CN101478263A - 基于催化燃烧的便携式温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于催化燃烧的便携式温差发电装置，包括至少一组温差发电模块和燃料储存罐；每组温差发电模块由两块温差发电模块构成；所述两块温差发电模块相邻侧壁设有催化燃烧热源通道，所述两块温差发电模块相对侧分别设有燃料预热通道；即催化燃烧热源通道位于温差发电模块的热端；所述燃料预热通道位于温差发电模块的冷端；所述催化燃烧通道为蛇形通道，其进气口与燃料预热通道相连通，其出口为废物排放口；燃料预热通道与燃料储存罐相连。它采用催化燃烧为温差发电模块供热，可以在较低温度下实现无烟燃烧，安全性高，该温差发电装置具有结构简单，重量轻、携带方便，比能量高，时间工作较长等特点。用于单兵电源和野外用电尤其方便。

Description

基于催化燃烧的便携式温差发电装置

技术领域

本发明属于微型发电技术领域，具体涉及适于军用单兵电源供电、野外和便携式电源供电的基于催化燃烧的便携式温差发电装置。

背景技术

现有技术中，便携式用电装置有：单兵电源、笔记本电脑等的电源，这些电源多为充电蓄电池，如：锂电池；然而充电蓄电池的一个缺点是比能量不高，且可持续使用的时间受到限制，一般只能连续使用几个小时，因此，给人们的生产和生活带来了不便。为了解决这个问题，人们开始开发新型电源，其中包括微型质子交换膜燃料电池，该种燃料电池可以连续不断的把输入的氢能转换为电能，由于燃料电池发电装置需要氢源，就需要采用重整器制氢为其提供氢源，从重整器出来的富氢气体中多含有少量的一氧化碳，而一氧化碳是燃料电池的阳极毒物，即使含有微量例如大于50ppm的一氧化碳也会使燃料电池的性能和效率大大下降，并使其寿命大大缩短，因此需要对重整器出口的产物气体进行处理，以除去其中的一氧化碳，这需要水汽置换系统和一氧化碳选择性氧化系统，这样一来，燃料重整、燃料处理和燃料电池组成的电源系统过于复杂，虽然燃料电池的效率较高，但是整个系统的效率仅仅在2％左右。因此采用温差发电则和其有了可比性，且温差发电系统较为简单。只要发电模块两端有温差就可连续不断地输出电力；但是温差发电装置中要解决的一个主要问题是如何为温差发电器热端供热。通常的做法是利用锅炉和烟气余热供热，或者利用太阳能的热量供热、利用燃料燃烧供热、利用垃圾焚烧供热，但采用以上类型热源的缺点是不利于便携，且比能量不高，尤其是不利于单兵源和野外用电，此外燃料和垃圾等可燃物燃烧产生的高于1000℃的高温更不利于携带和安全使用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种结构简单、便于携带、比能量高的，且健康环保的，可用于军事的单兵电源和可用于民用个人电源的便携式温差发电装置。

本发明的目的是这样实现的：一种基于催化燃烧的便携式温差发电装置，包括燃料储存罐和至少一组温差发电模块；每组温差发电模块由两块叠合的温差发电模块构成；所述两块温差发电模块相邻侧壁设有催化燃烧热源通道，所述两块温差发电模块相对侧分别设有燃料预热通道，即催化燃烧热源通道位于两块温差发电模块的热端；所述燃料预热通道位于两块温差发电模块的冷端；所述催化燃烧通道为蛇形通道，其进气口与燃料预热通道相连通，其出口为废物排放口；所述燃料预热通道与燃料储存罐相连。所述催化燃烧通道内填有用于不同燃料催化燃烧的颗粒催化剂。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(I)本发明采用催化燃烧为温差发电模块供热，催化燃烧可以在较低温度下实现无烟燃烧，目前多用于燃料电池系统中为燃料重整制氢系统提供燃料气化和重整反应吸热所需要的热源；而本发明则将其用于温差发电模块热端所需热源，该催化燃烧的燃料来自液体或者气体碳氢燃料，其携带方便，发电装置的比能量高，主要质量即为携带的燃料质量，可以根据需要调整携带的燃料量。

(II)本发明通过在针翅表面通道中采用燃料和氧气对温差发电模块冷端进行冷却、在催化燃烧通道中蛇形布置的催化剂对催化燃烧的控制，可以维持温差发电模块热端和冷端较大的温差，温差越大，温差发电模块的最大功率则越大；此外催化燃烧温度较低，而相应的该温差发电装置的绝热容易，增加了该装置的可携带性、安全性。

(III)本发明用于单兵电源和野外用电尤其方便，不但体积小，而且重量轻，只需根据需要带够燃料即可，使用过程中也不会产生有毒有害气体；它将燃料气瓶和温差发电模块连接起来即可使用，不要其它附属设施就可以安全使用，结构简单；且整个装置的重量集中在燃料上，因此，比能量高，可以较长时间工作。

附图说明

图1为本发明基于催化燃烧的便携式温差发电装置结构示意图；

图2为本发明便携式温差发电装置冷端即微通道冷却和燃料预热示意图；

图3为本发明便携式温差发电装置热端即微通道催化燃烧示意图。

图中，1为温差发电模块组，2为燃料储存罐，3为氧气储存罐，4为温差发电模块，5为冷却通道(燃料预热通道)，6为冷却通道(氧气预热通道)，7为热源通道即催化燃烧通道，8为减压阀，9为流量调节阀，10为温度测量和监控仪表，11为功率输出，12为催化燃烧后气体和水蒸气排出通道，13为垫片，14为冷却通道的表面针翅，15为催化燃烧通道燃料和氧气混合物进口，16为燃烧后产物排出口，17为燃烧通道进出口不锈钢丝网，18为颗粒催化剂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明基于催化燃烧的便携式温差发电装置，主要包括燃料储存罐2、氧气储存罐3和两组温差发电模块1；每组温差发电模块1由两块叠合的温差发电模块4构成；所述两块温差发电模块4相邻侧壁设有催化燃烧热源通道7，所述两块温差发电模块4相对侧壁分别设有燃料预热通道5和氧气预热通道6；所述催化燃烧热源通道7为蛇形通道，其进气口15与燃料预热通道5和氧气预热通道6相连通，其出口为废物排放口16；燃料预热通道5和氧气预热通道6分别与燃料储存罐2和氧气储存罐3相连。其中，本发明便携式温差发电装置采用碳氢燃料催化燃烧为温差发电模块供热，所用催化剂为催化燃烧颗粒催化剂，如Pt/Al₂O₃、Pd/Al₂O₃等，其颗粒催化剂设于催化燃烧通道7内，在燃烧通道中燃料从进口到出口的蛇形通道中进行催化燃烧并交错换热，这样可以控制燃烧器通道的温度从进口到出口较为均匀，减弱催化燃烧进口处热点；而冷却通道采用不锈钢针翅表面，以增加从燃料储存罐进来的室温燃料充分冷却模块冷端表面，同时使得燃料得到预热，能够保证催化燃烧的快速起燃，从而保证发电模块的快速启动。催化燃烧通道则通过蛇形通道，使得进口处开始催化燃烧而温度较高的气体和出口处热量已充分利用的气体进行换热，使得催化燃烧通道的温度尽可能的达到均匀，这样温差发电模块两端温差保持最大，而温差越大，温差发电模块的最大功率则越大。而装置的主要重量集中在燃料上，因此，比能量高，可以较长时间连续工作。此外催化燃烧温度较低，相应的该温差发电装置的绝热容易，增加了该装置的可携带性、安全性。

本发明的优点是采用碳氢燃料催化燃烧为温差发电模块供热，这可以实现电源装置的便携性和模块化，相对燃料电池系统大大简化，这也是本专利的创新之处。此温差发电装置还省去了温差发电模块冷端所需要的冷却用风扇，通过燃料储存罐中的燃料和氧气对发电模块冷端进行冷却，既可保持冷端较低的温度，也可同时对燃料和氧气进行预热，充分利用了能量。同时，为了提高换热效率，所述燃料预热通道5和氧气预热通道6(即冷却通道)内表面为不锈钢针翅表面，以增加从燃料储存罐进来的室温燃料充分冷却模块冷端表面，同时使得燃料得到预热，能够保证催化燃烧的快速起燃，从而保证发电模块的快速启动。这也是本专利的创新之一。

此外，该装置的最大输出功率还可以通过温差发电模块的叠加进行扩充，即将温差发电模块4由两组或两组以上串联或并联而成，有利于模块化生产。

参照附图，如果所采用的燃料为氢气，所采用的氧化剂为氧气，所采用的温差发电模块4为碲化铅材料构成的中温温差发电模块，该模块使用于400～700℃，与碳氢燃料催化燃烧温度范围相一致。从高压燃料和氧气储存罐出来的燃料和氧气经过减压阀8减压后，经流量调节阀9调节到氢气和氧气摩尔比为2:1的比例后进入各自的燃料预热通道5和氧气预热通道6(即冷却通道)，由于冷却通道上、下表面为有利于传热的针翅表面交错构成14，处于室温的氢气和氧气分别将冷却通道保持在高于室温不大的温度范围内，随后在催化燃烧通道7进口15混合后，在氢气催化燃烧Pt/Al₂O₃催化剂的作用下开始催化燃烧反应，反应方程式如下：

2H₂+O₂＝2H₂O+Q

放出的热量Q作为热源传给温差发电模块热端，保持模块热端处于400～700℃温度范围，这样温差发电模块两端保持有300℃以上的温差，而其输出最大功率11则正比于温差的平方。输出功率可以通过流过催化燃烧通道的氢气的流量和氢气与氧气的比例进行调节，模块将温度差通过塞贝尔效应转换成电势差，经稳压电路以及交直流转换后作为电源使用。当该装置放置于水平平面上时，垫片13将使该装置微微倾斜，有利于冷却为液体的产物水从排放口12排出。

上述实施例采用氢气为燃料，并辅以氧气为氧化剂。当然，本发明也可采用一种混合燃料气体为燃料，则燃料储存罐2和氧气储存罐3存放同一种燃料气体；或者只采用一个燃料储存罐2也可。

Claims (6)

1、基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，包括燃料储存罐(2)和至少一组温差发电模块(1)；每组温差发电模块由两块叠合的温差发电模块(4)构成；所述两块温差发电模块(4)相邻侧壁设有催化燃烧热源通道(7)，所述两块温差发电模块(4)相对侧分别设有燃料预热通道(5或/和6)，即催化燃烧热源通道(7)位于两块温差发电模块(4)的热端；所述燃料预热通道(5或/和6)位于两块温差发电模块(4)的冷端；所述催化燃烧通道(7)为蛇形通道，其进气口(15)与燃料预热通道(5或/和6)相连通，其出口为废物排放口(16)；燃料预热通道(5或/和6)与燃料储存罐(2)相连。

2、根据权利要求1所述的基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，催化燃烧通道(7)呈蛇形，其进和出通道交错排列换热。

3、根据权利要求1所述的基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，还包括氧气储存罐(3)，氧气储存罐(3)与燃料预热通道(5或6)相通。

4、根据权利要求1所述的基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，所述燃料预热通道(5或/和6)的内表面为不锈钢针翅表面。

5、根据权利要求1所述的基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，所述温差发电模块(4)根据功率要求并联或者串连构成。

6、根据权利要求1或2所述的基于催化燃烧的便携式温差发电装置，其特征在于，所述催化燃烧通道(7)内设有碳氢燃料催化燃烧用颗粒催化剂。

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