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2015 Fiscal Year Annual Research Report

非整合チムニーラダー型化合物を用いた高出力熱電発電デバイスの創製

Research Project

Project/Area Number 25289222
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

宮崎 讓  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40261606)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高松 智寿  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60708428)
林 慶  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70360625)
Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords廃熱利用 / 熱電変換 / チムニーラダー型化合物 / 非整合化合物 / 変調構造 / 熱電発電モジュール
Outline of Annual Research Achievements

前年度までの研究により最適化された合金組成を基に、熱処理条件を検討して低熱伝導率化を目指すとともに、p型およびn型素子を合成し、各温度における熱電特性(ゼーベック係数、導電率および熱伝導率)を測定した。これらの値を用いて、種々の温度差を加えた際の発電モジュールの出力特性(変換効率および電圧電流特性)をシミュレーションするプログラムを開発した。また、同プログラムを用いて素子の最適形状を決定した。
p型素子材料としては、MnサイトをVで微少量部分置換した合金が、マンガンケイ化物系で最高となる2.3mW/K2mの出力因子を示すことが確認された。一方で、n型素子材料としては1.4mW/K2mの出力因子を示すRhGeg を上回る試料は得られなかった。モジュール作製には数十g単位の素子材料が必要なことを考慮して、Fe置換MnSigをn型素子に用いることにしてモジュール作製を進めたが、加圧焼結の段階でn型素子にのみ微細クラックが生じることが明らかになった。これはn型素子に微量に含まれる第二相の影響であるが、熱力学的に第二相を完全に除去することは困難であることから、熱電特性は若干劣るものの、p型素子と熱的な相性が良好であるMn(Si,Al)g をn型素子材料として、モジュール作製を行った。
pn素子14対からなる30 mm四方のモジュールを試作して発電特性を行ったところ、高温側773Kで温度差400Kの時に最大出力1.3Wを記録した。これは出力密度に換算すると1.25kW/m2に相当する。また、繰り返し温度履歴のもとで出力の変化を記録したところ、殆ど劣化の無いことが確認された。しかし、接触抵抗が計算値の10倍高いことから、今後の課題として、電極を含めた焼結条件の最適化が挙げられ、また更なる性能向上には、p型に匹敵するコストパフォーマンスを有するn型素子の発見が必須であることが確認された。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (15 results)

All 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] CRISMAT, ENSICAEN(France)

    • Country Name
      France
    • Counterpart Institution
      CRISMAT, ENSICAEN
  • [Journal Article] Effect of Interstitial Mg in Mg2+xSi on Electrical Conductivity and Seebeck Coefficient2016

    • Author(s)
      M. Kubouchi, Y. Ogawa, K. Hayashi, T. Takamatsu, and Y. Miyazaki
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 45 Pages: 1589-1593

    • DOI

      10.1007/s11664-015-4126-5

    • Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Structural Investigation and Indium Substitution in the Thermoelectric Mn2.7Cr0.3Si4Al2-xInx Series2016

    • Author(s)
      T. Barbier, E. Combe, R. Funahashi, T. Takeuchi, M. Kubouchi, Y. Miyazaki, E. Guilmeau and R. O. Suzuki
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 45 Pages: 1992-1999

    • DOI

      10.1007/s11664-016-4365-0

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Crystal structure and thermoelectric properties of the incommensurate chimney-ladder compound RhGeγ (γ ~ 1.293)2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, T. Nakajo, Y. Kikuchi, and K. Hayashi
    • Journal Title

      Journal of Materials Research

      Volume: 36 Pages: 2611-2617

    • DOI

      10.1557/jmr.2015.137

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Crystal structure and thermoelectric properties of the incommensurate chimney-ladder compound VGeγ (γ ~ 1.82)2015

    • Author(s)
      H. Hamada, Y. Kikuchi, K. Hayashi, and Y. Miyazaki
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 45 Pages: 1365-1368

    • DOI

      10.1007/s11664-015-4036-6

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] チムニーラダー型マンガンケイ化物の結晶構造と熱電特性2015

    • Author(s)
      宮崎 譲
    • Journal Title

      日本金属学会誌

      Volume: 79 Pages: 530-537

    • DOI

      10.2320 / jinstmet.JA201508

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 溶融合成したV置換MnSiγの熱電特性2016

    • Author(s)
      濱田陽紀, 林慶, 宮崎譲
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] Incommensurate Nowotny chimney-ladder compounds as potential thermoelectric materials2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, Y. Kikuchi, H. Hamada, S. Naito, K. Hayashi, and K. Yubuta
    • Organizer
      International Conference on Thermoelectric Materials Science 2015 (TMS2015)
    • Place of Presentation
      Nagoya University (Nagoya)
    • Year and Date
      2015-11-09 – 2015-11-11
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Crystal Structure and Thermoelectric Properties of Incommensurate Higher Manganese Silicides2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, Y. Kikuchi, H. Hamada, K. Hayashi, and K. Yubuta
    • Organizer
      8th Conference on Aperiodic Crystals (Aperiodic2015)
    • Place of Presentation
      Prague, Czech Republic
    • Year and Date
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhanced thermoelectric performance of higher manganese silicides through the control of valence electron counts2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, Y. Kikuchi, H. Hamada, S. Naito, K. Hayashi, and K. Yubuta
    • Organizer
      4th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT2015)
    • Place of Presentation
      Dresden, Germany
    • Year and Date
      2015-06-28 – 2015-07-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Fabrication and Power Generation of a Silicide-based Thermoelectric Module2015

    • Author(s)
      S. Naito, R. Funahashi, Y. Matsumura, S. Katsuyama, Y. Kikuchi, K. Hayashi, and Y. Miyazaki
    • Organizer
      4th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT2015)
    • Place of Presentation
      Dresden, Germany
    • Year and Date
      2015-06-28 – 2015-07-02
  • [Presentation] Crystal structure and thermoelectric properties of Nowotny chimney-ladder VGeγ2015

    • Author(s)
      H. Hamada, Y. Kikuchi, K. Hayashi, and Y. Miyazaki
    • Organizer
      4th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT2015)
    • Place of Presentation
      Dresden, Germany
    • Year and Date
      2015-06-28 – 2015-07-02
  • [Presentation] Enhanced thermoelectric performance of lightly Cr-substituted higher manganese silicides2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, Y. Kikuchi, and K. Hayashi
    • Organizer
      The 1st International Conference on Microstructure and Property of Materials (MPM-2015)
    • Place of Presentation
      Hangzhou, China
    • Year and Date
      2015-05-26 – 2015-05-30
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nowotny Chimney-ladder Higher Manganese Silicides as Potential Thermoelectric Compounds2015

    • Author(s)
      Y. Miyazaki, Y. Kikuchi, and K. Hayashi
    • Organizer
      Energy Materials Nanotechnology Phuket 2015 (EMN Phuket 2015)
    • Place of Presentation
      Phuket, Thailand
    • Year and Date
      2015-05-04 – 2015-05-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] Materials Aspect of Thermoelectricity, CRC Handbook2016

    • Author(s)
      Yuzuru Miyazaki
    • Total Pages
      12
    • Publisher
      CRC Press, Taylor & Francis

URL: 

Published: 2017-01-06  

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