一種內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線的熱電轉(zhuǎn)換電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線的熱電轉(zhuǎn)換電池，包括內(nèi)電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線，外電極為金屬線，其中，熱電轉(zhuǎn)換材料3是Ce(FexHfyPtz)13，其中：x的范圍為0.85～0.90；y的范圍為0.03～1-x；z的范圍為0.005～0.45。該電池解決了現(xiàn)有技術中熱電轉(zhuǎn)換技術轉(zhuǎn)換率低，實際應用效果差的問題，是一種熱電轉(zhuǎn)換效率高的熱電轉(zhuǎn)換電池。
【專利說明】一種內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線的熱電轉(zhuǎn)換電池
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱電轉(zhuǎn)換電池。
【背景技術】
[0002]熱電效應是在給物質(zhì)加熱時，可以感應出電流來，電流強度隨著熱量的增加而增加的現(xiàn)象。在加熱時能感應出電流的物質(zhì)叫熱電效應材料，也叫熱電轉(zhuǎn)換材料。用金屬材料作兩極，中間用熱電轉(zhuǎn)換材料將兩金屬材料連接起來，制作而成熱電轉(zhuǎn)換電池。
[0003]熱電轉(zhuǎn)換電池是單向?qū)峤Y(jié)構，是先把一個金屬電極加熱，然后再由加熱的金屬通過熱電轉(zhuǎn)換材料把熱量傳導給另一個金屬電極。由于單向?qū)峤Y(jié)構，使微小的熱粒子向電子轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了連續(xù)循環(huán)的電流。由于單向?qū)щ娊Y(jié)構，對熱電池中的熱電流起到了正向促進，反向阻止的作用。
[0004]熱電轉(zhuǎn)換電池可利用太陽能、熱電廠的余熱、地熱等熱能轉(zhuǎn)換為電能，其轉(zhuǎn)換效率主要取決于熱電轉(zhuǎn)換材料以及兩極金屬材料的性能。另外，轉(zhuǎn)換效率也與兩金屬極和熱電轉(zhuǎn)換材料的接觸面積有關，所以在兩個金屬極與熱電轉(zhuǎn)換材料的接觸面上設置面積擴大裝置，主要設置在內(nèi)電極上，從而擴大接觸面積，使熱電轉(zhuǎn)換達到最佳效果。必要時，熱電轉(zhuǎn)換電池還可以并聯(lián)或者串聯(lián)使用，如把若干組熱電池重疊在一起，使熱量得到更充分的轉(zhuǎn)換效果。
[0005]但是，現(xiàn)有技術種熱電轉(zhuǎn)換電池的轉(zhuǎn)換率較低，很難實際應用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此尋找更合適的熱電轉(zhuǎn)換材料和兩極的金屬材料，提高熱電轉(zhuǎn)換電池的轉(zhuǎn)換率，是本領域亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

`[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術中熱電轉(zhuǎn)換技術轉(zhuǎn)換率低，實際應用效果差的問題，提供了一種熱電轉(zhuǎn)換效率高的熱電轉(zhuǎn)換電池。
[0007]本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換電池，包括內(nèi)電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線，外電極為金屬線，其中，
[0008]熱電轉(zhuǎn)換材料3 是 Ce (FexHfyPtz) 13
[0009]其中:x的范圍為0.85~0.90 ；y的范圍為0.03~l_x ；z的范圍為0.005~0.45。
_0]熱電轉(zhuǎn)換材料優(yōu)選為 CeFe11HfV55Pta45, CeFe11.5HfL15Pt0.45, CeFe10.75HfL8Pt0.35,CeFe10 sHf1.ssP^0.35。
[0011]優(yōu)選地，內(nèi)電極和外電極為鐵或銅。
[0012]經(jīng)過實驗測試，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換電池與現(xiàn)有技術中已知的熱電轉(zhuǎn)換材料，例如黃鐵礦制成的電池相比，熱電轉(zhuǎn)換效率明顯提高，在20~50°C之間提高12~18%，在50~100°C之間提高22~32%。本發(fā)明人驚喜的發(fā)現(xiàn)，采用Ce(FexZryPbz)13制成的熱電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換效率相比本發(fā)明人的另一個在前發(fā)明以La為主要構成熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電轉(zhuǎn)換器件不要高出2~3%。【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)化電池的結(jié)構示意圖。
[0014]圖2為圖1沿橫向的截面圖。
[0015]圖3為圖1沿縱向的截面圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明，但應該理解，實施例僅用于說明本發(fā)明的技術方案，不用于限制其保護范圍。
[0017]本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換電池，包括內(nèi)電極1、外電極2、以及二者之間設置的熱電轉(zhuǎn)換材料3，其中內(nèi)電極I為纏繞在絕緣管上的金屬線，外電極2為金屬線，如圖1、2、3所示。
[0018]該熱電轉(zhuǎn)換電池的制造方法是:一個纏繞在絕緣管上的金屬線作為發(fā)射極1，金屬線外加熱電轉(zhuǎn)換材料3，熱電轉(zhuǎn)換材料外再纏繞金屬線作為加熱極2，構成一個小單體熱電轉(zhuǎn)換器件。熱電轉(zhuǎn)換材料的加工過程同實施例1。用連接線將若干個小單體熱電轉(zhuǎn)換器件連接起來，組成高電壓熱電轉(zhuǎn)換器件。
[0019]本發(fā)明的內(nèi)電極也稱為發(fā)射極，其接收來自熱電轉(zhuǎn)換材料的電子。外電極也稱為加熱極，其溫度變化后，向熱電轉(zhuǎn)換材料輸送電子，從而將熱電轉(zhuǎn)換材料加熱。由于單向?qū)щ娊Y(jié)構，熱電電池中的熱電流起到正向促進、反向阻止的作用。
[0020]其中，內(nèi)電極1、外電極2為金屬材料。優(yōu)選為鐵或銅，也可以是鋁或銀。例如內(nèi)電極I選金屬鐵，外電極2選金屬`銅。
[0021 ]熱電轉(zhuǎn)換材料 3 是 Ce (FexHfyPtz) 13
[0022]其中:x的范圍為0.85~0.90 ；y的范圍為0.03~l_x ；z的范圍為0.005~0.45。
[0023]熱電轉(zhuǎn)換材料優(yōu)選為CeFe11HfV55Pta45, CeFe11.5HfL15Pt0.45, CeFe10.75HfL8Pt0.35,CeFe10 sHf1.ssP^0.35。
[0024]所述的熱電轉(zhuǎn)換材料3的制造工藝包括如下步驟:
[0025]a)使Ce、Fe、Hf和Pt四種化學元素在固相和/或液相中以對應于其金屬基材料的化學計量比反應，形成Ce (FexHfyPtz) 13反應物；
[0026]b)將上述反應物壓制成固體；
[0027]c)將上述固體燒結(jié)和/或熱處理，
[0028]d)將來自步驟c)的燒結(jié)和/或熱處理的固體以至少lOOK/s的冷卻速率驟冷。
[0029]在本方法的步驟(a)中，
[0030]在固相或液相中以對應于熱電轉(zhuǎn)換材料的化學計量比將存在于后者熱電轉(zhuǎn)換材料中的元素和/或合金轉(zhuǎn)化。
[0031]優(yōu)選通過將元素和/或合金在密閉容器中或在擠出機中組合加熱，或通過在球磨機中固相反應而進行步驟a)中的反應。特別優(yōu)選進行固相反應，其尤其在球磨機中進行。這種反應原則上是已知的；參見以上引用的文獻。通常，將存在于后者熱電轉(zhuǎn)換材料中的各元素的粉末或者兩種或更多種各元素的合金的粉末以粉狀形式以合適的重量比混合。如果需要的話，還可將混合物研磨以得到微晶粉末混合物。優(yōu)選將該粉末混合物在球磨機中加熱，這導致進一步粉碎以及良好混合，并導致粉末混合物中的固相反應?；蛘?，將各元素作為粉末以所選擇的化學計量比混合，然后熔融。
[0032]在密閉容器中組合加熱使得固定揮發(fā)性元素并控制化學計量比。具體而言，在使用磷的情況下在開放系統(tǒng)中這將容易蒸發(fā)。
[0033]在在本方法的步驟(b)中，
[0034]將步驟a)中得到的固體在燒結(jié)和/或熱處理之前壓制。這使材料密度提高，使得高密度熱電轉(zhuǎn)換材料存在于后者應用中。這尤其是有利的，因為存在磁場的體積可降低，這可相當大地節(jié)約成本。壓制為本身已知的，可用或不用壓制助劑進行。可使用任何適于壓制的模型。通過壓制，可得到所需三維結(jié)構的成型體。壓制之后可進行步驟c)的燒結(jié)和/或熱處理，其后進行步驟d)的驟冷。
[0035]在本方法的步驟(C)中，
[0036]固體的燒結(jié)和/或熱處理在步驟c)中進行，優(yōu)選首先在700-1300°C的溫度下進行燒結(jié)，然后在500-750°C的溫度下進行熱處理。這些值尤其適用于成型體，而較低的燒結(jié)和熱處理溫度可用于粉末，例如，在500-700°C的溫度下進行。對于成型體/固體，燒結(jié)更優(yōu)選在900-1200°C，尤其是1000-1100°C的溫度下進行。熱處理然后可例如在600-700°C下進行。
[0037]燒結(jié)優(yōu)選進行20-30小時，更優(yōu)選25-30小時。熱處理優(yōu)選進行50_70小時，更優(yōu)選60-65小時。精確的時間可根據(jù)材料調(diào)整以適應實際要求。
[0038]燒結(jié)/熱處理導致顆粒邊界部分熔融，使得材料進一步密實。因此，步驟b)中的熔融和快速冷卻使步驟c)的持續(xù)期間相當大地降低。這還使得連續(xù)制備熱電轉(zhuǎn)換材料。
[0039]在本方法的步驟(d)中，
[0040]當在燒結(jié)和/或熱處理之后不將金屬基材料緩慢冷卻至環(huán)境溫度，而是以高冷卻速率驟冷時，熱滯后可顯著降低并可實現(xiàn)熱電效應。該冷卻速率為至少lOOK/s。冷卻速率優(yōu)選為200-1300K/s，更優(yōu)選的冷卻速率為300-1000K/s。
[0041]驟冷可通過任何合適的冷卻方法實現(xiàn)，例如通過用水或含水液體如冷卻水或冰/水混合物將固體驟冷。例如，可使固體落入冰冷卻的水中。也可用過冷的氣體如液氮將固體驟冷。其它驟冷方法為本領域技術人員已知的。
[0042]通過將熱電池加熱到不同溫度進行測量，就可以得到不同體積、不同面積在不同溫度下所產(chǎn)生的對應的電流強度值。本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換電池可以把各種熱能轉(zhuǎn)化為電能。其敏感性好，空氣中的溫度變化都可以使熱電池產(chǎn)生電流變化，是一種普通熱量的收集轉(zhuǎn)化器，尤其在高溫加熱時可以得到很好的熱電轉(zhuǎn)換效果，而且可以長期反復使用。經(jīng)實驗證明，采用本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換材料制成熱電轉(zhuǎn)換電池，與現(xiàn)有技術中已知的熱電轉(zhuǎn)換材料形成的熱電轉(zhuǎn)換電池相比，熱電轉(zhuǎn)換效率明顯提高，在10?50°C之間提高12?18%，在50?100°C之間提高22?32%。熱電池內(nèi)部的溫度不能無限制的增加，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換電池的加熱溫度優(yōu)選限于100攝氏度以內(nèi)。由于熱電電池的結(jié)構不同，材料不同，對溫度的要求不同。
[0043]由此可見，本發(fā)明的材料是適于熱電轉(zhuǎn)換電池的一種新穎的熱電轉(zhuǎn)換材料，其室內(nèi)溫度變化即可產(chǎn)生電流變化，尤其可顯著提高加熱溫度在50?100°C范圍內(nèi)的熱電轉(zhuǎn)換效率。
【權利要求】
1.一種內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線的熱電轉(zhuǎn)換電池，包括內(nèi)電極、外電極、以及二者之間設置的熱電轉(zhuǎn)換材料，其特征在于， 內(nèi)電極為纏繞在絕緣管上的金屬線，外電極為金屬線， 熱電轉(zhuǎn)換材料3是Ce (FexHfyPtz) 13 其中:x的范圍為0.85~0.90 ；y的范圍為0.03~l_x ；z的范圍為0.005~0.45。
2.如權利要求1所述的電池，其特征在于，所述熱電轉(zhuǎn)換材料優(yōu)選為CeFe11HfV55Pta45,CeFe11 5HfL isPt0.45? CeFe10 75^1.sP^0.35，CeFe10 sHf 1.ssP^0.35。
3.如權利要求1所`述的電池，其特征在于，所述內(nèi)電極和外電極為鐵或銅。
【文檔編號】H01L37/00GK103779493SQ201410037076
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權日:2014年1月26日
【發(fā)明者】邵建根, 楊強 申請人:南通明諾機械有限公司