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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00772
• 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
• キーワード: 熱電変換 / マグネシウムシリサイド / DC-DCコンバータ / 窒化ガリウム

研究実績の概要

本開発研究は「車載用小型熱発電システム」の基礎要素技術開発であり、(1) 可変熱伝導管方式熱接合機構の開発、および(2) 熱発電専用高昇圧DC-DCコンバータ開発を実施した。可変熱伝導管方式熱接合機構の開発について、可変コンダクタンスヒートパイプ(VCHP)による導熱機構の開発を実施した。具体的には、エンジン排気ガス温度500℃の入力に対して、車載システム向けに必要な小型集積化と排気管から熱交換器への数kWクラスの熱輸送を実現するための基礎開発を実施した。さらに、熱源から取り出し可能な熱量(熱賦存量)を推定するモデル・アルゴリズム構築を行なった。
熱電池の接続に特化した熱発電専用高昇圧DC-DCコンバータ開発では、これまでの研究取組により、実験環境の構築および高昇圧型DC-DCコンバータの基本回路動作検証を実施し、回路の制御方式の改善および回路設計の更なる見直しにより電力変換効率および電力利用率の観点から最終目標値（電力変換効率および電力利用率95%以上）の達成を得た。
最終的に、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

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [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 method (2022)
  • 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: 413795-1~9
  • DOI: 10.1016/j.physb.2022.413795
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of the structural and thermoelectric properties of Y-doped α-SrSi2 (2022)
  • 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 ページ: 031002-1~8
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac48d7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ni-doping effect on thermoelectric properties of c-axis-oriented CuFeO2 ceramics (2022)
  • 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: 164192-1~8
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Thermoelectric Performance of Vertical Bridgman‐Grown Mg2Si by Codoping with Sb and Zn (2022)
  • 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 ページ: 1311~1321
  • DOI: 10.1007/s11664-021-09404-7
  • 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-SrSi2 (2021)
  • 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: e00620-1~7
  • DOI: 10.1016/j.cocom.2021.e00620
  • 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 performance (2021)
  • 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 ページ: 215103-1~11
  • DOI: 10.1063/5.0063506
  • 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 properties (2021)
  • 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: 161968-1~9
  • DOI: 10.1016/ j.jallcom.2021.161968
  • 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 approach (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Shiojiri, T. Iida, T. Kadono, M. Yamaguchi, T. Kodama, S. Yamaguchi, S. Takahashi, Y. Kayama, K. Hiratsuka, M. Imai, N. Hirayama, and Y. Imai
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 ページ: 115101-1~9
  • DOI: 10.1063/5.0041670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability analysis based on monodromy matrix for switched dynamical systems (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Asahara, T. Kousaka
  • 雑誌名: Nonlinear Theory and Its Applications 巻: 12 ページ: 237~256
  • DOI: 10.1587/nolta.12.237
  • 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 ページ: 213-218
  • DOI: 10.11509/isciesci.65.6_213
  • 査読あり
• [学会発表] Relationship of Bifurcation and Power Conversion Efficiency in DC-DC Converter with TEM (2021)
  • 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)
  • 国際学会
• [学会発表] An Estimation Method for Controlling Unstable Periodic Orbit Without Using Poincare Map (2021)
  • 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)
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of a Simple DC-DC Converter Model with TEM (2021)
  • 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)
  • 国際学会
• [図書] Thermoelectric energy conversion (2021)
  • 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: 978-0-12-818535-3
• [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: 978-4-86043-748-0
• [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
• [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