2/11
研究の動機京都議定書を受けて CO2 削減の対策が模索されている．産業界で最も多く CO2 を排出するのは、火力発電所
火力発電所の中で、火力発電所の中で、 LNGLNG 火力発電所に注目火力発電所に注目
LNGLNG とは・・・液化天然ガス（とは・・・液化天然ガス（ Liquified Natural GasLiquified Natural Gas ））主成分はメタン主成分はメタン
インドネシア・ブルネイなどで産出され、インドネシア・ブルネイなどで産出され、120K120K まで温度を下げ、まで温度を下げ、
液化して専用のタンカーで日本まで輸送する液化して専用のタンカーで日本まで輸送する
効果的・具体的な効果的・具体的な COCO22 削減の対策削減の対策
LNGLNG の持っている冷熱の持っている冷熱 ((120K120K からから 300K300K のの温度差温度差 )) からから電力回収して、電力回収して、 LNGLNG 火力発電所火力発電所全体の効率を上げれない全体の効率を上げれないか？か？
3/11
研究の背景
Circulationpump
LNG tanker
LNG tank
LNGpump
Sea water pump
Sluice gate
Evaporator
Forced air blower
Airheater
Drum
Water pump
Turbinegenerator
condenser
Drainag gate
Pure water
Sea water
LNGExhaust
tower
Steam
Natural gas
Feed water heater
： LNG
： Water
： Sea water
Boiler
LNGLNG 火力発電プラントの概要火力発電プラントの概要
LNGLNG 関係部関係部
LNGLNG は可燃性のためは可燃性のため、タービンなどの稼働部を持った装置で、タービンなどの稼働部を持った装置でののエネルギー回収はほとんど行われていないエネルギー回収はほとんど行われていない
4/11
従来の従来の LNGLNG 気化器概念図気化器概念図
CO2 削減のための提案
エネルギー回収の手段について・ LNG は可燃性ガスのため、タービンシステムは使用不可・従来の気化器に大きな変更を加えたくない
提案提案温度差を電気エネルギーに温度差を電気エネルギーに
変換する熱電素子を変換する熱電素子を用いたエネルギー回収用いたエネルギー回収
LNG の持つカルノー効率 約６０％低温側 120K(LNG 温度 )高温側 300K( 海水温度 )
LNG LNG 〜 〜 120K120K
海水海水 海水海水海水海水海水海水
300K300K 300K300K 300K300K300K300K
海水海水
天然ガス天然ガス 300K300K 天然ガス天然ガス 300K300K 天然ガス天然ガス 300K300K
熱電素子を使った熱電素子を使った LNGLNG 冷熱回収気化器概念冷熱回収気化器概念図図
N
N
N
P
P
P
N
P
N
N
N
P
P
P
N
P
N
N
N
P
P
P
N
P
P
N
N
N
P
P
P
N
P
N
N
N
P
P
P
N
P
N
N
N
P
P
P
N
熱電素子熱電素子
5/11
熱電素子とは？
■BiTe （室温以上向け，実用化されている材料の一つ）， BiSb( 低温向け ) の性能がよい → Ｂｉ系材料■エネルギー変換効率が 10 ％以下と小さい 過去に電力回収の検討 → 変換効率の低さ故、採用されず
電圧計 電圧計
金属の両端が同じ温度では、何も起こらない
温度差があると、起電力発生
高温 低温
6/11
熱電素子材料開発の指針熱電素子の性能は、性能指数Ｚを使って表され、より大きなＺを持つ材料が求められている
†
Z 2
•ゼーベック係数 ゼーベック係数 αα 大 大•抵抗率 抵抗率 ρρ 大 大•熱伝導率 熱伝導率 κκ 小 小
熱電素子に磁場を印加することに熱電素子に磁場を印加することによって性能改善の可能性が十分あよって性能改善の可能性が十分あるる
（磁場効果）（磁場効果）
α ：ゼーベック係数ρ ：抵抗率κ ：熱伝導率
例えば、磁場中における性能指数の改善例例えば、磁場中における性能指数の改善例 (( 単結晶単結晶 BiSb)BiSb)
磁場強度磁場強度 ＢＢ
改善
率改
善率 Z(B)/Z(0)Z(B)/Z(0)
性能指数性能指数改善領域改善領域
7/11
マイクロワイヤーアレイ構造の採用
熱電素子の材料を、熱伝導率の低いガラスなどの絶縁物と一緒に形成することによって、素子自体の熱伝導率低下を行う．さらに磁場を印加することによって、固体中のサイクロトロン周波数を制御 これによって、熱電素子の発電効率が向上
25mm25mm
例例直径２５直径２５ μμ ｍのＢｉをワイｍのＢｉをワイヤー状にならべ、それをガラヤー状にならべ、それをガラスで束ねてアレイ化したものスで束ねてアレイ化したもの
8/11
何故マイクロワイヤーか？■ナノワイヤーを何故やらないか？ 量子効果を得るためには、直径が約 10nm 以下、温度100K 以下が必要。この条件では、エネルギー変換素子としての希望は、薄い。■なぜマイクロワイヤーか？ ワイヤーの長さＬ，ワイヤーの直径Ｄとすると、 L/D が大きいほど、磁場中で熱電素子の性能が向上。
10É mí∑Ç≥1.95mm
ëSëÃÇ≈íºåa10É mÅCí∑Ç≥1.95mmÇÃBiÉèÉCÉÑÅ[Ç™ñÒ36000ñ{ëgÇ›çûÇ‹ÇÍǃǢÇÈ
É}ÉCÉNÉçãZèpÇ ópǢǃǢÇÈÇ…Ç©Ç©ÇÌÇÁÇ∏ÅAǪÇÃàµÇ¢ÇÕè]óàñ@Ç ÇªÇÃÇ‹Ç‹óòópÇ≈Ç´ÇÈBiçfióøàÍñ{àÍñ{Ç™î≠ìdëféqÇ∆ǵǃã@î\
ÉKÉâÉX
Ｌは現実的に数ｍｍであるため、 L/D=100 とするためには、Ｄがマイクロサイズになる。
9/11
ワイヤー素子の模式図と SEM写真約２約２mmmm
約２約２mmmm
約約 1mm1mm〜〜
2.52.5ｍｍｍｍ温度差方向温度差方向
ワイヤー端部の SEM写真
25μm25μm
熱電材料（Ｂｉ）熱電材料（Ｂｉ）ガラスガラス
素子の大きさとして素子の大きさとして即、実用化可能即、実用化可能
10/11
実用化にむけての課題
■ワイヤー直径が１ μ ｍまでの素子の作製・性能評価■マイクロプラズマを用いた結晶方位の制御■ＢｉＳｂ，ＢｉＴｅ系材料を使ったサンプル作製■磁場中での熱伝導率の測定■より長いワイヤーサンプル作製
■Ｐ型材料（ BiSn ， BiPb ）のサンプル作製■ナノワイヤーアレイ素子の検討
磁場効果，マイクロワイヤーアレイ構造素子を扱う上でのすべての要素技術の開発に成功
実用化に向けて、さらなる研究開発
11/11
最近の成果1. Y. Hasegawa, Y. Ishikawa, et al., Appl. Phys. Let., Vol. 85 pp.917-919 (2004)2. T. Kikuchi, Y. Hasegawa, H. Shirai, Journal of Physics D, Vol. 37, pp.1537-1543 (2004)3. Yasuhiro HASEGAWA, Takashi KOMINE et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43, pp.35-42
(2004)4. Yoshie IKEDA, Tetsuji ITO et. al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 43, pp.5960-5966
(2004)5. Atsushi Suzuki, Yasuhiro Hasegawa et al., Rev. Sci. Inst. Vol. 76, 023907 (2005)6. Yasuhiro Hasegawa, Yoshiaki Ishikawa et al., J. Appl. Phys. Accepted.7. T. Komine, T. Takahashi et al., J. Appl. Phys. Accepted8. T. Komine, T. Takahashi et al., J. Magn. Soc. Jpn. Accepted
査読付き論文
特許
1. 特願 2005-7128 ，「熱電変換素子とその製造方法」，出願日 平成 17年 1 月 14 日2. 特願 2005-3232 ，「熱電素子における接合電極の形成方法及び多孔体熱電素子」，
出願日 平成 17年 1 月 7日3. 特願 2003-384317，「ヒートナイフ」，出願日 平成 15年 11月 13 日4. 特願 2003-058033 ，「熱電変換モジュール及びその製造方法」，出願日 平成 15 年
3月 5 日5. 特願 2003-4364，「顕微鏡，顕微鏡用マイクロプラズマアレイ，表面観察方法、及
び表面改質方法」，出願日 平成 15 年 1月 15日6. 特願 2003-7438，「マイクロプラズマ生成装置，プラズマアレイ顕微鏡，及びマイ
クロプラズマ生成方法」，出願日 平成 15 年 1月 15日7. 特願 2002-265834 ，「熱電材料の製造法」，出願日 平成 14 年 9月 11日
Recommended
