CN108023504B - 催化燃烧和热电转换集成发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种催化燃烧和热电转换集成发电装置。该装置若干发电单元组成，每个发电单元由上下两层催化燃烧单元和热电转换单元组成，燃烧单元由冷端通道、流通通道和热端通道三个通道组成。热电转换单元包括热端导电薄膜、冷端导电薄膜以及位于两者之间的P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件，冷端导电薄膜和热端导电薄膜分别位于冷、热端通道上，催化剂均匀沉积在热端导电薄膜上。每个发电单元内部半导体薄膜热电元件之间由绝缘基板隔开，发电单元之间由绝缘层隔开。本发明提供的催化燃烧和热电转换集成发电装置可以催化燃烧所产生的热量可以直接传递给热电装置，可以节约空间，减少能量的损失。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜热电发电技术领域，具体而言，涉及一种催化燃烧和热电转换集成发电装置。
背景技术
发电是将非电能形式的能量转换成电能的过程，目前，常见的发电形式包括水力发电、火力发电、风力发电、太阳能发电、海洋能发电、核能发电等，其中，火力发电是主要的发电形式。火力发电是利用可燃物在燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电形式。
以化学键形式存储能量的可燃物(例如：甲醇和甲醛)通常先转换成热能而不是直接转换到电能，通常，这种能量转换发生在高温条件下，并且，通常需要外部点燃才能启动燃烧。因此，通过直接燃烧将化学能转换成热能，再将热能转换成电能的装置，通常需要点火系统和防止温度过高损害装置的温度监控系统，这将大大增加装置的复杂性和降低能源的利用效率。
发明内容
为克服现有的将有机燃料直接燃烧进行发电所带来的各种问题，本发明提供一种结合催化燃烧和热电转换的发电装置，此装置具有使用安全、操作简单、投入费用低等优点。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
该装置由若干个发电单元组成，每个发电单元由上下两层催化燃烧单元和热电转换单元组成，催化燃烧单元由冷端通道、流通通道和热端通道三个通道组成，燃料气体/空气混合物由冷端通道进入，并吸收热端传递到冷端的热量，经过流通通道，进入热端通道，并在热端通道的催化剂表面发生催化燃烧反应。热电转换单元包括热端导电薄膜、冷端导电薄膜以及位于两者之间的P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件，冷端导电薄膜和热端导电薄膜分别位于冷、热端通道上，催化剂均匀沉积在热端导电薄膜上。每个发电单元内部半导体薄膜热电元件之间由绝缘基板隔开，发电单元之间由绝缘层隔开，各个热电发电模块的始、末端导电薄膜通过导线串联连接，所形成的完整发电装置通过导线与外部电路连接，整个装置由绝缘外壳包裹。
本发明优选的燃料气体为甲醇、甲醛等只含一个碳原子的有机燃料，此类燃料气体由于只含一个碳原子，因此，其不含有C-C键，而C-C键断裂需要很高的能量，这有利于降低此类燃料气体的起始点火温度，甚至可以在室温下都能进行催化燃烧，而不需要提供额外的加热设备，这有利于简化装置结构，提高装置空间利用率。
冷端通道、流通通道、热端通道均为基板之间，除沉积的薄膜和填充的绝缘层之外的空隙所组成。
本发明的绝缘基板包括聚酰亚胺基板、PCB基板、纳米陶瓷基板、玻璃薄片、SiO2片、亚克力板等，用于发电单元之间的相互隔绝，并用于沉积热电模块。
半导体薄膜热电元件包括Bi2Te3、PbTe、SiGe等半导体合金金属合金型热电材料、方钴矿热电材料、FeSi2、MnSi2等金属硅化物型热电材料、NaCo2O4等氧化物型热电材料，以及由这些材料的超晶格结构、纳米结构所形成的半导体薄膜热电元件。本发明优选的是Bi2Te3基热电材料，此热电材料在400℃以下温度具有良好的热电性能，P、N型半导体薄膜热电元件交替排列，两者之间通过导电薄膜在末端相互连接。
导电薄膜包括通过喷涂、溅射等方法沉积到绝缘基板上的金属薄膜，或是印刷在绝缘基板上的导电浆料。本发明优选的是导电银浆，因其具有很强的粘性，能和绝缘基板紧密黏连，且导电银浆具有良好的导电性能。
本发明装置各个热电发电模块的始、末端导电薄膜通过导线串联连接，所形成的完整发电装置通过导线与外部电路连接，从而形成完整回路。
半导体薄膜热电元件之间的绝缘层选用的是PDMS(聚二甲基硅氧烷)，其在常温下为液态，经过热处理后会固化成型，在本发明中，将PDMS注入半导体薄膜热电元件之间的空隙，经热处理后固化成型，形成稳定的绝缘层，冷、热端导电薄膜之间的空隙则保留下来，分别形成冷端通道和热端通道。
绝缘外壳为耐高温，不导电、不导热的塑料外壳，绝缘外壳将发电装置紧密包裹，只留下两个圆孔分别与装置的所有冷端通道和热电通道连通，圆孔有螺纹，可与相同孔径的导管相连接。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点如下：1、本发明提供的发电装置充分利用了催化燃烧和热电转换的优点，与直接燃烧相比，催化燃烧可以降低有机燃料气体的起始燃烧温度，特别是不含键能较高的C-C键的甲醛、甲醇等燃料，在催化剂作用下，起始燃烧温度很低，甚至可以在室温下进行；催化燃烧不受碳氢化合物浓度的限制，且反应进行的也非常彻底，不产生二次污染。2、汽车、工厂等排放的有机废气在催化剂的作用下，在较低温度的条件下，能迅速地氧化成水和二氧化碳，并释放大量的热量，因此，可以利用热电装置收集催化燃烧反应产生的热量，并将其转换成电能，由于催化燃烧是无焰燃烧，且反应是在催化剂表面发生，所以，催化燃烧所产生的热量大部分传递给催化剂，因此，可以直接将热电装置和催化燃烧装置相连接，特别是将催化剂和热电装置的电极相连接，这样，催化燃烧所产生的热量可以直接传递给热电装置，可以节约空间，减少能量的损失。
附图说明
图1为本发明提供的催化燃烧和热电转换集成发电装置的俯视图。
图2为本发明提供的催化燃烧和热电转换集成发电装置的剖视图。
其中，10为绝缘外壳；11a为冷端通道；11b为热端通道；12为流通通道；13a为冷端导电薄膜；13b为热端导电薄膜；14为催化剂薄膜；15为P型半导体薄膜热电元件；16为N型半导体薄膜热电元件；17为绝缘层；18为绝缘基板；19a、19b为圆孔；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明。
燃料气体/空气的混合物由绝缘外壳10中连通发电单元冷端通道11a的圆孔19a进入，圆孔有螺纹，可与导管相连，混合气体进入圆孔后在各个冷端通道分流，流入冷端通道的混合气体吸收从热端导电薄膜13b传递到冷端导电薄膜13a的热量，冷、热端导电薄膜均为沉积在绝缘基板18的导电银浆，而吸收的热量也可以对混合气体进行预热，预热后的混合气体再流过流通通道12进入热端通道11b，热端通道上下层有沉积在导电银浆上由Pt/γ-Al2O3组成的催化剂薄膜14，混合气体在催化剂表面发生催化燃烧反应，并释放大量的热量，由于反应是在催化剂表面进行的，因此，产生的热量大部分集中在催化剂表面，催化剂表面的温度会快速上升，由于热端导电薄膜具有良好的导热性，催化剂表面的热量又传递给热端导电薄膜，分别与热端导电薄膜和冷端导电薄膜接触的P型半导体薄膜热电元件15或N型半导体薄膜热电元件16两端会由于温度不同而产生温差，根据塞贝克效应，P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件会产生相反方向的温差电动势，由于各半导体薄膜热电元件通过导电薄膜串联连接，因此，产生的总的温差电动势为各个半导体薄膜热电元件所产生的温差电动势之和，热电模块之间由于绝缘基板和绝缘层17的隔绝，而不会发生短路和热传导的现象。催化燃烧反应后的产物在热端通道的末端汇聚，通过连接圆孔19b的导管排出。
Claims (10)
1.一种催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，该装置由不止一个发电单元组成，每个发电单元包括：催化燃烧单元和热电转换单元；催化燃烧单元由冷端通道、流通通道和热端通道三个通道组成，燃料气体和空气混合物由冷端通道进入，并吸收热端传递到冷端的热量，经过流通通道，进入热端通道，并在热端通道的催化剂表面发生催化燃烧反应；
热电转换单元为：上、下两层绝缘基板，用于发电单元之间的电绝缘和热绝缘；
上、下两层热电发电模块，分别沉积在上、下两层绝缘层上，每一层热电发电模块包括，热端导电薄膜，催化剂薄膜均匀沉积在热端导电薄膜表面，当有燃料气体和空气混合物通过时，将发生催化燃烧反应，并释放热量；
冷端导电薄膜，传递热端导电薄膜上传递过来的热量，通过流经其上方的燃料气体和空气混合物带走；
半导体薄膜热电元件，由P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件组成，位于冷端导电薄膜和热端导电薄膜之间，且P型半导体薄膜热电元件和N型半导体薄膜热电元件交替排列，通过冷、热端导电薄膜连接起来；
绝缘层，设置在半导体薄膜热电元件之间，将上、下两层热电发电模块隔开。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述绝缘基板是聚酰亚胺基板。
3.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述冷、热端导电薄膜是通过喷涂、溅射方法沉积到绝缘基板上的金属薄膜。
4.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述冷、热端导电薄膜是印刷在绝缘基板上的导电银浆。
5.根据权利要求4所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，冷、热端上、下层导电银浆之间的空隙分别构成冷、热端通道，使燃料气体和空气混合物在其内部顺利流通。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述催化剂薄膜均匀沉积在热端导电薄膜上。
7.根据权利要求6所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述催化剂薄膜中的催化剂是Pt/γ-Al2O3，所述催化剂中Pt含量为0.1％-3％。
8.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述绝缘层位于上、下层半导体薄膜热电元件之间，是PDMS胶状物经过固化后所形成的稳定的结构。
9.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述装置还包括与外电路连接的导线和发电单元之间相互连接的导线，各个热电发电模块的冷、热端导电薄膜通过导线串联连接，所形成的完整发电装置通过导线与外部电路连接。
10.根据权利要求1所述的催化燃烧和热电转换集成发电装置，其特征在于，所述装置还包括包裹整个装置并保护整个装置和防止气体泄漏、热量散失的绝缘外壳。
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