JPWO2017065081A1 - 熱電変換材料、その製造方法、および、熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
Fe2TiSi系の組成を有する2次結晶粒子と、
前記2次結晶粒子の周囲を覆うFe、Ti、Si以外の元素を主成分とする被覆層とを有し、
前記被覆層は、前記Fe2TiSi系組成の結晶構造に固溶可能で、且つ、前記2次結晶粒子よりも低い電気抵抗率を有する元素を含む組成であることを特徴とする熱電変換材料とする。
前記N型熱電変換材料および前記P型熱電変換材料の少なくとも一方は、Fe、Ti、Siを主原料とするフルホイスラー合金からなり、Fe2TiSi系の組成を有する2次結晶粒子と、前記2次結晶粒子の周囲を覆うFe、Ti、Si以外の元素を主成分とする被覆層を有し、前記被覆層は、前記Fe2TiSi系組成の結晶構造に固溶可能で、且つ、前記2次結晶粒子よりも低い電気抵抗率を有する元素を含む組成の熱電変換材料であることを特徴とする熱電変換モジュールとする。
前記合金粉末に固溶可能で、且つ、前記合金よりも低い電気抵抗率を有し、Fe、Ti、Si以外の元素からなる組成の添加材を、前記合金粉末に添加する工程と、
前記合金粉末と前記添加材の混合体を、両者が完全には固溶しないように焼結する焼結工程と、
を有することを特徴とする熱電変換材料の製造方法とする。
さらには、添加材は、MgとAlの少なくとも1種からなる元素を用いることが好ましい。添加材の融点を焼結の際に溶解する温度以下にすることで被覆層が形成されやすくなるため、添加材はMgとAlの合金とすることがさらに好ましい。具体的には、融点が約600℃以下になるMgAl合金の組成は、組成式:Mg1−xAlxにおいて、x=0.1〜0.9である。
以下、実施例により本発明について説明する。
本発明の第1の実施例について説明する。なお、発明を実施するための形態の欄に記載された上記事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用できることは言うまでも無い。本実施例では、フルホイスラー合金の主原料としてFe、Ti、およびSiを用い、かつ、価電子数を調整してN型の熱電変換特性とするための元素としてVを用いた。
本発明の第2の実施例について説明する。なお、実施例1に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用できる。本実施例では、添加材をCu0.2Al0.8の合金粉末から成る添加材(以後、CuAl添加材)とし、それ以外は実施例1と同様の原料粉末と条件により作製し評価を行った。CuやAl、若しくはその合金は、Fe2TiSi系合金粉末に対して、少量ではあるが固溶可能な元素である。
添加材をBiから成る添加材(以後、Bi添加材)とし、それ以外は実施例1と同様の原料粉末と条件により実験および評価を行った。BiはFe2TiSi系合金粉末に対して固溶しない元素である。
本発明の第3の実施例について説明する。なお、実施例1又は2に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。本実施例では添加材の添加量を変えた例について説明する。
本発明の第4の実施例について説明する。なお、実施例1乃至3の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。本実施例では、図8に記載の熱電変換モジュールに、実施例1で作製した熱電変換材料を用いることを想定し、発電効率のシミュレーションを行った。N型、P型の熱電変換材料のZTはともに実施例1の0.213と仮定した。また電極203a、203b、伝熱材204a、204bの熱抵抗の合計が熱電変換材料の熱抵抗の10分の1になるように、それぞれの寸法を決定した。高温側の伝熱材204aを200℃とし、低温側の伝熱材204bの温度を50℃と設定した。この条件における熱電変換モジュールの発電効率は約2.0%であった。
Claims (11)
- Fe、Ti、Siを主原料とするフルホイスラー合金からなる熱電変換材料であって、
Fe2TiSi系の組成を有する2次結晶粒子と、
前記2次結晶粒子の周囲を覆うFe、Ti、Si以外の元素を主成分とする被覆層とを有し、
前記被覆層は、前記Fe2TiSi系組成の結晶構造に固溶可能で、且つ、前記2次結晶粒子よりも低い電気抵抗率を有する元素を含む組成であることを特徴とする熱電変換材料。 - 前記被覆層は、Li、Mg、Al、Cu、Zn、Sn、Ba、及びPbの中の少なくとも1種の元素を主成分とする組成であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。
- 前記2次結晶粒子の組成は、Fe2(Ti1−aM1a)(Si1−bM2b)(但し、M1はV、Ru、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、及びIrの中から選択される少なくとも1種からなる組成、M2はCu、Al、Ge、In、Sn、及びGaの中から選択される少なくとも1種からなる組成であり、0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)で表されることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電変換材料。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電変換材料を用いたことを特徴とする熱電変換モジュール。
- P型熱電変換材料と、N型熱電変換材料と、前記P型熱電変換材料と前記N型熱電変換材料を接続する電極と、を備えた熱電変換素子を複数有する熱電変換モジュールにおいて、
前記N型熱電変換材料および前記P型熱電変換材料の少なくとも一方は、Fe、Ti、Siを主原料とするフルホイスラー合金からなり、Fe2TiSi系の組成を有する2次結晶粒子と、前記2次結晶粒子の周囲を覆うFe、Ti、Si以外の元素を主成分とする被覆層とを有し、前記被覆層は、前記Fe2TiSi系組成の結晶構造に固溶可能で、且つ、前記2次結晶粒子よりも低い電気抵抗率を有する元素を含む組成の熱電変換材料であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - Fe2TiSi系の組成を有する合金の合金粉末を作製する工程と、
前記合金粉末に固溶可能で、且つ、前記合金よりも低い電気抵抗率を有し、Fe、Ti、Si以外の元素からなる組成の添加材を、前記合金粉末に添加する工程と、
前記合金粉末と前記添加材の混合体を、両者が完全には固溶しないように焼結する焼結工程と、
を有することを特徴とする熱電変換材料の製造方法。 - 前記添加材は、Li、Mg、Al、Cu、Zn、Sn、Ba、及びPbの中の少なくとも1種からなる元素を用いたことを特徴とする請求項6に記載の熱電変換材料の製造方法。
- 前記2次結晶粒子の組成は、Fe2(Ti1−aM1a)(Si1−bM2b)(但し、M1はV、Ru、Cr、Mn、Co,Ni,Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、及びIrの中から選択される少なくとも1種からなる組成、M2はCu、Al、Ge、In、Sn、及びGaの中から選択される少なくとも1種からなる組成であり、0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)で表されることを特徴とする請求項6または7に記載の熱電変換材料の製造方法。
- 前記合金粉末は、アモルファス化されたものであることを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載の熱電変換材料の製造方法。
- 前記添加材の添加量は、前記合金粉末と添加材の全体量に対して、0vol%超6vol%以下であることを特徴とする請求項6から9のいずれか一項に記載の熱電変換材料の製造方法。
- 前記焼結の温度は、450℃以上800℃以下であることを特徴とする請求項6から10のいずれか一項に記載の熱電変換材料の製造方法。
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