[发明专利]一种温差电池和燃料电池的级联复合发电装置

说明书

技术领域

本发明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

本发明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。

本发明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。

本发明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La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ(LSM)、Sm_0.5Sr_0.5CoO_3-δ(SSC)、La_0.8Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)等。

本发明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。