【試験装置用標準器】NEDO／AIST／TherMAT、高い耐久性と信頼性を持つ熱電発電試験用標準参照モジュール開発。計測技術の高信頼化を推進し、発電性能試験法の国際標準化活動に活用

　1次エネルギーの多くは効率的に利用されておらず、未利用熱エネルギーとして廃棄されている。そのため、未利用熱エネルギーの有効活用は、省エネルギーとCO2排出削減の重要な柱。特に、未利用熱エネルギーの電力回収（排熱発電）には高いニーズがあり、熱エネルギーを電力に直接変換できる熱電変換技術には大きな期待が寄せられている。しかしながら、熱電発電※1システムの基本構成部品である熱電発電モジュール※2の発電性能や耐久性を正確に評価する技術は標準化されておらず、その性能を保証する技術の確立が課題であった。
　今般、こうした課題を解決するため、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は、「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発※3」プロジェクトを通じて、国立研究開発法人 産業技術総合研究所（AIST）と未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合（TherMAT）とともに、熱電発電モジュールの正確で迅速な発電性能評価を行うための試験装置用標準器（標準参照モジュール）を開発した。熱電変換材料としてニッケル合金を使用することで、この標準参照モジュールに高い耐久性と信頼性を持たせた。これにより、熱電発電性能の試験法を標準化する上で大きな貢献が期待される。
　なお、この技術の詳細は、2020年1月14日（協定世界時）にElsevierが発行する学術論文誌「Applied Energy※4」に掲載される。

今回の成果
　熱電発電モジュールは、p型熱電変換材料※2とn型熱電変換材料※2から構成されている。一般に、熱電変換材料は焼結体※5である場合が多く、そのためにもろいことが1つの欠点とされている。一方、試験装置に使われる標準参照モジュールには、試験法標準化のための正確で迅速な発電性能評価につながる優れた耐久性が求められる。そこで、NEDOとAIST、TherMATは、これらの課題を解決するために、今回、焼結体よりも耐久性に優れたニッケル合金を熱電発電試験用標準参照モジュールのp型とn型熱電変換材料として用いた。具体的には、p型はクロメル（Ni90Cr10）、n型はコンスタンタン（Cu55Ni45）の熱電変換材料。これらは焼結体の熱電変換材料よりも機械的耐久性が高い一方、熱伝導率※6が高いため、標準参照モジュールとして用いるためには、熱伝導率を低減する必要がある。そこで、ニッケル合金の熱電変換材料を中空に加工し、熱が伝わる面積を減らすことで、焼結体の熱電変換材料と同程度の低い熱伝導率を実現した（図1）。
　表1では、高温側を500℃、低温側を50℃としたときの、ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの最大出力電力と最大変換効率※7の初期値と、クロメル、コンスタンタン、銅電極、基板などの電気と熱の輸送特性からのみ予想されるそれらの計算値※8（熱損失と電気損失を考慮していない値）を示す。実測値と計算値はおおむね一致しており、熱損失と電気損失の少ないモジュール設計を実現した。
　ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの高温側を500℃、低温側を50℃として、1回の試験後にセッティングをモジュールの着脱からやり直す方法で、発電特性を繰り返し試験した。図2（a）は、熱電発電試験用標準参照モジュールの最大出力電力と最大変換効率の変化を示している。12回の測定すべてで最大出力電力と最大変換効率はほとんど変化せず、非常に高い安定性を示している。最大出力電力と最大変換効率における平均値からの偏差は、それぞれ0.5％と0.6％以内に収まることが分かった。
　次に、ニッケル合金を使用した熱電発電試験用標準参照モジュールの高温側を500℃、低温側を50℃として、発電性能の120時間耐久試験を実施した。図2（b）に、熱電発電モジュールの最大出力電力と最大変換効率の時間変化を示す。120時間後において、それらの値は変化せず非常に高い安定性を示しており、最大出力電力と最大変換効率における平均値からの偏差は、それぞれ0.8％と0.3％以内に収まることが分かった。
　このモジュールは、このように高い信頼性を持つために、性能を保証するための参照用熱電発電モジュールとしての使用が期待される。

今後の予定
　NEDOとAIST、TherMATは、国内外の研究機関と連携し、本標準参照モジュールの普及を進めることで、熱電発電モジュールに関する信頼性の高い性能計測技術の確立を目指す。またNEDOとAIST、TherMATは、この熱電発電試験用標準参照モジュールを、現在IEC-TC47／WG7において進めている熱電発電モジュールの発電性能試験法に関する国際標準化活動にも活用する。

＜注釈＞
※1　熱電発電
　2つの異なる材料（特殊な半導体材料である熱電変換材料と電極材料）の接合点に温度差をつけることにより、起電力が発生するというゼーベック効果を応用した発電方法。
※2　熱電発電モジュール、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料
　熱電発電モジュールでは、電荷を運ぶ電荷担体（キャリア）が正の電荷を持った正孔（ホール）であるp型熱電変換材料と、負の電荷を持った電子であるn型熱電変換材料を、図に示すように電気的には直列、熱的には並列に配置する。このモジュールの上下に温度差が生じると、キャリアであるホールと電子が、高温側から低温側に拡散して電力が得られる。下図はpn対が1個の一段型熱電発電モジュールを示す。実際のモジュールは、もっと多くのpn対から構成されます。例えば、今回開発した熱電発電モジュールは8個のpn素子対から成る。
※3　未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発

　プロジェクトリーダー：小原春彦（産総研　企画本部　副本部長）
　事業概要：未利用熱エネルギーに関する革新的な活用技術の研究開発を行う。
　事業期間：2013年度から2022年度（うち2013年度から2014年度は経済産業省にて実施）
※4　Applied Energy
　エネルギー工学全般の技術分野をカバーし、査読を取り入れた専門性の高い学術雑誌。
　Applied Energy（英文HP）
※5　焼結体
　粉末を融点よりも低い温度で加熱して緻密に固めたもののこと。焼結体は一般的にもろい材料。
※6　熱伝導率
　優れた熱電変換材料には、高い出力電力を得るために、高いゼーベック係数と低い電気抵抗率が必要とされる。さらに、 熱電発電に必要な温度差を維持するためには、低い熱伝導率が要求される。
※7　変換効率
　熱電発電モジュールの変換効率は、出力電力を入力熱量で割ったものとして定義される。
※8　計算値
　熱電発電モジュールの出力電力と変換効率の計算値は、経済産業省の委託事業「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業」（2015年度から2019年度）の成果。計算値は、有限要素法により求められた。