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産総研、変換効率11%の熱電変換モジュールを開発 ZT=1.0の壁を突破

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産総研、変換効率11%の熱電変換モジュールを開発 ZT=1.0の壁を突破

産業技術総合研究所、省エネルギー研究部門熱電変換グループは、鉛テルライド(PbTe)熱電変換材料の焼結体にマグネシウム・テルライド(MgTe)のナノ構造を形成することで、高い熱電性能を実現し、さらにこの材料を用いて変換効率11%を有する熱電変換モジュールの開発に成功した。

熱電変換モジュールの特徴

今回開発された熱電変換モジュールは、鉛テルライド(PbTe)熱電変換材料の焼結体にマグネシウム・テルライド(MgTe)のナノ構造を形成することで高い熱電性能指数ZT=1.8を実現した。これにより、11%の変換効率を達成。その結果、これまで一次エネルギーを利用する際に利活用できていなかった60%以上にものぼる熱エネルギーを、無駄なく電力活用することが可能となった。

これまで、熱電変換材料においてはZT=1.0を超えることが困難であり、熱電変換モジュールにおいては7%の変換効率を超えることが困難であった。今回の成果では、米国ノースウェスタン大学のと米国アルゴンヌ国立研究所が共に、ナノ構造の形成技術を用いて熱電変換材料の焼結体のZTを1.8(550度)まで向上させることに成功した。

なお、同技術の詳細は、英国王立化学会の発行する学術論文誌Energy&Environmental Scienceに近く掲載される。

日本では一次エネルギー(石油や石炭など)の大半を輸入に頼っているが、そのエネルギーのうち60%以上は利用されずに熱として廃棄されているのが現状である。エネルギーの安定供給を達成して持続可能な社会を実現するために、この未利用熱エネルギーの活用を促進する必要がある。その鍵を握る技術が熱電発電であり、高性能な熱電変換モジュールを用いることで、廃棄されていた未利用熱エネルギーを回収できる。

同研究所は、開発した熱電変換モジュールの長期耐久性と機械的特性の向上に関する研究開発と、産業界での実証実験を実施して、5年以内の実用化を目指す。同時に、毒性元素の鉛を毒性の少ない銅などへ、希少元素のテルルを地殻存在量の豊富な硫黄などへと元素代替を進める。今後も未利用熱エネルギーの革新的な電力活用への道を開いて、持続可能な社会に貢献していく。

ZTとは、性能指数(Z)に動作温度(T)を掛けた値のこと。無次元性能指数と呼ばれる。

【参考】
産総研 - 変換効率11%の熱電変換モジュールを開発

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