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高出力化した環境低負荷型熱電池を車載化するためのブレークスルー要素技術開発

研究課題

研究課題/領域番号 19H00772
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
研究機関東京理科大学

研究代表者

飯田 努  東京理科大学, 先進工学部マテリアル創成工学科, 教授 (20297625)

研究分担者 麻原 寛之  岡山理科大学, 工学部, 准教授 (50709615)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)
2021年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
2020年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円)
2019年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円)
キーワード熱電変換 / 環境低負荷半導体 / 排熱発電 / マグネシウムシリサイド / DC-DCコンバータ / 窒化ガリウム / シリサイド / CO2排出削減 / 自動車排熱 / 熱電発電 / CO2削減
研究開始時の研究の概要

本研究は、エンジンを搭載する電動車(ストロング/マイルド・ハイブリッド系、発電機搭載EV系)の未利用排気熱から熱電発電方式で回生電力化を行うことで車載電力を補い、エンジン搭載電動自動車における~4%以上の燃費改善(CO2削減) に資する取組みである。本研究では、軽量で資源豊富、かつ生産時および廃棄時において環境低負荷な熱電変換材料Mg2Siの現状の基本性能を基にして、「車載用小型排気熱発電システム」の実用化に資する要素技術(熱伝達機構改善、熱電モジュールに整合した熱交換器、車載熱電池専用 DC-DC電力変換)の基礎開発を行う挑戦的取組みである。

研究成果の概要

発電用エンジンを搭載する電動自動車の低炭素化に向けて、中温度域(<600℃)未利用排気熱を熱電発電システムで回生電力化し燃費改善(CO2削減)につなげられる以下の要素技術について、研究開発を実施し成果を創出した。
(1)熱電変換材料による発電素子の性能を最大限に引出すために、熱伝導可変機能を有するセラミック多層基板を導入した熱発電モジュール構造の基礎開発、(2)エンジン排気系から熱発電モジュールの耐久温度を越えない調温機能を内装した熱交換・導熱機構の開発、(3)熱発電モジュールが発電した電力を余さず取出し高変換効率で電力用途に供給できる熱電池専用DC-DC電力変換技術開発

研究成果の学術的意義や社会的意義

学術的には、熱発電材料の基本的な発電特性の向上、熱伝導を可変できる基板構造、可変コンダクタンスヒートパイプ導熱、新型動作方式によるDC-DC電力変換回路開発の取り組みにより、産業化視点での社会実装に必要な基盤技術となりうる次期型高出力Mg2Siクリーン熱電池特性向上、熱発電用熱交換器構造小型高熱伝達型熱電専用熱交換機、極低損失型熱電発電モジュール特化型DC-DC電力変換器の実現に目処をつけた。

報告書

(4件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 審査結果の所見

研究成果

(23件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (13件) (うち査読あり 13件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 6件) 図書 (2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] First-principles study of the effects of native defects on the thermoelectric properties of narrow-gap semiconducting α-SrSi2 using the hybrid functional method2022

    • 著者名/発表者名
      D. Shiojiri, T. Iida, M. Yamaguchi, N. Hirayama, and Y. Imai
    • 雑誌名

      Physica B: Condensed Matter

      巻: 634 ページ: 413795-413795

    • DOI

      10.1016/j.physb.2022.413795

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles study of the structural and thermoelectric properties of Y-doped α-SrSi22022

    • 著者名/発表者名
      M. Yamaguchi, D. Shiojiri, T. Iida, N. Hirayama, and Y. Imai
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 3 ページ: 031002-031002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac48d7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ni-doping effect on thermoelectric properties of c-axis-oriented CuFeO2 ceramics2022

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara, M.Tato, D. Shiojiri, T. Iida, and S. Fujihara
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 905 ページ: 164192-164192

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2022.164192

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced Thermoelectric Performance of Vertical Bridgman‐Grown Mg2Si by Codoping with Sb and Zn2022

    • 著者名/発表者名
      D. Shiojiri, T. Iida, H. Hamba, T. Kodama, M. Yamaguchi, N. Hirayama, and Y. Imai
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: 51 号: 3 ページ: 1311-1321

    • DOI

      10.1007/s11664-021-09404-7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 排熱発電用電力変換回路2021

    • 著者名/発表者名
      麻原寛之,内野翔太,高坂拓司
    • 雑誌名

      システム/制御/情報

      巻: 65 号: 6 ページ: 213-218

    • DOI

      10.11509/isciesci.65.6_213

    • NAID

      130008129368

    • ISSN
      0916-1600, 2424-1806
    • 年月日
      2021-06-15
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance comparison of hybrid functionals for describing narrow-gap semiconductors: A study on low-temperature thermoelectric material α-SrSi22021

    • 著者名/発表者名
      D. Shiojiri, T. Iida, M. Yamaguchi, N. Hirayama, and Y. Imai
    • 雑誌名

      Computational Condensed Matter

      巻: 30 ページ: e00620-e00620

    • DOI

      10.1016/j.cocom.2021.e00620

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure tuning of α-SrSi2 by isotropic strain and isoelectronic impurity incorporation: A first-principles study for enhancement of low-temperature thermoelectric performance2021

    • 著者名/発表者名
      D. Shiojiri, T. Iida, M. Yamaguchi, N. Hirayama, and Y. Imai
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 130 号: 21 ページ: 215103-215103

    • DOI

      10.1063/5.0063506

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of thermoelectric performance of Mg2Si via co-doping Sb and C by simultaneous tuning of electronic and thermal transport properties2021

    • 著者名/発表者名
      D. Shiojiri, T. Iida, H. Kakio, M. Yamaguchi, N. Hirayama, Y. Imai
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 891 ページ: 161968-161968

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2021.161968

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Re-evaluation of the electronic structure and thermoelectric properties of narrow-gap semiconducting α-SrSi2: A complementary experimental and first-principles hybrid-functional approach2021

    • 著者名/発表者名
      Shiojiri Daishi、Iida Tsutomu、Kadono Tomoyuki、Yamaguchi Masato、Kodama Takuya、Yamaguchi Seiya、Takahashi Shinta、Kayama Yuki、Hiratsuka Kota、Imai Motoharu、Hirayama Naomi、Imai Yoji
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 129 号: 11 ページ: 115101-115101

    • DOI

      10.1063/5.0041670

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stability analysis based on monodromy matrix for switched dynamical systems2021

    • 著者名/発表者名
      H. Asahara, T. Kousaka
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      巻: 12 号: 3 ページ: 237-256

    • DOI

      10.1587/nolta.12.237

    • NAID

      130008060725

    • ISSN
      2185-4106
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analytical and Experimental Approaches for Controlling Unstable Oscillation by Changing Switching Timing in an Interrupted Electric Circuit2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, H. Asahara
    • 雑誌名

      信号処理

      巻: 24 号: 4 ページ: 137-140

    • DOI

      10.2299/jsp.24.137

    • NAID

      130007873154

    • ISSN
      1342-6230, 1880-1013
    • 年月日
      2020-07-15
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bifurcation Analysis in an Interrupted Dynamical System with State Dependent Input2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, Y. Maeda, T. Iida, H. Ohtagaki, T. Kousaka, H. Asahara
    • 雑誌名

      システム制御情報学会論文誌

      巻: 33 号: 1 ページ: 24-30

    • DOI

      10.5687/iscie.33.24

    • NAID

      130007831812

    • ISSN
      1342-5668, 2185-811X
    • 年月日
      2020-01-15
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation of local structures and electronic states of Sb-doped Mg2Si by fluorescence XAFS and HAXPES2020

    • 著者名/発表者名
      Kadono Tomoyuki、Hirayama Naomi、Nishio Tadashi、Yamazawa Shingo、Oki Naoto、Takahashi Yoshinobu、Takikawa Natsumi、Yasui Akira、Nitta Kiyofumi、Sekizawa Oki、Tokumura Mako、Takemoto Shoji、Iida Tsutomu、Kotsugi Masato
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 117 号: 14 ページ: 143901-143901

    • DOI

      10.1063/5.0018323

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Relationship of Bifurcation and Power Conversion Efficiency in DC-DC Converter with TEM2021

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, T. Kousaka, H. Asahara
    • 学会等名
      The 5th IEEE International Future Energy Electronics Conference(IFEEC2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An Estimation Method for Controlling Unstable Periodic Orbit Without Using Poincare Map2021

    • 著者名/発表者名
      S. Aoki, T. Kousaka, S. Uchino, D. Hozumi, H. Asahara
    • 学会等名
      The 18th International SoC Conference (ISOCC 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of a Simple DC-DC Converter Model with TEM2021

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, T. Kousaka, H. Asahara
    • 学会等名
      International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bifurcation Phenomena in a Simple Model of DC-DC Converter with Photovoltaic Module2020

    • 著者名/発表者名
      S. Aoki, S. Hanafusa, S. Uchino, H. Ohtagaki, T. Kousaka, H. Asahara
    • 学会等名
      2020 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlling an Unstable Periodic Waveform Using Evolution of Perturbation in Hybrid Dynamical Systems2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, H. Asahara
    • 学会等名
      2020 International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study for MPPT Algorithm with Amplitude Optimization of Periodic Border to DC-DC Converter with Photovoltaic Module2020

    • 著者名/発表者名
      K. Shinohara, T. Kousaka, N.Kasa, H. Ohtagaki, H. Asahara
    • 学会等名
      2020 International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] Thermoelectric energy conversion2021

    • 著者名/発表者名
      Tsutomu Iida, Ryo Inoue, Daishi Shiojiri, Naomi Hirayma, Noriaki Hamada, and Yasuo Kogo
    • 総ページ数
      680
    • 出版者
      Elsevier
    • ISBN
      9780128185353
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 環境発電ハンドブック2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木 雄二、秋永 広幸、八馬 弘邦、神野 伊策、舟橋 良次、篠原 真毅、宮﨑 康次 、竹内 敬治、飯田 努
    • 総ページ数
      345
    • 出版者
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860437480
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科 飯田研究室

    • URL

      http://www.tus-iidalab.net/jpn/home-jpn.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
  • [備考] 岡山理科大学 工学部 電気電子システム学科 麻原研究室

    • URL

      https://nonlineargroup.jp

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2023-01-30  

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