WO2012033116A1 - 熱電変換材料 - Google Patents

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WO2012033116A1
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thermoelectric conversion
conversion material
seebeck coefficient
temperature
val
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French (fr)
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西野　洋一
優 田中
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国立大学法人名古屋工業大学
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/854—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising only metals

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion material.
  • thermoelectric conversion material As a material that converts heat energy into electric energy.
  • This thermoelectric conversion material is roughly classified into two types, n-type and p-type.
  • a thermoelectric conversion element can be obtained by alternately arranging and connecting n-type thermoelectric conversion materials and p-type thermoelectric conversion materials so as to be electrically in series and thermally parallel. If a temperature difference is given between both surfaces of the thermoelectric conversion element, power generation can be performed. Moreover, if a voltage is applied between the both terminals of a thermoelectric conversion element, a temperature difference will generate
  • thermoelectric conversion material As a general thermoelectric conversion material, there is a Bi—Te-based intermetallic compound, which is widely used because it has a high Seebeck coefficient, that is, relatively good power generation efficiency (Non-patent Document 1).
  • Other general thermoelectric conversion materials include Pb—Te-based intermetallic compounds and Zn—Sb-based intermetallic compounds.
  • thermoelectric conversion materials other than intermetallic compounds there are oxide-based thermoelectric conversion materials ( Non-patent document 1).
  • thermoelectric conversion material described in Patent Document 1.
  • This thermoelectric conversion material has a Heusler alloy type crystal structure, and the chemical composition ratio is adjusted without substituting some of the constituent elements with other elements for the basic structure with 24 total valence electrons per chemical formula. Or by replacing some of the constituent elements with other elements to control the total number of valence electrons per chemical formula.
  • thermoelectric conversion material described in Patent Document 2. This thermoelectric conversion material is obtained by substituting a part of the constituent element with another element and controlling the atomic weight of the element to be substituted with respect to the basic structure of Fe 2 VAl.
  • the Fe 2 VAl thermoelectric conversion materials according to these proposals have n-types when the total number of valence electrons is 24 or more, and p-types when 24 or less.
  • thermoelectric conversion material with better power generation efficiency is desired as the thermoelectric conversion material.
  • the inventors have proposed a thermoelectric conversion material in which at least a part of each of Fe and V is substituted with another element for the basic structure of Fe 2 VAl in Patent Document 3.
  • thermoelectric conversion material when the other element substituted for Fe is M 1 , the element M 1 is selected from the group consisting of groups 7 to 10 in the 4th to 6th periods in the periodic table, and V When the other element to be substituted in place of is M 2 , the element M 2 is selected from the group consisting of groups 4 to 6 in the 4th to 6th periods in the periodic table. Further, in this thermoelectric conversion material, the substitution amount of the element M 1 and the element M 2 is 0 ⁇ ⁇ 1 and 0 ⁇ where the general formula (Fe 1- ⁇ M 1 ⁇ ) 2 (V 1- ⁇ M 2 ⁇ ) Al is satisfied. Adjustment is made within the range of ⁇ ⁇ 1.
  • thermoelectric conversion material is controlled to be p-type so that the total number of valence electrons per chemical formula is less than 24, and is controlled to be n-type so as to exceed 24.
  • a thermoelectric conversion material in which M 1 is Ir and M 2 is Ti has a Seebeck coefficient of about +90 ⁇ V / K, and the output factor and the figure of merit are improved as compared with a thermoelectric conversion material in which M 2 is replaced with Ti. .
  • thermoelectric conversion materials in order to apply thermoelectric conversion materials to power generation devices that use waste heat such as automobile engines, motorcycle engines, household fuel cells and gas cogeneration, the thermoelectric conversion materials are good in the middle temperature range of 500 to 700K. It is necessary to demonstrate power generation efficiency.
  • thermoelectric conversion material composed of the Bi—Te intermetallic compound described above shows a large Seebeck coefficient near room temperature, but the Seebeck coefficient in the middle temperature range of 500 to 700 K is not so large.
  • the constituent elements Bi and Te are expensive metals, not only the cost is increased, but Se is added when forming an n-type thermoelectric conversion material, but Se and Te are toxic. Therefore, this thermoelectric conversion material also has a large environmental load.
  • thermoelectric conversion materials made of Bi-Te intermetallic compounds have low oxidation resistance and mechanical strength, so that durability is guaranteed when application to actual waste heat in the middle temperature range is assumed. Advanced peripheral technology is required. For this reason, it is difficult to apply Bi-Te based intermetallic compounds to intermediate temperature waste heat.
  • the Pb-Te intermetallic compound described above is also a toxic element in the human body, like the Bi-Te intermetallic compound.
  • the Pb-Te intermetallic compound is also harmful to the human body. The use of compounds is not preferred.
  • thermoelectric conversion elements have been studied as a thermoelectric semiconductor for a long time since ZnSb, which is a p-type semiconductor, has a high Seebeck coefficient of 200 ⁇ V / K and low electrical resistance.
  • ZnSb which is a p-type semiconductor
  • it because it has low strength and low toughness as a material, it is difficult to put it into practical use unless the mechanical properties are significantly improved when considering the incorporation into modules. As a result, the manufacturing cost of thermoelectric conversion elements increases.
  • the oxide-based thermoelectric conversion material has an advantage of exhibiting a high Seebeck coefficient in a high temperature region near 1000 K, rather than a medium temperature region of 500 to 700 K.
  • the oxide-based thermoelectric conversion material like the Bi—Te-based thermoelectric conversion material, has the property of being brittle and difficult to process. For this reason, when a thermoelectric conversion element is manufactured using an oxide-based thermoelectric conversion material, a cutting allowance for cutting is still necessary, and the ingot is easily broken at the time of cutting, and the yield is very poor. This leads to an increase in device manufacturing costs.
  • the Fe 2 VAl-based thermoelectric conversion material described in Patent Documents 1-3 is composed of relatively inexpensive elements such as Fe, V, and Al, and each element has no toxicity. It is a thermoelectric conversion material superior to intermetallic compounds and Pb-Te intermetallic compounds.
  • Fe 2 VAl which is a basic structure, is a semimetal positioned between a semiconductor and a metal, and therefore has higher toughness and higher mechanical properties than semiconductors and oxides. Is excellent. Therefore, the Fe 2 VAl-based thermoelectric conversion material described in Patent Documents 1-3 is a thermoelectric conversion material having superior mechanical characteristics as compared to Zn—Sb-based intermetallic compounds and oxide-based thermoelectric conversion materials.
  • the compound of Patent Document 1 that is not substituted with other elements has a temperature range in which good power generation efficiency is exhibited lower than the middle temperature range of 500 to 700K. For this reason, it is the compound which adjusted the composition ratio of 3 elements, Comprising: The temperature range where favorable power generation efficiency is exhibited shifted to the high temperature side rather than the compound of patent document 1 which is not substituted by the other element A thermoelectric conversion material is required.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and is composed of a compound in which the composition ratio of three elements is adjusted with respect to the basic structure of Fe 2 VAl without replacing with other elements.
  • the problem to be solved is to provide a thermoelectric conversion material having a high temperature range in which good power generation efficiency is exhibited as compared with a compound in which the composition ratio of three elements is adjusted without substitution with other elements described in 1. It is said.
  • the present invention is a compound comprising a compound in which the composition ratio of three elements is adjusted with respect to the basic structure of Fe 2 VAl without replacing with another element, and a part of the constituent elements is replaced with another element.
  • another object to be solved is to provide a thermoelectric conversion material with improved power generation efficiency in the middle temperature range of 500 to 700K.
  • the inventors did not adjust the composition ratio of Fe with respect to the basic structure of Fe 2 VAl, but adjusted the composition ratio of only two elements of V and Al, as in Patent Document 1, Fe, As compared with the case where the composition ratios of all three elements of V and Al are adjusted, it has been found that the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient becomes a peak can be shifted to the high temperature side, and the present invention has been completed.
  • the invention described in claim 1 has a general structure of Fe 2 V 1-Z Al 1 + Z with respect to a basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total valence electron number of 24 per chemical formula.
  • a thermoelectric conversion material satisfying The temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient reaches a peak is set to 400 K so that 0.03 ⁇ z ⁇ 0.12 and the total number of valence electrons per chemical formula is less than 24 and 23.76 or more. It is the above.
  • the invention according to claim 2 has a general structure of Fe 2 V 1-Z Al 1 + Z (0) with respect to a basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total valence electron number of 24 per chemical formula. 0.03 ⁇ z ⁇ 0.12), the chemical composition ratio is adjusted.
  • thermoelectric conversion material according to claims 1 and 2 is controlled to be p-type so that the total number of valence electrons per chemical formula is less than 24 and 23.76 or more, and the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is 400K. That's it. For this reason, as can be seen by comparing Example 1 and Comparative Example 3 described later, the thermoelectric conversion material is compared with the compound controlled to the p-type without being replaced with other elements described in Patent Document 1. Thus, the peak value of the absolute value of the Seebeck coefficient is equal to or higher than that, and the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient reaches a peak is high (see FIGS. 1 and 3).
  • thermoelectric conversion material according to claims 1 and 2 is a temperature at which good power generation efficiency is exhibited as compared with a compound controlled to be p-type without being replaced by other elements described in Patent Document 1.
  • the area is high.
  • a more preferable range of z is 0.05 ⁇ z ⁇ 0.12.
  • 0.05 ⁇ z ⁇ 0.12 it can be seen by comparing Example 1 and Comparative Example 2 described later, compared with a compound in which a part of the constituent elements is substituted with another element, The power generation efficiency in the middle temperature range of 500 to 700K can be improved (see FIG. 8).
  • the invention according to claim 4 has a general formula of Fe 2 V 1-Z Al 1 + Z with respect to a basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total valence electron number of 24 per chemical formula.
  • a thermoelectric conversion material satisfying The temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient reaches a peak is set to ⁇ 0.12 ⁇ z ⁇ ⁇ 0.03, and the total number of valence electrons per chemical formula is controlled to be more than 24 and 24.24 or less. It is characterized by being 310K or more.
  • the invention according to claim 5 has a general structure of Fe 2 V 1-Z Al 1 + Z ( ⁇ ) with respect to a basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total valence electron number of 24 per chemical formula.
  • the chemical composition ratio is adjusted so as to satisfy 0.12 ⁇ z ⁇ ⁇ 0.03).
  • thermoelectric conversion material according to claims 4 and 5 is controlled to be n-type so that the total number of valence electrons per chemical formula is more than 24 and 24.24 or less, and the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is 310K. That's it. For this reason, the thermoelectric conversion material is compared with the compound controlled to the n-type without being replaced with other elements described in Patent Document 1, as can be seen by comparing Example 2 and Comparative Example 4 described later. Thus, the peak value of the absolute value of the Seebeck coefficient is equal to or higher than that, and the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is high (see FIGS. 3 and 5).
  • thermoelectric conversion material according to claims 4 and 5 is a temperature at which good power generation efficiency is exhibited as compared with a compound controlled to be n-type without being replaced by other elements described in Patent Document 1.
  • the area is high.
  • a more preferable range of z is ⁇ 0.12 ⁇ z ⁇ ⁇ 0.05.
  • ⁇ 0.12 ⁇ z ⁇ ⁇ 0.05 it is possible to improve the power generation efficiency in the medium temperature range of 500 to 700 K, as compared with a compound in which a part of the constituent elements is substituted with another element. (See FIG. 9).
  • the temperature the Seebeck coefficient
  • the relationship between temperature and Seebeck coefficient is It is a graph to show.
  • thermoelectric conversion material of the present invention can be manufactured, for example, by the following manufacturing method.
  • This manufacturing method includes a first step of preparing a raw material mixture having an element capable of manufacturing the thermoelectric conversion material and a composition ratio, and melting or vaporizing and solidifying the raw material mixture in a vacuum or an inert gas, A second step of obtaining a conversion material.
  • thermoelectric conversion material is manufactured by this manufacturing method, the thermoelectric conversion material obtained has a relatively high output factor even in the middle temperature range of 500 to 700K. For this reason, according to this manufacturing method, a thermoelectric conversion material with high waste heat recovery efficiency and less risk of environmental pollution can be manufactured at low cost.
  • a method of cooling the raw material mixture after dissolving it in vacuum or in an inert gas can be employed.
  • the raw material mixture is melted by arc melting or the like and then solidified.
  • a method of obtaining a substantially uniform powder by repeatedly pressing and breaking the raw material mixture in an inert gas or nitrogen gas atmosphere by a mechanical alloying method can be employed.
  • the powder thus obtained can be sintered by a hot press method in a vacuum, a HIP (hot isostatic pressing) method, a discharge plasma sintering method, a pulse current method or the like.
  • HIP hot isostatic pressing
  • a discharge plasma sintering method a pulse current method or the like.
  • compression molding and sintering can be performed simultaneously with high-pressure (150 MPa) argon gas at 800 ° C. to solidify at a true density.
  • the true density can be solidified at low cost by using a molding press.
  • thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material in order to make an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material as an aggregate of crystal grains having a particle size as small as possible, strain processing such as hot rolling is performed, or a molten raw material is used. A method of reducing the crystal grains by rapid cooling or the like can be employed.
  • thermoelectric conversion element with the thermoelectric conversion material of the present invention.
  • the thermoelectric conversion material having a positive sign of the Seebeck coefficient exhibits a behavior as a p-type
  • thermoelectric conversion material having a negative sign of the Seebeck coefficient exhibits a behavior as an n-type.
  • thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 the adjustment amount z of the general formula Fe 2 V 1 -z Al 1 + z is in the range of ⁇ 0.2 ⁇ z ⁇ 0.2 with respect to Fe 2 VAl having the basic structure. Is selected.
  • the total number of valence electrons per chemical formula of the basic structure of Fe 2 VAl is 24 by the following calculation. That is, the number of valence electrons of Fe is 16, which is obtained by multiplying a total of 8 of 2 of the 4s orbit and 6 of the 3d orbit by the coefficient 2. Further, the number of valence electrons of V is a total of 5, 2 of 4s orbitals and 3 of 3d orbitals. Further, the number of valence electrons of Al is 3 in total, 2 of 3s orbitals and 1 of 3p orbitals.
  • the total number of valence electrons 24 of Fe, V and Al is the total number of valence electrons per chemical formula of the basic structure.
  • thermoelectric conversion material is manufactured as follows. First, three kinds of elements of Fe, V, and Al were weighed so as to satisfy the above conditions. These elements were melted using an argon arc to produce a button-like ingot. In order to obtain a homogeneous ingot, the obtained ingot was redissolved. This re-dissolution was performed twice or more to obtain a homogeneous ingot. Since the change in weight before and after dissolution is within 0.1%, it was assumed that the change in composition due to dissolution was negligible.
  • thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 were obtained.
  • thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 are obtained by greatly adjusting the total valence electron number from 24 of the basic structure by slightly adjusting the composition ratio between V and Al.
  • thermoelectric conversion materials of Comparative Examples 3 and 4 are (Fe 2/3 V 1/3 ) 3-n Al 1 + n described in Patent Document 1 in which the composition ratio of the three elements is adjusted without substitution with other elements.
  • n 0.012 and 0.02
  • n ⁇ 0.008, ⁇ 0.016, and ⁇ 0.008.
  • Other conditions are the same as those in Examples 1 and 2.
  • the thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated as follows. (X-ray diffraction) In order to determine the structure of each material, X-ray diffraction was performed using the powder produced by the above method. CuK ⁇ rays were used for the evaluation.
  • FIG. 2 shows the relationship between temperature and electrical resistivity
  • thermoelectric conversion material of Example 1 since the thermoelectric conversion material of Example 1 is 0 ⁇ z ⁇ 0.2, the total valence electron number is less than 24, and the sign of the Seebeck coefficient is positive and p-type.
  • thermoelectric conversion material of Comparative Example 3 also has a p-type Seebeck coefficient, but the maximum value of the Seebeck coefficient is around 70 ⁇ V / K, and the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is It can be seen that it is around 400K.
  • the peak value of the absolute value of the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material of Example 1 is equal to or greater than that of the thermoelectric conversion material of Comparative Example 3, It can be seen that the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is high.
  • thermoelectric conversion material of Example 1 has an absolute value of Seebeck coefficient of 50 ⁇ V / K or more in the middle temperature range of 500 to 700 K, and the thermoelectric conversion material of Comparative Example 3 estimated from FIG. It is estimated that it is higher than the Seebeck coefficient.
  • the temperature and Seebeck coefficient The relationship is shown in FIG. 5, and the relationship between temperature and electrical resistivity is shown in FIG.
  • thermoelectric conversion material of Example 2 has ⁇ 0.2 ⁇ z ⁇ 0, so the total valence electron number exceeds 24, and the sign of the Seebeck coefficient is negative and n-type.
  • the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks shifts to the higher temperature side, and in the composition where z ⁇ 0.12, the peak temperature is 580 K.
  • thermoelectric conversion material of Comparative Example 4 also has a negative Seebeck coefficient and an n-type, but the value when the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is around ⁇ 40 to ⁇ 130 ⁇ V / K. It can be seen that the temperature at that time is around 250K.
  • thermoelectric conversion material of Example 2 has a peak value of the absolute value of the Seebeck coefficient equal to or higher than that of the thermoelectric conversion material of Comparative Example 4, It can be seen that the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient peaks is high.
  • the thermoelectric conversion material of Example 2 has an absolute value of Seebeck coefficient in the middle temperature range of 500 to 700K of 50 ⁇ V / K or more and z of ⁇ 0.12 or more and ⁇ 0.05 or less.
  • the absolute value is 90 ⁇ V / K or more and z is ⁇ 0.12 or more and ⁇ 0.08 or less
  • the absolute value is 100 ⁇ V / K or more
  • the thermoelectric conversion material of Comparative Example 4 inferred from FIG.
  • the absolute value of the Seebeck coefficient is estimated to be higher.
  • thermoelectric conversion material of Example 2 has an electrical resistivity of 700 K or less that decreases as z decreases, that is, as the V composition increases.
  • the substitution amount ⁇ is further increased in order to set the peak temperature to 400 K or more.
  • precipitation occurs. Since a product is generated, it is difficult to set the peak temperature to 400K or higher while suppressing the generation of precipitates.
  • a result is shown in Drawing 8.
  • Drawing 8 a thing about a thing with high peak temperature in a thermoelectric conversion material of comparative examples 1 and 3 is also shown collectively.
  • the output value of the Bi-Te p-type thermoelectric conversion material is larger than the representative value of 3.0 ⁇ 10 ⁇ 3 W / mK 2 .
  • it is 05 to 0.12, it is 1.4 ⁇ 10 ⁇ 3 W / mK 2 or more, and the result of (Fe 2/3 V 1/3 ) 2.988 Al 1.012 of Comparative Example 3 in FIG. It is estimated that the value of the output factor derived by drawing a virtual extension line to the range of 500 to 700K with respect to the result of Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al of Comparative Example 1 is higher.
  • the temperature dependence of the output factor Asked The result is shown in FIG.
  • FIG. 9 the result about what has high peak temperature in the thermoelectric conversion material of the comparative examples 2 and 4 is also shown collectively.
  • the output factor of Bi-Te n-type thermoelectric conversion material which is a novel thermoelectric conversion material, is 4.0 x 10 -3 W / mK 2 to 5.0 x 10 -3 W / mK 2 is there.
  • the peak temperature increases to 550K.
  • the value of the output factor derived by drawing a virtual extension line to the range of 500 to 700K with respect to the result of (Fe 2/3 V 1/3 ) 3.028 Al 0.972 of Comparative Example 4 in FIG. Is estimated to be higher.
  • thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 are composed only of Fe, V, and Al, and are composed of a combination of inexpensive and non-toxic elements.
  • thermoelectric conversion materials of Examples 1 and 2 it can be said that the temperature range in which good power generation efficiency is exhibited is higher than the thermoelectric conversion materials of Comparative Examples 3 and 4, respectively.
  • thermoelectric conversion material in which z ⁇ 0.05 to ⁇ 0.12 of the thermoelectric conversion material of Example 2, compared with the thermoelectric conversion material of Comparative Example 2, it is more in the middle temperature range of 500 to 700K. Good power generation efficiency can be demonstrated.
  • the present invention can be used for a power generation device or the like using waste heat in an intermediate temperature range, such as an engine of a car or a motorcycle, a household fuel cell or a gas cogeneration.

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Abstract

【課題】Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対して、他の元素で置換せずに３元素の組成比を調整した化合物からなり、良好な発電効率が発揮される温度域が高いＦｅ２ＶＡｌ系熱電変換材料を提供する。 【解決手段】ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ2ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（０．０３≦ｚ≦０．１２）もしくは一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（－０．１２≦ｚ≦－０．０３）を満たすように、化学組成比が調整されたものとする。前者の場合、ｐ型となり、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４００Ｋ以上となる。後者の場合、ｎ型となり、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が３１０Ｋ以上となる。

Description

熱電変換材料
　　本発明は熱電変換材料に関する。
　熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料として熱電変換材料がある。この熱電変換材料はｎ型又はｐ型の二種類に大別される。ｎ型の熱電変換材料とｐ型の熱電変換材料とを電気的に直列、熱的に並列となるよう交互に配置、結線すれば、熱電変換素子が得られる。この熱電変換素子の両面間に温度差を与えれば、発電を行うことが可能となる。また、熱電変換素子の両端子間に電圧を印加すれば、両面間に温度差が発生する。
　一般的な熱電変換材料としてＢｉ－Ｔｅ系金属間化合物があり、これは高いゼーベック係数、つまり、比較的良好な発電効率を有することから広く用いられている（非特許文献１）。また、他の一般的な熱電変換材料としてＰｂ－Ｔｅ系金属間化合物や、Ｚｎ－Ｓｂ系金属間化合物があり、金属間化合物以外の熱電変換材料として、酸化物系の熱電変換材料がある（非特許文献１）。
　また、本願発明者らは特許文献１記載の熱電変換材料を提案した。この熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４である基本構造に対し、構成元素の一部を他の元素で置換せずに化学組成比を調整したり、構成元素の一部を他の元素で置換したりし、化学式当たりの総価電子数を制御したものである。基本構造としては、Ｆｅ2ＶＡｌを挙げた。構成元素の一部を他の元素で置換せずに組成比を調整したものは、（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１+ｎ、ｎ＝－０．０４８～０．０５２であり、この総価電子数は２３．７９～２４．１９である（特許文献１中の試験例１）。
　また、発明者らは特許文献２記載の熱電変換材料も提案した。この熱電変換材料は、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対し、構成元素の一部を他の元素で置換するとともに、置換する元素の原子量等を制御したものである。
　これらの提案に係るＦｅ2ＶＡｌ系熱電変換材料は、総価電子数が２４以上でｎ型、２４以下でｐ型となる。例えば、総価電子数が２４以上となるｎ型のＦｅ2Ｖ（Ａｌ1-αＭα）（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｎ、０＜α＜１）は、ゼーベック係数が約－１２０μＶ／Ｋの高い値を示す（特許文献１、２、非特許文献２）。一方、総価電子数が２４以下となるｐ型のＦｅ2（Ｖ1-αＭα）Ａｌ（Ｍ＝Ｔｉ、０＜α＜１）は、ゼーベック係数が約＋８０μＶ／Ｋである（特許文献１、非特許文献３）。
　また、熱電変換材料として、より良好な発電効率の熱電変換材料が望まれている。このため、発明者らは、特許文献３において、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対し、Ｆｅ及びＶのそれぞれ少なくとも一部を他の元素で置換した熱電変換材料を提案した。
　この熱電変換材料においては、Ｆｅに替えて置換する他の元素がＭ1である場合には、元素Ｍ1が周期表における第４～６周期の７～１０族からなる群から選ばれ、Ｖに替えて置換する他の元素がＭ2である場合には、元素Ｍ2が周期表における第４～６周期の４～６族からなる群から選ばれる。また、この熱電変換材料は、元素Ｍ1及び元素Ｍ2の置換量は、一般式（Ｆｅ1-αＭ1α）2（Ｖ1-βＭ2β）Ａｌを満たす０＜α＜１及び０＜β＜１の範囲内で調整される。さらに、この熱電変換材料は、化学式当たりの総価電子数が２４未満になるようにしてｐ型に制御され、２４を超えるようにしてｎ型に制御される。例えば、Ｍ1がＩｒ、Ｍ2がＴｉの熱電変換材料は、ゼーベック係数が約＋９０μＶ／Ｋであり、Ｍ2をＴｉとして置換しただけの熱電変換材料よりも、出力因子及び性能指数が向上する。
ＷＯ２００３/０１９６８１ 特開２００４－２５３６１８号公報 ＷＯ２００７/１０８１７６
「新教科書シリーズ　熱電変換－基礎と応用－」９６～９７頁、裳華房（２００５）坂田亮編 「擬ギャップ系ホイスラー化合物の熱電特性」まてりあ第４４巻第８号（２００５）６４８～６５３頁、西野洋一著 「擬ギャップ系Ｆｅ2ＶＡｌ合金の熱電特性に及ぼす元素置換効果」日本金属学会誌第６６巻第７号（２００２）７６７～７７１頁、松浦仁・西野洋一・水谷宇一郎・浅野滋著
　ところで、自動車や自動二輪車のエンジン、家庭用燃料電池やガスコージェネレーション等の廃熱を利用する発電装置に熱電変換材料を応用するためには、その熱電変換材料が５００～７００Ｋの中温域において良好な発電効率を発揮することが必要である。
　しかし、上記したＢｉ－Ｔｅ系金属間化合物からなる熱電変換材料は、室温付近で大きなゼーベック係数を示すものの、５００～７００Ｋでの中温域でのゼーベック係数はあまり大きくないことが知られている。また、構成元素であるＢｉやＴｅが高価な金属であるため、高コストとなるだけでなく、ｎ型の熱電変換材料を形成する際にはＳｅが添加されるが、ＳｅやＴｅは毒性を有するため、この熱電変換材料は環境に対する負荷も大きなものとなる。さらに、Ｂｉ－Ｔｅ系金属間化合物からなる熱電変換材料は、耐酸化性や機械的強度が低いことなどから、現実の中温域廃熱への応用を想定した場合には耐久性を保証するための高度な周辺技術が必要となる。このため、Ｂｉ－Ｔｅ系金属間化合物の中温域廃熱への応用は困難である。
　また、上記したＰｂ－Ｔｅ系金属間化合物も、Ｂｉ－Ｔｅ系金属間化合物と同様に構成元素であるＰｂは人体にとって有害有毒であり、また地球環境の観点からも、Ｐｂ－Ｔｅ系金属間化合物の使用は好ましくない。
　また、上記したＺｎ－Ｓｂ系金属間化合物は、特にｐ型半導体であるＺｎＳｂはゼーベック係数が２００μＶ／Ｋと高く、かつ電気抵抗も低いことから古くから熱電半導体として研究されてきた。しかし、材料として低強度かつ低靱性であることから、モジュールへの組み込みを考えると機械的特性を相当に改善しないと実用化は困難であるため、結果的に熱電変換素子の製造コストの高騰化を招来する。
　また、酸化物系の熱電変換材料は、５００～７００Ｋの中温域よりはむしろ１０００Ｋ付近の高温域で高いゼーベック係数を示すという利点を有している。しかし、酸化物系の熱電変換材料は、Ｂｉ―Ｔｅ系熱電変換材料と同様、脆くて加工が困難であるという性質を有する。このため、酸化物系の熱電変換材料を用いて熱電変換素子を製造した場合、やはり切断のための削り代が必要になるとともに、切断時においてインゴットが割れやすく、歩留まりが非常に悪く、熱電変換素子の製造コストの高騰化を招来する。
　一方、特許文献１－３に記載のＦｅ2ＶＡｌ系熱電変換材料は、Ｆｅ、Ｖ、Ａｌの比較的安価な元素からなり、また、各元素は毒性を有さない点で、Ｂｉ－Ｔｅ系金属間化合物やＰｂ－Ｔｅ系金属間化合物よりも優れた熱電変換材料である。また、特許文献１－３に記載の通り、基本構造であるＦｅ2ＶＡｌは、半導体と金属との間に位置づけされる半金属であることから、半導体、酸化物よりも靱性が高く機械的特性に優れている。したがって、特許文献１－３に記載のＦｅ2ＶＡｌ系熱電変換材料は、Ｚｎ－Ｓｂ系金属間化合物や酸化物系の熱電変換材料よりも、機械的特性が優れた熱電変換材料である。
　ただし、特許文献１－３に記載のＦｅ2ＶＡｌ系熱電変換材料のうち、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対し、構成元素の一部を他の元素で置換したものは、Ｆｅ2ＶＡｌよりも構成元素が増えるので、材料コストが増えてしまい、採用する他の元素の種類によって材料コストがさらに高くなってしまうおそれがある。また、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対し、構成元素の一部を他の元素で置換したものは、熱電変換材料のリサイクル時において、他の元素を取り除くことが困難となる。
　このため、特許文献１に記載の（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１＋ｎのように、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対して、他の元素で置換せず、３元素の組成比を調整した化合物で、５００～７００Ｋの中温域において良好な発電効率が発揮されることが望まれる。
　しかし、他の元素で置換していない特許文献１の化合物は、良好な発電効率が発揮される温度域が５００～７００Ｋの中温域よりも低い。このため、３元素の組成比を調整した化合物であって、良好な発電効率が発揮される温度域が、他の元素で置換していない特許文献１に記載の化合物よりも高温側にシフトした熱電変換材料が求められる。
　本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対して、他の元素で置換せずに３元素の組成比を調整した化合物からなり、特許文献１に記載の他の元素で置換せずに３元素の組成比を調整した化合物と比較して、良好な発電効率が発揮される温度域が高い熱電変換材料を提供することを解決すべき課題としている。
　また、本発明は、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対して、他の元素で置換せずに、３元素の組成比を調整した化合物からなり、構成元素の一部を他の元素で置換した化合物と比較して、５００～７００Ｋの中温域での発電効率が向上した熱電変換材料を提供することを他の解決すべき課題としている。
　発明者らが先の出願（特許文献１）で確認したように、ホイスラー合金型の結晶構造をもつＦｅ2ＶＡｌの基本構造は化学式当たりの総価電子数が２４である。すなわち原子当たりの平均電子濃度が２４／４＝６である場合、この熱電変換材料は、フェルミ準位に鋭い擬ギャップをもつ。そして、この基本構造に対し、基本構造のＦｅ、Ｖ及びＡｌの化学組成比調整することによって化学式当たりの総価電子数を制御すれば、フェルミ準位を擬ギャップの中心からシフトさせることができ、ゼーベック係数の符号や大きさを変化させ得る。
　今回、発明者らは、Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造に対して、Ｆｅの組成比を調整せず、ＶとＡｌの２元素のみの組成比を調整した場合に、特許文献１のようにＦｅ、ＶおよびＡｌの３元素全ての組成比を調整する場合と比較して、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度を高温側にシフトさせることができることを見出し、本願発明を完成させるに至った。
　すなわち、請求項１に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚを満たす熱電変換材料であって、
　０．０３≦ｚ≦０．１２とし、かつ、化学式あたりの総価電子数を２４未満、２３．７６以上となるようにｐ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４００Ｋ以上であることを特徴とする。
　請求項２に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（０．０３≦ｚ≦０．１２）を満たすように、化学組成比が調整されていることを特徴とする。
　請求項１、２に記載の熱電変換材料は、化学式あたりの総価電子数が２４未満、２３．７６以上となるようにｐ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４００Ｋ以上となるものである。このため、熱電変換材料は、後述する実施例１と比較例３とを比較してわかるように、特許文献１に記載の他の元素で置換せずにｐ型に制御された化合物と比較して、ゼーベック係数の絶対値のピーク値が同等以上であって、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高いものである（図１、３参照）。
　したがって、請求項１、２に記載の熱電変換材料は、特許文献１に記載の他の元素で置換せずにｐ型に制御された化合物と比較して、良好な発電効率が発揮される温度域が高いものである。
　請求項３に記載のように、ｚのより好ましい範囲は０．０５≦ｚ≦０．１２である。０．０５≦ｚ≦０．１２とすることで、後述する実施例１と比較例２とを比較してわかるように、構成元素の一部を他の元素で置換した化合物と比較して、５００～７００Ｋの中温域での発電効率を向上させることができる（図８参照）。
　また、請求項４に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚを満たす熱電変換材料であって、
　－０．１２≦ｚ≦－０．０３とし、かつ化学式あたりの総価電子数を２４超、２４．２４以下となるようにｎ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が３１０Ｋ以上であることを特徴とする。
　請求項５に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（－０．１２≦ｚ≦－０．０３）を満たすように、化学組成比が調整されていることを特徴とする。
　請求項４、５に記載の熱電変換材料は、化学式あたりの総価電子数が２４超、２４．２４以下となるようにｎ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が３１０Ｋ以上となるものである。このため、熱電変換材料は、後述する実施例２と比較例４とを比較してわかるように、特許文献１に記載の他の元素で置換せずにｎ型に制御された化合物と比較して、ゼーベック係数の絶対値のピーク値が同等以上であって、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高いものである（図３、５参照）。
　したがって、請求項４、５に記載の熱電変換材料は、特許文献１に記載の他の元素で置換せずにｎ型に制御された化合物と比較して、良好な発電効率が発揮される温度域が高いものである。
　請求項６に記載のように、ｚのより好ましい範囲は、－０．１２≦ｚ≦－０．０５である。－０．１２≦ｚ≦－０．０５とすることで、構成元素の一部を他の元素で置換した化合物と比較して、５００～７００Ｋの中温域での発電効率を向上させることができる（図９参照）。
実施例１の熱電変換材料（Ｆｅ２Ｖ１－ｚＡｌ１＋ｚ（ｚ＝０．０３、０．０５、０．０８、０．１２）に係り、温度とゼーベック係数との関係を示すグラフである。 実施例１の熱電変換材料（Ｆｅ２Ｖ１－ｚＡｌ１＋ｚ（ｚ＝０．０３、０．０５、０．０８、０．１２）に係り、温度と電気抵抗率との関係を示すグラフである。 比較例３、４の熱電変換材料（（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１＋ｎ、ｎ＝０．０１２、０．０２、－０．００８、－０．０１６、－０．０２８）に係り、温度とゼーベック係数との関係を示すグラフである。 比較例１の熱電変換材料（Ｆｅ2（Ｖ1-αＴｉα）Ａｌ（α＝０．０３、０．０５、０．１０））に係り、温度とゼーベック係数との関係を示すグラフである。 実施例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝－０．０３、－０．０５、－０．０８、－０．１２））に係り、温度とゼーベック係数との関係を示すグラフである。 実施例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝－０．０３、－０．０５、－０．０８、－０．１２））に係り、温度と電気抵抗率との関係を示すグラフである。 比較例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ（Ａｌ1-βＳｉβ）（β＝０．０３、０．０５、０．１０、０．２０））に係り、温度とゼーベック係数との関係を示すグラフである。 実施例１の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝０．０３、０．０５、０．０８、０．１２）に係り、温度と出力因子との関係を示すグラフである。 実施例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝－０．０３、－０．０５、－０．０８、－０．１２））に係り、温度と出力因子との関係を示すグラフである。
　本発明の熱電変換材料は、例えば以下の製造方法により製造され得る。この製造方法は、上記熱電変換材料を製造可能な元素と構成比率と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おいて溶融又は気化及び固化し、熱電変換材料を得る第２工程とを有する。
　この製造方法で上記熱電変換材料を製造すれば、得られる熱電変換材料は５００～７００Ｋの中温域においても出力因子が比較的高くなる。このため、この製造方法によれば、廃熱回収効率が高く、環境汚染のおそれも少ない熱電変換材料を低廉に製造できる。
　第２工程としては、例えば、原料混合物を真空中や不活性ガス中において溶解させた後で冷却する方法を採用することができる。ｎ型の熱電変換材料又はｐ型の熱電変換材料を可及的に小さな粒径の粉体の集合体とするためには、まず、原料混合物をアーク溶解等により溶解した後に固化することによりインゴットを作製し、これを不活性ガス又は窒素ガス雰囲気中で機械的に粉砕してほぼ均粒の粉体を得る方法、溶湯粉化（アトマイズ）やガスアトマイズ法によってほぼ均粒の粉体を得る方法、メカニカルアロイング法により不活性ガス又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ことによってほぼ均粒の粉体を得る方法等を採用することができる。そして、こうして得られた粉体を真空中のホットプレス法、ＨＩＰ（熱間等方圧成形）法、放電プラズマ焼結法、パルス通電法等により焼結することが可能である。ＨＩＰ法により粉体を焼結する場合、例えば８００°Ｃで高圧（１５０ＭＰａ）のアルゴンガスにより圧縮成形と焼結とを同時に進行させ、真密度で固化を行うことができる。また、擬ＨＩＰ法によれば成形プレスを利用して安価に真密度固化を行うことができる。また、ｎ型の熱電変換材料又はｐ型の熱電変換材料を可及的に小さな粒径の結晶粒の集合体とするためには、熱間圧延等の歪加工を行ったり、溶融した原料を急冷したりすること等により結晶粒を小さくする方法を採用することができる。
　本発明の熱電変換材料により熱電変換素子を製造することが可能である。こうして得られる熱電変換素子は、ゼーベック係数の符号が正の上記熱電変換材料がｐ型としての挙動を示し、ゼーベック係数の符号が負の上記熱電変換材料がｎ型としての挙動を示す。これらの熱電変換素子は、熱電変換効率が高く、製造コストの低廉化が可能であり、環境汚染のおそれが少ない。
［実施例１、２］
　実施例１、２の熱電変換材料は、基本構造のＦｅ2ＶＡｌに対し、一般式Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚの調整量ｚが－０．２＜ｚ＜０．２の範囲内で選択されている。
　Ｆｅ2ＶＡｌの基本構造の化学式当たりの総価電子数は、以下の計算により２４である。つまり、Ｆｅの価電子数は４ｓ軌道の２と３ｄ軌道の６との合計８に係数２を乗じた１６である。また、Ｖの価電子数は４ｓ軌道の２と３ｄ軌道の３との合計５である。また、Ａｌの価電子数は３ｓ軌道の２と３ｐ軌道の１との合計３である。これらＦｅ、Ｖ及びＡｌの価電子数の合計２４が基本構造の化学式当たりの総価電子数である。
　この基本構造に対し、一般式Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚで表される化合物において、０＜ｚ＜０．２とすることで、総価電子数は２４未満となり、ｐ型熱電変換材料となる。また、－０．２＜ｚ＜０とすることで、総価電子数は２４を超え、ｎ型熱電変換材料となる。
　一般式Ｆｅ２Ｖ１－ｚＡｌ１＋ｚの調整量ｚについては、具体的には、実施例１ではｚ＝０．０３～０．１２とし、実施例２ではｚ＝－０．０３～－０．１２とした。また、化学式当たりの総価電子数については、実施例１では、ｚ＝０．０３～０．１２であるため、２３．７６～２３．９４となり、実施例２では、ｚ＝－０．０３～－０．１２であるため、２４．２４．０６～２４．２４となる。
　この熱電変換材料は以下のように製造される。まず、上記条件を満たすように、Ｆｅ、Ｖ及びＡｌの３種類の元素を秤量した。これら元素をアルゴンアークを用いて溶解し、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、得られたインゴットを再溶解した。この再溶解を２回以上行い、均質なインゴットを得た。溶解前後での重量変化は０．１％以内であるため、溶解による組成の変化は無視できる程度であると仮定した。
　作製したインゴットに対し、５×１０-3Ｐａ以下の高真空中で１２７３Ｋ×４８ｈｒの均質化処理を行い、短冊状、粉末及びブロック状の各測定形状に成型した。この後、真空中で１２７３Ｋ×１ｈｒの歪取処理と、６７３Ｋ×４ｈｒの規則化処理とを行った。こうして、実施例１、２の熱電変換材料を得た。
　なお、実施例１、２の熱電変換材料は、ＶとＡｌとの間の組成比をわずかに調整するだけで、総価電子数を基本構造の２４から大きくずらしたものである。
　ここで、化学量論組成からの組成比の調整量が小さいほど、固溶体の形態が維持され、化学量論組成からの組成比の調整量が大きいと、析出物が生成し、構成元素の全てが固溶体の形態で存在しなくなる。
　このため、実施例１、２の熱電変換材料は、調整量が小さいので、基本構造が維持されている。
［比較例１］
　比較例１の熱電変換材料は、基本構造のＦｅ2ＶＡｌに対し、Ｖの一部をＴｉで置換し、Ｆｅ2（Ｖ1-αＴｉα）Ａｌ（α＝０．０３、０．０５、０．１０）としたものである。他の条件は実施例１、２と同様である。
［比較例２］
　比較例２の熱電変換材料は、基本構造のＦｅ2ＶＡｌに対し、Ａｌの一部をＳｉで置換し、Ｆｅ2Ｖ（Ａｌ1-βＳｉβ）（β＝０．０３６、０．０５、０．１０、０．２０）としたものである。他の条件は実施例１、２と同様である。
［比較例３、４］
　比較例３、４の熱電変換材料は、他の元素で置換せずに３元素の組成比を調整した特許文献１に記載の（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１＋ｎであり、比較例３ではｎ＝０．０１２、０．０２であり、比較例４ではｎ＝－０．００８、－０．０１６、－０．００８である。他の条件は実施例１、２と同様である。
［評価方法］
　実施例１、２および比較例１～４の熱電変換材料について、以下の評価を行った。
（Ｘ線回折）
　各材料の構造を決定するため、上記方法で作製した粉末を用い、Ｘ線回折を行った。評価にはＣｕＫα線を用いた。これらはＦｅを含む合金系であるため、バックグラウンドを除去する目的でモノクロメータを用いた。この結果、作製した材料はすべてホイスラー構造を有していた。
（ゼーベック係数の測定）
　０．５×０．５×５．０ｍｍ3の試験片を用い、ＭＭＲ－Technologies社製「ＳＢ－１００」にて、ゼーベック係数Ｓ（μＶ／Ｋ）を１００Ｋ～７００Ｋの温度範囲で測定した。ただし、比較例１では１００Ｋ～６００Ｋの温度範囲で測定し（図４参照）、比較例２、３、４では１００Ｋ～４００Ｋの温度範囲で測定した（図３、７参照）。
（電気抵抗率の測定）
　１×１．２×１５ｍｍ3の短冊状試料を用い、直流四端子法にて電気抵抗率ρ（μΩｍ）を測定した。測定温度範囲は液体Ｈｅ温度（４．２Ｋ）から１２７３Ｋまでである。４．２Ｋから室温までは自然昇温して測定を行った。室温から１２７３Ｋまでは、電気炉を用い、５×１０-3Ｐａ以下の真空雰囲気中で０．０５Ｋ／秒で昇温して測定を行った。
（出力因子）
　熱電変換材料を評価する指数として、出力因子：Ｐ＝Ｓ2／ρが挙げられる。ここで、Ｓはゼーベック係数、ρは電気抵抗率である。この値は上記の各測定値とし、出力因子Ｐ（１０-3Ｗ／ｍＫ2）を求めた。
　実施例１の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝０．０３、０．０５、０．０８、０．１２））について、温度とゼーベック係数との関係を図１に示し、温度と電気抵抗率との関係を図２に示す。また、比較例３の熱電変換材料（（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１＋ｎ、ｎ＝０．０１２、０．０２）について、温度とゼーベック係数との関係を図３に示す。
　図１より、実施例１の熱電変換材料は、０＜ｚ＜０．２であるので、総価電子数は２４未満となり、ゼーベック係数の符号は正でｐ型である。ゼーベック係数の最大値は、ｚ＝０．０３となる組成では、４００Ｋにおいて、約１０２μＶ／Ｋの値を示した。さらに、ｚが大きくなるにつれて、つまりＡｌ組成が増加するにつれて、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高温側にシフトしており、ｚ＝０．１２となる組成では、ピーク温度は６００Ｋに達していることがわかる。ｚ＝０．１２となる組成での６００Ｋのときのゼーベック係数は約７０μＶ／Ｋである。
　一方、図３より、比較例３の熱電変換材料も、ゼーベック係数は正でｐ型であるが、ゼーベック係数の最大値は７０μＶ／Ｋ付近であり、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度は４００Ｋ付近であることがわかる。
　したがって、図１と図３とを比較することにより、実施例１の熱電変換材料は、比較例３の熱電変換材料と比較して、ゼーベック係数の絶対値のピーク値が同等以上であって、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高いことがわかる。
　また、図１より、実施例１の熱電変換材料は、５００～７００Ｋの中温域でのゼーベック係数の絶対値は、５０μＶ／Ｋ以上であり、図３から推測される比較例３の熱電変換材料のゼーベック係数よりも高いことが推測される。
　また、図２に示すように、実施例の熱電変換材料は、ｚが大きくなるにつれて、つまりＡｌ組成が増加するにつれて、８００Ｋ以下の電気抵抗率が急激に減少することがわかる。すなわち、５００～７００Ｋの中温域において、ｚ＝０．０３のときよりも、ｚ＝０．０５～０．１２のときの方が電気抵抗率が低いことがわかる。
　比較例１の熱電変換材料（Ｆｅ2（Ｖ1-αＴｉα）Ａｌ（α＝０．０３、０．０５、０．１０））について、温度とゼーベック係数との関係を図４に示す。
　図４より、比較例１の熱電変換材料も、ゼーベック係数は正でｐ型であるが、６００Ｋでのゼーベック係数はα＝０．０３のとき３０μＶ／Ｋ付近であり、α＝０．１０のとき７０μＶ／Ｋ付近であり、６００Ｋにおけるゼーベック係数の絶対値が実施例１よりも小さい場合と実施例１と同程度の場合とがあることがわかる。また、ゼーベック係数がピークとなる温度も最大でα＝０．１０のときの４９０Ｋに過ぎないことがわかる。
　これに対して、実施例１の熱電変換材料は、図１より、ｚ＝０．０５～０．１２のとき、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４９０Ｋよりも高いことがわかる。
　実施例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝－０．０３、－０．０５、－０．０８、－０．１２））について、温度とゼーベック係数との関係を図５に示し、温度と電気抵抗率との関係を図６に示す。また、比較例４の熱電変換材料（（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３－ｎＡｌ１＋ｎ、ｎ＝－０．０２８、－０．０１６、－０．００８）について、温度とゼーベック係数との関係を図３に示す。
　図５より、実施例２の熱電変換材料は、－０．２＜ｚ＜０であるので、総価電子数は２４を超え、ゼーベック係数の符号は負でｎ型である。ゼーベック係数の絶対値の最大値は、ｚ＝－０．０３となる組成では、３１０Ｋにおいて、約－１６１μＶ／Ｋの値を示した。さらに、ｚが小さくなるにつれて、つまりＶ組成が増加するにつれて、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高温側にシフトしており、ｚ＝－０．１２となる組成では、ピーク温度は５８０Ｋに達していることがわかる。ｚ＝－０．１２となる組成での５８０Ｋときのゼーベック係数は約－１２０μＶ／Ｋである。
　一方、図３より、比較例４の熱電変換材料も、ゼーベック係数は負でｎ型であるが、ゼーベック係数の絶対値がピークとなるときの値は－４０～－１３０μＶ／Ｋ付近であり、そのときの温度は２５０Ｋ付近であることがわかる。
　したがって、図５と図３とを比較することにより、実施例２の熱電変換材料は、比較例４の熱電変換材料と比較して、ゼーベック係数の絶対値のピーク値が同等以上であって、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が高いことがわかる。
　また、図５より、実施例２の熱電変換材料は、５００～７００Ｋの中温域でのゼーベック係数の絶対値は、５０μＶ／Ｋ以上であり、ｚが－０．１２以上－０．０５以下の場合、絶対値が９０μＶ／Ｋ以上であり、ｚが－０．１２以上－０．０８以下の場合、絶対値が１００μＶ／Ｋ以上であり、図３から推測される比較例４の熱電変換材料のゼーベック係数の絶対値よりも高いことが推測される。
　また、図６に示すように、実施例２の熱電変換材料は、ｚが小さくなるにつれて、つまりＶ組成が増加するにつれて、７００Ｋ以下の電気抵抗率が減少することがわかる。
　比較例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ（Ａｌ1-βＳｉβ）（β＝０．０３６、０．０５、０．１０、０．２０））について、温度とゼーベック係数との関係を図７に示す。
　図７より、比較例２の熱電変換材料も、ゼーベック係数は負でｎ型であるが、ゼーベック係数がピークとなる温度も最大でβ＝０．２０のときの４００Ｋに過ぎないことがわかる。比較例２の熱電変換材料については、ピークとなる温度を４００Ｋ以上とするために、置換量βをさらに多くすることが考えられるが、構成元素の一部を他の元素で大幅に置換すると析出物が生成するため、析出物の生成を抑制しつつ、ピークとなる温度を４００Ｋ以上とすることは困難である。
　これに対して、実施例２の熱電変換材料は、図５より、ｚ＝－０．０５～－０．１２のとき、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４００Ｋより高いことがわかる。
　実施例１の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝０．０３、０．０５、０．０８、０．１２）について、出力因子の温度依存性を求めた。この結果を図８に示す。なお、図８には、比較例１、３の熱電変換材料におけるピーク温度が高いものについての結果も合わせて示している。
　図８より、実施例１の熱電変換材料の出力因子はｚ＝０．０３のｐ型において４００Ｋで４．２×１０-3Ｗ／ｍＫ2に達しており、従来の代表的な熱電変換材料であるＢｉ－Ｔｅ系ｐ型熱電変換材料の出力因子の代表値３．０×１０-3Ｗ／ｍＫ2を上回る大きさである。
　また、Ａｌ組成が大きくなるにつれて出力因子の値は減少するが、ピークとなる温度は高温側にシフトしており、ｚ＝０．１２ではピーク温度は５８０Ｋまで高くなっている。
　また、実施例１の熱電変換材料の５００～７００Ｋの中温域における出力因子の値は、ｚ＝０．０３のとき、０．９×１０-3Ｗ／ｍＫ2以上であり、ｚ＝０．０５～０．１２のとき、１．４×１０-3Ｗ／ｍＫ2以上であり、図８中の比較例３の（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）２．９８８Ａｌ１．０１２の結果および比較例１のＦｅ2Ｖ０．９Ｔｉ０．１Ａｌの結果に対して５００～７００Ｋの範囲まで仮想延長線を引いて導き出される出力因子の値よりも高いことが推測される。
　実施例２の熱電変換材料（Ｆｅ2Ｖ1-ｚＡｌ1+ｚ（ｚ＝－０．０３、－０．０５、－０．０８、－０．１２））について、出力因子の温度依存性を求めた。この結果を図９に示す。なお、図９には、比較例２、４の熱電変換材料におけるピーク温度が高いものについての結果も合わせて示している。
　同様に、図９より、実施例２の熱電変換材料の出力因子はｚ＝－０．０５のｎ型において３１０Ｋで６．８×１０-3Ｗ／ｍＫ2に達しており、従来の代表的な熱電変換材料であるＢｉ－Ｔｅ系ｎ型熱電変換材料の出力因子の値４．０×１０-3Ｗ／ｍＫ2～５．０×１０-3Ｗ／ｍＫ2をはるかに凌ぐ大きさである。
　また、Ｖ組成が大きくなるにつれて出力因子がピークとなる温度は高温側にシフトしており、ｚ＝－０．１２ではピーク温度は５５０Ｋまで高くなっている。
　また、実施例２の熱電変換材料の５００～７００Ｋの中温域における出力因子の値は、ｚ＝－０．０３～－０．１２のとき、０．５×１０-3Ｗ／ｍＫ2以上であり、図９中の比較例４の（Ｆｅ２／３Ｖ１／３）３．０２８Ａｌ０．９７２の結果に対して５００～７００Ｋの範囲まで仮想延長線を引いて導き出される出力因子の値よりも高いことが推測される。
　また、実施例２の熱電変換材料の５００～７００Ｋの中温域における出力因子の値は、ｚ＝－０．０５～－０．１２のとき、２．５×１０-3Ｗ／ｍＫ2以上であり、図９中の比較例２のＦｅ2ＶＡｌ０．９Ｓｉ０．１の結果に対して５００～７００Ｋの範囲まで仮想延長線を引いて導き出される出力因子の値よりも高いことが推測される。
　そして、実施例１、２の熱電変換材料は、Ｆｅ、Ｖ及びＡｌのみで構成されており、安価で無毒な元素の組み合わせからなる。
　したがって、実施例１、２の熱電変換材料によれば、それぞれ、比較例３、４の熱電変換材料と比べ、良好な発電効率が発揮される温度域が高いと言える。
　また、実施例１の熱電変換材料、特に、ｚ＝０．０５～０．１２である熱電変換材料によれば、比較例１の熱電変換材料と比べ、５００～７００Ｋの中温域においてもより良好な発電効率を発揮可能である。
　また、実施例２の熱電変換材料のうちｚ＝－０．０５～－０．１２である熱電変換材料によれば、比較例２の熱電変換材料と比べ、５００～７００Ｋの中温域においてもより良好な発電効率を発揮可能である。
　本発明は、自動車や自動二輪車のエンジン、家庭用燃料電池やガスコージェネレーション等、中温域の廃熱を利用して発電装置等に利用可能である。

Claims (6)

  1. 　ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚを満たす熱電変換材料であって、
    　０．０３≦ｚ≦０．１２とし、かつ、化学式あたりの総価電子数を２４未満、２３．７６以上となるようにｐ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が４００Ｋ以上であることを特徴とする熱電変換材料。
  2. 　ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（０．０３≦ｚ≦０．１２）を満たすように、化学組成比が調整されていることを特徴とする熱電変換材料。
  3. 　０．０５≦ｚであ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。
  4. 　ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚを満たす熱電変換材料であって、
    　－０．１２≦ｚ≦－０．０３とし、かつ化学式あたりの総価電子数を２４超、２４．２４以下となるようにｎ型に制御され、ゼーベック係数の絶対値がピークとなる温度が３１０Ｋ以上であることを特徴とする熱電変換材料。
  5. 　ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が２４であるＦｅ２ＶＡｌの基本構造に対し、一般式Ｆｅ２Ｖ１－ＺＡｌ１＋Ｚ（－０．１２≦ｚ≦－０．０３）を満たすように、化学組成比が調整されていることを特徴とする熱電変換材料。
  6. 　ｚ≦－０．０５であることを特徴とする請求項４または５に記載の熱電変換材料。
     
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140000669A1 (en) * 2012-06-28 2014-01-02 City University Of Hong Kong Thermo-electric generator module
JP2015216280A (ja) * 2014-05-13 2015-12-03 国立大学法人 名古屋工業大学 熱電変換材料
CN107195768A (zh) * 2016-03-14 2017-09-22 松下电器产业株式会社 热电转换材料及其制造方法
JP2020057727A (ja) * 2018-10-04 2020-04-09 国立研究開発法人物質・材料研究機構 熱電材料、その製造方法およびそれを用いた熱電発電素子

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019681A1 (fr) 2001-08-23 2003-03-06 Nagoya Industrial Science Research Institute Matiere de transduction thermoelectrique, procede de preparation de cette derniere et transducteur thermoelectrique
JP2004253618A (ja) 2003-02-20 2004-09-09 Japan Science & Technology Agency 熱電変換材料
WO2007108176A1 (ja) 2006-03-17 2007-09-27 National University Corporation Nagoya Institute Of Technology 熱電変換材料
JP2009087984A (ja) * 2007-09-27 2009-04-23 Toshiba Corp 熱電変換材料およびこれを用いた熱電変換素子

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6069312A (en) * 1994-01-28 2000-05-30 California Institute Of Technology Thermoelectric materials with filled skutterudite structure for thermoelectric devices
JPH10163538A (ja) 1996-12-04 1998-06-19 Ngk Insulators Ltd 熱交換器用熱電変換装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019681A1 (fr) 2001-08-23 2003-03-06 Nagoya Industrial Science Research Institute Matiere de transduction thermoelectrique, procede de preparation de cette derniere et transducteur thermoelectrique
JP2004253618A (ja) 2003-02-20 2004-09-09 Japan Science & Technology Agency 熱電変換材料
WO2007108176A1 (ja) 2006-03-17 2007-09-27 National University Corporation Nagoya Institute Of Technology 熱電変換材料
JP2009087984A (ja) * 2007-09-27 2009-04-23 Toshiba Corp 熱電変換材料およびこれを用いた熱電変換素子

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"New Textbook Series; Thermoelectric Energy Conversion -Theory and Applications", 2005, SHOKABO PUBLISHING CO., LTD., pages: 96 - 97
H. MATSUURA; Y. NISHINO; U. MIZUTANI; S. ASANO: "Doping Effects on Thermoelectric Properties on Pseudogap Fe2VAl alloy", J. JAPAN INST. METALS, vol. 66, no. 7, 2002, pages 767 - 771
See also references of EP2615654A4
Y. NISHINO: "Thermoelectric Properties of Pseudogap Heusler Compounds", MATERIA JAPAN, vol. 44, no. 8, 2005, pages 648 - 653

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140000669A1 (en) * 2012-06-28 2014-01-02 City University Of Hong Kong Thermo-electric generator module
US10062825B2 (en) * 2012-06-28 2018-08-28 City University Of Hong Kong Thermo-electric generator module
JP2015216280A (ja) * 2014-05-13 2015-12-03 国立大学法人 名古屋工業大学 熱電変換材料
CN107195768A (zh) * 2016-03-14 2017-09-22 松下电器产业株式会社 热电转换材料及其制造方法
JP2020057727A (ja) * 2018-10-04 2020-04-09 国立研究開発法人物質・材料研究機構 熱電材料、その製造方法およびそれを用いた熱電発電素子
JP7209957B2 (ja) 2018-10-04 2023-01-23 国立研究開発法人物質・材料研究機構 熱電材料、その製造方法およびそれを用いた熱電発電素子

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