| 研究課題/領域番号 |
23K26374
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01681 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
中山 忠親 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (10324849)
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| 研究分担者 |
NGUYEN THANHSON 釧路工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (00797235)
大川 采久 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40975603)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)
2025年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2024年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
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| キーワード | 誘電体 / スマートパルス電源 / ポーリング / ナノ秒パルス場 / 焦電発電 / 分極制御 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
誘電体の焦電特性を用いることで変動する熱源から電気エネルギー回生が可能である。ここで、焦電発電においては、熱と電気によるサイクル（＝オルセンサイクル）が利用されている。これに対して申請者らは変動する温度に対する電場印加のタイミングを工夫することにより、オルセンサイクルよりも理論効率として1.5倍高効率な独自熱電サイクルを世界で初めて見出し、その理論発電効率式も提唱している。この熱電サイクルを用いることで変動する熱源から電気エネルギーを回生する。特に、入力パルスを最適化することにより発電量の最適化を行うことが本研究の主な取り組みとなる。
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| 研究実績の概要 |
本研究者等はオルセン電熱サイクル方式よりも発電効率の高い、ダイオードと2つのスイッチ回路（DSW回路）を用いた新しい電熱発電方式を開発している。この手法においては、外部電場を呼び水的に印加することにより、極めて高い電気エネルギーを得ることができるという特徴を有している。しかし、この外部電場を必要以上に印加すると、差し引き得られる電気エネルギーは当然減少する。また、この電場印加のタイミングは材料の分極機構に応じて最適なものがある。そこで本研究では外部電場を用い、誘電体の分極機構を巧みに制御することで得られる電気エネルギーを最大化することが目的となる。
市販の富士セラミック社製のPZT誘電体資料を使用して、低温 (120 °C) から高温 (140 °C) まで、温度差 20 °C まで連続的に温度が変化する環境で焦電発電を発生させた。連続温度変化周波数は０．０５Ｈｚとし、温度上昇時にパルス電場を印加した。電場のパルス幅は 10、20、50、100、200 ms パルスで、シングルパルスおよびマルチパルス条件下でサンプルに印加した。パルスの振幅は 250、500、1000、1500 V/mm である。最後に、シングルパルス列とマルチパルス列を比較して最大発電条件を評価した。
上記条件下で外部パルス電場の印加により発生する最大電力を評価した。最後に、焦電体を用いてパルス電場を印加することで焦電エネルギーを発生させる技術が考案され、 0.204 mJcm-2℃-1kV-1 という最高の電力密度が得られることが明らかとなった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初３年目に実施予定であったナノ秒パルス電場印加タイミングと電圧の最適化実験を前倒しで実施しており、最適なパルス電場印加タイミングを見出しているため。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は一種類の誘電体を用い、外部パルス電場印加を試みたが、次年度はキュリー点や焦電特性の異なる多様な誘電体に対して、その各温度におけるヒステリシス曲線を取得し、これらデータから分極メカニズムや、ポーリング時のエントロピーの変化などの基礎物性データを用い、本研究者の開発した新規発電手法に適したパルス電場印加タイミングの最適化理論を構築する。
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