JP2010147283A - Thermoelectric material - Google Patents

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Daisuke Kikuchi
大輔 菊地
Kenji Nakamizo
賢治 中溝
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric material which is reduced in oxygen content and consists essentially of a Heusler compound having small electric resistivity while maintaining a Seebeck coefficient. <P>SOLUTION: The thermoelectric material consists essentially of the Fe-V-Al-based Heusler compound, and the oxygen concentration in the material is <2,000 ppm. It is preferred that the thermoelectric material has a nitrogen concentration of ≤50 ppm and a sulfur concentration of ≤50 ppm. An embodiment of a method of manufacturing the thermoelectric material includes a dissolution process, a deoxidation processing process, and a solidification process, wherein the oxygen concentration in the material is ≤2,000 ppm in the deoxidation processing process. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱電材料、特にFe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とする熱電材料に関するものである。   The present invention relates to a thermoelectric material, particularly a thermoelectric material mainly composed of a Fe-V-Al-based Heusler compound.

近年、エネルギー変換技術として、熱電変換技術が注目されている。この熱電変換技術を用いることにより、材料の温度差によって熱エネルギーと電気エネルギーを相互に直接変換することができる。これは、p型熱電材料とn型熱電材料とを接合し、その両端を異なる温度に保つと、正孔の移動および電子の移動が起こり、両端子間に起電力が発生するゼーベック効果を利用するものである。この熱電変換技術の特徴としては、可動部分がないため信頼性が高く、メンテナンスフリーで長寿命であること、小規模でも効率が低下しないこと等が挙げられる。   In recent years, thermoelectric conversion technology has attracted attention as an energy conversion technology. By using this thermoelectric conversion technology, heat energy and electric energy can be directly converted into each other by the temperature difference of the material. This utilizes the Seebeck effect, in which when p-type and n-type thermoelectric materials are joined and both ends are kept at different temperatures, holes move and electrons move, and an electromotive force is generated between both terminals. To do. Features of this thermoelectric conversion technology include high reliability because there are no moving parts, maintenance-free and long life, and low efficiency even at a small scale.

このような熱電材料の熱電変換性能を評価する指数として、性能指数Z、または性能指数Zと絶対温度Tの積である無次元性能指数ZTが用いられる。無次元性能指数ZTは以下の式で表される。
ZT=ST/ρκ (1)
ここで、Sはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率、Tは絶対温度である。この式からもわかるように、熱電変換性能を上げるためには、ゼーベック係数Sが高く、電気抵抗率ρと熱伝導率κが低い材料が望ましい。
As an index for evaluating the thermoelectric conversion performance of such a thermoelectric material, the figure of merit Z or a dimensionless figure of merit ZT that is the product of the figure of merit Z and the absolute temperature T is used. The dimensionless figure of merit ZT is expressed by the following equation.
ZT = S 2 T / ρκ (1)
Here, S is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, κ is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature. As can be seen from this equation, in order to improve the thermoelectric conversion performance, a material having a high Seebeck coefficient S and a low electrical resistivity ρ and thermal conductivity κ is desirable.

従来の熱電材料としては、
Bi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系等の化合物半導体
Co系酸化物
Zn−Sb系、Co−Sb系、Fe−Sb系等のスクッテルダイト化合物
ZrNiSn等のハーフホイスラー化合物
Fe−V−Al系のホイスラー化合物
などが知られている。
As conventional thermoelectric materials,
Bi-Te-based, Pb-Te-based, Si-Ge-based compound semiconductors Co-based oxides Zn-Sb-based, Co-Sb-based, Fe-Sb-based skutterudite compounds Half-Heusler compounds such as ZrNiSn Fe- V-Al-based Heusler compounds and the like are known.

これらの中でも、Bi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系の化合物半導体は、低温域で高い無次元性能指数ZTを示すが、Pb、Te、Sb等の環境負荷元素を多く含んでいる。これに対し、Fe−V−Al系のホイスラー化合物は、環境負荷元素を含まず、Feサイト、VサイトまたはAlサイトのいずれかを他の元素で置換する方法や、化学量論組成からずらす方法等によって、低温域で高いZTが得られている。そのため、Fe−V−Al系のホイスラー化合物は、Bi−Te系、Pb−Te系の熱電材料に代わる材料として研究が進められている。Fe−V−Al系のホイスラー化合物の熱電変換効率を高める技術としては、格子欠陥を制御すること(特許文献1参照)、総価電子数を制御すること(特許文献2参照)などが知られている。   Among these, Bi-Te-based, Pb-Te-based, and Si-Ge-based compound semiconductors exhibit a high dimensionless figure of merit ZT at low temperatures, but contain a large amount of environmental load elements such as Pb, Te, and Sb. Yes. On the other hand, the Fe-V-Al-based Heusler compound does not contain an environmental load element, and a method of replacing any of the Fe site, V site, or Al site with another element, or a method of shifting from the stoichiometric composition. As a result, a high ZT is obtained in a low temperature range. For this reason, research on Fe-V-Al-based Heusler compounds is being conducted as a substitute for Bi-Te-based and Pb-Te-based thermoelectric materials. Known techniques for increasing the thermoelectric conversion efficiency of Fe-V-Al-based Heusler compounds include controlling lattice defects (see Patent Document 1) and controlling the total number of valence electrons (see Patent Document 2). ing.

特開2008−021982号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-021982 国際公開第WO2003/019681号パンフレットInternational Publication No. WO2003 / 019681 Pamphlet

熱電材料は、ZT=ST/ρκで表される無次元性能指数で評価される。金属では、ヴィーデマン・フランツ則
ρκ/T=L (2)
により、ローレンツ数Lが一定であるため、電気抵抗率ρと熱伝導度κとを独立に制御することができない。そのため、通常の金属では熱伝導度と電気抵抗率を独立に制御することは困難と考えられる。
The thermoelectric material is evaluated by a dimensionless figure of merit represented by ZT = S 2 T / ρκ. In metal, Wiedemann Franz rule
ρκ / T = L (2)
Therefore, since the Lorentz number L is constant, the electrical resistivity ρ and the thermal conductivity κ cannot be controlled independently. For this reason, it is considered difficult to control the thermal conductivity and the electrical resistivity independently with a normal metal.

従って、本発明は、上記の問題点を解決するもので、ゼーベック係数と熱伝導度とを維持したままで電気抵抗率の小さいホイスラー化合物からなる熱電材料を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a thermoelectric material made of a Heusler compound having a low electric resistivity while maintaining the Seebeck coefficient and the thermal conductivity.

上記の目的を達成するために本発明に係る熱電材料は、Fe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とする熱電材料であって、材料中の酸素濃度が2000ppm以下であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a thermoelectric material according to the present invention is a thermoelectric material mainly composed of a Fe-V-Al-based Heusler compound, wherein the oxygen concentration in the material is 2000 ppm or less. To do.

また、前記熱電材料中の窒素濃度が50ppm以下であることを特徴とする。   Further, the nitrogen concentration in the thermoelectric material is 50 ppm or less.

さらに、前記熱電材料中の硫黄濃度が50ppm以下であることを特徴とする。   Furthermore, the sulfur concentration in the thermoelectric material is 50 ppm or less.

ホイスラー化合物中に含有される酸素が製造段階で低減されることにより、電気抵抗率を小さくすることが可能である。これにより、熱電変換効率の高い熱電材料を得ることができる。   The electrical resistivity can be reduced by reducing the oxygen contained in the Heusler compound at the manufacturing stage. Thereby, a thermoelectric material with high thermoelectric conversion efficiency can be obtained.

以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明に係る熱電材料は、Fe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とし、材料中の酸素濃度が2000ppm以下である熱電材料である。なお、本実施の形態に係る熱電材料は、Fe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とし、少量の他の添加物を含むものを意味する。   The thermoelectric material according to the present invention is a thermoelectric material mainly composed of an Fe-V-Al-based Heusler compound and having an oxygen concentration of 2000 ppm or less in the material. In addition, the thermoelectric material which concerns on this Embodiment means the thing which has a Fe-V-Al type Heusler compound as a main component and contains a small amount of other additives.

本実施の形態に係る熱電材料は、製造段階において熱電材料中の酸素濃度が2000ppm以下とすることにより、熱電材料の電気抵抗率を小さくし、高効率な熱電変換が可能となる。より詳細には、Fe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とする熱電材料では、熱電材料中の酸素濃度が2000ppmを境にZTの値が大きい値を示す。さらには、1500ppm以下であると、これよりも酸素濃度を低くしていってもZTの値はほぼ同じ値となるため1500ppm以下とすることがより好ましい。   In the thermoelectric material according to the present embodiment, when the oxygen concentration in the thermoelectric material is 2000 ppm or less in the manufacturing stage, the electric resistivity of the thermoelectric material is reduced, and highly efficient thermoelectric conversion is possible. More specifically, in a thermoelectric material having a Fe—V—Al-based Heusler compound as a main component, the oxygen concentration in the thermoelectric material shows a large value of ZT at a boundary of 2000 ppm. Furthermore, if the oxygen concentration is 1500 ppm or less, the ZT value is substantially the same even if the oxygen concentration is lower than this, and therefore it is more preferably 1500 ppm or less.

さらに、熱電材料中の窒素濃度が50ppm以下、硫黄濃度が50ppm以下とすることにより、同様に、高効率な熱電変換が可能となる。   Further, by setting the nitrogen concentration in the thermoelectric material to 50 ppm or less and the sulfur concentration to 50 ppm or less, high-efficiency thermoelectric conversion can be similarly performed.

次に、本実施の形態に係る熱電材料の製造方法について説明する。本発明の実施の形態に係る熱電材料の製造方法は、溶解工程と脱酸素処理工程と凝固工程とを備えている。   Next, a method for manufacturing a thermoelectric material according to the present embodiment will be described. The manufacturing method of the thermoelectric material which concerns on embodiment of this invention is equipped with the melt | dissolution process, the deoxygenation process, and the coagulation process.

溶解工程は、FeVAl基ホイスラー化合物が得られるように配合された原料混合物を溶解する工程である。
原料混合物は、単一の元素のみを含むものであってもよく、あるいは、2種以上の元素を含む合金、化合物であってもよい。また、各原料混合物は、所定の組成が得られるように、配合する。原料混合物を溶解する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、アーク溶解や高周波溶解、アルミナ坩堝を用いた真空誘導装置、コールドクルーシブル溶解装置等で溶解してもよい。また、原料混合物の溶解は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
The dissolution step is a step of dissolving the raw material mixture formulated so that an Fe 2 VAl-based Heusler compound can be obtained.
The raw material mixture may contain only a single element, or may be an alloy or compound containing two or more elements. Moreover, each raw material mixture is mix | blended so that a predetermined | prescribed composition may be obtained. The method for dissolving the raw material mixture is not particularly limited, and various methods can be used. For example, it may be melted by arc melting, high frequency melting, a vacuum induction device using an alumina crucible, a cold crucible melting device or the like. The raw material mixture is preferably dissolved in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.

脱酸素処理工程は、溶解工程で溶解された溶湯に脱酸素処理を行い、材料中の酸素濃度を低減させる工程である。脱酸素処理の方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、高周波溶解を用いて溶解工程を行った場合は、高周波炉内の圧力が1×10−1Pa以下になるまで真空に引き、純度99.999%以上のアルゴンガスを1×10〜1×10Paになるまで流し込む。この工程を繰り返し、炉内の空気を排出したところで、もう一度真空を引く。次に、炉内の温度を1500℃以上に保ち、水素ガスを流し続ける。これにより、材料中の酸素が水素と反応し、酸素濃度が低減される。なお、脱酸素処理に用いるガスは水素に限られるものではなく、還元性が強いものであればよい。例えば、アンモニアやヨウ化水素、一酸化炭素等である。 The deoxygenation process is a process of deoxygenating the molten metal melted in the melting process to reduce the oxygen concentration in the material. The method of deoxygenation treatment is not particularly limited, and various methods can be used. For example, when the melting step is performed using high frequency melting, vacuum is drawn until the pressure in the high frequency furnace becomes 1 × 10 −1 Pa or lower, and argon gas with a purity of 99.999% or higher is 1 × 10 2 to Pour until 1 × 10 6 Pa. This process is repeated, and when the air in the furnace is exhausted, a vacuum is drawn again. Next, the temperature in the furnace is kept at 1500 ° C. or higher, and hydrogen gas is kept flowing. Thereby, oxygen in the material reacts with hydrogen, and the oxygen concentration is reduced. Note that the gas used for the deoxygenation treatment is not limited to hydrogen, and any gas having a strong reducing property may be used. For example, ammonia, hydrogen iodide, carbon monoxide and the like.

脱硫黄処理工程とは、溶解工程で溶解された溶湯に脱硫黄処理を行い、材料中の硫黄濃度を低減させる工程である。脱硫黄処理の方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、高周波炉内を1500〜2000℃の高温に保ち、炉内にアンモニア分解ガスを流量1〜100リットル/分で流し込み、還元雰囲気中で硫黄濃度を低減する方法がある。なお、Arなどの不活性ガス雰囲気中でもよい。   The desulfurization treatment step is a step of performing a desulfurization treatment on the molten metal melted in the melting step to reduce the sulfur concentration in the material. The method for the desulfurization treatment is not particularly limited, and various methods can be used. For example, there is a method of reducing the sulfur concentration in a reducing atmosphere by keeping the inside of a high-frequency furnace at a high temperature of 1500 to 2000 ° C. and pouring ammonia decomposition gas into the furnace at a flow rate of 1 to 100 liters / minute. An inert gas atmosphere such as Ar may be used.

脱窒素処理工程とは、溶解工程で溶解された溶湯に脱窒素処理を行い、材料中の窒素濃度を低減させる工程である。脱窒素処理の方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、高周波炉内を1500℃以上に保ち、炉内にアンモニア分解ガスと水素ガスとの混合ガスを0<水素ガス/混合ガス≦1の関係になるように流量1〜100リットル/分で流し混み、窒素濃度を低減する方法がある。   The denitrogenation process is a process for reducing the nitrogen concentration in the material by performing denitrification on the molten metal melted in the melting process. The method for the denitrification treatment is not particularly limited, and various methods can be used. For example, the inside of a high-frequency furnace is kept at 1500 ° C. or higher, and a mixed gas of ammonia decomposition gas and hydrogen gas is flowed into the furnace at a flow rate of 1 to 100 liters / minute so that 0 <hydrogen gas / mixed gas ≦ 1. There is a method of reducing the crowded and nitrogen concentration.

凝固工程は、脱酸素処理工程を行った溶湯を凝固させる工程である。溶湯の凝固方法としては、溶解した炉内で徐冷する方法と別の方法で急冷する方法がある。特に、溶湯を急冷凝固させると、偏析の少ない均一な固溶体が得られる。急冷凝固の方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。例えば、坩堝内で原料を溶解させ、これを坩堝ごと冷媒中に入れる坩堝法でもよい。   The solidification step is a step of solidifying the molten metal that has been subjected to the deoxidation treatment step. As a method for solidifying molten metal, there are a method of slow cooling in a melted furnace and a method of rapid cooling by another method. In particular, when the molten metal is rapidly solidified, a uniform solid solution with little segregation can be obtained. The method of rapid solidification is not particularly limited, and various methods can be used. For example, a crucible method may be used in which a raw material is dissolved in a crucible and the whole crucible is placed in a refrigerant.

このような工程で製造された熱電材料は、酸素、硫黄、窒素の濃度を制御することによって、不純物の含有量を低減させることができる。なお、上記の工程は、溶解工程、脱酸素処理工程、凝固工程だけでもよく、脱酸素処理工程後、脱硫黄処理工程と脱窒素処理工程はどちらを先に行っても、どちらか一方だけでもよい。   The thermoelectric material manufactured in such a process can reduce the content of impurities by controlling the concentration of oxygen, sulfur, and nitrogen. In addition, said process may be only a dissolution process, a deoxygenation process, and a coagulation process. After a deoxygenation process, either a desulfurization process or a denitrogenation process may be performed first, or only one of them. Good.

次に、上記の方法で製造された本発明に係る熱電材料について、無次元性能指数ZTを算出するために行った特性調査について説明する。特性調査項目は、ゼーベック係数Z、電気抵抗率ρ、熱伝導度κ、酸素濃度、硫黄濃度、窒素濃度とした。   Next, a description will be given of a characteristic investigation conducted for calculating the dimensionless figure of merit ZT for the thermoelectric material according to the present invention manufactured by the above method. The characteristic investigation items were Seebeck coefficient Z, electrical resistivity ρ, thermal conductivity κ, oxygen concentration, sulfur concentration, and nitrogen concentration.

ゼーベック係数および電気抵抗率は、四端子法によりアルバック理工(株)製ZEM3を用いて測定した。   The Seebeck coefficient and the electrical resistivity were measured by using a TEM3 manufactured by ULVAC-RIKO Co., Ltd. by a four-terminal method.

熱伝導率κは、
κ=cδα (3)
の式により算出した。ここで、cは比熱、δは密度、αは熱拡散率である。比熱はDSC法により、エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製EXSTAR6000DSCを用い、密度はアルキメデス法により精密電子天秤を用い、熱拡散率はレーザーフラッシュ法によりアルバック理工(株)製TC−7000を用い、それぞれ測定した。
Thermal conductivity κ is
κ = cδα (3)
It was calculated by the following formula. Here, c is specific heat, δ is density, and α is thermal diffusivity. Specific heat is DSC method, using EXSTAR6000DSC manufactured by SII Nanotechnology, density is Archimedes method using precision electronic balance, thermal diffusivity is laser flash method, using ULTC Riko Co., Ltd. TC-7000, Each was measured.

この測定結果により、式(1)を用いて熱電変換性能を評価する指数である無次元性能指数ZTを算出した。   From this measurement result, a dimensionless figure of merit ZT, which is an index for evaluating the thermoelectric conversion performance, was calculated using equation (1).

上記の測定結果により前述の製造方法で製造された熱電材料は、不純物である酸素や硫黄、窒素の含有量が少なく、電気抵抗率の小さいものである。これにより、熱電変換性能が高くなり、ゼーベック係数を維持したままで、熱電変換効率の高い熱電材料を得ることができる。   The thermoelectric material manufactured by the above-described manufacturing method based on the above measurement results has a low content of impurities such as oxygen, sulfur, and nitrogen, and a low electrical resistivity. Thereby, thermoelectric conversion performance becomes high and it is possible to obtain a thermoelectric material having high thermoelectric conversion efficiency while maintaining the Seebeck coefficient.

以下、実施例に基づき本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to them.

(実施例)
純度3N(=0.999、以下同様)以上の高純度Feと純度3N以上の高純度Vと純度3N以上の高純度Alと、純度3N以上の1種類のその他の元素とを、表1に示す構成比率で秤量し、原料混合物を用意する。この原料混合物をAr雰囲気中でアーク溶解した後、冷却することによりインゴットを得た。
(Example)
Table 1 shows high purity Fe of purity 3N (= 0.999, the same applies hereinafter), high purity V of purity 3N or higher, high purity Al of purity 3N or higher, and one other element of purity 3N or higher. A raw material mixture is prepared by weighing at the composition ratio shown. This raw material mixture was arc-melted in an Ar atmosphere, and then cooled to obtain an ingot.

Figure 2010147283
Figure 2010147283

高周波炉内に、上記インゴットを入れてから炉内の圧力が1×10−1Pa以下になるまで真空を引く。そして、炉内に純度99.999%以上のArガスを1×10〜1×10Paになるまで流し込んでから、再び真空を引く。この後、同様に炉内にArガスを流し、真空を引く工程を2回繰り返し、炉内の空気を排出する。なお、炉内にArガスを流し、真空を引く工程は炉内の空気を排出できればよく、1回以上行えばよい。 After putting the ingot in the high frequency furnace, a vacuum is drawn until the pressure in the furnace becomes 1 × 10 −1 Pa or less. Then, Ar gas having a purity of 99.999% or more is poured into the furnace until it reaches 1 × 10 2 to 1 × 10 6 Pa, and then the vacuum is pulled again. Thereafter, similarly, Ar gas is allowed to flow into the furnace, and the process of drawing a vacuum is repeated twice to discharge the air in the furnace. In addition, the process of flowing Ar gas in the furnace and drawing the vacuum may be performed once or more as long as the air in the furnace can be discharged.

次に、炉内にアンモニア分解ガスを流量1〜100リットル/分で流し、大気圧に達したところで、炉内の温度を10℃/分のペースで1500℃まで昇温していく。そして、1500℃以上の状態を保ち、アンモニア分解ガスを流し続けることにより、材料中の酸素を水素によって還元する脱酸素処理を行う。   Next, ammonia decomposition gas is flowed into the furnace at a flow rate of 1 to 100 liters / minute, and when the atmospheric pressure is reached, the temperature in the furnace is raised to 1500 ° C. at a pace of 10 ° C./minute. Then, deoxygenation treatment is performed in which oxygen in the material is reduced by hydrogen by keeping the state of 1500 ° C. or higher and continuously flowing ammonia decomposition gas.

1500℃になった時間を脱酸素処理時間0分として、それ以後5分、7分、10分、16分、20分、30分、40分経過後について、熱電材料の特性調査を行った。調査項目は、酸素濃度、ゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導度とした。   The time at which the temperature reached 1500 ° C. was set to 0 minutes, and the characteristics of the thermoelectric material were investigated after 5 minutes, 7 minutes, 10 minutes, 16 minutes, 20 minutes, 30 minutes, and 40 minutes. The survey items were oxygen concentration, Seebeck coefficient, electrical resistivity, and thermal conductivity.

酸素濃度は、非分散赤外線吸収法により、(株)堀場製作所製EMGA−620Wを用いて測定した。   The oxygen concentration was measured using EMGA-620W manufactured by Horiba, Ltd. by a non-dispersive infrared absorption method.

表2〜4に、各熱電材料(サンプル1−1〜1−3)の酸素濃度、ゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導度の測定結果をそれぞれ示す。   Tables 2 to 4 show the measurement results of the oxygen concentration, Seebeck coefficient, electrical resistivity, and thermal conductivity of each thermoelectric material (samples 1-1 to 1-3), respectively.

Figure 2010147283
Figure 2010147283

Figure 2010147283
Figure 2010147283

Figure 2010147283
Figure 2010147283

サンプル1−1〜サンプル1−3は、表2〜4に示すように、酸素濃度の低減と共にZTは増加する傾向がある。これは、熱電材料中の不純物である酸素濃度が低くなり、電気抵抗率が小さくなっているためである。   In Samples 1-1 to 1-3, as shown in Tables 2 to 4, ZT tends to increase as the oxygen concentration decreases. This is because the oxygen concentration, which is an impurity in the thermoelectric material, is low and the electrical resistivity is low.

(実施例2)
純度3N以上の高純度Feと純度3N以上の高純度Vと純度3N以上の高純度Alと、純度3N以上の2種類以上のその他の元素とを、表5に示す構成比率で秤量し、原料混合物を用意する。この原料混合物をAr雰囲気中でアーク溶解した後、冷却することによりインゴットを得る。
(Example 2)
High purity Fe with a purity of 3N or more, High purity V with a purity of 3N or more, High purity Al with a purity of 3N or more, and two or more other elements with a purity of 3N or more are weighed in the composition ratios shown in Table 5, Prepare a mixture. This raw material mixture is arc-melted in an Ar atmosphere and then cooled to obtain an ingot.

Figure 2010147283
Figure 2010147283

高周波炉内に、上記熱電材料を入れ、実施例1と同様の工程で脱酸素処理工程を行い、1500℃になった時間を脱酸素処理時間0分として、それ以後10分、15分、30分経過後について、熱電材料の特性調査を行った。調査項目、測定方法共に、実施例1と同様とした。表6〜9に、各熱電材料(サンプル2−1〜2−4)の酸素濃度、ゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導度の測定結果をそれぞれ示す。   The thermoelectric material is placed in a high-frequency furnace, a deoxygenation process is performed in the same manner as in Example 1, and the time when the temperature reaches 1500 ° C. is set to 0 minutes, and thereafter, 10 minutes, 15 minutes, 30 After a minute, the characteristics of the thermoelectric material were investigated. The survey items and measurement method were both the same as in Example 1. Tables 6 to 9 show the measurement results of oxygen concentration, Seebeck coefficient, electrical resistivity, and thermal conductivity of each thermoelectric material (samples 2-1 to 2-4), respectively.

Figure 2010147283
Figure 2010147283

Figure 2010147283
Figure 2010147283

Figure 2010147283
Figure 2010147283

Figure 2010147283
Figure 2010147283

サンプル2−1〜サンプル2−4は、表6〜9に示すように、酸素濃度の低減と共にZTは増加する傾向がある。これは、実施例1と同様、熱電材料中の不純物である酸素濃度が低くなり、電気抵抗率が小さくなっているためである。   In Samples 2-1 to 2-4, as shown in Tables 6 to 9, ZT tends to increase as the oxygen concentration decreases. This is because, as in Example 1, the oxygen concentration, which is an impurity in the thermoelectric material, is low and the electrical resistivity is low.

(実施例3)
次に、表1および表5に示される各サンプルについて、脱酸素処理工程の後に、脱硫黄処理工程と脱窒素処理工程を行った。調査項目、測定方法共に、実施例1と同様とした。実施例1と比較し、ZTの値が大きくなったものを「○」、小さくなったものを「×」とした。表10にその結果を示す。
(Example 3)
Next, for each sample shown in Table 1 and Table 5, a desulfurization treatment step and a denitrogenation treatment step were performed after the deoxygenation treatment step. The survey items and measurement method were both the same as in Example 1. Compared with Example 1, the case where the value of ZT was large was “◯”, and the case where it was small was “X”. Table 10 shows the results.

Figure 2010147283
Figure 2010147283

図1〜図3に各サンプル毎の酸素濃度とZTの関係を示した。図1はサンプル1−1について、図2はサンプル1−2、サンプル1−3およびサンプル2−1について、図3はサンプル2−2、サンプル2−3およびサンプル3−1について、それぞれ示している。
図1〜図3のグラフにおいて、材料中の酸素濃度が2000ppm以下になったとき、ZTの増加率が大きくなった。つまり、材料の構成比に係りなくなくFe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とする熱電材料であれば、酸素濃度を2000ppm以下にすることにより、熱電変換効率が著しく向上する傾向がみられる。なお、図1に示すサンプル1−1に関しては、酸素濃度が2000ppmを境に酸素濃度が少ない側でZTが大きな値を示すが、2000ppm以下にするとさらにZTの値は増加しており、酸素濃度を1500ppmより低減していっても大きな変化は見られない。
1 to 3 show the relationship between the oxygen concentration and ZT for each sample. 1 shows sample 1-1, FIG. 2 shows sample 1-2, sample 1-3 and sample 2-1, and FIG. 3 shows sample 2-2, sample 2-3 and sample 3-1. Yes.
In the graphs of FIGS. 1 to 3, when the oxygen concentration in the material was 2000 ppm or less, the increase rate of ZT increased. In other words, regardless of the composition ratio of the material, if it is a thermoelectric material mainly composed of a Fe-V-Al-based Heusler compound, the thermoelectric conversion efficiency tends to be remarkably improved by setting the oxygen concentration to 2000 ppm or less. It is done. In addition, regarding the sample 1-1 shown in FIG. 1, the ZT shows a large value on the side where the oxygen concentration is low at the boundary of the oxygen concentration of 2000 ppm. Even if it is reduced from 1500 ppm, no significant change is observed.

酸素濃度とZTの関係を示すグラフ1。Graph 1 showing the relationship between oxygen concentration and ZT. 酸素濃度とZTの関係を示すグラフ2。Graph 2 showing the relationship between oxygen concentration and ZT. 酸素濃度とZTの関係を示すグラフ3。Graph 3 showing the relationship between oxygen concentration and ZT.

Claims (3)

Fe−V−Al系のホイスラー化合物を主成分とする熱電材料であって、材料中の酸素濃度が2000ppm以下であることを特徴とする熱電材料。   A thermoelectric material comprising a Fe-V-Al-based Heusler compound as a main component, wherein the oxygen concentration in the material is 2000 ppm or less. 前記熱電材料中の硫黄濃度が50ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1, wherein a sulfur concentration in the thermoelectric material is 50 ppm or less. 前記熱電材料中の窒素濃度が50ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1, wherein a nitrogen concentration in the thermoelectric material is 50 ppm or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011119545A (en) * 2009-12-04 2011-06-16 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Inter-metal compound thermoelectric conversion material containing oxygen, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module
JP2013102002A (en) * 2011-11-07 2013-05-23 Daido Steel Co Ltd Heusler type iron-based thermoelectric material, and method of manufacturing the same
JP2017085068A (en) * 2015-10-30 2017-05-18 章道 中條 Thermoelectric power generation system generating power by converting thermal energy into electrical energy

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