JP2022143990A - thermoelectric conversion material - Google Patents

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洋一 西野
Yoichi Nishino
秀俊 宮崎
Hidetoshi Miyazaki
拓也 藤本
Takuya Fujimoto
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Abstract

To put a thermoelectric conversion material into practical use in a temperature range of 400 to 900K, and to provide a thermoelectric conversion material having a large Seebeck coefficient in the temperature range.SOLUTION: In a p-type controlled thermoelectric conversion material, in a basic structure of Ru2TiD, which has a Heusler alloy-type crystal structure and a total number of valence electrons per chemical formula of 24, an element D is at least one of Si and Ge, or in an n-type controlled thermoelectric conversion material, in a basic structure of Ru2TiSi, the other element M substituted for Ti is at least one of V, Nb, and Ta, and the substitution amount of the element M is adjusted within the range of 0<α<0.5 that satisfies the general formula Ru2(Ti 1-αMα)D.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、熱電変換材料に関する。 The present invention relates to thermoelectric conversion materials.

熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電変換素子が知られている。熱電変換素子は、p型およびn型の二種類の熱電変換材料から構成されており、この二種類の熱電変換材料を電気的に直列に接続し、熱的に並列に配置した構成とされる。熱電変換素子は、両端子間に電圧を印加すれば、正孔および電子の移動が起こり両面間に温度差が発生する(ペルチェ効果)。一方、熱電変換素子は、両面間に温度差を与えれば、同じく正孔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)。このため、熱電変換素子を冷蔵庫やカーエアコン等の冷却用の素子として用いており、またごみ焼却炉から生ずる排熱を利用した発電用の素子として使用されている。 Thermoelectric conversion elements capable of interconverting thermal energy and electrical energy are known. A thermoelectric conversion element is composed of two types of thermoelectric conversion materials, p-type and n-type, and is configured such that the two types of thermoelectric conversion materials are electrically connected in series and thermally arranged in parallel. . When a voltage is applied between both terminals of a thermoelectric conversion element, holes and electrons move and a temperature difference occurs between both surfaces (Peltier effect). On the other hand, in a thermoelectric conversion element, when a temperature difference is applied between both surfaces, holes and electrons similarly move, generating an electromotive force between both terminals (Seebeck effect). For this reason, thermoelectric conversion elements are used as elements for cooling refrigerators, car air conditioners, etc., and as elements for power generation utilizing waste heat generated from refuse incinerators.

従来、熱電変換素子を構成する熱電変換材料として、金属間化合物が知られ、その中でもBiTeを主成分とする熱電変換材料が大きなゼーベック係数を有することにより古くから知られているが、難加工性であること、また有毒元素を含むという欠点を有している。そのため、これら欠点を補うため、ホイスラー合金型結晶構造を有するFeVAl系の金属間化合物の開発が行われている。このFeVAl系熱電変換材料に関して、FeVAlを構成する一元素の少なくとも一部を他元素で置換することにより、室温あるいは室温よりやや高い、300~400Kでのゼーベック係数の絶対値が大きくなることが開示されている(特許文献1)。 Conventionally, intermetallic compounds have been known as thermoelectric conversion materials constituting thermoelectric conversion elements. Among them, thermoelectric conversion materials containing Bi 2 Te 3 as a main component have long been known for their large Seebeck coefficients. It has the drawback of being difficult to process and containing toxic elements. Therefore, in order to compensate for these drawbacks, Fe 2 VAl-based intermetallic compounds having a Heusler alloy type crystal structure have been developed. In this Fe 2 VAl-based thermoelectric conversion material, by substituting at least part of one element constituting Fe 2 VAl with another element, the Seebeck coefficient at room temperature or slightly higher than room temperature, 300 to 400 K, has a large absolute value. (Patent Document 1).

そして、被置換元素と置換元素の組み合わせにより総価電子数を変化させ、ゼーベック係数の符号を変える、すなわち、p型またはn型に制御することができるとしている。また、数多くの被置換元素と置換元素の組み合わせが可能であり、具体的には、FeをPtあるいはCoで置換、VをMoあるいはTiで置換、AlをSi,Ge、あるいはSnで置換することが開示されている。より具体的には、AlをSiあるいはGeにて置換してゼーベック係数が正から負に変化し、その絶対値が大きくなっている。また、VをTiで置換しても、ゼーベック係数は正のままであるが、Moで置換するとゼーベック係数は正から負に変化し、その絶対値は大きくなっている。 Then, it is possible to change the total number of valence electrons and change the sign of the Seebeck coefficient, that is, control to p-type or n-type by combining the element to be substituted and the substituting element. In addition, many combinations of elements to be substituted and substituting elements are possible. Specifically, substitution of Fe with Pt or Co, substitution of V with Mo or Ti, and substitution of Al with Si, Ge, or Sn are possible. is disclosed. More specifically, by substituting Si or Ge for Al, the Seebeck coefficient changes from positive to negative, and its absolute value increases. The Seebeck coefficient remains positive even when V is replaced with Ti, but when it is replaced with Mo, the Seebeck coefficient changes from positive to negative, and its absolute value increases.

さらに、FeVAl系において、前記特許文献1と同様な元素置換により、熱電性能指数を決めるゼーベック係数以外の因子である熱伝導率あるいは電気抵抗率を室温で測定している。元素置換により熱伝導率および電気抵抗率が小さくなり、結果として室温付近での性能指数が大きくなることが開示されている(特許文献2)。 Furthermore, in the Fe 2 VAl system, the same element substitution as in Patent Document 1 is used to measure the thermal conductivity or electrical resistivity, which are factors other than the Seebeck coefficient that determines the thermoelectric figure of merit, at room temperature. It is disclosed that element substitution reduces the thermal conductivity and electrical resistivity, resulting in an increase in the figure of merit near room temperature (Patent Document 2).

一方、同じくFeVAl系において、AlをGaあるいはBで置換し、さらに化学量論組成からシフトさせた実施例につき、室温付近でのゼーベック係数、熱伝導率を開示している(特許文献3)。 On the other hand, similarly in the Fe 2 VAl system, the Seebeck coefficient and thermal conductivity near room temperature are disclosed for examples in which Al is replaced with Ga or B and the composition is shifted from the stoichiometric composition (Patent Document 3 ).

しかし、上記特許文献1~3では、室温より高い、すなわち400~900Kの中高温度域でのゼーベック係数、電気抵抗率等は開示されていない。そして、室温より高い温度で測定がなされている文献1においても、ゼーベック係数のピークは300~400Kであり、またピーク温度が高くなる可能性があるものの絶対値は小さい。以上より、400~900Kの温度域で大きなゼーベック係数を得ることが困難であった。さらに、FeVAl系においてはn型に比べてp型のゼーベック係数が極めて小さいという問題があった。 However, Patent Documents 1 to 3 above do not disclose the Seebeck coefficient, electrical resistivity, etc. in a medium to high temperature range of 400 to 900K, which is higher than room temperature. Also in Document 1, in which measurements are made at temperatures higher than room temperature, the peak of the Seebeck coefficient is 300 to 400 K, and although the peak temperature may be higher, the absolute value is small. As described above, it was difficult to obtain a large Seebeck coefficient in the temperature range of 400 to 900K. Furthermore, in the Fe 2 VAl system, there is a problem that the p-type Seebeck coefficient is extremely small compared to the n-type.

特許第4035572号公報Japanese Patent No. 4035572 特開2004-253618公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-253618 特開2004-119647公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-119647

本発明の課題は、400~900Kの温度域で熱電変換材料を実用化することを目的とし、その温度域でゼーベック係数の大きく、かつ電気抵抗率の小さい熱電変換材料を提供することである。 An object of the present invention is to put a thermoelectric conversion material into practical use in the temperature range of 400 to 900 K, and to provide a thermoelectric conversion material with a large Seebeck coefficient and a small electrical resistivity in that temperature range.

本発明者らは、基本組成RuTiSiならびにRuTiGeの熱電変換材料において、Tiの一部をほかの元素にて置換することにより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱電変換材料が提供される。 The present inventors have found that the above problems can be solved by substituting a part of Ti with another element in thermoelectric conversion materials having basic compositions of Ru 2 TiSi and Ru 2 TiGe. That is, according to the present invention, the following thermoelectric conversion material is provided.

[1] ホイスラー合金型の結晶構造をもつRuTiDの基本構造に対して、元素DがSi及びGeの少なくとも1種であることを特徴とする。 [1] The basic structure of Ru 2 TiD having a Heusler alloy type crystal structure is characterized in that the element D is at least one of Si and Ge.

[2] ホイスラー合金型の結晶構造をもつRuTiSiの基本構造に対して、Tiに替えて置換する他の元素NがV、Nb及びTaの少なくとも1種であり、元素Nの置換量が一般式Ru(Ti1-αα)Siを満たす0<α<0.5の範囲内で調整されることでn型に制御されていることを特徴とする。 [2] With respect to the basic structure of Ru 2 TiSi having a Heusler alloy type crystal structure, another element N substituted for Ti is at least one of V, Nb and Ta, and the substitution amount of the element N is It is characterized in that it is controlled to be n-type by adjusting within the range of 0<α<0.5 that satisfies the general formula Ru 2 (Ti 1-α N α )Si.

[3] ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が400K以上である前記[1]または[2]に記載の熱電変換材料である。 [3] The thermoelectric conversion material according to [1] or [2], wherein the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is 400 K or higher.

本発明によれば、400~900Kの温度域でゼーベック係数が大きく、かつ電気抵抗率が小さい熱電変換材料を提供することができる。これにより、特に900K以下の排熱を利用した発電用の熱電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric conversion material having a large Seebeck coefficient and a small electrical resistivity in the temperature range of 400 to 900K. As a result, it is possible to provide a thermoelectric conversion element for power generation using exhaust heat of 900 K or less.

本発明のp型及びn型の熱電変換材料の各X線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows each X-ray-diffraction pattern of the p-type and n-type thermoelectric conversion materials of this invention. 本発明のp型及びn型の熱電変換材料の各ゼーベック係数の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing temperature dependence of Seebeck coefficients of p-type and n-type thermoelectric conversion materials of the present invention. 本発明のp型及びn型の熱電変換材料の各電気抵抗率の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each electrical resistivity of p-type and n-type thermoelectric conversion materials of the present invention. 本発明のp型及びn型の熱電変換材料の各熱伝導率の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each thermal conductivity of p-type and n-type thermoelectric conversion materials of the present invention. 本発明のp型及びn型の熱電変換材料の各性能指数の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each figure of merit of p-type and n-type thermoelectric conversion materials of the present invention. 本発明のp型の熱電変換材料の各出力因子の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each output factor of the p-type thermoelectric conversion material of the present invention; 本発明のn型の熱電変換材料の各出力因子の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each output factor of the n-type thermoelectric conversion material of the present invention; 本発明のp型の熱電変換材料と比較例のp型の熱電変換材料Fe0.69Ti0.34Ta0.05Al0.92の各性能指数の温度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of each figure of merit of the p-type thermoelectric conversion material of the present invention and the p-type thermoelectric conversion material Fe 2 V 0.69 Ti 0.34 Ta 0.05 Al 0.92 of the comparative example. . 本発明のn型の熱電変換材料と比較例のn型の熱電変換材料Fe0.98Ta0.10Al0.92の各性能指数の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of each figure of merit of the n-type thermoelectric conversion material of the present invention and the n-type thermoelectric conversion material Fe 2 V 0.98 Ta 0.10 Al 0.92 of the comparative example. 比較例のp型の熱電変換材料の各出力因子の温度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing temperature dependence of each output factor of a p-type thermoelectric conversion material of a comparative example; 比較例のn型の熱電変換材料の各出力因子の温度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing temperature dependence of each output factor of an n-type thermoelectric conversion material of a comparative example;

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

本発明の熱電変換材料は以下のようにして製造される。この製造方法は、上記熱電変換材料を製造可能な元素構成比率を有する原料混合物を用意する第1工程と、該原料混合物を真空中又は不活性ガス中にて溶融または気化した後、固化して熱電変換材料を得る第2工程とを有する。 The thermoelectric conversion material of the present invention is manufactured as follows. This production method includes a first step of preparing a raw material mixture having an elemental composition ratio that allows production of the thermoelectric conversion material, and melting or vaporizing the raw material mixture in a vacuum or in an inert gas, and then solidifying it. and a second step of obtaining a thermoelectric conversion material.

第2工程としては、例えば、原料混合物を真空中あるいは不活性ガス中においてアーク溶融または鋳造法等により溶融し、固化することによりインゴットを作製する。このインゴットのまま熱電変換材料とすることもできるが、このインゴットを不活性ガスあるいは窒素ガス雰囲気中で機械的に粉砕する方法、溶湯アトマイズあるいはガスアトマイズによる方法、さらにはメカニカルアロイングという不活性ガスあるいは窒素ガス雰囲気中で原料混合物の圧着と破断を繰り返す方法等により、ほぼ均一粒径の紛体を得る。そして、このようにして得られた紛体をホットプレス法、HIP法(熱間静水圧成形法)、放電プラズマ焼結法、あるいはパルス通電法等により、焼結することができる。例えば、パルス通電法により紛体を焼結する場合、例えば、1600℃で50MPaの一軸加圧にて焼結を進行させ、ほぼ真密度で固化を行うことができる。また、p型あるいはn型の熱電変換材料を可及的に小さな結晶粒とするために、熱間圧延等の歪加工を行う、あるいは溶融した原料を急冷すること、等の方法が適宜採用される。 In the second step, for example, the raw material mixture is melted by arc melting or casting in vacuum or inert gas, and then solidified to produce an ingot. Although this ingot can be used as a thermoelectric conversion material as it is, a method of mechanically pulverizing this ingot in an inert gas or nitrogen gas atmosphere, a method of molten metal atomization or gas atomization, and an inert gas or mechanical alloying method. A powder having a substantially uniform grain size is obtained by a method such as repeating crimping and breaking of the raw material mixture in a nitrogen gas atmosphere. The powder thus obtained can be sintered by a hot press method, a HIP method (hot isostatic pressing method), a discharge plasma sintering method, a pulse energization method, or the like. For example, when the powder is sintered by the pulse energization method, the sintering proceeds under a uniaxial pressure of 50 MPa at 1600° C., and solidification can be performed at substantially true density. In addition, in order to make the p-type or n-type thermoelectric conversion material as small as possible, a method such as performing strain processing such as hot rolling or quenching the molten raw material is appropriately adopted. be.

そして、原料混合物を溶融固化した後、粉砕して得られた粉末をX線回折法によりX線回折測定を行う。一方、前記粉砕して得られた粉末をパルス通電法等により焼結し、さらに切断等を行い、電気抵抗率の測定、ゼーベック係数の測定、熱伝導率の測定を各々所定のサイズにて行う。 Then, after the raw material mixture is melted and solidified, the powder obtained by pulverizing is subjected to X-ray diffraction measurement by the X-ray diffraction method. On the other hand, the powder obtained by the pulverization is sintered by a pulse energization method or the like, and then cut, etc., and the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity are measured in predetermined sizes. .

本発明のRuTiSi系の熱電変換材料は、Ruに対するTiとSiの配合率を化学量論組成とする熱電変換材料であって、p型に制御された熱電変換材料である。さら本発明のp型に制御された熱電変換材料はそのゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度は600K以上であることが好ましい。 The Ru 2 TiSi-based thermoelectric conversion material of the present invention is a thermoelectric conversion material having a stoichiometric composition of Ti and Si with respect to Ru, and is a thermoelectric conversion material controlled to be p-type. Further, the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks in the p-type thermoelectric conversion material of the present invention is preferably 600K or higher.

また、本発明のRuTiSi系の熱電変換材料は、Ruに対するTiとSiの配合率を化学量論組成とし、かつTiの一部をN=V、NbまたはTaにて置換した一般式Ru(Ti1-αα)Siを満たす熱電変換材料であって、0≦α≦0.30であり、n型に制御された熱電変換材料である。さらに本発明のn型に制御された熱電変換材料はそのゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度は600K以上であることが好ましい。 In addition, the Ru 2 TiSi-based thermoelectric conversion material of the present invention has the general formula Ru 2 (Ti 1-α N α ) A thermoelectric conversion material that satisfies Si, satisfies 0≦α≦0.30, and is controlled to be n-type. Furthermore, in the thermoelectric conversion material of the present invention controlled to n-type, the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is preferably 600K or higher.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例)
化学量論組成のRuTiSiについて熱電変換特性を調べた。純度99,98質量%のルテニウム(Ru)、同99.9質量%のチタン(Ti)及び同99.99質量%のシリコン(Si)を前記組成になるように計量し、さらに混合して原料混合物を得た。一方、n型の組成Ru(Ti1-αTaα)Siについても、上記原料に加えて純度99.99質量%のタンタル(Ta)を混合して、α=0.03、0.06、0.12、0.20とした材料の混合物を得た。
(Example)
Thermoelectric conversion characteristics were investigated for Ru 2 TiSi having a stoichiometric composition. Ruthenium (Ru) with a purity of 99.98% by mass, titanium (Ti) with a purity of 99.9% by mass, and silicon (Si) with a purity of 99.99% by mass are weighed so as to have the above composition, and further mixed to obtain a raw material. A mixture was obtained. On the other hand, for the n-type composition Ru 2 (Ti 1-α Ta α )Si, α=0.03, 0.06 by mixing tantalum (Ta) with a purity of 99.99% by mass in addition to the above raw materials. , 0.12, 0.20.

次に、この原料混合物をアルゴン雰囲気下でアーク溶解してボタン状のインゴットを作製した。均質なインゴットを得るため、前記インゴットを再溶解し、均質なインゴットを得た。溶解前後での質量変化は0.1%以下であり、溶解による質量変化は無視できる程度と仮定した。 Next, this raw material mixture was arc-melted in an argon atmosphere to produce a button-shaped ingot. To obtain a homogenous ingot, the ingot was remelted to obtain a homogenous ingot. The change in mass before and after dissolution was 0.1% or less, and it was assumed that the change in mass due to dissolution was negligible.

その後、このインゴットを5×10-3Pa以下の高真空中において、1273Kで48時間の均質化処理を行った後、短冊状、粉末、およびブロック形状の各測定形状に加工した。その後、真空中で1273K×1時間の歪除去処理を行った。このようにして熱電変換材料を得た。 Thereafter, this ingot was homogenized in a high vacuum of 5×10 −3 Pa or less at 1273 K for 48 hours, and then processed into strips, powders, and blocks for measurement. After that, strain removal treatment was performed in vacuum at 1273K for 1 hour. Thus, a thermoelectric conversion material was obtained.

<評価>
(1)X線回折測定
得られた実施例の熱電変換材料を紛末とし、粉末X線回折法によってX線回折測定を行った。この結果を図1に示す。XRDパターンより、D0(L2)単相により構成され、ホイスラー合金型の結晶構造を有していることを確認した。さらに、蛍光X線分析から、不純物が存在せず、ほぼ目的組成であることも確認した。
<evaluation>
(1) X-ray diffraction measurement Using the obtained thermoelectric conversion material of the example as a powder, X-ray diffraction measurement was performed by a powder X-ray diffraction method. The results are shown in FIG. From the XRD pattern, it was confirmed that it was composed of a D0 3 (L2 1 ) single phase and had a Heusler alloy type crystal structure. Furthermore, it was confirmed from the fluorescent X-ray analysis that impurities were not present and that the composition was substantially the target composition.

(2)ゼーベック係数の測定
実施例の熱電変換材料のインゴットをダイシングソーにて切断し、2.5mm×2.5mm×10mmの角柱状の試験片を得た。そして、ULVAC-RIKO社製ZEM-3を用いてゼーベック係数を300~1000Kで測定した。p型のRuTiSi(α=0)およびn型のRu(Ti1-αTaα)Siのゼーベック係数の温度変化を図2に示す。p型材料のゼーベック係数は700Kで正のピークを示しており、190μV/Kに達している。一方、n型材料は600K~900K付近で負のピークを示しており、-160μV/Kに達している。
(2) Measurement of Seebeck Coefficient An ingot of the thermoelectric conversion material of Example was cut with a dicing saw to obtain a prismatic test piece of 2.5 mm×2.5 mm×10 mm. Then, the Seebeck coefficient was measured at 300 to 1000K using ZEM-3 manufactured by ULVAC-RIKO. FIG. 2 shows the temperature variation of the Seebeck coefficient of p-type Ru 2 TiSi (α=0) and n-type Ru 2 (Ti 1-α Ta α )Si. The Seebeck coefficient of the p-type material shows a positive peak at 700K, reaching 190 μV/K. On the other hand, the n-type material shows a negative peak around 600K to 900K, reaching -160 μV/K.

(3)電気抵抗率(比抵抗)の測定
実施例の熱電変換材料について、ULVAC-RIKO社製ZEM-3を用いて電気抵抗率を300~1000Kで測定した。p型のRuTiSi(α=0)およびn型のRu(Ti1-αTaα)Siの電気抵抗率の温度変化を図3に示す。p型材料の電気抵抗率は600Kでピークを示しており、840μΩcmに達している。一方、n型材料の電気抵抗率のピークは800K~1000Kであり、αが大きくなるほどピークが高温側にシフトする傾向があるが、電気抵抗率のピーク値が低下している。
(3) Measurement of electrical resistivity (specific resistance) The electrical resistivity of the thermoelectric conversion materials of Examples was measured at 300 to 1000K using ZEM-3 manufactured by ULVAC-RIKO. FIG. 3 shows the temperature variation of the electrical resistivity of p-type Ru 2 TiSi (α=0) and n-type Ru 2 (Ti 1 -α Ta α )Si. The electrical resistivity of the p-type material peaks at 600K and reaches 840 μΩcm. On the other hand, the peak of the electrical resistivity of the n-type material is 800K to 1000K, and the peak tends to shift to the high temperature side as α increases, but the peak value of the electrical resistivity decreases.

(4)熱伝導率の測定
実施例のp型およびn型の熱電変換材料の焼結体を放電加工にて切断し、10mmφ×1mmの円板状の試験片を得た。そして、LINSEIS製LFA1000を用いて、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。その結果を各々図4に示す。p型のRuTiSi(α=0)の熱伝導率は300Kで20W/mKを示すが、温度上昇とともに急激に低下していく。一方、n型のRu(Ti1-αTaα)Siではαが大きくなると熱伝導率は大幅に減少しており、α=0.20では約5W/mKに達しており、ほとんど温度変化が見られなくなる。
(4) Measurement of Thermal Conductivity Sintered bodies of p-type and n-type thermoelectric conversion materials of Examples were cut by electrical discharge machining to obtain disc-shaped test pieces of 10 mmφ×1 mm. Then, the thermal conductivity was measured by the laser flash method using LFA1000 manufactured by LINSEIS. The results are shown in FIG. 4, respectively. The thermal conductivity of p-type Ru 2 TiSi (α=0) is 20 W/mK at 300 K, but decreases sharply as the temperature rises. On the other hand, in n-type Ru 2 (Ti 1-α Ta α )Si, the thermal conductivity decreases significantly as α increases, reaching approximately 5 W/mK at α = 0.20, and almost no change in temperature. is no longer visible.

以上のゼーベック係数測定、電気抵抗率測定、および熱伝導率測定より、無次元熱電性能指数((ゼーベック係数)×温度/電気抵抗率×熱伝導率))を求めた結果を図5に示す。p型のRuTiSi(α=0)の無次元性能指数は温度上昇とともに急激に増加しており、1000Kで0.4に達していることが判る。一方、n型のRu(Ti1-αTaα)SiではTa置換によって熱伝導率が大幅に低減したために、無次元性能指数は900Kで0.4を示している。この結果より、p型、n型ともに従来のFeVAl系よりも高温域の性能指数が格段に優れていることが判る。 FIG. 5 shows the result of obtaining a dimensionless thermoelectric figure of merit ((Seebeck coefficient) 2 × temperature/electrical resistivity × thermal conductivity) from the above Seebeck coefficient measurements, electrical resistivity measurements, and thermal conductivity measurements. . It can be seen that the dimensionless figure of merit of p-type Ru 2 TiSi (α=0) rapidly increases with increasing temperature and reaches 0.4 at 1000K. On the other hand, n-type Ru 2 (Ti 1 -α Ta α )Si exhibits a dimensionless figure of merit of 0.4 at 900K because the thermal conductivity is greatly reduced by Ta substitution. From this result, it can be seen that both the p-type and the n-type are remarkably superior to the conventional Fe 2 VAl system in the figure of merit in the high temperature range.

(比較試験)
熱電変換材料を評価する指数として、出力因子((ゼーベック係数)/電気抵抗率)が挙げられる。実施例のp型熱電変換材料としてRuTiSi及びRuTiGeについて出力因子の温度依存性を求めた。この結果を図6に示す。いずれも400K~900Kの温度域で高い出力因子を示していることが判る。この結果は、FeVAl系だけでなく、環境調和型として知られているp型のハーフホイスラー合金及びマンガンケイ化物系熱電変換材料よりも出力因子が優れていることが判る。したがって、実施例の熱電変換材料によれば、従来の熱電変換材料と比べ、400~900Kの中高温域においてもより良好な発電効率を発揮可能である。
(comparison test)
As an index for evaluating a thermoelectric conversion material, there is an output factor ((Seebeck coefficient) 2 /electrical resistivity). The temperature dependence of the power factor was determined for Ru 2 TiSi and Ru 2 TiGe as the p-type thermoelectric conversion materials of Examples. The results are shown in FIG. It can be seen that both exhibit a high output factor in the temperature range of 400K to 900K. This result shows that the output factor is superior not only to the Fe 2 VAl system, but also to the p-type half-Heusler alloy and the manganese silicide system thermoelectric conversion material, which are known as environmentally friendly types. Therefore, according to the thermoelectric conversion materials of the examples, it is possible to exhibit better power generation efficiency even in the medium to high temperature range of 400 to 900K compared to the conventional thermoelectric conversion materials.

(比較試験)
実施例のn型熱電変換材料としてRu(Ti1-αNbα)Si(α=0.12)及びRu(Ti1-αTaα)Si(α=0.20)について出力因子の温度依存性を求めた。この結果を図7に示す。p型に比較して出力因子は低くなっているが、600K以上の高温域では従来のFeVAl系よりも出力因子は大きくなっており、高温域においてより良好な発電効率を発揮可能である。
(comparison test)
The output factor of Ru 2 (Ti 1-α Nb α )Si (α=0.12) and Ru 2 (Ti 1-α Ta α )Si (α=0.20) as n-type thermoelectric conversion materials of Examples Temperature dependence was obtained. The results are shown in FIG. Although the output factor is lower than that of the p-type, it is larger than the conventional Fe 2 VAl system in the high temperature range of 600 K or higher, and can exhibit better power generation efficiency in the high temperature range. .

図8から、FeVAl系でp型では500Kで無次元性能指数ZT=0.18程度であって、高温では性能が低下していることが判る。それに対してRu系では2倍以上高いことが判る。一方、図9からn型ではFeVAl系にHPT加工という特殊の処理をすると、400KでZT=0.3程度まで上昇する。これは、現時点でFeVAl系の最高性能であるが、600K以上の高温ではRu系の性能が1.4倍ほど高くなっている。 From FIG. 8, it can be seen that the Fe 2 VAl-based p-type has a dimensionless figure of merit ZT of about 0.18 at 500 K, and the performance is degraded at high temperatures. On the other hand, it can be seen that the Ru system is more than twice as high. On the other hand, as shown in FIG. 9, when the Fe 2 VAl system is subjected to a special treatment called HPT processing, the ZT of the n-type increases to about 0.3 at 400K. This is the highest performance of the Fe 2 VAl system at present, but at high temperatures of 600K or higher, the performance of the Ru system is about 1.4 times higher.

図10、11に示したように、p型のハーフホイスラー合金Zr0.5Hf0.5CoSb0.8Sn0.2では673Kで出力因子は2.8×10-3W/mK、マンガンケイ化物Mn0.980.02Siでは700Kで2.26×10-3W/mKであること判る。 As shown in FIGS. 10 and 11, the p-type half-Heusler alloy Zr 0.5 Hf 0.5 CoSb 0.8 Sn 0.2 has an output factor of 2.8×10 −3 W/mK 2 at 673 K, It is found to be 2.26×10 −3 W/mK 2 at 700K for manganese silicide Mn 0.98 V 0.02 Si.

本発明の材料は、熱電変換素子、特に400~900Kの温度域で排熱を利用して発電する発電素子に利用することができる。

INDUSTRIAL APPLICABILITY The material of the present invention can be used for thermoelectric conversion elements, particularly power generating elements that generate electricity using exhaust heat in the temperature range of 400 to 900K.

Claims (2)

ホイスラー合金型の結晶構造をもつRuTiDの基本構造に対して、元素DがSi及びGeの少なくとも1種であることを特徴とするp型熱電変換材料。 A p-type thermoelectric conversion material characterized in that element D is at least one of Si and Ge in a basic structure of Ru 2 TiD having a Heusler alloy type crystal structure. ホイスラー合金型の結晶構造をもつRuTiSiの基本構造に対して、Tiに替えて置換する他の元素MがV、Nb及びTaの少なくとも1種であり、元素Mの置換量が一般式Ru(Ti1-αα)Dを満たす0<α<0.5の範囲内で調整されることでn型に制御されていることを特徴とする熱電変換材料。

With respect to the basic structure of Ru 2 TiSi having a Heusler alloy type crystal structure, another element M substituted for Ti is at least one of V, Nb and Ta, and the substitution amount of the element M is given by the general formula Ru 2. A thermoelectric conversion material characterized in that it is controlled to be n-type by adjusting within a range of 0<α<0.5 that satisfies (Ti 1-α M α )D.

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