JPWO2012120572A1 - 熱発電素子を用いた発電方法、熱発電素子とその製造方法、ならびに熱発電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
図1に、本発明の熱発電素子の一例を示す。図1に示す熱発電素子1は、互いに対向して配置された第1の電極11および第2の電極12と、第1の電極11および第2の電極12に狭持され、かつ双方の電極に電気的に接続された積層体13とを備える。積層体13は、第1の電極11および第2の電極12の主面に接続されており、双方の電極の主面は互いに平行である。なお、図1に示す積層体13の形状は直方体であり、第1の電極11および第2の電極12は、その対向する一対の面上に配置されている。第1および第2の電極の表面と、第1および第2の電極が対向する方向(対向方向17)とは、直交している。
熱発電素子1は、例えば、図3に示すように、Bi2Te3層31と、NiまたはCoを含む金属層32とが交互に積層され、金属層32とBi2Te3層31との厚さの比が、金属膜:Bi2Te3膜=20:1〜0.5:1の範囲にある原板(積層原板)34を、Bi2Te3層31および金属層32の積層面35を斜めに横断するように切り出し(例えば、切り出し面と積層面35とが交わる角度が、10°以上60°以下となるように切り出し)、得られた積層体(13a、13b、13cまたは13d)に対して、互いに対向し、かつその対向する方向が積層面35を10°以上60°以下の傾斜角θで横断するように第1および第2の電極を配置して形成できる。なお、符号33は、原板34を、積層面35を垂直に横断するように切り出して得た積層体33であり、このような積層体からは本発明の熱発電素子を形成できない。また、「その対向する方向が積層面35を横断するように第1および第2の電極を配置する」とは、例えば、図3に示す積層体13dに関しては、その側面AおよびA’、または側面BおよびB’に、電極を配置することを意味する。
図4に本発明の熱発電デバイスの一例を示す。図4に示すデバイス41は、支持板45と、支持板45上に配置された6つの本発明の熱発電素子1を備える。それぞれの素子1は、各素子における第1および第2の電極が対向する方向17に垂直な方向が、支持板45における素子1が配置された面に垂直な方向と一致するように、支持板45上に配置されている。また、隣接する素子1同士は、それぞれの素子1の第1または第2の電極を兼ねる接続電極43を介して電気的に直列に接続されており、6つの素子1の配列の末端に位置する素子1a、1bには、第1または第2の電極を兼ねる取り出し電極44が配置されている。
本発明の発電方法は、上記説明した本発明の熱発電素子1における電極の対向方向17に垂直な方向に温度差を発生させることにより、第1の電極11および第2の電極12(あるいは接続電極43または取り出し電極44)を介して電力を得る方法である。
以下、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。
実施例1では、Bi2Te3ならびに数種類の金属(Ni、Co、コンスタンタン、クロメル、およびアルメル)を用いて、図1に示すような熱発電素子1を作製し、その熱発電特性を評価した。比較例として、別の金属(Ag、Cu、およびTi)を用いて同様の素子を作製した。実施例1におけるBi2Te3層はBi2Te2.9の組成を有していた。
実施例2では、金属層とBi2Te3層との厚さの比が異なる素子を実施例1と同様に作製し、その熱発電特性を評価した。なお、実施例1におけるBi2Te3層はBi2Te2.9の組成を有していた。
実施例3では、素子の実装面積を大きくし、より大きな熱発電量を得るために、図4に示すような熱発電デバイス41を作製した。なお、素子1の金属層を構成する金属の種類はNiとし、接続電極43および取り出し電極44にもNiを用いた。実施例3におけるBi2Te3層はBi0.6Sb1.4Te3の組成を有していた。
11 第1の電極
12 第2の電極
13 積層体
14 Bi2Te3層
15 金属層
16 各層の主面に平行な方向
17 対向方向
18 対向方向17に対して垂直な方向
22 高温部
23 低温部
31 Bi2Te3層
32 金属層
33 積層体
34 原板
35 積層面
41 デバイス
42 デバイス
43 接続電極
44 取り出し電極
45 支持板
Claims (20)
- 熱発電素子に温度差を発生させて前記素子から電力を得る、熱発電素子を用いた発電方法であって、
前記素子は、
互いに対向して配置された第1の電極および第2の電極と、
前記第1および第2の電極に狭持され、かつ前記第1および第2の電極の双方に電気的に接続された積層体と、を備え、
前記積層体は、Bi2Te3層と、NiまたはCoを含む金属層と、が交互に積層された構造を有し、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=20:1〜0.5:1の範囲にあり、
前記Bi2Te3層および前記金属層の積層面は、前記第1の電極と前記第2の電極とが対向する方向に対して、10°以上60°以下の傾斜角θで傾斜しており、
前記素子における前記方向に垂直な方向に温度差を発生させることにより、前記第1および第2の電極を介して電力を得る、熱発電素子を用いた発電方法。 - 前記積層面の前記方向に対する傾斜角θが、20°以上45°以下である請求項1に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 前記金属層が、NiまたはCoを含む請求項1に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 前記金属層が、コンスタンタン、クロメルまたはアルメルを含む請求項1に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=10:1〜1:1の範囲にある請求項1に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 前記素子のパワーファクターが50μW/(cm・K2)以上である請求項1に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 前記金属層が、NiまたはCoを含み、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=10:1〜1:1の範囲にある請求項2に記載の熱発電素子を用いた発電方法。 - 前記素子のパワーファクターが100μW/(cm・K2)以上である請求項7に記載の熱発電素子を用いた発電方法。
- 互いに対向して配置された第1の電極および第2の電極と、
前記第1および第2の電極に狭持され、かつ前記第1および第2の電極の双方に電気的に接続された積層体と、を備えた熱発電素子であって、
前記積層体は、Bi2Te3層と、NiまたはCoを含む金属層と、が交互に積層された構造を有し、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=20:1〜0.5:1の範囲にあり、
前記Bi2Te3層および前記金属層の積層面は、前記第1の電極と前記第2の電極とが対向する方向に対して、10°以上60°以下の傾斜角θで傾斜しており、
前記素子における前記方向に垂直な方向の温度差により、前記第1および第2の電極間に電位差が発生する、熱発電素子。 - 前記積層面の前記方向に対する傾斜角θが、20°以上45°以下である請求項9に記載の熱発電素子。
- 前記金属層が、NiまたはCoを含む請求項9に記載の熱発電素子。
- 前記金属層が、コンスタンタン、クロメルまたはアルメルを含む請求項9に記載の熱発電素子。
- 前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=10:1〜1:1の範囲にある請求項9に記載の熱発電素子。
- 前記素子のパワーファクターが50μW/(cm・K2)以上である請求項9に記載の熱発電素子。
- 前記金属層が、NiまたはCoを含み、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=10:1〜1:1の範囲にある請求項10に記載の熱発電素子。 - 前記素子のパワーファクターが100μW/(cm・K2)以上である請求項15に記載の熱発電素子。
- 互いに対向して配置された第1の電極および第2の電極と、
前記第1および第2の電極に狭持され、かつ前記第1および第2の電極の双方に電気的に接続された積層体と、を備えた熱発電素子であり、
前記積層体は、Bi2Te3層と、NiまたはCoを含む金属層と、が交互に積層された構造を有し、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=20:1〜0.5:1の範囲にあり、
前記Bi2Te3層および前記金属層の積層面は、前記第1の電極と前記第2の電極とが対向する方向に対して、10°以上60°以下の傾斜角θで傾斜しており、
前記素子における前記方向に垂直な方向の温度差により、前記第1および第2の電極間に電位差が発生する熱発電素子の製造方法であって、
Bi2Te3層と、NiまたはCoを含む金属層と、が交互に積層され、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=20:1〜0.5:1の範囲にある原板を、前記Bi2Te3層および前記金属層の積層面を斜めに横断するように切り出し、得られた積層体に、互いに対向し、かつその対向する方向が前記積層面を10°以上60°以下の傾斜角θで横断するように前記第1および第2の電極を配置する、熱発電素子の製造方法。 - 支持板と、前記支持板上に配置された熱発電素子と、を備え、
前記素子は、互いに対向して配置された第1および第2の電極と、前記第1および第2の電極に狭持され、かつ前記第1および第2の電極の双方に電気的に接続された積層体と、を備え、
前記積層体は、Bi2Te3層と、NiまたはCoを含む金属層と、が交互に積層された構造を有し、
前記金属層と前記Bi2Te3層との厚さの比が、金属層:Bi2Te3層=20:1〜0.5:1の範囲にあり、
前記Bi2Te3層および前記金属層の積層面は、前記一対の電極が互いに対向する方向に対して、10°以上60°以下の傾斜角θで傾斜しており、
前記素子は、前記方向に垂直な方向が、前記支持板における前記素子が配置された面に垂直な方向と一致するように、前記支持板上に配置され、
前記支持板の前記面に垂直な方向に温度差を発生させることにより、前記一対の電極を介して電力が得られる熱発電デバイス。 - 2以上の前記素子を備え、
前記素子同士が、前記電極を介して電気的に直列に接続されている請求項18に記載の熱発電デバイス。 - 2以上の前記素子を備え、
前記素子同士が、前記電極を介して電気的に並列に接続されている請求項18に記載の熱発電デバイス。
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