電気自動車の性能を決めるのはバッテリーです。バッテリーにはリチウムイオン蓄電池が使われており、バッテリーが熱を強く持ちすぎても冷たくなりすぎても性能が落ちてしまいます。そこで登場するのが「ペルチェ素子」です。ペルチェ素子は、冷却・加熱・温度制御を自由に行える半導体素子です。
今回はペルチェ素子と蓄電池について解説します。
ペルチェ素子とは
「ペルチェ効果」とは、1834年、フランスの物理学者ジャン・シャルル・ペルチェによって発見された熱電効果の一種です。異なる2つの金属を直列に接合して（電圧をかけて）電流を流すと、2つの金属の接合部分で吸熱及び放熱が発生します。
「ペルチェ素子」とは、直流電流により冷却・加熱・温度制御を自由に行える半導体素子の一種です。ある方向に直流電流を流すと、素子の上面で吸熱（冷却）し、下面で発熱（加熱）します。
また、直流電流の向きを変えると冷却面と加熱面が入れ替わり、片方の面で冷却、加熱ができるため、ペルチェ素子によって精度の高い温度管理が実現可能です。
さらに、両端に温度差を生じさせると起電力が生じ、この熱電効果はゼーベリック効果と呼ばれています。
1900年代初期には理論的に確立していましたが、熱交換率が低くほとんど実用化には至りませんでした。昭和30年代に入り、半導体材料が用いられるようになると電子冷却として実用化されるようになりました。
熱エネルギーと電力を直接変換することができる電子部品で、主に車などに乗せる小型冷温庫、医療用冷却装置、ワインセラー、コンピューターのCPU冷却装置として使われてきました。
従来の熱電変換システムは、蒸気タービンなど大型サイズのものしか存在しませんでしたが、ペルチェ素子は数ミリ～数センチ角の微小サイズで熱を電気に変換することができます。
振動や室内の照明光、機器の廃熱や体温などを利用した微小量の環境発電として注目され、ペルチェ素子は熱電変換モジュールとしての活用に期待されています。
現在、実用化されている効率の良いペルチェ素子は2つの金属ではなく、以下の素材で作られています。
・金属
・n型半導体
・p型半導体
金属には自由電子とよばれる自由に動ける電子があり、この電子が電位差によって一方向に動くとき電流が流れます。
多くの半導体は4価の価電子をもつSiが用いられ、純粋なSi結晶では価電子がすべて共有結合に使われています。これを真性半導体と呼びます。
Si結晶に価電子が5個の不純物を混ぜると共有結合する際に電子が1個あまり、この電子が自由電子のような役割を果たして電流が流れます。n型半導体とはこのように真性半導体より電子数を増やした半導体のことです。
Si結晶に価電子を3個もつ不純物を混ぜると、共有結合の際に電子が１つ足りなくなり、電子が不足した穴（正孔）ができます。
この正孔は＋の電荷をもち、外から電圧をかけると電子の動きと逆向きに正孔が動くことで電流が流れます。
p型半導体とは、このように真性半導体より正孔数を増やした（電子数を減らした）半導体のことです。
ペルチェ素子のメリット・デメリット
ペルチェ素子の適用分野は、比較的小規模な発電であり、大規模発電を完全に代替するものではありません。しかし、コンパクトで簡単な仕組みであることから、配線が困難な場所への電力供給や、従来システムとの組み合わせによって燃費やバッテリーの性能向上を実現するものとして期待されています。
また、ペルチェ素子は、両面に温度差をつけると、素子に電流が流れるという性質もあわせ持っています。
この性質を利用し、温泉熱や人類が発生させる廃熱を用いた発電など、自然エネルギー発電での活躍も期待されています。
ペルチェ素子のメリット
ペルチェ素子のメリットは以下の通りです。
・ヒートポンプの役目をする
・ペルチェ素子を用いた冷却装置は体積が小さく、可動部分が無いため騒音や振動を発生しない
・「腐食性液体」や「オゾン層を破壊する冷媒ガス」などを用いていないので環境にも優しい
・温度差1℃程度の熱源と素子さえあれば発電可能
・これまでの発電設備に比べると、設置場所の制約も少なくなる
・配電線の敷設や電池の交換などの作業なしに発電が可能なため、取扱いが簡単であり、コスト削減が可能
・電流の方向を変えるだけで、冷却のみならず加熱もできる
・冷却・加熱両機能があるために、常温付近での温度制御ができる
・温度応答性が良い（すぐ冷える・熱くなる）
・疲労・破損する機械部品が無いため、冷却手段としては最も長寿命・高信頼性
・冷媒のガス漏れ、腐蝕性液体の漏れ等の心配が無く、保守が容易
ペルチェ素子のデメリット
ベルチェ素子のデメリットは以下の通りです。
・吸熱側で吸収した熱と消費電力分の熱が放熱側で発熱するため、この放熱側を他の熱交換機を使用して外気などへ放熱し、冷却しなければいけない
・冷却メカニズムとしては電力効率が悪く、ヒートポンプ等と比較すると冷却効率が劣る
・排熱側の十分な冷却を行わないまま負荷をかけ続けると、吸熱側の冷却効率が落ちるばかりでなく、素子自体が破損・焼損する
・はんだ付けなどで組み立てられている場合、加熱・冷却を繰り返す際に破損する可能性がある
ペルチェ素子のデメリットとして発電力不足もありました。これまで、地熱・温泉熱利用分野での実用化には変換効率が10％を超える必要があるとされていたのです。しかし、2000年以降は同性能を満たすものが多数開発されています。
ペルチェ素子が期待されている分野
ペルチェ素子は熱電変換モジュールとして以下の分野での成長が期待されています。
センシングデバイス分野
1つ目は「センシングデバイス分野」です。
・ドイツや日本を中心に研究開発が進められている
・KELKや高木製作所などで製品化開始
・2011年6月にドイツのマイクロペルト社は世界初となる熱電発電デバイス専用の量産工場を開設
・温度モニタリングなどを行う無線センサモジュールや、体温を熱源とした医療機器への電力供給用としての利用が期待された
産業用廃熱分野
2つ目は「産業用廃熱分野」です。
・日本や欧米を中心に研究開発が行われている
・自動車メーカーや欧米大手企業では自動車の廃熱利用の研究開発が進められている
・昭和電工やコマツなどでは、焼却炉や工業炉での廃熱利用
地熱・温泉熱・太陽熱利用分野
3つ目は「地熱・温泉熱・太陽熱利用分野」です。
・ドイツの研究機関を中心に世界各国で研究開発が行われている
・日本では、東芝などが温泉施設にて実証実験を進めている
・パナソニックは同分野での利用を想定し、配管型の熱電変換モジュールを開発
バッテリー（蓄電池）とペルチェ素子
近年、省エネルギー、CO2削減、エネルギー多様化への対応、石油依存度の低減などの観点から、電気自動車は非常に重要な役割を担っています。しかし、2018年の世界全車両販売台数（9224万台）のうち、電気自動車の割合が2%（163万台）しかありませんでした。
本格的な電気自動車の普及の蓄電池に関する課題は以下の通りです。
・エネルギー密度
・熱管理
・高温や衝突による熱暴走
・リサイクルなど
電気自動車用蓄電池としてよく使われるのがリチウムイオン電池です。
リチウムイオン電池のメリットは以下の通りです。
・他の蓄電池に比べてエネルギー密度が高い
・起電力が高い
・メモリ効果がない
・サイクル寿命が長いなど
リチウムイオン電池のデメリットは以下の通りです。
・サイクル寿命や放電容量は温度の上昇によって大きく低下する
・高温時の熱暴走のリスクが高いなど
電気自動車はバッテリー（リチウムイオン電池）の性能が走行距離など車の性能に直結します。一般的にバッテリーは温度が高ければ高いほど寿命の劣化が早く、低いと充電能力が低くなるといった特性があります。そのため、一定の温度調整機能がなければ最適なパフォーマンスを発揮できません。
電池パックに収納された複数のバッテリーセルの発熱を除去するために使われる冷却媒体は以下にわけられます。
・空気冷却（空冷）
・水冷却（水冷）
・冷媒直冷
日本のメーカーは空冷を採用していますが、欧米や中国のメーカーは水冷がほとんどです。
各冷却方法のメリットは以下の通りです。
・水冷と冷媒直冷は冷却効果がいい
・空冷は電池パックの隅々まで冷気が行き渡る
・密閉式強制空冷は適切な冷却能力が確保でき、シンプル構造にでき、湿気やゴミを発生しない
各冷却方法のデメリットは以下の通りです。
・水冷と冷媒直冷は、配管の複雑化・長尺化、冷却液の漏れリスク、メンテナンスの手間がある
・受動的な自然空冷は、冷却の能力が小さい
・開放式強制空冷は、外気流入による電池パック内への湿気侵入、結露、ごみ付着がある
上記よりも良い冷却方法が、軽量で温度調節機能が高い「サーモモジュール（ペルシェ素子）」です。
「サーモモジュール」とは、「温める」「冷やす」の両方の効果を備えた熱制御モジュールです。
ペルチェ効果を応用しており、異なる性質を持った半導体素子に直流の電流を流すことで、電気を流すと熱が移動、一方の面が吸熱（冷却）し、反対の面が放熱（加熱）します。それにより表面温度を変化させ、狙った温度に温度調整することができます。
サーモモジュールを電気自動車のバッテリーに搭載すれば、最適な温度管理を行うことができるので、バッテリーの性能を高め、安定した走行距離を実現するでしょう。
まとめ
ペルチェ素子と蓄電池について解説してきました。以下、まとめになります。
・ペルチェ素子とは、直流電流により冷却・加熱・温度制御を自由に行える半導体素子
・ペルチェ素子は熱電変換モジュールとして「センシングデバイス分野」「産業用廃熱分野」「地熱・温泉熱・太陽熱利用分野」での成長が期待されている
・ペルチェ素子を電気自動車のバッテリーに搭載すれば最適な温度管理を行うことができるので、バッテリーの性能を高め、安定した走行距離を実現する
ペルチェ素子は電流の方向を変えるだけで、冷却のみならず加熱もできますが、吸熱側で吸収した熱と消費電力分の熱が放熱側で発熱するため、この放熱側を他の熱交換機を使用して外気などへ放熱し、冷却する必要があります。ペルチェ素子は1900年代初期には理論的に確立していましたが、電子冷却として実用化されたのは1955年頃です。これからどんどん開発が進み、最適な温度管理と熱放出ができるようになれば、電気自動車のバッテリー（リチウム蓄電池）の性能を高め、安定した走行距離を実現できるでしょう。これからのペルチェ素子に期待です。