CN109273584A - 一种汽车尾气温差发电装置用热电材料及发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:(1)将氯化钕、氯化钆加入至水中,然后继续向其中加入乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热,保温处理,得到乙酰水杨酸稀土化合物;(2)将铋粉、氧化铋、铜粉、硒粉、氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入乙酰水杨酸稀土化合物,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结成圆片,制得热电材料。本发明提供的热电材料,热转化效率高,体积小,同时本发明还提供一种汽车尾气温差发电装置,解决了热端取热难、冷端换热难的技术缺陷。
Description
技术领域
本发明属于汽车尾气能量回收技术领域,具体涉及一种汽车尾气温差发电装置用热电材料及发电装置。
背景技术
汽车燃料产生的能量约30%被转换为有效功;30%被冷却水带走,40%被尾气排放到大气中,以1.6L排量汽油车为例,发动机转速在3000r/min时,发动机出排出的尾气温度可达450℃左右,排气管末端温度也可达200℃左右。如果能够有效的利用这一余热,那么相当于提高了燃油的使用效率。目前,中国每年尾气余热浪费的能量相当于2亿吨燃油,折算成原油3.5亿吨。如果每台车能回收废热能量的10%,并加以合理利用,按目前我国汽车保有量和油耗计算,相当于每年可回收约3500万吨原油,如果能够将部分废热能量转换为有效工,我国每年将节约数十亿吨燃油消耗量。
目前乘用车尾气余热回收技术的研究方向主要围绕着半导体材料性能的提高和温差发电装置的结构展开。温差发电装置是一种将半导体原件与热交换器结合的热能与电能转换的全固态能量转换装置。它优点是转换过程中不需要机械运动部件,具有无噪音、无磨损、寿命长、稳定性高的特点;在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转换成电能,通过选择合适的半导体材料,就可以在不同的温度范围内对热能加以利用;在能量的转换中半导体发电无废水、废气等污染物排除,而且体积小重量轻,安装、控制和维护方便,可以长期免维护工作,是一种对环境近乎零排放的能绿色源材料。
但是,现有技术中的热电材料的能量转化率低,大多数半导体热电转换率仍在10%以下,并且热电材料的体积较大,这也严重制约了尾气温差发电装置的商业化应用;同时尾气温差发电装置结构复杂,不利于在汽车尾气管处布置,并且存在着热端取热难,尽管尾气排出的热能很多,但由于汽车尾气温度变化快、密度低、流速快,使热能很难被高效的获取,冷端换热难,要保证稳定发电量和热电半导体原件的稳定安全,热端传来的多余热量需要迅速散走。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,以解决热电材料的热转化效率低、体积大的技术缺陷,同时还提供一种汽车尾气温差发电装置,以解决热端取热难、冷端换热难的技术缺陷。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将23-29份氯化钕、30-35份氯化钆加入至280-300份水中,然后继续向其中加入60-65份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至85-90℃后,保温处理3-4小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将15-20份铋粉、18-23份氧化铋、30-36份铜粉、34-40份硒粉、10-14份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量10-20%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
具体地,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为90-95℃,加热的时间为50-60min。
具体地,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
具体地,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
具体地,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
具体地,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
一种上述的热电材料的汽车尾气温差发电装置,包括尾气进口、尾气通道、尾气出口,所述尾气通道的上方和下方机械固定有平板式发电片,所述平板式发电片的上下表面固定有热电材料,所述平板式发电片的另一面设置有循环水箱。
作为本发明的进一步方案,上述循环水箱和平板式发电片之间设置有散热片。
作为本发明的进一步方案,所述汽车尾气温差发电装置固定安装在汽车尾气管三元催化装置的后端。
由以上的技术方案可知,本发明的有益效果是:
本发明提供的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,在现有的热电材料的制备基础上,加入了乙酰水杨酸稀土化合物,即乙酰水杨酸钕和乙酰水杨酸钆,两者在放电等离子烧结的过程中,其中的有机基团会在高温环境中除去,余下的钕和钆能和热电材料中剩余的物质有效的结合,并且在热电材料中的分布均匀,其中乙酰水杨酸能有效的提升稀土元素在热电材料中分布的均匀性;钕的存在,能有效的提升热电材料的载流子浓度,并且能降低迁移率,提升电导率,进而有效的提升了热电材料的对热能的转化效率;钆的存在,可有效的提升热电材料中各成分之间的离子性,降低成分之间的共价性,进而有效的提升了热电材料的导电性能,同时钆和钕还能提升热电材料的稳定性,减少热电材料的体积;本发明提供的一种汽车尾气温差发电装置,结构简单合理,热端上,热电材料与汽车尾气的接触面积大,取热量大,冷端热气散发的快,进而使得热电材料的两端温差大,发电效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例5一种汽车尾气温差发电装置结构示意图。
图2为本发明实施例6一种汽车尾气温差发电装置结构示意图。
图3为汽车尾气温差发电装置安装位置示意图。
图4为尾气通道箱体立体结构示意图。
图5为冷却水箱体立体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将23份氯化钕、30份氯化钆加入至280份水中,然后继续向其中加入60份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至85℃后,保温处理3小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将15份铋粉、18份氧化铋、30份铜粉、34份硒粉、10份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量10%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
具体地,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为90℃,加热的时间为50min。
具体地,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
具体地,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
具体地,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
具体地,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
实施例2
一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将25份氯化钕、32份氯化钆加入至285份水中,然后继续向其中加入62份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至86℃后,保温处理3.3小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将17份铋粉、20份氧化铋、34份铜粉、36份硒粉、12份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量12%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
具体地,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为92℃,加热的时间为52min。
具体地,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
具体地,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
具体地,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
具体地,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
实施例3
一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将26份氯化钕、34份氯化钆加入至290份水中,然后继续向其中加入64份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至88℃后,保温处理3.6小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将18份铋粉、22份氧化铋、34份铜粉、38份硒粉、13份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量16%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
具体地,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为94℃,加热的时间为58min。
具体地,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
具体地,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
具体地,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
具体地,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
实施例4
一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将29份氯化钕、35份氯化钆加入至300份水中,然后继续向其中加入65份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至90℃后,保温处理4小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将20份铋粉、23份氧化铋、36份铜粉、40份硒粉、14份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量20%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
具体地,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为95℃,加热的时间为60min。
具体地,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
具体地,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
具体地,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
具体地,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
对比例1
步骤(2)中,冷却后不向产物中加入乙酰水杨酸稀土化合物,其余操作步骤与实施例1完全相同。
分别用各实施例和对比例的方法制得热电材料,然后测试各组制得的热电材料的发电量和热回收效率以及能量密度,试验结果如表1所示:
表1热电材料的性能测试
项目 | 发电量,W | 热回收效率,% | 能量密度,W/mm |
实施例1 | 632 | 17.5 | 4.2 |
对比例1 | 425 | 12.4 | 2.8 |
实施例2 | 647 | 19.2 | 4.3 |
实施例3 | 651 | 19.8 | 4.4 |
实施例4 | 655 | 19.8 | 4.4 |
实施例5
如附图1所示,一种汽车尾气温差发电装置,包括尾气进口、尾气通道、尾气出口,所述尾气通道的上方和下方机械固定有平板式发电片,所述平板式发电片的上下表面固定有热电材料,所述平板式发电片的另一面设置有循环水箱。
如附图3所示,作为本发明的进一步方案,所述汽车尾气温差发电装置固定安装在汽车尾气管三元催化装置的后端。
实施例6
如附图1所示,一种上述的热电材料的汽车尾气温差发电装置,包括尾气进口1、尾气通道2、尾气出口3,所述尾气通道3的上方和下方机械固定有平板式发电片4,所述平板式发电片4的上下表面固定有热电材料,所述平板式发电片的另一面设置有循环水箱5。
如附图2所示,作为本发明的进一步方案,上述循环水箱5和平板式发电片4之间设置有散热片6。
如附图3所示,作为本发明的进一步方案,所述汽车尾气温差发电装置7固定安装在汽车尾气管三元催化装置8的后端。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,采用以下方法制成:
(1)按重量份计,将23-29份氯化钕、30-35份氯化钆加入至280-300份水中,然后继续向其中加入60-65份乙酰水杨酸钠,混合搅拌均匀后,加热至85-90℃后,保温处理3-4小时,待冷却至室温后加入石油醚进行萃取,取上层清液,再加热去除溶液中的石油醚后得到乙酰水杨酸稀土化合物;
(2)按重量份计,将15-20份铋粉、18-23份氧化铋、30-36份铜粉、34-40份硒粉、10-14份氧化钡压成直径为10mm的圆柱,封入真空石英管,在马弗炉中烧结成块体,然后研磨成粉末,并再次冷压成圆柱、封入真空石英管,在马弗炉中烧结处理,冷却后向产物中加入其重量10-20%的乙酰水杨酸稀土化合物,球磨成混合粉末,所得混合粉末在真空中用放电等离子烧结Φ20×10mm的圆片,制得热电材料。
2.根据权利要求1所述的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,上述步骤(1)中加热去除溶液中的石油醚的温度为90-95℃,加热的时间为50-60min。
3.根据权利要求1所述的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,上述步骤(2)中,马弗炉第一次烧结处理的温度为300℃,烧结处理的时间为10小时,马弗炉第二次烧结处理的温度为750℃,烧结处理的时间为20小时。
4.根据权利要求1所述的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,上述步骤(2)中,球磨工艺为:球料比12:1,在手套箱氩气保护中装罐,球磨机转速400r/min,每球磨30min后停歇10min使球磨罐冷却,累计球磨时间10h。
5.根据权利要求1所述的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,上述步骤(2)中,放电等离子烧结的工艺为:850℃烧结5min,压强为55MPa,放电等离子烧结使用模具均为高强石墨模具,样品与模具之间使用石墨纸隔离。
6.根据权利要求1所述的一种汽车尾气温差发电装置用热电材料,其特征在于,上述步骤(2)中,铋粉、铜粉、硒粉的纯度均为99.99%。
7.一种采用权利要求1-6中任意所述的热电材料的汽车尾气温差发电装置,其特征在于,包括尾气进口(1)、尾气通道(2)、尾气出口(3),所述尾气通道(2)的上方和下方机械固定有平板式发电片(4),所述平板式发电片的上下表面固定有热电材料,所述平板式发电片(4)的另一面设置有循环水箱(5)。
8.根据权利要求7所述的一种汽车尾气温差发电装置,其特征在于,上述循环水箱(5)和平板式发电片(4)之间设置有散热片(6)。
9.根据权利要求7所述的一种汽车尾气温差发电装置,其特征在于,所述汽车尾气温差发电装置(7)固定安装在汽车尾气管三元催化装置(8)的后端。
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