JP2007173799A - Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換材料に係り、特にMgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする熱電変換材料、およびこれを用いた熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material, and more particularly to a thermoelectric conversion material having a half-Heusler compound having a MgAgAs type crystal structure as a main phase, and a thermoelectric conversion element using the same.
近年、地球環境問題に対する意識の高揚から、フロンレス冷却であるぺルチェ効果を利用した熱電冷却素子に関する関心が高まってきている。地球温暖化問題から二酸化炭素排出量を削減するために、未利用廃熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電素子に対する関心もまた、同様に高まりつつある。 In recent years, interest in thermoelectric cooling elements using the Peltier effect, which is freonless cooling, has increased due to the heightened awareness of global environmental problems. Interest in thermoelectric generators that directly convert unused waste heat energy into electrical energy to reduce carbon dioxide emissions from global warming issues is also increasing.
このような熱電変換素子に用いられるp型やn型の熱電冷却材料および熱電発電材料には、効率の高さから、Bi−Te系の単結晶構造あるいは多結晶構造のものが多く用いられる。室温より高温の条件下で使用される熱電材料においても、効率の高さからp型およびn型のいずれにもPb−Te系材料が用いられている。 As the p-type and n-type thermoelectric cooling materials and thermoelectric power generation materials used for such thermoelectric conversion elements, a Bi-Te single crystal structure or a polycrystal structure is often used because of its high efficiency. In thermoelectric materials used under conditions higher than room temperature, Pb—Te-based materials are used for both p-type and n-type because of their high efficiency.
Pb−Te系材料に含有されているPb(鉛)は、人体にとって有毒有害であり、また地球環境問題の観点からも好ましくない。Bi−Te系材料には、一般的に不純物としてSeが添加されており、これも人体にとって有毒有害な元素である。地球環境問題の観点からも、Seは好ましくない。さらに、こうした材料系に用いられているTeは地球上の埋蔵量が非常に少なく、資源的に供給上の困難がある。このため、Bi−Te系材料およびPb−Te系材料よりも効率が高く、しかも無害な熱電変換材料が求められている。 Pb (lead) contained in the Pb—Te-based material is toxic and harmful to the human body and is not preferable from the viewpoint of global environmental problems. Bi-Te-based materials generally contain Se as an impurity, which is also an element that is toxic and harmful to the human body. Se is not preferable from the viewpoint of global environmental problems. Furthermore, Te used in such a material system has a very small reserve on the earth, and there is a difficulty in supply in terms of resources. For this reason, there is a demand for thermoelectric conversion materials that have higher efficiency and are harmless than Bi—Te materials and Pb—Te materials.
ハーフホイスラー化合物は、化学式ABXで表わされ、立方晶系のMgAgAs型結晶構造の金属間化合物であり、AXのNaCl型結晶格子にB原子が挿入された構造である。こうした構造を有する化合物は室温で高いゼーベック係数を有し、例えばTiNiSnは−142μV/K、ZrNiSnは−176μV/K、また、HfNiSnは−124μV/Kと報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 The half-Heusler compound is represented by the chemical formula ABX, is an intermetallic compound having a cubic MgAgAs type crystal structure, and has a structure in which B atoms are inserted into the NaCl type crystal lattice of AX. A compound having such a structure has a high Seebeck coefficient at room temperature. For example, TiNiSn is reported to be −142 μV / K, ZrNiSn is −176 μV / K, and HfNiSn is reported to be −124 μV / K (for example, Non-Patent Document 1). reference).
なお、熱電変換材料の性能指数Zは、下記数式(1)式で表される。 In addition, the figure of merit Z of the thermoelectric conversion material is expressed by the following formula (1).
Z=α2σ/κ (1)
上記数式(1)中、αは熱電変換材料のゼーベック係数、σは熱電変換材料の導電率であり、κは熱電変換材料の熱伝導率である。導電率σの逆数は、電気抵抗率ρとして表わされる。
Z = α 2 σ / κ (1)
In the above formula (1), α is the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, σ is the conductivity of the thermoelectric conversion material, and κ is the heat conductivity of the thermoelectric conversion material. The reciprocal of conductivity σ is expressed as electrical resistivity ρ.
Zは温度の逆数の次元を有し、この性能指数Zに絶対温度を乗ずると無次元の値となる。この値ZTは、無次元性能指数と呼ばれ、熱電変換材料の熱電変換効率に相関関係を有して、このZTの大きな材料ほど熱電変換効率は大きくなる。 Z has a dimension of the reciprocal of temperature, and when this figure of merit Z is multiplied by absolute temperature, it becomes a dimensionless value. This value ZT is called a dimensionless figure of merit and has a correlation with the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion material, and the higher the ZT, the greater the thermoelectric conversion efficiency.
すなわち、熱を通しにくく、電気をよく通して、熱起電力が大きい材料ほど高効率な熱電変換材料となる。例えば、現在知られている材料の中で最も大きな無次元性能指数を有するBi−Te系の無次元性能指数は、300Kで約1.0である。 That is, a material that is less likely to pass heat, passes electricity more, and has a higher thermoelectromotive force becomes a more efficient thermoelectric conversion material. For example, the dimensionless figure of merit of the Bi-Te system having the largest dimensionless figure of merit among currently known materials is about 1.0 at 300K.
前述したハーフホイスラー化合物ZrNiSnは、室温で−176μV/Kという高いゼーベック係数を有しているものの、室温での抵抗率が11mΩcmと大きく、また熱伝導率も8.8W/mKと大きい。このため、無次元性能指数ZTは0.010と小さく、熱電変換効率は小さいことが報告されている。TiNiSnおよびHfNiSnでは、熱電変換効率はさらに小さく、TiNiSnで0.007程度であり、HfNiSnでは0.005に留まる。 The half-Heusler compound ZrNiSn described above has a high Seebeck coefficient of −176 μV / K at room temperature, but has a high resistivity at room temperature of 11 mΩcm and a high thermal conductivity of 8.8 W / mK. For this reason, the dimensionless figure of merit ZT is as small as 0.010, and it is reported that the thermoelectric conversion efficiency is small. For TiNiSn and HfNiSn, the thermoelectric conversion efficiency is even smaller, about 0.007 for TiNiSn, and only 0.005 for HfNiSn.
一方、希土類を含むハーフホイスラー化合物としては、例えばHoPdSbが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。このHoPdSbは、室温におけるゼーベック係数は150μV/Kであり、熱伝導率は6W/mKとZrNiSnよりやや小さいものの、やはり抵抗率が9mΩcmと大きいため、無次元性能指数ZTは0.01に留まる。Ho0.5Er0.5PdSb1.05、Er0.25Dy0.75Pd1.02Sb、およびEr0.25Dy0.75PdSb1.05には、室温における無次元性能指数は小さく、それぞれ0.04、0.03、および0.02と報告されている。
本発明は上記問題に鑑み、ハーフホイスラー化合物を主相とする材料において、高いゼーベック係数と低い抵抗率とを維持しつつ熱伝導率を十分に低減して、無次元性能指数ZTの大きな熱電変換材料、およびこれを用いた熱電変換素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention is a thermoelectric conversion having a large dimensionless figure of merit ZT by sufficiently reducing the thermal conductivity while maintaining a high Seebeck coefficient and a low resistivity in a material having a half-Heusler compound as a main phase. It is an object to provide a material and a thermoelectric conversion element using the material.
本発明の一態様にかかる熱電変換材料の製造方法は、MgAgAs型結晶構造を有する相を含有する熱電変換材料の製造方法であって、下記組成式(2)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする。 A method for producing a thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention is a method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having a MgAgAs type crystal structure, wherein an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (2) is used. It has the process of integrally forming by a sintering method.
(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1-d)xNiySn100-x-y 組成式(2)
(上記組成式(2)中、LnはYおよび希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種であり、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、0<d≦0.3、30≦x≦35、30≦y≦35である。)
本発明の他の態様にかかる熱電変換材料は、MgAgAs型結晶構造を有する相を含有する熱電変換材料の製造方法であって、下記組成式(3)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする。
(Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-xy composition formula (2)
(In the composition formula (2), Ln is at least one selected from the group consisting of Y and rare earth elements, 0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 0 <D ≦ 0.3, 30 ≦ x ≦ 35, 30 ≦ y ≦ 35.)
A thermoelectric conversion material according to another aspect of the present invention is a method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having an MgAgAs type crystal structure, and sintering an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (3) It has the process of integrally forming by a method.
Ln1XNiYSb100-X-Y 組成式(3)
(上記組成式(3)中、Ln1は、Sc,Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種であり、30≦X≦35、30≦Y≦35である。)
本発明の他の態様にかかる熱電変換材料は、MgAgAs型結晶構造を有する相を含有する熱電変換材料の製造方法であって、下記組成式(4)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする。
Ln1 X Ni Y Sb 100-XY composition formula (3)
(In the composition formula (3), Ln1 is at least one selected from Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, and 30 ≦ X ≦ 35. 30 ≦ Y ≦ 35.)
A thermoelectric conversion material according to another aspect of the present invention is a method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having an MgAgAs type crystal structure, and sintering an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (4) It has the process of integrally forming by a method.
(Ln2pY1-p)XNiYSb100-X-Y 組成式(4)
(Ln2は、Sc,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種であり、0.001≦P≦0.999、30≦X≦35、30≦Y≦35である。)
本発明の一形態にかかる熱電変換素子は、交互に直列に接続されたp型熱電変換材料およびn型熱電変換材料を含み、前記p型熱電変換材料および前記n型熱電変換材料の少なくとも一方は、前記合金粉末を焼結法によって一体成形する製造方法によって製造された熱電変換材料を含むことが好ましい。
(Ln2 p Y 1-p) X Ni Y Sb 100-XY composition formula (4)
(Ln2 is at least one selected from Sc, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, and 0.001 ≦ P ≦ 0.999, 30 ≦ X ≦ 35. 30 ≦ Y ≦ 35.)
A thermoelectric conversion element according to one embodiment of the present invention includes p-type thermoelectric conversion materials and n-type thermoelectric conversion materials alternately connected in series, and at least one of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material is It is preferable to include a thermoelectric conversion material manufactured by a manufacturing method in which the alloy powder is integrally formed by a sintering method.
本発明によれば、ハーフホイスラー化合物を主相とする材料において、高いゼーベック係数と低い抵抗率とを維持しつつ熱伝導率を十分に低減して、無次元性能指数ZTの大きな熱電変換材料、およびこれを用いた熱電変換素子を提供できる。 According to the present invention, in a material having a half-Heusler compound as a main phase, the heat conductivity is sufficiently reduced while maintaining a high Seebeck coefficient and a low resistivity, and a thermoelectric conversion material having a large dimensionless figure of merit ZT, And a thermoelectric conversion element using the same can be provided.
以下、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
一般に熱の伝導は、フォノン、すなわち結晶格子振動の伝播によるものと、導電キャリア、すなわち自由電子の移動によるものとに分けられる。したがって、熱伝導率κは下記数式(2)式で表される。 Generally, heat conduction is divided into phonons, that is, due to propagation of crystal lattice vibrations, and conductive carriers, ie, due to movement of free electrons. Therefore, the thermal conductivity κ is expressed by the following formula (2).
κ=κph+κel 数式(2)
上記数式(2)中、κphは格子熱伝導率、κelは電子熱伝導率である。
κ = κ ph + κ el formula (2)
The numerical expression (2), κ ph is the lattice thermal conductivity, kappa el is the electron thermal conductivity.
電子熱伝導率κelは、ビーデマンフランツ則により下記数式(3)式で表される。 The electronic thermal conductivity κ el is expressed by the following formula (3) according to the Biedemann Franz rule.
κel=LTσ 数式(3)
上記数式(3)中、σは導電率、Tは絶対温度、またLはローレンツ因子であり、下記数式(4)で表わされる。
κ el = LTσ Formula (3)
In the above mathematical formula (3), σ is electrical conductivity, T is absolute temperature, and L is a Lorentz factor, which is represented by the following mathematical formula (4).
L=(π2/3)(kB/e)2 (4)
上記数式(4)中、kBはボルツマン定数(1.38×10−23J/K)であり、eは電子の電荷量(−1.60×10−19C)である。
L = (π 2/3) (kB / e) 2 (4)
In the above formula (4), kB is the Boltzmann constant (1.38 × 10 −23 J / K), and e is the charge amount of electrons (−1.60 × 10 −19 C).
したがって、ローレンツ因子は定数となり、その値は2.44×10−8V2/K2である。上記数式(3)式に示されるように、電子熱伝導率κelは絶対温度および導電率に比例することから、同一温度で電子熱伝導率を小さくするためには、導電率を小さくする必要がある。 Therefore, the Lorentz factor is a constant, and its value is 2.44 × 10 −8 V 2 / K 2 . As shown in the above formula (3), since the electronic thermal conductivity κ el is proportional to the absolute temperature and the electrical conductivity, it is necessary to reduce the electrical conductivity in order to reduce the electronic thermal conductivity at the same temperature. There is.
しかしながら、上記数式(1)式からわかるように、無次元性能指数ZTを大きくするためには導電率を大きくしなければならない。したがって、電子熱伝導率を小さくして全体の熱伝導率κを低減し、それによって無次元性能指数を大きくすることはできない。また、上記数式(3)式からわかるように、導電率が温度依存性をもたず温度変化に対して一定だとすると、電子熱伝導率は温度に比例して増加する。そのため、格子熱伝導率が温度依存性をもたず一定であっても、上記数式(2)式より全体の熱伝導率κは温度が高い領域ほど大きくなり、無次元性能指数は小さくなってしまう。 However, as can be seen from the equation (1), the conductivity must be increased in order to increase the dimensionless figure of merit ZT. Therefore, it is not possible to reduce the electronic thermal conductivity to reduce the overall thermal conductivity κ, thereby increasing the dimensionless figure of merit. Further, as can be seen from the above formula (3), if the conductivity is not temperature dependent and constant with respect to temperature change, the electronic thermal conductivity increases in proportion to the temperature. Therefore, even if the lattice thermal conductivity is not temperature-dependent and constant, the overall thermal conductivity κ increases from the above formula (2) as the temperature increases, and the dimensionless figure of merit decreases. End up.
以上から、全体の熱伝導率κを低減して無次元性能指数ZTを大きくするためには、格子熱伝導率κphをいかに小さくするかが重要である。格子熱伝導率は、結晶格子の種類、構成される元素に大きく依存し、格子の規則性を乱すことによって低下させることができる。ハーフホイスラー構造を持つMNiSnにおいてはMとしてTi,Zr,Hfを単独に用いた場合には格子熱伝導率は6.7〜9.3W/mKである。 From the above, in order to reduce the overall thermal conductivity κ and increase the dimensionless figure of merit ZT, it is important how to reduce the lattice thermal conductivity κph . The lattice thermal conductivity greatly depends on the type of crystal lattice and the constituent elements, and can be lowered by disturbing the regularity of the lattice. In MNiSn having a half-Heusler structure, when Ti, Zr, and Hf are used alone as M, the lattice thermal conductivity is 6.7 to 9.3 W / mK.
本発明者らは鋭意研究した結果、図1に示されるハーフホイスラー構造を有するMNiSnにおいて、Aサイトの原子の原子半径不規則性を導入することによって、熱伝導率をさらに低減できることを見出した。なお、図1中、参照符号1,2,3は、それぞれA元素(M)、B元素(Ni)およびX元素(Sn)を表わし、参照符号4は空孔を表わす。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the thermal conductivity can be further reduced by introducing atomic radius irregularity of atoms at the A site in the MNiSn having the half-Heusler structure shown in FIG. In FIG. 1,
具体的には、Aサイトにある原子がTi,Zr,Hf全てを含むようにすることにより、原子半径および原子量の不均一性によるフォノンの散乱、および結晶格子の大きさに不均一性を生じさせて、熱伝導率を大幅に低減することを可能とした。 Specifically, by making the atoms at the A site contain all of Ti, Zr, and Hf, phonon scattering due to nonuniformity in atomic radius and atomic weight, and nonuniformity in crystal lattice size occur. Thus, the thermal conductivity can be greatly reduced.
さらに、Aサイトにある原子がTi,Zr,Hf全てを含むようにすることは、フェルミ面近傍における電子密度分布変化を急峻にし、ゼーベック係数の増加にも効果があることを本発明者らは見いだした。 Furthermore, the present inventors have made it clear that making the atoms at the A site contain all of Ti, Zr, and Hf has a sharp change in the electron density distribution in the vicinity of the Fermi surface and is effective in increasing the Seebeck coefficient. I found it.
すなわち、本発明の一形態にかかるn型の熱電変換材料は、下記組成式(1)で表わされ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主相とすることを特徴とする。 That is, the n-type thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention is characterized in that a main phase is a phase represented by the following composition formula (1) and having an MgAgAs crystal structure.
(Tia1Zrb1Hfc1)xNiySn100−x−y 組成式(1)
Aサイトにある原子がTi,Zr,Hf全てを含むようにするために、前記組成式(1)におけるa1,b1,c1は、0より大きいことが必要である。したがって、a1,b1,c1の数値は、0<a1<1、0<b1<1、0<c1<1、a1+b1+c1=1に
規定される。さらにより好ましくは、0.1<a1<0.9、0.1<b1<0.9、0
.1<c1<0.9、a1+b1+c1=1に規定される。
(Ti a1 Zr b1 Hf c1 ) x Ni y Sn 100-xy composition formula (1)
In order for the atoms at the A site to contain all of Ti, Zr, and Hf, a1, b1, and c1 in the composition formula (1) must be larger than zero. Therefore, the numerical values of a1, b1, and c1 are defined as 0 <a1 <1, 0 <b1 <1, 0 <c1 <1, and a1 + b1 + c1 = 1. Even more preferably, 0.1 <a1 <0.9, 0.1 <b1 <0.9, 0
. 1 <c1 <0.9 and a1 + b1 + c1 = 1.
また、MgAgAs型結晶構造を有する相の体積占有率を高めて、高いゼーベック係数を得るために、xおよびyは、30≦x≦35および30≦y≦35の範囲にそれぞれ規定される。xおよびyのより好ましい範囲は、33≦x≦34、および33≦y≦34である。 Further, in order to increase the volume occupancy of the phase having the MgAgAs type crystal structure and obtain a high Seebeck coefficient, x and y are defined in the ranges of 30 ≦ x ≦ 35 and 30 ≦ y ≦ 35, respectively. More preferable ranges of x and y are 33 ≦ x ≦ 34 and 33 ≦ y ≦ 34.
さらに本発明者らは、Ti,Zr,Hfのいずれの元素よりも原子半径が大きい希土類元素に着目した。希土類元素は、NiまたはSnとの間に合金相を形成しやすいため、これに起因する熱伝導率の低減も期待される。こうした知見に基づいて鋭意ら調査を行なった結果、本発明者らは、ハーフホイスラー化合物MNiSn(X=Ti,Zr,Hf)におけるMの一部を、Yおよび希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素で置換することによっても、熱伝導率を大幅に改善できることを見出した。 Furthermore, the present inventors paid attention to a rare earth element having an atomic radius larger than any element of Ti, Zr, and Hf. Since rare earth elements easily form an alloy phase with Ni or Sn, a reduction in thermal conductivity due to this is expected. As a result of earnest investigation based on such knowledge, the present inventors selected a part of M in the half-Heusler compound MNiSn (X = Ti, Zr, Hf) from the group consisting of Y and rare earth elements. It has been found that the thermal conductivity can be greatly improved by substituting with at least one element.
すなわち、本発明の他の態様にかかるn型の熱電変換材料は、下記組成式(2)で表わされ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主相とすることを特徴とする。 That is, an n-type thermoelectric conversion material according to another aspect of the present invention is characterized in that a main phase is a phase represented by the following composition formula (2) and having an MgAgAs-type crystal structure.
(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y 組成式(2)
Lnは、Yおよび希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、希土類元素には、周期律表における原子番号57のLaから、原子番号71のLuまでの全ての元素が含まれる。融点および原子半径を考慮すると、Er,Gd,およびNdが、Lnとして特に好ましい。
(Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-x-y composition formula (2)
Ln is at least one element selected from the group consisting of Y and rare earth elements, and the rare earth elements include all elements from La of atomic number 57 to Lu of atomic number 71 in the periodic table. . Considering the melting point and the atomic radius, Er, Gd, and Nd are particularly preferable as Ln.
Lnは、前述したように熱伝導率を低減するのに有効な元素である。少量でもその効果を発揮するが、熱伝導率をより低減するめには、Lnの配合量は、Lnと(Ti,Zr,Hf)との総量のうち、0.1原子%以上とすることが好ましい。Lnの配合量が、Lnと(Ti,Zr,Hf)との総量の30原子%を越えた場合には、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相、例えばLnSn3相の析出が顕著になって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。このため、dの値は0<d≦0.3の範囲内に規定され、より好ましくは0.001≦d≦0.3の範囲内である。 Ln is an element effective for reducing the thermal conductivity as described above. The effect is exhibited even in a small amount, but in order to further reduce the thermal conductivity, the blending amount of Ln should be 0.1 atomic% or more of the total amount of Ln and (Ti, Zr, Hf). preferable. When the amount of Ln exceeds 30 atomic% of the total amount of Ln and (Ti, Zr, Hf), precipitation of a phase other than the phase having the MgAgAs crystal structure, for example, the LnSn3 phase becomes remarkable. The Seebeck coefficient may be deteriorated. For this reason, the value of d is defined within the range of 0 <d ≦ 0.3, and more preferably within the range of 0.001 ≦ d ≦ 0.3.
前記組成式(2)においては、Ti、ZrおよびHfは、必ずしもすべてが同時に存在する必要はない。このため、a2,b2,c2は、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1の範囲内となる。 In the composition formula (2), Ti, Zr and Hf are not necessarily all present simultaneously. For this reason, a2, b2, and c2 are within the ranges of 0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, and a2 + b2 + c2 = 1.
MgAgAs型結晶構造を有する相の体積占有率を高めて、高いゼーベック係数を得るために、xおよびyは、30≦x≦35、30≦y≦35の範囲に設定される。ハーフホイスラー化合物においては、総価電子数が18近傍の場合に大きなゼーベック係数が観測される。例えば、ZrNiSnにおける外殻電子配置は、Zr(5d26s2)、Ni(3d84s2)、Sn(5s25p2)であり、価電子の総数は18となる。TiNiSn、およびHfNiSnも同様に、価電子の総数は18となる。 In order to increase the volume occupancy of the phase having the MgAgAs type crystal structure and obtain a high Seebeck coefficient, x and y are set in a range of 30 ≦ x ≦ 35 and 30 ≦ y ≦ 35. In the half-Heusler compound, a large Seebeck coefficient is observed when the total number of valence electrons is around 18. For example, the outer electron arrangement in ZrNiSn is Zr (5d 2 6s 2 ), Ni (3d 8 4s 2 ), Sn (5s 2 5p 2 ), and the total number of valence electrons is 18. Similarly, TiNiSn and HfNiSn have 18 valence electrons.
これに対して、前述の組成式(2)で表わされるようにTi,Zr,Hfの一部を希土類元素で置換した場合には、Ce,Eu,Ybを除く希土類元素は(5d16s2)の外殻電子配置により3価となる場合が多いため、総価電子数が18からずれてしまうおそれがある。そこで、xおよびyを適宜調整してこれを補うことが可能である。 On the other hand, when a part of Ti, Zr, and Hf is substituted with a rare earth element as represented by the above composition formula (2), the rare earth elements excluding Ce, Eu, and Yb are (5d 1 6s 2 ), The total number of valence electrons may deviate from 18. Therefore, it is possible to compensate for this by appropriately adjusting x and y.
前述の組成式(1)および(2)において、Ti,ZrおよびHfの一部は、V,Nb,Ta,Cr,Mo,およびWからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換されていてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いて、Ti,ZrおよびHfの一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整して、ゼーベック係数や導電率を増大させることが可能である。前述したように、ハーフホイスラー化合物においては総価電子数が18近傍の場合に大きなゼーベック係数が観測されるため、これらの置換元素と希土類元素とを併用することによって、総価電子数を調整することが有効である。ただし、置換量は、Ti,Zr,Hf総量の30原子%以下とすることが好ましい。30原子%を越えると、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相の析出が顕著となって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。 In the aforementioned composition formulas (1) and (2), part of Ti, Zr and Hf is substituted with at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo and W. Also good. These elements can be used alone or in combination of two or more to substitute a part of Ti, Zr and Hf. By such substitution, it is possible to adjust the total valence electron number in the MgAgAs phase, which is the main phase, and increase the Seebeck coefficient and the conductivity. As described above, in the half-Heusler compound, a large Seebeck coefficient is observed when the total number of valence electrons is around 18. Therefore, the total number of valence electrons is adjusted by using these substitution elements and rare earth elements in combination. It is effective. However, the substitution amount is preferably 30 atomic percent or less of the total amount of Ti, Zr, and Hf. If it exceeds 30 atomic%, the precipitation of phases other than the phase having the MgAgAs type crystal structure becomes prominent, and the Seebeck coefficient may be deteriorated.
また、前記組成式(1)または(2)におけるNiの一部は、Mn,Fe,Co,およびCuからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換されてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いて、Niの一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整するなどしてゼーベック係数や導電率を増大させることが可能である。置換量は、一般的には、Niの50原子%以下にとどめることが望まれる。特に、Cuで置換する場合には、その置換量が多すぎるとMgAgAs相の生成を阻害するおそれがあるため、Niの30原子%以下とすることが好ましい。 A part of Ni in the composition formula (1) or (2) may be substituted with at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Cu. These elements can be used alone or in combination of two or more to replace a part of Ni. By such substitution, it is possible to increase the Seebeck coefficient and conductivity by adjusting the total number of valence electrons in the MgAgAs phase that is the main phase. In general, the amount of substitution is desirably limited to 50 atomic% or less of Ni. In particular, when substituting with Cu, if the amount of substitution is too large, the formation of the MgAgAs phase may be hindered.
さらに、前記組成式(1)または(2)におけるSnの一部は、As,Sb,Bi,Ge,Pb,Ga,およびInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換されてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いて、Snの一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整するなどしてゼーベック係数や導電率を増大させることが可能である。ただし、Snを置換する元素は有害性、有毒性、材料コストを考慮すると、Sb、Biが特に好ましい。置換量は、Snの30原子%以下とすることが好ましい。30原子%を越えた場合には、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相の析出が顕著となって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。 Furthermore, a part of Sn in the composition formula (1) or (2) may be substituted with at least one element selected from the group consisting of As, Sb, Bi, Ge, Pb, Ga, and In. These elements can be used alone or in combination of two or more to replace a part of Sn. By such substitution, it is possible to increase the Seebeck coefficient and conductivity by adjusting the total number of valence electrons in the MgAgAs phase that is the main phase. However, the element substituting Sn is particularly preferably Sb or Bi in consideration of toxicity, toxicity, and material cost. The amount of substitution is preferably 30 atomic percent or less of Sn. When it exceeds 30 atomic%, precipitation of a phase other than the phase having the MgAgAs type crystal structure becomes remarkable, which may cause deterioration of the Seebeck coefficient.
以上、n型の熱電変換材料について説明したが、同様の理論はp型の熱電変換材料にも適用することができる。B元素としてPdを用いた場合に比べて、Niを用いることによりパワーファクターが増大することが、本発明者らによって見出された。 Although the n-type thermoelectric conversion material has been described above, the same theory can be applied to the p-type thermoelectric conversion material. It has been found by the present inventors that the power factor is increased by using Ni as compared with the case where Pd is used as the B element.
本発明の一実施形態にかかるp型の熱電変換材料は、下記組成式(3)で表わされ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主相とすることを特徴とする。 A p-type thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention is represented by the following composition formula (3), and is characterized in that a phase having an MgAgAs-type crystal structure is a main phase.
Ln1XNiYSb100−X−Y 組成式(3)
図1に示した結晶構造と対応させると、A元素1がLn1、B元素2がNi,X元素3がSbに相当する。
Ln1 X Ni Y Sb 100-X -Y composition formula (3)
Corresponding to the crystal structure shown in FIG. 1, A element 1 corresponds to Ln1,
組成式(3)中、Ln1は、Sc,Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種の元素である。MgAgAs型結晶構造を有する相の体積占有率を高めて、高いゼーベック係数を得るためには、XおよびYは、30≦X≦35および30≦Y≦35の範囲にそれぞれ規定される。XおよびYのより好ましい範囲は、33≦X≦34、および33≦Y≦34である。 In the composition formula (3), Ln1 is at least one element selected from Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, and U. In order to increase the volume occupancy of the phase having the MgAgAs type crystal structure and obtain a high Seebeck coefficient, X and Y are respectively defined in the ranges of 30 ≦ X ≦ 35 and 30 ≦ Y ≦ 35. More preferable ranges of X and Y are 33 ≦ X ≦ 34 and 33 ≦ Y ≦ 34.
結晶格子の大きさに不均一性を生じさせて、熱伝導率を大幅に低減させるためには、Ln1の一部としてYを含有することが好ましい。 In order to cause nonuniformity in the size of the crystal lattice and greatly reduce the thermal conductivity, it is preferable to contain Y as a part of Ln1.
本発明の他の実施形態にかかるp型の熱電変換材料は、下記組成式(4)で表わされ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主相とすることを特徴とする。 A p-type thermoelectric conversion material according to another embodiment of the present invention is represented by the following composition formula (4) and is characterized in that a phase having an MgAgAs-type crystal structure is a main phase.
(Ln2PY1−P)XNiYSb100−X−Y 組成式(4)
図1に示した結晶構造と対応させると、A元素1がLn2およびY、B元素2がNi、X元素3がSbである。
(Ln2 P Y 1-P) X Ni Y Sb 100-X-Y composition formula (4)
Corresponding to the crystal structure shown in FIG. 1, A element 1 is Ln2 and Y,
組成式(4)中、Ln2は、Sc,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種の元素である。MgAgAs型結晶構造を有する相の体積占有率を高めて、高いゼーベック係数を得るためには、P、XおよびYは、0.001≦P≦0.999、30≦X≦35、30≦Y≦35の範囲にそれぞれ規定される。P、XおよびYのより好ましい範囲は、0.01≦P≦0.99、33≦X≦34、および33≦Y≦34である。 In the composition formula (4), Ln2 is at least one element selected from Sc, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, and U. In order to increase the volume occupancy of the phase having the MgAgAs type crystal structure and obtain a high Seebeck coefficient, P, X and Y are 0.001 ≦ P ≦ 0.999, 30 ≦ X ≦ 35, 30 ≦ Y. Each is defined in a range of ≦ 35. More preferable ranges of P, X, and Y are 0.01 ≦ P ≦ 0.99, 33 ≦ X ≦ 34, and 33 ≦ Y ≦ 34.
前述の組成式(4)で表わされるp型熱電変換材料は、Yを必須とし、このYが熱伝導度を低下させる。したがって、性能指数をよりいっそう高めることができる。 The p-type thermoelectric conversion material represented by the composition formula (4) described above requires Y, and this Y decreases the thermal conductivity. Therefore, the figure of merit can be further increased.
前述の組成式(3)または(4)において、Ln1もしくはLn2の一部は、Ti,Zr,Hf,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Be,Mg,Ca,Sr,Baからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素で置換されていてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いて、Ln1もしくはLn2の一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整して、導電率を増大させることが可能である。特に、Be,Mg,Ca,Sr,Baの様な2価の元素で置換することは、3価のLn1,Ln2を2価の元素で置換することとなるため、電気的なホールが形成される。 In the above composition formula (3) or (4), a part of Ln1 or Ln2 is composed of Ti, Zr, Hf, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. It may be substituted with at least one element selected from the group. These elements can be used alone or in combination of two or more to substitute a part of Ln1 or Ln2. By such substitution, it is possible to increase the conductivity by adjusting the total number of valence electrons in the main phase MgAgAs phase. In particular, substitution with a divalent element such as Be, Mg, Ca, Sr, or Ba results in substitution of trivalent Ln1 and Ln2 with a divalent element, thus forming an electrical hole. The
本実施形態の熱電変換材料はp型であるため、キャリアー濃度を増加させ、導電率の増大に有効である。ただし、置換量は、Ln1若しくはLn2の総量の約30原子%以下とすることが好ましい。約30原子%を越えると、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相の析出が顕著となって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。 Since the thermoelectric conversion material of this embodiment is p-type, it is effective for increasing the carrier concentration and increasing the conductivity. However, the substitution amount is preferably about 30 atomic% or less of the total amount of Ln1 or Ln2. If it exceeds about 30 atomic%, precipitation of a phase other than the phase having the MgAgAs type crystal structure becomes prominent, and the Seebeck coefficient may be deteriorated.
また、前記組成式(3)または(4)において、Niの一部は、V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Fe,Co,Rh,Ir,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Znからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素で置換されてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用い、Niの一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整するなどしてゼーベック係数や導電率を増大させることが可能である。特に、Co,Rh,Irの様なNiよりも外殻価電子数が一つ少ない元素で置換することは、電気的なホールが形成され、キャリアー濃度を増加させ、導電率の増大に有効である。 In the composition formula (3) or (4), a part of Ni is V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, It may be substituted with at least one element selected from the group consisting of Au and Zn. These elements can be used alone or in combination of two or more, and a part of Ni can be substituted. By such substitution, it is possible to increase the Seebeck coefficient and conductivity by adjusting the total number of valence electrons in the MgAgAs phase that is the main phase. In particular, substitution with an element having a smaller number of outer shell valence electrons than Ni, such as Co, Rh, and Ir, is effective in forming electrical holes, increasing carrier concentration, and increasing conductivity. is there.
ただし、置換量は、Niの30原子%以下にとどめることが望ましい。30原子%を越えると、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相の析出が顕著となって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。 However, the amount of substitution is preferably limited to 30 atomic% or less of Ni. If it exceeds 30 atomic%, the precipitation of phases other than the phase having the MgAgAs type crystal structure becomes prominent, and the Seebeck coefficient may be deteriorated.
さらに、前記組成式(3)または(4)において、Sbの一部は、Al,Si,Ga,Ge,As,In,Sn,Pb,Biからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素で置換されてもよい。これらの元素は、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いて、Sbの一部を置換することができる。このような置換によって、主相であるMgAgAs相における総価電子数を調整するなどしてゼーベック係数や導電率を増大させることが可能である。特に、Si,Ge,Sn,Pbの様なSbよりも外殻価電子数が一つ少ない元素で置換することは、電気的なホールが形成されることによりキャリアー濃度を増加させ、導電率の増大に有効である。 Furthermore, in the composition formula (3) or (4), a part of Sb is substituted with at least one element selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge, As, In, Sn, Pb, and Bi. May be. These elements can be used alone or in combination of two or more to replace a part of Sb. By such substitution, it is possible to increase the Seebeck coefficient and conductivity by adjusting the total number of valence electrons in the MgAgAs phase that is the main phase. In particular, substitution with an element having a smaller number of outer valence electrons than Sb, such as Si, Ge, Sn, and Pb, increases the carrier concentration due to the formation of electrical holes, and increases the conductivity. It is effective for increase.
ただし、置換量は、Sbの30原子%以下にとどめることが望ましい。30原子%を越えると、MgAgAs型結晶構造を有する相以外の相の析出が顕著となって、ゼーベック係数の劣化を招くおそれがある。また、SbをBiで置換することは、より原子半径が大きく原子量が大きな元素で置換することとなるため、フォノン散乱効果が大きくなり、格子熱伝導率の低下に有効である。 However, the amount of substitution is desirably limited to 30 atomic% or less of Sb. If it exceeds 30 atomic%, the precipitation of phases other than the phase having the MgAgAs type crystal structure becomes prominent, and the Seebeck coefficient may be deteriorated. Further, substituting Sb with Bi replaces with an element having a larger atomic radius and a larger atomic weight, which increases the phonon scattering effect and is effective in lowering the lattice thermal conductivity.
本発明の実施形態にかかる熱電変換材料は、例えば以下のような方法により製造することができる。 The thermoelectric conversion material concerning embodiment of this invention can be manufactured by the following methods, for example.
まず、所定量の各元素を含有する合金を、アーク溶解や高周波溶解などによって作製する。合金の作製に当たっては、単ロール法、双ロール法、回転ディスク法、ガスアトマイズ法などの液体急冷法、あるいはメカニカルアロイング法などの固相反応を利用した方法などを採用することもできる。液体急冷法やメカニカルアロイング法といった方法は、合金を構成する結晶相を微細化する、結晶相内への元素の固溶域を拡大するなどの点で有利である。このため、熱伝導率を大幅に低減することができる。 First, an alloy containing a predetermined amount of each element is produced by arc melting or high frequency melting. In producing the alloy, a liquid quenching method such as a single roll method, a twin roll method, a rotating disk method, or a gas atomizing method, or a method using a solid phase reaction such as a mechanical alloying method may be employed. Methods such as the liquid quenching method and the mechanical alloying method are advantageous in that the crystal phase constituting the alloy is refined and the solid solution region of the element in the crystal phase is expanded. For this reason, thermal conductivity can be reduced significantly.
あるいは、前述したような溶解プロセスを経ずに、原料金属粉末をホットプレスして合金を作製することも可能である。 Alternatively, it is possible to produce an alloy by hot pressing the raw metal powder without going through the melting process as described above.
作製された合金は、必要に応じて熱処理を施してもよい。この熱処理によって合金が単相化され、結晶粒子径も制御されるので、熱電特性をさらに高めることができる。溶解、液体急冷、メカニカルアロイングおよび熱処理などの工程は、合金の酸化を防止するという観点から、例えばArなどの不活性雰囲気中で行なわれることが好ましい。 The produced alloy may be heat-treated as necessary. This heat treatment makes the alloy single phase and the crystal grain size is also controlled, so that the thermoelectric characteristics can be further enhanced. Steps such as melting, liquid quenching, mechanical alloying and heat treatment are preferably performed in an inert atmosphere such as Ar from the viewpoint of preventing oxidation of the alloy.
次に、合金をボールミル、ブラウンミル、またはスタンプミルなどにより粉砕して合金粉末を得、合金粉末を、ホットプレス法、およびSPS法などの焼結法によって一体成型する。合金の酸化を防止するという観点から、一体成型は、例えばArなどの不活性雰囲気中で行なわれることが好ましい。次いで、得られた成型体を所望の寸法に加工することによって、本発明の実施形態にかかる熱電変換材料が得られる。成型体の形状や寸法は適宜選択することができる。例えば、外形0.5〜10mmφ、厚み1〜30mmの円柱状や、(0.5〜10mm)×(0.5〜10mm)×厚み(1〜30mm)程度の直方体状などとすることができる。 Next, the alloy is pulverized by a ball mill, a brown mill, a stamp mill or the like to obtain an alloy powder, and the alloy powder is integrally formed by a hot pressing method or a sintering method such as an SPS method. From the viewpoint of preventing oxidation of the alloy, the integral molding is preferably performed in an inert atmosphere such as Ar. Subsequently, the thermoelectric conversion material concerning embodiment of this invention is obtained by processing the obtained molded object into a desired dimension. The shape and dimensions of the molded body can be selected as appropriate. For example, it can be a cylindrical shape having an outer shape of 0.5 to 10 mmφ and a thickness of 1 to 30 mm, or a rectangular parallelepiped shape of (0.5 to 10 mm) × (0.5 to 10 mm) × thickness (1 to 30 mm). .
こうして得られた熱電変換材料を用いて、本発明の実施形態にかかる熱電変換素子を製造することができる。その一例の構成を表わす概略断面図を、図2に示す。 The thermoelectric conversion element concerning embodiment of this invention can be manufactured using the thermoelectric conversion material obtained in this way. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration.
図2に示される熱電変換素子においては、本発明の実施形態にかかるn型半導体の熱電変換材料9と、p型半導体の熱電変換材料8が並列に配置されている。n型熱電変換材料9およびp型熱電変換材料8のそれぞれの上面には、電極10aおよび10bがそれぞれ配置され、その外側に上側絶縁性基板11aを接続される。n型熱電変換材料9およびp型熱電変換材料8の下面は、下側絶縁性基板11bに支持された電極10cによって接続されている。
In the thermoelectric conversion element shown in FIG. 2, the n-type semiconductor
上下の絶縁性基板11aと11bとの間に温度差を与えて上部側を低温度に、下部側を高温度にした場合、p型半導体熱電変換材料8内部においては、正の電荷を持ったホール14が低温度側(上側)に移動し、電極10bは電極10cより高電位となる。一方、n型半導体熱電変換材料9内部では、負の電荷を持った電子15が低温度側(上側)に移動して、電極10cは電極10aより高電位となる。
When a temperature difference is given between the upper and lower insulating
その結果、電極10aと電極10bとの間に電位差が生じる。図2に示したように、上部側を低温度として下部側を高温度にした場合、電極10bは正極となり、電極10aは負極となる。
As a result, a potential difference is generated between the
図3に示すように、複数のp型熱電変換材料8とn型熱電変換材料9とを交互に直列に接続することによって、図2に示した構造よりも高い電圧を得て、より大きな電力を確保することができる。
As shown in FIG. 3, a plurality of p-type
上述した熱電変換素子16は、熱電池に適用することができる。その構成の一例を図4に示す。図示するように、電変換素子16の上部側を低温度にして、下部側を高温度にすると、熱電変換素子16の終端電極19に電位差が生じる。電極19aと電極19bとに負荷20を接続すると、図示する矢印方向に電流21が流れて熱電池として機能する。
The above-described
あるいは、上述した熱電変換素子は冷却器に適用することができる。その一例の構成を図5に示す。図示するように、熱電変換素子16の終端電極19に直流電源22を用いて図中の矢印方向に直流電流23を流す。その結果、熱電変換素子16の上部側は高温になり、一方の下部側は低温になって冷却器として機能する。
Or the thermoelectric conversion element mentioned above is applicable to a cooler. An example of the configuration is shown in FIG. As shown in the figure, a DC current 23 is passed in the direction of the arrow in the figure using a
本発明の熱電変換材料について、実施例を示して以下に詳細に説明する。 The thermoelectric conversion material of the present invention will be described in detail below with reference to examples.
(実施例I)
本実施例においては、n型の熱電変換材料について説明する。
Example I
In this example, an n-type thermoelectric conversion material will be described.
(実施例I−1)
純度99.9%のTi、純度99.9%のZr、純度99.9%のHf、純度99.99%のNi、および純度99.99%のSnを原料として用意し、これを組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSnになるように秤量した。
(Example I-1)
99.9% purity Ti, 99.9% purity Zr, 99.9% purity Hf, 99.99% purity Ni, and 99.99% purity Sn were prepared as raw materials. It was weighed so as to be (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn.
秤量された原料を混合し、ア−ク炉内の水冷されている銅製のハ−スに装填して、2×10−3Paの真空度まで真空引きした。その後、純度99.999%の高純度Arを−0.04MPaまで導入して減圧Ar雰囲気として、ア−ク溶解した。溶解後、水冷されている銅製のハ−スで急冷されて得られた金属塊を、石英管に10−4Pa以下の高真空で真空封入し、1073Kで72時間熱処理した。 The weighed raw materials were mixed, loaded into a copper-cooled copper hearth in an arc furnace, and evacuated to a vacuum of 2 × 10 −3 Pa. Thereafter, high-purity Ar having a purity of 99.999% was introduced to -0.04 MPa, and arc-dissolved in a reduced pressure Ar atmosphere. After melting, the metal lump obtained by quenching with a water-cooled copper hearth was vacuum-sealed in a quartz tube at a high vacuum of 10 −4 Pa or less and heat-treated at 1073 K for 72 hours.
得られた金属塊を粉砕し、内径20mmの金型を用いて圧力50MPaで成形した。得られた成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填し、Ar雰囲気中、80MPa、1200℃で1時間加圧焼結して、直径20mm円盤状の焼結体を得た。 The obtained metal lump was pulverized and molded at a pressure of 50 MPa using a mold having an inner diameter of 20 mm. The obtained molded body was filled in a carbon mold having an inner diameter of 20 mm, and pressure sintered at 80 MPa and 1200 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to obtain a disk-shaped sintered body having a diameter of 20 mm.
この焼結体を粉末X線回折法にて調べたところ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主としていることが確認された。 When this sintered body was examined by a powder X-ray diffraction method, it was confirmed that the sintered body was mainly composed of a phase having an MgAgAs type crystal structure.
また、得られた焼結体の組成をICP発光分光法で分析した所、ほぼ所定の組成であることが確認された。 Moreover, when the composition of the obtained sintered body was analyzed by ICP emission spectroscopy, it was confirmed that the composition was almost a predetermined composition.
得られた焼結体は以下の方法によって熱電特性を評価した。 The obtained sintered body was evaluated for thermoelectric properties by the following method.
(1)抵抗率
焼結体を2mm×0.5mm×18mmに切断し、電極を形成し直流4端子法で測定した。
(1) The resistivity sintered body was cut into 2 mm × 0.5 mm × 18 mm, electrodes were formed, and measurement was performed by a direct current four-terminal method.
(2)ゼーベック係数
焼結体を4mm×1mm×0.5mmに切断し、この両端に2℃の温度差を付け起電力を測定し、ゼーベック係数を求めた。
(2) Seebeck coefficient The sintered body was cut into 4 mm × 1 mm × 0.5 mm, a temperature difference of 2 ° C. was applied to both ends thereof, the electromotive force was measured, and the Seebeck coefficient was obtained.
(3)熱伝導率
焼結体をφ10mm×t2.0mmに切断し、レーザーフラッシュ法により熱拡散率を測定した。これとは別にDSC測定により比熱を求めた。アルキメデス法により焼結体の密度を求め、これらより熱伝導率を算出した。
(3) The thermal conductivity sintered body was cut into φ10 mm × t2.0 mm, and the thermal diffusivity was measured by a laser flash method. Separately, specific heat was determined by DSC measurement. The density of the sintered body was obtained by the Archimedes method, and the thermal conductivity was calculated from these.
こうして得られた抵抗率、ゼーベック係数、および熱伝導率の値を用い、前述の数式(1)により無次元性能指数ZTを求めた。300Kおよび700Kにおける抵抗率、ゼーベック係数、格子熱伝導率、および無次元性能指数は、以下のとおりである。 Using the resistivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity values obtained in this way, the dimensionless figure of merit ZT was obtained by the above formula (1). The resistivity, Seebeck coefficient, lattice thermal conductivity, and dimensionless figure of merit at 300K and 700K are as follows.
300K:抵抗率8.62×10-3Ωcm
ゼーベック係数−333μV/K
格子熱伝導率3.05W/mK
ZT=0.12
700K:抵抗率2.35×10-3Ωcm
ゼーベック係数−328μV/K
格子熱伝導率1.95W/mK
ZT=1.20
(実施例I−1)で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を、図6中に曲線aとして示す。図示するように最大で1.21程度の無次元性能指数ZTが得られる。
300K: Resistivity 8.62 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -333μV / K
Lattice thermal conductivity 3.05W / mK
ZT = 0.12
700K: resistivity 2.35 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -328μV / K
Lattice thermal conductivity 1.95W / mK
ZT = 1.20
The temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in Example I-1 is shown as curve a in FIG. As shown in the figure, a dimensionless figure of merit ZT of about 1.21 is obtained at the maximum.
すでに説明したように、既存の熱電変換材料についての無次元性能指数ZTの最大値は、Bi−Te系材料の1.0である。本実施例においては、(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSnという組成としているので、これを越える高性能の熱電変換材料が得られた。 As already explained, the maximum value of the dimensionless figure of merit ZT for existing thermoelectric conversion materials is 1.0 for Bi-Te based materials. In this example, since the composition was (Ti0.3Zr0.35Hf0.35) NiSn, a high-performance thermoelectric conversion material exceeding this was obtained.
(比較例I−1)
純度99.9%のZr、純度99.9%のHf、純度99.99%のNi、純度99.99%のSnを原料として用意し、これを組成式Zr0.5Hf0.5NiSnになるように秤量した。秤量された原料粉末を用いて、実施例I−1と同様の手法により焼結体を作製し、同様の手法により熱電特性を評価した。300Kおよび700Kにおける抵抗率、ゼーベック係数、格子熱伝導率、および無次元性能指数は、以下のとおりである。
(Comparative Example I-1)
Zr with a purity of 99.9%, Hf with a purity of 99.9%, Ni with a purity of 99.99%, and Sn with a purity of 99.99% are prepared as raw materials so that the composition formula becomes Zr0.5Hf0.5NiSn. Weighed. Using the weighed raw material powder, a sintered body was produced by the same method as in Example I-1, and the thermoelectric characteristics were evaluated by the same method. The resistivity, Seebeck coefficient, lattice thermal conductivity, and dimensionless figure of merit at 300K and 700K are as follows.
300K:抵抗率9.6×10-3Ωcm
ゼーベック係数−180μV/K
格子熱伝導率3.95W/mK
ZT=0.02
700K:抵抗率2.3×10-3Ωcm
ゼーベック係数−272μV/K
格子熱伝導率3.49W/mK
ZT=0.53
(比較例I−1)で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を、図6中に曲線cとして示す。無次元性能指数ZTは最大でも0.54程度にとどまっていることがわかる。
300K: Resistivity 9.6 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -180μV / K
Lattice thermal conductivity 3.95W / mK
ZT = 0.02
700K: resistivity 2.3 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -272 μV / K
Lattice thermal conductivity 3.49W / mK
ZT = 0.53
The temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in (Comparative Example I-1) is shown as a curve c in FIG. It can be seen that the dimensionless figure of merit ZT remains at about 0.54 at the maximum.
このように、Zr0.5Hf0.5NiSnという組成の場合には、Bi−Te系材料の1.0を越える高性能の熱電変換材料は得られなかった。 Thus, in the case of the composition of Zr 0.5 Hf 0.5 NiSn, a high-performance thermoelectric conversion material exceeding 1.0 of the Bi—Te based material was not obtained.
(実施例I−2〜I−21、比較例I−2〜I−3)
組成式(Tia1Zrb1Hfc1)NiSnで表わされる種々の組成の熱電変換材料を、前述の実施例1と同様の手法により作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表1にまとめる。なお、表1には、前述の(実施例I−1)および(比較例I−1)の結果も併せて示した。
Thermoelectric conversion materials having various compositions represented by the composition formula (Ti a1 Zr b1 Hf c1 ) NiSn were produced in the same manner as in Example 1 described above. About each thermoelectric conversion material, the characteristic in 300K and 700K was evaluated similarly to the above, and the obtained result is put together in following Table 1. FIG. Table 1 also shows the results of the above-mentioned (Example I-1) and (Comparative Example I-1).
表1に示されるように、Ti、ZrおよびHfの3種類の元素を含有し、前述の組成式(1)で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。これに対し、Ti、ZrおよびHfのいずれかを含有しない比較例I−1、I−2およびI−3は、無次元性能指数ZTが劣っていることが、表1の結果に明確に示されている。 As shown in Table 1, each of the thermoelectric conversion materials containing three kinds of elements of Ti, Zr, and Hf and having various compositions represented by the above composition formula (1) has good thermoelectric conversion characteristics. It was recognized that In contrast, Comparative Examples I-1, I-2, and I-3 that do not contain any of Ti, Zr, and Hf clearly show that the dimensionless figure of merit ZT is inferior in the results of Table 1. Has been.
(実施例I−22〜I−45)
前述の実施例I−1で作製された、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるTi,Zr,Hfの一部を、V,Nb,Taの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式((Ti0.3Zr0.35Hf0.35)1−eXe)NiSnで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-22 to I-45)
A part of Ti, Zr, and Hf in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn prepared in Example I-1 described above is substituted with V, Nb, A thermoelectric conversion material represented by a composition formula ((Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) 1-e X e ) NiSn was produced by substituting with at least one element selected from the group of Ta.
具体的には、XとしてのV,NbまたはTaを、下記表2に示す置換元素量eでさらに添加した以外は、(実施例I−1)と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表2にまとめる。
さらに、組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるTi,Zr,Hfの一部を、V,Nb,Taの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式((Ti0.5Zr0.25Hf0.25)1−eXe)NiSnで表わされる熱電変換材料を作製した。 Furthermore, a part of Ti, Zr, and Hf in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn is at least one element selected from the group of V, Nb, and Ta. To produce a thermoelectric conversion material represented by the composition formula ((Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) 1-e X e ) NiSn.
具体的には、XとしてのV,NbまたはTaを、下記表3に示す置換元素量eでさらに添加した以外は、(実施例I−1)と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表3にまとめる。
表2に示されるように、組成式((Ti0.3Zr0.35Hf0.35)1−eXe)NiSn,(X=V,Nb,Ta)で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。表3に示されるように、組成式((Ti0.5Zr0.25Hf0.25)1−eXe)NiSn,(X=V,Nb,Ta)で表わされる種々の組成の熱電変換材料もまた、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 2, thermoelectrics having various compositions represented by the composition formula ((Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) 1-e X e ) NiSn, (X = V, Nb, Ta). All conversion materials were found to have good thermoelectric conversion characteristics. As shown in Table 3, the thermoelectrics of various compositions represented by the composition formula ((Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) 1-e X e ) NiSn, (X = V, Nb, Ta) Both conversion materials were also found to have good thermoelectric conversion properties.
(実施例I−31)で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を、曲線bとして図6のグラフに示した。(実施例I−31)の熱電変換材料は、実施例1の熱電変換材料よりも無次元性能指数ZTが高い。これは、4価のTi,Zr、Hfを5価のTaで置換したことに起因して、キャリア濃度が増加し抵抗率が小さくなったためであると推測される。 The temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in (Example I-31) is shown as a curve b in the graph of FIG. The thermoelectric conversion material of (Example I-31) has a dimensionless figure of merit ZT higher than that of the thermoelectric conversion material of Example 1. This is presumably because the carrier concentration increased and the resistivity decreased due to the substitution of tetravalent Ti, Zr, and Hf with pentavalent Ta.
また、実施例I−2〜I−18で作製された熱電変換材料におけるTi,ZrおよびHfの一部を、V,NbおよびTaの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した熱電変換材料においても、同様に良好な熱電変換特性が確認された。 Further, in the thermoelectric conversion material in which a part of Ti, Zr and Hf in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-2 to I-18 is substituted with at least one element selected from the group of V, Nb and Ta Similarly, good thermoelectric conversion characteristics were confirmed.
さらに、実施例I−1〜I−18で作製された熱電変換材料におけるTi,ZrおよびHfの一部を、Cr,MoおよびWからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した熱電変換材料もまた、熱電変換特性は同様に良好であることが確認された。 Furthermore, a part of Ti, Zr and Hf in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-1 to I-18 are substituted with at least one element selected from the group consisting of Cr, Mo and W. Moreover, it was confirmed that the thermoelectric conversion characteristics are also good.
(実施例I−46〜I−53)
前述の実施例I−1で作製された、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるNiの一部を、Cuで置換して組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)Ni1−fCufSnで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-46 to I-53)
A part of Ni in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn prepared in Example I-1 described above was substituted with Cu, and the composition formula ( the thermoelectric conversion material represented by Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35) Ni 1-f Cu f Sn was manufactured.
下記表4に示す置換元素量fでCuをさらに添加した以外は、前述の実施例I−1と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表4にまとめる。
さらに、組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるNiの一部を、Cuで置換して組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)Ni1−fCufSnで表わされる熱電変換材料を作製した。 Further, a part of Ni in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn is substituted with Cu, and the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0 .25 ) A thermoelectric conversion material represented by Ni 1-f Cu f Sn was produced.
下記表5に示す置換元素量fでCuをさらに添加した以外は、前述の実施例I−1と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表5にまとめる。
表4に示されるように、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)Ni1−fCufSnで表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。表5に示されるように、組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)Ni1−fCufSnで表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 4, the thermoelectric conversion materials having various compositions represented by the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) Ni 1 -f Cu f Sn are all good thermoelectric conversion characteristics. It was found to have As shown in Table 5, the thermoelectric conversion materials having various compositions represented by the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) Ni 1 -f Cu f Sn are all good thermoelectric conversion characteristics. It was found to have
また、実施例I−2〜I−18で作製された熱電変換材料におけるNiの一部を、Cuで置換した熱電変換材料においても、同様に良好な熱電特性を有することが確認された。 Moreover, it was confirmed that the thermoelectric conversion material in which a part of Ni in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-2 to I-18 was substituted with Cu also had good thermoelectric properties.
さらに、実施例I−1〜I−18で作製された熱電変換材料におけるNiの一部を、Mn,FeおよびCoからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した熱電変換材料もまた、熱電変換特性は同様に良好であることが確認された。 Furthermore, thermoelectric conversion materials obtained by substituting a part of Ni in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-1 to I-18 with at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, and Co are also thermoelectric conversion materials. The conversion characteristics were confirmed to be good as well.
(実施例I−54〜I−69)
前述の実施例I−1で作製された組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるSnの一部を、SbおよびBiからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSn1−gXgで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-54 to I-69)
Part of Sn in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn prepared in Example I-1 is selected from the group consisting of Sb and Bi. By substituting with at least one element, a thermoelectric conversion material represented by a composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn 1-g X g was produced.
具体的には、XとしてのSbまたはBiを、下記表6に示す置換元素量gでさらに添加した以外は、実施例I−1と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表6にまとめる。
さらに、組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)NiSnで表わされる熱電変換材料におけるSnの一部を、SbおよびBiからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Ti0.53Zr0.25Hf0.25)NiSn1−gXgで表わされる熱電変換材料を作製した。 Furthermore, a part of Sn in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn is substituted with at least one element selected from the group consisting of Sb and Bi, A thermoelectric conversion material represented by a composition formula (Ti 0.53 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn 1-g X g was produced.
具体的には、XとしてのSbまたはBiを、下記表7に示す置換元素量gでさらに添加した以外は、実施例I−1と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表7にまとめる。
表6に示されるように、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSn1−gXg(X=Sb,Bi)で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。表7に示されるように、組成式(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)NiSn1−gXg(X=Sb,Bi)で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 6, the thermoelectric conversion materials having various compositions represented by the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) NiSn 1-g X g (X = Sb, Bi) Were also found to have good thermoelectric conversion characteristics. As shown in Table 7, the thermoelectric conversion materials having various compositions represented by the composition formula (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn 1-g X g (X = Sb, Bi) Were also found to have good thermoelectric conversion characteristics.
また、実施例I−2〜I−18で作製された熱電変換材料におけるSnの一部を、Sb,Biの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した熱電変換材料においても、同様に良好な熱電特性を有することが確認された。 In addition, in the thermoelectric conversion material in which a part of Sn in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-2 to I-18 is substituted with at least one element selected from the group of Sb and Bi, the same is good. It was confirmed to have thermoelectric properties.
さらに、実施例I−1〜I−18で作製された熱電変換材料におけるSnの一部を、As、Ge、Pb、GaおよびInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した熱電変換材料もまた、熱電変換特性は同様に良好であることが確認された。 Furthermore, a thermoelectric conversion material in which a part of Sn in the thermoelectric conversion materials produced in Examples I-1 to I-18 is substituted with at least one element selected from the group consisting of As, Ge, Pb, Ga, and In. Moreover, it was confirmed that the thermoelectric conversion characteristics are also good.
(実施例I−70〜I−93)
組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y(LnはEr,Gd,およびNdからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、035、30≦y≦35)で表わされる熱電変換材料を、前述の実施例(I−1)と同様の手法により作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表8にまとめる。
Formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-x-y (Ln at least one element is Er, selected from the group consisting of Gd, and Nd, 0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 035, 30 ≦ y ≦ 35) were produced by the same method as in Example (I-1) described above. . About each thermoelectric conversion material, the characteristic in 300K and 700K was evaluated similarly to the above, and the obtained result is put together in following Table 8.
表8に示されるように、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y(LnはEr,Gd,およびNdからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、0d≦0.3、30≦x≦35、30≦y≦35)で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 8, the composition formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2 ) 1-d ) x Ni y Sn 100-xy (Ln is at least selected from the group consisting of Er, Gd, and Nd) 1 type of element, 0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 0d ≦ 0.3, 30 ≦ x ≦ 35, 30 ≦ y ≦ 35) These thermoelectric conversion materials were found to have good thermoelectric conversion characteristics.
(実施例I−94〜I−105)
組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y(LnはEr,GdおよびNdからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、05、30≦y≦35)で表わされる熱電変換材料において、(TiaZrbHfc)の一部をV,Nb,Taの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−yで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-94 to I-105)
Formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-x-y (Ln is at least one element selected from the group consisting of Er, Gd and Nd, 0 ≦ a2 ≦ 1 , 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 05, 30 ≦ y ≦ 35), a part of (TiaZrbHfc) is selected from the group of V, Nb, Ta By substituting with at least one element, a thermoelectric conversion material represented by a composition formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2 ) 1-d ) x Ni y Sn 100-xy was produced.
具体的には、XとしてのV,NbまたはTaを、下記表6に示す配合量eでさらに添加し、(実施例I−1)と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価した。LnとしてErが含有された熱電変換材料についての結果を、下記表9にまとめる。
表9に示されるように、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−yにおいて、Ln=Er,a2=0.3,b2=0.35,c2=0.35,x=y=33.3にて表わされる種々の組成の熱電変換材料は、XとしてV,NbまたはTaが含有されると、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 9, in the composition formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2 ) 1-d ) x Ni y Sn 100-xy , Ln = Er, a2 = 0.3, b2 = 0. The thermoelectric conversion materials having various compositions represented by 35, c2 = 0.35, x = y = 33.3 have good thermoelectric conversion characteristics when V, Nb or Ta is contained as X. It was recognized that
また、前述の組成式において、LnとしてGdまたはNdが含有された熱電変換材料においても、同様に良好な熱電変換特性が確認された。 Further, in the above-described composition formula, good thermoelectric conversion characteristics were also confirmed in the thermoelectric conversion material containing Gd or Nd as Ln.
さらに、XとしてV,NbまたはTaが含有された熱電変換材料もまた、Lnとして含有される元素によらず、熱電特性は同様に良好であった。 Furthermore, the thermoelectric conversion material containing V, Nb, or Ta as X also had good thermoelectric properties regardless of the element contained as Ln.
(実施例I−106〜I−109)
組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y(LnはEr,GdおよびNdからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、05、30≦y≦35)で表わされる熱電変換材料において、Niの一部をCuで置換して、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)x(Ni1−fCuf)ySn100−x−yで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-106 to I-109)
Formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-x-y (Ln is at least one element selected from the group consisting of Er, Gd and Nd, 0 ≦ a2 ≦ 1 in the thermoelectric conversion material represented by 0 ≦ b2 ≦ 1,0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1,05,30 ≦ y ≦ 35), and substituting a part of Ni with Cu, composition formula (Ln d ( to prepare a Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1 -d) x (Ni 1-f Cu f) thermoelectric conversion material represented by y Sn 100-x-y.
具体的には、下記表10に示す配合量fでCuをさらに添加し、実施例I−1と同様の手法により熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価した。LnとしてErが含有された熱電変換材料についての結果を、下記表10にまとめる。
表10に示されるように、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)x(Ni1−fCuf)ySn100−x−yで表わされる熱電変換材料において、Ln=Er,a2=0.3,b2=0.35,c2=0.35,x=y=33.3にて表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 10, in the composition formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x (Ni 1-f Cu f) thermoelectric conversion material represented by y Sn 100-x-y, Ln = Er, a2 = 0.3, b2 = 0.35, c2 = 0.35, x = y = 33.3 The thermoelectric conversion materials having various compositions all have good thermoelectric conversion characteristics. It was recognized that
また、前述の組成式において、LnとしてGdまたはNdが含有された熱電変換材料においても、同様に良好な熱電変換特性が確認された。 Further, in the above-described composition formula, good thermoelectric conversion characteristics were also confirmed in the thermoelectric conversion material containing Gd or Nd as Ln.
さらに、Cuの代わりにMn、Fe、またはCoでNiの一部が置換された熱電変換材料もまた、Lnとして含有される元素によらず、熱電特性は同様に良好であった。 Furthermore, the thermoelectric conversion material in which a part of Ni is substituted with Mn, Fe, or Co instead of Cu also has good thermoelectric properties regardless of the element contained as Ln.
(実施例I−110〜I−117)
組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiySn100−x−y(LnはEr,Gd,Ndから選ばれる少なくとも一種の元素、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、035)で表わされる熱電変換材料において、Snの一部をSb,Biの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiy(Sn1−gXg)100−x−yで表わされる熱電変換材料を作製した。
(Examples I-110 to I-117)
Formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-x-y (Ln is at least one element selected Er, Gd, from Nd, 0 ≦ a2 ≦ 1,0 ≦ In the thermoelectric conversion material represented by b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 035), a part of Sn is substituted with at least one element selected from the group of Sb and Bi, and the composition formula (Ln d a (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y (Sn 1-g X g) a thermoelectric conversion material represented by 100-x-y was prepared.
具体的には、XとしてのBiまたはSbを、下記表11に示す配合量gでさらに添加し、実施例I−1と同様の手法で熱電変換材料を作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価した。LnとしてErが含有された熱電変換材料についての結果を、下記表11にまとめる。
表11に示されるように、組成式(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1−d)xNiy(Sn1−gXg)100−x−yで表わされる熱電変換材料において、Ln=Er,(X=Sb,Bi),a2=0.3,b2=0.35,c2=0.35,x=y=33.3で表わされる種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 11, in the composition formula (Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y (Sn 1-g X g) a thermoelectric conversion material represented by 100-x-y, Ln = Er, (X = Sb, Bi), a2 = 0.3, b2 = 0.35, c2 = 0.35, x = y = 33.3 It was found to have good thermoelectric conversion characteristics.
また、前述の組成において、LnとしてGdまたはNdが含有された熱電変換材料においても、同様に良好な熱電変換特性が確認された。 Moreover, the thermoelectric conversion material in which Gd or Nd is contained as Ln in the above composition was confirmed to have good thermoelectric conversion characteristics.
さらに、XとしてAs,Ge、Pb,GaまたはInが含有された熱電変換材料もまた、Lnとして含有される元素によらず、熱電特性は同様に良好であった。 Furthermore, the thermoelectric conversion material containing As, Ge, Pb, Ga, or In as X also had good thermoelectric properties regardless of the element contained as Ln.
(実施例I−118)
p型熱電変換材料としてCeCoFe3Sb12を使用し、n型熱電変換材料として実施例I−30の熱電変換材料を使用して、図3に示すような熱電変換素子を作製した。
(Example I-118)
A thermoelectric conversion element as shown in FIG. 3 was produced using CeCoFe 3 Sb 12 as the p-type thermoelectric conversion material and using the thermoelectric conversion material of Example I-30 as the n-type thermoelectric conversion material.
p型およびn型の各熱電変換材料とも3.0mm角、高さ10.0mmに切り出し、各60個、全120個を10列×12行になるようp,n交互に並べ、全120個を銀電極板で直列に接続した。さらに、銀電極板の他方の面、すなわち熱電変換素子を接合した面の反対面には窒化アルミニウム焼結体板を接合し、終端電極に電流リード線を接合して熱電変換素子を作製した。 Each p-type and n-type thermoelectric conversion material is cut out to 3.0 mm square and 10.0 mm in height, each of 60 pieces, all 120 pieces are arranged alternately in p and n so that it becomes 10 columns x 12 rows, 120 pieces in total Were connected in series with a silver electrode plate. Furthermore, an aluminum nitride sintered body plate was bonded to the other surface of the silver electrode plate, that is, the surface opposite to the surface where the thermoelectric conversion element was bonded, and a current lead wire was bonded to the termination electrode to produce a thermoelectric conversion element.
得られた熱電変換素子について、高温度側を570℃、低温度側を55℃にして発電特性を評価した。この温度条件における内部抵抗は、2.22Ωであった。負荷として、この熱電変換モジュールの内部抵抗と同じ2.22Ωの負荷を繋ぐ、整合負荷条件で発電特性を測定した。その結果、発生した電圧は5.0Vであり、3.24Aの電流が流れ、16.2Wの電力が得られ、発電が確認された。 About the obtained thermoelectric conversion element, the high temperature side was 570 degreeC and the low temperature side was 55 degreeC, and the electric power generation characteristic was evaluated. The internal resistance under this temperature condition was 2.22Ω. As a load, the power generation characteristics were measured under matching load conditions in which a load of 2.22Ω which is the same as the internal resistance of the thermoelectric conversion module was connected. As a result, the generated voltage was 5.0 V, a current of 3.24 A flowed, and a power of 16.2 W was obtained, confirming power generation.
(実施例II)
本実施例においては、p型の熱電変換材料について説明する。
Example II
In this example, a p-type thermoelectric conversion material will be described.
(実施例II−1)
純度99.9%のY、純度99.9%のEr、純度99.99%のNi、および純度99.99%のSbを原料として用意し、これを組成式Y0.5Er0.5NiSbになるように秤量した。
Example II-1
Y having a purity of 99.9%, Er having a purity of 99.9%, Ni having a purity of 99.99%, and Sb having a purity of 99.99% were prepared as raw materials, which were represented by the composition formula Y 0.5 Er 0.5 Weighed to become NiSb.
秤量された原料を混合し、ア−ク炉内の水冷されている銅製のハ−スに装填して、2×10−3Paの真空度まで真空引きした。その後、純度99.999%の高純度Arを−0.04MPaまで導入して減圧Ar雰囲気として、ア−ク溶解した。溶解後、水冷されている銅製のハ−スで急冷されて得られた金属塊を、石英管に10−4Pa以下の高真空で真空封入し、1073Kで72時間熱処理した。 The weighed raw materials were mixed, loaded into a water-cooled copper hearth in an arc furnace, and evacuated to a vacuum degree of 2 × 10 −3 Pa. Thereafter, high-purity Ar having a purity of 99.999% was introduced to -0.04 MPa, and arc-dissolved in a reduced pressure Ar atmosphere. After melting, the metal lump obtained by quenching with a water-cooled copper hearth was vacuum-sealed in a quartz tube at a high vacuum of 10 −4 Pa or less and heat-treated at 1073 K for 72 hours.
得られた金属塊を粉砕し、内径20mmの金型を用いて圧力50MPaで成形した。得られた成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填し、Ar雰囲気中、80MPa、1200℃で1時間加圧焼結して、直径20mm円盤状の焼結体を得た。 The obtained metal lump was pulverized and molded at a pressure of 50 MPa using a mold having an inner diameter of 20 mm. The obtained molded body was filled in a carbon mold having an inner diameter of 20 mm, and pressure sintered at 80 MPa and 1200 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to obtain a disk-shaped sintered body having a diameter of 20 mm.
この焼結体を粉末X線回折法にて調べたところ、MgAgAs型結晶構造を有する相を主としていることが確認された。 When this sintered body was examined by a powder X-ray diffraction method, it was confirmed that the sintered body was mainly composed of a phase having an MgAgAs type crystal structure.
また、得られた焼結体の組成をICP発光分光法で分析した所、ほぼ所定の組成であることが確認された。 Moreover, when the composition of the obtained sintered body was analyzed by ICP emission spectroscopy, it was confirmed that the composition was almost a predetermined composition.
得られた焼結体は以下の方法によって熱電特性を評価した。 The obtained sintered body was evaluated for thermoelectric properties by the following method.
(1)抵抗率
焼結体を2mm×0.5mm×18mmに切断し、電極を形成し直流4端子法で測定した。
(1) The resistivity sintered body was cut into 2 mm × 0.5 mm × 18 mm, electrodes were formed, and measurement was performed by a direct current four-terminal method.
(2)ゼーベック係数
焼結体を4mm×1mm×0.5mmに切断し、この両端に2℃の温度差を付け起電力を測定し、ゼーベック係数を求めた。
(2) Seebeck coefficient The sintered body was cut into 4 mm × 1 mm × 0.5 mm, a temperature difference of 2 ° C. was applied to both ends thereof, the electromotive force was measured, and the Seebeck coefficient was obtained.
(3)熱伝導率
焼結体をφ10mm×t2.0mmに切断し、レーザーフラッシュ法により熱拡散率を測定した。これとは別にDSC測定により比熱を求めた。アルキメデス法により焼結体の密度を求め、これらより熱伝導率を算出した。
(3) The thermal conductivity sintered body was cut into φ10 mm × t2.0 mm, and the thermal diffusivity was measured by a laser flash method. Separately, specific heat was determined by DSC measurement. The density of the sintered body was obtained by the Archimedes method, and the thermal conductivity was calculated from these.
こうして得られた抵抗率、ゼーベック係数、および熱伝導率の値を用い、前述の数式(1)により無次元性能指数ZTを求めた。300Kおよび700Kにおける抵抗率、ゼーベック係数、格子熱伝導率、および無次元性能指数は、以下のとおりである。 Using the resistivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity values obtained in this way, the dimensionless figure of merit ZT was obtained by the above formula (1). The resistivity, Seebeck coefficient, lattice thermal conductivity, and dimensionless figure of merit at 300K and 700K are as follows.
300K:抵抗率47.5×10-3Ωcm
ゼーベック係数351μV/K
格子熱伝導率3.18W/mK
ZT=0.02
700K:抵抗率2.82×10-3Ωcm
ゼーベック係数311μV/K
格子熱伝導率1.79W/mK
ZT=1.04
(実施例II−1)で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を、図7中に曲線dとして示す。図示するように最大で1.05程度の無次元性能指数ZTが得られる。
300K: Resistivity 47.5 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient 351μV / K
Lattice thermal conductivity 3.18W / mK
ZT = 0.02
700K: Resistivity 2.82 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient 311μV / K
Lattice thermal conductivity 1.79 W / mK
ZT = 1.04
The temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in Example II-1 is shown as a curve d in FIG. As shown in the figure, a dimensionless figure of merit ZT of about 1.05 is obtained at the maximum.
すでに説明したように、既存の熱電変換材料についての無次元性能指数ZTの最大値は、Bi−Te系材料の1.0である。本実施例においては、Y0.5Er0.5NiSbという組成としていることから、これを越える高性能の熱電変換材料が得られた。これは、本実施例では、ハーフホイスラー化合物ABXのB元素をNiとしていることから、パワーファクターを大きくすることができたものである。 As already explained, the maximum value of the dimensionless figure of merit ZT for existing thermoelectric conversion materials is 1.0 for Bi-Te based materials. In this example, since the composition was Y 0.5 Er 0.5 NiSb, a high-performance thermoelectric conversion material exceeding this was obtained. In this example, since the B element of the half-Heusler compound ABX is Ni, the power factor can be increased.
(比較例II−1)
純度99.9%のY、純度99.9%のEr、純度99.99%のPd、および純度99.99%のSbを原料として用意し、これを組成式Y0.5Er0.5PdSnになるように秤量した。秤量された原料粉末を用いて、実施例II−1と同様の方法で焼結体を作製し、同様の手法により熱電特性を評価した。300Kおよび700Kにおける抵抗率、ゼーベック係数、格子熱伝導率、および無次元性能指数は、以下のとおりである。
(Comparative Example II-1)
Y having a purity of 99.9%, Er having a purity of 99.9%, Pd having a purity of 99.99%, and Sb having a purity of 99.99% are prepared as raw materials so that the composition formula is Y0.5Er0.5PdSn. Weighed out. Using the weighed raw material powder, a sintered body was produced by the same method as in Example II-1, and the thermoelectric characteristics were evaluated by the same method. The resistivity, Seebeck coefficient, lattice thermal conductivity, and dimensionless figure of merit at 300K and 700K are as follows.
300K:抵抗率29.0×10-3Ωcm
ゼーベック係数155μV/K
格子熱伝導率2.97W/mK
ZT=0.00
700K:抵抗率2.1×10-3Ωcm
ゼーベック係数190μV/K
格子熱伝導率1.29W/mK
ZT=0.57
本比較例では、ハーフホイスラー化合物ABXのB元素をPdとしていることから、Bi−Te系材料の1.0を越える高性能の熱電変換材料は得られなかった。
300K: Resistivity 29.0 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient 155μV / K
Lattice thermal conductivity 2.97W / mK
ZT = 0.00
700K: resistivity 2.1 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient 190μV / K
Lattice thermal conductivity 1.29 W / mK
ZT = 0.57
In this comparative example, since the element B of the half-Heusler compound ABX is Pd, a high-performance thermoelectric conversion material exceeding 1.0 of the Bi—Te material could not be obtained.
(実施例II−2〜II−31)
組成式(Ln3SLn41−S)NiSb(Ln3,Ln4は、Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Ybの中から選ばれた異なる元素である)で表わされる種々の組成の熱電変換材料を、前述の実施例II−1と同様の手法により作製した。各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を前述と同様にして評価し、得られた結果を下記表12にまとめる。なお、実施例II−1についても同様に表12に示す。
Thermoelectric conversion of various compositions represented by the composition formula (Ln3 S Ln4 1-S ) NiSb (Ln3, Ln4 are different elements selected from Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb) The material was produced by the same method as in Example II-1. About each thermoelectric conversion material, the characteristic in 300K and 700K was evaluated similarly to the above, and the obtained result is put together in following Table 12. In addition, it shows in Table 12 similarly about Example II-1.
表12に示されるように、組成式(Ln3SLn41−S)NiSb(Ln3,Ln4は、Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Ybの中から選ばれる元素)で表される種々の組成の熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。 As shown in Table 12, the compositional formula (Ln3 S Ln4 1-S ) NiSb (Ln3, Ln4 are various elements selected from Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb) It was confirmed that all the thermoelectric conversion materials having the composition described above have good thermoelectric conversion characteristics.
(実施例II−32〜II−51)
前述の実施例II−1で作製された組成式Y0.5Er0.5NiSbで表わされる熱電変換材料におけるY,Erの一部を、Be,Mg,Ca,Sr,Baの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Y0.5Er0.5)1−aXaNiSb(X=Be,Mg,Ca,Sr,Ba)で表わされる熱電変換材料を、実施例II−1と同様の手法により作製した。
(Examples II-32 to II-51)
A part of Y and Er in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula Y0.5Er0.5NiSb prepared in Example II-1 described above is at least one selected from the group of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. A thermoelectric conversion material represented by a composition formula (Y 0.5 Er 0.5 ) 1-a X a NiSb (X = Be, Mg, Ca, Sr, Ba) was substituted with an element in Example II-1. It was produced by the same method.
各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を評価し、得られた結果を下記表13に示す。
表13に示されるように、組成式(Y0.5Er0.5)1−aXaNiSb(X=Be,Mg,Ca,Sr,Ba)で表わされる熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。つまり、実施例II−2〜II−31の熱電変換材料のLn3,Ln4の一部を、Be,Mg,Ca,Sr,Baの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した組成においても同様に良好な熱電特性を有することが確認された。 As shown in Table 13, the thermoelectric conversion materials represented by the composition formula (Y 0.5 Er 0.5 ) 1-a X a NiSb (X = Be, Mg, Ca, Sr, Ba) are all good. It was recognized that it has a good thermoelectric conversion characteristic. That is, in the composition in which a part of Ln3 and Ln4 of the thermoelectric conversion materials of Examples II-2 to II-31 is substituted with at least one element selected from the group of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. It was confirmed to have good thermoelectric properties.
(実施例II−52〜II−63)
組成式Y0.5Er0.5NiSbで表わされる熱電変換材料におけるNiの一部を、Co,Rh,Irの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Y0.5Er0.5)Ni1−bZbSb(Z=Co,Rh,Ir)で表わされる熱電変換材料を実施例II−1と同様の手法により作製した。
(Examples II-52 to II-63)
A part of Ni in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula Y 0.5 Er 0.5 NiSb is substituted with at least one element selected from the group of Co, Rh, Ir, and the composition formula (Y 0.5 A thermoelectric conversion material represented by Er 0.5 ) Ni 1-b Z b Sb (Z = Co, Rh, Ir) was produced in the same manner as in Example II-1.
各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を評価し、得られた結果を下記表14に示す。
表14に示されるように、組成式(Y0.5Er0.5)Ni1−bZbSb(Z=Co,Rh,Ir)で表される熱電変換材料は、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。つまり、実施例II−2〜II−31の熱電変換材料のNiの一部を、Co,Rh,Irの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した組成においても、同様に良好な熱電特性を有することが確認された。 As shown in Table 14, all the thermoelectric conversion materials represented by the composition formula (Y 0.5 Er 0.5 ) Ni1-bZbSb (Z = Co, Rh, Ir) have good thermoelectric conversion characteristics. It was recognized that That is, even in a composition in which a part of Ni of the thermoelectric conversion material of Examples II-2 to II-31 is substituted with at least one element selected from the group of Co, Rh, and Ir, good thermoelectric characteristics are similarly obtained. It was confirmed to have.
実施例II−53で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの温度依存性を、曲線eとして図7のグラフに示した。実施例II−53の熱電変換材料は、実施例II−1の熱電変換材料よりも無次元性能指数ZTが高い。これは、10価のNiを9価のCoで置換したため、キャリア濃度が増加し、抵抗率が小さくなったためであると推測される。 The temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in Example II-53 is shown as a curve e in the graph of FIG. The thermoelectric conversion material of Example II-53 has a dimensionless figure of merit ZT higher than the thermoelectric conversion material of Example II-1. This is presumably because the carrier concentration increased and the resistivity decreased because the 10-valent Ni was replaced with the 9-valent Co.
(実施例II−64〜II−79)
組成式Y0.5Er0.5NiSbで表される熱電変換材料におけるSbの一部を、Si,Ge,Sn,Pbの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換して、組成式(Y0.5Er0.5)NiSb1−cTc(T=Si,Ge,Sn,Pb)で表される熱電変換材料を実施例II−1と同様の手法により作製した。
(Examples II-64 to II-79)
A part of Sb in the thermoelectric conversion material represented by the composition formula Y 0.5 Er 0.5 NiSb is substituted with at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, and Pb. A thermoelectric conversion material represented by 0.5 Er 0.5 ) NiSb 1-c T c (T = Si, Ge, Sn, Pb) was produced in the same manner as in Example II-1.
各熱電変換材料について、300Kおよび700Kにおける特性を評価し、得られた結果を下記表15に示す。
表15に示されるように、組成式(Y0.5Er0.5)NiSb1−cTc(T=Si,Ge,Sn,Pb)で表される熱電変換材料で、いずれも良好な熱電変換特性を有することが認められた。実施例II−2〜II−31の熱電変換材料のSbの一部を、Si,Ge,Sn,Pbの群から選ばれる少なくとも一種の元素で置換した組成においても、同様に良好な熱電特性を有することが確認された。 As shown in Table 15, the thermoelectric conversion material represented by the composition formula (Y 0.5 Er 0.5 ) NiSb 1-c T c (T = Si, Ge, Sn, Pb) is good. It was found to have thermoelectric conversion properties. Even in the composition in which a part of Sb of the thermoelectric conversion materials of Examples II-2 to II-31 was substituted with at least one element selected from the group of Si, Ge, Sn, and Pb, good thermoelectric characteristics were similarly obtained. It was confirmed to have.
(実施例II−80)
p型熱電変換材料として実施例II−53の熱電変換材料を使用し、n型熱電変換材料としては、組成式(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)0.99Ta0.1NiSnで表わされる組成の熱電変換材料を使用して、図3に示すような熱電変換素子を作製した。このn型熱電変換材料は、実施例I−31に相当する。
(Example II-80)
The thermoelectric conversion material of Example II-53 is used as the p-type thermoelectric conversion material, and the composition formula (Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) 0.99 Ta 0.1 is used as the n-type thermoelectric conversion material. A thermoelectric conversion element as shown in FIG. 3 was produced using a thermoelectric conversion material having a composition represented by NiSn. This n-type thermoelectric conversion material corresponds to Example I-31.
p型およびn型の各熱電変換材料とも3.0mm角、高さ10.0mmに切り出し、各60個、全120個を10列×12行になるようp,n交互に並べ、全120個をSUS410電極板で直列に接続した。さらに、銀電極板の他方の面、すなわち熱電変換素子を接合した面の反対面には窒化アルミニウム焼結体板を接合し、終端電極に電流リード線を接合して熱電変換素子を作製した。 Each p-type and n-type thermoelectric conversion material is cut out to 3.0 mm square and 10.0 mm in height, each of 60 pieces, all 120 pieces are arranged alternately in p and n so that it becomes 10 columns x 12 rows, 120 pieces in total Were connected in series with a SUS410 electrode plate. Furthermore, an aluminum nitride sintered body plate was bonded to the other surface of the silver electrode plate, that is, the surface opposite to the surface where the thermoelectric conversion element was bonded, and a current lead wire was bonded to the termination electrode to produce a thermoelectric conversion element.
得られた熱電変換素子について、高温度側を570℃、低温度側を55℃にして発電特性を評価した。この温度条件における内部抵抗は、1.51Ωであった。負荷として、この熱電変換モジュールの内部抵抗と同じ1.51Ωの負荷を繋ぐ、整合負荷条件で発電特性を測定した。その結果、発生した電圧は5.68Vであり、3.76Aの電流が流れ、21.3Wの電力が得られ、熱電池として良好な発電特性を有することが確認された。 About the obtained thermoelectric conversion element, the high temperature side was 570 degreeC and the low temperature side was 55 degreeC, and the electric power generation characteristic was evaluated. The internal resistance under this temperature condition was 1.51Ω. The power generation characteristics were measured under matched load conditions in which a load of 1.51Ω, which is the same as the internal resistance of the thermoelectric conversion module, was connected as a load. As a result, the generated voltage was 5.68 V, a current of 3.76 A flows, electric power of 21.3 W was obtained, and it was confirmed that the thermal battery had good power generation characteristics.
(実施例II−81)
n型の熱電変換材料をCe0.2(Co0.97Pd0.03)4Sb12に変更した以外は、前述の実施例II−80と同様の手法により熱電変換素子を作成した。ここで用いたn型の熱電変換材料は、従来の材料であり、ハーフホイッスラー化合物を主相としない。
(Example II-81)
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example II-80 described above except that the n-type thermoelectric conversion material was changed to Ce 0.2 (Co 0.97 Pd 0.03 ) 4 Sb 12 . The n-type thermoelectric conversion material used here is a conventional material and does not have a half-Whistler compound as a main phase.
得られた熱電変換素子について、前述と同様の条件で発電特性を評価した。この温度条件における内部抵抗は、1.23Ωであった。負荷として、この熱電変換モジュールの内部抵抗と同じ1.23Ωの負荷を繋ぐ、整合負荷条件で発電特性を測定した。その結果、発生した電圧は4.87Vであり、3.96Aの電流が流れ、19.3Wの電力が得られ、発電が確認された。 About the obtained thermoelectric conversion element, the electric power generation characteristic was evaluated on the same conditions as the above-mentioned. The internal resistance under this temperature condition was 1.23Ω. The power generation characteristics were measured under matched load conditions in which a load of 1.23Ω, which is the same as the internal resistance of the thermoelectric conversion module, was connected as a load. As a result, the generated voltage was 4.87 V, a current of 3.96 A flowed, 19.3 W of power was obtained, and power generation was confirmed.
(従来例)
p型の熱電変換材料をCeCoFe3Sb12に変更した以外は、前述の実施例II−81と同様の手法により熱電変換素子を作成した。ここで用いたp型の熱電変換材料は、従来の材料でありハーフホイッスラー化合物を主相としない。
(Conventional example)
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example II-81 described above except that the p-type thermoelectric conversion material was changed to CeCoFe 3 Sb 12 . The p-type thermoelectric conversion material used here is a conventional material and does not have a half-Whistler compound as a main phase.
得られた熱電変換素子について、前述と同様の条件で発電特性を評価した。この温度条件における内部抵抗は、1.43Ωであった。負荷として、この熱電変換モジュールの内部抵抗と同じ1.43Ωの負荷を繋ぐ、整合負荷条件で発電特性を測定した。その結果、発生した電圧は4.80Vであり、3.37Aの電流が流れた。電力は、16.1Wにとどまっていた。 About the obtained thermoelectric conversion element, the electric power generation characteristic was evaluated on the same conditions as the above-mentioned. The internal resistance under this temperature condition was 1.43Ω. As a load, power generation characteristics were measured under matching load conditions in which a load of 1.43Ω which is the same as the internal resistance of the thermoelectric conversion module was connected. As a result, the generated voltage was 4.80 V, and a current of 3.37 A flowed. The power remained at 16.1W.
1…A元素,2…B元素,3…X元素,4…空孔,8…p型熱電変換材料,9…n型熱電変換材料,10,19…電極,11…絶縁性基板,14…ホール,15…電子,16…熱電変換素子,20…負荷,21…電流,22…直流電源,23…電流。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... A element, 2 ... B element, 3 ... X element, 4 ... Hole, 8 ... p-type thermoelectric conversion material, 9 ... n-type thermoelectric conversion material, 10, 19 ... Electrode, 11 ... Insulating substrate, 14 ... Hall, 15 ... electron, 16 ... thermoelectric conversion element, 20 ... load, 21 ... current, 22 ... DC power supply, 23 ... current.
Claims (10)
下記組成式(2)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
(Lnd(Tia2Zrb2Hfc2)1-d)xNiySn100-x-y 組成式(2)
(上記組成式(2)中、LnはYおよび希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種であり、0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1、0<d≦0.3、30≦x≦35、30≦y≦35である。) A method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having an MgAgAs crystal structure,
A method for producing a thermoelectric conversion material comprising a step of integrally forming an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (2) by a sintering method.
(Ln d (Ti a2 Zr b2 Hf c2) 1-d) x Ni y Sn 100-xy composition formula (2)
(In the composition formula (2), Ln is at least one selected from the group consisting of Y and rare earth elements, 0 ≦ a2 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1, 0 ≦ c2 ≦ 1, a2 + b2 + c2 = 1, 0 <D ≦ 0.3, 30 ≦ x ≦ 35, 30 ≦ y ≦ 35.)
下記組成式(3)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
Ln1XNiYSb100-X-Y 組成式(3)
(上記組成式(3)中、Ln1は、Sc,Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種であり、30≦X≦35、30≦Y≦35である。) A method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having an MgAgAs crystal structure,
A method for producing a thermoelectric conversion material comprising a step of integrally forming an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (3) by a sintering method.
Ln1 X Ni Y Sb 100-XY composition formula (3)
(In the composition formula (3), Ln1 is at least one selected from Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, and 30 ≦ X ≦ 35. 30 ≦ Y ≦ 35.)
下記組成式(4)で表わされる組成を有する合金粉末を焼結法によって一体成形する工程を有することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
(Ln2pY1-p)XNiYSb100-X-Y 組成式(4)
(Ln2は、Sc,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Th,Uの中から選ばれる少なくとも一種であり、0.001≦P≦0.999、30≦X≦35、30≦Y≦35である。) A method for producing a thermoelectric conversion material containing a phase having an MgAgAs crystal structure,
A method for producing a thermoelectric conversion material comprising a step of integrally forming an alloy powder having a composition represented by the following composition formula (4) by a sintering method.
(Ln2 p Y 1-p) X Ni Y Sb 100-XY composition formula (4)
(Ln2 is at least one selected from Sc, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, and 0.001 ≦ P ≦ 0.999, 30 ≦ X ≦ 35. 30 ≦ Y ≦ 35.)
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