一种汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置。它包括两端开口的筒体，筒体内间隔平行设置的若干泡沫碳化硅管，筒体两端均设置的隔板组、温差发电器、通电加热装置；所述泡沫碳化硅管内设有净化汽车尾气用催化剂活性涂层，泡沫碳化硅管外壁涂有绝缘导热材料，泡沫碳化硅管外壁和筒体内壁之间的空隙处填充有金属合金相变储能材料；所述每组隔板组由两块绝缘耐高温陶瓷隔板夹合一块电极材料隔板组成，所述温差发电器的热端与筒体的外壁相联接，冷端与带有循环冷却水孔洞的散热块相联接。该一体化装置可克服汽车在快速变化行驶过程中出现的高温热振荡现象对催化剂活性急剧下降的影响；解决汽车由于冷启动造成的重污染排放；实现汽车尾气余热再利用发电。
【专利说明】一种汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置【技术领域】
[0001]本发明属于汽车及节能环保领域，具体涉及一种汽车尾气净化处理与余热发电的
一体化装置。
【背景技术】
[0002]伴随工业化和城市化进程，人类社会特别是城市已经步入了汽车时代，各种车辆与日俱增，并已经成为人们生产、生活和社会运行不可或缺的基本用具。由于城市中的大量汽车运行，汽车尾气排放量极大，且成分又很复杂，特别是对人体有害的一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)碳氢化合物(HC);汽车尾气也是城市雾霾产生的重要来源之一，严重危害着人类的健康和城市环境乃至整个自然生态系统，引起世人深度关注。
[0003]汽车尾气的排放具有高强度性、间接性、随机性和机动性，并且会产生高温振荡现象；由于过高温度会使汽车尾气催化净化处理物质的活性急剧下降，并且会造成老化严重或者脱落；另一方面，汽车尾气中60%-80%的有毒气体是在汽车冷启动时2分钟内产生的，由于目前使用的大多数催化剂还存在低温活性较差问题，汽车冷启动时载体不能快速升温达到催化反应所需温度，造成汽车尾气催化转化效率低下。从节能方面来看，依据国内现有的技术估算，从汽车尾气和散热方面消耗的能量占燃油总能量的70%左右。鉴于汽车运行的特定性，其尾气排放的间断性、不确定性及不稳定性，突显出解决针对汽车尾气净化处理、冷启动污染以及尾气余热发电等问题的必要性、迫切性。但是现有技术存在一定技术缺陷，如:国外有公司将汽车尾气余热发电装置装配在三元催化净化器与消声器之间，其装置过于复杂且占有空间较大；至今还没有见到汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置面世。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种汽车尾气净化与余热发电的一体化装置。其可克服汽车在快速变化行驶过程中出现的高温热振荡现象对催化剂活性急剧下降的影响；解决汽车由于冷启动造成的重污染排放；实现汽车尾气余热再利用发电。
[0005]为实现上述目的，本发明采取的技术方案是:
提供一种汽车尾气净化与余热发电的一体化装置， 它包括两端开口的筒体、筒体内间隔平行设置的若干泡沫碳化硅管、筒体两端均设置的隔板组、温差发电器、通电加热装置；所述泡沫碳化硅管内设有净化汽车尾气用催化剂活性涂层，泡沫碳化硅管外壁涂有绝缘导热材料，所述泡沫碳化硅管外壁和筒体内壁之间的空隙处填充有金属合金相变储能材料；所述每组隔板组由两块绝缘耐高温陶瓷隔板夹合一块电极材料隔板组成，所述电极材料隔板和绝缘耐高温陶瓷隔板上相对应设有若干与泡沫碳化硅管相匹配的孔，形成多孔道结构；所述泡沫碳化硅管的两头分别由筒体两端设置的隔板组的孔道支撑固定；所述温差发电器的热端与筒体的外壁相联接，冷端与带有循环冷却水孔洞的散热块相联接；所述通电加热装置以筒体两端设置的隔板组中央的电极材料隔板为电极对泡沫碳化娃管进行加热。
[0006]上述方案中，所述电极材料隔板为导电石墨板或铜板。
[0007]上述方案中，所述的筒体的截面为三边形、四边形、五边形、六边形、八边形、圆形、椭圆形等；所述筒体材料可分别采用CrMo耐热钢、OCr18Ni19不锈钢、钛合金钢、耐高温陶瓷、金属铜等。
[0008]上述方案中，所述的金属合金相变储能材料根据不同汽车发动机功率大小选用不同的金属合金相变储能材料，其中包括:86.4A1—9.4Si—4.2Sb，46.3A1—4.6Si—49.1Cu,86.4A1—9.4Si—4.2Sb，87.7A1—12.2Si，83.1Al — 11.7Si—5.2Mg，66.9Α1—33.1 Cu,64.1Al-5.2Si—28Cu—6.0Mg, 34.7Mg—65.4A1,96Zn—4A1,46.3Mg—53.7Zn 等。
[0009]上述方案中，所述温差发电器与散热块采用螺栓紧固，所述散热块的孔洞中联接汽车发动机冷却循环水。
[0010]上述方案中，所述的温差发电件与汽车电源系统相连，以经汽车电源系统向汽车供电。
[0011]上述方案中，所述的一体化装置还包括冷却循环水装置。由此可用于根据需要开启冷却循环水装置将发动机冷却循环水冷却至设定水温。
[0012]上述方案中，所述的泡沫碳化硅管采用多孔道结构的泡沫碳化硅管，其孔隙率30%?90%，0.2?5mm孔径的通孔率达50?99%，其比表面积达(1_10) X103m2/m3。
[0013]上述方案中，所述泡沫碳化硅管内的催化剂活性涂层采用浸溃法或浆涂法制备，所述催化剂为贵金属催化剂，包括Pd，Pt-Pd, Pt-Rh, Pt-Rh-Pd, Pt-Rh-Pd-1n等，所述催化剂中可同时分别添加助剂CeOx、CeO2-ZrO2, ZrO2, BaO、La2O3等氧化物，其中:结合采用的Zr02、BaO、La2O3等氧化物可作为稳定剂防止催化剂高温劣化；结合采用CeOx可提高催化剂储氧能力；结合采用CeO2-ZrO2 (向CeO2中添加ZrO2)可提高氧化铺的储氧量和储、放氧速率，进而提高和稳定催化效果。
上述方案中，所述的一体化装置还包括电加热控制器，所述的电加热控制器与通电加热装置相连，用于在汽车启动之前开启通电加热装置预热泡沫碳化硅管，并控制电加热电流大小及电加热时间，以及在汽车正常启动后关闭通电加热装置。
[0014]上述方案中，所述筒体外设有金属材料外壳或复合材料外壳，外壳的一端连接汽车排气歧管，另一端连接汽车尾气消声器。
[0015]本发明提供的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置的工作原理如下:在汽车启动前通过通电加热装置预热泡沫碳化硅管，可克服汽车由于冷启动造成的尾气重污染排放问题，汽车正常启动运转后尾气进入净化处理与余热发电的一体化装置的泡沫碳化硅管中，在泡沫碳化硅管内浸涂的催化剂活性涂层作用下，汽车尾气中的NOx被还原为N2, CO和碳氢化合物(HC)氧化为CO2和H2O,从而起到净化汽车尾气的作用。另外多孔道泡沫碳化硅管的特殊中空连体构造与多孔结构，可增加进入泡沫碳化硅管的汽车尾气复杂的流动方向，造成特殊的湍流效应，通过尾气碰撞湍流效应即能够增强尾气与金属合金相变储能材料的热交换，又可增加尾气与催化剂活性涂层接触几率，进一步提高汽车尾气净化程度；同时，在高温尾气通过泡沫碳化硅管时，泡沫碳化硅管会将尾气热量快速传递给金属合金相变储能材料；另外汽车变速产生的瞬间高温热量也会被金属合金相变材料吸收，并在相变温度点熔化，通过相变原理将高温振荡热量储存，使泡沫碳化硅管温度趋于稳定，防止泡沫碳化硅管内的催化剂活性涂层高温老化脱落；并使温差发电器的热端温度趋于稳定，温差发电器的冷端通过汽车自身的冷却循环水联接，冷端温度也趋于稳定，因此也可提高汽车尾气余热温差发电的转化效率。
[0016]本发明提供的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置与现有技术相比具有以下优点:
1.该一体化装置结构设计合理，紧凑，可实现汽车尾气催化净化处理与尾气余热温差发电等功能，既节省空间，又可实现功能多样，适于推广应用；
2.在一体化装置中采用金属合金相变材料可快速吸收并储存汽车尾气的余热量，克服汽车在复杂环境以及不同速度运行时存在的严重热振荡问题，进而可以克服催化剂因过热老化失效以及高温脱落等问题，稳定温差发电器件热端温度；由于稳定了温差发电器热端温度，也提高了汽车余热温差发电工作的稳定性与连续性，提高了汽车燃料的利用率，另夕卜，温差发电器产生的电也可为汽车系统提供补充新动力；
3.该一体化装置也可实现汽车启动前多孔道泡沫碳化硅管的预热，由此能够克服汽车由于冷启动而造成的尾气重污染排放问题；同时泡沫碳化硅管比表面积大，有利于催化剂活性涂层的浸溃或涂覆；并且由于泡沫碳化硅管的特殊中空连体构造与多孔结构，可使汽车尾气进入后增加了复杂的流动方向，造成特殊的湍流效应，即能够增强尾气与金属合金相变储能材料的热交换，又可增加尾气与三元催化剂接触几率；由此即提高了热电转换率，也提高了三元催化剂的净化效果。另外，泡沫碳化硅管即具有陶瓷材料的耐高温、低膨胀、耐氧化、高力学性能、化学惰性、高热导率性子，还具有三维连通网络通道，可在径向和轴向都实现良好的传热、传质作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1本发明汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置的工作结构图；
图2本发明汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置的结构示意图；
图3本发明汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置的局部放大图；
图4本发明一体化装置所采用的多孔道泡沫碳化硅管的结构图。
[0018]其中:1筒体，2多孔道泡沫碳化硅管，3金属合金相变储能材料，4绝缘导热材料，5温差发电器，5a温差发电器的热端，5b温差发电器的冷端，6螺栓，7电极材料隔板，8绝缘耐高温陶瓷隔板，9通电加热装置，10催化剂活性涂层，11循环冷却水孔洞，12散热块，13夕卜壳。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述。
[0020]实施例1:
一种汽车尾气净化与余热发电的一体化装置，如图1-4所示，包括两端开口的筒体1，筒体采用CrMo耐热钢材料，筒体内间隔平行设置的若干泡沫碳化硅管2，筒体两端均设置的隔板组、温差发电器4、通电加热装置9;所述泡沫碳化硅管内设有净化汽车尾气用催化剂活性涂层10，泡沫碳化硅管外壁涂有绝缘导热材料4，所述泡沫碳化硅管外壁和筒体内壁之间的空隙处填充有金属合金相变储能材料3 ;所述每组隔板组由两块绝缘耐高温陶瓷隔板8夹合一块电极材料隔板7组成，所述电极材料隔板和绝缘耐高温陶瓷隔板上相对应设有若干个与多孔道泡沫碳化硅管相匹配的孔，形成多孔道结构，所述泡沫碳化硅管的两头分别由筒体两端设置的隔板组的孔道支撑固定；所述温差发电器的热端5a与筒体的外壁相联接，温差发电器的冷端5a与带有循环冷却水孔洞11的散热块12螺栓紧固联接，所述散热块的孔洞中联接汽车发动机冷却循环水；所述通电加热装置以筒体两端设置的隔板组中央的电极材料隔板为电极对泡沫碳化硅管进行加热；所述筒体外设有金属材料外壳13，所述外壳的一端连接汽车排气歧管，另一端连接汽车尾气消声器。
[0021]所述的一体化装置还包括电加热控制器，其与通电加热装置相连，用于在汽车启动之前开启通电加热装置预热泡沫碳化硅管，并控制电加热电流大小及电加热时间，以及在汽车正常启动后关闭通电加热装置；冷却循环水装置，用于根据需要开启冷却循环水装置，以将发动机冷却循环水冷却至设定水温。
[0022]进一步地，筒体为截面为六边形的柱状筒体，金属合金相变储能材料采用96Ζη-4Α1，其相变温度为381°C，ΛΗ为138KJ/Kg ;泡沫碳化硅管为多孔道结构的泡沫碳化硅管，孔隙率为60%，Imm孔径通孔率达90%以上，泡沫碳化硅管内采用浸溃法制备有Pt-Rh-Pd三元催化活性层，电极材料隔板采用导电石墨板。
[0023]进一步地，所述的温差发电器可与汽车电源系统相连，以经汽车电源系统向汽车供电。
[0024]本发明提供的一体化装置的工作过程如下:
汽车发动机启动前，通电加热装置按照预先设定的电加热电流大小及时间向电极材料隔板提供电流，使泡沫碳化硅管迅速升温；汽车发动机在已加热状态下正常启动，汽车排放出的尾气进入一体化装置的多孔道泡沫碳化硅管中；在高温状态下，汽车尾气在多孔道泡沫碳化硅管浸涂的三元催化剂Pt-Rh-Pd活性涂层作用下，将CO — CO2, NOx — N2,CH — C02+H20，并从一体化装置另一侧进入汽车尾气消声器排出；由于汽车尾气进入多孔道泡沫碳化硅管的孔道时，在多孔道特殊结构中会产生湍流碰撞效应，将尾气热量传递给金属相变储能材料96Ζη-4Α1，吸收热量并升温至381°C时发生相转变储热能，使多孔道泡沫碳化硅管温度趋于稳定，防止泡沫碳化硅管内的催化剂高温老化脱落，也使温差发电器的热端温度趋于稳定；温差发电器的冷端通过汽车自身的冷却循环水作用，其温度也趋于稳定，因此提高了汽车尾气余热温差发电的转化效率。
[0025]实施例2:
本实施例与实施例1不同的只是筒体采用铜材料并且截面为八边形的柱状筒体；金属合金相变储能材料采用86.4A1-9.4S1-4.2Sb，其相变温度位575°C，ΛΗ为471KJ/Kg ;采用的多孔道泡沫碳化硅管的孔隙率为80%，2mm孔径的通孔率达95%以上，多孔道泡沫碳化硅管内采用浆涂法制备Pt-Rh-Pd-1n催化层，并采用助剂ZrO2作为稳定剂防止其高温劣化。其工作原理及工作过程同实施例1。
[0026]实施例3:
本实施例与实施例1不同的只是筒体采用采用耐高温陶瓷材料并且截面为圆形的柱状筒体；金属合金相变储能材料采用34.6Mg-65.4A1，其相变温度为497°C，ΛΗ为285KJ/Kg ;采用的多孔道泡沫碳化硅管的孔隙率为70%，1.5mm孔径的通孔率达98%以上；多孔道泡沫碳化硅管内采用浸涂法制备Pt-Rh-Pd三元催化活性层，并添加助剂CeO2-ZrO2 (在CeO2 中添加ZrO2)，以提高氧化铈的储氧量和储、放氧速率。其工作原理及工作过程同实施例1。
【权利要求】
1.一种汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:它包括两端开口的筒体、筒体内间隔平行设置的若干泡沫碳化硅管、筒体两端均设置的隔板组、温差发电器、通电加热装置；所述泡沫碳化硅管内设有净化汽车尾气用催化剂活性涂层，泡沫碳化硅管外壁涂有绝缘导热材料，所述泡沫碳化硅管外壁和筒体内壁之间的空隙处填充有金属合金相变储能材料；所述每组隔板组由两块绝缘耐高温陶瓷隔板夹合一块电极材料隔板组成，所述电极材料隔板和绝缘耐高温陶瓷隔板上相对应设有若干与泡沫碳化硅管相匹配的孔，形成多孔道结构；所述泡沫碳化硅管的两头分别由筒体两端设置的隔板组的孔道支撑固定；所述温差发电器的热端与筒体的外壁相联接，冷端与带有循环冷却水孔洞的散热块相联接；所述通电加热装置以筒体两端设置的隔板组中央的电极材料隔板为电极对泡沫碳化硅管进行加热。
2.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述电极材料隔板为导电石墨板或铜板。
3.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述筒体的截面为三边形、四边形、五边形、六边形、八边形、圆形、椭圆形；所述筒体材料可分别采用CrMo耐热钢、OCr18Ni19不锈钢、钛合金钢、耐高温陶瓷、金属铜。
4.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述的金属合金相变储能材料根据不同汽车发动机功率大小选用不同的金属合金相变储能材料，其中包括:86.4A 1—9.4Si—4.2Sb，46.3A1—4.6Si—49.1 Cu，86.4A1—9.4Si—4.2Sb，87.7A1—12.2Si，83.1Al — 11.7Si — 5.2Mg，66.9A1 — 33.1 Cu, 64.1Al — 5.2Si—28Cu—6.0Mg, 34.7Mg—65.4A1，96Zn — 4A1，46.3Mg—53.7Zn。
5.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述温差发电器与散热块采用螺栓紧固，所述散热块的孔洞中联接汽车发动机冷却循环水；所述的温差发电器与汽车电源系统相连，以经汽车电源系统向汽车供电。
6.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:它还包括冷却循环水装置。
7.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述的泡沫碳化硅管采用多孔道结构的泡沫碳化硅管，其孔隙率309T90%，0.2^5mm孔径的通孔率达50~99%，其比表面积达(1-10) X103m2/m3。
8.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述泡沫碳化硅管内的催化剂活性涂层采用浸溃法或浆涂法制备，所述催化剂为贵金属催化剂，包括Pd，Pt-Pd, Pt-Rh, Pt-Rh-Pd, Pt-Rh-Pd-1n,催化剂中可同时分别添加助剂CeOx、CeO2-ZrO2 λ ZrO2、BaO、La2O3。
9.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:它还包括电加热控制器，所述的电加热控制器与通电加热装置相连，用于在汽车启动之前开启通电加热装置预热泡沫碳化硅管，并控制电加热电流大小及电加热时间，以及在汽车正常启动后关闭通电加热装置。
10.根据权利要求1所述的汽车尾气净化处理与余热发电的一体化装置，其特征在于:所述筒体外设有金属材料外壳或复合材料外壳，外壳的一端连接汽车排气歧管，另一端连接汽车尾气消声器。
【文档编号】H02N11/00GK103993939SQ201410248692
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】袁曦明 申请人:中国地质大学（武汉）