【技術】棄てる熱から発電―セラミックス材料で熱電発電モジュールを実現･･･産総研〔050531〕

■棄てる熱から発電
−セラミックス材料で実用可能な高温用熱電発電モジュールを実現−
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2005/pr20050531/pr20050531.html

　独立行政法人　産業技術総合研究所【理事長　吉川　弘之】（以下「産総研」という）
ユビキタスエネルギー研究部門【部門長　小林哲彦】は、酸化による劣化現象が全く無い
セラミックス材料を用いた熱電変換モジュールの開発に成功した。これまでにも
高温動作可能な熱電変換モジュールはあったが、今回開発した熱電変換モジュールは、
空気中、800℃で動作させても全く性能劣化が無く、しかも、毒性および貴重な稀少元素を
全く使用していないため、経済性に優れるだけでなく、安全性でも、従来式より遥かに
優れた特性を示した。

　このモジュールをゴミ焼却場、工業炉、更には自動車などに用いると、大量に
廃棄されている未利用の廃熱エネルギー（全消費エネルギーの約70%）からの発電が
可能となり、省エネルギー・地球温暖化問題の緩和策として大いに期待できる。さらに
出力密度が高いため、熱源しかない災害地での緊急電源や携帯機器用電源としての
応用も可能である。

＃以上産業技術総合研究所　2005/5/31　配信のプレスリリースより一部引用　全文はソース読んでネ 
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産業技術総合研究所　http://www.aist.go.jp/ 

2

息子

よく分からないが凄そうだ

PC内のヒートシンクとかに噛ませて節電
なんて無理？

【エネルギー】発電も可能な熱電対、希少金属使わず熱にも強い
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1104992918/l50

ペルチェの逆のゼーベックさん

また研究費目当てのバルーンじゃないといいんだけど、
そうじゃなかったらこれはすごいよ・・・

気付いたらコジェネだらけになってそうだ
全工場が全て廃熱で発電

重油の火力発電も、従来の蒸気タービンだけでなく前段階を
燃焼タービンにしただけで熱効率が倍近くになって一気に
50%越えていた筈。
こんな調子だと総熱効率70%位になったりして

たき火に放り込めば発電できるのか…

>>9熱電対だから、温度差が無いとダメ。

屋根瓦にしたらいいんじゃね？

日本ちゃちゃちゃ

>>10
リンク先見たら、まんまペルチェorz

廃熱利用した挙げ句に冷却用の水やらガスやら大量に必要？

これを集めてパイプをつくる、中に何か熱いもの通す、外はそのまま。
寒い地方の工場、水中パイプ、極地の建造物に使えば電気代減ってウマー！

>>14　
冬のシベリアで動かす状況を考えてみる。
シベリアの鉱山か何かで、動力源たる火力発電機があるとして
そのままじゃ作業員が寒いから、火力発電の廃熱をパイプで行き渡らせる
そのパイプ表面にこの熱電対つけて発電もする
室温12度くらいにして作業員がちょっと厚めに服着て働く

で、低温ではあるけどまあ植物育つ温度だし、この熱電対で得られた電力で
照明をつけて、シベリアの冬でも最低限の野菜を育てられる
せいぜいカイワレ程度だろうが。

研究の経緯

　今回開発したモジュールは高温でも劣化せず、毒性元素も含まない酸化物熱電材料、
つまりセラミックス材料から構成されている。産総研では1998年のセラミックス熱電システムの
研究開始以降これまでに、動作温度差が500℃程度の場合、変換効率が10%にも達するp型
層状コバルト系熱電酸化物の発見や、一日に2000種類の熱電試料を合成し評価する技術
などを確立してきた（図3、4）。さらにはこれらの材料を用いた熱電発電機の製造、つまり
モジュール化の研究に取り組んできた。

研究の内容

　熱電モジュールの構造は図1に示すようにp型とn型の熱電材料を交互に直列接続した形と
なっている。これは一本の熱電材料ではいくら大きな温度差をつけてもせいぜい100mV程度の
電圧しか発生できず、積層化が不可欠なためである。モジュール製造の最も困難な問題は、
積層する材料をいかに低い電気抵抗でつなげていくかである。例えば携帯電話の充電に必要な
4Vを発電するモジュールでは、少なくとも40本の熱電材料を直列接続する必要がある。つまり
80カ所の接合を作らなければならない。そのうちのどこか1カ所が断線するケースは論外であるが、
電気抵抗が高い接合部が存在するとモジュールから取り出せる電気エネルギーは少なくなって
しまう。また、熱電モジュールは温度差をつけて発電するシステムであるため、熱電材料とそれらを
つなぐ電極（金属材料）との間の熱膨張率の違いによる破損も大きな問題である。今回、産総研が
開発した熱電モジュールは、800℃の高温でも動作可能にすることを目標にしており、その製造
にはハンダによる接合といった従来技術を用いることはできない。そこで電極材料から接合材料、
接合方法などで新技術を開発し、実用可能なセラミックスモジュールの製造を実現した。

　多くの試行錯誤の末、最終的に産総研で開発に成功した熱電モジュールを図5に示す。また、
この熱電モジュールを使って、小型ガスコンロの炎と水を張ってお湯を沸かしている鍋の間の
温度差を利用して、携帯電話に充電している様子を図6に示す。このように、800℃の高温で何度
動作させても変換性能は変化せず極めて安定であり、熱源さえあればいつでも、どこでも電力
供給が可能であることを実証した。

　ちなみに、今回製造した酸化物熱電モジュールは7〜280対のp-n対で構成されており、高温側を
800℃、低温側を300℃とした場合、手のひらサイズで10W程度発電能力であった。また、今回、
産総研が開発した熱電モジュールは、毒性、稀少元素を含まない材料で構成されているので安価で
あり、接合部分も加熱−冷却サイクルに強く、小型、軽量で大電力を発生できるなど、廃熱回収用の
熱電モジュールとして、優れた性能を有する事が確認された。

図6　お湯を沸かしながら携帯電話を充電。

今後の予定

　今回産総研が製造したのは平板上モジュールであるが、今後は自動車など、搭載する熱機関に
合わせた形状でのモジュール開発が必要となる。そのためにはユーザーである、自動車、工業炉
メーカーなどとの緊密な連携体制を構築し、一刻も早く廃熱回収を実現させ、エネルギー、環境
問題に貢献していく予定である。

>>16
お湯を沸かしながら、って、お湯で発電してるんじゃなくて
お湯を沸かしてるところから熱をがめてるにゃね

そういや、東北大学の教授が開発した
シンラタービンはどうなった。
それを使えばリッター１００キロの車も可能と豪語していたが。

＞図6　お湯を沸かしながら携帯電話を充電。

写真で見ると、なんか凄いな。
アウトドア用には最適じゃん、登山用として世界標準になる可能性があるぞ。

小型の焼却炉の壁面すべてにつければ１ｋｗぐらいは発電できるかな。
あと、超小型の蒸気タービン発電ユニットみたいのがあれば、
低温側の300度の熱ももう一度熱サイクルを使って発電できそう。

つまりCPUに使えばのーとパソコンは電池が要らなくなるのか？

>>21
オマエ天才

>>21
PentiumDに最適(w

>>21
おお、永久機関の完成だ

>>21
最初は熱くないから電池が要るし、冷めないようにずっと動かしておかなきゃならんじゃないか。

一瞬でも「セラミックス」が「セックス」に見えたのは俺だけではないはずだ。

生み出されるエネルギーの何百倍ものコストがかかる

それでも捨てるよかマシ。
でも最終的に回収するエネルギーの総量より生産に使われるエネルギーの方が多かったらアカンな。

>>27
お前、環境系のスレにいつも同じようなこと書いてるだろ。

【温度差発電素子】GIGA TOPAZ　ってどうよ？
http://science3.2ch.net/test/read.cgi/denki/1093604824/

GIGATOPAZ、耐熱温度では負けたな。出力密度では断然勝ってるけど。

>>22->>24
ネタ乙

>>25
ｶﾞﾁ

つーかクーラーや冷蔵庫の熱交換器や車のラジエタやらもみんなコレで。

体温と気温の差程度でどれくらい発電できるかな？

>高温側を800℃、低温側を300℃とした場合、手のひらサイズで10W程度発電能力であった。

500℃の差で10Wだ。

500℃の温度差で10W
1℃の温度差で20mW
ちなみに熱電発電式腕時計の仕様↓
セイコー　http://www.sii.co.jp/info/thermic_sub02.html
シチズン　http://www.citizen.co.jp/med/

セイコー＞温度差1〜3度で1.5μW以上

カシオ＞1℃あたり約0.5Vの熱起電圧、最大14μWの電力

条件は色々違うから決定的とは言えないが

＞1℃の温度差で20mW

が本当ならかなりの効率ってことだな。

ただ、本当に数度の温度差で試験した場合の数値が無いだけに、画期的かどうかはまだ言えないね。
温度差の大きい時だけしか効率が良くないのかもしれないし。数値の伸びが一直線とは限らないし。

>18
【東北大】発電効率、太陽電池の倍…太陽熱発電に成功【20%】
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1091609231/l50

ところで、ｼﾝﾗﾀｰﾋﾞﾝってﾋﾟﾝで紹介された技術なの？

>16
つーか、AISTのHPの写真見るとなんだかボロっちいぞ。
800℃だと電極とか酸化しまくると思うんだが・・・
湯沸かしデモもトパーズのパクり。

>30
そこ見るとblueというのもあるな。耐熱温度でも依然トパーズが最高っぽい。

税金の無駄使いがバレたってとこかな。

>>38
blueのほうは残念ながら冷熱調整用のモジュールだよ。
発電用モジュールと同列には語れない。

希少元素を使わない熱電発電モジュールの研究も無駄ではないと思うよ。
仮に技術自体が無駄になっても研究で得たデータはまた別な形で
役立てることができるはず。

>>38
レアメタル使ってないところとか

トパーズのページには材料については書いてなかったけど。

今までの実用的な熱電対は希少元素使用が大前提。
だから別段書く必要が無い。
高効率な熱電モジュールが希少元素不使用で造れたならそれこそ悦んで書くだろうね。

本当なら大ニュースだが・・・実際はそんなにうまくいかんよーな気がする orz

希少金属使わず800度というなら、コレの方がよくない？　ま、今回のは新規性ないなあ。

【エネルギー】発電も可能な熱電対、希少金属使わず熱にも強い
http://news18.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1104992918/l50

予算取りのために発表か？！
>>39
ペルチェを発電用につかってるのが、いまは一般的みたいだから、ブルーも使えるのでは？

>>40
昭和電工のはレアメタル入りでも安いという話だったYO！
安けりゃおいしい話になるかも！

>>42
確かにこの人たちはカナーリあやしいね。
層状コバルト系熱電酸化物の発見の発表の時もすんごい値だったけど・・・ねえ。

在日強制収容所で燃やした在日の熱で発電可能になるな。

在日もなかなか役に立つようになったな。

>ペルチェを発電用につかってるのが、いまは一般的みたいだから、ブルーも使えるのでは？

使おうと思えば使えるかもしれない。
だけど最近ははっきり発電用と謳ってるモジュールも出てきてるんだよ。
http://www.n-tecmo.co.jp/custama/perutie.htm
http://www.ferrotec.co.jp/products/thermo/thermo.html

お湯を沸かすエネルギーの一部を奪って携帯に充電してるわけだから
その分お湯が沸くのにかかる時間が延びるわけで
その間に消費したガスエネルギー分、外部へもれる熱も増えるし
経済的負担も増加する

余剰熱の冷却にかませるのはいいけど
かませればおそらく冷却性能は半減するから冷却機構を倍増しないといけないわけで
例えば車なら、重量が増えればそれだけ消費エネルギーも増える
＋−０になるんじゃないかな？

その辺どうなのかな？

>>46
　お湯を沸かしながら充電は、単にわかりやすい例として取り上げてるだけじゃないの？
それにキャンプ云々は、エネルギー効率とかよりも持ち運びとかの利便性の話しだし

発電所のタービン周りや内燃機関のラジエター・エアコンの室外機付近に
取り付けられたらいいよな。

パソコンの廃熱レベルの生暖かい温度差程度じゃたいした発電できないんだね。

暖炉で発電もできるのか。
やかんのまわりにつければ、ここでも発電？

アフリカの奥地用に牛糞を空き缶で燃やして聴くラジオがでて３０年くらいか
やっと高効率になりますたなあ
これだったら牛糞一塊で小型テレビくらい見れそう

>>51
＞アフリカの奥地用に牛糞を空き缶で燃やして聴くラジオ
こんな大掛かりことするならゲルマニウムラジオでいいと思うんだが、
それじゃ駄目なのか？

>>52
大掛かり？いたってコンパクトだったよ
だだっ広いとこで出力も小さな放送局しかないから増幅しないとね

熱源側と、その反対側でどの位温度差を作れるか

廃熱側の熱は、まだ風呂の湯にも熱過ぎるくらいかな
でも太陽電池に比べたらメンテ費用も少なそうだし

大阪大学の核融合実験装置に光電効果の素子と合わせて取り付けられないかな

商品化されてる熱電発電ランプ。お湯は沸かせないな。
http://uco.co.jp/tron.htm

ヤカンとか炊飯器等の調理器具から出る蒸気の熱で動く
換気扇ができるのっていつになるんかなぁ･････

>52
ｹﾞﾙﾏﾆｳﾑﾀﾞｲｵｰﾄﾞは貴重品になるお、これからは。
安物のﾗｼﾞｵなら、IC一個とﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ二個で作れるし。

何でヤカンの蒸気を熱源にするんだ？

コンロ自体の火の近くがかなり高温になるし、
この近くで温度差があるところに素子置けば良いのでは？
ガスコンロの炎の熱を100%使える訳でないし

手のひらサイズっちゅーと大体１０ｃｍ
１�uで約１００枚として１０００ｗか

各種燃焼装置の煙道に設置で、ちまちま効率を稼ぐと。

工場内の照明に必要なエネルギーを全て賄えるか？

ここは熱っぽい半島と冷めた列島間で発電を行う。

>>62 そんな輸送ｲﾗﾈ

熱がこっちに来ちゃうだろが!

>高温側を800℃、低温側を300℃とした場合
なんで低温側が室温付近じゃないんだろう。

>>65
そうなってしまうとうのが真相じゃないの？　どんなに冷却しても温度が上がってしまって効率もえらい低い。
43の言っていることが正しそう。パクりはお隣の国だけだと思っていたが、品性を疑うな。

ペルチェ素子で発電して走行。学習用模型
http://news16.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1098492090/

>65
三百度もあれば、もう一回ぐらい廃熱を回収できるんじゃないの。
それこそ、お湯を沸かして蒸気ﾀｰﾋﾞﾝを回すとか。

300度というのは、外気に触れているという条件で低温側に予想される温度か？
熱放射量や比熱などの関係で、高温側が800度ならその位に収まる温度と言う事で

低温側の空気も熱タービンに使えるかな？
沸点融点が適温にある'非オゾン分解'フロンでも使えるか（水で良いか？）

水はｶﾙｷ抜きをしていないと、ﾒﾝﾃﾅﾝｽが大変だとｵﾓﾀ。
発電機をﾘｰｽって形にしておいて、定期的に交換すれば問題にはならないかもしれないけど。

>>69
外気だけで500度も温度差つかんだろ。現にパクりのデモでは水（お湯）で冷却してるしな。どう考えても胡散臭い。税金でこんなことしていいのか。

原子力発電所から海に放出される温排水で発電するのはダメなの？

本来なら棄てられてしまう「熱」を回収すれば地球温暖化防止に役立つんじゃないの？

素人やね。
電気・電子板逝ってみ。
本スレあるよ。

>72
っていうか原子力発電の原理がそれなんだよ。
すでにそれをやってて、これ以上は効率が悪いから
って時点で捨ててる温水が、今の温排水。

そんな排水からでも、海洋温度差発電を応用すれば発電は可能だとｵﾓﾀ。

たしかにタービン回すよりも温度差のほうが粘れるよな

＞一日に2000種類の熱電試料を合成し評価する技術などを確立してきた（図3、4）。
そりゃ、いい材料も見つかるような気がするｗ
化学的なじゅうたん爆撃、効率は悪いが山勘に頼らない分効果は高い。
ところで詳しいことはぜんぜんわからないが、この熱電対は効率１０％とすると、熱を１０％ほど電気として移動させること、すなわち冷却ができるわけだよな？
するってえと、この技術はスペースシャトルの耐熱板として有望じゃないか？

その電気をどうするのかが問題になりそう

ん？セラミックが高温で熱伝対になって発電するのぉ？

変換効率は？

>79　は加藤鷹

高温発電用は封止してなければ意味ナシ！
電極が酸化してボロボロ即死

早いところ実用化して欲しいものだと思う今日この頃。

すでギガがしてるやん。

売ってないやん。

こうたけど??
おまん、ヤバい会社ちゃうのん。

秋葉原で売ってないものは部品としては認めないお。

tes

早いところ実用化しないものやら。