JP2002100814A - 高いゼーベック係数と高い電気伝導度を有する複合酸化物 - Google Patents

高いゼーベック係数と高い電気伝導度を有する複合酸化物

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JP2002100814A JP2000326260A JP2000326260A JP2002100814A JP 2002100814 A JP2002100814 A JP 2002100814A JP 2000326260 A JP2000326260 A JP 2000326260A JP 2000326260 A JP2000326260 A JP 2000326260A JP 2002100814 A JP2002100814 A JP 2002100814A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】毒性が低く存在量の多い元素により構成され、
耐熱性、化学的耐久性等に優れ、廃熱の温度域である6
00K以上の温度域で高い熱電変換効率を有する材料を
提供することである。 【解決手段】一般式:(A0.40.10.1x/0.6Co2
y(式中、AとBは、それぞれ異なる元素であって、
Ca、Sr又はBaであり、Mは、Bi、Sc、Y、L
a、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、D
y、Ho、Er、Yb又はLuであり、1.7≦x≦
2.0、3.8≦y≦5である)で表され、100K
(絶対温度)以上の温度で100μV/K以上のゼーベ
ック係数と10mΩcm以下の電気抵抗率を有すること
を特徴とする複合酸化物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、良好な熱電変換性
能を有する複合酸化物に関する。
【0002】
【従来の技術】我が国では、一次供給エネルギーからの
有効なエネルギーの得率は30%程度しかなく、約70
%ものエネルギ−を最終的には熱として大気中に廃棄し
ている。また、工場やごみ焼却場などにおいて燃焼によ
り生ずる熱も他のエネルギーに変換されることなく大気
中に廃棄されている。このように、我々人類は非常に多
くの熱エネルギーを無駄に廃棄しており、化石エネルギ
ーの燃焼等の行為から僅かなエネルギーしか獲得してい
ない。
【0003】エネルギーの得率を向上させるためには、
大気中に廃棄されている熱エネルギーを利用できるよう
することが有効である。そのためには熱エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する熱電変換は有効な手段であ
る。この熱電変換とは、ゼーベック効果を利用したもの
であり、熱電変換材料の両端で温度差をつけることで電
位差を生じさせて発電を行うエネルギー変換法である。
この熱電発電では、熱電変換材料の一端を廃熱により生
じた高温部に配置し、もう一端を大気中(室温)に配置
して、それぞれの両端に導線を接続するだけで電気が得
られ、一般の発電に必要なモーターやタービン等の可動
装置は全く必要ない。このためコストも安く、さらに燃
焼等によるガスの排出も無く、熱電変換材料が劣化する
まで継続的に発電を行うことができる。
【0004】このように、熱電発電は今後心配されるエ
ネルギー問題の解決の一端を担う技術として期待されて
いるが、熱電発電を実現するためには、高い熱電変換効
率を有し、耐熱性、化学的耐久性等に優れた熱電変換材
料が必要となる。現在、高い熱電変換効率を有する物質
として知られているものは、金属間化合物であり、その
中でも、廃熱の温度域である600〜1000K程度の
温度域で高い変換効率を有する材料は、TeAgSb系
金属化合物である。しかしながら、TeやSbは毒性を
有する希少元素であり、しかも酸化し易いために空気中
では利用できない点等を考慮すると、TeAgSb系金
属化合物の実用材としての応用には限界がある。このた
め、毒性が少なく、存在量の多い元素により構成され、
耐熱性、化学的耐久性等に優れ、高い熱電変換効率を有
する材料の開発が期待されている。
【0005】耐熱性や化学的耐久性に優れた材料として
は金属酸化物が考えられるが、金属酸化物の熱電変換効
率は、TeAgSb系金属化合物と比較して一桁低いの
が現状である。これは、従来知られている10mΩcm
程度以下の電気抵抗率を有する導電性の良好な酸化物
は、ゼーベック係数が数十μV/K程度以下の低い値し
か示さないためである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
毒性が低く存在量の多い元素により構成され、耐熱性、
化学的耐久性等に優れ、廃熱の温度域である600K以
上の温度域で高い熱電変換効率を有する材料を提供する
ことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した熱
電変換材料の現状に鑑みて種々の研究を重ねた結果、C
a、Sr及びBaから選ばれた二種類の元素、Bi及び
希土類から選ばれた元素、Co並びにOを構成元素とし
て含む特定組成の複合酸化物は、高いゼーベック係数と
良好な電気伝導性を有し、熱電変換素子における熱電変
換材料として非常に有用性が高い物質であることを見出
し、ここに本発明を完成するに至った。
【0008】即ち、本発明は、以下の複合酸化物及びp
型熱電材料を提供するものである。 1.一般式:(A0.40.10.1x/0.6Co2y(式
中、AとBは、それぞれ異なる元素であって、Ca、S
r又はBaであり、Mは、Bi、Sc、Y、La、C
e、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Yb又はLuであり、1.7≦x≦2、3.
8≦y≦5である)で表され、100K(絶対温度)以
上の温度で100μV/K以上のゼーベック係数と10
mΩcm以下の電気抵抗率を有することを特徴とする複
合酸化物。 2. 上記項1に記載された一般式において、(1)A
=Ca、B=Sr、M=Bi、(2)A=Ca、B=S
r、M=Gd、(3)A=Ba、B=Sr、M=Bi、
又は(4)A=Ba、B=Sr、M=Gdである上記項
1に記載の複合酸化物。 3.600K(絶対温度)以上の温度において熱電性能
指数が1以上である上記項1又は2に記載の複合酸化
物。 4.上記1〜3のいずれかに記載の複合酸化物からなる
p型熱電材料。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の複合酸化物は、一般式:
(A0.40.10.1x/0.6Co2yで表されるものであ
る。式中、AとBは、それぞれ異なる元素であって、C
a、Sr又はBaであり、Mは、Bi、Sc、Y、L
a、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、D
y、Ho、Er、Yb又はLuである。xの値は、1.
7以上、2以下、好ましくは1.8以上、2以下であ
り、yの値は、3.8以上、5以下、好ましくは4以
上、5以下である。
【0010】これらの内で、A=Ca、B=Sr、M=
Biの複合酸化物、A=Ca、B=Sr、M=Gdの複
合酸化物、A=Ba、B=Sr、M=Biの複合酸化
物、A=Ba、B=Sr、M=Gdの複合酸化物等は、
熱電性能指数(ZT)が高い点で好ましい物質である。
【0011】ここで、熱電性能指数とは、ゼーベック係
数(S)、絶対温度(T)、電気抵抗率(ρ)及び熱伝
導度(κ)から下記式により算出した値であり、一般に
熱電変換材料の変換効率を評価する基準として採用され
ている指数である。
【0012】熱電性能指数ZT=S2T/ρκ 本発明の複合酸化物の結晶構造の模式図を図1に示す。
この複合酸化物は一つのCoイオンの周囲を6個のOイ
オンが八面体配位したCo−O単位胞が稜共有するよう
に連なった層と、A,B,M及びCoからなる陽イオン
のいずれかと陰イオンであるOとが交互に配列した層、
即ち、一般に岩塩型構造と称される層とが、交互に積層
した構造を有する。
【0013】上記した特定組成を有する本発明の複合酸
化物は、100K(絶対温度)以上の温度で100μV
/K以上のゼーベック係数と10mΩcm以下の電気抵
抗率を有し、温度の上昇と共にゼーベック係数が増加
し、電気抵抗率が減少する傾向を示すものである。この
様に高いゼーベック係数と低い電気抵抗率を同時に有す
ることによって、本発明の複合酸化物は、熱電変換素子
の熱電変換材料として用いた場合に、優れた熱電変換性
能を示すものとなる。即ち、本発明の複合酸化物は、6
00K(絶対温度)以上の温度において、熱電変換材料
として実用上必要とされる1以上の熱電性能指数を示
し、優れた熱電変換性能を有する熱電変換材料である。
【0014】更に、本発明の複合酸化物は、毒性が少な
く存在量が多い元素によって構成されており、耐熱性、
化学的耐久性等が良好であり、熱電変換材料として実用
性の高い物質である。
【0015】本発明の複合酸化物の製造方法については
特に限定はなく、上記した組成を有する結晶構造の複合
酸化物を製造できる方法であればよい。
【0016】例えば、フラックス法、ゾーンメルト法、
引き上げ法、ガラス前駆体を経由するガラスアニール法
等の単結晶製造法、固相反応法、ゾルゲル法等の粉末製
造法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、
ケミカル・ベーパー・デポジション法等の薄膜製造法等
の公知の方法によって上記組成を有する結晶構造の複合
酸化物を製造すればよい。
【0017】これらの方法の内で、ガラス前駆体を経由
するガラスアニール法について、以下においてより詳細
に説明する。
【0018】まず、原料物質を溶融し、急冷して固化さ
せる。この際の溶融条件は、原料物質を均一に溶融でき
る条件であれば良いが、溶融容器からの汚染や原料成分
の蒸発を防止するためには、例えば、アルミナ製ルツボ
を用いる場合には、1200〜1400℃程度に加熱し
て溶融することが好ましい。加熱時間については特に限
定はなく、原料物質が均一に溶融するまで加熱すればよ
く、通常、30分〜1時間程度の加熱時間とすれば良
い。加熱手段については、特に限定されず、電気加熱
炉、ガス加熱炉等の任意の手段を採用することができ
る。溶融の際の雰囲気は、例えば空気中や300ml/
l程度以下の酸素気流中等の酸素含有雰囲気とすればよ
いが、原料物質が十分量の酸素を含む場合には、不活性
雰囲気で溶融しても良い。
【0019】急冷条件については特に限定的ではない
が、形成される固化物の少なくとも表面部分がガラス状
の非晶質層となる条件で急冷すればよい。例えば、溶融
物を金属板上に流し出し、上方から圧縮する等の手段に
より急冷すればよい。冷却速度は、通常、500℃/秒
程度以上とすればよく、103℃/秒以上とすることが
好ましい。
【0020】次いで、急冷により形成された固化物を酸
素含有雰囲気中で熱処理することによって、該固化物の
表面から本発明の複合酸化物が繊維状の単結晶として成
長する。
【0021】熱処理温度は、880〜930℃程度とす
ればよく、空気中や酸素気流中等の酸素含有雰囲気中で
加熱すればよい。酸素気流中で加熱する場合には、例え
ば、300ml/分程度以下の流量の酸素気流中で加熱
すればよい。熱処理時間については、特に限定はなく、
目的とする単結晶の成長の程度に応じて決めればよい
が、通常、60〜1000時間程度の加熱時間とすれば
よい。
【0022】原料物質の混合割合は、目的とする複合酸
化物の組成に応じて決めることができる。具体的には、
上記固化物の表面の非晶質層部分から繊維状の複合酸化
物単結晶が形成される際に、該非晶質部分の溶融物の組
成を液相組成として、これと相平衡にある固相の組成の
酸化物単結晶が成長するので、互いに平衡状態にある融
液相と固相(単結晶)の組成の関係によって、出発原料
の組成を決めることができる。
【0023】この様な方法で得られる複合酸化物単結晶
の大きさは、原料物質の種類、組成比、熱処理条件等に
より変わり得るが、例えば、長さ10〜1000μm程
度、幅20〜200μm程度、厚さ1〜5μm程度の繊
維状の形状を有するものとなる。
【0024】また、固相反応法による本発明の複合酸化
物の製造方法について説明すると、まず、目的とする複
合酸化物の金属成分比率と同様の配合割合となるように
原料物質を混合した後、空気中などの含酸素雰囲気中で
800〜900℃程度で10時間程度焼成して仮焼粉末
とする。次いで、この仮焼粉末を加圧成形し、含酸素雰
囲気中で焼成することによって、目的とする複合酸化物
を得ることができる。含酸素雰囲気としては、例えば、
大気中や300ml/分程度までの流速の酸素気流中な
どの雰囲気を採用できる。焼成手段は特に限定されず、
電気加熱炉、ガス加熱炉等任意の手段を採用できる。焼
成温度及び焼成時間も特に限定されず目的とする複合酸
化物が得られれば良いが、例えば、920〜1100℃
程度で20〜40時間程度焼成すればよい。
【0025】上記したガラス前駆体を経由するガラスア
ニール法及び固相反応法の何れの方法においても、焼成
時の酸素流量により得られる物質の含有酸素量を制御す
ることができ、流量が多いほど含有酸素量も多くなる
が、含有酸素量の変化は、複合酸化物の電気的特性に大
きな影響を及ばさない。原料物質は焼成により酸化物を
形成し得るものであれば特に限定されず、金属単体、酸
化物、各種化合物(炭酸塩等)等が使用できる。アルカ
リ土類元素源としては、例えばCaの場合には、酸化カ
ルシウム(CaO)、塩化カルシウム(CaCl2)、
炭酸カルシウム(CaCO3)、硝酸カルシウム(Ca
(NO32)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、
ジメトキシカルシウム(Ca(OCH32)、ジエトキ
シカルシウム(Ca(OC252)、ジプロポキシカ
ルシウム(Ca(OC372)等のアルコキシド化合
物等を用いることができ、Bi及び希土類元素(以下M
とする)源としては酸化物(M23、例:Gd23)、
硝酸塩(M(NO33)、塩化物(MCl3)、水酸化
物(M(OH)3)、アルコキシド化合物(M(OC
33、M(OC253、M(OC373)等を用い
ることができ、Co源としては酸化コバルト(CoO、
Co23、Co34)、塩化コバルト(CoCl2)、
炭酸コバルト(CoCO3)、硝酸コバルト(Co(N
32)、水酸化コバルト(Co(OH)2)、ジプロ
ポキシコバルト(Co(OC372)等のアルコキシ
ド化合物等を用いることができる。また本発明の複合酸
化物の構成元素を二種以上含む化合物を使用してもよ
い。
【0026】この様にして得られる本発明の複合酸化物
は、高いゼーベック係数と低い電気抵抗率を同時に有す
る熱電変換性能に優れた物質であり、熱電変換素子の熱
電変換材料として有効に用いることができる。
【0027】本発明の複合酸化物を熱電変換材料として
用いた熱電変換素子の一例の模式図を図2に示す。熱電
変換素子の構造は、公知の熱電変換素子と同様であり、
高温部用基板1、低温部用基板2、P型熱電変換材料
3、N型熱電変換材料4、電極5、導線6等により構成
される熱電変換素子において、本発明の複合酸化物をP
型熱電変換材料として用いればよい。
【0028】
【発明の効果】本発明の複合酸化物は、高いゼーベック
係数と低い電気抵抗率を同時に有する熱電変換性能に優
れた物質であり、しかも耐熱性、化学的耐久性等も良好
である。
【0029】該複合酸化物は、従来の金属間化合物材料
では不可能であった、空気中において高温で使用可能な
熱電変換材料としての応用ができる。従って、本発明の
酸化物材料を熱電発電システム中に組み込むことによ
り、これまで大気中に廃棄されていた熱エネルギーを有
効に利用することが可能となる。
【0030】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説
明する。
【0031】実施例1 炭酸カルシウム(CaCO3)、炭酸ストロンチウム
(SrCO3)、酸化ビスマス(Bi23)及び酸化コ
バルト(Co34)を出発原料として用い、Bi:C
a:Sr:Co(原子比)=1:1:1:2となる様に
出発原料を十分に混合した後、アルミナルツボに入れ、
電気炉を用いて空気中で1300℃で30分間原料粉末
を溶融させた。次いで、溶融物を銅板上に流し出し、も
う一枚の銅板で挟みつけて急冷することによりガラス前
駆体を得た。このガラス前駆体を酸素気流中(150m
l/分)、930℃で1000時間熱処理することによ
って、該ガラス前駆体表面に単結晶を成長させた。得ら
れた複合酸化物の走査型電子顕微鏡写真を図3に示す。
この複合酸化物の単結晶は、化学式:(Ca0.4Sr0.1
Bi0.11.7/0.6Co24.8で表されるものであった。
【0032】得られた複合酸化物の100〜973K
(絶対温度)におけるゼーベック係数(S)の温度依存
性を示すグラフを図4に示す。図4から、この複合酸化
物のゼーベック係数は温度上昇とともに増加することが
判る。尚、後述する全ての実施例において同様の温度依
存性が観察され、100K以上の温度で100μV/K
を上回るゼーベック係数であった。
【0033】更に、該複合酸化物の100〜973K
(絶対温度)における電気抵抗率(ρ)の温度依存性を
示すグラフを図5に示す。図5から、該複合酸化物は、
電気抵抗率が温度の上昇に伴い減少する半導体的挙動を
示し、100K以上の温度で10mΩcmを下回る電気
抵抗率であった。尚、後述する全ての実施例において、
同様の電気抵抗率(ρ)の温度依存性が観察された。
【0034】図6に、該複合酸化物の熱伝導度(κ)の
温度依存性を示すグラフを示す。κの値は973K(絶
対温度)で1.1W/mKとなり、一般的な導電性酸化
物よりも低い熱伝導度を有することが分かった。これは
本発明の酸化物の層状構造に起因し、積層界面における
フォノン散乱により格子熱伝導が抑制されるため熱伝導
度が低くなったものと考えられる。
【0035】図7に、該複合酸化物の熱電性能指数ZT
の温度依存性を示すグラフを示す。熱電性能指数ZTも
温度増加と共に増加し、600K(絶対温度)以上の温
度において実用上必要とされる1を超え、873〜97
3Kにおいて2.7というこれまで得られなかった高い
ZTが得られた。
【0036】実施例2〜120 表1〜6のガラス前駆体作製仕込み組成の項に示す配合
割合となるように出発原料を混合すること以外は、実施
例1と同様にして本発明の複合酸化物を製造した。得ら
れた複合酸化物の化学式は、各表の上に記載したとおり
であり、表中に化学式中のMの種類とXの値を示す。
【0037】得られた複合酸化物について、ゼーベック
係数、電気抵抗率、及び熱電性能指数ZTの測定結果を
各表に示す。
【0038】尚、下記実施例において使用した出発原料
は、下記のものである。 ・Ca源…炭酸カルシウム(CaCO3) ・Sr源…炭酸ストロンチウム(SrCO3) ・Ba源…炭酸バリウム(BaCO3) ・希土類元素源…酸化希土類(RE23) ・Bi源…酸化ビスマス(Bi23) ・Co源…酸化コバルト(Co34
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
【表3】
【0042】
【表4】
【0043】
【表5】
【0044】
【表6】
【0045】実施例121 炭酸カルシウム(CaCO3)、炭酸ストロンチウム
(SrCO3)、酸化ビスマス(Bi23)及び酸化コ
バルト(Co34)を出発原料として用い、Ca:S
r:Bi:Co(原子比)=1.2:0.3:0.3:
2.0となる様に出発原料を十分に混合した後、アルミ
ナルツボに入れ、電気炉を用いて空気中で800℃で1
0時間原料粉末を仮焼した。焼成物を粉砕、成型し、酸
素気流中(150ml/分)で850℃で60時間焼成
を行うことによって、化学式:(Ca0. 4Sr0.1Bi
0.11.8/0.6Co24.95で表される複合酸化物を得
た。
【0046】得られた複合酸化物について、100Kに
おけるゼーベック係数は110μV/K、100Kにお
ける電気抵抗率は6.0mΩcm、600Kにおける熱
電性能指数ZTは1.2であり、高い熱電変換効率を有
するものであった。
【0047】実施例122〜240 目的とする複合酸化物の金属成分比率と同様の配合割合
となるように出発原料を混合すること以外は、実施例1
21と同様にして、本発明の複合酸化物を製造した。得
られた複合酸化物の化学式は、各表の上に記載したとお
りであり、表中に化学式中のMの種類とXの値を示す。
【0048】得られた複合酸化物について、ゼーベック
係数、電気抵抗率、及び熱電性能指数ZTの測定結果を
下記表7〜12に示す。
【0049】尚、下記実施例において使用した出発原料
は、下記のものである。 ・Ca源…炭酸カルシウム(CaCO3) ・Sr源…炭酸ストロンチウム(SrCO3) ・Ba源…炭酸バリウム(BaCO3) ・希土類元素源…酸化希土類(RE23) ・Bi源…酸化ビスマス(Bi23) ・Co源…酸化コバルト(Co34
【0050】
【表7】
【0051】
【表8】
【0052】
【表9】
【0053】
【表10】
【0054】
【表11】
【0055】
【表12】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合酸化物の結晶構造を示す模式図。
【図2】本発明の複合酸化物を熱電変換材料として用い
た熱電変換素子の模式図。
【図3】実施例1で得られた複合酸化物の結晶構造を示
す走査型電子顕微鏡写真。
【図4】実施例1で得られた複合酸化物のゼーベック係
数の温度依存性を示すグラフ。
【図5】実施例1で得られた複合酸化物の電気抵抗率の
温度依存性を示すグラフ。
【図6】実施例1で得られた複合酸化物の熱伝導度の温
度依存性を示すグラフ。
【図7】実施例1で得られた複合酸化物の熱電性能指数
ZTの温度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
1…高温部用基板、2…低温部用基板、3…P型熱電変
換材料、4…N型熱電変換材料、5…電極、6…導線

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式:(A0.40.10.1x/0.6Co2
    y(式中、AとBは、それぞれ異なる元素であって、
    Ca、Sr又はBaであり、Mは、Bi、Sc、Y、L
    a、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、D
    y、Ho、Er、Yb又はLuであり、1.7≦x≦
    2、3.8≦y≦5である)で表され、100K(絶対
    温度)以上の温度で100μV/K以上のゼーベック係
    数と10mΩcm以下の電気抵抗率を有することを特徴
    とする複合酸化物。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載された一般式において、
    (1)A=Ca、B=Sr、M=Bi、(2)A=C
    a、B=Sr、M=Gd、(3)A=Ba、B=Sr、
    M=Bi、又は(4)A=Ba、B=Sr、M=Gdで
    ある請求項1に記載の複合酸化物。
  3. 【請求項3】600K(絶対温度)以上の温度において
    熱電性能指数が1以上である請求項1又は2に記載の複
    合酸化物。
  4. 【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の複合酸化
    物からなるp型熱電材料。
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