NEDOなど、高性能多孔質熱電材料の開発に成功

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新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と白山、石川県工業試験場、北陸先端科学技術大学院大学は2017年11月17日、従来のn型熱電材料に対し6割以上の発電量を示す多孔質p型マグネシウムシリサイド系熱電材料を開発したと発表した。

熱を電気エネルギーに変換できる熱電デバイスは、温度差をつけたとき、高温側がプラスとなるn型熱電材料、高温側がマイナスとなるp型熱電材料から構成される。そのn型については、マグネシウムシリサイド系で高い熱電性能を示すことは知られていた。しかし、p型をマグネシウムシリサイド系熱電材料とした場合、約2割程度の性能しか得られていなかった。p型熱電素子に、マンガンシリサイド系熱電材料を使用することも提案されていたが、熱電発電モジュール化した際の熱膨張率の差による熱応力破壊耐性に課題があった。

熱電デバイスの構成

そこで今回、白山が熱電材料の性能の向上、石川県工業試験場が構造解析、北陸先端科学技術大学院大学が電子構造計算に基づく物性予測を担当。Mg-Si-Snを出発原料とし、ポリビニルアルコール(PVA)を用いて多孔質化処理をする新技術で、多孔質n型熱電材料、および多孔質p型マグネシウムシリサイド系熱電材料を開発した。また、この新技術は、孔を含まない熱電材料と同等の導電率を持ちながら低熱伝導率であるという特殊な特徴や、真空・不活性ガス置換焼結という一般的な生産方式に基づいているため、工業生産への移行が容易だと説明している。

多孔質マグネシウムシリサイド系熱電材料の出力因子の温度依存性

今後は、自動車エンジンの排熱や産業分野で300~400℃の未利用熱エネルギーを電力に変換する低コスト・高耐久性熱電変換モジュールの実現を目指すとしている。

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