1 / 42

材料工学各論 １２ − ７

Tokyo University of Science (TUS). 材料工学各論 １２ − ７. 〜 熱電変換 〜. 東京理科大学 基礎工学部材料工学科 西尾　圭史. 熱電発電. 電流. 小型化が可能. メンテナンス不必要. 高温. p. p. n. n. 形. 形. 形. 形. 低温. 熱電変換材料とは. 両端に温度差をつけることに より 熱 を 電気 に相互変換させる 熱起電力の高い材料. n 形　. 低温. 高温. ＋極. －極. 電子. p 形　. 高温　　　. 低温. －極. ＋極. 電流. ホール.

henry-bernard
Download Presentation

材料工学各論 １２ − ７

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Tokyo University of Science (TUS) 材料工学各論１２−７ 〜熱電変換〜 東京理科大学 基礎工学部材料工学科 西尾　圭史

  2. 熱電発電 電流 小型化が可能 メンテナンス不必要 高温 p p n n 形 形 形 形 低温 熱電変換材料とは 両端に温度差をつけることに より熱を電気に相互変換させる 熱起電力の高い材料 n形　 低温 高温 ＋極 －極 電子 p形　 高温　　　 低温 －極 ＋極 電流 ホール

  3. Pioneer 10 熱電発電 小規模工業炉の排熱利用 各種プラント 製鉄プロセス排熱利用 電気 熱 熱電変換 太陽熱利用（レンズ集光） 自動車の排熱利用

  4. First thermocouple models of thermoelements 1786 1824 Hans Christian Alessandro Oersted Volta 12

  5. T2 T1 Seebeck's experiment Cu Bi 15

  6. 17

  7. s S S2s s 熱起電力S 電気伝導率 電流 絶縁体 半導体 導体 κ_el=LTs 熱伝導率　k κ_phonon logn(キャリア濃度) n形　 両端に温度差をつけることに より熱を電気に相互変換させる 熱起電力の高い材料 高温 低温 無次元性能指数 S2･s ZT =･T k S s k T :ゼーベック係数 :電気伝導率 :熱伝導率 :絶対温度

  8. 熱電変換材料の現状 S2･s ＞ ZT =･T 1 k ＝ (変換効率10%程度)が実用化の目安　　　　 現在研究されている熱電変換材料 室温付近 :Bi-Te系金属間化合物 673K-873K付近 :Pb-Te系金属間化合物 :Si-Ge系金属間化合物 1073K以上 問題点 ・稀少元素(高コスト)、毒性元素を用いること ・高温で化学的に不安定であること

  9. 熱電材料の効率 :カルノーサイクル効率 ：物理的性質により決まる材料効率 つまり、熱電材料の最大効率は無次元性能指数ZTにより決まる S:ゼーベック係数[V/K] σ:電気伝導度[Ω-1cm-1] μ:移動度[cm2/Vs] m*:電子または正孔の有効質量 κL:熱伝導の格子振動による成分 これらを用いて計算するとZT=1は

  10. 高い効率な発電には 高温部 p-n接合が有効 p形半導体 n形半導体 e- h モジュールではこれを多数接続 低温部 I P型モジュール

  11. Increase in the figure of merit of thermoelectric materials 11

  12. a: Bi0.88Sb0.12, b: Bi2Te2.7Se0.3, c: AgPb18SbTe20, d: (Pb, Sn)Te, e: PbTe, f: Ga2Se3, g: SiGe, h: FeSi2, i: SrTiO3: La (単結晶), j: SrTiO3: La, k: SrPbO3: La, l: ZnO: Al, m: In2-xYxO3(ZnO)5, n: In2O3-SnO2, o: NaxCoO2 (単結晶), p: [Ca2CoO3]0.62CoO2 (単結晶), q: NiO: Li Fig.1-1-1　代表的な熱電変換材料の性能指数

  13. 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 ℃ K 0 100 200 300 400 500 600 700 800 焼却炉、電気炉、製鉄所など BiTe系 Ｍｇ2Ｓｉ系 自動車 ZnSb系 給湯器 PbTe系 スクッテルダイト系 PC、モーター、トランスなど 酸化物

  14. Pioneer 10 電源形態：放射性物質崩壊熱による 　　　　　熱電発電 熱電材料：P-type TAGS85 , N-type PbTe 設計耐用年数：3年 設計出力：初期出力40.7W, 効率6.2% 　　　　　熱源温度　785K/430K 比出力　3.0 W/kg 搭載個数：４個 打ち上げ 1972/03/02 太陽系脱出 1983/06/13 最終データ送信 2003/01/22 http://web.mac.com/iida_lab/

  15. 蒸気/ガスタービン 熱電変換技術 スターリングエンジン 排熱・太陽熱利用技術

  16. スターリングエンジン

  17. スターリングエンジン

  18. 蒸気/ガスタービン 熱電変換技術 スターリングエンジン 排熱・太陽熱利用技術

  19. 特徴 : 産業炉・焼却炉など 熱電変換　発電素子 電流 排　熱 素子構造がシンプル &　可動部がない 電力 　出力 熱ｰ電気直接変換型発電素子 高温側 Heat sink Mg2Si Mg2Si 低温側 Heat sink

  20. http://web.mac.com/iida_lab/ 21

  21. > 500oC

  22. Thermoelectric generator for diesel vehicle Volkswagen Transporter Scheme of the generator 50 cm Unit 600 – 110 km/h W= W W » max 0.25 W W 160 – for NEDC W = W max 31

  23. Calculated results of thermal converter temperature under conditions of New European Driving Cycle T , C O kW 800 700 Exhaust gas temperature 600 500 400 40 Modules temperature 30 300 200 20 Gas heat power 10 100 t 0 400 200 800 1000 1200 , sec . 600 For gasoline engine For diesel engine : » - ° » - ° T T 3 0 0 5 0 0 C 2 0 0 3 5 0 C 28

  24. http://web.mac.com/iida_lab/ 25

  25. 27 アプリ例－熱電変換モジュール－ （１）市町村レベルの焼却炉 （２）工業用プラント （６）太陽光発電システム （３）工業炉 （５）エンジン自動車 本発明の熱電変換モジュール （４）製鉄用高炉

  26. 28 アプリ例－応用とメリット－ 市区町村単位での独立発電システム 　　・　ゴミ焼却時の排熱の有効利用 　　・　送電時の電線による損失を軽減 　　・　独立エリアでの発電による危機管理 事業所単位での独立発電システム 　　・　排熱の回収 　　・　発電所からの電力供給量を軽減 　　・　コストの削減 ハイブリッドカーへの応用 　　・　燃費向上によるCO2削減

  27. 29 アプリ例－応用とメリット－ 太陽光を利用したシナジー型発電システム 熱源の無い場所でも熱電発電を有効的に利用できるシステム 砂漠や森林など、排熱が無い場所での発電 災害時における発電 紫外線を利用した 太陽電池による発電 赤外線は透過 フレネルレンズで集光加熱 熱電発電

  28. 熱電変換材料の材料設計指針 必要な物性について • 　高い電気伝導（エレクトロン、ホール） • 　高いゼーベック係数 • 　高い電流密度 • 　低い熱伝導 • 　高い化学的耐久性 • 　他の材料との熱膨張係数のマッチング • 　電極材料とのオーミック接触 材料の作製について • 　非毒性元素により構成 • 　高いクラーク数 • 　簡易な合成プロセス（低温、短時間、省エネルギー） • 　容易な成型加工

  29. 必要な物性について • 　高い電気伝導（エレクトロン、ホール） • 　　　　　　キャリアーの増加、移動度の増加 • 　高いゼーベック係数 • 　　　　　キャリアの拡散係数の低下（キャリアの濃度差をつける） • 　高い電流密度 • 　　　　　電流の輸送量の増大（電力の増大） • 　低い熱伝導 • 　　　　　温度差ΔTの維持 • 　高い化学的耐久性 • 　　　　　高温部の化学的耐久性（耐酸化性、耐還元性） • 　他の材料との熱膨張係数のマッチング • 　　　　　デバイス構成材料間での熱膨張係数差による破壊を防ぐ • 　電極材料とのオーミック接触 • 　　　　　内部抵抗の減少

  30. 高い電気伝導（エレクトロン、ホール） キャリアの生成 不純物半導体では　 固溶サイトの占有原子よりも高原子価の元素の固溶により n形半導体 固溶サイトの占有原子よりも低原子価の元素の固溶により p形半導体 酸素欠陥の生成 高温熱処理時の酸素分圧の制御により欠陥を誘起し、キャリアを放出 不定比性の化合物における欠陥構造によっても禁制帯中に エネルギーレベルができる

  31. <Band Structure bulk 5% Y-dope SrTiO3>

  32. 　高いゼーベック係数 • キャリアの拡散係数の低下（キャリアの濃度差をつける） • 　　　　　　有効核電荷の増加（原子番号の大きな元素により • 　　　　　　固溶置換 • 　　　　　　キャリアの生成と移動度の低下 ゼーベック係数 • 高い電流密度 • 　　　　　電流の輸送量の増大（電力の増大） • 電流を流すパスの増加 • 　低い熱伝導 • 　　　　　温度差ΔTの維持 • 　　　　　電気伝導度が高いとκelが大きく、熱伝導も大きく • 　　　　　キャリア濃度が多い、移動度が高いと熱伝導は大きく • 　　　　　有効核電荷の増加や格子を歪ませることで熱伝導を抑制

  33. チタン酸ストロンチウム チタン酸ストロンチウム　　　　　　　　 ：Sr ion ：Ti ion ：O ion Ti-O間の 結晶構造とバンド構造 電気が流れやすい しかし、 バンドギャップが大きい キャリアが存在しない →電気伝導性はない キャリアを導入することで 電気伝導性を発現 例) Srサイトに3価金属(La3+など) Tiサイトに5価金属(Nb5+など) キャリア濃度の制御

  34. チタン酸ストロンチウム Table主な熱電材料とSrTiO3の熱電性能比較2)3) 電気伝導率 ゼーベック係数 問題点 熱伝導率が高い Sr2+（0.140nm）サイトにイオン半径の小さいY3+(0.119nm)を 置換することにより、キャリアの生成と熱伝導率を抑制 Ref 2). S.Ohta, et al., J. Appl. Phys Ref. 3) G.D.Mahan ., Solid State Phys., Vol. 51 (1998), pp.81-157

  35. 熱電性能計算 virtual crystal法 例）Y 5%をSrサイトに固溶置換 Sr38 95%Y39 5% 　仮想的な元素 X38.05をSrサイト に用いて全電子計算する方法 x=0.04において　　　　　　 特異点を持つ　　　　　　　　 Bloch-Boltzmann理論の式 Y3+の置換量をSr1-xYxTiO3 x=0.02～0.06とした。

  36. Sr1-xYxTiO3熱電変換特性評価

  37. 計算結果と実測値の比較

  38. Sr1-xYxTiO3熱電変換特性評価 s S S2s s 熱起電力S 電気伝導率 絶縁体 半導体 導体 κ_el=LTs 熱伝導率　k κ_phonon logn(キャリア濃度) 熱伝導率置換量依存性(室温) 熱伝導率 Y3+を置換することで熱伝導率を抑制することに成功！！ x=0.04以降ではほぼ同じ熱伝導率となった。

  39. Sr1-xYxTiO3熱電変換特性評価 S2･s ZT =･T k 今回の実験で ZTはx=0.06で最大となり 661Kにおいて ZT=0.14 ゼーベック係数が最も小さい ＞ 電気伝導率が大きい 熱伝導率が小さい

More Related