シリコンクラスレートによる高効率熱電発電材料の開発

利用硅包合物开发高效热电发电材料

基本信息

批准号：
17760535
负责人：
宗藤伸治
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までに、Ba-Al-Siクラスレートの合成元素・組成の探索および熱処理条件の最適化を行い、すでに本研究の目標(性能指数Z=0.001K-1以上)を達成した良好な熱電性能を示した材料が作製できている。そこで本年度はその材料を素子として用いた高出力熱電発電モジュールを作製した。72個の素子をアルミナのメッシュ内に挿入し、電極で素子を電気的に直列に接合した。高温側の基板をヒーターで加熱し、低温側の基板は送風により冷却を行うことにより発電実験を行った。高温側の基板の温度が上昇するにつれて開放電圧は上昇していき、高温側基板温度が500℃の場合に約1.65Vの開放電圧が得られた。その時の低温側の基板温度は約110℃であり、送風程度の冷却で発電に必要な温度差が得られることが分かった。また、電流電圧特性を評価したところ、高温側基板温度500℃で短絡電流0.2Aとなり、約0.08Wの最大出力が得られた。さらに、サイクル特性を評価するため、高温側の基板温度を500℃まで加熱し、その後、室温まで冷却することを10回行ったが、開放電圧および短絡電流において1%以内の誤差で再現性があることが確認できた。このモジュールが実用に耐え得るかどうかを検証するため、携帯電話のリチウムイオン電池の充電試験を行った。上述の発電性能試験同様、高温側の基板をヒーターで加熱し、低温側は送風により冷却し発電を行った。得られる電圧は1.65Vであるため、リチウムイオン電池の充電に必要な5Vまで昇圧回路により昇圧を行い、携帯電話の端子に配線したが、この昇圧回路は熱電発電モジュールのみで駆動する。高温側の基板温度が約300℃に達すると携帯電話に装備されているLEDが点灯し、充電が開始されたことを示した。満充電には数時間を要したが本研究により作製された熱電発電モジュールは実用に適用できることが示された。

到了去年，我们已经寻找了Ba-Al-Si笼形物的合成元素和组成，并优化了热处理条件，已经获得了良好的热电性能，达到了本研究的目标（品质指数Z） = 0.001K-1 或更多）已生产出已证明性能的材料。因此，今年我们以这种材料为元件，打造了高输出热电发电模块。将七十二个器件插入氧化铝网中，并使用电极将器件串联电连接。通过用加热器加热高温侧板并用空气冷却低温侧板来进行发电实验。随着高温侧基板温度升高，开路电压增大，当高温侧基板温度为500℃时，获得约1.65V的开路电压。此时，低温侧基板的温度约为110℃，可知通过冷却至吹送空气的程度，能够得到发电所需的温度差。另外，评价电流-电压特性时，在高温侧基板温度500℃下得到0.2A的短路电流，得到约0.08W的最大输出。此外，为了评估循环特性，我们将高温侧板加热至500℃，然后冷却至室温10次，但开路电压和短路电流I的再现性误差在1%以内。能够确认某事。为了验证该模块是否能够承受实际使用，我们对手机中的锂离子电池进行了充电测试。与上述发电性能试验同样地，通过用加热器加热高温侧基板、用空气冷却低温侧来发电。所得电压为1.65V，因此使用升压电路将电压升压至锂离子电池充电所需的5V，并连接至手机端子，但该升压电路仅由热电发电供电模块。当高温侧板的温度达到约300°C时，安装在手机中的LED亮起，表明充电已经开始。尽管电池充满电需要几个小时，但本研究中创建的热电发电模块被证明适合实际使用。