2019 Fiscal Year Research-status Report
ナノ積層イオン伝導体を用いた熱電変換モジュールの発電特性
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18K04732
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
桑折 仁 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (70327724)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加藤 雅彦 サレジオ工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (70450111)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / Bi層状酸化物 / 結晶育成 / 交流インピーダンス / モジュール形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電変換材料は熱電能（単位温度差あたりの熱起電力）が大きく，比抵抗および熱伝導率の低いことが望ましい．本研究では，絶縁層と導電層がナノ積層した結晶構造をもち，かつ電子よりも重い酸素イオンをキャリアとするナノ積層イオン伝導体の熱電材料としての可能性を探る．本年度は電気抵抗率の低減のため，Aurivillius相Bi2VO5.5のVサイトを置換した結晶を育成し，熱電特性を評価し，元素置換効果を検討した．
Bi2MexV1-xO5.5(Me=Cr, Mo, x=0, 0.1, 0.2)の結晶は横型6分割電気炉で加熱し，Ptボートを用いて水平温度傾斜凝固法で育成した．温度勾配は2 K/mmとし，冷却速度は1K/h で結晶を育成した．昨年度は微細構造の観察結果より異方的な組織であることを確認したが，本年度は交流インピーダンス法により電気伝導性の観点でも確認した．温度勾配方向には伝導性を有していたが，温度勾配と垂直な方向は900Kにおいても絶縁的であった．このことから非常に高い配向性を有する結晶が得られたことが確認された．
無置換試料，Cr置換試料およびMo置換試料の特性を比較すると，電気抵抗率は無置換試料に対し，Cr置換試料は高い値を示し，Mo置換試料は低い値を示した．この傾向は過去に報告した焼結試料の傾向とよく一致した．このことから焼結性など作製プロセスの影響だけでなく，本質的にCrは置換元素として適していない可能性が示唆された．
モジュール化の要素技術開発としては，基板の選定，モジュール形成条件および熱安定性を検討した．熱電材料はFeSi2系材料を用い，MgO基板に活性金属ろうで接合した．その結果，大気雰囲気，500℃において1対で作製したモジュールは8hで破断したのに対し，4対で作製したモジュールは64h後も破断することなく安定した出力を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究計画を変更し，結晶育成をタンマン法から垂直ブリッジマン法に変更したが，予算の関係から駆動系は既存の装置のものを使用し，結晶育成チャンバーおよびチャンバーの径に合わせた電気炉を本研究費で導入することとした．しかし，既存の装置と組み合わせるためにチャンバーの設計作業が難航し，なおかつ予算内に価格を抑えるために設計変更を複数回繰り返したため，調達が完了した時期が年度の終盤となってしまった．結晶育成の条件出し等を行う予定であったが，コロナウイルス感染防止の観点から実験は中止せざるを得ず，今日に至る．
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| Strategy for Future Research Activity |
酸素欠損量を制御し，熱電特性の異方性を測定することができる程度の粗大な結晶粒を得るために制作した垂直ブリッジマン炉を早急に稼働する．育成雰囲気，育成速度等の条件を精査した上で研究計画に沿って試料を作製し，モジュール化を試みる．試料の組成についてはこれまでの成果を踏まえて代表的なものに絞って結晶を育成し，モジュール形成実験をまずは遂行する．
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| Causes of Carryover |
当初はタンマン法で結晶を育成する予定であったが，結果を考慮し，垂直ブリッジマン法に変更した．垂直ブリッジマン炉を製作するにあたり，駆動システムを含めて製作するには予算が足りず，検討の結果，既存の装置の駆動部を流用することにしたため，次年度使用額が生じた．新規組成用のPtるつぼなど，高額な消耗品を購入する計画である．
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