CN112038662A - 基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池‑半导体温差复合发电系统，该系统的重整器与固体氧化物燃料电池阳极联通，热管一端与固体氧化物燃料电池固定连接，另一端与一号半导体温差发电模块热端连接，固体氧化物燃料电池阳极出口与阳极尾气管道入口连接，固体氧化物燃料电池阴极出口与二号换热器尾气入口连接，换热器的空气出口与固体氧化物燃料电池阴极入口连接，换热器的尾气出口与一号换热器的尾气入口连接，阳极尾气管道与二号半导体温差发电模块热端连接，二号半导体温差发电模块冷端与二号冷却燃油管道连接。解决了固体氧化物燃料电池热管理问题以及如何提高固体氧化物燃料电池的发电效率的问题。

Description

基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电 系统

技术领域

本发明涉及一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，属于燃料电池能量管理技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高(一般大于50％)、可直接使用碳氢燃料、不需要贵金属催化剂、没有液态电解质、污染物排放少、噪音低等优点，是分布式发电系统的研究热点。固体氧化物燃料电池工作时，有大量废热产生，为了不使产生的废热造成电池过热而影响电池性能及各个电池部件的安全运行寿命，必须采用有效的冷却方式及时排除这些热量。常规冷却方式，如强制风冷却、液体冷却等已经被证明是有效的，也得到了广泛的研究开发。然而，该类系统由于需要风机、泵、换热器、加热器、管线，以及其它附件而使结构过于庞大复杂。

热管是一种高效独特的传热元件，它由管壳、吸液芯和工质组成，具有体积小、结构简单、传热效率高、适应性广等特点。在航天航空、电子领域、余热回收等领域均有应用，且效果良好，其工作原理为蒸发段吸热，吸液芯中的工质受热蒸发，蒸汽在微小压差下向另一端流动并凝结成液体放出热量，冷凝液靠吸液芯的毛细引力回流到蒸发段，如此反复实现热量的转移。

温差发电是指利用半导体热电材料将热能直接转换成电能的一种技术，无需化学反应或流体介质，也不需要运动部件，是一种固态、绿色的能量转换方式。因此在运行过程中具有许多其他技术无法比拟的优势，如工作过程中没有运动部件，因而没有震动和噪声；由于结构紧凑故便于携带、运输、保养和维护；安全无污染，是一种对环境近乎零排放的友好型材料。

发明内容

本发明为了解决固体氧化物燃料电池热管理问题以及如何提高固体氧化物燃料电池的发电效率的问题，提出一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统。

本发明提出一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，包括固体氧化物燃料电池、热管、一号半导体温差发电模块、二号半导体温差发电模块、一号冷却燃油管道、二号冷却燃油管道、重整器、一号换热器、二号换热器、阳极尾气管道、燃油泵和储油箱，所述一号半导体温差发电模块和二号半导体温差发电模块均设置有热端和冷端，所述重整器设置有燃油入口、空气入口和重整气体出口，所述重整器重整气体出口与固体氧化物燃料电池阳极进口联通，

所述热管的一端与固体氧化物燃料电池固定连接，另一端与一号半导体温差发电模块的热端连接，所述一号半导体温差发电模块的冷端与一号冷却燃油管道连接，通过热管对固体氧化物燃料电池进行散热，所述固体氧化物燃料电池阳极出口与阳极尾气管道入口连接，所述固体氧化物燃料电池阴极出口与二号换热器尾气入口连接，所述换热器的空气出口与固体氧化物燃料电池阴极入口连接，所述换热器的尾气出口与一号换热器的尾气入口连接，所述阳极尾气管道与二号半导体温差发电模块热端连接，所述二号半导体温差发电模块冷端与二号冷却燃油管道连接，利用固体氧化物燃料电池的高温尾气充当二号半导体温差发电模块的热端，所述储油箱、燃油泵、二号冷却燃油管道和一号冷却燃油管道依次连接，采用燃油作为二号半导体温差发电模块的冷源端，所述一号冷却燃油管道出口与一号换热器燃油进口连接，所述一号换热器的燃油出口与重整器燃油入口连通。

优选地，所述重整器为部分氧化重整器。

本发明所述的基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统的有益效果为：

1、本发明将热管与温差发电模块应用于固体氧化物燃料电池热管理方案中，使用热管对固体氧化物燃料电池进行冷却，有效解决了散热问题，又使电池结构紧凑降低成本，不需要在燃料电池中设计冷却通道，简化了电池结构。

2、本发明使用温差发电模块实现热电转换，具有安装方便、结构简单、无运动部件、无噪音及维护方便的特点。

3、本发明在改善燃料电池热环境的情况下发出多余的电能，提升系统的发电效率。

4、本发明使用燃油作为温差发电片的冷源端，实现了有限冷源的有效利用，同时预热了燃油。

5、本发明对燃料电池高温尾气的热能也通过温差发电得到进一步使用，实现了能量的梯级利用。

6、本发明使用燃油部分氧化重整为固体氧化物燃料电池提供富氢燃料，相比储氢罐储氢，燃油具有易储存、易获取、易运输的优势，有利于燃料电池的普及使用。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统的原理图；

其中，1-固体氧化物燃料电池，2-热管，3-一号半导体温差发电模块，4-一号燃油管道，5-重整器，6-一号换热器，7-二号换热器，8-二号燃油管道，9-二号半导体温差发电模块，10-阳极尾气管道，11-燃油泵，12-储油箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，包括固体氧化物燃料电池1、热管2、一号半导体温差发电模块3、二号半导体温差发电模块9、一号冷却燃油管道4、二号冷却燃油管道8、重整器5、一号换热器6、二号换热器7、阳极尾气管道10、燃油泵11和储油箱12，所述一号半导体温差发电模块3和二号半导体温差发电模块9均设置有热端和冷端，所述重整器5设置有燃油入口、空气入口和重整气体出口，所述重整器5重整气体出口与固体氧化物燃料电池1阳极进口联通，

所述热管2的一端与固体氧化物燃料电池1固定连接，另一端与一号半导体温差发电模块3的热端连接，所述一号半导体温差发电模块3的冷端与一号冷却燃油管道4连接，通过热管2对固体氧化物燃料电池1进行散热，所述固体氧化物燃料电池1阳极出口与阳极尾气管道10入口连接，所述固体氧化物燃料电池1阴极出口与二号换热器7尾气入口连接，所述换热器7的预热后的空气出口与固体氧化物燃料电池1阴极入口连接，所述换热器7的预热后的尾气出口与一号换热器6的尾气入口连接，

所述阳极尾气管道10与二号半导体温差发电模块9热端连接，所述阳极尾气从阳极尾气管道10排出，所述二号半导体温差发电模块9冷端与二号冷却燃油管道8连接，利用固体氧化物燃料电池1的高温尾气充当二号半导体温差发电模块9的热端，所述储油箱12、燃油泵11、二号冷却燃油管道和一号冷却燃油管道4依次连接，采用燃油作为二号半导体温差发电模块9的冷源端，

所述一号冷却燃油管道4出口与一号换热器6燃油进口连接，利用固体氧化物燃料电池1阴极高温尾气对燃油进行预热，所述一号换热器6的加热后的燃油出口与重整器5燃油入口连通，阴极尾气从一号换热器6排出。

所述重整器5为部分氧化重整器。

固体氧化物燃料电池1为三层结构，从上至下分布为阳极、电解质层和阴极。

本发明将固体氧化物燃料电池与温差发电两种发电方式结合起来。固体氧化物燃料电池1工作温度高，使用热管2对固体氧化物燃料电池1堆进行换热，同时热管2冷凝段作为一号半导体温差发电模块3的热端，一号半导体温差发电模块3冷端采用油冷方式进行散热。固体氧化物燃料电池1的高温尾气流经阳极尾气管道10，在阳极尾气管道10的外侧安装二号半导体温差发电模块9，二号半导体温差发电模块9冷端同样采用油冷方式进行散热。

通过本发明的方案，半导体温差发电回收了燃料电池尾气余热，提高复合发电系统发电功率、系统能量综合利用率。热管散热提取、回收了燃料电池自身废热，有利于提高系统废热的回收利用率。使用燃油作为半导体温差发电器、燃料电池散热端的冷源，无需其他冷源，降低了系统复杂度，提高了系统集成度，还实现了对燃油的预热。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池(1)、热管(2)、一号半导体温差发电模块(3)、二号半导体温差发电模块(9)、一号冷却燃油管道(4)、二号冷却燃油管道(8)、重整器(5)、一号换热器(6)、二号换热器(7)、阳极尾气管道(10)、燃油泵(11)和储油箱(12)，所述一号半导体温差发电模块(3)和二号半导体温差发电模块(9)均设置有热端和冷端，所述重整器(5)设置有燃油入口、空气入口和重整气体出口，所述重整器(5)重整气体出口与固体氧化物燃料电池(1)阳极进口联通，

所述热管(2)的一端与固体氧化物燃料电池(1)固定连接，另一端与一号半导体温差发电模块(3)的热端连接，所述一号半导体温差发电模块(3)的冷端与一号冷却燃油管道(4)连接，通过热管(2)对固体氧化物燃料电池(1)进行散热，所述固体氧化物燃料电池(1)阳极出口与阳极尾气管道(10)入口连接，所述固体氧化物燃料电池(1)阴极出口与二号换热器(7)尾气入口连接，所述二号换热器(7)的空气出口与固体氧化物燃料电池(1)阴极入口连接，所述二号换热器(7)的尾气出口与一号换热器(6)的尾气入口连接，

所述阳极尾气管道(10)与二号半导体温差发电模块(9)热端连接，所述二号半导体温差发电模块(9)冷端与二号冷却燃油管道(8)连接，利用固体氧化物燃料电池(1)的高温尾气充当二号半导体温差发电模块(9)的热端，所述储油箱(12)、燃油泵(11)、二号冷却燃油管道和一号冷却燃油管道(4)依次连接，采用燃油作为二号半导体温差发电模块(9)的冷源端，

所述一号冷却燃油管道(4)出口与一号换热器(6)燃油进口连接，所述一号换热器(6)的燃油出口与重整器(5)燃油入口连通。

2.根据权利要求1所述的基于热管散热的固体氧化物燃料电池-半导体温差复合发电系统，其特征在于，所述重整器(5)为部分氧化重整器。

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