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熱電変換材料 コモンズ

国内特許コード P110005662
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-057398
公開番号 特開2008-218896
登録番号 特許第5070546号
出願日 平成19年3月7日(2007.3.7)
公開日 平成20年9月18日(2008.9.18)
登録日 平成24年8月31日(2012.8.31)
発明者
  • 西野 洋一
  • 井手 直樹
  • 中山 博行
出願人
  • 国立大学法人 名古屋工業大学
発明の名称 熱電変換材料 コモンズ
発明の概要

【課題】より良好な発電効率を発揮可能であるとともに、安価で無毒な元素の組み合わせから成る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、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部が他の元素で置換されている。Feに替えて置換する他の元素がCoであり、Vに替えて置換する他の元素がMである場合には、元素M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ている。元素Co及び元素Mの置換量が一般式(Fe1-αCoα2(V1-ββ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整されている。化学式当たりの総価電子数が24未満、23.5以上になるようにしてp型に制御されている。また、化学式当たりの総価電子数が24を超え、24.5以下になるようにしてn型に制御されている。
【選択図】図16

従来技術、競合技術の概要


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)。しかし、Bi-Te系金属間化合物からなる熱電変換材料は、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。また、これら金属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。



これらの欠点に対し、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、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。



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、比較的安価な元素からなり、また各元素も毒性を有さない。また、この熱電変換材料は、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-αα)(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-αα)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)。




【特許文献1】WO03/019681公報

【特許文献2】特開2004-253618号公報

【非特許文献1】「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

【非特許文献2】「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

【非特許文献3】「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

産業上の利用分野


本発明は熱電変換材料に関する。

特許請求の範囲 【請求項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、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部が他の元素で置換され、
Feに替えて置換する他の元素がCoであり、
Vに替えて置換する他の元素がMである場合には、元素MがTi、Zr及びHfの少なくとも1種であり、
元素Co及び元素Mの置換量が一般式(Fe1-αCoα2(V1-ββ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24未満、23.5以上になるようにしてp型に制御されていることを特徴とする熱電変換材料。

【請求項2】
元素MはTiであることを特徴とする請求項1記載の熱電変換材料。

【請求項3】
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、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部が他の元素で置換され、
Feに替えて置換する他の元素がCoであり、
Vに替えて置換する他の元素がMである場合には、元素MがTi、Zr及びHfの少なくとも1種であり、
元素Co及び元素Mの置換量が一般式(Fe1-αCoα2(V1-ββ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24を超え、24.5以下になるようにしてn型に制御されていることを特徴とする熱電変換材料。

【請求項4】
元素MはTiであることを特徴とする請求項3記載の熱電変換材料。
産業区分
  • 固体素子
  • 冶金、熱処理
  • 合金
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2007057398thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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