環境低負荷半導体搭載型熱電発電モジュールの高出力・高耐久化に関する研究

配备低环境影响半导体的热电发电模块的高输出和耐久性研究

• 批准号: 12J07687
• 负责人: 坂本 達也
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J07687/
• 关键词: 熱電変換; 環境半導体; マグネシウムシリサイド; プラズマ放電焼結; 電極接合; 熱電モジュール

本研究は、中高温域(400～600℃)の排熱を直接電気エネルギーに変換する「熱電発電モジュール」を、環境低負荷な熱電変換材料Mg_2Siを用いて、実用レベルまで高出力、高耐久化することを主目的としている。これら目的の達成の為、H25年度の研究内容を以下のとおり実施した。(1)高出力化 : Mg_2Siの熱電特性向上1-1. 粗大Mg_2Si粒子を用いた焼結体の作製と評価海外研究滞在先のCNR-IENIにて、Hall測定装置およびVan der Pawu法を用いて評価した結果、粒子を粗大化することにより移動度が向上し、電気伝導率が向上することが明らかになった。1-2. 最大性能を得るためのアンチモン(Sb)の最適な添加量の探索Sb添加量0～1.5at%の範囲内においてはSb添加量0.5at%前後にて熱電性能が極大値を示すことが明らかとなった。(2)高耐久化 : Mg_2Siへの不純物添加による高温耐久性付与2-1. 不純物添加Mg_2Siが高温で耐久性を有する原因の解明熱重量分析装置によりMg_2Siの示差熱分析を行った結果、Sb添加量の増加に伴い酸化反応の開始温度域が高温側にシフトする傾向、すなわち高温耐久性が向上する傾向が見られた。(3)高出力化 : Mg_2Siが発電した電力をより効率良く取り出せる電極材探索3-1. Mg_2Siへの接合性が良好かつ低接触抵抗な電極材の探索CNR-IENIが保有するPVD装置では様々な電極材料の接合も可能であったため、従来より接合可能であったNIに加え、CuやAlをMg_2Siへ蒸着させた。電極-Mg_2Si接合界面のSEM観察、ひっかき試験が実施され、今後の様々な電極材料との比較のために必要な基礎的なデータが得られた。(4)高出力・高耐久化 : 新型発電モジュール構造の探求4-1. 新型Mg_2Siモジュールの作製と評価今年度、熱源から素子までの熱損失が少なく、かつ外力による素子折損が生じにくいモジュール構造を得るため、新規な熱接合部材を用い、かつトラス構造から着想を得た構造をモジュールに適用させた。有限要素解析により、この構造が耐久性の観点で有効なことが示された。

This study は (400 ~ 600 ℃), the high temperature domain の heat removal を direct electricity 気 エ ネ ル ギ ー に variations in す る "thermoelectric 発 electric モ ジ ュ ー ル" を な thermoelectric, low environmental load variations in material Mg_2Si を with い て, be レ ベ ル ま で higher force, high durable す る こ と を main purpose と し て い る. The objective of れら is to be achieved. The research content for the year H25 is を. The following とお is implemented. Youdaoplaceholder3. (1) High-output The thermoelectric characteristics of Mg_2Si <s:1> are upward 1-1. Coarse Mg_2Si particles are を fabricated using を た焼 aggregates <e:1> と evaluation 価 overseas research is lagging. <s:1> CNR-IENIにて, Hall measurement apparatus およびVan der を Pawu method with い て review 価 し た results, particle を overgrowth of す る こ と に よ り mobile が し upward, electric 気 伝 conductivity が upward す る こ と が Ming ら か に な っ た. 1-2. The biggest performance を have る た め の ア ン チ モ ン (Sb) the optimal な の の explore Sb added amount add 0 ~ 1.5 at % の fan 囲 に お い て は Sb content before and after the at % 0.5 に て が thermoelectric performance numerical を shown す こ と が Ming ら か と な っ た. (2) High durability: Mg_2Siへ へ impurity addition による high-temperature durability is given 2-1. Impurity content added Mg_2Si temperatures が で durability を す る reason の interpret thermogravimetric analysis apparatus に よ り Mg_2Si の differential thermal analysis line を っ た result, Sb content の raised に with い acidification anti 応 の start temperature domain が high temperature side に シ フ ト す る orientation, す な わ ち high temperature durability が upward す る tendency が see ら れ た. (3) High-output: Mg_2Siが electricity generation た power をよ efficiency good く take た out せる electrode material exploration 3-1. Good Mg_2Si へ の connectivity が か つ low contact resistance な の electrode materials CNR - IENI が retain す る PVD device で は others 々 な electrode materials の joint も may で あ っ た た め, 従 よ り joint may で あ っ た NI に え, Cu や Al を Mg_2Si へ steamed さ せ た. Electrode - Mg_2Si joint interface の SEM 観 examine, ひ っ か き test が be applied さ れ, future の others 々 な electrode materials と の is の た め に な necessary basic な デ ー タ が must ら れ た. (4) High output and high durability: Exploration of New Power Generation モジュ モジュ and structure <e:1> 4-1. New Mg_2Si モ ジ ュ ー ル の cropping と review 価 this year, the heat source か ら element child ま で の less heat loss が な く, か つ force に よ る element child born wreck a が じ に く い モ ジ ュ ー ル を extensively る た め, new rules な heat joints material を い, か つ ト ラ ス tectonic か ら consider を must た tectonic を モ ジ ュ ー ル に applicable さ せ た. Finite element analysis によ によ, <s:1> construction が durability <s:1> 観 point で effect な とが とが とが とが show された.

项目成果

Magnesium oxide uptake in Mg_2Si thermoelectric pellets and their protection by thin coating at middle-high temperatures

中高温下Mg_2Si热电颗粒中氧化镁的吸收及其薄涂层的保护

• 发表时间: 2014
• 作者: S. Battiston;S. Boldrini;A. Famengo;S. Fiameni;T. Sakamoto;A. Miozzo;A. Ferrario;S. Barison;T. Iida;M. Fabrizio
• 通讯作者: M. Fabrizio

Thermoelectric properties and durability at elevated temperatures of transition metal doped Mg2Si

过渡金属掺杂Mg2Si的高温热电性能和耐久性

• 发表时间: 2012
• 作者: 嶋村祐介;李 美龍，成田 吉弘;Tsutomu Iida
• 通讯作者: Tsutomu Iida

Improvement of thermoelectric properties of doped n-type Mg2Si and component technology to realize a unileg thermoelectric generator

掺杂n型Mg2Si热电性能的改进及组件技术实现单腿热电发电机

• 发表时间: 2013
• 作者: T. Iida;T. Sakamoto;N. Hirayama;M. Ishikawa;Y. Kogo;K. Nishio;and Y. Takanashi
• 通讯作者: and Y. Takanashi

Finite element approach for the evaluation and optimization of silicide-based TEG

用于硅化物基 TEG 评估和优化的有限元方法

• 发表时间: 2013
• 作者: Alvise Miozzo;Stefano Boldrini;Simone Battiston;Stefania Fiameni;Alessia Famengo;Tatsuya Sakamoto;Simona Barison
• 通讯作者: Simona Barison

Current status of Mg2Si to realize practical thermal-to-electric power generation device

Mg2Si实现热电发电装置实用化现状

• 发表时间: 2013
• 作者: T. Iida;T. Sakamoto;Y. Taguchi;N. Hirayama;M. Ishikawa;T. Nemoto;Y. Kogo;K. Nishio;and Y. Takanashi
• 通讯作者: and Y. Takanashi