[发明专利]热电模块及温差发电机

说明书

本发明提供了一种热电模块及温差发电机。该热电模块包括：热电臂，包括交替排列的P型热电臂和N型热电臂，且各P型热电臂和各N型热电臂串联连接；电极，包括与热电臂的低温端连接的第一电极，以及与热电臂的高温端连接的第二电极，第二电极的内部嵌有柔性导电材料，热电臂的高温端与柔性导电材料配合连接。本发明通过在第二电极的内部嵌有柔性导电材料，并使热电臂的高温端与柔性导电材料配合连接，从而在不影响电接触性能的同时，缓解了由于高温热膨胀系数失配带来的热应力。进一步地，本发明通过延长焊片来实现一个辐射遮挡作用，在基本不提高成本、不提高工艺难度的前提下明显降低了辐射传热，又不会明显影响横向热电臂之间的温度分布。

技术领域

本发明涉及热电领域，具体而言，涉及一种热电模块及温差发电机。

背景技术

热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电模块。热电器件的应用迄今已有一百多年的历史，早期主要是用来探测温度，例如热电偶。后来随着高性能热电材料的开发，又被用于电子控温、废热发电和航天电池组等领域。近20年来，热电模块的微型化技术因其独特的应用背景受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种热电模块微型化的技术方案，并将其应用于便携式电源、海底探测器、气体传感器和医疗器械等领域。最近的理论研究表明，在利用热电技术进行工业余热或汽车尾气的温差发电时，仅靠减小热电模块的特征尺寸就可以在不改变转化效率和功率的前提下有效减少材料的使用量，从而降低成本和环境代价。因此适合于大规模生产的低成本微型热电模块制造技术将在未来显现出广阔的市场前景。

工业余热的温度范围一般在200～800C左右，较高温度的工业余热可以产生较高的温差，从而显著提高温差发电的效率和功率。但是，一般热电材料最佳的工作温度范围只有100～200C左右，因此为了实现热源能量的梯度高效利用，会将多种热电材料串联起来，组成多级联热电模块。

例如，文献1(Acta Materialia 87(2015)357–376)为目前工业界最常用的热电模块制造方法，其热端的连接方式为焊接。在热电材料上面制作金属化层，然后再通过钎焊料和导电带(电极材料)连接起来。电极材料和陶瓷板的连接方式可以是粘接，也可是直接金属化键合。然而，文献1的焊接方法有两个缺点：第一、刚性连接会导致热失配应力，第二、焊接的温度一般比高温端最高使用温度高50～100C，焊接时可能导致热电材料的热致损坏。而本方案采用柔性机械连接，在常温下完成，既大幅消减了热失配应力，又避免了高温焊接对于材料的破坏。

再例如，文献2(Materials Science in Semiconductor Processing 13(2010)221–224)中报道了一种适用于高温发电的双级联热电器件的制作方法。其中热端和电极的连接方法与文献1的报道相同，但是采用了热膨胀系数和热电材料相近的金属合金作为电极。而两种热电材料的连接方式是直接用粉末叠在一起，一次烧结成型。文献2选用的和热电材料热膨胀系数相近的电极材料Mo-Cu合金的梯度复合材料。但是这种材料属于专门开发的特种复合材料，工业上没有成熟生产工艺，而且成本也较高。另外，文献2采用的双级联材料一体化烧结技术烧结温度高，工艺难度较高，烧结的温度区间非常窄，即便如此，一体烧结的温度难以同时满足两种不同温区热电材料的最佳烧结要求。

综上所述，现有热电模块存在以下问题：1)热电模块的内部辐射传热在高温时是一个非常重要的热损失因素，现有的发明为了降低纵向的漏热，往往会提高模块的集成密度，即使得热电臂之间的距离减小。但这样横向又存在辐射换热的可能，对于多级联热电臂来说，横向的辐射换热可能会破坏设计的最优温度分布状态。2)高温热电模块在使用中最容易失效的部位就是高温端热电材料和电极的连接处。一般适用于低温模块的传统焊接方法无法解决热膨胀系数失配的问题，这样在长时间使用后就容易发生断裂。3)利用粉末叠一次烧结成型的方法制作多级联的热电模块，其工艺难度较高，烧结的温度区间非常窄，即便如此，一体烧结的温度难以同时满足两种不同温区热电材料的最佳烧结要求。4)传统做法工艺繁琐、造价昂贵。因为烧结工艺的难度，导致了产品经济效率低、成品率低和缺陷高。