自動車用熱電発電機

自動車用熱電発電機（ ATEG）は、ゼーベック効果を利用して内燃機関（ICE）の廃熱の一部を電気に変換する装置です。一般的なATEGは、高温側熱交換器、低温側熱交換器、熱電材料、圧縮アセンブリシステムの4つの主要要素で構成されています。ATEGは、エンジンの冷却水や排気ガスからの廃熱を電気に変換できます。この本来は失われるエネルギーを回収することで、ATEGはエンジンの発電機負荷による燃料消費量を削減します。ただし、ユニットのコストと、重量による燃料消費量の増加も考慮する必要があります。

ATEGでは、熱電材料が高温側と低温側の熱交換器の間に詰め込まれています。熱電材料はp型半導体とn型半導体で構成され、熱交換器は熱伝導率の高い金属板です。^{[ 1 ]}

熱電モジュールの2つの表面間の温度差は、ゼーベック効果を利用して発電します。エンジンからの高温の排気が排気ATEGを通過すると、発電機内の半導体の電荷キャリアが高温側の熱交換器から低温側の熱交換器に拡散します。電荷キャリアの蓄積により正味の電荷が発生し、静電ポテンシャルが生成され、熱伝達によって電流が流れます。^{[ 2 ]}排気温度が700  ℃（約1300 °F）以上の場合、高温側の排気ガスと低温側の冷却液 との温度差は数百度になります。 ^{[ 3 ]}この温度差により、500～750Wの電力を発電できます。^{[ 4 ]}

圧縮組立システムは、熱電モジュールと熱交換器表面間の熱接触抵抗を低減することを目的としている。冷却液式ATEGでは、低温側熱交換器の冷却液としてエンジン冷却液が使用される一方、排気ガス式ATEGでは、低温側熱交換器の冷却液として外気が使用される。

現在、ATEGの効率は約5%です。しかし、薄膜技術や量子井戸技術の進歩により、将来的には効率が最大15%まで向上する可能性があります。^{[ 5 ]}

ATEGの効率は、材料の熱電変換効率と2つの熱交換器の熱効率によって決まります。ATEGの効率は次のように表すことができます。 ^{[ 6 ]}

Ζ _OV = Ζ _CONV х Ζ _HX х ρ

どこ：

• Ζ _OV ：ATEGの総合効率
• Ζ _CONV ：熱電材料の変換効率
• Ζ _HX：熱交換器の効率
• ρ  ：熱電材料を通過する熱量と、高温側から低温側へ通過する熱量の比

ATEGの主な目的は、燃料消費量を削減し、それによって車両の運用コストを削減するか、車両が燃費基準に適合するようにすることです。ICEのエネルギーの40%は排気ガスの熱によって失われます。^{[ 7 ] [ 8 ]}ディーゼルエンジンにATEGを実装することは、排気温度が低く質量流量が高いため、ガソリンエンジンに比べてより困難であるようです。^{[ 9 ] [ 10 ]}これが、ATEGの開発のほとんどがガソリンエンジンに集中している理由です。^{[ 6 ] [ 11 ] [ 12 ]}しかし、軽負荷^{[ 13 ]}および重負荷^{[ 14 ] [ 15 ]}ディーゼルエンジン用のATEG設計がいくつか存在します。

ATEGは、失われた熱を電気に変換することで、エンジンの発電機負荷を軽減し、燃料消費量を削減します。ATEGにより、自動車は機械エネルギーを使って発電機を駆動するのではなく、エンジンの熱エネルギーから電気を生成できます。電気は、本来であれば環境に放出されるはずの廃熱から生成されるため、エンジンはヘッドライトなどの車両の電気部品を駆動するために消費する燃料が少なくなります。したがって、自動車の排出ガスは少なくなります。^{[ 4 ]}

燃料消費量の減少は燃費の向上にもつながります。従来の発電機をATEGに置き換えることで、最終的に燃費を最大4%向上させることができます。^{[ 16 ]}

ATEGは可動部品なしで発電できるという点で、機械式発電機に比べて優位性がある。^{[ 1 ]}さらに、エンジン出力が低い場合、ATEGは電気式ターボ発電機よりも多くの正味エネルギーを回収できる可能性があるとされている。^{[ 9 ]}

ATEG の試作から量産へのスケールアップにおける最大の課題は、基礎となる熱電材料のコストでした。2000 年代初頭から、多くの研究機関や研究施設が熱電材料の効率向上に多額の資金を投入してきました。ビスマス テルルや鉛 テルルなどの前身であるハーフ ホイスラーやスクッテルダイトなどの材料では効率が向上しましたが、これらの材料のコストは大規模製造には不向きであることが判明しました。[17] 低コストの熱電材料に関する最近の研究者や企業の進歩により、 ATEGの商業^的可能性が大きく高まっています。^{[ 18 ]}特に注目すべきは、ミシガン州立大学によるテトラヘドライトの低コスト生産^{[ 19 ]}と、米国に拠点を置くAlphabet EnergyとGeneral Motorsによるその商業化です。^{[ 20 ]}

自動車の新しい部品と同様に、ATEGの使用も考慮すべき新しいエンジニアリング上の問題をもたらします。しかし、ATEGが自動車の使用に与える影響は比較的小さいため、その課題は他の新しい自動車技術ほど深刻ではありません。たとえば、排気ガスはATEGの熱交換器を通過する必要があるため、ガスの運動エネルギーが失われ、ポンピング損失が増加します。これは背圧と呼ばれ、エンジンの性能を低下させます。^{[ 7 ]}これは、マフラーを小型化することで対処でき、その結果、エンジンの正味背圧がゼロ、あるいは負になることもあります。これは、フォルシア社や他の企業が実証しています。^{[ 21 ]}

ATEGの効率をより安定させるために、通常は外気ではなく冷却材を冷側熱交換器に使用し、暑い日と寒い日の両方で温度差が同じになるようにします。これにより、配管を排気マニホールドまで延長する必要があるため、ラジエーターのサイズが大きくなる可能性があり、冷却材に伝達される熱量が増えるため、ラジエーターの負荷が増加する可能性があります。^{[ 16 ]}適切な熱設計では、冷却システムを大型化する必要はありません。

ATEGの重量増加によりエンジンはより多くの負荷がかかり、燃費が低下します。しかし、ATEGの自動車効率改善に関する研究のほとんどは、デバイスの重量を考慮しても、正味の効率向上につながっています。^{[ 22 ]}

ゼーベック効果は1821年に発見されたものの、熱電発電機の利用は20世紀後半まで主に軍事および宇宙用途に限られていた。これは当時の熱電材料の変換効率が低かったためである。

1963年に、最初のATEGがNeildらによって製作され報告された^{[ 23 ]} 。1988年には、Birkholzらがポルシェとの共同研究の結果を発表した。この結果では、炭素鋼製の高温側熱交換器とアルミニウム製の低温側熱交換器の間に鉄系熱電材料を組み込んだ排気ベースのATEGについて説明している。このATEGは、ポルシェ944の排気システムから数十ワットの電力を生成することができた^{[ 24 ] 。}

1990年代初頭、Hi-Z社は ディーゼルトラックの排気システムから1kWの電力を生成できるATEG（自動発電機）を設計した。同社はその後数年間で、ディーゼルトラックや軍用車両向けの他の設計も発表した。

1990年代後半、日産自動車はSiGe熱電材料を用いたATEGの試験結果を発表した。日産ATEGは、時速60.0kmで坂道を登る3.0Lガソリンエンジンの 走行条件に類似した試験条件下で、35.6Wの出力を生成した。 

2000年代初頭から、ほぼすべての主要自動車メーカーと排気ガス供給業者が熱電発電機の実験や研究を行っており、ゼネラルモーターズ、BMW、ダイムラー、フォード、ルノー、ホンダ、トヨタ、ヒュンダイ、ヴァレオ、ボーイセン、フォレシア、テネコ、デンソー、ジェンサーム社、アルファベット・エナジーなど多数の企業がプロトタイプを製造・テストしている。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

2012年1月、Car and Driver誌は、Amerigon（現Gentherm Incorporated ）が率いるチームが開発したATEGを「最も有望な」技術10選の1つに選出した。^{[ 28 ]}

• MITテクノロジーレビュー誌に掲載された「廃熱で車を動かす」という記事。