一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，包括固體氧化物燃料電池子系統，固體氧化物燃料電池子系統用于將化學能直接轉化為電能；固體氧化物燃料電池子系統與堿金屬熱電轉換子系統連接，利用余熱驅動堿金屬熱電轉換子系統，通過堿金屬熱電轉換子系統將熱能轉化為電能進行靜態發電；堿金屬熱電轉換子系統通過換熱器與半導體溫差發電裝置子系統連接，利用堿金屬熱電轉換子系統中冷凝器的余熱作為半導體溫差發電裝置子系統的熱源，驅動半導體溫差發電裝置子系統靜態發電。本發明專利技術有效提升系統的熱力性能，熱效率和效率。效率。效率。

【技術實現步驟摘要】
一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統


[0001]本專利技術屬于中高溫余熱回收與動力工程
，具體涉及一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統。

技術介紹

[0002]燃料電池運行時會產生大量的廢熱，尤其是固體氧化物燃料電池等高溫燃料電池，這為其熱電聯供系統的應用提供了巨大的機遇。目前，已提出的固體氧化物燃料電池底部循環主要包括有機朗肯循環、燃氣輪機和蒸汽輪機等。
[0003]電能是最理想的二次能源，能夠替代絕大多數能源需求，是未來最重要的終端能源。電能的生產過程可分為動態發電和靜態發電。目前的電能生產主要是動態發電，即先將熱能轉換為機械能再轉換為電能，如有機朗肯循環、燃氣輪機和蒸汽輪機等熱機均是先輸出機械能，再由發電機轉化為電能。一般來說，在整個生態環境的能量流動中，隨著轉換環節的增加，轉換鏈條的拉長，能量的損失將呈幾何級增加，并同時大大增加整個系統的運作成本和不穩定性。另外，由于動態發電帶有運動部件，因此磨損、噪音、維護等問題接踵而來。況且，目前傳統的動態發電為了獲得更好的經濟效益，裝機容量比較大，因此投資成本較高，不適合作為地面的分布式能源。于是，有學者提出利用無運動部件、無聲且無需維護的熱電直接轉換器來進行靜態發電。靜態發電是指將熱能直接轉換為電能，較之動態發電，它有可能提供更好的經濟性和穩定性。
[0004]堿金屬熱電轉化裝置作為一種高溫余熱回收靜態發電技術，具有轉換效率高、無運動部件、無噪音、可靠性高、生產成本低等固有優勢，因此堿金屬熱電轉化裝置不僅在空間、航空航天和軍事領域有著巨大的應用前景，而且還可用于熱電聯產系統。堿金屬熱電轉化裝置需要在中高溫而非特定波長下輸入熱量，并且可以輕松適應各種熱源，包括放射性同位素、核反應堆、熱離子能量轉換、集中太陽能等。堿金屬熱電轉化裝置的發電功率較小，一般為5～50kW，因此它使用靈活，既可以作分布式系統單獨分散發電，也可以靠模塊組合構成更大規模的發電裝置。另外，由于堿金屬熱電轉化裝置的冷凝器余熱排放溫度較高(400～700K之間)，因此，如果能將其余熱加以利用，一方面可以提高整個能量轉換過程的熱效率，實現熱能的高效轉換與利用；另一方面，可以避免或減少冷凝器余熱對環境造成的熱污染，有利于環境保護。
[0005]半導體溫差發電裝置也是靜態發電設備，可直接將中低溫余熱直接轉化為電能。和傳統的能源轉化設備相比，半導體溫差發電裝置具有環境友好、無運動部件、緊湊、可靠性高和無噪音等優點，已廣泛應用于太陽能、地熱能和燃料電池等領域。
[0006]《能源報告》(Energy Reports，2020，Vol.16，10
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16)提出了分別將堿金屬熱電轉化裝置和半導體溫差發電裝置作為熔融碳酸鹽燃料電池的底部循環，發現前者更為有利。因此可以推測，相比半導體溫差發電裝置，堿金屬熱電轉化裝置可能也是回收固體氧化物燃料電池余熱更合適的裝置。此外，(Energy Conversion and Management，2017，Vol.154，118
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126)提出了堿金屬熱電轉化裝置
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半導體溫差發電裝置發電系統，并發現單個堿金屬
熱電轉化裝置系統和堿金屬熱電轉化裝置
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半導體溫差發電裝置二級循環系統的最大電效率分別為27.42％和31.33％。
[0007]上述研究證明，固體氧化物燃料電池的余熱可用于驅動堿金屬熱電轉化裝置，而堿金屬熱電轉化裝置排出的余熱可進一步用于驅動半導體溫差發電裝置。

技術實現思路

[0008]本專利技術所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，由固體氧化物燃料電池余熱驅動的堿金屬熱電轉化裝置驅動半導體溫差發電裝置進行靜態發電，系統發電總量為三循環之和，解決固體氧化物燃料電池和堿金屬熱電轉換裝置發電過程產生的余熱高效利用問題，實現多種能量的綜合梯級利用。
[0009]本專利技術采用以下技術方案：
[0010]一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，包括固體氧化物燃料電池子系統，固體氧化物燃料電池子系統用于將化學能直接轉化為電能；固體氧化物燃料電池子系統與堿金屬熱電轉換子系統連接，利用余熱驅動堿金屬熱電轉換子系統，通過堿金屬熱電轉換子系統將熱能轉化為電能進行靜態發電；堿金屬熱電轉換子系統通過換熱器與半導體溫差發電裝置子系統連接，利用堿金屬熱電轉換子系統中冷凝器的余熱作為半導體溫差發電裝置子系統的熱源，驅動半導體溫差發電裝置子系統靜態發電。
[0011]具體的，固體氧化物燃料電池子系統包括空氣壓縮機和燃氣壓縮機，空氣壓縮機經空氣預熱器與SOFC燃料電池反應堆的陰極連接，燃氣壓縮機經重整器和燃料預熱器與SOFC燃料電池反應堆的陽極連接，陰極和陽極之間并聯連接負載a，陰極和陽極分別于后燃燒室連接，經后燃燒室與堿金屬熱電轉換子系統連接。
[0012]進一步的，陽極與重整器RF連接，用于重整反應和水汽置換反應供熱。
[0013]進一步的，換熱器依次經空氣預熱器、燃料預熱器、后燃燒室和堿金屬熱電轉換子系統的蒸發器后返回至換熱器，用于預熱固體氧化物燃料電池子系統的空氣和富氫氣體。
[0014]具體的，堿金屬熱電轉換子系統包括蒸發器，蒸發器的輸入端與固體氧化物燃料電池子系統的后燃燒室CC連接，蒸發器的高溫輸出端經AMTEC反應裝置與冷凝器的輸入端連接，冷凝器的輸出端經過泵與蒸發器的低溫輸入端連接，冷凝器另一側的輸出端經換熱器與半導體溫差發電裝置子系統連接。
[0015]進一步的，AMTEC反應裝置包括β
″
氧化鋁固體電解質，β
″
氧化鋁固體電解質的一側設置有陽極，另一側對應設置有陰極，陽極與蒸發器連接，陰極與冷凝器連接，陽極和陰極之間連接有負載b。
[0016]更進一步的，β
″
氧化鋁固體電解質為離子選擇性滲透膜。
[0017]進一步的，蒸發器與AMTEC反應裝置之間，以及泵與蒸發器之間分別通過低壓環形管道連接，AMTEC反應裝置與冷凝器之間，以及冷凝器與泵之間分別通過高壓環形管道連接，低壓環形管道和高壓環形管道內填充的工質為金屬鈉。
[0018]具體的，半導體溫差發電裝置子系統包括N型半導體熱電材料和P型半導體熱電材料，N型半導體熱電材料和P型半導體熱電材料依次交替并列設置在冷端和熱端之間，相鄰N型半導體熱電材料和P型半導體熱電材料依次首尾連接，第一個N型半導體熱電材料的冷端
側和最后一個P型半導體熱電材料的冷端側之間通過負載c連接。
[0019]進一步的，N型半導體熱電材料和P型半導體熱電材料與熱端和冷端之間分別通過導流片連接。
[0020]與現有技術相比，本專利技術至少具有以下有益效果：
[0021]本專利技術一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，金屬熱電轉換裝置被固體氧化物燃料電池反應產生的余熱驅動進行靜態發電，同時其冷凝器的余熱，作為半導體溫差發電裝本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，其特征在于，包括固體氧化物燃料電池子系統，固體氧化物燃料電池子系統用于將化學能直接轉化為電能；固體氧化物燃料電池子系統與堿金屬熱電轉換子系統連接，利用余熱驅動堿金屬熱電轉換子系統，通過堿金屬熱電轉換子系統將熱能轉化為電能進行靜態發電；堿金屬熱電轉換子系統通過換熱器與半導體溫差發電裝置子系統連接，利用堿金屬熱電轉換子系統中冷凝器的余熱作為半導體溫差發電裝置子系統的熱源，驅動半導體溫差發電裝置子系統靜態發電。2.根據權利要求1所述的基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，其特征在于，固體氧化物燃料電池子系統包括空氣壓縮機和燃氣壓縮機，空氣壓縮機經空氣預熱器與SOFC燃料電池反應堆的陰極連接，燃氣壓縮機經重整器和燃料預熱器與SOFC燃料電池反應堆的陽極連接，陰極和陽極之間并聯連接負載a，陰極和陽極分別于后燃燒室連接，經后燃燒室與堿金屬熱電轉換子系統連接。3.根據權利要求2所述的基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，其特征在于，陽極與重整器RF連接，用于重整反應和水汽置換反應供熱。4.根據權利要求2所述的基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，其特征在于，換熱器依次經空氣預熱器、燃料預熱器、后燃燒室和堿金屬熱電轉換子系統的蒸發器后返回至換熱器，用于預熱固體氧化物燃料電池子系統的空氣和富氫氣體。5.根據權利要求1所述的基于固體氧化物燃料電池的三級循環發電系統，其特征在于，堿金屬熱電轉換子系統包括蒸發器，蒸發器的輸入端與固體氧化物燃料電池子系統的后燃燒室CC連接，蒸發器的高溫輸出端經AMTEC反應裝置與冷凝器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王江峰，郭心如，郭雨旻，李妍，趙攀，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：