一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统

1.本发明属于中高温余热回收与动力工程技术领域，具体涉及一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统。


背景技术：

2.燃料电池运行时会产生大量的废热，尤其是固体氧化物燃料电池等高温燃料电池，这为其热电联供系统的应用提供了巨大的机遇。目前，已提出的固体氧化物燃料电池底部循环主要包括有机朗肯循环、燃气轮机和蒸汽轮机等。
3.电能是最理想的二次能源，能够替代绝大多数能源需求，是未来最重要的终端能源。电能的生产过程可分为动态发电和静态发电。目前的电能生产主要是动态发电，即先将热能转换为机械能再转换为电能，如有机朗肯循环、燃气轮机和蒸汽轮机等热机均是先输出机械能，再由发电机转化为电能。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的运作成本和不稳定性。另外，由于动态发电带有运动部件，因此磨损、噪音、维护等问题接踵而来。况且，目前传统的动态发电为了获得更好的经济效益，装机容量比较大，因此投资成本较高，不适合作为地面的分布式能源。于是，有学者提出利用无运动部件、无声且无需维护的热电直接转换器来进行静态发电。静态发电是指将热能直接转换为电能，较之动态发电，它有可能提供更好的经济性和稳定性。
4.碱金属热电转化装置作为一种高温余热回收静态发电技术，具有转换效率高、无运动部件、无噪音、可靠性高、生产成本低等固有优势，因此碱金属热电转化装置不仅在空间、航空航天和军事领域有着巨大的应用前景，而且还可用于热电联产系统。碱金属热电转化装置需要在中高温而非特定波长下输入热量，并且可以轻松适应各种热源，包括放射性同位素、核反应堆、热离子能量转换、集中太阳能等。碱金属热电转化装置的发电功率较小，一般为5～50kw，因此它使用灵活，既可以作分布式系统单独分散发电，也可以靠模块组合构成更大规模的发电装置。另外，由于碱金属热电转化装置的冷凝器余热排放温度较高(400～700k之间)，因此，如果能将其余热加以利用，一方面可以提高整个能量转换过程的热效率，实现热能的高效转换与利用；另一方面，可以避免或减少冷凝器余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。
5.半导体温差发电装置也是静态发电设备，可直接将中低温余热直接转化为电能。和传统的能源转化设备相比，半导体温差发电装置具有环境友好、无运动部件、紧凑、可靠性高和无噪音等优点，已广泛应用于太阳能、地热能和燃料电池等领域。
6.《能源报告》(energy reports，2020，vol.16，10-16)提出了分别将碱金属热电转化装置和半导体温差发电装置作为熔融碳酸盐燃料电池的底部循环，发现前者更为有利。因此可以推测，相比半导体温差发电装置，碱金属热电转化装置可能也是回收固体氧化物燃料电池余热更合适的装置。此外，(energy conversion and management，2017，vol.154，118-126)提出了碱金属热电转化装置-半导体温差发电装置发电系统，并发现单个碱金属
热电转化装置系统和碱金属热电转化装置-半导体温差发电装置二级循环系统的最大电效率分别为27.42％和31.33％。
7.上述研究证明，固体氧化物燃料电池的余热可用于驱动碱金属热电转化装置，而碱金属热电转化装置排出的余热可进一步用于驱动半导体温差发电装置。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，由固体氧化物燃料电池余热驱动的碱金属热电转化装置驱动半导体温差发电装置进行静态发电，系统发电总量为三循环之和，解决固体氧化物燃料电池和碱金属热电转换装置发电过程产生的余热高效利用问题，实现多种能量的综合梯级利用。
9.本发明采用以下技术方案：
10.一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，包括固体氧化物燃料电池子系统，固体氧化物燃料电池子系统用于将化学能直接转化为电能；固体氧化物燃料电池子系统与碱金属热电转换子系统连接，利用余热驱动碱金属热电转换子系统，通过碱金属热电转换子系统将热能转化为电能进行静态发电；碱金属热电转换子系统通过换热器与半导体温差发电装置子系统连接，利用碱金属热电转换子系统中冷凝器的余热作为半导体温差发电装置子系统的热源，驱动半导体温差发电装置子系统静态发电。
11.具体的，固体氧化物燃料电池子系统包括空气压缩机和燃气压缩机，空气压缩机经空气预热器与sofc燃料电池反应堆的阴极连接，燃气压缩机经重整器和燃料预热器与sofc燃料电池反应堆的阳极连接，阴极和阳极之间并联连接负载a，阴极和阳极分别于后燃烧室连接，经后燃烧室与碱金属热电转换子系统连接。
12.进一步的，阳极与重整器rf连接，用于重整反应和水汽置换反应供热。
13.进一步的，换热器依次经空气预热器、燃料预热器、后燃烧室和碱金属热电转换子系统的蒸发器后返回至换热器，用于预热固体氧化物燃料电池子系统的空气和富氢气体。
14.具体的，碱金属热电转换子系统包括蒸发器，蒸发器的输入端与固体氧化物燃料电池子系统的后燃烧室cc连接，蒸发器的高温输出端经amtec反应装置与冷凝器的输入端连接，冷凝器的输出端经过泵与蒸发器的低温输入端连接，冷凝器另一侧的输出端经换热器与半导体温差发电装置子系统连接。
15.进一步的，amtec反应装置包括β
″
氧化铝固体电解质，β
″
氧化铝固体电解质的一侧设置有阳极，另一侧对应设置有阴极，阳极与蒸发器连接，阴极与冷凝器连接，阳极和阴极之间连接有负载b。
16.更进一步的，β
″
氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜。
17.进一步的，蒸发器与amtec反应装置之间，以及泵与蒸发器之间分别通过低压环形管道连接，amtec反应装置与冷凝器之间，以及冷凝器与泵之间分别通过高压环形管道连接，低压环形管道和高压环形管道内填充的工质为金属钠。
18.具体的，半导体温差发电装置子系统包括n型半导体热电材料和p型半导体热电材料，n型半导体热电材料和p型半导体热电材料依次交替并列设置在冷端和热端之间，相邻n型半导体热电材料和p型半导体热电材料依次首尾连接，第一个n型半导体热电材料的冷端
侧和最后一个p型半导体热电材料的冷端侧之间通过负载c连接。
19.进一步的，n型半导体热电材料和p型半导体热电材料与热端和冷端之间分别通过导流片连接。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，金属热电转换装置被固体氧化物燃料电池反应产生的余热驱动进行静态发电，同时其冷凝器的余热，作为半导体温差发电装置的热源，驱动其进一步静态发电，系统发电总量为三循环之和；解决了固体氧化物燃料电池余热梯级利用和碱金属热电转换装置中冷凝器的余热利用的问题，旨在进一步提升系统的热力性能，提升系统的功率、电效率和效率等多个关键热力学参数。
22.进一步的，sofc子系统由空气压缩机、空气预热器、燃气压缩机、燃料预热器、重整器、后燃烧室、sofc燃料电池反应堆、负载a组成。燃料经过燃气压缩机加压后，同从阳极排气中引射的部分排气，经过阳极引射器进入重整器中，在重整器中燃料通过重整反应转化为富氢气体后，进入阳极；空气经过空气压缩机加压，进入空气预热器预热后进入阴极；在燃料电池反应堆里，氢气与空气中的氧气经过电化学反应发电，并经负载a实现功率输出。sofc的阳极排气与阴极排气分别进入燃烧室中燃烧释放剩余热量，这些热量协同sofc电化学反应产生的余热一起用于驱动amtec子系统的蒸发器。
23.进一步的，阳极反应产生的热量部分传入重整器，为重整反应和水汽置换反应提供热量，反应生成的富氢气体进入固体氧化物燃料电池阳极。
24.进一步的，为了预热燃料电池反应气体到工作温度，换热器输出端依次经空气预热器、燃料预热器，剩余的热量协同后燃烧室燃烧的热量以及反应产生的热量，驱动碱金属热电转换子系统的蒸发器，最后再返回至换热器输入端，实现热量的循环利用。
25.进一步的，amtec子系统由蒸发器、泵、冷凝器和amtec反应装置、高压环形管道和低压环形管道、负载b组成，工质为金属钠，填充在环形管道内，β
″
氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜。被蒸发器蒸发气化的高温气态钠经高压环形管道到达多孔薄膜阳极与固体电解质的界面处，并发生电离；随后，在化学势梯度的驱使下na+穿过固体电解质，向多孔薄膜阴极界面迁移；当外电路接通时，电子经负载b到达阴极界面处与钠离子复合成中性钠原子。钠原子吸收气化热而蒸发，经低压钠环形管道到达冷凝器，释放出凝结热。凝结的液态钠由于泵的作用进入蒸发器，以循环使用。
26.进一步的，在amtec反应装置中，选择β
″
氧化铝固体电解质作为离子选择性渗透膜，阳极和阴极均采用多孔薄膜，从而加快反应速率，减少活化过电压。
27.进一步的，β
″
氧化铝固体电解质是优良的钠离子导体，而其电子电导率极低，是良好的离子选择性渗透膜。当钠工质在高温高压的阳极与电解质界面电离，形成钠离子，随后由电解质两端的压力差驱动其穿过电解质到达阴极表面。
28.进一步的，由于高压环形管道和低压环形管道的设置，电解质两侧具有钠蒸气差，形成了化学势梯度，为钠离子穿过电解质提供动力。
29.进一步的，teg子系统由换热器、多个n型半导体热电材料、多个p型半导体热电材料和多个导流片、负载c、热端和冷端组成。n型半导体材料和p型半导体材料电交替排列串联连接，在冷热端温差的作用下，载流子均由高温到低温，形成电流，驱动负载c。
30.进一步的，当耦合系统工作时，半导体温差发电装置子系统中连接换热器一端的
导热片被加热，另一端导热片由于散热片的作用，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。
31.综上所述，本发明提供一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，由固体氧化物燃料电池余热驱动的碱金属热电转化装置驱动半导体温差发电装置进行静态发电，系统发电总量为三循环之和，解决固体氧化物燃料电池和碱金属热电转换装置发电过程产生的余热高效利用问题，提升了系统的功率、电效率和效率等多个关键热力学参数。
32.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
33.图1为本发明提出的固体氧化物燃料电池(sofc)-碱金属热电转化装置(amtec)-半导体温差发电装置(teg)三级循环发电系统示意图；
34.图2为实施例中在不同电流密度下单个sofc系统和三循环耦合系统对比图，其中，(a)为功率密度，(b)为电效率。
35.其中：1.高压环形管道；2.低压环形管道；3.sofc燃料电池反应堆；4.蒸发器；5.amtec反应装置；6.冷凝器；7.泵；8.导流片；9.热端；10.冷端。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
41.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是
指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
42.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
43.本发明提供了一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，包括将化学能直接转化为电能的固体氧化物燃料电池子系统(sofc)、将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统(amtec)和半导体温差发电装置子系统(teg)。碱金属热电转换子系统(amtec)被固体氧化物燃料电池子系统(sofc)反应产生的余热驱动进行静态发电，同时将碱金属热电转换子系统(amtec)中冷凝器的余热作为半导体温差发电装置子系统(teg)的热源，驱动半导体温差发电装置子系统(teg)进一步静态发电，系统发电总量为固体氧化物燃料电池子系统(sofc)、碱金属热电转换子系统(amtec)和半导体温差发电装置子系统(teg)三循环之和。本发明解决了固体氧化物燃料电池余热梯级利用和碱金属热电转换装置中冷凝器的余热利用的问题，旨在进一步提升系统的热力性能，提升系统的热效率和效率等多个关键热力学参数。
44.请参阅图1，本发明一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，包括sofc子系统、amtec子系统和teg子系统；其中，sofc子系统用于将化学能直接转化为电能，并利用剩余热量驱动amtec子系统的蒸发器，amtec子系统用于吸收高温气态钠后释放凝结热，并利用余热驱动teg子系统，teg子系统中换热器he4的余热与sofc子系统连接，用来预热sofc子系统的空气和富氢气体，如此完成整个系统的循环，系统发电总量为sofc、amtec和teg发电量之和。
45.sofc子系统包括空气压缩机(cp1)、空气预热器(he1)、燃气压缩机(cp2)、燃料预热器(he2)、重整器(rf)、后燃烧室(cc)、sofc燃料电池反应堆3、负载a。
46.空气压缩机cp1经空气预热器he1与sofc燃料电池反应堆3的阴极连接，燃气压缩机cp2依次经重整器rf和燃料预热器he2后与sofc燃料电池反应堆3的阳极连接，阴极和阳极并联连接负载a，阴极和阳极分别于后燃烧室cc连接，经后燃烧室cc与amtec子系统连接。
47.sofc子系统的工作过程如下：
48.燃料经过燃气压缩机cp2加压后，同从阳极排气中引射的部分排气，经过阳极引射器进入重整器rf中，在重整器rf中燃料通过重整反应转化为富氢气体后，进入阳极；
49.空气经过空气压缩机cp1加压后，进入空气预热器he1预热后进入阴极；
50.在sofc燃料电池反应堆3里，氢气与空气中的氧气经过电化学反应发电，并经负载a实现功率输出；
51.sofc子系统的阳极排气与阴极排气分别进入后燃烧室cc中燃烧释放剩余热量，这些热量协同sofc电化学反应产生的余热一起用于驱动amtec子系统的蒸发器。
52.amtec子系统包括蒸发器4、泵7、冷凝器6和amtec反应装置5(阴极、阳极和β
″
氧化铝固体电解质)、高压环形管道1和低压环形管道2和负载b，
53.其中，工质为金属钠，填充在高压环形管道1和低压环形管道2内，β
″
氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜。
54.蒸发器4的输入端与sofc子系统的后燃烧室cc连接，蒸发器4的输出端经amtec反应装置5和冷凝器6的输入端连接，冷凝器6的输出端分两路，一路经泵7与蒸发器4连接，另一路与teg子系统的换热器he4连接。
55.amtec子系统的工作过程如下：
56.被蒸发器蒸发气化的高温气态钠经高压环形管道1到达多孔薄膜阳极与固体电解质的界面处，并发生电离：na
→
e+na
+
；
57.随后，在化学势梯度的驱使下na+穿过固体电解质，向多孔薄膜阴极界面迁移；
58.当外电路接通时，电子经负载b到达阴极界面处与钠离子复合成中性钠原子：na
+
+e
→
na；
59.钠原子吸收气化热而蒸发，经低压钠环形管道2到达冷凝器，释放出凝结热。凝结的液态钠由于泵的作用进入蒸发器4，以循环使用。
60.由于amtec子系统中冷凝器6的余热温度为400～700k，因此，为了实现热能的高效转换，利用这部分余热来驱动teg子系统。
61.teg子系统包括换热器(he4)、多个n型半导体热电材料、多个p型半导体热电材料和多个导流片8、负载c、热端9和冷端10。
62.多个n型半导体热电材料和多个p型半导体热电材料交替并联设置，相邻n型半导体热电材料和p型半导体热电材料的一端通过导流片8与热端10连接，相邻n型半导体热电材料和p型半导体热电材料的另一端通过另一个导流片与冷端9连接，负载c并联在前后两个冷端侧的导流片8之间。
63.teg子系统的工作过程如下：
64.n型半导体热电材料和p型半导体热电材料交替排列串联连接，在冷端9和热端10的温差作用下，载流子(空穴和电子)均由高温到低温，形成电流，驱动负载c。
65.换热器he4的输出端依次经预热器he1和燃料预热器he2，用来预热sofc子系统的空气和富氢气体，之后经后燃烧室cc和蒸发器4返回换热器he4的输入端，实现热量的循环利用。
66.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
67.请参阅图2，图2为实施例中在不同电流密度下单个sofc系统和三循环耦合系统的功率密度(a)和电效率(b)的对比图。由图可知，单个sofc系统的最大功率密度为6462.5w
·
m-2
，此时电效率为36.9％；三循环发电系统的最大功率密度为9583.9w
·
m-2
，此时对应的电效率为47.1％，与单个sofc系统相比，三循环发电系统的最大功率密度提高了48.3％，同时对应的电效率提高了27.6％，以上分析结果展示了三循环发电系统的优越性。
68.综上所述，本发明一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统，具有以下特点：
69.(1)包括将化学能直接转化为电能的固体氧化物燃料电池、将热能直接转化为电能的碱金属热电转换装置和半导体温差发电装置，具有化学能-热能-电能转化过程，实现了不同用能系统集成和多种能量的综合梯级利用，提高了燃料利用效率。
70.(2)采用半导体温差发电装置合理利用碱金属热电转换子系统中冷凝器的余热，一方面可以提高整个系统的热利用率，以达到更优热力性能；另一方面，避免或减少冷凝器余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。
71.(3)采用碱金属热电转换装置和半导体温差发电装置代替传统热动力发电装置，具有热电转换效率高、功率密度高、无运动部件、无声、无需维护、可靠性高、高效洁净以及可模块化组合等优点。
72.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。