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1 高効率熱電変換システムの開発 事後評価報告書 平成 19 年 9 月 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構研究評価委員会

2 平成 1 年 月 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構理事長牧野力殿 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構研究評価委員会委員長 NEDO 技術委員 技術委員会等規程第 3 条の規定に基づき 別添のとおり評価結果について報告します

3 目次 はじめに 1 分科会委員名簿 2 審議経過 3 評価概要 4 研究評価委員会におけるコメント 7 研究評価委員会委員名簿 8 第 1 章評価 1. プロジェクト全体に関する評価結果 総論 1.2 各論 2. 個別テーマに関する評価結果 2.1 高効率熱電変換モジュールの開発 2.2 高効率熱電変換システムの開発 3. 評点結果 第 2 章評価対象プロジェクト 1. 事業原簿 分科会における説明資料 2-2 参考資料 1 評価の実施方法 参考資料 1-1 参考資料 2 評価に係る実施者意見 参考資料 2-1

4 はじめに 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構においては 被評価プロジェクト毎に当該技術の外部の専門家 有識者等によって構成される研究評価分科会を研究評価委員会によって設置し 同分科会にて被評価対象プロジェクトの研究評価を行い 評価報告書案を策定の上 研究評価委員会において確定している 本書は 高効率熱電変換システムの開発 の事後評価報告書であり 第 13 回研究評価委員会において設置された 高効率熱電変換システムの開発 ( 事後評価 ) 研究評価分科会において評価報告書案を策定し 第 14 回研究評価委員会 ( 平成 19 年 9 月 26 日 ) に諮り 確定されたものである 平成 19 年 9 月独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構研究評価委員会 1

5 高効率熱電変換システムの開発 事後評価分科会委員名簿 ( 平成 19 年 6 月現在 ) 分科会長分科会長代理委員 まつうら松浦 かわもと河本 あんの阿武 きし岸 すずき鈴木 氏名 みつる滿 くにひと 邦仁 ひろあき宏明 まつお松雄 りょうすけ 亮輔 所属 肩書き放送大学山口学習センター所長名古屋大学大学院工学研究科科学 生物工学専攻教授山口東京理科大学基礎工学部電子 情報工学科准教授セイコーインスツル株式会社技術本部研究開発センター基盤技術開発部副主査北海道大学大学院工学研究科材料科学専攻エコプロセス工学研究室教授 なかむら中村 やすゆき恭之 有限会社フロンティア マテリアル 取締役社長 敬称略 五十音順 2

6 審議経過 第 1 回分科会 ( 平成 19 年 6 月 15 日 ) 公開セッション 1. 開会 資料の確認 2. 分科会の公開について 3. 評価の実施方法について 4. 評価報告書の構成について 5. プロジェクトの概要非公開セッション 6. プロジェクトの個別テーマの詳細について 7. コメント 質疑応答 ( 全体について ) 第 14 回研究評価委員会 ( 平成 19 年 9 月 26 日 ) 3

7 評価概要 1. 総論 1) 総合評価低品位エネルギーである廃熱を有効利用する技術として熱電発電は有用である これは地球規模での重要課題である省エネや二酸化炭素排出削減のここ数年における対応策に大きく資するとは思えないが一助となるものである 未だ市場が明確でない状況において 公的資金の導入はこの分野の技術進展に寄与し 国内の研究開発は大いに活発になった また 実用化を目指して 学術レベルであった熱電変換材料に関する研究を熱電変換モジュールおよびシステム開発まで取り組み モジュールにおいては世界最高水準の成果が得られると共に システムも概ね目標値を達成した 合わせて 今後の開発課題も明確にし 実用化に向けて一歩前進したと評価出来る しかしながら モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まっている また より広い社会普及を見込んだ汎用性にも着目しコストダウンにつながることなど使用者の視点に立った総合的な観点からの技術開発もなされるべきであった 実用化や事業化へ向けて 残された課題を早期に解決すると共に いち早く商品化 普及に努めることで市場開拓し 広く国民に認知されるよう啓発に努めることが望ましい 2) 今後に対する提言省エネや二酸化炭素削減の社会的ニーズは高く 実用化 事業化されれば経済 波及効果が見込まれるが 普及するためには熱電変換の高効率化のみならず 汎用性や経済性にも重視した取り組みがなされることが望まれる また 本事業で取り組んだ熱電変換材料は資源量 有害性 コスト 信頼性等の問題が残されている 今後は 新しい着想により 低コストで資源豊富な元素で構成され環境にも優しく高い熱電性能をもつ革新的熱電変換材料の開発とそれを用いた熱電変換モジュール開発などの基礎研究を実用化研究と同時に進めていく必要がある 更に 生産ロボットの活用 冷却フィンまで装着した一体型モジュールなど 製造や設計においても低コスト化への改善も望まれる これらは企業単独で取り組むには難しい面もあり 大学 国研などが相互に協力し 社会的に重要性が認知させることを目指した研究開発へ展開することが望ましい 2. 各論 1) 事業の位置付け 必要性について利用するには困難で 無駄に捨てられている多くの廃熱を熱電変換技術により発電し有効利用することは 日本のみならず国際的に急務とされる地球温暖化防止および省エネに寄与するものである 熱電発電に関する市場が形成されていない状況において 熱電変換モジュール開発やシステム開発を進めるには 基盤的な要素技術も含めて研究開発がなされる必要がある また 熱電材料 接合技術等に係る要素技術の課題解決や熱電モジュールの特性評価方法の統一などは 民間の一企業では対応できない課題であり 早期実用化に先鞭をつける上でも NEDO の関与は必要であった また 未開拓であった新材料のモジュール化に道をつけ 未だに課題が残るものの将来の中 高温熱利用へ展望を開いた成果は評価に値する 4

8 一方で 現状でも市場が十分形成されていないことや国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から 本事業を近々の地球温暖化問題への対応や省エネ技術に位置付けるには難しい点もあった また すぐに波及効果を期待するのも難しいことから 今後の長期的視点でフォローしていくことが必要である 2) 研究開発マネジメントについて内外の技術的動向を踏まえて 世界的に見ても非常に高いレベルの熱電変換効率を統一指標として 適応する温度範囲を複数設定するとともに 新しい提案を含む研究開発内容と技術要素を明確にし モジュールとシステムそれぞれに妥当な目標値が設定されている また 熱電分野での研究活動経験が豊富なプロジェクトリーダーを選任し 強力なリーダーシップの元 熱電分野において技術の蓄積と熱電関連での事業実績を有する企業により 計画が推進されていた 委員会 分科会など検討会が頻繁に行われており 競争を図りつつも 技術交流に配慮されたものと思われる 加えて 材料系の問題や中間評価での指摘を研究計画へ実用化を指向しつつ適切に反映していたと考えられる なお 早期実用化に向けて 熱電変換技術の応用先を探索することは必要であるが 用途調査は総花的であったことは否めなく 量的評価や質的評価など何らかの方向性を示唆する調査もほしかった また 新規の素子 モジュール開発もなされた点は評価できるが 画期的とは言えない面もある 効率的実施のため実施者間の競争は有効であったものの 熱電技術の優位性など事業化へのシナリオ 見通しが十分ではない点も見うけられ システム技術などを含め実施者間が協力できる柔軟性ある仕組みがあっても良かった また 回収電力量の経済性は重要な側面であり 今後 それを評価指標とすることが望ましく 参加企業間の知財権などの問題もあるが より効率的な研究開発と広範な普及を図るうえで 各社間の技術交流を期待する 3) 研究開発成果について熱電変換モジュール開発では変換効率 15%( 温度差 550 度 ) という世界的に見ても高レベルの目標値を実証し 概ね目処を得られている また 個別のモジュール システム開発については 一部未達であるものの 耐久性を確保した上で 概ね目標を達成している 学会レベルであった熱電材料について モジュール化 カスケード型モジュール化を行うと同時にシステム化を図り 実証実験を行った点は 高く評価できる 加えて モジュール耐久性評価技術の開発は 汎用性の意味で価値が高いといえる 量産化を踏まえた技術開発にも取り組み 製造コストの低減も検討し 実用化に向けた技術課題も明らかになっている 知的財産権等の取得による事業化への備えをしつつ ノウハウの確保にも配慮しながら フォーラム 論文などによる成果の普及にも取り組んでいた しかしながら モジュール システムとも特定な用途に対するものが中心であったことから 直ちに汎用性や普及促進に繋がるには難しい感じがあった 実用化に向けては 初期投資や回収期間 メンテナンスフリーなど使用者側の視点での評価指標のより明確化など 課題も多く残っている 今後 普及促進に向けて 更なる検討を進めるべきである また 一般社会の認知度が上がる観点からは十分とは見えず 更なる工夫や試みが成されることが望ましかった 市場開拓や顧客確保に繋がることから 5

9 も熱電の重要性を社会に認知してもらうための努力を期待する 4) 実用化 事業化の見通しについて実用化については 的を絞っていると共に 自社および関連企業で自社既存事業と関連付けられながら進められており 期待が持てる また 事業化に向けた課題の検討やそれに伴う経済効果 波及効果も検討しており 実現されると経済的 社会的な波及効果は大いに期待される また 本プロジェクトの実施自体がこの分野の研究開発 人材育成等促進に大きな刺激となり 我が国および世界での熱電変換科学技術の進歩に寄与できたと考える しかしながら 一部 積極的に実用化 事業化する意欲が伝わってこなかったことやシナリオが必ずしも十分でない点も見受けられた 未だ大きな市場をもたない状況で 量産化効果に頼るコスト低減には懸念がある 量産効果以外のコスト低減について今後さらに工夫 努力が必要である また 量産効果を見込むためには 分野や電力の使用用途の拡大や主電源としての活用方法の検討などが重要であり その点から言うと見通しが甘い点が見受けられる 確かに 事業をしてみないとわからない面があることは理解できるが 社会的によりアピールするシナリオを検討すると良かったと思われる なお 熱エネルギーの電気変換はいろいろな側面を持ち その対象によっても 変換にかける費用や目的とする変換効率も異なることから モジュールや単なる発電システムとしての取り組みだけでなく 電力供給システム全体としての取り組みが望まれる 6

10 研究評価委員会におけるコメント 第 14 回研究評価委員会 ( 平成 19 年 9 月 26 日開催 ) に諮り 了承された 研究評 価委員からのコメント 7

11 研究評価委員会 委員名簿 ( 敬称略 五十音順 ) 職位氏名所属 肩書き 委員長西村吉雄国立大学法人東京工業大学監事 委員伊東弘一早稲田大学理工学術院総合研究所客員教授 ( 専任 ) 委員稲葉陽二日本大学法学部教授 委員大西優株式会社カネカ顧問 委員尾形仁士三菱電機エンジニアリング株式会社取締役社長 委員 黒川淳一 国立大学法人横浜国立大学大学院 工学研究院 システムの創生部門教授 委員小林直人独立行政法人産業技術総合研究所理事 委員 小柳光正 国立大学法人東北大学大学院工学研究科バイオロボティクス専攻教授 委員 佐久間一郎 国立大学法人東京大学大学院工学系研究科精密機械工学精密機械工学専攻教授 委員 冨田房男 放送大学北海道学習センター所長 委員 架谷昌信 愛知工業大学工学部機械学科 教授 総合技術研究所所長 委員平澤泠東京大学名誉教授 委員吉原一紘アルバック ファイ株式会社技術開発部理事 8

12 第 1 章 評価 この章では 分科会の総意である評価結果を枠内に掲載している なお 枠の下の が付された箇条書きは 評価委員のコメントを原文のまま 参考として掲載したものである

13 1. プロジェクト全体に関する評価結果 1.1 総論 1) 総合評価低品位エネルギーである廃熱を有効利用する技術として熱電発電は有用である これは地球規模での重要課題である省エネや二酸化炭素排出削減のここ数年における対応策に大きく資するとは思えないが一助となるものである 未だ市場が明確でない状況において 公的資金の導入はこの分野の技術進展に寄与し 国内の研究開発は大いに活発になった また 実用化を目指して 学術レベルであった熱電変換材料に関する研究を熱電変換モジュールおよびシステム開発まで取り組み モジュールにおいては世界最高水準の成果が得られると共に システムも概ね目標値を達成した 合わせて 今後の開発課題も明確にし 実用化に向けて一歩前進したと評価出来る しかしながら モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まっている また より広い社会普及を見込んだ汎用性にも着目しコストダウンにつながることなど使用者の視点に立った総合的な観点からの技術開発もなされるべきであった 実用化や事業化へ向けて 残された課題を早期に解決すると共に いち早く商品化 普及に努めることで市場開拓し 広く国民に認知されるよう啓発に努めることが望ましい < 肯定的意見 > 使用が困難である温度領域の熱エネルギーの電気エネルギーへの変換は 従来から期待が大きい 本プロジェクトの成果は世界トップレベルの値に設定 定量化されたものに対し 達成できたといえる とくに これまで学術レベルであった熱電材料に対して モジュール化 システム化し 実証実験を行った点は高く評価できる これらの熱電変換材料の実用化を含め 今後 商業ベースでの展開に期待が持たれる 原理的にエネルギーを生み出す能力は他の発電方法に比べ高くはならない熱電発電であるが 熱電発電は低温熱源の恒久的な利用には効果が期待できる分野である 今回の NEDO 資金投入によってこの分野の技術は進展し 国内の研究開発は大いに活発になった 本プログラムによって世界最高水準の熱電変換素子効率を得たことは我が国の科学技術水準の高さを世界に知らしめ かつ 世界のトップに立って国内における熱電変換技術の商業化と一般への普及 啓蒙のために大いなる貢献があった モジュールの効率としては良いものを得たので 今後の道筋が開けた 特定用途に対して 実装試験で良好な成果が得られた 世界最高水準のモジュールが開発できた コストダウンには 生産技術面での進展が見られた 日本での研究や生産が世界での調査 セミナーなどでトップにあることが確認できた 熱電モジュールの開発においては世界最高と思われる成果も上がっており プロジェクト全体としては成功裏に終えたといえよう 無駄に捨てられている廃熱を熱電技術により回収し CO2 削減に寄与しようとする本事業は 実用化を目指して熱電の材料開発 素子開発 システム開発を総合的に展開し 国際水準として高い成果を上げている 1-1

14 熱電発電技術は低品位な排熱をエネルギー回収し有効利用する技術として有用であり それによる省エネルギー効果 二酸化炭素排出削減への効果が期待されている 当該プロジェクトは実用化のための熱電変換モジュールおよびシステム開発に取り組み 目標値を概ね達成し 実用化に向けての要素技術で有益な知見を得ると共に今後の開発課題も明確にしている 世界的にもトップレベルの成果を含んでいる 実用化に向けて一歩前進したと評価する < 問題点 改善すべき点 > 発電効率という点に力点をおきすぎたところがある 熱電変換の持つ特異性や廃熱利用という観点から考えた場合 使用環境 発電コストなど総合的な観点から技術開発を進めて欲しかった 発電効率重視のため 実用化にあたり モジュールやシステムに限定が付けられ 使用範囲が狭められることは避けなければならない モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まった 期待が大きいだけに歩みが小さく見えるのかもしれないが これからもこの技術は着実に伸ばしていかなければならない 未だ市場が明確でない部分も多いため 国の 100% の援助がふさわしい分野であったと思う 企業の資金をある割合で利用したために かえって 企業活動であるから秘密である として公表されない点も多くなり 先駆的であるこの分野の今後の発展に対し 国全体としてのレベルアップには不満がある 国の資金援助が 100% ではない助成事業であったとはいえ 公的資金を導入する上では研究者らの努力が国全体の共通資産となるよう留意すべきであろう もともと市場がない分野に新たに挑戦したこの試みは 先駆的なものであるだけに 成功した開発結果をいち早く商品化して普及させ 熱電変換技術を普通の発電技術として広く国民に認知されるよう フォローアップして欲しい 研究レベルの材料で熱電気変換モジュールを開発したことは認められるが 事業期間中に新たな材料が出てきていることから 画期的な発展がみられたとは言い切れない 素子の組成 形状についても改善の余地が認められる 入熱及び冷却のより一層の効率向上を図らねばならない 一部当初目標が未達成のものについては 改善または方向転換して引き続き開発努力をしていただきたい 得られた成果を踏まえて 終了後の実用化展開へ向けた具体的な戦略をきちっと立て 市場開拓と顧客獲得の努力をして欲しい 性能 効率向上について一定の成果を得ているが 排熱回収で熱電技術の優位性が発揮できるように実用化に向けては経済性を重視し システム全体のコストを低減するための材料 構造 製造法 利用法の開発が求められる 伝熱ロス低減はシステム効率向上のための重要課題であり システムの伝熱効率改善の余地は残されおり 独創的で革新的な伝熱技術の開発が求められる < その他の意見 > 数年のうちにおける熱電変換による二酸化炭素削減試算は楽観過ぎる 熱電変換技術の実用化とともに 適用範囲の拡大を図るためには格段の努力が必要である 1-2

15 今回の資金援助を受けた企業が中核となって 業界のリーダーとしてこの分野をさらに大いに伸ばしていってもらいたい 熱電気変換材料が汎用され クリーンな熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるように 日本の他の研究機関 研究者とのより一層の共同開発を進めていただきたい 事業化の点では 更なる市場開拓をふくめて 今後の展開が必要な状況にある 1-3

16 2) 今後に対する提言省エネや二酸化炭素削減の社会的ニーズは高く 実用化 事業化されれば経済 波及効果が見込まれるが 普及するためには熱電変換の高効率化のみならず 汎用性や経済性にも重視した取り組みがなされることが望まれる また 本事業で取り組んだ熱電変換材料は資源量 有害性 コスト 信頼性等の問題が残されている 今後は 新しい着想により 低コストで資源豊富な元素で構成され環境にも優しく高い熱電性能をもつ革新的熱電変換材料の開発とそれを用いた熱電変換モジュール開発などの基礎研究を実用化研究と同時に進めていく必要がある 更に 生産ロボットの活用 冷却フィンまで装着した一体型モジュールなど 製造や設計においても低コスト化への改善も望まれる これらは企業単独で取り組むには難しい面もあり 大学 国研などが相互に協力し 社会的に重要性が認知させることを目指した研究開発へ展開することが望ましい < 今後に対する提言 > 熱電材料に係る資源量 有害性 コスト 信頼性等の問題が残っている これらを総合した考えのもとに熱電関連の開発と実用化を図ることが望まれる また 効率重視から汎用性およびコスト重視への研究開発への転換が望まれる モジュールの効率としては良いものを得たので 一刻も早く商品化を行って 500 の熱源に限らず色々の方面に対して適用して頂きたい 量産化が価格低減の先導となると思われるので 今後はロボットを用いた製造技術や 冷却フィンまで装着した一体型のモジュール製品の製造販売体制などを構築してもらいたい 画期的な変換効率のモジュール開発 : そのためには 1 組成 成分系の探索 2 最適形状 ( 複合化含む )3 入熱 冷却の高効率化検討 4 信頼性のある接合 これらを既存の電気エネルギーコストと同レベルまで引き上げる事を目標とする 高変換効率のみを求めず 熱電変換技術を広く普及 拡大できる汎用的な適用先を見出せることが望ましい そのためには 機能素子とのハイブリット化などについても検討する必要がある 地球資源活用のために 汎用元素 (Fe,Si,Al,Cu など ) を対象としての素子の検討が必要 本プロジェクトで採用した材料はすべて非酸化物系であるため 高温熱利用に際して酸化防止の措置を取らねばならないという大きな問題を残した 今後は 耐熱性 耐酸化性を兼ね備えた酸化物系材料の開発とモジュール化 システム化へ向けた研究開発も望まれる この事業で得られた多くの成果を生かし シリサイドクラスレート 酸化物などの最近の種々の新たな高性能材料開発状況をふまえ 今後 資源的にも豊富で環境負荷の少ない材料を用いた高性能熱電変換モジュール開発を展開することが望ましい また新たな用途開発を含め 企業 大学 国研究機関が材料開発 素子開発 システム開発を協力し総合的に実用化を目指し 研究開発を展開することが望ましい 省エネルギー効果 二酸化炭素削減効果が期待される中高温度領域の排熱回収 1-4

17 においては 社会的ニーズもあり経済 波及効果が見込まれるため 幅広く熱電変換技術の適応を検討するべきである 実用化のための重要な課題の一つが経済性 ( コスト低減 ) である 熱電変換効率ばかりではなく 社会ニーズに応えられるように経済性を重視した開発を今後進める必要がある 当該事業開始後 いくつかの新材料の発見 ナノ構造材料 ( バルク 薄膜 ) などの材料開発において進展があった 新しい着想により 低コストで資源豊富な元素で構成され環境にも優しく高い熱電性能をもつ革新的材料の開発とそれを用いた熱電変換モジュール開発などの基礎研究は実用化研究と同時に進めていく必要がある 米国では移動体からの排熱回収を目的として 量子構造 超格子材料などの先端的モジュールも含めた熱電変換技術開発が国家プロジェクトで進められている このような世界的な情勢も鑑みて 今後も基礎研究も含めて実用化のための研究開発を長期的 戦略的に進めていくことが強く望まれる <その他の意見 > 今回の助成に対し直接の主要テーマではなかったが 温度変化の繰り返しの多い産業機器への熱電モジュールの適用に対し 進んで耐久性試験などが実施されていたので 商品化への対策に抜かりはなく 安心した カスケード型モジュールの設計方針や熱応力の掛かり方 耐久性試験などについての知見などは 今後のこの分野の発展に寄与するところが大きいと思われる すでに成果の一部は発表されているが 出来るだけ詳細に至るまで広い範囲について この分野の研究開発に携わる者 この分野に新たに参入してくる者 などに普及して欲しい ソフト的な分野でもあり 短期間では特許化することが難しい技術であるので プロジェクト終了後も本プロジェクトで示された技術概念や設計方針などに関して継続的な特許出願等への支援などを国が考えてはどうか 長期間のグローバルなビジョンを立ててもらいたい 市場創生のために研究者のグロ-バルな活動で 共同で各種規格 標準を制定し共通認識で熱発電市場を拡大活性させ 電気エネルギーをクリーンな熱変換で作り出し 地球環境保持に寄与していただきたい 大きな発電でなくても 通信等で役立つ小さなエネルギー創生にも取り組んでもらいたい 1-5

18 1.2 各論 1) 事業の位置付け 必要性について利用するには困難で 無駄に捨てられている多くの廃熱を熱電変換技術により発電し有効利用することは 日本のみならず国際的に急務とされる地球温暖化防止および省エネに寄与するものである 熱電発電に関する市場が形成されていない状況において 熱電変換モジュール開発やシステム開発を進めるには 基盤的な要素技術も含めて研究開発がなされる必要がある また 熱電材料 接合技術等に係る要素技術の課題解決や熱電モジュールの特性評価方法の統一などは 民間の一企業では対応できない課題であり 早期実用化に先鞭をつける上でも NEDO の関与は必要であった また 未開拓であった新材料のモジュール化に道をつけ 未だに課題が残るものの将来の中 高温熱利用へ展望を開いた成果は評価に値する 一方で 現状でも市場が十分形成されていないことや国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から 本事業を近々の地球温暖化問題への対応や省エネ技術に位置付けるには難しい点もあった また すぐに波及効果を期待するのも難しいことから 今後の長期的視点でフォローしていくことが必要である < 肯定的意見 > 熱電変換による発電は この発電のための熱源を新たに作らないということで 低品位 未利用エネルギーの有効利用手段である また 熱電材料 接合技術等に係る研究開発の進展は世界的にも著しいものがある 実用化に際しては 材料開発 モジュール開発さらにシステム開発が必要であり 周辺および関連技術開発も多岐にわたっており 民間企業独自による全般的な開発には 困難とリスクが大きく伴う 広範な技術開発による技術普及とエネルギー 環境問題という公共性からも NEDO のプロジェクトとしてふさわしいといえる 高温の廃熱利用を考えると一定の進歩が得られた とりわけ 熱電モジュールの特性評価方法の統一など 民間の一企業では対応できない課題も多く NEDO の関与は必要であった これはリーダーシップの発揮された好例である 熱電発電に関する市場が形成されていない段階で 新しい製品を開発し その応用先を積極的に開発していこうとする事業の目的 実施者の姿勢は評価できる 移動体へのエネルギー供給は重要であるが 熱電変換の技術の性格上 自動車応用を避けた点は賢明であったと思われる 利用できる熱エネルギーの温度範囲を幅広く設定した 実装試験を主として行い その実装段階での課題を明確にした グローバルな観点から 他国の研究所等についての調査を実行し トップレベルの研究である事を確認した 既存の汎用モジュールを比較対照品として 開発品の具体的な位置づけを与えた 参加各社の人的 資金的な協力で進められた 具体的な対象アイテムについては 商品化の目処をつけた CO2 排出削減が急務となった世界情勢を踏まえて 排熱回収 熱電発電技術の開発にいち早く取り組んだ本事業は 大変意義が高く国内外に対してアピール 1-6

19 するにもタイムリーであったといえる 目的もほぼ妥当である 本事業をとおしてこれまで未開拓であった新材料のモジュール化に道をつけ 未だに課題が残るものの将来の中 高温熱利用へ展望を開いた成果は評価に値する この部分に関しては 投じた予算に見合う成果を得ているといえる 多くの無駄に捨てられている廃熱を熱電技術により回収し CO2 削減に寄与しようとする本事業は 以下の点もあり NEDO 事業として妥当である これまでの熱電技術の研究は 熱電材料研究が主体であり 素子開発 システム開発はあまりなされてこなかった 素子開発 システム開発では 基盤的な要素技術を含めて研究開発がなされる必要があり 必要経費も大きく 民間活動のみでは対応できる状況になく N EDO の支援が必要であった 国際的にも 熱電材料開発 素子開発 システム開発の 3 点すべてを考慮しての本格的研究開発事業がなされてこなかった 熱電変換技術は低品位な廃熱を電気エネルギーに変換して有効利用する技術として有用で それによる省エネルギー効果 その結果として二酸化炭素排出削減への効果が期待されているものの 実用化のためのモジュールおよびシステム開発は既存技術の組み合わせ 応用だけでは容易ではなく 技術革新により種々の要素技術における課題を解決する必要がある 民間活動では大きなリスクを伴うため NEDO の事業として位置づけて取り組み支援するべきである さらに 当該事業で得られた成果が社会に還元され 熱電変換技術が幅広い分野で応用 普及する場合には経済 社会にもたらす影響や地球温暖化抑制への貢献も期待されることを鑑みて NEDO 事業として重要であると判断する < 問題点 改善すべき点 > 国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から考えて 近々の地球温暖化問題への対応や大幅な二酸化炭素排出抑制技術に位置付けることは難しい モジュール評価方法の共通化が不十分である現状を鑑みると エンジニアリング振興協会 / 産総研が開発したモジュール性能評価装置とその原理等については 今後の発展と共通化を目的として開示を進めることが望まれる 事業の個々の目的はおおむね妥当であったが 計画全体として高いエネルギー生産量を期待させるかのような計画目標はやや大風呂敷であった 市場が形成されていない段階でのエネルギー削減量の目算を立てるのは事業立案時において重要である事は認められるが 順調に採用 導入できる事を前提とし 高い効果が得られることにしているのは 実用化開発としては楽観視過ぎたように思う 今後の NEDO プロジェクトについては 計画段階では期待できる最大のエネルギー生産量と共に 最低でもこの程度はという最小限のエネルギー生産量を記述させると良いのでは と考えます 本計画を NEDO の省エネルギープロジェクトとして位置づけるには少し企画段階で無理があった 本来 長期的に取り組むべき課題であるのに対して 実用化を狙ったために 助成事業で取り組んだことには普及するための PR としては良い しかし 本事業で取り組んだ評価装置の共通化や評価手法などはこの分野の技術発展 国の産業競争力強化にとって不可欠であり 委託で取り組むべき課題であった プロジェクトの進展を勘案しつつ 事業の意味合いを臨機応変に変更し 必要に応じて 公的研究機関や大学などの援助を直接求められ 1-7

20 る様な柔軟性ある制度が必要であった 100 以下の低温廃熱への適用はやはり未だ困難な点がある 低温の熱利用として本プロジェクトで提案された利用方法が商品化を意識してかなり限定されたものに留まったので 国全体としてのエネルギー使用量の削減効果は元々大きくは期待できなかった 低温廃熱への適用は熱電発電の啓蒙的な側面があるので 幾つかの先駆的な応用例については継続的な財政支援があってよい 素子を提供された場合 システムに組み上げる努力自体は一般的にそれで営利を求める 事業をしようとする者が背負うべきリスクであり 基本的に公的資金を投入すべきものではない しかし 市場がない 価格などが不透明な状況で 普及への道筋をつけるためには この開発研究にまで援助することは仕方がなかったことと思う 投じられた高額の費用に対して直ぐに波及効果が現れるわけではなく 全体のレベルを高く引き上げることが出来たので もう少し長い年月の視点でフォローしていくことが必要である 掲げられた波及効果の数字は投じられた費用に対して小さいのではないかと懸念した 天然ガスプラントや水素貯蔵での極低温から氷や雪などの低温度域についての設定がない 冷却での問題点が少ないという注目すべき温度範囲だと考える CO2 の削減は 電力を発生させることで意味づけできる 実装試験を主とするために 限定した客先分野への展開を図っている 今後は一般的な汎用用途への検討も進めていただきたい 熱と電気の変換効率向上を生産技術面で進めている この内容は 各企業だけでも検討可能な内容であり 一般的に材料の画期的な特性向上が 30 年周期である ( 磁石材料等 ) からみて 画期的な特性を持つ材料開発にもっと力を入れるべきではないだろうか 生産技術面でも アメリカが 薄膜を検討しているのには意味があり 今後取り上げる課題であろう 初期投資の回収期間が 一般的には 2 から 3 年であることから 今回のシステムでは まだまだの結果であり量産という観点でより一層のコストダウンを目指してもらいたい 冷却源について 既存にファン冷却されている装置への適応が多いが 水を利用するアイテムが少ない 海や川 揚水の利用などの利用についても検討する余地がある 省エネルギー技術開発プログラムの下で行う事業としての意義をより明確にするために 熱電発電技術が実用化され 様々な分野で応用された場合に期待される省エネルギー ( 二酸化炭素削減 ) への寄与は 国の掲げる目標に対してどの程度の貢献となるのかを示しておくことも望まれる < その他の意見 > 諸般の事情を踏まえてこの事業が経済産業省で立案され 実行時に NEDO へ移管したと思われるが NEDO の組織目的と本技術の当時の状況を考えると より要素基盤的な部分をクローズアップし 国挙げての研究として取り組む方が効果的であったように思われる 一方 実用化による地球温暖化防止 省エネの達成も重要であり NEDO の組織目的にも適合しているが この事業は実用化開発であり 普及事業とも異なることから 効果を求める目的には少々難しいと思われる 1-8

21 システムの特性評価装置は NEDO が装置を各地の試験所に無償配布するとか 技術供与や市販の可能性を探って欲しい 毎年開催される国際会議に積極的に成果を発表したのは好ましいことであったが 調査として各地を訪問する必要があったかどうかは幾分疑問である 限られた期間 限られたメンバーでは このように目的を絞り進めなければならないということは理解するが 個々のテーマだけではなく メンバー全員での取り組みが欲しかった 国家として高効率の熱電気発電というテーマであり 日本が最先端の技術を有するのであれば画期的な素子やシステムの可能性を提案して欲しかった 市場の拡大による量産効果を踏まえ 高効率でなくても汎用性を持たせ光発電と同じように量産化する対象についても議論いただきたかった 価格は 光発電程度を目途としているが 光でも国の援助がなければまだ不満があり 水力 火力 原子力などと対等になる価格を設定しその可能性を探っていたただきたかった 1-9

22 2) 研究開発マネジメントについて内外の技術的動向を踏まえて 世界的に見ても非常に高いレベルの熱電変換効率を統一指標として 適応する温度範囲を複数設定するとともに 新しい提案を含む研究開発内容と技術要素を明確にし モジュールとシステムそれぞれに妥当な目標値が設定されている また 熱電分野での研究活動経験が豊富なプロジェクトリーダーを選任し 強力なリーダーシップの元 熱電分野において技術の蓄積と熱電関連での事業実績を有する企業により 計画が推進されていた 委員会 分科会など検討会が頻繁に行われており 競争を図りつつも 技術交流に配慮されたものと思われる 加えて 材料系の問題や中間評価での指摘を研究計画へ実用化を指向しつつ適切に反映していたと考えられる なお 早期実用化に向けて 熱電変換技術の応用先を探索することは必要であるが 用途調査は総花的であったことは否めなく 量的評価や質的評価など何らかの方向性を示唆する調査もほしかった また 新規の素子 モジュール開発もなされた点は評価できるが 画期的とは言えない面もある 効率的実施のため実施者間の競争は有効であったものの 熱電技術の優位性など事業化へのシナリオ 見通しが十分ではない点も見うけられ システム技術などを含め実施者間が協力できる柔軟性ある仕組みがあっても良かった また 回収電力量の経済性は重要な側面であり 今後 それを評価指標とすることが望ましく 参加企業間の知財権などの問題もあるが より効率的な研究開発と広範な普及を図るうえで 各社間の技術交流を期待する < 肯定的意見 > 研究開発目標に定量化 計画については十分検討されており プロジェクトリーダーは参加企業の進捗状況を十分把握して進められている 開発テーマは関連技術を含め 幅広く網羅されており 参加企業各社ごとにオリジナリティーを出している 開発困難と判断された材料を他の材料に転換するなど 状況に応じた判断がなされている 内外の技術的動向および国の長期戦略にそった提案であって しっかりした技術目標を数値として立てることが出来た また 統一した基準で数値化する技術をもつことで 複数の実施社の競争が正常に行われた 高変換効率というテーマにふさわしい一つの指標が打ち出され 国民にわかりやすい指標であった 強いリーダーシップが発揮され 高度な技術力を持つ実施者が選ばれ 必要なシステム評価装置が提供された 事業の途中で実施体制を見直してモジュール製作会社 1 社を外したことは 効率的 効果的な運営として評価できる 適切な要素技術が取り上げられ また検討されていた 委員会 分科会など検討会が頻繁に行われており 技術交流があったものと思われる ただし過度に頻繁に検討会を開くと研究者個人に過大な負担が生じる恐れがある その点を留意して進められていたことは思うが 少々不安に感じた 全体の統括については問題はなかった 計画の見直しも随時行われ 開発体制もしっかりしていた 中間評価を反映して 熱技術にも力を入れ また多くの一般参加者を得た熱電発電フォーラムの 2 回の開催などにも注力されたので これらの努力がより早い市場開発に繋がればと期待している 日本でも優良な企業で 従来より熱発電に取り組まれているメンバーである 1-10

23 実用化を意識して 既存の素子やシステムを利用して 無駄なく研究を進めている 生産技術として メンバーの創意工夫がされていて成果も得られている 短い期間で実装的な取り組みがなされ その課題も抽出されている 研究開発目標の設定は具体的かつ高レベルであり 妥当である 計画も モジュール開発とシステム開発の両面から検討を行っており プロジェクトリーダーと一緒に十分相談して決めた妥当なものである プロジェクトリーダーは熱電分野での研究活動経験が豊富でかつ日本のリーダーの一人であり 全体を統括するに相応しい人選である 当初の予想が不適切であった材料系で すばやく対象を変更して開発を進めたケースがあるなど 計画の見直しが常に行われていたと考えられる 研究開発目標は 現状技術の状況 目標の明確 定量的な設定 目標達成度判断指標などを考慮して設定されており妥当である 企業別で用途システム 開発目標を定めての研究開発計画は 熱電材料開発 素子開発 システム開発の 3 点での必要な要素技術を考慮しており スケジュール 予算を含めおおむね妥当と考えられる 研究開発実施の事業体制は 全体統括のプロジェクトリーダー選任 技術能力を有する企業参加など適切な体制と考えられる 大きな必要性が生じなかったこともあり 情勢変化への対応等などでは特に問題は無い 熱電技術を応用する温度範囲を複数設定し それらに対して従来にない新しい提案を含む具体的な研究開発内容と技術要素を明確にして 達成度評価の指標として熱電変換モジュールと熱電変換システムの効率を定義し妥当な目標値が設定されている 目標達成のために 熱電分野において技術の蓄積と熱電関連での事業実績があり当該プロジェクト成果を事業化し将来発展的に事業展開する意欲とそのポテンシャルを有する企業により組織され 熱電分野で充分に実績のあるプロジェクトリーダーの統括の下 研究開発が計画的に実施されている さらに 第三者を含む各種委員会 部会を設置して モジュール開発側とシステム開発側の連携の推進を図ると共に 熱電技術の研究開発に関して実用化 普及に向けての助言 評価や調査活動を頻繁に行い当該プロジェクトに役立てる努力がなされている これらの委員会 部会の組織運営に ( 財 ) エンジニアリング振興協会が役割を果たしたことを理解した 研究開発の進捗状況 マネジメント 熱技術 コスト 信頼性など研究開発課題 実用化 事業化への見通しなどに関しての中間評価での指摘事項についても検討し対応している < 問題点 改善すべき点 > 各社各様の実用化を目指しているが 共通の開発項目もあるはずである 知的財産の関係もあるが 相互間の協力が望まれる 用途調査や実用化については 具体性に欠ける点が多く やや楽観的なようである システム設計については途中で実施体制を変更しなかった また 熱電変換技術の具体的な応用先を探索するための個別的な挑戦と試験は必要であるが 総花的であった様に感じた 1-11

24 具体的な開発目標が多すぎて体制が水平的であり 深化は少なかったように思う 市場が明確でない熱電発電について競争原理を働かせるのは多少無理があった NEDO のテーマとして市場の開発も含めたテーマを助成する場合は競争原理の項目を外した方がよい 啓蒙 普及活動についてエンジニアリング振興協会の役割が今後は一層重要である 個々のテーマへの取り組みは 十分評価できる しかし 研究開発チームとして 熱発電の普及や 画期的な素子 モジュールについての取り組みがない 各国の状況調査等も実行しているのであれば 今後についての熱発電の発展と環境への寄与についての提言をまとめておくべきではないか メンバー以外の日本の研究者も多くいるが その研究者の現状成果との比較をしてもらいたかった 発電も CO2 削減という省エネルギー観点から進められているが 熱電気変換の活用という基本的な観点からも議論してその方向性を示していただきたかった モジュール開発では実施者間の競争が非公開で行われたために情報交換が行われず かえってシステムのスムースな実用化展開に障害になる点が見受けられる 実用化シナリオが各社すべて完全にできているとは言えず 今後の努力を要する 熱電技術の優位性など事業化へのシナリオ 見通しが十分ではない点も見うける BiTe 以外のシリサイド系素子開発が比較的低温でのシステム用途企業でなされ 比較的高温でのシステム用途企業で取り組んでいない企業もあるのは不自然とも思える 変換効率のみが数値目標として重視されているが 排熱有効利用を考えると回収電力 稼働時間 = 回収電力量の経済性は重要な側面であり それを評価指標とすることの検討もお願いしたい <その他の意見 > 参加企業間の知財権などの問題もあるが より効率的な研究開発と広範な普及を図上で 各社間での技術交流が望まれる 予算配分額の各事業体への配分額やその内訳 詳細が十分示されなかったので 予算に対する計画性や妥当性は評価できない 総額として判断するなら もう少し集中的に研究開発を行った方が先頭軍団を育成するためには効果的であったように思う 特に中間評価以降でもっと差別化されてもよかったかもしれない このような大型投資は 参加メンバー企業の負担をなくし 全面的に国の投資としてはどうだろうか メンバー各社の個別な企業目的を踏まえるのではなくて 日本国としての研究として 新たな組織を創生してでも単独目的で進め 開発実行企業も参加メンバー企業以外にも発注できる柔軟な研究体制が必要でないか コアメンバーとして各企業から選定されたメンバーを位置づけ研究者も必要なアイテムごとに日本の優秀な研究者の参加も認めて 幅広い視野で 1-12

25 進めてはどうだろうか 長期間の研究ではどうしても参画企業独自の目的が研究を妨げる可能性がないとはいえない 反面 熱心な企業がトップランナーとして存在することも大切であり どちらがいいとはいえない 研究開発実施の事業体制は 目標達成及び効率的実施のため実施者間の競争が行われる面で良いと思われるが この分野の実用化の難しさから システム技術などを含め協力できる点は協力する柔軟性ある仕組みもあって良い 1-13

26 3) 研究開発成果について熱電変換モジュール開発では変換効率 15%( 温度差 550 度 ) という世界的に見ても高レベルの目標値を実証し 概ね目処を得られている また 個別のモジュール システム開発については 一部未達であるものの 耐久性を確保した上で 概ね目標を達成している 学会レベルであった熱電材料について モジュール化 カスケード型モジュール化を行うと同時にシステム化を図り 実証実験を行った点は 高く評価できる 加えて モジュール耐久性評価技術の開発は 汎用性の意味で価値が高いといえる 量産化を踏まえた技術開発にも取り組み 製造コストの低減も検討し 実用化に向けた技術課題も明らかになっている 知的財産権等の取得による事業化への備えをしつつ ノウハウの確保にも配慮しながら フォーラム 論文などによる成果の普及にも取り組んでいた しかしながら モジュール システムとも特定な用途に対するものが中心であったことから 直ちに汎用性や普及促進に繋がるには難しい感じがあった 実用化に向けては 初期投資や回収期間 メンテナンスフリーなど使用者側の視点での評価指標のより明確化など 課題も多く残っている 今後 普及促進に向けて 更なる検討を進めるべきである また 一般社会の認知度が上がる観点からは十分とは見えず 更なる工夫や試みが成されることが望ましかった 市場開拓や顧客確保に繋がることからも熱電の重要性を社会に認知してもらうための努力を期待する < 肯定的意見 > 成果は世界トップレベルであり 研究開発成果は 概ねクリアしている これまで 学会レベルであった熱電材料について モジュール化 カスケード型モジュール化を行うと同時にシステム化を図り 実証実験を行った点は 高く評価できる また 知財権と技術の公表という点では矛盾もあるが 特許の出願や論文等学術発表も多くなされており 十分な成果が得られたと判断できる 研究開発成果は概ね良好であり 当初の目標水準をクリアしている 全体としても計画段階での目標は概ね達成された 一部の成果は 世界最高水準であると各国から認められた最良レベルである 現在存在していない熱電発電市場の創造の切っ掛けになったことは間違いない 論文の発表や 新聞発表は適切に行われた 成果の受取手に対して適切に普及活動が行われた 一般向けの啓蒙活動も積極的に行われた 目標値は達成している 実装での短期的な結果は良好である 現状保有する素子は世界トップレベルで特性が向上している 量産化を踏まえた技術開発がされている 生産技術開発でモジュール価格の低廉化の目処が得られた 各温度範囲でのプロト型での目標仕様を満足している 熱電モジュール開発では 一部を除いて素子効率 モジュール効率とも目標をほぼ達成するか達成の目処を得るに至っている カスケードタイプで 14.8% のモジュール効率を得た成果は世界最高水準である また Bi-Te 系モジュールでは結晶組織配向の技術を確立し 高効率化に成功 1-14

27 するとともに耐久性向上にも進歩が見られる モジュール耐久性評価技術の開発は 汎用性の意味で価値が高い 熱電技術の標準化へ向けて今後さらに育成したい技術である 熱電材料開発 素子開発 システム開発とも 成果は おおむね 目標を達成している 但し この成果を受けて 実用化が急速に進む状況にするにはさらに努力が必要である また 当事業は 世界最高水準の成果を上げている これをベースに 今後 ユーザーへの提案 事業化へ向けてシステム開発をしながら市場開発 拡大に期待したい 知的財産権等の取得による事業化への備えも対応している ノウハウの確保にも配慮しながら フォーラム 論文などによる成果の普及にも取り組んでいる 熱電変換モジュールについては変換効率の目標値を実証あるいは目処を得ており概ね達成している 開発したモジュールには世界最高水準の性能をもつものも含まれており高く評価できる 熱電変換システムの開発では効率の目標値を実証もしくは目処を得ておりほぼ達成しており良好な成果が得られている 高い性能をもつ Zn-Sb 材料の開発 環境負荷 資源量の観点からシリサイド系材料の開発は評価に値する 高温領域の熱電モジュール評価技術を開発し さらに一般にも利用できるよう検討されたことは好ましい モジュール製造方法の工夫により製造コストの低減も検討されている 特許等の取得 成果の普及では 特許出願や論文発表のない研究開発テーマもあるが プロジェクト全体としては充分な件数の発表がなされ 一般に向けての情報発信も行われている < 問題点 改善すべき点 > モジュール システムとも特殊な用途に対するものが中心であった 熱電発電が熱の有効利用という点で 既存の熱源を利用しなければならないという困難さがあり理解はできるが コスト低減が普及への障壁となっていることを考えると より幅広い展開を図るべきである 成果の汎用性については今後の技術効果によるが 大略は計画段階で認められていた技術レベルの延長にあり とりわけ新規な技術が得られたわけではない 従来技術を極限まで高めることによって得られた成果である 成果の汎用性は輻射熱の利用技術や蒸発潜熱による熱回収技術など一部の点ではかなり有望であると思われるが そのほかの技術に応用する具体的な展望が見られなかった 熱電変換技術と原理的に全く異なる従来の発電機などの方法による発電とは 廃熱および未利用熱源利用という概念と適用温度範囲が異なり 直接比較することが出来ない 熱電発電技術を適用することで製品に付加価値がどの程度付与されるか を数値的に効用を示し社会に発信する必要がある 素子 モジュールとシステムについて 飛躍的なコストパフォーマンスは得られなかった 熱電気変換素子の一部の用途への手がかりは得られたが 光発電のような汎用化への手がかりになる用途については検証できなかった 1-15

28 変換効率の目標ではなく 実用上の初期投資と償却期間 入熱に対する発電量 長期間保障 メンテナンスフリーなどの使用者側の視点での指標に対しての効果を明確にしてもらいたい 測定法などの共通技術は公開し規格化してもらいたい 接合技術は長期保証面からより高度化を進めたい 受熱部や冷却部のより効率化が必要 熱電システム開発に関しては 目標が達成されたものもあるが 達成されたものも未達成のものも今後の実用展開へ向けて多くの課題を残しており 市場開拓 顧客確保の面から更なる検討を要する 折角の成果があまり外部に出てこず 説明責任の点で若干問題があると感じる 論文 国際会議等での発表 受賞等を通じて成果発信をしてはいるが その数は十分とは言えず また他分野を含む一般社会へのアピールがあまり多くなかったとの印象を持つ モジュール開発に関しては 各社で競争する態勢を取ったため その成果の詳細が外部に出なかったようで やむを得ないかもしれない 今後は顧客確保のためにも熱電の重要性を社会に認知してもらう努力を惜しまないで頑張って欲しい Zn-Sb/Bi-Te モジュール開発では Zn-Sb 材料固有の問題により使用する材料組成を変更して開発が行われたが 効率の目標値を達成するための課題解決の目処は示されていない 高温度域モジュールでは 目標値の実証に加えて耐久性 信頼性の向上 コスト低減を図る必要があり 確実に実用化 事業化へ繋がるよう今後も研究開発を継続することが必要である システム開発では 回収した電力の利用まで含めたシステム開発とその効率評価が必要である 汎用性のある成果が求められている観点から モジュール設計で各社独自の開発を行って最適化を行っているが それらの結果からより一般的で汎用的な設計 解析手法を構築して モジュール開発に活用できるよう特許化 プログラムの商品化 成果報告等を通して社会に還元することも検討いただきたい システム効率の向上には熱伝達ロスの低減が重要な課題であるが モジュールと熱源との接触には熱伝導シートやグリースを介して加圧する方式においては新規性 革新性が見られない 海外技術調査活動の結果は当該情報提供機関との秘密保持の制約があるものを除いて 成果の普及の一環として報告書に含めるなどして公開するべきである <その他の意見 > 投入された助成額に見合った技術成果であるかどうかは今後の展開によるところが大きい プロジェクト全体が競争的に設計され 一体として金銭面で評価することは難しい また 各社別に投入された助成金の詳細などが不明のため 投入された助成金に対する成果の度合いを判定することも難しい 画期的な発明は望んでも出来ないが 柔軟で冒険心を持ってチャレンジすることが必要 生産技術の検討だけでは 今後の熱電気変換の環境問題への寄与は期待できない 異業種企業も含めた多くの研究者の幅広い観点で進めることで生まれると思わ 1-16

29 れる 光発電が売電まで実現したことの歴史的な観点からみて 汎用用途への展開が必要になる 市場を大きくなれば 差別化等より更なる開発 ( 特に材料開発 ) が必要となり 場合によると新たな発見につながる場合がある その先鞭をつけるためにも研究投資額を増すことが望まれる 個々の企業の個々の客先での成功だけでは 大きな市場は形成できない 今後の取り組みにはなるが 市場開拓し普及促進の観点から ユーザーとシステム開発を含め事業化へ向けた共同開発を行うことが望ましい 事業の途中で卒業した企業は素晴らしい成果を上げていたので その成果を今後活用されていくことが望まれる 1-17

30 4) 実用化 事業化の見通しについて実用化については 的を絞っていると共に 自社および関連企業で自社既存事業と関連付けられながら進められており 期待が持てる また 事業化に向けた課題の検討やそれに伴う経済効果 波及効果も検討しており 実現されると経済的 社会的な波及効果は大いに期待される また 本プロジェクトの実施自体がこの分野の研究開発 人材育成等促進に大きな刺激となり 我が国および世界での熱電変換科学技術の進歩に寄与できたと考える しかしながら 一部 積極的に実用化 事業化する意欲が伝わってこなかったことやシナリオが必ずしも十分でない点も見受けられた 未だ大きな市場をもたない状況で 量産化効果に頼るコスト低減には懸念がある 量産効果以外のコスト低減について今後さらに工夫 努力が必要である また 量産効果を見込むためには 分野や電力の使用用途の拡大や主電源としての活用方法の検討などが重要であり その点から言うと見通しが甘い点が見受けられる 確かに 事業をしてみないとわからない面があることは理解できるが 社会的によりアピールするシナリオを検討すると良かったと思われる なお 熱エネルギーの電気変換はいろいろな側面を持ち その対象によっても 変換にかける費用や目的とする変換効率も異なることから モジュールや単なる発電システムとしての取り組みだけでなく 電力供給システム全体としての取り組みが望まれる < 肯定的意見 > 実用化については 自社および関連企業で自社既存事業と関連付けられながら進められており 当該開発テーマについては期待できる 実用化がなされれば インパクトは大きく熱電変換発電の応用拡大につながる 従来にない市場を開拓していかねばならないことから 産業技術としてはこれからの適用範囲の展開が重要である 的を絞った対象については商品化戦略は比較的明快になっている 成果が商品化されると経済的 社会的な波及効果は大いに期待される プロジェクトの実施によって我が国の熱電変換技術の研究開発は大いに活性化した 新しい人材のこの分野への参入も盛んであり 今後が期待できる それぞれの温度範囲でのプロト型での実装結果は良好である 冷却方法などに工夫が見られ効率向上が見られる 確実な熱源と冷却媒体がある既存装置に対しては有効であり事業化の目処は認められる 多くの会社は実用化 事業化に積極的で 適用可能性を明確化しており 課題解決の方針もしっかりとなされている システム開発の成果は見た目に分かりやすく また今後の努力次第で社会的な波及効果も期待できる 本プロジェクトの実施自体が大いに刺激になり 我が国の熱電変換科学技術の進歩に寄与できたと考える 本事業成果は 実用化での大きな一歩と考える しかしながら 事業化への観点では そのまま実用化可能性は明確で無い プロジェクトは 世界で最高水準の成果を上げており この分野の研究開発 人材育成等促進に寄与しているが さらに広い共同開発を行うことなどでさら 1-18

31 なる波及効果を期待したい 各社事業化へのシナリオを描き 事業化に向けた課題を抽出して検討を行っている また成果の経済効果 波及効果についても検討している < 問題点 改善すべき点 > 廃熱利用という点から 補助発電という概念が強く使用範囲が限定される恐れがあり コスト面での対応も困難となることが予想される 主電源としての活用方法の検討も進めることも考えてもよいのではないか 実用化に向けての問題点はかなり解決してきたが 商品価格と 発電した電力の使い方については見通しが甘いと思われる 商品化 事業化への戦略は明確であり 経済効果などの見通しは学術的には明快であるとされるが 最終的に事業化に対して直ぐに踏み切れるかについては実施者の態度 言質が依然不明瞭であり 簡単でないとの思いが認められる トップランナー企業の存在が市場を喚起する 今回の成果がトップランナーとしての役割を果たすことを期待している 初期設備投資のコストダウンが急務であり 太陽光発電などのクリーンエネルギーとは異なった利点を宣伝するために 汎用性のある製品に組み込むなど検討いただきたい 一部の会社は積極的に事業化する様には感じられなかった また 実用化のシナリオが必ずしもクリアでない場合もある 事業をしてみないとわからない面もあるが 想定していた分野と共にそれ以外の分野への活用を含め事業化までのシナリオをさらに検討していくことが必要であったと考える 素子レベルで目標値の目処を得たモジュールについて その実証が必要であると共に 耐久性 信頼性の向上も図る必要がある 未だ大きな市場をもたない状況での量産化効果に頼るコスト低減には懸念があり モジュールの製造コスト低減の検討を一部行っているものの 全般にコスト低減についてさらに工夫 努力が必要である <その他の意見 > モジュールや単なる発電システムとしての取り組みだけでなく 電力供給システム全体としての取り組みを行ってもらいたい 熱エネルギーの転機変換は いろいろな側面を持つ その熱は 廃熱なのか 余熱なのか 自然の熱源か 電気を作るために作り出された熱か その対象によっても 変換にかける費用や目的とする変換効率も異なる 今回の CO2 削減目的もいろいろな意味合いがある この点を良く見極めていただきたい 環境損なわない熱から電気の変換に期待するところ大きい 1-19

32 2. 個別テーマに関する評価結果 2.1 高効率熱電変換モジュールの開発 1) 成果に関する評価低温域や高温域熱電変換モジュール各々に設定された目標値はほぼ達成している 各温度領域および使用した熱電材料によるモジュールの性能は世界最高レベルである これは高効率化に向けて熱電材料特性向上と最適化が種々の手法 技術で検討され有益な成果を得たことによるものである その中でも 新たな材料として Co-Sb 系及びシリサイド系が開発されたことやシリサイド系 /Bi-Te カスケード型モジュールの設計と製造に取り組んだこと 熱電性能向上の観点での素子構造設計に加えて熱応力 歪等の熱の影響を考慮した設計を行い耐久性 信頼性の向上についての検討 さらにコスト低減のための検討も行っており 解決すべき課題は残されているものの特筆した成果が得られ 実用化に向けては一歩前進した成果を得ているといえる 今後の研究開発の進展を見守りたい 加えて 本事業で開発された測定法などの共通基盤技術は本技術分野の更なる発展のためにも 公開 規格化することを望む 実用化を念頭に置いた開発のため致し方ない点があるとはいえ 本事業の結果は従来技術を総合的に改善し 最適化したものであると思われ 画期的な開発がなされたとは言いにくい面がある 新材料の探索や開発 素子そのものの組成検討や他の機能素子との複合化等汎用化のための検討にも今後取り組まれることが望ましい また 熱電変換素子及びモジュールの形状や構成についても 更に多面的に検討を行ない 材料の使用量 コストを抑えることを念頭に置いた設計がなされることが望ましい < 肯定的意見 > 低温領域 高温領域ともほぼ目標値を達成している 各温度領域および使用した熱電材料によるモジュールの性能は世界最高レベルである Zn-Sb 系材料から Co-Sb 系材料への開発転換は 適切な判断であったといえる 作製された各種モジュールを同一の評価装置にて評価した点も高く評価できる また 参加企業ごとに創意工夫した材料製造方法 モジュール作製方法も確立された 研究開発成果は極めて顕著であり 当初の目標水準に概ね到達している 低温域熱電変換モジュールに課した高い効率を プロジェクター光源などの用途を考慮した温度域に限定してであるが 達成したのは優秀である 一部の成果は 世界最高水準であると国際会議などで認められた最良レベルである これらのモジュールは現在市場が存在していない民生用のモジュールとして開発されたが 熱電発電市場の新たな端緒になったことは間違いない 今回開発されたモジュールは先発者であるアメリカの Hi-Z 社のモジュールと比較して それを超えた性能である 成果の汎用性については今後の技術効果によるが 大略は基本計画段階で有望であると認められていた材料での実用化を狙い 当時の技術レベルから期待できると考えられる正常な延長で取り組んでいた とりわけ新規な技術が得られた様には思えなかった すなわち 不純物の添加効果 機械加工による配向性の向上 カスケード型モジュール設計と製造 解析の高度化などについて 従来技術を極限まで高めることによって得られた成果である またこれらのモジ 1-20

33 ュールは 量産型に近いモジュールとして組上げられている 論文の発表も多く 新聞発表は適切に行われた 目標値は達成している 実装での短期的な結果は良好である 現状保有する素子は世界トップレベルで特性が向上している 量産化を踏まえた技術開発がされている 生産技術開発でモジュール価格の低廉化の目処が得られた 各温度範囲でのプロト型での目標仕様を満足している 新たな材料系として Co-Sb 系及びシリサイド系が開発され モジュール効率が目標値を達成あるいは達成の目処が得られており 大きな前進があったといえる Bi-Te 系従来材料に関しても 一方向凝固 + 塑性加工プロセス 超急冷法 + 特殊せん断付与固化成形法の開発により 結晶組織配向化した高効率素子の作製技術を確立し 世界最高レベルのモジュール開発に成功している いずれの材料 モジュールも熱電システム開発にある程度有効であり 今後の研究開発の進展を見守りたい 成果は 目標を達成している 開発された BiTe 熱電変換モジュールは 国際的にみても高い水準であり 予定されているように大量生産時にこの性能を保ち市場に出せれば市場の拡大が期待できる 特許取得など知的財産権確保もなされている 論文発表 フォーラム開催など 成果の普及活動も実施している 熱電モジュールの高効率化に向けて熱電材料特性向上と最適化が種々の手法 技術で検討され有益な成果を得ている Zn4Sb3 で世界最高水準の熱電性能が得られている点や 環境負荷 資源量の観点からシリサイド系材料の開発に進展があった点は意義がある 高温度域シリサイド系 /Bi-Te カスケードモジュール 低温度域 Bi-Te モジュールで 世界的にも高水準のモジュール開発が達成できた点を評価する 各システムに適用するモジュールを最適設計するために 熱電性能向上の観点での素子構造設計に加えて熱応力 歪等の熱的な影響を考慮した設計を行い耐久性 信頼性の向上についての検討 さらにコスト低減のための検討も行っており 解決すべき課題は残されているものの実用化に向けては一歩前進した成果を得ている < 問題点 改善すべき点 > モジュールを構成する熱電エレメントのディメンションや構成については 多くの検討を行っていないように見受けられる 熱電材料は 資源的に問題が大きな材料である 材料の使用量 コストを抑えるためにも モジュールを構成するエレメントを含めた設計が望まれる 高温域熱電変換モジュールに課した 15% という極めて高い数値目標の定量的な目標設定は明瞭である 基本計画にある 達成の目処をつける との表現は少々不適切なように思われる 成果では幾つかの事例につき 概ね目処を得た といった定性的な表現が多用されているが 何をもって達成の目処を得たとするかは難しいものがある 1-21

34 従来技術を総合的に改善し 最適化した結果であるので 今後さらに卓越した展開は期待できそうにない 新材料の開発が待たれる もし 優れた新材料が開発されたならば 本研究プロジェクトの成果をすぐさま適用できるように準備されることを望みます モジュールの成分系 新規生産方式などで より一層の特性向上を願う 低価格の汎用化モジュールについても検討いただきたい 変換効率の目標ではなく 入熱に対する発電量 長期間保障 メンテナンスなどの使用者側の視点での指標に対しての効果を明確にしてもらいたい 測定法などの共通技術は公開し規格化してもらいたい 接合技術の長期保証面からより高度化を進めたい 受熱部や冷却部には短絡を防止するため どうしても絶縁性の高い材料を使う必要があり それは断熱性の高いものとなる 従ってその部分におけるより効率化が必要 新材料として期待していた Zn4Sb3 系の開発が途中で断念されたのは残念である やむなく開発した ZnSb 系材料は従来から知られていた材料であり これの改良 (?) によるモジュールも当初目標を達成するには至っていない N 型化の必要性は指摘されているが その具体的展望が明らかにされていないため この材料の将来性は不明である シリサイド系 ZnSb 系の熱電変換モジュールは 国際的にみても高い水準であるものの早期に実用化の目途をつけ 生産販売できる段階に達することが望ましい 高温度域 Zn-Sb/Bi-Te カスケードモジュールでは当初の材料組成で元素拡散の問題から組成を変更し 材料特性から効率 9.7% の目処を得たとしているが 最終目標の効率 11% を得る課題解決策を見出していない 事業化の計画によれば 将来は高温度域の排熱 ( 産業排熱 製造プラント 移動体など ) への適応を検討しているが そのためにはカスケードモジュールの材料 組成を含め再検討を行いモジュールの高性能化が達成されることが求められる <その他の意見 > 今回は見送られたが 素子そのものの組成検討や他の機能素子との複合化等汎用化のための検討は大切である 1-22

35 2) 実用化の見通しに関する評価低温域熱電変換モジュールについては 性能向上と信頼性の向上により実用化 事業化が可能な段階といえる 高温域熱電変換モジュールについては 信頼性の向上により実用化の見通しがついたといえる また それぞれのモジュールの実用化における技術課題解決の方針も概ね明確であると言える 一部には 国際的にも優位性のある性能 価格での販売を近く予定していることも評価できる 従来ない市場を開拓するためにはモジュールの適用範囲の拡大が重要であり 本事業で幾つかの応用例について深い検討がなされた 今後 事業化され普及するとなれば経済的 社会的な波及効果は大いに期待される また この事業によって我が国の熱電変換技術の研究開発は大いに活性化し 新しい人材のこの分野への参入も盛んであることから 今後の更なる発展が期待できる 低温域熱電変換モジュールは これまでの実績を含めコスト面においても確度が高い試算が行われているものの 高温域熱電変換モジュールとカスケード型モジュールについては 確度が高いとは言えない 今後 効率向上のみならず 耐久性 信頼性を実用化レベルまで引き上げるべく検討が進められることを望む 普及を考えると発電量当たりの価格がまだ高価であり 汎用用途の拡大が重要である また 一部には 優位性のある事業化シナリオが明確化していない点も見受ける 各実施者には各自の判断で事業化に向けて価格や汎用用途を含めてシナリオの明確化 推進することが望まれる < 肯定的意見 > 低温領域モジュールについては 性能向上と信頼性の向上により実用化 事業化が可能な段階といえる 高温領域モジュールについては 信頼性の向上により実用化の見通しがついたといえる 従来にない市場を開拓していかねばならないことから 産業技術としてはこれからの適用範囲の拡大が重要である このプロジェクトで幾つかの応用例について深い検討がなされた 適切な使用温度範囲や外部接続の電気抵抗値を明示した商品化が必要であるが 的を絞った対象については商品化戦略は明快になっている よって 商品化されると経済的 社会的な波及効果は大いに期待される プロジェクトの実施によって我が国の熱電変換技術の研究開発は大いに活性化した 新しい人材のこの分野への参入も盛んであり 今後が期待できる それぞれの温度範囲でのプロト型での実装結果は良好である 接合方法などに工夫が見られ効率向上が見られる 確実な熱源と冷却媒体がある既存装置に対しては有効であり事業化の目処は認められる 実用化の見通しについてはよく検討されており それぞれ想定したシステムについて課題解決の方針も明確であると考える BiTe 系素子では 国際的にも高い水準での性能を実現している 一部の企業では 国際的にも優位性のある性能 価格での販売を近く予定していることは評価できる 熱電モジュールの実用化 事業化の見通しについて 各システムへの適応に向けての検討が行われている ある実施者は熱電モジュールユニットとして あ 1-23

36 る実施者はシステムとして ある実施者はモジュール単体での実用化 事業化の計画となっている 低温領域のモジュールについては概ね実現の可能性が見込まれる < 問題点 改善すべき点 > 低温領域モジュールは これまでの実績を含めコスト面においても確度が高い試算が行われているが 高温領域モジュールとカスケード型モジュールについては 不明な点が多く 信頼性とともにより深い検討が必要である モジュール開発者とシステム開発者が同一の場合に モジュールの成果が時間的に速やかにシステムへと反映される 今回のプロジェクトでは必ずしも同一社がシステムを設計したわけではないので システム開発の時間遅れが認められた 数値目標達成の目処を得た と報告せざるを得なかった点等は モジュールの日進月歩の進展によるものであって やむを得ない面がある しかしながら モジュールの特性改善計画が当初の計画より遅れた場合に 高効率発電システムの開発計画に対する修正対策を十分にとっておくべきだった 素子は特殊な元素を主としており汎用材料ではない コストダウンには地球資源豊富な元素や安価な量産対応の設備の開発が必要である 信頼性の改善は今後の開発による 発電量当たりの価格がまだ 高価である 変換効率よりも 汎用用途への展開を考えねばならない コストダウン 導入普及等 事業化による経済効果の予測は必ずしもすべてクリアになってはいない印象を持つが これは各社の判断でプロジェクト終了後に行っていって欲しい 企業の一部では 開発した素子について システムを含めてで良いが 優位性のある事業化シナリオが明確化していない点も見受ける 高温度域 Zn-Sb/Bi-Te カスケードモジュールでは当初の材料組成で元素拡散の問題から組成を変更し 材料特性から効率 9.7% を算出し目処を得たとしているが 最終目標の効率 11% を得る課題解決策を見出していないため 高温域高効率モジュールを前提とした事業化の計画には懸念がある シリサイド系モジュールを含めて 高温度域モジュールでは効率向上のみならず 耐久性 信頼性を実用化レベルまで引き上げる課題を克服する必要がある <その他の意見 > ある実施者はモジュールの製造コスト低減 汎用性の工夫をこらしている その実施者はシステムと一体での実用 事業化を検討しているが 成果の普及と熱電技術への貢献の観点から モジュール単体での実用化 事業化も検討をお願いしたい 1-24

37 3) 今後に対する提言本事業の最大関心事は高効率化であったが それにとらわれず 商品化を見越した生産技術の開発 信頼性試験の実施など 商業生産に当たって長寿命で高信頼性を付与すべく多方面の研究もなされたことが将来にわたって心強い この技術は将来の地球温暖化防止や省エネに寄与するものであることから 今後 更に種々の幅広い応用分野を検討 開拓して それらで利用する汎用性のあるモジュールの開発もお願いしたい また 最近の種々の新たな材料開発状況をふまえ 希少材料である現在の熱電材料の代替材料の探査 開発にも目を向けていただくと共に 実施の際には資源的にも豊富で環境負荷の少ないことに留意していただきたい 本事業では実用システムに依存した開発であったため 各モジュールの寸法や特性など規格を統一する試みはなかった その点にも留意しつつ 本事業で得られた性能評価技術は今後の熱電技術の発展のために不可欠なものであることから 評価システムを更にブラッシュアップして 標準化 規格化へ向けた努力を続けて欲しい これらは実施者のみならず必要に応じて国からのサポートも期待したい < 今後に対する提言 > 熱電変換モジュールの変換効率は 材料性能に帰結するので 材料に改革がなければ モジュール開発という点に関しては 信頼性とコストが主テーマということになる 熱電変換の原理に基づいた熱および電気的に等価なモジュールの開発と希少材料である現在の熱電材料の代替材料の開発によるモジュールの開発が望まれる 折角 競争的な開発を課したのであるから A 社の製品サンプルがシステム開発に間に合わないときに 同時開発の B 社の製品サンプルで置き換えられるように 寸法や特性などに規格を統一するなどの試みがあって良かったのではないかと思う 本プロジェクトの最大の関心事は高効率であったが 同時に実用化も目指したため 商品化を見越した生産技術の開発 信頼性試験の実施など 商業生産に当たって長寿命で高信頼性を付与すべく多方面の研究もなされたことが将来にわたって心強い 画期的な変換効率のモジュール開発 : そのためには 1 組成 成分系の探索 2 最適形状 ( 複合化含む )3 入熱 冷却の高効率化検討 熱源の利用システム効率 ( 発電量と対象熱源エネルギーとの比率 ) を 10% 以上にしたい 地球資源活用のために 汎用元素 (Fe,Si,Al,Cu など ) を対象としての素子の検討が必要 市場創生のために研究者のグロ - バルな活動で 共同で各種規格 標準を制定し共通認識で熱発電市場を拡大活性させ 電気エネルギーをクリーンな熱変換で作り出し 地球環境保持に寄与していただきたい 大きな発電でなくても 通信等で役立つ小さなエネルギー創生にも取り組んでもらいたい 熱電モジュールの性能評価技術は今後の熱電技術の発展のために不可欠なものである 本プロジェクトで開発した評価システムを更にブラッシュアップして 標準化へ向けた努力を続けて欲しいし これに対する国からのサポートも 1-25

38 お願いしたい 最近の種々の新たな材料開発状況をふまえ 今後 資源的にも豊富で環境負荷の少ない材料を用いた高性能熱電変換モジュールを 今後の大量使用を考えると開発し 生産販売できる段階にするすることが望ましい 排熱回収による省エネルギー効果 経済効果が見込まれる中高温領域での民生システム 種々の幅広い応用分野を検討 開拓して それらで利用する汎用性のあるモジュールの開発もお願いしたい < その他の意見 > 1-26

39 2.2 高効率熱電変換システムの開発 1) 成果に関する評価開発された各々のシステムはいずれも独自性が高く 各々で設定している目標値は一部目標を多少下げたものがあるものの 耐久性を確保した上で概ね達成している 本事業では産業用が 3 テーマ 民生用が 1 テーマ採用し いずれも既存の設備 装置に取り付けることに留意しており 本事業の目的にあったものであり妥当であった 熱伝達の方法として 輻射を利用したもの ヒートパイプの原理である沸騰 凝縮を利用したものなど新規性が高く 一定の成果が得られている 熱電発電市場の創造になった点もあり 信頼性や低コスト化が実現すれば 今後の応用展開が期待される しかしながら 各々のシステムがどの程度付加価値が付与されているかが明確にされていない システムで発電した電力の利用も含めて適用する設備や装置全体での省エネ効果などの付加価値を使用者側の視点で実証 評価しておくべきであった また 既存の設備 装置に取り付けるという必然性から 各システムとも必ずしも汎用性がある形態をとっていない コスト 汎用性を高めるためにも共通化 規格化が望まれた 知的財産保護の関係もあるが この様な観点からも実施者相互が協力し本事業を進めるべきであった 加えてシステムの運転環境 条件における適応性の検証 実証が十分なされていないことなど今後の実用展開へ向けて多くの課題を残しており 市場開拓 顧客確保の面から更なる検討を要する 一般社会へ熱電変換技術が認知されるほどのアピールがなされたとは言えない 今後も熱電変換技術の重要性を社会に認知してもらうよう PR していただきたい < 肯定的意見 > システムはいずれも独自性が高く 各々目標値を概ねクリアしている 開発テーマが 産業用が 3 テーマ 民生用が 1 テーマというのも妥当であった いずれも 既存の熱源設備 装置に取り付けるものであり 本プロジェクトの趣旨にあったものであり 当初の目標を達成している 熱伝達の方法として 輻射を利用したもの ヒートパイプの原理である沸騰 凝縮を利用したものなど新規性が高く 今後の応用 展開が期待される 研究開発成果は概ね良好であり 当初の目標水準にほぼ到達している 全体としても計画段階での目標は概ね到達の目処を得た なかでも効果の大きいディーゼルエンジンコジェネレーション向けの開発について 新規な熱回収システムを導入して高いシステム効率を達成したことは特筆できる 現在存在していない熱電発電市場の創造になった 特に光源への利用を積極的に検討して成果を挙げている 論文の発表や 新聞発表は適切に行われ 多くの報告を生み出している 成果の受取手に対して適切に普及活動が行われた 一般向けの啓蒙活動も積極的に行われた 目標値は達成している 実装での短期的な結果は良好である 各温度範囲でのプロト型モジュールを使用しシステムの目標仕様を満足している 1-27

40 想定したシステムへの熱電応用のいくつかは相当程度の成果が上がっていると思われる これは熱電モジュールの開発成果に基本的に支えられている 一部目標を多少下げたものもあるが 成果は ほぼ目標を達成しており 国際的にみても大きな成果を得た 各熱電変換システムともに当該プロジェクトの最終目標値を実証もしくは目処を得ており概ね達成できている 抵抗加熱式工業炉システムでは輻射熱を利用する場合の要素技術について一定の成果が得られている コージェネレーションシステムへの応用については ガス排熱から高効率にモジュールへ伝熱する手法として沸騰 凝縮型熱交換器システムを検討した点に新規性がある 変圧器等の社会インフラ用システムは BiTe 材料に適した温度域の応用であり 信頼性と低コストが実現できれば 低温排熱の回収や自然熱など適応の幅が広がることが期待される プロジェクター光源排熱利用は 波及技術展開として大型照明器具 高輝度 LED 照明等への適用へ繋がると望ましい < 問題点 改善すべき点 > 既存の設備 装置に取り付けるという必然性から 各システムとも必ずしも汎用性がある形態をとっていない コスト 汎用性を高めるためにも共通化 技術の公開が望まれる 参加企業間の相互協力関係も望まれる 数値目標を完全に達成したのは 2 つの応用例に留まったのは少し残念である 成果の汎用性は輻射熱の利用技術や蒸発潜熱による熱回収技術など一部の点ではかなり有望であると思われるが そのほかの技術や用途に応用する具体的な展望が見られなかった 抵抗炉への応用は興味深いが 定常的な使い方を想定した場合 熱の有効利用の観点からは断熱を十分にして保温を考える方が 冷却によって発電するより全体効率が向上するのではないかと思う 一方 過度の断熱は被処理物の冷却過程に長い時間が必要となることから抵抗炉に要求される操業時間とのバランスの中でさらに十分検討して欲しい 熱電変換技術と原理的に全く異なる方法による発電とは概念と適用温度範囲が異なり 直接比較することが出来ない 熱電発電技術を適用することで製品に付加価値がどの程度付与されるか を数値的に効用を示し社会に発信する必要がある 試行システムで 有効なコストパフォーマンスを期待している 変換効率の目標ではなく 実用上の初期投資と償却期間 入熱に対する発電量 長期間保障 メンテナンスなどの使用者側の視点での指標に対しての効果を明確にしてもらいたい 受熱部や冷却部のより効率化が必要 熱電システム開発に関しては 目標が達成されたものもあるが 達成されたものも未達成のものも今後の実用展開へ向けて多くの課題を残しており 市場開拓 顧客確保の面から更なる検討を要する 折角の成果があまり外部に出てこず 説明責任の点で若干問題があると感じる 論文 国際会議等での発表 受賞等を通じて成果発信をしてはいるが その数 1-28

41 は十分とは言えず また他分野を含む一般社会へのアピールがあまり多くなかったとの印象を持つ モジュール開発に関しては 各社で競争する態勢を取ったため その成果の詳細が外部に出なかったようで やむを得ないかもしれない 今後は顧客確保のためにも熱電の重要性を社会に認知してもらう努力を惜しまないで頑張って欲しい 個々のシステム用途について技術開発知見を確かなものにしているが 広い適用の観点からシステム技術の成果をまとめていくことが望ましい 当該プロジェクトの効率の目標値は概ね達成されているが 実用化に向けた研究開発である観点から 各システムはいずれも熱電変換システム部分の効率で評価されているので 回収した電力の利用も含めて適用するシステム全体での省エネルギー効果を実証評価する必要がある 目標値達成の目処を得たとするシステムは 所期の高効率モジュールが達成されていることが前提となっているので 実用化 事業化に向けては高効率モジュールが確実に達成されることが必要である 熱技術の面では高効率化の余地が残されている さらに コストと耐久性 信頼性には依然多くの課題が残されている 変圧器用システムは模擬実証試験評価であるので 風雨に曝される影響や気温変動によるモジュールの放熱への影響など実際の運転環境 条件での実機による検証も望まれる <その他の意見 > 熱エネルギーの電気エネルギーへの変換は 多種多様にあり 環境を損なう電気エネルギー創生を熱から作り出すこととすれば 今回の対象はかなり限定したものであり 緒に就いたばかりである 使用者からみれば 変換効率と言う視点だけでは不十分で 発生電力や断熱特性といった使用者が興味を持つ視点でその活動の成果を表現してもらうと良かった 1-29

42 2) 実用化の見通しに関する評価各システムとも実用化 事業化への体制と計画が立てられている共に 市場調査 波及効果の見積りも実施し 実用化 事業化への大きな努力と成果がみられる 新規性が高いシステムであることから コストが下がれば 実用化に期待できる また 本事業で取り組んだ以外の分野での適用可能性も検討しており 今後の努力次第で社会的な波及効果も期待できるしかしながら 本事業では効率にとらわれて 経済採算性や発電した電力の使い道における検討が十分であったとは言えない また 廃熱の有効利用や安全性 耐久性や信頼性など技術的な詰めが残っていると思われる 従って一般社会に普及するシステムの商品化への足がかりが十分に得られたとはいえない 市場開拓が簡単でないのは分かるものの 各社の事業化の可能性にはバラツキがあり 各社とも強い意欲を持って事業化に取り組んで頂きたい 本事業の成果が今後広く使われるためには 優位性を含めた事業化までのシナリオが より明確化されることが必要である そのためには製造コストや熱電変換システムの設置 取り付けコスト メンテナンス性など使用者視点に立って総合的に優れたシステムに造り込まれることが望ましい < 肯定的意見 > 通常の機械的熱接合による熱移動 輻射熱利用 蒸発 凝縮熱利用といずれも新規性が高いシステムである システム製造コストが下がれば 実用化が期待できる プロジェクターに留まらず 野球場の照明への利用を考えたりと積極的な姿勢も頼もしい コジェネレーション向けの開発と共に 適用効果 普及のための諸条件を検討している 高温域シリサイド系を用いたカスケードモジュールの利用 ディーゼルエンジンコジェネレーション向け応用 プロジェクター用光源への応用 の試算は好ましい結果を得ている それぞれの温度範囲でのプロト型での実装結果は良好である 冷却方法などに工夫が見られ効率向上が見られる 確実な熱源と冷却媒体がある既存装置に対しては有効であり事業化の目処は認められる 多くの会社は実用化 事業化に積極的で 適用可能性を明確化しており 課題解決の方針もしっかりとなされている システム開発の成果は見た目に分かりやすく また今後の努力次第で社会的な波及効果も期待できる 本プロジェクトの実施自体が大いに刺激になり 我が国の熱電変換科学技術の進歩に寄与できたと考える システムとして実用化 事業化への大きな努力と成果がみられる 各システムとも実用化 事業化への体制と計画が緻密に立てられており 市場調査 波及効果の見積りも行っている < 問題点 改善すべき点 > 幅広い実用化がなされるか否かは 経済性に係ってくる 熱電発電の場合 発 1-30

43 電に用いられるエネルギー源のコストがほとんどゼロであるから その製造コストと生涯発電量に依存する 本プロジェクトの目標値が発電効率に設定されたため 局所的な廃熱にのみの利用に限定された点があるように思える 実用化に当たっては 効率だけにとらわれることなく 取り出せる総エネルギーを考慮した採算性を検討すべきである 実用化に向けての問題点はかなり解決してきたが 低温用モジュールを利用した商品価格試算と 発電した電力の使い道については見通しが甘いと思われる 商品化 事業化への戦略は明確であり 経済効果などの見通しは学術的には明快であるとされるが 最終的に事業化に対して直ぐに踏み切れるかについては実施者の態度 言質が依然不明瞭であり 簡単でないとの思いが認められる 光技術の進展によって熱を放散させない LED などの光源が開発されつつあり 照明の熱利用という分野が小さくなっていく懸念がある 省エネルギーや CO2 削減に係わる一部の設備への応用は可能であることを実証しているが熱エネルギーの電気エネルギーへの変換と言う観点からは大幅な進展はなく 民間主導の一般商品への足がかりが得られたとはとはいえない 一部の会社は積極的に事業化する様には感じられなかった また 実用化のシナリオが必ずしもクリアでない場合もある 事業化へ向けての見通しが必ずしも十分出来ていないと見受ける 成果が生かされ広く使われるためには 優位性を含めた事業化までのシナリオが より明確化されることが必要である 抵抗加熱式工業炉システムでは ユニットの効率を実証評価しているが 回収した電力の利用を含めたシステム全体の開発が必要で その場合の省エネルギー効果を実証評価する必要がある 実用化 事業化に向けては 工業炉の規模や形状に合わせたシステムの最適設計をどのようにするか技術開発や経済性についての詰めが必要である 実用化 事業化に向けては所期目標値の高効率モジュールをシステムに適用することが前提となっており プロジェクトで実証まで至っていないモジュールについては確実にそれが達成されることが必要である 熱技術の面では高効率化の余地が残されており さらにコストと耐久性 信頼性を解決する課題が残されている <その他の意見 > 熱電変換システムを考えた場合 熱電変換技術だけでなく 伝熱 熱流に係る技術 流体に関する技術等 幅広い分野にわたっている 技術の向上に加え 熱電変換による発電が適用できる分野を広げるためにも システム技術開発にあたっては 幅広い分野からの参加が望まれる 発電に用いられるエネルギー源のコストが実質ゼロであるということを考えれば 効率重視から総発電量 生涯発電量重視 製造コスト 設置 取り付けコストといった総合的に優れたシステムの開発が望まれる 実用化には 価格や初期投資などと共に安全性 信頼性などがある 短期間では保障できない 今後の息の長い検証が必要である 1-31

44 3) 今後に対する提言社会インフラ設備に目を向けた点で新規性があった この分野は様々な機器があるので 今後も大いに期待したい分野であることから 更なる調査を進めていただきたい また 産業分野や民生分野で高温側 低温側 それぞれに既に利用されている設備が付与されている設備を洗い出し 適用分野の拡大に努めて欲しい 熱電変換システムの実用化 事業化において熱電変換モジュールのコストダウンが重要課題である システムに応じてモジュールを開発 設計 製造しても十分なコストダウンが図れると思えないことから モジュールの汎用化やコストダウンを進めることが望ましい また 量産効果も加われば熱電変換システムのコスト低下に繋がってくると思われる 実用化 事業化に向けては システム製造企業とモジュール製造企業との連携も重要であるが ユーザーとの熱電変換システムの共同開発を通じて ニーズと本事業で得られたシーズのマッチングに努め 本事業成果を広く普及するように今後も頑張っていただきたい また 必要に応じて国の援助も検討いただきたい < 今後に対する提言 > 適用が難しい低温域での利用に果敢に取り組んでいるが 変圧器のようにメンテナンスがなされる設備であり 高温側温度も安定し 送風機が簡単に利用できる分野でありながら 急速な利用拡大が見込めないのは残念である 社会インフラ設備に目を向けた点で新規性があったので 今後も大いに期待したい分野である 高温側 低温側 それぞれに既に利用されている設備が付与されている設備を洗い出し 熱電発電システムの適用を考えていかねばならない コジェネレーション向けの用途も高温側温度が比較的安定していると思われたが 年間のオンオフの回数が多く 熱電変換システムの耐久性が課題になるであろう すすの問題はガスタービンなどのコジェネレーション向けでは問題が少ないであろうと期待できるので 検討して欲しい グローバルで 長期的なビジョンを創生してもらいたい 汎用用途への適用を考えてもらいたい 対象とする熱 ( 低温含む ) について その対象への対応を模索し実現順位を設定して集中的にグローバルな視点で取り組んでもらいたい 今回事業推進に携わった研究者 技術者が 開発を進めてきた技術を実用化し 社会の発展に情熱をもって尽くしていく姿勢を保ち続けて欲しいのと 本事業の成果を無駄にすることなく役立てるために国が援助してほしい 今後 ユーザーとのシステム開発の共同開発をふくめ成果が広く活用されるような取り組みを期待する 今後 広い視野で地球環境のための研究開発 実用化を目指し 成果を広く生かすステム開発とそれに適用できる素子開発 そして 材料開発に戻っての計画検討が望ましい 熱電システムの実用化 事業化のための重要課題として熱電モジュールのコストダウンがある そのためには 現状の熱電材料を利用する限りでは 社会ニーズに応える温度領域や素子構造のいくつかの仕様を検討して汎用的なモジュールのバリエーションを用意して 適用対象を拡大して量産化体制を確立し 1-32

45 それによるコスト低減へ繋げる努力が必要と思われる 検討した熱電システムもそのような汎用的モジュールを適用した設計で構築できればコスト低下が図られるのではないかと思われる 実用化 事業化に向けては プロジェクト終了後も引き続きシステム側企業とモジュール側企業との連携 協力体制を維持して研究開発に取り組むことが望まれる < その他の意見 > 1-33

46 3. 評点結果 1. 事業の位置付け 必要性 研究開発マネジメント 研究開発成果 実用化 事業化の見通し 平均値 評価項目 平均値 素点 ( 注 ) 1. 事業の位置付け 必要性について 2.7 A A B B A A 2. 研究開発マネジメントについて 2.3 A B A B B B 3. 研究開発成果について 2.2 B B B B B A 4. 実用化 事業化の見通しについて 1.3 B C C C C B ( 注 )A=3,B=2,C=1,D=0 として事務局が数値に換算し 平均値を算出 < 判定基準 > (1) 事業の位置付け 必要性について (3) 研究開発成果について 非常に重要 A 非常によい A 重要 B よい B 概ね妥当 C 概ね妥当 C 妥当性がない 又は失われた D 妥当とはいえない D (2) 研究開発マネジメントについて (4) 実用化 事業化の見通しについて 非常によい A 明確に実現可能なプランあり A よい B 実現可能なプランあり B 概ね適切 C 概ね実現可能なプランあり C 適切とはいえない D 見通しが不明 D 1-34

47 4. 個別テーマに対する評価 1 高効率熱電変換モジュールの開発 1. 研究開発成果 実用化の見通し 平均値 2 高効率熱電変換システムの開発 1. 研究開発成果 実用化の見通し 平均値 評価項目評価項目平均値素点 ( 注 ) 1 高効率熱電変換モジュー 研究開発成果 2.7 A B A B A A ルの開発実用化の見通し 2.0 B B B C A B 2 高効率熱電変換システム 研究開発成果 2.2 B B B B B A の開発実用化の見通し 1.2 C C C C C B ( 注 )A=3 B=2 C=1 D=0 として事務局が数値に換算 < 判定基準 > (1) 研究開発成果について (2) 実用化 事業化の見通しについて 非常によい A 明確に実現可能なプランあり A よい B 実現可能なプランあり B 概ね妥当 C 概ね実現可能なプランあり C 妥当とは言えない D 見通しが不明 D 1-35

48 第 2 章 評価対象プロジェクト

49 1. 事業原簿 次ページに当該事業の推進部室及び研究実施者から提出された事業原簿を示す 2-1

50 高効率熱電変換システムの開発のプロジェクト 事業原簿 [ 公開版 ] 担当部 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構ナノテクノロジー 材料技術開発部

51 目次 概要... ⅰ 省エネルギー技術開発プログラム基本計画... ⅷ 地球温暖化防止新技術プログラム基本計画... xx 高効率熱電変換システムの開発 基本計画... xxxⅶ プロジェクト用語集... xxxⅸ 研究開発計画 : 自主目標... xli Ⅰ. 事業の位置づけ 必要性 1.NEDO 技術開発機構の関与の必要性 制度への適合性 NEDO 技術開発機構が関与することの意義 実施の効果 ( 費用対効果 ) 事業の背景 目的 位置付け 事業の背景 目的 事業の位置づけ... 3 Ⅱ. 研究マネジメントについて 1. 事業の目標 事業全体の目標 目標の設定理由 事業の計画内容 全体のスケジュール 開発予算 研究開発の内容 研究開発の実施体制 研究の運営管理 情勢変化への対応 中間評価結果への対応 評価に関する事項 Ⅲ. 研究開発の成果 1. 事業全体の成果 個別研究開発テーマの成果 個別研究開発テーマの成果の詳細 熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケート モシ ュールの開発 高温域シリサイト 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケート モシ ュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 フ ロシ ェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モシ ュールの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モシ ュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発... 52

52 (3) 熱電変換システム用途調査 1 多用な適用に関する分析 まとめ コージェネレーションシステム (CGS) の検討 Ⅳ. 実用化 事業化の見通しについて 1. 実用化対象商品 各社の実用化 事業化の見通し (1) ヤマハ フ ロシ ェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 フ ロシ ェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 (2) 東芝 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換システムの開発 (3) 宇部興産 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケート モシ ュールの開発 (4) IHI 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 (5) コマツ 高温域シリサイト 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケート モシ ュールの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 別添資料 1 研究連携体の活動実績 別添資料 2 特許 論文 新聞発表... 71

53 概要 制度 施策 ( プログラム名 ) 事業名 ( プロジェクト名 ) 担当推進部 / 担当者 0. 事業の概要 Ⅰ. 事業の位置づけ 必要性について 作成日平成 19 年 6 月 15 日省エネルギー技術開発プログラム (Ⅷ. 地球温暖化防止新技術プログラム ) 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクト番号 P02022 プロジェクトナノテクノロジー 材料技術開発部主査尾白仁志エネルギー有効利用等の観点から 民生および産業分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーに変換して活用する目的で 熱電変換モジュールおよび熱電変換システムの実用化を目指した以下の研究項目を実施する 1. 高効率熱電変換モジュールの開発 2. 高効率熱電変換システムの開発 NEDO 技術開発機構が関与する意義 地球温暖化対策推進大綱 ( 平成 14 年 3 月 19 日地球温暖化対策推進本部決定 ) において 革新的なエネルギー 環境技術と国民各界 各層のさらなる努力によって 我が国の 2008~12 年における温室効果ガス排出量の 1990 年比 2% 削減を達成することが定められている ( うち 革新的なエネルギー 環境技術 では 0.6% を目標 ) 本プロジェクトは この 革新的なエネルギー 環境技術 の開発 導入を目指して実施する 地球温暖化防止新技術プログラム の一環として実施するものであり 先端の材料技術を用い これまで熱として排出されていた未利用エネルギーを有用な電気エネルギーに変換し 温室効果ガスの排出を低減する革新的な技術の開発を行うものである なお 実施に当たっては 技術開発のリスクが高いこと等により民間企業独自での取り組みには限界があること また 京都議定書上の目標達成は我が国の国際的公約であることから 国及び NEDO 技術開発機構として強力なイニシアティブを発揮して総合的に推進べき課題である 地球温暖化防止新技術プログラム の中の 革新的エネルギー消費削減技術開発 は 平成 18 年度に 省エネルギー技術開発プログラム に移行し それに伴い 本事業は 省エネルギー技術開発プログラム に移行した 本事業の目的は移行による変更は無い 本プロジェクトは 実用化を目指した技術開発であり 課題設定型助成事業 ( 補助率 2/3) で実施するものである 実施の効果( 費用対効果 ) (1) 費用 :18.1 億円 ( 助成額 ) (2) 省エネルギー効果 [ 発電量 ] [ 二酸化炭素削減量 ] [ 原油削減量 ] (2010 年 )[ 57 GWh/ 年 ] 2.1 万 t-co2/ 年 2.7 万 kl/ 年 (2020 年 )[1,629 GWh/ 年 ] 60.3 万 t-co2/ 年 33.0 万 kl/ 年 (2030 年 )[5,590 GWh/ 年 ] 万 t-co2/ 年 万 kl/ 年 (3) 民間需要創出効果 :72 億円 事業の背景 目的 位置づけ 地球温暖化問題は 我々の社会に与える影響の大きさや深刻さから 喫緊に対応すべき課題であり 大気中への温室効果ガス 特にその大宗を占める二酸化炭素の排出抑制が求められている しかし 二酸化炭素の発生は人類の経済活動に伴うエネルギー消費に起因するところが大きいため 地球温暖化問題は 持続的な経済成長やエネルギーの安定供給という課題にも同時に配慮し 取り組む必要がある そのため エネルギーの消費を抜本的に改善することにより二酸化炭素の排出抑制に資する技術開発を 総合的 効率的かつ加速的に推進し そ i

54 の導入 普及を促進することにより 環境 エネルギー 経済のバランスのとれた持続可能な社会の構築を図ることを目的とした 省エネルギー技術開発プログラム (Ⅷ. 地球温暖化防止新技術プログラム ) の一環として本プロジェクトを実施する 本プロジェクトでは 排熱エネルギーを高効率に利用する目的で 熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換モジュールおよび熱電変換システムを開発する 高効率な熱電変換システムを開発 導入 普及することにより 産業部門 民生部門等の小規模 分散型排熱のエネルギー有効利用に資するものである Ⅱ. 研究開発マネジメントについて本プロジェクトの目標は 熱電変換効 15% の高効率熱電変換モジュール ( モジュール両端の温度差は 550K を基準 ) の目処を確立することと 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し 実用化技術を確立することである モジュールの発電電力量熱電変換効率 = (%) モジュールの発電電力量 + モジュール放熱量 1. 事業の目標事業目標達成にあたり 本プロジェクトでは 2010 年までに実用化を実施する このため 下表に示すように 高温域 Zn-Sb 系 / 低温域 Bi-Te 系 高温域 Co-Sb 系 / 低温域 Bi-Te 系および高温域シリサイド系 / 低温域 Bi-Te 系の各カスケードモジュール 低温域排熱利用 Bi-Te 系モジュールの開発を行うこととした < 高効率熱電変換モジュールの開発目標 > 分類 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール (2) 低温域熱電変換モジュール 高温域 Zn-Sb/Co-Sb 系 低温域 1 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュー 2 ルの開発 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi- Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開 2 高効率熱電変換モジュール 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 使用温度域 Th~Tc(ΔT) 50~ ~723K(400K) 27~ ~700K(400K) 30~ ~853K(550K) 50~ ~473K(150K) 30~ ~403K(100K) 目標値 効率 [%] ΔT =550K 相当効率 [%] < 高効率熱電変換システムの開発目標 > 分類 産業用 民生用 高効率熱電変換システム 目標値 温度差 550Kでのモジュール効率 15% 相当の実現を前提として モジュー抵抗加熱式工業炉用熱電変換シ 1 ル端温度 600 [873K]~50 [323K] の輻射伝熱環境下で ユニット効率ステムの開発 10% を与えうるユニットの開発を行うディーゼルエンジンコージェネ熱交換器効率 77% 2 レーション向け高効率熱電変換高温源 500 [773K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.3% システムの開発発電出力 3kW 級の確立を行う 30 [303K]~130 [403K] で効率 4.2% のモジュール使用時に 社会イン低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱フラ関連機器への適用システムとして システム効率 3.0% の目処を得 3 電変換システムの開発る コスト面では低温の排熱回収システム89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を得る 1 プロジェクター光源排熱利用熱高温源 150 [423K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% 電変換システムの開発高温源 200 [473K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% ii

55 2. 事業の計画内容 2.1 全体スケジュール 2.2 開発予算 ( 会計 勘定別に事業費の実績額を記載 ) ( 単位 : 百万円 ) 主な実施事項 H14fy H15fy H16fy H17fy H18fy H19fy 高効率熱電変換モジュールの開発 高効率熱電変換システムの開発 成果とりまとめ 注 ) 注 ) 効率 12%(ΔT=550K) 注 )H14fy は METI 直轄 中間評価 効率 15%(ΔT=550K) 終了後最終評価 会計 勘定 H14fy H15fy H16fy H17fy H18fy 総額 特別会計 ,811 ( 高度化 助成額 ) 高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 2 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 2.3 研究開発の内容 高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源排熱利用熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 < 開発した 5 種類の高効率熱電変換モジュールと 4 種類のシステム > Bi-Te 東芝 Bi-Te ヤマハ Co-Sb/Bi-Te カスケード eco21 Zn-Sb/Bi-Te カスケード Silicide/Bi-Te カスケード 宇部 コマツ [K] T h Cooling Oil 変圧器 プロジェクター コージェネレーション 東芝 ヤマハ コマツ 抵抗加熱式工業炉 IHI iii

56 2.4 研究開発の実施体制 3. 情勢変化への対応 経産省担当原課産業技術環境局研究開発課 ( 製造産業局非鉄金属課 ) プロジェクトリーダー湘南工科大学学長 教授梶川武信 ( 財 ) エンジニアリング振興協会 宇部興産 実施者 エコ トゥエンティーワン (H16 年度まで ) 小松製作所 ヤマハ 石川島播磨重工業 東芝本事業の技術開発課題は 平成 15 年 3 月策定 ただし 本事業は 平成 14 年度に 経済産業省の直轄事業として開始され 経済産業省において基本計画を策定 その内容を踏襲し 当該技術開発課題を策定 平成 16 年 3 月 独立行政法人化に伴い 名称及び根拠法等 改訂 なお 研究開発実施者の選定に当たっては NEDO の協力のもと 平成 14 年 7 月経済産業省において選定 平成 15 年度以降は 実質的に継続事業であるため NEDO において 公募による研究開発実施者の選定は行わなかった 平成 16 年度の中間評価結果への対応として 主に下記に示す項目を実施した 1) 熱技術の不足感を指摘されたため 熱技術の充実を図った 2) 熱電変換技術の普及 啓蒙 市場開拓の必要性の指摘を受けたため 熱電発電フォーラム を開催し ユーザーへの情報提供 交換を促進させた 3) 熱電変換モジュールの開発では 効率優先だけでなくコスト低減や適用対象拡大の必要性の指摘を受けたため 製造エネルギー削減の製法の開発や 信頼性 耐久性向上の研究に注力し 多様な熱源とユーザーニーズに応えるモジュール仕様の検討などを行った 4) 熱電変換システムの開発では モジュールへの熱の授受などの熱技術の不足を指摘されたため 熱抵抗低減要因を総合的に検討し システム効率目標の達成に注力した 5) 実用化 事業化の見通しに関し 若干楽観的との指摘を受けたため 各社とも 事業部とのコスト検討や商品力の精査に力を入れた ( 株 ) エコ トゥエンティーワンに関しては 平成 16 年度までに最終目標を達成したため 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しないことにした Ⅲ. 研究開発成果について 1. 高効率熱電変換モジュールの開発 高効率熱電変換モジュールの開発成果を要約する 1) 熱電素子材料の開発及びモジュール化技術の開発を行った 2) 熱電素子の材料組成の検討 添加材の絞込み 電子移動度の最適化 素子形状の最適化等を通して熱電素子材料の高性能化を図った 3) モジュール化技術を構築するため 広温度域に最適化を図るカスケード技術 熱抵抗の低減技術を開発した 4) 熱電変換モジュールの開発において必要不可欠なモジュール性能の評価技術を開発し 公正な熱電変換モジュールの性能評価を行った 5) 高効率熱電変換モジュール開発に関する各個別テーマは 下表と図に示すとおり最終目標を達成した 6) 実用レベルの熱電変換モジュールとして 世界的レベルにおいて 2~3 倍の画期的な熱電変換効率を実証することが出来た iv

57 変換効率 η m (%) 分類 1 (1) 高温域熱電変換モ 2 ジュール & カスケード型熱電変換モジュール 3 1 (2) 低温域熱電変換モジュール 高効率熱電変換モジュール ( 記号 ) Zn-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 宇部興産 Co-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 エコ21 シリサイト 系 /Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 コマツ プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 ヤマハ 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換 モジュールの開発 東芝 最終目標 素子レベル T ce =323K 東芝 T ce =303K * 使用温度域 Th~Tc(ΔT) 450 ~50 723K~323K (400K) 427 ~27 700K~300K (400K) 580 ~30 853K~303K (550K) 200 ~50 473K~323K (150K) 130 ~30 403K~303K (100K) 目標値 効率 [%] ΔT=550K 相当効率 結果 8.19% モジュール実証 9.7% 素子レヘ ル目処 11.5% モジュール目処 12.3% モジュール実証 14.8% 素子レヘ ル目処 5.7% モジュール実証 3.6% モジュール実証 4.2% 素子レヘ ル目処 温度差 ΔT =T he -T ce (K) 達成度 未達注 ) 目処を得る注 )Zn-Sb/Bi-Te カスケードの場合 耐久性を優先 ( 当初 Zn4-Sb3 系にて検討したが 耐久性の関係より Zn-Sb 系に変更 ) モジュール実証 T ce =300K 従来報告されている値 ヤマハ 宇部エコ 21 T ce =323K コマツ T ce =303K 従来値の 2~3 倍達成は世界最高 達成 達成 達成 達成 耐久性重視実用化可能 2. 高効率熱電変換システムの開発 高効率熱電変換システムの開発結果を要約する 1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュールを用いた抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムおよびコージェネレーション向け熱電変換システムを開発した 2) 低温域熱電変換モジュールを用いた低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムおよびプロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムを開発した 3) 開発に当たっては システム設計及び要素の開発 システム試作 評価と改良および耐久性確認 実証試験 経済性を含む総合評価等を行った 4) 熱電変換システムの普及に向けた用途調査を行い 多様な適用に関し手分析し コージェネレーションシステムに関しケーススタディを行った 5) 高効率熱電変換システム開発に関する各個別テーマは 下表と図に示すとおり最終目標を達成した 6) 熱電変換システムの効率は 低温域において 4% 台を また高温域では 10% の世界トップレベルの値を実証し 実用化に向けて大きく前進させた v

58 分類高効率熱電変換システム最終目標値結果達成度 産業用 民生用 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 1 IHI 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 コマツ 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱 3 電変換システム の開発 東芝 プロジェクター光源排熱利用熱 1 電変換システム の開発 ヤマハ モジュール端温度 600 [873K]~50 [323K] の輻射伝熱環境下で ユニット効率 10% を与えうるユニットを開発する 熱交換器効率 77% 高温源 500 [773K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.3% 発電出力 3.0kW 30 [303K]~130 [403K] で効率 4.2% のモジュール使用時に 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして 3.0% の目処を得る 排熱回収システム89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を得る 高温源 150 [423K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% 高温源 200 [473K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% ユニット 効率 7.4% 実証 ユニット効率 10.2% 目処 熱交換器効率 79.9% 実証 システム効率 4.3% 実証 システム効率 2.2% 実証 システム効率 3.0% 目処 システム効率 3.2% 実証 システム効率 4.5% 実証 達成 達成 達成 達成 システム効率 η(%) 最終目標 目処 実証 従来報告されている値 東芝 ヤマハ コマツ IHI システム効率は世界最高レベルを達成 モジュール高温側温度 T h ( K ) 3. 投稿論文 108 件 (5 年間分 ) 2004 年 7 月開催の ICT2004 に於いて 本プロジェクトの発表論文が Best Application Paper Award を受賞 4. 特 許 出願済 39 件 ( うち国際出願 2 件 ) 登録 0 件 実施 0 件 (5 年間分 ) 5. 新聞発表 計 15 件 (5 年間分 ) 6. フォーラム開催 熱電発電フォーラム 開催 (150 名参加 ) 熱電発電フォーラム 開催 (239 名参加 ) Ⅳ. 実用化 事業化の見通しについて 本プロジェクトの開発成果に基づき 開発企業ごとに下記の実用化を推進する 宇部興産 : 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュールを実用化する コマツ : コージェネレーションシステム向け高効率熱電変換システムとしての実用化とともに 高効率熱電変換モジュール単体としての実用化も進める ヤマハ : プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムを実用化し 商業用照明システム等への適用を発展させる 東芝 : 低温排熱 ( 変圧器等 ) 回収熱電変換システムを実用化し 社会インフラ産業機器への適用拡大を図る IHI : 抵抗加熱式工業炉用にふく射受熱式熱電変換システムを実用化する vi

59 1. 事業化対象商品 開発企業毎に 対象領域と事業化対象商品を示す 宇部興産 対象:500~600 の排熱源 Zn-Sb 系 /Bi-Te 系カスケードモジュール コマツ 対象 : コージェネ 熱処理炉 焼却炉 沸騰 凝縮型熱電変換システム対象 : 建設機械 トラック プレートフィン型熱電変換システム対象 :RT~550 の排熱源 シリサイド系 /Bi-Te 系カスケードモジュール ヤマハ 対象 : 民生用光源 プロジェクター光源用熱電変換システム 白色 LED モバイル用熱電変換システム 照明応用熱電変換システム 東芝 対象 :150 以下の低温排熱 社会インフラ産業機器用熱電変換システム販売 IHI 対象 : 工業炉 ふく射受熱式熱電変換システム販売 2. 省エネルギー見通し [ 発電量 ] [ 二酸化炭素削減量 ] [ 原油削減量 ] (2010 年 )[ 57 GWh/ 年 ] 2.1 万 t-co2/ 年 2.7 万 kl/ 年 (2020 年 )[1,629 GWh/ 年 ] 60.3 万 t-co2/ 年 33.0 万 kl/ 年 (2030 年 )[5,590 GWh/ 年 ] 万 t-co2/ 年 万 kl/ 年 テーマ全体としての効果は 民間需要創出効果 72 億円を見込む [ 発電量 ] [ 二酸化炭素削減量 ] [ 原油削減量 ] 6, 発電量 (GWh/ 年 ) 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 CO2 削減量 ( 万 t-co2/ 年 ) 原油削減量 ( 万 kl/ 年 ) 年 2020 年 2030 年 年 2020 年 2030 年 年 2020 年 2030 年 Ⅴ. 評価に関する事項中間評価平成 16 年度中間評価の実施 中間評価以降平成 19 年度事後評価実施予定 Ⅵ. 技術開発課題に関する事項平成 15 年 3 月 制定 但し 本事業は 平成 14 年度は 経済産業省の作成時期直轄事業として開始され 経済産業省において基本計画が策定されている 平成 16 年 3 月 独立行政法人化に伴い 名称及び根拠法等 改訂 平成 18 年 3 月 プロジェクト基本計画等の体系の整理に伴う様式の変変更履歴更 本研究によって得られた知的財産 成果についての取り扱いについて記載 プログラムの変更に伴い改訂 vii

60 平成 産局第 14 号 平成 1 7 年 3 月 3 1 日 省エネルギー技術開発プログラム基本計画 1. 目的エネルギー資源の約 8 割を海外に依存する我が国にとって これを効率的に利用すること すなわち 省エネルギー を図ることは エネルギー政策上の重要な課題である このため 更なる省エネルギー技術の開発 導入を進め もって我が国におけるエネルギーの安定供給の確保を図る また 同時に 我が国は2 度にわたる石油危機を体験して以来 主要先進国の中でも屈指の省エネルギー型の産業構造を作り上げてきており 蓄積された省エネルギー技術は 地球温暖化問題の直面する人類にとって貴重な価値を有するものである このため 更なる省エネルギー技術の開発 普及により 二酸化炭素 (CO2) 排出削減を図り もって地球温暖化の抑制に貢献する 2. 政策的位置付け 2004 年 7 月の総合資源エネルギー調査会省エネルギー部会報告において 今後の追加的な省エネルギー対策の基本的方向として 省エネルギー技術開発の重要性については 次のように記述されているところ 技術開発を更に進め その成果を確実に社会に浸透させること ( すなわち その成果を国民が活用できる環境を整えること ) などにより 我が国の有する省エネルギーポテンシャルを最大限顕在化させることである 2005 年 3 月の総合資源エネルギー調査会需給部会報告において2030 年のエネルギー需給展望の中で 技術開発については 2030 年までを見通した省エネルギー政策の中核は技術革新であり それを可能な限り広く普及させ 省エネルギー効果をあげていくことが きわめて重要である とされ 特に 技術開発テーマの選定に当たっては 目的と効果を明確にし 技術の波及効果が大きく投資効果の高い分野を厳選し 政策的にも促進していく必要がある とされている 地球温暖化対策推進大綱 (2002 年 3 月閣議決定 ) において エネルギー需要面の対策は 産業部門における自主的対応と民生 運輸部門における省エネ機器 システムの技術開発 導入促進 これに必要な環境整備を中心とする とされ 特に省エネルギー技術については 新たな省エネルギー型技術の開発 普及は それによるブレークスルーによって大幅なエネルギー効率の改善が図られる可能性の高い対策であることから 引き続き推進していくことが重要 とされている エネルギー基本計画 (2003 年 10 月閣議決定 ) において 省エネルギー技術は viii

61 分野横断的 融合的技術分野であり エネルギー以外の分野も含めた幅広い技術分野の発展にも資することから 技術開発と導入支援とを有機的に連携させながら 技術の波及効果が大きく より投資効果 ( 省エネルギー効果 ) の高い技術開発を推進する また 省エネ法におけるトップランナー方式の効果的な実施に資するような技術開発についても併せて推進する とされている 科学技術基本計画 (2001 年 3 月閣議決定 ) において 国家的 社会的課題に対応した研究開発の重点化分野であるエネルギー分野 分野別推進戦略 (2001 年 9 月総合科学技術会議 ) における重点分野であるエネルギー分野に位置付けられている 産業発掘戦略 ( 経済財政運営と構造改革に関する基本計画 2002 (2002 年 6 月閣議決定 ) において2002 年 12 月に取りまとめ ) の環境 エネルギー分野における戦略目標 ( 技術のグリーン化 ) に対応するものである 3. 目標導入支援スキームとの有機的な連携を進めながら 以下の目標 効果の実現に向け 省エネルギー技術開発を実施する ( 参考 1 参照 ( 参考 1が出来ましたら頂ければ幸いです )) 1 短期的な目標 効果 (~2010 年 ) 長期エネルギー需給見通しにおける省エネルギー効果量の実現に貢献するとともに 経団連環境自主行動計画等に基づく措置やトップランナー規制による機器効率の改善などによる省エネルギー効果を下支えする 同時に 京都議定書の目標であるエネルギー起源 CO2 の排出を1990 年比 ±0% に抑制することに貢献するとともに 地球温暖化防止新技術プログラムに掲げられた技術開発 ( 革新的温暖化対策技術 ) については CO2 の排出を1990 年比 0.6% に抑制することを目標とする 2 中長期的な目標 効果 (2010 年 ~2030 年 ) 長期エネルギー需給見通しにおける省エネルギー効果量の実現に貢献する なお 本プログラム基本計画に登録されている事業は 2030 年における省エネルギー効果量が10 万キロリットル以上である 4. 研究開発内容 ⅠからⅦを省略 Ⅷ. 地球温暖化防止新技術プログラム (42) 環境調和型超微細粒鋼創製基盤技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要合金成分を添加せずに従来鋼の2 倍の高強度を有する超微細粒鋼について 自動車材料等として広く使用されている鋼材への適用を目指し 成形 加工技術 利用技術等の基盤技術の開発を行う 具体的には 成形 加工技術としては 結晶粒の超微細 ix

62 化を可能とする大歪み加工技術 ロール材質 潤滑技術等の開発を行う また 超微細粒鋼の利用技術として 従来のアーク溶接では高温のため溶接部の微細粒の特質を失うことから より低い温度条件での接合を可能とする拡散接合等の開発に取り組む 2 技術的目標及び達成時期 2006 年度までに超微細粒鋼の利用分野拡大のための利用技術及び成形 加工技術等の基盤要素技術を開発する 具体的な目標は 以下のとおり 板幅 1,200mm~1,500mmの板材の工業化に対応できる最適大歪加工プロセスの確立 超微細粒鋼製造時におけるロール荷重 6,000トン ( 現状 4,000トン ) に耐えられる高耐面圧性 高耐摩耗性を有するロール材料の開発とその潤滑技術の確立 溶接部強度は母材並み 靭性及び疲労強度は母材の50% 以上となる接合技術の確立 この目標を達成することで 自動車用鋼板を置換する微細粒鋼鋼板の製造基盤技術が確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を2004 年度に 事後評価を2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (43) 高効率熱電変換システムの開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 産業部門 民生部門等からの排熱エネルギーを高効率に利用するため 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する 長寿命で信頼性の高い熱電変換素子による高効率熱電変換技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 熱電変換効率 15% の高効率熱電変換モジュールの開発及びシステム化要素技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を2004 年度 事後評価を2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 x

63 (44) 低摩擦損失高効率駆動機器のための材料表面制御技術の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要駆動部品を用いる自動車 油圧駆動ポンプを用いる設備 機器 タービン軸受けを用いる発電用タービン等の利用時の省エネルギーにより エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 摩擦に係る圧力等諸条件に最適な材料表面と潤滑膜を開発することで これらの摩擦損失を大幅に低減する材料表面制御技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 伝達効率の高い輸送機器駆動系の開発を行う 具体的には ⅰ) ベルトCVTエレメント / プーリ間の動力伝達方向の摩擦係数の向上研究開発開始時の摩擦係数 0.11 を20% 向上する ⅱ) 作動油を使用しない低摩擦損失水圧機器の開発現行油圧機器と同等の耐摩耗性を達成 ( 比摩耗量 10-8~10-9 mm 2/ kg f の達成 ) ⅲ) コンパクトなタービン発電機用耐高面圧軸受の開発軸受許容最大面圧の向上 ( 現在の許容最大面圧 15kgf/ cm2を50% 向上 ) 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を2004 年度に 事後評価を2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (45) 内部熱交換による省エネ蒸留技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 石油化学工業における大幅な省エネルギー効果を実現するため エネルギー消費のうち約 40% を占める蒸留プロセスについて 蒸留塔を濃縮部と回収部に分割し 濃縮部における廃熱を回収部において活用する技術の実用化を図る 2 技術的目標及び達成時期 2005 年度までに 省エネルギー率 30% 以上 ( 現行実用蒸留塔比 ) を達成する蒸留塔設計技術及び蒸留システム技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態等 xi

64 民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (46) 自動車軽量化のためのアルミニウム合金高度加工 形成技術 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 自動車材料に要求される高信頼性 高強度 軽量性等の性能を持つ高度に安全性等に配慮したアルミニウム材料を開発する 具体的には 超微細結晶化による高強度 高成形性アルミニウム板材の成形 加工技術の開発 鉄鋼系材料等とアルミニウム材料との接合技術 高強度で衝突吸収性の良い構造 ( セル構造 ) を持つアルミニウム材料の創製 形成 加工技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 乗用車におけるアルミニウム使用量を増加させるための技術課題 具体的には自動車用ベークハード型高張力鋼板と同等の性能を持つアルミニウム板材開発技術 アルミニウム材と異種素材との接合技術 ポーラス構造において衝撃エネルギー吸収性能に優れた超軽量構造部材の設計 製造技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を2004 年度 事後評価を2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (47) 高効率高温水素分離膜の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要高効率 省エネルギーの水素製造プロセスを開発するため 高い耐熱性と 高い水素選択透過性を併せもつ高温水素分離膜の開発と膜モジュール化技術開発を一体的に行う 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 高い耐熱性 (500 以上 ) を有し ナノメートルオーダーで細孔径を高度に制御することにより 高い水素選択透過性 (10-7~10-6 mol/m2spa) を併せもつ高効率高温水素分離膜の開発と膜モジュール化技術開発を一体的に行うことで 近年のクリーンエネルギーとしての水素を利用した低環境負荷エネルギーシステムの実現に貢献する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期 xii

65 中間評価を2004 年度に 事後評価を2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的機関等からなる最適な研究体制で実施 (48) 自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要自動車の軽量化による燃費向上を図るため 自動車材料に要求される高信頼性 高強度 軽量等の性能をもつ高度に安全性に配慮した炭素繊維強化複合材料を開発する 2 技術目標及び達成時期 2007 年までに 自動車に実装可能な炭素繊維強化複合材料の創製 成形 加工技術等を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2007 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を2005 年度に 事後評価を2008 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究体制を構築し実施 (49) インクジェット法による回路基板製造プロジェクト 1 概要エネルギー需給構造高度化の観点から行うものであり 金属インク 絶縁物インク等をインクジェットヘッドから基板に吐出して回路基板を製造する技術の開発を行う メッキ レジスト塗布 露光 現像 エッチング等の一連の工程を行う従来法 ( エッチング法 ) に比べ 本プロジェクトの回路基板製造方法は数分の1の工程で行うため 製造工程の省エネルギー化が可能となる 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに インクジェット法による回路基板の製造技術を確立する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究開発体制を構築し実施 (50) 高分子有機 EL 発光材料プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要 エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 高分子発光材料の発 xiii

66 光効率 寿命等の高度化を実現する材料創製技術と有機 EL( 電界発光 ) ディスプレイパネル製造プロセスでの成形加工技術の一体的研究開発を行い 従来の液晶ディスプレイと比較してより省エネルギーが期待されている有機 ELディスプレイの早期実用化を目指す 2 技術的目標及び達成時期 2005 年度までに 携帯情報端末 (PDA 等 ) 移動体通信機器( カーナビゲーション ) 等に使用可能な小型有機 ELディスプレイ用高分子発光材料等を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (51) カーボンナノファイバー複合材料プロジェクト 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 剛性 熱伝導性 耐摩耗性 加工性等に優れた軽量化自動車部品の実現に向けた アルミニウム合金 マグネシウム合金と カーボンナノファイバーとの複合化技術とその成形加工技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに ブレーキ部品 足回り部品及びその他の部品等に適用可能な アルミニウム合金 マグネシウム合金とカーボンナノファイバーの複合材料の実用化技術 成形加工技術を確立する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究開発体制を構築し実施 (52) 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクト ( フォーカス21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 建築物におけるエネルギー消費の抑制を図るため 光触媒を利用した住宅用放熱部材とともに 散水装置を組み合わせた冷房負荷低減システムを開発する また 換気による空調エネルギー xiv

67 の損失を最小化し 室内環境汚染物質の浄化を図るため 光触媒を利用した室内環境浄化部材を開発する 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 光触媒利用放熱部材 ( 窓ガラス 外付けブラインド等 ) と散水装置を組み合わせた冷房負荷低減システム及び可視光でも反応する光触媒を活用し ホルムアルデヒド等の室内環境汚染物質を効率よく分解することができる光触媒利用室内環境浄化部材を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (53) カーボンナノチューブFEDプロジェクト ( フォーカス21)( 運営費交付金 ) 1 概要高効率な電子放出能等の優れた特性をもつカーボンナノチューブを用い 薄型 低消費電力 高輝度 高画質のフィールドエミッションディスプレイ (FED) の開発を目指す 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 高効率な電子放出特性を有するカーボンナノチューブをエミッタとして使用する均質電子源の開発と パネル化及びディスプレイ性能評価技術の開発を行い 試作パネルで性能評価を行う また 今後大きな市場が見込まれる中 大型 TV 用ディスプレイ市場において カーボンナノチューブFEDのような革新的な低消費電力の表示のデバイスの実用化により省エネ効果を図る 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (54) 高環境創造高効率住宅用 VOCセンサ等技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 住宅における換気負荷を最小化することによって省エネルギーを達成するため VOCセンサ及びモニタ xv

68 リング併用型換気システム等を開発する 2 技術目標及び達成時期 2008 年度までに VOCに対して高選択性 高感度性 即応性を有するVOC センサ及びVOCセンサを用いたモニタリング併用型換気システム等を開発する 3 研究開発期間 2005 年度 ~2008 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を2009 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (55) 高効率酸化触媒を用いた環境調和型化学プロセス技術開発プロジェクト ( フォーカス21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり N-オキシ系触媒等の炭素ラジカル創生触媒を化学反応プロセスに適用し 製造工程の短縮や製造効率の向上を図ることで 温暖化効果ガスの排出抑制や省エネルギー効果など総合的なプロセスコストを低減させるため要素技術の開発を行う 2 技術的目標及び達成時期 2008 年度までにエポキシド カルボン酸 アルコール ケトンなどの含酸素化合物製造プロセスに対し N-オキシ系触媒を適用していくため 現状の触媒活性 選択性の向上 触媒の安定性 寿命の改善 触媒分離プロセスの効率化などを開発する 3 研究開発期間 2005 年度 ~2008 年度 4 中間評価 事後評価の実施時期事後評価を2009 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 5. 研究開発の実施に当たっての留意事項事業の全部又は一部について独立行政法人の運営費交付金による実施されるもの ( 事業名に ( 運営費交付金 ) と記載したもの ) は 中期目標 中期計画等に基づき 運営費交付金の総額の範囲内で当該独立行政法人の裁量によって実施されるものである また 事業名に ( 採択テーマ ) と記載された事業は 提案公募事業により採択されたテーマを記載したものであり その採択や評価等は 提案公募事業の実施機関の責任の xvi

69 下 実施されるものである フォーカス21の成果の実用化の推進 フォーカス21は 研究開発成果を迅速に事業に結び付け 産業競争力強化に直結させるため 以下の要件の下で実施 技術的革新性により競争力を強化できること 研究開発成果を新たな製品 サービスに結び付ける目途があること 比較的短期間で新たな市場が想定され 大きな成長と経済波及効果が期待できること 産業界も資金等の負担を行うことにより 市場化に向けた産業界の具体的な取組みが示されていること 具体的には 成果の実用化に向け 実施者による以下のような取組みを求める ダイヤモンド極限機能プロジェクトダイヤモンド半導体を実用化するための基盤技術を確立するとともに 放電灯陰極 ナノスケール用電子源 高周波トランジスタの研究開発を同時並行的に行い早期実用化を図る ナノカーボン応用製品創製プロジェクトナノカーボン材料を用いた小型 軽量 長寿命の高性能燃料電池 LSI 配線への電子デバイス応用技術を研究開発し 早期実用化を図る 次世代半導体ナノ材料高度評価プロジェクト事業費の2 分の1 負担により 材料間の相互影響評価手法の確立や結合部材開発支援ツールを開発することにより早期実用化を図る 高分子有機 EL 発光材料プロジェクト事業費の1/2 負担により 高分子発光材料の発光効率 寿命等の高度化材料創製技術と有機 ELディスプレイパネル製造プロセスでの成形加工技術の一体的研究開発を行う 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクト事業費の2 分の1の負担により 光触媒を利用した住宅用放熱部材及びそれを用いた冷房負荷低減システム 室内環境浄化部材の開発等を行う カーボンナノチューブFEDプロジェクト高効率な電子放出能等の優れた特性をもつカーボンナノチューブを用い 薄型 低消費電力 高輝度 高画質のフィールドエミッションディスプレイ (FED) の早期実用化を図る 高効率酸化触媒を用いた環境調和型化学プロセス技術開発プロジェクト事業費の1/2 負担により 含酸素化合物の製造にNHPI 触媒技術を適用し エネルギー消費 温暖化ガスの放出を低減させるための要素技術を確立する xvii

70 なお 適切な時期に 実用化 市場化状況等について検証する 6. プログラムの期間 評価等プログラムの期間は2004 年度から2010 年度までとし プログラムの中間評を 2007 年度に 事後評価を2011 年度に行う また 中間評価を踏まえ 必要に応じ基本計画の内容の見直しを行う 7. 研究開発成果の政策上の活用各プロジェクトで得られた成果のうち 標準化すべきものについては 適切な標準化活動 ( 国際規格 (ISO/IEC) 日本工業規格(JIS) その他国際的に認知された標準の提案等 ) を実施する 特に 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクトにより取得 蓄積した基本特性等データを活用しつつ 基準認証研究開発事業として 光触媒の統一的な試験 評価方法を JIS 化するとともに 我が国発の国際標準として提案することにより 光触媒製品の世界市場拡大を目指す 8. 政策目標の実現に向けた環境整備省エネルギー技術開発や設備導入に対する財政的支援のみならず 省エネ法に基づく新たな規制の導入やその着実な運用を図る また 省エネルギーの推進に向けた国民各層への広報 啓発活動を積極的に行う 導入普及 (1) エネルギー使用合理化事業者支援事業事業者が計画した総合的な省エネルギーへの取組みであって 省エネルギー効果が高く 費用対効果が優れていると認められているものに係る設備導入費 設備改修費 システム費用等について補助を行う (2) 省エネルギー 新エネルギー対策導入促進事業 1 省エネ法に基づくエネルギー管理指定工場等を対象に 徹底したエネルギー使用合理化及び新エネルギーの加速的導入を図るとともに 省エネ措置が不十分な業務用ビルに対して重点的にアドバイスを実施するために必要な経費を補助する 2 複数の異なる企業間のエネルギー相互融通による省エネルギーは十分に行われていないことから 石油 化学等のエネルギー多消費型産業が集中するコンビナート等で ピンチテクノロジー解析手法等を適用した工場間の効率的かつ効果的なエネルギー需給システムの設計 導入を促進するために必要な経費を補助する (3) 住宅 建築物高効率エネルギーシステム導入促進事業 1 先導的システム支援事業 : 住宅 建築物に関する高効率エネルギーシステムのアイディアを公募 選定し これらを消費者や事業者が導入する際に 導入費用の一部 xviii

71 を補助する 2 高効率機器導入支援事業 : 個々に高い効率性が認められ かつ 政策的に導入促進を図る必要がある住宅 建築物用の機器 ( 高効率給湯器 BEMS( ビル用エネルギーマネージメントシステム ) 及び高効率空調機 ) を導入するものに対して 導入費用の一部を補助する (4) 省エネ対策貸付制度 ( 低利融資 ) 省エネ法に基づく中長期計画に位置付けられた事業 省エネルギーを包括的に進めるESCO 事業及びESP 事業による既存建築物 工場の省エネ改修及び省エネ リサイクル支援法に基づく承認を受けた事業に対する低利融資を行う (5) エネルギー需給構造改革投資促進税制 ( 税制 ) 省エネルギー型設備や機器の導入を行う者に対して 30% の特別償却 又は7% の税額控除 ( 中小企業者に限定 ) の選択適用を認め 初期の設備投資を軽減する 9. 改訂履歴 平成 17 年 3 月 31 日付け制定 省エネルギー技術開発プログラム基本計画 ( 平成 産局第 8 号 ) は 廃止 xix

72 地球温暖化防止新技術プログラム基本計画 平成 産局第 13 号平成 1 6 年 2 月 3 日 1. 目的地球温暖化問題は我々の社会に与える影響の大きさや深刻さから 喫緊に対応すべき課題であり 大気中への温室効果ガス 特にその大宗を占める二酸化炭素の排出抑制が求められている そのため エネルギーの消費を抜本的に改善する革新的技術開発及び二酸化炭素を分離回収 固定化したり 有用物質に変換する技術開発を 総合的 効率的かつ加速的に推進し その導入 普及を促進することにより 環境 エネルギー 経済のバランスのとれた持続可能な社会の構築を図る 2. 政策的位置付け科学技術基本計画 (2001 年 3 月閣議決定 ) における国家的 社会的課題に対応した研究開発の重点化分野である環境分野 分野別推進戦略 (2001 年 9 月総合科学技術会議 ) における重点分野である環境分野に位置づけられるものである また 産業技術戦略 (2000 年 4 月工業技術院 ) における社会的ニーズ ( 環境と調和した経済社会システムの構築 ) への対応 革新的 基盤的技術 ( エネルギー 環境技術 ) の涵養への対応を図るものである また 地球温暖化対策推進大綱 (2002 年 3 月地球温暖化対策推進本部 ) における講ずべき地球温暖化対策である革新的な環境 エネルギー技術の研究開発の強化に位置づけられるものである さらに 産業発掘戦略 - 技術革新 ( 経済財政運営と構造改革に関する基本方針 2002 (2 002 年 6 月閣議決定 ) に基づき 2002 年 12 月取りまとめ ) の環境分野における戦略目標 ( 環境 エネルギー技術のチャレンジを産業競争力の源泉に ( 技術のグリーン化 )) に対応するものである 3. 目標 2010 年時点において革新的エネルギー消費削減技術の導入 普及がなされ 京都議定書に定められた削減目標のうち 0.6% 分に寄与することを短期的な目標とする また より長期的な視点に立脚して 更なる削減を可能とする省エネルギー型社会の構築に向けた革新的エネルギー消費削減技術及び CO2 固定化 有効利用技術を確立する これらの技術により 持続的な経済成長を確保することを可能とするとともに 世界でトップクラスの温暖化対策技術を有することによる国際競争力の確保を図る 4. 研究開発内容 Ⅰ. 革新的エネルギー消費削減技術二酸化炭素の排出量を抑制するため 革新的なエネルギー消費削減技術を開発する (1) 自動車軽量化のためのアルミニウム合金高度加工 形成技術 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 自動車材料に要求される高信頼性 高強度 軽量性等の性能を持つ高度に安全性等に配慮したアルミニウム材料を開発する 具体的には 超微細結晶化による高強度 高成形性アルミニウム板材の成形 加工技術の開発 鉄鋼系材料等とアルミニウム材料との接合技術 高強度で衝突吸収性の良い構造 ( セル構造 ) を持つアルミニウム材料の創製 形成 加工技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 乗用車におけるアルミニウム使用量を増加させるための技術課題 具体的には自動車用ベークハード型高張力鋼板と同等の性能を持つアルミニウム板材開発技術 アルミニウム材と異種素材との接合技術 ポーラス構造において衝撃エネルギー吸収性能に優れた超軽量構造部材の設計 製造技術を確立する xx

73 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2004 年度 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (2) 環境調和型超微細粒鋼創製基盤技術の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 従来鋼より優れた強度を有することから鋼材の薄肉化が可能となる 結晶粒径が 1μm 程度の超微細粒鋼の自動車材料等への適用を目指し 成形 加工 利用技術等の基盤技術の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2006 年までに 超微細粒鋼の実用化のための利用技術 成形 加工技術等の基盤要素技術の確立を図る 具体的には 成形 加工技術として 超微細化を可能とする高度大歪み加工技術や 革新的なロール 潤滑技術の開発 及び超微細粒の特質を失わせないより低温での接合を可能とする接合技術を開発する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2004 年度に 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究体制を構築し実施 (3) 自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 自動車材料に要求される高信頼性 高強度 軽量等の性能をもつ高度に安全性等に配慮した炭素繊維強化複合材料を開発する 2 技術目標及び達成時期 2007 年度までに 自動車に実装可能な炭素繊維材料の創製 成形 加工技術等を確立する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2007 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2005 年度に 事後評価を 2008 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究体制を構築し実施 (4) カーボンナノファイバー複合材料プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の軽量化による燃費向上を図るため 剛性 熱伝導性 加工性等に優れた軽量化自動車部品の実現に向けた アルミニウム合金 マグネシウム合金と カーボンナノファイバーとの複合化技術とその成形加工技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに ブレーキ部品 足回り部品及びその他の部品等に適用可能な アルミニウム合金 マグネシウム合金とカーボンナノファイバーの複合材料の実用化技術 成形加工技術を確立する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 xxi

74 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究体制を構築し実施 (5) 省エネ型次世代 PDP プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 近年市場が急速に拡大することが見込まれている大型ディスプレイ分野において 現行のプラズマディスプレイ (PDP) の低消費電力化を図るため 発光パネルの高効率発光技術及び製造エネルギーの革新的製造技術の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 2003 年時点と比較し 現在の 1/3 程度のエネルギー消費となる高効率発光技術及び革新的製造技術を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (6) 高分子有機 EL 発光材料プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 高分子発光材料の発光効率 寿命等の高度化を実現する材料創製技術と有機 EL( 電界発光 ) ディスプレイパネル製造プロセスでの成形加工技術の一体的研究開発を行う これにより省エネ型次世代平面ディスプレイの一つとして期待されている有機 EL ディスプレイの早期実用化を目指す 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 携帯情報端末 (PDA 等 ) 移動体通信機器 ( カーナビゲーション ) 等に使用可能な小型有機 EL ディスプレイ用高分子発光材料等を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (7) ディスプレイ用高強度ナノガラスプロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 種々のディスプレイ用基板ガラスの軽量化を実現させるために 超短パルスレーザー等を用いてガラス内に異質相を形成させることにより 薄板化を可能とする超高強度薄板ガラスを開発する ガラスの薄板化により 光透過率の上昇による消費電力の節減及びガラス製造にかかるエネルギー消費量の抑制が図られる 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに ガラス中に異質相を形成させることにより 従来では不可能であった薄板ガラスの高強度化を可能とする技術を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態 xxii

75 民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (8) カーボンナノチューブ FED プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり カーボンナノチューブ (C NT) をフィールドエミッションディスプレイ (FED) 用電子源として用いる際の電子放出特性のバラツキを抑制する技術的なブレークスルーを達成し FED を実現するため 均質電子源の開発 パネル化及びディスプレイ性能評価技術の開発を行う これにより 中 大型 (2 5~35 型 ) ディスプレイ市場を中心に省エネ効果が高く 高画質の CNT を用いた FED の早期製品化を図る 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに CNT を FED 用電子源として高輝度 高画質 低消費電力を実現するに十分な特性を実現するとともに パネル化及びディスプレイ性能評価技術の開発を行い CNT-FED を試作し評価する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (9) 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 建築物におけるエネルギー消費の抑制を図るため 光触媒を利用した住宅用放熱部材とともに 散水装置を組み合わせた冷房負荷低減システムを開発する また 室内環境汚染物質の浄化を図るため 光触媒を利用した室内環境浄化部材を開発する 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 光触媒利用放熱部材 ( 窓ガラス 外付けブラインド ) と散水装置を組みあわせた冷房負荷低減システム及びホルムアルデヒド等の室内環境汚染物質を可視光で分解することができる光触媒利用室内環境浄化部材を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (10) 極低電力情報端末用 LSI の研究開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 情報端末機器の電力消費を抑制し 今後の極低電力マルチメディア情報端末を実現するため 消費電力が mw 級の極低電力で動作する新しいデバイス構造を用いた LSI を開発する 2 技術目標及び達成時期 2002 年度までに 0.5V 程度の電源電圧で極低電力 高速動作を可能とする LSI を実現するためのデバイス プロセス及び回路設計に関する基盤技術の確立及び有用性の検証を行う 3 研究開発期間 1998 年度 ~2002 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2001 年度に 事後評価を 2003 年度に実施 5 実施形態 xxiii

76 民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (11)CO 2 排出抑制型新焼結プロセスの開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 鉄鋼業の製銑工程全体におけるコークス消費量の低減により CO 2 削減を図るため 既存の焼結プロセスをベースに粉鉄鉱石の塊成化と部分還元を同時に達成する焼結プロセスを開発するとともに このプロセスで製造された部分還元焼結鉱を高炉で使用するための技術を確立する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 還元率 70% の部分還元焼結鉱の製造プロセス及びこれを高炉で使用するための技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (12) 製造工程省略による省エネ型プラスチック製品製造技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり プラスチック製品製造において 1/4 以上のエネルギー消費を占める樹脂のペレット化 ( 造粒 ) 工程を省略するため 重合工程で生成される樹脂パウダーから直接フィルム製品等の加工製品の成形を可能とする 樹脂製造及び樹脂加工を一体化した 一貫省エネプロセス技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに ペレット化を省略したプラスチック製品製造技術を実現するための 触媒技術 安定化剤添加技術及び成形技術を確立するとともに 関連する技術の体系化を図る 3 研究開発期間 2002 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (13) 内部熱交換による省エネ蒸留技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 石油化学工業における大幅な省エネルギー効果を実現するため エネルギー消費のうち約 40% を占める蒸留プロセスについて 蒸留塔を濃縮部と回収部に分割し 濃縮部における廃熱を回収部において活用する技術の実用化を図る 2 技術的目標及び達成時期 2005 年度までに 省エネルギー率 30% 以上 ( 現行実用蒸留塔比 ) を達成する蒸留塔設計技術及び蒸留システム技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (14) 次世代化学プロセス技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要 xxiv

77 エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 製造工程の短縮又は有害化学物質を使用 経由しない化学プロセスを実現し 省エネルギー 省資源及び環境負荷低減を図るため 新規触媒反応等を利用した新規化学反応プロセス技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2003 年度までに 化学品の製造プロセスを抜本的に革新し 製造工程の短縮と性能向上によって 省エネルギー 省資源及び環境負荷の低減を図る 3 研究開発期間 1995 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 1999 年度に 事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (15) 超臨界流体利用環境負荷低減技術研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 化学物質の製造に伴う環境負荷の低減 省資源及び省エネルギーを目的として 製造工程中の有機溶剤の使用廃止又は廃棄物等の工業原料への転換を実現するための超臨界流体を利用した新規化学反応プロセス技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 超臨界流体を代表的な合成反応プロセス 環境保全 エネルギープロセス等に利用し 高効率で簡素な環境調和型化学プロセス技術を構築し 省エネルギー及び環境負荷の低減を図る 3 研究開発期間 2000 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2002 年度に 事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (16) 高温空気燃焼対応高度燃焼制御技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 燃焼の高効率化による省エネルギーと低 NOx 化を同時に実現する高温空気燃焼技術を各種燃焼加熱設備に適用し 一層の高性能化を図る技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2003 年度までに 燃焼の高効率化と低 NOx 化を同時に実現する高温空気燃焼技術の各種燃焼加熱設備 ( 微粉炭ボイラー 廃棄物焼却プロセス及び高温化学反応プロセス ) への適用のための設計手法やプラント性能推定技術を確立する 3 研究開発期間 1999 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2001 年度 事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (17) 省エネルギー型鋼構造接合技術の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 溶接施工時におけるエネルギー使用量を低減するため 鋼構造の接合における溶接技術について 溶接変形が少なく溶接後の加熱矯正が不要な溶接材料及び施工技術を開発する また 併せて本接合技術の標準化に係る調査 研究を実施し 従来の溶接材料では規定され xxv

78 ていない変態温度及び溶接変形量の測定方法等を標準化 (JIS) する 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに 溶接材料の変態膨張特性 溶接継ぎ手形状 溶接施工方法 溶接条件 変形量の関係の実験的調査と理論解析に基づく溶接材料を開発するとともに 開発した材料による溶接施工技術を確立するとともに標準化原案をまとめる 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (18) インクジェット法による回路基板製造プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造高度化の観点から行うものであり 金属インク 絶縁物インク等をインクジェットヘッドから基板に吐出して回路基板を製造する技術の開発を行う メッキ レジスト塗布 露光 現像 エッチング等の一連の工程を行う従来法 ( エッチング法 ) に比べ 本プロジェクトの回路基板製造方法は数分の 1 の工程で行うため 製造工程の省エネルギー化が可能となる 2 技術目標及び達成時期 2005 年度までに インクジェット法による回路基板の製造技術を確立する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2005 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から最適な研究体制を構築し実施 (19)SF 6 等に代わるガスを利用した電子デバイス製造クリーニングプロセスシステムの研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 半導体集積回路や液晶デバイス等電子デバイスの製造プロセスの一つである絶縁膜のプラズマ CVD によるクリーニングプロセスで利用可能な SF 6 等の温室効果ガスに代替するガス及び省エネルギー型新規プロセス技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2002 年度までに CVD クリーニング工程で用いられている SF 6 等の温室効果ガスに代替するガスを開発するとともに 電力エネルギー効率を現状システムの 2~2.5 倍程度に向上する CVD 装置及びシステムに必要な要素技術を確立する 3 研究開発期間 1998 年度 ~2002 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2001 年度に 事後評価を 2003 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究期間等から 最適な研究体制を構築し実施 (20) 省エネルギー型金属ダスト回生技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 製鋼用電気炉の高温排ガスから 直接に鉄及び亜鉛成分を回収することで亜鉛回収に必要なエネルギーを大幅に削減することが可能となる金属ダスト回生システム技術の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 xxvi

79 2002 年度までに 製鋼用電気炉の高温排ガスに含まれる鉄成分及び亜鉛成分の直接分離回収率をベンチスケール規模でともに 80% 以上とする技術を確立する 3 研究開発期間 1998 年度 ~2002 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2001 年度 事後評価を 2003 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (21) エネルギー使用合理化ガス拡散電極食塩電解技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 電力多消費型産業であるソーダ工業における消費電力の削減を図るため 従来技術であるイオン交換膜法に比べて 高い省エネルギー性が期待できるガス拡散電極法を用いた食塩電解技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2002 年度までに 安定性 耐久性及び経済性のあるガス拡散電極による食塩電解技術の確立を図る 3 研究開発期間 1999 年度 ~2002 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2003 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (22) 交流超電導電力機器基盤技術研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要電源の多様化を促進する観点から行うものであり 電力機器の高効率化 電力系統の安定度向上を図るため 超電導技術を利用した革新的交流電力機器 ( 超電導ケーブル 超電導限流器 超電導変圧器 ) の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 超電導技術を電力機器として利用するための基盤技術を確立する 3 研究開発期間 2000 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2003 年度 事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (23) 超電導発電機基盤技術研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要電源の多様化を促進する観点から行うものであり 電力系統の安定度が高く 高効率 コンパクト等の優れた特徴を有する超電導発電機を実用化するための基盤技術の研究開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2003 年度までに 20 万 kw を目標とした高密度化技術 60 万 kw を目標とした大容量化技術及び設計技術等の超電導発電機の実用化に必要な基盤技術を確立する 3 研究開発期間 2000 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 xxvii

80 (24) フライホイール電力貯蔵用超電導軸受技術研究開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要電源の多様化を促進する観点から行うものであり 超電導状態で発生するマイスナー効果を利用してフライホイールの軸受摩擦のロスを低減することにより 電力を運動エネルギーに転換して貯蔵する技術の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 100kWh 級フライホイールを早期に実用化するための課題を明らかにする 3 研究開発期間 2000 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2003 年度 事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (25) 産業用コージェネレーション実用技術開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 従来の産業用中型コージェネレーションシステムより総合熱効率を高めることを目的とし ガスタービンの高温静止部に金属部品及びセラミック部品の双方を用いたハイブリッドガスタービンを開発する 2 技術目標及び達成時期 2003 年度までに ハイブリッドガスタービンの実用化を図るため 耐熱セラミックス部材開発及び評価試験 耐久試験を実施し ハイブリッドガスタービンの健全性 信頼性を確認する 3 研究開発期間 1999 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2001 年度 事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (26) 低摩擦損失高効率駆動機器のための材料表面制御技術の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 自動車の変速機 水圧機器システム 発電用タービン等の利用時の省エネルギーを図るため これらの駆動系における摩擦損失を大幅に低減する材料表面制御の基盤技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 潤滑膜の構造特性及び生成機構を解明するとともに 各駆動系における摩擦損失を低減する技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2004 年度 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (27) 変圧器の電力損失削減のための革新的磁性材料の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 大電力変電所や配電変圧器等の電力変換効率を格段に高める送配電システムを構築するため PVD CVD 技術を応用して 変圧器の磁芯に使われる磁性材料 ( 電磁鋼板 ) の表面に無機シリコン系化合物等の薄層膜をコーティングし 電力損失を画期的に低減する材料を開発する xxviii

81 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 電力損失 ( 鉄損 ) を現行の約 2 割低減した磁性材料を創製する技術及び変圧器への適用加工技術の確立を図る 3 研究開発期間 2002 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の時期事後評価を 2005 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (28) 高効率熱電変換システムの開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 産業部門 民生部門等からの排熱エネルギーを高効率に利用するため 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する 長寿命で信頼性の高い熱電変換素子による高効率熱電変換技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 熱電変換効率 15% の高効率熱電変換モジュールの開発及びシステム化要素技術を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2004 年度 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (29) 高効率高温水素分離膜の開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 高効率 省エネルギーの水素製造プロセスを開発するため 高い耐熱性と 高い水素選択透過性を併せ持つ高温水素分離膜の開発と膜モジュール化技術開発を一体的に行う 2 技術的目標及び達成時期 2006 年度までに 無機膜の微細構造制御技術 化学組成制御技術 モジュール化技術等を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2004 年度に 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (30) 吸着材を用いた新規な天然ガス貯蔵技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 石油等の代替エネルギーとして天然ガスの導入を促進するため 従来の天然ガス貯蔵方式に比べてより高密度で貯蔵できる吸着材を用いた新規の天然ガス貯蔵技術の開発を実施する 2 技術目標及び達成時期 2002 年度までに 金属錯体 活性炭改良品による高密度貯蔵吸着材の開発及び開発した吸着材のガスホルダー BOG 処理 天然ガス自動車への適用に係る技術を確立する 3 研究開発期間 1998 年度 ~2002 年度 4 中間 事後評価の時期中間評価を 2001 年度 事後評価を 2003 年度に実施 xxix

82 5 実施形態等民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (31) 超低損失電力素子技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 電力供給 産業 運輸 民生等幅広い分野の電力の省エネルギー化を図るため 電力変換器等に適用可能な SiC 等を用いた超低損失かつ高速動作の半導体素子を開発する 2 技術目標及び達成時期 2002 年度までに SiC 基板作製技術に関しては 4 インチ程度の大口径化及び 2 インチでマイクロパイプ無しの高品質化 またプロセス要素技術に関しては SiC 等の半導体の薄膜成長制御技術 伝導度制御技術及び界面制御技術の基盤技術を開発する 併せて 素子化技術として主として既存技術の高度化により 4 種の基本デバイスを作製し SiC GaN の優位性を実証する 3 研究開発期間 1998 年度 ~2002 年度 4 中間評価 事後評価の実施時期中間評価を 2001 年度に 事後評価を 2003 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (32) 高効率有機デバイスの開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり シリコンデバイスでは不可能な 紙のように軽量なディスプレイ等に利用でき かつ シリコンデバイスに比べて低消費電力という特質を有する有機デバイスの研究開発を行う 具体的には 低分子材料を中心としたディスプレイの開発 高分子材料を中心とした有機薄膜トランジスタの開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 視感効率 50 ルーメン / ワットを超える白色発光素子 30MHz の応答周波数を備える有機高速トランジスタ 動画表示が可能な厚さ 0.2mm 程度のフィルムディスプレイ等を開発する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2006 年度 4 中間評価 事後評価の実施時期中間評価を 2004 年度に 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (33)SF 6 フリー高機能発現マグネシウム合金組織制御技術開発プロジェクト ( フォーカス 2 1)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 省エネルギーに資する軽量化材料であるマグネシウム溶解時に使用されている地球温暖化ガスである SF 6 の削減を図るとともに クリープ特性の向上 鋳造プロセス 押出し 圧延等の展伸プロセスにおける晶出の均質化技術 結晶粒制御技術を開発し 製造プロセスの高度化 マグネシウム合金の高機能化を図る 2 技術的目標及び達成時期 2006 年度までに マグネシウム合金において SF 6 フリー溶解技術と 高機能 ( 強度 延性 靱性 高クリープ抵抗等 ) を発現させるために 高度なプロセス技術とともに原材料技術を開発する 3 研究開発期間 2004 年度 ~2006 年度 xxx

83 4 中間評価 事後評価の実施時期事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (34) 次世代 FTTH 構築用有機部材開発プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 高品位映像によるリアルタイムコミュニケーション可能な次世代 FTTH(Fiber To The Home) のラスト数百 m に供用できる 低コストで低光伝送損失のプラスチック材料を開発する 具体的には 屈折率高精度制御技術開発によりプラスチック光ファイバー (POF) 及びモジュール化のための新規一体型成形加工技術の開発により低コストで低消費電力のポリマー光回路の開発を行う 2 技術的目標及び達成時期 2006 年度までに 次世代 FTTH 構築に必要なラスト数百 m の光ネットワークに提供される POF 及びポリマー光回路用部材を開発する 3 研究開発期間 2004 年度 ~2006 年度 4 中間評価 事後評価の実施時期事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (35) 積層メモリチップ技術開発プロジェクト ( フォーカス 21)( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 情報化社会の進展に伴い増加する情報量に対応し メモリの大容量化 高速データ転送 省エネルギー化等を可能とする技術及びメモリ搭載技術の開発を行う 2 技術的目標及び達成時期 2006 年度までに 積層された複数メモリへの高速ダイレクトデータ転送可能な技術を開発し メモリチップの大容量化 高速データ転送 省エネルギー化等を実現する 3 研究開発期間 2004 年度 ~2006 年度 4 中間評価 事後評価の実施時期事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 Ⅱ.CO2 固定化 有効利用技術排出される二酸化炭素を分離回収 固定化したり 有用物質に変換する技術を開発する (ⅰ) 二酸化炭素分離回収 隔離 貯留技術開発 (1) 二酸化炭素の海洋隔離に伴う環境影響予測技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 火力発電所等の大規模発生源から分離回収された二酸化炭素を海洋中層に放出 拡散することで大気中の二酸化炭素濃度の急激な上昇を抑制する技術について 海洋環境への影響を評価する技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2006 年度までに 海洋隔離技術の有効性 経済効果の評価 100~150kg/s の二酸化炭素を希釈出来る技術 ( 濃度の具体的な目標値は検討中 ) の要素開発 二酸化炭素放出点周辺域 ( 約 100km 約 100km 程度の範囲内 ) での希釈技術開発に対する影響評価技術の確立 国際的な連携の強化等を図る xxxi

84 3 研究開発期間フェーズ 1:1997 年度 ~2001 年度フェーズ 2:2002 年度 ~2006 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2004 年度 事後評価を 2006 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (2) 二酸化炭素の地中貯留技術研究開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 火力発電所等の大規模発生源から分離回収された二酸化炭素を地中帯水層へ貯留する技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 長期挙動予測可能な二酸化炭素挙動予測シミュレータの開発 二酸化炭素圧入技術の開発 日本近海の帯水層についての分布 地質構造等地質広域調査による二酸化炭素地中貯留の潜在能力等データを取得する 3 研究開発期間 2000 年度 ~2004 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2002 年度 事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (3) 二酸化炭素炭層固定化技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 二酸化炭素が石炭に吸着しやすい特性を利用して 火力発電所等から排出される二酸化炭素を石炭層に安定して固定化させる技術 ( 二酸化炭素の炭層への最適な固定化条件の把握 炭層への効率的な圧入方法等 ) を開発する 2 技術目標及び達成時期 2007 年度までに 二酸化炭素とメタンの置換メカニズムの解明及び二酸化炭素挙動シミュレーション技術 二酸化炭素の石炭層への効率的な圧入とメタンの回収技術等を確立する 3 研究開発期間 2002 年度 ~2007 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2004 年度 事後評価を 2008 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (4) 二酸化炭素大規模固定化技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 乾燥地帯のような苛酷な環境においても生育しうる樹木を創出し 従来 植林に適さなかった地域を含めた植林可能面積の拡大を図る また 植物が有する二酸化炭素吸収機能の向上を図り 大気中の二酸化炭素を大規模かつ効率的に固定化する技術の開発を行う 2 技術目標及び達成時期 2007 年度までに 年間降雨量 500mm 程度の乾燥地帯等においても生育し得る森林創生樹木を開発する 3 研究開発期間 2003 年度 ~2007 年度 4 中間 事後評価の実施時期 xxxii

85 中間評価を 2005 年度 事後評価を 2007 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (5) 低品位廃熱を利用する二酸化炭素分離回収技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 従来技術になかった低温度レベルで再生可能な CO2 吸収液を開発し 有効な利用法がないプラント廃熱を回収して吸収液再生に利用する技術を組み合わせた吸収法システムを開発する そして鉄鋼プラントの高濃度 CO2 排ガスを用いてパイロット試験を実施する 2 技術目標及び達成時期 2008 年度までに CO2 分離回収コストを大幅に削減する技術を実証する 3 研究開発期間 2004 年度 ~2008 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2006 年度 事後評価を 2009 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (ⅱ) 二酸化炭素有用物質転換技術開発 (1) 石炭 古紙等活用型二酸化炭素固定化技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 太陽熱を利用して 二酸化炭素を石炭 天然ガス及び水蒸気と反応させ 高効率にメタノールを生成する技術 並びに微生物等の機能を活用し バイオマス資源である古紙等を糖化し 得られた糖類を有機酸に変換する過程で バイオコンバージョンにより二酸化炭素を固定する技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 石炭 点絵ガス及び水蒸気活用型技術は 太陽炉の開発による溶融塩加熱技術 石炭スラリー加熱技術等を確立 古紙等活用型技術は 同年度までに セルロースを糖化し 糖と二酸化炭素を有機酸に変換させる部生物触媒を開発する 3 研究開発期間 2004 年度 4 中間 事後評価の実施時期事後評価を 2004 年度に実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (2) 石炭 天然ガス活用型二酸化炭素回収 利用技術の開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 太陽熱を利用して 二酸化炭素を石炭 天然ガス及び水蒸気と反応させることにより 次世代の液体燃料であるメタノールに高効率に変換する技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに 太陽炉の開発による溶融塩加熱技術 石炭スラリー加熱技術等を確立する 3 研究開発期間 2000 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2002 年度に実施 なお 本事業の成果全般については 石炭 古紙等活用型二酸化炭素固定化技術開発 において活用されることとなるため 本事業の事後評価は 当該事業の事後評価において併せて実施 5 実施形態 xxxiii

86 民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (3) エネルギー使用合理化古紙等有効利用二酸化炭素固定化技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり バイオマス資源である古紙等を生物的機能を活用して糖化し 得られた糖類を有機酸類に変換する過程で二酸化炭素を固定するバイオコンバージョン技術を開発する 2 技術目標及び達成時期 2004 年度までに セルロースを糖化し 糖と二酸化炭素を有機酸に変換させる微生物プロセスを開発する 3 研究開発期間 2000 年度 ~2003 年度 4 中間 事後評価の実施時期中間評価を 2002 年度に実施 なお 本事業の成果全般については 石炭 古紙等活用型二酸化炭素固定化技術開発 において活用されることとなるため 本事業の事後評価は 当該事業の事後評価において併せて実施 5 実施形態民間企業 大学 公的研究機関等から 最適な研究体制を構築し実施 (ⅲ) 技術シーズの発掘 (1) プログラム方式二酸化炭素固定化 有効利用技術開発 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 将来において実現可能性の高い二酸化炭素固定化 有効利用技術に関する技術シーズを発掘し これらの基盤技術の確立 フィージビリティの確認等を実施する 2 事業期間 1999 年度 ~2006 年度 3 実施形態適切な研究課題 実施企業等を選定し実施 (ⅳ) 実用化開発 (1) 二酸化炭素固定化 有効利用技術実用化開発 ( 運営費交付金 ) 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 二酸化炭素固定化 有効利用技術等の中から 特に実用化の可能性の高い事業について支援を行う 2 事業期間 2001 年度 ~2004 年度 3 実施形態適切な研究課題 実施企業等を選定し実施 (2) 京都議定書目標達成産業技術開発促進事業 1 概要エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 民間企業が取り組む地球温暖化防止技術のうち 実用化に向けた道筋が明確な技術開発について支援を行う 2 事業期間 2003 年度 ~2007 年度 3 実施形態適切な研究課題 実施企業等を選定し実施 (ⅴ) 国際協力 (1) 地球環境国際研究推進事業 1 概要 xxxiv

87 エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 地球温暖化問題の解決に向け 諸外国等と共同で革新的な温暖化防止技術の研究開発を実施する 2 事業期間 2002 年度 ~2006 年度 3 実施形態諸外国との連携のもと テーマ毎に適切な研究体制を構築し実施 5. 研究開発の実施に当たっての留意事項事業の全部又は一部について独立行政法人の運営費交付金により実施されるもの ( 事業名に ( 運営費交付金 ) と記載したもの ) は 運営費交付金の総額を算定する際に使用するものであることから 当該部分は 国の裁量によって実施されるものではなく 中期目標 中期計画等に基づき当該独立行政法人の裁量によって実施されるものである フォーカス 21 の成果の実用化の推進 フォーカス 21 は 研究開発成果を迅速に事業に結び付け 産業競争力強化に直結させるため 次の要件の下で実施 技術的革新性により競争力を強化できること 研究開発成果を新たな製品 サービスに結びつける目途があること 比較的短期間で新たな市場が想定され 大きな成長と経済波及効果が期待できること 産業界も資金等の負担を行うことにより 市場化に向けた産業界の具体的な取組が示されていること 具体的には 成果の実用化に向け 実施者による以下のような取組を求める カーボンナノファイバー複合材料プロジェクト事業費の 1/2 負担により アルミニウム合金 マグネシウム合金と カーボンナノファイバーとの複合化技術とその成形加工技術の開発を行う 省エネ型次世代 PDP プロジェクト事業費の 1/2 負担により PDP の低消費電力化を図るため 発光パネルの高効率発光技術等の開発を行う 高分子有機 EL 発光材料プロジェクト事業費の 1/2 負担により 高分子発光材料の発光効率 寿命等の高度化の材料創製技術と有機 EL ディスプレイパネル製造プロセスでの成形加工技術の一体的研究開発を行う ディスプレイ用高強度ナノガラスプロジェクト種々のディスプレイ用基板ガラスの軽量化を図るための薄板化を可能とする超高強度薄板ガラスの開発を実施し 早期実用化を図る カーボンナノチューブ FED プロジェクト CNT-FED の実用化のため 映像処理回路 画像品質向上回路等 CNT-FED 実用化開発を実施し 早期実用化を図る 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクト事業費の 1/2 負担により 光触媒を利用した住宅用放熱部材及びそれを用いた冷房負荷低減システム 室内環境浄化部材の開発等を行う インクジェット法による回路基板製造プロジェクト事業費の 1/2 負担により 金属インク 絶縁物インク等をインクジェットヘッドから基板に吐出して回路基板を製造する技術を確立する SF 6 フリー高機能発現マグネシウム合金組織制御技術開発プロジェクト事業費の 1/2 負担により マグネシウム合金において SF 6 フリー溶解技術と 高機能を発現させるために 高度なプロセス技術とともに原材料技術を確立する 次世代 FTTH 構築用有機部材開発プロジェクト事業費の 1/2 負担により 次世代 FTTH 構築に必要なラスト数百 m の光ネットワークに提供される低コストで低光伝送損失の POF 及びポリマー光回路用部材を開発する 積層メモリチップ技術開発プロジェクト事業費の 1/2 負担により メモリの大容量化 高速データ転送 省エネルギー化等を可 xxxv

88 能とするために必要な技術を確立する なお 適切な時期に 実用化 市場化状況等について検証する 6. プログラムの期間 評価等プログラムの期間は 2002 年度 ~2006 年度までとし プログラムの中間評価を 2004 年度に 事後評価を 2007 年度に行うとともに 研究開発以外のものについては 2010 年度に検証する また 中間評価を踏まえ 必要に応じ基本計画の内容の見直しを行う 7. 研究開発成果の政策上の活用各プロジェクトで得られた成果のうち 標準化すべきものについては 適切な標準化活動 ( 国際規格 (ISO/IEC) 日本工業規格 (JIS) その他国際的に認知された標準の提案等 ) を実施する 特に 光触媒利用高機能住宅用部材プロジェクトにより取得 蓄積した基本特性等データを活用しつつ 基準認証研究開発事業として 光触媒の統一的な試験 評価方法を JIS 化するとともに 我が国発の国際標準として提案することにより 光触媒製品の世界市場拡大を目指す 8. 政策目標実現に向けた環境整備 国際協力 地球環境国際連携推進事業 ( 運営費交付金 )(2003 年度 ~2007 年度 ) エネルギー需給構造の高度化を図る観点から行うものであり 地球温暖化問題の解決に貢献する技術の開発を国際レベルで効率的かつ経済的に進めるために IPCC 国際会議等を開催し各国におけるエネルギー消費効率化に関する取り組みについて情報交換 温暖化防止等に関する我が国の戦略的取り組みの検討及び各国情報収集調査等を行う 知的基盤整備 情報提供等事業 ( 地球環境国際研究推進事業の一環 ) 革新的な温暖化対策技術や地球環境保全技術の情報交換を目的とした情報ネットワークの構築 運用 データベースの構築等を図る 普及 導入促進 開発した成果について社会への早期普及 導入を図るため それぞれの技術開発成果に応じた適切な普及促進制度の活用策についての検討を行う 9. その他当該プログラムの実施に関する重要事項 2004 年度地球温暖化対策推進大綱の見直しに伴う対応を行う 各プロジェクトを横断的観点からマネージメントする体制を整備し 技術の進捗状況や社会情勢等を踏まえた適切な資源配分 技術成果のレビュー 普及施策の検討 実施すべき技術開発テーマ 領域 分野等の検討等を実施する 10. 改訂履歴 (1) 平成 14 年 2 月 28 日付け制定 (2) 平成 15 年 3 月 10 日付け制定 革新的温暖化対策技術プログラム基本計画 ( 平成 産局第 16 号 ) は 廃止 (3) 平成 16 年 2 月 3 日付け制定 革新的温暖化対策技術プログラム基本計画 ( 平成 産局第 18 号 ) 及びエネルギー環境二酸化炭素固定化 有効利用プログラム基本計画 ( 平成 産局第 19 号 ) は 本プログラム基本計画に統合することとし 廃止 xxxvi

89 ( 省エネルギー技術開発プログラム ) 高効率熱電変換システムの開発 基本計画 P02022 ナノテクノロジー 材料技術開発部 1. 研究開発の目的 目標 内容 1.1 研究開発の目的エネルギー資源の約 8 割を海外に依存する我が国にとって これを効率的に利用すること 即ち 省エネルギー を図ることは エネルギー政策上の重要な課題である このため 更なる省エネルギー技術の開発 導入を進め もって我が国におけるエネルギーの安定供給の確保を図ることを目的とした 省エネルギー技術開発プログラムの一環として実施する そして 未利用の膨大な排熱を 準国産エネルギー と位置付け エネルギー消費を抜本的に改善することにより 二酸化炭素の排出抑制を促し 地球温暖化問題へ対応するものでもある 経済社会の様々な分野で発生する熱エネルギーの多くは 未利用のまま排熱エネルギーとして排出されている 現在 我が国で実用に供されている排熱有効利用技術は鉄鋼業界の炉頂発電やスーパーごみ発電などの大規模 集中型のものが中心であり 小規模 分散型システムの開発が期待されている 熱電変換システムは 半導体素子を利用して熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる長寿命 小型 軽量 保守容易なシステムであり 小規模 分散型排熱のエネルギー有効利用に資するものである 本研究開発は エネルギー有効利用等の観点から 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーとして利用することのできる熱電変換モジュール及びシステム技術の実用化を目的とする また 本研究開発が幅広い分野に普及していくことが想定されるため全体としての二酸化炭素排出削減量は多大なものになることが期待される 1.2 研究開発の目標中間評価までに 熱電変換効率 ( 注 1)12% の高効率熱電変換モジュールを開発するとともに最終的に 15% の高効率熱電変換モジュールの目処を確立する この場合 モジュール両端の温度差は 550 を基準とし その他の温度差のときは換算する また 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し実用化技術を確立する 個別研究開発テーマごとの中間目標値及び最終目標値は実施者を選定した後 提案に基づき技術動向に照らして十分高い値を定めるものとする ( 注 1) 熱電変換効率 : モジュールの発電電力量をモジュール放熱量と発電電力量の和で割った値 (% 表示 ) 1.3 研究開発内容 (1) 研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発 [ 研究開発計画 ] イ. 研究開発の必要性ロ. 研究開発の具体的内容ハ. 達成目標熱を電気に変換する素子材料の開発及び熱電変換効率向上の開発を行い それらの熱電素子を用いた熱電変換モジュールを開発する 具体的には 実用化を図る上で課題となる素子材料の選定 耐久性を有する素子構造技術 温度域に最適化を図るカスケード技術 温度損失の低減技術 熱応力緩和技術 破損防止技術 低コスト製造技術等を開発する また 耐久性の確認及び普及のための調査研究を行う (2) 研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発 [ 研究開発計画 ] イ. 研究開発の必要性 xxxvii

90 ロ. 研究開発の具体的内容ハ. 達成目標民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを 長期的に亘って効果的に電気エネルギーに変換する熱電変換システム技術の開発を行い その実用化を図る 具体的には システム設計及び要素の開発 システム試作 評価と改良及び耐久性確認 実証試験 経済性を含む総合評価等を行うとともに 熱電変換システムの普及に向けた調査研究を行う 2. 研究開発の実施方式 2.1 研究開発の実施体制本研究開発は 平成 14 年度は経済産業省産業技術環境局研究開発課及び製造産業局非鉄金属課において基本計画を策定し 事業を実施したものであるが 平成 15 年度以降は 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 ( 以下 NEDO 技術開発機構 という ) の助成事業として実施する なお 研究開発実施者の選定にあたっては NEDO 技術開発機構の協力の下 平成 14 年 8 月経済産業省において選定 平成 15 年度以降は 実質的に継続事業であるため NEDO 技術開発機構において公募による研究開発実施者の選定は行わない 2.2 運営管理研究開発実施者は NEDO 技術開発機構と密接な関係を維持しつつ プログラムの目的及び目標並びに本事業の目的及び目標に照らして適切な運営管理を実施する 3. 研究開発の実施期間本研究開発の期間は 平成 14 年度から平成 18 年度までの 5 年間とする 4. 評価に関する事項 NEDO 技術開発機構は 技術的及び政策的観点から 研究開発の意義 目標達成度 成果の技術的意義ならびに将来の産業への波及効果等について 外部有識者による中間評価を平成 16 年度 事後評価を平成 19 年度に実施する なお 評価の時期については 当該研究開発に係る技術動向 政策動向や当該研究開発の進捗状況等に応じて 前倒しする等 適宜見直すものとする 5. その他の重要事項 5.1 基本計画の変更 NEDO 技術開発機構は 研究開発内容の妥当性を確保するため 社会 経済的状況 内外の研究開発動向 政策動向等を総合的に勘案し 達成目標 実施機関 研究開発体制等研究開発の見直しを弾力的に行う 5.2 根拠法本プロジェクトは 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構法第 15 条第 1 項第 3 号に基づき実施する 5.3 その他本研究によって得られたあらゆる知的財産 また本研究の過程または成果に基づき開発したプログラム サンプルもしくは装置などの成果物について 本プロジェクト外 ( 国内外 ) への供試 開示については 事前に NEDO 技術開発機構に連絡する その際に NEDO 技術開発機構が申請書の提出を求めた場合は これに応じ速やかに提出する 6. 基本計画の改訂履歴 1) 平成 15 年 3 月 制定 但し 本事業は 平成 14 年度は 経済産業省の直轄事業として開始され 経済産業省において基本計画が策定されている 2) 平成 16 年 3 月 独立行政法人化に伴い 名称及び根拠法等 改訂 3) 平成 18 年 3 月 プロジェクト基本計画等の体系の整理に伴う様式の変更 本研究によって得られた知的財産 成果についての取り扱いについて記載 プログラムの変更に伴い改訂 xxxviii

91 インゴット 拡散 カスケード化 既存材料 高温用材料 プロジェクト用語集 高効率熱電変換システム モジュール技術 用語説明 五十音順 棒状に成長 あるいは溶融成型させた熱電変換材料 ( 通常は多結晶 ) をインゴットと呼ぶ インゴットからダイス状に切り出したチップは熱電変換素子となる 又はインゴットを粉砕混合し焼結させて素子とする 固体中で原子 分子 欠陥が濃度分布をもつとき これらの濃度は時間の経過とともに一様になろうとする この現象を拡散と言う 熱電変換モジュールを特に高温下で使用した場合 電極材料の銅元素が熱電素子中に拡散していき 熱電素子の特性劣化が生じる そのため 一般にはニッケル層を熱電素子接合面にメッキし 元素拡散防止層として使用している 性能が最大である温度が異なる 2 種類以上の熱電発電モジュールないしは熱電冷却モジュールを重ね合わせ ( カスケード ) 変換効率の向上を目的としたモジュール 複数段構造の各段間が電気的に絶縁されている Bi-Te 系 Pb-Te 系 シリサイド系 Si-Ge 系といった従来の熱電材料 1960 年代からすでに研究開発 実用の実績がある 熱電性能指数 Z の温度依存性が 800 K 以上にピークをもつ熱電材料 シリサイド系材料が代表例 高効率入力熱エネルギーから電気エネルギーとして取り出すことのできる割合 ( 率 ) を ( エネルギー変換 ) 効率と言う これまで 熱電変換効率が低い ( 数 % 程度 ) ものが殆どであったが 近年の研究で変換効率の向上が図られている 熱電変換素子単体の効率として 概ね 10% 以上を高効率の目安としている コージェネガスタービン等による発電で電気エネルギーを得ると同時に 発電に伴って排出される排熱を有効な目的に利用し 全体の熱利用効率を上げることをコージェネレーション 略してコージェネという 小型分散発電従来の火力発電や原子力発電のように大規模プラントによる一極集中型の発電システムではなく 燃料電池 マイクロタービン等の小型発電システムを各所に分散させた発電システム 酸化腐食熱電変換モジュールが高温 大気中で長期にわたり使用される場合 熱電素子 電極材料およびこれらの界面が大気中の酸素と結合して酸化物を形成し 次第に内部に浸透していくこと 熱電素子の特性劣化 接合部接触抵抗の増加等の原因となる 集熱システム熱電変換モジュールの効率向上や出力密度 (W/m 2 W/kg) の向上を図るために 熱源からの熱エネルギーをモジュールの限られた受熱面に効率よく集めるためのシステム 新規材料 Bi-Te 系 Pb-Te 系 シリサイド系 Si-Ge 系といった従来の熱電材料に代わるべく 探索されている材料 例えばスクッテルダイト系 酸化物系 量子井戸構造素子 Zn-Sb 系等 接触熱抵抗熱流のある中で 2 体間の接触によって生じる熱抵抗 ( 単位は Km 2 /W) 熱源と熱電素子の間には 熱交換器 電極等の境界面が存在し これらには温度ロスをなるべく小さくするために熱伝導性の良い材料が使用されている しかしそれ以上に異種材料間接合部の接触熱抵抗による温度ロスが大きく 熱電材料の特性が十分に活用されていないのが現状である 地球温暖化 ( 温室効果 ) ガス 低温用材料 地表面から放射される赤外線を吸収して 再び地表に放射され大気を適度な温度に保つ働きをするガス 温暖化ガスが過度に増加すると地表温度が上昇する恐れがある 二酸化炭素 メタン CFC 等がこれに該当する 熱電性能指数 Z の温度依存性が室温から 250 の間にピークをもつ熱電材料 Bi-Te 系 が代表例 xxxix

92 電極 熱応力 用語説明 熱電変換システム 熱電変換素子 熱電変換モジュール 疲労破壊 変換効率 ホットプレス焼結法 n 型熱電素子と p 型熱電素子を金属を介して接合するとき ブリッジ形成のための金属のことを言う 熱電変換モジュールでは p 型と n 型の熱電半導体素子が複数個電気的直列 熱的並列に接続された構造となっている これら素子間の接続は 電気抵抗及び熱抵抗の小さい銅板等の金属を介してなされている 熱電変換モジュールは動作時に 片側が高温 他方側が低温となるため この温度差により素子が膨張収縮し これによってモジュール内部に歪が生じ モジュール構造内には応力が生じる 特に熱電素子と電極接合部に生じる熱応力がモジュール信頼性に大きな影響を与える 熱電変換モジュールを中心とし 熱源との熱交換インターフェイス 発電出力取り出し部等の周辺部を含めたシステム 電気エネルギーを熱エネルギーに または熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するエネルギー変換材料からなる固体素子 多くは 半導体や金属系材料からなる 複数個の熱電変換素子を電気的に直列 熱的に並列に接続し セラミック板等の熱交換板で一体化したデバイスを熱電変換モジュールと呼ぶ 熱電変換モジュールにおいて繰り返しの温度変化が生じた場合 熱応力がモジュールの破壊強度以下であっても その繰り返しによる弾性疲労で素子が破壊にいたることをいう 変換効率は出力電気エネルギー /[ モジュールからの放熱エネルギー + 出力電気エネルギー ] で定義され 熱電変換モジュールまたはシステムに導入された熱エネルギーの内どれだけが電気エネルギーに変換されたかを表している 金属 セラミックス 半導体の粉末を所定の形状の金型中で加圧成形後 高温で加熱して焼き固めることにより素子を作製する方法 焼結材料では溶製材料と比較して熱電特性は若干劣る場合があるが 機械的強度が優れている また材料の歩留まりが上がり コストダウンが期待できる xl

93 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 高効率熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の必要性エネルギー有効利用の観点から 民生および産業の分野から発生する未利用の熱エネルギーを熱電変換システムによって電気エネルギーとして利用することのできる実用化技術の開発は大きな意義を持っている 本事業は 高効率熱電変換モジュールの開発およびシステム技術の実用化を目的とする 高効率熱電変換モジュールの開発には 精度の高いモジュール評価技術の確立が不可欠であるが 熱電変換モジュールについては 発電用途での性能評価は技術的に確立されていない 本事業では測定精度の高精度化と 従来各企業が独自に行っていた評価方法を統一し 相互比較が可能な評価技術の研究開発を行う ( 財 ) エンジニアリング振興協会は研究開発責任者を中心に各企業と研究連携体を形成し 各企業間の競争と協調のもと本事業推進の役割を担う 協調の観点からは 熱電変換システム普及加速のため フォーラム セミナー等の諸活動を進めるとともに公正な評価を実施する ロ. 研究開発の具体的内容 1) 研究開発評価熱電変換システムの実用化にあたっては 各企業が開発する熱電変換モジュールの性能を統一的に比較するために 公正な評価方法の確立と 性能評価の実施を行う 熱電変換システムの性能評価では それぞれのシステムの目標値達成度評価を実施し 研究の進捗を判定して実用化に結びつける 2) 用途調査熱電変換システム普及のための調査として 熱電変換モジュールのコージェネレーションシステム等への適用性の調査及び普及のための条件の明確化を行う さらに 熱電変換システム性能シミュレーション技術を構築し システム設計 普及推進に貢献する 3) 競争と協調に基づく研究開発推進本事業の推進にあたり ( 財 ) エンジニアリング振興協会は各企業と研究連携体を形成し 競争原理の導入と モジュール開発側とシステム開発側の密接な連携により 開発の促進を図る 具体的な活動として以下のことを行う 委員会を設置し ( 財 ) エンジニアリング振興協会と委員会の連携のもとに実用化に向けての評価助言を行うとともに 研究開発責任者による研究統括をサポートする 熱電変換モジュール開発企業と熱電変換システム開発企業の連携を推進するため 両者間の協定締結を推進し 情報交換を行う 単年度ごとに成果をとりまとめる 4) 熱電普及加速のための活動熱電変換システム普及加速のため フォーラム セミナー等の諸活動を進める ハ. 達成目標 1) 中間目標熱電変換モジュールの中間目標値である熱電変換効率 12%( 温度差 550K 相当 ) の評価ができる評価装置を中間評価開始前 ( 平成 15 年度中 ) に開発する 2) 最終目標熱電変換モジュールの最終目標値である熱電変換効率 15%( 温度差 550K 相当 ) の評価を行うため 700 級モジュールの評価技術の実証を目指す また 信頼性 耐久性の評価技術の調査と実際の熱負荷条件を想定し妥当な評価方法の提案を行う xli

94 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 研究開発の必要性本プロジェクトの趣旨である 地球温暖化問題解決のため CO2 排出量の削減への取り組みに対し 熱電変換技術の実用化により廃棄されてきた未利用エネルギーを回収することで 貢献する 本提案では 高効率の熱電変換モジュールの開発を目標とするが その適用対象としては 従来の排ガスボイラーによる汽力発電では回収が困難な 小規模分散型システムを対象とするものである また これらのシステムでは排熱により給湯 暖房や蒸気を得ているが 温水や蒸気では用途が限られることから 実質的には排熱利用効率は高くない そこで これらの排熱を電気エネルギーへ変換することで エネルギーの実質的な有効利用を促進する ロ. 研究開発の具体的内容サブテーマ :1 熱電変換モジュールの開発 (Zn-Sb 系材料を用いたモジュール ) 最終的なモジュール構成としてはカスケード型とし 低温側に Bi-Te 系材料を用いた熱電変換モジュール 高温側に Zn-Sb 系材料を用いた熱電変換モジュールをそれぞれ用いる [ 材料の高効率化 ] 1) p 型 ZnSb 材料の高性能化 2) p 型 ZnSb 材料に対応する n 型材料の開発 1ZnSb 材料の結晶及び電子構造解析から n 型 ZnSb 開発 ( 中間評価で見極め ) 2n 型 CoSb 系 ( モジュール化検討用 ) [ 素子モジュール化 ] 3) ZnSb 材料を用いた中温域高性能熱電モジュールの開発 1 既存 n 型材料と p 型 ZnSb によるモジュール開発 2n 型材料の見極め後のモジュール製造プロセス最適化 4) 高性能カスケードモジュールの開発 ハ. 達成目標 1) 中間目標 p 型 Zn-Sb 材料 : 中間 ZT>1.3( )[ K] n 型 Zn-Sb 材料 : 中間見極め 3 年を目途に 開発の見極めを行う その他材料も含み 中間 ZT>0.8( )[ K] モジュール開発の数値目標 : 中間 Zn-Sb モジュール効率 >4.5%( ) 無次元実効性能指数 ZeT>0.80( ) [ K] 2) 最終目標 p 型 Zn-Sb 材料 : 最終 ZT>1.35( ) [ K] n 型 Zn-Sb 材料 : その他材料も含み 最終 ZT>0.9( )[ K] モジュール開発の数値目標 : 最終 Zn-Sb モジュール効率 >5.5%( ) 無次元実効性能指数 ΖεΤ>1.09( ) [ K] Bi-Te 系モジュールとのカスケードモジュール効率 >11%( ) 無次元実効性能指数 ZeT>0.88( ) [ K] xlii

95 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 研究開発の必要性エネルギーの最終形態は 熱 であり エネルギー源としてあらゆるところにある排熱を利用して 実用的に使用できる電気エネルギーに変換するには 高効率で信頼性の高い熱電変換モジュールが必要である そのためには そこに用いられる熱電半導体特性を向上させ モジュールの信頼性を向上させる必要がある また 広い温度差で高効率の発電をするためには モジュール構造としてカスケードモジュールの研究開発が必要となる ロ. 研究開発の具体的内容 1) 半導体材料特性向上研究低温度領域材料である Bi-Te 系材料の特性については 更にキャリア濃度 材料形状の制御により最適化試験を行い 特性向上を行う 一方 高温度領域材料の Co-Sb 系においては焼結条件の基礎実験の結果を踏まえて 焼結体の特性の向上を図る 2) 素子技術開発素子技術開発においては 応力緩和構造の検討によって得られた知見と構造試作の対比から最適素子構造の詳細を検討する さらに素子の熱電特性との整合性と最適化を検討して その結果より得られた素子の試作を行う また 信頼性にかかわる材料の酸化防止手法の検討を行う 電極金属と熱電半導体との金属 / 半導体同時焼結では 金属表面の改質により性能の安定化を図り 金属電極の形成手法に関しての検討も行う 3) モジュール化技術開発モジュール技術開発においては 引き続き絶縁基板の形成と基板への電極接続形成手法についての検討を行うと伴に シングルモジュールからカスケードモジュールへの適用化検討を行う 後半には 半導体特性向上の研究で行った半導体材料を用いて通常型及び充填型 Co-Sb 系 /Bi-Te 系のカスケード構造の研究開発を行い モジュール構造 使用基材の最適化研究と並行してモジュールの特性評価試験を行う ハ. 達成目標 1) 中間目標熱電変換モジュールの変換効率として 低温度領域 / 高温度領域材料のカスケード化により効率 9%( 温度差 400K 低温側 300K)[Bi-Te 系 7% Co-Sb 系 2%] を目標とする 2) 最終目標 熱電変換モジュールの変換効率として 低温度領域材料と高温度領域材料のカスケード化により効率 11.5%( 温度差 400K 低温側 300K) を目標とする 信頼性として 熱電変換モジュールの高温端側を 77 (350K) と 427 (700K) の熱サイクル 5000 回に耐えられる構造を目指す ( 低温側は 27 で固定とする ) xliii

96 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 研究開発の必要性地球温暖化対策の一環として排熱エネルギーを回収して電気エネルギーへ変換することが極めて有効である 排熱エネルギーの温度レベルは一般的に 600 以下であるため この温度領域に対応した高効率の発電システムの開発が必要となる システムの高効率化には熱電変換モジュールの高効率化が不可欠である 本研究では上記温度領域で使用可能な高性能熱電変換モジュールの開発とカスケード化によるさらなる高効率化を目的とする ロ. 研究開発の具体的内容 1) シリサイド系熱電素子の高性能化及び熱電変換モジュール化技術の開発 素子の高性能化配向性の改善 合成プロセスの改善研究 熱電変換モジュール化技術の開発溶射 固相接合 ろう付などの最適電極形成技術の開発 2) Bi-Te 系熱電素子の高温性能向上及び熱電変換モジュール化技術の開発 素子の高温性能向上特性の高温シフト 多元系材料の研究 素子製造装置の開発 熱電変換モジュール化技術の開発溶射 ろう付などの最適電極形成技術の開発 3) シリサイド系 Bi-Te 系熱電変換モジュールのカスケード化 電極材料 カスケード構造の最適化 4) 熱電変換モジュールの性能評価中間評価 最終評価に先がけて自社の評価法でモジュールの評価を行う また ( 財 ) エンジニアリング振興協会において統一評価を受ける 評価装置の設計 製作 評価 5) 熱電変換モジュールの耐久性評価 耐久性向上 耐久性評価装置の設計 製作 評価 6) 量産ラインの検討 生産性の検討 コスト試算 ハ. 達成目標 1) 中間目標中間評価までに熱電変換効率 12% のカスケード熱電変換モジュールを開発する 2) 最終目標 最終目標は 15% の目処を確立する TH~TL( ) ( T K) 580~30 中間目標 (ΔT 550K) 最終目標 ( 目処 ) 580~30 (ΔT 550K) 効率 (%) 12% 15% Ze 平均 (10-3 K -1 ) 低温 1.5 高温 1.0 (2.2) (1.3) T=550K 相当効率 (%) 12% 15% xliv

97 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 2 高効率熱電変換システムの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールおよびシステムの開発 イ. 研究開発の必要性 150 以下と身近に多量に存在する比較的低温の温度領域のエネルギーは 変換効率 経済性の観点から低温の熱を有効に電気エネルギーに変換するシステムが無いために これまで棄てられていた これら未利用熱エネルギーからの電気への変換は 間接的に CO2 の抑制および省エネルギー効果が得られる 本研究開発においては 150 以下の低温でこれまで棄てていた未利用エネルギーを棄てずに生かすことを考えた取組みを高効率の Bi-Te 系の熱電変換材料を用いて実施 構築して 省エネルギーや資源再利用技術の開発とする 本研究開発では社会インフラ関連機器への実用化を目指し そこから発生する低温の排熱を熱源として高効率に電気に変換する熱電変換システムの構築を目指す ロ. 研究開発の具体的内容 1) 高効率熱電変換モジュールの研究開発 低温熱を高効率に電気に変換する Bi-Te 系の熱電変換モジュールの開発 熱電変換素子材料の組成均一焼成と構造解析 熱伝導解析に基づいた熱を電気に変換する素子形状およびモジュールの最適化 2) 低コスト化の研究開発 低コストプロセスの確立 長期に渡る高信頼性の確立 低コスト化を達成するために 余分な工程を省けてシンプルな構造を実現するニアネット成形 モールド技術等の新製造プロセス技術の確立 3) システム化の研究開発 これまでに自社で構築してきた電力 産業システム技術と熱交換技術と本開発で得た熱電変換素子モジュール技術との融合により低温排熱を高効率に熱電変換できる熱電変換システムを実証し実用化技術を確立する 4) システム効率の検討 社会インフラ関連の機器へ適用した場合のシステム効率と省エネ効果を定量的に検討 ハ. 達成目標 1) 中間目標モジュール両端 ( 電極間 ) の温度差 100 で 3.6% * を達成する高効率熱電変換モジュールの目処を確立 ただし 高温端 130 (403K) 低温端 30 (303K) である * 上記同温度条件で Hi-Z 社製 HZ-14 の 1.2 倍 熱電変換システムとして 2.0% の目処を確立 2) 最終目標モジュール両端 ( 電極間 ) の温度差 100 で 4.2% を達成する高効率熱電変換モジュールの目処を確立 ただし高温端 130 (403K) 低温端 30 (303K) である コスト面では低温の排熱回収システム 89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を確立 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして 3.0% の目処を確立 xlv

98 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換モジュールの開発 2 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールおよびシステムの開発 イ. 研究開発の必要性二酸化炭素削減は 民間レベルの日常生活の中でも重要性を増している 民生用製品には 低品位の排熱を伴うものが多く 都市部のヒートアイランド化にも大きく影響を及ぼしている これらの排熱を利用した民生用熱電変換技術の開発は エネルギー利用 二酸化炭素削減の点から大きな意義を有するとともに 応用用途拡大の可能性の点からも 21 世紀の社会において必要とされるものである 本開発では まず第 1 歩として プロジェクター光源からの排熱を利用した高効率の熱電変換システムの研究開発を行なう ロ. 研究開発の具体的内容 1) 高効率熱電変換材料及びモジュ - ルの開発微細結晶化による熱伝導率の低減と 高配向結晶化技術による電気抵抗の低減を両立させて高性能熱電材料を得る この材料を利用し 光源 熱源から高効率で吸熱 熱電変換を行なう熱電変換モジュ - ルの最適設計技術開発及び作製技術開発を行なう 2) 高効率熱電変換システムの開発民生用 業務用プロジェクターへの高効率熱電変換システムを想定し 熱電変換モジュ - ルからの排熱を効率よく放熱し 発電した電力を 筐体内において有効に利用する高性能熱電変換システムの開発を行なう ハ. 達成目標 1) 中間目標熱電材料性能指数 Z (1/K) モジュール変換効率 ηm 2.5%(ΔT=100K) ηm 3.5%(ΔT=150K) システム変換効率 ηs 2.0%(ΔT=100K) Ηs 3.0%(ΔT=150K) 2) 最終目標熱電材料性能指数 Z (1/K) モジュール変換効率 ηm 3.6%(ΔT=100K) ηm 5.3%(ΔT=150K) システム変換効率 ηs 3.2%(ΔT=100K) Ηs 4.5%(ΔT=150K) xlvi

99 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換システムの開発 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の必要性従来から熱電変換技術の実用化に向けて様々な研究開発が行われてきているが 他の方式の熱回収システムに対抗するためには技術的 経済的に克服しなければならない課題も多い 熱電変換による発電技術は排ガスと外気もしくは冷却水との温度差を利用するため 冷却系を新たに設ける必要がある また 熱源となるシステムの本来の作動を妨げることなく熱を回収する仕組みが必要となる 産業用プロセス排熱の内 工業炉排熱の割合は大きいが ほとんど回収再利用されていないのが現状である 適用するシステムには 冷却水系を元々備えており 且つ伝熱機構として対流プラス輻射伝熱が期待できるなど 熱電変換システム導入を容易にする条件が備わっている この環境の中で電力として最大限回収することが必要である それ故 工業炉への熱電変換素子の適用を前提とした高効率熱電変換モジュール及び ユニットに関する研究開発が必要となる 近年 抵抗加熱炉では 断熱部材の簡素化や強制冷却機構を設けるなど 断熱性能向上による省エネよりはむしろ 稼働率向上を目指した仕様へと移行しつつある この点からも 稼働率を犠牲にしないで省エネ効果が期待できる熱電変換素子の抵抗加熱炉への適用は 経済性 環境負荷低減において熱電変換システム導入の適合性が高いと考えられる ロ. 研究開発の具体的内容伝熱機構が主に輻射である工業炉において熱電変換を行うために 輻射伝熱とユニット内の固体熱伝導を併せた複合熱伝達状況下で作動する熱電変換ユニットの開発をする 1) モジュール構成部品の最適化材料試験片データ評価 解析およびデータ蓄積 などを通じて 400 向け 及び 600 向けモジュール構成部品最適化の 2 段階で研究を行う 2) 高効率高信頼性モジュール ユニット構造要素技術熱解析及び構造要素シミュレーション 接合技術の開発などを通じて 解析計測評価技術およびセグメント化 カスケード化の研究を行う 3) 熱電変換ユニット設計試作研究熱 電気 構造統合シミュレーションおよびユニットの設計 試作 試験を通じて 400 向け 及び 600 向けユニットの設計 試作 試験の 2 段階で開発を行う 4) システムモデル評価炉の熱収支 稼働性を考慮した試設計およびモデルによる検証 実証を通じて システム評価を行う ハ. 達成目標 1) 中間目標温度差 550K でのモジュール効率 12% 相当の実現を前提として 輻射伝熱環境下で熱源および冷却壁と熱電変換モジュールとの間のエネルギー損失を低減させ 高温側モジュール端部温度 400 低温側モジュール端部温度 50 (ΔT=350K) を達成し ユニット効率 4.5% を与えうるユニットの開発 検証を行う 2) 最終目標温度差 550K でのモジュール効率 15% の実現を前提として 高温側モジュール端部温度 600 低温側モジュール端部温度 50 (ΔT=550K) を達成し ユニット効率 10% を与えうるユニットの開発 検証を行う また 高温側モジュール端部温度 400 低温側モジュール端部温度 50 のユニットの実証を行う xlvii

100 研究開発計画 : 自主目標 高効率熱電変換システムの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の必要性各種の排熱エネルギーを回収して電気エネルギーへ変換し再利用することは 地球温暖化対策にとって極めて有効である コージェネレーション用ディーゼルエンジンから発生する排気ガスの熱エネルギーを回収し 電気エネルギーに変換してエンジン発電機の効率を高め 燃料使用量を減らすことにより CO2 発生量削減化並びに省エネルギー化を図ることは 温暖化対策の非常に効果的な手法の一つと思われる これを実現するには ディーゼルエンジンから排出される約 500 の排気ガスの熱エネルギーの一部を 効率的に電気エネルギーに変換できる熱電変換システムの研究開発が不可欠である 本研究では発電出力 3kW 級の経済性及び信頼性を満足させる実用型の新型式熱電変換システムの確立を行う ロ. 研究開発の具体的内容 1) 1kW 級新型式熱電変換システムの設計 試作 改良と評価 耐久性確認 高性能化 要素試験装置による各要素の小型 高性能化 1kW 級単段変換システムによるシステム性能及びシステム構造の最適化 耐久試験装置による耐久性の確認 1kW 級単段変換システムの性能評価 2) 3kW 級新型式熱電変換システムの設計 試作 改良 実証運転 経済性を含む総合評価 変換システムの 2 段化による出力増大 (3kW 級へ ) 3kW 級 2 段変換システムの性能及び構造の最適化 3kW 級 2 段変換システムのエンジンによる実証運転 3kW 級 2 段変換システムの信頼性 耐久性確認 量産性の検討 コスト試算 経済性の検討 3) 新型式熱電変換システムの実用化の為の調査 ハ. 達成目標 1) 中間目標 2 年後の中間目標までに表 1 の目標値を有する発電出力 1kW 級の新型式熱電変換システムを開発する 2) 最終目標 4 年後の最終目標は表 1 の目標値を有する発電出力 3kW 級の新型式熱電変換システムを確立し 経済性及び信頼性を満足させる実用システム化技術を確立することである 表 1 項目 中間目標 最終目標 熱交換器効率( 排気ガス熱エネルギーの内 蒸発部に取り込む熱の割合 ) 58% 77% システム効率( 排気ガス熱エネルギーの内 電力に変換する熱の割合 ) 3.4% 4.3% 発電出力 1kW 級 3kW 級 xlviii

101 Ⅰ. 事業の位置付け 必要性について 1.NEDO 技術開発機構の関与の必要性 制度への適合性 1.1 NEDO 技術開発機構が関与することの意義地球温暖化対策推進大綱 ( 平成 14 年 3 月 19 日地球温暖化対策推進本部決定 ) において 革新的なエネルギー 環境技術と国民各界 各層のさらなる努力によって 我が国の 2008~12 年における温室効果ガス排出量の 1990 年比 2% 削減を達成することが定められている ( うち 革新的なエネルギー 環境技術 では 0.6% を目標 ) 本プロジェクトは この 革新的なエネルギー 環境技術 の開発 導入を目指して実施する 地球温暖化防止新技術プログラム また平成 18 年度からは 省エネルギー技術開発プログラム の一環として実施するものである 本プロジェクトは 先端の材料技術を用い これまで熱として排出されていた未利用エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する 革新的な高効率熱電変換モジュールおよびシステムのの開発を行う ( 図 Ⅰ-1 参照 ) なお 本プロジェクトは 技術開発のリスクが高いこと等により民間企業独自での取り組みには限界があること また 京都議定書上の目標達成は我が国の国際的公約であることから 国及び NEDO 技術開発機構として強力なイニシアティブを発揮して総合的に推進べき課題である また 本プロジェクトは 実用化を目指した技術開発であり 課題設定型助成事業 ( 補助率 2/3) として実施する (a) 熱電変換システムの事例 (b) 熱電変換モジュールの事例 図 Ⅰ-1 研究開発事例 1

102 1.2 実施の効果 ( 費用対効果 ) 本プロジェクトで開発した熱電変換システムは 幅広い分野に普及していくことが想定されるため 全体としての二酸化炭素排出削減量は多大なものになることが期待される 産業ならびに民生の分野に熱電変換システムが適用されると 発電量及びそれに伴う二酸化炭素排出削減効果は 以下のとおり期待される 省エネルギー効果 [ 発電量 ] [ 二酸化炭素排出削減量 ] [ 原油削減量 ] (2010 年 ) 57GWh/ 年 2.1 万 t-co2/ 年 2.7 万 kl/ 年 (2020 年 )1,629GWh/ 年 60.3 万 t-co2/ 年 33.0 万 kl/ 年 (2030 年 )5,590GWh/ 年 万 t-co2/ 年 万 kl/ 年 [ 発電量 ] [ 二酸化炭素排出削減量 ] [ 原油削減量 ] 6, 発電量 (GWh/ 年 ) 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 CO2 削減量 ( 万 t-co2/ 年 ) 原油削減量 ( 万 kl/ 年 ) 年 2020 年 2030 年 年 2020 年 2030 年 年 2020 年 2030 年 注 ) 商用電源の二酸化炭素排出原単位 0.37kg-CO 2 /kwh を乗じて二酸化炭素削減量を算定 ( 出典 : 電気事業における環境行動計画 1999 年 9 月電気事業連合会 ) 図 Ⅰ-2 発電量と二酸化炭素排出削減量および原油削減量効果 ここで 産業用ならびに民生用の熱電変換システムの実用化 導入による二酸化炭素排出削減効果および省エネルギー効果については以下の通り予測している 2010 年度の時点については 本プロジェクトで開発する熱電変換システム すなわち熱電変換モジュールを組み込んだ電気抵抗式加熱炉 変圧器等社会インフラシステム プロジェクターの 1 台あたりの発電電力 普及予想台数 および年間運転時間を想定して年間の発電量を予測している また 本プロジェクトで開発される熱電変換モジュールが 2010 年時点におけるコージェネレーションシステムのうち ディーゼルエンジンおよびガスエンジン型については 10% ガスタービン型については 3% に適用されるものとして年間の発電量を予測している 2020 年度および 2030 年度の時点については 我が国の産業 民生 およびコージェネレーションにおける排熱量 (2010 年度と同水準と想定 ) を基本に 熱電変換システムが 2009 年度以降毎年 1.5% で普及していき 熱電変換システム効率は 2020 年度 3.6% 2030 年度 4.3% となるものとして 年間の発電量を予測している 熱電変換システムによる発電量相当分だけ商用電力の発電量が削減されるものとして その発電に伴う二酸化炭素排出量を算出している 本プロジェクトの費用は 総額 18.1 億円 ( 助成額 ) である また 民間需要創出効果は 72 億円を想定している 2

103 2. 事業の背景 目的 位置づけ 2.1 事業の背景 目的地球温暖化問題は 我々の社会に与える影響の大きさや深刻さから 喫緊に対応すべき課題であり 大気中への温室効果ガス 特にその大宗を占める二酸化炭素の排出抑制が求められている しかし 二酸化炭素の発生は人類の経済活動に伴うエネルギー消費に起因するところが大きく 地球温暖化問題は 持続的な経済成長やエネルギーの安定供給という課題にも同時に配慮し 取り組むことが必要である 経済社会の様々な分野で発生する熱エネルギーの多くは 未利用のまま排出されている 現在 我が国で実用に供されている排熱有効利用技術は鉄鋼業界の炉頂発電やスーパーごみ発電などの大規模 集中型のものが中心であり 急速に普及が進んでいる小規模 分散型システム向け排熱有効利用技術の開発が期待されている 熱電変換システムは 半導体素子を利用して熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる長寿命 小型 軽量 保守容易なシステムであり 小規模 分散型排熱のエネルギー有効利用に適しておりその開発 実用化により 省エネルギーに貢献するものである これらの背景から 本プロジェクトでは 1. 高効率熱電変換モジュールの開発 2. 高効率熱電変換システムの開発を実施し 熱電変換モジュール及びシステムの実用化技術を確立することを目的とする 2.2 事業の位置づけ (1) 国の政策における位置づけ経済産業省の 地球温暖化防止新技術プログラム の一つとして位置づけられた 平成 18 年 3 月からは 省エネルギー技術開発プログラム に位置づけられる (2) 関連する国内外の研究開発の動向 その中での位置付け熱電変換モジュールの技術開発においては ここ数年で従来にない全く新しい材料系が取り上げられるようになってきており 新たなコンセプトも発表され かつ実証されつつあるなど 飛躍的な性能向上の期待が高まっている しかしながら これらの材料開発の現状は コンセプト実証段階や実験室レベルの いわば卵の状態がほとんどであり 実用化が見通せるものは少ないのが実態である 本プロジェクトでは 新規材料を網羅的に探索するのではなく 5 年間のプロジェクト期間で実用化が見込めるものに絞って開発を行った 対象は スクッテルダイト (Co-Sb) 系 Zn-Sb 系 シリサイド系で いずれも高温域に対応できる材料である さらに モジュールのカスケード化において必要となる低温域や中温域の材料に関しては Bi-Te 系等実績のある既存材料に関し 最適組成や最適温度シフトなどの手法を取り入れることによって 効率向上を目指して研究開発を進めた 熱電変換システム開発においては 本プロジェクトで開発する高性能モジュールを適用すると共に 特徴ある伝熱技術 ( 沸騰 凝縮の活用 対流伝熱促進 ふく射の活用 ) を開発し 従来に比べて高性能のシステムを開発を進めた さらには 実用化を目的とし モジュール単体並びにシステム共に 耐久性の向上 低コスト製造技術の開発を進めた モジュールの高性能化の面では 宇宙分野をターゲットとしている JPL( 米 ) が実績をあげているが 宇宙以外の他分野への適用に際しては経済性に問題がある 民生用分野では米国 Hi-Z 社から熱電変換モジュールが販売されているが 実用化に向けてはさらなる効率向上と低コスト化が必要である 事後評価を迎えた現時点においては 産業 民生分野を対象とする本プロジェクト参画企業の技術力はこれらと比較しても世界でもトップレベルに達している また モジュールの評価技術においても 特に高温域の温度計測 精度の観点からトップレベルにある さらに 発電用モジュールの信頼性 耐久性評価手法に関しても 世界に先駆けて具体化し 実用に向けた評価に適用し始めている 本プロジェクトの研究成果は 特に H16 年度以降毎年 ICT2004 ICT2005 ICT2006 の場で発表し 米国 DOE の新たな施策にも引用されるなど 国内外に大きな影響を与えている 3

104 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 1. 事業の目標 1.1 事業全体の目標事業の目標は 中間評価 ( 平成 16 年度 ) までに 熱電変換効率 12% の高効率熱電変換モジュールを開発し最終的 ( 平成 18 年度 ) に 15% の高効率熱電変換モジュールの目処を確立することと 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し実用化技術を確立することである 熱電変換効率は次式で定義する 熱電変換モジュール両端の温度差は 550 を基準とし その他の温度差のときは換算する 熱電変換効率 = モジュールの発電電力量 Pm モジュールの発電電力量 Pm + モジュール放熱量 Qm c (%) ( 図 Ⅱ-1 参照 ) 高効率熱電変換システムの開発に当たっては 産業用 民生用それぞれの適用システムごとに求められる熱電変換モジュールの諸特性は異なる 多方面での高効率熱電変換システムの実用化を進めるためには以下の観点から複数のモジュールの開発が必要となる 適用温度レベル ( 高温度域 カスケード用広温度域 低温度域 ) 毎の効率最適化 形状 寸法の最適化 耐久性を有する素子構造 熱応力緩和技術 低コスト化実現のために熱電変換モジュールの製造プロセス ( 素子材料創製法 モジュールの製法 電極 素子接合技術 実装技術等 ) の複数の方法の開発 適用熱源の排熱量 = システムへの入熱量 Qs h 熱交換効率 :ηhx =Qm h /Qs h 熱電変換システム モジュールへの入熱量 Qm h システム損失熱量 :Qs l ( 放熱装置以外からの放熱 ) モジュール損失熱量 :Qm l 熱電変換モジュール モジュール発電電力量 :Pm 電力変換ロスモジュール放熱量 :Qm c システム発電電力量 :Ps システム放熱量 :Qs c ( 放熱装置からの放熱 ) モジュール効率 :ηm=pm / (Qm c +Pm) 図 Ⅱ-1 熱電変換システム概念図と定義 システム効率 :ηs=ps / Qs h 4

105 事業目標達成のため 本プロジェクトでは 2010 年までに実用化し 二酸化炭素排出削減に大きく寄与しうる高効率熱電変換モジュールとして 600 以下排熱回収用には 高温域 Zn-Sb 系 / 低温域 Bi-Te 系 高温域 Co-Sb 系 / 低温域 Bi-Te 系 高温域シリサイド系 / 低温域 Bi-Te 系の各カスケードモジュール 300 以下排熱回収用には プロジェクターや小規模周辺機器等の低温域排熱利用 Bi-Te 系モジュール 変圧器等社会インフラ関連機器用の低温域排熱回収 Bi-Te 系モジュールの開発を行うこととした 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマを表 Ⅱ-1 に示す 表 Ⅱ-1 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマ高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 2 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術低温域熱電変換モジュールの性能評価を行う定型 300 級評価装置と評価技術の開発 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュールの性能評価を行う定型 700 級評価装置と評価技術を開発する これら世界最高レベルの評価技術を用いて ( 財 ) エンジニアリング振興協会 / ( 独 ) 産業技術総合研究所は モジュールの統一的かつ公正な性能評価を行い 当該性能評価結果を事後評価における達成度評価に供する ( 図 Ⅱ-2 参照 ) 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマの最終目標を表 Ⅱ-2 に示す 分類 表 Ⅱ-2 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマの最終目標 高効率熱電変換モジュール 使用温度域 TH~TL(ΔT) 最終目標 モシ ュール効率 [%] ΔT=550K 相当効率 [%] (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール Zn-Sb/Bi-Te カスケート Co-Sb/Bi-Te カスケート シリサイト 系 /Bi-Te カスケート 450 ~50 723K~323K(400K) 427 ~27 700K~300K(400K) 580 ~30 853K~303K(550K) (2) 低温域熱電変換モジュール 1 2 Bi-Te Bi-Te 200 ~50 473K~323K(150K) 130 ~30 403K~303K(100K) 目処をつける 5

106 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを 長期的に亘って効果的に電気エネルギーに変換する高効率熱電変換システムの開発を行い その実用化を図る 具体的には システム設計及び要素の開発 システム試作 評価と改良及び耐久性確認 実証試験 経済性を含む総合評価等を行うとともに 熱電変換システムの普及に向けた調査研究を行う 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマを表 Ⅱ-3 に示す 表 Ⅱ-3 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマ高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 1 多用な適用に関する分析 まとめ 2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマの最終目標を表 Ⅱ-4 に示す 表 Ⅱ-4 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマの最終目標分類高効率熱電変換システム最終目標値 (1) 産業用 (2) 民生用 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 温度差 550K でのモジュール効率 15% 相当の実現を前提として 温度差モジュール端温度 600 [873K]~50 [323K] の輻射伝熱環境下で ユニット効率 10% を与えうるユニットを開発する 熱交換器効率 77% 高温源 500 [773K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.3% 発電出力 3kW 級 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして 3.0% の目処を確立 コスト面では低温の排熱回収システム 89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を得る 高温源 150 [423K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% 高温源 200 [473K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% ユニット : 熱電変換システムの最小単位 6

107 図 Ⅱ-2 および図 Ⅱ-3 に 本プロジェクトで開発する高効率熱電変換モジュールの適用温度域並びに適用する高効率熱電変換システムの関係を示す 図 Ⅱ-2 高効率熱電変換モジュール & システム適用温度域と相互関係 Bi-Te 東芝 Bi-Te ヤマハ Co-Sb/Bi-Te カスケード eco21 Zn-Sb/Bi-Te カスケード Silicide/Bi-Te カスケード 宇部 コマツ [K] T h Cooling Oil 変圧器プロジェクターコージェネレーション東芝ヤマハコマツ 抵抗加熱式工業炉 IHI 図 Ⅱ-3 高効率熱電変換モジュールと高効率熱電変換システムの適用温度域 7

108 1.2 目標の設定理由 ニーズ側 ( 開始時及び現時点の想定製品 サービス ) から見た根拠経済社会の様々な分野で発生する熱エネルギーの多くは 未利用のまま排熱エネルギーとして排出されている プロジェクト開始時点においては 我が国で実用に供されている排熱有効利用電力変換技術は鉄鋼業界の炉頂発電やスーパーごみ発電などの大規模 集中型のものが中心であり 利便性の観点から急速に普及が進んでいる小規模 分散型システム向け排熱有効利用技術の開発が期待されている ( 参考文献 : 矢野経済研究所 2001 年版小規模分散電源市場の現状と将来展望 ) 本研究開発は エネルギー有効利用等の観点から 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーとして利用することのできる熱電変換モジュール及びシステム技術の実用化を目的とする また 本研究開発が幅広い分野に普及していくことが想定されるため全体としての二酸化炭素排出削減量への貢献は多大なものになることが期待される 従来の熱電変換モジュールの効率は 6% 前後であった このレベルの熱電変換モジュールを用いた熱電変換システムは システム効率並びにその経済性が低く 二酸化炭素削減への貢献が少ないため 実用化されなかった 熱電変換システムが社会の中で実用化され 二酸化炭素削減に大きく貢献するためには システム効率で 10% 近くの高い値が必要であり モジュール効率 12 ~15% 程度が必要である このレベルは世界的にも極めて高い値であったが プロジェクト開始時点では 先導研究の調査結果等から達成の見通しがつきつつあった効率 12% の熱電変換モジュールの実現が必須で さらに実用化を加速するために より高い目標値 15% の熱電変換モジュールの実現が求められた このため 本プロジェクトでは最終目標として 15% の高効率熱電変換モジュールの目処をつけることとした シーズ側 ( 開始時及び現時点の技術水準 ) から見た根拠 (1) 高効率熱電変換モジュールの最終目標 ( 熱電変換効率 15% の目処をつける ) 熱電変換効率 15% の達成はかなり高い目標値であるが 本プロジェクトにおいて熱電素子の材料組成の検討 添加剤の絞込み 電荷濃度の最適化 素子形状の最適化等を通して熱電変換効率向上を目指す さらに使用温度域に最適化したカスケード化技術 熱抵抗の低減技術の開発を行うことにより 上記の目標は達成可能と判断した (2) 高効率熱電変換システム最終目標 ( 高効率熱電変換モジュールを用いた高効率熱電変換システムの実証と実用化技術の確立 ) プロジェクト開始時点においては ガスエンジンコ - ジェネレーションシステムの排熱回収 ゴミ焼却炉の排熱回収等で熱電変換システムを研究した事例もあったが いずれも現有低温用モジュールを用いたもので 効率的には不十分であり 実用化のためにはより一層の効率向上が必要であると判断した また 高温域モジュールの効率は全く低いレベルであることが明らかとなった さらに 耐久性にも多くの課題があった 本プロジェクトでは 輻射熱伝達 沸騰 凝縮熱伝達等を用いた伝熱技術の高度化と共に 耐久性向上のための応力緩和技術を織り込んだシステムの設計 試作とその評価 改良を行う 同時に 実用化に向けコージェネレーションシステム等 有望なシステムに適用した場合の効果の定量的 総合的な評価を通して 熱電変換システムの普及の条件及び社会的効果について精査する これらにより 上記の課題を克服するとともに 開発した熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し 実用化技術の確立を目指す 8

109 2. 事業の計画内容 2.1 全体のスケジュール研究開発の期間は 平成 14 年度から平成 18 年度までの 5 年間とする 表 Ⅱ-5 に全体スケジュールを示す 表 Ⅱ-5 全体スケジュール 主な実施事項 H14 年度 H15 年度 H16 年度 H17 年度 H18 年度 H19 年度 高効率熱電変換モジュールの開発 注 ) 効率 12% (ΔT550K) 効率 15% (ΔT550K) 高効率熱電変換システムの開発 注 ) 成果とりまとめ 中間評価 終了後 最終評価注 )H14 年度は METI 直轄 2.2 開発予算平成 14 年度から平成 18 年度までの 5 年間の開発予算を表 Ⅱ-6 に示す 表 Ⅱ-6 予算特別会計 ( 高度化補助率 2/3) 単位百万円会計 勘定 H14 年度 H15 年度 H16 年度 H17 年度 H18 年度合計 特別会計 ( 高度化, 助成額 ) , 研究開発の内容熱電変換システムは 産業分野では小型分散電源装置 ゴミ焼却炉 加熱炉 各種工場排熱回収などにおいて 民生分野では住宅からの各種排熱等において 実用化が期待されている 具体的事例としては以下のとおりである 電気抵抗式加熱炉排熱を熱電変換で回収し計測用等補機電力及び電気炉加熱電力に投入す る ディーゼルエンジン及びガスエンジン型コージェネ排気ガスの熱エネルギーを回収 電気エネルギーに変換して 総合変換効率を高める プロジェクター用ランプ排熱を熱電変換で回収 冷却ファンを駆動することによる省エネルギーと 使用停止後のクールダウン時の省エネルギーを図る 変圧器等 社会インフラ関連機器の未利用低温排熱を回収し 電気エネルギーに変換して計測用等補機電力などに利用する熱電変換システムの実用化を推進するためには 技術ブレークスルーを達成し 長期間に亘って安定して発電を可能とするだけの信頼性の実現が求められる このためには 熱電変換モジュールの高性能化 ( 高効率 高信頼性 耐久性向上等 ) 及び熱電変換システムの高度化を進めることが期待されている また 熱電変換モジュール開発者と熱電変換システム開発者との連携並びに開発の同期 熱電変換モジュールの統一的かつ公正な性能評価技術の確立 新たな適用先の調査などは 熱電変換技術の研究開発 実用化普及を推進する上で是非とも必要なものである したがって 以下の研究開発を行う 9

110 高効率熱電変換モジュールの開発では 実用化を図る上で課題となる素子材料の選定 耐久性を有する素子構造技術 温度域に最適化を図るカスケード技術 温度損失の低減技術 熱応力緩和技術 破損防止技術 低コスト製造技術等を開発する また 耐久性の確認及び普及のための調査研究を行う 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマを表 Ⅱ-7 に示す 表 Ⅱ-7 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマ高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 2 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術低温域熱電変換モジュールの性能評価を行う定型 300 級評価装置と評価技術の開発 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュールの性能評価を行う定型 700 級評価装置と評価技術を開発する これら世界最高レベルの評価技術を用いて ( 財 ) エンジニアリング振興協会 / ( 独 ) 産業技術総合研究所は モジュールの統一的かつ公正な性能評価を行い 当該性能評価結果を事後評価における達成度評価に供する ( 図 Ⅱ-2 参照 ) 高効率熱電変換システムの開発では 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを 長期的に亘って効果的に電気エネルギーに変換する高効率熱電変換システムの開発を行い その実用化を図る 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマを表 Ⅱ-8 に示す これらにおいて システム設計及び要素の開発 システム試作 評価と改良及び耐久性確認 実証試験 経済性を含む総合評価等を行うとともに 熱電変換システムの普及に向けた調査研究を行う 表 Ⅱ-8 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマ高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 1 多用な適用に関する分析 まとめ 2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 10

111 2.4 研究開発の実施体制 実施体制本研究開発は平成 14 年度は経済産業省産業技術環境局研究開発課および製造産業局非鉄金属課において基本計画を策定し 事業を実施したものであるが 平成 15 年度以降は 新エネルギー 産業技術総合開発機構 ( 以下 NEDO という ) において実施する なお 研究開発実施者の選定に当たっては NEDO の協力のもと 平成 14 年 7 月経済産業省において選定 平成 15 年度以降は 実質的に継続事業であるため NEDO において公募による研究開発者の選定は行わない 本研究開発は 研究開発責任者 ( 湘南工科大学学長 教授 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会顧問梶川プロジェクトリーダー [ 以下 PL]) を中心に ( 財 ) エンジニアリング振興協会と助成先事業者 6 機関で研究連携体を形成し 本事業を推進する 図 Ⅱ-4 5 に研究開発の体制を示す 実施者 高効率熱電変換モジュールの開発 高効率熱電変換システムの開発 ( 財 ) エンジニアリング振興協会 ( 財 ) エンジニアリング振興協会 宇部興産 ( 株 ) ( 株 ) 小松製作所 ( 株 ) エコ トゥエンティーワン 石川島播磨重工業 ( 株 ) ( 株 ) 小松製作所 ヤマハ ( 株 ) ヤマハ ( 株 ) ( 株 ) 東芝 ( 株 ) 東芝 注 : エコ トゥエンティーワンは 平成 16 年度まで参加 ( 財 ) エンジニアリング振興協会では 1993 年開始の 二酸化炭素等排出低減技術研究開発 を手始めに多くの熱電変換技術開発を手がけてきた 2000 年から 2 カ年にわたり進められた 高効率熱電変換素子開発先導研究 でも熱電変換素子探索 システム概念設計等に重要な役割を果たしており 熱電変換モジュールの統一的かつ公正な評価技術開発並びにプロジェクト推進を担当するにあたり適切な機能を有する また 高効率熱電変換素子開発先導研究 に参画した宇部興産 小松製作所 石川島播磨重工業 ( 以下略称は IHI) も熱電変換モジュール システム開発において高い技術レベルにある 具体的には 宇部興産 は産業用熱電変換システムの導入実績があり 先導研究においても p 型 Zn-Sb 材料で世界トップレベルの性能を達成している 石川島播磨重工業 も先導研究において 革新的な工業炉用熱電変換システムを提案した また 小松製作所 ( 以下略称はコマツ ) はグループ内に光通信用並びに半導体製造装置温度制御用ペルチエモジュールの販売で世界トップレベルにある企業を擁するとともに 環境に優しいシリサイド系モジュール開発で先行している 二酸化炭素等排出低減技術研究開発 に参画し熱電変換モジュールの開発実績がある エコ トゥエンティーワン ( 以下略称は eco21) は ペルチエモジュール事業でも実績のある熱電専業企業である 光通信用ペルチエモジュール等で事業を展開するヤマハ は 高性能熱電材料開発技術と半導体実装技術を活かし 民生用にコストパフォーマンスの高いモジュールを開発することが期待できる また 東芝は総合電気メーカーであり 社会インフラシステム向けに長期信頼性の高い熱電変換システムの開発が期待できる ( 財 ) エンジニアリング振興協会は研究連携体を構築して研究推進するとともに ( 独 ) 産業技術総合研究所の協力を得て熱電変換モジュールの評価技術を開発する また エコ トゥエンティーワンに関しては 平成 16 年度までに最終目標を達成したため 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しないことにした 研究連携体各機関の主任研究者を表 Ⅱ-9 10 に示す 11

112 NEDO 技術開発機構 助成金 2/3 指示 協議 研究開発責任者 (PL) 所属湘南工科大学 役職名学長 教授 氏名梶川武信 (ENAA 顧問 ) ( 財 ) エンジニアリング振興協会研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発 宇部興産 ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 ( 株 ) エコ トゥエンティーワン研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 ( 株 ) 小松製作所研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 ヤマハ ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 石川島播磨重工業 ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 ( 株 ) 東芝研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 図 Ⅱ-4 省エネルギー技術開発プログラム高効率熱電変換システムの開発 実施体制 ( 平成 16 年度まで ) 12

113 NEDO 技術開発機構 助成金 2/3 指示 協議 研究開発責任者 (PL) 所属湘南工科大学 役職名学長 教授 氏名梶川武信 (ENAA 顧問 ) ( 財 ) エンジニアリング振興協会研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発 宇部興産 ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 ( 株 ) 小松製作所研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 ヤマハ ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 石川島播磨重工業 ( 株 ) 研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 ( 株 ) 東芝研究開発項目 : 高効率熱電変換モジュールの開発低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発研究開発項目 : 高効率熱電変換システムの開発低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 注 : エコ トゥエンティーワンは 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しない 図 Ⅱ-5 省エネルギー技術開発プログラム高効率熱電変換システムの開発 実施体制 ( 平成 17 年度以降 ) 13

114 表 Ⅱ-9 研究連携体各機関の主任研究者 ( 平成 16 年度まで ) No. 氏名職務機関名 ( 所属 ) 職名 1-1 梶川武信 研究開発責任者 (PL) 湘南工科大学 ( 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会 ) 学長 教授 ( 顧問 ) 2 尾崎光則 PL 補佐 ( 財 ) エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター技術開発第二部 主席研究員 2-1 綾部統夫 主任研究者 2 藤井一宏 3 木谷文一 石川島播磨重工業 技術開発本部基盤技術研究所 宇部興産 研究開発本部宇部研究所機能材料部門無機機能材料研究部知能材料研究グループ エコ トゥエンティーワン北海道事業所技術部 副所長 ( 副事業部長 ) グループリーダー 部長 4 佐野精二郎 小松製作所研究本部技監 5 伊藤義康 東芝電力 社会システム技術開発センター 技監 6 堀尾裕磨 ヤマハ 事業開発本部機能素子開発センター TG プロジェクト プロジェクトリーダー 14

115 表 Ⅱ-10 研究連携体各機関の主任研究者 ( 平成 17 年度以降 ) No. 氏名職務機関名 ( 所属 ) 職名 1-1 梶川武信 山口賢次郎 大西徹夫 上松和夫 研究開発責任者 (PL) PL 補佐 PL 補佐 主任研究者 2 藤井一宏 湘南工科大学 ( 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会 ) ( 財 ) エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター技術開発第二部 ( 財 ) エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター技術開発第二部 石川島播磨重工業 基盤技術研究所応用理学研究部 宇部興産 研究開発本部宇部研究所機能材料部門無機機能材料研究部知能材料研究グループ 3 佐野精二郎 小松製作所研究本部 畠 康彦 4 伊藤義康 小松製作所研究本部熱電発電開発室 東芝電力 社会システム技術開発センター 学長 教授 ( 顧問 ) 主席研究員 ( 平成 18 年 3 月 31 日まで ) 研究員主幹 ( 平成 18 年 4 月 1 日から ) 部長 グループリーダー 技監 ( 平成 18 年 3 月 31 日まで ) 室長 ( 平成 18 年 4 月 1 日から ) 技監 5 堀尾裕磨 ヤマハ 事業開発本部機能素子開発センター TG プロジェクト プロジェクトリーダー 注 : エコ トゥエンティーワンは 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しない 15

116 2.5 研究の運営管理研究開発全体の管理 執行に責任を有する NEDO 技術開発機構は 助成先と密接な関係を維持しつつ プログラムの目的および目標に照らして適切な運営管理を実施する 本事業の推進にあたり ナノテクノロジー 材料技術開発部の指示 協議の元 ( 財 ) エンジニアリング振興協会と当該協会に属する梶川プロジェクトリーダーは 各助成先事業者と研究連携体を形成し 競争原理の導入と共に モジュール開発側とシステム開発側の密接な連携により 開発を促進する 具体的な活動として以下の運営を行う ( 財 ) エンジニアリング振興協会は高効率熱電変換システム実用化推進委員会 ( 略称 : 熱電推進委員会 ) 分科会及び部会 ( 個別及び全体 ) を設置し ( 財 ) エンジニアリング振興協会と委員会の連携のもとに実用化に向けての助言を行うと共に プロジェクトリーダーによる研究統括をサポートする ( 図 Ⅱ-6 参照 ) 熱電変換モジュール開発事業者と熱電変換システム開発事業者の連携を推進するため 両者間の協定締結を推進し 情報交換を行う 単年度ごとに成果をとりまとめる 熱電変換システム普及加速のため フォーラム セミナー等の諸活動を進める METI NEDO 技術開発機構 H15 年度 ~ Project Leader 熱電推進委員会 委員長 : 柏木教授 ( 東京農工大大学院 ) 梶川教授( 湘南工科大学学長 ) [ENAA 顧問 ] モジュール性能評価技術 ENAA IHI 宇部興産 コマツ 東芝 ヤマハ 産総研 注 : エコ トゥエンティーワンは 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しない 図 Ⅱ-6 研究連携体並びに推進委員会の体制 ( 平成 17 年度以降 ) 16

117 2.5.1 研究連携体の活動実績 (1) 委員会 部会活動 ( 財 ) エンジニアリング振興協会は 本事業の評価 助言を行う組織として エネルギー技術分野 熱電変換技術分野の専門家から成る 高効率熱電変換システム実用化推進委員会 さらに 同委員会下部組織として 熱電変換技術普及のための事業性及び用途調査について助言 審議を行う 事業性 用途調査分科会 並びに熱電変換モジュールの性能評価技術研究について助言 審議を行う 性能評価技術分科会 の 2 分科会を設置 運営した また 海外技術調査の実施にあたり 調査団員から成る 海外技術調査作業部会 を編成した 一方 研究実施の進行にあわせ プロジェクトリーダー 各助成先事業者の主任研究者から成る研究推進のための 研究推進部会 ( 個別並びに全体 ) を開催した これら委員会 部会の組織並びに活動実績 (H14.9~H19.3 の分 ) は以下のとおりである ( 活動実績の詳細は 別添資料 1 参照 ) 1 高効率熱電変換システム実用化推進委員会 ( 略称 : 熱電推進委員会 ) ( 開催実績 :22 回 (13 回 )) 役割 : 助成先事業者の研究に関して実用化に向けての評価 助言を行うと共に プロジェ クトリーダーをサポートする [ 委員長 ] 柏木孝夫 東京農工大学大学院生物システム応用科学教育部教授 [ 副委員長 ] 藤田稔彦 東京海洋大学海洋工学部長 教授 [ 委 員 ] 小原春彦 ( 独 ) 産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門熱電変換グループグループ長 泉 邦和 ( 財 ) 電力中央研究所研究参事 秋楽 栄 丸善テクノサービス 取締役社長 小林俊徳 ( 社 ) 日本ガス協会技術部長 ( 平成 17 年 5 月 1 日まで ) 藤沢昭弥 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部長 ( 平成 17 年 9 月 21 日まで ) 吉田 聡 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部普及推進グループマネジャー部長 ( 平成 17 年 9 月 22 日から ) 福嶋信一郎 日本鋼管 鉄鋼事業部鉄鋼技術センター エネルギー担当主席 ( 平成 14 年 12 月 31 日まで ) 秋山俊一 JFEスチール 東日本製鉄所企画部企画室主任部員 ( 平成 15 年 1 月 1 日から ) [P L] 梶川武信 湘南工科大学学長 教授 ( 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会顧問 ) [ 事務局 ] ( 財 ) エンジニアリング振興協会 2 高効率熱電変換システム実用化推進委員会事業性 用途調査分科会 ( 開催実績 :22 回 (12 回 )) 役割 : 熱電変換技術普及のための事業性及び用途調査について助言 審議を行う [ 主 査 ] 藤田稔彦 東京海洋大学海洋工学部長 教授 [ 委 員 ] 泉 邦和 [ 委 員 ] 泉 邦和 ( 財 ) 電力中央研究所研究参事 秋楽 栄 丸善テクノサービス 取締役社長 小林俊徳 ( 社 ) 日本ガス協会技術部長 ( 平成 17 年 5 月 1 日まで ) 藤沢昭弥 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部長 ( 平成 17 年 9 月 21 日まで ) 吉田 聡 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部普及推進グループマネジャー部長 ( 平成 17 年 9 月 22 日から ) 福嶋信一郎 日本鋼管 鉄鋼事業部鉄鋼技術センター エネルギー担当主席 ( 平成 14 年 12 月 31 日まで ) 17

118 秋山俊一 JFEスチール 東日本製鉄所企画部企画室主任部員 ( 平成 15 年 1 月 1 日から ) [P L] 梶川武信 湘南工科大学学長 教授 ( 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会顧問 ) [ 事務局 ] ( 財 ) エンジニアリング振興協会 3 高効率熱電変換システム実用化推進委員会性能評価技術分科会 ( 開催実績 :21 回 (11 回 )) 役割 : 熱電変換モジュールの性能評価技術研究について助言 審議を行う [ 主 査 ] 小原春彦 ( 独 ) 産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門熱電変換グループグループ長 [ 委 員 ] 高澤弘幸 ( 独 ) 産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門熱電変換グループ主任研究員 佐々 正 石川島播磨重工業 技術開発本部基盤研究所副所長 ( 平成 16 年 3 月 31 日まで ) 綾部統夫 石川島播磨重工業 主任研究者 ( 平成 17 年 3 月 31 日まで ) 上松和夫 石川島播磨重工業 主任研究者 ( 平成 17 年 4 月 1 日から ) 藤井一宏 宇部興産 主任研究者 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部普及推進グループ マネジャー部長 ( 平成 17 年 9 月 22 日から ) 木谷文一 エコ トゥエンティーワン主任研究者 ( 平成 16 年 3 月 31 日まで ) 小菊忠男 エコ トゥエンティーワンモジュール ユニット事業部 部長 ( 平成 17 年 3 月 31 日まで ) 佐野精二郎 小松製作所主任研究者 ( 平成 18 年 3 月 31 日まで ) 畠康彦 小松製作所主任研究者 ( 平成 18 年 4 月 1 日から ) 伊藤義康 東芝主任研究者 星 俊治 ヤマハ 機能素子開発センター主査 ( 平成 15 年 12 月 31 日まで ) 堀尾裕磨 ヤマハ 主任研究者 ( 平成 16 年 1 月 1 日から ) [P L] 梶川武信 湘南工科大学学長 教授 ( 兼 ( 財 ) エンジニアリング振興協会顧問 ) [ 事務局 ] ( 財 ) エンジニアリング振興協会 4 海外技術調査作業部会 ( 開催実績 :13 回 (9 回 )) 役割 : 熱電変換技術普及のための事業性及び用途調査の一環として 熱電変換技術の海外 における動向調査計画の立案 調査並びに報告を行う [ 団 長 ] 梶川武信 プロジェクトリーダー [ 副団長 ] 柏木孝夫 東京農工大学大学院生物システム応用科学教育部教授 藤田稔彦 東京海洋大学海洋工学部長 教授 [ 団 員 ] 熱電推進委員会委員 助成先研究者 [ 事務局 ] ( 財 ) エンジニアリング振興協会 18

119 5 研究推進部会 ( 開催実績 :30 回 (20 回 )) 役割 : プロジェクトリーダーによる 各助成先事業者の研究推進 [ 部会長 ] 梶川武信 プロジェクトリーダー [ 委 員 ] 尾崎光則 プロジェクトリーダー補佐 ( 平成 17 年 3 月 31 日まで ) 山口賢次郎 プロジェクトリーダー補佐 ( 平成 17 年 4 月 1 日から平成 18 年 3 月 31 日まで ) 大西徹夫 プロジェクトリーダー補佐 ( 平成 18 年 4 月 1 日から ) 佐々 正 石川島播磨重工業 技術開発本部基盤研究所副所長 ( 平成 16 年 3 月 31 日まで ) 上松和夫 石川島播磨重工業 主任研究者 ( 平成 17 年 4 月 1 日から ) 藤井一宏 宇部興産 主任研究者 ( 社 ) 日本ガス協会エネルギーシステム部普及推進グループ マネジャー部長 ( 平成 17 年 9 月 22 日から ) 木谷文一 エコ トゥエンティーワン主任研究者 ( 平成 16 年 3 月 31 日まで ) 小菊忠男 エコ トゥエンティーワンモジュール ユニット事業部 部長 ( 平成 17 年 3 月 31 日まで ) 佐野精二郎 小松製作所主任研究者 ( 平成 18 年 3 月 31 日まで ) 畠康彦 小松製作所主任研究者 ( 平成 18 年 4 月 1 日から ) 伊藤義康 東芝主任研究者 星 俊治 ヤマハ 機能素子開発センター主査 ( 平成 15 年 12 月 31 日まで ) 堀尾裕磨 ヤマハ 主任研究者 ( 平成 16 年 1 月 1 日から ) [ 事務局 ] ( 財 ) エンジニアリング振興協会 開催実績回数の ( ) 内は 中間評価時までの回数 19

120 3. 情勢変化への対応本事業の技術開発課題は 平成 15 年 3 月 NEDO 制定 但し 本事業は 平成 14 年度は 経済産業省の直轄事業として開始され 経済産業省において基本計画が策定されている 平成 16 年 3 月 独立行政法人化に伴い 名称及び根拠法等 改訂 なお 研究開発実施者の選定に当たっては NEDO の協力のもと 平成 14 年 7 月経済産業省において選定 平成 15 年度以降は 実質的に継続事業であるため NEDO において 公募による研究開発実施者の選定は行わなかった また 平成 16 年度から 開発モジュールの耐久性の確認 及び普及のための調査の一環として モジュールの試作品提供を行うこととし 平成 16 年度以降の実施方針に反映させることとした エコ トゥエンティーワンに関しては 平成 16 年度までに最終目標を達成したため 平成 17 年度以降は本プロジェクトに参加しないことにした 4. 中間評価結果への対応平成 16 年度に実施された中間評価では 第 1 回分科会 ( 平成 16 年 12 月 3 日 ) 現地調査会 ( 平成 17 年 2 月 4 日 ) 第 2 回分科会 ( 平成 )17 年 2 月 21 日 ) および第 5 回研究評価委員会 ( 平成 17 年 3 月 16 日 ) の審議を経て 本プロジェクトに対するコメントが示された 主な指摘事項と対応を以下にまとめる 1) 総論として 熱技術の不足感が指摘された これに対し その後 沸騰 凝縮熱伝達の最適化 対流伝熱促進 ふく射伝熱の最適化の検討を加速させた 2) 研究マネジメントでは 熱電変換技術の普及 啓蒙 市場開拓の必要性の指摘を受けた その結果 H17 と H18 年度に 熱電発電フォーラム を開催し ユーザーへの情報提供 交換を促進させた また アンケート調査を実施し 多様な用途調査を分析した 3) 熱電変換モジュールの開発では 効率優先だけでなくコスト低減や適用対象拡大の必要性の指摘を受けた その結果 製造エネルギー削減の製法の開発や 信頼性 耐久性向上の研究に注力し 多様な熱源とユーザーニーズに応えるモジュール仕様の検討などを行った 4) 熱電変換システムの開発では モジュールへの熱の授受などの熱技術の不足を指摘された その結果 熱抵抗低減要因を総合的に検討し システム効率目標の達成に注力した 5) 実用化 事業化の見通しに関し 若干楽観的との指摘を受けた その結果 各社とも 事業部とのコスト検討や商品力の精査に力を入れた コメント内容の詳細と 各コメントへの対応を表 Ⅱ-11 に示す 5. 評価に関する事項国の定める技術評価に係わる指針および技術評価実施要領に基づき 技術的および産業技術政策的観点から 研究開発の意義 目標達成度 成果の技術的意義並びに将来の産業への波及効果等について NEDO 技術開発機構に設置する技術評価委員会において外部有識者による研究開発の中間評価を平成 16 年度 事後評価を平成 19 年度に実施する なお 評価の時期については当該研究開発に係わる技術動向 政策動向 当該研究開発の進捗状況に応じて 適宜見直すこととする 20

121 1-1 総論 1) 総合評価 表 Ⅱ-11 中間評価時の指摘事項とその対応中間評価の指摘事項 1 システム開発については 個々の工夫は見られるが 熱技術として不足感がある 熱源との接触 伝導による形式は容易であるが 流体を介した対流熱伝導によるものについては 改良の余地が多々残されている 産業用としての研究開発は消費エネルギー量と比較して回収率が非常に低く ミスマッチの印象を受ける 2 熱電変換モジュールの有する多様なポテンシャルを活かすべく 将来 熱電変換モジュールのより広範囲 多方面の応用に繋げることも念頭に置いて開発を進めていただきたい このプロジェクトの提案している狭い数個の応用事例にとどめるべきではない 3 費用対効果の面では 熱電変換モジュールを作成するに要するエネルギー量が重要であり 開発中のすべての熱電変換モジュールについても今後も得られた最新の成果を踏まえて再検討を続けてほしい 熱電変換システムを製造するために必要なエネルギー消費量が数年の内に回収されると言う試算が楽観過ぎる 4 参加企業間の協力体制や情報交換をより一層強化することが望まれる 参加 6 社のターゲット以外にも開発技術の有望な応用分野が見つかれば プロジェクトへの途中参加や ノウハウを供与する可能性を残しておきたい 5 高価な原材料 有害元素を用いることから 市場に出回ったモジュールの回収方法も検討を怠らないでほしい 対応 沸騰熱伝達は 沸騰伝熱管の管径や配置による最適化 凝縮熱伝達は 沸騰伝熱面形状の最適化により性能向上を図った ( コマツ ) 空気側のフィン形状は 熱伝達と圧損の要素実験から最適形状を決定 コスト要因も勘案した形状決定した ( 東芝 ヤマハ ) エネルギー回収率と共に 環境 その他の付加価値を優先する事業分野への展開を図る 社会インフラ機器への展開 ( 東芝 ) 熱電発電フォーラム等で ニーズを精査し 多用な適用を分析した ( 事業性 用途調査分科会 ) アンケート ニーズ調査結果を参画企業で共有し 各社 用途拡大のための事業化計画に折り込む ( 全社 ) 経済性の検討は 堀康彦 山本淳 太田敏隆 200 級熱電発電システムのエネルギー収支の検討 新エネルギー 環境研究会資料などを参考に進めた ( 全社 ) 製造エネルギー削減を図るため 従来モジュールに対して材料ロス 切断工数を大幅に削減する製法を開発した ( 東芝 ) 性能評価技術分科会等で モジュール評価技術の情報交換 技術の共有化を促進させた ( 分科会活動 ) 熱電発電フォーラムの開催を通して 企業間の研究成果の共有化 競争促進 ユーザーとの接点の拡大を図った ( 全社 ) 技術面では 回収容易なシステム構造の検討しているが 市場の回収システム構築は 業界全体の今後の課題 2) 今後に対する提言 1 基礎技術としての礎を築いたことに鑑みて 実用化に向けて研究開発を続行すべきである 2 性能向上に加えて システム全体のコストダウンに繋がる構造 製法 利用法の開発などを含めた総合的なシステム開発に集中すべきであり 伝熱技術としての専門的な検討も必要である システム開発にもっと集中すべきであり 熱工学 熱技術的な視点が必要 環境配慮の熱電材料探索と実用化は 将来に向け今後取り組むべき大きな課題と認識している ( 全社 ) 信頼性 耐久性の高いモジュールとシステム開発は 継続 加速させる ( 全社 ) 系全体の熱抵抗の低減に努め ヒートパイプの活用や アルミニウム合金レフレクタの開発など コスト低減と伝熱促進の両面から検討を進めた ( ヤマハ ) 溶射電極技術やモジュールの大型化を図った ( 宇部 ) 量産フィンの適用などによるコスト低減を図った ( 東芝 ) 21

122 1-2 各論 1) 事業の位置付け 必要性について 2) 研究マネジメントについて 3) 研究開発成果について である 今後は性能向上よりも システム全体のコストダウンにつながる構造 製法 利用法の開発を重視すべきである 3 商品群として多くの事例 温度範囲や形状 素子数に対応できるようなモジュール群をラインアップして応用事例を増やすことを希望する 高効率を追求するばかりでなく 商品群として多くの事例 温度範囲や形状 素子数 に対応できるようなモジュール群をラインアップするよう誘導してもらいたい 二酸化炭素排出量削減のみに限定することは得策ではなく 将来 熱電変換のより広範囲 多方面の応用の可能性の開拓に繋げることも念頭において開発を進めていただきたい 1 同種のモジュールを担当するグループ間において 知的財産権の問題はあると思われるが さらに優れた成果達成を目指して 技術知見の共有の推進が望まれる 2 財団法人エンジニアリング振興協会 (ENAA) は 本成果の啓蒙と普及 市場開拓にさらに力を入れてほしい 3 エン振協はモジュール性能評価技術と熱電変換システム用途調査を担当することとされてが モジュール性能評価の要望をまとめて産総研に委託しただけのようである 現状の用途調査は具体性に欠けているので さらにニーズの掘り起こしに努めてもらいたい 1 モジュール効率の成果報告に比較して 総合的な指標であるシステム効率についての成果報告が少ない 熱電変換システム内の熱損失低減や電力への変換技術について触れられていない 熱電変換はモジュールの内部抵抗と付加抵抗を等しくする必要があるため 付加技術の開発も重要である 2 他の競合技術に対する優位性の主張説明が少なく 熱技術の専門家の批評にたえる根拠 理論展開が不足している ペルチェ素子との量産ラインの共通化など 製法まで考慮したコスト低減策を検討した ( コマツ ) 多様な熱源とユーザニーズに応えるため さまざまなモジュール仕様に対応する ( 宇部 ヤマハ ) 高発電密度のモジュールのラインナップを揃える ( コマツ ) ユーザー仕様では 単位面積 月当りの発電量で議論されるため ユーザーに合わせた発電量の記載等も進める ( 東芝 ) 熱電変換の必然性が活かせる用途の掘り起こしを熱電フォーラム開催などを通じて行った (ENAA 全社 ) 性能評価技術分科会では 特に 計測技術 熱サイクル試験方法など 各社のノウハウの共有 共通化を推進した (ENAA 全社 ) H17 H18 年度に 熱電発電フォーラム を開催し 合計 400 名の参加者を得た (ENAA) 熱電発電フォーラム の成果は 技術資料にまとめ エン振協ホームページで公開した モジュールの信頼性 耐久性評価技術をユーザの立場から多元的にまとめ 全体討議を重ね 技術の共通化を図った ( 性能評価技術分科会 ENAA) 用途調査の一環として 熱電の適用に関するアンケート調査を H17 H18 年度に実施し 事業性 用途調査分科会で内容を分析した ( 事業性 用途調査分科会 ENAA) 工業炉 ディーゼルコジェネ 変圧器 プロジェクターは それぞれ個別に効率を定義し 固有の計測技術により目標達成させた (IHI コマツ 東芝 ヤマハ) 接触熱抵抗の低減には 接合方法 接着剤 グリスの選定 締付圧力などにつき 耐久性との関連のもとに各社独自の技術を開発した ( 全社 ) プロジェクターへの適用では 周辺回路開発にも注力した ( ヤマハ ) 技術の比較は 運転条件や 温度の変動など過渡的条件も含めて検討し 条件に応じた技術の併用 ( 例えばランキン排熱回収 ) と 使い分けの可能性を見出す 建機やトラックへの適用は 運転条件ごとに技術のすみ分け 22

123 4) 実用化 事業化の見通しについて 3 モジュールそのものだけでなく 全体で最適化してコストを下げる工夫をしていただきたい 今までのところ性能向上に関する研究開発が主体であり コスト低減に関する取り組みが十分ではない 自動車産業への採用も含め コスト低減を視野にいれた量産技術の開発に新しい発想と努力が必要である 4 熱電変換システムが広く一般に認知されるために 一般に向けての情報発信についても もう少し工夫が必要だと思われる 太陽電池の開発メーカーが光電変換効率の向上を競い合い 開発成果の発表が盛んに行われ 広く一般に認知されたのに比べ 熱電変換システムは参加企業が少ないため あまり世間に知られていない 1 実用化 事業化の見通しは若干楽観的に過ぎる印象を受ける 特に市場予測について 見通しが若干楽観的過ぎる印象を受ける モジュール製作にかかるエネルギー消費量が十分考慮されていない 単にコスト試算が行われているに過ぎない 2 二酸化炭素削減効果を大きく上回るような多様な波及効果 経済効果に繋げるために 例えば民生用については エネルギー補機的なものから 将来主要機器 ( 給湯用 空調用の熱源機器 ) に踏み込めるような技術展開に繋げうるように シーズ的な成果を期待したい 現在予定されている限定された応用例のものではその効果が限られる 3 優れた性能を多少犠牲にしても 製造コストを下げるためのモジュール構造と 長時間稼動する適用対象の探索に力を注いではどうか コストと適用対象市場規模とが にわとりと卵 の関係になりかねない 2-1 個別テーマ : 熱電変換モジュールの開発 1) 成果に関す 1700 級性能評価技術については引きる評価続き検討を行い 計画通り 測定の信頼性および精度の更なる向上を図り 技術として完成させてほしい により特長を活かすことが可能 ( コマツ ) 150 以下の低温の熱を直接電気に変換する技術は無い 電気が得にくい用途への適用を見出す ( 東芝 ) モジュール効率の目標達成は 国際的に高く評価さてれいる ( ヤマハ ) ユーザーとの共同開発でコスト条件を折込み実施中 ( 宇部 ) ペルチェ素子の量産 販売の豊富な経験を通じての原価管理 原低技術を折込む ( ヤマハ コマツ ) ペルチェ素子との製造ライン 原価管理の共通化による原価低減効果を目指す ( ヤマハ ) ICT2004,2005,2006 で 16 件海外発表 応用物理学会学術講演会シンポジュウム 日本伝熱シンポジュウム 熱工学コンファレンス 日本セラミックス協会等で幅広く発表 熱電発電フォーラム 開催 参加者 150 名 熱電発電フォーラム 開催 参加者 :250 名 エン振協成果発表会 投稿論文 108 件 (5 年間 ) 新聞発表 15 件 (5 年間 ) 特許出願 39 件 (5 年間 ) 海外研究機関 企業 20 社訪問 PR 実施 社内精査プロジェクトで厳しく議論した コスト低減に注力中 ( 宇部 ) まずコストよりも環境 その他の付加価値を優先する事業分野への適用を図る ( 東芝 ) 事業部内での商品力 コストを精査し 事業化計画を策定中 ( ヤマハ ) プロジェクターランプの発展として 各種照明 自販機 車載ランプ等への展開を図る ( ヤマハ ) 定置コージェネから 建機 トラック ハイブリッド自動車への展開を図る ( コマツ ) 社会インフラ機器への展開を図る ( 東芝 ) ふく射受熱の特長を産業システム機器に展開 (IHI) 社内精査プロジェクトで厳しく議論 ( 宇部 ) 長時間稼動の社会インフラ機器への適用展開 ( 東芝 ) 高温部からのふく射熱の温度計測に及ぼす影響の徹底排除を確立 連携体内のラウンドロビン計測で測定精度の検証 改善に努める ( 全社 ENAA 産総研 ) 23

124 2) 今後の研究開発の方向性等に関する提言 2モジュールへの熱の流入 モジュールからの熱の放熱に関する伝熱の高性能化が大きな課題である 使用温度域の低温側温度について 放熱系の簡略化 コストダウンのためにも もう少し高温側を想定すべきではないか その結果として モジュールの放熱系への接続部構造が変わる可能性があるため 検討をお願いしたい 3 熱効率のみでなく単位面積あたりの発電出力を温度の関数として表現して 指標としてはどうか 応用技術展開にあたり 単位面積あたりの発電出力を温度の関数で表現するlことは 市場が要求する特性であり ユーザーに訴えるものである 1 本プロジェクトの期待効果を大きく上回る効果を実現するためには 将来 革新的な材料が開発されることが必要であり 本プロジェクトで得られる成果を十分活かされることを望む ただし 高価 毒性元素の添加は歓迎できず 安価な高性能材料を開発してほしい 熱電変換モジュールに関しては 大きな成果 ( 特に エネルギー変換効率の向上 ) は期待し難い 何か革新的な材料開発が必要であると思われる 2 同種材料を扱うグループ間では成果の共有を推進し それによって製造コストの低減や 場合によってはさらなる高性能化を実現することを期待したい Zn-Sb 系での さらなる高性能化に挑戦していただきたい Co-Sb 系での 急冷凝固と焼結の組み合わせでは量産化時にコスト削減が難しいのではないか マグネシウム系は高温長時間の使用を考慮すれば耐酸化性に問題があり その克服に挑戦してほしい 3 低温域 高温域とも評価装置の精度向上をはかり 今後は公開を原則とし基準評価装置として活用する計画があることが好ましい 4 熱電変換モジュール性能評価技術において 新型の設備を開発されたのであれば 評価装置の市販可能性を調査されたい 2-2 個別テーマ : 熱電変換システムの開発 1) 成果に関す 1 排熱を熱電変換モジュールに取り込る評価む方法にはまだ改善の余地があるように見受けられる 抵抗加熱式工業炉において 熱反射板は妨げとなろう 電気炉全体としての熱効率を考え システムの成否を検討していただきたい ディーゼルエンジンコージェネ向け 温度計測に及ぼすふく射の影響を多面的に検討 排除技術確立 ( 産総研 ) 熱移動全経路の熱抵抗低減策を徹底して検討 実用化評価機では コストとのトレードオフで仕様検討し 実用化試作機を開発した ( ヤマハ ) 多様な熱源に適宜対応することを優先させた ユーザーとの共同開発で用途別実用仕様を具体化した ( 宇部 ) コスト低減に繋がる 開発課題を洗い出し 長期研究課題に取り組む ( 全社 ) 革新的材料開発 新材料の探索は リスクも大きいため 公的な長期戦略と支援体制が必要である ( 全社 ) 技術の情報交換は適宜実施 ( 宇部 ) プロジェクト終了後も 性能評価と検証ができる体制を維持する 性能評価の依頼には可能な限り対応する ( 産総研 ) 参画企業のノウハウのかたまりである性能評価装置の市販は 当面想定しない ( 産総研 全社 ) 受熱面のふく射率向上に注力した 受熱面の熱による剥がれなどの耐久性評価にも注力 (IHI) 24

125 2) 実用化の見通しに関する評価 応用で システムの性能向上にさらなる詳細設計と実験が必要であり ディーゼルエンジンの排気抵抗にならないような工夫が必要である 変圧器等の低温排熱回収の応用は 冷却側の大気がどの程度モジュールを冷却できるかが高効率化の決め手となろう タンク表面積には限りがあり 大きな変換出力を得ることは難しいと思われる 2 全般的に熱技術の検討が不足している 高性能の熱電変換モジュールを活かす上でも 熱技術のさらなる高度化が望ましい 3 熱電変換技術を組み込んでいない製品との差別化がどの程度図れるか疑問が残る 省電力を実現することによる電気代の節減効果が その製品を選ぶ動機になると思われるが それ以外の面で他社製品に優位なメリットがある可能性がある 4 熱電変換部分のシステムとしての効率評価のみでは 十分な評価とは云いにくい システムの受け入れ側にアピールするためには システム全体としての効率向上やシステム運用への影響等についてデータを示すことが必要である 5 二酸化炭素削減のためには 他に使い道のない排熱を利用して長時間稼動する適用例がほしい 6 開発されたモジュールの特性をうまく生かす用途開発を重視していただきたい 1 実用化の見通しはやや楽観的な予測の上に立っているような印象を受ける これまでの実用化開発が辿った経過を考えると 実用化の可能性予測については 多少控えめな予測をしたほうがよいのではないか 沸騰伝熱促進において 作動流体の沸点が重要 排ガス温度に近い沸点の作動流体の開発が望まれる ( コマツ ) 空気側の熱伝達は 伝熱面積 熱伝達率 温度差で決まる 許容圧力損失と伝熱面形状 フィン効率 場積 コストの制約条件の中での最適解を検討した ( 東芝 ) 条件によっては 発電量はファン動力に相殺されるが 変圧器には流用できる十分な空気流がある ( 東芝 ) 各システムにおいて 熱移動経路内の熱抵抗要因 ( 接触熱抵抗 熱伝導材料 熱伝達の促進 ) の低減を総合的に検討した ( 全社 ) 次世代型照明の期待が高い白色 LED 光源の排熱利用も期待できる ( ヤマハ ) 実際にシステムを搭載した応用商品試作機をユーザーに提案 仕様検討を実施 ( ヤマハ ) 社会インフラ機器を対象( 東芝 ) 次世代型照明の期待が高い白色 LED 光源の排熱利用も期待できる ( ヤマハ ) プロジェクターランプの発展として 各種照明 自販機 車載ランプ等への展開を図る ( ヤマハ ) 定置コージェネから 建機 トラック ハイブリッド自動車への展開を図る ( コマツ ) 社会インフラ機器への展開を図る ( 東芝 ) ふく射受熱の特長を産業システム機器に展開 (IHI) 電気の入手しにくい条件の中で 熱電発電の効用が発揮できる商品への展開を図る ( 全社 ) 社内精査プロジェクトで厳しく議論した 現在はコスト低減に注力中 ( 宇部 ) 事業部内で 商品力 コストを厳正に検討 ( ヤマハ ) 25

126 3) 今後の研究開発の方向性等に関する提言 2 経済性が大きな課題で 克服するため詳細な検討が必要である 加熱炉において 熱電の性能をあげれば炉内温度の不均一化にならないか コジェネにおいて 排ガスを加熱側 高効率蒸発部を冷却側にする熱電素子の配置は検討されたか 低温排熱利用において ラジエータ側への応用の検討とタンク内部の作動流体の検討と併せて 総括熱伝達を考慮して吸気の流れ方向を決定したか 3システムの実用化に関しては 熱電変換システムの導入によりシステム全体の効率をどれだけ向上するかが 実用化の判断において重要である システムの実用化に関しては 熱電変換システムの導入によりシステム全体の効率をどれだけ向上するかが 実用化の判断において重要である その判断に足る検討結果を示してほしい 4 最高性能ではなく 経済性を優先し 長時間稼動する対象を選んで 薄く広く 二酸化炭素削減を図る目標があってもいいのではないか 5 利用する熱源については 他に利用できないものを重視すべきである 1 熱電変換モジュールの性能向上は 革新的な材料技術の進展が無い限り 当面これ以上大きな成果を期待することは困難であると思われる 社内精査プロジェクトで厳しく議論した 現在はコスト低減に注力中 ( 宇部 ) 事業部内で 商品力 コストを厳正に検討 ( ヤマハ ) 安価なシステム案としてフィンプレート型も試作 評価した ( コマツ ) 変圧器への熱電システム適用に関してヘ ストホ シ ションは ラシ エータ部であるが 社会インフラ機器は稼働率が高く信頼性が何より優先される使命を有した機器のため 熱電変換システムが万が一故障したとしても本機への影響が小さいタンク部への設置を考えた ( 東芝 ) ユーザーとの共同開発で検討済 ( 宇部 ) 機器排熱量が膨大なために 熱電発電量による効率は非常に小さい しかし 環境に配慮していることが重要 ( 東芝 ) アンケート調査から 多用なニーズの掘り起こしを実施 事業展開の参考に資す ( 全社 ) 150 以下の熱源は 大量に存在するが 全て捨てられている 低温域での熱回収は熱電が唯一 社会インフラ機器の排熱を利用を中心に検討 ( 東芝 ) 本開発を発端に多様な応用を検討して行く 高出力商業用照明システムなどは有望 ( ヤマハ ) 革新的材料としていくつかのブレークスルー技術があがっている 実用化には高いリスクが伴うため 公的な長期戦略と支援体制が必要である ( 全社 ) 革新的材料開発に対しては 長期的 地道な 国家的戦略を望む 上限は未知であり 普及の効果は計り知れない ( 全社 ) 2 今後の世界的な技術動向 社会ニーズの変化などをつぶさにチェックしつつ 適宜 必要に応じて計画を見直していく姿勢も求められる 3 熱電変換システムの普及には 適用対象の拡大による量産体制の確立 これに伴う製造コストの低減などへの努力が必要と思われる 欧州 米国の研究動向調査を実施 :5 回 20 ヶ所 ( 海外技術調査作業部会 ) 米国 DOE の戦略は 今後も注意深く精査を継続して行く (NEDO,ENAA) 効率と出力の向上は必要だが 要はコストパーフォーマンスであり ユーザーメリットを追及し 展開を図る ( 東芝 ) 26

127 4 民生用システム開発に関しては 利便性向上の観点から 幅広く高性能な熱電変換モジュールの応用分野を検討することが強く期待される 例えばコージェネではなく 排熱の利用先のないエンジンへの適用としたらどうか 5 モジュールへの熱の流入 流出に関し 伝熱系の専門家が参加すべきではないか 熱電の必然性 効用が認められる適用が先決であり 量産効果は結果として生じる ( 東芝 ) 一般解ではなく 環境条件 作動条件の特殊解を見出し 導入を図るべく適用を検討中 ( 全社 ) 社内の伝熱の専門家に相談しながら実施した ( 東芝 ) 伝熱の研究者をシステム開発の中核に据えて推進した ( コマツ ) 社内の生産技術熱設計担当などの協力を得た ( ヤマハ ) 27

128 Ⅲ. 研究開発の成果 1. 事業全体の成果本事業の最終目標は 高効率熱電変換モジュールの熱電変換効率 :15% の達成と 高効率熱電変換モジュールを用いた高効率熱電変換システムの要素技術の開発 システム設計 システムの試作およびその評価 改良を行うことである 事業全体として 目標は ほぼ計画通りに達成され 以下に示す成果が得られた 高効率熱電変換モジュールの開発においては 高効率化のために高効率熱電変換材料の開発 熱電変換素子と電極間の接触熱抵抗の低減 カスケード化 ( 最適温度域の異なる熱電変換素子からなる複数のモジュールの組合せ ) による効率向上を行った 個別研究開発テーマについては モジュール両端の温度差 550K において最終目標である効率 15%( その他の温度差の場合は 550 K に換算 ) をそれぞれ実証および実験室レベルで達成の目処を得た 熱電変換モジュールの公正な評価は 本プロジェクトにて開発された評価装置 技術を用いた 一方 高効率熱電変換システムにおいては 本事業の最終目標である 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し実用化技術を確立する ために 要素技術の開発 システム設計 システムの試作およびその評価を行った 個別研究テーマでは システム開発 試作 評価 改良 耐久性確認 実証試験 経済性を含む総合評価等を行い 最終目標を実証または実験室レベルで達成の目処を得た また熱電変換技術の普及 啓蒙及び実用化推進を目的に 平成 17 年 10 月 31 日と平成 18 年 10 月 31 に 熱電発電フォーラム を開催し 合計 400 名以上の参加者に対し本プロジェクトの成果を発表し 高い関心を集めた 学会等への成果発表件数は 平成 14 年 9 月から平成 19 年 3 月までの本プロジェクト実施期間中 合計 108 件 ( 内 中間評価時 43 件 ) であった 特に 平成 16 年 7 月オーストラリアのアデレードで開催された熱電国際会議 (ICT2004) においては 熱電変換モジュールに関しする発表に対し Best Application Paper Award を受賞した 熱電変換モジュールと熱電変換システムの開発の進捗と総括に関しては 平成 16 年 7 月オーストラリアのアデレードで開催された熱電国際会議 (ICT2004) 平成 17 年 6 月に米国クレムソンで開催されたの熱電国際会議 (ICT2005) および平成 18 年 8 月にオーストリアのウィーンで開催された熱電国際会議 (ICT2006) において発表し その先進的な内容に対し 大きな反響を得た 新聞発表は 合計 15 件 ( 内 中間評価時 6 件 ) である また 特許の出願件数は 39 件 ( 中間評価時 26 件 ) である 詳細は 別添資料 2 に示す 28

129 2. 個別研究開発テーマの成果 2.1 高効率熱電変換モジュールの開発高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマの目標値に対する結果を表 Ⅲ-1 に示す 表 Ⅲ-1 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマの目標値と結果 分類 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 低温域熱電変換モジュール 高効率熱電変換モジュール Zn-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 Co-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 シリサイト 系 / Bi-Te カスケート モシ ュールの開発 Bi -Te Bi-Te 使用温度域 TH~TL(ΔT) 450 ~50 723K~323K (400K) 427 ~27 700K~300K (400K) 580 ~30 853K~303K (550K) 200 ~50 473K~323K (150K) 130 ~30 403Κ~303Κ (100K) 目標値 効率 [%] 相当効率 結果 8.19% モジュール実証 9.7% 素子レヘ ル目処 11.5% モジュール目処 12.3% モジュール実証 14.8% 素子レヘ ル目処 5.7% モジュール実証 3.6% モジュール実証 4.2% 素子レヘ ル達成 達成度 未達注 ) 達成 達成 達成 達成 目処を得る注 )Zn-Sb/Bi-Te カスケードの場合 耐久性を優先 ( 当初 Zn4-Sb3 系にて検討したが 耐久性の関係より Zn-Sb 系に変更 ) 変換効率 ηm (%) 最終目標 素子レベルコマツ モジュール実証 T ce =300K T ce =303K 従来報告されている値 東芝 T ce =303K 宇部エコ21 T ce =323K T ce =323K ヤマハ 従来値の 2~3 倍達成は世界最高 温度差 ΔT =T he -T ce (K) 29

130 2.2 高効率熱電変換システムの開発高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマの目標値に対する結果を表 Ⅲ-2 に示す 表 Ⅲ-2 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマの目標値と結果高効率熱電変換分類最終目標値結果達成度システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 モジュール端温度 600 [873K]~ 50 [323K] の輻射伝熱環境下で ユニット効率 10% を与えうるユニットを開発する ユニット 効率 7.4% 実証 ユニット効率 10.2% 目処 達成 産業用 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 熱交換器効率 77% 高温源 500 [773K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.3% 発電出力 3.0kW 熱交換器効率 79.9% 実証 システム効率 4.3% 実証 達成 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして 3.0% の目処を確立 コスト面では低温の排熱回収システム 89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を確立 システム効率 2.2% 実証 システム効率 3.0% 目処 達成 民生用 1 プロジェクター光源排熱利用熱電変換システムの開発 遮光板裏面設置 : 高温源 150 [423K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% プロジェクタレフ外壁面設置 : 高温源 200 [473K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% システム効率 3.2% 実証 システム効率 4.5% 実証 達成 ユニット : 熱電変換システムの最小単位 12 システム効率 η(%) 最終目標 目処 実証 従来報告されている値 東芝 ヤマハ コマツ IHI システム効率は世界最高レベルを達成 モジュール高温側温度 T h ( K ) 30

131 3. 個別研究開発テーマの成果の詳細 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマを表 Ⅲ-3 に示す 表 Ⅲ-3 高効率熱電変換モジュールの個別研究開発テーマ高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 2 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術定型 300 級および定型 700 級評価装置と評価技術の開発統一的かつ公正な性能評価の実施熱電変換モジュールの信頼性 耐久性評価手法の検討 3.2 高効率熱電変換システムの開発高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマを表 Ⅲ-4 に示す 表 Ⅲ-4 高効率熱電変換システムの個別研究開発テーマ (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源等の低温排熱利用熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 1 多用な適用に関する分析 まとめ 2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 それぞれ個別研究開発テーマの成果の詳細を次ページ以降に示す 31

132 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1)1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 研究開発の目的地球温暖化防止対策の一つである二酸化炭素の排出抑制に資する技術として期待される 熱電変換システムの開発を行う 熱電変換システムは 小規模 分散型排熱のエネルギー有効利用に有効で そのための高効率熱電変換モジュール技術の開発 実用化を目的とする ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) 最終的モジュール構成として 高温側には新たに開発する Zn-Sb 系材料を用いた熱電変換モジュールを 低温側に Bi-Te 系材料を用いた熱電変換モジュールを配したカスケード型とする 中間目標 :Zn-Sb 系熱電変換モジュール効率 >4.5%( )[ K] 最終目標 : カスケードモジュール効率 >11%( )[ K] ハ. 研究開発の実施内容 1)p 型 Zn-Sb 材料の高性能化 好適組成検討 : キャリア密度最適化による高性能化の元素添加実験と解析 2)p 型 Zn-Sb 材料に対応する n 型材料の開発 Zn-Sb 材料の結晶構造及び電子構造解析 : 化学計算実施と実証実験 n 型 Co-Sb 系 : 好適組成検討 rattling 元素の選択と精密添加実験検討 3)Zn-Sb 材料を用いた中温域高性能熱電モジュールの開発 : p 型 Zn-Sb/n 型 Co-Sb モジュールの作製 4) 高性能カスケードモジュールの開発 : カスケードモジュール化 5) 大型カスケードモジュールの試作 ( 中間評価以降 ) ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1)p 型 Zn-Sb 材料の高性能化 特定元素の添加により パワーファクターで W/mK 2 以上 (673K において ) 無次元性能指数 ZT では 2.0 を超える特性の飛躍的な向上を示し 有望であることが 明らかとなった 2)p 型 Zn-Sb 材料に対応する n 型材料の開発 n 型 Zn-Sb 材料の開発に向け ホールキャリアを減少させる添加元素を見い出し精査したが n 型にはならない 本プロジェクト期間内での開発は極めて厳しいと判断し 開発は断念した n 型 Co-Sb 系 : 既存の n 型材料 Yb 添加 Co-Sb の作製においては ZTmax~0.8 を達成したが その過程において rattling 元素の選択と精密添加実験検討を行い n 型においては rattling 元素としては Yb が最適であり その添加量としては CoSb3 に対して 0.3mol% の仕込み組成が最適であるとの結果を得た 3)Zn-Sb 材料を用いた中温域高性能熱電モジュールの開発 : p 型 Zn-Sb/n 型 Co-Sb 80mm モジュールを産総研にて評価の結果 変換効率 4.5% ( ) 達成を確認し 中間目標をクリアした しかしながら 耐久性に課題が残った その原因は 温度の勾配に沿って 材料組成の一つである Zn が拡散が起こり 電極との接合部の劣化に至る現象である 拡散機構について種々調査 検討し 改善を期待して対策を講じたものの 根本的解決には至らなかった 以上のような経緯により 材料系を 同じ Zn-Sb 系の異なる組成系に変更し モジュールを構成した 4) 高性能カスケードモジュールの開発 : 最終目標である高性能カスケードモジュール化に向け 先に開発の低温用モジュールと組み合わせ カスケード型として 評価を進めた 32

133 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1)1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 5) 大型カスケードモジュールの試作 : 上記カスケードモジュールは 実効寸法が 80mm 80mm の小型品であるが UBE が独自に産業用として開発した 低温用大型モジュールと組み合わせ カスケード化を図るべく 高温用大型モジュールを試作した (b) 評価と到達度 1) 材料の高性能化 : Zn-Sb 材料について高性能化達成 2)p 型 Zn-Sb/n 型 Co-Sb 80mm モジュール中間目標 : 変換効率 4.5%( ) を達成したものの 耐久性に課題が残り その課題解決として p 型として同じ Zn-Sb 系の異なる組成の材料を用いざるを得なかった そのため カスケードモジュールとしては 8.19%( ) の変換効率を示した ただし 高温用のモジュールでは n 型材料として Co-Sb 系を用いており 異種の それも Zn-Sb 系とは熱伝導率と電気伝導度にそれぞれ数倍の大きな差がある材料であったため 設計に相当な無理を生じていた 今回新たに採用した Zn-Sb 組成系では 適当なドーパントにより n 型になる可能性があり 同種材料の組み合わせを用いることにより さらなる高性能化が期待できる (c) まとめ材料の高性能化については Zn-Sb 材料について高性能化を達成した Zn-Sb 材料については 従来 p 型しか確認されていないことから モジュール化に都合のよい n 型開発も試みた 従来知られている結晶構造に基づき 化学計算を利用して ホールキャリアの起源を特定し やはり計算から絞り込んだ有効と考えられる添加元素について 材料の試作評価を実施するなど 精査したが n 型開発には至っていず プロジェクト期間中の開発は極めて困難との結論である モジュール開発においては利用を計画していた上記高性能材料については 耐久性についての問題が明らかになったため 組成を変更してモジュール化に成功したものの 特性的には目標値には及ばなかった ただし 今後さらなる特性向上に向け 電極接合手法の更なる改良が必要とであること Zn-Sb の n 型開発による p 型 n 型同種材料によるモジュール構成とするなどの課題が明らかになった ホ. 課題と今後の展開 p 型 Zn-Sb/n 型 Co-Sb モジュールの更なる高性能化に向け技術開発を進めるとともに 評価のため外部への試供も積極的に行い 実用化 事業化に向け努力していきたい 33

134 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1)3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 研究開発の目的本研究開発は エネルギー有効利用等の観点から 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーとして利用することのできる熱電変換モジュール及びシステム技術の実用化を目的とする 特に コジェネレーションに代表される 600 以下の排熱からのエネルギー回収と事業化を目指し シリサイドおよび Bi-Te モジュールからなるカスケードモジュールの開発を推進する ロ. 研究開発の目標 ( 中間目標 / 最終目標 ) 中間評価までに熱電変換効率 12% のカスケード熱電変換モジュールを開発する 最終目標は 15% の目処を確立する Τ Η ~ΤL(ΔT)( ) 効率 (%) 中間目標 目標 580~30 ΔT=550 12% 実績 (550~30 ) (ΔT=520 ) 12.1% 最終目標 ( 目処 ) 580~30 ΔT=550 15% ハ. 研究開発の実施内容 1) シリサイド系熱電素子の高性能化及び熱電変換モジュール化技術の開発 2)Bi-Te 系熱電素子の高温性能向上及び熱電変換モジュール化技術の開発 3) シリサイド系 Bi-Te 系熱電変換モジュールのカスケード化 4) 熱電変換モジュールの性能評価 5) 熱電変換モジュールの耐久性評価 耐久性向上 6) 量産ラインの検討 7) 海外調査 8) モジュール試作品提供による問題点の洗い出し ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 (a) (b) 図 Ⅲ-1 試作した 50mm モジュール (a) シリサイドモジュール,(b)Bi-Te モジュール 1)Mn-Si/Mg-Si シリサイドモジュールにて変換効率 η=8.3%(30~550 ) 達成 実用型を想定し 約 50mm のモジュールを製作 20W の出力を確認 2)Bi-Te 系モジュールにて変換効率 η =8.2%(30~280 ) 達成 実用型を想定し 約 50mm のモジュールで 1W/cm 2 の発電密度を達成 さらに耐久性を大幅改善し ほぼ実用モジュールの開発が完了した 3)Bi-Te/ シリサイドカスケードモジュールにて変換効率 η = 15%(30~550 ) の目途を得た シリサイド系材料で研究レベルので得られた性能より理論試算し 変換効率 14.8% 得た 34

135 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (1)3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 今後この材料の実用化を目指す (a)bi-te (b) シリサイド (c) カスケード図 Ⅲ-2 約 25mm -17 対モジュール 4)50mm のモジュールを 30~580 の範囲で 変換効率および最大出力を高精度 (3% 以内 ) に測定できる装置の開発 5) 熱サイクルと温度差保持試験が可能な 4 連試験装置を 2 基導入し モジュール耐久試験実施 6) 量産ラインを生産規模別に検討し計画策定した 7) 熱電変換国際会議 (ICT2005, クレムソン大学 ( 米 ),2005 年 6 月 ) での論文講演および JPL (NASA, 米 ) を訪問し 発電モジュールの性能 耐久性について議論した 8)IHI にカスケードモジュール提供 ( 図 Ⅲ-2 と同タイプ 10 セット ) 図 Ⅲ-3 4 連式モジュール耐久試験装置のシステム系統 図 Ⅲ-4 4 連式モジュール耐久試験装置 (b) 評価と到達度実験室レベルのシリサイド系材料の性能を用いた理論的試算にて変換効率 14.8% の結果を得た 最終目標であるカスケード型モジュールでの変換効率 15% の目途は得られた (c) まとめ実験室レベルの材料性能による理論的試算値ではあるが最終目標値 15% に匹敵する値が得られ, この研究材料を実用レベルに改善することで 15% を実現する目途が得られた また実用化 事業化に向け 実用型 Bi-Te 系熱電変換モジュールを開発することができた ホ. 課題と今後の展開実験室レベルのシリサイド系材料を実用レベルに引き上げる研究を今後継続する またシリサイド系モジュールの実用化 特に耐久性向上を実施する 35

136 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (2)1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 イ. 研究開発の目的民生用品からの低品位排熱を有効に利用し二酸化炭素削減に貢献するために 低温領域における ( プロジェクター光源等からの排熱を利用した ) 高効率熱電変換システムを開発する ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) モジュール熱電変換効率 ηm 5.3%(ΔT=150K),ηm 3.6%(ΔT=100K) ハ. 研究開発の実施内容 (a) 目標達成の課題 1) 高性能熱電材料の開発 : ベース組成 ドーパント添加による温度特性改善 2) 高効率熱電モジュールの開発 : 最適化設計ツール改善と変換効率目標値の達成 3) 熱電変換モジュールの信頼性向上 (b) 課題に関する説明 1) 高性能熱電材料の開発 : ベース組成 ドーパント添加による温度特性改善室温近傍で高い性能指数 (Z) を示す ビスマス - テルル系熱電半導体材料 に対し 本開発においては 熱電変換用途に適した温度特性を有するように半導体としての温度特性を高温側にシフトする必要がある すなわち 低温側温度 (Tc) を 323K(50 ) 高温側温度 (Th) を 473K(200 ) に設定した場合に この温度領域における平均性能指数の値が最高になるように材料設計しなければならない このためにベース組成 ドーパント濃度 含有ガス不純物濃度が熱電特性に及ぼす影響を明確にする必要がある 本開発では ドーパント濃度及び含有ガス不純物濃度制御によるキャリア密度制御 ミクロ組織及び結晶配向性の制御による熱電特性の制御を行うことにより 民生用熱電変換に最適な熱電材料の開発を行なった 2) 高効率熱電モジュールの開発 : 最適化設計ツールの改善と変換効率目標値の達成熱電変換モジュールの構造は 電子冷却用ペルチェ素子と同様 p 型及び n 型の熱電材料エレメントが電極 接合材料 ( はんだ合金 ) を介して直列に接合されている エレメントの寸法 対数 基板材料 基板寸法がデバイスとしての熱電変換モジュールの電気的及び熱的特性を決定する そこでモジュール設計専用のツールを開発し 最適なモジュール開発を促進した 3) 熱電変換モジュールの信頼性向上熱電変換モジュール及びシステムの実用化において 信頼性の実証は必須条件である 本開発では ペルチェ素子の開発の経験を基に本システムとして必要と考えられるサイクル試験を行い評価した さらに 独自の複合信頼性試験を行い評価した ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) ベース組成 ドーパント添加による温度特性改善 ミクロ組織と結晶配向性制御独自の超急冷凝固技術と特殊せん断付与固化成形法を応用して 微細なミクロ組織を維持しながら結晶の高い配向性を有する熱電材料を開発した 酸素濃度制御と特性含有する酸素濃度が 半導体キャリア物性及び熱起電力 (α) に強い影響を及ぼすことを見出し 熱電材料の制御に応用した 36

137 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (2)1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 2) 熱電変換モジュールの開発結果 7.0% モシ ュール変換効率 (η m)(%) 6.0% 5.0% 4.0% 3.0% 2.0% 1.0% :Tc=303K :Tc=323K 図 Ⅲ-5 モジュール外観写真 0.0% 最大温度差 (ΔT)(K) 図 Ⅲ-6 モジュールの熱電変換効率 (b) 評価と到達度 1) 熱電材料の性能指数温度依存性改善確認 Z(p 型 : 温度領域平均 )= (K -1 ) Z(n 型 : 温度領域平均 )= (K -1 ) ただし 温度領域は Tc( 低温側 )=323K,Th( 高温側 )=473K とする 2) 最適化モジュール設計ツールの改善完了高温用はんだ及び新材料を使用したモジュールの試作実施モジュール変換効率最終目標達成 : ηm=5.7%( 産総研評価 )(ΔT=150K Tc=323K) 最終目標 ηm 5.3% ηm=4.5%( 産総研評価 )(ΔT=100K Tc=323K) 最終目標 ηm 3.6% 3) 熱電変換モジュールの信頼性向上 高温はんだと新材料使用モジュール試作 4) 国際学会における発表 技術紹介熱電国際会議 (ICT)2005(Clemson,U.S.A.) 及び 2006(Vienna,Austria) において成果発表を行い 世界に向けて技術を紹介した 5) 成果の意義室温近傍において世界最高水準の変換効率性能のモジュールを得ることができた また ICT2005,ICT2006 における報告は 実用化 事業化に多いに貢献したと考える 6) 投資効果既存の熱電冷却素子 ( ペルチェ素子 ) の材料 モジュール化技術及びインフラを充分に利用できるため 新規投資が少なくて済み これに対する収益効果も高いと予測する 例えば 営業 管理部門 人員のシナジーを共通化でき固定費を低減できる (c) まとめ当初計画通りに開発を実施し最終目標を達成した また 実用化へむけて具体的な技術開発項目の確認と整理を行った 37

138 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発研究 (2)2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発研究 (2) 低温域熱電変換モジュール 2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 イ. 研究開発の目的 423K(150 C) 以下の排熱は 世の中に多量に存在するものの経済性の点から利用されずに捨てられていた これら未利用熱エネルギーの電気への変換は省エネルギーにつながり 間接的に二酸化炭素の抑制効果が得られる そこで Bi-Te 系高効率熱電変換材料により 従来 未利用であった 423K(150 C) 以下の排熱を用いた熱電変換システムを開発する 具体的な事業化計画としては社会インフラ産業機器への実用化を目指し そこから発生する低温の排熱を熱源として高効率に電気に変換する熱電変換システムの構築を目指す ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) モジュール両端 ( 電極間 ) の温度差 100K(303K(30 )~403K(130 )) にて熱電変換効率 4.2% の熱電変換モジュール開発の目処を得る ハ. 研究開発の実施内容 (a) 目標達成の課題 1) ブリッジマン法 ( 一方向凝固法の一つ ) により 結晶方位を電流が流れやすい方向に揃えた一方向凝固材を作製 2) 一方向凝固材料を塑性加工することにより さらに結晶方位を揃えた材料を作製という 2 ステップにて開発を実施した 中間評価までに一方向凝固法により p 型 n 型材料とも室温にて K -1 を越える性能指数を有する材料を開発した 中間評価以後 ドーパント添加量の調整によってモジュール効率 3.6% の達成 モジュール効率 4.2% を得るため塑性加工による結晶配向制御によって熱電特性の向上を試みた (b) 課題への対応 1) ドーパント量の調整モジュールの効率向上には熱電変換素子単体の特性向上のほかに p 型素子と n 型素子の熱伝導率 抵抗率の特性バランスを取る必要がある そこで p 型材料と n 型材料のドーパント量の調整により モジュールとしての特性向上を図った 2) 塑性加工による結晶の制御 Bi-Te 系熱電変換材料では 電流の流れる方向を同一方向に制御することによって高い特性が得られる 結晶方位はブリッジマン法などの一方向凝固法によりある程度制御することが可能である さらに高い特性を得るために 材料を高温押し出し変形させることができる放電プラズマ焼結装置を用いた結晶方位制御を検討した モジュール化による電気抵抗のロスを見込むとモジュール効率 4.2% を得るのに必要な素子の平均性能指数 Z は K -1 となるため p 型素子および n 型素子の平均値がこの値を超えるような塑性加工条件を検討した 3) 低コスト化についての検討熱電変換モジュールの普及の妨げになっているのは コストが高いことである そこでモジュール製造工程の中で 工数が多い工程や高コストの工程を見直すことで低コスト化を図った ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) ドーパント量の調整中間評価までに Bi-Te-Se-Sb 合金組成の一方向凝固素材 33 種の組成について特性評価を行った その結果 p 型素子および n 型素子とも性能指数 Z が K -1 を超える組成を絞り込む 38

139 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発研究 (2)2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 ことができた その後 n 型材料について抵抗率に与えるドーパント添加量の影響を検討し p n 素材の特性バランスを調整した結果 p 型および n 型材料でほぼ同一の抵抗率が得られるドーパント添加量を把握することができた この材料でモジュールを作成した結果 モジュール効率 3.6% を得ることができた 2) 塑性加工による結晶の制御 n 型素子について放電プラズマ焼結装置を用いて塑性加工試験を行ない 更なる結晶方位の制御の可能性を検討した X 線回折試験の結果 塑性加工によって結晶の配向性が上昇することが確認できた n 型素子の性能指数 Z は K -1 であった p 型素子に性能指数が K - 1 の一方向凝固材を n 型素子に塑性加工材を用いた場合 両者の平均値は K -1 となり モジュール効率 4.2% を得るのに必要な特性の材料が得られた 3) 低コスト化についての検討当社製造法と 当社モジュールを従来の製造法にて作製した場合の製造コスト比較を実施した 当社製造法では 高精度の長尺素材から切出すため切断工数を大幅に削減でき 樹脂埋め込みモジュール構造を採用することにより組立て工数を省略できる その結果 当社製造法は従来の製造法よりも製造コスト低減が可能であることが推測できた (b) 評価と到達度 p 型材料に Bi-Te-Sb 系合金 n 型材料に Bi-Te-Se 系にドーパントを添加した合金を用いた熱電変換モジュールにて 3.6% の効率が得られた また n 型の一方向凝固材を塑性加工することによって 性能指数 Z が K -1 の材料を得ることができた p 型の一方向凝固材と n 型の塑性加工材を組み合わせた場合 平均の性能指数は K -1 を超え モジュールの熱電変換効率が 4.2% を超える可能性のある材料の開発に目処をつけた (c) まとめ Bi-Te-Se-Sb 系にて合金組成の熱電特性に与える影響を検討し モジュール効率 3.6% を得た また 熱電変換材料を塑性加工することにより モジュール効率が 4.2% 超える可能性のある材料開発に目途を得た 図 Ⅲ-7 東芝製モジュールの外観 図 Ⅲ-8 塑性加工材の熱電特性 39

140 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発研究 (2)2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 熱電変換モジュールの熱サイクル寿命評価について イ. 研究開発の目的熱電変換モジュールの適用先として挙げられる変圧器は 製品寿命が長いことから 適用する熱電変換モジュールも長期の信頼性が要求される また 熱電変換モジュールの適用用途は 変圧器の他 例えばコンプレッサーを使う社会インフラ産業機器 ( 空調システム 下水処理システム等 ) への横展開も考えており 社会インフラ産業機器への熱電変換システム適用拡大において モジュール信頼性確立はモジュール効率 システム効率と同様に重要な項目である すなわち 熱電変換モジュールの設計は 電気 構造設計が一貫したフローでなされるものであると考えており 信頼性に関する課題は モジュール構造設計とモジュール寿命検証にある そこで 本研究開発においては モジュール設計にかかわる構造設計手法の構築と開発モジュール寿命検証を目的とする ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) 耐久性のある熱電変換モジュールの構造設計手法を構築し 評価システム実験により寿命を評価する 社会インフラ産業機器へ適用した場合の熱電変換モジュールの寿命検証のために 3000 サイクルの熱サイクル耐久性 ( モジュール高温側温度サイクル :323K ( 50 ) 403K (130 )) の確認 ハ. 研究開発の実施内容 本研究においては 耐久性のある熱電変換モジュールの構造設計手法構築と開発モジュールの寿命検証を実施する 構造設計手法を構築するために 熱応力 / 熱ひずみの発生位置や発生する熱応力 / 熱ひずみの大小を支配する要因を明確にする 方法としては熱伝導 熱応力シミュレーションを実施する 熱電変換モジュール寿命検証のために 実機で想定される温度サイクル環境を再現できる熱サイクル信頼性評価装置を開発する また 信頼性評価装置を用いた実機モジュールの熱サイクル特性検証を実施する ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) 熱応力 / 熱ひずみ評価熱電変換モジュールには 局所的な線膨張差に起因した熱ひずみの発生と 巨視的熱変形に起因した応力発生の可能性がある 局所的な線膨張差に起因した熱ひずみの発生 1 対の p-n 熱電変換素子をモデル化して熱伝導 熱応力シミュレーションを行った その結果 電極である Al 溶射皮膜にせん断ひずみが発生し Al 溶射皮膜厚さを小さくすることでひずみ低減効果があった 巨視的熱変形に起因した応力発生熱電変換モジュール全体をモデル化し 熱伝導 熱応力シミュレーション解析を行った その結果 巨視的熱変形に起因し溶射皮膜の中心部分に熱応力が発生した 溶射皮膜の厚さを大きくすることにより このような応力の値を小さくすることができるという知見を得た 2) 熱サイクル特性検証 熱サイクル信頼性評価装置の開発実機モジュールを用いた実証試験は 実際のシステムでの運用形態を模擬した条件で行う必要があることから 熱電変換モジュール下面を冷却しながら上面に熱サイクルを与えることができ 試験体を取り付けバネ力で圧接することができる熱サイクル信頼性評価装置を開発した 40

141 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発研究 (2)2 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換モジュールの開発 熱サイクル特性検証試験開発した熱サイクル信頼性評価装置を用いて 本研究で開発の熱電変換モジュールの熱サイクル試験を実施した 電極 ( 溶射皮膜 ) の厚さを変化させた試験体を用いて試験を実施し 低温面を一定の 298K(25 ) 高温面に 323K(50 ) 403K(130 ) の温度サイクル 1MPa の圧接力の条件で検証試験目標としていた 3000 サイクルの熱サイクル健全性を確認した (b) 評価と到達度熱応力 / 熱ひずみの発生を支配する因子を見い出し 耐久性を有する熱電変換モジュール構造設計手法を構築した また 実環境下にある熱電変換モジュール耐熱サイクル特性を実験的に評価するために 実機の運用状況を模擬した熱サイクル信頼性評価装置を開発した 開発した熱サイクル信頼性評価装置を用い 熱サイクル試験を行った その結果 構造設計 電気設計の両面から設計条件を満たす試験体において 3000 サイクルの熱サイクル耐久性を確認した (c) まとめ これまで電極を溶射皮膜にて形成したスケルトン型の熱電変換モジュールにおいては 損傷形態や損傷を支配する要因について不明なことが多かったが 本研究において実施した熱応力シミュレーションをはじめとする解析手法からは熱応力 / 熱ひずみの発生を支配する因子 すなわち モジュールの構造設計手法を構築できた 熱サイクル信頼性評価装置を用いた試験においては シミュレーションにより得られた設計手法を反映することにより 目標とした熱サイクル耐久性を得ることができた ホ. 課題と今後の展開社会インフラ産業機器への熱電変換システム適用拡大のためには モジュールが長期使用に耐えうる寿命を有することが まず第一に重要であると考えており 本研究では このような寿命を達成するための熱電変換モジュール構造設計手法の開発や熱サイクル検証試験を実施してきた 一方 長時間 熱応力が負荷される環境下で運用されるとすると高温クリープによるモジュール損傷も考慮に入れる必要がある 一般的に構造部材の構造設計においては 融点の 1/2 以上の温度域ではクリープを考慮することが多く 本研究において開発した熱電変換素子は 429K (156 ) 以上でクリープが起こる可能性がある 本研究において検討した温度域は高温端温度において 403K(130 ) であるが 材料中に微量に偏析する Te においては 融点の 1/2 が 362K(89 ) であるので 微視的にはクリープ引き起こされる可能性を有する 今後 さらなる高温環境下で使用する場合も含めて このようなクリープの問題は課題として検討していく必要がある また 本開発では 熱電モジュールの設計指針 寿命検証を行ったが 熱電変換モジュールのオンサイト運用を想定すると 多数のモジュールで構成されるユニットとしての構造設計 寿命検証を行っていく必要もあると考えている 今後 将来的なシステムの構成を見極めた上で システムとしての構造設計項目の検討とシステムの実機運用条件を模擬した寿命検証を行っていき 熱電変換システムの社会インフラ産業機器への適用を進めて行きたい 41

142 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 イ. 研究開発の概要熱電変換モジュールの性能評価について 冷却用途での研究は各機関で実施されているが 発電用途 特に発電モジュールでの性能評価研究事例は多くない 各機関での性能評価は独自の方法を採用することが多く 性能評価に当たり共通の評価技術の確立が求められている また 本プロジェクトでは明確な変換効率の中間目標と最終目標が掲げられている 開発されたモジュールが目標値を達成しているかどうか検証するには 確度 精度の高い性能評価技術が必要となる そこで 本研究開発ではモジュールの評価技術の確立に向けて 評価技術の調査研究と評価装置の開発を行った 最終的にはこれまで各機関が独自に行ってきた性能評価方法を統一することにより 性能比較が高い確度 精度で可能となることを目的とした 中間評価までに定型 300 級評価技術を確立した 中間評価以降は 課題として残った定型 700 級評価装置の熱輻射の影響を除去し 精度良く高温のモジュールを測定することに成功した さらに プロジェクト参画企業とのラウンドロビンテスト ( 共通試料を用いた持ち回り測定 ) によって効率測定 熱量測定の整合性の比較検証を定型 300 級評価装置 定型 700 級評価装置で行い 参画企業の評価技術の妥当性を実証した また 信頼性 耐久性評価技術の調査と実際の熱付加条件を想定し 妥当な評価方法の提案を行った ロ. 研究開発の最終目標本研究開発では 性能評価装置を定型 300 級と定型 700 級に分けて開発を行った 研究開発の最終目標として 定型 300 級 定型 700 級評価装置の誤差要因を抽出し 精度 確度の高い評価技術を確立することとした また 耐久性評価に関する調査を行い 妥当な耐久性評価技術の提案を行うことを目指した 熱電変換モジュールの最終目標値である熱電変換効率 15% ( 温度差 550K 相当 ) の評価を行うため 定型 700 級評価技術の実証を目指した また 信頼性 耐久性評価技術の調査と実際の熱付加条件を想定し 妥当な評価方法の提案を目指した ハ. 研究開発の実施内容 (a) 性能評価技術評価装置を定型 300 級 定型 700 級に分けて開発した 定型 300 級ではおもに高温側に取り付けたニッケルブロックと冷却水の温度上昇を用いた測定 定型 700 級では低温側銅ブロックによる測定を採用した これらの評価装置を精度 確度の高い性能評価ができるようにし かつプロジェクト参画企業が開発しているさまざまなモジュールに対応させるため 評価装置については 以下の項目について研究開発を実施した 装置設計と改良 熱流測定 電気測定 ( 発電量測定 ) モジュールの温度測定 雰囲気 圧力などの効果 測定精度の検証 - 持ち回り ( ラウンドロビン ) 測定 - 42

143 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 B850mm W750mm H1300mm B1350mm W900mm H1800mm 図 Ⅲ-9 評価装置の外観 (b) 信頼性 耐久性評価モジュールの信頼性 耐久性評価手法の検討について 以下の項目を実施した 信頼性 耐久性評価試験項目の分類 熱サイクル試験実施の提案 熱サイクル試験の実証 表 Ⅲ-3 に熱サイクル試験の一つの指針としてまとめたガイドラインを示す 適用システム 表 Ⅲ-3 熱サイクル試験のガイドラインモジュール温度起動法定耐総サイ熱源温度 ( ) ( 素子端部 )( ) 頻度用年数クル数 Th Tc Thj Tcj 回 / 日年回 ( 高温側 ) ( 低温側 ) ( 高温側 ) ( 低温側 ) 抵抗加熱式工業炉 コージェネレーション プロジェクター 変圧器 回 / 年 前記の熱サイクル試験のガイドラインを基に 試験方法の具体化とそれに基づく実証試験を進めた 図 Ⅲ-10 は 本プロジェクトの適用システムの熱サイクル条件に基づいて実施した 模式図である 43

144 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 締付ボルト ロート セル スフ リンク 水冷板 断熱材 カーホ ンシート ヒーター モシ ュールアルミナフ レート 熱電対 723K 立上げ時間 60 分 立下げ時間 60 分 銅フ ロック 水冷板 873K 加熱時間 15 分 323K 保持時間 25 分 保持時間 5 分 303K 保持時間 10 分冷却時間 15 分 保持時間 5 分 473K 323K 加熱時間 10 分 保持時間 5 分 冷却時間 10 分保持時間 5 分 立上げ時間立下げ時間 3 分 6 分 403K 323K 図 Ⅲ-10 熱サイクル試験装置の構成と熱サイクルの例 参画各社は 上記のように熱サイクル試験の実証を行った また 熱サイクル試験において考慮すべき影響要因についてまとめた 温度勾配の影響 電気的負荷の影響 締付圧力の影響 温度保持時間の影響 ( 無限大 定温保持 ) 雰囲気の影響 表 Ⅲ-4 に熱サイクル試験における考慮すべき影響要因を示す 44

145 3.1 高効率熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術 表 Ⅲ-4 熱サイクル試験における考慮すべき影響要因 要因低温域 (300 以下 ) 高温域 (300 以上 ) 1 温度勾配の影響 温度勾配の影響は小さい 温度勾配の影響があるため 温度勾配を制御する必要あり実際の使用状況よりも厳しく設定する 2 電気的負荷の影響 電気負荷の影響は小さい 負荷 無負荷各状態での試験は必要発電負荷下でも実施する 3 締付圧力の影響 4 温度保持時間の影響 ( 無限大 定温保持 ) 締付圧力の影響は小さいが 圧力値を制御可能なようにしておく必要がある 保持時間を制御可能なようにする必要がある 5 雰囲気の影響雰囲気の影響は小さい 発電能力は締付圧力の影響を受ける実際の使用状況に合わせ 所定の発電能力を得られるように締付圧力を決定する 高温保持試験は必要通常ほぼ熱平衡になるまで保持する 劣化要因の絞込みのため雰囲気の影響を考慮する必要がある実際の使用状況に合わせて雰囲気を決める ニ. 性能評価技術の今後熱電モジュールの性能評価技術開発において 性能評価技術分科会での情報交換と各企業からのさまざまな情報提供は 極めて大きな寄与を果たした したがって プロジェクト終了後も参画企業各社の性能評価装置の測定が検証できる体制を維持する 一方で 本プロジェクトは公的な資金のサポートを受けて行われたもので 性能評価技術開発の成果を社会に還元する必要がある そこで モジュールの性能評価の依頼には可能な限り対応する 発生する経費については 依頼元に負担して頂く プロジェクトで開発した性能評価技術を用いた装置の市販については エン振協 参画企業と協議するが 産総研に設置された評価装置は正確に性能を評価する標準装置の位置づけなので 市販装置となることは基本的には想定していない 熱電発電モジュールの民生 産業分野への普及には 信頼性 耐久性の評価技術が不可欠 との観点から 本プロジェクトでは世界で初めて熱電発電モジュールの信頼性 耐久性評価のガイドラインを提案した プロジェクトで提案された信頼性 耐久性評価技術のガイドラインはプロジェクト参画企業以外にも推奨し 広く認知されるようにする 45

146 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の目的抵抗加熱式工業炉から発生する未利用熱エネルギーを回収するための輻射受熱式熱電変換システムの開発を目的とする このシステムは熱電モジュール高温側への伝熱が輻射であることを特徴としている 構成要素の適正化を行い この方式が熱電変換効率の改善に有効であることを実証し また実用炉による排熱回収の実証模擬試験を行う中で 実用化に向けたシステム設計技術の確立を図る ロ. 研究開発の目標熱電素子両端の電極までの構成を熱電変換モジュールと呼び この熱電変換モジュールに熱源から受熱部および冷却系への伝熱 固定部を結合した構成を熱電変換ユニットと呼ぶ このときユニットの変換効率は 熱抵抗損失の増加のためにモジュール効率より低くなる 本研究では 輻射方式の採用により高温部での抵抗損失の軽減を図るもので 本プロジェクトにて開発される熱電変換モジュールの高温側端部温度 600 低温側モジュール端部温度 50 (ΔT=550K) にて モジュール両端の損失を低減させることにより 同モジュール効率のユニット化における発現率 67% 以上を実現して ユニット効率 10% を与えうるユニットの開発 検証を行う また 高温側モジュール電極温度 400 (673K) 低温側モジュール電極温度 50 (323K) の条件にて 複数のユニットで構成される熱電変換システムモデルを構築して熱電変換を実証する なお 目標とする発現率は以下にて定義する 発現率 =( ユニット効率 )/( モジュール効率 ) 100 ハ. 研究実施内容 1)600 級熱電変換ユニットの試作と評価試験実施 : ユニット構成要素の適正化 : 自社評価装置による熱電変換性能評価試験の実施 2) 熱電変換システムモデルの評価 : 実用炉による模擬実証試験の実施 : システムモデルの実用化検討 ニ. 研究開発の成果 1) 本方式の特徴である輻射受熱部について 熱吸収特性改善のために塗膜処理を施し 吸収率 90% 以上を得た 熱サイクルを受けるこの塗膜の 輻射率の変化や剥がれに対する耐久性を評価した 100 から 400 まで 約 1 サイクル /35 分の加速試験において 1000 回以上の熱サイクルを受けても受熱特性は劣化しないことを確認した 2) プロジェクト参加企業から貸与された二段分離カスケード型熱電モジュール ( 高温部温度 580 T=550 にて モジュール効率 10.8%) をもとに 高温側および低温側の熱抵抗の低減を図った熱電変換ユニットを試作した 既開発の熱電変換ユニット性能試験装置を用いて発現率の評価を実施 高温側ユニット端部温度 580 (853K) 低温側ユニット端部温度 30 (303K) の条件 ( 温度差 550K) においてユニット効率 7.4% を得た 発現率として 目標値を越える値 68% を実現した ( 図 Ⅲ-13) 3) 上述と同じ仕様の 9 組のユニットを直列接続したシステムモデルを構成する これを既存の抵抗加熱式熱処理炉の水冷炉壁上に設置 ( 図 Ⅲ-14) して熱電変換の模擬実証試験を行った ユニットの高温側温度が約 400 (673K) の温度条件において 熱電変換システムモデルから最大出力 10.8W を得た 熱電変換ユニット面積当たりの出力密度は 0.20 W/cm 2 となり ユニット単体の性能試験の結果から類推して 妥当な結果が得られた 46

147 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 ホ. まとめ 600 級の熱電変換モジュールを用いて 輻射受熱型の熱電変換ユニットを試作した そして発現率 68% のプロジェクト目標を達成した 同時に 輻射受熱方式が熱電変換の性能改善に そして真空加熱炉からの排熱回収手段として有効であることを実証した また 実用炉による模擬実証試験を通して ユニット化における構成要素の選定や炉壁への固定手法など 輻射受熱式熱電変換システム構築において核となる設計技術が得られた 実用化に向け 実炉からの排熱量の回収に適した高性能 高信頼性ユニットの設計 試作 そして性能確認試験を行い その中で自らの耐環境性評価や実炉運転への影響評価などを検討していく必要がある 断熱材ヒーターモジュール水冷部均熱ブロック図 Ⅲ-11 輻射受熱式熱電ユニットの性能評価装置 発電電力 (W) 高温部温度 Th ( ) Bi-Te 系電力シリサイド系電力全電力 図 Ⅲ 級熱電変換ユニットの高温部温度と発電電力 発現率 (%) 目標発現率 : 67 % 以上実測値 : Th = 580 発現率 = 68 % 高温部温度 ( ) 図 Ⅲ-13 輻射受熱式熱電変換ユニットの発現率 図 Ⅲ-14 小型の抵抗加熱式熱処理炉壁へのユニット設置例 47

148 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の目的コージェネレーション用ディーゼルエンジンから発生する排気ガスの熱エネルギーを回収し 燃料使用量を減らすことにより二酸化炭素発生量削減化並びに省エネルギー化を図ることを実現するには ディーゼルエンジンから排出される 500 程度の排気ガスの熱エネルギーの一部を 効率的に電気エネルギーに変換できる熱電変換システムの研究開発が不可欠である 本研究開発では 沸騰 凝縮型という革新的な伝熱手法を用いて熱交換器の性能を大幅に向上させたシステム形式を採用し システム効率の大幅な向上化をも併せて図る 最終的に発電出力 3kW 級の経済性と信頼性を満足させる熱電変換システムの確立を行う ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) 平成 18 年度の最終目標は以下の目標値を有する発電出力 3kW 級の沸騰 凝縮型熱電変換システムを開発し 経済性及び信頼性を満足させる実用システム化技術を確立する 表 Ⅲ-5 プロジェクトの最終目標項目最終目標 熱交換器効率( 排気ガス熱エネルギーの内 蒸発部に取り込む熱の割合 ) 77% システム効率( 排気ガス熱エネルギーの内 電力に変換する熱の割合 ) 4.3% 発電出力 3kW 級 ハ. 研究開発の実施内容 1) 沸騰 凝縮型熱電変換システムの実用化に向けた要素技術の開発 2)3kW 級沸騰 凝縮型熱電変換システムの設計 試作 試験 および経済性を含む総合評価 3) 新型式熱電変換システムの実用化の為の調査 ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果本研究開発では 沸騰 凝縮型熱電変換システムにおいて 大気圧沸点温度がそれぞれ である三種類の熱媒体を用いた三段システムとした 三段の蒸発器は 内径 2mm ~8mm の蒸発管を各段のガス温度条件で出口熱流束が均一になるよう配置した 凝縮器には水冷板 1 枚の両面に 2 枚の熱電モジュールを貼り付けた熱電変換ユニットが 8 個設置され 三段で合計 24 枚装着できる構造とした 熱電素子には本プロジェクトで開発した高性能 BiTe 系熱電素子を使用した 熱電モジュールの電極には銅に比べ線膨張率の小さい銅合金材を使用した また高温側電極には 熱伝達性能を 15 倍ほど向上できるローフィン ( ピッチ 1mm 高さ 3mm の矩形フィン ) 加工を施した 電力 (1 段目 ) 蒸発器効率 (240 ) 電圧電力 % 50% 電圧 (V) 電流 (A) 図 Ⅲ-15 一段目発電特性 電力 (W) 蒸発器効率 40% 30% 20% 10% 0% 質量流量 (kg/s) ガス入口温度 ( ) 図 Ⅲ-16 一段目蒸発器性能 48

149 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 性能評価テストの結果 三段あわせた発電出力 蒸発器効率はそれぞれ 3.3kW 79.9% に達し システム効率も 4.3% を得られ 最終目標を達成した 図 Ⅲ-15 および図 Ⅲ-16 に一段目における発電特性 と蒸発器性能の試験結果をそれぞれ示した 表 Ⅲ-6 には 3kW 級沸騰 凝縮型熱電変換システム試験結果のまとめを示した 表 Ⅲ-6 試験結果のまとめ システム構成 一段目 二段目 三段目 三段システム結果 国プロ最終目標 熱媒体沸点 ( ) ガス (IN-OUT)( ) 蒸発器効率 (%) 熱電変換効率 (%) モジュール出力 (W) システム効率 (%) (b) 評価と到達度 表 Ⅲ-7 に今までの研究成果および最終目標に対する達成度をまとめて示した 発電出力 蒸 発器効率およびシステム効率はともにプロジェクトの最終目標を達成した 表 Ⅲ-7 成果のまとめ 項目 試験結果 最終目標 排ガス入口温度 発電出力 (W) システム効率 4.3% 4.3% 蒸発器 ( 熱交換器 ) 効率 79.9% 77% (c) まとめ 3kW 級沸騰 凝縮型熱電変換システムの評価試験では 三段あわせて発電出力 蒸発器効率およびシステム効率はそれぞれ 3.3kW 79.9% 4.3% を得られ 最終目標を達成した ホ. 課題と今後の展開今後 具体的仕様を対象に高耐久性と低価格化を織込んだ実用機を開発していく予定である 合わせてシステム効率のさらなる向上も進める計画である 図 Ⅲ-17 はその一方策であるが 沸点温度 300 の高温熱媒体が仮に一段目に使用できた場合 システム効率は 4.6% 以上になる見通しが得られている このような熱媒体の登場なども期待したい 媒体沸点 ( ) 媒体沸点 ( ) システム効率 (%) 段目 システム効率 (%) 図 Ⅲ-17 高温媒体仕様三段システムの試算結果 49

150 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換システムの開発 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の目的社会インフラ産業機器から排出される 423K(150 C) 以下の比較的低温の未利用熱エネルギーを 電気エネルギーに変換する熱電変換システムを構築する ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして システム効率 3% の目処を得る モジュール効率 4.2% の熱電変換モジュール使用時 ( T=100K 303K(30 )~403K(130 )) ハ. 研究開発の実施内容図 1 に示すシステム開発フロー図に基づき研究開発を進めた 中間評価以降は 複数個システムの一例として 熱電変換モジュール 6 個とヒートシンクから構成される熱電変換ユニットを用いて 試作 / 性能検証を行った ( 熱電変換モジュールには 温度差 100K でモジュール効率 3% の市販モジュールを使用 以下 市販熱電モジュールと記載 ) また変圧器を模擬した発電システム ( 以下 実機模擬システムと記載 ) の試作し 実機取付け時の問題点の洗出しならびに性能検証を実施した 開発の実施内容を下記にまとめる 1) 複数個システムの試作 / 性能検証熱電モジュールへの熱流束増加を目的に 放熱系 受熱系および発電系において下記の項目を実施 放熱系 : ヒートシンクの開発 ( 乱流促進体を持つフィンの検討および冷却効率に与える乱流促進体の形状による効果を検討 ) 発電量および効率に及ぼす風速の影響を検討 受熱系 : システム外への熱逃げの抑制 ( 断熱構造の改良 ) 熱抵抗の低減 ( 熱伝導グリースの検討 複数個モジュールへの押付圧力分布の均一化 ) 発電系 : 東芝製モジュールの適用 2) 実機模擬システムの試作 / 性能検証適用を検討している社会インフラ産業機器のひとつとして選択した変圧器の模擬モデルを試作 評価を実施した システムの定義 システムイメーシ の検討システム条件の設定単体システムの試作 / 性能検証 複数個システムの試作 / 性能検証 放熱系 受熱系の高性能化 発電系 実機模擬システムの試作 / 性能検証 複数個システムの試作 / 性能検証 複数個システムを用いてシステム効率 3% を達成 中間評価まで 中間評価以降 図 Ⅲ-18 システム開発のフロー図 50

151 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (1)3 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 熱電変換システムの開発 ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) 複数個システムの試作 / 性能検証放熱系の高性能化としてオリジナルのフィンを製作 評価して フィン性能の確認を実施した 受熱系の高性能化として 熱源から熱電変換システムへの熱抵抗の低減を押付圧力分布の均一化により実施して システム効率への寄与を明らかにし 適正な面圧領域を確認した 市販熱電モジュール 6 個を用いた複数個システムモデルにてモジュール両端温度差 92K の条件で 熱電変換システム効率 2.2% を得た これはモジュール効率 4.2% の熱電変換モジュールを得たとして換算すると熱電変換システム効率 3.1% に相当し 最終目標 3% の目処が得られた また 発電系の高性能化として モジュール効率 3.6% の東芝製モジュールを適用した結果 2.9% が得られた この要因はモジュール効率が高いことと 複数モジュールの厚さばらつきが少なく均等な押付圧力が得られやすいことが考えられる 2) 実機模擬システムの試作 / 性能検証図 Ⅲ-19 の実機模擬システム ( 市販熱電モジュール 36 個から構成 ) を製作し 強制空冷用に新たな動力源を付加することなく既設のラジエータ冷却用の冷却風を利用することにより放熱の向上を図り 480mm 角の受熱面積で 60W(=260W/m 2 ) の発電が得られた ( 60mm モシ ュールを 6 6 で 36 個配置 ) 図 Ⅲ-19 実機模擬システム ( 変圧器を模擬した発電システムの一例 ) (b) 評価と到達度市販熱電モジュール 6 個を使用した複数個システムにおいて 熱電変換システム効率 2.2% が得られた モジュール効率 4.2% の熱電変換モジュールを得たとして換算するとシステム効率 3.1% に相当し 目標の熱電変換システム効率 3% の目処が得られた 得られた熱電変換技術は 社会インフラ産業機器からの低温排熱利用に適用可能と考える (c) まとめ 1) 放熱系の高性能化としてオリジナルのフィンを製作 評価し 受熱系の高性能化として 面圧均一化により適正な面圧領域を確認した 2) 市販熱電モジュール 6 個を用いた複数個システムモデルにて 熱電変換システム効率 2.2% が得られ 効率 4.2% のモジュール使用時にシステム効率 3% の目途を得た 同条件で東芝製モジュールではシステム効率 2.9% を得た 3) 市販熱電モジュール 36 個を用いた変圧器を模擬した実機模擬システムを製作し 480mm 角当たり 60W(=260W/m 2 ) の熱電発電を得た 51

152 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (2)1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 イ. 研究開発の目的民生用品からの低品位排熱を有効に利用し二酸化炭素削減に貢献するために 低温領域における ( プロジェクター光源等からの排熱を利用した ) 高効率熱電変換システムを開発する ロ. 研究開発の目標 ( 最終目標 ) システム熱電変換効率 ηs 4.5%(ΔT=150K),ηs 3.2%(ΔT=100K) ハ. 研究開発の実施内容 (a) 目標達成の課題 1) 吸熱 放熱部材の形状改善 熱電変換システムの設計改善アルミニウム合金レフレクターの試作及び評価 2) システム変換効率の課題達成 3) プロジェクターの試作と電力利用確認プロジェクターシステムへのアルミニウムレフレクターの実装及び駆動プロジェクターメーカー ( ユーザー ) 調査 (b) 課題に関する説明 1) ランプ光源からの排熱を最大限有効に利用するためには 照明用に正面へ放出される光と熱以外にレフレクターに吸収される熱を効率よく回収することが肝要である ランプのレフレクターから一旦 大気へ熱が伝わると回収効率が低下する このため ランプレフレクター外周に軽量で熱伝導率の高いアルミニウム合金製吸熱部材を低い熱抵抗で接触させることにより 回収効率を向上させる方式を使用してきた 本開発においては さらに 部材点数の低減 効率の向上を目的とし レフレクター自体をアルミニウム合金化するための開発を行い 評価した 2) システム変換効率の課題達成のために アルミ合金製レフレクターを使用し ランンプバルブ ( 熱源 ) からの熱エネルギーのうち正面への放熱以外の熱を最大限に回収し熱電変換モジュールに熱伝導で導く構造とする また 必要な放熱能力を得るために熱電変換モジュールの排熱側の放熱部材とその形状に関する開発を行なった 3) 実際にプロジェクターのランプ光源ユニットにおいて熱電変換により電力が得られ これにより電力発生が可能となれば ユーザーにとっての電力の価値を生み出すものであることを明確化することが 実用化 事業化の基本である 本開発では 市販のプロジェクターシステムに対して 本開発成果である熱電変換ユニットを実装し 発生した電力を利用するシステムを試作 評価した ニ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) 吸熱部材の開発 アルミ合金レフレクターの試作 高効率熱電変換機能を有するシステムを搭載したプロジェクターの実用化に向けて 熱回収率の向上を目的としたアルミ製リフレクター付きランプの開発を目的とした 従来のプロジェクターランプのリフレクターは内面に反射膜を形成したガラス製であった このガラスレフレクターから廃熱を回収する構造では リフレクターが断熱層となり ランプの外側に排熱を導くのが困難であった そこで熱伝導率の良いアルミ製のリフレクターをもつランプの試作を行った また より実用化に近い商品形態にする為に ランプホルダーも作製し 市販のプロジェクターに容易に収納できるようにした 図 Ⅲ-20 に試作したランプの外観写真を示す 実際 52

153 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (2)1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 にプロジェクターに搭載した状態でランプ点灯を行い正常に動作することを確認した 2) システム変換効率の向上前述のアルミレフレクター仕様の光源を用いて システム変換効率 (ηs) の向上を確認し 最終目標を達成した 3) プロジェクターの試作と電力利用確認 電力利用回路の試作 熱電変換システムをプロジェクターに搭載する為の回路設計技術を蓄積することを目的として ランプ排熱により熱電変換モジュールで発電し ランプ冷却用の空冷ファンを駆動する回路の試作を行った Ⅷ 型及び Ⅸ 型プロジェクター試作 前述した アルミ合金製レフレクターを実際に使用し投影できるプロジェクター 2 機種を試作した Ⅷ 型プロジェクターは熱電変換モジュールからの排熱冷却のためにフィンのサイズを大きくして ファンを 1 個削減したモデルである Ⅸ 型プロジェクタ - は ファン数の減少は無いが全体容積を低減したタイプである いずれも前述した 電力利用回路 を搭載している 図 Ⅲ-20 アルミニウム合金製レフレクター 図 Ⅲ-21 Ⅷ 型及び Ⅸ 型プロジェクターの外観 (b) 評価と到達度 1) 吸排熱部材と形状改善 熱電変換システムの設計改善完了システム変換効率最終目標達成 :ηs=4.5%(δt=150k) 最終目標 ηs 4.5% ηs=3.3%(δt=100k) 最終目標 ηs 3.2% 2) プロジェクター試作機の Ⅸ 型試作まで完了 電力利用確認 ( 光源排熱利用によるファン駆動確認 ) 電力利用回路試作及び改良試作完了 搭載 3) 国際学会における発表 技術紹介 : 熱電国際会議 (ICT)2005(USA;Clemson) 及び 2006(Austria;Vienna) において成果発表を行い 世界に向けて技術を紹介した (c) まとめ当初の計画通りに開発を実施し 最終目標を達成した また 実用化へむけて熱電変換素子およびランプユニットを搭載したプロジェクターの試作を Ⅸ 型まで行い 学会及び訪問プレゼンテーションによるユーザーへの具体的な技術アピール 用途協議を開始している ホ. 課題と今後の展開 1) 社内事業部及びユーザー ( メーカー ) との商品価値創出の協議 具体化及び開発 2) 具体的なビジネスプランの確立 ペルチェ ( 冷却 ) 素子とのプロダクトミックスによるコスト削減と価格設定 事業性の詳細な検討 53

154 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3)1 多様な適用に関する分析 まとめ 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 1 多様な適用に関する分析 まとめ イ. 研究開発の目的 2010 年時点における二酸化炭素排出削減に貢献するため 高効率熱電変換モジュール技術の確立後 早急に実用化 普及させることが求められている このためにはハードやシステムの技術開発だけでなく その普及を目指した調査研究が不可欠である 平成 14 年度に開始された 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクトは開始後 3 年目の平成 16 年度に 熱電変換モジュール 熱電変換システムとも中間目標を達成し 平成 16 年度後半に実施された中間評価において高い評価を受けた この中間評価の報告書において 熱電変換技術は多様なポテンシャルが期待できるため それを活用した適用先を広く調査して導入を進め 熱電変換システムの普及を図ることが示唆された そこで 本調査では 本プロジェクトにおける熱電変換モジュール開発実績を踏まえ 熱電変換システムの多様なポテンシャルを活用する適用システムについて広く調査することによって 熱電変換システムの普及拡大のための基礎資料を得ることを目的とする ロ. 研究開発の実施内容熱電変換の多様なポテンシャルを活用する適用システムについて広く調査し 熱電変換システムの普及拡大のための基礎資料を得ることを目的として 以下のとおり調査 分析を行った (1) 各種文献 カタログ ウェブ検索などによる熱電変換システムの既往の適用事例 技術的な仕様 市場導入状況などの調査 (2) 調査結果によるデータベースの作成 (3) 熱電変換 ( 発電 / 冷却 ) 製品の分析と熱電変換のメリットの整理 (4) 熱電変換の今後の発展分野に関する調査と考察 ハ. 研究開発の成果 (a) 熱電発電 / 熱電冷却の現状調査 1) 熱電変換の適用先熱電発電 / 熱電冷却実用化の現状として 製品例を表 Ⅲ-7 に示す 表 Ⅲ-8 熱電発電 / 熱電冷却の実用化の現状 分野 段階 製品例 発電 分野 段階 製品例 発電 光通信 半導体レーザパッケージ 小型冷温ボックス 赤外線センサパッケージ 冷水器 電子デバイス CPU 冷却 ワインセラー カロリメータ ビールサーバー ウエハ冷却用プレート ダストクーラー 循環水恒温装置 保冷米びつ 半導体製造 薬液恒温装置 快眠カプセル 電子恒温槽 ペルチェ式空気清浄器 恒温湿エア供給装置 家庭用 ミニチュア発電器 ( ろうそくラジオ ) 熱電チラー 熱電腕時計 0 基準温度装置 コードレスファンヒータ 除湿器 風呂釜温度制御 理化学分析機器 恒温水循環装置 マイクロコンバスタ マイクロ発電システム ( モバイル用電源 ) 冷却保管庫 モスキートマグネット 電子氷温インキュベータ 被災地緊急電源 培養器, 血液分析器, ヘモグロビン分析器 自己冷却システム 赤外線センサ 室内空気循環装置 水素センサ 小型冷蔵庫 マイクロチップベースの化学センサ 適温庫 センサ ナノ温度センサ 業務用可搬クーラ 水蒸気濃度センサ業務用 コーヒー豆温度制御 熱伝導率測定センサ オフィスパーソナル空調 CCD 冷却 プロジェクタ 能動カテーテル 軍用 可搬型発電器 医療用 人工心筋宇宙船電源 熱電発電 (RTGなど) 心臓ペースメーカー用長期安定電源 SP100 計画 社会インフラ 変圧器 無保守電源 無線中継基地局電源 工業炉 抵抗加熱式工業炉 パイプライン腐食防止用電源 自家発電 コージェネレーション 超電導体冷却超電導自動車 大型ディーゼル車排ガス発電 電流リード 温度調節シートその他 表面張力用マイクロポンプ 注 ) 段階 : 実用化 試作 基礎研究 54

155 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3)1 多様な適用に関する分析 まとめ 2) 熱電発電 / 熱電冷却製品の分析適用先調査データを基に 原理別 分野別 実用化レベル別の分析を行い 以下の結果が得られた 1 原理別に分類した過半数がペルチェ冷却用途 2 家庭用は発電用途が中心で 産業用途は圧倒的にペルチェ冷却用途 3 光通信 半導体 理化学分析 食品などでペルチェ用途の実用化が進んでいる 4 ペルチェ用途は既に様々な製品が実用化されている ゼーベック発電も実用化が進みつつ ある (b) 熱電変換のメリット整理熱電変換のメリットをまとめると以下のようになる 1 共通超寿命で信頼性が高い 省スペース 小型軽量 形状が自由に選定できる 応答が速い 稼動部がなく振動がない スケールメリットがないため小型設備に有利 2 発電素子としてあらゆる熱源から電気を取り出すことが可能 単位表面積あたりの発電量は PV( 太陽光発電 ) の数倍から数十倍 3 ペルチェ素子として極の切替えで冷却も加熱も可能 高精度の温度制御が可能 冷媒が不要 電気配線のみで取扱いが簡単 (c) 有望な適用先の検討 2000 年代には性能指数の向上による新たな発展段階に入り 従来コストや効率の面で商品化が難しかった発電分野にも様々なシステム導入が試みられている 今後はセンサ MEMS 快適空間 衣服適用分野 医療分野 更には将来的に超電導分野まで発展分野が広がることが予想されている (d) 分析とまとめ上記調査データのうち 今後の熱電発電分野における実用化検討に資することを目的に 対象用途の分析 まとめ結果を 熱電発電の応用分類と現状 として データベース化した ホ. 課題と今後の展開熱電変換技術の今後の課題として 次のことがあげられる 1 高効率化 低価格化 2 信頼性 耐久性向上熱電発電には従来の発電方式に対して次の利点があり 今後 本プロジェクトの成果である高効率熱電変換モジュールが市場に出ることにより 熱電冷却と同様に適用事例が増えていくと期待される 1 小型の発電システムを構成でき 小規模高温の排熱を有効利用できる 2 比較的低温の排熱でもそれなりの発電が可能で 電力として有効利用できる 3 微小な電力ニーズに対して 適当な熱源があれば 電池に代わる電源となる可能性がある 55

156 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3)2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 イ. 研究開発の目的 2010 年時点における二酸化炭素排出削減に貢献するため 高効率熱電変換モジュール技術の確立後 早急に実用化 普及させることが求められている このためにはハードやシステムの技術開発だけでなく その普及を目指した調査研究が不可欠である 平成 14 年度に開始された 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクトは開始後 3 年目の平成 16 年度に 熱電変換モジュール 熱電変換システムとも中間目標を達成し 平成 16 年度後半に実施された中間評価において高い評価を受けた この中間評価の報告書において 熱電変換技術は多様なポテンシャルが期待できるため それを活用した適用先を広く調査して導入を進め 熱電変換システムの普及を図ることが示唆された そこで 本調査では 本プロジェクトにおける熱電変換モジュール開発実績を踏まえ 熱電変換システムの有望な適用先であるコージェネレーションシステムについてケーススタディーを実施し 熱電変換モジュールの各種影響因子による特性変化 ガスエンジン CGS およびガスタービン CGS の排ガス利用効果に及ぼす熱電変換モジュールの特性および設置個数の影響 CGS+ TEG システムの各種建物 ( 事務所 病院など ) への適用効果 等を明らかにすることを目的とする ロ. 研究開発の実施内容熱電変換システムの発電出力 発電効率 モジュール個数 熱源温度などが その出力特性に及ぼす影響を検討し その特性を用いてガスエンジン CGS およびガスタービン CGS の排熱を利用して発電した場合の効果を検討した 次に 事務所 病院など様々な電力負荷 空調負荷 給湯負荷のある建物にこれらのシステムの適用したときの効果を検討した ハ. 研究開発の成果 (a) 実施結果 1) 熱電変換モジュールの出力特性熱電変換モジュールの出力特性は その素子対上下端温度 発電効率 発電出力密度の定格値と高温側 低温側熱源の熱コンダクタンスなどから理論的に推定できる 本研究では ディーゼルエンジン方式 ガスエンジン方式 ガスタービン方式のいずれのコージェネレーションシステムにも適用可能な熱電変換モジュールについて検討することとし その定格値として 電極間温度差 550 ( 高温側 580 低温側 30 ) において発電効率 15% 発電出力密度 0.9 W/cm 2 ( 出力 5.6 W 面積 6.25 cm 2 ) さらに 高温側と低温側の熱コンダクタンスがそれぞれ排ガスおよび水の強制対流熱伝達率の一般的な値に相当する kw/(m 2 K) という条件を与えて出力特性を算出した 2) コージェネレーションシステムの構成熱電変換システムの適用が有力視される CGS は 定格発電出力が 400 kw 程度以下のものである また CGS に適用する場合は 熱電変換システム (TEG) の高温側を排ガス系統 低温側を冷却水系統とするのが これまでの調査結果から最も一般的と考えられる 本研究では ガスエンジン発電機と排熱投入型ガス吸収冷温水機 ( ジェネリンク ) からなるガスエンジン CGS に TEG を組み込んだシステムを中心に ガスタービン CGS についても検討した ガスエンジン発電機は定格発電出力 / 発電効率 (LHV 基準 ) が 300 kw/36.1% 400 kw/34.9% 350 kw/40.5% の 3 種類 ジェネリンクは定格冷房 COP(HHV 基準 ) が の 2 種類とし 各機種の部分負荷特性を考慮するとともに 機器の台数制御の効果についても検討した TEG 発電出力には高温側の排ガスと低温側の冷却水の温度が関係し これらの流体のガスエンジンあるいはガスタービン出口における温度は 機種の特性 発電機負荷率 排ガス流量 ( または空気過剰率 ) 冷却水流量などによって変化し さらに熱電変換 ( エネルギー変換 ) にとも 56

157 3.2 高効率熱電変換システムの開発 (3)2 コージェネレーションシステム (CGS) の検討 なって流れ方向にも変化する 本研究ではこのような特性も考慮した 3) 各種建物への適用効果上記のようなシステムは さまざまな用途の建物に適用することができる 本研究では 事務所と病院に TEG を組み込んだ CGS を導入した場合について 発電機導入率 ( 建物の年間の最大電力負荷に対する CGS 発電容量の割合 ) と代表的な負荷パターン ( 電力 冷房 暖房 給湯の各負荷の月別 時刻別変化 ) 運転条件などを与えて 年間の CGS 発電量 TEG 発電量 建物の一次エネルギー消費量および二酸化炭素排出量を算出した この計算結果から 一般的な事務所ビルや病院に TEG を組み込んだ CGS を導入すれば CGS 導入による省エネルギー効果 CO2 排出量削減効果に加え 例えば発電効率 35~40% の高効率ガスエンジン発電機の場合 CGS 発電量の 4% 程度の電力を TEG により増加できること これは発電効率に換算して 1.5% 程度の効率上昇に相当することが明らかになった また ガスタービン発電機の場合は ガスエンジン発電機と比べて発電効率はかなり低いが 排ガス温度が高く排ガス流量が多いために TEG 導入の効果は大きく 2~3% の効率上昇が得られることが示された さらに本研究では TEG の導入および普及促進に非常に影響が大きいと考えられる経済性の評価を行うため TEG によるイニシャルコストの増加とランニングコストの削減効果とを比較した 例えば TEG 導入によるイニシャルコストの増加を 300 円 /W(W はモジュール定格出力 ) 商用電力単価を 10 円 /W として計算すると 延べ床面積 m 2 の事務所ビルに定格発電出力 / 発電効率が 300 kw/36.1% のガスエンジン CGS(TEG モジュール数 個 ) を導入した場合 単純償却年数は 5 年となった 現在 商用電力単価は業務用 6 kv 系で夏季 9.75 円 /kwh 他季 8.85 円 /kwh 程度である 熱電変換システムの普及のためには 量産によるコスト低減でモジュール単価 100 円 /W 装置に組み込む TEG システムとしては 200~300 円 /W が当面の目標となるが これが達成できれば このような計算結果から見ても TEG の CGS への適用はかなり有望である (b) 評価と到達度熱電変換システムのコージェネレーションシステムへの適用効果について その省エネルギー性 環境性 ( 二酸化炭素排出削減量 ) 経済性をシミュレーションにより定量的に検討 評価し 各社の実用化 事業化計画検討のために提供し 初期の目標を達成した また 海外 ( 米国 欧州 豪州 ) での熱電変換技術動向調査を行うとともに ICT2004 及び ICT2006 で成果発表を行い高い評価を得た (c) まとめ事業性 用途調査分科会での助言 指導のもと 高効率熱電変換システムの普及に向けて これまでの適用事例等を中心に幅広く調査 分析を行い 特にその適用が有力視されるコージェネレーションシステムについては 普及動向 システムデータ 運用データ等の収集を行うとともに 熱電変換システムをコージェネレーションシステムに適用した場合の性能解析シミュレーション技術を構築し その適用効果を算定した 4. 課題と今後の展開コージェネレーションの市場動向調査 シミュレーションによる検討結果等から 高効率熱電変換システムの導入 普及による省エネルギー効果 CO2 削減効果は大きいと予想される 商品化にあたっては 経済性および信頼性 耐久性の向上のほか できるだけ大きな電極間温度差を確保して大きな発電出力を得るために 高温側 低温側両熱源の熱抵抗が小さい熱交換システムの設計が肝要であり 今後の技術的課題である 57

158 Ⅳ. 実用化 事業化の見通しについて 1. 実用化対象商品 本プロジェクトで開発する熱電変換モジュールと熱電変換システム及びその開発企業間の連携関係及び熱電変換モジュールのプロジェクト外への供給先の概要を表 Ⅳ-1 に示す システム 表 Ⅳ-1 熱電変換モジュール及び熱電変換システムの需給関係 システム適用先 プロジェクト内プロジェクト外 ( 主たる候補事例 ) 産業民生産業民生移動体 モシ ュール 工業炉 (IHI) コーシ ェネ ( コマツ ) 社会インフラ ( 東芝 ) フ ロシ ェクタ ( ヤマハ ) その他 コーシ ェネレーション その他 宇部興産 400 汚泥処理 コマツ (*) 550 ( テ ィーセ ル ) 東芝 変圧器 社会インフラ ヤマハ 2. 各社の実用化 事業化の見通し (*) 当初はエコ 21 のモジュールを用い 現在はコマツのモジュールを使用 開発企業毎に 各個別研究開発テーマの実用化 事業化の見通しを次頁以降に示す (1) ヤマハ プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 プロジェクター光源排熱利用熱電変換システムの開発 (2) 東芝 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (3) 宇部興産 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (4)IHI 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 (5) コマツ 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 58

159 (1) ヤマハ プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 イ. 実用化の見通し (a) 実用化対象商品の概要説明民生用光源からの排熱を利用した熱電変換ユニット またはこれを応用したプロジェクターシステム 適用製品は ホームシアター用及びビジネス用プロジェクターシステム さらに 発展形として高出力の商業用照明システムを想定する 商品化への課題は 熱電変換によって発生した電力をいかに有効利用し 商品の付加価値を向上させるかであると考える (b) 実用化の現状独自の熱電材料技術及びプロセス技術を駆使した熱電変換モジュールの試作とその応用により システム変換効率の最終目標をクリアした これを搭載したプロジェクター試作機の試作を Ⅸ 型まで行い 電力の有効利用の実例と設計自由度の向上をユーザーに対しプレゼンテーションを行い 売り込みを開始している ロ. 事業化の見通し (a) 事業化計画 ( スケジュール ) 2010 年を目安に商品化技術開発をめざす この際 ユーザーの要求仕様 信頼性要素項目の抽出と評価方法を明確化し 商品価値の提案と市場の受け入れ可能性の評価を元に 商品開発の判断を行なう (b) 事業化体制既存の熱電素子 ( ペルチェ素子 ) 事業を基盤とし 既存の非シリコンデバイス及び金属部品部門を統括する事業部内に組織を置く 当然 プロジェクター商品に関しては 社内 AV 事業部及びこの OEM 提携先への供給を目的とする ( 製造 販売体制 ) 現在 社内の事業部内で民生用のプロジェクター製品を生産販売しており 設計生産技術を有する また プロジェクターメーカーとの OEM 関係を利用して 熱電変換ユニットの供給を行う予定である 単独で 社外のプロジェクターメーカーへの供給も視野に入れている 熱電素子事業関連部署では 独自のプロセスによる熱電半導体材料の研究開発及び生産 ペルチエ素子の量産 販売をしており固有の技術と信頼性のノウハウを有する上 ISO9001 を取得している 事業所としては ISO14001 を取得しており 熱電変換モジュールに関しても 品質保証管理体制が確立されている ハ. 波及効果プロジェクターのみならず OA 機器 ( オーディオアンプ等 ) 発展形として 車載ランプ 競技場用照明 劇場照明 自動販売機等への応用を考える また 次世代型照明の期待が高い白色 LED 光源の排熱利用への応用も大いに期待できる 経済的波及効果 消費電力低減と利用電力の発生により 民生用電子機器のシステム回路の消費電力低減 情報通信機器のモバイル化と相関して新規な市場の創出に貢献できると期待する 環境的波及効果 (1) 年間稼働時間 (1 台あたり ) (2010 年 ) 低価格帯プロジェクター用ユニット :1500 h 高価格帯プロジェクター : 1278 h (2020 年 ) 低価格帯プロジェクター用ユニット :1500 h 高価格帯プロジェクター : 1278 h 59

160 白色 LEDモバイル用ユニット : 730 h 照明応用 : 1825 h (2030 年 ) 低価格帯プロジェクター用ユニット :1500 h 高価格帯プロジェクター : 1278 h 白色 LEDモバイル用ユニット : 730 h 照明応用 : 1825 h (2) 年間発電量 (2010 年 ) 5.2GWh/ 年 (2020 年 )28.1 GWh/ 年 (2030 年 )37.0 GWh/ 年 (3) 原油削減量 (2010 年 )1,400 kl/ 年 (2020 年 )7,500 kl/ 年 (2030 年 )9,800 kl/ 年 (4) 二酸化炭素排出削減量 ( 換算値 :0.37kg/kWh ( 参考値 :0.65kg/kWh)) (2010 年 ) 1,924 ton-co2/ 年 ( 参考値 : 3,380 ton-co2/ 年 ) (2020 年 )10,397 ton-co2/ 年 ( 参考値 :18,265 ton-co2/ 年 ) (2030 年 )13,700 ton-co2/ 年 ( 参考値 :24,050 ton-co2/ 年 ) ニ. まとめ民生用高性能熱電変換システムの開発としての本事業は 技術的達成可能性 波及効果の点からも充分意義深いものと考えられ その第一歩としての開発水準が着実に向上したと考える 60

161 (2) 東芝 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 イ. 実用化 事業化の概略 (a) 目標 150 以下と身近に存在する比較的低温の排熱を排出している社会インフラ産業機器に熱電発電システムを配置し 排熱を直接電気に変換する CO2 削減 資源再利用技術を構築する (b) 要約熱電発電システムの社会インフラ産業機器への適用化による事業化前に 熱電発電システムの認知度および実際の熱電発電システムでの検証による信頼性を高めることを目的に 実用化に注力 熱電発電システムの高信頼性等に関する認知度を高め 社会インフラ産業機器への事業化を進めていく ロ. 実用化の見通し (a) 実用化対象商品の概要説明熱電発電システムの社会インフラ産業機器への適用化による事業化前に 熱電発電システムの認知度および実際の熱電発電システムでの検証による信頼性を高めることを目的に 信頼性 コストよりも環境 その他の付加価値を優先する事業分野への適用を図り 社会インフラ産業機器への普及に弾みをつけるため熱電発電システムの実用化検討を実施中である (b) 実用化の現状 1 定温熱源を使用した熱電発電システムの長期信頼性検証試験 2 不定期変動熱源を使用した熱電発電システムの長期信頼性検証試験 3 大量の熱を発生するプラントを含めた国内産業機器の調査 ハ. 事業化の見通し (a) 事業化対象商品の概要説明 150 以下と身近に多量に存在する比較的低温の温度領域のエネルギーは 変換効率 経済性の観点から低温の熱を有効に電気エネルギーに変換するシステムが無いために これまで棄てられていた しかし これら未利用熱エネルギーの電気への変換は 間接的に二酸化炭素排出削減および省エネルギー効果が得られる そこで 省エネルギー 環境の観点より 150 以下の低温排熱を有する社会インフラ産業機器への適用展開を計画している (b) 事業化の現状 ( 社会インフラ産業機器への実用化の達成状況と課題 ) 熱電発電システムの適用先を下記の 3 項から社会インフラ産業機器を対象とした 1 社会インフラ産業機器の構造 熱設計が良く分かっている 2 社会インフラ産業機器は長期連続稼動しており耐用年数が長い 3 熱電発電システムを構成する熱電変換モジュール ( 資源 ) の回収 再利用が可能 ユーザーの観点から見た場合 環境保全計画 (CO2 排出量の抑制 新エネルギーの導入など ) と方向性がマッチングしているため 社会インフラ産業機器への熱電発電システム適用は受け入れられやすく 環境技術の1つとして望まれるものと推定できる 予想される重大な障害としては 熱電発電システムのコストが考えられる 環境保全とはいえ 現行の新エネルギーである太陽電池以下の設備コストは必須目標である 熱電発電システムの構成材である熱電変換モジュールのコスト低減の重要ポイントの1つに 量産効果が挙げられる 早期に量産分を支える市場ニーズを形成 獲得しなければならない さらに 社会インフラ産業機器の耐用年数が長いことから 熱電発電システムに関しては長期信頼性とその保障が望まれる 熱電発電システムの出力と信頼性に関しては 本研究開発中にユーザーに共同研究提案する技 61

162 術レベルに達したと考える (c) 事業化計画 ( スケジュール ) 長期に渡って安定的に稼動する社会インフラ産業機器への適用に関しては ユーザー側の熱電発電システムに関しての認知度 信頼性が不可欠である また 公的な社会インフラ産業機器への適用は 社会インフラ産業機器よりも長期に渡って稼動すること 社会インフラ産業機器へ悪影響を及ぼさないことが条件となる 熱電発電システムの事業化には下記ステップを考えている ステップ 0 1 で熱電発電システムの実用化と普及を図り 社会の認知度とユーザーの信頼を獲得し ステップ 3 4 でスムーズな事業化に繋げていくことを考えている ステップ 0 熱電発電システムの認知度アップステップ 1 熱電発電システムの検証試験によりユーザーの信頼性確保ステップ 2 社会インフラ産業機器を対象に熱電発電システムを適用ステップ 3 社会インフラ産業機器への適用拡大 ニ. 波及効果 (a) 環境的波及効果温室効果ガスを出さない低温排熱エネルギー利用の熱電発電システムは 二酸化炭素発生量の抑制 化石燃料の節約等の面で効果が期待できる 熱電発電システムによる年間 CO2 総削減量の年次見通しを下記に示す システム生産量 (kwh/ 年 ) システム販売額 ( 億円 / 年 ) 発電量 (GWh/ 年 ) 年間発電量 (GWh/ 年 ) 年間 CO2 総削減量 (t CO2/ 年 ) 原油削減量 ( kl/ 年 ) 2010 年 年 年 ホ. まとめ熱電発電システム普及加速のポイントとして 熱電発電システムに関する社会の認知度を高めること 広く使ってもらうこと さらに ユーザーサイドのニーズを汲み取ることにより熱電変換システムのユーザー要望を明確にして熱電変換技術を育て 実用化開発を進めていくためにユーザーサイドのニーズを汲み取ることを挙げたい 数が少ないから高い 高いから普及が鈍いの一方通行に陥るのではなく 1 コストよりも環境 その他の付加価値を優先する事業分野で熱電変換技術を使う 21 により社会インフラ産業機器への適用 普及に弾みがつく 32 によってコストが下がる 4 コストが下がればもっと普及していく こういう好環境を作りだして 熱電変換技術を世に広め 発展させたい 62

163 (3) 宇部興産 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 イ. 実用化の見通し (a) 実用化対象商品の概要説明 排ガス温度が 500 から 600 とされる分散型電源排ガスからの熱回収を高効率に実現する熱電変換システムを主たる適用ターゲットとする その他 清掃工場 ( 廃棄物処理 ) 化学 鉄鋼 移動体等への適用システムについて適用先拡大に向け具体的に取組み中 (b) 実用化の現状宇部興産 では 長年にわたり熱電変換技術の研究を進め 1996 年からの九州電力との内燃力発電所排ガスを熱源とする熱電変換システムの試作 実証試験から本格的な研究開発に着手した さらに 2000 年からの NEDO による先導研究では 移動体用の熱電変換システムの試作 ベンチテストを実施するなどの実績があり いずれも材料からシステムまで 一貫して開発できる技術を涵養してきている なかでも産業用途に好適な独自の大型熱電変換モジュールの開発に成功したことが大きな実績となり 現在も多くのユーザーからの引き合いがあり 共同開発を積極的に行っている ロ. 事業化の見通し (a) 事業採算性検討自社開発品の 70W 級モジュールと具体的適用先を想定し 事業採算性の試算を実施した (b) モジュール販売先これまでの熱電発電システム共同開発先とへの販売から実績を積み 有望他分野へ拡販する (c) 市場予測 2010 年 2020 年 2030 年の熱電変換モジュールとしての市場規模として それぞれ 24 億円 147 億円 382 億円と試算している 2.4 販売予測 2010 年 2020 年 2030 年の売上を それぞれ 3.6 億円 29 億円 96 億円と計画している (d) 製造 販売体制宇部マテリアルズを事業化主体と想定し 宇部興産の関連技術を保有するグループ会社と製造 販売の組織化を図る (e) 事業化スケジュール 2007 年度より 低温用大型熱電変換モジュールの低コストサンプルの本格提供開始 併せてカスケードモジュールも含めた更なる低コスト化 量産化技術構築に努め 2010 年度には量産体制に入る計画 ハ. 波及効果現在開発中の Zn-Sb 材料系や Bi-Te 系の高い熱電特性を持つ熱電変換モジュールにより 未利用エネルギーの有効利用技術の確立と普及を実現する またその予想販売量に対する発電量は 2030 年に 636GWh/ 年 二酸化炭素排出削減量は 235,000 トン / 年 ( 換算値 :0.37kg/kWh) と試算される ニ. まとめ上述のように 宇部興産 では事業化に向け すでに体制も整い 本格的な量産をにらんだ技術開発にも着手し 積極的なユーザー開拓と適用実績を積み上げ 市場の創生のために努力を傾けている 未利用エネルギーは準国産エネルギーと位置付けられ これを有効に活用でき 二酸化削減の有効な手段として 熱電変換技術にかける期待は高くなる一方である 同社はこれらの期待に応えていく強い意欲を持っている 63

164 (4)IHI 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システム イ. 実用化の見通し (a) 実用化対象商品の概要説明開発中の輻射受熱式熱電変換システムは 抵抗加熱式工業炉の炉壁を通して逃げていた排熱を電力に変換する 発電した電力はインバータにより交流に変換して各種機器電源へ適用する また 一旦蓄電池やキャパシタに蓄えれば 定電圧電源として炉の制御機器や真空排気系の非常用電源として用いることができる (b) 実用化の現状既設炉に熱電変換モジュールを設置して輻射受熱による熱電発電を実証 システム化の核となる技術を確立した 今後 モジュールの信頼性向上や実用サイズのユニット設計と確認試験 及び新規炉での実証試験を必要とする ロ. 事業化の見通し (a) 事業化計画本プロジェクトで開発した 400 (673K) 級 2 段カスケード型モジュールを採用した熱電変換システムを新設炉に組入れる また 改修工業炉へのシステム導入事業も並行して進める 開発初期におけるモジュール費用の比率は極めて高く このため補助事業などを利用して熱電変換システムの費用増を賄い ユーザーへの費用負担を少なくする (b) 事業化体制熱電変換システム搭載工業炉の事業化体制として 設計は石川島播磨重工業株式会社産業システム事業部が 製造 販売 据付は株式会社石川島岩国製作所が担当する (c) 市場予測近年の抵抗加熱式工業炉の売上げは 700 億円規模 台数換算で 400 台に相当する 2010 年度には約 台が稼動している 今後 この省エネシステムが搭載可能となれば その 10% 以上が本装置を導入すると見込んでいる (d) 販売予測最終的に 熱電変換モジュールの購入単価を 100 円 /W とし それをユニット化して設置する費用を 80 円 /W とする その他の周辺機器費用を 70 円 /W とする このとき年間稼働率 20% 以上の設備では 買電と比較して価格競争力を有する ハ. 波及効果 (a) 環境的波及効果出力 50~200kW の抵抗加熱式工業炉における 2020 年度のシステム設置台数を約 2100 台と予測 その発電量は最大 48000MWh/ 年となり 二酸化炭素削減効果は最大 18000T/ 年となる ( 発電量 1kWh あたりの削減量は 0.37kg/kWh を換算値とした ) (b) 技術的波及効果 経済的波及効果工業炉以外の幅広い産業部門に輻射受熱式の熱電変換システムが適用されることにより 通常方式の熱電変換システムと合わさって未利用熱エネルギーの利用が進展 産業界の省エネに大いに貢献する ニ. まとめ輻射受熱式熱電変換システムを利用した排熱回収技術は 稼働率 20% を超える工業炉で有効である この技術は 適用が簡単な工業炉分野のみならず 様々な分野に展開が可能である 64

165 (5) コマツ 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 イ. 実用化の見通しプロジェクトの成果として 下記に示す実用化対象商品を開発した ほぼ実用化開発が完了したものと 耐久性向上等の残された課題を有するものがある 今後 課題を解決し 順次実用化を図っていく予定である 表 1 実用化対象商品 ( モジュール ) の概要種類主仕様 ( 計画 ) 特長 1 BiTe 系 温度範囲 :RT~280 形状 : 50mm 3mmt 出力 :25W(30 /280 ) 2 シリサイド系 温度範囲 :RT~550 形状 : 50mm 3mmt 出力 :30W(30 /550 ) 3 カスケード型上記 1 2のカスケード 温度範囲 :RT~550 形状 : 50mm 6mmt 出力 :40W(30 /550 ) 高発電密度 高耐久性 低価格 高発電密度 環境に優しい 高耐久性 低価格 高発電密度 表 2 実用化対象商品 ( システム ) の概要 種類 主仕様 ( 計画 ) 特長 / 適用先 1 沸騰 凝縮型 排ガス温度 :~700 冷却方法 : 水冷式発電規模 :5kW 以上 コンパクト 安価 コージェネ熱処理炉 焼却炉 2 プレートフィン型 排ガス温度 :~700 冷却方法 : 水冷式 空冷式発電規模 : 5kW 以下 安価 高耐久性 トラック 建設機械自家用車 ロ. 事業化の見通し実用化対象商品の残された課題を解決し 2010 年度までに事業を開始する予定である ハ. 波及効果事業化が進み 熱電変換モジュールを搭載した熱電変換システムが コージェネレーション トラック 乗用車に普及した際 2020 年度の試算値として 原油削減量が約 22 万 kl 二酸化炭素削減量が 50 万トン という非常に大きい効果が得られた 65

166 研究連携体の活動実績 (H14.9~H19.3 の分 ) 別添資料 1 開催実績 : 平成 14 年度 :3 回 平成 15 年度 :6 回 平成 16 年度 :5 回 平成 17 年度 :4 回 平成 18 年度 :4 回 熱電推進委員会開催日主な議事内容 平成 14 年度第 1 回平成 14 年 10 月 21 日 第 2 回平成 14 年 12 月 25 日 第 3 回平成 15 年 03 月 20 日 平成 15 年度第 1 回平成 15 年 05 月 22 日 第 2 回平成 15 年 07 月 22 日 第 3 回平成 15 年 09 月 12 日 第 4 回平成 15 年 11 月 04 日 第 5 回平成 16 年 01 月 09 日 第 6 回平成 16 年 03 月 03 日 平成 16 年度第 1 回平成 16 年 04 月 27 日 第 2 回平成 16 年 07 月 02 日 第 3 回平成 16 年 09 月 21 日 第 4 回平成 16 年 10 月 29 日 第 5 回平成 17 年 02 月 22 日 平成 17 年度第 1 回平成 17 年 05 月 13 日 第 2 回平成 17 年 10 月 04 日 第 3 回平成 17 年 12 月 19 日 第 4 回平成 18 年 02 月 28 日 平成 18 年度第 1 回平成 18 年 05 月 12 日 第 2 回平成 18 年 10 月 02 日 第 3 回平成 19 年 01 月 18 日 第 4 回平成 19 年 03 月 13 日 年度事業計画説明 審議 年度事業中間報告 審議 年度事業成果報告 審議 上期事業計画説明 審議 上期事業中間報告 審議 上期事業成果報告 審議 下期事業計画説明 審議 下期事業中間報告 審議 下期事業成果報告 審議 年度事業計画説明 審議 年度第 1 四半期事業報告 審議 上期事業成果報告 審議 個別テーマ中間評価 年度事業総括 年度事業計画説明 審議 上期事業成果報告 審議 下期事業状況報告 審議 年度事業成果総括報告 審議 年度事業計画説明 審議 上期事業成果報告 審議 下期事業状況報告 審議 本事業成果総括報告 審議 開催実績 : 平成 14 年度 :3 回 平成 15 年度 :6 回 平成 16 年度 :5 回 平成 17 年度 :4 回 平成 18 年度 :4 回 事業性 用途調査分科会 開催日 平成 14 年度第 1 回平成 14 年 11 月 22 日 第 2 回平成 15 年 01 月 27 日 第 3 回平成 15 年 02 月 26 日 平成 15 年度第 1 回平成 15 年 06 月 06 日 第 2 回平成 15 年 08 月 01 日 第 3 回平成 15 年 08 月 07 日 第 4 回平成 15 年 11 月 19 日 第 5 回平成 16 年 01 月 15 日 第 6 回平成 16 年 02 月 25 日 平成 16 年度第 1 回平成 16 年 05 月 14 日 第 2 回平成 16 年 06 月 30 日 第 3 回平成 16 年 08 月 25 日 第 4 回平成 16 年 11 月 24 日 第 5 回平成 17 年 02 月 15 日 主な議事内容 事業性 用途調査計画説明 審議 事業性 用途調査中間報告 審議 事業性 用途調査成果報告 審議 上期事業計画説明 ヤマハ調査審議 上期事業中間報告 コマツ調査審議 上期事業成果報告 エコ 21 調査審議 下期事業計画説明 IHI 調査審議 下期事業中間報告 ENAA 調査審議 下期事業成果報告 審議 年度事業計画説明 審議 年度第 1 四半期事業報告 各社審議 上期事業成果報告 宇部調査審議 各社実用化事業化計画総括審議 年度活動総括 66

167 平成 17 年度第 1 回平成 17 年 05 月 13 日第 2 回平成 17 年 09 月 22 日第 3 回平成 17 年 11 月 22 日第 4 回平成 18 年 02 月 23 日平成 18 年度第 1 回平成 18 年 04 月 28 日第 2 回平成 18 年 07 月 14 日第 3 回平成 18 年 09 月 22 日第 4 回平成 18 年 12 月 08 日 年度活動計画説明上期事業成果報告 審議下期事業状況報告 審議年度事業成果総括報告 審議年度活動計画説明上期事業成果報告 審議下期事業状況報告 審議本事業成果総括報告 審議 開催実績 : 平成 14 年度 :2 回 平成 15 年度 :6 回 平成 16 年度 :5 回 平成 17 年度 :4 回 平成 18 年度 :4 回 性能評価技術分科会 開催日 主な議事内容 平成 14 年度第 1 回平成 14 年 12 月 12 日 性能評価技術計画説明 審議 第 2 回平成 15 年 03 月 06 日 性能評価技術成果報告 審議 平成 15 年度第 1 回平成 15 年 06 月 03 日 上期事業計画説明 審議 第 2 回平成 15 年 08 月 01 日 上期事業中間報告 コマツ装置見学 第 3 回平成 15 年 08 月 29 日 上期事業成果報告 産総研成果審議 第 4 回平成 15 年 11 月 18 日 下期事業計画説明 産総研装置見学 第 5 回平成 16 年 01 月 09 日 下期事業中間報告 審議 第 6 回平成 16 年 02 月 26 日 下期事業成果報告 産総研成果審議 平成 16 年度第 1 回平成 16 年 05 月 17 日 年度事業計画説明 審議 第 2 回平成 16 年 06 月 14 日 第 1 四半期成果報告 産総研装置見学 第 3 回平成 16 年 08 月 26 日 上期事業成果報告 ヤマハ装置見学 第 4 回平成 16 年 11 月 16 日 最終評価に向けた開発方針審議 第 5 回平成 17 年 02 月 15 日 年度活動総括 平成 17 年度第 1 回平成 17 年 04 月 18 日 年度活動計画説明 審議 第 2 回平成 17 年 09 月 05 日 上期事業成果報告 審議 第 3 回平成 17 年 11 月 21 日 下期事業状況報告 東芝装置見学 第 4 回平成 18 年 02 月 20 日 年度事業成果総括報告 審議 平成 18 年度第 1 回平成 18 年 04 月 25 日 年度活動計画説明 審議 第 2 回平成 18 年 07 月 11 日 上期事業成果報告 審議 第 3 回平成 18 年 09 月 21 日 下期事業状況報告 東芝装置見学 第 4 回平成 18 年 11 月 30 日 本事業成果総括報告 審議 開催実績 : 平成 14 年度 :3 回 平成 15 年度 :6 回 平成 16 年度 :3 回 平成 17 年度 :2 回 平成 18 年度 :2 回 海外調査作業部会 開催日 主な議事内容 平成 14 年度第 1 回平成 14 年 11 月 15 日 訪問先調査項目について審議 第 2 回平成 14 年 11 月 22 日 訪問先調査項目説明 審議 第 3 回平成 15 年 01 月 27 日 訪問先調査項目について審議 平成 15 年度第 1 回平成 15 年 06 月 03 日 訪問先調査項目について審議 第 2 回平成 15 年 06 月 25 日 訪問先調査項目説明 審議 第 3 回平成 15 年 08 月 29 日 調査報告書まとめ審議 平成 16 年度第 1 回平成 16 年 07 月 02 日 訪問先調査項目について審議 第 2 回平成 16 年 07 月 16 日 訪問先調査項目説明 審議 67

168 第 3 回平成 16 年 09 月 15 日平成 17 年度第 1 回平成 17 年 06 月 10 日第 2 回平成 17 年 09 月 05 日平成 18 年度第 1 回平成 18 年 07 月 21 日第 2 回平成 18 年 10 月 02 日 調査報告書まとめ審議訪問先調査項目説明 審議調査報告書まとめ審議訪問先調査項目説明 審議調査報告書まとめ審議 開催実績 : 平成 14 年度 :10 回 平成 15 年度 :6 回 平成 16 年度 :5 回 平成 17 年度 :4 回 平成 18 年度 :5 回 研究推進部会 開催日 主な議事内容 平成 14 年度第 1 回平成 14 年 09 月 06 日 研究推進部会キックオフミーティング 第 2 回平成 14 年 10 月 04 日 産総研 & 各事業者 性能評価技術紹介 第 3 回平成 14 年 10 月 10 日 計画審議 1コマツシステム 2エコ 21 3 東芝 4 宇部興産 第 4 回 平成 14 年 10 月 18 日 計画審議 5IHI 6ヤマハ 7コマツモジュール 第 5 回 平成 14 年 11 月 11 日 補助事業者 1コマツ 第 6 回 平成 14 年 12 月 25 日 計画審議 8 東芝 第 7 回 -1 平成 15 年 02 月 07 日 補助事業者 2 宇部興産 第 7 回 -2 平成 15 年 02 月 13 日 補助事業者 3IHI 第 8 回 平成 15 年 02 月 24 日 補助事業者 4エコ 21 第 9 回 平成 15 年 02 月 27 日 補助事業者 5ヤマハ 第 10 回 平成 15 年 03 月 03 日 補助事業者 6 東芝 平成 15 年度 平成 15 年 04 月 17 日 プロジェクト全体計画審議 第 1 回 -1 個別審議 1ENAA 第 1 回 -2 平成 15 年 05 月 09 日 全体会議 個別審議 2 宇部興産 3エコ 21 4ヤマハ 第 1 回 -3 平成 15 年 05 月 13 日 個別審議 5IHI 6コマツシステム 第 1 回 -4 平成 15 年 05 月 15 日 個別審議 7 東芝 8コマツモジュール 第 1 回 -5 平成 15 年 05 月 26 日 個別審議 9 産総研 第 2 回 平成 15 年 07 月 17 日 第 1 四半期成果報告 海外調査概要報告 第 3 回 -1 平成 15 年 08 月 27 日 上期進捗 1ENAA 2ヤマハ 第 3 回 -2 平成 15 年 08 月 28 日 上期進捗 3コマツ モジュール 4コマツ システム 5IHI 第 3 回 -3 平成 15 年 08 月 29 日 上期進捗 6エコ 21 7 産総研 第 3 回 -4 平成 15 年 09 月 05 日 上期進捗 8 宇部興産 第 3 回 -5 平成 15 年 09 月 10 日 上期進捗 9 東芝 第 4 回 -1 平成 15 年 10 月 10 日 下期計画審議 1ENAA 第 4 回 -2 平成 15 年 10 月 17 日 下期計画審議 2 産総研 第 5 回 -1 平成 15 年 11 月 13 日 事業性 用途調査 (ENAA) 第 5 回 -2 平成 15 年 12 月 24 日 第 3 四半期進捗全体会議 個別審議 1ENAA 2IHI 3 宇部興産 4エコ 21 5コマツモジュール 6コマツシステム 7ヤマハ 8 東芝 第 6 回 -1 平成 16 年 01 月 20 日 コマツ個別進捗 第 6 回 -2 平成 16 年 01 月 23 日 宇部興産個別進捗 第 6 回 -3 平成 16 年 02 月 06 日 東芝個別進捗 68

169 第 6 回 -4 平成 16 年 02 月 16 日下期進捗個別審議 1 エコ 21 進捗 第 6 回 -5 平成 16 年 02 月 24 日下期進捗個別審議 2 ヤマハ 第 6 回 -6 平成 16 年 02 月 25 日下期進捗個別審議 3ENAA 第 6 回 -7 平成 16 年 02 月 25 日 下期進捗個別審議 4IHI 5 宇部興産 6 東芝 7コマツ モジュール 8コマ ツ システム 平成 16 年度第 1 回 -1 平成 16 年 04 月 19 日 第 1 回 -2 平成 16 年 04 月 22 日 第 2 回 -1 平成 16 年 06 月 23 日 第 2 回 -2 平成 16 年 06 月 25 日 第 3 回 -1 平成 16 年 08 月 25 日 第 3 回 -2 平成 16 年 08 月 26 日 第 3 回 -3 平成 16 年 09 月 09 日 第 3 回 -4 平成 16 年 09 月 13 日 年間計画全体会議 個別審議 1IHI 2 宇部興産 3 エコ 21 4 コマツ 5 東芝 6 ヤマハ 年間計画個別審議 7ENAA 第 1 四半期成果報告 事業性審議 1IHI 2 宇部興産 3 東芝 4ENAA 第 1 四半期成果報告 事業性審議 5 エコ 21 6 コマツ 7 ヤマハ 上期進捗個別審議 1 宇部興産 上期進捗全体審議 個別審議 2 ヤマハ 上期進捗個別審議 3 コマツ 4ENAA 上期進捗個別審議 5IHI 第 3 回 -5 平成 16 年 09 月 15 日上期進捗個別審議 6 エコ 21 第 3 回 -6 平成 16 年 09 月 16 日 上期進捗個別審議 7 東芝 第 3 回 -7 平成 16 年 10 月 01 日上期進捗個別審議 8 コマツ ( システム ) 第 4 回 -1 平成 16 年 10 月 04 日 中間目標達成度審議全体会議 1 宇 部 2 東芝 第 4 回 -2 平成 16 年 10 月 14 日 中間目標達成度審議 3IHI 第 4 回 -3 平成 16 年 10 月 19 日 中間目標達成審議 4ENAA 第 5 回 -1 平成 16 年 11 月 26 日 全体会議 個別審議 1ENAA2~7 各 社 第 5 回 -2 平成 17 年 01 月 24 日 全体会議 個別審議 1ENAA2IHI 第 5 回 -3 平成 17 年 02 月 01 日 個別審議 3 宇部興産 第 5 回 -4 平成 17 年 02 月 07 日 個別審議 4エコ 21 第 5 回 -5 平成 17 年 02 月 08 日 個別審議 5コマツ 第 5 回 -6 平成 17 年 02 月 10 日 個別審議 7ヤマハ 第 5 回 -7 平成 17 年 02 月 17 日 個別審議 6 東芝 平成 17 年度第 1 回 -1 平成 17 年 04 月 08 日 プロジェクト全体計画審議 (ENAA) 個 別審議 1ENAA 第 1 回 -2 平成 17 年 04 月 18 日 全体会議 第 1 回 -3 平成 17 年 05 月 30 日 個別審議 2IHI 3 宇部興産 4コマツ 5 東芝 6ヤマハ 第 2 回 -1 平成 17 年 07 月 21 日 個別審議 5 東芝 1ENAA 第 2 回 -2 平成 17 年 08 月 31 日 全体会議 個別審議 2IHI 3 宇部興 産 4コマツ5 東芝 6ヤマハ 第 3 回 -1 平成 17 年 11 月 01 日 個別審議 5 東芝 第 3 回 -2 平成 17 年 12 月 01 日 個別審議 5 東芝 第 3 回 -3 平成 17 年 12 月 08 日 全体会議 個別審議 2IHI 3 宇部興 産 4コマツ5 東芝 6ヤマハ 第 4 回 -1 平成 18 年 01 月 26 日 個別審議 1ENAA 69

170 第 4 回 -2 平成 18 年 02 月 09 日第 4 回 -3 平成 18 年 02 月 10 日第 4 回 -4 平成 18 年 02 月 14 日第 4 回 -5 平成 18 年 02 月 16 日第 4 回 -6 平成 18 年 02 月 20 日平成 18 年度第 1 回 -1 平成 18 年 04 月 06 日第 1 回 -2 平成 18 年 04 月 10 日第 1 回 -3 平成 18 年 04 月 25 日第 1 回 -4 平成 18 年 04 月 27 日第 1 回 -4 平成 18 年 05 月 09 日第 2 回 -1 平成 18 年 06 月 22 日第 2 回 -2 平成 18 年 06 月 23 日第 2 回 -3 平成 18 年 06 月 26 日第 2 回 -4 平成 18 年 06 月 28 日第 2 回 -5 平成 18 年 07 月 03 日第 2 回 -6 平成 18 年 07 月 05 日第 2 回 -7 平成 18 年 07 月 11 日第 3 回 -1 平成 18 年 09 月 07 日第 3 回 -2 平成 18 年 09 月 14 日第 3 回 -3 平成 18 年 09 月 21 日第 4 回 -1 平成 18 年 11 月 22 日第 4 回 -2 平成 18 年 11 月 29 日第 4 回 -3 平成 18 年 11 月 30 日第 5 回 -1 平成 19 年 02 月 08 日第 5 回 -2 平成 19 年 02 月 27 日 個別審議 6 ヤマハ 個別審議 2IHI 個別審議 3 宇部興産 個別審議 5 東芝 全体会議 個別審議 4 コマツ 5 東芝 個別審議 1ENAA 個別審議 2IHI4 コマツ 6 ヤマハ 全体会議 個別審議 3 宇部興産 個別審議 5 東芝 個別審議 1ENAA 個別審議 4 コマツ 個別審議 5 東芝 個別審議 2IHI 個別審議 3 宇部興産 個別審議 6 ヤマハ 全体会議 個別審議 1ENAA 個別審議 2IHI 3 宇部興産 4 コマツ 5 東芝 6 ヤマハ 全体会議 個別審議 1ENAA 個別審議 2IHI 3 宇部興産 4 コマツ 5 東芝 6 ヤマハ 全体会議 個別審議 1ENAA 個別審議 2IHI 3 宇部興産 4 コマツ 5 東芝 6 ヤマハ 70

171 特許 論文 新聞発表 別添資料 2 1. 特許 高効率熱電変換モジュールの開発 特許 ( うち国際特許 ) テ-マ分類 H14 H15 H16 H17 H18 年度年度年度年度年度 計 高温域熱電 Zn-Sb 系 /Bi-Te 系カスケ変換モジュードモジュール ール & カス Co-Sb 系 /Bi-Te 系カスケケード型熱ードモジュール 1 1 電変換モジュールの開 シリサイド系/Bi-Te 系カスケードモジュール 発 低温域熱電変換モジュ プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュール ールの開発 低温域排熱変圧器等利用熱電変換モジュール 3 3 熱電変換モジュール性能評価技術の開発 高効率熱電変換システムの開発 産業用熱電変換システムの開発民生用熱電変換システムの開発 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システム ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システム 4 (2) 4 (2) 低温排熱回収熱電変換シ ステム プロジェクター光源排熱 利用熱電変換システム その他 合計 8 22 (2) (2) ( ) は国際特許の内数 71

172 2. 論文 投稿論文 テ - マ分類 H14 年度 H15 年度 H16 年度 H17 年度 H18 年度 計 高温域熱電 Zn-Sb 系 /Bi-Te 系カス 変換モジュ ケードモジュール (7) (3) (6) (16) ール & カスケード型熱 Co-Sb 系 /Bi-Te 系カスケードモジュール 1 (1) 1 2 (1) 高効率熱電変換モジュールの開発 電変換モジュールの開発低温域熱電変換モジュ シリサイド系/Bi-Te 系カスケードモジュール プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュール 9 (9) 2 (1) 5 (1) 1 (1) 1 1 (1) 17 (11) 2 (2) ールの開発 低温域排熱変圧器等利 用熱電変換モジュール (2) (4) (3) (9) 熱電変換モジュール性能評価技術の開 発 (1) (1) (1) (2) (5) 抵抗加熱式工業炉用熱 電変換システム (1) (2) (4) (4) (11) 高効率熱電変換システムの開発 産業用熱電変換システムの開発民生用熱電変換システ ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システム 低温排熱回収熱電変換システム プロジェクター光源排熱利用熱電変換システ 4 (4) 3 (2) 3 (2) 1 11 (8) 2 2 (2) (2) ムの開発 ム その他 6 (6) 3 (3) 4 (4) 8 (8) 21 (21) 合計 24 (24) 29 (20) 23 (16) 32 (26) 108 (86) ( ) は 口頭発表の内数 2. 新聞発表プロジェクト全般ならびにシステム モジュールで 計 15 件 ( 内 中間評価時点 6 件 ) 詳細は次頁以降に記載 72

173 研究開発項目 2 熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 1 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 口頭発表等 助成先 : 石川島播磨重工業 ( 株 ) 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属 2003 MRS Fall Meeting 23rd International Conference on Thermoelectrics (ICT2004) 第一回日本熱電学会学術講演会 (TSJ2004) 24th International Conference on Thermoelectrics (ICT2004) 第二回日本熱電学会学術講演会 (TSJ2005) ~ ~ 熱電発電フォーラム MRS Fall Meeting 25th International Conference on Thermoelectrics (ICT2006) 第 67 回応用物理学会学術講演会シンポジウム 第 3 回日本熱電学会学術講演会 (TSJ2006) ~ 熱電発電フォーラム Materials of the thermoelectric conversion unit system within radiation heat transfer and the analysis Development of the thermoelectric devices for the Industrial Furnaces 輻射受熱式熱電変換システムの工業炉への適用研究 Development of Thermoelectric Power Generation System for Industrial Furnaces 工業炉用輻射受熱式熱電変換システムの開発 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 Development of thermoelectric generating modules and system Development of Thermoelectric Power Generation System for Industrial Furnaces 工業炉用ふく射受熱式熱電変換システム技術の開発 高温用ふく射受熱式熱電変換システム技術の開発 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 太田稔智藤田浩一 徳永千恵子 藤田浩一 太田稔智 太田稔智 藤田浩一 徳永千恵子 太田稔智 藤田浩一 徳永千恵子 太田稔智 藤田浩一 徳永千恵子 中林貴 IHI IHI IHI IHI IHI 査読の有無 有 有 有 有 有 上松和夫 IHI 無 太田稔智 徳永千恵子 藤田浩一 太田稔智 藤田浩一 太田稔智 藤田浩一 徳良晋 上松和夫太田稔智 藤田浩一 徳良晋 上松和夫 IHI IHI IHI IHI 有 有 無 有 上松和夫 IHI 無 論文発表 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属 International Thermoelectric Society International Thermoelectric Society Development of the thermoelectric Devices for the Industrial Furnaces Development of Thermoelectric Power Generation System for Industrial Furnaces 徳永千恵子 藤田浩一 太田稔智太田稔智 藤田浩一 徳永千恵子 IHI IHI 査読の有無 有 有 73

174 International Thermoelectric Society Development of Thermoelectric Power Generation System for Industrial Furnaces 太田稔智 藤田浩一 徳良晋 上松和夫 IHI 有 新聞発表 新聞名発表日発表内容発表者備考 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録日発明の要旨発明者出願者所属 熱電半導体材料 該熱電半導体材料による熱電半導体素子 該熱電半導体素子を用いた熱電モジュール並びにこれらの製造方法温度保有体の警告装置熱電モジュール 熱電ユニット及び熱電モジュールの取付け方法 特願 特願 太田稔智 藤田浩一 吉澤廣喜 徳永千恵子太田稔智 IHI IHI 出願 / 登録 / 実施 出願 出願 特願 太田稔智 IHI 出願 熱電変換装置 特願 太田稔智 中林貴 IHI 出願 熱電変換用カスケー太田稔智 特願 ドモジュール藤田浩一 IHI 出願 熱電変換用カスケー太田稔智 特願 ドモジュール藤田浩一 IHI 出願 熱処理装置 特願 太田稔智 IHI 出願 熱処理装置 特願 太田稔智 IHI 出願 熱電変換装置 熱電モジュールの制御方法 特願 太田稔智 IHI 出願 熱電変換装置及び熱処理装置 特願 太田稔智 IHI 出願 熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法 不明 太田稔智 藤田浩一 上松和夫 IHI 出願 74

175 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 1 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 口頭発表等 助成先 : 宇部興産 ( 株 ) 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 2004 年春季応用物理学関係連合講演会日本金属学会 2004 年春期大会 技術情報協会講習会 第一回日本熱電学会学術講演会 日本熱電学会創立記念熱電講習会 日本ファインセラミックス協会第 19 回 JFCA テクノフェスタ 技術情報協会講習会 環境保全技術講座 主催 : 宇部環境国際協力協会熱電発電フォーラム主催 :( 財 ) エンジニアリング振興協会 後援 : 経済産業省 NEDO 熱電変換材料研究会講演会 ( 第 5 回 ) 主催:( 財 ) 広島市産業振興センター 日本熱電学会第 3 回研究会 主催 : 日本熱電学会 技術情報協会講習会 第 43 回下水道研究発表会 主催 :( 社 ) 日本下水道協会化学工学会九州支部第 38 回秋季大会 主催 : ( 社 ) 化学工学会熱電発電フォーラム主催 :( 財 ) エンジニアリング振興協会 後援 : 経済産業省 NEDO 平成 18 年度電気学会中国支部セミナー 主催 : ( 社 ) 電気学会中国支部 高い熱電特性及び機械的強度を有するβ-Zn4Sb3 材料高い熱電特性及び機械的強度を有するβ-Zn4Sb3 材料の組織構造熱電発電の実用化に向けて - 材料からモジュール システムまで : 研究開発事例紹介ー - 高い熱電特性及び機械的強度を有するβ-Zn4Sb3 材料およびモジュールこんな風に使える熱電発電技術 - 材料からモジュール システムまで : 研究開発事例紹介ー - 熱電発電技術の実用化に向けて 材料からモジュール システムまで Zn-Sb 系材料および高性能熱電変換モシ ュールの開発 - 材料からモジュール システムまで研究事例と併せて - こんな風に使える熱電発電技術 CO2 削減に向けて カスケードモジュールの開発 ( 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料 ) 熱電発電技術の実用化に向けて - 材料からモジュール システムまで - UBE の熱電発電技術実用化の取り組みと Zn-Sb 系 /Co-Sb 系材料を用いたカスケート モシ ュールの開発熱電発電の実用化動向 - 材料開発から モジュール システム設計事例 - 廃熱を電気に変換する熱電発電実証試験報告 大空靖昌宇部興産なし 大空靖昌宇部興産なし 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産なし 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産なし 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産なし 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産講師 藤井一宏宇部興産講師 菅原勝中川崇藤井一宏 美幌町住友重機械宇部興産 熱電発電の現状と将来藤井一宏宇部興産招待講演 カスケードモジュールの開発 ( 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料 ) なし 藤井一宏宇部興産なし 熱電発電技術の実用化に向けて藤井一宏宇部興産講師 論文発表 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 新版熱電変換システム技術総覧 ( リアライズ社 梶川他編 ) 内燃力発電所の排ガス利用発電 藤井一宏今泉幸男桜田敏生 宇部興産九州電力九州電力 執筆依頼 共著 75

176 新版熱電変換システム技術総覧 ( リアライズ社 梶川他編 ) 金属 ( アク ネ技術センター刊 ) 自動車エンジン排熱回収熱電発電藤井一宏宇部興産 Zn-Sb 系熱電材料およびモジュールの高性能化 執筆依頼 共著 藤井一宏宇部興産執筆依頼 月刊エコインダストリー (CMC 出版 ) 月刊マテリアルステージ 技術情報協会刊 Zn4Sb3 高性能熱電変換素子藤井一宏宇部興産執筆依頼 高効率熱電変換材料の開発と展望藤井一宏宇部興産執筆依頼 月刊マテリアルステージ 技術情報協会刊 熱電発電システムの実用化開発事例と最近の技術動向 藤井一宏宇部興産執筆依頼 セラミックス vol.40, No こんな風に使える熱電発電技術藤井一宏宇部興産執筆依頼 ファインセラミックスレポート, vol.23, No 熱電発電技術の実用化に向けて - 材料からモジュール システムまで - 藤井一宏宇部興産執筆依頼 熱電変換システムの効率化 高信頼性技術 ( 技術情報協会 編 ) 第 3 章熱電変換のモジュール設計 製作とそのポイント, 第 1 節熱電発電 藤井一宏 宇部興産 執筆依頼 共著 新聞発表 新聞名発表日発表内容発表者備考 日本工業新聞 日経産業新聞 第 2 期科学技術基本計画 (H13-17 年度 ) 熱電変換システム ( 中 ) 熱電 ~ 高温で高い性能を示す材料とモジュールの開発 ~ 宇部興産 宇部興産 窓口 :ENAA フ レスリリース 日刊工業新聞 中温度で高い変換効率宇部興産が熱電変換材料宇部興産フ レスリリース 化学工業日報 日刊工業新聞 熱電変換材料中温領域で高効率 で発電温度差を利用して発電熱電発電システム量産化技術開発へ 宇部興産 宇部興産 フ レスリリース 取材 日刊工業新聞 熱電変換開発プロ採集年度迎え成果相次ぐ宇部興産他 週刊ナノテク 宇部興産 世界最大のモジュール作製宇部興産取材 化学工業日報 熱電発電システム 2010 年実用へ開発加速宇部興産取材 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録日出願 / 登録番号出願人出願者所属 出願 / 登録 / 実施 熱電変換材料 特願 宇部興産宇部興産出願 熱電変換材料 特願 宇部興産宇部興産出願 熱電変換モジュール及びその製造方法 特願 宇部興産宇部興産出願 76

177 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 2 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 口頭発表等 助成先 :( 株 ) エコ トゥエンティーワン 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 粉体粉末冶金協会 メカニカルアイロング法による Co-Sb 系合金の構造変化 徳満和人東松剛 エコ 21 共同研究先エコ 21 論文発表 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 熱電国際会議 Thermoelectric Properties of Co-Sb Systems for Power Generation Module 木谷文一東松剛 江本寛 エコ 21 新聞発表 新聞名 発表日 発表内容 発表者 備考 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録発明の要旨出願人出願者所属 熱電変換モジュール 同時焼結体熱電素子のモジュール化のための電極構造 エコ 21 木谷文一 東松剛小笠原光敏 江本寛 出願 / 登録 / 実施 出願 77

178 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 3 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発助成先 :( 株 ) 小松製作所 口頭発表等 学会名等発表日発表題名 ( 社 ) 応用物理学会 熱電変換材料およびモジュールの開発 第 9 回熱 電気エネル 発電用熱電変換モジュールの実用化 ギー技術シンポジウ 開発 ム 熱電変換技術の進 展 熱電変換シンポジウ 発電用熱電変換モジュールの実用化 ム 2003 開発 熱電変換国際会議 (ICT)2003 熱電変換国際会議 (ICT) New approaches for highly accurate efficiency determination of thermoelectric generator modules Thermoelectric Properties of Bi-Sb Alloys Prepared by Plasticity Processing 平成 15 年秋季第 64 回応用物理学会学術講演会平成 15 年秋季第 64 回応用物理学会学術講演会 The first International Symposium on Micro & Nano Technology (Ismnt-1) 応用物理学会 Mg2B lv (B lv =Si,Sn,Ge) 系化合物のバンド構造パラメータ 熱電変換国際会議 (ICT)2004 熱電変換国際会議 (ICT2005) 78 発表者氏名 佐野精二郎 佐野精二郎 佐野精二郎 ルッツ ラウシャー 季鎔勲 発表者所属 コマツ コマツ コマツ コマツ コマツ MnSi が内在する HMS に対するモデル計算青山生人コマツ HMS 単結晶の熱電特性に及ぼす Mo 添加効果青山生人コマツ The microstructure of Manganese silicides (MnSi) in higher Manganese Silicides(HMS) 青山生人コマツ Development of the thermoelectric Generating modules using silicide And Bi-Te Development of thermoelectric generating stacked modules aiming for 15% of conversion efficiency ルッツ ラウシャー 海部宏昌 海部宏昌 コマツ コマツ コマツ 査読の有無 論文発表 学会誌等 発表日 発表題名 発表者氏名 発表者所属 査読の有無 金属, 74 (2004) No.8, 高性能ビスマス テルル系熱電変換モ ジュール 佐野精二郎 コマツ 無 Development of Transient Jpn.J.Appl.Phys., 45 measurement to investigate S (2006) No.11, 8805 thermoelectric properties in the Fujimoto コマツ 有 high temperature regiont Jpn. J. of Appl. Phys., 44, 2005, 8562 Jpn. J. of Appl. Phys., 44, 2005, Effects of Ge Doping on Micromorphology of MnSi in MnSi ~ 1.7 and on Their Thermoelectric Transport Properties Doping Effects on Thermoelectric Properties of Higher Manganese Ikuto Aoyama Ikuto Aoyama コマツ コマツ 有 有

179 4275 Silicides (HMSs, MnSi1.74 ) and Characterization of Thermoelectric Generating Module using p-type (Al, Ge and Mo)-doped HMSs and n-type Mg2Si0.4Sn0.6 Legs. 北陸先端科学技術大学院大学博士後期課程学位論文 2005 マンガンけい化物の熱電特性と熱電発電への適用 青山生人 コマツ 有 Efficiency determination and Meas. Sci. Technol., 16 (2005) No.5, general characterisation of thermoelectric generators using direct heat consumption L.Rauscher コマツ ( 現 :Bosch) 有 measurement エレクトロニクス実 応力緩和法を用いたはんだの弾塑性 装学会誌, 10 (2007) クリープ 粘塑性の物性値取得の効率 谷村利伸コマツ有 No.10, 52 化 新聞発表 新聞名 発表日 発表内容 発表者 備考 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録発明の要旨出願人出願者所属 素子性能測定装置 熱電モジュール 熱電モジュール 熱電材料及びその製造方法熱電モジュールの電極接合構造およびその作製方法 熱電材料の熱電特性評価装置に関する 熱電モジュールの電極形成に関する 熱電モジュールの素子形状に関する JP2005/ 熱電発電モジュールの拡散防止層に関する 小松製作所 小松製作所 小松製作所 小松エレクトロニクス 小松製作所 小松製作所 小松製作所 小松製作所 小松製作所 小松エレクトロニクス 小松製作所 小松製作所 出願 / 登録 / 実施 未審査請求 未審査請求 79

180 研究開発項目 熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 2 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 口頭発表等 助成先 :( 株 ) 小松製作所 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属 第 40 回日本伝熱シンポジウム第 40 回日本伝熱シンポジウム 22nd International Conference on Thermoelectrics 熱工学コンファレンス 2003 第 41 回日本伝熱シンポジウム 熱工学コンファレンス 2003 第 42 回日本伝熱シンポジウム第 43 回日本伝熱シンポジウム 論文発表 縦板上凝縮熱伝達の促進 ( 離散化伝熱面におけるローフィン効果 ) 儲仁才 コマツ 沸騰 凝縮型熱電発電に関する研究門谷晥一コマツ Thermoelectric Generator Utilizing Boiling-Condensation Ren CHU Cai コマツ 沸騰 凝縮型熱電発電に関する研究儲仁才コマツ ローフィンによる縦板上凝縮熱伝達の促進について ( 離散化効果の予測について ) 儲仁才 コマツ 多管径蒸発器の特性評価儲仁才コマツ 縦板上凝縮熱伝達の促進 ( 離散フィン付伝熱面における諸寸法の影響 ) 縦板上凝縮熱伝達の促進 ( 離散伝熱面におけるフィン厚みの影響 ) 儲仁才 儲仁才 コマツ コマツ 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属 Thermal Science and Engineering Thermal Science and Engineering コージェネレーション 2006,vol.21,No1 Thermal Science and Engineering Enhancement of Condensation Heat Transfer on a Vertical Plate by Low-Fin(Prediction of Condensation on a Dispersed Surface Enhancement of Condensation Heat Transfer on a Vertical Plate (Effect of Size on a Dispersed Finned Surface) 熱電発電システムのコージェネレーションへの適用縦板上凝縮熱伝達の促進 ( 離散伝熱面におけるフィン厚みの影響 ) Ren CHU 儲仁才 畠康彦 Cai コマツ コマツ コマツ 儲仁才コマツ有 新聞発表 新聞名 発表日 発表内容 発表者 備考 日本工業新聞 第 2 期科学技術基本計画 (H13-17 年度 ) 淵上正朗 ( コ窓口 : 8 熱電変換システム ( 下 ) マツ ) ENAA 特許出願 登録 発明の名称 出願 / 登録日 発明の要旨 出願人 出願者所属 熱電発電装置 特願 儲仁才他コマツ出願 蒸発器 特願 儲仁才他コマツ出願 査読有無 査読有無 出願 / 登録 / 実施 Thermoelectric Module US2003/ A1 Heat Exchanger US2003/ A1 Ren CHU Ren CHU Cai Cai コマツ コマツ 出願 出願 80

181 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 2 低温域排熱利用高効率熱電変換モジュールの開発研究開発項目 2 熱電変換システムの開発 (1) 産業用熱電変換システム 3 低温排熱回収熱電変換システムの開発 助成先 :( 株 ) 東芝 口頭発表等 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 International Conference on Thermoelectrics 2003 International Conference on Thermoelectrics /8/ /8/17-21 Enhancement of Energy Use by Simultaneous of Use of Cooling and Heating Acting during Thermoelectric Conversion Effect of manufacturing parameters on Properties of thermoelectric module K.Sasaki 他 T.hino 他 東芝 東芝 SPS 研究会 2004/11/23 SPS 法により作製した BiTe 系熱電変換材料の特性評価 日野他 東芝 International Conference on Thermoelectrics /07/26-28 Development of skeleton-type Thermoelectric module power generation 高久他 東芝 European Thermoelectric Society /9/15-17 Development of waste heat recovery System from transformer with Bi-Te thermoelectric modules 村上他 東芝 Materials Reserch Society 2004/11/30 Mechanical Aspects of Structural Optimization in a Bi-Te Thermoelectric Module for Power Generation 中谷他東芝有 熱電変換材料研究会講演会 ( 第 5 回 ) 2006/3/10 低温排熱向け熱電変換システムの開発 佐々木他 東芝 熱電変換材料研究会講演会 ( 第 5 回 ) 2006/3/10 BiTe 系熱電変換モジュールの開発日野他東芝 日本熱電学会第 3 回研究会 2006/06/05 ビスマス テルル系高効率モジュールの開発 日野他 東芝 応用物理学会 2006/8/ 以下の排熱を回収する熱電変換システムの開発 日野他 東芝 第 104 回電子プロセス セラミックス研究会 2006/09/30 ビスマス テルル系高効率モジュールの開発 日野他 東芝 81

182 論文発表 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 新聞発表 新聞名発表日発表内容発表者備考 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録日出願 / 登録番号出願人出願者所属 出願 / 登録 / 実施 熱電変換装置 2004/2/18 P 高久歴他東芝出願 熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法熱電変換材料の製造方法 熱電変換材料および熱電変換モジュール 2004/4/6 P 中谷祐二郎他 2004/4/22 P 日野武久他東芝出願 東芝 出願 熱電変換システム 2004/6/8 P 村上和也他 東芝 出願 熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法 2004/6/25 P 日野武久他東芝出願 熱電変換システム 2005/7/7 P 村上和也他 東芝 出願 熱電変換システム信頼性評価装置及び方法 2007/1/24 P 中谷祐二郎他 東芝 出願 82

183 研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発研究開発項目 2 熱電変換システムの開発 (2) 民生用熱電変換システム 1 プロジェクター光源排熱利用熱電変換システムの開発 口頭発表等 助成先 : ヤマハ 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 ICT ICT 論文発表 Performance and Application of Thermoelectric Modules for Consumer Use Fabricated with (Bi,Sb)2(Te,Se)3 using a Rapid Solidification Technique Application of Thermoelectric Modules Fabricated with (Bi,Sb)2 (Te,Se)3 using Rapid Solidification Technique for the Projector System 堀尾裕磨ヤマハ 有 堀尾裕磨ヤマハ 有 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読の有無 新聞発表 新聞名発表日発表内容発表者備考 化学工業日報 熱電変換プロジェクター開発ヤマハ 広報部 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録日出願 / 登録番号出願人出願者所属 排熱利用装置 熱発電装置 熱発電装置 熱発電装置 ランプ排熱を利用して熱電変換 光源から板状の吸熱材 ランプ内部に吸熱材敷設 モジュール通過熱を再利用 出願 / 登録 / 実施 堀尾他ヤマハ株式会社出願 橘ヤマハ株式会社出願 橘ヤマハ株式会社出願 橘ヤマハ株式会社出願 熱発電装置 断熱箱を設置橘他ヤマハ株式会社出願 排熱利用装置 熱発電装置 熱発電装置 光源からの有効熱利用 ランプ内に吸熱部材設置 堀尾他ヤマハ株式会社出願 堀尾他ヤマハ株式会社出願 熱抵抗値最適化橘他ヤマハ株式会社出願 光源ランフ 付機器 神村他ヤマハ株式会社出願 光源機器 堀尾ヤマハ株式会社出願 83

184 究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発 (3) 熱電変換モジュール性能評価技術研究開発項目 2 熱電変換システムの開発 (3) 熱電変換システム用途調査 助成先 :( 財 ) エンジニアリング振興協会 口頭発表等 学会名等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読有無 2003 年春季応用物理学関係連合講演会 ENAA 研究成果発表会第 257 回サロン ド エナ熱電変換シンポジウム 2003 地方の活性化をめざした地下空間利用 環境技術研究会 DOE/EPRI High Efficiency Thermoelectrics Workshop 日本セラミックス協会 2004 年年会研究発表 ENAA 研究成果発表会 高効率熱電変換システムの開発梶川 尾崎 高効率熱電変換システムの開発尾崎 他 ~ ICT ICT ICT ICT 排熱が直接電気に 電気が直接冷熱に~ 進展する熱電変換事業 ~ 発電モジュールの性能評価装置の試作 環境課題に向けたこれからの社会資本 An Assessment of Activity in Asia and Europe 熱電発電システムにおける熱電材料の新展開 梶川 高澤 高橋他 宮川 梶川他 梶川 尾崎 高効率熱電変換システムの開発伊藤 他 Development of a precise evaluation technique for thermoelectric modules. 2-Dimensional Mismatch Power Loss Analysis On Thermoelectric Power Generator Systems Japanese National Project/Development for Advanced Thermoelectric Conversion Systems The Progress of the Development for Advanced Thermoelectric Conversion Systems 小原 軽部 他 永吉 山口 他 梶川 尾崎他 梶川 尾崎山口他 湘南工科大学 ENAA ENAA 宇部 コマツ湘南工科大学 ENAA 産総研 ENAA ENAA 湘南工科大学 ENAA 湘南工科大学 ENAA ENAA IHI ヤマハ 産総研 ENAA 湘南工科大学 ENAA 湘南工科大学 ENAA 湘南工科大学 ENAA ENAA 研究成果発表会 高効率熱電変換システムの開発山口 他 ENAA eco21 東芝 熱電発電フォーラム 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクトについて 梶川 湘南工科大学 ENAA 熱電発電フォーラム 熱電発電モジュールの性能評価技術 小原 産総研 ENAA 熱電発電フォーラム 熱電変換の多様な活用に向けて藤田 東京海洋大 ENAA 84

185 熱電学会第 3 回研究会 高効率熱電変換システムの開発プロジェクト 梶川 大西 湘南工科大学 ENAA ENAA 研究成果発表会 ICT ICT ICT 高効率熱電変換システムの開発大西 ENAA The Present Status and Prospect of progress of the Development for Advanced Thermoelectric Conversion Systems Efficiency measurementdetermination of thermoelectric modules operating in the temperature difference of up to 550K Application of Thermoelectric Conversion Modules to Cogeneration Systems 梶川 山口 大西他 小原 小林他 亀谷 藤田 山口他 湘南工科大学 ENAA 産総研 ENAA 東京海洋大 ENAA 応用物理学会 熱電発電システムの最前線梶川 大西 熱電発電フォーラム 熱電発電フォーラム 熱電発電フォーラム 高効率熱電変換システムの開発 の総括 熱電発電モジュールの性能評価技術 熱電変換システムの多様な活用に向けて 梶川 小原 藤田 湘南工科大学 ENAA 湘南工科大学 ENAA 産総研 ENAA 東京海洋大 ENAA 論文発表 学会誌等発表日発表題名発表者氏名発表者所属査読有無 工業材料 高効率熱電材料の最新動向梶川湘南工科大学 新聞発表 新聞名発表日発表内容発表者備考 日本工業新聞 日本工業新聞 日本工業新聞 第 2 期科学技術基本計画 (H13-17 年度 ) 熱電変換システム ( 上 ) 第 2 期科学技術基本計画 (H13-17 年度 ) 熱電変換システム ( 中 ) 第 2 期科学技術基本計画 (H13-17 年度 ) 熱電変換システム ( 下 ) 梶川 PL ENAA 長澤俊夫 ( 宇部興産 ) 淵上正朗 ( コマツ ) 窓口 : ENAA 同上 同上 分散型発電新聞 熱電発電フォーラム開催報告同上 分散型発電新聞 熱電発電フォーラム開催報告同上 特許出願 登録 発明の名称出願 / 登録日出願 / 登録番号出願人出願者所属出願 / 登録 / 実施 85

186 2. 分科会における説明資料本資料は 分科会において プロジェクト実施者がプロジェクトを説明する際に使用したものである 2-2

187 概要 ( 公開資料 ) 高効率熱電変換システムの開発 ( 事後評価 ) 分科会資料 5-3 省エネルギー技術開発プログラム (Ⅷ. 地球温暖化防止新技術プログラム ) 高効率熱電変換システムの開発 ( 平成 14 年度 ~ 平成 18 年度 5 年間 2/3 助成事業 ) 事後評価概要説明 NEDO 技術開発機構ナノテクノロジー 材料技術開発部 平成 19 年 6 月 15 日 2007/6/15 1 概要 ( 公開資料 ) 事業の概要 事業原簿 ⅰ 頁 事業内容 民生及び産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーとして利用することのできる熱電変換モジュール及びシステム技術を実用化する 研究開発課題 1 熱電変換モジュールの開発 2 熱電変換システムの開発 2007/6/15 2

188 概要 ( 公開資料 ) 政策的位置付け 事業原簿 ⅰ 頁 地球温暖化対策推進大綱 ( 平成 14 年 3 月 19 日 ) 2008~12 年における温室効果ガス排出量の 1990 年比 2% 2% 削減 革新的なエネルギー 環境技術 で 0.6% 削減 地球温暖化防止新技術プログラム未利用熱エネルギーを電気エネルギーに変換し 温室効果ガスの排出を低減する 省エネルギー技術開発プログラム地球温暖化防止新技術プログラムの革新的エネルギー消費削減技術開発の省エネルギ - 技術開発プログラムへの移行 2007/6/15 3 概要 ( 公開資料 ) 事業の背景 目的 事業原簿 3 頁 背景未利用排熱の電気エネルギー回収による省エネルギー熱電変換モジュール システム技術の優位性小規模 分散型システム向け排熱有効利用技術地球温暖化問題への対応持続的経済成長やエネルギー安定供給に配慮し 二酸化炭素の排出抑制を進める目的民生及び産業分野から発生する未利用熱エネルギーを熱電変換素子によって電気エネルギーとして利用することのできる熱電変換モジュール及びシステム技術の実用化技術の確立 2007/6/15 4

189 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 3 頁 事業の位置付け 国内外の研究開発の動向の中での位置付け 熱電変換効率の飛躍的向上 コンセプト実証段階や実験室レベル 宇宙では JPL( 米 ) 商品化は Hi-Z 社 エネルギー分野では DOE( 米 ) が実施国内メーカーの技術力 モジュール システム 評価技術で 世界でもトップレベル 高性能かつ高耐久性モジュールおよびシステムの実用化技術を確立する本成果により 未利用排熱の利用による省エネルギーや二酸化炭素削減に貢献する 2007/6/15 5 概要 ( 公開資料 ) 熱電発電 / 熱電冷却の適用先 ( 市場ニーズ ) 事業原簿 54 頁 分野 段階 製品例 発電 分野 段階 製品例 発電 光通信 半導体レーザパッケージ 小型冷温ボックス 赤外線センサパッケージ 冷水器 電子デバイス CPU 冷却 ワインセラー カロリメータ ビールサーバー ウエハ冷却用プレート ダストクーラー 循環水恒温装置 保冷米びつ 半導体製造 薬液恒温装置 快眠カプセル 電子恒温槽 ペルチェ式空気清浄器 恒温湿エア供給装置 家庭用 ミニチュア発電器 ( ろうそくラジオ ) 熱電チラー 熱電腕時計 0 基準温度装置 コードレスファンヒータ 除湿器 風呂釜温度制御 理化学分析機器 恒温水循環装置 マイクロコンバスタ マイクロ発電システム ( モバイル用電源 ) 冷却保管庫 モスキートマグネット 電子氷温インキュベータ 被災地緊急電源 培養器, 血液分析器, ヘモグロビン分析器 自己冷却システム 赤外線センサ 室内空気循環装置 水素センサ 小型冷蔵庫 マイクロチップベースの化学センサ 適温庫 センサ ナノ温度センサ 業務用可搬クーラ 水蒸気濃度センサ業務用 コーヒー豆温度制御 熱伝導率測定センサ オフィスパーソナル空調 CCD 冷却 プロジェクタ 能動カテーテル 軍用 可搬型発電器 医療用 人工心筋 熱電発電 (RTGなど) 宇宙船電源 心臓ペースメーカー用長期安定電源 SP100 計画 社会インフラ 変圧器 無線中継基地局電源 無保守電源工業炉 抵抗加熱式工業炉 パイプライン腐食防止用電源 自家発電 コージェネレーション 超電導体冷却超電導自動車 大型ディーゼル車排ガス発電 電流リード 温度調節シートその他 表面張力用マイクロポンプ 注 ) 段階 : 実用化 試作 基礎研究 2007/6/15 6

190 概要 ( 公開資料 ) 熱電変換システムのメリット 事業原簿 55 頁 共通 長寿命で信頼性が高い 省スペース 小型軽量 形状が自由に選定できる 応答が速い 可動部がなく振動がない スケールメリットがないため, 小型設備に有利 発電素子として あらゆる熱源から電気を取り出すことが可能 単位表面積あたりの発電量は PV PVの数倍から数十倍 ペルチェ素子として 極の切替えで冷却も加熱も可能 高精度の温度制御が可能 冷媒が不要 電気配線のみで取扱いが簡単 2007/6/15 7 概要 ( 公開資料 ) 事業の位置付け 必要性 - 実施の効果 - 事業原簿 ⅰ 頁 産業ならびに民生分野で熱電変換システムを適用した場合の省エネルギー効果および二酸化炭素排出削減効果 発電量 原油削減量 二酸化炭素削減量 (2010 年 ) 57GWh/ 年 2.7 万 kl/ 年 2.1 万 t-co 2 / 年 (2020 年 )1,629GWh/ 年 33.0 万 kl/ 年 60.3 万 t-co 2 / 年 (2030 年 )5,590GWh/ 年 万 kl/ 年 万 t-co 2 / 年 注 ) 商用電源の二酸化炭素排出原単位 0.37kg-CO2/kWhを乗じて二酸化炭素削減量を算定 ( 出典 : 電気事業における環境行動計画 1999 年 9 月電気事業連合会 ) 2007/6/15 8

191 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅲ 5 頁 研究開発テーマ : 高効率熱電変換モジュールの開発 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール 高温域 Zn-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発開発 (( 宇部興産 )) 高温域 Co-Sb 系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (( エコエコ21) 高温域シリサイド系 低温域 Bi-Te 系材料を用いたカスケードモジュールの開発 (( コマツ )) 低温域熱電変換モジュール プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュールの開発 (( ヤマハ )) 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュールの開発 ( 東芝東芝 ) 熱電変換モジュール性能評価技術 ( エンジニアリング振興協会 ) 2007/6/15 9 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅲ 5 頁 研究開発テーマ : 高効率熱電変換システムの開発 産業用熱電変換システム 抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの開発 (IHI) (IHI) ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 (( コマツ )) 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 (( 東芝東芝 )) 民生用熱電変換システム プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換システムの開発 (( ヤマハ )) 熱電変換システム用途調査 多用な適用に関する分析 まとめ (( エンジニアリング振興協会 )) コージェネレーションシステム (CGS) の検討 ( エンジニアリング振興協会 ( )) 2007/6/15 10

192 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 7 頁モジュールとシステムの適用温度域 モジュール Bi-Te Bi-Te Co-Sb/Bi-Te カスケード Zn-Sb/Bi-Te カスケード Silicide/Bi-Te カスケード 東芝 ヤマハ eco21 宇部 コマツ システム T h [K] Cooling Oil 変圧器 プロジェクター コージェネレーション 東芝 ヤマハ コマツ 抵抗加熱式工業炉 IHI 2007/6/15 11 概要 ( 公開資料 ) 事業推進体制の構築 プロジェクトリーダーの指名 プロジェクトリーダーのもと プロジェクト運営 2007/6/15 12

193 概要 ( 公開資料 ) 研究連携体 事業原簿 ⅳ 16 頁 METI NEDO 技術開発機構 H15 年度 ~ Project Leader 熱電推進委員会 委員長 : 柏木教授 ( 東京農工大大学院 ) 平成 14 年度 ~ 平成 18 年度 22 回開催 梶川教授 ( 湘南工科大学学長 ) [ENAA 顧問 ] *ENAA IHI 宇部興産 コマツ 東芝 ヤマハ モジュール性能評価技術産総研 平成 17 年度以降 *ENAA: エンジニアリング振興協会 2007/6/15 13 概要 ( 公開資料 ) 事業の計画内容 開発予算 事業原簿 ⅲ 頁 計画内容 主な実施事項 H14 年度 H15 年度 H16 年度 H17 年度 H18 年度 H19 年度 熱電変換モジュールの開発 注 ) 効率 12% (ΔT 550K) 効率 15% (ΔT 550K) 熱電変換システムの開発 注 ) 成果とりまとめ中間評価 事後評価 注 )H14 年度は経済産業省直轄 開発予算 会計 勘定 特別会計 ( 高度化 補助率 2/3) 単位 : 百万円 H14 H15 H16 H17 H18 合計 特別会計 ( 高度化 助成額 ) , /6/15 14

194 概要 ( 公開資料 ) 研究開発成果 熱電変換効率 15% の高効率熱電変換モジュール ( モジュール両端の温度差は 550K を基準 ) の目処を確立した 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し 実用化技術を確立した 2007/6/15 15 概要 ( 公開資料 ) 情勢変化への対応 事業原簿 ⅳ 頁 平成 14 年度 経済産業省の直轄事業として開始 経済産業省において基本計画策定 < 平成 15 年度 NEDO に移管 > 平成 15 年 3 月 本事業の技術開発課題を NEDO 制定 平成 16 年 3 月 独立行政法人化に伴い 名称及び根拠法等 改訂ならびに実施担当部変更 ( 省エネルギー技術開発部 ナノテクノロジー 材料技術開発部 ) 平成 16 年度の中間評価結果への対応 ( ( 株 )) エコ トゥエンティーワンは 平成 16 年度で目標達成したため プロジェクト終了 2007/6/15 16

195 概要 ( 公開資料 ) 中間評価結果への対応 事業原簿 ⅳ 頁 中間評価対象研究開発項目 1 熱電変換モジュールの開発研究開発項目 2 熱電変換システムの開発対応 (1) (1) 沸騰 凝縮熱伝達の最適化 対流伝熱促進 ふく射伝熱の最適化の検討等 熱技術の拡充 (2) (2) 熱電変換技術の普及 啓蒙 市場開拓の必要性から 熱電発電フォーラム によるユーザーへの情報提供 交換を促進 (3) (3) 多様な熱源とユーザーニーズに応えるモジュール仕様の検討 (4) (4) 熱抵抗低減要因の総合的検討によるシステム効率目標の達成 (5) (5) 実用化 事業化に対する事業部との協力強化 2007/6/15 17 概要 ( 公開資料 ) 第 1 回 高効率熱電変換システムの開発 ( 中間評価 ) 分科会資料 5-3 高効率熱電変換システムの開発 ( 助成事業 ) プロジェクトの背景と概要 プロジェクトリーダー梶川武信 平成 19 年 6 月 15 日 2007/6/15 18

196 概要 ( 公開資料 ) 事業全体の最終目標 事業原簿 4 頁 熱電変換効率 15% の高効率熱電変換モジュールの目処を得る ( モジュール両端温度差は 550 を基準 ) モジュールの発電電力量熱電変換効率 = モジュールの発電電力量 +モジュール放熱量 高効率熱電変換モジュールを用いたシステムを実証し実用化技術を確立する 2007/6/15 19 概要 ( 公開資料 ) 熱電変換システム概念図と定義 事業原簿 4 頁 適用熱源の排熱量 = システムへの入熱量 Q sh 熱交換効率 :η hx =Q mh /Q sh システム損失熱量 :Q s1 ( 放熱装置以外からの放熱 ) 熱電変換モジュール 熱電変換システム モジュールへの入熱量 Q mh モジュール損失熱量 :Q m1 モジュール放熱量 :Q mc モジュール発電電力量 :P m 電力変換ロス システム発電電力量 :P s システム放熱量 :Q sc ( 放熱装置からの放熱 ) モジュール効率 :η m =P m /(Q mc +P m ) システム効率 :η s =P s /Q sh 2007/6/15 20

197 概要 ( 公開資料 ) 目標設定の考え方 事業原簿 8 頁 熱電変換システムへのニーズ実用化され CO 2 削減 省エネに大きく貢献するためには システム効率は 10% 近いレベル モジュール効率 12~15% 程度が必要熱電変換モジュールのシーズモジュール効率 15% は世界的にも極めて高い値 先導研究 の調査結果等から 達成の見通しがつきつつあった材料により モジュール効率 15% を目指す実用化加速のための目標最終目標として 15% の高効率熱電変換モジュールの目処を確立し 実用化を加速する 2007/6/15 21 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 4 頁多様なモジュール開発の必要性 熱電変換システムが多方面で実用化されるためには 多様なモジュールの開発が必要 適用温度レベルに対応した効率最適化形状 寸法 耐久性のニーズに対する最適化 製造プロセスの多様性 素子材料創製法 モジュールの製法 電極 素子接合技術 実装技術 2007/6/15 22

198 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 7 頁 熱電変換モジュール & システム適用温度域 温度 ヤマハ / 東芝 Bi-Te 系 ( 低温用 ) (K) 熱電変換 モジュール Zn-Sb 系宇部スクッテルダイト系 eco21( 高温用 ) シリサイド系コマツ カスケード 宇部 /eco21/ コマツ 東芝 変圧器 熱電変換 システム ヤマハ フ ロシ ェクタ 分散型電源 コーシ ェネレーション宇部 / エコ21/ コマツ IHI 電気炉 製鉄所 2007/6/15 23 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 5 29 頁熱電変換モジュールの個別研究目標 分類 (1) 高温域熱電変換モジュール & カスケード型熱電変換モジュール (2) 低温域熱電変換モジュール 高効率熱電変換モジュール Zn-Sb/Bi-Te カスケード ( 宇部興産 ) Co-Sb/Bi-Te カスケード ( エコ21) シリサイド /Bi-Te カスケード ( コマツ ) Bi-Te ( ヤマハ ) Bi-Te ( 東芝 ) 最終目標 使用温度域 ΔT=550K T h ~T L (ΔT) 効率 [%] 相当効率 450 ~50 723K~323K (400K) 427 ~27 700K~300K (400K) 580 ~30 853K~303K (550K) 200 ~50 473K~323K 5.3 (150K) 130 ~30 403K~303K 4.2 (100K) 目処を確立 2007/6/15 24

199 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 43 頁熱電変換モジュール性能評価技術 評価技術開発定型 300 級評価装置並びに評価技術を確立定型 700 級評価装置並びに評価技術を確立 モジュールの統一的かつ公正な性能評価 (( 財 )) エンジニアリング振興協会 /( /( 独 )) 産業技術総合研究所で評価 定型 300 級評価装置 2007/6/15 定型 700 級評価装置 25 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 6 30 頁熱電変換システムの個別研究目標 高効率熱電変換システム抵抗加熱式工業炉用熱電変換システムの 1 開発 IHI 産業用 2 3 民生 1 用 ディーゼルエンジンコージェネレーション向け高効率熱電変換システムの開発 コマツ 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換システムの開発 東芝 プロジェクター光源排熱利用熱電変換システムの開発 ヤマハ 最終目標値温度差 550Kでのモジュール効率 15% 相当の実現を前提として モジュール端温度 600 [873K]~ 50 [323K] の輻射伝熱環境下で ユニット効率 10% を与えうるユニットの開発を行う 熱交換器効率 77% 高温源 500 [773K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.3% 発電出力 3kW 級の確立を行う 30 [303K]~130 [403K] で効率 4.2% のモジュール使用時に 社会インフラ関連機器への適用システムとして システム効率 3.0% の目処を得る コスト面では低温の排熱回収システム89 万円 /kw( 温度差 100 ) の目処を得る 高温源 150 [423K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% 高温源 200 [473K]~ 低温源 50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% ユニット : 熱電変換システムの最小単位 2007/6/15 26

200 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅴ 29 頁熱電変換モジュール目標達成状況 (1/2) 高効率熱電変換モジュール 1 (1) 高温域熱電変換モジュール 2 & カスケード型熱電変換モジュール 3 (2) 低温域熱電変換モジュール 1 2 Zn-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュール 宇部興産 Co-Sb/Bi-Te カスケート モシ ュール eco21 シリサイト 系 /Bi-Teカスケート モシ ュール コマツ プロジェクター光源等の低温域排熱利用熱電変換モジュール ヤマハ 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収熱電変換モジュール 東芝 目標値 使用温度域 効率 ΔT=550K 結果 Th~Tc(ΔT) [%] 相当効率 450 ~ % モジュール実 723K~323K 証 (400K) 9.7% 素子レヘ ル目処 427 ~ % モジュール目 700K~300K 処 (400K) 580 ~ % モジュール実 853K~303K 証 (550K) 14.8% 素子レヘ ル目処 200 ~50 473K~323K (150K) 130 ~30 403K~303K (100K) 未達注 ) ( 当初 Zn 4 -Sb 3 系にて検討したが耐久性の関係でZn-Sb 系に変更 ) 2007/6/15 27 達成 達成 % モジュール実証達成 4.2 目処を得る注 )Zn-Sb/Bi-Te カスケードの場合 耐久性を優先 3.6% モジュール実証 4.2% 素子レヘ ル目処 達成度 達成 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅴ 29 頁熱電変換モジュール目標達成状況 (2/2) 変換効率 η m (%) 最終目標 素子レベル モジュール実証 T ce =300K 従来報告されている値 T ce =303K T ce =323K 東芝 T ce =303K ヤマハ 宇部エコ 21 T ce =323K コマツ 従来値の 2~3 倍達成は世界最高 温度差 ΔT =T he -T ce (K) 2007/6/15 28

201 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅵ 30 頁熱電変換システム目標達成状況 (1/2) 産業用 高効率熱電変換システム 民生 1 用 抵抗加熱式工業炉用 IHI ディーゼルエンジンコージェネレーション向け コマツ 低温排熱 ( 変圧器用等 ) 回収 東芝 プロジェクター光源等の低温排熱利用 ヤマハ 最終目標値結果達成度 600 [873K]~50 [323K] のふく射環境下で ユニット効率 10% 熱交換器効率 77% 500 [773K]~50 [323K] で システム効率 4.3% 発電出力 3.0kW 30 [303K]~130 [403K] で効率 4.2% のモジュール使用 社会インフラ関連機器への適用熱電変換システムとして 3.0% の目処を得る 排熱回収システム 89 万円 /kw ( 温度差 100 ) の目処を得る 150 [423K]~50 [323K] の条件下で システム効率 3.2% 200 [473K]~50 [323K] の条件下で システム効率 4.5% ユニット効率 7.4% 実証 ユニット効率 10.2% 目処 熱交換器効率 79.9% 実証 システム効率 4.3% 実証 システム効率 2.2% 実証 システム効率 3.0% 目処 システム効率 3.2% 実証 システム効率 4.5% 実証 2007/6/15 29 達成 達成 達成 達成 概要 ( 公開資料 ) 事業原簿 ⅵ 30 頁熱電変換システム目標達成状況 (2/2) システム効率 η(%) 東芝 最終目標 目処 実証 従来報告されている値 ヤマハ コマツ IHI システム効率は世界最高レベルを達成 モジュール高温側温度 T h ( K ) 2007/6/15 30

202 概要 ( 公開資料 ) 成果の発表 広報 事業原簿 ⅵ 28 頁 投稿論文 :108 件 2004 年 7 月の ICT2004 に於いて 本プロジェクトの発表論文が Best Application Paper Award を受賞 ICT で 件海外発表 応用物理学会 日本セラミック協会 日本伝熱シンポジュウム 熱工学コンファレンス エン振協成果発表会等で幅広く発表 フォーラム開催 :400 名参加熱電発電フォーラム 2005(150 名参加 )) 熱電発電フォーラム 2006(250 名参加 )) 特許 :39 件 ( 出願済 ) 新聞発表 : 15 件 2007/6/15 31 概要 ( 公開資料 ) 実用化 事業化について 事業原簿 58 頁 システムモジュール 宇部興産コマツ東芝ヤマハ 工業炉 (IHI) 400 (*) 550 システム適用先プロジェクト内プロジェクト外 ( 主たる候補事例 ) 産業民生産業民生移動体コーシ ェネ社会インフラフ ロシ ェクタコーシ ェネその他 ( コマツ ) ( 東芝 ) ( ヤマハ ) レーションその他 汚泥処理 ( テ ィーセ ル ) 変圧器 社会インフラ (*) 工業炉に関しては 当初エコ 21 のモジュールを用い 現在はコマツのモジュールを使用 2007/6/15 32

203 概要 ( 公開資料 ) 今後の展開 事業原簿 ⅵ ⅶ 頁 実用化 事業化の推進 熱電変換モジュール開発システムへの適用の推進モジュールの試作品提供による新たな適用例への応用 熱電変換システム抵抗加熱式工業炉 コージェネレーション 変圧器 プロジェクター等の応用システムの実用化 事業化の推進 2007/6/15 33

204 参考資料 1 評価の実施方法

205 本評価は 技術評価実施規程 ( 平成 15 年 10 月制定 ) に基づいて研究評価を 実施する 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 (NEDO) における研究評価の手順は 以下のように被評価プロジェクト毎に分科会を設置し 同分科会にて研究評価を行い 評価報告書 ( 案 ) を策定の上 研究評価委員会において確定している NEDO 技術委員 技術委員会等規程 に基づき研究評価委員会を設置 研究評価委員会はその下に分科会を設置国民 NEDO 評価結果公開 理事長評価結果の事業等への反映評価書報告 推進部署 研究評価委員会 分科会 A 評価報告書 ( 案 ) 審議 確定分科会 C 分科会 B 分科会 D 評価報告書 ( 案 ) 作成 事務局研究評価部推進部署 プロジェクトの説明 実施者 参考資料 1-1

206 1. 評価の目的 評価の目的は 技術評価実施規程 において 業務の高度化等の自己改革を促進する 社会に対する説明責任を履行するとともに 経済 社会ニーズを取り込む 評価結果を資源配分に反映させ 資源の重点化及び業務の効率化を促進する としている 本評価においては この趣旨を踏まえ 本事業の意義 研究開発目標 計画の妥当性 計画と比較した達成度 成果の意義 成果の実用化の可能性等について検討 評価した 2. 評価者 技術評価実施規程に基づき 事業の目的や態様に即した外部の専門家 有識者からなる委員会方式により評価を行う 分科会委員選定に当たっては以下の事項に配慮して行う 科学技術全般に知見のある専門家 有識者 当該研究開発の分野の知見を有する専門家 研究開発マネジメントの専門家 経済学 環境問題その他社会的ニーズ関連の専門家 有識者 産業界の専門家 有識者また 評価に対する中立性確保の観点から事業の推進側関係者を選任対象から除外し また 事前評価の妥当性を判断するとの側面にかんがみ 事前評価に関与していない者を主体とする これらに基づき 分科会委員名簿にある6 名を選任した なお 本分科会の事務局については 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構研究評価部が担当した 3. 評価対象 平成 14 年度に開始された 高効率熱電変換システムの開発 プロジェクトを評価対象とした なお 分科会においては 当該事業の推進部署から提出された事業原簿 プロジェクトの内容 成果に関する資料をもって評価した 4. 評価方法分科会においては 当該事業の推進部室及び研究実施者からのヒアリングと そ 参考資料 1-2

207 れを踏まえた分科会委員による評価コメント作成 評点法による評価及び実施者側等との議論等により評価作業を進めた なお 評価の透明性確保の観点から 知的財産保護の上で支障が生じると認められる場合等を除き 原則として分科会は公開とし 研究実施者と意見を交換する形で審議を行うこととした 5. 評価項目 評価基準 分科会においては 次に掲げる 評価項目 評価基準 で評価を行った これは 研究評価委員会による 各分科会における評価項目 評価基準は 被評価プロジェクトの性格 中間 事後評価の別等に応じて 各分科会において判断すべきものである との考え方に従い 第 1 回分科会において 事務局が 研究評価委員会により示された 標準的評価項目 評価基準 ( 参考資料 1- 頁参照 ) をもとに改訂案を提示し 承認されたものである プロジェクト全体に係わる評価においては 主に事業の目的 計画 運営 達成度 成果の意義や実用化への見通し等について評価した 各個別テーマに係る評価については 主にその目標に対する達成度等について評価した 参考資料 1-3

208 評価項目 評価基準 1. 事業の位置付け 必要性について (1)NEDO の事業としての妥当性 省エネルギー技術開発プログラムの下で実施する事業の場合 当該施策の目的達成のために寄与しているか 民間活動のみでは改善できないものであること 又は公共性が高いことにより NEDO の関与が必要とされる事業か 当該事業を実施することによりもたらされる効果が 投じた予算との比較において十分であるか (2) 事業目的の妥当性 内外の技術開発動向 国際競争力の状況 エネルギー需給動向 市場ニーズ 政策動向等から見て 事業の目的は妥当か 2. 研究開発マネジメントについて (1) 研究開発目標の妥当性 内外の技術動向 市場ニーズ等を踏まえて 戦略的な目標が設定されているか 具体的かつ明確な開発目標を可能な限り定量的に設定しているか 目標達成度を測定 判断するための適切な指標が設定されているか (2) 研究開発計画の妥当性 目標達成のために妥当なスケジュール 予算 ( 各個別研究テーマ毎の配分を含む ) となっているか 目標達成に必要な要素技術を取り上げているか 研究開発フローにおける要素技術間の関係 順序は適切か 継続プロジェクトや長期プロジェクトの場合 技術蓄積を 実用化の観点から絞り込んだうえで活用が図られているか (3) 研究開発実施者の事業体制の妥当性 適切な研究開発チーム構成での実施体制になっているか 真に技術力と事業化能力を有する企業を実施者として選定しているか 全体を統括するプロジェクトリーダー等が選任され 十分に活躍できる環境が整備されているか 目標達成及び効率的実施のために必要な実施者間の競争が十分に行われる体制となっているか 実用化シナリオに基づき 成果の受け取り手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 関与を求める体制を整えているか (4) 情勢変化への対応等 進捗状況を常に把握し 社会 経済の情勢の変化及び政策 技術動向に機敏かつ適切に対応しているか 参考資料 1-4

209 計画見直しの方針は一貫しているか ( 中途半端な計画見直しが研究方針の揺らぎとなっていないか ) 計画見直しを適切に実施しているか 3. 研究開発成果について (1) 中間目標の達成度 成果は目標値をクリアしているか 全体としての目標達成はどの程度か 目標未達成の場合 目標達成までの課題を把握し 課題解決の方針が明確になっているか (2) 成果の意義 成果は市場の拡大或いは市場の創造につながることが期待できるか 成果は 世界初あるいは世界最高水準か 成果は 新たな技術領域を開拓することが期待できるか 成果は汎用性があるか 投入された予算に見合った成果が得られているか 成果は他の競合技術と比較して優位性があるか (3) 特許等の取得 知的財産権等の取り扱い ( 特許や意匠登録出願 著作権や回路配置利用権の登録 品種登録出願 営業機密の管理等 ) は事業戦略 または実用化計画に沿って国内外に適切に行われているか (4) 成果の普及 論文の発表は 研究内容を踏まえ適切に行われているか 成果の受取手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 適切に成果を普及しているか また 普及の見通しは立っているか 一般に向けて広く情報発信をしているか 4. 実用化 事業化の見通しについて (1) 成果の実用化可能性 産業技術としての見極め ( 適用可能性の明確化 ) ができているか 実用化に向けて課題が明確になっているか 課題解決の方針が明確になっているか (2) 事業化までのシナリオ NEDO 後継プロジェクト NEDO 実用化助成 企業内研究等 プロジェクト終了後の事業化までの道筋は明確か コストダウン 導入普及 事業化までの期間 事業化とそれに伴う経済効果等の見通しは立っているか (3) 波及効果 成果は関連分野への技術的波及効果及び経済的 社会的波及効果を期待でき 参考資料 1-5

210 るものか プロジェクトの実施自体が当該分野の研究開発や人材育成等を促進するなどの波及効果を生じているか 参考資料 1-6

211 標準的評価項目 評価基準 ( 事後評価 ) 事後評価標準的評価項目 評価基準の位置付け ( 基本的考え方 ) 標準的評価項目 評価基準は 第 12 回研究評価委員会 ( 平成 19 年 2 月 28 日付 ) において以下のとおり定められている ( 本文中の記載例による が標準的評価項目 それぞれの項目中の (1) (2) が標準的評価基準 それぞれの基準中の が視点 ) ただし これらの標準的評価項目 評価基準は 研究開発プロジェクトの事後評価における標準的な評価の視点であり 各分科会における評価項目 評価基準は 被評価プロジェクトの性格等に応じて 各分科会において判断すべきものである 1. 事業の位置付け 必要性について (1)NEDOの事業としての妥当性 特定の施策 ( プログラム ) 制度の下で実施する事業の場合 当該施策 制度の目標達成のために寄与しているか 民間活動のみでは改善できないものであること 又は公共性が高いことにより NEDOの関与が必要とされる事業か 当該事業を実施することによりもたらされる効果が 投じた予算との比較において十分であるか (2) 事業目的の妥当性 内外の技術開発動向 国際競争力の状況 エネルギー需給動向 市場動向 政策動向 国際貢献の可能性等から見て 事業の目的は妥当か 2. 研究開発マネジメントについて (1) 研究開発目標の妥当性 内外の技術動向 市場動向等を踏まえて 戦略的な目標が設定されているか 具体的かつ明確な開発目標を可能な限り定量的に設定しているか 目標達成度を測定 判断するための適切な指標が設定されているか 参考資料 1-7

212 (2) 研究開発計画の妥当性 目標達成のために妥当なスケジュール 予算 ( 各個別研究テーマ毎の配分を含む ) となっているか 目標達成に必要な要素技術を取り上げているか 研究開発フローにおける要素技術間の関係 順序は適切か 継続プロジェクトや長期プロジェクトの場合 技術蓄積を 実用化の観点から絞り込んだうえで活用が図られているか (3) 研究開発実施者の事業体制の妥当性 適切な研究開発チーム構成での実施体制になっているか 真に技術力と事業化能力を有する企業を実施者として選定しているか 研究管理法人を経由する場合 研究管理法人が真に必要な役割を担っているか 全体を統括するプロジェクトリーダー等が選任され 十分に活躍できる環境が整備されているか 目標達成及び効率的実施のために必要な実施者間の連携 and/or 競争が十分に行われる体制となっているか 実用化シナリオに基づき 成果の受け取り手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 関与を求める体制を整えているか (4) 情勢変化への対応等 進捗状況を常に把握し 社会 経済の情勢の変化及び政策 技術動向に機敏かつ適切に対応しているか 計画見直しの方針は一貫しているか ( 中途半端な計画見直しが研究方針の揺らぎとなっていないか ) 計画見直しを適切に実施しているか 3. 研究開発成果について (1) 目標の達成度 成果は目標値をクリアしているか 全体としての目標達成はどの程度か 目標未達成の場合 目標達成までの課題を把握し 課題解決の方針が明確になっているか (2) 成果の意義 成果は市場の拡大或いは市場の創造につながることが期待できるか 成果は 世界初あるいは世界最高水準か 成果は 新たな技術領域を開拓することが期待できるか 成果は汎用性があるか 参考資料 1-8

213 投入された予算に見合った成果が得られているか 成果は他の競合技術と比較して優位性があるか (3) 特許等の取得 知的財産権等の取り扱い ( 特許や意匠登録出願 著作権や回路配置利用権の登録 品種登録出願 営業機密の管理等 ) は事業戦略 または実用化計画に沿って国内外に適切に行われているか (4) 成果の普及 論文の発表は 研究内容を踏まえ適切に行われているか 成果の受取手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 適切に成果を普及しているか また 普及の見通しは立っているか 一般に向けて広く情報発信をしているか 4. 実用化 事業化の見通しについて (1) 成果の実用化可能性 産業技術としての見極め ( 適用可能性の明確化 ) ができているか 実用化に向けて課題が明確になっているか 課題解決の方針が明確になっているか (2) 事業化までのシナリオ NEDO 後継プロジェクト NEDO 実用化助成 企業内研究等 プロジェクト終了後の事業化までの道筋は明確か コストダウン 導入普及 事業化までの期間 事業化とそれに伴う経済効果等の見通しは立っているか (3) 波及効果 成果は関連分野への技術的波及効果及び経済的 社会的波及効果を期待できるものか プロジェクトの実施自体が当該分野の研究開発や人材育成等を促進するなどの波及効果を生じているか 参考資料 1-9

214 基礎的 基盤的研究及び知的基盤 標準整備等の研究開発の場合は 以下の項目 基準による * 基礎的 基盤的研究開発の場合 3. 研究開発成果について (1) 目標の達成度 成果は目標値をクリアしているか 全体としての目標達成はどの程度か 目標未達成の場合 目標達成までの課題を把握し 課題解決の方針が明確になっているか (2) 成果の意義 成果は市場の拡大或いは市場の創造につながることが期待できるか 成果は 世界初あるいは世界最高水準か 成果は 新たな技術領域を開拓することが期待できるか 成果は汎用性があるか 投入された予算に見合った成果が得られているか 成果は他の競合技術と比較して優位性があるか (3) 特許等の取得 知的財産権等の取り扱い ( 特許や意匠登録出願 著作権や回路配置利用権の登録 品種登録出願 営業機密の管理等 ) は事業戦略 または実用化計画に沿って国内外に適切に行われているか (4) 成果の普及 論文の発表は 研究内容を踏まえ適切に行われているか 成果の受取手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 適切に成果を普及しているか また 普及の見通しは立っているか 一般に向けて広く情報発信をしているか 4. 実用化の見通しについて (1) 成果の実用化可能性 実用化イメージ 出口イメージが明確になっているか 実用化イメージ 出口イメージに基づき 開発の各段階でマイルストーンを明確にしているか それを踏まえ 引き続き研究開発が行われる見通しは立っているか 参考資料 1-10

215 (2) 波及効果 成果は関連分野への技術的波及効果等を期待できるものか プロジェクトの実施自体が当該分野の研究開発や人材育成等を促進するなどの波及効果を生じているか * 知的基盤 標準整備等の研究開発の場合 3. 研究開発成果について (1) 目標の達成度 成果は目標値をクリアしているか 全体としての目標達成はどの程度か 目標未達成の場合 目標達成までの課題を把握し 課題解決の方針が明確になっているか (2) 成果の意義 成果は市場の拡大或いは市場の創造につながることが期待できるか 成果は 世界初あるいは世界最高水準か 成果は 新たな技術領域を開拓することが期待できるか 成果は汎用性があるか 投入された予算に見合った成果が得られているか 成果は公開性が確保されているか (3) 特許等の取得 知的財産権等の取り扱い ( 特許や意匠登録出願 著作権や回路配置利用権の登録 品種登録出願 営業機密の管理等 ) は事業戦略 または実用化計画に沿って国内外に適切に行われているか (4) 成果の普及 論文の発表は 研究内容を踏まえ適切に行われているか 成果の受取手 ( ユーザー 活用 実用化の想定者等 ) に対して 適切に成果を普及しているか また 普及の見通しは立っているか 一般に向けて広く情報発信をしているか 4. 実用化の見通しについて (1) 成果の実用化可能性 知的基盤 標準整備に対する公共的な需要が実際にあるか その見込みはあるか 公共財として知的基盤を供給 維持するための体制は整備されているか その見込みはあるか 参考資料 1-11

216 JIS 化 国際規格化等 標準整備に向けた対応は図られているか その見込みはあるのか 一般向け広報は積極的になされているか (2) 波及効果 成果は関連分野への経済的 社会的波及効果等を期待できるものか プロジェクトの実施自体が当該分野の研究開発や人材育成等を促進するなどの波及効果を生じているか 参考資料 1-12

217 参考資料 2 評価に係る実施者意見

218 研究評価委員会 ( 分科会 ) は 評価結果を確定するに当たり あらかじめ当該実施者に対して評価結果を示し その内容が 事実関係から正確性を欠くなどの意見がある場合に 補足説明 反論などの意見を求めた 研究評価委員会 ( 分科会 ) では 意見があったものに対し 必要に応じて評価結果を修正の上 最終的な評価結果を確定した 以下に最終的な評価結果と 評価に対する実施者意見及びそれに対する評価委員の見解を示す 評価に対する実施者意見 評価結果(1.1 総論総合評価 ) 低品位エネルギーである廃熱を有効利用する技術として熱電発電は有用である 指摘 1これは地球規模での重要課題である省エネや二酸化炭素排出削減のここ数年における対応策に大きく資するとは思えないが一助となるものである 未だ市場が明確でない状況において 公的資金の導入はこの分野の技術進展に寄与し 国内の研究開発は大いに活発になった また 実用化を目指して 学術レベルであった熱電材料で熱電変換モジュールおよびシステム開発に取り組み モジュールにおいては世界最高水準の成果が得られると共に システムも概ね目標値を達成した 合わせて 要素技術で有益な知見を得ると共に今後の開発課題も明確にし 実用化に向けて一歩前進したと評価出来る 指摘 2しかしながら モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まっている また 経済性など使用者の視点に立った総合的な観点からの技術開発がなされるべきであったし 実用化に意識しすぎたため 汎用性に欠ける面もあった 実用化や事業化へ向けて 残された課題を早期に解決すると共に いち早く商品化 普及に努めることで市場開拓し 広く国民に認知されるよう啓発に努めることが望ましい 指摘 1 実施者意見 これは地球規模での重要課題である省エネや二酸化炭素排出削減のここ数年における対応策に大 実施者意見に対する評価委員の見解指摘 1 原案通りとする 評価委員見解 事業の位置付け 必要性を否定するものでなく 本技術は省エネと地球温暖化防止に資することやそのために開発することは分科会で認められております しかしながら 短期間での普及可能性が弱いことからも 即効性が弱いことが明白である 従って 開発の必要性を認めつつも直近で普及しないことからも その点を配慮した表現であるので 原案のままとする 指摘 2 次の通り修正する しかしながら モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まっている また より広い社会普及を見込んだ汎用性にも着目しコストダ 参考資料 2-1

219 参考資料 2-2 きく資するとは思えないが一助となるものである 理由 本事業の位置付け 必要性を否定するような曖昧な表現は 好ましくないと思います この部分の削除をお願いします 指摘 2 実施者意見 しかしながら モジュールとして良いものを得たにもかかわらず システム化技術は一定の進歩に留まっている また 経済性など使用者の視点に立った総合的な観点からの技術開発がなされるべきであったしの挑戦はなされたが 実用化に意識しすぎたため 汎用性に欠ける面もあった 向けた信頼性 耐久性 経済性などの課題を残している 実用化や事業化へ向けて 残された課題を早期に解決すると共に いち早く商品化 普及に努めることで市場開拓し 広く国民に認知されるよう啓発に努めることが望ましい 理由 事業目標として 実用化を目指すことを第一に掲げ それに向けた努力は十分になされたと思います また 実用化を意識しすぎて 汎用性に欠ける という表現は 論旨が通らないと考えます 未だ市場が明確で無い状況では いきなり汎用性を求めることは不可能であると考えます 一般解ではなく 各用途に合わせた個別解の実績を積み重ねることにより 汎用化が徐々に進むと考えます ウンにつながること経済性など使用者の視点に立った総合的な観点からの技術開発がもなされるべきであったし 実用化に意識しすぎたため 汎用性に欠ける面もあった 実用化や事業化へ向けて 残された課題を早期に解決すると共に いち早く商品化 普及に努めることで市場開拓し 広く国民に認知されるよう啓発に努めることが望ましい 評価委員見解 実施者の実用化へ向けての取り組みは認められるものの 市場の創造が難しいことは 事業当初からも想定できたはずであるにもかかわらず 大量生産によるコストダウンを前提にするコスト低減は問題がある この点を配慮した開発が取り組まれるのであれば モジュールのサイズなど仕様をある程度統一することも検討されるべきで その様な観点から 社会への普及を考慮した技術開発が出来ていたかはと言えば不十分な点も見受けられる 従って 趣旨が残るように修正する

220 評価結果(1.2 各論事業の位置付け 必要性について ) 利用するには困難で 無駄に捨てられている多くの廃熱を熱電変換技術により発電し有効利用することは 日本のみならず国際的に急務とされる地球温暖化防止および省エネに寄与するものである 熱電発電に関する市場が形成されていない状況において 熱電変換モジュール開発やシステム開発を進めるには 基盤的な要素技術も含めて研究開発がなされる必要がある また 熱電材料 接合技術等に係る要素技術の課題解決や熱電モジュールの特性評価方法の統一などは 民間の一企業では対応できない課題であり 早期実用化に先鞭をつける上でも NEDO の関与は必要であった また 未開拓であった新材料のモジュール化に道をつけ 未だに課題が残るものの将来の中 高温熱利用へ展望を開いた成果は評価に値する 指摘 3 一方で 現状でも市場が形成されていないことや国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から 本事業を近々の地球温暖化問題への対応や省エネ技術に位置付けるには無理な側面があった また 投じられた費用に対して直ぐに波及効果が現れるわけではなく もう少し長い年月の視点でフォローしていくことが必要である 指摘 3 実施者意見 一方で 現状でも市場が十分形成されていないことや国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から 本事業を近々の地球温暖化問題への対応や省エネ技術に位置付けるには無理な側面があった 少し難しい点もあった また 投じられた費用に対して直ぐに波及効果が現れるわけではなく もう少し長い年月の今後の長期的視点でフォローしていくことが必要である 理由 否定的に断定し過ぎていると考えます 指摘 3 次の通り修正する 一方で 現状でも市場が十分形成されていないことや国内外の研究開発の実用化状況や研究開発状況から 本事業を近々の地球温暖化問題への対応や省エネ技術に位置付けるには無理な側面があった 少し難しい点もあった また 投じられた費用に対して直ぐに波及効果が現れるわけではなく もう少し長い年月のまた すぐに波及効果を期待するのも難しいことから 今後の長期的視点でフォローしていくことが必要である 評価委員見解 否定的に断定過ぎるわけではないが 少々表現がきつい部分があるので 趣旨が残る程度で修正する 参考資料 2-3

221 評価結果(1.2 各論研究開発マネシ メントにつ指摘 4 次の通り修正する いて なお 早期実用化に向け内外の技術的動向を踏まえて 世界的に見ても非て 熱電変換技術の応用先常に高いレベルの熱電変換効率を統一指標として を探索することは必要で適応する温度範囲を複数設定するとともに 新しいあるが 用途調査は総花的提案を含む研究開発内容と技術要素を明確にし モジュールとシステムそれぞれに妥当な目標値が設であったことは否めなく 定している 量的評価や質的評価などまた 熱電分野での研究活動経験が豊富なプロジ何らかの方向性を示唆すェクトリーダーを選任し 強力なリーダーシップのる調査もほしかった ま元 熱電分野において技術の蓄積と熱電関連での事た 新規の素子 モジュー業実績を有する企業により 計画が推進されていル開発もなされた点は評た 委員会 分科会など検討会が頻繁に行われてお価できるが 画期的とは言り 競争を図りつつも 技術交流に配慮されたものと思われる 加えて 材料系の問題や中間評価でのえない面もある 指摘を研究計画へ実用化を指向しつつ適切に反映 評価委員見解 していたと考えられる 実施者の理由は認めら指摘 4なお 早期実用化に向けて 熱電変換技術れるので 新規技術に取りの応用先を探索することは必要であるが 用途調査組んだことについては 評は総花的であったことは否めなく 画期的な素子 価に織り込むこととする モジュール開発がなされたとは言えない面もある 後は原文の趣旨が残るよ効率的実施のため実施者間の競争は有効であったものの 熱電技術の優位性など事業化へのシナリうに修正する オ 見通しが十分ではない点も見うけられ システム技術などを含め実施者間が協力できる柔軟性ある仕組みがあっても良かった また 回収電力量の経済性は重要な側面であり 今後 それを評価指標とすることが望ましく 参加企業間の知財権などの問題もあるが より効率的な研究開発と広範な普及を図るうえで 各社間の技術交流を期待する 指摘 4 実施者意見 なお 早期実用化に向けて 熱電変換技術の応用先を探索することは必要であるが 用途調査は総花的であったことは否めなく 画期的な素子 モジュール開発がなされたとは言えない面もある 用途調査は すべての可能性を検討したという意味で総花的であったことは否めないが 量的評価や質的評価 参考資料 2-4

222 など何らかの方向性を示唆する調査がほしかった 理由 前向きと捕らえて文章化してみました 後半部分の 画期的な については 従来モジュールとしては無かったスクッテルダイト系 Zn-Sb(P) と Co-Sb(N) の組み合わせ シリサイド系のモジュール化技術を確立したことは 評価されても良いと思いますので この部分は削除をお願いします 評価結果(1.2 各論研究開発成果について 熱電変換モジュール開発では変換効率 15%( 温度差 550 度 ) という世界的に見ても高レベルの目標値を実証し 概ね目処を得られている また 個別のモジュール システム開発については 一部未達であるものの 耐久性を確保した上で 概ね目標を達成している 学会レベルであった熱電材料について モジュール化 カスケード型モジュール化を行うと同時にシステム化を図り 実証実験を行った点は 高く評価できる 加えて モジュール耐久性評価技術の開発は 汎用性の意味で価値が高いといえる 量産化を踏まえた技術開発にも取り組み 製造コストの低減も検討し 実用化に向けた技術課題も明らかになっている 知的財産権等の取得による事業化への備えをしつつ ノウハウの確保にも配慮しながら フォーラム 論文などによる成果の普及にも取り組んでいた しかしながら モジュール システムとも特定な用途に対するものが中心であったことから 直ちに汎用性や普及促進に繋がるには難しい感じがあった 実用化に向けては 初期投資や回収期間 メンテナンスフリーなど使用者側の視点での評価指標のより明確化など 課題も多く残っている 今後 普及促進に向けて 更なる検討を進めるべきである また 指摘 5 一般社会へ十分アピールされたとは思えなかった 市場開拓や顧客確保に繋がることからも熱電の重要性を社会に認知してもらうための努力を期待する 指摘 5 次の通り修正する 一般社会へ十分の認知度が上がる観点からは十分アピールされたとは思えなかった とは見えず 更なる工夫や試みが成されることが望ましかった 評価委員見解 実施者の理由も受け入れられる内容でもあるため 双方の趣旨が残るように修正する 指摘 5 実施者意見 参考資料 2-5

223 一般社会へ十分アピールされたとは思えなかった のアピールも 更なる工夫や試みが成されることが望ましかった 理由 フォーラムなど それなりの努力が成されたことを踏まえ 建設的な表現に変更していただければと思います 評価結果(2.1 研究開発成果について 指摘 5 次の通り修正する 低温域や高温域熱電変換モジュール各々に設定加えて 本事業で開発さされた目標値はほぼ達成している 各温度領域およれた測定法などの共通基び使用した熱電材料によるモジュールの性能は世盤技術は本技術分野の更界最高レベルである これは高効率化に向けて熱電材料特性向上と最適化が種々の手法 技術で検討さなる発展のためにも 公れ有益な成果を得たことによるものである その中開 規格化することを望でも 新たな材料として Co-Sb 系及びシリサイド系む が開発されたことやシリサイド系 /Bi-Te カスケー 評価委員見解 ド型モジュールの設計と製造に取り組んだこと 熱実施者の理由通り 技術電性能向上の観点での素子構造設計に加えて熱応開発発展 は曖昧な表現で力 歪等の熱の影響を考慮した設計を行い耐久性 あったので 上記のように信頼性の向上についての検討 さらにコスト低減の修正する ための検討も行っており 解決すべき課題は残されているものの特筆した成果が得られ 実用化に向け指摘 6 原案通りとする ては一歩前進した成果を得ているといえる 今後の 評価委員見解 研究開発の進展を見守りたい 指摘 5 加えて 本分実施者の理由は理解で野の技術開発発展のためにも 本事業で開発されたきるが NEDO の目標にある測定法などの共通基盤技術は公開 規格化すること革新的な技術開発に取りを望む 組むという点では不十分指摘 6 実用化を念頭に置いた開発のため致し方な面があったことは否めない点があるとはいえ 本ないことから NEDO 事業と事業の結果は従来技術を総合的に改善し 最適化ししての成果の有り様に対たものであると思われ 画期的な開発がなされたとしての苦言であるため 原は言いにくい面がある 新材料の探索や開発 素子文のままとする そのものの組成検討や他の機能素子との複合化等汎用化のための検討にも今後取り組まれることが望ましい また 熱電変換素子及びモジュールの形状や構成についても 更に多面的に検討を行ない 材料の使用量 コストを抑えることを念頭に置いた設計がなされることが望ましい 参考資料 2-6

224 指摘 5 実施者意見 加えて 本分野の技術開発発展のためにも 本事業で開発された測定法などの共通基盤技術は公開 規格化することを望む 理由 技術開発発展 は 定義が不明確な用語であるため 削除をお願いします 指摘 5 実施者意見 実用化を念頭に置いた開発のため致し方ない点があるとはいえ 本事業の結果は従来技術を総合的に改善し 最適化したものである と思われ 画期的な開発がなされたとは言いにくい面がある 理由 本事業は実用化を目指した事業であり 実用可能な技術を利用することを念頭に置いているため 確かに画期的とは言えないかも知れませんが あえて否定的に表現する必要は無いと思われますので 部分的に削除をお願いします 評価結果(2.1 今後に対する提言 指摘 6 本事業の最大関心事は高効率化であったが それにとらわれず 商品化を見越した生産技術の開発 信頼性試験の実施など 商業生産に当たって長寿命で高信頼性を付与すべく多方面の研究もなされたことが将来にわたって心強い この技術は将来の地球温暖化防止や省エネに寄与するものであることから 今後 更に種々の幅広い応用分野を検討 開拓して それらで利用する汎用性のあるモジュールの開発もお願いしたい また 最近の種々の新たな材料開発状況をふまえ 希少材料である現在の熱電材料の代替材料の探査 開発にも目を向けていただくと共に 実施の際には資源的にも豊富で環境負荷の少ないことに留意していただきたい 指摘 7 本事業では実用システムに依存した開発であったため 各モジュールの寸法や特性など規格を統一する試みはなかった その点にも留意しつつ 本事業で得られた性能評価技術は今後の熱電技術の発展のために不可欠なものであることから 評価 指摘 19 および指摘 20 原案通りとする 評価委員見解 本事業が助成事業として取り組まれたとはいえ 統一仕様を設定し 開発することで 普及を早める観点も NEDO の事業として考慮されて良いとの委員会での意見もあることから 原文のままとする 参考資料 2-7

225 システムを更にブラッシュアップして 標準化 規格化へ向けた努力を続けて欲しい これらは実施者のみならず必要に応じて国からのサポートも期待したい 指摘 6 実施者意見 本事業の最大関心事は高効率化であったが それにとらわれず同時に実用化を目指したため 商品化を見越した生産技術の開発 信頼性試験の実施など 商業生産に当たって長寿命で高信頼性を付与すべく多方面の研究もなされたことが将来にわたって心強い 理由 上記のように修正を要望します 指摘 7 実施者意見 本事業では実用システムに依存した開発であったため 各モジュールの寸法や特性など規格を統一する試みはなかった 理由 文頭の 本事業の最大関心事は高効率化であったが 同時に実用化を目指したため という表現と合わせるため この部分の削除をお願いします 評価結果(2.2 実用化の見通しについて 指摘 6 次の通り修正する 各システムとも実用化 事業化への体制と計画が従って一般社会に普及立てられている共に 市場調査 波及効果の見積りするシステムの商品化へも実施し 実用化 事業化への大きな努力と成果がの足がかりが十分に得らみられる 新規性が高いシステムであることから れたとはいえない コストが下がれば 実用化に期待できる また 本 評価委員見解 事業で取り組んだ以外の分野での適用可能性も検本事業で取り組まれた討しており 今後の努力次第で社会的な波及効果もシステム全てにおいて 商期待できる品化の目処が立っていなしかしながら 本事業では効率にとらわれて 経い訳ではないので 上記の済採算性や発電した電力の使い道における検討がように修正する 十分であったとは言えない また 廃熱の有効利用や安全性 耐久性や信頼性など技術的な詰めが残っ指摘 7 次の通り修正する ていると思われる 指摘 8 従って一般社会に普及す一部 積極的に事業化するシステムの商品化への足がかりが得られたとはる強い意欲が伝わってことはいえない 市場開拓が簡単でないのは分かるものの 指摘 9 一部 積極的に事業化する強い意欲がないのも残念であった 各伝わってこないのも残念であった 社の事業化の可能性には 参考資料 2-8

226 本事業の成果が今後広く使われるためには 優位性を含めた事業化までの シナリオが より明確化されることが必要である そのためには製造コストや熱電変換システムの設置 取り付けコスト メンテナンス性など使用者視点に立って総合的に優れたシステムに造り込まれることが望ましい 指摘 6 実施者意見 従って一般社会に普及するシステムの商品化への足がかりが得られたとはとはいえない道は 険しいと思われる 理由 なるべく 肯定的な表現としていただければと思います 指摘 7 実施者意見 一部 積極的に事業化する強い意欲が伝わってこないのも残念であった 各社の事業化のスケジュールにはバラツキがある 理由 否定的な意見は避けた方がよいと思います バラツキがあり 各社とも強い意欲を持って事業化に取り組んで頂きたい 評価委員見解 各システムの実現性については 差が見受けられるのは事実である しかしながら 分科会としては素晴らしい技術が出来たことは認めており 早急に社会へ出していくことが 省エネや二酸化炭素排出抑制 それらに関する認知の向上などに繋がり この分野の更なる底上げに繋がる その趣旨を踏まえるよう上記のように修正する 参考資料 2-9

227 本研究評価委員会報告は 独立行政法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 (NEDO 技術開発機構 ) 研究評価部が委員会の事務局として編集しています 平成 19 年 9 月 NEDO 技術開発機構研究評価部統括主幹竹下満主幹高松秀章担当福山雅久 * 研究評価委員会に関する情報はNEDO 技術開発機構のホームページに掲載しています ( 神奈川県川崎市幸区大宮町 1310 番地ミューサ 川崎セントラルタワー (20F) TEL FAX