基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统的制作方法

本技术涉及固体氧化物燃料电池余热回收领域，尤其是一种基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池可以通过电化学反应直接将氢气或富氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，并且不受卡诺循环效率的限制，可以实现高功率、高能量密度且低污染排放运行。固体氧化物燃料电池工作温度高达1000℃，在正常运行过程中，由于电化学和热力学损失的存在，不可避免的产生大量高品位的余热。为了达到更高的能量利用效率，通常采用热电联产的方法来回收固体氧化物燃料电池产生的高温余热。

2、固体氧化物燃料电池热电联产系统中，通常将余热回收装置集成到平板式结构的固体氧化物燃料电池上来提高综合能源效率。然而，直接将这些装置应用于回收管式固体氧化物燃料电池(tsofc)的余热时，几何形状的不匹配导致传热过程中不可逆性释放的热量增加造成余热利用率低。此外，这些余热回收装置通常是先输出机械能，再由发电机转化为电能，需要多步能量转换过程，将导致大量的能量损失。因此，有必要开发更直接、更有效的替代方案，将管式固体氧化物燃料电池中的热量转化为电力。

3、现有技术中，热电发电机利用半导体热电材料的塞贝克效应，将热能直接转化为电能，是一种高稳定性、低噪音、并且在体积和外形上具有高度灵活性的余热回收装置。然而，传统的平板热电发电机由于与管式固体氧化物燃料电池的几何形状不匹配，大大增加了传热阻力，降低了整体输出性能，不利于回收散发的余热。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，解决了管式固体氧化物燃料电池余热堆积和余热利用率低的问题。

2、本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，包括管式固体氧化物燃料电池和环形热电发电机，其中：

4、所述管式固体氧化物燃料电池包括电池反应堆和供气管路，所述电池反应堆包括空气电极、电解质层和燃料电极，所述空气电极、电解质层和燃料电极分别呈管状，且由内至外依次设置；

5、所述环形热电发电机包括若干n型半导体热电元件和p型半导体热电元件，所述n型半导体热电元件和p型半导体热电元件交替设置并首尾相连形成不封闭的环形结构，所述环形结构的内圈、外圈分别设有环形热端和环形冷端，环形结构的两端分别形成正电极和负电极；

6、所述电池反应堆与所述环形热电发电机之间通过连接管套相连，所述连接管套圆周外壁与所述燃料电极外圆周面之间紧密贴合，连接管套的圆周内壁与所述环形热端内圆周面之间紧密贴合，电池反应堆发电时产生的余热通过所述连接管套传递给所述环形热端，所述环形冷端用于向环境散热，保持与环境温度接近的温度，从而保证与环形热端之间存在温差。

7、进一步技术方案为：

8、相邻p型半导体热电元件、n型半导体热电元件的一端通过内导电片连接，相邻p型半导体热电元件、n型半导体热电元件的另一端通过外导电片连接，且沿周向相邻的内导电片与外导电片之间通过同一个p型或n型半导体热电元件串联；各内导电片与所述环形热端连接，各外导电片与所述环形冷端连接。

9、所述环形结构一端的第一个p型半导体热电元件靠近环形冷端的一端作为所述正电极，环形结构另一端的第一个n型半导体热电元件靠近环形冷端的一端作为所述负电极，正电极和负电极之间连接负载，用于电功输出。

10、所述环形冷端中设有流道，用于通入冷却介质。

11、所述环形冷端采用金属材质。

12、所述环形冷端的外表面设有散热片。

13、所述连接管套采用石墨材质；所述环形热端采用石墨材质。

14、所述环形热电发电机沿所述电池反应堆的轴向方向可设置多组。

15、所述供气管路包括用于与燃料电极连接的燃料气管路、用于与空气电极连接的空气管路，所述燃料气管路上设有燃气压缩机、重整器、燃料加热器，所述空气管路上设有空气压缩机、空气加热器。

16、空气电极上设有连接体，其与所述燃料电极之间连接负载，用于电功输出。

17、本实用新型的有益效果如下：

18、本实用新型的环形热电发电机的结构与管式固体氧化物燃料电池电堆几何形状相匹配，更好地适应了管式固体氧化物燃料电池电堆所形成的圆柱形热源，从而有效提高了能量回收的效率和可靠性，整个系统具有燃料利用率高、热电转换效率高，功率密度大、发电量大的优点。消除了几何形状不匹配导致的高温余热利用效率低的问题。

19、本实用新型利用连接管套将环形热电发电机与固体氧化物燃料电池结合起来，在实现两者连接的同时起到高效热传导的作用，便于实现模块化组合，同时整个结构无运动部件、无声、维护方便。

20、本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本实用新型而了解。

技术特征：

1.一种基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，包括管式固体氧化物燃料电池和环形热电发电机，其中：

2.根据权利要求1所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，相邻p型半导体热电元件、n型半导体热电元件的一端通过内导电片(5)连接，相邻p型半导体热电元件、n型半导体热电元件的另一端通过外导电片(11)连接，且沿周向相邻的内导电片(5)与外导电片(11)之间通过同一个p型或n型半导体热电元件串联；各内导电片(5)与所述环形热端(7)连接，各外导电片(11)与所述环形冷端(6)连接。

3.根据权利要求2所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述环形结构一端的第一个p型半导体热电元件靠近环形冷端(6)的一端作为所述正电极(10)，环形结构另一端的第一个n型半导体热电元件靠近环形冷端(6)的一端作为所述负电极(9)，正电极(10)和负电极(9)之间连接负载，用于电功输出。

4.根据权利要求1所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述环形冷端(6)中设有流道(61)，用于通入冷却介质。

5.根据权利要求4所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述环形冷端(6)采用金属材质。

6.根据权利要求4或5所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述环形冷端(6)的外表面设有散热片。

7.根据权利要求1所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述连接管套(8)采用石墨材质；所述环形热端(7)采用石墨材质。

8.根据权利要求1所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述环形热电发电机沿所述电池反应堆的轴向方向可设置多组。

9.根据权利要求1所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，所述供气管路包括用于与燃料电极(3)连接的燃料气管路、用于与空气电极(2)连接的空气管路，所述燃料气管路上设有燃气压缩机(14)、重整器(13)、燃料加热器(12)，所述空气管路上设有空气压缩机(15)、空气加热器(16)。

10.根据权利要求9所述的基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，其特征在于，空气电极(2)上设有连接体(1)，其与所述燃料电极(3)之间连接负载，用于电功输出。

技术总结
本技术涉及一种基于热电效应的管式固体氧化物燃料电池高效发电系统，包括管式固体氧化物燃料电池和环形热电发电机，管式固体氧化物燃料电池的电池反应堆的空气电极、电解质层和燃料电极分别呈管状，且由内至外依次设置；环形热电发电机包括由N型半导体热电元件和P型半导体热电元件交替设置并首尾相连形成不封闭的环形结构，其内圈、外圈分别设有环形热端和冷端；电池反应堆与环形热电发电机之间通过连接管套相连，连接管套圆周外壁与燃料电极外圆周面之间紧密贴合，连接管套的圆周内壁与环形热端内圆周面之间紧密贴合。本技术消除了几何形状不匹配导致的固体氧化物燃料电池余热利用效率低的问题。

技术研发人员：孙立,朱慧超,施娟,朱发海,夏雷
受保护的技术使用者：苏州清动碳零信息科技有限公司
技术研发日：20231207
技术公布日：2024/9/5