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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

氧化铁基高温温差发电装置的实用化开发及性能评价

基本信息

批准号：
09J03439
负责人：
野崎友大
金额：
$ 0.9万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J03439/
关键词：
熱電発電鉄酸化物デラフォサイトスピネル

项目摘要

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。

This year, compared with the previous year, the thermoelectric properties of P-type CuFeO_2 and N-type Fe_3O_4 have been improved. The optimization of the composition of P-type and P-type materials was successfully carried out, and the maximum ZT of CuFe_ Cr_ Mg_ O_2 and CuFe_<0.49>Cr_<0.49>Mg_<0.02>O_2 was successfully increased by 10% The dependence of Fe^<2+> and M^<2+> on the <3-x>substitution element M of Fe_3O_4 for N-type samples was adjusted in detail.(1) The electrical conductivity coefficient and M dependence were small, and the thermal conductivity near room temperature was large and different according to the type of M.(2) The thermal conductivity coefficient and the radius difference of the substitution element were large and small. This <3-x>is an important result in the design of thermoelectric properties of M_xFe_ O_4. In this paper, the author discusses the application of Zn_<0.6>Fe_<2.4>O_4 in the field of room temperature and high temperature. Thermoelectric power generation process, such as pi-type power generation process, high-temperature side power generation process, etc. (1) high temperature metal electrode,(2) thermal expansion rate difference is small, thermal stress is small, break point is small, high temperature thermoelectric conductivity is small, thermal expansion coefficient is small. The output characteristics of the control system are evaluated. The output density is obtained at 700K at high temperature and at 300K at constant temperature. 92,000 yen/W At present, the temperature of the high temperature side is 1200K, and the temperature of the constant temperature side is 300K. The current transmission temperature is 200 °/W. This paper shows the possibility of using Bi_2Te_3-based materials with 1,250 μ m/W for thermoelectric power generation.