低温熱源に置くだけで無線通信用電源として利用できる自然冷却型有機熱電モジュールを開発――充電不要な電源の実現へ 産総研

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産業技術総合研究所(以下、産総研)は2020年1月21日、低温熱源に置くだけで無線通信用電源として利用できる自然冷却型の有機熱電モジュールを開発したと発表した。同モジュールは放熱フィンなどの冷却部材が不要なため、軽くて小型かつ高効率であり、100℃~120℃の低温熱源から測定データなどの無線通信に十分な電力を得ることができる。

産総研は今回のモジュール開発にあたり、接合部分を除いて厚さ5µmの絶縁性高分子膜(ポリイミドフィルム)で、厚さ50µmの有機熱電材料のPEDOT/PSS膜100枚と厚さ5µmの導電部材のニッケル(Ni)箔99枚を挟んだ積層型のモジュールを作製し、特性改善を進めた。

低温熱源を用いる場合、高温熱源に比べてモジュール両端に温度差を作ることが難しくなるため、いかにモジュール化した際の熱伝導を抑えるかが重要となる。そこで産総研は、PEDOT/PSSとNiの接触電気抵抗を大きくせずにNiの熱伝導を小さくする設計を行った。下図の(a)と(b)について電気抵抗と熱抵抗のシミュレーションを行い、適切な値を発見した。

さらに、熱源とモジュールの接触を工夫しモジュールに伝わる熱効率を向上させることで、熱源温度120℃で熱電モジュールに50℃の温度差を作り、約60µW/cm2の出力密度を得た。この電力で無線送信機器を駆動させて温度と湿度のデータを送信し、スマートフォンでモニタリングできることを実証した。

今回の開発は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(以下、NEDO)「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(2013~2022年度)の一環として行われた。熱を電気に直接変換する熱電発電は、熱源さえあれば充電の必要がない電源となる。産総研とNEDOは今後有機熱電材料の更なる特性向上とモジュール構造の改良を行い、より低温の熱源で利用可能な有機熱電モジュールの設計開発を進める。

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