JP6708339B2 - 熱電変換素子、熱電変換モジュール - Google Patents
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Description
(1)積層構造体形成工程は、熱電変換材料1と電極材料2a、2bとが積層された積層構造体を形成する工程である。積層構造体形成工程の実施方法としては、特に制限はなく、例えば、ペレット状に固めた熱電変換材料の上下両側に粉末状、箔状、板状等の電極材料を配する方法が挙げられる。なお、積層構造体形成工程の実施に際し、事前に熱電変換材料1を適当な加熱温度でアニール処理を行ってもよい。
先ず、出発原料であるPb(7.4108g)、Te(4.5552g)、PbI2(0.033g)を石英管の中に真空封入し、1050℃で溶融させて、組成がPbTe0.996I0.004のN型熱電変換材料の多結晶試料約12gを得た。なお、得られた多結晶試料の結晶構造は粉末X線回折により同定し、PbTe単相であることを確認した。次いで、グラファイト製の内径10mmの円柱状の型の中にて、得られたN型PbTe系熱電変換材料の粉末を、N型PbTe系熱電変換材料の融点より十分に高い融点(1000℃以上)を有し、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高い20(%)Fe-80(%)Co粉末で両側から挟むように積層して、真空中(10-3Pa)、500℃、30MPa圧力印加、1時間保持の条件下で焼結操作を行った。ここで、20(%)Fe-80(%)Co粉末の混合には、メカニカルアロイング法を用いた。以上の結果、組成がPbTe0.996I0.004、厚さ1.5〜2.2mmのN型熱電変換材料を、20(%)Fe-80(%)Coから成る厚さ0.3〜0.5mmの電極材料で挟持したN熱電変換素子を得た。
出発原料であるPb(6.066g)、Te(3.891g)、Na(0.028g)、Mg(0.015g)を石英管の中に真空封入し、1050℃で溶融させて、組成がPb0.94Na0.04Mg0.02TeのP型PbTe系熱電変換材料の多結晶試料約10gを得た。なお、得られた多結晶試料の結晶構造は、粉末X線回折により同定し、PbTe単相であることを確認した。次いで、グラファイト製の内径10mmの円柱状の型の中にて、得られたP型PbTe系熱電変換材料の粉末を、Fe粉末で両側から挟むように積層して、真空中(10-3Pa)、500℃、30MPa圧力印加、1時間保持の条件下で焼結操作を行った。以上により、厚さ約2.2mmの前記P型PbTe系熱電変換材料が厚さ0.3mmのFe電極材料で挟持された構造の実施例1に係るP型熱電変換素子を製造できた。
以上により製造できたP型熱電変換素子と、およびN型熱電変換素子とを組み合わせて、熱電変換モジュールを作製した。図2の熱電変換モジュール100と同様に、P型熱電変換素子とN型熱電変換素子との2つの熱電変換素子と、上部にこれら2つの熱電変換素子を架け渡すように配される1つの上部接合電極と、P型熱電変換素子及びN型熱電変換素子の下部にそれぞれ配される下部接合電極とで構成され、全体がπ型の形状とした。上部接合電極及び下部接合電極は、前述の接合電極に相当する。ここでは、電気的・熱的に伝導性の良いCuを用い、機械的な強度を考慮して厚みを1mmとした。
本実施例では、以上のようにして作製したπ型の熱電変換モジュール8個を組み合わせた熱電変換モジュールを作製して、その性能を、以下に述べるようにして評価した。
次に、熱電変換効率の測定装置を用い、所定の温度範囲(約400℃〜約600℃)において、実施例1に係る熱電変換モジュールの変換効率を測定した。測定では、真空中で熱電変換モジュールの上下の接合電極間に温度差を与えて、熱電変換モジュールの上下の接合電極間の温度、熱電変換モジュールから流出する熱流量、及び熱電変換モジュールに流れる電流、熱電変換モジュールの出力電圧、および起電力を精密に測定した。
20(%)Fe-80(%)Co粉末に代えてFe粉末および、Co粉末を用いたこと以外は実施例1および実施例2と同様にして、PbTe0.996I0.004で形成される熱電変換材料が、これらのFe粉末、および、Co粉末で挟持された構造の比較例に係る熱電変換素子を製造することができた。
2a、2b、12a、12b、12a’、12b’ 電極材料
10、20、30 熱電変換素子
13 上部接合電極
14、14’ 下部接合電極
100 熱電変換モジュール
Claims (5)
- yFe(1−y)Co(yは0.1〜0.8)を含む2つの電極材料で挟持されたN型PbTe1-xIx(I:ヨウ素、0<x≦0.006)を含む熱電変換材料を含み、
前記熱電変換材料の電気抵抗率は、前記2つの電極材料で挟持されない場合の電気抵抗率の89〜113%の範囲にある、熱電変換素子。 - yFe(1−y)Co(yは0.1〜0.8)を含む2つの電極材料で挟持されたN型PbTe1-xIx(I:ヨウ素、0<x≦0.006)を含む熱電変換材料を含み、
前記熱電変換材料の電気抵抗率は、前記2つの電極材料がCo単体の場合の電気抵抗率の118〜151%の範囲にある、熱電変換素子。 - yFe(1−y)Co(yは0.1〜0.8)を含む2つの電極材料で挟持されたN型PbTe1-xIx(I:ヨウ素、0<x≦0.006)を含む熱電変換材料を含み、
前記熱電変換材料の電気抵抗率は、前記2つの電極材料がFe単体の場合の電気抵抗率の37〜47%の範囲にある、熱電変換素子。 - 請求項1〜3のいずれか1項の前記熱電変換素子をN型熱電変換素子として含む、熱電変換モジュール。
- Feを含む2つの電極材料で挟持されたP型PbTeを含む熱電変換材料を含むP型熱電変換素子をさらに含む、請求項4の熱電変換モジュール。
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