国立先进产业技术研究所[所长中钵良二]（以下简称“AIST”）能源效率研究部[研究主任武村文雄]热电转换组研究小组Atsushi Yamamoto，首席研究员Michihiro Ota，研究员Jude Priyanka，AIST特别研究员Chetty Raju是未利用热能创新利用研究会的成员[主席町田] Akito]（以下简称“TherMAT”）和国家研究开发机构新能源和产业技术开发组织[主席 Hiroaki Ishizuka]（以下简称“NEDO”）``未利用热能创新利用技术研发''项目中，热电发电高可靠性，包括出色的机械耐用性，可用作测试的标准参考模块热电发电模块AIST的一些研究活动得到了经济产业省“创新能源技术国际合作研究开发项目”的支持。
尽管近年来热电转换材料的性能有所提高，但热电发电技术尚未普及。挑战之一是，没有标准的参考模块来测试热电发电模块的发电性能和耐用性，而热电发电模块是热电发电系统的基本组件。为了解决这个问题，我们开发了一种采用机械耐久性优异的镍合金的热电发电模块。由于该模块在反复测试和长期测试中性能稳定，有望作为保证发电特性测试设备性能的评估参考。
这项技术的详细信息可以在 Elsevier 于 2020 年 1 月 14 日出版的学术期刊（协调世界时）中找到应用能量
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图1 所开发的热电发电测试标准参考模块的外观和测试
(a) 使用新开发的镍合金的热电发电模块
(b) 使用AIST测试设备评估开发模块的发电特性 |
有大量的热能没有得到利用就被浪费了。最近，节能和CO2从减少排放的角度来看，能够将这种未利用的热能直接转化为有用电力的热电发电技术正在引起人们的关注。尽管由于材料科学的进步，热电转换材料的性能日益提高，但热电发电技术尚未普及。造成这种情况的原因是多方面的，例如热电发电模块在高温下难以形成稳定的电极以及缺乏标准的测量方法等。其中，我们此次致力于解决的问题是，在评估热电发电模块的发电性能时，几乎没有可用于验证测试设备的标准参考模块。未来为了将热电发电技术快速普及到社会，需要标准的参考模块来保证其性能。
NEDO、AIST 和 TherMAT 一直在进行改善热电材料性能和评估热电发电模块发电性能的研究。例如，我们成功开发了利用纳米技术超越传统材料的热电材料。NEDO 新闻公告 2018 年 5 月 22 日）。在测试技术方面，AIST转化效率精度高，作为公共机构，我们拥有与 NEDO 和 TherMAT 一起测试各种热电发电模块的记录。此外，产业技术研究所还成功开发出高转换效率的热电发电模块。2015 年 11 月 26 日 、2018 年 5 月 22 日 AIST 新闻稿）。
热电发电模块是p型热电转换材料和n型热电转换材料一般来说，热电转换材料烧结体，它的一个缺点是它很脆弱。另一方面，测试设备中使用的标准参考模块需要具有出色的耐用性，以便能够准确、快速地评估发电性能，从而标准化测试方法。因此，为了解决这些问题，NEDO、AIST和TherMAT使用比烧结体更耐用的镍合金作为热电发电测试标准参考模块的p型和n型热电转换材料。具体来说，p型是铬镍铁合金（Ni90铬10)，n型为康铜(Cu55镍45)热电转换材料。虽然它们比烧结热电材料具有更高的机械耐久性，导热系数较高，必须降低热导率才能用作标准参考模块。因此，通过将镍合金热电材料加工成中空材料并减少热量传递的面积，我们实现了与烧结热电材料一样低的导热率（图1）。
表1显示了用于镍合金温差发电测试的标准参考模块在高温侧500℃、低温侧50℃时的最大输出功率和最大转换效率的初始值，以及只能从铬镍合金、康铜、铜电极、基材等的电和热传输特性来预期的计算值（不考虑热损耗和电损耗的值）。测量值与计算值基本相符，实现了低热损耗和低电损耗的模块设计。
我们使用镍合金反复测试了用于热电发电测试的标准参考模块的发电特性，将高温侧设置为500℃，低温侧设置为50℃，并在每次测试后从安装和拆卸模块重新开始设置。图2(a)显示了用于热电发电测试的标准参考模块的最大输出功率和最大转换效率的变化。 12次测量中最大输出功率和最大转换效率几乎没有变化，稳定性极高。结果发现，最大输出功率和最大转换效率与平均值的偏差分别在05%和06%以内。
接下来，我们对采用镍合金的用于热电发电测试的标准参考模块的发电性能进行了120小时的耐久性测试，高温侧设置为500℃，低温侧设置为50℃。图2(b)显示了热电发电模块的最大输出功率和最大转换效率随时间的变化。 120小时后，这些值没有变化，表现出非常高的稳定性，最大输出功率和最大转换效率与平均值的偏差分别在08%和03%以内。
由于其高可靠性，该模块有望用作参考热电发电模块以保证性能。
表1镍合金热电发电测试标准参考模块的最大输出功率和最大转换效率
高温侧为500℃、低温侧为50℃时的实际测量值以及根据镍合金的电和热传输特性预期的计算值。
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最大输出功率（瓦） |
最大转换效率(%) |
| 实际值（初始值） |
0.39 |
0.53 |
| 计算值 |
0.41 |
0.57 |
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图2 使用镍合金进行热电发电测试的标准参考模块的耐久性测试结果
(a)重复测试和(b)高温侧500℃、低温侧50℃时最大输出功率和最大转换效率120小时耐久测试 |
NEDO、AIST 和 TherMAT 旨在与国内外研究机构合作，推动该标准参考模块的普及，建立高度可靠的热电发电模块性能测量技术。 NEDO、AIST 和 TherMAT 还将在国际电工委员会 (IEC-TC47/WG7) 目前正在进行的有关热电发电模块发电性能测试方法的国际标准化活动中，利用该标准参考模块进行热电发电测试。关于AIST与海外国家的合作，具体来说，我们与德国航空航天中心等合作（AIST 2017 年 3 月 20 日新闻稿 ）。