JP2008227321A - Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion module using the same - Google Patents

Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion module using the same Download PDF

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JP2008227321A JP2007065989A JP2007065989A JP2008227321A JP 2008227321 A JP2008227321 A JP 2008227321A JP 2007065989 A JP2007065989 A JP 2007065989A JP 2007065989 A JP2007065989 A JP 2007065989A JP 2008227321 A JP2008227321 A JP 2008227321A
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直樹 首藤
Shinya Sakurada
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric conversion material which has a large nondirectional performance index ZT as a material containing a half-Heusler compound as a main phase while maintaining a high Seebeck coefficient and low resistivity, and a thermoelectric conversion module using the same. <P>SOLUTION: The thermoelectric conversion material is formed which is represented as composition formula (Ti<SB>p</SB>Zr<SB>Q</SB>Hf<SB>R</SB>)<SB>x</SB>Ni<SB>Y</SB>(Sn<SB>1-S</SB>Sb<SB>S</SB>)<SB>1-X-Y</SB>(P+Q+R=1, 0.3≤P≤0.7, 0<Q<1, 0<R<1, 0.003<S<0.01, 0.30≤X≤0.35, and 0.30≤Y≤0.35) and includes as a main phase the phase that an MgAgAs type crystal structure has, and the thermoelectric conversion module is formed using the thermoelectric conversion material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は熱電変換材料及びこれを用いた熱電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module using the same.

近年、地球環境問題に対する意識の高揚から、フロンレス冷却機器であるペルチェ効果を利用した熱電変換モジュールに関する関心が高まっている。また、同様に、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使った発電システムを提供する、ゼーベック効果を利用した熱電変換装置に関する関心が高まっている。これら熱電変換装置はいずれもp型熱電変換材料とn型熱電変換材料とを交互に直列接続した熱電変換モジュールを具備する。   In recent years, interest in the thermoelectric conversion module using the Peltier effect, which is a chlorofluorocarbon-free cooling device, has increased due to the heightened awareness of global environmental problems. Similarly, in order to reduce carbon dioxide emissions, there is an increasing interest in thermoelectric conversion devices using the Seebeck effect that provide power generation systems using unused waste heat energy. Each of these thermoelectric conversion devices includes a thermoelectric conversion module in which p-type thermoelectric conversion materials and n-type thermoelectric conversion materials are alternately connected in series.

ペルチェ効果やゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールは、一般的にp型の熱電変換材料を含むp型材料とn型の熱電変換材料を含むn型材料とを交互に直列に接続して形成されている。現在、室温付近で利用されている熱電変換材料は、効率の高さから、Seを含有するBi−Te系の単結晶または多結晶体を使用したものが多い。また、室温より高温で使用される熱電変換材料には、やはり効率の高さから、Pb−Te系が用いられている。   A thermoelectric conversion module using the Peltier effect or Seebeck effect is generally formed by alternately connecting a p-type material containing a p-type thermoelectric conversion material and an n-type material containing an n-type thermoelectric conversion material in series. ing. Currently, many thermoelectric conversion materials used near room temperature use Se-containing Bi-Te single crystals or polycrystals because of their high efficiency. Moreover, Pb-Te system is used for the thermoelectric conversion material used at a temperature higher than room temperature because of its high efficiency.

しかしながら、これらの熱電変換モジュールに用いられている、Se(セレン)、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。さらにTe(テルル)は地球上の埋蔵量が非常に少なく、資源として供給上の困難がある。このため、Bi−Te系、Pb−Te系材料に代わる無害な材料の検討がなされている。このような点に対して、MgAgAs型結晶構造を有する相(以下、MgAgAs型結晶相と記す)を主相とする材料(以下、ハーフホイスラー材料と呼ぶ)が注目されている。   However, Se (selenium) and Pb (lead) used in these thermoelectric conversion modules are toxic and harmful to the human body and are not preferable from the viewpoint of global environmental problems. Furthermore, Te (tellurium) has very little reserves on the earth and has difficulty in supply as a resource. For this reason, harmless materials that replace Bi-Te and Pb-Te materials have been studied. In view of such a point, a material (hereinafter referred to as a half-Heusler material) having a main phase of a phase having an MgAgAs-type crystal structure (hereinafter referred to as an MgAgAs-type crystal phase) has attracted attention.

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).

一方、熱電変換材料の変換効率を示すパラメータとして性能指数Zがあり、下記数式(1)式で表される。
Z=α/(ρ・κ) …(1)
上記数式(1)中、αは熱電変換材料のゼーベック係数、ρは熱電変換材料の電気抵抗率であり、κは熱電変換材料の熱伝導率である。数式(1)中のα/ρはパワーファクターと呼ばれる。
On the other hand, there is a performance index Z as a parameter indicating the conversion efficiency of the thermoelectric conversion material, which is expressed by the following formula (1).
Z = α 2 / (ρ · κ) (1)
In the above formula (1), α is the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, ρ is the electrical resistivity of the thermoelectric conversion material, and κ is the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material. Α 2 / ρ in Equation (1) is called a power factor.

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T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おり、ZTの大きな材料ほど熱電変換効率は大きくなる。上記した(1)式から分かるように、高いZT値を持つ熱電変換材料を実現するためには、より高いゼーベック係数α、より低い電気抵抗率ρ、より低い熱伝導率κを有する熱電変換材料が求められる。   Z has the dimension of the reciprocal of temperature, and when this figure of merit Z is multiplied by the absolute temperature T, 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 thermoelectric conversion efficiency increases as the ZT increases. As can be seen from the above equation (1), in order to realize a thermoelectric conversion material having a high ZT value, a thermoelectric conversion material having a higher Seebeck coefficient α, a lower electrical resistivity ρ, and a lower thermal conductivity κ. Is required.

上述したハーフホイスラー材料の中でも、(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系材料は高い熱電特性が得られており、熱電変換材料として有望である。例えばSnの一部をSbで置換した(Ti0.50Zr0.25Hf0.25)Ni(Sn0.990Sb0.010)では、無次元性能指数は1.22と報告されている。これはBi−Te系の無次元性能指数1.0を上回っている(特許文献1)。しかし、さらに大きなZTを有する熱電変換材料の開発が望まれている。
J.Phys.:Condens.Matter 11,1697−1709(1999) 特開2004-356607号公報
Among the half-Heusler materials described above, (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn-based materials have high thermoelectric properties and are promising as thermoelectric conversion materials. For example, in (Ti 0.50 Zr 0.25 Hf 0.25 ) Ni (Sn 0.990 Sb 0.010 ) in which a part of Sn is replaced with Sb, the dimensionless figure of merit is reported as 1.22. This exceeds the dimensionless figure of merit 1.0 of Bi-Te system (Patent Document 1). However, development of a thermoelectric conversion material having a larger ZT is desired.
J. et al. Phys. : Condens. Matter 11, 1697-1709 (1999) JP 2004-356607 A

本発明は(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系ハーフホイスラー材料において、従来の(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系ハーフホイスラー材料より無次元性能指数ZTの大きな熱電変換材料、およびこれを用いた熱電変換モジュールを提供することにある。   The present invention relates to a (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn half-Heusler material, a thermoelectric conversion material having a dimensionless figure of merit ZT larger than that of a conventional (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn half-Heusler material, and It is providing the thermoelectric conversion module using this.

本発明の一態様に係る熱電変換材料は、
組成式(TiPZrQHfR)XNiY(Sn1-SSbS)1-X-Y(P+Q+R=1、0.3≦P≦0.7、0<Q<1、0<R<1、0.003<S<0.01、0.30≦X≦0.35、0.30≦Y≦0.35)にて表され、かつMgAgAs型結晶構造を有する相(MgAgAs型結晶相)を主相であること特徴としている。
The thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention is
Composition formula (Ti P Zr Q Hf R ) X Ni Y (Sn 1-S Sb S ) 1-XY (P + Q + R = 1, 0.3 ≦ P ≦ 0.7, 0 <Q <1, 0 <R <1 0.003 <S <0.01, 0.30 ≦ X ≦ 0.35, 0.30 ≦ Y ≦ 0.35), and a phase having an MgAgAs type crystal structure (MgAgAs type crystal phase) is a main phase.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系ハーフホイスラー材料に対してSbを添加するとともに、その含有量を特定の範囲、すなわち0.003原子%を超え0.01原子%を超えない範囲に設定し、かつその他の構成元素の含有量を調節し、全体の結晶構造がMgAgAs型結晶相となるようにすることによって、極めて高いゼーベック係数を呈し、その結果極めて高い無次元性能指数ZTが得られることが判明した。したがって、このような材料から熱電変換材料を構成することにより、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モジュールを提供することができる。   The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, Sb is added to the (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn half-Heusler material, and the content is set to a specific range, that is, a range exceeding 0.003 atomic% and not exceeding 0.01 atomic%. In addition, by adjusting the content of other constituent elements so that the entire crystal structure becomes an MgAgAs type crystal phase, it exhibits a very high Seebeck coefficient, and as a result, an extremely high dimensionless figure of merit ZT is obtained. It has been found. Therefore, a thermoelectric conversion material having a large dimensionless figure of merit ZT and a thermoelectric conversion module using the same can be provided by configuring the thermoelectric conversion material from such a material.

また、本発明の一態様に係る熱電変換モジュールは、上記熱電変換材料をp型熱電変換材料及びn型熱電変換材料から構成することを特徴としており、具体的には、第1の電極と、一端が前記第1の電極に接続されたp型熱電変換材料と、前記p型熱電変換材料の他端に接続された第2の電極と、一端が前記第2の電極に接続されたn型熱電変換材料と、前記n型熱電変換材料の他端に接続された第3の電極とを具備する熱電変換モジュールにおいて、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を上記熱電変換材料から構成することを特徴とする。   The thermoelectric conversion module according to one aspect of the present invention is characterized in that the thermoelectric conversion material is composed of a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material. Specifically, the first electrode; A p-type thermoelectric conversion material having one end connected to the first electrode, a second electrode connected to the other end of the p-type thermoelectric conversion material, and an n-type having one end connected to the second electrode A thermoelectric conversion module comprising a thermoelectric conversion material and a third electrode connected to the other end of the n-type thermoelectric conversion material, wherein at least one of the p-type thermoelectric conversion material and the n-type thermoelectric conversion material is the thermoelectric conversion material. It is characterized by comprising a conversion material.

以上、本発明によれば、(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系ハーフホイスラー材料において、従来の(Ti,Hf,Zr)-Ni-Sn系ハーフホイスラー材料より無次元性能指数ZTの大きな熱電変換材料、およびこれを用いた熱電変換モジュールを提供することができる。   As described above, according to the present invention, the (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn half-Heusler material has a dimensionless figure of merit ZT larger than that of the conventional (Ti, Hf, Zr) -Ni-Sn half-Heusler material. A thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module using the same can be provided.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

(熱電変換材料)
本発明の一実施形態による熱電変換材料は、
組成式:(TiPZrQHfR)XNiY(Sn1-SSbS)1-X-Y …(2)
(式中、P+Q+R=1、0.3≦P≦0.7、0<Q<1、0<R<1、0.003<S<0.01、0.30≦X≦0.35、0.30≦Y≦0.35)にて表され、かつMgAgAs型結晶構造を有する相(MgAgAs型結晶相)を主相としている。
(Thermoelectric conversion material)
The thermoelectric conversion material according to an embodiment of the present invention is:
Composition formula: (Ti P Zr Q Hf R ) X Ni Y (Sn 1-S Sb S ) 1-XY (2)
(Where P + Q + R = 1, 0.3 ≦ P ≦ 0.7, 0 <Q <1, 0 <R <1, 0.003 <S <0.01, 0.30 ≦ X ≦ 0.35, 0.30 ≦ Y ≦ 0.35) The main phase is a phase that is expressed and has an MgAgAs type crystal structure (MgAgAs type crystal phase).

図1は、立方晶系、MgAgAs型構造を有するハーフホイスラー化合物ABXの結晶構造を示したものである。図1中、参照符号1,2,3は、それぞれAサイト元素、Bサイト元素及びXサイト元素を表し、参照符号4は空孔サイトを表す。MgAgAs型結晶構造はAサイト原子とXサイト原子によるNaCl型結晶格子にBサイト原子が挿入された結晶構造を有する。Bサイト原子としてNiを用いたNi系ハーフホイスラー化合物は、ゼーベック係数の増大により熱電特性の向上を図るために1原子当りの価電子数を6に近い値に調整する必要がある。Niの価電子数は10である。そのためAサイト原子には価電子数4のTi,Zr,Hfを用いる。また、Xサイト原子としてSnを用いる。   FIG. 1 shows the crystal structure of a half-Heusler compound ABX having a cubic system and MgAgAs type structure. In FIG. 1, reference numerals 1, 2, and 3 represent an A site element, a B site element, and an X site element, respectively, and reference numeral 4 represents a vacancy site. The MgAgAs type crystal structure has a crystal structure in which B site atoms are inserted into a NaCl type crystal lattice formed by A site atoms and X site atoms. Ni-based half-Heusler compounds using Ni as the B-site atom need to adjust the number of valence electrons per atom to a value close to 6 in order to improve thermoelectric characteristics by increasing the Seebeck coefficient. Ni has 10 valence electrons. Therefore, Ti, Zr, and Hf with 4 valence electrons are used for the A site atom. Further, Sn is used as the X site atom.

次に、本発明の実施形態にかかる熱電変換材料(Ni系ハーフホイスラー材料)について詳述する。この実施形態の熱電変換材料において、MgAgAs型結晶相(ハーフホイスラー相)は熱電特性を担う相であり、これを主相としている。ここで、主相とは熱電変換材料を構成する全ての結晶相および非晶質相の総量に対して最も体積占有率が大きい相を指すものである。ハーフホイスラー相の体積含有率が50%以上の場合には高い熱電特性を得ることができ、より好ましくは90%以上である。   Next, a thermoelectric conversion material (Ni-based half-Heusler material) according to an embodiment of the present invention will be described in detail. In the thermoelectric conversion material of this embodiment, the MgAgAs type crystal phase (half-Heusler phase) is a phase that bears thermoelectric properties, and this is the main phase. Here, the main phase refers to a phase having the largest volume occupancy with respect to the total amount of all the crystal phases and amorphous phases constituting the thermoelectric conversion material. When the volume content of the half-Heusler phase is 50% or more, high thermoelectric characteristics can be obtained, and more preferably 90% or more.

なお、体積占有率は、例えば熱電変換材料の表面を鏡面研磨した後、電子顕微鏡を用い、電子線回折およびエネルギー分散型X線分析を用いハーフホイスラー相を同定し、面積占有率から求めるとより厳密に判るが、簡便には、焼結体を粉末化し、粉末X線回折に供して生成相を同定しハーフホイスラー相に由来する回折線強度が他の結晶相に由来する回折線強度より大きいことで判定できる。   The volume occupancy is obtained by, for example, mirror-polishing the surface of the thermoelectric conversion material, then using an electron microscope, identifying the half-Heusler phase using electron diffraction and energy dispersive X-ray analysis, and determining from the area occupancy. Although it is strictly known, for convenience, the sintered body is pulverized and subjected to powder X-ray diffraction to identify the generated phase, and the diffraction line intensity derived from the half-Heusler phase is larger than the diffraction line intensity derived from other crystal phases. Can be determined.

ハーフホイスラー相を主相とするNi系ハーフホイスラー材料を実現する上で、(2)式のXおよびYの値はいずれも0.30〜0.35の範囲とする。(2)式において、Xで表される(Ti,Zr,Hf)の総量およびYで表されるNi量が上記した範囲を逸脱すると、ハーフホイスラー相以外の相の析出量が多くなり、熱電特性とりわけゼーベック係数αが劣化する。XおよびYの値は0.33〜0.34の範囲とすることがさらに好ましい。   In realizing a Ni-based half-Heusler material having a half-Heusler phase as a main phase, the values of X and Y in the formula (2) are both in the range of 0.30 to 0.35. In equation (2), if the total amount of (Ti, Zr, Hf) represented by X and the amount of Ni represented by Y deviate from the above ranges, the amount of precipitation of phases other than the half-Heusler phase increases, and the thermoelectric In particular, the Seebeck coefficient α is deteriorated. More preferably, the values of X and Y are in the range of 0.33 to 0.34.

Ni系ハーフホイスラー材料の熱電変換特性を大きくするにあたって、Ti、Zr、Hfの比率を適正化することが重要となる。この実施形態の熱電変換材料においては、Ti量を表す(2)式でのPの値は0.3以上0.7以下の範囲(0.3≦P≦0.7)としている。この範囲内でNi系ハーフホイスラー材料の熱電特性、とりわけゼーベック係数αが増大し、熱伝導率κが低下する。Ti量Pが0.3より小さい場合、または、Ti量Pが0.7より大きい場合はゼーベック係数αが低下し無次元性能指数ZTが小さくなり好ましくない。   In order to increase the thermoelectric conversion characteristics of Ni-based half-Heusler materials, it is important to optimize the ratio of Ti, Zr, and Hf. In the thermoelectric conversion material of this embodiment, the value of P in the expression (2) representing the Ti amount is in the range of 0.3 to 0.7 (0.3 ≦ P ≦ 0.7). Within this range, the thermoelectric properties of the Ni-based half-Heusler material, in particular, the Seebeck coefficient α increases, and the thermal conductivity κ decreases. When the Ti amount P is smaller than 0.3, or when the Ti amount P is larger than 0.7, the Seebeck coefficient α is decreased, and the dimensionless figure of merit ZT is decreased.

また、Zr量及びHf量は、その含有割合Q及びRがそれぞれ0<Q<1、0<R<1を満足することが必要であるが、好ましくは0.1≦Q≦0.6及び0.1≦R≦0.6とする。   Further, the Zr content and the Hf content must be such that the content ratios Q and R satisfy 0 <Q <1, 0 <R <1, respectively, preferably 0.1 ≦ Q ≦ 0.6 and 0.1 ≦ R ≦. 0.6.

Ni系ハーフホイスラー材料の熱電変換特性を大きくするにあたって、図1でXサイトを占有するSnの一部をSbで置換することが重要となる。この実施形態の熱電変換材料においては、Sb量を表す(2)式でのSの値は0.003を越え0.010を超えない範囲(0.003<S<0.010)としている。これは以下の理由による。   In order to increase the thermoelectric conversion characteristics of the Ni-based half-Heusler material, it is important to replace a part of Sn occupying the X site with Sb in FIG. In the thermoelectric conversion material of this embodiment, the value of S in the equation (2) representing the Sb amount is in a range exceeding 0.003 and not exceeding 0.010 (0.003 <S <0.010). This is due to the following reason.

Snの一部をSbで置換していないNi系ハーフホイスラー材料の組成は以下の式で表される。
組成式:(TiPZrQHfR)XNiYSn1-X-Y …(3)
(式中、P+Q+R=1、0≦P≦1、0≦Q≦1、0≦R≦1、0.30≦X≦0.35、0.30≦Y≦0.35)
The composition of a Ni-based half-Heusler material in which a part of Sn is not substituted with Sb is represented by the following formula.
Composition formula: (Ti P Zr Q Hf R ) X Ni Y Sn 1-XY (3)
(Where P + Q + R = 1, 0 ≦ P ≦ 1, 0 ≦ Q ≦ 1, 0 ≦ R ≦ 1, 0.30 ≦ X ≦ 0.35, 0.30 ≦ Y ≦ 0.35)

(3)式で表されるSnの一部をSbで置換していないNi系ハーフホイスラー材料は、フェルミ面近傍で価電子バンドと伝導バンドの間にバンドギャップが存在する。そのため抵抗率ρは大きく、(1)式から判るように無次元性能指数ZTはあまり大きくならない。前述したようにSnの価数は4価である。一方Sbの価数は5価である。(2)式で表されるようにSnの一部をSbで置換すると、価数の違う元素で置換されるため導電キャリアが生成し抵抗率が下がる。(2)式でSが大きくなるほど抵抗率は低下する。   In the Ni-based half-Heusler material in which part of Sn represented by the formula (3) is not substituted with Sb, a band gap exists between the valence band and the conduction band in the vicinity of the Fermi surface. Therefore, the resistivity ρ is large, and the dimensionless figure of merit ZT is not so large as can be seen from the equation (1). As described above, the valence of Sn is tetravalent. On the other hand, the valence of Sb is pentavalent. When a part of Sn is substituted with Sb as represented by the formula (2), conductive carriers are generated due to substitution with elements having different valences, and the resistivity is lowered. The resistivity decreases as S increases in equation (2).

しかし、キャリア濃度とゼーベック係数αには(4)式の関係がある。
Z=(kB/e) (A + ln2(2pm*kBT)1.5/h3n) …(4)
ここに、kB、e、A、m*、T、h、nは、各々、ボルツマン定数、電子電荷、散乱に関する項、有効質量、温度、プランク定数、キャリア濃度である。(4)式から判るようにキャリア濃度nが大きくなるほどゼーベック係数αは小さくなる。
However, the carrier concentration and the Seebeck coefficient α have the relationship of equation (4).
Z = (k B / e) (A + ln2 (2 pm*k B T) 1.5 / h 3 n) (4)
Here, k B, e, A, m *, T, h, and n are Boltzmann constant, electron charge, scattering term, effective mass, temperature, Planck constant, and carrier concentration, respectively. As can be seen from the equation (4), the Seebeck coefficient α decreases as the carrier concentration n increases.

ゼーベック係数αの二乗を抵抗率で除した値をパワーファクターという(以下PFと記す)。(1)式は以下のように記載できる。
Z=PF/κ …(5)
A value obtained by dividing the square of the Seebeck coefficient α by the resistivity is referred to as a power factor (hereinafter referred to as PF). Equation (1) can be written as follows.
Z = PF / κ (5)

キャリア濃度nが大きくなるほど、抵抗率ρ、ゼーベック係数α両者とも低下する。しかしρとαのnに対する依存性が線形的ではないため、パワーファクターはあるキャリア濃度で最大値を有する。本発明者らの検討の結果、(2)式において、Sの値は0.003を越え0.010を超えない範囲(0.003<S<0.010)で、従来のNi系ハーフホイスラー材料に比較して大きなパワーファクターが得られ、無次元性能指数が従来のNi系ハーフホイスラー材料に比較して大きな熱電変換材料が得られることを見いだした。一例として、図2に(Ti0.4Zr0.3Hf0.3)Ni(Sn1-SSbS)の無次元性能指数ZTのSb量S依存性を示す。 As the carrier concentration n increases, both the resistivity ρ and the Seebeck coefficient α decrease. However, since the dependence of ρ and α on n is not linear, the power factor has a maximum value at a certain carrier concentration. As a result of the study by the present inventors, in the formula (2), the value of S is within a range exceeding 0.003 and not exceeding 0.010 (0.003 <S <0.010), which is a large power factor compared with the conventional Ni-based half-Heusler material. It has been found that a thermoelectric conversion material having a dimensionless figure of merit can be obtained as compared with a conventional Ni-based half-Heusler material. As an example, FIG. 2 shows the Sb amount S dependence of the dimensionless figure of merit ZT of (Ti 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 ) Ni (Sn 1 -S Sb S ).

なお、図2などからも明らかなように、Sb量は好ましくはその含有割合Sが0.004≦S≦0.008となるようにする。   As is clear from FIG. 2 and the like, the Sb amount is preferably set so that the content ratio S satisfies 0.004 ≦ S ≦ 0.008.

(熱電変換材料の製造方法)
本発明の熱電変換材料は、例えば以下のような方法により製造することができる。
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。
(Method for producing thermoelectric conversion material)
The thermoelectric conversion material of the present invention can be produced, for example, by the following method.
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.

作製された合金は、必要に応じて熱処理が施してもよい。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、合金粉末を常圧焼結法、ホットプレス焼結法、またはSPS法などによって焼結する。合金の酸化を防止するという観点から、焼結は、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。   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 sintered by an atmospheric pressure sintering method, a hot press sintering method, an SPS method, or the like. From the viewpoint of preventing oxidation of the alloy, the sintering is preferably performed in an inert atmosphere such as Ar.

次いで、得られた焼結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。本発明の実施形態にかかる熱電変換材料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。   Subsequently, the thermoelectric conversion material concerning embodiment of this invention is obtained by processing the obtained sintered compact into a desired dimension. The shape and dimensions of the thermoelectric conversion material according to the embodiment of the present invention can be appropriately selected. 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). .

(熱電変換モジュール)
次に、本発明の一実施形態における熱電変換モジュールについて説明する。前記熱電変換モジュールにおいては、上述した熱電変換材料を、p型熱電変換材料及びn型熱電変換材料の少なくとも一方として用いる。
(Thermoelectric conversion module)
Next, a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention will be described. In the thermoelectric conversion module, the above-described thermoelectric conversion material is used as at least one of a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material.

図3は、上記熱電変換モジュールの発電原理を説明するための概略断面図である。図3に示される熱電変換モジュールにおいては、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が接続される。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。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the power generation principle of the thermoelectric conversion module. In the thermoelectric conversion module shown in FIG. 3, the n-type semiconductor thermoelectric conversion material 9 and the p-type semiconductor thermoelectric conversion material 8 according to the embodiment of the present invention are arranged in parallel. Electrodes 10a and 10b are respectively arranged on the upper surfaces of the n-type thermoelectric conversion material 9 and the p-type thermoelectric conversion material 8, and the upper insulating substrate 11a is connected to the outside thereof. The lower surfaces of the n-type thermoelectric conversion material 9 and the p-type thermoelectric conversion material 8 are connected by an electrode 10c supported by the lower insulating substrate 11b.

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。その結果、電極10aと電極10bとの間に電位差が生じる。図3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。   When a temperature difference is given between the upper and lower insulating substrates 11a and 11b to make the upper side low and the lower side high, the p-type semiconductor thermoelectric conversion material 8 has a positive charge. The hole 14 moves to the lower temperature side (upper side), and the electrode 10b has a higher potential than the electrode 10c. On the other hand, inside the n-type semiconductor thermoelectric conversion material 9, electrons 15 having negative charges move to the low temperature side (upper side), and the electrode 10c has a higher potential than the electrode 10a. As a result, a potential difference is generated between the electrode 10a and the electrode 10b. As shown in FIG. 3, when the upper side is at a low temperature and the lower side is at a high temperature, the electrode 10b is a positive electrode and the electrode 10a is a negative electrode.

なお、特に図示しないが、電極10a及び10bと電極10cとの位置を入れ替え、絶縁性基板11aを高温度にし、絶縁性基板11bを低温度にした場合においても、上記同様のホール及び電子の移動が生じ、電極10a及び10b間に電位差が生じるようになる。   Although not shown in particular, even when the positions of the electrodes 10a and 10b and the electrode 10c are switched, the insulating substrate 11a is set to a high temperature, and the insulating substrate 11b is set to a low temperature, the same movement of holes and electrons is performed. And a potential difference is generated between the electrodes 10a and 10b.

図4は、本発明の一実施形態に基づく熱電変換モジュールの一例を示す概略構成図である。図4に示すように、本態様の熱電変換モジュール16においては、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し、図3に示すような熱電変換モジュールユニットを複数含むような構造を呈している。この場合、図4から明らかなように、電極10a及び10bは隣接するユニット間で共有するような構造を呈している。   FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the thermoelectric conversion module 16 of this embodiment, a plurality of p-type thermoelectric conversion materials 8 and n-type thermoelectric conversion materials 9 are alternately connected in series, and the thermoelectric conversion module as shown in FIG. It has a structure that includes multiple units. In this case, as is apparent from FIG. 4, the electrodes 10a and 10b have a structure shared by adjacent units.

図4に示す熱電変換モジュール16については、図3に示すようなユニットが直列に接続されたような構成を呈しているので、熱電変換モジュール16からの発電量は図3に示すユニットが生成する発電量に対して、前記ユニットの数を乗じたものとなる。したがって、図3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。   The thermoelectric conversion module 16 shown in FIG. 4 has a configuration in which units as shown in FIG. 3 are connected in series. Therefore, the power generation amount from the thermoelectric conversion module 16 is generated by the unit shown in FIG. The power generation amount is multiplied by the number of units. Therefore, a higher voltage than that of the structure shown in FIG.

(熱電変換モジュールの応用)
上述した熱電変換モジュール16は、熱電池に適用することができる。図5は、前記熱電池の一例を概略的に示す断面構成図である。図5に示すように、熱電変換モジュール16の上部側を低温度にして、下部側を高温度にすると、熱電変換モジュール16の終端電極19a及び19b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。
(Application of thermoelectric conversion module)
The above-described thermoelectric conversion module 16 can be applied to a thermal battery. FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram schematically illustrating an example of the thermal battery. As shown in FIG. 5, when the upper side of the thermoelectric conversion module 16 is set to a low temperature and the lower side is set to a high temperature, a potential difference is generated between the termination electrodes 19 a and 19 b of the thermoelectric conversion module 16. When a load 20 is connected to the electrode 19a and the electrode 19b, a current 21 flows in the direction of the arrow shown in the figure and functions as a thermal battery.

なお、上述した熱電変換モジュールは熱を電力に変換する発電用途に限らず、電気を熱に変換する加熱もしくは冷却用途に使用することも可能である。図6は、前記熱電変換モジュールを用いた加熱冷却装置の一例を示す断面構成図である。図示するように、熱電変換モジュール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、熱電変換モジュール16の上部側は放熱が起こり、一方の下部側は吸熱が起こる。従って、放熱側に被処理体を配置することによって、被処理体を加熱することができる。あるいは、吸熱側に被処理体を配置することによって、被処理体から熱を奪って冷却することができる。   In addition, the thermoelectric conversion module mentioned above can also be used not only for the electric power generation use which converts heat into electric power, but for the heating or cooling use which converts electricity into heat. FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram illustrating an example of a heating / cooling apparatus using the thermoelectric conversion module. As shown in the figure, a DC current 23 is passed in the direction of the arrow in the figure using a DC power supply 22 to the termination electrode 19 of the thermoelectric conversion module 16. As a result, heat dissipation occurs on the upper side of the thermoelectric conversion module 16, and heat absorption occurs on the lower side. Accordingly, the object to be processed can be heated by arranging the object to be processed on the heat radiation side. Or by arrange | positioning a to-be-processed object to the heat absorption side, it can cool by taking away heat from a to-be-processed object.

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(Ti0.4Zr0.3Hf0.3)Ni(Sn0.994Sb0.006)になるように秤量した。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99.99%の高純度Arを−40kPaまで導入して減圧Ar雰囲気として、ア−ク溶解した。
(Example 1)
99.9% purity Ti, 99.9% purity Zr, 99.9% purity Hf, 99.99% purity Ni, and 99.99% purity Sn are prepared as raw materials, and this is represented by the composition formula (Ti 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 ) Ni ( Sn 0.994 Sb 0.006 ). 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 99.99% was introduced to -40 kPa, and arc-dissolved in a reduced pressure Ar atmosphere.

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、主にMgAgAs型結晶相(ハーフホイスラー相)に由来する回折線のみが観測された。この焼結体の表面を鏡面研磨した後、電子顕微鏡を用い、電子線回折およびエネルギー分散型X線分析を用い、面積占有率から求めた結果、ハーフホイスラー相の体積占有率は99%以上であった。   When this sintered body was examined by a powder X-ray diffraction method, only diffraction lines mainly derived from the MgAgAs type crystal phase (half-Heusler phase) were observed. After the surface of this sintered body is mirror-polished, the volume occupancy of the half-Heusler phase is 99% or more as a result of obtaining the area occupancy using electron diffraction and energy dispersive X-ray analysis using an electron microscope. there were.

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、所定の組成であることが確認された。なお、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。   Further, when the composition of the obtained sintered body was analyzed by ICP emission spectroscopy, it was confirmed to be a predetermined composition. The obtained sintered body was evaluated for thermoelectric properties by the following method.

(1)抵抗率ρ
焼結体を1mm×0.5mm×18mmに切断し、電極を形成し直流4端子法で測定した。
(2)ゼーベック係数α
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αを求めた。
(3)熱伝導率κ
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、これらの結果から熱伝導率κを算出した。
(1) resistivity ρ
The sintered body was cut into 1 mm × 0.5 mm × 18 mm, electrodes were formed, and measurement was performed by a direct current four-terminal method.
(2) Seebeck coefficient α
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 α was determined.
(3) Thermal conductivity κ
The sintered body was cut into φ10 mm × t2.0 mm, and the thermal diffusivity was measured by a laser flash method. Separately, the specific heat was obtained by DSC measurement. The density of the sintered body was determined by the Archimedes method, and the thermal conductivity κ was calculated from these results.

こうして得られた抵抗率ρ、ゼーベック係数α、及び熱伝導率κ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。293K及び713Kにおける抵抗率ρ、ゼーベック係数α、格子熱伝導率κ、及び無次元性能指数ZTは、以下のとおりである。
293K:抵抗率1.08×10−3Ωcm
ゼーベック係数-216μV/K
熱伝導率3.28W/mK
ZT=0.38
713K:抵抗率 1.25×10−3Ωcm
ゼーベック係数 -291μV/K
熱伝導率 3.17W/mK
ZT=1.52
Using the values of resistivity ρ, Seebeck coefficient α, and thermal conductivity κ thus obtained, the dimensionless figure of merit ZT was obtained by the above equation (1). The resistivity ρ, Seebeck coefficient α, lattice thermal conductivity κ, and dimensionless figure of merit ZT at 293K and 713K are as follows.
293K: Resistivity 1.08 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -216μV / K
Thermal conductivity 3.28W / mK
ZT = 0.38
713K: Resistivity 1.25 × 10 -3 Ωcm
Seebeck coefficient -291μV / K
Thermal conductivity 3.17W / mK
ZT = 1.52

このように、実施例1で作製された熱電変換材料は、最大で1.52の無次元性能指数ZTが得られた。すでに説明したように、既存のNi系ハーフホイスラー材料についての無次元性能指数ZTの最大値は1.22である。本実施例ではこれを大きく上回る高性能の熱電変換材料が得られた。   As described above, the dimensionless figure of merit ZT of 1.52 at the maximum was obtained for the thermoelectric conversion material produced in Example 1. As already explained, the maximum value of the dimensionless figure of merit ZT for the existing Ni-based half-Heusler material is 1.22. In this example, a high-performance thermoelectric conversion material significantly exceeding this was obtained.

(比較例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、純度99.99%のSnを原料として用意し、これを組成式(Ti0.4Zr0.3Hf0.3)Ni(Sn0.990Sb0.010)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1と同様の手法により焼結体を作製した。この焼結体を粉末X線回折法にて調べたところ、主にMgAgAs型結晶相に由来する回折線のみが観測された。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、所定の組成であることが確認された。実施例1と同様の手法により、293K及び713Kにおける抵抗率ρ、ゼーベック係数α、熱伝導率κ、から無次元性能指数を求めた。
(Comparative Example 1)
99.9% Ti, 99.9% pure Zr, 99.9% pure Hf, purity of 99.99% Ni, 99.99% purity of Sn was prepared as a raw material, which composition formula (Ti 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3) Ni (Sn 0.990 Sb 0.010 ). Using the weighed raw material powder, a sintered body was produced in the same manner as in Example 1. When this sintered body was examined by a powder X-ray diffraction method, only diffraction lines mainly derived from the MgAgAs type crystal phase were observed. Further, when the composition of the obtained sintered body was analyzed by ICP emission spectroscopy, it was confirmed to be a predetermined composition. A dimensionless figure of merit was determined from the resistivity ρ, Seebeck coefficient α, and thermal conductivity κ at 293K and 713K in the same manner as in Example 1.

293K:抵抗率0.57×10−3Ωcm
ゼーベック係数-150μV/K
熱伝導率4.20W/mK
ZT=0.28
713K:抵抗率 0.96×10−3Ωcm
ゼーベック係数 -230μV/K
熱伝導率 3.30W/mK
ZT=1.19
このように比較例1で作製された熱電変換材料の無次元性能指数ZTの最大値は1.19にとどまっていることがわかる。
293K: Resistivity 0.57 × 10 −3 Ωcm
Seebeck coefficient -150μV / K
Thermal conductivity 4.20W / mK
ZT = 0.28
713K: Resistivity 0.96 × 10 -3 Ωcm
Seebeck coefficient -230μV / K
Thermal conductivity 3.30W / mK
ZT = 1.19
Thus, it can be seen that the maximum value of the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material produced in Comparative Example 1 remains at 1.19.

(実施例2〜60、比較例2〜44)
組成式(TiPZrQHfR)Ni(Sn1-SSbS)で表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成した。これら焼結体を粉末X線回折法にて調べた結果、全ての組成において、主にMgAgAs型結晶相に由来する回折線のみが観測された。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、所定の組成であることが確認された。各熱電変換材料について、実施例1と同様の手法により、抵抗率ρ、ゼーベック係数α、熱伝導率κから713Kにおける無次元性能指数ZTを求めた。得られた結果を下記表1及び表2にまとめる。なお、表1及び表2には、前述の実施例1および比較例1の結果も併せて示した。
(Examples 2-60, Comparative Examples 2-44)
Composition formula (Ti P Zr Q Hf R) Ni (Sn 1-S Sb S) thermoelectric conversion material of various composition represented by, was prepared by the same manner as in Example 1 above. As a result of examining these sintered bodies by the powder X-ray diffraction method, only diffraction lines mainly derived from the MgAgAs type crystal phase were observed in all compositions. Further, when the composition of the obtained sintered body was analyzed by ICP emission spectroscopy, it was confirmed to be a predetermined composition. For each thermoelectric conversion material, a dimensionless figure of merit ZT at 713K was determined from the resistivity ρ, Seebeck coefficient α, and thermal conductivity κ by the same method as in Example 1. The obtained results are summarized in Table 1 and Table 2 below. Tables 1 and 2 also show the results of Example 1 and Comparative Example 1 described above.

Figure 2008227321
Figure 2008227321

Figure 2008227321
Figure 2008227321

表1から明らかなように、実施例1〜60のTi量Pが0.3〜0.7の範囲にありSb量Sが0.003を越え0.0010を越えない範囲、特にSb含有量Sが0.004≦S≦0.008である各熱電変換材料は、713Kでの無次元性能指数ZTが1.20以上あり熱電変換特性が優れている、一方、比較例2〜4および44に示したように、Ti量Pが0.3〜0.7の範囲以外にある熱電変換材料は、Sb量Sが0.003を越え0.0010を越えない範囲にあっても713Kでの無次元性能指数ZTが1.20以下と小さい。また、比較例1および5〜43に示したように、Ti量Pが0.3〜0.7の範囲以内にあっても、Sb量Sが0.003以下または0.0010以上の熱電変換材料は、713Kでの無次元性能指数ZTが1.20以下と小さいことが判る。   As is apparent from Table 1, the Ti amount P in Examples 1 to 60 is in the range of 0.3 to 0.7, and the Sb amount S exceeds 0.003 and does not exceed 0.0010, particularly the Sb content S is 0.004 ≦ S ≦ 0.008. Each thermoelectric conversion material has a dimensionless figure of merit ZT at 713K of 1.20 or more and excellent thermoelectric conversion characteristics. On the other hand, as shown in Comparative Examples 2 to 4 and 44, Ti amount P is 0.3 to 0.7. Thermoelectric conversion materials outside the range have a dimensionless figure of merit ZT at 713K of 1.20 or less even when the Sb content S is in the range of more than 0.003 and not more than 0.0010. Further, as shown in Comparative Examples 1 and 5 to 43, even when the Ti amount P is within the range of 0.3 to 0.7, the thermoelectric conversion material having the Sb amount S of 0.003 or less or 0.0010 or more is dimensionless at 713K. It can be seen that the figure of merit ZT is as small as 1.20 or less.

(実施例61)
p型熱電変換材料としてCo系熱電変換材料((TI,Zr,Hf)Co(Sb,Sn))を使用し、n型熱電変換材料としては、組成式(Ti0.4Zr0.3Hf0.3)Ni(Sn0.994Sb0.006)で表わされる組成の熱電変換材料を使用して、図5に示すような熱電変換モジュールを作製した。なお、前記n型熱電変換材料は、実施例1に相当する。
(Example 61)
Co-based thermoelectric conversion material ((TI, Zr, Hf) Co (Sb, Sn)) is used as the p-type thermoelectric conversion material, and the composition formula (Ti 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 ) Ni ( A thermoelectric conversion module as shown in FIG. 5 was produced using a thermoelectric conversion material having a composition represented by Sn 0.994 Sb 0.006 ). The n-type thermoelectric conversion material corresponds to Example 1.

p型およびn型の各熱電変換材料とも2.7mm角、高さ3.0mmに切り出し、各72個、全144個を12列×12行になるようp,n交互に並べ、全144個を銅電極板で直列に接続した。さらに、銅電極板の他方の面、すなわち熱電変換モジュールを接合した面の反対面には窒化珪素焼結体板を接合し、終端電極に電流リード線を接合して熱電変換モジュールを作製した。   Each p-type and n-type thermoelectric conversion material is cut out to 2.7mm square and 3.0mm height, 72 pieces each, 144 pieces in total are arranged in 12 rows x 12 rows, p and n alternately, 144 pieces in total are copper The electrode plates were connected in series. Furthermore, a silicon nitride sintered body plate was bonded to the other surface of the copper electrode plate, that is, the surface opposite to the surface to which the thermoelectric conversion module was bonded, and a current lead wire was bonded to the termination electrode to produce a thermoelectric conversion module.

得られた熱電変換モジュールについて、高温度側を603℃、低温度側を43℃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、1.59Ω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1.59Ω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7.24Vであり、4.56Aの電流が流れ、33.0W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 module, the high temperature side was 603 degreeC and the low temperature side was 43 degreeC, and the electric power generation characteristic was evaluated. The internal resistance under this temperature condition was 1.59Ω. As a load, the power generation characteristics were measured under a matched load condition in which a load of 1.59Ω which is the same as the internal resistance of the thermoelectric conversion module was connected. As a result, the generated voltage was 7.24 V, a current of 4.56 A flowed, 33.0 W of power was obtained, and it was confirmed that the thermal battery had good power generation characteristics.

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   While the present invention has been described in detail based on the above specific examples, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.

ハーフホイスラーABXの構造を表わす模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of half-Heusler ABX. (Ti0.4Zr0.3Hf0.3)Ni(Sn1-SSbS)なる組成の熱電変換材料の無次元性能指数ZTのSb量S依存性を示すグラフである。5 is a graph showing the Sb content S dependence of a dimensionless figure of merit ZT of a thermoelectric conversion material having a composition of (Ti 0.4 Zr 0.3 Hf 0.3 ) Ni (Sn 1 -S Sb S ). 熱電変換モジュールの発電原理を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the electric power generation principle of a thermoelectric conversion module. 本発明の一実施形態に基づく熱電変換モジュールの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the thermoelectric conversion module based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に基づく熱電変換モジュールを適用した熱電池の一例を概略的に示す断面構成図である。It is a section lineblock diagram showing roughly an example of a thermal battery to which a thermoelectric conversion module based on one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態に基づく熱電変換モジュールを適用した加熱冷却装置の一例を概略的に示す断面構成図である。It is a section lineblock diagram showing roughly an example of a heating cooling device to which a thermoelectric conversion module based on one embodiment of the present invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

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…熱電変換モジュール,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 ... electronic, 16 ... thermoelectric conversion module, 20 ... load, 21 ... current, 22 ... DC power supply, 23 ... current.

Claims (5)

組成式(TiPZrQHfR)XNiY(Sn1-SSbS)1-X-Y(P+Q+R=1、0.3≦P≦0.7、0<Q<1、0<R<1、0.003<S<0.01、0.30≦X≦0.35、0.30≦Y≦0.35)にて表され、かつMgAgAs型結晶構造を有する相が主相であること特徴とする、熱電変換材料。 Composition formula (Ti P Zr Q Hf R ) X Ni Y (Sn 1-S Sb S ) 1-XY (P + Q + R = 1, 0.3 ≦ P ≦ 0.7, 0 <Q <1, 0 <R <1 0.003 <S <0.01, 0.30 ≦ X ≦ 0.35, 0.30 ≦ Y ≦ 0.35), and the phase having the MgAgAs type crystal structure is the main phase. 前記組成式において、Sb含有量Sが0.004≦S≦0.008であることを特徴とする、請求項1に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein in the composition formula, the Sb content S is 0.004 ≦ S ≦ 0.008. 前記組成式において、Zr含有量Qが0.1≦Q≦0.6であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の熱電変換材料。   3. The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein in the composition formula, the Zr content Q is 0.1 ≦ Q ≦ 0.6. 前記組成式において、Hf含有量Rが0.1≦R≦0.6であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein in the composition formula, the Hf content R is 0.1 ≦ R ≦ 0.6. 第1の電極と、一端が前記第1の電極に接続されたp型熱電変換材料と、前記p型熱電変換材料の他端に接続された第2の電極と、一端が前記第2の電極に接続されたn型熱電変換材料と、前記n型熱電変換材料の他端に接続された第3の電極とを具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記n型熱電変換材料は、請求項1〜4のいずれか一に記載の熱電変換材料からなることを特徴とする、熱電変換モジュール。
A first electrode; a p-type thermoelectric conversion material having one end connected to the first electrode; a second electrode connected to the other end of the p-type thermoelectric conversion material; and one end being the second electrode A thermoelectric conversion module comprising: an n-type thermoelectric conversion material connected to the second electrode; and a third electrode connected to the other end of the n-type thermoelectric conversion material.
The said n-type thermoelectric conversion material consists of the thermoelectric conversion material as described in any one of Claims 1-4, The thermoelectric conversion module characterized by the above-mentioned.
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