[发明专利]热电发电模块

说明书

一种能够在不损害通过焊料来接合热电转换元件和电极时的焊接性、接合强度的情况下进行制造，在较长期间的使用下不会使电阻大幅增加的热电发电模块。该热电发电模块包括：热电转换元件，其由以铋、碲、锑、以及硒以内的至少2种元素为主成分的热电材料形成；依次配置于热电转换元件的1个面的至少1个扩散防止层以及焊料接合层，其中，该至少1个扩散防止层不含有镍，该焊料接合层由镍、锡或以它们为主成分的合金或化合物形成；电极；电极保护层，其至少配置于电极的一个主面，且包含以镍(Ni)为主成分的厚度为0.2μm～3.0μm的膜；以及焊料层，其将焊料接合层接合于电极保护层的一部分的区域。

技术领域

本发明涉及使用热电转换元件来利用温度差进行发电的热电发电模块。

背景技术

以往以来，已知将热电转换元件配置在高温侧热交换器和低温侧热交换器之间进行发电的热电发电。热电转换元件是应用了被称为塞贝克效应的热电效应的元件。在将半导体材料用作热电材料的情况下，通过经由电极将由P型的半导体热电材料形成的热电转换元件与由N型的半导体热电材料形成的热电转换元件电连接，来构成热电发电模块。

这样的热电发电模块由于构造简单且处理容易，能够维持稳定的特性，所以正朝着对于利用从汽车的发动机、工厂的熔炉等排出的气体中的热量进行发电的热电发电的应用广泛地推进研究。

一般，热电发电模块为了得到高热电转换效率，而在高温部的温度(Th)和低温部的温度(Tc)之差变大这样的温度环境下使用。例如，代表性地使用了铋-碲(Bi-Te)系的热电材料的热电发电模块在高温部的温度(Th)最高成为250℃～280℃这样的温度环境中使用。因此，在为了提高电极的焊料浸润性等而对电极实施镀镍的情况下，镍向焊料层内的扩散以及氧化就成为问题。

作为关联技术，在日本国专利申请公开JP-P2004-14766A(段落0005-0007)中，记载了以下的问题点：在现有的热电模块中，为了防止焊料的扩散，预先在热电元件与电极之间形成Ni-P系或Ni-B系合金的非电解镀膜，由于该非电解镀膜的电阻率高，所以在对各热电元件通电的情况下，在该镀膜中产生电阻发热，在吸热侧也发热，结果是，作为热电模块的性能会比由热电元件的材料的物性所决定的理论值低。

为了解决该问题点，在JP-P2004-14766A中，公开了以下技术：在通过多个上部电极以及多个下部电极将多个热电元件串联或并联地连接的热电模块中，通过焊料将热电元件与上部电极或下部电极接合，在热电元件的接合面上，形成电阻率为10至60μΩ·cm的镍非电解镀膜。

在日本国专利申请公开JP-P2001-102645A(段落0006-0009)中，公开了以下的热电元件：1～5μm的镀镍层易于在该镀层表面形成针孔，其结果是，由于焊料成分会通过针孔扩散到热电半导体元件内，所以为了维持热电元件的性能不变，防止焊料成分的扩散，而在表面形成了厚度7μm以上的镀镍层。

在日本国专利申请公开JP-A-H9-321352(段落0012，图25)中，公开了具有由元件主体和Ni层以及Mo层构成的热电元件的热电模块，其中，该元件主体由Bi-Te-Sb-Se形成，该Ni层以及Mo层设置于与接合电极接合的接合面。此外，优选Ni层的厚度为1μm以上，Mo层的厚度为1μm以下。

在日本国专利申请公开JP-P2008-10612A(段落0010-0012)中，公开了一种热电元件的制造方法以及通过这样的热电元件的制造方法来制造的热电元件，能够针对包含铋、碲、硒、锑以内的至少1种元素的热电材料，形成元素的扩散防止效果高且剥离强度高的扩散防止层。

该热电元件的特征在于，具备：包含铋(Bi)、碲(Te)、硒(Se)、锑(Sb)以内的2种以上元素的热电材料；形成在该热电材料上，且防止不同种元素向上述热电材料扩散的扩散防止层；形成在该扩散防止层上，且将该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之间的界面、或扩散防止层与焊料接合层之间的界面的剥离强度为0.6MPa以上。