CN110165264A - 一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，包括一个PAFC装置和一个TTEG装置，其特征在于，所述PAFC装置包括PAFC，其阴极和阳极均为涂有铂催化剂混合物的多孔石墨电极，其电解质为分散在碳化硅基体中的磷酸溶液，PAFC通过电化学反应，将燃料中的化学能转化为电能输出，同时产生余热；所述TTEG装置包括顶层热电半导体，利用PAFC反应产生的余热作为高温热源，在温差作用下产生电能；底层热电半导体，以顶层热电半导体放出的热量作为高温热源，以环境作为低温热源，在温差作用下产生电能。本发明利用TTEG回收PAFC余热产生额外的电能，合理回收PAFC余热，实现能量的梯级利用。

Description

一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置
技术领域
本发明涉及一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，属于发电装置技术领域。
背景技术
PAFC在工作的同时会产生大量的热，PAFC内部温度的升高会增加炭材腐蚀速度、高分散铂催化剂烧结、磷酸电解质的挥发与降解，从而降低其使用寿命。因此，对PAFC进行有效的热管理是提高其使用寿命及性能的关键。
PAFC作为一种中温燃料电池，其产生的余热不足以驱动热机，但是该余热中又包含一定的可用能，如果不能对其进行合理的回收利用势必会产生造成热污染和热损耗。
PAFC技术成熟，但相对于高温燃料电池而言，其发电效率较低，如何提高PAFC发电效率是一个有意义的研究方向。
另一方面，热电半导体发电器无需机械传动部件，是一种理想的余热回收装置，随着其适用领域的不断扩大，低效率的单级热电半导体发电器已不能满足需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有单级热电半导体发电器效率低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，包括一个PAFC装置和一个TTEG装置，其特征在于，所述PAFC装置包括：
PAFC，其阴极和阳极均为涂有铂催化剂混合物的多孔石墨电极，其电解质为分散在碳化硅基体中的磷酸溶液，PAFC通过电化学反应，将燃料中的化学能转化为电能输出，同时产生余热；
燃料进口通道，为PAFC电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道，为PAFC电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道，用于将PAFC电化学反应的产物输送至PAFC外部；
回热器，与燃料进口通道、氧化剂进口通道和产物出口通道相连，利用产物出口通道内产物的热量对燃料进口通道、氧化剂进口通道中的燃料和氧化剂进行加热；
PAFC供电回路，将PAFC产生的电能通过导线一供给外部负载一；
所述TTEG装置包括：
顶层热电半导体(TEG)，与PAFC装置连接，利用PAFC反应产生的余热作为高温热源，在温差作用下产生电能；
底层热电半导体(TEG)，与顶层热电半导体通过中部陶瓷板连接，以顶层热电半导体放出的热量作为高温热源，以环境作为低温热源，在温差作用下产生电能；
TTEG供电回路，用于将顶层热电半导体和底层热电半导体产生的电能通过导线二供给外部负载。
优选地，所述顶层热电半导体包括上部陶瓷板、中部陶瓷板及两者之间的m对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的上部陶瓷板、中部陶瓷板之间分别设有上层金属片一、下层金属片一。其中，上部陶瓷板充当均匀的电绝缘传热层；上层金属片一、下层金属片一起到导热和导电的作用；顶层热电半导体的m对温差热电偶通过塞贝克效应将热电转化为电能。
优选地，所述底层热电半导体包括中部陶瓷板(与顶层热电半导体中的中部陶瓷板共用一块陶瓷板)、下部陶瓷板及两者之间的n对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的中部陶瓷板、下部陶瓷板之间分别设有上层金属片二、下层金属片二，下部陶瓷板与低温热源相贴合。底层热电半导体的n对温差热电偶通过塞贝克效应，将热能直接转化为电能。
优选地，所述顶层热电半导体和底层热电半导体之间以热串联、电并联的方式进行连接。
优选地，所述顶层热电半导体和底层热电半导体中的热电偶材料均为碲化铋。
PAFC外接负载电阻和TTEG外接负载电阻之间具有一定的匹配关系，两个外接负载电阻之间可进行优化匹配以确定其最佳范围。
本发明采用并联形式的TTEG，使得TTEG装置的总内阻相对更低，减少TTEG内部的电能损耗，利用了两级热电半导体发电器回收PAFC余热，相对于单级半导体发电器具有更高的能量转换效率，实现了对PAFC的有效热管理，对PAFC余热的有效回收利用。
附图说明
图1为本发明提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置的示意图；
图2为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC和TTEG的输出功率密度-电流密度关系图；
图3为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC和TTEG的效率-电流密度关系图；
图4为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC的功率-效率关系图；
图5为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置中两个负载电阻-电流密度关系图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1所示，为本发明提供的一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，其包括一个PAFC装置1和一个TTEG装置2，其特征在于，所述PAFC装置1包括：
PAFC11，其阴极和阳极均为涂有铂催化剂混合物的多孔石墨电极，其电解质为分散在碳化硅基体中的磷酸溶液，PAFC通过电化学反应，将燃料中的化学能转化为电能输出，同时产生余热；
燃料进口通道12，为PAFC11电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道13，为PAFC11电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道14，用于将PAFC电化学反应的产物输送至PAFC外部；
回热器17，与燃料进口通道、氧化剂进口通道和产物出口通道相连，利用产物出口通道内产物的热量对燃料进口通道12、氧化剂进口通道13中的燃料和氧化剂进行加热；
PAFC供电回路，将PAFC11产生的电能通过导线一15供给外部负载一16；
所述TTEG装置包括：
顶层热电半导体(TEG)23，与PAFC装置1连接，利用PAFC11反应产生的余热作为高温热源，在温差作用下产生电能；
底层热电半导体(TEG)24，与顶层热电半导体23通过中部陶瓷板26连接，以顶层热电半导体23放出的热量作为高温热源，以环境作为低温热源30，在温差作用下产生电能；
TTEG供电回路，用于将顶层热电半导体23和底层热电半导体24产生的电能通过导线二32供给外部负载31。
所述顶层热电半导体23包括上部陶瓷板21、中部陶瓷板26及两者之间的m对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的上部陶瓷板21、中部陶瓷板26之间分别设有上层金属片一22、下层金属片一25。其中，上部陶瓷板21充当均匀的电绝缘传热层；上层金属片一22、下层金属片一25起到导热和导电的作用；顶层热电半导体23的m对温差热电偶通过塞贝克效应将热电转化为电能。
所述底层热电半导体24包括中部陶瓷板26(与顶层热电半导体23中的中部陶瓷板26共用一块陶瓷板)、下部陶瓷板29及两者之间的n对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的中部陶瓷板26、下部陶瓷板29之间分别设有上层金属片二27、下层金属片二28，下部陶瓷板29与低温热源30相贴合。底层热电半导体24的n对温差热电偶通过塞贝克效应，将热能直接转化为电能。顶层热电半导体23和底层热电半导体24之间以热串联、电并联的方式进行连接。顶层热电半导体23和底层热电半导体24中的热电偶材料均为碲化铋。
图2为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC和TTEG的输出功率密度-电流密度关系图。在图2中分别示出了复合发电装置及PAFC和TTEG的输出功率密度随电流密度的变化曲线。图中P*、P* PAFC、P* TTEG分别为复合发电装置、PAFC、TTEG的输出功率密度；P* max、P* PAFC,max、P* TTEG,max分别为复合发电装置、PAFC、TTEG的最大输出功率密度；ip、ifc、itg分别为复合发电装置、PAFC、TTEG达到最大输出功率密度时对应的电流密度；ib、im分别为TTEG正常工作时对应电流密度的上下限。由图2可知，P*和P* PAFC均随着i的增大先增大后减小，而P* TTEG只在区间ib<i<im内才具有这种变化特性。数据表明，复合发电装置的最大输出功率密度比单独工作的PAFC增大了7.6％。
图3为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC和TTEG的效率-电流密度关系图；在图中分别示出了复合发电装置及PAFC和TTEG的效率随电流密度的变化曲线。图中η、ηPAFC、ηTTEG分别为复合发电装置、PAFC、TTEG的效率。由图2可知，ηPAFC随着i的增大先增大后减小，在区间ib<i<im内，ηTTEG随着i的增大先增大后减小，而η随着i的增大先迅速减小然后略微增大最终又减小。这是由于TTEG开始工作时，复合发电装置效率得到有效提升，随着电流密度的进一步增大，TTEG带来的效率提升无法弥补高电流密度时PAFC的效率下降。数据表明，复合发电装置最大输出功率密度时对应的效率比单独工作的PAFC增大了2.11％。
从图2和图3中可以看出复合发电装置的性能与PAFC和TTEG的性能之间具有紧密的关系。通过改变PAFC的工作条件，可以使得PAFC与TTEG之间的性能进行很好的匹配，使得复合发电装置取得最佳的性能。
图4为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置及PAFC的功率-效率关系图。图中ηf,p和ηp分别为PAFC、复合发电装置取得最大输出功率密度时对应的效率；ηL和ηU为P*＝P* PAFC,max时复合发电装置的效率。由图4可知，当η<ηL或η>ηU时，P*<P* PAFC,max；而在区间ηL<η<ηU内，P*>P* PAFC,max，并且对于给定的P*<P* max均有两个对应的效率值，其中一个大于ηp，一个小于ηp。因此，遵循功率越大效率越大的原则，复合发电装置的输出功率和效率的优化区间分别为：P* PAFC,max<P*<P* max、ηp<η<ηU。根据图2和图3，可知复合发电装置的优化电流密度区间为：iU<i<ip。
图5为实施例提供的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置中两个负载电阻-电流密度关系图。图5中R*f＝Rf/RI和R*L＝RL/(m+n)Rg，其中，Rf和RI分别为PAFC的外接负载电阻和等效内阻；RL和(m+n)Rg分别为TTEG的外接负载电阻和热电元件总电阻。由图5可知，当iU<i<ip时，负载电阻的优化区间为：R* f,p<R* f<R* f,U，R* L,p<R* L<R* L,U。因此，只有当复合发电装置的外接负载电阻满足优化匹配范围时，装置才能在优化区间内运行。从图5可以看出，复合发电装置的性能与装置的两个外接负载电阻之间具有紧密的联系。在优化匹配区间内，可以通过调整两负载电阻的大小使得复合发电装置的性能达到最佳。

Claims (5)

1.一种磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，包括一个PAFC装置(1)和一个TTEG装置(2)，其特征在于，所述PAFC装置(1)包括：
PAFC(11)，其阴极和阳极均为涂有铂催化剂混合物的多孔石墨电极，其电解质为分散在碳化硅基体中的磷酸溶液，PAFC通过电化学反应，将燃料中的化学能转化为电能输出，同时产生余热；
燃料进口通道(12)，为PAFC(11)电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道(13)，为PAFC(11)电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道(14)，用于将PAFC电化学反应的产物输送至PAFC外部；
回热器(17)，与燃料进口通道、氧化剂进口通道和产物出口通道相连，利用产物出口通道内产物的热量对燃料进口通道(12)、氧化剂进口通道(13)中的燃料和氧化剂进行加热；
PAFC供电回路，将PAFC(11)产生的电能通过导线一(15)供给外部负载一(16)；
所述TTEG装置包括：
顶层热电半导体(TEG)(23)，与PAFC装置(1)连接，利用PAFC(11)反应产生的余热作为高温热源，在温差作用下产生电能；
底层热电半导体(TEG)(24)，与顶层热电半导体(23)通过中部陶瓷板(26)连接，以顶层热电半导体(23)放出的热量作为高温热源，以环境作为低温热源(30)，在温差作用下产生电能；
TTEG供电回路，用于将顶层热电半导体(23)和底层热电半导体(24)产生的电能通过导线二(32)供给外部负载(31)。
2.如权利要求1所述的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，其特征在于，所述顶层热电半导体(23)包括上部陶瓷板(21)、中部陶瓷板(26)及两者之间的m对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的上部陶瓷板(21)、中部陶瓷板(26)之间分别设有上层金属片一(22)、下层金属片一(25)。其中，上部陶瓷板(21)充当均匀的电绝缘传热层；上层金属片一(22)、下层金属片一(25)起到导热和导电的作用；顶层热电半导体(23)的m对温差热电偶通过塞贝克效应将热电转化为电能。
3.如权利要求1所述的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，其特征在于，所述底层热电半导体(24)包括中部陶瓷板(26)(与顶层热电半导体(23)中的中部陶瓷板(26)共用一块陶瓷板)、下部陶瓷板(29)及两者之间的n对由N型半导体和P型半导体组成的温差热电偶，温差热电偶与两侧的中部陶瓷板(26)、下部陶瓷板(29)之间分别设有上层金属片二(27)、下层金属片二(28)，下部陶瓷板(29)与低温热源(30)相贴合。底层热电半导体(24)的n对温差热电偶通过塞贝克效应，将热能直接转化为电能。
4.如权利要求1所述的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，其特征在于，所述顶层热电半导体(23)和底层热电半导体(24)之间以热串联、电并联的方式进行连接。
5.如权利要求1所述的磷酸燃料电池与两级半导体复合发电装置，其特征在于，所述顶层热电半导体(23)和底层热电半导体(24)中的热电偶材料均为碲化铋。
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