汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置的制造方法
【專利摘要】本發明屬于新能源技術領域，尤其涉及一種汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置。其特征在于，所述裝置包括殼體分為上下兩部分，結構完全對稱，殼體的內腔設有燃料電池鑲嵌凹槽，燃料電池模塊的兩端分別嵌入殼體上下兩部分內腔的燃料電池鑲嵌凹槽內，各燃料電池基板相互平行，殼體的上下兩部分通過螺栓連接固定，殼體的外壁設有與溫差發電片等大小的凹槽，溫差發電片嵌入凹槽中，溫差電池的熱端與殼體相連，溫差電池的冷端與散熱片連接，散熱片與殼體之間通過螺釘固定。本發明充分的利用了兩種電池的優點，通過直接耦合充分利用尾氣中的熱能和尾氣中燃料中化學能發電，提高能源利用率，降低了尾氣中有害氣體的排放。
【專利說明】
汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置
技術領域
[0001]本發明屬于新能源技術領域，尤其涉及一種汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置。
【背景技術】
[0002]21世紀，人類社會正面臨著全球性的三大危機:能源短缺、環境污染和生態破壞，特別是隨著全球汽車保有量逐年增加，使得交通運輸業成為能源消耗大戶，能源消耗總量占全社會能源消耗總量的10%左右，與此同時，汽車燃油中有大約40%的能量隨尾氣排出而浪費，其中包括大量的未充分燃燒的碳氫化合物，并對環境造成了一定的污染。如果能將氣路管理系統中的汽車尾氣回收利用，結合尾氣熱管理系統中尾氣的熱能發電提供給汽車的電路管理系統，則既能提供解決能源危機的新途徑，又可減少生產過程中的環境污染，具有極大的經濟效益和社會效益。
[0003]傳統的燃料電池通常都是由兩個氣室組成，陽極通以燃料，而陰極通以氧氣兩極之間由致密的電解質隔開。在這里，電解質不僅起著傳導氧離子或質子的功能，而且還起著把電池分成兩腔來防止燃料和氧化劑的物理混合的作用，從而避免兩者的直接反應以致電池失效。對于雙室固體氧化物燃料電池(SOFC)來說，密封性能的好壞直接影響著電池的性能，且電池密封的費用也相當昂貴，導致此類燃料電池的應用受到了很大的限制。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本發明提出了一種汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述裝置包括殼體1、若干個燃料電池模塊2和若干個溫差發電片3;若干個燃料電池4集成于燃料電池基板5的兩側，燃料電池基板5為多空結構陶瓷片，多個燃料電池基板5形成燃料電池模塊2;
[0005]所述的殼體I分為上下兩部分，結構完全對稱，殼體兩端有開口，一端連接汽車的尾氣熱管理系統，另一端連接汽車的氣路管理系統;殼體的內腔設有燃料電池鑲嵌凹槽6，燃料電池模塊2與殼體內腔的上下表面相互垂直，燃料電池模塊的兩端分別嵌入殼體上下兩部分內腔的燃料電池鑲嵌凹槽內，各燃料電池基板相互平行，殼體的上下兩部分通過螺栓7連接固定，將燃料電池模塊固定封裝在殼體I中，形成汽車尾氣通道，即燃料電池反應室;殼體I的外壁設有與溫差發電片等大小的凹槽8，溫差發電片嵌入凹槽8中，溫差發電片中溫差電池的熱端與殼體I相連，溫差發電片中溫差電池的冷端與散熱片9連接，溫差發電片的引出端與汽車的電路管理系統連接;散熱片9與殼體I之間通過螺釘固定，溫差發電片被封裝在散熱片9和殼體I之間，保護罩10固定在散熱片9外側。
[0006]所述燃料電池為低溫陽極支撐型單室固體氧化物燃料電池。
[0007]所述溫差電池與殼體I之間、溫差電池與散熱片9之間夾有一層柔性導熱材料11。
[0008]所述導熱材料11與殼體I之間有一個密封圈12。
[0009 ]單室固體氧化物燃料電池(SC-SOFC)為陽極支撐雙面SC-SOFC，燃料電池電解質可采用低溫離子導電能力較強的固體電解質嫁摻雜氧化飾GDC、衫摻雜氧化飾SDC、鎂摻雜的嫁酸鑭LSGM，DOC-碳酸鹽復合電解質等，陽極材料可選用N1-GDC金屬陶瓷、N1-SDC金屬陶瓷1(1、1?11、？伙1?11-0602+祖-50(:、？(^^02+附-60(:、祖-1^01，雙鈣鈦礦結構的陶瓷材料，陰極是:LSM-MnO2、Pd、Pt、Au、LSCF-SDC、BSCF-SDC、La。。8Sro? 2Μη03-δ (LSM)、Sm0o5Sr0o 5C0O3-s (SSC)、Lao。8Sro? 2C0Q。2Feo。803-δ(LSCF)、Ba0o5Sr0o sCoo。8Feo。203-δ(BSCF)雙鈣鈦礦結構的陰極材料等。
[0010]溫差電池的內部包括相互串聯的P型和N型熱電材料，熱電材料通過導流片相互串聯，組成溫差電池；高溫汽車尾氣提供熱源，散熱片提供冷源。所述溫差電池的兩側分別覆蓋絕緣導熱陶瓷片，兩片陶瓷片之間四周用耐熱隔熱材料密封。溫差電池中的熱電材料可選擇填充型方鉆礦結構CoSb3基化合物熱電材料、蹄化鉛(PbTe)基熱電材料或者AgSbTe2-GeTe固溶體(TAGS合金)、GeSi基化合物熱電材料。
[0011]當有尾氣流經該裝置時，燃料電池將尾氣中的CxHyXO燃料中的化學能轉化成電能，同時釋放一部分的熱能，其次，當發動機排出的高溫廢氣流經裝有燃料電池的廢氣通道后(燃料電池工作室)，通過對流換熱等傳熱方式加熱溫差電池熱端，使殼體表面達一定的工作溫度，鑲嵌在殼體外表面的溫差發電片組另一端由于散熱片的作用，溫度較低，從而在溫差發電片組兩端形成溫度差，提供電力輸出。該裝置具有結構簡單、成本低、可多耦合聯用、方便拆卸等優點。在燃料電池將尾氣中的化學能轉化成電能的同時，溫差電池利用尾氣廢熱和燃料電池工作釋放的廢熱與外界環境形成的溫差發電，可有效的提高燃料的利用率，降低汽車有害氣體的排放。
[0012]有益效果
[0013]單室結構SOFC不同于傳統的雙室結構SOFC，它只有一個氣室，陽極和陰極同時暴露在燃料和氧化劑氣體的均一混合物中，具有結構相對簡單，密封問題并不突出；可以避免復雜的流場設計，進一步簡化工藝；電解質不必致密化，比較容易實現小規模的電池堆;成本可以進一步降低；工作溫度可以降低，可以實現溫度的自維持等優點。最重要的是單室SOFC無需密封使得汽車尾氣的收集更加方便，其次，目前單室SOFC的燃料利用率非常低，用于汽車尾氣中的大量顆粒物、CxHy、C0燃料的回收發電具有非常高的性價比。本發明中，燃料電池將尾氣中的CxHy、C0燃料中的化學能轉化成電能，同時釋放一部分的熱能，單室固體氧化物燃料電池，具有結構簡單、無需密封、可以避免復雜的流場設計，成本可以進一步降低、工作溫度可以降低等優點，
[0014]同時還能保證尾氣通道的暢通。本發明中，溫差電池通過熱電材料可以將尾氣中低品位熱能和燃料電池工作釋放的熱能直接轉換成電能，熱電轉換器件具有結構簡單、無需維護、無運動部件、環境友好等顯著優點。本發明中，
[0015]汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置充分的利用了兩種電池的優點，通過直接耦合，可以充分利用尾氣中的熱能和尾氣中的CxHy、C0燃料中的化學能發電，可提高能源利用率，降低了尾氣中有害氣體的排放，產生顯著的經濟效益和社會效益。
【附圖說明】
:
[0016]圖1為本發明的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置的結構示意圖；
[0017]圖2為本發明的燃料電池模塊集成示意圖；
[0018]圖3為本發明的電池封裝及固定殼體內腔示意圖；
[0019]圖4為本發明的溫差電池集成原理圖；
[0020]圖5-1為本發明采用SOFC具體實施例一結構示意圖；
[0021]圖5-2為本發明采用SOFC的具體事例二結構示意圖；
[0022]圖5-3為本發明采用SOFC的具體事例三結構示意圖；
[0023]圖中:1.殼體，2.燃料電池模塊，3.溫差發電片.4.燃料電池，5.燃料電池基板，6.燃料電池鑲嵌凹槽，7.螺栓，8.凹槽，9.散熱片，10.保護罩，11.導熱材料，12.密封圈，13.導流片，14.引出端，15.P-型，16.N-型，17.熱電材料凹槽，18.陰極，19.電解質，20.陽極。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實施例對本發明的發電系統作進一步說。
[0025]如圖1-圖3所示，本發明的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，所述裝置包括尾氣熱管理系統、氣路管理系統和電路管理系統，其特征在于，所述裝置還包括殼體
1、若干個燃料電池模塊2和若干個溫差發電片3;若干個燃料電池4集成于燃料電池基板5的兩側，燃料電池基板5為多空結構陶瓷片，形成燃料電池模塊2;所述的殼體I分為上下兩部分，結構完全對稱，殼體兩端有開口，一端連接尾氣熱管理系統，另一端連接氣路管理系統；殼體的內腔設有燃料電池鑲嵌凹槽6，燃料電池模塊2與殼體內腔表面相互垂直，燃料電池模塊的兩端分別嵌入殼體上下兩部分內腔的燃料電池鑲嵌凹槽內，各燃料電池基板相互平行，殼體的上下兩部分通過螺栓7連接固定，將燃料電池模塊固定封裝在殼體I中，形成汽車尾氣通道，即燃料電池反應室;殼體I的外壁設有與溫差發電片等大小的凹槽8，溫差發電片嵌入凹槽8中，溫差發電片中溫差電池的熱端與殼體I相連，溫差發電片中溫差電池的冷端與散熱片9連接，溫差發電片的引出端與電路管理系統連接;散熱片9與殼體I之間通過螺釘固定，溫差發電片被封裝在散熱片9和殼體I之間，保護罩10固定在散熱片9外側。溫差電池與殼體I之間、溫差電池與散熱片9之間夾有一層柔性導熱材料11。導熱材料11與殼體I之間有一個密封圈12。
[0026]多空燃料電池基板5為燃料電池4的載體，為了增加高溫尾氣與燃料電池4的接觸面積、減小尾氣流通阻力，本發明采用布滿微孔的燃料電池基板5。
[0027]圖4為溫差發電片，在裝有燃料電池模塊的兩殼體外側凹槽內分別嵌入導熱材料和溫差電池模塊，保持溫差電池的熱端通過導熱材料充分的與殼體外壁緊密接觸。另一層導熱材料夾在熱電材料的冷端和散熱片之間。相鄰兩個溫差電池分別用連接導流片13串聯連接，第一個溫差電池與最后一個溫差電池均用引出端14連接。通過螺釘施加壓力(每個螺釘施加相同的力，保持各個面受力均勻)，使溫差電池熱端與陶瓷管熱端緊密接觸，提高熱量傳輸效率。
[0028]溫差電池由交替排列的P型15和N型16熱電材料交替排列串聯組，溫差電池熱端和溫差電池冷端相對的一側加工有熱電材料凹槽17，將導流片13和P型15、N型16熱電材料放入凹槽中固定。
[0029]所述的尾氣入和尾氣出口分別連接到機動車排氣管中間，具體的位置根據溫差發電器整體尺寸和燃料電池工作所需的溫度范圍等因素決定。最終確保機動車高溫尾氣能順利通過整個燃料電池和溫差發電器高效耦合發電裝置。最后通過固定環將尾氣發電裝置與排氣管固定。
[0030]本發明的系統中，熱電材料采用Bi Z T e 3基固溶體(熱端最高溫度在3 O O °C )和AgSbTe2—GeTe固溶體(S卩TAGS合金，用于熱端最高溫度在300°C至700°C時)，實際應用中，根據需要選擇溫差電池的尺寸和所使用的熱電材料。
[0031]如圖5-1所示，普通SOFC由三部分組成，陰極18、電解質19和陽極20。根據支撐層的不同，SOFC有兩種結構形式，分別是陽極20支撐S0FC、電解質19支撐。單室固體氧化物燃料電池SC—SOFC有兩種主要的結構形式，分別是陰極和陽極在電解質的兩側(SC-SOFC-B)和陰極和陽極在電解質的同側(SC-SOFC-A)，考慮到燃料電池的工作效率與電池微堆的方便，本發明采用陽極支撐型，陰極和陽極在電解質兩側(SC-SOFC-B)的單室固體氧化物燃料電池。燃料電池在多空陶瓷片上的分布形式如圖5-1、5-2、5-3，探索燃料電池不同的分布形式，對尾氣中燃料的利用情況，高溫、快速尾氣流中燃料燃料電池的分布形式對其性能的影響。
[0032]本發明中的燃料電池的電解質、陰極和陽極的材料可以為:
[0033]電解質材料可以是低溫離子導電能力較強的固體電解質材料:
[0034]嫁摻雜氧化飾⑶C、衫摻雜氧化飾SDC、鋸鎂摻雜的嫁酸銅LSGM、D0C-碳酸鹽新型復合電解質等。
[0035]陽極材料優選金屬陶瓷、貴金屬材料以及多相抗硫中毒能力強的雙鈣鈦礦陽極材料:
[0036]N1-GDC 金屬陶瓷、N1-SDC 金屬陶瓷、Pd、Ru、Pt、Ru-Ce02+N1-SDC、Pd-Ce02+N1-GDC、N1-LSCM，雙鈣鈦礦結構的陶瓷材料，
[0037]陰極材料優選鈣礦材料、金屬材料以及多相復合材料:LSM-MnO2、Pd、Pt、Au、LSCF-SDC、BSCF-SDC、Lao。8Sro? 2Μη03-δ (LSM) Sm0o5Sr0o 5C0O3-s (SSC)、Lao。8Sro? 2C00。2Feo? 803-δ (LSCF)、Bao0 5Sro0 sCo0.sFe0.203-δ (BSCF)。
[0038]燃料電池的工作特點就是需要外接提供高溫熱源，高溫下的工作環境，提高了燃料的利用率，提高了電解質導電能力、電極材料導電能力和催化性能。但是，考慮到熱電材料的最高耐熱溫度和成本等因素，以及高溫下密封和鏈接材料的衰老程度，本發明中涉及的燃料電池均為低溫固體氧化物燃料電池(LT-SOFC)，燃料電池的低溫化既能延長各個零件的使用壽命，又能降低成本，具有非常好的使用價值。
[0039]本發明中的燃料電池中，工作時可以直接利用高溫的汽車尾氣中的大量顆粒物、CxHy、CO為燃料，通過燃料在陽極的內部重整過程，直接進入SOFC參與反應。
[0040]本發明中，燃料電池將尾氣中的CxHy、C0燃料中的化學能轉化成電能，同時釋放一部分的熱能，單室固體氧化物燃料電池，具有結構簡單、無需密封、可以避免復雜的流場設計，成本可以進一步降低、工作溫度可以降低等優點，同時還能保證尾氣通道的暢通。本發明中，溫差電池通過熱電材料可以將尾氣中低品位熱能和燃料電池工作釋放的熱能直接轉換成電能，熱電轉換器件具有結構簡單、無需維護、無運動部件、環境友好等顯著優點。本發明中，汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置充分的利用了兩種電池的優點，通過直接耦合，可以充分利用尾氣中的熱能和尾氣中的CxHyXO燃料中的化學能發電，可提高能源利用率，降低了尾氣中有害氣體的排放，產生顯著的經濟效益和社會效益。
【主權項】
1.汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述裝置包括殼體(I)、若干個燃料電池模塊(2)和若干個溫差發電片(3);若干個燃料電池(4)集成于燃料電池基板(5)的兩側，燃料電池基板(5)為多空結構陶瓷片，多個燃料電池基板(5)形成燃料電池模塊(2); 所述的殼體(I)分為上下兩部分，結構完全對稱，殼體兩端有開口，一端連接汽車的尾氣熱管理系統，另一端連接汽車的氣路管理系統;殼體的內腔設有燃料電池鑲嵌凹槽(6)，燃料電池模塊(2)與殼體內腔的上下表面相互垂直，燃料電池模塊的兩端分別嵌入殼體上下兩部分內腔的燃料電池鑲嵌凹槽內，各燃料電池基板相互平行，殼體的上下兩部分通過螺栓(7)連接固定，將燃料電池模塊固定封裝在殼體(I)中，形成汽車尾氣通道，即燃料電池反應室;殼體(I)的外壁設有與溫差發電片等大小的凹槽(8)，溫差發電片嵌入凹槽(8)中，溫差發電片中溫差電池的熱端與殼體(I)相連，溫差發電片中溫差電池的冷端與散熱片(9)連接，溫差發電片的引出端與汽車的電路管理系統連接;散熱片(9)與殼體(I)之間通過螺釘固定，溫差發電片被封裝在散熱片(9)和殼體(I)之間，保護罩(10)固定在散熱片(9)夕卜側。2.根據權利要求1所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述燃料電池為低溫陽極支撐型單室固體氧化物燃料電池。3.根據權利要求1所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述溫差電池與殼體(I)之間、溫差電池與散熱片(9)之間均夾有一層柔性導熱材料(11)。4.根據權利要求3所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述導熱材料(11)與殼體(I)之間有一個密封圈(12)。5.根據權利要求1所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述溫差電池包括交替排列串聯連接的P型和N型熱電材料，熱電材料通過導流片相互串聯，組成溫差電池;高溫汽車尾氣提供熱源，散熱片提供冷源。6.根據權利要求1所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述燃料電池包括電解質、陰極和陽極，電解質材料為中低溫具有高氧離子導電能力的固體電解質，其離子電導率為0.ls/cm，陰極為中低溫具有高導電能力的陰極薄膜材料，其在500 0C電導率為200s/cm，陽極材料為抗碳沉積和耐硫毒的雙鈣鈦礦結構的材料，中低溫的范圍是400?600°C。7.根據權利要求1所述的汽車尾氣的溫差和燃料電池耦合高效發電裝置，其特征在于，所述裝置的工作方式為:當有尾氣流經燃料電池反應室后，燃料電池將尾氣中的CxHy、CO燃料中的化學能轉化成電能，同時釋放一部分的熱能;通過對流換熱的傳熱方式加熱溫差電池的熱端，使殼體(I)表面達溫差發電片的工作溫度，鑲嵌在殼體(I)外表面的溫差發電片的另一端由于散熱片的作用，溫度較低，從而在溫差發電片組兩端形成溫度差，提供電力輸出。
【文檔編號】H01M8/1097GK106025317SQ201610366150
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】王誠, 吳國春, 王曉敏
【申請人】清華大學, 北京銳達奇科技有限公司