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豊田工業大学附属研究センタースマートエネルギー技術研究センター

スマートエネルギー技術研究センター

2012年設立 センター長:大下 祥雄

エネルギーの変換・貯蔵

【電磁システム研究室】半導体・磁性材料の融合による電力貯蔵・変換技術

研究テーマ

  • 高効率電気機器のための実使用時における鉄損現象の解明
  • 損失低減、高力率電力貯蔵装置の研究
  • パワエレ機器の太陽光素子への影響評価
  • 電力ネット・EVと太陽光発電との相互作用

主な研究内容・成果

①低損失・高力率電力貯蔵装置の研究
  • インバータによる損失増現象の解明と対策
  • 電力用半導体と鉄損との相互作用の解明
  • 同上の原理による電力フライホイール装置の研究
  • 太陽光に適した貯蔵システムの研究

低損失・高力率電力貯蔵装置の研究 画像

②電力ネット・EVと太陽光発電との相互作用の研究開発

太陽光発電といった再生可能エネルギーは、電力生成の不安定性より電力貯蔵を必要としている。電気自動車(EV)はその手段の一つであると同時に、電力ネットにとっても不安定要因ともあるため、その相互作用を研究し系統安定化を目指す。

力ネット・EVと太陽光発電との相互作用の研究開発 画像

【表面科学研究室】高効率電池開発に向けた電極触媒素材の微視的研究

研究テーマ

  • ナノカーボンの合成と制御
  • 表面局所構造(欠陥、ドメイン境界)のナノレベル評価
  • 表面マニピュレーションによる触媒微粒子の形態制御

主な研究内容・成果

①高品質グラフェン合成と新規合成法の提案

自作大気圧熱CVD装置により、グラフェンのドメインサイズ制御に成功【上】。ニッケル表面の偏析を利用した独自のサンドイッチ法により簡便なグラフェン合成法を提案【下】。

高品質グラフェン合成と新規合成法の提案 画像

②水素、窒素プラズマ照射グラファイトの酸素還元(ORR)特性

グラファイト表面に水素や窒素プラズマを照射し、電気化学的に酸化還元(ORR)特性を測定し、ナノレベルでの幾何学構造や電子構造との関係を調べた。水素プラズマによりステップ密度が増加、窒素プラズマでは炭素六員環に窒素が組み込まれ電子構造が変化した(XPSにより確認)。後者は飛躍的にORR特性を向上させることが分かった。

水素、窒素プラズマ照射グラファイトの酸素還元(ORR)特性 画像

【機械システム分野】エネルギー高効率利用のための熱解析・熱設計

研究テーマ

  • 小型、軽量で高効率な熱輸送システムに関する研究
  • 内燃機関における高効率エネルギー変換に関する研究
  • エネルギー変換に関わる材料の熱物性値の計測

主な研究内容・成果

①自励振動ヒートパイプに関する基礎研究

小温度差間でも"無動力"で"大きな熱輸送"、電子機器の均熱化と冷却、排熱の有効利用

自励振動ヒートパイプに関する基礎研究 画像

②内燃機関の燃焼室内壁面熱伝達に関する研究

表面熱流制御・低熱損失化によるエネルギー変換効率の向上

燃焼室内における熱輸送現象の可視化 画像燃焼室内における熱輸送現象の可視化

任意圧力雰囲気条件下の流動・反応解析 画像任意圧力雰囲気条件下の流動・反応解析

瞬時表面温度・表面熱流計測用同軸薄膜型センサの開発 画像瞬時表面温度・表面熱流計測用同軸薄膜型センサの開発

【エネルギー材料研究室】環境調和型高性能熱電材料・熱整流材料の開発

研究テーマ

  • 熱電物性の支配因子の解明と高性能熱電材料設計指針の構築
  • AlとSiを主成分とする環境調和型熱電材料の開発
  • フォノン分散を制御した高性能薄膜熱電材料の開発
  • 新規熱整流材料(熱ダイオード)の開発

主な研究内容・成果

①安価で高性能な熱電材料の開発

安価で安全な構成元素と電子構造の特徴から材料を絞り込み、電子物性に影響を与えない手法で格子熱伝導度を低下させる手法で、AlとSiを主成分とする安価で環境に優しい熱電材料を開発した。

安価で高性能な熱電材料の開発 画像(1)

第一原理計算を利用して、
(1)ギャップが十分に大きく、
(2)バンド端に状態密度のピークを有し、かつ、
(3)バンド端が複数のバンドから構成される材料を選定した。

安価で高性能な熱電材料の開発 画像(2)

重元素による構成元素の微量部分置換を駆使して、電子物性に影響を与えずに、格子熱伝導度のみを低偏させることに成功し、結果として、実用材料に迫る性能を示す安価で環境に優しい熱電材料を創製することができた。

②革新的な熱ダイオードの開発

微細な電子構造の特徴により生み出される異常電子熱伝導度を利用して、熱流の大きさが方向により2倍以上変化する熱ダイオードを開発した。

革新的な熱ダイオードの開発 画像