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熱エネルギー高効率利用
−蓄熱と熱電変換−


　幅広い温度領域の排熱を回収し、用途ごとに無駄なく活用することがエネルギー資源問題解決の究極の課題といえます。例えば、蓄熱材、ヒートポンプ、ヒートパイプなどで排熱エネルギーを貯蔵、輸送し、その排熱(熱エネルギー)を電気に変換する熱電発電はその効用が大いに期待できるものとして注目されています。
　 本調査レポートは、この「蓄熱」、「熱電変換」に焦点をあて、その状況と開発動向を以下のように調査し、まとめたものです。

蓄熱
☆ 従来からの顕熱・潜熱蓄熱材料や、新しい化学蓄熱材料の技術動向。
☆ 熱輸送媒体やヒートポンプシステムなど最新の蓄熱技術の開発状況。
☆ 蓄熱のための周辺技術、熱回収・熱輸送などの実例や開発状況。
熱電変換
☆ 注目の熱電変換材料(化合物半導体、酸化物、有機高分子)の動向。
☆ 熱電発電素子や熱電発電システムの技術開発動向。
☆ 高温熱熱電発電について技術動向。
　
　　 □体裁　A4判333ページ
　　 □税込価格　71,400円(本体68,000円、消費税3,400円)
　　 □送料　弊社負担
　　 □発行　2009年12月

章　目　次

I.　序章
　第1章　エネルギーの現状
　第2章　熱エネルギー利用の課題

II.　蓄熱
　第1章　蓄熱材料
　第2章　蓄熱の技術
　第3章　熱回収、熱輸送

III.熱電変換
　第1章　熱電発電技術の位置づけ
　第2章　熱電変換材料
　第3章　熱電発電システム
　第4章　高温熱電発電

詳 　細　目　次


I.序章		 頁

1

第1章　エネルギーの現状		 1
　1.1　エネルギーの分類 1
　1.2　エネルギーの形態と相互変換関係 2
　1.3　熱エネルギーの重要性 3
　引用文献 4

第2章　熱エネルギー利用の課題		 5
　2.1　日本におけるエネルギーの利用構造 5
　2.2　各分野における具体的な課題 9
　　2.2.1　発電施設 9
　　2.2.2　産業プロセス 9
　　2.2.3　廃棄物焼却場 9
　　2.2.4　民生業務部門、一般家庭 9
　　2.2.5　自動車 9
　　2.2.6　電気電子機器 10
　2.3　熱エネルギー高効率利用のための基本技術 13
　引用文献 13

II.蓄熱		 14

第1章　蓄熱材料		 14
　1.1　顕熱蓄熱材料 14
　　1.1.1　流体蓄熱としての水蓄熱 16
　　1.1.2　固体蓄熱 18
　　　(1)　蓄熱槽方式 18
　　　(2)　躯体蓄熱 28
　　　(3)　土壌(地中)蓄熱 31
　1.2　潜熱蓄熱材料 40
　　1.2.1　潜熱蓄熱材料の開発動向 40
　　1.2.2　低温用潜熱蓄熱材料 42
　　　(1)　ノルマルパラフィンエマルション(有機系固液相変化、パラフィン類)(ハリマ化成) 42
　　　(2)　トリメチロールエタン水和物(TME・3H2O)(三菱化学科学技術研究センター・名古屋大学) 44
　　1.2.3　中温用潜熱蓄熱材料(100℃〜200℃付近)としての糖アルコール 47
　1.3　化学蓄熱材料 50
　　1.3.1　化学蓄熱材料の定義 50
　　1.3.2　AQSOAゼオライト(低温化学蓄熱材料)(三菱化学、名古屋大学) 51
　　1.3.3　複合水酸化物化学蓄熱材(中温熱蓄熱用)(東京工業大学) 53
　　1.3.4　排熱利用に有効な新規化学蓄熱材(中温熱蓄熱用)(東京工業大学) 58
　　1.3.5　水蒸気収脱着型蓄熱材およびその製造方法(東京工業大学) 61
　引用文献 65

第2章　蓄熱の技術		 67
　2.1　機能性熱流体(熱輸送媒体、作動流体) 67
　　2.1.1　自然冷媒を利用した冷熱輸送および冷熱蓄熱(産業技術総合研究所) 68
　　2.1.2　氷スラリー製造設備(三井造船) 68
　　2.1.3　ヘキサデカン内包カプセル粒子の合成と蓄熱材への応用(神戸大学) 69
　　2.1.4　蓄熱微粒子-水系スラリーのキャピラリー内伝熱特性(山形大学) 71
　　2.1.5　マイクロカプセル及び熱輸送流体(本田技研工業) 71
　2.2　蓄熱方式 75
　　2.2.1　潜熱蓄熱方式 75
　　　(1)　高効率低温集熱パネルとその熱輸送システム(慶応義塾大学) 76
　　2.2.2　化学蓄熱方式 81
　2.3　ヒートポンプによる蓄熱 83
　　2.3.1　圧縮式ヒートポンプ(機械圧縮式ヒートポンプ) 83
　　　(1)　車両空調システム、車両および車両空調装置(圧縮式ヒートポンプの冷熱回収)
　　　　　　(トヨタ自動車)		 86
　　2.3.2　化学ヒートポンプ(熱駆動式ヒートポンプ) 89
　　　(1)　吸収式ヒートポンプ(荏原製作所) 89
　　　(2)　吸着式ヒートポンプ(AHP) 94
　　　　A.AHPの特徴と問題点(金沢大学) 94
　　　　B.AHPの吸着器内熱・物質移動現象(名古屋大学) 97
　　　　C.吸着式冷凍機用吸着材料の高密度化(金沢大学) 102
　　　　D.新規水蒸気吸着材FAM-A01、-Z02のAHPへの適応性検討(三菱化学) 104
　　　(3)　化学式ヒートポンプ(CHP) 109
　　　　A.CHPの昇温サイクル 109
　　　　B.高熱伝導性CHP反応材(ファンクショナル・フルイッド) 110
　　　　C.炭素繊維を用いた熱エネルギー利用機器の伝熱促進(九州大学) 112
　　　　D.化学反応を利用した廃熱の質的転換(ファンクショナル・フルイッド) 113
　引用文献 116

第3章　熱回収、熱輸送		 117
　3.1　熱回収と転換 117
　　3.1.1　焼却排気ガス顕熱を回収して行う廃棄物発電方法(新日本製鐵) 119
　　3.1.2　コークス炉の顕熱を化学エネルギー(水素)として回収す方法 120
　　　(1)　コークス炉ガスの顕熱回収方法(JFE技研) 120
　　　(2)　コークス炉ガスの顕熱回収方法(新日本製鐵) 121
　3.2　潜熱蓄熱方式による熱輸送 123
　　3.2.1　ヒートコンテナ方式熱輸送システムの導入(三機工業、栗本鉄工所) 123
　　3.2.2　直接接触潜熱蓄熱技術を用いた熱輸送システムの開発(神戸製鋼所) 129
　　3.2.3　熱有効利用システム(神鋼環境ソリューション) 131
　　3.2.4　潜熱蓄熱性能を有する包接水和物と製造装置(JFEエンジニアリング) 132
　　3.2.5　水和物スラリー蓄熱システムによる大規模施設の空調(JFEエンジニアリング) 137
　3.3　化学蓄熱方式による熱輸送 139
　　3.3.1　化学反応を用いた蓄熱サイクルシステムに関する研究
　　　　　　(若狭湾エネルギー研究センター)		 140
　　3.3.2　ケミカルヒ−トポンプコンテナ(千葉大学) 142
　　3.3.3　溶液輸送型吸収ヒートポンプサイクルによる長距離排熱輸送(東京農工大学) 145
　　3.3.4　化学熱輸送システムの研究開発(名古屋大学、地域結集型共同研究事業) 149
　3.4　ヒートパイプによる熱輸送 150
　　3.4.1　パーソナルコンピュータ冷却用新型コンポジットウイックヒートパイプ(フジクラ) 151
　　3.4.2　自励振動ヒートパイプの熱輸送特性に関するレビュー(東京工業大学) 153
　3.5　マイクロチャンネル熱交換器 154
　　3.5.1　マイクロ熱交換器の開発(ヤチダ) 155
　　3.5.2　超臨界冷媒用マイクロチャンネル一体型積層構造熱交換器(筑波大学、ヤチダ) 158
　　3.5.3　微細パイプを用いた小型熱交換器(シーケーユー) 162
　引用文献 165

III.熱電変換		 167

第1章　熱電発電技術の位置づけ		 167
　1.1　エネルギーの現状と熱電発電 167
　1.2　熱電発電技術の有用性(電力の利用形態の観点から) 169
　1.3　熱電発電原理概略 170
　　1.3.1　ゼーベック効果 170
　　1.3.2　熱電素子の出力と効率 172
　　1.3.3　セグメント型素子・カスケード型素子 174
　引用文献 177

第2章　熱電変換材料		 178
　2.1　熱電変換材料概論 178
　　2.1.1　熱電発電の用途と熱電材料 178
　　2.1.2　熱電変換の物理概略 180
　　2.1.3　熱電材料の種類と開発動向 184
　　　(1)　排熱回収用高効率熱電変換材料の研究開発動向 184
　　　(2)　性能向上への取り組みとその動向 188
　　　(3)　熱電変換材料の種類と分類 189
　2.2　熱電変換材料の動向 200
　　2.2.1　化合物半導体系熱電変換材料 201
　　　(1)　テルル化合物(テルライド)系材料 201
　　　　A.タリウム化合物系熱電材料(大阪大学) 201
　　　　B.PbTeにおける熱電効率の向上(大阪大学、オハイオ州立大学、カリフォルニア工科大学) 204
　　　(2)　シリサイド系材料 207
　　　　A.遷移金属シリサイド(山口大学) 207
　　　　B.Na添加Mg2Siの熱電特性(豊橋技術大学、豊田自動織機) 212
　　　　C.ラティスに着目した鉄シリサイド系熱電材料の開発(物質・材料研究機構) 213
　　　(3)　かご型化合物系 216
　　　　A.スクッテルダイト系 216
　　　　B.クラスレート系 219
　　　(4)　ホイスラー化合物系 224
　　　　A.ホイスラー化合物の熱電特性(名古屋工業大学) 224
　　　　B.ハーフホイスラー化合物の熱電特性(大阪大学) 232
　　　(5)　亜鉛・アンチモン系(名古屋大学、カリフォルニア工科大学、オーフス大学) 232
　　　(6)　自然ナノ構造化合物半導体(大阪大学) 239
　　　(7)　クラスター固体 241
　　　(8)　希土類化合物系 245
　　2.2.2　酸化物系 250
　　　(1)　層状コバルト酸化物系 251
　　　(2)　自然超格子系n型酸化物熱電変換材料の開発 (名古屋大学) 255
　　　(3)　酸化物人工超格子系熱電材料SrTiO3/SrTiO3：Nb(名古屋大学) 257
　　　(4)　熱電酸化物セラミックスのナノ構造制御と熱電特性(酸化亜鉛系材料)(九州大学) 259
　　　(5)　熱電変換性能を有する複合酸化物(産業技術総合研究所) 261
　　2.2.3　有機高分子系 263
　引用文献 265

第3章　熱電発電システム		 268
　3.1　熱電変換素子 268
　　3.1.1　廃熱から電気を作る環境にやさしいセラミックス(早稲田大学) 268
　　3.1.2　Zn4Sb3高性能熱電変換素子(宇部興産) 268
　3.2　熱電発電システム 270
　　3.2.1　酸化物熱電システムの開発(産業技術総合研究所) 271
　　3.2.2　未利用エネルギーを有効に活用する熱電発電システム(東芝) 274
　　3.2.3　600℃級熱源用カスケード型熱電発電モジュールの開発 276
　　3.2.4　高速バス排ガス利用熱電変換技術の研究開発(新エネルギー・産業技術総合開発機構) 276
　　　(1)　高効率熱電材料の開発 276
　　　(2)　高速バス排ガス利用熱電発電システム 281
　　3.2.5　高効率熱電変換システムの開発 283
　　　(1)　高温域Zn-Sb 系、低温域Bi-Te 系材料のカスケード(宇部興産) 283
　　　(2)　高効率熱電変換モジュール・システムの開発(小松製作所) 284
　　　(3)　100〜150℃の温度域の排熱を想定した熱電変換システムの開発(東芝) 286
　　　(4)　プロジェクターの光源排熱利用(ヤマハ) 288
　　　(5)　熱電変換モジュールと熱電変換システムの開発目標と達成成果 289
　　3.2.6　酸化物熱電発電モジュールの開発及び量産技術開発(昭和電線ケーブルシステム) 292
　　　(1)　酸化物熱電発電モジュールの開発 292
　　　(2)　酸化物熱電変換素子の量産技術開発 284
　　　(3)　熱電変換モジュール 297
　　3.2.7　熱発電素子およびその製造方法(本田技研工業) 301
　引用文献 306

第4章　高温熱電発電		 307
　4.1　これからのエネルギー 307
　4.2　アルカリ金属熱電発電装置 310
　　4.2.1　アルカリ金属熱電変換の原理 310
　　4.2.2　アルカリ金属熱電変換システムの特徴と技術的課題展望 312
　　4.2.3　アルカリ金属熱電変換(AMTEC)(産業技術総合研究所) 314
　　4.2.4　低温作動型AMTECセルの発電性能解(静岡理工科大学、産業技術総合研究所) 317
　　4.2.5　アルカリ金属熱電発電装置 320
　　　(1)　熱電子発電素子とアルカリ金属発電素子とから構成される複合発電システム
　　　　　　(産業技術総合研究所)		 320
　　　(2)　アルカリ金属熱電発電装置(核燃料サイクル開発機構) 322
　　　(3)　アルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉
　　　　　　(日本原子力研究開発機構)		 324
　4.3　電磁流体力学(MHD)発電機 325
　　4.3.1　MHD発電の原理と発電機の種類 326
　　4.3.2　MHD発電システム 328
　　　(1)　オープンサイクルMHD発電システム 328
　　　(2)　クローズドサイクルMHD発電システム 329
　　4.3.3　希ガスMHD発電機を利用した高温太陽熱発電システム(筑波大学) 330
　引用文献 333
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