Abstract Based on the current models of the direct carbon fuel cell and thermophotovoltaic cell, a new hybrid system is proposed to efficiently exploit the waste heat from a direct carbon fuel cell by terms of a thermophotovoltaic cell. The expressions of the power output and the efficiency of the hybrid system are analytically derived and the maximum power output density is numerically calculated. It is found that under some given conditions, the maximum power output density of the hybrid system can attain 734.7 W m −2 , which is more than 2 times of that of a single direct carbon fuel cell. Moreover, the optimal region of the hybrid system is determined through the introduction of a new objective function (i.e., the product of the efficiency and the power output). The selective criteria of some key parameters such as the power output density, efficiency, current density of the direct carbon fuel cell, and area ratio of the direct carbon fuel cell to the thermophotovoltaic cell are provided. The effects of the carbon particle slabs in the packed bed anode of the fuel cell on some key parameters are discussed. The maximum power output density of the hybrid system under the differently operating temperatures of the direct carbon fuel cell are calculated and compared with those of other direct carbon fuel cell-based hybrid systems. The results of this study indicate that the thermophotovoltaic cell can efficiently harvest the waste heat produced in the direct carbon fuel cell and the direct carbon fuel cell-thermophotovoltaic cell hybrid system have some obvious advantages over other direct carbon fuel cell-based hybrid systems.

中文翻译：

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一种通过热光伏电池利用直接碳燃料电池废热的有效方法

摘要 基于直接碳燃料电池和热光伏电池的现有模型，提出了一种新的混合系统，以热光伏电池有效地利用直接碳燃料电池的废热。分析推导了混合动力系统的功率输出和效率表达式，并数值计算了最大功率输出密度。发现在某些给定条件下，混合动力系统的最大功率输出密度可以达到734.7 W m -2 ，是单个直接碳燃料电池的2倍以上。此外，混合系统的最佳区域是通过引入新的目标函数（即效率和功率输出的乘积）来确定的。一些关键参数的选择标准，如功率输出密度，提供了直接碳燃料电池的效率、电流密度以及直接碳燃料电池与热光伏电池的面积比。讨论了燃料电池填充床阳极中碳颗粒板对一些关键参数的影响。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，并且直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统比其他基于直接碳燃料电池的混合系统具有一些明显的优势。提供直接碳燃料电池与热光伏电池的面积比。讨论了燃料电池填充床阳极中碳颗粒板对一些关键参数的影响。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。提供直接碳燃料电池与热光伏电池的面积比。讨论了燃料电池填充床阳极中碳颗粒板对一些关键参数的影响。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。讨论了燃料电池填充床阳极中碳颗粒板对一些关键参数的影响。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。讨论了燃料电池填充床阳极中碳颗粒板对一些关键参数的影响。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。计算了直接碳燃料电池在不同工作温度下混合动力系统的最大功率输出密度，并与其他基于直接碳燃料电池的混合动力系统进行了比较。本研究结果表明，热光伏电池可以有效地收集直接碳燃料电池产生的废热，直接碳燃料电池-热光伏电池混合系统与其他基于直接碳燃料电池的混合系统相比具有一些明显的优势。