次世代移動型電源に適した触媒燃焼式熱電発電システムの開発

概要

　社会インフラ保全，農林水産業，医療・福祉など多様なシーンで，自律ロボットの活用が期待されていますが，その長時間運用および高度なミッションの遂行には，リチウムイオン二次電池（LIB）に替わる新しい電源システムの開発が必要となります．そこで，本研究室では，液化燃料の燃焼を用いた高性能熱電発電システムの開発を目指しています．熱電素子の高温端に設けられた触媒層で発生する触媒燃焼および，燃料・酸化剤の混合気流れによる対流効果を用いて，従来の燃焼ベース熱電発電システムより格段に熱損失を抑えたシステムを提案しました．
　Ni系合金どうしのスポット溶接，SiGeの一体焼結により，半田を使用しない高温対応の熱電素子を試作し，酸化アルミニウムのプラズマサスペンション溶射（Suspension Plasma Spray; SPS）を用いて高耐熱性・比表面積・基板密着性の触媒層を素子の高温端上に直接形成しました．熱電素子の性能評価結果，1100 ºC以上の最高温度および800 ºC以上の温度差，97%以上の燃焼効率，81 kW/m3の発電密度を達成しました．さらに，本学精密工学専攻の浅間研究室，産業技術総合研究所，株式会社ＫＥＬＫ，ダイニチ工業株式会社と共同で，GNSS，LiDAR，線量計などが搭載された自律ロボットを熱電発電システムにより駆動させ，福島県双葉郡大熊町の帰還困難区域において走行テストを実施しました．今後，触媒層の性能向上および排熱回収システムとの統合などにより，システムのさらなる高効率化を図っていく予定です．

図1. (a)従来型の燃焼ベース熱電発電システム，(b)触媒燃焼および対流効果を用いた低熱損失型熱電発電システム．

図2. (a)高温端にAl2O3触媒単体が設けられたNi系合金熱電素子，(b)触媒単体微細構造の電子顕微鏡画像，(c)触媒燃焼試験装置，(d)熱電素子の表面温度分布，(e)熱電素子１枚による発電テスト結果（Lee et al., 2023）．

図3. (a)高温端に触媒層が設けられたSiGe熱電素子，(b)燃焼・発電性能評価用バーナ，(c)触媒燃焼時の様子，(d)熱電素子の表面温度分布，(e)熱電素子１枚による発電テスト結果（Uchida et al., 2022）．

図4. (左)熱電発電システムを搭載した自律ロボット，(右)走行試験中の様子（福島県双葉郡大熊町帰還困難区域）．

プロジェクト:
　NEDO先導研究プログラム／新産業創出新技術先導研究プログラム／ドローン運用尾高度化のための革新的熱電発電システムの開発[2018-2019年度, 研究代表者：鈴木 雄二]
　NEDO先導研究プログラム／新産業創出新技術先導研究プログラム／自律ロボットのための革新的熱電発電システム[2019-2021年度, 研究代表者：鈴木 雄二]
および民間企業との共同研究

主たる共同研究者：
　山本 淳（産業技術総合研究所）
　范 勇（産業技術総合研究所）
　淺間 一（東京大学大学院工学系研究科精密工学専攻）

最近の発表論文

対流効果を用いた燃焼ベース熱電発電システムの開発

• Lee, M., Yoo, G., Peng, J., Uchida, S., Yamamoto, A., and Suzuki, Y.,
  “Convection-effect-enhanced Micro Thermoelectric Module Directly Heated by Catalytic Combustion,”
  Appl. Therm. Eng., Vol. 232, (2023), 121038.
  (doi:10.1016/j.applthermaleng.2023.121038)
• Uchida, S., Lee, M., Lee, C.-H., and Suzuki, Y.,
  “High-temperature Monolithic SiGe Thermoelectric Device Directly-Heated by Catalytic Combustion,”
  Appl. Phys. Lett., Vol. 120, Issue 5, 053901 (2022). Selected as a Featured Article.
  (doi:10.1063/5.0077157)
• 鈴木 雄二, 李 敏赫, 淺間 一, 永谷 圭司, 濱崎 峻資, 筑紫 彰太, 李 哲虎, 范 勇, 長瀬 和夫, 八馬 弘邦, 藤本 慎一, 横尾 直樹, 佐藤 浩之, 小田川 健一,
  “自律ロボットのための燃焼器・熱交換器一体形熱電発電システムの開発,”
  日本ロボット学会誌, Vol. 39, No. 2, pp. 120-124, (2021).
  (doi:10.7210/jrsj.39.120)
• 李 敏赫, 筑紫 彰太, 鈴木 雄二, 淺間 一,
  “帰還困難区域での熱電発電システムを用いた自律移動ロボットの実地走行 ～家庭用カセットボンベを燃料として長時間の環境モニタリングを実現～,”
  東京大学工学部プレスリリース, 2021年7月26日.
  

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., Morimoto K., and Suzuki, Y.,
  “Development of Nanoporous Aumina Catalyst Support by Anodic Oxidation of Thermally and Kinetically Sprayed Aluminum Coatings,”
  J. Therm. Spray Tech., Vol. 22, Issue 2-3, pp. 138-144 (2013).
  (doi:10.1007/s11666-012-9859-6)
• 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と熱光発電への応用

• 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)

最終更新: 2023-10-01