CN110247087B - 一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱性燃料电池‑温差热电制冷混合装置，包括依次复合的碱性燃料电池、热电发生器、板翅式换热器、热电冷却器及低温热源，其特征在于，所述热电发生器与热电冷却器串联在一起形成闭合回路，热电发生器产生的电压在闭合回路中形成电流，利用碱性燃料电池的余热，通过塞贝克效应、焦耳热效应和热传导产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器放热端，再由板翅式换热器强化换热传递至周围环境中。本发明利用热电发生器有效回收碱性燃料电池余热从而产生额外的电能，进一步驱动下层半导体制冷，实现能量的合理利用，同时使用板翅式换热器强化换热，提高整体能量转换效率。

Description

一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置
技术领域
本发明涉及一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，特别涉及一种碱性燃料电池、半导体及板翅式换热器组成的混合装置，属于同时供电供冷装置技术领域。
背景技术
具有板翅式换热器的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置中，燃料电池将内部的化学能直接转化为热能和电能，其中电能用于驱动外部负载，热能传递给半导体，通过塞贝克效应、帕尔贴效应、焦耳热效应和热传导，产生制冷量。整个装置体积小且无需制冷工质和机械运动部件，解决了介质污染和机械振动等传统制冷装置的应用问题。
由于碱性燃料电池热管理需要快速排出余热，使得燃料电池可以稳定运行。该混合装置可以有效利用燃料电池产生的余热，在促进燃料电池余热快速排出的同时，利用余热发电制冷从而有效提高混合装置整体能量转换效率。
整个混合装置相比于传统制冷装置易于调节制冷量。该混合装置通过改变燃料电池工作电流、工作温度、工作压力、热电元件的传热系数和热电元件数量均能调节制冷量。
传统制冷装置亟待解决以下几个问题：
1、介质污染和机械振动的问题；
2、燃料电池热管理问题；
3、制冷装置制冷量调节问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有制冷装置易造成污染、机械振动导致稳定性差、产生电池热、制冷量不能调节等问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，包括依次复合的碱性燃料电池(AFC)、m对N型和P型半导体构成的热电发生器(TEG)、板翅式换热器、n对N型和P型半导体构成的热电冷却器(TEC)及低温热源，其特征在于，所述碱性燃料电池与回热器连通，回热器利用碱性燃料电池的余热将其入口处的反应物由环境温度预热至碱性燃料电池的工作温度；热电发生器与热电冷却器串联在一起形成闭合回路，热电发生器产生的电压在闭合回路中形成电流，利用碱性燃料电池的余热，通过塞贝克效应、焦耳热效应和热传导产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器放热端，再由板翅式换热器强化换热传递至周围环境中。
优选地，所述碱性燃料电池使用质量分数40％的KOH溶液作为电解质，碳作为电极，Ni作为阳极催化剂，Ag作为阴极催化剂，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂。碱性燃料电池通过化学反应，将燃料中的化学能直接转化为电能输出，同时产生余热。
优选地，所述热电发生器包括上陶瓷片一、下陶瓷片一及两者之间的m对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片一、下陶瓷片一之间分别设有上金属片一、下金属片一；上陶瓷片一与碱性燃料电池相贴合。下陶瓷片一的下部悬空，周围的空气充当均匀的电绝缘传热层；上金属片一、下金属片一起到导热和导电的作用。
优选地，所述热电发生器中的N型与P型半导体之间串联连接。
优选地，所述热电冷却器包括上陶瓷片二、下陶瓷片二及两者之间的n对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片二、下陶瓷片二之间分别设有上金属片二、下金属片二；上陶瓷片二与板翅式换热器相贴合，下陶瓷片二与低温热源相贴合。
优选地，所述热电冷却器中的N型与P型半导体之间串联连接。
更优选地，所述板翅式换热器包括设于上陶瓷片二上依次排列的翅片，翅片的两侧各设有一隔板。
优选地，所述热电发生器、热电冷却器中N型和P型半导体材料均为碲化铋。
优选地，上述装置还包括用于测量碱性燃料电池工作温度、热电冷却器的制冷温度及周围环境温度的测温装置。
优选地，所述热电发生器与热电冷却器两端通过电路连接形成闭合回路，其中一侧的电路中设有一个电流表和一个电路开关，另一侧电路中设有一个电路开关，结合热电冷却器的制冷温度及闭合回路中的电流大小调节热电冷却器的制冷量。
本发明便于燃料电池的热管理，加快燃料电池废热的排出，加强燃料电池运行的稳定性，并且能提高混合装置的功率、效率和制冷量。
本发明中的燃料电池将内部的化学能直接转化为热能和电能，其中，电能用于驱动外部负载，热能传递给半导体，通过塞贝克效应、帕尔贴效应、焦耳热效应和热传导，产生制冷量。整个装置体积小且无需制冷工质和机械运动部件，解决了介质污染和机械振动等传统制冷装置的应用问题。
由于碱性燃料电池热管理需要快速排出余热，使得燃料电池可以稳定运行。该混合装置可以有效利用燃料电池产生的余热，在促进燃料电池余热快速排出的同时，利用余热发电制冷从而有效提高混合装置整体能量转换效率。
整个混合装置相比于传统制冷装置易于调节制冷量。该混合装置通过改变燃料电池工作电流、工作温度、工作压力、热电元件的传热系数和热电元件数量均能调节制冷量。
附图说明
图1为本发明提供的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置的示意图；
图2为实施例中碱性燃料电池、热电装置和混合装置的功率密度和电流密度关系的示意图；
图3为实施例中碱性燃料电池、热电装置和混合装置的效率和电流密度关系的示意图；
图4为实施例提供的装置的制冷量和电流密度关系的示意图；
图5为实施例提供的装置与无板翅式换热器对混合系统功率密度和效率的影响。
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
图1为一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，包括依次复合的碱性燃料电池1、m对N型和P型半导体构成的热电发生器2、板翅式换热器3、n对N型和P型半导体构成的热电冷却器4及低温热源5，所述碱性燃料电池1与回热器6连通，回热器6利用碱性燃料电池1的余热将其入口处的反应物A由环境温度预热至碱性燃料电池1的工作温度，得到生成物B；热电发生器2与热电冷却器4串联在一起形成闭合回路，热电发生器2产生的电压在闭合回路中形成电流，利用碱性燃料电池的余热，通过塞贝克效应、焦耳热效应和热传导产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器放热端，再由板翅式换热器强化换热传递至周围环境中。
所述碱性燃料电池1使用质量分数40％的KOH溶液作为电解质，碳作为电极，Ni作为阳极催化剂，Ag作为阴极催化剂，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂。
所述热电发生器2包括上陶瓷片一21、下陶瓷片一22及两者之间的m对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片一21、下陶瓷片一22之间分别设有上金属片一23、下金属片一24；上陶瓷片一21与碱性燃料电池1相贴合。下陶瓷片一22的下部悬空，周围的空气充当均匀的电绝缘传热层；上金属片一23、下金属片一24起到导热和导电的作用。热电发生器2中的N型与P型半导体之间串联连接。
所述热电冷却器4包括上陶瓷片二41、下陶瓷片二42及两者之间的n对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片二41、下陶瓷片二42之间分别设有上金属片二43、下金属片二44；上陶瓷片二41与板翅式换热器3相贴合，下陶瓷片二42与低温热源5相贴合。热电冷却器4中的N型与P型半导体之间串联连接。热电发生器2、热电冷却器4中N型和P型半导体材料均为碲化铋。
所述板翅式换热器3包括设于上陶瓷片二41上依次排列的翅片33，翅片33的两侧各设有一隔板32。
上述装置还包括用于测量碱性燃料电池1工作温度、热电冷却器4的制冷温度及周围环境温度的测温装置。本实施例中有三个测温装置，分别位于碱性燃料电池、冷源及环境中。
热电发生器2与热电冷却器4两端通过电路连接形成闭合回路，其中一侧的电路中设有一个电流表和一个电路开关，另一侧电路中设有一个电路开关。
图2为实施例中碱性燃料电池、热电装置和混合装置的功率密度和电流密度关系的示意图。图中，P*、
Figure BDA0002094479650000041
分别是混合装置、AFC、TEG-TEC的输出功率密度。由图2可见，三者的输出功率密度随着工作电流密度的增大都是先上升后下降，同时TEG-TEC仅在j1＜j＜j2区间内工作。其中
Figure BDA0002094479650000051
分别是混合装置、AFC、TEG-TEC的最大输出功率密度。jP、jAFC,P、jtd,P分别是混合装置、AFC、TEG-TEC的电流密度。
图3为实施例中碱性燃料电池、热电装置和混合装置的效率和电流密度关系的示意图。图中，η、ηAFC和ηtd分别是混合装置、燃料电池和热电装置的效率。ηP、ηAFC,P分别是
Figure BDA0002094479650000052
时对应的效率，ηtd,max为区间内半导体最大效率，对应的电流密度为jtd,η。当混合装置P*＝0且η＝0时，电流密度为js。从图3可见，ηAFC和η随着电流密度j的增大而减小，然而热电装置ηtd在区间内先增大后减小。当j≤j1或j≥j2时，可以看出，
Figure BDA0002094479650000053
η＝ηAFC。在j1＜j＜j2区间内，P*和η分别都比
Figure BDA0002094479650000054
和ηAFC大。计算结果表明，
Figure BDA0002094479650000055
比
Figure BDA0002094479650000056
值高7.56％，ηP比ηAFC,P值高6.40％。说明碱性燃料电池与半导体耦合的热电制冷混合装置比单独燃料电池性能更优。
图4为实施例提供的装置的制冷量和电流密度关系的示意图。图中j为混合装置的电流密度，Qc为其制冷量。由图4可见，混合装置的制冷量随着电流密度的增加先增加后减小，曲线呈抛物线状。图中，当电流密度达到jtd,P时，制冷量达到最大值Qcmax。从图2可以看出，热电装置功率密度达到最大值的电流密度也为jtd,P。因此热电装置的功率密度和制冷量同时达到最大值。
图5为实施例提供的装置与无板翅式换热器对混合系统功率密度和效率的影响。由图5可见，相比无板翅式换热器，混合装置中增加板翅式换热器后，其功率密度和效率均得到了提高。计算发现，混合装置的最大输出功率密度及对应的效率相比于无板翅式换热器时分别提高了7.55％和8.04％。由此可见，增加板翅式换热器可有效提高混合装置的功率密度和效率。

Claims (8)

1.一种碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，包括依次复合的碱性燃料电池(1)、m对N型和P型半导体构成的热电发生器(2)、板翅式换热器(3)、n对N型和P型半导体构成的热电冷却器(4)及低温热源(5)，其特征在于，所述碱性燃料电池(1)与回热器(6)连通，回热器(6)利用碱性燃料电池(1)的余热将其入口处的反应物(A)由环境温度预热至碱性燃料电池(1)的工作温度；热电发生器(2)与热电冷却器(4)串联在一起形成闭合回路，热电发生器(2)产生的电压在闭合回路中形成电流，利用碱性燃料电池的余热，通过塞贝克效应、焦耳热效应和热传导产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器放热端，再由板翅式换热器强化换热传递至周围环境中；所述热电发生器(2)包括上陶瓷片一(21)、下陶瓷片一(22)及两者之间的m对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片一(21)、下陶瓷片一(22)之间分别设有上金属片一(23)、下金属片一(24)；上陶瓷片一(21)与碱性燃料电池(1)相贴合，下陶瓷片一(22)的下部悬空，周围的空气充当均匀的电绝缘传热层；所述热电冷却器(4)包括上陶瓷片二(41)、下陶瓷片二(42)及两者之间的n对N型和P型半导体，N型和P型半导体与两侧的上陶瓷片二(41)、下陶瓷片二(42)之间分别设有上金属片二(43)、下金属片二(44)；上陶瓷片二(41)与板翅式换热器(3)相贴合，下陶瓷片二(42)与低温热源(5)相贴合。
2.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述碱性燃料电池(1)使用质量分数40％的KOH溶液作为电解质，碳作为电极，Ni作为阳极催化剂，Ag作为阴极催化剂，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂。
3.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述热电发生器(2)中的N型与P型半导体之间串联连接。
4.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述热电冷却器(4)中的N型与P型半导体之间串联连接。
5.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述板翅式换热器(3)包括设于上陶瓷片二(41)上依次排列的翅片(33)，翅片(33)的两侧各设有一隔板(32)。
6.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述热电发生器(2)、热电冷却器(4)中N型和P型半导体材料均为碲化铋。
7.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，还包括用于测量碱性燃料电池(1)工作温度、热电冷却器(4)的制冷温度及周围环境温度的测温装置。
8.如权利要求1所述的碱性燃料电池-温差热电制冷混合装置，其特征在于，所述热电发生器(2)与热电冷却器(4)两端通过电路连接形成闭合回路，其中一侧的电路中设有一个电流表和一个电路开关，另一侧电路中设有一个电路开关。
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