文｜辛江

　　任何一点点减少排放的努力，乘以庞大的汽车数量，都会带来巨大的环境效益。新的废热回收发电技术，能让汽车更环保。

　　在汽车发明一百多年后的今天，汽车发动机的效率却依然没有太大的提升。无论是汽油发动机还是柴油发动机，都只有平均30%左右的能量被用来驱动车辆前进，剩下的70%都转换为热能，其中近半被引擎冷却系统消耗掉，其余从排气管排出，徒然加热空气。

　　对于工程师们来说，哪怕仅仅能将能量转化效率提高几个百分点，也会是一项惊人的成就—特别是在已经拥有8亿多辆汽车的今天。

　　目前已经有许多企业开始开展研究，尝试利用发动机的废热为车辆提供额外的能量。美国汽车零部件供应商Amerigon、德国的化学公司巴斯夫、美国工程机械制造商卡特彼勒等公司都在这一领域投入了研究力量。现在，有两家公司的研究取得了令人瞩目的进展，通用汽车公司的研究者们正在使用方钴矿发电，以此提升燃油经济性；而从2004年开始，在美国能源部的资助下，作为Amerigon子公司的BSST公司也已经开始研制用于汽车的热电发电装置。

　　这些公司使用的技术都很相似，同样基于颇有历史的Seebeck效应。

　　1821年，德国物理学家Thomas Seebeck发现，当两种不同的导体或者半导体在接触点存在温差时，导体内部会产生电流或者电位差；13年后，法国物理学家Jean-Charles Peltier发现了相反的效应：当给两种不同导体构成的回路通电时，接点处会产生一端吸热一端放热的现象。

　　现在，以Peltier效应原理制成的零件已经成了大部分饮水机的标准部件，但是把热能转化为电能的发电机—热电发电机，也被叫做TEG—却很少为人所提及，虽然它早在1977年就已经随着太空船进行过太空之旅。

　　之所以如此，是因为固态热电发电机的效率太低，只有5%左右，而成本却很高。它的确有许多优势：作为一种全固态的能量转化装置，它没有噪音、不会磨损、不会泄漏出液体或者气体，使用寿命也很长，但是这些优势却被劣势所抵消。

　　目前广为人知且实际应用效果良好的热电材料有碲化铋、碲化铅和硅锗合金等等，但是并非所有的材料都可以在高达700oC的汽车废热中工作正常。

　　无论何种热电发电机，都是以某些合金为基础，并且通过掺杂制成P型和N型半导体，分别携带多余的空穴和电子。当把一个P型柱和一个N型柱用金属板连起来，便构成了一个热电基本单元。将金属板放在温度较高处，就会产生从P型半导体流向N型半导体的电流；而把大量这样的基本单元串连和并联起来，就会获得一部热电发电机。

　　显然，对热电发电机的改进，重点在于寻找合适的材料上。这些材料应该能够拥有更好的能量转化效率、具有良好的导电性、需要足够的强度以应对温度变化带来的巨大应力，而导热性则越差越好。

　　BSST公司和通用汽车分别找到了合适的材料：BSST公司开发出了专利的锆铪合金热电发电机，能够提升大约40%的效率，把传统热电发电机的效率从5%提升到7%。

　　BSST公司在开发热能发电回收装置方面已有多年研究，2004年时，它就已经在实验室中把汽车的燃油经济性提升了12%。在获得美国能源部的资助后，这家公司花了三年时间改进整个热能发电系统的关键组件，包括热交换器、热电发电机模块和电源控制系统，并且开始准备测试。

　　现在，BSST公司已经和宝马、福特等汽车公司开展了一系列的联合实验，位于科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室也在计划测试这种发电系统的性能，测试系统采用了宝马公司生产的六缸引擎。

　　而通用汽车公司和普渡大学的合作，选择了稀土元素掺杂的方式。

　　美国橡树岭国家实验室的Brian Sales等早就发现，如果在方钴矿晶体中填充一些特定的元素，将提升热电材料的性能。这种添加了其他元素的方钴矿晶体被叫做“填隙方钴矿锑化物”，在未填隙时，其中钴和锑元素的原子数量比是1：3。在微观上，每4个钴原子和12个锑原子构成了一个笼形孔洞。如果将稀土原子填入这个孔洞，就像是把一只仓鼠放进笼子一样—稀土原子会在这个较为宽松的空间内振动，减少材料的导热性；而周围的金属钴原子和锑原子构成的刚性骨架能提供良好的导电性。

　　随后的研究证明，不仅是方钴矿有这样的特性。2010年，美国能源部阿姆斯国家实验室的研究者就发现，只需要在热电材料中掺杂1%左右的铈或镱，就能将热电材料的转换效率提升25%。

　　但是其中的机理并不明确，研究者认为是稀土元素改变了热电材料的晶体结构，也许改变了它的热电性能。

　　通用汽车公司的研究正是基于这些成果，他们的科学家Gregory Meisner使用钴、铑、锑、砷等元素制造出方钴矿晶体结构，并在其中掺杂几种稀土和碱土金属，获得了不错的效果—计算机模拟显示，在雪佛兰的“suburban”车型上安装这种系统，将能够产生350瓦特的电力，为整个系统提升3%的效率。通用汽车公司已经为这种热电材料中各种元素的比例申请了专利，并且在2010年获得批准。

　　虽然目前的效率并不尽如人意，但总算是已经有了一个不错的开端。在汽车上，热电发电机也许能够取代传统的加热或冷却系统、为汽车增加动力来源；它们也可以在引擎熄火时用作辅助电源，甚至可能取代传统的机械发电机。

　　但是在热电发电机成为汽车的标配之前，也依然还有诸多问题需要克服，例如成本，例如改进装配的方式—目前通用汽车公司的热电发电机只是插入排气管中，就像消音器那样。

　　Gregory Meisner认为，也许人们会找到更好的热电材料，改进工艺和技术，把热电发电机的成本降低到足以实用化的程度，他也承认，这可能需要四五年的时间。但是，考虑到迅速增加的汽车数量、日益恶化的环境和扶摇直上的油价，在废热发电技术上的投入，无疑是一项颇有价值的投资。

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