多孔質傾斜機能熱電材料の製作と最適化

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これまでの熱電変換システムの多くはバルク熱電材料を用いたシステムであるが、近年、多孔質熱電素子を用いたガス燃焼による発電システムが提案されている。多孔質熱電素子に関する研究は限られており、多孔質素子の特性評価法なども確立していない。しかし、多孔質熱電素子の特性はバルクの熱電能、電気伝導度、熱伝導率だけでなく、空隙率や空隙の大きさにも依存するため、熱電素子としての最適な多孔質を形成することは重要である。本研究ではこの多孔質熱電素子に注目し、多孔質の形成プロセス、傾斜機能化による素子の特性向上、多孔質熱電素子の特性評価法の確立を目指している。レーザ照射による固液共存状態での多孔質焼結およびSPS法を含むホットプレス法により多孔質焼結を行った。レーザ照射では、コンスタンタン、電極用Cu-Ag合金を試料として、良好な多孔質が形成することができた。また、ホットプレス法では、熱電材料FeSi_2、PbTe、(BiSb)_2Te_3の多孔質素子を試作し、燃焼により熱電素子として機能することを確認した。多孔質熱電素子では、高温部はガスの炎にさらされるため耐熱性が要求され、素子内には大きな温度勾配が生じることから広い温度域における熱電特性の最適化する必要があるが、単一の材料でこの条件を満たすことは困難であり、耐熱性、熱電特性の両面から傾斜機能化による多孔質熱電素子の性能向上が期待される。耐熱性に優れたFeSi_2、中温度域で高い熱電特性を示すPbTe、低温で高い特性の(Bi,Sb)_2Te_3を基本として、傾斜機能多孔質熱電材料FeSi_2/(Bi,Sb)_2Te_3、FeSi_2/PbTe(Bi,Sb)_2Te_3を試作した。プロパンガスの燃焼に対して十分に耐熱性を有し、炎にさらされる部分では使用が困難なPbTe、(Bi,Sb)_2Te_3の特性を生かした多孔質傾斜機能熱電素子が試作できた。