芝浦工業大学の苗蕾教授は、体温と外気温のわずかな温度差で安定して発電できるウェアラブル熱電発電機とその製造方法を開発。断熱性メラミンスポンジを用いることで、柔軟性・軽量性かつ低コストを実現した。

 ウェアラブル熱電発電機(w-TEG)は、体温を連続的に電気に変換して電子機器を駆動することができる。しかし、熱電材料の発電効率が悪いこと、着用時の温度差が小さいこと、重いこと、柔軟性が必要であることなどが、w-TEGの応用を妨げている。また、従来の数値解析に基づく構造設計では、強制冷却を用いたため、横方向の熱伝達が無視されていた。

 本研究では、「有限要素シミュレーション」という方法を用いて、実用化のための糸口となる要素を見つけ出し、最適なw-TEGを設計した。極めて低い熱伝導率(0.03W/mK)のメラミンスポンジを封止材として用いることで、冷却用ヒートシンクを使わず、優れた曲げ耐久性、軽量性、通気性、低コスト性を実現した新しい「π型w-TEG」を作製した。

 実証実験では、わずかな温度差5K(5℃)で静止時に1平方センチメートルあたり7マイクロワット(μW/cm2)、歩行時(風速毎秒1メートル)に29マイクロワット(μW/cm2)を発電することを確認。従来品に用いられるポリジメチルシロキサン(PDMS)より柔軟性があり、曲げ張力が5分の1程度だった。

 今回製造に成功した熱発電機は、面積3.61平方センチメートル、厚み5ミリメートル、量さ1.75グラム、曲げ張力0.03N、コスト6.5USドル(約710円)ほどでスマートウォッチを駆動できる。

 今後は、半導体や熱電デバイス関連企業と共同し、微小な電源装置として、具体的な充電機器への適用を目指して設計・開発を進めていくとしている。

参考:【芝浦工業大学】高性能ウェアラブル体温発電素子の低コスト製造

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