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054_05_热电材料在汽车废热回收的应用

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26車輛研測資訊2006-09

世界上最沒有效率的大概就是內燃機引擎了(如圖1所示),其中燃燒的汽油約只有25% (柴油引擎可達35%)是被用來驅動車輛前進,約有5%是摩擦損失,另外大約有30%是引擎冷卻消耗掉,最後大約40%的熱能藉由排氣排放到大氣中。因此,如何提高引擎的燃燒效率同時也相對減低車輛油耗,在今天這個高油價的時代格外顯得受人注意。引擎廢熱回收不僅可以提高燃油效率,也可以降低廢氣的溫度,減少大氣中的熱污染以及二氧化碳的排放量。所以,改善排氣廢熱的回收與應用是目前較為

主要的研究方向。

利用熱電材料來進行排氣管廢熱的回收,係許多研究中的一項。所謂熱電材料是兩種不同的金屬構成閉合回路,當兩者接頭存在溫差時,回路中將產生電流(由德國人Seebeck 發現,故稱之為Seebeck 效應,如圖2);換句話說可以直接將熱能轉化為電能,是一種全固態能量轉換方式,無需化學反應或流體介質,因而在發電過程中具有無噪音、無磨損、無介質洩漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等優點。

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效率較低(一般不大於8%),因此其應用範圍受到限

25%財團法人車輛研究測試中心

林克衛

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車輛研測資訊2006-09

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制,但隨著半導體與奈米技術的不斷進步,熱電材料應用已經越來越廣泛,當然也包括了引擎廢熱回收。目前已經有許多公司針對引擎廢熱回收進行相關的研究,例如:Hi-Z 、Amerigon 、BASF 、

Caterpillar 、GM 、BMW 等。美國能源局(DOE)也委

託BSST 進行熱電材料應用於汽車廢熱回收的開發研究,可見熱電材料在引擎廢熱回收的前景。

以Hi-Z 公司於輕型柴油車上所進行的熱電材料廢熱回收系統的研究顯示(如圖3),使用效率5%的熱電材料最高可以節省5%的燃油消耗,除了熱電材料本身的效率問題,系統的熱管理也是決定效能的關鍵因素。因此,以目前來說廢熱回收系統是必然可行的,但是由於材料的效率等等問題限制了實車上的應用。表1可以來說明熱電材料在車輛應用上的利基與挑戰。

隨著熱電材料領域研究的不斷深入,性能的進一步提高、製造技術的逐步成熟,最近出現了許多新的概念和應用實例,包括高能量密度溫差發電模塊、熱電共生系統、加熱循環熱電燃燒系統等,應用在汽車廢熱回收的研究也方興未艾。只要未來熱電材料的效率可以提昇到達16~25﹪,且成本可以控制在3元/W 之下的話,未來結合在車輛排氣管上進行廢熱回收增加燃油效率,必然是指日可待。

圖3 熱電材料排氣廢熱回收發電模組

表1 熱電材料在車輛上的分析

冷卻水出口

冷卻水進口

引擎廢氣出口

熱電熱交換器

排氣熱交換器

引擎廢氣進口

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熱電模組