マイクロ熱光発電システムの開発
李 敏赫, 鈴木 雄二
概要
現在，携帯電子機器，小型福祉機器，人工臓器などへの応用を目指して，超小型エネルギー源が注目されている．特に，化学燃料のエネルギー密度が高 性能２次電池よりも２桁程度大きいことから，携帯機器の内部で化学エネルギーを動力あるいは電力に変換する方法が有望である． 本研究では，DMFCよりも単位面積当たりの発電量が１桁程度大きい，可動部分が少ない，補機のほとんど不要である，などの特長を有する，マイクロ熱光発 電(TPV)システムの開発を目指している．
これまでに，半導体パッケージに用いられる積層セラミック技術を用いてマイクロ触媒燃焼器を試作し，流路幅300μｍ程度の燃焼チャンバ内で単位体積当た り数100MW/m^3 の高い燃焼密度を得ている．また，コールドスプレーで積層したアルミ層の陽極酸化によりナノポーラスアルミナ触媒担体を形成し，パラジウムを担持した触媒 層が極めて良い特性を有することを示した．さらに，直径40μｍ程度のマイクロ超音速ノズルを用いたマイクロイジェクタの性能評価を行い， 完全燃焼に十分な空気量を供給できる可能性があることを示した．また表面反応モデルを組み込んだＣＦＤを用いて，表面温度の均一性を高める触媒燃焼器の設 計を行い，試作燃焼器により，800℃程度の表面温度と，10^8 W/m^3オーダーの極めて高い発熱密度を実現した．
さらに，低バンドギャップの光電セルに合わせて放射スペクトルを制御するためのシリコン・マイクロキャビティの試作とその評価を行った．電子 ビームリソグラフィで形成した，1.8umのマイクロキャビティ群に50nm厚のチタン金属膜を真空アークプラズマガンにより蒸着した．電磁波共鳴モード に相当する波長3.2umに放射ピークが観察され，放射制御の効果が確認された．Geセル（バンドギャップ相当波長2um）を用いて発電実験を行い，放射 面温度915℃において，3.4%の変換効率が得られることを示し，黒体面を用いた場合の1.7%に比べて顕著な改善が得られることを明らかにした．放射 面温度1200℃の場合，変換効率は7.4%となる．
現在，燃焼器のさらなる改良を行い，マイクロ熱発電システムの構築を目指している．
Micro catalytic combustor using high-precision ceramic tape casting technology (Kamijo et al., 2009)
輻射スペクトル制御のための金属被膜Siキャビティ群 (Kirikae et al., 2010)
最近の発表論文
高性能陽極酸化アルミナ触媒担体＆マイクロ触媒燃焼器
- Sakata, K., Tagomori, K., Sugiyama, N., Takenouchi, M., Shinya, Y., and Suzuki, Y.,
“Development of Nano-Porous Alumina Catalyst Support by Anodic Oxidation of Thermally and Kinetically Sprayed Aluminum Coatings,”
Int. Thermal Spray 2012 Conf. and Expo. (ITSC2012), Houston, (2012), pp. 287-291. - Kamijo, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., and Okamasa, T.,
"High-temperature Micro Catalytic Combustor with Pd/Nano-porous Alumina,"
Proc. Comb. Inst., Vol. 32, Issue 2, pp. 3019-3026 (2009).
(doi: 10.1016/j.proci.2008.06.118) - Okamasa, T., Lee, G.-G., Suzuki, Y., Kasagi, N., and Matsuda, S.,
"Micro Catalytic Combustor Using High-Precision Ceramic Tape Casting,"
J. Micromech. Microeng., Vol. 16, No. 9, S198-S205 (2006).
(doi:10.1088/0960-1317/16/9/S05 ) - Suzuki, Y., Saito, J., and Kasagi, N.,
"Development of Micro Catalytic Combustor with Pt/Al2O3 Thin Films,"
JSME Int. J., Vol. 47, No. 3, Ser. B, pp. 522-527 (2004).
(doi:10.1299/jsmeb.47.522)
Siキャビティを用いた選択的放射体
- 鈴木 雄二,
「シリコン選択的放射体を用いたマイクロ熱光発電システムの開発」,
伝熱, Vol. 50, No. 210, pp. 18-24 (2011).
(日本伝熱学会) - Kirikae, D., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
“Silicon Microcavity Selective Emitter with Smooth Surface for Thermophotovoltaic,”
J. Micromech. Microeng., Vol. 20, Issue. 10, No. 104006, 7pp, (2010).
(doi:10.1088/0960-1317/20/10/104006)
- Kirikae, D., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Selective-emitter-enhanced Micro Thermophotovoltaic Power Generation System,"
23rd IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2010), Hong Kong, pp.1195-1198 (2010).
- Takagi, D., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Pyrolyzed Parylene Structure as Selective Emitter for High-Efficiency Thermophotovoltaic,"
20th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2007), Kobe, pp. 883-886 (2007).
マイクロイジェクタ
- Takada, M., Morimoto, K., Suzuki, Y., and Ikoma, K.,
“Effect of Fuel Supply on Pressure Increase of Anode Gas Recirculation Supersonic Ejector for SOFC,”
8th KSME-JSME Thermal and Fluids Engineering Conf., Incheon, FR07-003, 4pp, (2012). - Fan, Y., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Development of Large-Entrainment-Ratio Supersonic Ejector for Micro Butane Combustor,"
J. Micromech. Microeng., Vol. 16, No. 9, S211-S219 (2006).
(doi:10.1088/0960-1317/16/9/S07 )
最終更新: 2014-03-03