CN201156571Y - 温差电池和燃料电池的级联复合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置是由封装在壳体内的n个依次紧挨叠置的复合发电模块组成,n为正整数,每个复合发电模块包括两个温差电池和一个嵌于两温差电池之间的单室固体氧化物燃料电池,各复合发电模块间设有金属导热板,四面有隔热体,隔热体上设有与单室固体氧化物燃料电池反应室连通的气体管道,隔热体外有与金属导热板连接的金属散热片。该装置具有结构简单,便于携带,可多级联用等优点。在燃料电池将化学能转化为电能的同时,温差电池利用反应室余热与外部环境的温差发电,可有效提高燃料利用率和能量转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池与温差电池联用复合发电装置。
背景技术
能源紧缺问题已为世界广泛关注,发展新型高效能源转换技术是目前各国关注的一个焦点。热电材料能将热能直接转换成电能,具有结构简单,无需维护,无运动部件,环境友好等显著优点。尽管目前由热电材料制成的温差电发电装置的转换效率仍比较低,但其在余热废热发电和移动分散式热源利用等方面有难以替代的优势。余热废热约占世界被产生能量的2/3,若能将此部分热量再利用于发电,可产生显著的经济效益,同时也可增加能源的利用率,具有显著的社会效益。而燃料电池能将存储在燃料中的化学能直接转换成电能,由于不受卡诺循环的限制,通常转换效率在50%以上,被认为是21世纪首选的发电技术。固体氧化物燃料电池因对燃料要求低,结构相对简单,适用于大规模发电等优点而日益收到重视。固体氧化物燃料电池通常工作在600℃以上的温度,因此会产生大量的余热废热。若能将此部分热量合理利用,则可进一步提高发电效率和燃料利用率。
与传统的固体氧化物燃料电池相比,单室固体氧化物燃料电池由于采用单室结构,电池反应器只需一路气源,从而使电池构型相对简单。更重要的是,单室固体氧化物燃料电池的电解质、阴极和阳极位于同一反应室内,反应室的外壁是与电解质烧结成一体的氧化物支撑,因此可以将温差发电模块与单室固体氧化物燃料电池直接级联组合,利用燃料反应室的高温余热复合发电,提高燃料利用率和综合发电效率。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能有效提高燃料利用率的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置。
本实用新型的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是由封装在壳体内的n个依次紧挨叠置的复合发电模块组成,n为正整数,每个复合发电模块包括两个温差电池和一个嵌于两温差电池之间的单室固体氧化物燃料电池,各复合发电模块间设有金属导热板,四面有隔热体,隔热体上设有与单室固体氧化物燃料电池反应室连通的气体管道,隔热体外有与金属导热板连接的金属散热片。
本实用新型中采用的单室固体氧化物燃料电池包含两片相互平行的固体氧化物电解质板形成的反应室,燃料电池的阴极和阳极交替排列固定在反应室内的电解质板上。燃料电池的电解质板可采用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、氧化铈等氧离子导体氧化物材料。阳极材料可选用金属铂、镍、镍+氧化钇稳定氧化锆(Ni+YSZ)、镍+钐掺杂的氧化铈(Ni+SDC)或镍+钆掺杂的氧化铈(Ni+GDC),阴极可以是La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC)、La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)等。
本实用新型中采用的温差电池包含两片相互平行的陶瓷支撑片和位于陶瓷片间的交替排列串联连接的P型和N型热电材料。温差电池中的热电材料可选择填充型方钴矿结构CoSb3基化合物热电材料、碲化铅(PbTe)基热电材料或者AgSbTe2-GeTe固溶体(TAGS合金)热电材料。
单室固体氧化物燃料电池工作时,在流量计控制下,分别将燃料储备器中的燃料和空气泵入燃料电池的反应室。混合气体中的氧在阴极被电催化还原成氧离子与电子空穴,氧离子通过电解质层向阳极扩散。同时,混合气在阳极表面阳极催化剂的作用下发生部分氧化反应生成合成气,生成的合成气在电极催化剂的进一步作用下与阴极扩散过来的氧离子进行电化学反应生成水、二氧化碳和电子。由于阴阳极的催化活性具有选择性,导致了在阴阳两极产生了不同的氧分压,从而产生电压差。当通过导线将阴极、阳极与外部负载构成回路后,阳极处合成气氧化时释放的电子将经外电路向阴极传输并在阴极表面与电子空穴结合,从而实现对外部负载的电功率输出。
单室固体氧化物燃料电池工作时,燃料中的化学能一部分直接转换为电能,另一部分被转换为热能。这些热能的来源包括:(1)燃料电池中发生的电化学反应本身是一个放热反应;(2)在单室氧化物燃料电池中,部分燃料可能直接在阳极表面金属催化剂作用下直接发生氧化放热反应。当单室固体氧化物燃料电池工作时,温差电池连接单室固体氧化物燃料电池的一面被反应室高温加热,连接金属导热板的一面由于散热片的作用,维持接近于环境的较低温度,从而在热电材料两端形成温差。在这个温差作用下,热电材料中的载流子从高温端向低温端运动,形成温差电动势,若和外界负载形成回路,则有电功率输出,实现热能到电能的直接转换。
本实用新型的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置结构简单,便于携带,可多级级联。该装置利用燃料电池工作时的余热,通过温差电池复合发电,可有效提高燃料利用率和能量转换效率。
附图说明
图1是温差电池和燃料电池的级联复合发电装置示意图,图中:1为单室固体氧化物燃料电池;2为温差电池;3为金属导热板;4为隔热体;5为气体管道;6为金属散热片;7为封装壳体;
图2是单级复合发电模块局部示意图,图中:8为热电材料;9为导流片;10为陶瓷支撑片;11为燃料电池反应室;12为燃料电池的阴、阳电极;13为电解质板;14为温差电池热端;15为温差电池冷端。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本实用新型。
参照附图,本实用新型的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置是由封装在壳体7内的n个依次紧挨叠置的复合发电模块组成,n为正整数,每个复合发电模块包括两个温差电池2和一个嵌于两温差电池之间的单室固体氧化物燃料电池1,各复合发电模块间设有金属导热板3,四面有隔热体4,隔热体上设有与单室固体氧化物燃料电池1反应室11连通的气体管道5,隔热体外有与金属导热板3连接的金属散热片6。
图示实例中,单室固体氧化物燃料电池包含两片相互平行的固体氧化物电解质板形成的反应室,燃料电池的阴极和阳极12交替排列于反应室内固定在电解质板上13。两电解质板上相对电极的极性可以相同,也可以不同。温差电池包含两片相互平行的陶瓷支撑片10和位于陶瓷片间的交替排列的P型和N型热电材料8,P型和N型热电材料经导流片9串联连接。
为确保温差电池与单室固体氧化物燃料电池的可靠连接,可采用将复合发电模块中的温差电池热端14的陶瓷支撑片10与相邻燃料电池的电解质板13烧结成一体。
n个复合发电模块中相邻温差电池的冷端15通过导热黏结剂共接金属导热板3。
实施例1:
本实施例中,采用单级复合发电模块,如图2所示。单室固体氧化物燃料电池嵌于两个温差电池之间。单室固体氧化物燃料电池包含两片相互平行的多孔YSZ氧化物电解质板形成的反应室,反应室内腔宽4cm,长约10cm,电解质板上分布阴极La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)和阳极Ni+20%YSZ。温差电池由P型和N型AgSbTe2-GeTe(TAGS)基热电材料串联而成,共500对,两侧由Al2O3导热陶瓷片支撑。燃料甲烷与空气的混合气体从两片电解质板中间流过,工作时反应室温度在700℃以上。待此单级复合发电模块稳定后,测量系统的性能指标,所得结果为:单室氧化物燃料电池的功率约为24W,功率密度约为0.3W/cm2;在400℃温差时2个温差电模块输出为8W,功率密度约为0.1W/cm2;该组复合发电模块的最大输出功率为32W。
实施例2:
本实施例中,将2个复合发电模块按图1的方式级联。2个单室固体氧化物燃料电池的电解质板均为多孔YSZ氧化物,其上交替分布LSCF阴极和Ni+20%YSZ阳极。温差器件由P型和N型TAGS基热电材料串联而成,共1000对。两级复合发电模块的电路串联。燃料甲烷与空气为混合气体燃料。工作时反应室温度在700℃以上。待此两级复合发电装置稳定后,测量系统的性能指标,所得结果为:单室氧化物燃料电池的总功率约为45W,温差电模块总输出为13W,该组复合发电装置的最大输出功率为58W。
实施例3:
本实施例中,复合发电装置仍为单级,尺寸大小与实施例1中的装置相同。单室固体氧化物燃料电池的电解质为多孔YSZ氧化物,阴极为LSM,阳极为Ni+SDC。温差器件由P型和N型PbTe基热电材料串联而成,共500对。燃料为甲烷与空气的混合气体。工作时反应室温度在700℃以上。待此单级复合发电系统稳定后,测量系统的性能指标,所得结果为:单室氧化物燃料电池的功率约为16W,在400℃温差时温差电模块输出为6W;该组复合发电装置的最大输出功率为22W。
Claims (5)
1、温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是由封装在壳体(7)内的n个依次紧挨叠置的复合发电模块组成,n为正整数,每个复合发电模块包括两个温差电池(2)和一个嵌于两温差电池(2)之间的单室固体氧化物燃料电池(1),各复合发电模块间设有金属导热板(3),四面有隔热体(4),隔热体上设有与单室固体氧化物燃料电池(1)的反应室(11)连通的气体管道(5),隔热体外有与金属导热板(3)连接的金属散热片(6)。
2、根据权利要求1所述的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是单室固体氧化物燃料电池(1)包含两片相互平行的固体氧化物电解质板(13)形成的反应室,燃料电池的阴极和阳极(12)交替排列固定在电解质板(13)上。
3、根据权利要求1所述的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是温差电池(2)包含两片相互平行的陶瓷支撑片(10)和位于陶瓷片间的交替排列串联连接的P型和N型热电材料(8)。
4、根据权利要求1所述的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是n个复合发电模块中相邻温差电池的冷端(15)共接金属导热板(3)。
5、根据权利要求1所述的温差电池和燃料电池的级联复合发电装置,其特征是复合发电模块中的温差电池热端(14)的陶瓷支撑片(10)与相邻燃料电池的电解质板(13)烧结成一体。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081126 Termination date: 20100225 |