崔祥苏，黄跃武，梁 珍

(东华大学 环境科学与工程学院，上海201620)

21世纪随着人类对化石燃料的日益开采以及对能源需求的不断增长，环境问题与能源短缺问题日益严峻，现阶段人类正努力探索和利用各类清洁可再生能源，如核能、太阳能、潮汐能以及燃料电池等[1]。与传统能源相比，燃料电池具有系统效率高、能量密度高、生态友好等优点，并逐步成为交通运输和独立住宅电源系统等各种应用的潜在替代能源[2]。在所有类型的燃料电池中，磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell, PAFC)结构相对简单，电解质的成本相对较低且具有一定的耐久性，被认为是最具有发展前景的燃料电池之一[3]。为提高PAFC的输出功率，研究人员[4-10]对其进行广泛而深入的研究，结果表明燃料电池通过与热电设备耦合是一种提高PAFC输出效率的方法。

热电发电器(thermoelectric generator, TEG)是一种可以直接将热能转化为电能的热电装置[11-12]，将其与燃料电池相结合是一种有效利用燃料电池余热的简单可行方法，可以有效提高混合系统输出功率[7, 13-15]。单级TEG的能量转换效率偏低，为了提升转换效率，利用两级并联热电发电器(two-stage parallel thermoelectric generator,TPTEG)进行结构优化，建立PAFC-TPTEG新型混合系统模型，使TEG能够有效从PAFC中回收余热。考虑系统内的不可逆损失，推导出该混合系统功率和效率的表达式。此外，分析燃料电池工作温度、工作压力，热电元件对数、导热系数、优值系数对PAFC-TPTEG混合系统的影响。

1 系统描述

PAFC-TPTEG混合系统如图1所示。由图1可知，混合系统由PAFC、TPTEG和一个回热器组成。TPTEG由两个热电发电器以及对应负载Rg组成。……