JP2004087714A - ハイブリッド熱電変換材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱電変換材料の性能を向上させる。
【解決手段】熱電変換材料に、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加する。
【選択図】 なし
【解決手段】熱電変換材料に、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加する。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換材料は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる材料であり、例えば排熱を利用して電気エネルギーに変換するシステムへの利用が検討されている。
【０００３】
この熱電変換材料はゼーベック効果を利用して熱電変換を行うものであるが、その熱電変換性能は、性能指数と呼ばれる下式で表される。
Ｚ＝α２（σ／κ）
（上式中、Ｚは性能指数（Ｋ−１）であり、αはゼーベック係数（ＶＫ−１）であり、σは電気伝導度（Ｓｃｍ−１）であり、κは熱伝導度（Ｗｃｍ−１Ｋ−１）である）
【０００４】
従って、熱電変換材料の熱電変換性能を高めるためには、ゼーベック係数を高くし、電気伝導度を高くし、熱伝導度を低くすればよいことがわかる。しかしながら、これらの物理量は１つの材料において個別に改良できるものではなく、１つの向上させると他の２つは低下する関係にある。例えば、電気伝導度を高くすればそれに伴って熱伝導度も高くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数種の材料を組み合わせることにより、電気伝導度を高めると共に、熱伝導度を低下させることを可能にする、熱電変換性能の高い熱電変換材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含むハイブリッド熱電変換材料が提供される。
【０００７】
上記問題点を解決するために２番目の発明によれば、上記１番目の発明において、前記熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とが一方向に配向されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記のように、本発明のハイブリッド熱電変換材料は、従来より用いられている熱電変換材料にポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加していることを特徴としている。
【０００９】
熱電変換材料としては、ビスマステルル（Ｂｉ２Ｔｅ２）、鉛テルル（ＰｂＴｅ）、シリコンゲリウム（ＳｉＧｅ）等の金属半導体、カルシウムコバルト酸化物（ＣａＣｏＯ）、ナトリウムコバルト酸化物（ＮａＣｏＯ）等の酸化物、スクッテルダイト（ＣｏＳｂ）、その他（ＺｎＳｂ、ＦｅＳｉ）等の従来公知の熱電変換材料を用いることができる。またこれらの熱電変換材料の複合体、例えばＦｅＳｉとＹｂ２Ｏ３の複合材料も用いることができる。
【００１０】
カーボンナノチューブは、直径が約１ｎｍ〜数十ｎｍで、長さが数μｍである円筒状の炭素物質である。また、カーボンナノファイバーは、炭素繊維とカーボンナノチューブの中間の繊維径、すなわち繊維径が１０〜１０００ｎｍで、長さが数μｍ程度の繊維状炭素物質である。このカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーはいずれも電気抵抗率が１０−２μΩｍ以下の電気伝導性に優れた材料であり、熱電材料と組み合わせることにより熱電性能を向上させることが期待される。しかしながら、一方、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーはいずれも熱伝導率が１０−２Ｗ／ｍＫと大きいため、そのまま熱電材料に添加したのでは熱電変換性能の向上は望めない。
【００１１】
そこで本発明では、このカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーをポリマー膜で被覆することによって、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーの電気伝導性を低下させることなく熱伝導性を低下させている。このポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニリデンフルオライド、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド等を用いることができる。また、ポリマー膜の厚さは数μｍ程度とすることが好ましい。
【００１２】
カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーをポリマーで被覆する方法としては、例えば、まずポリマーをテトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の溶媒に溶解し、この溶液中にカーボンナノチューブ等を混合する。次いで、これを撹拌機で混合し、溶媒の沸点以上の温度で加熱して溶媒を除去し、数μｍ厚のポリマー被覆を形成する。
【００１３】
このポリマー被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーの添加量は、得られるハイブリッド熱電変換材料全体の１〜２０ｗｔ％であることが好ましい。ポリマー被覆被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーは、酸化物系熱電変換材料のような、電気伝導性の低い材料への添加が効果的である。
【００１４】
また、このポリマー被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーのほかに、導電性ポリマーを熱電変換材料に添加することも有効である。導電性ポリマーは電気伝導性に優れた材料であり、一方樹脂であるため熱伝導性が低い。この導電性ポリマーとしては、ポリアニリン、ポリピロール等を用いることができる。
【００１５】
この導電性ポリマーの添加量は、得られるハイブリッド熱電変換材料全体の１〜１０ｗｔ％であることが好ましい。導電性ポリマーは、スクッテルダイトや半導体系熱電変換材料のような、酸化物系以外の電気伝導性は高いが熱伝導性も高い材料への添加が効果的である。
【００１６】
これらのポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーは熱電変換材料中にナノレベルで分散していることが必要である。この「ナノレベルで分散している」とはナノサイズの粒子同志で分散していることを意味する。このようにポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーを熱電変換材料中にナノレベルで分散させるには、例えば、ボールミル等で０．５〜２時間撹拌する。
【００１７】
さらに本発明においては、熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーは一方向に配向されていることが好ましい。一方向に配向させることにより、その配向している一定方向にのみ熱電性能が優れた材料となるからである。この配向方法としては、押出し成形法、ホットフォージング法等の量産技術を用いることができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱電変換材料にポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加することにより、得られるハイブリッド熱電変換材料の電気伝導度を高め、熱伝導度を低くすることができ、熱電変換性能を高めることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換材料は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる材料であり、例えば排熱を利用して電気エネルギーに変換するシステムへの利用が検討されている。
【０００３】
この熱電変換材料はゼーベック効果を利用して熱電変換を行うものであるが、その熱電変換性能は、性能指数と呼ばれる下式で表される。
Ｚ＝α２（σ／κ）
（上式中、Ｚは性能指数（Ｋ−１）であり、αはゼーベック係数（ＶＫ−１）であり、σは電気伝導度（Ｓｃｍ−１）であり、κは熱伝導度（Ｗｃｍ−１Ｋ−１）である）
【０００４】
従って、熱電変換材料の熱電変換性能を高めるためには、ゼーベック係数を高くし、電気伝導度を高くし、熱伝導度を低くすればよいことがわかる。しかしながら、これらの物理量は１つの材料において個別に改良できるものではなく、１つの向上させると他の２つは低下する関係にある。例えば、電気伝導度を高くすればそれに伴って熱伝導度も高くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数種の材料を組み合わせることにより、電気伝導度を高めると共に、熱伝導度を低下させることを可能にする、熱電変換性能の高い熱電変換材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含むハイブリッド熱電変換材料が提供される。
【０００７】
上記問題点を解決するために２番目の発明によれば、上記１番目の発明において、前記熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とが一方向に配向されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記のように、本発明のハイブリッド熱電変換材料は、従来より用いられている熱電変換材料にポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加していることを特徴としている。
【０００９】
熱電変換材料としては、ビスマステルル（Ｂｉ２Ｔｅ２）、鉛テルル（ＰｂＴｅ）、シリコンゲリウム（ＳｉＧｅ）等の金属半導体、カルシウムコバルト酸化物（ＣａＣｏＯ）、ナトリウムコバルト酸化物（ＮａＣｏＯ）等の酸化物、スクッテルダイト（ＣｏＳｂ）、その他（ＺｎＳｂ、ＦｅＳｉ）等の従来公知の熱電変換材料を用いることができる。またこれらの熱電変換材料の複合体、例えばＦｅＳｉとＹｂ２Ｏ３の複合材料も用いることができる。
【００１０】
カーボンナノチューブは、直径が約１ｎｍ〜数十ｎｍで、長さが数μｍである円筒状の炭素物質である。また、カーボンナノファイバーは、炭素繊維とカーボンナノチューブの中間の繊維径、すなわち繊維径が１０〜１０００ｎｍで、長さが数μｍ程度の繊維状炭素物質である。このカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーはいずれも電気抵抗率が１０−２μΩｍ以下の電気伝導性に優れた材料であり、熱電材料と組み合わせることにより熱電性能を向上させることが期待される。しかしながら、一方、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーはいずれも熱伝導率が１０−２Ｗ／ｍＫと大きいため、そのまま熱電材料に添加したのでは熱電変換性能の向上は望めない。
【００１１】
そこで本発明では、このカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーをポリマー膜で被覆することによって、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーの電気伝導性を低下させることなく熱伝導性を低下させている。このポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニリデンフルオライド、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド等を用いることができる。また、ポリマー膜の厚さは数μｍ程度とすることが好ましい。
【００１２】
カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーをポリマーで被覆する方法としては、例えば、まずポリマーをテトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の溶媒に溶解し、この溶液中にカーボンナノチューブ等を混合する。次いで、これを撹拌機で混合し、溶媒の沸点以上の温度で加熱して溶媒を除去し、数μｍ厚のポリマー被覆を形成する。
【００１３】
このポリマー被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーの添加量は、得られるハイブリッド熱電変換材料全体の１〜２０ｗｔ％であることが好ましい。ポリマー被覆被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーは、酸化物系熱電変換材料のような、電気伝導性の低い材料への添加が効果的である。
【００１４】
また、このポリマー被覆カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーのほかに、導電性ポリマーを熱電変換材料に添加することも有効である。導電性ポリマーは電気伝導性に優れた材料であり、一方樹脂であるため熱伝導性が低い。この導電性ポリマーとしては、ポリアニリン、ポリピロール等を用いることができる。
【００１５】
この導電性ポリマーの添加量は、得られるハイブリッド熱電変換材料全体の１〜１０ｗｔ％であることが好ましい。導電性ポリマーは、スクッテルダイトや半導体系熱電変換材料のような、酸化物系以外の電気伝導性は高いが熱伝導性も高い材料への添加が効果的である。
【００１６】
これらのポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーは熱電変換材料中にナノレベルで分散していることが必要である。この「ナノレベルで分散している」とはナノサイズの粒子同志で分散していることを意味する。このようにポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーを熱電変換材料中にナノレベルで分散させるには、例えば、ボールミル等で０．５〜２時間撹拌する。
【００１７】
さらに本発明においては、熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーは一方向に配向されていることが好ましい。一方向に配向させることにより、その配向している一定方向にのみ熱電性能が優れた材料となるからである。この配向方法としては、押出し成形法、ホットフォージング法等の量産技術を用いることができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱電変換材料にポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を添加することにより、得られるハイブリッド熱電変換材料の電気伝導度を高め、熱伝導度を低くすることができ、熱電変換性能を高めることができる。
Claims (2)
- 熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含むハイブリッド熱電変換材料。
- 前記熱電変換材料と、ポリマー被覆カーボンナノチューブ、ポリマー被覆カーボンファイバー及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも１種とが一方向に配向されている、請求項１記載のハイブリッド熱電変換材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002245592A JP2004087714A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ハイブリッド熱電変換材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002245592A JP2004087714A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ハイブリッド熱電変換材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004087714A true JP2004087714A (ja) | 2004-03-18 |
Family
ID=32053745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002245592A Pending JP2004087714A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | ハイブリッド熱電変換材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004087714A (ja) |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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