企画にあたって

木村

好里

私たちが暮らす地球には自然界に存在する熱源，産業活動火力発電も同じである．火力発電では，化石燃料が持つ熱エから排出される廃熱など，「熱エネルギー」が様々な規模おネルギーで蒸気を発生してタービンを回転する機械エネルギ

よび形態で広く分散して存在する．これらの「熱エネルギー」ーに一旦変換する．さらに電気エネルギーへと変換して電力を「電気エネルギー」に直接変換できるクリーンな「熱電変を取り出すことになる．一方，熱電変換発電は熱エネルギー換発電( Thermoelectric power generation )」システムを広から電気エネルギーへの直接変換である．熱電変換発電の原

く社会に普及させることができるならば，省エネルギー化に理は基本的に熱電対の熱起電力と同じくゼーベック効果よる化石燃料資源の有効利用，温室効果ガスの排出量削減に(Seebeck effect)である．いわば熱起電力が大きな熱電対でつながり，結果として地球環境の保全に大きく貢献することあり，一対の n 型と p 型半導体からなる熱電素子を基本ユができる．

ニットとして，これら多数を直列に接続することで熱電モジュールを構成して使用されている．そこで熱電変換発電に.

地球環境のためにエネルギーの有効利用を考える

は，以下に示すような魅力的な特徴を挙げることができる．


四季の移ろい方に異変を感じるようになり，日々の暮らしの中でも地球温暖化を身近に意識する機会が増えてきたことである．


国内で開催されたことも契機となっている． 1997 年 12 月には京都議定書で知られる気候変動枠組条約第 3 回締約国会
議 COP3」， 2008年 7 月には北海道洞爺湖サミットが開催された． 2011年現在，日本は 1990年を基準年として 2020年までに温室効果ガス排出量を 25 削減することを目指してい機械的可動部を持たない固体素子を用いるため長寿命，静粛，かつメンテナンスフリーである．

から，地球環境に対する人々の関心が高まっている．温室効果ガスの排出量削減義務などを議論した国際的な会議が日本

温室効果ガスを排出しないクリーンなエネルギー変換


熱量の規模には依らず温度差に応じたスケール効果のない発電が可能である．

.

熱電変換材料の設計開発と課題

る．これは 2009 年 9 月に New York で開催された国連気候

ゼーベック効果が 1820 年代に発見されて以来，世界中で熱電材料の研究と開発が盛んに行われてきたが，いまだに変変動サミットにおいて公約された．また，研究者にとって関換効率を実用レベルに引き上げることが永年の課題として残心のある大型研究資金制度を見ても，環境エネルギーや低炭されている．最近 10 年を見ると，有望なパラメターを有す素化技術に関連したプログラムが増えている．

ることが期待できる系を中心に新材料の探索がなされ，ナノ現在までに人間が長い歴史の中で築いてきた豊かな暮らしテクノロジーの流行と急速な発展に伴ない超格子，薄膜，層を維持しながら発展を続ける Sustainable Development を目状構造など原子レベルでの構造を制御して創り出し，量子効指すことが望ましいが，それは決して容易ではなく，限りあ果による高性能化の実現を目指す試みが増えてきた．熱電素

る化石燃料資源から生み出した貴重なエネルギーを有効活用子はバルク体であるため，高性能を実現したナノスケールのすることを確実な一歩として努力を続けることが重要であ構造体をバルク体として実現することが課題となる．

る．利用されないまま棄てられている熱エネルギーをクリー

熱電変換材料の性能は，一般に性能指数(Figure of merit)ンで使いやすい電気エネルギーとして回収できる熱電変換発Z ＝( S 2s / k )で評価され，ゼーベック係数 S (熱電能)と電気伝導率 s を増大させ，熱伝導率 k を低減させることで Z の電は，材料科学と材料工学の分野が環境エネルギー問題の解決に貢献できる技術分野の一つである．

.

熱電変換発電の魅力と特徴向上を目指す． S, s, k はキャリア濃度を介して互いに関連しており，独立には制御できないことが性能向上の大きな障害である．材料系によって詳細は異なるが，元素ドーピングによりキャリア濃度を最適化して出力因子(S 2s 項)を向上す

熱エネルギーを電気エネルギーに変換するという意味ではること，界面導入や元素固溶によりフォノンの平均自由行程

東京工業大学准教授大学院総合理工学研究科(〒2268502 横浜市緑区長津田町4259 G323)
Introduction; Yoshisato Kimura(Tokyo Institute of Technology, Materials Science & Engineering, Yokohama)
Keywords: thermoelectric power generation, Seebeck effect, electrical resistivity, thermal conductivity, figure of merit, thermoelectric module, solidstate device, on-site generation, synergy effect
2011年 2 月 9 日受理

ま て り あ 第50巻 第 4 号(2011)Materia Japan

を短くして格子熱伝導率を低減することが熱電特性改善の基ガスタービン発電と組み合わせるコジェネレーション，ゴミ本的な考え方である．ここで熱伝導率はキャリア熱伝導率と焼却施設や種々のプラントでの廃熱回収などが挙げられる．

格子熱伝導率の和として考えられる．同じ Z の値であっても S, s, k の内訳は異なるため，バランスが肝要である． Z

将来，社会により広く浸透させるためには，現在，一般住居の単位が K－1 であることから，両辺を絶対温度 T で規格化存が魅力的である．自然界最大の再生可能エネルギーであるした無次元性能指数 ZT も広く性能評価に用いられる．

太陽からの総放射エネルギーは約 50 億年分あると言われて熱電変換発電の特徴を前述したが，それが故に見えてくる欠点が研究の課題に直結する．
や建築物への普及が加速している太陽光発電システムとの共いる．現在サンベルト地帯を中心に開発が進められている太陽熱利用の発電システムは，油や水を蒸気にしてタービンをエネルギー直接変換であるが故に，低い変換効率を実回す方式が主流である．レンズで集光する，選択光を熱とし用レベルまで飛躍的に向上させなければならない．エて吸収するなど工夫は必要であるが，太陽電池と熱電材料をネルギー直接変換材料としてライバルの太陽電池は，組み合わせる光電変換と熱電変換のシナジー効果により飛躍研究レベルで変換効率 30 を実現し 50 を目指す時的な発電効率向上を目指す太陽エネルギー直接変換発電シス代である．対して熱電材料は変換効率 10 以上の確テムの開発が望まれる．

保が目標である．熱電変換発電システムを導入する際に高い発電効率の確保が必須である．



.

現状から将来を概観するために機械的可動部がない固体素子であるが故に，構造材料として最低限の機械的性質が要求される．多くの熱電今回のミニ特集では，環境エネルギー問題解決に貢献でき材料は脆い金属間化合物や酸化物であり， n 型p 型

るエネルギー直接変換に着目し，熱エネルギーを有効利用す素子と電極の熱膨張係数差に起因して大きな熱応力がる「熱電変換発電」に焦点を絞り，材料設計開発における最発生すると破壊の原因となる．例えば自動車に搭載す近の話題から実用化の鍵を握る熱電モジュールの開発状況をる場合，昇温と降温の温度サイクルが繰り返し負荷さ含めて現状から将来に向けた展望を考える．紙面の制約かられるだけでなく，大きな振動による外力も負荷される．

興味ある研究の一部をご紹介する．

熱量の規模を問わず温度差に応じた発電が可能である

長谷崎和洋氏(島根大学)には，実用熱電材料の代表格としが故に，広い温度域のカバーが必要になる．熱電特性て高性能を誇る Bi Te 系化合物の新たな熱電特性改善指を決める物性値にはそれぞれ温度依存性があり，最大針，同じく中低温域で使用する Zr Sb 系を紹介いただく．

性能を発揮する温度域は材料によって異なる．しかし黒崎健氏(大阪大学)には，ナノスケール組織形成に起因して一つの材料で広い温度範囲をカバーする必要はなく，極めて低い格子熱伝導率が達成できる新しい化合物群に着目

温度域ごとに種々の材料を選択できることが望ましい．

した最近の研究と将来の展望を紹介いただく．岡本範彦氏(京都大学)には，フォノンは遮蔽されキャリアは通り抜ける

熱電変換発電のアプリケーション

PBET という概念を実現できる隻整合界面の制御に着目してチムニーラダー化合物を解説いただく．河本邦仁氏(名古.

熱電変換発電はその特長を活かす形で特殊用途において実屋大学)には，酸化物系熱電材料と太陽電池を組み合わせて用されてきた実績がある．例えば放射性同位元素を熱源とし太陽熱利用を目指すシステム設計，2 次電子ガス量子井戸層た宇宙探査船の電源として，古くはアポロ計画で，あるいはを利用して性能向上を図るナノスケール構造制御を解説いた

木星や土星など外惑星の探査機で活躍している．今，地球のだく．西野洋一氏(名古屋工業大学)には，低環境負荷と高性環境エネルギー問題を解決するためには，民生用として社会能が両立できるホイスラー型 Fe2VAl の系統的な材料設計，に広く普及させたい．安全性や経済性の観点から，できるだ

実際に自動二輪車に搭載した熱電モジュールの性能評価につけ希少元素や有害元素に頼らず，資源として豊富な元素を使いて解説いただく．矢野歳和氏(宮城大学)には，熱電材料とう元素戦略に即した材料設計が重要である．

太陽電池を共存させることで直接エネルギー変換のシナジズ

地球に様々な規模と形態で存在する未利用の熱エネルギーの総量は極めて大きいが，その多くが希薄に分散している．

ム効果を目指す具体的なシステムの実証実験研究について広い視点から解説いただく．

熱は貯め易いが運び難く，電気は運び易いが貯め難いという一般に材料設計は，相反する事象を妥協することなく高い特性を考慮すれば，熱電変換発電は熱源のあるオンサイトレベルで両立させることへの挑戦である．熱電材料の設計で( on site )で需要規模に応じた発電量を賄う小規模分散型発電に向いている．火力発電や原子力発電などの高効率で高品は優れた電気的輸送特性と低い熱伝導率を同時に達成しよう

質な電力を安定供給できる従来型の発電方式は大規模集中型質)，目指す使用環境(条件)，研究者のフィロソフィーや立発電と呼ばれる．近年の電力自由化を背景に両者がシンクロ場の違いによって，当然のごとく優先順位のつけ方や取るアしながら発展することが望ましい．つまりオンサイト発電がプローチ方法が異なってくる．多事争論的な思考と試行を繰

効果的な場面から熱電変換発電を浸透させるべきである．

り返すことで新しい熱電材料の設計指針と可能性が生まれ，現在までに考えられてきた熱電変換発電の用途としては，自動車や航空機など移動体，大規模な火力発電から小規模なとするジレンマに向き合うことになる．対象とする材料(物議論を重ねるなかで熱電変換発電の技術が着実に発展し続けてゆくことを信じたい．

ミ ニ 特 集