CN106025317A - 汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置。其特征在于，所述装置包括壳体分为上下两部分，结构完全对称，壳体的内腔设有燃料电池镶嵌凹槽，燃料电池模块的两端分别嵌入壳体上下两部分内腔的燃料电池镶嵌凹槽内，各燃料电池基板相互平行，壳体的上下两部分通过螺栓连接固定，壳体的外壁设有与温差发电片等大小的凹槽，温差发电片嵌入凹槽中，温差电池的热端与壳体相连，温差电池的冷端与散热片连接，散热片与壳体之间通过螺钉固定。本发明充分的利用了两种电池的优点，通过直接耦合充分利用尾气中的热能和尾气中燃料中化学能发电，提高能源利用率，降低了尾气中有害气体的排放。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置。
背景技术
21世纪，人类社会正面临着全球性的三大危机：能源短缺、环境污染和生态破坏，特别是随着全球汽车保有量逐年增加，使得交通运输业成为能源消耗大户，能源消耗总量占全社会能源消耗总量的10％左右，与此同时，汽车燃油中有大约40％的能量随尾气排出而浪费，其中包括大量的未充分燃烧的碳氢化合物，并对环境造成了一定的污染。如果能将气路管理系统中的汽车尾气回收利用，结合尾气热管理系统中尾气的热能发电提供给汽车的电路管理系统，则既能提供解决能源危机的新途径，又可减少生产过程中的环境污染，具有极大的经济效益和社会效益。
传统的燃料电池通常都是由两个气室组成，阳极通以燃料，而阴极通以氧气两极之间由致密的电解质隔开。在这里，电解质不仅起着传导氧离子或质子的功能，而且还起着把电池分成两腔来防止燃料和氧化剂的物理混合的作用，从而避免两者的直接反应以致电池失效。对于双室固体氧化物燃料电池(SOFC)来说，密封性能的好坏直接影响着电池的性能，且电池密封的费用也相当昂贵，导致此类燃料电池的应用受到了很大的限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述装置包括壳体1、若干个燃料电池模块2和若干个温差发电片3；若干个燃料电池4集成于燃料电池基板5的两侧，燃料电池基板5为多空结构陶瓷片，多个燃料电池基板5形成燃料电池模块2；
所述的壳体1分为上下两部分，结构完全对称，壳体两端有开口，一端连接汽车的尾气热管理系统，另一端连接汽车的气路管理系统；壳体的内腔设有燃料电池镶嵌凹槽6，燃料电池模块2与壳体内腔的上下表面相互垂直，燃料电池模块的两端分别嵌入壳体上下两部分内腔的燃料电池镶嵌凹槽内，各燃料电池基板相互平行，壳体的上下两部分通过螺栓7连接固定，将燃料电池模块固定封装在壳体1中，形成汽车尾气通道，即燃料电池反应室；壳体1的外壁设有与温差发电片等大小的凹槽8，温差发电片嵌入凹槽8中，温差发电片中温差电池的热端与壳体1相连，温差发电片中温差电池的冷端与散热片9连接，温差发电片的引出端与汽车的电路管理系统连接；散热片9与壳体1之间通过螺钉固定，温差发电片被封装在散热片9和壳体1之间，保护罩10固定在散热片9外侧。
所述燃料电池为低温阳极支撑型单室固体氧化物燃料电池。
所述温差电池与壳体1之间、温差电池与散热片9之间夹有一层柔性导热材料11。
所述导热材料11与壳体1之间有一个密封圈12。
单室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)为阳极支撑双面SC-SOFC，燃料电池电解质可采用低温离子导电能力较强的固体电解质嫁掺杂氧化饰GDC、衫掺杂氧化饰SDC、镁掺杂的嫁酸镧LSGM，DOC-碳酸盐复合电解质等，阳极材料可选用Ni-GDC金属陶瓷、Ni-SDC金属陶瓷、Pd、Ru、Pt、Ru-CeO2+Ni-SDC、Pd-CeO2+Ni-GDC、Ni-LSCM，双钙钛矿结构的陶瓷材料，阴极是:LSM-MnO2、Pd、Pt、Au、LSCF-SDC、BSCF-SDC、La0。8Sr0。2MnO3-δ(LSM)、Sm0。5Sr0。5CoO3-δ(SSC)、La0。8Sr0。2Co0。2Fe0。8O3-δ(LSCF)、Ba0。5Sr0。5Co0。8Fe0。2O3-δ(BSCF)双钙钛矿结构的阴极材料等。
温差电池的内部包括相互串联的P型和N型热电材料，热电材料通过导流片相互串联，组成温差电池；高温汽车尾气提供热源，散热片提供冷源。所述温差电池的两侧分别覆盖绝缘导热陶瓷片，两片陶瓷片之间四周用耐热隔热材料密封。温差电池中的热电材料可选择填充型方钻矿结构CoSb3基化合物热电材料、蹄化铅(PbTe)基热电材料或者AgSbTe2-GeTe固溶体(TAGS合金)、GeSi基化合物热电材料。
当有尾气流经该装置时，燃料电池将尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能转化成电能，同时释放一部分的热能，其次，当发动机排出的高温废气流经装有燃料电池的废气通道后(燃料电池工作室)，通过对流换热等传热方式加热温差电池热端，使壳体表面达一定的工作温度，镶嵌在壳体外表面的温差发电片组另一端由于散热片的作用，温度较低，从而在温差发电片组两端形成温度差，提供电力输出。该装置具有结构简单、成本低、可多耦合联用、方便拆卸等优点。在燃料电池将尾气中的化学能转化成电能的同时，温差电池利用尾气废热和燃料电池工作释放的废热与外界环境形成的温差发电，可有效的提高燃料的利用率，降低汽车有害气体的排放。
有益效果
单室结构SOFC不同于传统的双室结构SOFC，它只有一个气室，阳极和阴极同时暴露在燃料和氧化剂气体的均一混合物中，具有结构相对简单，密封问题并不突出；可以避免复杂的流场设计，进一步简化工艺；电解质不必致密化，比较容易实现小规模的电池堆；成本可以进一步降低；工作温度可以降低，可以实现温度的自维持等优点。最重要的是单室SOFC无需密封使得汽车尾气的收集更加方便，其次，目前单室SOFC的燃料利用率非常低，用于汽车尾气中的大量颗粒物、CxHy、CO燃料的回收发电具有非常高的性价比。本发明中，燃料电池将尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能转化成电能，同时释放一部分的热能，单室固体氧化物燃料电池，具有结构简单、无需密封、可以避免复杂的流场设计，成本可以进一步降低、工作温度可以降低等优点，
同时还能保证尾气通道的畅通。本发明中，温差电池通过热电材料可以将尾气中低品位热能和燃料电池工作释放的热能直接转换成电能，热电转换器件具有结构简单、无需维护、无运动部件、环境友好等显著优点。本发明中，
汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置充分的利用了两种电池的优点，通过直接耦合，可以充分利用尾气中的热能和尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能发电，可提高能源利用率，降低了尾气中有害气体的排放，产生显著的经济效益和社会效益。
附图说明：
图1为本发明的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置的结构示意图；
图2为本发明的燃料电池模块集成示意图；
图3为本发明的电池封装及固定壳体内腔示意图；
图4为本发明的温差电池集成原理图；
图5-1为本发明采用SOFC具体实施例一结构示意图；
图5-2为本发明采用SOFC的具体事例二结构示意图；
图5-3为本发明采用SOFC的具体事例三结构示意图；
图中：1.壳体，2.燃料电池模块，3.温差发电片.4.燃料电池，5.燃料电池基板，6.燃料电池镶嵌凹槽，7.螺栓，8.凹槽，9.散热片，10.保护罩，11.导热材料，12.密封圈，13.导流片，14.引出端，15.P-型，16.N-型，17.热电材料凹槽，18.阴极，19.电解质，20.阳极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发电系统作进一步说。
如图1-图3所示，本发明的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，所述装置包括尾气热管理系统、气路管理系统和电路管理系统，其特征在于，所述装置还包括壳体1、若干个燃料电池模块2和若干个温差发电片3；若干个燃料电池4集成于燃料电池基板5的两侧，燃料电池基板5为多空结构陶瓷片，形成燃料电池模块2；所述的壳体1分为上下两部分，结构完全对称，壳体两端有开口，一端连接尾气热管理系统，另一端连接气路管理系统；壳体的内腔设有燃料电池镶嵌凹槽6，燃料电池模块2与壳体内腔表面相互垂直，燃料电池模块的两端分别嵌入壳体上下两部分内腔的燃料电池镶嵌凹槽内，各燃料电池基板相互平行，壳体的上下两部分通过螺栓7连接固定，将燃料电池模块固定封装在壳体1中，形成汽车尾气通道，即燃料电池反应室；壳体1的外壁设有与温差发电片等大小的凹槽8，温差发电片嵌入凹槽8中，温差发电片中温差电池的热端与壳体1相连，温差发电片中温差电池的冷端与散热片9连接，温差发电片的引出端与电路管理系统连接；散热片9与壳体1之间通过螺钉固定，温差发电片被封装在散热片9和壳体1之间，保护罩10固定在散热片9外侧。温差电池与壳体1之间、温差电池与散热片9之间夹有一层柔性导热材料11。导热材料11与壳体1之间有一个密封圈12。
多空燃料电池基板5为燃料电池4的载体，为了增加高温尾气与燃料电池4的接触面积、减小尾气流通阻力，本发明采用布满微孔的燃料电池基板5。
图4为温差发电片，在装有燃料电池模块的两壳体外侧凹槽内分别嵌入导热材料和温差电池模块，保持温差电池的热端通过导热材料充分的与壳体外壁紧密接触。另一层导热材料夹在热电材料的冷端和散热片之间。相邻两个温差电池分别用连接导流片13串联连接，第一个温差电池与最后一个温差电池均用引出端14连接。通过螺钉施加压力(每个螺钉施加相同的力，保持各个面受力均匀)，使温差电池热端与陶瓷管热端紧密接触，提高热量传输效率。
温差电池由交替排列的P型15和N型16热电材料交替排列串联组，温差电池热端和温差电池冷端相对的一侧加工有热电材料凹槽17，将导流片13和P型15、N型16热电材料放入凹槽中固定。
所述的尾气入和尾气出口分别连接到机动车排气管中间，具体的位置根据温差发电器整体尺寸和燃料电池工作所需的温度范围等因素决定。最终确保机动车高温尾气能顺利通过整个燃料电池和温差发电器高效耦合发电装置。最后通过固定环将尾气发电装置与排气管固定。
本发明的系统中，热电材料采用BiZTe3基固溶体(热端最高温度在300℃)和AgSbTe2一GeTe固溶体(即TAGS合金，用于热端最高温度在300℃至700℃时)，实际应用中，根据需要选择温差电池的尺寸和所使用的热电材料。
如图5-1所示，普通SOFC由三部分组成，阴极18、电解质19和阳极20。根据支撑层的不同，SOFC有两种结构形式，分别是阳极20支撑SOFC、电解质19支撑。单室固体氧化物燃料电池SC一SOFC有两种主要的结构形式，分别是阴极和阳极在电解质的两侧(SC-SOFC-B)和阴极和阳极在电解质的同侧(SC-SOFC-A)，考虑到燃料电池的工作效率与电池微堆的方便，本发明采用阳极支撑型，阴极和阳极在电解质两侧(SC-SOFC-B)的单室固体氧化物燃料电池。燃料电池在多空陶瓷片上的分布形式如图5-1、5-2、5-3，探索燃料电池不同的分布形式，对尾气中燃料的利用情况，高温、快速尾气流中燃料燃料电池的分布形式对其性能的影响。
本发明中的燃料电池的电解质、阴极和阳极的材料可以为：
电解质材料可以是低温离子导电能力较强的固体电解质材料：
嫁掺杂氧化饰GDC、衫掺杂氧化饰SDC、锯镁掺杂的嫁酸铜LSGM、DOC-碳酸盐新型复合电解质等。
阳极材料优选金属陶瓷、贵金属材料以及多相抗硫中毒能力强的双钙钛矿阳极材料：
Ni-GDC金属陶瓷、Ni-SDC金属陶瓷、Pd、Ru、Pt、Ru-CeO2+Ni-SDC、Pd-CeO2+Ni-GDC、Ni-LSCM，双钙钛矿结构的陶瓷材料，
阴极材料优选钙矿材料、金属材料以及多相复合材料：LSM-MnO2、Pd、Pt、Au、LSCF-SDC、BSCF-SDC、La0。8Sr0。2MnO3-δ(LSM)Sm0。5Sr0。5CoO3-δ(SSC)、La0。 8Sr0。2Co0。2Fe0。8O3-δ(LSCF)、Ba0。5Sr0。5Co0。8Fe0。2O3-δ(BSCF)。
燃料电池的工作特点就是需要外接提供高温热源，高温下的工作环境，提高了燃料的利用率，提高了电解质导电能力、电极材料导电能力和催化性能。但是，考虑到热电材料的最高耐热温度和成本等因素，以及高温下密封和链接材料的衰老程度，本发明中涉及的燃料电池均为低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)，燃料电池的低温化既能延长各个零件的使用寿命，又能降低成本，具有非常好的使用价值。
本发明中的燃料电池中，工作时可以直接利用高温的汽车尾气中的大量颗粒物、CxHy、CO为燃料，通过燃料在阳极的内部重整过程，直接进入SOFC参与反应。
本发明中，燃料电池将尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能转化成电能，同时释放一部分的热能，单室固体氧化物燃料电池，具有结构简单、无需密封、可以避免复杂的流场设计，成本可以进一步降低、工作温度可以降低等优点，同时还能保证尾气通道的畅通。本发明中，温差电池通过热电材料可以将尾气中低品位热能和燃料电池工作释放的热能直接转换成电能，热电转换器件具有结构简单、无需维护、无运动部件、环境友好等显著优点。本发明中，汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置充分的利用了两种电池的优点，通过直接耦合，可以充分利用尾气中的热能和尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能发电，可提高能源利用率，降低了尾气中有害气体的排放，产生显著的经济效益和社会效益。
Claims (7)
1.汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述装置包括壳体(1)、若干个燃料电池模块(2)和若干个温差发电片(3)；若干个燃料电池(4)集成于燃料电池基板(5)的两侧，燃料电池基板(5)为多空结构陶瓷片，多个燃料电池基板(5)形成燃料电池模块(2)；
所述的壳体(1)分为上下两部分，结构完全对称，壳体两端有开口，一端连接汽车的尾气热管理系统，另一端连接汽车的气路管理系统；壳体的内腔设有燃料电池镶嵌凹槽(6)，燃料电池模块(2)与壳体内腔的上下表面相互垂直，燃料电池模块的两端分别嵌入壳体上下两部分内腔的燃料电池镶嵌凹槽内，各燃料电池基板相互平行，壳体的上下两部分通过螺栓(7)连接固定，将燃料电池模块固定封装在壳体(1)中，形成汽车尾气通道，即燃料电池反应室；壳体(1)的外壁设有与温差发电片等大小的凹槽(8)，温差发电片嵌入凹槽(8)中，温差发电片中温差电池的热端与壳体(1)相连，温差发电片中温差电池的冷端与散热片(9)连接，温差发电片的引出端与汽车的电路管理系统连接；散热片(9)与壳体(1)之间通过螺钉固定，温差发电片被封装在散热片(9)和壳体(1)之间，保护罩(10)固定在散热片(9)外侧。
2.根据权利要求1所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述燃料电池为低温阳极支撑型单室固体氧化物燃料电池。
3.根据权利要求1所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述温差电池与壳体(1)之间、温差电池与散热片(9)之间均夹有一层柔性导热材料(11)。
4.根据权利要求3所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述导热材料(11)与壳体(1)之间有一个密封圈(12)。
5.根据权利要求1所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述温差电池包括交替排列串联连接的P型和N型热电材料，热电材料通过导流片相互串联，组成温差电池；高温汽车尾气提供热源，散热片提供冷源。
6.根据权利要求1所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述燃料电池包括电解质、阴极和阳极，电解质材料为中低温具有高氧离子导电能力的固体电解质，其离子电导率为0.1s/cm，阴极为中低温具有高导电能力的阴极薄膜材料，其在500℃电导率为200s/cm，阳极材料为抗碳沉积和耐硫毒的双钙钛矿结构的材料，中低温的范围是400～600℃。
7.根据权利要求1所述的汽车尾气的温差和燃料电池耦合高效发电装置，其特征在于，所述装置的工作方式为：当有尾气流经燃料电池反应室后，燃料电池将尾气中的CxHy、CO燃料中的化学能转化成电能，同时释放一部分的热能；通过对流换热的传热方式加热温差电池的热端，使壳体(1)表面达温差发电片的工作温度，镶嵌在壳体(1)外表面的温差发电片的另一端由于散热片的作用，温度较低，从而在温差发电片组两端形成温度差，提供电力输出。
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