒートパイプを用いた空冷式発電装置を開発
  • 800 ℃での耐久性と安全性と確認し、従来の2倍以上の発電出力を実現
  • 排熱発電により省エネ・二酸化炭素排出量削減に貢献し、災害時の緊急電源としても使用可能


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という) 無機機能材料研究部門【研究部門長 淡野 正信】 機能調和材料グループ 舟橋 良次 上級主任研究員らは、工業炉、焼却炉、エンジンなどの排熱から発電できる空冷式のポータブル熱電発電装置を開発した。この発電装置は冷却水を用いず発電でき、複雑な設置工事も必要としない。

 今回の発電装置は、産総研が独自に開発した800 ℃の高温でも安定して発電する酸化物熱電モジュールと、空冷部分にヒートパイプを用いることで実現した。200 ℃~800 ℃の熱源があれば発電装置の集熱部を高温の場所にかざすだけで発電できるため、工場や焼却場の排熱から簡単に発電できる。また、災害時の緊急電源としても利用できる。この熱電発電装置の部材は、従来の熱電材料に含まれていた有毒な鉛などを含まない、人体に無毒なカルシウム、コバルト、マンガンの酸化物素材で作られ、回転系や引火性の部品も無いため安全であり、製造時に消費したエネルギーも約5か月の発電で回収できる。この発電装置は、排熱量や電気の必要量によって、複数の発電装置を接続して高出力を得ることができる。

今回開発したポータブル空冷式熱電発電装置と熱電モジュール(左)、熱電発電装置で動作する電子機器の例(右)
の図
今回開発したポータブル空冷式熱電発電装置と熱電モジュール(左)、 熱電発電装置で動作する電子機器の例(右)


開発の社会的背景

 一次エネルギーのうち、有効に利用できるのは30 %程度であり、70 %近くは排熱として大気中へ棄てられている。この莫大な排熱に加え、太陽熱や地熱など未利用熱を有効活用するための技術開発が進められている。ゼーベック効果を用いる熱電発電は、変換効率が排熱量に依存せず一定で発電できるため、分散した希薄な排熱を用いた発電の実現に向け期待されている。また熱電発電は温度差で発電するため、太陽熱、地熱、バイオマスなどの再生可能エネルギーからも発電でき、省エネルギー、地球環境問題の解決に貢献できるものとして、世界中で研究開発が進められている。

研究の経緯

 産総研では、排熱や自然熱など未利用熱の有効利用を目指し、さまざまな材料を用いた熱電発電の研究を行っている。その一環として、これまでに800 ℃の高温、空気中でも安定で、変換効率の高いp型熱電材料であるカルシウム・コバルト酸化物(Ca3Co4O9)の発見や、n型熱電材料であるカルシウム・マンガン酸化物(CaMnO3)の製造技術を開発してきた。さらに、これらの酸化物熱電材料を用いた熱電モジュールを開発し、産業排熱利用を目的に、工業炉や焼却炉の排熱で発電できる水冷式熱電発電装置や、湯沸かしと同時に発電できる発電鍋、発電湯沸かし器を開発してきた。

 工業炉や焼却炉を用いる工場で、この水冷式熱電発電装置の試験を行い、200 W~700 Wの発電とその電力を用いた場内照明や炉の冷却用ファンなどの作動を実証した。その際、工業炉、焼却炉ユーザーなど産業界から要望されたのは、温度差を得るために冷却水を使わない発電装置であった。このような熱電発電装置は、他の水冷式発電システムでは困難な小規模熱を利用可能にし、熱電発電の普及に繋がると考え、冷却水を用いないポータブル空冷式装置の開発を目指した。

研究の内容

 従来の酸化物モジュールの低温側に放熱フィンを取り付け、加熱温度を650 ℃とし、自然放熱で熱電発電した場合の出力は、水冷時の約35 %にまで減少してしまった(図1)。そこで今回、空冷でも高出力で発電できる熱電発電装置の開発のため、1) 酸化物熱電モジュールの発電出力の向上、2) 高温耐久性の改善、そして3) 高出力発電を可能にする空冷技術を開発した。

放熱フィンを用いた自然放熱による空冷式熱電発電の概略(左)と水冷と空冷時の発電出力の比較(右)の図
図1 放熱フィンを用いた自然放熱による空冷式熱電発電の概略(左)と水冷と空冷時の発電出力の比較(右)

1)酸化物熱電モジュールの発電出力の向上

 従来の酸化物熱電モジュールの発電出力を増加させるため、熱電素子の性能向上に取り組んだ。セラミックスであるp型のカルシウム・コバルト酸化物素子は、加圧しながら焼結するホットプレス法により製造していたが、ホットプレス工程での組織制御を精密化する新たな技術を今回開発した。この技術により、セラミックス内の結晶粒の配列や大きさ、密度が改善され、熱電素子の出力因子は最高で約2倍に向上した。また、熱電モジュールの出力を高電圧化するため、熱電素子の断面積を小さくすることで、モジュールの素子数を増やした。さらに、素子配列技術も改良して、モジュールの内部抵抗を20 %低減した。この結果、加熱温度が800 ℃において、新開発モジュールの発電出力は、水冷式発電装置で用いた同サイズ(基板サイズ:3.5 cm角)の従来モジュールと比べ、2.2倍高い4.1 Wとなった(図2)。

今回の開発技術と従来技術で作製したp型熱電材料の出力因子(左)とモジュールの発電出力(右)の比較の図
図2 今回の開発技術と従来技術で作製したp型熱電材料の出力因子(左)とモジュールの発電出力(右)の比較

2)高温耐久性の改善

 従来の酸化物熱電モジュールでは、800 ℃の一定温度で、一ヶ月間連続して発電しても出力は劣化しなかった。しかし、加熱と冷却を繰り返すサイクル試験では発電出力が最大で20 %減少する場合があった。原因は加熱・冷却サイクル中にn型熱電素子に発生する微細なひびであった。今回、n型熱電素子に添加物を加えると、加熱・冷却サイクルによるひびの発生が抑制できることを発見した。このn型熱電素子を用いた熱電モジュールでは、高温側の加熱温度が600 ℃と100 ℃の間で、加熱・冷却サイクルを200回以上繰り返しても、発電出力の劣化は見られなかった。

3)高出力発電を可能にする空冷技術

 空冷式は水冷式よりもモジュールの高温側と低温側の温度差が小さくなるため、発電出力が低くなる。そこで、空冷でも水冷並みに効率良く冷却するために、作動液体の蒸発潜熱を利用するヒートパイプを用いた。作動液体の蒸発により、熱電モジュールを効率良く冷却できる。ヒートパイプ、放熱フィン、空冷ファンで冷却用ラジエーターを構成し、熱電モジュールと組み合わせて、空冷式熱電発電装置を製造した(図3)。なお、空冷ファンは、この装置が発電する電力で駆動(約0.5 W~0.8 W)するため、外部の電源や、電池などは不要である。この装置は、加熱温度が500 ℃の場合、2.3 Wを出力できる。同じ熱電モジュールの水冷時の出力は、同じ条件では2.8 Wとなり、水冷式の80 %の発電出力を持つ空冷式発電装置が開発できた。なお、この装置は加熱温度を600 ℃とすれば最高で3 Wの発電出力が得られる。

ヒートパイプを用いた空冷式熱電発電の概略(左)と水冷式、自然空冷式、今回開発した空冷式熱電発電の出力の比較(右)の図
図3 ヒートパイプを用いた空冷式熱電発電の概略(左)と水冷式、自然空冷式、今回開発した空冷式熱電発電の出力の比較(右)

 開発した熱電発電装置を用いて、1 W~3 Wで作動する電子機器の動作を確認したところ、加熱温度が200 ℃に達すればLEDライトが点灯し、400 ℃になれば測温センサーによる計測とデータのワイヤレス送信、Webカメラによる動画撮影とワイヤレス転送、スマートフォンの充電を行うことができた。さらに、500 ℃で加熱すればワンセグテレビを充電、視聴することもできた。

 この熱電発電装置を使えば、工場や焼却場の照明、遠隔での炉内温度などの管理が可能となる(図4)。災害時の炊き出しや暖を取るためのかまどベンチの普及が進んでいるが、薪の燃焼による熱エネルギーを用いる非常用電源としても利用できる。

ポータブル空冷式熱電発電装置の工場、焼却場内の排熱発電(左)と災害時の緊急電源(右)としての使用例)の図
図4 ポータブル空冷式熱電発電装置の工場、焼却場内の排熱発電(左)と災害時の緊急電源(右)としての使用例

今後の予定

 今回開発した発電装置の実証試験を行い、工業炉や焼却炉からの排熱回収用や非常用電源として、2年以内に実用化する。さらに、高性能、耐久性、安全性、コスト性に優れた新たな熱電材料と熱電モジュールを開発し、更なる高効率熱電発電技術により、省エネルギー、二酸化炭素排出量の削減、そして新産業創出に貢献する。



用語の説明

◆熱電発電
棒状の導体の両端に温度差をつけると、温度差に比例した電位差(電圧)が生じる。この現象は発見者の名前にちなみゼーベック効果(下記参照)と呼ばれている。熱電発電はこの効果を利用し、温度差(熱エネルギー)から直接電力を得る発電方法である。[参照元へ戻る]
熱電発電の説明図
◆熱電モジュール
一本の熱電材料では大きな温度差を付けても、発生電圧は低く、電源として用いることはできない。電圧を高めるため、複数の熱電材料を直列接続したデバイスが熱電モジュールである。そのため、一般の熱電モジュールは高温側がプラス(+)極になるn型熱電材料と、マイナス(-)極になるp型熱電材料を、電極を介して交互に直列接した構造を有する。[参照元へ戻る]
熱電モジュールの説明図
◆ヒートパイプ
熱の移動効率を向上させるデバイス。作動液をパイプ内に封入して、加熱により作動液が蒸発すると、蒸発潜熱に相当する多量の熱エネルギーを吸収する。作業液には、一般的に代替フロンや水が用いられる。例えば、水の蒸発潜熱は540 kcal/kgである。液体の水の比熱の1 kcal/kg・℃と比べると、少量の水でも多量の熱を蒸発により吸収するため、効率の良い冷却効果が得られる。気体は低温側で放熱により液化され、高温側へと戻る。そのため、作動液の外部からの供給は不要であり、水管が不要な空冷が可能となる。[参照元へ戻る]
ヒートパイプの説明図
◆ゼーベック効果
ゼーベック効果のメカニズムは加熱により熱活性された電荷担体(電子、正孔)の拡散である。温度差のない導体の内部では電荷担体(図は電子の場合)は均等に分布している。ところが導体の一端を加熱することで、加熱された付近にある電子は活性化され(運動エネルギーが増え)、低温側へと拡散していく。低温では熱エネルギーを奪われ、再び不活性になり、そこに留まる。温度差がある限り、この電荷担体の分布不均一は維持され、電圧が発生する。両端の温度差が1 ℃の時の電圧をゼーベック係数と呼び、この数値が大きい方が、同じ温度差ならば高い電圧を得ることができる。[参照元へ戻る]
ゼーベック効果の説明図
◆p型熱電材料、n型熱電材料
導体中には電気を流す役割を持つ電荷担体が二種類ある。一つがマイナス(-)の電荷を持つ電子であり、もう一つがプラス(+)の電荷を持つ正孔である。導体中の電子および正孔の数は物質により異なる。正孔数が電子数より多い物質では、一端を加熱することで正孔が低温側へ拡散していく。その結果、低温側が高電位(+極)になる。このような材料をp型熱電材料と呼ぶ。一方、電子数が正孔数よりも多い場合、低温側に電子が拡散で集まってくるため、高温側が高電位となる。このような材料はn型熱電材料と呼ばれる。[参照元へ戻る]
p型熱電材料、n型熱電材料の説明図
◆出力因子
熱電材料のゼーベック係数と電気抵抗率で計算できる発電出力に関係する材料の特性値。以下の式で定義され、大きい方が良い熱電材料である。
  出力因子 (Wm-1K-2) = (ゼ―ベック係数 (VK-1))2 / 電気抵抗率 (Ωm) [参照元へ戻る]
◆内部抵抗
熱電モジュールの電気抵抗。素子、電極、接合部での電気抵抗の和である。[参照元へ戻る]



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