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エネルギー研、従来より性能20%アップした熱電素子を開発

高い信頼性と出力密度特性を確保


韓国の研究チームが廃熱をエネルギーに変える中温熱電素子製造技術を開発した。従来に比べて性能が20%向上した。

韓国エネルギー技術研究院(クァク・ピョンソン院長)は同研究院分離変換素材研究室研究チームが世界最高水準の出力密度と信頼性をもつ中温熱電素子製造技術を開発したと4月19日に発表した。

熱電素子は熱エネルギーを電気に変えるエネルギー素子。熱を加えると電気を生成し、電気を加えると吸熱反応を示す特性があり温度計や冷却装置などに使用されている。

発電動作温度が400~600℃である中温熱電素子は自動車の廃熱回収、宇宙探査線の電力用など多様な分野に利用できることから注目されている技術分野。だが発電効率が低く実際の利用は遅れているのが現状。

研究チームは代表的な中温熱電素子であるスクッテルド鉱(skutterudite)熱電素子を構成する金属化層で鉄-ニッケル(Fe-Ni)層を開発した。これにともない既存の技術に比べて改善された長期信頼性と高い出力密度という特性を同時に確保した。

中温熱電素子は熱を受けて電気を生産する熱電素材の部分と熱電素材を配列して固定する基板部に分けられる。熱電素材と基板部をつなぐために多様な追加機能層が必要となる。このうち熱電素材の表面に接合した金属化層(Metallization layer)は二つの部分が圓滑につながるよう誘導する機能をもつ。

金属化層は高温で熱電素材あるいは基板物質が互いに拡散して劣化するのをを防ぐ役割を果たす。スクッテルド鉱熱電素子に一般的に使用されるチタン(Ti)金属化層は拡散を防止する機能が不足しており素子の長時間使用が不可能という短所があった。

研究チームはチタン金属化層を代替する鉄-ニッケル(Fe-Ni)金属化層を新たに開発して拡散防止性能を大幅に改善した。また熱電変換出力密度2.1W/cm2を記録し、既存の技術に比べて20%向上した水準の性能を実現した。

研究論文の第1著者であるパク・サンヒョン責任研究員は「単純に出力特性を高める水準を超え鉄-ニッケルという新たな機能層により開発された素子が高温で長時間にわたり作動しても性能低下を最小化した。中高温用の熱電素子が多様な熱関連の発電分野に利用される可能性が高まった」と話している。

研究成果はエネルギー分野の学術誌である米国化学会の『Applied Energy Materials』に掲載された。





[2018-04-23]

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