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JP2022144073A - Laminate with thermoelectric conversion layer and production method thereof, and power generation module - Google Patents

Laminate with thermoelectric conversion layer and production method thereof, and power generation module Download PDF

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JP2022144073A
JP2022144073A JP2021044919A JP2021044919A JP2022144073A JP 2022144073 A JP2022144073 A JP 2022144073A JP 2021044919 A JP2021044919 A JP 2021044919A JP 2021044919 A JP2021044919 A JP 2021044919A JP 2022144073 A JP2022144073 A JP 2022144073A
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Japan
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thermoelectric conversion
conductive substrate
layer
oxide layer
conductive
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Japanese (ja)
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良次 舟橋
Ryoji Funahashi
真一 前田
Shinichi Maeda
忠之 伊左治
Tadayuki Isaji
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Nissan Chemical Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Nissan Chemical Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

To provide a thermoelectric conversion element which can be produced from a material having high biological safety, and which enables the materialization of a flexible and slim thermoelectric conversion module, and provide a method for producing a thermoelectric conversion element having a self-standing property without needing a complicated process.SOLUTION: A thermoelectric conversion element is arranged by laminating a first conductive substrate 1, a thermoelectric conversion oxide layer 2 provided on an upside of the first conductive substrate, and a second conductive substrate 3 on an upside of the thermoelectric conversion oxide layer in this order. In the thermoelectric conversion element, the second conductive substrate is formed so as to have an outer periphery located on or inside an outer periphery of the thermoelectric conversion oxide layer. As to respective areas of the layers, the relation given by the following expressions holds: [Area of the first conductive substrate ]≥[Area of the thermoelectric conversion oxide layer]≥[Area of the second conductive substrate], and [Area of the first conductive substrate]>[Area of the second conductive substrate]. For respective thicknesses of the layers, the relation given by the following equation holds: [Thickness of the thermoelectric conversion oxide layer]:([Thickness of the first conductive substrate]+[Thickness of the second conductive substrate])=1:1 to 1:10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱電変換層を有する積層体及びその製造方法に関し、また該積層体を用いた発電モジュールに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laminate having a thermoelectric conversion layer, a method for producing the laminate, and a power generation module using the laminate.

従来より、エネルギーの有効利用手段の一つとして、ゼーベック効果やベルチェ効果などの熱電効果を有する熱電変換モジュールにより、熱エネルギーと電気エネルギーを直接相互変換するシステムが実用化されている。
近年、ウェアラブル・フレキシブルデバイス用の電源として、こうした熱電変換モジュールが注目され、熱電変換性能の向上のみならず、より環境・人体に対して安全性の高い材料の採用、柔軟性や伸縮性といったモジュールの屈曲性向上、そしてモジュールの薄型化への要求がある。
BACKGROUND ART Conventionally, as one of means for effective use of energy, a system for directly interconverting thermal energy and electrical energy using a thermoelectric conversion module having thermoelectric effects such as the Seebeck effect and the Bertier effect has been put into practical use.
In recent years, these thermoelectric conversion modules have attracted attention as power sources for wearable and flexible devices.In addition to improving the thermoelectric conversion performance, the use of materials that are safer for the environment and the human body, as well as modules with flexibility and elasticity. There is a demand for improved flexibility and thinner modules.

例えば、樹脂薄膜基板上の実装ランド(兼接続電極)に微小な熱電素子チップを高密度に実装し、実装ランド間で基板の屈曲性を担保することでフレキシブル性を持たせた熱電変換モジュールが開示されている(特許文献1)。
また剥離層(犠牲層)を用いて熱電変換材料のチップを製造しこれを用いた熱電変換モジュールの提案がある(特許文献2)。
一方、薄膜化を可能とする塗布プロセスにより形成された熱電変換層を熱電変換素子として、熱電変換材料粉末に結着材を混合しペースト化したものを電極上面に薄膜状に硬化させた熱電変換素子が開示されている(特許文献3)。
For example, there is a thermoelectric conversion module that has flexibility by mounting micro thermoelectric element chips on mounting lands (which also serve as connection electrodes) on a resin thin film substrate at high density, and ensuring the flexibility of the substrate between the mounting lands. It is disclosed (Patent Document 1).
There is also a proposal for a thermoelectric conversion module using a thermoelectric conversion material chip manufactured using a peeling layer (sacrificial layer) (Patent Document 2).
On the other hand, a thermoelectric conversion layer formed by a coating process that enables thinning is used as a thermoelectric conversion element, and a thermoelectric conversion material powder is mixed with a binder and made into a paste. A device has been disclosed (Patent Document 3).

特開2009-267316号公報JP 2009-267316 A 国際公開第2020/045379号WO2020/045379 特開2008-270410号公報JP 2008-270410 A

特許文献1及び特許文献2は、実施例で熱電変換材料として使用されたビスマス-テルル系熱電半導体材料が使用されているが、該熱電半導体材料は、毒性や希少性が問題視されるテルル(Te)を構成元素として含む。加えて、特許文献1に開示された熱電変換モジュールは排水パイプへの取り付けを図ったものとみられ、熱電素子チップ自体が比較的厚く、ウェアラブルを想定した用途では生体安全性の高い材料を用いることや、さらなる薄膜化が望まれる。また特許文献2は、その製造過程において、熱電変換モジュール自体には不必要な剥離層の形成を要し、製造工程が煩雑化する。
特許文献3は、熱電変換材料として酸化物熱電半導体材料を用いている。しかし酸化物熱電半導体材料は、上記のビスマス-テルル系熱電半導体材料などの金属系材料と比べて脆く、自立性を有する熱電素子チップを得ることが難しい。そのため特許文献3では、熱電変換モジュールの基板上の電極の上に、酸化物熱電半導体材料を含む薄膜を形成した態様としており、該薄膜自体には自立性がなく取り扱い性に劣る。
Patent Documents 1 and 2 use the bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor material used as the thermoelectric conversion material in the examples, but the thermoelectric semiconductor material contains tellurium ( Te) as a constituent element. In addition, the thermoelectric conversion module disclosed in Patent Document 1 seems to be intended to be attached to a drainage pipe, and the thermoelectric element chip itself is relatively thick. And further thinning is desired. Moreover, in the manufacturing process of Patent Document 2, the thermoelectric conversion module itself requires the formation of an unnecessary peeling layer, which complicates the manufacturing process.
Patent Document 3 uses an oxide thermoelectric semiconductor material as a thermoelectric conversion material. However, oxide thermoelectric semiconductor materials are more fragile than metal-based materials such as the above-mentioned bismuth-tellurium-based thermoelectric semiconductor materials, and it is difficult to obtain thermoelectric element chips having self-supporting properties. Therefore, in Patent Document 3, a thin film containing an oxide thermoelectric semiconductor material is formed on the electrodes on the substrate of the thermoelectric conversion module, and the thin film itself does not stand on its own and is poor in handleability.

本発明は、生体安全性の高い材料から製造でき、柔軟性や薄型の熱電変換モジュールを実現できる、熱電変換素子を提供すること、また複雑なプロセスを必要とせず、自立性を有する熱電変換素子を製造できる方法を提供することを課題とする。 The present invention provides a thermoelectric conversion element that can be manufactured from a material with high biosafety and that can realize a flexible and thin thermoelectric conversion module. An object of the present invention is to provide a method capable of producing

本発明者は上記の課題を解決するべく鋭意検討し、熱電変換材料として安全性の高い熱電変換酸化物材料を用い、かつ該材料の課題とされた脆さを克服した熱電変換素子を提供できる製造方法を見出し、本発明を完成させた。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems, and can provide a thermoelectric conversion element that uses a highly safe thermoelectric conversion oxide material as a thermoelectric conversion material and overcomes the brittleness that is a problem of the material. A manufacturing method was discovered, and the present invention was completed.

すなわち本発明は、第1観点として、
第1の導電性基板、
第1の導電性基板の上側に設けられた熱電変換酸化物層、
熱電変換酸化物層の上側に設けられた第2の導電性基板、をこの順で積層してなり、
前記第2の導電性基板の外周は、前記熱電変換酸化物層の外周上又は外周よりも内側に形成される、熱電変換素子であって、
前記各層の面積に関して[第1の導電性基板の面積]≧[熱電変換酸化物層の面積]≧[第2の導電性基板の面積]、かつ、[第1の導電性基板の面積]>[第2の導電性基板の面積]の関係が成立し、
前記各層の厚さに関して[熱電変換酸化物層の厚さ]:〈[第1の導電性基板の厚さ]+[第2の導電性基板の厚さ]〉=1:1~1:10の関係が成立することを特徴とする、熱電変換素子に関する。
第2観点として、第1の導電性基板と熱電変換酸化物層との間に第1の導電性ペースト層が形成されてなり、熱電変換酸化物層と第2の導電性基板との間に第2の導電性ペースト層が形成されてなる、第1観点に記載の熱電変換素子に関する。
第3観点として、前記熱電変換酸化物層は、0.5mm~20mmの面積を有する、第1観点又は第2観点に記載の熱電変換素子に関する。
第4観点として、前記熱電変換酸化物層が、
一般式(1):
CaMn1-x (1)
(式中、Mは、Nb、Ta、Mo及びWからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、x、yは、0≦x≦0.1、2.8≦y≦3.2を満たす数である。)
で表されるペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物を含む酸化物複合体からなるn型熱電変換層、又は、
一般式(2)もしくは一般式(3):
Ca3-pBiCo (2)
(式中、p、qは、0≦p≦1、8.5≦q≦10を満たす数である。)
BiSr2-rCaCo (3)
(式中、r、tは、0.0≦r≦2.0、8.5≦t≦10を満たす数である。)
で表されるコバルト系酸化物を含む酸化物複合体からなるp型熱電変換層
である、
第1観点乃至第3観点のうちいずれか一項に記載の熱電変換素子に関する。
第5観点として、熱電変換素子の製造方法であって、
第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層を形成する工程、
別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、乾燥し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
前記第1の導電性基板と前記前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程、
とを含む、熱電変換素子の製造方法に関する。
第6観点として、熱電変換素子の製造方法であって、
第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層1を形成する工程、
別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
該導第2の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層2を形成する工程、
前記第1の導電性基板と前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層1と熱電変換酸化物層2が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程、
とを含む、熱電変換素子の製造方法に関する。
第7観点として、第4観点に記載された熱電変換素子を複数個用い、p型熱電変換層を備えるp型熱電変換素子の未接合の端部を、n型熱電変換層を備えるn型熱電変換素子の未接合の端部に基板上で接続する方法で、複数の熱電変換素子を直列に接続してなる熱電発電モジュール。
That is, the present invention, as a first aspect,
a first conductive substrate;
a thermoelectric conversion oxide layer provided on the upper side of the first conductive substrate;
A second conductive substrate provided on the upper side of the thermoelectric conversion oxide layer is laminated in this order,
The outer periphery of the second conductive substrate is a thermoelectric conversion element formed on or inside the outer periphery of the thermoelectric conversion oxide layer,
Regarding the area of each layer, [Area of first conductive substrate]≧[Area of thermoelectric conversion oxide layer]≧[Area of second conductive substrate] and [Area of first conductive substrate]> The relationship of [the area of the second conductive substrate] is established,
Regarding the thickness of each layer [thickness of thermoelectric conversion oxide layer]: <[thickness of first conductive substrate] + [thickness of second conductive substrate]> = 1:1 to 1:10 It relates to a thermoelectric conversion element characterized in that the relationship of
As a second aspect, a first conductive paste layer is formed between the first conductive substrate and the thermoelectric conversion oxide layer, and between the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive substrate It relates to the thermoelectric conversion element according to the first aspect, in which the second conductive paste layer is formed.
A third aspect relates to the thermoelectric conversion element according to the first aspect or the second aspect, wherein the thermoelectric conversion oxide layer has an area of 0.5 mm 2 to 20 mm 2 .
As a fourth aspect, the thermoelectric conversion oxide layer is
General formula (1):
CaMn1 - xM1xOy ( 1 )
(In the formula, M1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W, and x and y are 0≤x≤0.1, 2.8≤y≤3. It is a number that satisfies 2.)
An n-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a perovskite-type calcium manganese oxide represented by
General formula (2) or general formula (3):
Ca3 - pBipCo4Oq ( 2 )
(In the formula, p and q are numbers satisfying 0≤p≤1 and 8.5≤q≤10.)
Bi2Sr2 - rCarCo2Ot ( 3 )
(In the formula, r and t are numbers satisfying 0.0≦r≦2.0 and 8.5≦t≦10.)
A p-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a cobalt-based oxide represented by
The thermoelectric conversion element according to any one of the first to third aspects.
As a fifth aspect, a method for manufacturing a thermoelectric conversion element,
applying a conductive paste on a first conductive substrate and baking to form a first conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer;
Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and drying to form a second conductive paste layer;
The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive paste layer face each other, and the layers are pressed at 300° C. or higher in the stacking direction. the process of pressing,
and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
As a sixth aspect, a method for manufacturing a thermoelectric conversion element,
applying a conductive paste on a first conductive substrate and baking to form a first conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 1;
Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and baking to form a second conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the conductive second conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 2;
The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer 1 and the thermoelectric conversion oxide layer 2 face each other, and are press-pressed at 300° C. or higher in the stacking direction. the process of
and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
As a seventh aspect, a plurality of the thermoelectric conversion elements described in the fourth aspect are used, and the unjoined end portion of the p-type thermoelectric conversion element having the p-type thermoelectric conversion layer is connected to the n-type thermoelectric conversion element having the n-type thermoelectric conversion layer. A thermoelectric power generation module in which a plurality of thermoelectric conversion elements are connected in series by a method of connecting to unbonded ends of the conversion elements on a substrate.

本発明によれば、柔軟性や薄型の熱電変換モジュールを実現でき、生体安全性の高い材料を使用した熱電変換素子を提供することができる。また本発明によれば、複雑なプロセスを必要とせず、自立性を有する熱電変換素子を製造できる方法を提供することができる。 According to the present invention, a flexible and thin thermoelectric conversion module can be realized, and a thermoelectric conversion element using a material with high biosafety can be provided. Moreover, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a self-supporting thermoelectric conversion element without requiring a complicated process.

図1は本発明の熱電変換素子の一態様(a)及び(b)を示す図であり、断面図((a-1)、(b-1))及び上面図((a-2)、(b-2))を示す。FIG. 1 is a view showing aspects (a) and (b) of the thermoelectric conversion element of the present invention, cross-sectional views ((a-1), (b-1)) and top views ((a-2), (b-2)). 図2は実施例3で作製した熱電変換モジュールの製造手順を示す上面図を示す。FIG. 2 shows a top view showing the manufacturing procedure of the thermoelectric conversion module produced in Example 3. FIG. 図3は実施例3で作製した熱電発電モジュールの断面図を示す。FIG. 3 shows a cross-sectional view of the thermoelectric power generation module produced in Example 3. FIG.

[熱電変換素子]
本発明の熱電変換素子(熱電変換層を有する積層体)は、第1の導電性基板、第1の導電性基板の上側に設けられた熱電変換酸化物層、熱電変換酸化物層の上側に設けられた第2の導電性基板、をこの順で積層してなり、前記第2の導電性基板の外周は、前記熱電変換酸化物層の外周上又は外周よりも内側に形成される、熱電変換素子である。
[Thermoelectric conversion element]
The thermoelectric conversion element (laminate having a thermoelectric conversion layer) of the present invention includes a first conductive substrate, a thermoelectric conversion oxide layer provided on the upper side of the first conductive substrate, and a thermoelectric conversion oxide layer on the upper side of the thermoelectric conversion oxide layer. and a second conductive substrate provided in this order, and the outer periphery of the second conductive substrate is formed on or inside the outer periphery of the thermoelectric conversion oxide layer. It is a conversion element.

本発明の熱電変換素子は、前記各層の面積に関して[第1の導電性基板の面積]≧[熱電変換酸化物層の面積]≧[第2の導電性基板の面積]、かつ、[第1の導電性基板の面積]>[第2の導電性基板の面積]の関係が成立する。
なお上記の積層構成を有する熱電変換素子において、第1の導電性基板と第2の導電性基板が接触する(導通する)と、熱電変換素子としての機能を成さないため、このような接触態様は事実上含まれない。こうした接触態様を避けるため、通常、前記第2の導電性基板の外周は、前記熱電変換酸化物層の外周上又は外周よりも内側に形成され得る、すなわち、前記第2の導電性基板は、前記熱電変換酸化物層の内部から外部に延在して配置される。また前記熱電変換酸化物層の外周は、前記第2の導電性基板の外周上又は外周よりも内側に形成され得るものとなる。
例えば好適な態様として[第1の導電性基板の面積]≧[熱電変換酸化物層の面積]>[第2の導電性基板の面積]の関係が成立する。すなわち図1(a)に例示するように、
断面からみたとき(図1(a-1))に第1の導電性基板1と熱電酸化物層2と第2の導電性基板3は、紙面上側になるにつれてよりその大きさが小さくなり、上部からみたとき(図1(a-2))、熱電変換酸化物層2からはみ出さずに第2の導電性基板3が設けられた構成を有してなる。
In the thermoelectric conversion element of the present invention, with respect to the area of each layer, [Area of first conductive substrate]≧[Area of thermoelectric conversion oxide layer]≧[Area of second conductive substrate] and [Area of first conductive substrate] area of the second conductive substrate]>[area of the second conductive substrate].
In addition, in the thermoelectric conversion element having the above-described laminated structure, if the first conductive substrate and the second conductive substrate are in contact (electrically connected), the function of the thermoelectric conversion element is not achieved. Aspects are virtually non-existent. In order to avoid such a contact mode, the outer circumference of the second conductive substrate can usually be formed on or inside the outer circumference of the thermoelectric conversion oxide layer. It is arranged to extend from the inside to the outside of the thermoelectric conversion oxide layer. Further, the outer circumference of the thermoelectric conversion oxide layer can be formed on or inside the outer circumference of the second conductive substrate.
For example, as a preferred embodiment, the relationship of [area of first conductive substrate]≧[area of thermoelectric conversion oxide layer]>[area of second conductive substrate] is established. That is, as illustrated in FIG. 1(a),
When viewed from the cross section (FIG. 1(a-1)), the size of the first conductive substrate 1, the thermoelectric oxide layer 2, and the second conductive substrate 3 decreases toward the upper side of the paper, When viewed from above (FIG. 1(a-2)), it has a configuration in which a second conductive substrate 3 is provided without protruding from the thermoelectric conversion oxide layer 2 .

本発明の熱電変換素子は、該素子より組み立てた熱電変換モジュールのフレキシビリティ向上の観点から、その面積サイズは可能な限り小さいことが好ましい。
例えば、上記熱電変換酸化物層が0.5mm~20mmの大きさの素子とすることができ、好ましくは上記熱電変換酸化物層を1mm~10mm、例えば2mm~5mmの大きさとすることができる。
From the viewpoint of improving the flexibility of the thermoelectric conversion module assembled from the thermoelectric conversion element of the present invention, the area size is preferably as small as possible.
For example, the thermoelectric conversion oxide layer can be an element having a size of 0.5 mm 2 to 20 mm 2 , preferably the thermoelectric conversion oxide layer has a size of 1 mm 2 to 10 mm 2 , for example, 2 mm 2 to 5 mm 2 . It can be said.

また本発明の熱電変換素子は、前記各層の厚さに関して[熱電変換酸化物層の厚さ]:〈[第1の導電性基板の厚さ]+[第2の導電性基板の厚さ]〉=1:1~1:10の関係が成立する。
これまで提案された熱電変換素子は、熱電変換効率の観点から、通常、熱電変換層が上下両側の導電性基板と比べて比較的厚いものが多い。
本発明の熱電変換素子(積層体)においては、該素子より組み立てた熱電変換モジュールのフレキシビリティ向上の観点から、ただし熱電変換素子自体の自立性や熱電変換能を損なわない範囲において、熱電変換素子全体の厚さは可能な限り薄いことが望ましい。
例えば熱電変換素子全体が厚い場合、該素子が設けられた熱電変換モジュールを曲面に曲げたとき、該素子が曲面の内側に設けられている場合には素子と素子が接触する可能性があり、また該素子が曲面の外側に設けられている場合には素子と素子を連結する上部(曲面の外側)電極が引き伸ばされ切断する虞がある。
但し、本発明の熱電変換素子において、第1の導電性基板及び第2の導電性基板の厚さが薄すぎる場合、熱電変換酸化物層は後述するように酸化物を焼結して得られる比較的脆い層であるため、素子の自立性が保てなくなる虞があるので注意を要する。一方、第1の導電性基板及び第2の導電性基板を厚くしすぎると、熱電変換モジュールが過剰に熱を帯びたり、該モジュールの取扱い性が悪くなったり、コストの増加につながる虞がある。
これらを鑑み、本発明の熱電変換素子にあっては、熱電変換層の厚さを、その外側に位置する導電性基板の厚さとほぼ同等か、むしろ薄いものとなるように、すなわち上述の関係が成立するように構成する。好ましい態様において、本発明の熱電変換素子は、[熱電変換酸化物層の厚さ]:〈[第1の導電性基板の厚さ]+[第2の導電性基板の厚さ]〉=1:2~1:5の関係を満たすものとすることができる。
Further, in the thermoelectric conversion element of the present invention, regarding the thickness of each layer, [thickness of thermoelectric conversion oxide layer]: <[thickness of first conductive substrate] + [thickness of second conductive substrate] >= 1:1 to 1:10.
From the viewpoint of thermoelectric conversion efficiency, most of the thermoelectric conversion elements proposed so far usually have a thermoelectric conversion layer that is relatively thicker than the upper and lower conductive substrates.
In the thermoelectric conversion element (laminate) of the present invention, from the viewpoint of improving the flexibility of the thermoelectric conversion module assembled from the element, the thermoelectric conversion element does not impair the self-sustainability and thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element itself. It is desirable that the overall thickness be as thin as possible.
For example, when the entire thermoelectric conversion element is thick, when the thermoelectric conversion module provided with the element is bent into a curved surface, the elements may come into contact with each other if the element is provided inside the curved surface. Further, when the element is provided outside the curved surface, there is a risk that the upper electrode (outside the curved surface) connecting the elements may be stretched and cut.
However, in the thermoelectric conversion element of the present invention, when the first conductive substrate and the second conductive substrate are too thin, the thermoelectric conversion oxide layer is obtained by sintering the oxide as described later. Since it is a relatively fragile layer, there is a possibility that the self-sustainability of the element may not be maintained, so care must be taken. On the other hand, if the first conductive substrate and the second conductive substrate are too thick, the thermoelectric conversion module may become excessively hot, the module may be difficult to handle, and the cost may increase. .
In view of these, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the thickness of the thermoelectric conversion layer is made substantially equal to or thinner than the thickness of the conductive substrate located outside it, that is, the above relationship is constructed so that In a preferred embodiment, the thermoelectric conversion element of the present invention has [thickness of thermoelectric conversion oxide layer]: <[thickness of first conductive substrate] + [thickness of second conductive substrate]> = 1 : 2 to 1:5.

本発明の熱電変換素子において、積層体を構成する各層の厚さは上述の事項を鑑み適宜設定できるが、例えば熱電変換層の厚さを50μm~200μmの範囲とすることができ、また熱電変換素子全体の厚さを100μm~2.2mmの範囲とすることができる。 In the thermoelectric conversion element of the present invention, the thickness of each layer constituting the laminate can be appropriately set in view of the above-mentioned matters. The thickness of the entire device can range from 100 μm to 2.2 mm.

好ましい態様において、第1の導電性基板と熱電変換酸化物層との間に第1の導電性ペースト層が、熱電変換酸化物層と第2の導電性基板との間に第2の導電性ペースト層が設けられる。
これら導電性ペースト層を設けることにより、熱電変換層と導電性基板との間に良好な導電性を付与できるとともに、導電性ペースト層がアンカーの役割を果たし、導電性基板と熱電変換酸化物層との接合性(結着性)を向上させることができる。
またこれら導電性ペースト層は、その面積に関して、[第1の導電性基板の面積]≧[第1の導電性ペースト層]≧[熱電変換酸化物層の面積]≧[第2の導電性ペースト層]≧[第2の導電性基板の面積]の関係が成立する。好ましくは[第1の導電性基板の面積]≧[第1の導電性ペースト層]≧[熱電変換酸化物層の面積]>[第2の導電性ペースト層]≧[第2の導電性基板の面積]の関係が成立する(図1(b)参照)。すなわち図1(b)に例示するように、断面からみたとき(図1(b-1))に第1の導電性基板1
、第1の導電性ペースト層4、熱電酸化物層2、第2の導電性ペースト層5、第2の導電性基板3は、紙面上側(第2の導電性基板3)になるにつれてよりその大きさが小さくなり、上部からみたとき(図1(n-2))、熱電変換酸化物層2からはみ出さずに第2の導電性基板3が設けられた構成を有してなる。
また導電性ペースト層は、アンカー効果を発揮できる厚さを有し、一方で素子全体の厚さの増加を妨げないことが望ましく、例えばその厚みは1μm~50μm程度とすることができる。
In a preferred embodiment, a first conductive paste layer is provided between the first conductive substrate and the thermoelectric conversion oxide layer, and a second conductive paste layer is provided between the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive substrate. A paste layer is provided.
By providing these conductive paste layers, good conductivity can be imparted between the thermoelectric conversion layer and the conductive substrate, and the conductive paste layer serves as an anchor, and the conductive substrate and the thermoelectric conversion oxide layer It is possible to improve the bondability (binding property) with.
In addition, regarding the area of these conductive paste layers, [Area of first conductive substrate]≧[First conductive paste layer]≧[Area of thermoelectric conversion oxide layer]≧[Second conductive paste layer]≧[area of second conductive substrate]. Preferably [Area of first conductive substrate] ≥ [First conductive paste layer] ≥ [Area of thermoelectric conversion oxide layer] > [Second conductive paste layer] ≥ [Second conductive substrate area] is established (see FIG. 1(b)). That is, as illustrated in FIG. 1B, when viewed from the cross section (FIG. 1B-1), the first conductive substrate 1
, the first conductive paste layer 4 , the thermoelectric oxide layer 2 , the second conductive paste layer 5 , and the second conductive substrate 3 become more dense as they move toward the upper side of the paper (second conductive substrate 3 ). The size is reduced, and when viewed from above (FIG. 1(n-2)), it has a configuration in which the second conductive substrate 3 is provided without protruding from the thermoelectric conversion oxide layer 2 .
Moreover, it is desirable that the conductive paste layer has a thickness capable of exhibiting an anchor effect while not preventing an increase in the thickness of the entire device.

[第1の導電性基板、第2の導電性基板]
上記導電性基板(第1、第2)は、十分な電気伝導性を有する材料からなるものであれば特に限定されないが、熱電変換モジュールからの出力を高めるために電気抵抗率が低い基板であればより好ましい。例えば、シート状の導電性金属からなる基板、導電性セラミックス基板、導電性金属被覆を形成した絶縁性セラミックス基板等を用いることができる。
これらの中でも、熱電変換モジュールのフレキシビリティの観点、すなわち熱電変換素子自体をより薄くし、基板自体に屈曲性を有し、割れにくいという観点から、シート状の導電性金属を導電性基板材料として好ましく用いることができる。
[First conductive substrate, second conductive substrate]
The conductive substrate (first and second) is not particularly limited as long as it is made of a material having sufficient electrical conductivity. is preferred. For example, a substrate made of a sheet-like conductive metal, a conductive ceramics substrate, an insulating ceramics substrate coated with a conductive metal, or the like can be used.
Among these, from the viewpoint of the flexibility of the thermoelectric conversion module, that is, from the viewpoint of making the thermoelectric conversion element itself thinner, having flexibility in the substrate itself, and being difficult to break, sheet-like conductive metal is used as the conductive substrate material. It can be preferably used.

上記導電性金属としては、熱電変換モジュールの使用温度において、酸化及び熔融の生じない金属であればよく、例えば、銀、金、白金、パラジウム等の貴金属、これらの貴金属を30質量%程度以上、好ましくは70質量%程度以上含む貴金属合金、また銅、鉄、チタン、アルミニウム等の卑金属などを用いることができる。
上記シート状の導電性金属の具体例としては、銅箔、銀箔、金箔、鉄箔などが挙げられる。
中でも、価格、電気抵抗率、熱伝導度等の観点から銀箔(銀製シート)が好適に用いられ、例えば厚さが50μm~1mm程度の銀箔を好ましく用いることができる。
The conductive metal may be any metal that does not oxidize or melt at the operating temperature of the thermoelectric conversion module. Preferably, noble metal alloys containing about 70% by mass or more, or base metals such as copper, iron, titanium, and aluminum can be used.
Specific examples of the sheet-like conductive metal include copper foil, silver foil, gold foil, and iron foil.
Among them, silver foil (silver sheet) is preferably used from the viewpoint of price, electrical resistivity, thermal conductivity, etc. For example, silver foil having a thickness of about 50 μm to 1 mm can be preferably used.

[熱電変換酸化物層]
本発明において、熱電変換酸化物層を構成する材料は、後述する熱電変換酸化物層形成組成物に分散し、これを塗布して層形成可能であれば、熱電変換材料として既知の酸化物を用いることができる。別の観点からは、100℃におけるゼーベック係数が-50μV/K以上であるマンガン系酸化物やコバルト系酸化物が熱電変換材料であるとも言え、これら既知の酸化物を出発原料として使用することができる。
また上記熱電変換酸化物層において、上記酸化物の結晶性は限定されない。熱電変換層として良い特性を得るためには結晶である方が好ましいが、例えば、出発原料がアモルファスであったとしても、熱電変換酸化物層形成組成物を基板に塗布した後、結晶化のために焼成することで良好な特性の熱電変換酸化物層を得ることができる。
また、出発原料として、例えばマンガン系酸化物やコバルト系酸化物にその製造過程で残存するカーボン成分が含まれている場合でも、後述する焼成によってカーボン成分を分解することができれば、熱電特性の良好な熱電変換酸化物層を得ることができる。
また、同じようにマンガン系酸化物やコバルト系酸化物の酸素原子は、塗布後の焼成工程で導入することも可能であるため、酸素原子の含有量が化学量論比より少ないマンガン系酸化物やコバルト系酸化物を出発原料として用いることもできる。
つまり、後述するように、本発明の熱電変換酸化物層形成組成物を基板に塗布した後、適切な焼成処理によって熱電変換層として十分な特性が得ることが可能であれば、出発原料としての酸化物は十分な熱電変換特性を有さなくてもよい。
上記熱電変換層は、後述する一般式(1)で表されるペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物を含む酸化物複合体からなるn型熱電変換層、又は下記一般式(2)もしくは(3)で表されるコバルト系酸化物を含む酸化物複合体からなるp型熱電変換層とすることができる。
[Thermoelectric conversion oxide layer]
In the present invention, the material constituting the thermoelectric conversion oxide layer is an oxide known as a thermoelectric conversion material, provided that it can be dispersed in a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition described later and applied to form a layer. can be used. From another point of view, manganese-based oxides and cobalt-based oxides having a Seebeck coefficient of −50 μV/K or more at 100° C. can be said to be thermoelectric conversion materials, and these known oxides can be used as starting materials. can.
Moreover, in the thermoelectric conversion oxide layer, the crystallinity of the oxide is not limited. In order to obtain good properties as a thermoelectric conversion layer, it is preferable to be crystalline. A thermoelectric conversion oxide layer with good properties can be obtained by firing the material.
In addition, even if the starting material, for example, a manganese-based oxide or a cobalt-based oxide, contains a carbon component remaining in the manufacturing process, if the carbon component can be decomposed by firing as described later, good thermoelectric properties can be obtained. A thermoelectric conversion oxide layer can be obtained.
Similarly, oxygen atoms in manganese-based oxides and cobalt-based oxides can be introduced in the baking process after coating, so manganese-based oxides with less oxygen atom content than the stoichiometric ratio can be used. and cobalt-based oxides can also be used as starting materials.
In other words, as will be described later, if the composition for forming a thermoelectric conversion oxide layer of the present invention can be applied to a substrate and then subjected to an appropriate baking treatment to obtain sufficient properties as a thermoelectric conversion layer, it is possible to use the composition as a starting material. The oxide may not have sufficient thermoelectric conversion properties.
The thermoelectric conversion layer is an n-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a perovskite-type calcium-manganese oxide represented by the general formula (1) described later, or by the following general formula (2) or (3) It can be a p-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing the cobalt-based oxide represented.

<ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物>
CaMn1-x (1)
(式中、Mは、Nb、Ta、Mo及びWからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、x、yは、0≦x≦0.1、2.8≦y≦3.2を満たす数である。)
一般式(1)で表される特に好ましいペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物を表1に示す。

Figure 2022144073000002
<Perovskite-type calcium-manganese-based oxide>
CaMn1 - xM1xOy ( 1 )
(In the formula, M1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W, and x and y are 0≤x≤0.1, 2.8≤y≤3. It is a number that satisfies 2.)
Table 1 shows particularly preferred perovskite-type calcium-manganese oxides represented by the general formula (1).
Figure 2022144073000002

<コバルト系酸化物>
Ca3-pBiCo (2)
(式中、p、qは、0≦p≦1、8.5≦q≦10を満たす数である。)
BiSr2-rCaCo (3)
(式中、r、tは、0.0≦r≦2.0、8.5≦t≦10を満たす数である。)
一般式(2)又は式(3)で表される特に好ましいコバルト系酸化物を表2に示す。

Figure 2022144073000003
<Cobalt oxide>
Ca3 - pBipCo4Oq ( 2 )
(In the formula, p and q are numbers satisfying 0≤p≤1 and 8.5≤q≤10.)
Bi2Sr2 - rCarCo2Ot ( 3 )
(In the formula, r and t are numbers satisfying 0.0≦r≦2.0 and 8.5≦t≦10.)
Table 2 shows particularly preferred cobalt-based oxides represented by general formula (2) or formula (3).
Figure 2022144073000003

[導電性ペースト層]
導電性ペースト層は導電性ペーストから形成した層である。
導電性ペースト層は、熱電変換層を導電性基板に接合させるための接合剤としての役割を果たし、銀、金、白金、パラジウム等の貴金属の一種又は二種以上の混合物を含む導電性金属を含む導電性ペーストから形成される。
上記導電性金属は、通常、粉末状として導電性ペーストに配合される。金属粉末の粒径については特に限定されないが、通常、粒度分布による50%平均粒径が0.05~50μm程度の範囲を有する粒径を有する粉末を用いることができる。
[Conductive paste layer]
A conductive paste layer is a layer formed from a conductive paste.
The conductive paste layer serves as a bonding agent for bonding the thermoelectric conversion layer to the conductive substrate, and contains a conductive metal containing one or a mixture of two or more of noble metals such as silver, gold, platinum, and palladium. formed from a conductive paste comprising:
The conductive metal is usually blended in the conductive paste in the form of powder. The particle size of the metal powder is not particularly limited, but powder having a particle size with a 50% average particle size in the range of about 0.05 to 50 μm in particle size distribution can be used.

[熱電変換素子の製造方法]
本発明の熱電変換素子、例えば導電性ペースト層を含む態様の熱電変換素子は、下記(1-1)~(1-5)工程より製造することができる。なお導電性ペースト層を含まない態様の場合、(1-1)及び(1-4)工程を省き、(1-2)工程の第1の導電性ペースト層を第1の導電性基板に、(1-5)工程の第2の導電性ペースト層を第2の導電性基板に読み替えればよい。
(1-1)第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
(1-2)該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
(1-3)該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層を形成する工程、
(1-4)別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、乾燥し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
(1-5)前記第1の導電性基板と前記前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程。
[Method for producing thermoelectric conversion element]
The thermoelectric conversion element of the present invention, for example, a thermoelectric conversion element including a conductive paste layer can be produced by the following steps (1-1) to (1-5). Note that in the case of an embodiment that does not include a conductive paste layer, steps (1-1) and (1-4) are omitted, and the first conductive paste layer in step (1-2) is applied to the first conductive substrate, The second conductive paste layer in step (1-5) can be read as the second conductive substrate.
(1-1) applying a conductive paste on a first conductive substrate and firing to form a first conductive paste layer;
(1-2) a step of applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
(1-3) baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer;
(1-4) Separately, a step of applying a conductive paste onto a second conductive substrate and drying to form a second conductive paste layer;
(1-5) The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive paste layer are opposed to each other, and are stacked in the stacking direction at 300°C. The process of pressure-pressing in the above.

また別の態様において、導電性ペースト層を含む本発明の熱電変換素子は、下記(2-1)~(2-7)工程より製造することができる。なお導電性ペースト層を含まない態様の場合、(2-1)及び(2-4)工程を省き、(2-2)工程の第1の導電性ペースト層を第1の導電性基板に、(2-5)工程の第2の導電性ペースト層を第2の導電性基板に読み替えればよい。
(2-1)第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
(2-2)該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
(2-3)該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層1を形成する工程、
(2-4)別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
(2-5)該第2の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
(2-6)該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層2を形成する工程、
(2-7)前記第1の導電性基板と前記前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層1と熱電変換酸化物層2が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程。
上記(2-1)~(2-3)工程、(2-4)~(2-6)工程は、前記(1-1)~(1-3)工程に倣い、(2-7)工程は前記(1-5)工程に倣い、実施することができる。
In still another aspect, the thermoelectric conversion element of the present invention including a conductive paste layer can be produced by the following steps (2-1) to (2-7). Note that in the case of an embodiment that does not include a conductive paste layer, steps (2-1) and (2-4) are omitted, and the first conductive paste layer in step (2-2) is applied to the first conductive substrate, The second conductive paste layer in step (2-5) can be read as the second conductive substrate.
(2-1) applying a conductive paste on a first conductive substrate and firing to form a first conductive paste layer;
(2-2) a step of applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
(2-3) a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 1;
(2-4) Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and firing to form a second conductive paste layer;
(2-5) a step of applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the second conductive paste layer to form a coating;
(2-6) a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 2;
(2-7) The first conductive substrate and the second conductive substrate are laminated so that the thermoelectric conversion oxide layer 1 and the thermoelectric conversion oxide layer 2 are opposed to each other, and are laminated at 300° C. in the stacking direction. The process of pressure-pressing in the above.
The above (2-1) to (2-3) steps and (2-4) to (2-6) steps follow the above (1-1) to (1-3) steps, and (2-7) step can be carried out following the above (1-5) step.

(1-1)第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程:
本工程では、まず前記導電性基板上に、前記導電性ペーストをスクリーン印刷法等により塗布する。
塗布後、例えば100℃前後にて導電性ペーストに含まれる溶媒等を乾燥して、その後必要に応じて焼成する。焼成温度は特に限定されないが、例えば500~900℃程度の温度にて焼成することにより、導電性基板との接合を強固とし、また後述する熱電変換酸化物層に対してアンカー効果を担う層とすることができる。
(1-1) Step of applying a conductive paste onto a first conductive substrate and firing to form a first conductive paste layer:
In this step, first, the conductive paste is applied onto the conductive substrate by a screen printing method or the like.
After the application, the solvent and the like contained in the conductive paste are dried, for example, at around 100° C., and then baked if necessary. Although the firing temperature is not particularly limited, for example, firing at a temperature of about 500 to 900° C. strengthens the bonding with the conductive substrate, and also serves as an anchor effect for the thermoelectric conversion oxide layer described later. can do.

(1-2)該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
本工程で用いられる熱電変換酸化物層形成組成物は、前述の熱電変換材料、すなわち、ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物、又は、コバルト系酸化物と、分散媒とを含む。該熱電変換層形成組成物の調製方法は特に限定されず、反応(混合)容器に上記酸化物や分散媒等を適量添加し混合し、必要に応じて湿式粉砕やボールミル処理等を行ってもよい。
該組成物には、必要に応じて、例えば酸化物の分散性及び塗布性を改善する目的でエチルセルロース等の多糖類を、また導電補助剤として導電性ペースト等を含んでいてもよい。
(1-2) a step of applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
The thermoelectric conversion oxide layer-forming composition used in this step contains the thermoelectric conversion material described above, that is, the perovskite-type calcium-manganese-based oxide or cobalt-based oxide, and a dispersion medium. The method for preparing the thermoelectric conversion layer-forming composition is not particularly limited, and an appropriate amount of the above-mentioned oxide, dispersion medium, etc. may be added to a reaction (mixing) vessel and mixed, and wet pulverization, ball mill treatment, etc. may be performed as necessary. good.
The composition may optionally contain a polysaccharide such as ethyl cellulose for the purpose of improving the dispersibility and coatability of the oxide, and a conductive paste or the like as a conductive aid.

なお本発明において、上記酸化物(ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物、コバルト系酸化物)を分散媒に分散させるためには、該酸化物は粒子状であることが望ましく、その平均粒子径が1nm乃至100μm程度の酸化物を用いることにより、均一な分散液(熱電変換酸化物層形成組成物)が容易に調製できるため好ましい。なお粒子径が1
nm以下では粒子同士が凝集して分散しにくくなり、100μm以上では分散性が悪くなるのみならず、均一な熱電変換酸化物層が形成できない虞がある。分散液(組成物)の塗布性、熱電変換酸化物層の熱電特性等の観点から、該平均粒子径は好ましくは5μm以下であり、より好ましくは1μm以下である。ここで平均粒子径は、粒度分布による50%平均粒径として求められる。
なお、出発原料としての前記酸化物の平均粒子径は、1nm以上であればよく、仮に出発原料の粒子径が100μm以上であっても、分散媒等と混合した後、湿式粉砕やボールミル処理等によって粒子を粉砕することで分散媒に分散可能な粒子径の酸化物を得ればよい。
In the present invention, in order to disperse the oxides (perovskite-type calcium-manganese-based oxides, cobalt-based oxides) in the dispersion medium, the oxides are preferably in the form of particles, with an average particle diameter of 1 nm. It is preferable to use an oxide having a diameter of about 100 μm because a uniform dispersion (thermoelectric conversion oxide layer-forming composition) can be easily prepared. Note that the particle diameter is 1
If the particle size is less than 100 μm, the particles aggregate and become difficult to disperse. The average particle size is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less, from the viewpoint of the coating properties of the dispersion (composition), the thermoelectric properties of the thermoelectric conversion oxide layer, and the like. Here, the average particle size is obtained as a 50% average particle size according to the particle size distribution.
The average particle size of the oxide as the starting material may be 1 nm or more, and even if the particle size of the starting material is 100 μm or more, after mixing with the dispersion medium etc. By pulverizing the particles, an oxide having a particle size that can be dispersed in the dispersion medium can be obtained.

上記分散媒としては、有機溶媒又は、絶縁性を有する水が好ましく用いられる。有機溶媒としては、例えば、テルピネオール(主成分はα-テルピネオール)、フェノキシエタノール等のアルコール、クロロホルム等の脂肪族ハロゲン系溶媒、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性の極性溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、テトラメチルベンゼン、ピリジン等の芳香族系溶媒、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケントン等のケトン系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、t-ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグライム等のエーテル系溶媒、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカンなどの炭化水素系溶媒が挙げられる。これらの有機溶媒のうち、1種を単独で用いたり、2種以上を組み合わせて用いたりすることができる。 As the dispersion medium, an organic solvent or insulating water is preferably used. Examples of organic solvents include terpineol (main component is α-terpineol), alcohols such as phenoxyethanol, aliphatic halogen solvents such as chloroform, N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP ), aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO), aromatic solvents such as chlorobenzene, dichlorobenzene, benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, tetramethylbenzene, pyridine, cyclohexanone, acetone, methyl ethyl kentone ketone solvents such as diethyl ether, tetrahydrofuran (THF), t-butyl methyl ether, dimethoxyethane and diglyme, and hydrocarbon solvents such as decane, undecane, dodecane, tridecane and tetradecane. Among these organic solvents, one type can be used alone, or two or more types can be used in combination.

上記熱電変換酸化物層形成組成物において、上記酸化物(ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物、コバルト系酸化物)の配合量(質量%)は、例えば0.1~90質量%とすることができる。酸化物の濃度が高すぎると該組成物は流動性を持たず、塗布法による熱電変換酸化物層を得ることが難しくなる。一方、固形分濃度が低すぎると該組成物は均一な膜が得られない。
上記導電補助剤として前述の導電性ペーストを配合する場合、その配合量は、上記熱電変換酸化物層形成組成物に対して、10~30質量%とすることができる。
In the thermoelectric conversion oxide layer-forming composition, the amount (% by mass) of the oxides (perovskite-type calcium manganese-based oxide, cobalt-based oxide) can be, for example, 0.1 to 90% by mass. . If the oxide concentration is too high, the composition will not have fluidity, making it difficult to obtain a thermoelectric conversion oxide layer by a coating method. On the other hand, if the solid content concentration is too low, the composition cannot form a uniform film.
When the above-described conductive paste is blended as the above-described conductive aid, the blending amount thereof can be 10 to 30% by mass with respect to the above-described thermoelectric conversion oxide layer-forming composition.

上記組成物を導電性ペースト層上(又は導電性基板上)に塗布し被膜を得る方法・装置は特に限定されない。例えば、スピンコート、ブレードコート、バーコート、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、スクリーン印刷等の塗布方法が使用され、これら方法に既知の装置を用いることができる。 The method and apparatus for applying the above composition onto the conductive paste layer (or the conductive substrate) to obtain a film are not particularly limited. For example, coating methods such as spin coating, blade coating, bar coating, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, and screen printing are used, and known devices can be used for these methods.

(1-3)該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層を形成する工程
本工程では、前記工程で得られた被膜を焼成して前記酸化物(ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物、コバルト系酸化物)を焼結させ、熱電変換酸化物層を得る。
上記被膜の焼成は、分散媒や多糖類等の熱電特性に関与しない成分や、例えばカーボン成分等の熱電特性に悪影響を与え得る成分を除去・分解する、前記酸化物の結晶化させる、また前記酸化物を焼結させるといった目的にて、該目的に叶う温度・時間にて実施され得、例えば酸化雰囲気中、300℃以上にて実施することができる。但し、焼成温度が高すぎるとペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物やコバルト系酸化物が相転移して熱電特性が変化するため、焼成温度の上限は前記酸化物の相転移温度によって制限される。例えば、ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物としてCaMn0.98Mo0.02を使用する場合は、1300℃以上の焼成で熱電特性が変化するため、焼成温度は1300℃以下が好ましく、またコバルト系酸化物としてCaCoを使用する場合は、860℃に相転移温度を有するので、焼成温度は850℃以下が好ましい。
焼成は、オーブン等による加熱焼成の他、紫外線、可視光、フラッシュ光等の光照射を使用した光焼成(光焼結)にて行うことができる。また、加熱焼成と光焼成とを併用する
こともできる。
(1-3) Step of baking the film at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer In this step, the film obtained in the above step is baked to form the oxide (perovskite-type calcium manganese Cobalt-based oxide) is sintered to obtain a thermoelectric conversion oxide layer.
The calcination of the coating removes and decomposes components that do not participate in thermoelectric properties such as dispersion media and polysaccharides, and components that may adversely affect thermoelectric properties such as carbon components, crystallizes the oxides, and For the purpose of sintering the oxide, it can be carried out at a temperature and time suitable for the purpose, for example, it can be carried out at 300° C. or higher in an oxidizing atmosphere. However, if the firing temperature is too high, the phase transition of the perovskite-type calcium-manganese-based oxide and the cobalt-based oxide changes the thermoelectric properties, so the upper limit of the firing temperature is limited by the phase transition temperature of the oxide. For example, when CaMn 0.98 Mo 0.02 O 3 is used as the perovskite-type calcium-manganese-based oxide, the thermoelectric properties change when fired at 1300° C. or higher. When Ca 3 Co 4 O 9 is used as the system oxide, it has a phase transition temperature of 860° C., so the firing temperature is preferably 850° C. or less.
The baking can be performed by heating with an oven or the like, or by light baking (photosintering) using light irradiation such as ultraviolet light, visible light, and flash light. Moreover, heat baking and light baking can also be used together.

(1-4)別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、乾燥し、第2の導電性ペースト層を形成する工程
本工程は、導電性基板上に導電性ペーストを塗布し乾燥した後、焼成を実施しない以外は、前述の(1-1)工程と同様に実施できる。
(1-4) Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and drying to form a second conductive paste layer. After drying, it can be carried out in the same manner as the above-mentioned step (1-1), except that the baking is not carried out.

(1-5)前記第1の導電性基板と前記前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程
本工程は、(1-1)~(1-3)工程にて得られた基板(第1の導電性基板-第1の導電性ペースト層-熱電変換酸化物層)と(1-4)工程で得られた基板(第2の導電性基板-第2の導電性ペースト層)を、これらの導電性基板が外側を向き、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が対向するように重ねた後、これを積層方向(接合面に垂直方向)に加圧プレスする工程である。加圧プレス後、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が接合して、積層体である熱電変換素子が得られる。
加圧プレスは、熱電変換層や導電性基板等が破損や変形しない程度の圧力にて、例えば1~20MPaにて、温度500~1000℃程度にて実施できる。
(1-5) The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive paste layer are opposed to each other, and are stacked in the stacking direction at 300°C. The step of pressurizing in the above step This step includes the substrate obtained in steps (1-1) to (1-3) (first conductive substrate-first conductive paste layer-thermoelectric conversion oxide layer) and the substrate (second conductive substrate-second conductive paste layer) obtained in step (1-4), these conductive substrates facing outward, and the thermoelectric conversion oxide layer and the second After stacking the conductive paste layers so that they face each other, they are press-pressed in the stacking direction (perpendicular to the bonding surface). After pressure pressing, the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive paste layer are bonded to obtain a thermoelectric conversion element as a laminate.
The pressurization can be performed at a pressure that does not damage or deform the thermoelectric conversion layer, the conductive substrate, etc., for example, at a pressure of 1 to 20 MPa and a temperature of about 500 to 1000.degree.

なお本発明の製造方法によれば、第1の導電性基板の上にほぼ同等サイズの第1の導電性ペースト層、熱電変換酸化物層を形成し、一方、第1の導電性基板のサイズに比べて、第2の導電性基板のサイズを小さいもの(例えば第1の導電性基板の1/3~1/10のサイズ)を採用し、これらを対向させる際、(第1の導電性基板上の)熱電変換酸化物層の上に、複数の(第2の導電性ペースト層が形成された)第2の導電性基板を、適度な間隔を開けて配置させることができる。そして加圧プレスした後、1の第2の導電性基板と別の第2の導電性基板との間に露出してなる熱電変換酸化物層部分を積層方向(熱電変換酸化物層-第1の導電性ペースト層-第1の導電性基板)を切断することにより、複数の熱電変換素子を得ることが可能になる。 According to the manufacturing method of the present invention, the first conductive paste layer and the thermoelectric conversion oxide layer having approximately the same size are formed on the first conductive substrate, while the first conductive substrate has the same size. When adopting a smaller size of the second conductive substrate (for example, 1/3 to 1/10 the size of the first conductive substrate) and making them face each other, (the first conductive substrate A plurality of second conductive substrates (on which the second conductive paste layers are formed) can be arranged at appropriate intervals on the thermoelectric conversion oxide layer (on the substrate). Then, after pressure pressing, the thermoelectric conversion oxide layer portion exposed between one second conductive substrate and another second conductive substrate is moved in the stacking direction (thermoelectric conversion oxide layer-first It is possible to obtain a plurality of thermoelectric conversion elements by cutting the conductive paste layer (first conductive substrate).

本発明の熱電変換素子は、熱電変換酸化物層としてペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物を含む酸化物複合体からなるn型熱電変換層を備える素子(以下、n型熱電変換素子)と、コバルト系酸化物を含む酸化物複合体からなるp型熱電変換層を備える素子(以下、p型熱電変換素子)とを、温度差方向と並列に配置し、これらn型/p型熱電変換素子の上下の接続配線によって複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続し、直列接続の終端からリード線等を引き出すことにより、熱電変換モジュール(熱電発電モジュールともいう)を作成することができる。 The thermoelectric conversion element of the present invention comprises an element having an n-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a perovskite-type calcium-manganese-based oxide as a thermoelectric conversion oxide layer (hereinafter referred to as an n-type thermoelectric conversion element), and a cobalt-based An element having a p-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing an oxide (hereinafter referred to as a p-type thermoelectric conversion element) is arranged in parallel with the temperature difference direction, and these n-type/p-type thermoelectric conversion elements are arranged above and below. A thermoelectric conversion module (also referred to as a thermoelectric power generation module) can be created by electrically connecting a plurality of thermoelectric conversion elements in series with the connection wiring and pulling out lead wires or the like from the end of the series connection.

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に記載するが、本発明は以下の記述によって限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following description.

[Ca2.7Bi0.3Co粉末の製造]
本実施例で用いたCa2.7Bi0.3Co粉末は特開2003-246678号公報を参考にして、以下のように合成した。
まず、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化ビスマス(Bi)及び酸化コバルト(Co)を化学量論比(Ca:Bi:Co=2.7:0.3:4)となるように秤量し、乳鉢で混合した。次いで、混合した試料をアルミナるつぼに入れ、空気中で800℃、10時間焼成し、得られた焼成物をめのう乳鉢と乳棒を用いて十分に混合し粉体を得た。この粉体を直径20mm、厚さ2~10mm程度の円盤状に加圧成形して成形体を得た。アルミナボートに金シートを敷き、その上に該成形体をのせて、空気中で880℃、
20時間焼成し、焼結体を得た。次いで、得られた焼結体を、めのう乳鉢と乳棒を用い粉砕して、さらに目開き38μmの金属篩を用いて、金属篩を通過したCa2.7Bi0.3Co粉末を得た。
[ Production of Ca2.7Bi0.3Co4O9 powder ]
The Ca 2.7 Bi 0.3 Co 4 O 9 powder used in this example was synthesized as follows with reference to Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-246678.
First, calcium carbonate (CaCO 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and cobalt oxide (Co 3 O 4 ) are mixed in a stoichiometric ratio (Ca:Bi:Co=2.7:0.3:4). and mixed in a mortar. Next, the mixed sample was placed in an alumina crucible and fired in air at 800° C. for 10 hours, and the resulting fired product was thoroughly mixed using an agate mortar and pestle to obtain powder. This powder was press-molded into a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 to 10 mm to obtain a compact. A gold sheet was laid on an alumina boat, the compact was placed thereon, and heated in the air at 880°C.
After firing for 20 hours, a sintered body was obtained. Next, the resulting sintered body was pulverized using an agate mortar and pestle, and a metal sieve with an opening of 38 μm was used to obtain Ca 2.7 Bi 0.3 Co 4 O 9 powder that had passed through the metal sieve. Obtained.

[CaMn0.98Mo0.02粉末の製造]
本実施例で用いたCaMn0.98Mo0.02粉末は特開2009-117449号公報に開示の内容を参考にして、以下のように合成した。
まず、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化マンガン(Mn)、及び酸化モリブデン(MoO)を化学量論比(Ca:Mn:Mo=1:0.98:0.02)になるよう秤量し、乳鉢で混合した。次いで、混合した試料をアルミナるつぼに入れ、空気中で1000℃、15時間仮焼し、仮焼後の生成物を乳鉢で粉砕・混合し粉体を得た。得られた粉体を直径20mm、厚さ2~10mm程度の円盤状に加圧成形して成形体を得た。アルミナボートに金シートを敷き、その上に該成形体をのせて、空気中で1250℃、12時間焼成する操作を2回繰り返すことによって、焼結体である単相のCaMn0.98Mo0.02を作製した。次いで、得られた焼結体を、めのう乳鉢と乳棒を用い粉砕して、さらに目開き38μmの金属篩を用いて、金属篩を通過したCaMn0.98Mo0.02粉末を得た。
[ Production of CaMn0.98Mo0.02O3 powder ]
The CaMn 0.98 Mo 0.02 O 3 powder used in this example was synthesized as follows with reference to the content disclosed in JP-A-2009-117449.
First, calcium carbonate (CaCO 3 ), manganese oxide (Mn 2 O 3 ), and molybdenum oxide (MoO 3 ) were mixed in a stoichiometric ratio (Ca:Mn:Mo=1:0.98:0.02). Weighed and mixed in a mortar. Next, the mixed sample was placed in an alumina crucible and calcined in air at 1000° C. for 15 hours, and the calcined product was pulverized and mixed in a mortar to obtain a powder. The obtained powder was press-molded into a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 to 10 mm to obtain a compact. A single-phase CaMn 0.98 Mo 0 sintered body was obtained by repeating the operation of laying a gold sheet on an alumina boat, placing the molded body on it, and firing in the air at 1250 ° C. for 12 hours twice. .02 O3 was made. Next, the resulting sintered body was pulverized using an agate mortar and pestle, and a metal sieve with an opening of 38 μm was used to obtain CaMn 0.98 Mo 0.02 O 3 powder that passed through the metal sieve. .

本実施例で使用したCaCo粉末は、(株)マウンテック製Macsorb HM model-1208により測定したとき、BET比表面積が70m/gであるCaCoを使用した。 Ca 3 Co 4 O 9 powder used in this example has a BET specific surface area of 70 m 2 /g as measured by Macsorb HM model - 1208 manufactured by Mountec Co., Ltd.

[調製例1:熱電変換層形成液1の調製(1)]
Ca2.7Bi0.3Co粉末(8g、100質量部)とCaCo粉末(2g、25質量部)とα-テルピネオール(8g、100質量部)をボトルに入れ、自転公転ミキサー((株)シンキー製、あわとり練太郎)を用いて2,000rpm、4分の条件で10回繰り返して混合し、熱電変換層形成液1(組成物C)を得た。
[Preparation Example 1: Preparation of thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (1)]
Ca 2.7 Bi 0.3 Co 4 O 9 powder (8 g, 100 parts by weight), Ca 3 Co 4 O 9 powder (2 g, 25 parts by weight) and α-terpineol (8 g, 100 parts by weight) were put into a bottle. , using a rotation-revolution mixer (Awatori Mixer, manufactured by Thinky Co., Ltd.) at 2,000 rpm for 4 minutes, the mixture was repeatedly mixed 10 times to obtain a thermoelectric conversion layer-forming liquid 1 (composition C).

[調製例2:熱電変換層形成液2の調製(2)]
CaMn0.98Mo0.02粉末(8g、100質量部)と銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)(2g、25質量部)とα-テルピネオール(8g、100質量部)をボトルに入れ、自転公転ミキサー((株)シンキー製、あわとり練太郎)を用いて2,000rpm、4分の条件で10回繰り返して混合し、熱電変換層形成液2(組成物M)を得た。
[Preparation Example 2: Preparation of thermoelectric conversion layer forming liquid 2 (2)]
CaMn 0.98 Mo 0.02 O 3 powder (8 g, 100 parts by mass), silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) (2 g, 25 parts by mass) and α-terpineol (8 g, 100 parts by mass) is put in a bottle and mixed repeatedly 10 times under the conditions of 2,000 rpm and 4 minutes using a rotation-revolution mixer (manufactured by Thinky Co., Ltd., Awatori Mixer) to form a thermoelectric conversion layer. Liquid 2 (composition M) was obtained.

[実施例1:熱電変換素子1(p型熱電変換素子)の作製(1)]
銀箔1(厚さ50μm、大きさ20mm×20mm)の上に、銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷により塗布し、860℃にて焼成して銀ペースト層1を得た後、その上に熱電変換層形成液1(組成物C)を液厚200μmで塗布し、850℃にて焼成し、熱電変換層を得た。
別途、64枚の銀箔2(厚さ100μm、大きさ2mm×2mm)の上に銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷により塗布し、100℃で乾燥し、銀ペースト層2を得た。
次に、これら64枚の銀箔2を縦、横0.5mmの等間隔の隙間を設けてそれぞれ縦横8枚ずつになるよう配列し、銀箔1の熱電変換層と銀箔2の銀ペースト層2が対向するように重ね、これを積層方向に950℃にて加圧プレス(30kgf/cm)した。熱電変換層は銀ペースト層2を介して銀箔2と強く接合し、一枚の薄片状の積層体を得た。
最後に、該積層体において、縦横8枚ずつ並べた銀箔2と銀箔2の隙間(0.5mm)に切断刃を通し、1片あたり約2.1~2.2mm×2.1~2.2mmサイズの小片切断し、銀箔1-銀ペースト層1-熱電変換層-銀ペースト層2-銀箔2の積層構成を有し
、二枚の銀箔の大きさが異なる(面積:銀箔1>銀箔2)熱電変換素子1(64個)を得た。得られた熱電変換素子1に割れや剥がれは見られなかった。
[Example 1: Preparation of thermoelectric conversion element 1 (p-type thermoelectric conversion element) (1)]
A silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) was applied by screen printing on silver foil 1 (thickness 50 μm, size 20 mm × 20 mm), and baked at 860 ° C. After obtaining a silver paste layer 1, a thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (composition C) was applied thereon to a liquid thickness of 200 μm and fired at 850° C. to obtain a thermoelectric conversion layer.
Separately, a silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) was applied by screen printing on 64 sheets of silver foil 2 (thickness: 100 µm, size: 2 mm x 2 mm), and the temperature was 100°C. to obtain a silver paste layer 2.
Next, these 64 silver foils 2 are arranged with equal intervals of 0.5 mm in length and width so that there are 8 sheets in each length and width, and the thermoelectric conversion layer of the silver foil 1 and the silver paste layer 2 of the silver foil 2 are arranged. They were stacked so as to face each other and pressurized (30 kgf/cm 2 ) at 950° C. in the stacking direction. The thermoelectric conversion layer was strongly bonded to the silver foil 2 via the silver paste layer 2 to obtain a thin laminate.
Finally, in the laminate, a cutting blade is passed through the gap (0.5 mm) between the silver foils 2 arranged vertically and horizontally to form a piece of about 2.1 to 2.2 mm×2.1 to 2.1 mm. A small piece of 2 mm size is cut, and it has a laminated structure of silver foil 1-silver paste layer 1-thermoelectric conversion layer-silver paste layer 2-silver foil 2, and the size of the two silver foils is different (area: silver foil 1 > silver foil 2 ) Thermoelectric conversion elements 1 (64 pieces) were obtained. No cracks or peeling was observed in the obtained thermoelectric conversion element 1 .

[実施例2:熱電変換素子2(n型熱電変換素子)の作製(2)]
熱電変換層形成液1(組成物C)の代わりに、熱電変換層形成液2(組成物M)を用いた以外は、実施例1と同様の手順にて熱電変換素子2を作成した。熱電変換素子2に割れや剥がれは見られなかった。
[Example 2: Production of thermoelectric conversion element 2 (n-type thermoelectric conversion element) (2)]
A thermoelectric conversion element 2 was produced in the same procedure as in Example 1, except that the thermoelectric conversion layer forming liquid 2 (composition M) was used instead of the thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (composition C). No cracking or peeling was observed in the thermoelectric conversion element 2 .

[比較例1]
銀箔H1(厚さ200μm、大きさ20mm×20mm)の上に、銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷により塗布し、860℃にて焼成して銀ペースト層H1-1を得た後、その上に熱電変換層形成液1(組成物C)を液厚200μmで塗布し、850℃にて焼成し、熱電変換層H1-1を得た。
別途、銀箔H2(厚さ200μm、大きさ20mm×20mm)の上に、銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷により塗布し、860℃にて焼成して銀ペースト層H1-2を得た後、その上に熱電変換層形成液1(組成物C)を液厚200μmで塗布し、850℃にて焼成し、熱電変換層H1-2を得た。
銀箔1と銀箔2を、熱電変換層H1-1と熱電変換層H1-2が対向するように重ね、450℃で加熱し、有機成分を除去した後、積層方向に930℃にて加圧プレス(30kgf/cm)した。熱電変換層H1-1と熱電変換層H1-2は強く接合し、一枚の薄片状の積層体を得た。
最後に、該積層体を切断機を用いて2.0mm×2.0mmサイズの小片に切断しようとしたところ、刃を当てた側の銀箔が切断の衝撃によって熱電変換層から剥がれ、積層体を維持した小片の素子を得ることはできなかった。
[Comparative Example 1]
A silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) was applied by screen printing onto the silver foil H1 (thickness: 200 μm, size: 20 mm x 20 mm) and baked at 860°C. After obtaining a silver paste layer H1-1, the thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (composition C) was applied thereon to a liquid thickness of 200 μm and fired at 850 ° C. to obtain a thermoelectric conversion layer H1-1. .
Separately, silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) was applied by screen printing on silver foil H2 (thickness 200 μm, size 20 mm × 20 mm), and was applied at 860 ° C. After firing to obtain the silver paste layer H1-2, the thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (composition C) was applied thereon to a liquid thickness of 200 μm and fired at 850° C. to form the thermoelectric conversion layer H1-2. Obtained.
The silver foil 1 and the silver foil 2 are stacked so that the thermoelectric conversion layer H1-1 and the thermoelectric conversion layer H1-2 face each other, heated at 450 ° C., after removing the organic component, pressurized at 930 ° C. in the stacking direction. (30 kgf/cm 2 ). The thermoelectric conversion layer H1-1 and the thermoelectric conversion layer H1-2 were strongly bonded to each other to obtain a thin laminate.
Finally, when an attempt was made to cut the laminate into small pieces of 2.0 mm x 2.0 mm size using a cutting machine, the silver foil on the side where the blade was applied was peeled off from the thermoelectric conversion layer due to the impact of cutting, and the laminate was cut. It was not possible to obtain a retained piece of element.

[比較例2]
PETシート(厚さ220μm、大きさ4mm×7mm)の上に銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷により塗布し、100℃にて乾燥して銀ペースト層H2-1を得た後、その上に熱電変換層形成液1(組成物C)を液厚200μmで塗布し、850℃にて焼成し、熱電変換層H2を得た。
次に、該熱電変換層の上に、銀ペースト(田中貴金属工業(株)製、製品名:MH-108A-10)をスクリーン印刷(条件)により塗布し、100℃にて乾燥し、銀ペースト層H2-2を得た。
最後に、このシートを積層方向に950℃にて加圧プレス(30kgf/cm)した。プレス後、熱電変換層H2の両面に銀の膜が形成された薄片が得られたが、持ち上げると崩壊し、自立性を有する素子を得るには至らなかった。
[Comparative Example 2]
Silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) was applied by screen printing onto a PET sheet (thickness: 220 µm, size: 4 mm x 7 mm), and dried at 100°C. After obtaining the silver paste layer H2-1, the thermoelectric conversion layer forming liquid 1 (composition C) was applied thereon to a liquid thickness of 200 μm and fired at 850° C. to obtain the thermoelectric conversion layer H2.
Next, on the thermoelectric conversion layer, a silver paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., product name: MH-108A-10) is applied by screen printing (conditions), dried at 100 ° C., and silver paste is applied. Layer H2-2 was obtained.
Finally, this sheet was pressure-pressed (30 kgf/cm 2 ) at 950° C. in the stacking direction. After pressing, a thin piece having silver films formed on both sides of the thermoelectric conversion layer H2 was obtained, but it collapsed when lifted, and a self-supporting element was not obtained.

[抵抗値の測定]
上述の手順にて得られた熱電変換素子1と熱電変換素子2について、抵抗値を測定した結果、いずれも約0.8Ωを示した。
なお、抵抗値の測定は直流四端子法により行った。銀箔1及び銀箔2の表面に白金線を銀ペーストを用いて接続し、それぞれの白金線に電流計と電圧計に接続し、1mA又は10mAで通電してその際の電圧を計算し、電流(横軸)-電圧(縦軸)直線の傾きを電気抵抗とした。
[Resistance measurement]
As a result of measuring the resistance values of the thermoelectric conversion element 1 and the thermoelectric conversion element 2 obtained by the above procedure, both showed about 0.8Ω.
In addition, the measurement of the resistance value was performed by the DC four-terminal method. A platinum wire is connected to the surface of silver foil 1 and silver foil 2 using silver paste, each platinum wire is connected to an ammeter and a voltmeter, current is applied at 1 mA or 10 mA, the voltage at that time is calculated, and the current ( The slope of a straight line (horizontal axis) - voltage (vertical axis) was taken as electrical resistance.

[実施例3 熱電変換モジュール(熱電発電モジュール)の作製]
実施例1で得られた熱電変換素子1(p型熱電変換素子)と実施例2で得られた熱電変換素子2(n型熱電変換素子)を用いて、熱電変換モジュールを作製した。
まず、片面に粘着層を有する34mm×38mm角、厚さ65μmのカプトン(ポリイ
ミド)フィルム上に、2mm×5mm、厚さ100μmの銀シート1を1.5mmの隙間を開け、50枚を配列し、粘着性を用い固定した(図2(A))。
各銀シート1の両端から2mm程度内側まで、導電性の銀ペースト(ダイボンディングペースト、商品名:DBC130SD)を塗布した。銀ペースト上に実施例1の熱電変換素子1(図中、p型素子)と実施例2の熱電変換素子2(図中、n型素子)を1枚ずつ交互に合計で50枚ずつ乗せて、180℃、20分間、空気中で加熱し、銀ペーストを固化した。この時、各熱電変換素子の面積の大きい銀箔1側を銀ペーストと接着した(図2(B))。
次に、各熱電変換素子の面積の小さい銀箔2上に、銀箔からはみ出ないよう導電性の銀ペースト(ダイボンディングペースト、商品名:DBC130SD)を塗布した。その上に長さ5mm、幅1mm、厚さ100μmの銀シート2を、前記の銀シート1で接続されていない、隣接の熱電変換素子1と熱電変換素子2とを接続するように載置した。こうして50対の熱電変換素子を直列に接続し、両末端の熱電変換素子には、長さ80mmの銀シート3を接続し、電力の取り出し線とした(図2(C))。
最後に、ホットプレートを用いて180℃で20分間、空気中で加熱し、銀ペーストを固化して、50対のp型熱電変換素子-n型熱電変換素子で構成される熱電変換モジュールを作製した。図3に得られた熱電変換モジュールの断面図を示す。得られた熱電変換モジュールは柔軟性があった。
[Example 3 Fabrication of thermoelectric conversion module (thermoelectric power generation module)]
Using the thermoelectric conversion element 1 (p-type thermoelectric conversion element) obtained in Example 1 and the thermoelectric conversion element 2 (n-type thermoelectric conversion element) obtained in Example 2, a thermoelectric conversion module was produced.
First, on a Kapton (polyimide) film of 34 mm × 38 mm square and 65 µm thick having an adhesive layer on one side, 50 silver sheets 1 of 2 mm × 5 mm and 100 µm thick were arranged with a gap of 1.5 mm. , was fixed using adhesiveness (Fig. 2(A)).
A conductive silver paste (die bonding paste, trade name: DBC130SD) was applied from both ends of each silver sheet 1 to about 2 mm inside. A total of 50 thermoelectric conversion elements 1 (p-type element in the figure) and 2 thermoelectric conversion elements 2 (n-type element in the figure) of Example 1 were alternately placed on the silver paste. , 180° C. for 20 minutes in air to solidify the silver paste. At this time, the side of the silver foil 1 having a large area of each thermoelectric conversion element was adhered to the silver paste (FIG. 2(B)).
Next, a conductive silver paste (die bonding paste, trade name: DBC130SD) was applied on the silver foil 2 having a small area of each thermoelectric conversion element so as not to protrude from the silver foil. A silver sheet 2 having a length of 5 mm, a width of 1 mm, and a thickness of 100 μm was placed thereon so as to connect adjacent thermoelectric conversion elements 1 and 2 that were not connected by the silver sheet 1. . In this way, 50 pairs of thermoelectric conversion elements were connected in series, and 80 mm long silver sheets 3 were connected to the thermoelectric conversion elements at both ends to form power extraction lines (Fig. 2(C)).
Finally, a hot plate is used to heat in the air at 180° C. for 20 minutes to solidify the silver paste to produce a thermoelectric conversion module composed of 50 pairs of p-type thermoelectric conversion elements and n-type thermoelectric conversion elements. did. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module obtained. The obtained thermoelectric conversion module was flexible.

上記熱電変換モジュールの発電出力を、四端子法により測定した。一対の端子は、直流電流計に接続し、外部負荷を変動させながら該熱電変換モジュールが出力する電流を計測した。それと同時に、電圧計に接続したもう一対の端子で電圧を計測した。
熱電変換モジュールのカプトン側の面をホットプレートで加熱し、反対面に伝熱性で、電気絶縁性のフィルムを乗せ、その上にアルミニウム製の放熱フィンを乗せて熱電変換素子に温度差をつけた。熱電変換モジュールの取り出し線(図2(C)及び図3:銀シート3)に外部抵抗を接続し、その値を変化させながら電圧と電流を計測し、電圧×電流から最大発電出力を得た。表3にホットプレートの表面温度と、発電出力の結果を示した。
The power output of the thermoelectric conversion module was measured by a four-terminal method. A pair of terminals was connected to a DC ammeter to measure the current output from the thermoelectric conversion module while varying the external load. At the same time, the voltage was measured at the other pair of terminals connected to the voltmeter.
The surface of the thermoelectric conversion module on the Kapton side was heated with a hot plate, and a heat-conducting and electrically insulating film was placed on the opposite surface. . An external resistor was connected to the lead wire of the thermoelectric conversion module (Fig. 2 (C) and Fig. 3: silver sheet 3), and the voltage and current were measured while changing the value of the resistance, and the maximum power output was obtained from the voltage x current. . Table 3 shows the surface temperature of the hot plate and the power output.

Figure 2022144073000004
Figure 2022144073000004

表3に示すように、本発明の熱電変換素子(p型熱電変換素子、n型熱電変換素子)を用いて作製した熱電変換モジュールは熱電変換能を有し、熱エネルギー量(ホットプレートの表面温度)の増加に応じて最大発電出力が増加したことが確認された。
As shown in Table 3, the thermoelectric conversion module produced using the thermoelectric conversion element (p-type thermoelectric conversion element, n-type thermoelectric conversion element) of the present invention has thermoelectric conversion ability, and the amount of thermal energy (hot plate surface It was confirmed that the maximum power output increased as the temperature) increased.

Claims (7)

第1の導電性基板、
第1の導電性基板の上側に設けられた熱電変換酸化物層、
熱電変換酸化物層の上側に設けられた第2の導電性基板、をこの順で積層してなり、
前記第2の導電性基板の外周は、前記熱電変換酸化物層の外周上又は外周よりも内側に形成される、熱電変換素子であって、
前記各層の面積に関して[第1の導電性基板の面積]≧[熱電変換酸化物層の面積]≧[第2の導電性基板の面積]、かつ、[第1の導電性基板の面積]>[第2の導電性基板の面積]の関係が成立し、
前記各層の厚さに関して[熱電変換酸化物層の厚さ]:〈[第1の導電性基板の厚さ]+[第2の導電性基板の厚さ]〉=1:1~1:10の関係が成立することを特徴とする、熱電変換素子。
a first conductive substrate;
a thermoelectric conversion oxide layer provided on the upper side of the first conductive substrate;
A second conductive substrate provided on the upper side of the thermoelectric conversion oxide layer is laminated in this order,
The outer periphery of the second conductive substrate is a thermoelectric conversion element formed on or inside the outer periphery of the thermoelectric conversion oxide layer,
Regarding the area of each layer, [Area of first conductive substrate]≧[Area of thermoelectric conversion oxide layer]≧[Area of second conductive substrate] and [Area of first conductive substrate]> The relationship of [the area of the second conductive substrate] is established,
Regarding the thickness of each layer [thickness of thermoelectric conversion oxide layer]: <[thickness of first conductive substrate] + [thickness of second conductive substrate]> = 1:1 to 1:10 A thermoelectric conversion element characterized in that the relationship of
第1の導電性基板と熱電変換酸化物層との間に第1の導電性ペースト層が形成されてなり、熱電変換酸化物層と第2の導電性基板との間に第2の導電性ペースト層が形成されてなる、
請求項1に記載の熱電変換素子。
A first conductive paste layer is formed between the first conductive substrate and the thermoelectric conversion oxide layer, and a second conductive paste layer is formed between the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive substrate. A paste layer is formed,
The thermoelectric conversion element according to claim 1.
前記熱電変換酸化物層は、0.5mm~20mmの面積を有する、
請求項1又は請求項2に記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion oxide layer has an area of 0.5 mm 2 to 20 mm 2 ,
The thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2.
前記熱電変換酸化物層が、
一般式(1):
CaMn1-x (1)
(式中、Mは、Nb、Ta、Mo及びWからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、x、yは、0≦x≦0.1、2.8≦y≦3.2を満たす数である。)
で表されるペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物を含む酸化物複合体からなるn型熱電変換層、又は、
一般式(2)もしくは一般式(3):
Ca3-pBiCo (2)
(式中、p、qは、0≦p≦1、8.5≦q≦10を満たす数である。)
BiSr2-rCaCo (3)
(式中、r、tは、0.0≦r≦2.0、8.5≦t≦10を満たす数である。)
で表されるコバルト系酸化物を含む酸化物複合体からなるp型熱電変換層
である、
請求項1乃至請求項3のうちいずれか一項に記載の熱電変換素子。
The thermoelectric conversion oxide layer is
General formula (1):
CaMn1 - xM1xOy ( 1 )
(In the formula, M1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W, and x and y are 0≤x≤0.1, 2.8≤y≤3. It is a number that satisfies 2.)
An n-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a perovskite-type calcium manganese oxide represented by
General formula (2) or general formula (3):
Ca3 - pBipCo4Oq ( 2 )
(In the formula, p and q are numbers satisfying 0≤p≤1 and 8.5≤q≤10.)
Bi2Sr2 - rCarCo2Ot ( 3 )
(In the formula, r and t are numbers satisfying 0.0≦r≦2.0 and 8.5≦t≦10.)
A p-type thermoelectric conversion layer made of an oxide composite containing a cobalt-based oxide represented by
The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3.
熱電変換素子の製造方法であって、
第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層を形成する工程、
別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、乾燥し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
前記第1の導電性基板と前記前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層と第2の導電性ペースト層が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程、
とを含む、熱電変換素子の製造方法。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element,
applying a conductive paste on a first conductive substrate and baking to form a first conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer;
Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and drying to form a second conductive paste layer;
The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer and the second conductive paste layer face each other, and the layers are pressed at 300° C. or higher in the stacking direction. the process of pressing,
and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
熱電変換素子の製造方法であって、
第1の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第1の導電性ペースト層を形成する工程、
該第1の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層1を形成する工程、
別途、第2の導電性基板上に導電性ペーストを塗布し、焼成し、第2の導電性ペースト層を形成する工程、
該導第2の導電性ペースト層上に、熱電変換酸化物層形成組成物を塗布し、被膜を形成する工程、
該被膜を300℃以上にて焼成し、熱電変換酸化物層2を形成する工程、
前記第1の導電性基板と前記第2の導電性基板を、熱電変換酸化物層1と熱電変換酸化物層2が対向するように重ね、これを積層方向に300℃以上にて加圧プレスする工程、
とを含む、熱電変換素子の製造方法。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element,
applying a conductive paste on a first conductive substrate and baking to form a first conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the first conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 1;
Separately, a step of applying a conductive paste on a second conductive substrate and baking to form a second conductive paste layer;
applying a thermoelectric conversion oxide layer-forming composition onto the conductive second conductive paste layer to form a coating;
a step of baking the coating at 300° C. or higher to form a thermoelectric conversion oxide layer 2;
The first conductive substrate and the second conductive substrate are stacked so that the thermoelectric conversion oxide layer 1 and the thermoelectric conversion oxide layer 2 face each other, and are press-pressed at 300° C. or higher in the stacking direction. the process of
and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
請求項4に記載された熱電変換素子を複数個用い、p型熱電変換層を備えるp型熱電変換素子の未接合の端部を、n型熱電変換層を備えるn型熱電変換素子の未接合の端部に基板上で接続する方法で、複数の熱電変換素子を直列に接続してなる熱電発電モジュール。
A plurality of the thermoelectric conversion elements according to claim 4 are used, and the unjoined end portion of the p-type thermoelectric conversion element having the p-type thermoelectric conversion layer is connected to the unjoined n-type thermoelectric conversion element having the n-type thermoelectric conversion layer. A thermoelectric power generation module in which a plurality of thermoelectric conversion elements are connected in series by a method of connecting on a substrate to the end of the
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