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熱電変換材料とは

熱電発電. 電流. 小型化が可能. メンテナンス不必要. 高温. p. p. n. n. 形. 形. 形. 形. 低温. 熱電変換材料とは. 両端に温度差をつけることに より 熱 を 電気 に相互変換させる 熱起電力の高い材料. n 形　. 低温. 高温. ＋極. －極. 電子. p 形　. 高温　　　. 低温. －極. ＋極. 電流. ホール. s. S. S 2 s. s. 熱起電力 S. 電気伝導率. 電流. 絶縁体. 半導体. 導体. κ_ el=LT s. 熱伝導率　 k. κ _phonon.

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熱電変換材料とは

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Presentation Transcript

  1. 熱電発電 電流 小型化が可能 メンテナンス不必要 高温 p p n n 形 形 形 形 低温 熱電変換材料とは 両端に温度差をつけることに より熱を電気に相互変換させる 熱起電力の高い材料 n形　 低温 高温 ＋極 －極 電子 p形　 高温　　　 低温 －極 ＋極 電流 ホール

  2. s S S2s s 熱起電力S 電気伝導率 電流 絶縁体 半導体 導体 κ_el=LTs 熱伝導率　k κ_phonon logn(キャリア濃度) n形　 両端に温度差をつけることに より熱を電気に相互変換させる 熱起電力の高い材料 高温 低温 無次元性能指数 S2･s ZT =･T k S s k T :ゼーベック係数 :電気伝導率 :熱伝導率 :絶対温度

  3. 熱電変換材料の現状 S2･s ＞ ZT =･T 1 k ＝ (変換効率10%程度)が実用化の目安　　　　 現在研究されている熱電変換材料 室温付近 :Bi-Te系金属間化合物 673K-873K付近 :Pb-Te系金属間化合物 :Si-Ge系金属間化合物 1073K以上 問題点 ・稀少元素(高コスト)、毒性元素を用いること ・高温で化学的に不安定であること

  4. 高い効率な発電には 高温部 p-n接合が有効 p形半導体 n形半導体 e- h モジュールではこれを多数接続 低温部 I P型モジュール

  5. a: Bi0.88Sb0.12, b: Bi2Te2.7Se0.3, c: AgPb18SbTe20, d: (Pb, Sn)Te, e: PbTe, f: Ga2Se3, g: SiGe, h: FeSi2, i: SrTiO3: La (単結晶), j: SrTiO3: La, k: SrPbO3: La, l: ZnO: Al, m: In2-xYxO3(ZnO)5, n: In2O3-SnO2, o: NaxCoO2 (単結晶), p: [Ca2CoO3]0.62CoO2 (単結晶), q: NiO: Li Fig.1-1-1　代表的な熱電変換材料の性能指数

  6. 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 ℃ K 0 100 200 300 400 500 600 700 800 焼却炉、電気炉、製鉄所など BiTe系 Ｍｇ2Ｓｉ系 自動車 ZnSb系 給湯器 PbTe系 スクッテルダイト系 PC、モーター、トランスなど 酸化物

  7. 層状化合物 CoO 2 Na 0.5 伝導を担うバンドは二次元方向に Ｃ軸方向はイオン性 電気伝導は二次元的に広がり、熱伝導も伝導キャリアーによる二次元的広がり Co NaCo2O4 (Na0.5CoO2) Co SrO Co BiO CaO CoO BiO CaO SrO Co Co 欠陥構造の誘起により熱伝導の減少 [Bi2Sr2O4]yCoO2 [Ca2CoO3]yCoO2

  8. 5mm 5μm 5μm Na1.5Co2O4 prepared by modified Pechini’s procss Ca3Co4O9 powder prepared by modified Pechini’s process Na1.5Co2O4 powder prepared by solid state reaction Figure SEM images of powders prepared by Pechini’s process and solid state reaction

  9. pressure Sample pressure Figure XRD patterns of Na1.5Co2O4+d ceramics prepared by SPS at 800ºC for 1min, measured by differential directions.

  10. (a) Na1.5Co2O4 textured ceramics (b) Ca3Co4O9 textured ceramics Figure Thermoelectric properties of textured ceramics: ● in-plane , ○ out of plane.

  11. チタン酸ストロンチウム チタン酸ストロンチウム　　　　　　　　 ：Sr ion ：Ti ion ：O ion Ti-O間の 結晶構造とバンド構造 電気が流れやすい しかし、 バンドギャップが大きい キャリアが存在しない →電気伝導性はない キャリアを導入することで 電気伝導性を発現 例) Srサイトに3価金属(La3+など) Tiサイトに5価金属(Nb5+など) キャリア濃度の制御

  12. Table 1-1-1　クラーク数6) ※(非)：非金属元素、それ以外は金属元素を表す。クラーク数(％)は地殻における元素の重量比とする。

  13. チタン酸ストロンチウム Table主な熱電材料とSrTiO3の熱電性能比較2)3) 電気伝導率 ゼーベック係数 問題点 熱伝導率が高い Sr2+（0.140nm）サイトにイオン半径の小さいY3+(0.119nm)を 置換することにより、キャリアの生成と熱伝導率を抑制 Ref 2). S.Ohta, et al., J. Appl. Phys Ref. 3) G.D.Mahan ., Solid State Phys., Vol. 51 (1998), pp.81-157

  14. 熱電性能計算 virtual crystal法 例）Y 5%をSrサイトに固溶置換 Sr38 95%Y39 5% 　仮想的な元素 X38.05をSrサイト に用いて全電子計算する方法 x=0.04において　　　　　　 特異点を持つ　　　　　　　　 Bloch-Boltzmann理論の式 Y3+の置換量をSr1-xYxTiO3 x=0.02～0.06とした。

  15. Sr1-xYxTiO3熱電変換特性評価 s S S2s s 熱起電力S 電気伝導率 絶縁体 半導体 導体 κ_el=LTs 熱伝導率　k κ_phonon logn(キャリア濃度) 熱伝導率置換量依存性(室温) 熱伝導率 Y3+を置換することで熱伝導率を抑制することに成功！！ x=0.04以降ではほぼ同じ熱伝導率となった。

  16. 直接メタノール形燃料電池 DMFC: Direct Methanol Fuel Cell メタノール：人体には有毒 　　　　　　　空気中で安定 　　　　　　　取り扱い容易 取り扱いが容易　　　　　　反応が困難 電極触媒により反応を高める

  17. アノード極での反応 CH3COH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- カソード極での反応 3O2 + 6H+ + 6e-3H2O 全反応 CH3OH + 3O2CO2 + 2H2O

  18. ダイレクトメタノール燃料電池 東芝電気

  19. モバイル型燃料電池

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