JP2007051345A - Clathrate compound, and thermoelectric conversion element using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、クラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a clathrate compound and a thermoelectric conversion element using the same.
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。その性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換素子は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。 Thermoelectric conversion elements using the Seebeck effect can convert thermal energy into electrical energy. Utilizing this property, it is possible to convert exhaust heat exhausted from industrial / consumer processes and mobile objects into effective electric power, and thermoelectric conversion elements are attracting attention as energy-saving technologies in consideration of environmental problems.
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子に用いられる熱電変換材料の性能指数ZTは、下記式(A)で表すことができる。 The figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion element utilizing the Seebeck effect can be expressed by the following formula (A).
ZT=α2σT/κ (A) ZT = α 2 σT / κ (A)
ここで、α、σ、κ及びTは、それぞれ、ゼーベック係数、電気伝導度、熱伝導度及び測定温度を表す。 Here, α, σ, κ, and T represent the Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and measurement temperature, respectively.
上記式(A)から明らかなように、熱電変換素子の性能を向上させるためには、素子に用いられる材料のゼーベック係数、電気伝導度を大きくすること、及び、熱伝導度を小さくすることが重要である。 As apparent from the above formula (A), in order to improve the performance of the thermoelectric conversion element, it is necessary to increase the Seebeck coefficient and electrical conductivity of the material used for the element, and to decrease the thermal conductivity. is important.
高い電気伝導度と低い熱伝導度を兼ね備える化合物として、クラスレート化合物が知られている(例えば、特許文献1参照。)。クラスレート化合物は、III族及び/又はIV族原子が頂点を占める多面体のケージ内にアルカリ及び/又はアルカリ土類金属原子が内包された構造を有し、新規な熱電変換材料として注目されている。
特許文献1の実施例にはBa8Ga16Ge30が開示されている。しかし、Ba8Ga16Ge30の電気伝導度は既存の熱電変換材料と比較して小さく、更なる改良が必要である。
In an example of
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱電変換素子に好適な、新規なクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a novel clathrate compound suitable for a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion element using the same.
即ち、本発明は、
<1> 下記組成式(1)で表されるクラスレート化合物である。
That is, the present invention
<1> A clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Sr8-xBaxGayGe46-y (0<x≦2、12≦y<18) (1) Sr 8-x Ba x Ga y Ge 46-y (0 <x ≦ 2, 12 ≦ y <18) (1)
<2> <1>に記載のクラスレート化合物の焼結体を用いた熱電変換素子である。 <2> A thermoelectric conversion element using the sintered body of the clathrate compound according to <1>.
本発明によれば、熱電変換素子に好適な新規なクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel clathrate compound suitable for a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion element using the same can be obtained.
以下、本発明のクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子について詳細に説明する。 Hereinafter, the clathrate compound of the present invention and the thermoelectric conversion element using the same will be described in detail.
<クラスレート化合物>
本発明のクラスレート化合物は、下記組成式(1)で表される。
<Clathrate compound>
The clathrate compound of the present invention is represented by the following composition formula (1).
Sr8-xBaxGayGe46-y (0<x≦2、12≦y<18) (1) Sr 8-x Ba x Ga y Ge 46-y (0 <x ≦ 2, 12 ≦ y <18) (1)
本発明のクラスレート化合物は、n型半導体としての性質を有する。組成式(1)におけるxが上記範囲外であると、電気伝導度が低くなるため性能指数ZTが小さくなることがある。また、yが上記範囲外であると、キャリア密度が多すぎるため、ゼーベック係数が小さくなることがある。 The clathrate compound of the present invention has properties as an n-type semiconductor. When x in the composition formula (1) is out of the above range, the electrical conductivity becomes low, and the figure of merit ZT may be small. If y is out of the above range, the Seebeck coefficient may be small because the carrier density is too high.
組成式(1)において、xのより好ましい範囲は0.5≦x≦2であり、yのより好ましい範囲は15≦y≦17である。 In the composition formula (1), a more preferable range of x is 0.5 ≦ x ≦ 2, and a more preferable range of y is 15 ≦ y ≦ 17.
本発明のクラスレート化合物は、該クラスレート化合物を構成する構成元素を溶融させる溶融工程を経て合成することができるが、この方法に限定されるものではない。溶融温度としては、1000〜1500℃が好ましく、1000〜1400℃がさらに好ましく、1200〜1400℃が特に好ましい。また、溶融時間としては、10〜100分が好ましく10〜60分がさらに好ましく、20〜60分が特に好ましい。溶融方法としては、アーク溶解法、高周波加熱法等を用いることができる。 The clathrate compound of the present invention can be synthesized through a melting step of melting the constituent elements constituting the clathrate compound, but is not limited to this method. As a melting temperature, 1000-1500 degreeC is preferable, 1000-1400 degreeC is more preferable, 1200-1400 degreeC is especially preferable. The melting time is preferably 10 to 100 minutes, more preferably 10 to 60 minutes, and particularly preferably 20 to 60 minutes. As a melting method, an arc melting method, a high-frequency heating method, or the like can be used.
<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、前記本発明のクラスレート化合物の焼結体を用いたものである。本発明の熱電変換素子は、前記溶融工程を経て合成された本発明のクラスレート化合物を微粒子にする微粒子化工程と、前記微粒子化工程で得られた微粒子を焼結する焼結工程とを経て製造することができるが、この方法に限定されるものではない。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention uses a sintered body of the clathrate compound of the present invention. The thermoelectric conversion element of the present invention is subjected to a fine particle forming step of making the clathrate compound of the present invention synthesized through the melting step into fine particles, and a sintering step of sintering the fine particles obtained in the fine particle forming step. Although it can manufacture, it is not limited to this method.
前記微粒子化工程においては、ボールミルや乳鉢等を用いてクラスレート化合物を粉砕することにより微粒子を得ることができる。前記微粒子の粒径としては、150μm以下が好ましく、90μm以下がさらに好ましい。また、真空中でクラスレート化合物の蒸気を発生させ、前記蒸気を高圧の不活性ガスで吹き飛ばすことにより微粒子を得る、いわゆるフローイングガスエバポレーション法を用いることができる。フローイングガスエバポレーション法の詳細は、特公平5−9483号公報等に詳しい。前記焼結工程においては、放電プラズマ焼結法、ホットプレス焼結法、熱間等方圧加圧焼結法等を用いて微粒子を焼結することができる。 In the fine particle formation step, fine particles can be obtained by pulverizing the clathrate compound using a ball mill or a mortar. The particle diameter of the fine particles is preferably 150 μm or less, and more preferably 90 μm or less. Further, a so-called flowing gas evaporation method can be used in which vapor of a clathrate compound is generated in vacuum and the vapor is blown off with a high-pressure inert gas to obtain fine particles. Details of the flowing gas evaporation method are described in Japanese Patent Publication No. 5-9483. In the sintering step, the fine particles can be sintered using a discharge plasma sintering method, a hot press sintering method, a hot isostatic pressing method, or the like.
放電プラズマ焼結法を用いる場合の焼結条件としては、温度は650〜950℃が好ましく、700〜900℃がより好ましい。焼結時間は、20〜120分が好ましく、30〜90分がより好ましい。圧力は、25〜40MPaが好ましく、30〜40MPaがより好ましい。 As a sintering condition in the case of using the discharge plasma sintering method, the temperature is preferably 650 to 950 ° C, and more preferably 700 to 900 ° C. The sintering time is preferably 20 to 120 minutes, more preferably 30 to 90 minutes. The pressure is preferably 25 to 40 MPa, more preferably 30 to 40 MPa.
本発明のクラスレート化合物の生成は、X線回折により確認することができる。具体的には、焼成後のサンプルがX線回折によりクラスレート相のみを示すものであれば、クラスレート化合物が合成されたことが確認できる。 The formation of the clathrate compound of the present invention can be confirmed by X-ray diffraction. Specifically, if the sample after firing shows only the clathrate phase by X-ray diffraction, it can be confirmed that the clathrate compound has been synthesized.
以下、本発明を、実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited by the following Example.
[クラスレート化合物及び熱電変換素子の製造]
原材料として、Sr(99.9%)、Ba(99.9%)、Ga(99.9999%)及びGe(99.9999%)をアルゴン雰囲気下で所定量秤量し、これをアルゴン雰囲気下においてアーク溶解(アーク温度1200℃、アーク溶解時間20分)させて溶解、冷却させ目的のクラスレート化合物を得た。表1に各クラスレート化合物に用いられたSr,Ba,Ga及びGeの仕込量をまとめて示す。
[Manufacture of clathrate compounds and thermoelectric conversion elements]
As raw materials, Sr (99.9%), Ba (99.9%), Ga (99.9999%) and Ge (99.9999%) were weighed in a predetermined amount under an argon atmosphere, and this was measured under an argon atmosphere. It was melted and cooled by arc melting (arc temperature 1200 ° C.,
得られた各クラスレート化合物を、グローブボックス中アルゴン雰囲気下においてメノウ乳鉢で粒径が106μm未満となるように粉砕して微粒子を得た。各クラスレート化合物の微粒子を放電プラズマ焼結装置により、温度680〜710°C、保持時間30分、焼結圧力40MPaの条件で焼成して各クラスレート化合物を用いた熱電変換素子を得た。各クラスレート化合物を幅1〜2mm、厚さ1〜2mm、長さ15〜20mmに切り出してこれを測定試料として用いた。 Each obtained clathrate compound was pulverized with an agate mortar so as to have a particle size of less than 106 μm under an argon atmosphere in a glove box to obtain fine particles. Fine particles of each clathrate compound were baked by a discharge plasma sintering apparatus at a temperature of 680 to 710 ° C., a holding time of 30 minutes, and a sintering pressure of 40 MPa to obtain thermoelectric conversion elements using the respective clathrate compounds. Each clathrate compound was cut into a width of 1 to 2 mm, a thickness of 1 to 2 mm, and a length of 15 to 20 mm and used as a measurement sample.
−ゼーベック係数の測定−
図1は、ゼーベック係数の測定方法を説明するための図である。加熱炉10内に設けられたステージ20上に載置された熱電変換素子30に、熱電対40及び熱電対50を約10mmの間隔を開けるようにして接着した。熱電対の接着は、銀ペースト(徳力本店、導電性ペースト(シルベスト)PS−769)を用い、180℃×15分で焼き付けることにより行った。熱電対40及び熱電対50には各々温度計42及び温度計52を接続した。また、熱電対40及び熱電対50のプラス脚側に電圧計60を接続した。ステージ20の熱電変換素子30が載置された面とは反対側の面には熱電変換素子30の片側を加熱可能なようにヒーター70を配置した。
-Measurement of Seebeck coefficient-
FIG. 1 is a diagram for explaining a method of measuring the Seebeck coefficient. The
加熱炉10を加熱して炉内を温度Tとすると共にヒーター70により熱電変換素子30の熱電対50が接着されている側を加熱して、熱電対50が接着されている箇所と熱電対40が接着されている箇所との間に温度差ΔTを生じさせた。温度計42及び温度計52によりΔTを求め、ΔTが約10℃となった時の電圧(熱起電力(V))を測定した。得られたV及びΔTを用いてV/ΔTよりゼーベック係数(α)を算出した。得られた結果を図2,5,8及び11に示す。
The
−電気伝導度の測定−
電気伝導度(σ)は、四端子法により測定した。得られた結果を図3,6,9及び12に示す。
-Measurement of electrical conductivity-
Electrical conductivity (σ) was measured by the four probe method. The obtained results are shown in FIGS.
−パワーファクターの算出−
得られたゼーベック係数及び電気伝導度を用いてパワーファクター(α2σ)を算出した。得られた結果を図4,7,10及び13に示す。ここで、パワーファクターの値は誤差±10%を含む。得られた結果から、本発明の熱電変換素子は優れたn型熱電半導体であることがわかる。なお、図4、7及び13において組成式(1)のx=0(本発明外)に係るクラスレート化合物を用いた熱電変換素子がx=2(本発明)に係るクラスレート化合物を用いた熱電変換素子よりも高いパワーファクターを示す場合があるが、これらは誤差範囲内で同等のパワーファクターを示すものである。
-Calculation of power factor-
The power factor (α 2 σ) was calculated using the obtained Seebeck coefficient and electrical conductivity. The obtained results are shown in FIGS. Here, the value of the power factor includes an error of ± 10%. The obtained results show that the thermoelectric conversion element of the present invention is an excellent n-type thermoelectric semiconductor. 4, 7 and 13, the thermoelectric conversion element using the clathrate compound according to x = 0 (outside the present invention) of the composition formula (1) uses the clathrate compound according to x = 2 (the present invention). Although the power factor higher than a thermoelectric conversion element may be shown, these show an equivalent power factor within an error range.
10 加熱炉
20 ステージ
30 熱電変換素子
40、50 熱電対
42、52 温度計
60 電圧計
70 ヒーター
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Sr8-xBaxGayGe46-y (0<x≦2、12≦y<18) (1) A clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Sr 8-x Ba x Ga y Ge 46-y (0 <x ≦ 2, 12 ≦ y <18) (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005237855A JP2007051345A (en) | 2005-08-18 | 2005-08-18 | Clathrate compound, and thermoelectric conversion element using the same |
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JP2005237855A Pending JP2007051345A (en) | 2005-08-18 | 2005-08-18 | Clathrate compound, and thermoelectric conversion element using the same |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013161947A (en) * | 2012-02-06 | 2013-08-19 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Clathrate compound, thermoelectric conversion material, and method for producing thermoelectric conversion material |
WO2018135486A1 (en) * | 2017-01-19 | 2018-07-26 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Semiconductor crystal and power generation method |
-
2005
- 2005-08-18 JP JP2005237855A patent/JP2007051345A/en active Pending
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WO2018135486A1 (en) * | 2017-01-19 | 2018-07-26 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Semiconductor crystal and power generation method |
JPWO2018135486A1 (en) * | 2017-01-19 | 2019-11-07 | 三菱瓦斯化学株式会社 | Semiconductor crystal and power generation method |
US10811584B2 (en) | 2017-01-19 | 2020-10-20 | Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. | Semiconductor crystal and power generation method |
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