2021 Fiscal Year Research-status Report
火炎輻射直接発電技術の創成－火炎輻射の制御と変換の新学理探究－
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20K22390
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 大輔 長岡技術科学大学, 技術経営研究科, 助教 (30883897)
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2023-03-31
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| Keywords | バイオガス / 水素 / マグネシウム / 熱電変換 / 光電変換 / 変換効率 / 電力密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，火炎からの熱電変換，光電変換について以下の2つの取り組みを実施した．
【①対向流拡散燃焼で形成されるマイクロフレーム（微小火炎）からの熱電変換特性の調査】
バイオガス(メタンと二酸化炭素の混合気)－酸素，および水素－二酸化炭素－酸素の燃焼による2種類の対向流拡散火炎に対して，バーナー内径，ガス流量，バーナー間隔が火炎形状（厚さ，直径）に及ぼす影響を火炎画像解析により整理した．熱電変換素子を模擬した透明ガラス基板で火炎を被覆した場合についても同様の調査を行い，熱電変換素子が燃焼反応に及ぼす影響を明らかにした．その結果を基に本コンセプトに適したBi-Te型熱電変換素子のサイズを決定し，4枚の素子で構成される熱電変換モジュールで火炎を被覆した際の発電特性を調査した．現時点で，燃焼発熱－電力変換効率および熱電変換モジュール体積当たりの発電量（電力密度）の最高値として，それぞれ0.13%，22 mW/cm3が得られた．この値は，先行研究で報告されている値よりも小さく，改善の余地がある．今年度は，火炎からバーナーおよび外気への熱損失と熱電変換素子の冷却機構について十分な検討を行えておらず，これらを精査し本コンセプトに適したシステム構成と条件で動作させることでさらなる性能向上が期待できる．
【②マグネシウムの安定燃焼手法の開発】
マグネシウム拡散燃焼の発光強度は時間揺らぎが大きいため，マグネシウム燃焼発光からの太陽電池の発電特性（電流－電圧特性）を正確に測定するためには，一定時間マグネシウムを安定燃焼させる必要がある．今年度はそのための燃焼装置の開発を行い，設計仕様通りに動作することを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は，新たに熱電変換素子とマスフローコントローラ（ガス流量の制御に使用）を購入したが，世界的な半導体不足の影響により納品が大幅に遅れた．そのため，限られた条件範囲でしか熱電変換特性の測定が行えず，本コンセプトのポテンシャルを明らかにするためにさらなる実験検証が必要となる．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度では以下のことを明らかにし，本研究課題をまとめる．
①バイオガス・水素燃焼によるマイクロ熱電変換システムについては，火炎からバーナー・外気・熱電変換モジュールへの伝熱現象を解析し，発電量を最大化できるシステム構成を設計する．発電量，燃焼発熱－電力変換効率，電力密度を測定し，従来技術に対する優位性と課題を整理する．
②マグネシウム燃焼による光電変換システムについては，試作した燃焼装置を用いて太陽電池の発光－電力変換効率を測定する．太陽光下での変換効率と比較し，本コンセプトの妥当性を確認する．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は，今年度購入した熱電変換素子およびマスフローコントローラの納品が大幅に遅れたことにより，全体のスケジュールが後ろ倒しになったためである．これらの機器類を用いて行う実験結果を基に発電システムの設計仕様を決定する予定だったため，残額は発電システム構成部品の費用に充てる。
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