JPH08186293A - 熱発電材料 - Google Patents
熱発電材料Info
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- JPH08186293A JPH08186293A JP6328259A JP32825994A JPH08186293A JP H08186293 A JPH08186293 A JP H08186293A JP 6328259 A JP6328259 A JP 6328259A JP 32825994 A JP32825994 A JP 32825994A JP H08186293 A JPH08186293 A JP H08186293A
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- Japan
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- power generation
- zinc oxide
- thermoelectric
- thermal power
- zinc
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Abstract
(57)【要約】
【目的】広い温度範囲で大きな出力因子を示し、1000℃
以上の高温でも高い熱電特性が得られる熱発電材料を得
る。 【構成】酸化亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウムで置換し
た複合酸化物を熱発電材料とする。
以上の高温でも高い熱電特性が得られる熱発電材料を得
る。 【構成】酸化亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウムで置換し
た複合酸化物を熱発電材料とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱発電材料、特に酸化亜
鉛系複合酸化物からなる熱発電材料に関する。
鉛系複合酸化物からなる熱発電材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱電素子に温度差ΔＴを与えたときの熱
起電力をＳΔＴ、素子の内部抵抗をγ、外部負荷抵抗を
Ｒ、電流をＩとすると、発生する電力Ｐは、 Ｐ＝（ＳΔＴ- γＩ）＝ＲＩ2 となる。Ｐが最大となるのはγ＝Ｒの時で、このとき
起電力をＳΔＴ、素子の内部抵抗をγ、外部負荷抵抗を
Ｒ、電流をＩとすると、発生する電力Ｐは、 Ｐ＝（ＳΔＴ- γＩ）＝ＲＩ2 となる。Ｐが最大となるのはγ＝Ｒの時で、このとき
【数２】 ここでσ＝１／γ、Ｚ＝Ｓ2 σ／κとおけば、
【数３】 である。また、熱電発電の最大変換効率ηmax は、高温
側及び低温側を夫々Ｔh 及びＴc とすると近似的に
側及び低温側を夫々Ｔh 及びＴc とすると近似的に
【数４】 で与えられる。Ｍの中のＺ［Ｋ-1］＝Ｓ2 σ／κが大き
いほど変換効率は向上するのでこの値Ｚは性能指数と呼
ばれ、熱電材料にはゼーベック係数Ｓ［Ｖ／Ｋ］と導電
率σ［Ｓ／ｍ］が大きく、熱伝導率κ［Ｗ／ｍＫ］の小
さいことが要求される。κの正確な測定は容易でない
が、同種の物質間ではＳやσほど変化しないので、κを
省略した出力因子Ｓ2 σ［Ｗ／ｍＫ2 ］もしばしば比較
評価に用いられる。
いほど変換効率は向上するのでこの値Ｚは性能指数と呼
ばれ、熱電材料にはゼーベック係数Ｓ［Ｖ／Ｋ］と導電
率σ［Ｓ／ｍ］が大きく、熱伝導率κ［Ｗ／ｍＫ］の小
さいことが要求される。κの正確な測定は容易でない
が、同種の物質間ではＳやσほど変化しないので、κを
省略した出力因子Ｓ2 σ［Ｗ／ｍＫ2 ］もしばしば比較
評価に用いられる。
【０００３】また、温度差Ｔh −Ｔc が大きいほど効率
が上がるので、高温側の作動温度を高めることによって
も変換効率を向上させることができる。従って、高温の
大気中で利用できる熱発電材料は、耐熱性と、耐酸化性
に優れているという化学的性質も具備していなければな
らない。
が上がるので、高温側の作動温度を高めることによって
も変換効率を向上させることができる。従って、高温の
大気中で利用できる熱発電材料は、耐熱性と、耐酸化性
に優れているという化学的性質も具備していなければな
らない。
【０００４】このような条件をある程度満たしている材
料として遷移金属ケイ化物を挙げることができる。遷移
金属ケイ化物は元来耐熱材料として開発されてきた物質
であり、鉄ケイ化物（ＦｅＳｉ2 ）は高温大気中でも安
定で、比較的大きな性能指数を示すため、活発に研究さ
れている。この鉄ケイ化物系の熱発電材料として代表的
なものに、鉄ケイ化物（ＦｅＳｉ 2 ）にマンガン（Ｍ
ｎ）やアルミニウム（Ａｌ）を加えた化合物がある。
（特開昭60-43881号公報及び特開昭60-43882号公報参
照）
料として遷移金属ケイ化物を挙げることができる。遷移
金属ケイ化物は元来耐熱材料として開発されてきた物質
であり、鉄ケイ化物（ＦｅＳｉ2 ）は高温大気中でも安
定で、比較的大きな性能指数を示すため、活発に研究さ
れている。この鉄ケイ化物系の熱発電材料として代表的
なものに、鉄ケイ化物（ＦｅＳｉ 2 ）にマンガン（Ｍ
ｎ）やアルミニウム（Ａｌ）を加えた化合物がある。
（特開昭60-43881号公報及び特開昭60-43882号公報参
照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ＦｅＳ
ｉ2 系の化合物はゼーベック係数Ｓ：150 〜250 μＶ／
℃、導電率σ：50〜100 Ｓ／ｃｍであり、ゼーベック係
数Ｓは高いが、導電率σが小さいために、出力因子Ｓ2
σ［Ｗ／ｍＫ2 ］が小さくなり、熱発電材料として用い
た場合に十分な最大出力が得られない。また、これらの
化合物では作動温度が600 ℃付近で熱電特性が最大とな
り、温度が高くなるにつれて特性が悪くなる傾向があっ
た。
ｉ2 系の化合物はゼーベック係数Ｓ：150 〜250 μＶ／
℃、導電率σ：50〜100 Ｓ／ｃｍであり、ゼーベック係
数Ｓは高いが、導電率σが小さいために、出力因子Ｓ2
σ［Ｗ／ｍＫ2 ］が小さくなり、熱発電材料として用い
た場合に十分な最大出力が得られない。また、これらの
化合物では作動温度が600 ℃付近で熱電特性が最大とな
り、温度が高くなるにつれて特性が悪くなる傾向があっ
た。
【０００６】そこで、より効率のよい熱発電を行うため
には、より高いゼーベック係数Ｓと導電率を有し、より
大きな出力因子Ｓ2 σ［Ｗ／ｍＫ2 ］を有すると共に広
い温度範囲で高い熱電特性を示す熱発電材料の開発が求
められている。
には、より高いゼーベック係数Ｓと導電率を有し、より
大きな出力因子Ｓ2 σ［Ｗ／ｍＫ2 ］を有すると共に広
い温度範囲で高い熱電特性を示す熱発電材料の開発が求
められている。
【０００７】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、更に優れた最大出力
を示し、1000℃以上の高温でも高い熱電特性が得られる
新規な熱発電材料を提供することにある。
もので、その目的とするところは、更に優れた最大出力
を示し、1000℃以上の高温でも高い熱電特性が得られる
新規な熱発電材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】空気中での高温作動とい
う点で酸化物材料は極めて有利なはずである。そこで、
発明者らは導電率が高くかつ高温の大気中で安定な種々
の複合酸化物に着目して熱電特性を検討したところ、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）系複合酸化物、特に亜鉛（Ｚｎ）の一
部をアルミニウム（Ａｌ）で置換したＺｎＯ系複合酸化
物が高い熱電特性が得られることを見出し発明を完成し
た。
う点で酸化物材料は極めて有利なはずである。そこで、
発明者らは導電率が高くかつ高温の大気中で安定な種々
の複合酸化物に着目して熱電特性を検討したところ、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）系複合酸化物、特に亜鉛（Ｚｎ）の一
部をアルミニウム（Ａｌ）で置換したＺｎＯ系複合酸化
物が高い熱電特性が得られることを見出し発明を完成し
た。
【０００９】上記酸化亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウム
で置換した酸化亜鉛系複合酸化物は、
で置換した酸化亜鉛系複合酸化物は、
【数５】 と表示することができるが、この発明における酸化亜鉛
系複合酸化物はアルミニウムの置換量をｘで表すことが
でき、この置換量ｘは1>x>o の範囲である。
系複合酸化物はアルミニウムの置換量をｘで表すことが
でき、この置換量ｘは1>x>o の範囲である。
【００１０】この酸化亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウム
で置換した複合酸化物では、広い温度範囲（０〜1000
℃）で高い導電率（約1000Ｓ／ｃｍ）、高いゼーベック
係数、正確には高い絶対値のゼーベック係数《ｎ型材料
ではゼーベック係数をマイナスで表示する》（100 〜20
0 μＶ／℃）を示すため、得られる出力因子も鉄ケイ化
物系化合物の５〜10倍にもなる。
で置換した複合酸化物では、広い温度範囲（０〜1000
℃）で高い導電率（約1000Ｓ／ｃｍ）、高いゼーベック
係数、正確には高い絶対値のゼーベック係数《ｎ型材料
ではゼーベック係数をマイナスで表示する》（100 〜20
0 μＶ／℃）を示すため、得られる出力因子も鉄ケイ化
物系化合物の５〜10倍にもなる。
【００１１】この発明の酸化亜鉛系複合酸化物を製造す
る方法としては、粉末焼結法を用いることができる。
る方法としては、粉末焼結法を用いることができる。
【００１２】
【実施例】ＺｎＯとＡｌ2 Ｏ3 を夫々秤量後よく混合し
て、ラバープレスを行い、長方形に成形後、1400℃付近
で約10時間焼成して、X=0.01、x=0.02、x=0.05の三種類
の（Ｚｎ1-x Ａｌx ）Ｏ焼結体試料を得た。これらの相
対密度は夫々99％である。これらの焼結体試料の導電
率、ゼーベック係数、出力因子の温度依存性について測
定した。測定結果は夫々図１、図２、図３の通りであっ
た。
て、ラバープレスを行い、長方形に成形後、1400℃付近
で約10時間焼成して、X=0.01、x=0.02、x=0.05の三種類
の（Ｚｎ1-x Ａｌx ）Ｏ焼結体試料を得た。これらの相
対密度は夫々99％である。これらの焼結体試料の導電
率、ゼーベック係数、出力因子の温度依存性について測
定した。測定結果は夫々図１、図２、図３の通りであっ
た。
【００１３】
【効果】本発明の、酸化亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウ
ムで置換した酸化亜鉛系複合酸化物熱発電材料は、０〜
1000℃の広い温度範囲において鉄ケイ化物系化合物熱発
電材料の５〜10倍の出力因子を示し、高い熱電特性が得
られる。しかも、耐酸化性が高いので1000℃以上の高温
でも安定で、優れた熱電特性を示し、コーティングも不
要である。従って、高温側の作動温度を高くできるた
め、変換効率の向上が図れる。また、従来の半導体熱電
材料に比べて、機械的強度が高く、割れたりし難い。し
かも、材料が安価であり、製造も簡単で、トータルコス
トも安くなる。
ムで置換した酸化亜鉛系複合酸化物熱発電材料は、０〜
1000℃の広い温度範囲において鉄ケイ化物系化合物熱発
電材料の５〜10倍の出力因子を示し、高い熱電特性が得
られる。しかも、耐酸化性が高いので1000℃以上の高温
でも安定で、優れた熱電特性を示し、コーティングも不
要である。従って、高温側の作動温度を高くできるた
め、変換効率の向上が図れる。また、従来の半導体熱電
材料に比べて、機械的強度が高く、割れたりし難い。し
かも、材料が安価であり、製造も簡単で、トータルコス
トも安くなる。
【図１】本発明熱発電材料のゼーベック係数の温度依存
性を示すグラフ。
性を示すグラフ。
【図２】導電率の温度依存性を示すグラフ。
【図３】出力因子の温度依存性を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 秀樹 福岡県福岡市博多区千代１丁目17番１号 西部瓦斯株式会社内 (72)発明者 大西 久男 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】酸化亜鉛とアルミナの複合酸化物からなる
ことを特徴とする熱発電材料。 - 【請求項２】酸化亜鉛とアルミナの複合酸化物が、酸化
亜鉛の亜鉛の一部をアルミニウムで置換したものであ
り、これを 【数１】 と表示すると1>x>o であることを特徴とする請求項１記
載の熱発電材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6328259A JPH08186293A (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 熱発電材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6328259A JPH08186293A (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 熱発電材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08186293A true JPH08186293A (ja) | 1996-07-16 |
Family
ID=18208229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6328259A Pending JPH08186293A (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 熱発電材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08186293A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002016297A (ja) * | 2000-04-28 | 2002-01-18 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 結晶配向バルクＺｎＯ系焼結体材料の製造方法およびそれにより製造された熱電変換デバイス |
| WO2007108147A1 (ja) * | 2006-03-22 | 2007-09-27 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 熱電半導体、熱電変換素子および熱電変換モジュール |
| JPWO2005093864A1 (ja) * | 2004-03-25 | 2008-02-14 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 熱電変換素子及び熱電変換モジュール |
| WO2008066189A1 (fr) | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Matériau de conversion thermoélectrique et élément de conversion thermoélectrique |
| JP2009249284A (ja) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Qinghua Univ | アルミン酸亜鉛ナノ材料の製造方法 |
| US7959833B2 (en) | 2005-04-13 | 2011-06-14 | Sumitomo Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric conversion material, method for producing the same and thermoelectric conversion device |
| US8454860B2 (en) | 2008-06-19 | 2013-06-04 | Japan Science And Technology Agency | Aluminum-containing zinc oxide-based n-type thermoelectric conversion material |
-
1994
- 1994-12-28 JP JP6328259A patent/JPH08186293A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002016297A (ja) * | 2000-04-28 | 2002-01-18 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 結晶配向バルクＺｎＯ系焼結体材料の製造方法およびそれにより製造された熱電変換デバイス |
| JP4592209B2 (ja) * | 2000-04-28 | 2010-12-01 | 株式会社豊田中央研究所 | 結晶配向バルクＺｎＯ系焼結体材料の製造方法およびそれにより製造された熱電変換デバイス |
| JPWO2005093864A1 (ja) * | 2004-03-25 | 2008-02-14 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 熱電変換素子及び熱電変換モジュール |
| US7649139B2 (en) | 2004-03-25 | 2010-01-19 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module |
| JP4670017B2 (ja) * | 2004-03-25 | 2011-04-13 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 熱電変換素子及び熱電変換モジュール |
| US7959833B2 (en) | 2005-04-13 | 2011-06-14 | Sumitomo Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric conversion material, method for producing the same and thermoelectric conversion device |
| WO2007108147A1 (ja) * | 2006-03-22 | 2007-09-27 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 熱電半導体、熱電変換素子および熱電変換モジュール |
| WO2008066189A1 (fr) | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Matériau de conversion thermoélectrique et élément de conversion thermoélectrique |
| JP2009249284A (ja) * | 2008-04-09 | 2009-10-29 | Qinghua Univ | アルミン酸亜鉛ナノ材料の製造方法 |
| US8454860B2 (en) | 2008-06-19 | 2013-06-04 | Japan Science And Technology Agency | Aluminum-containing zinc oxide-based n-type thermoelectric conversion material |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040120 |