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» 2017年11月22日 13時30分 公開

エンジンの排熱などを有効活用:未利用熱を電力に変換、多孔質熱電材料を開発

NEDOプロジェクトにおいて白山らは、多孔質p型マグネシウムシリサイド(Mg-Si-Sn)系熱電材料の創製に成功した。自動車エンジンの排熱や産業分野の未使用エネルギーを電力に変換して有効利用する熱電変換モジュールの実用化を目指す。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

2020年度末めどに熱電変換モジュールを実用化へ

 白山は2017年11月、多孔質p型マグネシウムシリサイド(Mg-Si-Sn)系熱電材料の創製に成功したと発表した。自動車エンジンの排熱や産業分野の未使用エネルギーを電力に変換して有効利用できる熱電変換モジュールの実現を目指す。

 今回の研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が2015年度より実施している「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」プロジェクトの一環として取り組んでいるもので、石川県工業試験場や北陸先端科学技術大学院大学との共同研究による成果である。

多孔質Mg-Si-Sn系熱電材料で試作した熱電変換モジュール 出典:NEDO、白山

 今回の共同研究では、白山が熱電材料の性能向上を、石川県工業試験場が構造解析を、北陸先端科学技術大学院大学が詳細な電子構造計算に基づく物性予測を、それぞれ担当した。研究では、マグネシウム(Mg)-シリコン(Si)-スズ(Sn)を出発原料とした基材を、造孔材(PVA:ポリビニールアルコール)により多孔質化処理し、無次元性能指数ZTが1.0(450℃)の多孔質n型熱電材料を開発した。

 この手法をp型熱電材料の開発に応用し、電子構造計算に基づく物性予測を行うことで、多孔質p型Mg-Si-Sn系熱電材料の創製に成功した。開発した材料は、孔を含まない熱電材料と同等の導電率を持ちながら低い熱伝導率を達成している。また、「真空・不活性ガス置換焼結」という一般的な生産方式で行うため、工業化が容易だという。

熱電デバイスの構成イメージ 出典:NEDO、白山

 開発した多孔質材料における出力因子の温度依存性は、実用温度の300℃付近で、多孔質n型熱電材料の場合は2.0mW/K2m以上、多孔質p型熱電材料は1.14mW/K2mとなった。従来の多孔質p型では多孔質n型に比べ約2割の出力因子にとどまっていたが、新開発の多孔質p型熱電材料は6割以上の性能を達成していることが分かった。

多孔質Mg-Si-Sn系熱電材料(n型、p型)の出力因子の温度依存性 出典:NEDO、白山

 白山は、2020年度末を目標として自動車や産業分野向けに、安価で耐久性に優れた熱電変換モジュールを実用化していく考えである。

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