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

基本信息

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

项目摘要

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。

本研究旨在开发一种“热电发电模块”，利用对环境影响较小的热电转换材料Mg_2Si，将中高温范围（400至600摄氏度）的废热直接转化为电能，实现高发电效率。主要目的是使输出和高耐用性达到实用水平。为了实现这些目标，2011年度进行了以下研究内容。 (1)更高的输出：提高Mg_2Si的热电性能1-1.使用霍尔测量装置和海外研究中心CNR-IENI的Van der Pawu方法制备和评估使用粗Mg_2Si颗粒的烧结体。评价发现，通过使颗粒粗大化，移动性和导电性得到改善。 1-2.寻找获得最大性能的最佳锑(Sb)添加量在0至1.5at％的Sb添加量范围内，热电性能在0.5at％Sb添加量附近显示出最大值。那(2)提高耐久性：通过在Mg_2Si 2-1中添加杂质来提高高温耐久性添加杂质的Mg_2Si具有高温耐久性的原因通过使用热重分析仪对Mg_2Si进行差热分析的结果可知。发现随着Sb添加量的增加，存在氧化反应开始温度范围向高温侧移动的倾向，即，高温耐久性有提高的倾向。 (3)更高的输出：寻找能够更有效地提取Mg_2Si 3-1产生的电力的电极材料。寻找与Mg_2Si具有良好的结合性能和低接触电阻的电极材料。CNR-IENI拥有多种PVD设备。由于可以粘合电极材料，例如对电极-Mg_2Si键合界面进行SEM观察和划痕测试，获得了今后与各种电极材料进行比较所需的基础数据。 (4) 高输出和高耐久性：新型发电模块结构的探索 4-1 新型Mg_2Si模块的制造和评估本财年，我们将开发一种从热源到元件的热损失低的模块结构。为了实现这一点，我们使用了一种新的热粘合构件，并将受桁架结构启发的结构应用于模块。有限元分析表明该结构在耐久性方面是有效的。

项目成果

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Fabrication of large sintered pellets of Sb-doped n-type Mg_2Si using a plasma activated sintering method

等离子体活化烧结法制备Sb掺杂n型Mg_2Si大型烧结球团

DOI：
10.1016/j.jssc.2012.07.008
发表时间：
2012
期刊：
影响因子：
3.3
作者：
Y. Hayatsu; T. Iida; T. Sakamoto; S. Kurosaki; K. Nishio; Y. Kogo; Y. Takanashi
通讯作者：
Y. Takanashi

Thermoelectric properties and durability at elevated temperatures of impurity doped n-type Mg_2Si

掺杂n型Mg_2Si的热电性能及高温耐久性

DOI：
发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
0
作者：
Y. Oto; T. Iida; T. Sakamoto; R. Miyahara; A. Natsui; K. Nishio; Y. Kogo; N. Hirayama; Y. Takanashi
通讯作者：
Y. Takanashi

Examination of a thermally viable structure for an unconventional uni-leg Mg_2Si thermoelectric power generator

非常规单腿 Mg_2Si 热电发电机热可行结构的检验

DOI：
10.1007/s11664-012-1974-0
发表时间：
2012
期刊：
影响因子：
2.1
作者：
T. Sakamoto. T. Iida; Y. Taguchi; S. Kurosaki; Y. Hayatsu; K. Nishio; Y. K.ogo; Y. Takanashi
通讯作者：
Y. Takanashi

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

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
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

Improvement of thermoelectric properties of doped n-type Mg_2Si and component technology to realize a unileg thermoelectric generator

掺杂n型Mg_2Si热电性能的改善及组件技术实现单腿热电发电机