熱電変換材料

地球上の排熱を活用してエネルギー問題を解決

再生可能エネルギーとして現在開発が進められている太陽光発電や風力発電などは、時間帯や天候によって発電量が大きく増減するため、発電施設の利用効率が低くとどまるという課題があります。
安定して利用できる再生可能エネルギーとして注目されているのが、地熱・温泉熱や工場排熱などの利用されずに捨てられている熱源(未利用熱)です。熱を電力に直接変換できる「熱電変換」は、タービンのような可動部がなく、二酸化炭素などの排出もない環境にやさしい発電技術のひとつとして注目されています。

熱を電気に変える「熱電変換素子」は、物質の両端に温度差を生じさせることで電圧が生じる「ゼーベック効果」を利用しています。熱電変換素子の構造は、図のようにP型とN型の熱電変換材料を並べて片側を金属でつなぎ、もう一方に取り付けた電極に導線をつないで電気を取り出すもので、その形状から「π(パイ)型構造」と呼ばれています。熱電変換材料として代表的なものに、Bi2Te3(Bi:ビスマス、Te:テルル)、PbTe(Pb:鉛)があります。

<熱電変換素子>

パナソニックは、排熱の再生可能エネルギーの利用普及のため、希少で高価なTeを含まない低コストかつ高性能な熱電変換材料の開発に取り組んでおります。

高性能な熱電変換材料を新たに開発

熱電変換の効率は、材料の性能指数ZT = S2σT /κの高さによって決定されます(ゼーベック係数S、電気伝導率σ、熱伝導率κ、材料の平均温度T)。高い熱電変換性能を実現するためには、高い温度差を維持するため熱が伝わり難い性質(低い熱伝導率κ)とし、また発電した電力を取り出すため電気が流れ易い性質(高い電気伝導率σ)とする必要があります。これらの二つの性質は、一般的には相反関係にあるため、両立が容易ではありません。

この課題に対しパナソニックは、計算機による材料シミュレーション技術を利用し、新規の熱電変換材料Mg3(Sb,Bi)2(Mg:マグネシウム、Sb:アンチモン)およびZr3Ni3Sb4(Zr:ジルコニウム、Ni:ニッケル)を開発しました1,2)。 特にMg3(Sb,Bi)2は、低コストで毒性の低い元素で構成されており、材料結晶中の欠陥生成機構に着目した独自の電気伝導性制御手法を施すことにより、440℃においてZT = 1.51という高い熱電変換性能の実現に成功しております。

<高い熱電変換性能を有する材料>

(上)Mg3Sb2の結晶構造
(下)熱電変換性能指数ZTの温度依存性、既報3)の材料との性能比較

最新動向

パナソニックは、高性能な熱電変換材料を搭載した発電デバイスの開発を進めております。200℃以下の比較的低温の熱も効率的に電気に変換することを可能とし、地熱・温泉熱や工場排水などの未利用熱の有効活用を実現して参ります。

1) Adv. Mater. 28, 10182 (2016).
2) Appl. Phys. Lett. 104, 122103 (2014).
3) Nat. Mater. 7, 105 (2008).