Transcript マイクロワイヤーアレイ構造エネルギー変換素子の開発

磁場効果を利用した
マイクロワイヤーアレイ構造
エネルギー変換素子の開発
埼玉大学 長谷川 靖洋
[email protected]
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研究の動機
京都議定書を受けてCO2削減の対策が模索されている．産
業界で最も多くCO2を排出するのは、火力発電所
火力発電所の中で、LNG火力発電所に注目
LNGとは・・・液化天然ガス（Liquified Natural Gas）
主成分はメタン
インドネシア・ブルネイなどで産出され、
120Kまで温度を下げ、
液化して専用のタンカーで日本まで輸送する
LNGの持っている冷熱(120Kから300Kの温度差)から
電力回収して、LNG火力発電所全体の効率を上げれないか？
効果的・具体的なCO2削減の対策
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研究の背景
LNG火力発電プラントの概要
Steam
：LNG
Drum
：Water
LNG関係部
Turbine
generator
：Sea water
Boiler
Air
heater
LNG tank
Evaporator
LNG
LNG
pump
Pure water
Circulation
pump
Exhaust
tower
Feed water heater
condenser
LNG tanker
Natural gas Water pump
Sea water pump
Sea water
Sluice gate
Forced air blower
Drainag gate
LNGは可燃性のため、タービンなどの稼働部を持った装置での
エネルギー回収はほとんど行われていない
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CO2削減のための提案
エネルギー回収の手段について
・LNGは可燃性ガスのため、タービンシステムは使用不可
・従来の気化器に大きな変更を加えたくない
LNGの持つカルノー効率
約６０％
低温側 120K(LNG温度)
高温側 300K(海水温度)
提案
温度差を電気エネルギーに
変換する熱電素子を
用いたエネルギー回収
天然ガス300K
海水
天然ガス300K
天然ガス300K
海水
海水
海水
熱電素子
300K
300K
300K
300K
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海水
LNG 〜 120K
従来のLNG気化器概念図
熱電素子を使ったLNG冷熱回収気化器概念図
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熱電素子とは？
電圧計
金属の両端が同じ温度では、
何も起こらない
高温 電圧計 低温
温度差があると、
起電力発生
■BiTe（室温以上向け，実用化されている材料の一つ），
BiSb(低温向け)の性能がよい → Ｂｉ系材料
■エネルギー変換効率が10％以下と小さい
過去に電力回収の検討 → 変換効率の低さ故、採用されず
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熱電素子材料開発の指針
熱電素子の性能は、性能指数Ｚを使って表され、より大きなＺを
持つ材料が求められている
a
Z=
rk
2
α：ゼーベック係数
ρ：抵抗率
κ：熱伝導率
例えば、磁場中における性能指数の改善例(単結晶BiSb)
改善率
性能指数
改善領域
Z(B)/Z(0)

•ゼーベック係数 α 大
•抵抗率
ρ 大
•熱伝導率
κ 小
熱電素子に磁場を印加することに
よって性能改善の可能性が十分ある
（磁場効果）
磁場強度 Ｂ
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マイクロワイヤーアレイ構造の採用
熱電素子の材料を、熱伝導率の低いガラスなどの絶縁物
と一緒に形成することによって、素子自体の熱伝導率低下
を行う．さらに磁場を印加することによって、固体中のサイ
クロトロン周波数を制御
これによって、熱電素子の発電効率が向上
例
直径２５μｍのＢｉをワイヤー状
にならべ、それをガラスで束ねて
アレイ化したもの
25mm
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何故マイクロワイヤーか？
■ナノワイヤーを何故やらないか？
量子効果を得るためには、直径が約10nm以下、温度100K以下が
必要。この条件では、エネルギー変換素子としての希望は、薄い。
■なぜマイクロワイヤーか？
ワイヤーの長さＬ，ワイヤーの直径Ｄとすると、L/Dが大きいほど、
磁場中で熱電素子の性能が向上。
Ｌは現実的に数ｍｍであるため、L/D=100とするた
めには、Ｄがマイクロサイズになる。
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ワイヤー素子の模式図とSEM写真
約２mm
ワイヤー端部のSEM写真
約２mm
約1mm
〜
2.5ｍｍ
温度差方向
25μm
素子の大きさとして
即、実用化可能
ガラス
熱電材料（Ｂｉ）
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実用化にむけての課題
磁場効果，マイクロワイヤーアレイ構造素子を扱う上での
すべての要素技術の開発に成功
実用化に向けて、さらなる研究開発
■ワイヤー直径が１μｍまでの素子の作製・性能評価
■マイクロプラズマを用いた結晶方位の制御
■ＢｉＳｂ，ＢｉＴｅ系材料を使ったサンプル作製
■磁場中での熱伝導率の測定
■より長いワイヤーサンプル作製
■Ｐ型材料（BiSn，BiPb）のサンプル作製
■ナノワイヤーアレイ素子の検討
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最近の成果
査読
付き
論文
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特許
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Y. Hasegawa, Y. Ishikawa, et al., Appl. Phys. Let., Vol. 85 pp.917-919 (2004)
T. Kikuchi, Y. Hasegawa, H. Shirai, Journal of Physics D, Vol. 37, pp.1537-1543 (2004)
Yasuhiro HASEGAWA, Takashi KOMINE et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43, pp.35-42 (2004)
Yoshie IKEDA, Tetsuji ITO et. al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43, pp.5960-5966 (2004)
Atsushi Suzuki, Yasuhiro Hasegawa et al., Rev. Sci. Inst. Vol. 76, 023907 (2005)
Yasuhiro Hasegawa, Yoshiaki Ishikawa et al., J. Appl. Phys. Accepted.
T. Komine, T. Takahashi et al., J. Appl. Phys. Accepted
T. Komine, T. Takahashi et al., J. Magn. Soc. Jpn. Accepted
特願2005-7128，「熱電変換素子とその製造方法」，出願日 平成17年1月14日
特願2005-3232，「熱電素子における接合電極の形成方法及び多孔体熱電素子」，出願日
平成17年1月7日
特願2003-384317，「ヒートナイフ」，出願日 平成15年11月13日
特願2003-058033，「熱電変換モジュール及びその製造方法」，出願日 平成15年3月5日
特願2003-4364，「顕微鏡，顕微鏡用マイクロプラズマアレイ，表面観察方法、及び表面改質
方法」，出願日 平成15年1月15日
特願2003-7438，「マイクロプラズマ生成装置，プラズマアレイ顕微鏡，及びマイクロプラズマ
生成方法」，出願日 平成15年1月15日
特願2002-265834，「熱電材料の製造法」，出願日 平成14年9月11日