[发明专利]热电发电模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过采用热电发电元件而利用温度差来进行发电的热电发电模块。

背景技术

一直以来，已知有热电发电元件配置在高温侧换热器与低温侧换热器之间来进行发电的热电发电。热电发电元件是应用了被称为“塞贝克效应”的热电效应的构件。在作为热电材料而采用半导体材料的情况下，通过将由P型的热电材料形成的热电发电元件和由N型的热电材料形成的热电发电元件组合而构成热电发电模块。这样的热电发电模块不仅结构简单且操作容易，还能够维持稳定的特性，因此，对于向利用从机动车的发动机或工厂的炉等排出的气体中的热量来进行发电的热电发电的应用，正在广泛地开展研究。

不过，热电发电模块为了获得高热电转换效率，要在尽可能地使高温部的温度(Th)与低温部的温度(Tc)之差增大那样的温度环境下使用。例如，采用了具有代表性的铋-碲(Bi-Te)系的热电材料的热电发电模块要在高温部的温度(Th)最高成为280℃那样的温度环境下使用。

现有的热电模块的用途主要用于冷却，作为用于将电极连接于热电元件的焊料，采用的是37％Pb-63％Sn的共晶系的焊料或Sn-Ag-Cu等的无铅焊料等。另外，为了防止焊料向热电元件中扩散，采用的是镍(Ni)或镍-锡(Ni-Sn)的金属互化物(参考日本国专利申请公开JP-A-10-135523)。作为电极，一般采用铜(Cu)，为了使焊料的浸润性良好，大多采用镀敷等方法而在电极上形成镍膜。

在JP-A-10-135523中，指出了在作为防止焊料向热电元件扩散的扩散防止层而使用镍的热电装置中，通过厚度为几μm的薄扩散防止层是无法可靠地阻止扩散的。另一方面，指出了在采用了镍的厚扩散防止层的情况下，镍的厚层沿着块体的边界层而强力地阻止扩散，但镍的厚层和热电元件的接触强度发生劣化。

对此，为了进一步地提高扩散防止的效果，提高扩散防止层的结构的强度而使热电装置的可靠性增长，在专利文献1中公开了具有N型及P型的导体元件和将N型及P型的导体元件与电路连接的接合板的热电装置的扩散防止层结构由金属互化物Ni-Sn制成为厚度50～3000μm的至少1层。进而，公开了扩散防止层的结构设为由金属互化物Ni-Sn的层和含有锡的连接层构成的金属层。

另一方面，在以发电作为目的的情况下，为了能够在高温下使用热电模块，作为用于将电极与热电元件连接的焊料，提出了采用含有85％以上的铅(Pb)的焊料(参考日本国专利申请公开JP-P2009-231317A)。

在JP-P2009-231317A中，公开了将热电模块的高度(热电元件的高度方向)保持恒定而能够确保充分的接合强度，另外能够防止由于焊料的突出而产生破坏的热电模块。该热电模块为由P型热电元件、N型热电元件、电极构件及将这些构件接合的焊料构成的热电模块，焊料由焊料基材及粒子(铜球)构成。进而，在JP-P2009-231317A中公开了焊料基材含有85％以上的铅。通过将焊料的铅的含有率设为85％以上，即便例如在260℃的高温下，焊料也不会熔解而是保持接合，从而能够将电极构件与热电元件良好地接合。

另外，作为热电元件的扩散防止膜，提出了采用钼(Mo)膜等(参考日本国专利申请公开JP-P2008-10612A)。作为焊料接合层，一直以来采用的是镍膜。

在JP-P2008-10612A中，公开了相对于含有铋、碲、硒、锑中的至少一种的热电材料能够形成元素的扩散防止效果高且剥离强度高的扩散防止层的热电元件。该热电元件具有：含有铋(Bi)、碲(Te)、硒(Se)、锑(Sb)中的两种以上的热电材料；形成在热电材料上，且防止异种元素相对于热电材料的扩散的扩散防止层；形成在扩散防止层上，且将扩散防止层与焊料接合的焊料接合层，热电材料层与扩散防止层的界面或者扩散防止层与焊料接合层的界面中的剥离强度为0.6MPa以上。进而，在JP-P2008-10612A中，公开了扩散防止层含有钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、及钽(Ta)中的任一种。

但是，在高温部的温度超过250℃那样的高温的环境下，在作为防止焊料向热电元件中扩散的扩散防止层而采用镍的情况下，相反地镍向焊料层中扩散及偏析而使接合界面的电阻值上升，或者电极的铜经由焊料层向热电元件中扩散而使热电元件的电阻值上升，由此产生了在1000～2000小时的长时间使用下热电模块的输出电力降低这样的问题。

发明内容

【发明要解决的课题】