CN111416136A - 高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温质子交换膜燃料电池‑热电制冷装置，包括高温质子交换膜燃料电池、热电发生器、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生成电流，利用高温质子交换膜燃料电池的余热，通过热电效应产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器热端，然后排放到周围环境中去。本发明利用热电发生器有效回收高温质子交换膜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，实现了能量的合理利用，提高了能量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷混合装置，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池和半导体器件组成的混合装置，属于同时供电供冷装置技术领域。
背景技术
高温质子交换膜燃料电池在产生电能的同时，会产生大量的热。如果不能对这部分余热进行合理的回收利用势必会影响电池的正常工作，并且造成热污染和热损失。热电装置可以根据热电效应将废热直接转化为电能或利用电能生成温差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：1)目前传统制冷装置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。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，包括依次复合的高温质子交换膜燃料电池装置、m对N型半导体一和m对P型半导体二构成的热电发生器TEG、n对N型半导体二和n对P型半导体二构成的热电冷却器TEC及低温热源，其特征在于，高温质子交换膜燃料电池与回热器连通，回热器利用高温质子交换膜燃料电池的余热将其入口处的反应物A由环境温度预热至高温质子交换膜燃料电池的工作温度得到生成物B，生成物B送入高温质子交换膜燃料电池内参与电化学反应，使高温质子交换膜燃料电池产生可向外输出的电能；热电发生器TEG与热电冷却器TEC串联在一起形成闭合回路，热电发生器TEG产生的电压在闭合回路中生成电流，利用高温质子交换膜燃料电池的余热，通过热电效应产生电能，将低温热源热量吸收传递至热电冷却器TEC放热端，然后排放到周围环境中去。
优选地，所述高温质子交换膜燃料电池装置包括：
高温质子交换膜燃料电池，使用PA/PBI作为膜，Pt作为阳极催化剂，Pt/Co作为阴极催化剂，石墨复合板作为双极板，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂；高温质子交换膜燃料电池的工作温度和压力值分别取150℃和1atm，相对湿度RH和掺杂度DL分别为0.38％和5.6；
燃料进口通道，为高温质子交换膜燃料电池的电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道，为高温质子交换膜燃料电池的电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道，用于将高温质子交换膜燃料电池的电化学反应的产物输送至高温质子交换膜燃料电池外部；
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接，利用产物出口通道内产物的燃料进口通道、氧化剂进口通道中的燃料和氧化剂进行加热；
优选地，所述热电发生器TEG包括上、下两个陶瓷片一，上、下两层薄金属片一以及m对N型半导体一和m对P型半导体一；其中，上部陶瓷片一连接于所述高温质子交换膜燃料电池与上层薄金属片一之间，下部陶瓷片一连接于下层薄金属片一与周围环境之间，充当均匀的电绝缘传热层；并且上、下两层薄金属片一连接于上、下两个陶瓷片一与m对N型半导体一和m对P型半导体一之间，起到导热和导电的作用。
优选地，所述热电发生器TEG中的N型半导体一和P型半导体一之间串联连接。
优选地，所述热电冷却器TEC包括上、下两个陶瓷片二，上、下两层薄金属片二以及n对N型半导体二和n对P型半导体二；其中，上部陶瓷片二连接于周围环境和上层薄金属片二之间，下部陶瓷片二连接于下层薄金属片二和低温热源之间；上、下两层薄金属片二连接于上、下两个陶瓷片二与n对N型半导体二和n对P型半导体二之间。
优选地，所述热电冷却器TEC中的N型半导体二与P型半导体二之间串联连接。
优选地，所述热电发生器TEG、所述热电冷却器TEC中N型和P型半导体材料均为碲化铋。
优选地，还包括用于测量所述高温质子交换膜燃料电池工作温度、所述热电冷却器TEC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TEG与所述热电冷却器TEC两侧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。
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，并通过热电效应产生冷量。使得整个装置的能源利用效率变高。
本发明加快了燃料电池废热的排出，便于燃料电池的热管理，有利于燃料电池的运行。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，且方便调节制冷量。
与传统基于压缩机的制冷装置相比，本发明装置具有以下几个明显的优势：1)适用于既要供电也要供冷的场合；2)装置没有机械转动部件，方便了装置的安装，且运行可靠、无噪音；3)无需消耗氯氟烃等制冷剂，对环境影响小；4)可通过改变燃料电池的工作电流、工作温度、工作压力、热电元件的传热系数和热电元件数量等参数调节制冷量，有利于精确控制温度。
附图说明
图1为本发明提供的高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置的示意图；
图2为实施例中高温质子交换膜燃料电池、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为实施例中高温质子交换膜燃料电池、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为实施例中装置的制冷量和电流密度关系的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，包括一个高温质子交换膜燃料电池装置、一个热电发生器TEG2和一个热电冷却器TEC3。
高温质子交换膜燃料电池装置包括：
高温质子交换膜燃料电池(以下简称为HT-PEMFC)11，利用电化学反应产生电能，使用PA/PBI作为膜，Pt作为阳极催化剂，Pt/Co作为阴极催化剂，石墨复合板作为双极板，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂，工作温度和压力值分别取150℃和1atm，相对湿度RH和掺杂度DL分别为0.38％和5.6。
燃料进口通道12，为HT-PEMFC11的电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道13，为HT-PEMFC11的电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道14，用于将HT-PEMFC11的电化学反应的产物输送至高温质子交换膜燃料电池11外部；
回热器5，与燃料进口通道12、氧化剂进口通道13和产物出口通道14相连接，利用产物出口通道14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；
高温质子交换膜燃料电池供电回路，将HT-PEMFC11的产生的电能通过导线15供给外接负载；
HT-PEMFC11与回热器5连通，回热器5利用HT-PEMFC11的余热将其入口处的反应物A由环境温度预热至HT-PEMFC11的工作温度，得到生成物B。
热电发生器TEG2包括上、下两个陶瓷片一21、26，上、下两层薄金属片一22、25以及m对N型半导体一24和m对P型半导体一23。其中，上部陶瓷片一21连接于HT-PEMFC11与热电发生器TEG2的上层薄金属片一22之间，下部陶瓷片一26连接于热电发生器TEG2的下层薄金属片一25与周围环境之间，充当均匀的电绝缘传热层，并且热电发生器TEG2的上、下两层薄金属片一22、25连接于热电发生器TEG2的上、下两个陶瓷片一21、26与m对N型半导体一24和m对P型半导体一23之间，起到导热和导电的作用。热电发生器TEG2中的N型半导体一24与P型半导体一23之间串联连接。
热电冷却器TEC3包括上、下两个陶瓷片二27、30，上、下两层薄金属片二28、29以及n对N型半导体二32和n对P型半导体二33。其中，热电冷却器TEC3的上部陶瓷片二27连接于周围环境和热电冷却器TEC3的上层薄金属片二28之间，下部陶瓷片二30连接于热电冷却器TEC3的下层薄金属片二29和低温热源4之间，热电冷却器TEC3的上、下两层薄金属片二28、29连接于热电冷却器TEC3的上、下两个陶瓷片二27、30和n对N型半导体二32和n对P型半导体二33之间。热电冷却器3中的N型半导体二32与P型半导体二33之间串联连接。热电发生器TEG2、热电冷却器TEC3中N型半导体和P型半导体材料均为Bi2Te3。
热电发生器TEG2与热电冷却器TEC3串联在一起形成闭合回路，热电发生器TEG2利用HT-PEMFC11的余热，通过热电效应产生电能，并通过外部电路31将电能传输给热电冷却器TEC3，将低温热源4热量吸收传递至热电冷却器TEC3放热端，然后排放至周围环境中去。如图1所示，闭合回路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。
上述装置还包括用于测量HT-PEMFC11的工作温度、热电冷却器TEC3的制冷温度及周围环境温度的测温装置。总计三个测温装置，分别位于HT-PEMFC11、冷源及环境中。
图2为实施例中高温质子交换膜燃料电池、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*、
分别是混合装置、HT-PEMFC、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
分别是混合装置、HT-PEMFC、TEG-TEC的最大输出功率密度。j、jfc、jtd分别是混合装置、HT-PEMFC、TEG-TEC的电流密度。
图3为实施例中高温质子交换膜燃料电池、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、ηfc和ηtd分别是混合装置、燃料电池和热电装置的效率。ηp、ηfc,p分别是
时对应的效率，ηtd,p为区间内半导体最大效率，对应的电流密度为jtd,p。从图3可见，ηfc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，
η＝ηfc。在j1<j<j2区间内，P*和η分别都比
和ηfc大。计算结果表明，
比
值高5.6％，ηp比ηfc,p值高5.5％。说明高温质子交换膜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Qc,max。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。
Claims (9)
1.一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，包括依次复合的高温质子交换膜燃料电池装置、m对N型半导体一(24)和m对P型半导体二(23)构成的热电发生器TEG(2)、n对N型半导体二(32)和n对P型半导体二(33)构成的热电冷却器TEC(3)及低温热源(4)，其特征在于，高温质子交换膜燃料电池(11)与回热器(5)连通，回热器(5)利用高温质子交换膜燃料电池(11)的余热将其入口处的反应物A由环境温度预热至高温质子交换膜燃料电池(11)的工作温度得到生成物B，生成物B送入高温质子交换膜燃料电池(11)内参与电化学反应，使高温质子交换膜燃料电池(11)产生可向外输出的电能；热电发生器TEG(2)与热电冷却器TEC(3)串联在一起形成闭合回路，热电发生器TEG(2)产生的电压在闭合回路中生成电流，利用高温质子交换膜燃料电池(11)的余热，通过热电效应产生电能，将低温热源(4)热量吸收传递至热电冷却器TEC(3)放热端，然后排放到周围环境中去。
2.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述高温质子交换膜燃料电池装置包括：
高温质子交换膜燃料电池(11)，使用PA/PBI作为膜，Pt作为阳极催化剂，Pt/Co作为阴极催化剂，石墨复合板作为双极板，氢气作为还原剂，纯氧或脱除二氧化碳的空气作为氧化剂；高温质子交换膜燃料电池(11)的工作温度和压力值分别取150℃和1atm，相对湿度RH和掺杂度DL分别为0.38％和5.6；
燃料进口通道(12)，为高温质子交换膜燃料电池(11)的电化学反应提供燃料；
氧化剂进口通道(13)，为高温质子交换膜燃料电池(11)的电化学反应提供氧化剂；
产物出口通道(14)，用于将高温质子交换膜燃料电池(11)的电化学反应的产物输送至高温质子交换膜燃料电池(11)外部；
回热器(5)，与燃料进口通道(12)、氧化剂进口通道(13)和产物出口通道(14)相连接，利用产物出口通道(14)内产物的燃料进口通道(12)、氧化剂进口通道(13)中的燃料和氧化剂进行加热。
3.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电发生器TEG(2)包括上、下两个陶瓷片一(21、26)，上、下两层薄金属片一(22、25)以及m对N型半导体一(24)和m对P型半导体一(23)；其中，上部陶瓷片一(21)连接于所述高温质子交换膜燃料电池(11)与上层薄金属片一(22)之间，下部陶瓷片一(26)连接于下层薄金属片一(25)与周围环境之间，充当均匀的电绝缘传热层；并且上、下两层薄金属片一(22、25)连接于上、下两个陶瓷片一(21、26)与m对N型半导体一(24)和m对P型半导体一(23)之间，起到导热和导电的作用。
4.如权利要求1或3所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电发生器TEG(2)中的N型半导体一(24)和P型半导体一(23)之间串联连接。
5.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电冷却器TEC(3)包括上、下两个陶瓷片二(27、30)，上、下两层薄金属片二(28、29)以及n对N型半导体二(32)和n对P型半导体二(33)；其中，上部陶瓷片二(27)连接于周围环境和上层薄金属片二(28)之间，下部陶瓷片二(30)连接于下层薄金属片二(29)和低温热源(4)之间；上、下两层薄金属片二(28、29)连接于上、下两个陶瓷片二(27、30)与n对N型半导体二(32)和n对P型半导体二(33)之间。
6.如权利要求1或5所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电冷却器TEC(3)中的N型半导体二(32)与P型半导体二(33)之间串联连接。
7.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电发生器TEG(2)、所述热电冷却器TEC(3)中N型和P型半导体材料均为碲化铋。
8.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，还包括用于测量所述高温质子交换膜燃料电池(11)工作温度、所述热电冷却器TEC(3)的制冷温度及周围环境温度的测温装置。
9.如权利要求1所述的一种高温质子交换膜燃料电池-热电制冷装置，其特征在于，所述热电发生器TEG(2)与所述热电冷却器TEC(3)两侧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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