JP6705114B2 - Thermoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and thermoelectric conversion module - Google Patents
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Description
本発明は、コルーサイトを熱電変換材料として用いる熱電変換素子とその製造方法及び前記熱電変換素子を有する熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element that uses corusite as a thermoelectric conversion material, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric conversion module including the thermoelectric conversion element.
熱電変換とは、固体の熱電変換素子を用いて熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する技術である。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術は、熱電発電と呼ばれ、熱電効果の1つであるゼーベック効果に基づく。熱電発電では、熱電変換素子の両端間の温度差が電気エネルギーに直接変換される。この熱電発電を利用して、工場や自動車から排出されている膨大な未利用熱エネルギーを回収し、そこから電力を生み出すことで、化石燃料の消費量低減、即ち、CO2削減及び省エネルギーに大いに貢献できる。
Thermoelectric conversion is a technique of mutually converting thermal energy and electric energy using a solid thermoelectric conversion element.
The technique of converting heat energy into electric energy is called thermoelectric power generation, and is based on the Seebeck effect, which is one of the thermoelectric effects. In thermoelectric power generation, the temperature difference between both ends of the thermoelectric conversion element is directly converted into electric energy. By utilizing this thermoelectric power generation, a huge amount of unused thermal energy emitted from factories and automobiles is recovered and electric power is generated from it, greatly reducing fossil fuel consumption, that is, CO 2 reduction and energy saving. I can contribute.
一方、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換は、もう一つの熱電効果であるペルチェ効果に由来し、冷却や精密温調に応用されている。ここでは、ペルチェ効果に由来する電気エネルギーから熱エネルギーへの変換をペルチェ冷却と称する。ペルチェ冷却では、熱電変換素子に電流を通電した際に熱電変換素子の片端が冷却される現象を用いている。このペルチェ冷却は、冷却にフロンガスなどの冷媒を必要としない点、機械的駆動部がない点、及び電流制御に基づく冷却温度を精密に制御できる点を長所としている。 On the other hand, the conversion of electric energy into heat energy originates from the Peltier effect, which is another thermoelectric effect, and is applied to cooling and precise temperature control. Here, the conversion of electric energy derived from the Peltier effect into thermal energy is called Peltier cooling. The Peltier cooling uses a phenomenon in which one end of the thermoelectric conversion element is cooled when a current is applied to the thermoelectric conversion element. This Peltier cooling is advantageous in that it does not require a refrigerant such as CFC gas for cooling, it has no mechanical drive unit, and that it can precisely control the cooling temperature based on current control.
前記熱電発電及び前記ペルチェ冷却の双方に用いられる前記熱電変換素子は、熱電変換材料で形成される熱電変換材料層と電極材料で形成される電極層から形成され、前記熱電変換素子を用いて熱電変換モジュール、即ち、熱電発電モジュール/ペルチェ冷却モジュールを構成することができる。具体的には、例えば、P型熱電変換素子(電荷を運ぶキャリアが正孔)と、N型熱電変換素子(電荷を運ぶキャリアが電子)を、電気及び熱を効率的に伝える、例えば金属部材を用いて熱的には並列に電気的には直列に接続することにより、熱電変換モジュール(熱電発電モジュール/ペルチェ冷却モジュール)を構成することができる。
前記熱電変換モジュールとしては、通常、大きな発電効果又は冷却効果を得るために、一対の前記P型熱電変換素子と前記N熱電変換素子を複数組み合わせて構成されるが、一対の前記P型熱電変換素子と前記N熱電変換素子だけでも熱電変換モジュールとして機能する。ここでは、一対の前記P型熱電変換素子と前記N熱電変換素子から構成される熱電変換モジュールに加え、一対の前記P型熱電変換素子と前記N熱電変換素子を複数組み合わせて構成される熱電変換モジュールも前記熱電変換モジュールの概念に含まれることとする。
The thermoelectric conversion element used for both the thermoelectric power generation and the Peltier cooling is formed from a thermoelectric conversion material layer formed of a thermoelectric conversion material and an electrode layer formed of an electrode material, and the thermoelectric conversion element is used. A conversion module, ie a thermoelectric generation module/Peltier cooling module, can be constructed. Specifically, for example, a P-type thermoelectric conversion element (charge-carrying carriers are holes) and an N-type thermoelectric conversion element (charge-carrying carriers are electrons) are efficiently transmitted, for example, a metal member. A thermoelectric conversion module (thermoelectric power generation module/Peltier cooling module) can be configured by connecting the components in a thermally parallel manner and electrically in a serial manner.
The thermoelectric conversion module is usually configured by combining a plurality of pairs of the P-type thermoelectric conversion elements and the N-type thermoelectric conversion elements in order to obtain a large power generation effect or a cooling effect. The element and the N thermoelectric conversion element alone function as a thermoelectric conversion module. Here, in addition to a thermoelectric conversion module configured by a pair of the P-type thermoelectric conversion element and the N thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion configured by combining a plurality of pairs of the P-type thermoelectric conversion element and the N thermoelectric conversion element. Modules are also included in the concept of the thermoelectric conversion module.
前記熱電変換材料の性能は、無次元熱電変換性能指数ZT(熱電性能指数ZTとも称される)として表すことができ、このZTが高いほど性能が優れている。無次元熱電変換性能指数ZTは、次式、ZT=S2T/ρκで表され、Sは、前記熱電変換材料のゼーベック係数を示し、Tは、絶対温度を示し、ρは、前記熱電変換材料の電気抵抗率を示し、κは、前記熱電変換材料の熱伝導率を示す。 The performance of the thermoelectric conversion material can be expressed as a dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT (also referred to as thermoelectric performance index ZT), and the higher this ZT, the better the performance. The dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT is represented by the following equation, ZT=S 2 T/ρκ, S represents the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, T represents the absolute temperature, and ρ represents the thermoelectric conversion. Indicates the electrical resistivity of the material, and κ indicates the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material.
前記電極材料としては、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高く、高温でも電極自体が化学的に安定であることが求められる。また、前記電極材料としては、前記熱電変換材料層との間で化学反応を生じないことが求められるばかりでなく、前記電極層の前記熱電変換材料層と接合する面と反対側の面に配される接合電極との間でも化学的反応を生じないことが求められる。更に、前記熱電変換材料層と前記接合電極との間の応力を緩和する役割が求められる。 The electrode material is required to have low electrical resistivity, high thermal conductivity, and the electrode itself being chemically stable even at high temperatures. In addition, the electrode material is required not to cause a chemical reaction with the thermoelectric conversion material layer, and is also disposed on the surface of the electrode layer opposite to the surface to be joined to the thermoelectric conversion material layer. It is required that a chemical reaction does not occur even with the junction electrode to be formed. Furthermore, a role of relieving stress between the thermoelectric conversion material layer and the bonding electrode is required.
前記P型熱電変換素子を形成する前記熱電変換材料として、化学組成がCu26−xMxA2E6S32(ただし、Mは、Mn、Fe、Co、Ni及びZnの少なくともいずれかを含む金属材料を示し、Aは、V、Nb及びTaの少なくともいずれかを含む金属材料を示し、Eは、Si、Ge及びSnの少なくともいずれかを含む金属材料を示し、xは、0〜5の数値を示す)で表される「コルーサイト」が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。 As the thermoelectric conversion material forming the P-type thermoelectric conversion elements, the chemical composition Cu 26-x M x A 2 E 6 S 32 ( although, M is, Mn, Fe, Co, at least one of Ni and Zn A represents a metal material containing, A represents a metal material containing at least one of V, Nb and Ta, E represents a metal material containing at least one of Si, Ge and Sn, and x represents 0 to 5 The "corusite" represented by the formula (1) is proposed (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
前記コルーサイトは、低毒性であり、かつ地殻埋蔵量が多い銅(Cu)と硫黄(S)とを主成分として構成され、高い環境調和性を有し、さらに高い無次元熱電変換性能指数ZTを示すとともに、比較的軽量(約4.7g・cm−3)であるという優れた特徴を有している。
しかし、前記コルーサイトは、他の物質と反応性の高い硫黄(S)を主成分として含むため、前記熱電変換材料として前記コルーサイトを用いて前記熱電変換素子及び前記熱電変換モジュールを製造すると、前記コルーサイトと前記電極材料とが反応して前記熱電変換材料層と前記電極層との界面に高抵抗相が生じたり、使用時に前記コルーサイトと前記電極材料とが反応して前記熱電変換材料層が変質する不良が発生するおそれがある。
The corusite is composed mainly of copper (Cu) and sulfur (S), which are low in toxicity and have large crustal reserves, have high environmental harmony, and have a higher dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT. And has an excellent feature that it is relatively lightweight (about 4.7 g·cm −3 ).
However, since the corusite contains sulfur (S) having high reactivity with other substances as a main component, when the thermoelectric conversion element and the thermoelectric conversion module are manufactured by using the corusite as the thermoelectric conversion material, The corusite and the electrode material react to generate a high resistance phase at the interface between the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer, or the corusite and the electrode material react to each other during use to generate the thermoelectric conversion material. There is a possibility that defects may occur in which the layers are altered.
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、前記コルーサイトで形成される前記熱電変換材料層と前記電極層とが安定して接合可能で、高温環境下での使用時に前記熱電変換材料の変質が抑えられ、安定して製造可能な熱電変換素子とその製造方法及び前記熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art, enables stable bonding of the thermoelectric conversion material layer formed of the corusite and the electrode layer, and the thermoelectric conversion material when used in a high temperature environment. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion element capable of being stably manufactured by suppressing deterioration of the material, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element.
前記課題を解決するため、本発明者は、前記コルーサイトで形成される前記熱電変換材料層と前記電極層とが安定して接合可能で、高温環境下での使用時に前記熱電変換材料の変質が抑えられ、前記熱電変換材料層を有する前記熱電変換素子として安定して製造可能な前記電極材料について鋭意検討を行った。
その結果、前記コルーサイトには、未だ知られていない特性が多く残されており、好適な電極材料の選定が難航したが、試行錯誤の結果、幾つかの電極材料で前記電極層を形成すると、前記課題を解決できることの知見を得た。
In order to solve the above problems, the present inventor has made it possible to stably bond the thermoelectric conversion material layer formed of the corusite and the electrode layer, and to modify the thermoelectric conversion material during use in a high temperature environment. Therefore, the inventors have made earnest studies on the electrode material that can be stably manufactured as the thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material layer.
As a result, the corusite has many properties that have not yet been known, and it has been difficult to select a suitable electrode material. However, as a result of trial and error, if the electrode layer is formed of several electrode materials. We have found that the above problems can be solved.
本発明は、前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 下記化学式(1)で表される熱電変換材料で形成される熱電変換材料層と、前記熱電変換材料層と接合されTi、Pt及びAuの少なくともいずれかを含む電極材料で形成される電極層と、を有することを特徴とする熱電変換素子。
<2> 化学式(1)中のxが、0である前記<1>に記載の熱電変換素子。
<3> 熱電変換材料が、化学式(1)中のAがNbであり、かつ、EがSi、Ge及びSnのいずれかである化合物、並びに、前記化学式(1)中の前記AがV及びTaのいずれかであり、かつ、前記EがSnである化合物のいずれかである前記<1>から<2>のいずれかに記載の熱電変換素子。
<4> 電極材料が、Auを含む前記<1>から<3>のいずれかに記載の熱電変換素子。
<5> 前記<1>から<4>のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法であって、熱電変換材料層と電極層とが積層された積層構造体を形成する積層構造体形成工程と、前記積層構造体を加熱して前記熱電変換材料層を焼結させるとともに、前記熱電変換材料層と電極層とを接合させる加熱工程と、を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
<6> 加熱工程における加熱温度が、400℃〜1,050℃である前記<5>に記載の熱電変換素子の製造方法。
<7> 加熱工程における加熱を加圧下で実施する前記<5>から<6>のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法。
<8> 加圧する圧力が、小さくとも10MPaである前記<7>に記載の熱電変換素子の製造方法。
<9> 前記<1>から<4>のいずれかに記載の熱電変換素子をP型熱電変換素子として有することを特徴とする熱電変換モジュール。
The present invention is based on the above findings, and means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> A thermoelectric conversion material layer formed of a thermoelectric conversion material represented by the following chemical formula (1), and an electrode material that is bonded to the thermoelectric conversion material layer and contains at least one of Ti, Pt, and Au. An electrode layer, and a thermoelectric conversion element.
<2> The thermoelectric conversion element according to <1>, wherein x in the chemical formula (1) is 0.
<3> A compound in which A in the chemical formula (1) is Nb and E is any one of Si, Ge, and Sn in the thermoelectric conversion material, and the A in the chemical formula (1) is V and The thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <2>, wherein the thermoelectric conversion element is one of Ta and is one of the compounds in which E is Sn.
<4> The thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <3>, wherein the electrode material contains Au.
<5> The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <4>, wherein a laminated structure forming step of forming a laminated structure in which a thermoelectric conversion material layer and an electrode layer are laminated And a heating step of heating the laminated structure to sinter the thermoelectric conversion material layer and joining the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer to each other, and a method of manufacturing a thermoelectric conversion element. ..
<6> The method for producing a thermoelectric conversion element according to <5>, wherein the heating temperature in the heating step is 400°C to 1,050°C.
<7> The method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of <5> to <6>, wherein the heating in the heating step is performed under pressure.
<8> The method for producing a thermoelectric conversion element according to <7>, wherein the pressure applied is at least 10 MPa.
<9> A thermoelectric conversion module comprising the thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <4> as a P-type thermoelectric conversion element.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、前記コルーサイトで形成される前記熱電変換材料層と前記電極層とが安定して接合可能で、高温環境下での使用時に前記熱電変換材料の変質が抑えられ、安定して製造可能な熱電変換素子とその製造方法及び前記熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the said various problems in a prior art can be solved, the said thermoelectric conversion material layer and the said electrode layer which are formed by the said corusite can be joined stably, and it uses under high temperature environment. It is possible to provide a thermoelectric conversion element that can suppress the deterioration of the thermoelectric conversion material and can be stably manufactured, a method for manufacturing the thermoelectric conversion element, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element.
(熱電変換素子)
本発明の熱電変換素子は、熱電変換材料層と、電極層とを有する。
(Thermoelectric conversion element)
The thermoelectric conversion element of the present invention has a thermoelectric conversion material layer and an electrode layer.
<熱電変換材料層>
前記熱電変換材料層は、下記化学式(1)で表される熱電変換材料で形成される層である。
<Thermoelectric conversion material layer>
The thermoelectric conversion material layer is a layer formed of a thermoelectric conversion material represented by the following chemical formula (1).
前記化学式(1)で表される前記熱電変換材料は、天然硫化銅鉱物の一種であるコルーサイトと同じ結晶構造を有することから「コルーサイト」と呼ばれ、低毒性であり、かつ地殻埋蔵量が多い銅(Cu)と硫黄(S)とを主成分として構成され、高い無次元熱電変換性能指数ZTを示すとともに、比較的軽量(約4.7g・cm−3)であるとの特徴を有する。前記無次元熱電変換性能指数ZTに関し、本発明者らは、前記熱電変換材料が75℃〜400℃の広い温度範囲において0.2〜0.7の高い値を示すことを確認している。 The thermoelectric conversion material represented by the chemical formula (1) is called "corusite" because it has the same crystal structure as corusite, which is a kind of natural copper sulfide mineral, and has low toxicity and crustal reserves. Is composed mainly of copper (Cu) and sulfur (S), has a high dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT, and is relatively lightweight (about 4.7 g·cm −3 ). Have. Regarding the dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT, the present inventors have confirmed that the thermoelectric conversion material exhibits a high value of 0.2 to 0.7 in a wide temperature range of 75°C to 400°C.
コルーサイトの前記化学式(1)中のMは、コルーサイト中の電荷を運ぶキャリアの量を調整するためのドーパントとして働く。コルーサイトの前記化学式(1)中のxとしては、0〜5の範囲の数値であれば前記Mが前記ドーパントとして働くので特に制限はないが、高い無次元熱電変換性能指数ZTが得られることから、0であることが好ましい。
なお、前記x、即ち、前記化学式(1)における置換量としては、5である場合であっても全組成に対して8%であり、前記電極層に対する前記コルーサイトの物理的及び化学的な安定性に大きな影響を与えず、この組成の化合物であっても前記電極層に対して化学的な安定性を得ることができ、前記熱電変換材料として用いることができる。
M in the above-mentioned chemical formula (1) of corusite acts as a dopant for adjusting the amount of charge-carrying carriers in corusite. As x in the chemical formula (1) of corusite, if M is a numerical value in the range of 0 to 5, the M acts as the dopant and is not particularly limited, but a high dimensionless thermoelectric conversion performance index ZT can be obtained. Therefore, 0 is preferable.
The x, that is, the substitution amount in the chemical formula (1) is 8% with respect to the total composition even when the substitution amount is 5, and the physical and chemical ratio of the corusite to the electrode layer is high. Even if the compound having this composition does not exert a great influence on the stability, it is possible to obtain chemical stability with respect to the electrode layer, and it can be used as the thermoelectric conversion material.
また、前記熱電変換材料としては、特に制限はないが、コルーサイトの特徴である高い環境調和性と高い無次元熱電変換性能指数ZTが得られることから、前記化学式(1)中の前記AがNbであり、かつ、前記EがSi、Ge及びSnのいずれかである化合物、並びに、前記化学式(1)中の前記AがV及びTaのいずれかであり、かつ、前記EがSnである化合物のいずれかであることが好ましい。
なお、前記Aの各元素及び前記Eの各元素はそれぞれ、周期律表において同じ族に属する元素であり、同じ価数のイオン状態をとり、また、同等の電気陰性度を示すことから、前記Aの各元素及び前記Eの各元素としては、これら好適な化合物における選択と異なる選択をした場合でも、前記電極層に対して化学的な安定性を得ることができる。
Further, the thermoelectric conversion material is not particularly limited, but since the high environmental harmony and the high dimensionless thermoelectric conversion index ZT, which are characteristics of corusite, can be obtained, the A in the chemical formula (1) is A compound which is Nb and E is any one of Si, Ge and Sn, and the A in the chemical formula (1) is any one of V and Ta, and the E is Sn. It is preferably any of the compounds.
Each element of A and each element of E are elements belonging to the same group in the periodic table, have the same valence ionic state, and show the same electronegativity. Each element of A and each element of E can be chemically stable with respect to the electrode layer even when a selection different from the selection of these suitable compounds is made.
前記熱電変換材料層の形成方法としては、特に制限はなく、公知の形成方法、例えば、非特許文献1,2等に記載の形成方法により形成することができる。 The method for forming the thermoelectric conversion material layer is not particularly limited, and it can be formed by a known forming method, for example, the forming methods described in Non-Patent Documents 1 and 2.
<電極層>
前記電極層は、前記熱電変換材料層と接合されTi、Pt及びAuの少なくともいずれかを含む電極材料で形成される層である。
<Electrode layer>
The electrode layer is a layer that is bonded to the thermoelectric conversion material layer and is made of an electrode material containing at least one of Ti, Pt, and Au.
Ti、Pt及びAuは、前記コルーサイトに対して化学的に反応せず安定的であることが確認され、また、前記コルーサイトの合成温度(1,050℃)を超える融点を有し、高温条件下においても前記コルーサイトに対して化学的に安定であることが確認されている。
これら元素を含む前記電極材料は、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高いため、前記電極層を形成する材料として好適な材料であるが、これら元素の中でも、より低い電気抵抗を得る観点からAuが特に好ましい。
なお、前記電極材料としては、前記コルーサイトに対して化学的に安定であれば、Ti、Pt及びAuの少なくともいずれかの元素を主成分とし、これら元素以外の元素を少量含むこととしてもよい。
It was confirmed that Ti, Pt, and Au are stable without chemically reacting with the corusite, and have a melting point higher than the synthesis temperature of the corusite (1,050° C.) and have a high temperature. It has been confirmed that it is chemically stable against the corusite even under the conditions.
The electrode material containing these elements is a material having a low electric resistivity and a high thermal conductivity, and thus is a suitable material as a material for forming the electrode layer, but among these elements, from the viewpoint of obtaining a lower electric resistance. Au is particularly preferred.
The electrode material may be composed of at least one of Ti, Pt, and Au as a main component and may contain a small amount of an element other than these elements as long as it is chemically stable to the corusite. ..
また、前記電極材料としては、特に制限はなく、公知の製造方法で製造されたものや市販品を用いることができ、前記電極層の形成に際し、粉末状、箔状、板状等の状態に加工されたものを用いることができる。 The electrode material is not particularly limited, and those manufactured by a known manufacturing method or commercial products can be used, and in forming the electrode layer, powder, foil, plate, or the like is used. A processed product can be used.
前記熱電変換素子の一実施形態を図1に示す。図1は、熱電変換素子の構成を説明するための説明図である。なお、図1に示す熱電変換素子10は、一般的な熱電変換素子の素子構成と同様のものである。
熱電変換素子10は、熱電変換材料層1が2つの電極層2a,2bで挟持された構成とされる。
電極層2a,2bは、熱電変換材料層1と、後述する接合電極とを電気的、熱的に接続して、電流や熱を良く伝える一方で、熱電変換材料層1と前記接合電極との反応を抑制する役割、及び熱電変換材料層1と前記接合電極と間の応力を緩和する役割を有する。
One embodiment of the thermoelectric conversion element is shown in FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the thermoelectric conversion element. The thermoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 has the same element configuration as a general thermoelectric conversion element.
The thermoelectric conversion element 10 has a structure in which the thermoelectric conversion material layer 1 is sandwiched between two electrode layers 2a and 2b.
The electrode layers 2a and 2b electrically and thermally connect the thermoelectric conversion material layer 1 and a bonding electrode to be described later, and conduct current and heat well, while connecting the thermoelectric conversion material layer 1 and the bonding electrode. It has a role of suppressing the reaction and a role of relieving the stress between the thermoelectric conversion material layer 1 and the bonding electrode.
(熱電変換素子の製造方法)
本発明の熱電変換素子の製造方法は、本発明の前記熱電変換素子を製造する方法であり、積層構造体形成工程と、加熱工程とを含む。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion element)
The method for producing a thermoelectric conversion element of the present invention is a method for producing the thermoelectric conversion element of the present invention, and includes a laminated structure forming step and a heating step.
<積層構造体形成工程>
前記積層構造体形成工程は、前記熱電変換材料層と前記電極層とが積層された積層構造体を形成する工程である。
前記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前記熱電変換材料の上下両面に粉末状、箔状、板状等の前記電極材料を配する方法が挙げられる。
なお、前記積層構造体形成工程の実施に際し、事前に前記熱電変換材料を適当な加熱温度でアニール処理を行ってもよい。
<Layered structure forming step>
The laminated structure forming step is a step of forming a laminated structure in which the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer are laminated.
The method for carrying out the laminated structure forming step is not particularly limited, and for example, a method of arranging the electrode material in the form of powder, foil, plate, etc. on the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion material solidified into pellets may be used. Can be mentioned.
Note that the thermoelectric conversion material may be annealed in advance at an appropriate heating temperature before the step of forming the laminated structure.
<加熱工程>
前記加熱工程は、前記積層構造体を加熱して前記熱電変換材料層を焼結させるとともに前記熱電変換材料層と前記電極層とを接合させる工程である。
また、前記加熱工程は、前記電極層と接合された状態で焼結される前記熱電変換材料層の密度を向上させる役割を有する。前記熱電変換材料層(前記コルーサイト)の密度を向上させると、低い電気抵抗率が得られ、電気の良伝導体とすることができる。なお、低い電気抵抗率が得られる密度としては、前記コルーサイトの理論密度に対して95%以上が好ましく、98%以上がより好ましい。
<Heating process>
The heating step is a step of heating the laminated structure to sinter the thermoelectric conversion material layer and to bond the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer.
Further, the heating step has a role of improving the density of the thermoelectric conversion material layer that is sintered in a state of being bonded to the electrode layer. When the density of the thermoelectric conversion material layer (corusite) is improved, a low electric resistivity can be obtained, and a good electric conductor can be obtained. The density at which a low electrical resistivity is obtained is preferably 95% or more, more preferably 98% or more, with respect to the theoretical density of corusite.
図2に前記積層構造体の焼結収縮曲線の1例を示す。この焼結収縮曲線は、前記熱電変換材料層と前記電極層とを積層させた状態で加熱し、前記積層構造体の長さが加熱温度によってどの程度収縮するかの測定結果を示したものである。
該図2に示すように、前記熱電変換材料層を構成する前記コルーサイトは、250℃近辺から始まる膨張傾向が鈍化することから理解されるように前記電極層を配した状態で400℃から収縮が始まり、粉末等の状態から焼結体に変わり始め緻密化(密度の向上)が進む。また、550℃からは膨張に対して緻密化に伴う収縮が完全に優ることとなり、全体として収縮傾向となることが確認される。
したがって、前記加熱温度の下限としては、特に制限はないが、前記役割のため、400℃以上が好ましく550℃以上がより好ましい。なお、前記加熱温度の上限としては、前記電極材料の融点及び前記熱電変換材料層の合成温度(1,050℃)未満の温度である。
FIG. 2 shows an example of the sintering shrinkage curve of the laminated structure. This sintering shrinkage curve shows the measurement result of how much the length of the laminated structure shrinks by heating in the state where the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer are stacked and heated. is there.
As shown in FIG. 2, the corusite forming the thermoelectric conversion material layer contracts from 400° C. in the state where the electrode layer is arranged, as understood from the fact that the expansion tendency starting from around 250° C. slows down. Starts to change from a powder state to a sintered body, and densification (improvement of density) proceeds. It is also confirmed that from 550° C., the shrinkage due to the densification is completely superior to the expansion, and the shrinkage tends to occur as a whole.
Therefore, the lower limit of the heating temperature is not particularly limited, but is preferably 400° C. or higher, more preferably 550° C. or higher, because of the above-mentioned role. The upper limit of the heating temperature is lower than the melting point of the electrode material and the synthesis temperature (1,050° C.) of the thermoelectric conversion material layer.
焼結体の製造方法として、外部からの圧力をかけずに焼成する常圧焼結法が広く知られており、一般に良く使用されている(下記参考文献1参照)。
この方法では、温度上昇(加熱)を駆動力(ドライビング・フォース)として、材料を焼結させるとともに、異種材料を接合させることが可能である。即ち、加熱が焼結と接合を促進させるもっとも重要な駆動力である。
加熱に加え加圧しながら焼結を行う加圧焼結法は、炭素化タングステンなどの難焼結体に対しては特に効果を有するが、前記コルーサイトは難焼結体ではないため、加圧焼結法は必須ではなく、前記焼結体と同様に常圧焼結法も適用可能である。前記加圧焼結法では、加熱とともに加圧が駆動力となり、焼結と接合を促進させる。駆動力が加熱だけでは足りない時に、加圧を行う。
即ち、前記コルーサイトは、外部からの圧力をかけないで、400℃以上、融点ないし合成温度(1,050℃)未満の温度での加熱を駆動力として焼結と前記電極層を接合させることが可能である。
参考文献1;(社)日本セラミクス協会編,「セラミック工学ハンドブック」基礎第2編6.「焼成と焼結」、pp202−226(2014)
As a method for producing a sintered body, an atmospheric pressure sintering method in which firing is performed without applying pressure from the outside is widely known and is commonly used (see Reference 1 below).
With this method, it is possible to sinter the materials and join different materials while using the temperature rise (heating) as a driving force (driving force). That is, heating is the most important driving force that promotes sintering and bonding.
The pressure sintering method in which sintering is performed while applying pressure in addition to heating is particularly effective for a difficult-to-sinter material such as tungsten carbide, but since the corusite is not a difficult-to-sinter material, the pressing The sintering method is not essential, and an atmospheric pressure sintering method can be applied as in the case of the sintered body. In the pressure sintering method, pressure acts as a driving force together with heating to accelerate sintering and bonding. When the driving force is not enough for heating, pressurization is performed.
That is, for the corusite, the sintering and the electrode layers are joined by applying a heating force at a temperature of 400° C. or higher and a melting point to a temperature below the synthesis temperature (1,050° C.) as a driving force without applying an external pressure. Is possible.
Reference 1; (Corporation) Japan Ceramics Association, "Ceramic Engineering Handbook", Basic, Volume 2, 6. "Firing and Sintering", pp202-226 (2014)
ただし、焼結時の加圧は、前記熱電変換材料層の密度を向上させる役割を有し、前記熱電変換材料層を形成するうえで有利となる。即ち、前記熱電変換材料層(前記コルーサイト)の密度を向上させると、低い電気抵抗率が得られ、電気の良伝導体とすることができる。
したがって、空隙が少なく高密度な前記熱電変換材料の焼結を実現するとともに、前記熱電変換材料層と前記電極層とを強固に接合させる観点から、前記加熱としては、加圧環境下で実施することが好ましく、10MPa以上の圧力をかけて実施することがより好ましい。
なお、前記加圧焼結法が行われる加圧加熱工程における圧力としては大きい程、前記コルーサイト焼結体の密度の向上が期待でき、更に、前記熱電変換材料層と前記電極層との接合が強固となることから、印加圧力の上限としては、特に制限はなく、例えば、一般的な加圧加熱装置の加圧限界である500MPa程度、コストなどを考慮すると200MPa程度である。
前記加熱温度及び前記圧力の数値範囲で、前記コルーサイトを焼結させると、前記コルーサイトの理論密度に対して98%以上の密度を得ることができる。
However, the pressure applied during sintering has a role of improving the density of the thermoelectric conversion material layer, and is advantageous in forming the thermoelectric conversion material layer. That is, when the density of the thermoelectric conversion material layer (corusite) is improved, a low electric resistivity can be obtained, and a good electric conductor can be obtained.
Therefore, from the viewpoint of realizing high-density sintering of the thermoelectric conversion material with few voids and firmly joining the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer, the heating is performed in a pressurized environment. It is preferable to carry out the treatment by applying a pressure of 10 MPa or more.
Note that the higher the pressure in the pressure heating step in which the pressure sintering method is performed, the higher the density of the corusite sintered body can be expected, and further, the bonding between the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer can be expected. Therefore, the upper limit of the applied pressure is not particularly limited, and is, for example, about 500 MPa which is the pressurizing limit of a general pressurizing and heating apparatus, and about 200 MPa in consideration of cost and the like.
By sintering the corusite within the numerical ranges of the heating temperature and the pressure, a density of 98% or more with respect to the theoretical density of the corusite can be obtained.
なお、前記加熱工程の実施方法としては、特に制限はなく、例えば、公知の加熱装置や加圧加熱装置中に前記積層構造体を配して、これを加熱や加圧加熱する方法が挙げられる。 The method for carrying out the heating step is not particularly limited, and examples thereof include a method of arranging the laminated structure in a known heating device or a pressure heating device, and heating or pressurizing it. .
(熱電変換モジュール)
本発明の熱電変換モジュールは、本発明の前記熱電変換素子をP型熱電変換素子として有して構成される。
以下では、図3を参照しつつ本発明の熱電変換モジュールを具体的に説明する。なお、図3は、熱電変換モジュールの構成を説明するための説明図である。また、図3に示す熱電変換モジュール100は、一般的な熱電変換モジュールのモジュール構成と同様のものである。
(Thermoelectric conversion module)
The thermoelectric conversion module of the present invention is configured to have the thermoelectric conversion element of the present invention as a P-type thermoelectric conversion element.
Hereinafter, the thermoelectric conversion module of the present invention will be specifically described with reference to FIG. Note that FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the thermoelectric conversion module. The thermoelectric conversion module 100 shown in FIG. 3 has the same module configuration as a general thermoelectric conversion module.
熱電変換モジュール100は、本発明の前記熱電変換素子で構成されるP型熱電変換素子20とN型熱電変換素子30の2つの熱電変換素子と、上部にこれら2つの熱電変換素子間を架け渡すように配される1つの上部接合電極13と、P型熱電変換素子20及びN型熱電変換素子30の下部にそれぞれ配される下部接合電極14,14’とで構成され、図3に示すように全体がπ型の形状とされる。上部接合電極13及び下部接合電極14,14’は、前述の接合電極に相当する。
また、P型熱電変換素子20は、熱電変換素子10と同様、熱電変換材料層11が2つの電極層12a,12bで挟持された構成とされる。N型熱電変換素子30としては、公知のN型変換素子を適宜選択することができ、例えば、熱電変換材料層11’が2つの電極層12a’,12b’で挟持された構成とされる。
The thermoelectric conversion module 100 has two thermoelectric conversion elements, that is, the P-type thermoelectric conversion element 20 and the N-type thermoelectric conversion element 30, which are composed of the thermoelectric conversion elements of the present invention, and bridges these two thermoelectric conversion elements above. As shown in FIG. 3, each of the upper joint electrodes 13 is arranged as described above, and the lower joint electrodes 14 and 14' are arranged below the P-type thermoelectric conversion element 20 and the N-type thermoelectric conversion element 30, respectively. The whole has a π-type shape. The upper bonding electrode 13 and the lower bonding electrodes 14 and 14' correspond to the bonding electrodes described above.
In addition, the P-type thermoelectric conversion element 20 has a configuration in which the thermoelectric conversion material layer 11 is sandwiched between two electrode layers 12a and 12b, like the thermoelectric conversion element 10. A known N-type conversion element can be appropriately selected as the N-type thermoelectric conversion element 30. For example, the thermoelectric conversion material layer 11′ is sandwiched between two electrode layers 12a′ and 12b′.
熱電変換モジュール100においては、上部接合電極13側を高温にし、下部接合電極14,14’側を低温にすると、下部接合電極14−14’間に電位差を生じさせる熱電発電モジュールとして利用することができる。
また、熱電変換モジュール100においては、下部接合電極14’にプラス、下部接合電極14にマイナスの電圧を印加して、下部接合電極14’からモジュール中に電流を導入し、下部接合電極14から電流を送出させるように電圧を印加すると、上部接合電極13側では熱の吸収現象が発生し、下部接合電極14、14’側で放熱現象が発生して、上部接合電極13に接する対象の温度を低下させるペルチェ冷却モジュールとして利用することができる 。
なお、本発明の熱電変換モジュールの構成を図3を参照しつつ説明をしたが、図3に示すモジュール構成は、本発明の前記熱電変換モジュールの構成の一例を示すものであり、その他公知の熱電変換モジュールの構成を排除するものではない。
In the thermoelectric conversion module 100, when the upper joint electrode 13 side is heated to a high temperature and the lower joint electrodes 14 and 14′ side are cooled to a low temperature, it can be used as a thermoelectric power generation module that causes a potential difference between the lower joint electrodes 14-14′. it can.
Further, in the thermoelectric conversion module 100, a positive voltage is applied to the lower bonding electrode 14′ and a negative voltage is applied to the lower bonding electrode 14 to introduce a current from the lower bonding electrode 14′ into the module, and a current is applied from the lower bonding electrode 14 to the current. When a voltage is applied so as to send out the heat, a heat absorption phenomenon occurs on the side of the upper bonding electrode 13 and a heat radiation phenomenon occurs on the side of the lower bonding electrodes 14 and 14', so that the temperature of the object in contact with the upper bonding electrode 13 is increased. It can be used as a lowering Peltier cooling module.
Although the configuration of the thermoelectric conversion module of the present invention has been described with reference to FIG. 3, the module configuration shown in FIG. 3 shows an example of the configuration of the thermoelectric conversion module of the present invention, and other known configurations. It does not exclude the configuration of the thermoelectric conversion module.
(実施例1)
先ず、原料であるCu(1.386g)、Nb(0.156g)、Sn(0.598g)、S(0.861g)を石英管の中に真空封入し、1,050℃で溶融させて、組成がCu26Nb2Sn6S32の多結晶試料を約3g合成した。なお、合成した多結晶試料の生成相は、粉末X線回折により確認した。
次いで、合成したCu26Nb2Sn6S32の多結晶試料を砕いて粉末にしたもののうち、2.5gをグラファイト製の内径10mmの円柱状の型の中にて、電極材料としての厚さ0.25mmのAu箔で両側から挟むように積層して、Arガスフロー中、750℃、70MPa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、前記コルーサイトで形成される熱電変換材料層がAu電極層で挟持された構造の実施例1に係る熱電変換素子を製造した。
実施例1に係る熱電変換素子の両端に電流源を接続した状態で、素子の一端から他端側に掛けて電圧プローブを移動させながら電気抵抗を測定することで、電気抵抗とプローブの位置との関係を測定して、熱電変換素子内における電気抵抗分布を得た。測定結果を図4に示す。コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値12mΩに対して、実施例1に係る熱電変換素子の電気抵抗値は17mΩであり、熱電変換材料層と電極層との間に高抵抗相が形成されず、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 1)
First, the raw materials Cu (1.386 g), Nb (0.156 g), Sn (0.598 g) and S (0.861 g) were vacuum sealed in a quartz tube and melted at 1,050°C. , About 3 g of a polycrystalline sample having a composition of Cu 26 Nb 2 Sn 6 S 32 was synthesized. The production phase of the synthesized polycrystalline sample was confirmed by powder X-ray diffraction.
Next, of the synthesized polycrystalline powder of Cu 26 Nb 2 Sn 6 S 32 that was crushed into powder, 2.5 g of it was used as a material for an electrode in a cylindrical mold made of graphite and having an inner diameter of 10 mm. A 0.25 mm Au foil was laminated so as to be sandwiched from both sides, and a sintering operation was performed under conditions of 750° C., 70 MPa pressure application, and 1 hour holding in Ar gas flow.
As described above, a thermoelectric conversion element according to Example 1 having a structure in which the thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Au electrode layers was manufactured.
The electric resistance and the position of the probe were measured by measuring the electric resistance while moving the voltage probe from one end of the thermoelectric conversion element to the other end side with the current source connected to both ends of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment. Was measured to obtain the electric resistance distribution in the thermoelectric conversion element. The measurement result is shown in FIG. The electric resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 1 was 17 mΩ, while the electric resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electric resistivity of the single substance of corusite was 12 mΩ. It is confirmed that the high resistance phase is not formed in the and the good bonding is obtained.
<熱電変換特性の評価>
熱電変換効率の測定装置(アドバンス理工社製、mini−PEM)を用いて、所定の温度範囲(約50℃〜約400℃)において、熱電変換素子に発生する起電力Poutと、低温側の端部(低温側電極)から流出する熱量Qoutとを精密に測定し、実施例1に係る熱電変換素子の熱電変換効率η(=Pout/(Pout+Qout))を求めた。
実施例1に係る熱電変換素子の測定結果を下記表1−1〜1−2に示す。なお、下記表1−1は、真空中で、実施例1に係る熱電変換素子の一端(高温側電極)の温度が98℃、熱電変換素子のもう一方の端部(低温側電極)の温度が23℃の条件で測定を行った場合の測定結果を示し、下記表1−2は、高温側電極の温度が393℃、低温側電極の温度が26℃の測定条件で測定を行った場合の測定結果を示す。
<Evaluation of thermoelectric conversion characteristics>
Using a thermoelectric conversion efficiency measuring device (mini-PEM, manufactured by Advance Riko Co., Ltd.), in a predetermined temperature range (about 50° C. to about 400° C.), the electromotive force P out generated in the thermoelectric conversion element and the low temperature side The amount of heat Q out flowing out from the end (the electrode on the low temperature side) was precisely measured, and the thermoelectric conversion efficiency η (=P out /(P out +Q out )) of the thermoelectric conversion element according to Example 1 was obtained.
The measurement results of the thermoelectric conversion element according to Example 1 are shown in Tables 1-1 and 1-2 below. In Table 1-1 below, the temperature of one end (high temperature side electrode) of the thermoelectric conversion element according to Example 1 is 98° C. and the temperature of the other end (low temperature side electrode) of the thermoelectric conversion element is shown in vacuum. Shows the measurement result when the measurement was performed under the condition of 23° C., and Table 1-2 below shows the case where the temperature of the high temperature side electrode was 393° C. and the temperature of the low temperature side electrode was 26° C. The measurement result of is shown.
以上の通り、実施例1に係る熱電変換素子は、熱電変換材料層と電極層とを化学的に安定した状態で接合させて製造可能であるとともに、高温環境下で安定して使用可能である。
また、後述する実施例2〜7に係る各熱電変換素子は、実施例1に係る熱電変換素子と同様に、熱電変換材料層と電極層とが電気的に良好に接合されていることから、実施例1と同様の発電電力及び変換効率が得られる。
したがって、実施例2〜7に係る各熱電変換素子においても、熱電変換材料層と電極層とを化学的に安定した状態で接合させて製造可能であるとともに、高温環境下で安定して使用可能である。
As described above, the thermoelectric conversion element according to Example 1 can be manufactured by bonding the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer in a chemically stable state, and can be stably used in a high temperature environment. ..
In addition, in each thermoelectric conversion element according to Examples 2 to 7 to be described later, as in the thermoelectric conversion element according to Example 1, the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer are electrically well joined, Generated power and conversion efficiency similar to those of the first embodiment can be obtained.
Therefore, also in each of the thermoelectric conversion elements according to Examples 2 to 7, the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer can be bonded to each other in a chemically stable state, and can be stably used in a high temperature environment. Is.
(実施例2)
先ず、原料であるCu(1.634g)、Nb(0.184g)、Si(0.107g)、S(1.015g)を石英管の中に真空封入し、1,050℃で溶融させて、組成がCu26Nb2Si6S32の多結晶試料を約3g合成した。なお、合成した多結晶試料の生成相は、粉末X線回折により確認した。また、このコルーサイト多結晶試料は、実施例1におけるコルーサイト多結晶試料のSnをSiに置換したものである。
次いで、合成したCu26Nb2Si6S32の多結晶試料に対し、実施例1と同様の焼結操作を行い、実施例2に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値220mΩに対して、この実施例2に係る熱電変換素子の電気抵抗値は220mΩであり、熱電変換材料層と電極層との間に高抵抗相が形成されず、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 2)
First, the raw materials Cu (1.634 g), Nb (0.184 g), Si (0.107 g) and S (1.015 g) were vacuum sealed in a quartz tube and melted at 1,050° C. , About 3 g of a polycrystalline sample having a composition of Cu 26 Nb 2 Si 6 S 32 was synthesized. The production phase of the synthesized polycrystalline sample was confirmed by powder X-ray diffraction. In addition, this corusite polycrystal sample is obtained by substituting Si for Sn in the corusite polycrystal sample in Example 1.
Then, the synthesized Cu 26 Nb 2 Si 6 S 32 polycrystalline sample was subjected to the same sintering operation as in Example 1 to manufacture a thermoelectric conversion element according to Example 2.
The electrical resistance value of the thermoelectric conversion element according to the second embodiment is 220 mΩ, whereas the electrical resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electrical resistivity of the simple substance of corusite is 220 mΩ. It is confirmed that a high resistance phase was not formed between them and good bonding was obtained.
(実施例3)
先ず、原料であるCu(1.502g)、Nb(0.169g)、Ge(0.396g)、S(0.933g)を石英管の中に真空封入し、1,050℃で溶融させて、組成がCu26Nb2Ge6S32の多結晶試料を約3g合成した。なお、合成した多結晶試料の生成相は、粉末X線回折により確認した。また、このコルーサイト多結晶試料は、実施例1におけるコルーサイト多結晶試料のSnをGeに置換したものである。
次いで、合成したCu26Nb2Ge6S32多結晶試料に対し、実施例1と同様の焼結操作を行い、実施例3に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値7mΩに対して、この実施例3に係る熱電変換素子の電気抵抗値は7mΩであり、熱電変換材料層と電極層との間に高抵抗相が形成されず、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 3)
First, the raw materials Cu (1.502 g), Nb (0.169 g), Ge (0.396 g) and S (0.933 g) were vacuum sealed in a quartz tube and melted at 1,050°C. , About 3 g of a polycrystalline sample having a composition of Cu 26 Nb 2 Ge 6 S 32 was synthesized. The production phase of the synthesized polycrystalline sample was confirmed by powder X-ray diffraction. Further, this corusite polycrystal sample is obtained by substituting Ge for Sn in the corusite polycrystal sample in Example 1.
Next, the same Cu 26 Nb 2 Ge 6 S 32 polycrystal sample was subjected to the same sintering operation as in Example 1 to manufacture a thermoelectric conversion element according to Example 3.
The electric resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 3 is 7 mΩ, while the electric resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electric resistivity of the single substance of corusite is 7 mΩ. It is confirmed that a high resistance phase was not formed between them and good bonding was obtained.
(実施例4)
先ず、原料であるCu(1.419g)、V(0.088g)、Sn(0.612g)、S(0.881g)を石英管の中に真空封入し、1,050℃で溶融させて、組成がCu26V2Sn6S32の多結晶試料を約3g合成した。なお、合成した多結晶試料の生成相は、粉末X線回折により確認した。また、このコルーサイト多結晶試料は、実施例1におけるコルーサイト多結晶試料のNbをVに置換したものである。
次いで、合成したCu26V2Sn6S32多結晶試料に対し、実施例1と同様の焼結操作を行い、実施例4に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値24mΩに対して、この実施例4に係る熱電変換素子の電気抵抗値は27mΩであり、熱電変換材料層と電極層との間に高抵抗相が形成されず、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 4)
First, the raw materials Cu (1.419 g), V (0.088 g), Sn (0.612 g) and S (0.881 g) were vacuum sealed in a quartz tube and melted at 1,050°C. , About 3 g of a polycrystalline sample having a composition of Cu 26 V 2 Sn 6 S 32 was synthesized. The production phase of the synthesized polycrystalline sample was confirmed by powder X-ray diffraction. Further, this corusite polycrystal sample is obtained by substituting V for Nb of the corusite polycrystal sample in Example 1.
Then, the synthesized Cu 26 V 2 Sn 6 S 32 polycrystal sample was subjected to the same sintering operation as in Example 1 to manufacture a thermoelectric conversion element according to Example 4.
The electrical resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 4 is 27 mΩ, while the electrical resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electrical resistivity of the single substance of corusite is 24 mΩ. It is confirmed that a high resistance phase is not formed between them and good bonding is obtained.
(実施例5)
先ず、原料であるCu(1.321g)、Ta(0.289g)、Sn(0.569g)、S(0.820g)を石英管の中に真空封入し、1,050℃で溶融させて、組成がCu26Ta2Sn6S32の多結晶試料を約3g合成した。なお、合成した多結晶試料の生成相は、粉末X線回折により確認した。また、このコルーサイト多結晶試料は、実施例1におけるコルーサイト多結晶試料のNbをTaに置換したものである。
次いで、合成したCu26Ta2Sn6S32多結晶試料に対し、実施例1と同様の焼結操作を行い、実施例5に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値15mΩに対して、この実施例5に係る熱電変換素子の電気抵抗値は15mΩであり、熱電変換材料層と電極層との間に高抵抗相が形成されず、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 5)
First, the raw materials Cu (1.321 g), Ta (0.289 g), Sn (0.569 g) and S (0.820 g) were vacuum sealed in a quartz tube and melted at 1,050°C. , About 3 g of a polycrystalline sample having a composition of Cu 26 Ta 2 Sn 6 S 32 was synthesized. The production phase of the synthesized polycrystalline sample was confirmed by powder X-ray diffraction. In addition, this corusite polycrystal sample is obtained by substituting Ta for Nb of the corusite polycrystal sample in Example 1.
Then, the synthesized Cu 26 Ta 2 Sn 6 S 32 polycrystal sample was subjected to the same sintering operation as in Example 1 to manufacture a thermoelectric conversion element according to Example 5.
The electrical resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 5 is 15 mΩ, whereas the electrical resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electrical resistivity of corusite alone is 15 mΩ. It is confirmed that a high resistance phase was not formed between them and good bonding was obtained.
(実施例6)
電極材料としてAu箔に代えてTi粉末を用いたこと、焼結操作に用いる多結晶試料の重量を2.5gから0.8gに変更したこと以外は実施例4と同様にして、Cu26V2Sn6S32で形成される熱電変換材料層がTi電極で挟持された構造の実施例6に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値1mΩに対して、この実施例6に係る熱電変換素子の電気抵抗値は8.4Ωであり、Au箔を用いた場合よりも大きな値であるものの、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 6)
Cu 26 V was used in the same manner as in Example 4 except that Ti powder was used as the electrode material instead of the Au foil, and the weight of the polycrystalline sample used in the sintering operation was changed from 2.5 g to 0.8 g. A thermoelectric conversion element according to Example 6 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of 2 Sn 6 S 32 was sandwiched between Ti electrodes was manufactured.
The electric resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 6 was 8.4Ω, while the electric resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electric resistance of the single substance of corusite was 1 mΩ. Although it is a large value, it is confirmed that good bonding is obtained.
(実施例7)
電極材料としてAu箔に代えてPt箔を用いたこと、焼結操作に用いる多結晶試料の重量を2.5gから1.0gに変更したこと以外は実施例4と同様にして、Cu26V2Sn6S32で形成される熱電変換材料層がPt電極で挟持された構造の実施例7に係る熱電変換素子を製造した。
コルーサイト単体の電気抵抗率から予測される熱電変換素子の電気抵抗値1mΩに対して、この実施例7に係る熱電変換素子の電気抵抗値は2.4Ωであり、Au箔を用いた場合よりも大きな値であるものの、良好な接合が得られていることが確認される。
(Example 7)
Cu 26 V was used in the same manner as in Example 4 except that Pt foil was used as the electrode material instead of Au foil, and the weight of the polycrystalline sample used for the sintering operation was changed from 2.5 g to 1.0 g. A thermoelectric conversion element according to Example 7 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of 2 Sn 6 S 32 was sandwiched between Pt electrodes was manufactured.
The electric resistance value of the thermoelectric conversion element according to Example 7 was 2.4 Ω, while the electric resistance value of the thermoelectric conversion element predicted from the electric resistivity of the corusite alone was 1 mΩ. Although it is a large value, it is confirmed that good bonding is obtained.
(比較例1)
電極材料としてAu箔に代えてFe粉末を用いたこと以外は実施例4と同様にして、コルーサイトで形成される熱電変換材料層がFe電極で挟持された構造の比較例1に係る熱電変換素子の製造を試みた。
しかしながら焼結操作中に、コルーサイト粉末とFe粉末との反応によって生じた生成物が溶け、焼結用の型からあふれ出してしまい、比較例1に係る熱電変換素子を製造することができなかった。
(Comparative Example 1)
Thermoelectric conversion according to Comparative Example 1 of a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Fe electrodes in the same manner as in Example 4 except that Fe powder was used instead of Au foil as an electrode material. Tried to manufacture the device.
However, during the sintering operation, the product generated by the reaction between the corusite powder and the Fe powder was melted and overflowed from the sintering mold, and the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 1 could not be manufactured. It was
(比較例2)
電極材料としてAu箔に代えてNi粉末を用いたこと以外は実施例4と同様にして、コルーサイトで形成される熱電変換材料層がNi電極で挟持された構造の比較例2に係る熱電変換素子の製造を試みた。
しかしながら焼結操作中に、コルーサイト粉末とNi粉末との反応によって生じた生成物が溶け、焼結用の型からあふれ出してしまい、比較例2に係る熱電変換素子を製造することができなかった。
(Comparative example 2)
Thermoelectric conversion according to Comparative Example 2 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Ni electrodes in the same manner as in Example 4 except that Ni powder was used instead of the Au foil as the electrode material. Tried to manufacture the device.
However, during the sintering operation, the product produced by the reaction between the corusite powder and the Ni powder melts and overflows from the sintering mold, and the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 2 cannot be manufactured. It was
(比較例3)
電極材料としてAu箔に代えてMo粉末を用いたこと以外は実施例4と同様にして、コルーサイトで形成される熱電変換材料層がMo電極で挟持された構造の比較例3に係る熱電変換素子の製造を試みた。
しかしながら焼結操作中に、コルーサイト粉末とMo粉末との反応によって生じた生成物が溶け、焼結用の型からあふれ出してしまい、比較例3に係る熱電変換素子を製造することができなかった。
(Comparative example 3)
Thermoelectric conversion according to Comparative Example 3 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Mo electrodes in the same manner as in Example 4 except that Mo powder was used instead of Au foil as the electrode material. Tried to manufacture the device.
However, during the sintering operation, the product generated by the reaction between the corusite powder and the Mo powder melts and overflows from the sintering mold, and the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 3 cannot be manufactured. It was
(比較例4)
電極材料としてAu箔に代えてPd箔を用いたこと以外は実施例4と同様にして、コルーサイトで形成される熱電変換材料層がPd電極で挟持された構造の比較例4に係る熱電変換素子の製造を試みた。
しかしながら焼結操作中に、コルーサイト粉末とPd箔との反応によって生じた生成物が溶け、焼結用の型からあふれ出してしまい、比較例4に係る熱電変換素子を製造することができなかった。
(Comparative example 4)
Thermoelectric conversion according to Comparative Example 4 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Pd electrodes in the same manner as in Example 4 except that Pd foil was used instead of Au foil as the electrode material. Tried to manufacture the device.
However, during the sintering operation, the product generated by the reaction between the corusite powder and the Pd foil was melted and overflowed from the sintering mold, and the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 4 could not be manufactured. It was
(比較例5)
電極材料としてAu箔に代えてAg粉末を用いたこと以外は実施例4と同様にして、コルーサイトで形成される熱電変換材料層がAg電極で挟持された構造の比較例5に係る熱電変換素子の製造を試みた。
しかしながら焼結操作中に、コルーサイト粉末とAg粉末との反応によって生じた生成物が溶け、焼結用の型からあふれ出してしまい、比較例5に係る熱電変換素子を製造することができなかった。
(Comparative example 5)
Thermoelectric conversion according to Comparative Example 5 having a structure in which a thermoelectric conversion material layer formed of corusite was sandwiched between Ag electrodes in the same manner as in Example 4 except that Ag powder was used instead of the Au foil as the electrode material. Tried to manufacture the device.
However, during the sintering operation, the product generated by the reaction between the corusite powder and the Ag powder was melted and overflowed from the sintering mold, and the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 5 could not be manufactured. It was
電極層には、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高く、高温でも化学的に安定であることが求められる。電気抵抗率が低いと、コルーサイトから効率良く電力を取り出すことができ、熱伝導率が高いと、コルーサイトに効率よく熱を伝えることができ、高温でも化学的に安定していることで、高温でも安定的にコルーサイトを熱電変換材料として使用できる。
そこで、実施例1〜7では、電極材料として電気抵抗率が低く、熱伝導率が高い金属の中で、融点の高いAu、Ti、Ptを選択している。一方、比較例1〜5で用いた電極材料であるFe、Ni、Mo、Pd、Agは、実施例1〜7で用いた電極材料であるAu、Ti、Ptと同様に融点の高い電極材料である(融点につき下記表2参照)。
しかしながら、比較例1〜5では、先に述べた通り、Fe、Ni、Mo、Pd、Agがコルーサイトと反応して溶け出し、熱電変換素子を製造できない結果となった。
電極材料として選択したもののうち、最も融点の高いMoとコルーサイトとが反応し、比較的融点の低いAuとコルーサイトが反応しなかったことは、予め確認可能な融点の情報から電極材料とコルーサイトとの反応性を予測できないことを如実に示している。
The electrode layer is required to have low electric resistivity, high thermal conductivity, and be chemically stable even at high temperature. When the electric resistivity is low, the electric power can be efficiently extracted from the corusite, and when the thermal conductivity is high, the heat can be efficiently transferred to the corusite, which is chemically stable even at a high temperature. Corusite can be stably used as a thermoelectric conversion material even at high temperatures.
Therefore, in Examples 1 to 7, Au, Ti, and Pt having high melting points are selected as the electrode material among metals having low electric resistivity and high thermal conductivity. On the other hand, the electrode materials Fe, Ni, Mo, Pd, and Ag used in Comparative Examples 1 to 5 have high melting points similarly to the electrode materials Au, Ti, and Pt used in Examples 1 to 7. (See Table 2 below for melting point).
However, in Comparative Examples 1 to 5, as described above, Fe, Ni, Mo, Pd, and Ag reacted with corusite to be melted out, and the thermoelectric conversion element could not be manufactured.
Among the materials selected as the electrode materials, Mo having the highest melting point and corusite did not react, and Au having a relatively low melting point did not react with corusite. It clearly shows that the reactivity with the site cannot be predicted.
また、電極材料として検討した各種金属のうちFe、Ni、Mo、Pd、Agが溶け出したのは、コルーサイトの構成元素の中で最も反応性の高いSと反応したと考えられる。
そこで電極材料として検討したFe、Ni、Mo、Pd、Ag、Ti、Pt、Auの硫化物における標準生成自由エネルギー変化を見てみると、いずれの値も負である(下記表3参照、Ti及びAuについてはデータがないが、Sの反応性の高さから負であると想定される)。標準生成自由エネルギー変化が負であることは、硫化物を生成するように金属とSの反応が進むことを表している。
Further, among various metals studied as the electrode material, Fe, Ni, Mo, Pd, and Ag were considered to be leached out because it reacted with S, which has the highest reactivity among the constituent elements of corusite.
Then, looking at changes in standard free energy of formation of sulfides of Fe, Ni, Mo, Pd, Ag, Ti, Pt, and Au examined as electrode materials, all values are negative (see Table 3 below, Ti , And Au are not available, but are assumed to be negative due to the high reactivity of S). The negative change in standard free energy of formation indicates that the reaction between the metal and S proceeds so as to form a sulfide.
したがって、電極材料として検討したFe、Ni、Mo、Pd、Ag、Ti、Pt、Auは、いずれもコルーサイトのSと反応することが予想された。しかし、Ti、Pt、Auは、実施例1〜7における説明の通り、コルーサイトと反応せず、電極層として機能させることが可能であることが確認された。
標準生成自由エネルギー変化の観点からも、Ti、Pt、Auがコルーサイトと反応せず、電極層として機能するという実験結果は、一般に知られているデータから類推できないことを示している。2014年に発見された新規熱電変換材料コルーサイト(非特許文献1、非特許文献2)には、未だ知られていない熱力学的特性などが存在しており、その未知の特性が実験結果に影響を及ぼしているものと推察される。
Therefore, Fe, Ni, Mo, Pd, Ag, Ti, Pt, and Au examined as electrode materials were all expected to react with S of corusite. However, it was confirmed that Ti, Pt, and Au did not react with corusite and could function as an electrode layer as described in Examples 1 to 7.
Also from the viewpoint of the change in standard free energy of formation, the experimental results that Ti, Pt, and Au do not react with corusite and function as an electrode layer indicate that it cannot be inferred from generally known data. The new thermoelectric conversion material corusite (Non-patent document 1 and non-patent document 2) discovered in 2014 has thermodynamic properties that have not yet been known, and the unknown properties are found in the experimental results. It is presumed that it has an influence.
1,11,11’ 熱電変換材料層
2a,2b,12a,12b,12a’,12b’ 電極層
10 熱電変換素子
20 P型熱電変換素子
30 N型熱電変換素子
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
1, 11, 11' thermoelectric conversion material layer 2a, 2b, 12a, 12b, 12a', 12b' electrode layer 10 thermoelectric conversion element 20 P-type thermoelectric conversion element 30 N-type thermoelectric conversion element 13 upper junction electrode 14, 14' lower portion Bonding electrode 100 Thermoelectric conversion module
Claims (9)
前記熱電変換材料層と接合されTi、Pt及びAuの少なくともいずれかを含む電極材料で形成される電極層と、
を有することを特徴とする熱電変換素子。
An electrode layer formed of an electrode material that is joined to the thermoelectric conversion material layer and contains at least one of Ti, Pt, and Au;
A thermoelectric conversion element comprising:
熱電変換材料層と電極層とが積層された積層構造体を形成する積層構造体形成工程と、
前記積層構造体を加熱して前記熱電変換材料層を焼結させるとともに、前記熱電変換材料層と電極層とを接合させる加熱工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element in any one of Claim 1 to 4, Comprising:
A laminated structure forming step of forming a laminated structure in which a thermoelectric conversion material layer and an electrode layer are laminated,
While heating the laminated structure to sinter the thermoelectric conversion material layer, a heating step of joining the thermoelectric conversion material layer and the electrode layer,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising:
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