CN103119263A - 包含热电发电机的废气处理系统 - Google Patents

Abstract

一种用于汽车发动机的后处理设备包括基材，所述基材具有设置在其内部体积之内的热电发电元件。所述基材具有第一端部、第二端部和限定内部体积的最外侧横向尺寸，并且所述基材被构造成使发动机废气从第一端部流到第二端部，使得流动的废气与热电发电元件热接触。

Description

包含热电发电机的废气处理系统

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2010年6月21日提交的美国临时申请第61/356,870号，并根据35U.S.C.§120要求2010年9月9日提交的美国申请第12/878,647号的优先权，本申请以这两个申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。

技术领域

本发明一般涉及废气处理系统，尤其涉及与热电发电机结合的催化转化器和微粒过滤系统。

背景技术

趋高的油价和政府的法令正促使轻型车辆、重型车辆的制造商采用既降油耗又减排放的技术。据估计，在柴油机燃料燃烧产生的能量中，仅有约33%用于车辆的运行，而汽油机的燃烧能中，仅有约25%用来为传动系统及附属设备提供动力。在现有的发动机设计中，一大部分燃烧能以废热形式损失掉了。一种节省燃料的方法是循环利用发动机废热，可将其转化为机动车辆内的动力或电力。

一种回收废热的方法是热电（TE）发电，可利用该方法从暴露于热梯度的TE发电元件（例如n型半导体加p型半导体）得到直流（DC）电力。一系列TE发电元件相连，形成TE发电模块。几个TE发电模块可通过串并联组合的形式形成TE发电机（TEG）。图1显示了结合有TEG的示例性电连接的图解。如图1所示，多个TE发电模块10形成TEG 11，所述TEG 11与例如车辆的电气总线12和储能系统（例如蓄电池）13电连接。流经连接线路的电流用例如箭头和参考标记I表示。由于TEG 11的电流和电压可能发生波动，可利用DC/DC转换器14将线电压维持在与车辆的电力系统相适应的范围内。

为了正常运行，TEG需要热源（即较高的温度）和冷源（即较低的温度）。所产生的温度梯度引起电载流子流动通过TE发电元件。对于机动车辆，热源一般是可从废气获得的热量，而冷源一般是在散热器或独立的冷却系统内循环的冷却剂。因此，人们提出TEG可位于车辆废气系统中的不同位置。可用的位置可包括例如废气尾管，特别是对于柴油机，该位置是废气再循环（EGR）回路。人们已经用例如Bi/Pb-碲化物制成了TEG原型并将其安装在车辆尾管上。这种基于碲化物的模块表现出来的热-电力转化效率已经高达约10%。EGR回路TEG也处在研究中，主要集中在方钴矿材料上，该材料对于此项应用的效率可达约3-10%，具体取决于再循环分数。

然而，在设计废气系统中的TEG和投入运用时，有各种因素需要考虑。这样的因素可包括可获得的热温度；热流；热源和冷源靠近TEG的程度；TEG的占用面积（考虑到发动机舱内或车辆底盘底面上有限的可用空间）；以及最大程度减小车辆增重的愿望。附加在废气流中的TEG还可能不利地增大发动机上的压降或背压，从而增加燃料消耗。因此，考虑到空间要求以及所造成的质量增加和背压增大，常规TEG的使用面临各种挑战。

因此，可能需要将TEG结合到现有的废气后处理设备（例如催化基材和/或微粒过滤器）中，以便从可得到的高温（例如与尾管位置相比）和高热通量中受益，减少车辆需要携载的部件数量，并避免发动机上的附加背压。此外，后处理设备的工作窗口一般受限于高温（例如催化转化和过滤器再生工作窗口），这可能造成设备中的温度梯度以及限制热机械耐久性的相关应力。因此，还可能需要将TEG结合到现有的废气后处理设备中，以便拓宽后处理设备的工作窗口，同时也最大程度回收车辆中的废热。

发明内容

鉴于前文所述，人们需要经济、高效且改动最少的废热回收系统。本发明可以解决上述一个或多个问题，并且/或者可以满足上述一种或多种需要。借助以下描述，其他的特征和/或优点将变得显而易见。

根据本发明的多个示例性实施方式，废气后处理设备可包含具有第一端部、第二端部和限定内部体积的最外侧横向尺寸的基材，其中所述基材用于使废气从所述第一端部流经所述内部体积，到达第二端部。所述后处理设备还可包含至少部分设置在内部体积内的至少一个热电发电元件。

根据本发明的多个另外的示例性实施方式，处理废气的方法可包括使废气流经基材的内部体积，所述基材具有第一端部、第二端部和限定内部体积的最外侧横向尺寸。所述方法还可包括在流动的废气与至少部分设置在所述内部体积内的至少一个热电发电元件之间交换热量。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的示例性实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是机动车辆内TEG的示例性电连接的示意图；

图2说明了TEG相对于汽油机后处理设备的可能位置；

图3说明了TEG相对于柴油机后处理设备的可能位置；

图4a和4b显示了各种TE材料性质之间的相互关系；

图5a是TE发电元件的示意图；

图5b是两个不同的热侧温度和一个固定冷侧温度的热电效率-品质因数（ZT）曲线图；

图6是示例性TE发电模块的示意图；

图7是沿着基材横向（R）的温度分布（T）的示意图；

图8a是TEG被设置在中央芯部内的后处理设备的示意图；

图8b和8c是TE发电元件式样的示例性实施方式；

图9呈现了基材的示例性最外侧横向尺寸；

图10是具有TEG的后处理设备，所述TEG具有沿着基材中央芯部设置的冷却回路；

图11a是具有通过钻孔形成的空腔的整体式基材的示意图；

图11b是具有通过原位挤出形成的空腔的整体式基材的示意图；

图11c是具有利用多个基材部分形成的空腔的整体式基材的示意图；

图12显示了具有圆盘形TEG和置于圆形空腔内的公共冷却通道的后处理设备；

图13显示了具有多个TEG和置于圆形空腔内的公共冷却通道的后处理设备；

图14显示了具有多个TEG且相应冷却通道被置于圆形空腔内的后处理设备；

图15显示了具有多个TEG和置于三角形空腔内的公共冷却通道的后处理设备；

图16显示了具有多个TEG和置于正方形空腔内的公共冷却通道的后处理设备；

图17显示了具有多个TEG和置于十字形空腔内的公共冷却通道的后处理设备；

图18显示了具有多个圆形空腔、每个空腔内设置有TEG的后处理设备；

图19a和19b是多个TE发电元件之间的电互连的示意图；

图20是具有集成式TEG的后处理设备的装配形式的示意图；

图21显示了具有TEG且所述TEG被设置在周缘狭槽端部空腔内的后处理设备；

图22显示了具有多个TEG和被设置在周缘狭槽端部空腔内的冷却通道的后处理设备；

图23是具有一个周缘狭槽的后处理设备的装配形式的示意图；

图24显示了具有被设置在空腔内部且位于后处理设备周缘周围的TEG的后处理设备；

图25显示了具有被部分设置在基材内部体积内的TEG的后处理设备；

图26显示了对第一基材样品的热能提取（W）与车辆速度（km/h）关系进行数值模拟得到的结果；

图27显示了对第二基材样品的热能提取（W）与车辆速度（km/h）关系进行数值模拟得到的结果；

图28显示了对图26和27中的基材样品的热能提取通量（W）与车辆速度（km/h）关系进行数值模拟得到的结果；

图29显示了对图27中的基材样品的热能提取（W）与内垫热导率（W/m-K）关系进行数值模拟得到的结果。

具体实施方式

根据一个示例性实施方式，本申请公开了一种废气后处理系统，所述系统具有设置在后处理基材内的热电发电机（TEG）。根据本公开内容，基材（例如催化基材或微粒过滤基材）适合使废气在限定了基材内部体积的最外侧横向尺寸内从基材第一端部流到基材第二端部。将至少一个热电发电元件至少部分设置在所述内部体积内。

通过将热电（TE）发电元件结合到基材内部体积内，可得到更高的热侧温度，从而得到更高的转化效率。此外，将TE发电元件置于所述内部体积内可有利于促进总体基材温度在其工作过程中的均化，特别是低热导率基材，因此还能显著拓宽基材的工作窗口。

在汽油机中，废气能通过例如一个或多个三效催化剂（TWC）基材。如图2的示意图所示，典型的汽油后处理系统包含与发动机21紧密连接的TWC基材20，在下游还有另一个车身下部TWC基材20。如图2所示，在多个示例性实施方式中，还可提供汽油微粒过滤器（GPF）基材22。本领域的普通技术人员能够理解，在发动机21工作过程中，空气由空气入口23进入，经涡轮增压器24压缩，经内冷却器25冷却，通过进气阀26进入发动机21的汽缸。加入燃料并点燃后，从废气阀27排出废气，废气在废气歧管28中汇合，推动涡轮增压器24转动（若存在的话），然后通过TWC20和GPF 22。

TWC基材20和/或GPF基材22的热质可存储来自通过后处理系统的废气的热量（即热源），而发动机冷却剂可以例如沿着从散热器29经冷却剂管30通过后处理系统的路径流动，作为冷源。因此，如图2所示，汽油机中有多个可能的位置（PS）用来将TEG结合到后处理基材中。

如图3中的示意图所示，在柴油机31的工作过程中，从废气歧管28出来的废气有第二条可能的路径返回进气阀26，即经过废气再循环回路（EGR）32，所述回路通过EGR冷却器36。不过，与汽油机21相同，余下的废气通过一系列后处理元件。如图3所示，催化剂基材可包括例如柴油机氧化催化剂（DOC）基材33、选择性催化还原（SCR）催化剂基材34和氨逃逸催化剂基材35。在多个示例性实施方式中，柴油机车辆还可用贫燃NOx捕集器（LNT）代替SCR和氨逃逸催化剂基材。本领域的普通技术人员能够理解，催化剂基材往往由涂覆了催化材料的孔道式陶瓷或金属基材组成。

在多个示例性实施方式中，如图3所示，除了催化剂基材外，柴油机31还可包含柴油机微粒过滤器（DPF）基材37。本领域的普通技术人员将进一步理解，DPF基材37可以例如利用按棋盘格形式堵塞端部的各种多孔孔道式陶瓷基材制备，或者利用由例如瓦楞金属板制得的分流式过滤器制备。

如上所述，催化基材33、34和35以及/或者DPF基材37的热质可因此作为通过后处理系统的废气的储热体（即热源）。发动机冷却剂可以例如沿着从散热器29经冷却剂管30穿过后处理系统的路径流动，作为冷源。因此，如图3所示，柴油机中有多个可能的位置（PS）用来将TEG结合到后处理基材中。

如本文所用，“基材”或“后处理基材”包括用来从发动机废气中除去污染物的催化基材和微粒过滤基材。基材可包括例如由各种金属和陶瓷材料制成的多孔体，所述材料包括但不限于堇青石、碳化硅（SiC）、氮化硅、钛酸铝（AT）、锂霞石、多铝红柱石、铝酸钙、磷酸锆和锂辉石。“催化剂基材”可包括例如多孔体如TWC、DOC或SCR，催化剂渗入所述多孔体，辅助用来减小废气中各种污染物（例如一氧化物、氮氧化物、硫氧化物和烃）的浓度或消除各种污染物的化学反应。“微粒过滤基材”可包括例如多孔体如GPF或DPF基材，所述多孔体捕集并因此减少废气流中的微粒物质（例如烟炱和灰）。

本发明的基材可具有适合特定应用的任何形状或几何特点，以及各种构造和设计，包括但不限于流通式结构、壁流式结构或其任意组合（例如分流式结构）。示例性流通式结构包括例如具有通道、多孔网络或其他通路的任何结构，所述通道、多孔网络或其他通路在两端开放并允许废气从一端到相反一端流过通路。示例性壁流式结构包括例如具有通道、多孔网络或其他通路的任何结构，各通路在结构的相反端部开放和堵塞,由此在废气从一端流到另一端的时候，促进气体流过通道壁。示例性分流式结构包括例如属于部分流通式和部分壁流式的任何结构。在多个示例性实施方式中，包括上述基材结构在内的基材可以是整体式结构。本发明的多个示例性实施方式考虑采用具有蜂窝体构造的孔道式几何结构，这是因为此种结构具有高单位体积表面积，可以用来沉积烟炱和灰。本领域的普通技术人员能够理解，蜂窝体结构的孔道横截面实际上可以具有任意的形状，不限于正方形或六边形。类似地，蜂窝体结构可构造成流通式结构、壁流式结构或分流式结构。

为了从废热（如从上面参考图2、图3所显示和描述的后处理系统中通过的废热）获取电，本公开内容设想将各种高温TE材料集成到后处理基材中。本领域的普通技术人员能够理解，合适的TE材料在接触温度梯度时一般产生大的热电动势。例如，合适的材料通常具有高载流子迁移率、低热导率，其载流子浓度强烈依赖于温度。普通技术人员还能理解，能回收一大部分热能的合适的材料一般具有大的品质因数ZT，定义为ZT=T*S²*(σ/κ)，其中T是温度（单位为K），S是塞贝克系数或热电动势（单位为V/m），σ是电导率（单位为S/m），κ是热导率（单位为W/mK）。还可理解，塞贝克电势描述了接触温度梯度的材料上形成的电势差；塞贝克系数通过将塞贝克电势外推至温度梯度等于零得到。根据材料中载流子的主要类型，塞贝克系数可为正值或负值。图4a和4b呈现了各种材料（即绝缘材料I、半导体材料SC、半金属或重掺杂半导体材料SM以及金属材料M）的上述关系，显示了塞贝克系数（α）S、功率因数（α²/ρ=α²σ）PF和电导率（σ=1/ρ）C之间的关系。

如图5a所示，示例性TE发电元件（例如包含互连的n型和p型半导体的TE发电元件）是TEG的构建单元。例如，TE发电电偶利用由p型和n型TE材料（例如n型和p型半导体）组成的互连p引脚和n引脚组件做成。如图5a所示，当TE发电电偶接触热源H和冷源C时，在电偶上产生温度梯度ΔT，电流I在电路中沿顺时针流动。图5b所示为将热转化为电的效率与品质因数ZT之间的关系曲线。如图5b所示，对于ZT值约为1.5的材料，在温度梯度约为200K（即T_热=500K–T_冷=300K）时，转化效率约为10%；在温度梯度约为550K（即T_热=850K–T_冷=300K）时，转化效率约为20%。

本领域的普通技术人员还能理解，为将TE材料和部件集成到TEG中，人们已经提出了TE引脚的各种形状和配置。仅出于举例的目的，图6呈现了一个示例性TE发电模块。如图6所示，TE模块60可在板63与板65之间构建，所述板63和板65分别位于模块60的热侧A和冷侧R（例如，如箭头A和R分别所示，热被板63的顶表面吸收，被板65的底表面拒斥）。因此，板63和板65分别用作模块60的热源和冷源。交替的p引脚和n引脚61在模块60的热侧和冷侧上均通过金属互连件62以串联方式互连，使得模块60可在端部引线64处获得总电压。本领域的普通技术人员能够理解，作为图6所示简单的板63和65的替代形式，TEG一般包含足够的热交换器，保证热源与冷源之间充分热交换。不过，本领域的普通技术人员能够理解，本公开内容和权利要求考虑到了各种TEG设计和/或构造。

如上所述，在多个示例性实施方式中，基材（例如催化基材或微粒过滤基材）可包含各种材料，包括具有较高热导率的材料和/或具有较低热导率的材料。在多个实施方式中，例如，基材可包含热导率约为20-25W/mK的金属材料。而在多个其他的实施方式中，基材可包含热导率约为0.5-20W/mK的陶瓷材料。在多个实施方式中，基材还可包括蜂窝体结构，其中总热导率可通过增大孔隙率和减小壁厚度来进一步降低。

本领域的普通技术人员能够理解，基材（例如催化基材或微粒过滤基材）内的温度分布随多个参数变化。对于催化基材，基材温度（以及温度分布）可随发动机类型、燃料类型、后处理系统的构造及其他各种因素变化。例如，在汽油机中，从图7所示的基材80旁边的温度分布图可以看出，基材80的外周可比核心冷数百度（T表示温度，R表示温度分布图中的横向距离）。为了使催化基材有效工作，所需的工作参数包括基材上基本均匀的温度分布、流动均匀性和快速起燃。因此，对于催化基材，图7所示的横向（例如图7所示基材构造中的径向）温度梯度可导致基材80外侧较冷外周的催化剂利用效率较低，或者导致催化剂和基材与所需的工作温度相比过热。

在未加载催化剂的微粒过滤基材例如DPF基材中，温度通常随过滤器在废气系统内的位置变化（即标准构造与紧密连接构造），基材平均温度通常低于催化基材平均温度。例如，DPF基材在两个主要区段内工作，所述两个主要区段是常规工作区段（即加载催化剂或未加载催化剂的过滤器的基础温度）和再生区段。在过滤器再生过程中，温度峰值可达到相当高的数值，其中过滤器核心的温度比外周温度高数百度，从而也导致更大的径向温度梯度。这种温度梯度导致基材（例如催化基材和微粒过滤基材）难以保持在可接受的工作窗口内。

因此，催化基材和微粒过滤基材中的横向温度梯度均限制低热导率过滤器的工作窗口。降低温度梯度的一个途径是基材采用热导率更高的材料。根据本公开内容，基材中的温度梯度还可通过将至少一个TE发电元件集成到基材内来降低，由此延伸基材的工作窗口并在车辆内提供废热回收。

如图8a所示，根据本公开内容的多个示例性实施方式，后处理设备100可包含具有第一端部101、第二端部102和最外侧横向尺寸103的基材106，它们限定了内部体积104。如上文所解释，当将基材106置于后处理系统内时，基材106被构造成使废气从第一端部101流过内部体积104，到达第二端部102。在多个实施方式中，例如，基材是包含多个通道115的结构，所述通道115允许废气从第一端部101流过通道115，到达第二端部102。在一个示例性实施方式中，包含通道的基材可具有蜂窝体构造；然而，本领域的普通技术人员能够认识到，在不偏离本公开内容的范围的情况下，所述通道可具有各种配置和构造（例如截面）。为了方便参考，图9-18和20-25未显示通道。

如本文所用，术语“最外侧横向尺寸”是指基材中心与基材外皮之间最大距离所限定的外部周界表面（其中一些部分可以是假想的）。举例而言，对于具有圆形截面的基材，“最外侧横向尺寸”由基材半径限定。因此，例如，如图9所示，若基材200不是完美的圆形（即在外周表面中形成有槽口201或其他缺口、狭缝或开口），则最外侧横向尺寸203定义为由基材200的中心202与基材200的外皮204之间的最大半径r限定的包围基材200的凸形阴影（包括槽口201引起的凹陷部分205）。因此，在图9所示的示例性实施方式中，最外侧横向尺寸的一些部分与基材200的外周表面一致（即不含槽口的表面），而其他部分包括假想的表面部分（即包括槽口201的表面）。

如本文所用，术语“内部体积”是指由最外侧横向尺寸限制的体积。再次参考图9，内部体积是最外侧横向尺寸203限定的体积，同时包括基材200的体积和槽口201的体积（由凹陷部分205限定）。

根据本公开内容，将至少一个热电（TE）发电元件至少部分设置在内部体积104内。如图8b和8c所示，TEG 105可包含TE发电元件109的不同图案，包括例如具有交替n型和p型引脚的棋盘格图案（图8b），n型和p型圆盘的堆叠件（图8c），径向延伸的n型和p型翅片，或者它们的组合。不过，本领域的普通技术人员能够理解，在不偏离本公开内容或权利要求的情况下，TE发电元件109可以采用各种图案。本领域的普通技术人员能够理解，n引脚和p引脚彼此分开。可利用例如低热导率、低电导率材料，例如陶瓷或玻璃陶瓷泡沫材料、涂料或隔层材料制成分隔层。

在多个示例性实施方式中，TE发电元件109与基材106直接物理接触。在多个其他的实施方式中，TE发电元件109可通过传热介质与基材106热接触。本领域的普通技术人员能够理解，传热介质可由任何类型的共形导热物质形成。传热介质可用来例如与TE发电元件109和基材106的表面相贴合，有效提高从热源或冷却源到TE发电模块的传热。本领域的普通技术人员能够理解，合适的传热材料可包含具有低电导率和高热导率的材料，包括例如金属泡沫材料、网状材料和金属陶瓷。

如前文参考图7所指出，基材在其核心的温度可高于其外周的温度。这种径向横向热梯度可在基材内引起应力，限制其热机械耐受性和工作窗口。因此，在多个示例性实施方式中，将一个或多个TE发电元件或冷却剂流设置在基材最热的区域，即沿着核心设置，可减小基材上的温度梯度，从而减小热引发应力。图8a和10呈现了这种几何结构，其中TE发电元件109靠近基材106，冷却剂流沿着基材106的中心轴线在集成式冷却回路108中流动，所述冷却回路108与TE发电元件109热接触。如图10所示，例如，基材106可包含中心空腔107，所述中心空腔107具有用于TE发电元件109的体积70（例如包含图8a、8b和8c所示的TEG 105）和用于集成式冷却回路108的体积71（如图8a所示）。在这样的构造中，冷却回路108（即冷源）的冷却效应限制了最大核心温度，有助于减小基材上的温度梯度。因此，基材的热机械可靠性得到极大提高，其工作窗口得以扩大，从而允许过滤基材中有更高的烟炱质量且/或催化基材中有更高的温度尖峰。因此，在多个实施方式中，TE发电元件109可构造用来冷却基材106。在多个实施方式中，例如，靠近TE发电元件109的冷却剂流可用来根据基材106的温度控制TEG 105。例如，在多个实施方式中，后处理设备100还可包含至少一个温度传感器，所述温度传感器被构造用来测量内部体积104的温度，并且可根据测得的温度调节（增大或减小）冷却剂流量。在多个实施方式中，例如，可根据与微粒过滤基材相关的再生过程调节冷却剂流量。在多个其他的实施方式中，可调节催化转化器中的冷却剂流量，以保持催化活性所需的阈值温度。本领域的普通技术人员能够理解，在其他多个实施方式中，为了自动调节从基材提取的热量，可任选采用ZT性能与温度之间存在陡峭步进关系的TE材料，以便能够作出阈值响应。

使冷源（即集成式冷却回路108）位于基材最热的区域处或其附近也可传热，以便在冷启动过程中温热发动机冷却剂。这有利于更快地加热例如机动车辆的乘客舱以及发动机舱和机油，加热机油可减小发动机摩擦。因此，在多个其他的实施方式中，TE发电元件109可构造用来加热基材106。

如图8a所示，可在基材106的（内部体积104内的）中央核心内形成空腔107（例如两端开放的导管），TEG 105和集成式冷却回路108可设置在该空腔107内。因此，TEG 105被设置在热源（基材106）与冷源（冷却回路108）之间。本领域的普通技术人员能够理解，根据特定应用和基材几何结构，TEG 105和集成式冷却回路108在空腔107内可具有各种构造。因此，根据本公开内容，下面披露了各种基材几何结构、TEG几何结构和废气后处理系统构造。

本领域的普通技术人员还能理解，可利用许多方法在基材106内形成纵向空腔107。在多个实施方式中，如图11a所示，可形成基材106，并在前面形成的基材106内钻出空腔107。不过，钻出的空腔107可能给空腔107留下粗糙的内表面120。因此，为了改善基材106与TEG之间的热接触，可在钻出的空腔107的内表面120上设置绝缘传热介质层110。本领域的普通技术人员能够理解，绝缘层110可通过各种方法形成，所述方法包括但不限于浸涂、喷涂或直接安装预形成层。

在多个其他的实施方式中，如图11b所示，空腔107可在形成基材106的过程中原位形成，如通过挤出的方法形成，在该方法中对挤出模头加以改进，以便在形成基材106的时候形成空腔107。与图11a所示的钻孔实施方式一样，绝缘传热介质层110可任选在空腔107的内表面120上形成。

如图11c所示，在多个其他的实施方式中，具有中心空腔107的基材组件106可通过这样的方式形成，也就是通过诸如挤出的方法形成例如两个或更多个分开的基材部件111和112，它们组装（例如通过封闭图11c中为说明的目的而显示的空气间隙113）后即产生所需的形状因数。

空腔可具有任何合适的几何形状和/或截面形状，包括圆形（如图8a、10和11所示）、正方形、矩形、卵形等。图12显示了例如具有圆形空腔307的基材306，在该圆形空腔307中设置有圆盘形TEG 305（图8c）。圆盘形p引脚和n引脚通过绝缘绝热层分开。绝缘传热层310（即传热介质）将TEG 305与基材306的主体分开。任选的绝缘层311将TEG 305与冷却介质分开，所述冷却介质是例如由管子312限定的集成式冷却回路308（即公共冷却通道），所述管子312被构造成供冷却剂313从其中流过。如上所述，圆盘形TEG 305可用来改善TE发电元件（未示出）与基材306之间的热接触，特别是与具有圆形空腔的基材一起用来改善这种热接触。

同样如图12所示，在整个附图中使用了交叉影线，以便区分图中所示的各种元件。本领域的普通技术人员能够理解，交叉影线仅用于描绘的目的，而不是为了以任何方式限制公开内容或权利要求。

图13呈现了具有中心圆形空腔407的基材406，所述中心圆形空腔407中含有多个矩形TEG 405。在空腔407内，绝缘传热层410将TEG 405与基材406的主体分开，同时任选的绝缘层411将TEG 405与冷却介质分开，所述冷却介质是例如由矩形管子412限定的集成式冷却回路408，所述管子412被构造成供冷却剂413从其中流过。

如图14所示，在另一个实施方式中，具有中心圆形空腔507的基材506可包含多个（例如在图14的示例性实施方式中示出了4个）矩形TEG505，每个TEG 505与相应的冷却回路508（即冷却通道）热接触，所述冷却回路508由矩形管子512限定，所述管子512被构造成供冷却剂513从其中流过。绝缘传热层510将每个TEG 505与基材506主体分开，同时任选的绝缘层511将每个TEG 505与冷却回路508分开。在图14所示的实施方式中，例如，每个TEG 505的取向改善了它与绝缘传热层510的热接触，从而改善了与基材506的热接触。

如图15-17所示，在多个示例性实施方式中，可用具有i_元件条边的多边形空腔代替圆形空腔，其中i_元件是设置在空腔内的横向TE发电元件的数量。此外，在具有多边形空腔的实施方式中，多边形的各条边长可相等或不等。例如，若TEG本身都具有相同的横向尺寸，则多边形的各条边长相等。不过，若TEG具有变化的横向尺寸，或者若基材的热膨胀系数（CTE）是各向异性的（即x和y方向上具有不同的性质），则可调整空腔尺寸，使得在一个优选的维度上具有更长的TEG。

例如，图15显示了具有三角形空腔607的基材606。如图15所示，将三个TEG 605装入空腔607。如上所述，绝缘传热层610将TEG 605与基材606分开，并且任选的绝缘层611将TEG 605与中心冷却回路608分开。中心冷却回路608由三角形管子612限定，所述管子612被构造成供冷却剂613从其中流过。

图16显示了具有正方形空腔707的基材706。如图16所示，将四个TEG 705装入空腔707。绝缘传热层710将TEG 705与基材706分开，并且任选的绝缘层711将TEG 705与中心冷却回路708分开。中心冷却回路708由正方形管子712限定，所述管子712被构造成供冷却剂713从其中流过。

图17呈现了具有十字形空腔807的基材806。如图17所示，将12个TEG 805装入空腔807。绝缘传热层810将TEG 805与基材806分开，并且任选的绝缘层811将TEG 805与中心冷却回路808分开。中心冷却回路808由十字形管子812限定，所述管子812被构造成供冷却剂813从其中流过。本领域的普通技术人员能够理解，可利用这样的多边结构增加TEG 805与基材806之间的可用接触表面积。

在多个其他的实施方式中，如图18所示，可在基材106内形成多个空腔107。如图18所示，例如，可在基材106内形成三个圆形空腔107，每个空腔107具有用于TE发电元件（例如包含TEGS）的体积70和可包含集成式冷却回路的体积71。不过，本领域的普通技术人员能够理解，图18所示的实施方式仅仅是示例，在不偏离本公开内容和权利要求的范围的情况下，基材的空腔可具有各种数量和/或构造。应当理解，例如，当采用多个空腔时，也可设想各种空腔形状，一个空腔的形状可与另一个空腔的形状相同或不同。因此，在单腔和多腔实施方式中，技术人员均能够确定每个空腔的合适尺寸和位置。例如，为了平衡CTE的不对称性，空腔可对称或不对称地设置在基材内。不过，本领域的普通技术人员能够理解，在前述所有实施方式中，TE发电元件和冷却剂通道位于基材的内部体积（由基材的最外侧横向尺寸限定）之内，因此处于可容纳基材的外壳或废气容器（例如罐子）之内。本领域的普通技术人员还能理解，TE发电元件和/或冷却剂通道可沿着基材内部体积的整个长度和/或仅沿着内部体积的部分长度延伸。此外，可将多个TE发电元件置于内部体积之内。

图19a和19b的部分截面视图（显示了从中心到外周的基材截面视图）呈现了图12所示的示例性基材306内多个TE发电元件309之间可能的电互连的示意图。如图所示，TEG 305可包含交替TE发电元件309的多种图案。在多个实施方式中，例如，TE发电元件309可包含多个n型部件320和多个p型部件321。如上所述，在多个实施方式中，n型部件320和p型部件321可按交替棋盘格图案布置（例如，类似于图8b所示），而在多个其他的实施方式中，n型部件320和p型部件321包含交替的p型和n型立方形、六边形、圆盘形（例如，类似于图8b所示的圆盘形）、翅片形或其他形状的单元。

如图19a和19b所示，绝缘传热层310（即传热介质）将TE发电元件309与基材306的主体分开，同时绝缘层311将TE发电元件309与冷却介质分开，所述冷却介质是例如由管子312限定的集成式冷却回路308，所述管子312被构造成供冷却剂313从其中流过。在多个实施方式中，例如，绝缘层310和311可图案化，也将热源侧和/或冷源侧的集流体323分开。流过集流体323的电流在图19a和19b中用箭头和附图标记I表示。空气、气体或真空空间322将n型部件320与p型部件321分开。如图19a所示，在多个实施方式中，空间322可用绝缘材料做内衬（即绝缘层310与311毗邻）。或者，如图19b所示，在多个实施方式中，集流体323可涂覆有绝缘材料（即绝缘层310与311不毗邻，并且与集流体323的尺寸匹配）。本领域的普通技术人员能够理解，对于微粒过滤基材的实施方式，具有绝缘材料的内衬空间322（图19a）可改善TEG的功能，其中绝缘材料也不能透过微粒。例如，这种构造可防止废气中所含的导电微粒迅速集中在TE发电元件附近（所述微粒在再生过程中会燃烧），从而避免TE发电元件或集流体之间可能发生的短路并且/或者对TE发电元件造成的化学和/或热损害。

本领域的普通技术人员能够理解，集流体323可具有各种构造，并且可由各种导电材料形成，所述导电材料包括例如金属、合金、导电氧化物和/或其他导电陶瓷。此外，普通技术人员能够理解，TE发电元件309可具有各种构造和/或图案并且可由包括例如基于方钴矿的TE材料在内的各种TE材料形成，用于TE发电元件309的构造和材料可根据热效率（即ZT值）、成本及其他诸如此类的因素按需要选择。

本领域的普通技术人员还能理解，可用各种装配件为流过集成式冷却回路的冷却剂以及TEG产生的电力提供入口和出口。在多个示例性实施方式中，各种装配件也可用于反馈和/或控制信号。为了最大程度减小装配件可能产生的额外背压，在多个实施方式中，装配件可设置成具有最小的正面面积，如图20所示。

如图20所示，在多个示例性实施方式中，后处理设备如图8a所示的后处理设备100还可包含外壳，例如容纳基材106的废气容器130。因此，在多个实施方式中，当基材106装在容器130中时，TE发电元件109（例如包含TEG 105）完全设置在容器130内。因此，为了到达TEG 105，如图20所示，入口装配件131和出口装配件132内的接头可沿着径向（如图20所示）或者在容器130的入口140和/或出口141处破开容器130。入口装配件131可包含例如冷却剂入口管133、供电流流入的线134和控制线135（若需要的话），出口装配件132可包含冷却剂出口管136和供电流流出的线137。在多个实施方式中，线134、135和137可利用装配件131和132实现绝热和绝缘。

本领域的普通技术人员能够理解，对于具有多个空腔的实施方式，可采用多个装配件，并且有可能采用歧管入口和/或出口。

在多个其他的示例性实施方式中，如图21所示，作为封闭空腔的替代形式，可在基材内形成至少一个通向空腔的狭缝，TE发电元件和伴随的冷却剂管可设置在空腔和狭缝内。例如，图21呈现了具有一对狭缝914的基材906，所述狭缝从基材906的内部体积之内的空腔915延伸通过基材906，向基材906的外部开放。如图21所示，每个空腔915可包含用于TE发电元件（例如包含TEG）的体积70和用于集成式冷却回路的体积71。在多个实施方式中，狭缝914可支持冷却剂管的入口/出口以及来自空腔915的电线/控制线（例如，参见图23）。

图22呈现了图21所示实施方式的截面视图。如图22所示，基材906设置在废气容器930中。在每条狭缝914的端部将TEG 905装入空腔915。绝缘传热层910将TEG 905与基材906分开，并且任选的绝缘层911将TEG905与中心冷却回路908分开。中心冷却回路908由管子912限定，所述管子912被构造成供冷却剂913从其中流过。

与封闭空腔的实施方式一样，可用各种装配件为流过集成式冷却回路的冷却剂以及TEG产生的电力提供入口和出口。此外，如上所述，在多个示例性实施方式中，各种装配件可用于反馈和/或控制信号。为了最大程度减小装配件可能产生的额外背压，在多个实施方式中，装配件可设置成具有最小的正面面积，如图23所示。

如图23所示，在多个示例性实施方式中，后处理设备还可包含外壳，例如容纳基材906的废气容器930。因此，同前面一样，当基材906装在容器930中时，TEG 905完全设置在容器930内。因此，为了到达TEG 909，如图23所示，装配件931内的接头可沿径向（如图23所示）或者在容器930的入口940和/或出口941处破开容器930。装配件931可包含例如冷却剂入口管933、供电流流入的线934、控制线935（若需要的话）、冷却剂出口管936和供电流流出的线937。在多个实施方式中，线934、935和937可利用装配件931实现绝热和绝缘。

在多个其他的示例性实施方式中，如图24所示，还可用位于后处理设备外周周围、基材内部体积外侧（例如废气容器外侧）的TE发电元件对设置在基材空腔内的TE发电元件予以补充。如本文所定义，基材内的空腔和狭缝限定了位于基材内部体积之内的体积。因此，根据本公开内容的后处理设备包含至少一个至少部分设置在内部体积之内的TE发电元件。不过，根据本公开内容的后处理设备还可包含至少一个设置在内部体积外侧的热电发电元件（即与基材内部体积之内的TE发电元件组合）。为了促进催化，这种TEG可用作例如冷启动条件下的加热器，以便升高催化基材的温度。

如图24所示，后处理设备可包含基材，如装在废气容器430内的如图13所示的基材406。基材406具有包含多个矩形TEG 405的中心圆形空腔407。在空腔407内，绝缘传热层410将TEG 405与基材406的主体分开，同时任选的绝缘层411将TEG 405与由矩形管子412限定的集成式冷却回路408分开，所述管子412被构造成供冷却剂413从其中流过。如图24所示，后处理设备还可包含废气容器430外周周围的多个矩形TEG 415。每个TEG 415与由矩形管子422限定的相应冷却回路418（即冷却通道）热接触，所述管子422被构造成供冷却剂423从其中流过。各绝缘传热层420将每个TEG 415与废气容器430的主体分开，同时各绝缘层421将每个TEG415与其相应的冷却回路418分开。

如图25所示，在多个其他的实施方式中，后处理设备可包含基材96，所述基材96具有在基材96中形成的空腔95。如图25所示，TEG 99和伴随的冷却管97可设置在空腔95内，使得TEG 99至少部分设置在基材96的内部体积94之内（并部分设置在内部体积94的外侧）。在每个空腔95内，绝缘传热层91将TEG 99与基材96的主体分开，同时任选的绝缘层92将TEG 99与由管子97限定的集成式冷却回路98分开，所述管子97被构造成供冷却剂从其中流过。

在各种其他的示例性实施方式中，本公开内容涉及用本文所述的后处理设备，例如用图8a所示的后处理设备100处理废气的方法。更具体地，分配废气的方法可包括使废气流过基材106的内部体积104，所述基材106具有第一端部101、第二端部102以及限定所述内部体积104的最外侧横向尺寸103。所述方法还可包括在流动的废气与至少部分设置在所述内部体积104之内的至少一个TE发电元件109之间交换热量。如图8a所示，在至少一个示例性实施方式中，可以由多个TE发电元件109形成TEG 105，所述方法可包括通过TEG 105利用热交换发电。

根据具体的应用，在多个实施方式中，所述方法还可包括使流动的废气与结合在基材106内的催化剂反应，或者在基材106内过滤流动的废气。

为了形成冷源，在多个其他的实施方式中，所述方法还可包括使冷却剂流过与TE发电元件109热连通的冷却回路108。

为了说明本公开内容的各种原理和演示如何有效利用本文所公开的后处理设备回收废热，我们做实验模拟了设置在催化转化器内的TEG，这在以下实施例中参考表1和图26-29来呈现、描述。

实施例

模拟发电的结果是在典型的中型轿车里利用设置在催化转化器内的TEG得到的，所述催化转化器包含两个蜂窝体催化基材：第一个蜂窝体催化剂基材的直径为4.28英寸，长度为4.53英寸，中心圆形空腔的直径为1英寸（样品1，参见例如图12）；第二个蜂窝体催化剂基材的直径为4.87英寸，长度为4.53英寸，空腔为十字形（样品2，参见例如图17）。每个基材具有相同的废气通路长度和正面面积，如表1所示。此外，在每个基材与空腔之间放置内绝缘传热层（即内垫），在每个基材与金属罐之间放置外绝缘层（即外垫）。

如表1所示，模型考虑了三种不同的基材基料（substrate web）热导率：k=1、5和15W/m-K，结果示于图26-29。

表1.模拟假定

如图26和27所示，由于样品传热表面积的差异（即对于从基材到TEG的传热表面积，样品2大约比样品1大382%），样品2从TEG提取的总热能大于样品1提取的总热能。不过，如图28所示，随着可用表面积增加，热能提取通量自然下降，所述热能提取通量根据提取的总热能除以传热表面积确定。因此，由于更高的热能提取量导致更低的基材温度，所以两个样品的降幅（即通量）相对温和，约为90%。

因此，假定转化效率约为10%，在约80km/h的驱动速度下，高热导率基材（即k=15W/m-K）得到的电力输出约为140W（参见图27）。

如图29所示，对于样品2，若垫的热导率低，则从基材提取的热能也对所用的内垫材料敏感（其中虚线表示在没有内垫的情况下提取的热能）。在所研究的条件下（即热能在100km/h的速度下提取，热导率k=5W/m-K）影响较大，例如在垫的热导率约低于2W/m-K的情况下。

如本文所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代对象，除非文本中另有明确说明。因此，例如，提到的“金属”包括具有两种或更多种这样的“金属”的例子，除非文本中有另外的明确表示。

在本文中，范围可以表示为自“约”一个具体值始且/或至“约”另一个具体值止。表述这样的范围时，其例子包括自一个具体值始且/或至另一个具体值止。类似的，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个方面。应当进一步理解，各范围的端点不论与另一端点相关还是与该另一端点无关，都是有意义的。

除非另有明确说明，否则，不应将本文所述的任何方法解释为必须按照特定的顺序进行其步骤。因此，当方法权利要求实际上没有陈述其步骤应遵循的顺序的时候，或者当权利要求或说明书中没有另外具体说明所述步骤应限于特定顺序的时候，不应推断出任何特定顺序。

还要注意本文关于将本发明的部件“构造成”或“使其适于”以特定的方式起作用的描述。关于这方面,将这样一个部件“构造成”或“使其适于”体现特定的性质，或者以特定的方式起作用,这样的描述是结构性的描述，而不是对预定应用的描述。更具体来说，本文所述的将部件“构造成”或“使其适于”的方式表示该部件现有的物理条件,因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。

对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因为本领域技术人员可以结合本发明的精神和实质，对所述的实施方式进行各种改良组合、子项组合和变化,应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (25)

1.一种废气后处理设备，所述设备包含：

具有第一端部、第二端部和限定内部体积的最外侧横向尺寸的基材，其中所述基材被构造成使废气从所述第一端部流经所述内部体积，到达所述第二端部；以及

至少一个至少部分设置在所述内部体积之内的热电发电元件。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基材包含催化基材。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基材包含微粒过滤基材。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基材包含蜂窝体结构。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基材包含金属或选自下组的陶瓷材料：堇青石、碳化硅、氮化硅、钛酸铝、锂霞石、多铝红柱石、氧化铝、铝酸钙、磷酸锆和锂辉石。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件设置在形成于基材中的至少一个空腔内。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件与所述基材直接物理接触。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件通过传热介质与所述基材热接触。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包含容纳基材的外壳，并且所述热电发电元件完全设置在所述外壳内。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包含与所述至少一个热电发电元件热接触的集成式冷却回路。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件被构造成用于冷却所述基材。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件被构造成用于冷却或加热所述基材。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包含至少一个用于测量所述内部体积的温度的温度传感器。

14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个热电发电元件包含多个p型部件和多个n型部件。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述p型部件和所述n型部件结合在热电发电机内。

16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述p型部件和所述n型部件按交替棋盘格图案布置。

17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述p型部件和所述n型部件包含交替的p型和n型圆盘。

18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述p型部件和所述n型部件包含交替的p型和n型翅片。

19.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包含至少一个设置在所述内部体积外侧的热电发电元件。

20.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基材包含由两个或更多个基材部件形成的基材组件。

21.一种处理废气的方法，所述方法包括：

使废气流过具有第一端部、第二端部和限定内部体积的最外侧横向尺寸的基材的所述内部体积；以及

在所述流动的废气与至少一个至少部分设置在所述内部体积之内的热电发电元件之间交换热量。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述废气流过所述内部体积的过程中，使所述废气与催化剂反应。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述废气流过所述内部体积的过程中过滤所述废气。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使冷却剂流过与所述至少一个热电发电元件热连通的冷却回路。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个热电发电元件包含多个连成热电发电机的热电发电元件，所述方法还包括通过所述热电发电机发电。

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