実用化に向けた鉄酸化物系高温用熱電発電デバイスの開発と性能評価

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高温用鉄酸化物熱電発電デバイスの開発を目指し、本年度は前年度に引き続きP型CuFeO_2とN型Fe_3O_4の熱電性能の向上を行い、さらに性能向上した材料を用いて熱電発電デバイスの試作と評価を行った。P型では、前年度得られた材料の組成の最適化を行い、CuFe_<0.49>Cr_<0.49>Mg_<0.02>O_2という組成で最大ZTの10%の向上に成功した。N型ではFe_3O_4のFe^<2+>をM^<2+>で置換した試料M_xFe_<3-x>O_4の置換元素M依存性を詳細に調べ、(1)電気伝導率やゼーベック係数はM依存性が小さいのに対して室温付近の熱伝導率はMの種類によって大きく異なること、(2)その熱伝導率は置換された元素のイオン半径の差が大きいほど小さくなることを発見した。これはM_xFe_<3-x>O_4の熱電特性の設計に役立つ重要な結果である。これを利用し、Zn_<0.6>Fe_<2.4>O_4という組成で室温から高温にかけた広い温度領域でZTの向上に成功した。熱電発電デバイスの作製において、従来のπ型デバイスに変わり、高温側を金属電極で架橋せず直接接合するデバイスを放電プラズマ焼結法により作製した。これは(1)高価な金属電極を用いない、(2)熱膨張率の差が小さく熱応力によるデバイスの破断が起こりにくいという点で、安価な高温用熱電発電デバイスとして優れた構造である。実際に作製したデバイスの出力特性を評価し、高温側を700K、定温側を300Kとした際に3mW/cm^2という出力密度を得た。これは発電コストに直すと92,000円/Wとなる。今回実際に測定できなかった高温側を1200K、定温側を300Kとした際の発電コストをシミュレーションし、最大で200円/Wが達成できる見通しを得た。これは現在実用化されているBi_2Te_3系材料の1,250円/Wよりも安く、実用可能なレベルの鉄酸化物熱電発電デバイスの可能性を示すことができた。