DE102010031502A1

DE102010031502A1 - Rohrförmiger thermoelektrischer Generator

Info

Publication number: DE102010031502A1
Application number: DE102010031502A
Authority: DE
Inventors: Joachim Froeschl; Matthias dr. Linde; Boris Mazar
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Rohrförmiger (TEG) thermoelektrischer Generator (1), der von einem Fluid durchströmbar ist, mit einer Innenoberfläche (2), die ein Innenvolumen (3) radial außen begrenzt und einer Außenoberfläche (4), wobei bei einem Temperaturgefälle von der Innenoberfläche (2) zur Außenoberfläche (4) elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator (1) generierbar ist und wobei in dem Innenvolumen (3) ein katalytisch beschichtetes Element (5) angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann zur Erzeugung der elektrischen Energie zusätzlich die Abwärme der katalytischen Reaktion auf dem beschichteten Element genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen thermoelektrischen Generator (TEG) mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Jahr 1823 entdeckte Thomas Seebeck den nach ihm benannten Effekt (Seebeck-Effekt), der gestattet, Wärme direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Setzt man die Enden eines elektrischen Leiters einem Temperaturgefälle aus, entsteht eine elektrische Spannung. Ein thermoelektrischer Generator (TEG) setzt dieses Phänomen zur Gewinnung von Nutzenergie technisch um. Erforscht und erprobt wird der TEG beispielsweise in einem BMW 535i als Versuchsfahrzeug. Die nutzbare Wärme stammt aus dem Abgasstrom, ein separater Kühlkreislauf dient als Wärmesenke. Eine Steigerung des Motorgesamtwirkungsgrades und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches wurden bereits nachgewiesen.
Die Verbesserung der Effizienz von verbrennungsmotorischen Fahrzeugantrieben ist ein Dauerthema der Automobilbranche. Gleichwohl werden noch immer lediglich etwa ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie für den Antrieb des Fahrzeuges und zur Versorgung von Nebenaggregaten genutzt. Rund zwei Drittel der im Kraftstoff chemisch gebundenen Energie werden in Abwärme umgewandelt und zu einem Großteil über den Abgasstrom in die Umgebung entlassen. Zur Stromerzeugung nehmen die Forscher und Entwickler für den Otto-Motor eine maximale Abgastemperatur von ca. 850°C, für den Diesel-Motor ca. 650°C an. Als untere Temperatur setzten diese ca. 25°C an. Beim Betrieb eines thermoelektrischen Generators TEG an einem Motor ist beispielsweise das Abgas die Wärmequelle und das Kühlmittel (in diesem Fall nicht die Außenluft) die Wärmesenke.
Prinzip eines TEG:
Ein thermoelektrisches Element weist eine heiße und eine kalte Seite auf. Ein Schenkel besteht aus einem p-dotierten, der andere aus einem n-dotierten Halbleiter. Die Temperaturdifferenz führt zu unterschiedlichen Konzentrationen an Ladungsträgern und damit zu einer Potentialdifferenz U. Der Seebeck-Koeffizient S ist die Spannung, die bei der momentan anliegenden Temperaturdifferenz entsteht: S = U/ΔT.
Der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Elements wird als Quotient der erzeugten elektrischen Leistung bezogen auf den zugeführten Wärmestrom angegeben: ηTEG = P_el/Q_in und beträgt derzeit in üblicher Weise ca. 5%.
Aus dem US Patent 6,096,966 , von dem diese Erfindung ausgeht, ist neben weiteren Ausführungsformen ein rohrförmiger thermoelektrischer Generator bekannt. Dieser rohrförmige thermoelektrische Generator ist von einem Fluid, durchströmbar und weist eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche auf. Bei einem Temperaturgefälle von der Innenoberfläche zur Außenoberfläche erzeugt der thermoelektrische Generator, wie oben bereits ausgeführt, elektrische Energie. In besonderen Ausführungsformen sind zur Erzeugung elektrischer Energie diese rohrförmigen thermoelektrischen Generatoren beispielsweise von dem Kühlmittel oder von dem Abgas einer Brennkraftmaschine durchströmbar.
Die Erwärmung eines thermoelektrischen Generators ist abhängig von der Durchströmung des Fluids, welche bei einem flächigen Querschnitt verlustbehaftet ist, da der innere Teil des Gasstromes nur wenig zur Wärmeübertragung beiträgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen thermoelektrischen Generators zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aufgrund der katalytischen Beschichtung des Elementes erfolgt eine exotherme Reaktion, die einen weiteren Wärmeeintrag in den thermoelektrischen Generator generiert. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert.
Eine weitere Wirkungsgradsteigerung erfolgt mit einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 verbessert nochmals den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators.
Die Querschnitte gemäß Patentanspruch 6 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 werden Emissionen gemindert, wenn der thermoelektrische Generator von einem Abgas beispielsweise einer Brennkraftmaschine durchströmt wird. Mittels vollständiger oder teilweiser Bestromung/Beheizung werden beispielsweise abgelagerte Rußpartikel abgebrannt.
Dies kann gemäß Patentanspruch 8 gesteuert oder geregelt erfolgen.
Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 9 ist eine besonders bevorzugte Verwendung.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen in vier Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen, rohrförmigen thermoelektrischen Generator.
2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für ein erstes Ausführungsbeispiel.
3 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für ein zweites Ausführungsbeispiel.
4 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für ein drittes Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen, rohrförmigen thermoelektrischen Generator (TEG) für ein erstes Ausführungsbeispiel. Derthermoelektrische Generator 1 weist eine Innenoberfläche 2 auf, die ein Innenvolumen 3 radial außen begrenzt sowie eine Außenoberfläche 4, wobei bei einem Temperaturgefälle von der Innenoberfläche 2 zur Außenoberfläche 4 elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator 1 generierbar ist. Erreicht wird dies dadurch, dass der rohrförmige thermoelektrische Generator 1 von einem Fluid beispielsweise einem Abgas einer Brennkraftmaschine durchströmt ist. Erfindungsgemäß ist in einem Innenvolumen 3 ein katalytisch beschichtetes Element 5 angeordnet. Für eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des thermoelektrischen Generators 1 weist das Element 5 eine Oberflächenstruktur zur Vergrößerung seiner Oberfläche auf. Besonders bevorzugt ist das Element 5 drahtförmig ausgebildet.
Ein Innendurchmesser des Thermoelektrischen Generators kann beispielsweise zwischen 2 und 30 mm betragen, ein Außendurchmesser eines drahtförmigen Elementes 5 kann zwischen 0,1 und 3 mm betragen.
2 zeigt schematisch die Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für das erste Ausführungsbeispiel. Ein Abgasstrom ist symbolisch durch zwei Pfeile eingezeichnet. Es gilt das Gleiche wie zu 1 ausgeführte.
3 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für ein zweites Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Innenoberfläche 2 ebenfalls katalytisch beschichtet und weist eine Oberflächenstruktur zur Vergrößerung seiner Oberfläche auf, wodurch der Wirkungsgrad nochmals deutlich verbessert wird. Die katalytische Beschichtung der Innenoberfläche 2 kann selbstverständlich auch ohne die Oberflächenstruktur aufgebracht werden.
4 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten, erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator für ein drittes Ausführungsbeispiel. In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist das Element 5 stromleitfähig und von einer Stromversorgung 6 gesteuert oder geregelt bestrombar. Damit werden Emissionen gemindert, wenn der thermoelektrische Generator von einem Abgas beispielsweise einer Brennkraftmaschine durchströmt wird. Mittels vollständiger oder teilweiser Bestromung/Beheizung werden beispielsweise abgelagerte Rußpartikel abgebrannt.
Besonders vorteilhaft ist eine derartige Bestromung des katalytisch beschichteten Elementes 5 während eines Warmlaufs der Brennkraftmaschine, d. h. bei unzureichendem Wärmeeintrag des Abgases, da hierbei die katalytische Reaktion früher beginnt und somit die Rohemissionen nach einem Kaltstart deutlich reduziert werden.
Dies entspricht einer Reinigungsfunktion durch Abbrennen vergleichbar einem Hitzdraht-Luftmassenmesser für Brennkraftmaschirien Anfang der 90er Jahre. Hat der Draht mit seiner Oberfläche die Funktion eines Rußfilters, werden die Drähte einzeln oder mehrfach gleichzeitig, oder alle gleichzeitig immer wieder durch Bestromung, d. h. elektrischer Beheizung gereinigt. Dies führt zu einer Verbesserung im Startverhalten des Katalysators und damit einer Emissionsminderung, bzw. einer Verbesserung des Rußfilterverhaltens.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann der thermoelektrische Generator 1 neben einem runden auch einen ovalen oder einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, in das Innenvolumen 3 der „TEG”-Röhrchen ein katalytisch wirkendes Element 5, vorzugsweise in Form eines Drahtes, zu integrieren. Das Element 5 kann als Trägermaterial mit aktiver Katalysatorbeschichtung ausgeführt werden. Es hat eine entsprechend gestaltete Oberfläche, welche einerseits den Strömungswiderstand nur minimal beeinflusst und andererseits eine möglichst große Oberfläche (Oberflächenstruktur) bietet. Die Strömung des heißen Abgases wird bei dieser Anordnung koaxial ausgeführt, was einerseits für das katalytisch beschichtete Element 5 und andererseits für den thermoelektrischen Generator 1 eine maximale Berührung und Wärmeübertragung zur Folge hat. Wilter fördert die Abstrahlung des heißen Elementes 5 den Wärmeeintrag in den thermoelektrischen Generator 1, wodurch der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators 1 erhöht wird. Die Abwärme aus der katalytischen Reaktion erwärmt weiterhin das vorbeiströmende Abgas, welches damit auf dem Weg durch das „TEG”-Röhrchen nicht so schnell abkühlt bzw. mehr Wärme in den TEG 1 übertragen kann. Dies beeinflusst die Dimensionierung und Konstruktion des thermoelektrischen Generators 1 positiv. Auch die Innenoberfläche 2 des thermoelektrischen Generators 1 kann mit einem katalytischen Material beschichtet werden bzw. gilt dies auch für den Fall, dass das Material des thermoelektrischen Generators 1 katalytische Eigenschaften besitzt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergeben sich folgende Vorteile:

– Optimale Nutzung des Bauraumes;
–– Optimierung des Wärmeübertrags in den thermoelektrischen Generator 1 und damit eine Wirkungsgradverbesserung der Anordnung;
– Gewichtsoptimierung durch bestmögliche Ausnutzung der Materialien;
– Nutzung der Abwärme der katalytischen Reaktion.

Bezugszeichenliste

1: Thermoelektrischer Generator
2: Innenoberfläche
3: Innenvolumen
4: Aussenoberfläche
5: Element
6: Stromversorgung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6096966 [0006]

Claims

Rohrförmiger (TEG) Thermoelektrischer Generator (1), der von einem Fluid durchströmbar ist, mit einer Innenoberfläche (2), die ein Innenvolumen (3) radial außen begrenzt und einer Außenoberfläche (4), wobei bei einem Temperaturgefälle von der Innenoberfläche (2) zur Außenoberfläche (4) elektrische Energie von dem Thermoelektrischen Generator (1) generierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenvolumen (3) ein katalytisch beschichtetes Element (5) angeordnet ist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) eine Oberflächenstruktur zur Vergrößerung seiner Oberfläche aufweist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) drahtförmig ist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (2) katalytisch beschichtet ist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (2) eine Oberflächenstruktur zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (1) einen runden oder ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) stromleitfähig und bestrombar ist.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestromung des Elementes (5) gesteuert oder geregelt erfolgt.
Rohrförmiger Thermoelektrischer Generator nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Abgas einer Brennkraftmaschine ist.