産総研、排熱から発電できる空冷式ポータブル熱電発電装置を開発

国立研究開発法人産業技術総合研究所は、工業炉、焼却炉、エンジンなどの排熱から発電できる空冷式のポータブル熱電発電装置を開発した。

この発電装置は冷却水を用いず発電でき、複雑な設置工事も必要としない。

同研究所が独自に開発した800℃の高温でも安定して発電する酸化物熱電モジュールと、空冷部分にヒートパイプを用いることで実現。実証試験を経て、2年以内の実用化を目指すとしている。

200℃～800 ℃の熱源があれば発電装置の集熱部を高温の場所にかざすだけで発電できるため、工場や焼却場の排熱から簡単に発電可能。また、災害時の緊急電源としても利用できる。

この熱電発電装置の部材は、従来の熱電材料に含まれていた有毒な鉛などを含まない、人体に無毒なカルシウム、コバルト、マンガンの酸化物素材で作られ、回転系や引火性の部品も無いため安全であり、製造時に消費したエネルギーも約5か月の発電で回収可能。

さらに排熱量や電気の必要量によって、複数の発電装置を接続して高出力を得ることができる。

▼ポータブル空冷式熱電発電装置と熱電モジュール

▼熱電発電装置で動作する電子機器の例

開発の社会的背景

一次エネルギーのうち、有効に利用できるのは30％程度であり、70％近くは排熱として大気中へ棄てられているという。

この莫大な排熱に加え、太陽熱や地熱など未利用熱を有効活用するための技術開発が進んでおり、ゼーベック効果を用いる熱電発電は、変換効率が排熱量に依存せず一定で発電できるため、分散した希薄な排熱を用いた発電の実現に向けて期待が大きい。

また熱電発電は温度差で発電するため、太陽熱、地熱、バイオマスなどの再生可能エネルギーからも発電でき、省エネルギー、地球環境問題の解決に貢献できるものとして、世界中で研究開発が進められている。

同研究所では、排熱や自然熱など未利用熱の有効利用を目指し、さまざまな材料を用いた熱電発電の研究を行っている。

その一環として、これまでに800 ℃の高温、空気中でも安定し、変換効率の高いp型熱電材料であるカルシウム・コバルト酸化物（Ca3Co409）の発見や、n型熱電材料であるカルシウム・マンガン酸化物（CaMnO3）の製造技術を開発。

さらに、これらの酸化物熱電材料を用いた熱電モジュールを開発し、産業排熱利用を目的に、工業炉や焼却炉の排熱で発電できる水冷式熱電発電装置や、湯沸かしと同時に発電できる発電鍋、発電湯沸かし器を開発してきた。

工業炉や焼却炉を用いる工場で、この水冷式熱電発電装置の試験を行い、200W～700Wの発電とその電力を用いた場内照明や炉の冷却用ファンなどの作動を実証。

その際、工業炉、焼却炉ユーザーなど産業界から要望されたのは、温度差を得るために冷却水を使わない発電装置であったという。

このような熱電発電装置は、他の水冷式発電システムでは困難な小規模熱を利用可能にし、熱電発電の普及に繋がると考え、冷却水を用いないポータブル空冷式装置の開発を目指した。

従来の酸化物モジュールの低温側に放熱フィンを取り付け、加熱温度を650 ℃とし、自然放熱で熱電発電した場合の出力は、水冷時の約35％にまで減少（図1）。

そこで今回、空冷でも高出力で発電できる熱電発電装置の開発のため、1) 酸化物熱電モジュールの発電出力の向上、2) 高温耐久性の改善、そして3) 高出力発電を可能にする空冷技術を開発した。

▼図1　放熱フィンを用いた自然放熱による空冷式熱電発電の概略（左）と、水冷と空冷時の発電出力の比較（右）

開発した熱電発電装置を用いた、1W～3Wで作動する電子機器の動作確認では、加熱温度が200 ℃に達すればLEDライトが点灯し、400 ℃になれば測温センサーによる計測とデータのワイヤレス送信、Webカメラによる動画撮影とワイヤレス転送、スマートフォンの充電を行うことが可能に。

さらに、500 ℃で加熱すればワンセグテレビを充電、視聴することも可能。

この熱電発電装置を使えば、工場や焼却場の照明、遠隔での炉内温度などの管理ができる。

災害時の炊き出しや暖を取るためのかまどベンチの普及が進んでいるが、薪の燃焼による熱エネルギーを用いる非常用電源としても利用できる。

▼ポータブル空冷式熱電発電装置の工場、焼却場内の排熱発電（左）と、災害時の緊急電源（右）としての使用例

今回開発した発電装置の実証試験を行い、工業炉や焼却炉からの排熱回収用や非常用電源として、2年以内に実用化予定。

さらに、高性能、耐久性、安全性、コスト性に優れた新たな熱電材料と熱電モジュールを開発し、更なる高効率熱電発電技術により、省エネルギー、二酸化炭素排出量の削減、そして新産業創出に貢献するという。

棒状の導体の両端に温度差をつけると、温度差に比例した電位差（電圧）が生じるが、この現象は発見者の名前にちなみゼーベック効果（下図参照）と呼ばれている。

熱電発電はこの効果を利用し、温度差（熱エネルギー）から直接電力を得る発電方法のことをいう。