对化石燃料的日益依赖加剧了全球能源短缺、气候变化和环境退化问题，这突显了迫切需要可持续和高效率的能源转换技术[1]。能够最大化能源利用同时最小化温室气体排放的可再生能源系统被广泛认为是应对这些挑战的基石[2]。在各种清洁能源技术中，燃料电池因其能够高效地将化学能直接转化为电能且几乎不产生污染物排放而受到广泛关注[3]。特别是磷酸燃料电池（PAFC），其具有运行稳定性、对燃料杂质的耐受性以及适用于固定式和分布式发电应用的特点[4]。PAFC使用基于铂的电极和磷酸电解质来促进氢气和氧气之间的电化学反应，产生的唯一反应产物是电能和水[5]。在150–200°C的中等温度下运行时，PAFC的效率高于低温燃料电池（如质子交换膜燃料电池）[6]，同时对一氧化碳引起的催化剂中毒具有更强的抵抗力[7]。然而，其较高的工作温度和腐蚀性的电解质环境对材料耐久性和热管理提出了严格要求，增加了系统的复杂性和成本[8]。更重要的是，相当一部分化学能量以废热的形式散失，这不仅限制了整体能源转换效率，还导致了热污染[9]。除了废热回收技术外，还开发了多种燃料电池热管理策略，包括水冷、空气冷却、相变材料和基于热管的热调节[10]。这些方法主要是为了控制工作温度、提高热稳定性并防止性能下降。然而，应当注意的是，这些热管理技术主要侧重于散热而非能量转换。
回收和再利用PAFC废热的混合和联产系统为提高整体系统效率和功能提供了有效途径[11]。已经提出并研究了多种基于PAFC的混合配置。郭等人[12]将PAFC与有机朗肯循环（ORC）集成，从废气中产生额外的电能，并评估了其能量、熵和生态性能。此外，Oh等人[13]对PAFC-ORC混合系统进行了全面的能量、熵、经济性和能量经济性分析。Accikkalp等人[14]研究了PAFC-热再生电化学循环（TREC）系统，揭示了电流密度和再生器效率对整体性能的影响。李等人[15]开发了PAFC-直接接触膜蒸馏（DCMD）系统，实现了发电和海水淡化。陈等人[16]分析了PAFC-热电发电机（TEG）混合系统，考虑了多种不可逆损失，并根据负载匹配确定了最佳工作区域。杨等人[17]提出了PAFC-吸收式制冷机（AR）混合系统，实现了废热驱动的冷却，并确定了有效运行的最佳电流密度范围。江等人[18]提出了一个集成近场热辐射电池（NFTRC）与PAFC的混合系统，有效提高了燃料利用率并回收了废热。尽管取得了这些进展，但大多数现有的基于PAFC的混合系统仍存在功率密度有限和效率提升不显著的问题，这激发了探索更有效的废热回收技术的需求。
最近，热光转换器（TPC）作为一种有前景的固态热能转换技术出现[19]。TPC在结构上类似于热光伏（TPV）系统[20]，但它用发光二极管（LED）替代了被动热发射器，LED在正向电偏置和高温的共同作用下发出辐射[21]。这种双重驱动机制使得辐射功率输出比传统热发射器高出几个数量级[22]。与依赖光谱选择性发射器或滤波器的热光伏系统不同，TPC通过选择发射光谱与光伏（PV）电池带隙对齐的LED材料来实现内在的光谱匹配[23]。这一特性提高了光子利用率，同时简化了系统架构[24]。此外，TPC在成本上也有显著优势，因为市售的GaAs LED和InP PV电池比高性能的光谱选择性发射器便宜得多[25]。这些特性使得TPC特别适合从PAFC中回收中等热量。然而，仍有一些基本问题尚未解决：（i）TPC是否能够与PAFC有效热耦合以实现级联能量利用；（ii）PAFC-TPC混合系统在功率密度和能量转换效率方面是否优于现有的基于PAFC的混合配置；（iii）如何系统地确定此类混合系统的热力学性能限制和最佳设计参数。
为了解决这些挑战，提出了一种将PAFC与TPC耦合的混合发电系统，用于回收中等热量。开发了一个自洽的多物理场框架，以捕捉集成系统内的电化学、热学、辐射和电学过程。具体来说，该模型考虑了PAFC中的活化、欧姆和浓度极化损失；发光二极管和光伏电池的有效面积比及工作温度的自洽确定；以及TPC中的温度依赖性物理性质和非辐射复合机制。在此基础上，系统的工作特性、性能限制和设计敏感性得到了系统分析。本研究的主要贡献如下：（i）为耦合系统开发了统一的电化学-热力学-辐射框架；（ii）引入了有效面积比作为关键的系统级设计变量；（iii）基于功率密度和效率确定了最佳工作区域；（iv）系统评估了燃料电池工作温度、热量泄漏、发光二极管偏置电压和半导体非辐射损失的影响；（v）与文献中报道的代表性磷酸燃料电池基混合系统进行了比较。这些结果为从PAFC中高效回收中等热量提供了理论基础和设计指导。
