高溫燃料電池和旋轉熱機的聯合發電系統的制作方法
【專利摘要】工作溫度范圍500℃至1000℃的高溫燃料電池和功率300千瓦以下旋轉熱機的聯合發電系統，包括電力輸送系統和至少一個發電單元；該發電單元又包括至少一套將高溫燃料電池裝置和至少一臺旋轉熱機發電機。所述高溫燃料電池裝置包括至少一組燃料電池堆單元以及與各燃料電池堆單元連接的空氣管道系統和燃氣管道系統；燃氣和空氣在燃料電池堆單元中發生電化學反應產生電能；各燃料電池堆單元環形設置使中間形成熱空氣腔；旋轉熱機發電機高溫吸熱端嵌置于熱空氣腔中吸收空氣熱量轉換為機械能，經發電機轉換為電能輸出。高溫燃料電池與旋轉熱機發電機結合將余熱轉化為電能提高了發電效率，且結構簡單體積小便于分布式應用。
【專利說明】
高溫燃料電池和旋轉熱機的聯合發電系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及直接轉變化學能為電能的裝置和非變容式機器或發動機聯合的發電裝置和系統，尤其涉及工作溫度大于500攝氏度的燃料電池堆和與其功率匹配的旋轉熱機聯合組成的發電裝置和系統。
【背景技術】
[0002]多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環境的能源利用方式，現有技術燃料電池就是這樣一類比較理想的發電方式，目前全球燃料電池與燃料電池堆棧(Stacks)技術發展迅速。燃料電池(Fuel Cell)是通過電化學反應將存儲在碳氫化合物燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，通過陽極中的氫氧化反應和陰極中的氧化還原反應將化學能直接轉化為電能。燃料電池用途廣泛，既可應用于軍事、空間、發電廠領域，也可應用于機動車、移動設備、居民家庭等領域。
[0003]燃料電池通過化學反應產生電能，中間不經過燃燒過程，其發電效率不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高;燃料電池系統的燃料到電能轉換效率通常在45%?60%，遠遠大于火力發電和核能發電大約30%?40%的效率。發電使用的燃料，譬如，煤，石油和生物質，通過氣化反應，產生氫氣。這個過程不是開放的燃燒反應，不對環境造成污染。燃料電池的發電過程是氫和氧發生化學反應，產生純凈的水，對環境也沒有污染。
[0004]燃料電池發電站的安裝地點靈活，占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電站，或是作為住宅或商業小區、工廠、大型建筑物的獨立電站都非常合適。負荷響應快，運行質量高;燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率。
[0005]燃料電池按其工作溫度在不同范圍，通常區分為低溫的和高溫的兩類。堿性燃料電池(alkaline fuel cell縮寫為AFC，工作溫度為100°C)、固體高分子型質子膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell縮寫為PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100°C以內)和磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell縮寫為PAFC，工作溫度為200°C)稱為低溫燃料電池；而恪融碳酸鹽型燃料電池(molten carbonate fuel cell縮寫為MCFC，工作溫度為650°C)和固體氧化型燃料電池(solid oxide fuel cell縮寫為S0FC，工作溫度為750°C?1000°C)稱為高溫燃料電池。高溫燃料電池，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4改質成出加以利用，并且煤氣的主要成份CO也可以直接作為燃料利用。
[0006]當然高溫燃料電池發電過程中，沒有轉換成電能的那些能量，形成了高溫熱能，有很好的熱發電能力。一些已公開的利用燃料電池余熱的技術，如專利CN1218421C，主要是通過與燃氣輪機結合，組成聯合發電系統；也有與蒸氣鍋爐結合，通過汽輪機來發電。這些技術所依賴的燃氣輪機、鍋爐和汽輪機都是大型設備，其發電功率都是在I兆瓦以上，投資和建設規模都很大，且汽輪機停止工作時整個發電系統都將停止。這些技術適用于大型的發電系統，對于小微型高溫燃料電池發電設備和小型的分布式高溫燃料電池發電站等應用場合卻并不適用。
[0007]高溫燃料電池是體積小的發電設備，大規模發電是通過大量的燃料電池串聯和并聯來實現的。在整個系統中，部分燃料電池停止工作，不會影響整個發電系統的工作。發電容量的調節通過開啟工作燃料電池的數量來實現，讓每個燃料電池都在最佳點工作。正是因為這個特點，燃料電池非常適合構建分布式發電和供電系統。在分布式的高溫燃料電池發電和供電系統的余熱利用方面，如果也能做到將余熱利用分散，當部分的余熱利用停止時，不會影響整個系統的余熱利用停止，這樣整個發電和供電系統的效率和穩定性都將得到提尚。
[0008]為了更好利用小微型高溫燃料電池發電系統發電過程中的熱能，本實用新型將高溫燃料電池與旋轉熱機發電機結合，構成效率更高的聯合發電系統。
【實用新型內容】
[0009]本實用新型要解決的技術問題在于避免上述現有技術對于小微型高溫燃料電池發電系統的熱能不能被完全利用的不足之處，而提出一種高溫燃料電池與旋轉熱機發電機聯合的發電系統，通過旋轉熱機發電機有效利用高溫燃料電池發電系統的余熱，提高能源綜合利用效率，同時也提高了系統電力輸出的穩定性和可維護性。
[0010]本實用新型解決所述技術問題采用的技術方案是一種工作在500°C至1000°C范圍的高溫燃料電池和功率300千瓦以下旋轉熱機的聯合發電系統，包括至少一個發電單元和用于電能傳輸的電力輸送系統;該發電單元又包括至少一套將輸入燃氣經電化學反應直接變換為電能的高溫燃料電池裝置和至少一臺將所述高溫燃料電池裝置的熱能轉化為電能的旋轉熱機發電機;所述高溫燃料電池裝置包括與電力輸送系統電連接的至少一組燃料電池堆單元、空氣管道系統和燃氣管道系統;所述空氣管道系統與各燃料電池堆單元的燃料電池堆空氣進、出口連接，所述燃氣管道系統與各燃料電池堆單元的燃料電池堆燃氣進、出口連接;燃氣和空氣在各燃料電池堆單元中發生電化學反應產生的電能經輸出電極傳送至電力輸送系統，對外輸出電力;所述各燃料電池堆單元呈環形設置，以使所述高溫燃料電池裝置中央部位形成熱空氣腔;所述將熱能轉換為電能的旋轉熱機發電機，包括共軸線連接的旋轉體、驅動電機和發電機;所述驅動電機用于啟動和保持旋轉熱機發電機旋轉體的旋轉;所述旋轉體包括高溫吸熱端和低溫散熱端;所述高溫吸熱端嵌置于熱空氣腔中吸收空氣熱量，吸收到的熱能在旋轉體中轉換為機械能，經與旋轉體共軸線連接的發電機轉換為電能，輸出到電力輸送系統對外輸出電力。
[0011]所述空氣管道系統包括空氣進氣管、空氣進氣流量閥門和空氣出氣管;所述空氣進氣管經空氣進氣流量閥門與空氣通道連接，空氣通道又與各燃料電池堆單元的燃料電池堆空氣進氣口連接，各燃料電池堆單元的空氣出氣口連接到熱空氣腔;所述空氣通道設置在各燃料電池堆單元的外圍，與燃料電池堆空氣進氣口連接;空氣從空氣進氣管進入后，依次經過空氣進氣流量閥和空氣通道，又經燃料電池堆空氣進氣口進入燃料電池堆單元進行電化學反應;反應后的廢空氣經燃料電池堆空氣出氣口進入熱空氣腔，空氣出氣管與熱空氣腔連接，將所述廢空氣引出熱空氣腔。
[0012]所述燃氣管道系統包括燃氣進氣管、燃氣進氣流量閥和燃氣出氣管;所述燃氣進氣管經燃氣進氣流量閥與各燃料電池堆單元的燃料電池堆燃料進氣口連接，各燃料電池堆單元的燃料電池堆出氣口與燃氣出氣管連接;燃氣從燃氣進氣管進入后，依次經過燃氣進氣流量閥和燃料電池堆燃料進氣口，進入燃料電池堆單元進行電化學反應;反應后的燃氣經燃料電池堆出氣口從燃氣出氣管排出。
[0013]所述高溫燃料電池裝置還包括用于高溫燃料電池裝置保溫的保溫外殼;所述燃料電池堆單元、空氣通道和熱空氣腔均設置在所述保溫外殼內部;所述空氣管道系統、所述燃氣管道系統和電力輸送系統均穿過保溫外殼進入燃料電池堆單元，分別與燃料電池堆空氣進出氣口、燃料電池堆燃氣進出氣口和燃料電池堆電力輸出電極連接。
[0014]所述的聯合發電系統，還包括電控系統;所述電控系統與旋轉熱機發電機的驅動電機電連接，通過控制驅動電機的旋轉速度調整旋轉熱機發電機的輸出電量。
[0015]所述電控系統與空氣進氣流量閥電連接，通過控制進入的空氣流量調節高溫燃料電池裝置的輸出電量。
[0016]所述電控系統與燃氣進氣流量閥電連接，通過控制進入的燃氣流量調節高溫燃料電池裝置的輸出電量。
[0017]所述高溫燃料電池裝置還包括用于回收排出廢燃氣熱量以提升進入燃氣溫度、降低排出廢燃氣溫度的燃氣換熱器，所述燃氣換熱器包括用于熱量交換的換熱主體和與換熱主體連接的低溫燃氣輸入口、高溫燃氣輸出口、高溫廢燃氣輸入口和低溫廢燃氣輸出口 ；低溫燃氣從燃氣進氣管直接地，或經燃氣進氣流量閥后再從低溫燃氣輸入口進入換熱主體，完成熱交換后變成高溫燃氣從高溫燃氣輸出口輸出到燃料電池堆燃氣進氣口；從燃料電池堆燃氣出氣口輸出的廢燃氣經高溫廢燃氣輸入口進入換熱主體進行熱交換后變成低溫廢燃氣從低溫廢燃氣輸出口排出到燃氣出氣管。
[0018]所述高溫燃料電池裝置還包括用于提高空氣溫度的空氣加熱系統;所述空氣加熱系統包括鼓風機、空氣換熱器和空氣加熱器以及低溫空氣輸入口、高溫空氣輸出口、高溫廢空氣輸入口和低溫廢空氣輸出口；鼓風機從大氣中獲取的低溫空氣從低溫空氣輸入口進入空氣換熱器，完成熱交換后變成高溫空氣、從高溫空氣輸出口輸出到空氣加熱器，并加熱到燃料電池工作所需的空氣溫度，再輸入到空氣管道系統的空氣進氣管;從空氣管道系統的空氣出氣管輸出的廢空氣，經高溫廢空氣輸入口進入空氣換熱器進行熱交換后，變成低溫廢空氣從低溫廢空氣輸出口排出到大氣中。
[0019]所述的聯合發電系統，包括用于將所述旋轉熱機發電機與高溫燃料電池裝置固定連接的連接支架;所述驅動電機和發電機的定子與連接支架固定連接，所述連接支架與高溫燃料電池裝置固定連接。
[0020]同現有技術相比較，本實用新型的有益效果是:1、高溫燃料電池裝置與旋轉熱機發電機結合后使得每個發電單元有獨立的余熱發電利用設施，旋轉熱機發電機運行與燃料電池裝置的功率匹配，確保燃料電池裝置和旋轉熱機發電機始終處于最佳配合狀態，提高了系統的綜合發電效率;2、結構上將旋轉熱機發電機的高溫吸熱端直接放入燃料電池裝置的中心，在最小的距離范圍內吸收燃料電池排出空氣的熱量，以及燃料電池的輻射熱量;并且旋轉熱機發電機的低溫散熱端放置在燃料電池發電組保溫外殼的外面，直接向環境散熱，結構簡單、吸熱和散熱效果好，維護方便;3、各發電單元可靈活連接及啟停，輕松實現系統發電量總的控制，同時方便系統維護;4、高溫燃料電池裝置與旋轉熱機發電機結合后的發電單元體積小，結構簡單，易于運輸到電站建設地點，安裝簡單方便，適合電站的快速建設和擴容。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型高溫燃料電池和旋轉熱機的聯合發電系統優選實施例結構的軸測投影示意圖；
[0022]圖2是所述優選實施例之高溫燃料電池裝置120的軸測投影示意圖；
[0023]圖3是圖2軸測投影沿直徑方向剖切后，內部結構的軸測投影示意圖；
[0024]圖4是所述優選實施例中高溫燃料電池裝置120除去外殼121頂蓋后的軸測投影結構示意圖；
[0025]圖5是所述優選實施例中高溫燃料電池裝置120除去外殼121底蓋后的軸測投影結構示意圖；
[0026]圖6是圖1正投影的剖面結構示意圖；
[0027]圖7是本實用新型優選實施例的系統框架示意圖之一；
[0028]圖8是本實用新型優選實施例包括燃氣換熱器280的系統框架示意圖之二；
[0029]圖9是本實用新型優選實施例之空氣加熱系統290的框架示意圖。
【具體實施方式】
[0030]以下結合各附圖對本實用新型的實施方式做進一步詳述。
[0031]如圖1至7所示，本實用新型的優選實施例之一包括至少一個發電單元100和用于電能傳輸的電力輸送系統500;該發電單元100又包括至少一套將輸入燃氣經電化學反應直接變換為電能的高溫燃料電池裝置120和至少一臺將所述高溫燃料電池裝置120的熱能轉化為電能的旋轉熱機發電機130;所述高溫燃料電池裝置120包括與電力輸送系統500電連接的至少一組燃料電池堆單元125、空氣管道系統260和燃氣管道系統270;所述空氣管道系統260與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆空氣進、出口 1252，1254連接，所述燃氣管道系統270與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆燃氣進、出口 1256，1258連接;燃氣和空氣在各燃料電池堆單元125中發生電化學反應產生的電能經輸出電極傳送至電力輸送系統500，對外輸出電力;所述各燃料電池堆單元125呈環形設置，以使所述高溫燃料電池裝置120中央部位形成熱空氣腔124;所述將熱能轉換為電能的旋轉熱機發電機130，包括共軸線連接的旋轉體132、驅動電機133和發電機134;所述驅動電機133用于啟動和維持旋轉熱機發電機130的旋轉體132的旋轉，旋轉體132和驅動電機133—起做繞共軸線轉動;所述旋轉體132包括高溫吸熱端1321和低溫散熱端1322;所述高溫吸熱端1321嵌置于熱空氣腔124中吸收空氣熱量，吸收到的熱能在旋轉體132中轉換為機械能，經與旋轉體132共軸線連接的發電機134轉換為電能，輸出到電力輸送系統500對外輸出電力。聯合發電系統可以根據實際功率需求來配置發電單元的數量。
[0032]如圖1至7所示，所述空氣管道系統260包括空氣進氣管261、空氣進氣流量閥門262和空氣出氣管266 ;所述空氣進氣管261經空氣進氣流量閥門262連接空氣通道265，與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆空氣進氣口 1252連接，各燃料電池堆單元125的空氣出氣口 1254連接到熱空氣腔124;所述空氣通道265設置在各燃料電池堆單元125的外圍;進入燃料電池堆單元125進行電化學反應;反應后的廢空氣經燃料電池堆空氣出氣口 1254進入熱空氣腔124，空氣出氣管266與熱空氣腔124連接，將所述廢空氣引出熱空氣腔124。
[0033]所述燃氣管道系統270包括燃氣進氣管271、燃氣進氣流量閥272和燃氣出氣管276;所述燃氣進氣管271經燃氣進氣流量閥272與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆燃料進氣口 1256連接，各燃料電池堆單元125的燃料電池堆出氣口 1258與燃氣出氣管276連接;燃氣從燃氣進氣管270進入后，依次經過燃氣進氣流量閥272和燃料電池堆燃料進氣口1256，進入燃料電池堆單元125進行電化學反應;反應后的燃氣經燃料電池堆出氣口 258從燃氣出氣管276排出。
[0034]所述高溫燃料電池裝置120還包括用于高溫燃料電池裝置120保溫的保溫外殼121;所述燃料電池堆單元125、空氣通道265和熱空氣腔124均設置在所述保溫外殼121內部;所述空氣管道系統260、所述燃氣管道系統270和電力輸送系統500均穿過保溫外殼121進入燃料電池堆單元125，分別與燃料電池堆空氣進出氣口 1252，1254、燃料電池堆燃氣進出氣口 1256，1258和燃料電池堆電力輸出電極連接。
[0035]如圖7所示，所述的聯合發電系統還包括電控系統600;所述電控系統600與旋轉熱機發電機130的驅動電機133電連接，通過控制驅動電機133的旋轉速度調整旋轉熱機發電機130的輸出電量。
[0036]如圖7所示，所述電控系統600與空氣進氣流量閥262電連接，通過控制進入的空氣流量調節高溫燃料電池裝置120的輸出電量。所述電控系統600與燃氣進氣流量閥272電連接，通過控制進入的燃氣流量調節高溫燃料電池裝置120的輸出電量。電控系統600還包括適量的傳感器，測量系統的運行狀況。
[0037]如圖7所示，所述空氣出氣管266之前還包括空氣出氣流量控制閥264;所述燃氣出氣管276之前還包括燃氣出氣流量控制閥274。
[0038]所述空氣管道系統260可以用于輸入空氣、氧氣或其他具有氧氣或空氣同等性能的其他具備氧化性能的氣體。
[0039]如圖8所示，所述高溫燃料電池裝置120還包括用于回收排出廢燃氣熱量以提升進入燃氣溫度、降低排出廢燃氣溫度的燃氣換熱器280，所述燃氣換熱器280包括用于熱量交換的換熱主體281和與換熱主體281連接的低溫燃氣輸入口 282、高溫燃氣輸出口 284、高溫廢燃氣輸入口 283和低溫廢燃氣輸出口 285;低溫燃氣從燃氣進氣管270直接地，或經燃氣進氣流量閥272后再從低溫燃氣輸入口 282進入換熱主體281，完成熱交換后變成高溫燃氣從高溫燃氣輸出口 284輸出到燃料電池堆燃氣進氣口 1256;從燃料電池堆燃氣出氣口 1258輸出的廢燃氣經高溫廢燃氣輸入口 283進入換熱主體281進行熱交換后變成低溫廢燃氣從低溫廢燃氣輸出口 285排出到燃氣出氣管276。
[0040]如圖9所示，所述高溫燃料電池裝置120還包括用于提高空氣溫度的空氣加熱系統290;所述空氣加熱系統290包括鼓風機296、空氣換熱器297和空氣加熱器298以及低溫空氣輸入口 292、高溫空氣輸出口 294、高溫廢空氣輸入口 293和低溫廢空氣輸出口 295 ;鼓風機296從大氣中獲取空氣，經增壓后從低溫空氣輸入口 292進入空氣換熱器297，完成熱交換后變成高溫空氣、從高溫空氣輸出口 294輸出到空氣加熱器298，并加熱到燃料電池工作所需的空氣溫度，再輸入到空氣進氣管261;從空氣出氣管266輸出的廢空氣，經高溫廢空氣輸入口 293進入空氣換熱器297進行熱交換后，變成低溫廢空氣從低溫廢空氣輸出口 295大氣中。
[0041]如圖1和6所示，包括用于將所述旋轉熱機發電機130與高溫燃料電池裝置120固定連接的連接支架160;所述驅動電機133和發電機134的定子與連接支架160固定連接，所述連接支架160與高溫燃料電池裝置120固定連接。
[0042]如圖1和6所示，所述將熱能轉換為電能的旋轉熱機發電機130，包括共軸線連接的旋轉體132、驅動電機133和發電機134;所述驅動電機133用于驅動旋轉熱機發電機130的旋轉體132做繞共軸線轉動;所述驅動電機133用于旋轉體1320初始啟動。所述旋轉體132可以和發電機134直接連接;所述驅動電機133的轉軸和定子也可以分別與發電機134的轉軸和定子相連。聯合發電系統可以通過控制驅動電機133的旋轉速度可調整旋轉式熱機發電機130的輸出電量。
[0043]本實用新型優選的高溫燃料電池裝置為固體氧化物燃料電池(SOFC)以陶瓷材料為主構成，電解質通常采用氧化鋯ZrO2,它構成了02—的導電體氧化釔(Y2O3)作為穩定化氧化鋯(YSZ)而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用氧化鑭錳LaMnO3氧化鑭鉻隔板采用LaCrO3t3固體氧化物燃料電池的高溫燃料電池反應式如下:
[0044]燃料極:H2+02—==H20+2e—
[0045]空氣極:l/202+2e—==02—
[0046]全體:Η2+1/202==Η20
[0047]燃料極，出經電解質而移動，與02—反應生成H2O和e—。空氣極，由O2和e—生成O2—。全體同其他燃料電池一樣由出和02生成H20。因SOFC屬于高溫工作型，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4改質成出加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。
[0048]固體氧化物燃料電池的工作溫度范圍包括600°C?1000°C，優選的溫度還可以是600°C至750°C或750°C至850°C。固體氧化物燃料電池很少需要對燃料處理，內部重整、內部熱集成、內部集合管使系統設計更為簡單，且與燃氣輪機及其他設備也很容易進行高效熱電聯產。在800°C下進行了實驗，效果良好，可將其制成25?10kW級和50?200kW級高溫燃料電池裝置和旋轉熱機發電機聯合發電系統，供家庭或商業應用。
[0049]當然本實用新型中的高溫燃料電池裝置還可以是高溫工作范圍500°C至1000°C范圍的其他類型的高溫燃料電池裝置，如碳酸鹽燃料電池裝置，質子交換膜燃料電池裝置。
[0050]所述高溫燃料電池裝置的燃氣系統使用的燃氣包括有，氫氣，天然氣和煤氣等，與其對應燃氣管道也適用于具體不同類型的燃氣。最簡單的是直連天然氣管道。復雜一點是利用排出廢燃氣的燃燒熱量，對天然氣進行重整，轉換為氫氣，再送入發電單元。可以在燃氣管道中增加對煤和天然氣進行氣化的裝置和設備。
[0051 ]所述旋轉熱機發電機130的功率范圍根據高溫燃料電池裝置的溫度和功率范圍進行匹配。例如，燃料電池發電機輸入燃料的低熱值功率是100千瓦，燃料電池發電機在新的時候發電效率是60%，運行一段時間后燃料電池發電機發電效率變化為50%，則可以選擇熱機的吸熱功率是在40千瓦至50千瓦之間以適應燃料電池不同的運行狀態;若熱機的發電效率是30%，則熱機的發電功率在12千瓦至15千瓦之間。
[0052]本實用新型中優選的旋轉熱機發電機130可以是如CN102121419B中所公開的旋轉式溫差動力裝置為核心的發電裝置;也可以是其他形式適用于高溫燃料電池匹配適用的旋轉熱機發電機。高溫燃料電池的工作溫度范圍不同與其配合的旋轉熱機發電機也可以做相應的調整變化，使兩者匹配達到最優的運行效率。高溫燃料電池裝置可接受電控系統的控制，以控制高溫燃料電池裝置的燃料和空氣流量以及反應條件從而控制其輸出功率，同時旋轉熱機發電機也接受電控系統的控制使其運行狀態最佳并與高溫燃料電池裝置運行狀態匹配最佳。
[0053]CN102121419B中所公開的旋轉式溫差動力裝置，包括進氣導流圓盤和轉子;進氣導流圓盤內部的導流葉片呈彎曲狀，兩兩之間形成進氣導流通道;轉子包括低溫葉輪、高溫葉輪及固定在轉子上的加熱器;低溫葉輪的內徑大于高溫葉輪的內徑，且兩者分別固定于轉子的兩端部;進氣導流圓盤置于低溫葉輪一端，其進氣導流通道和低溫葉輪、加熱器、高溫葉輪相連通形成氣流通道;該種旋轉式溫差動力裝置結構簡單、成本較低，同時可以使用太陽能、燃氣等作為能源，在高溫葉輪和低溫葉輪溫差較小的情況下還可以使用輔助加熱設備進行加熱，輔助加熱設備的使用使轉子輸出機械能更加穩定。
[0054]本實用新型將燃料電池發電系統分解為多個發電單元，每個發電單元有獨立的燃料和空氣供應以及輸電和電控系統。即每個發電單元有獨立的余熱利用設施。各發電單元可以串聯或者并聯;當需要對發電單元進行維護時，可單獨停止一個發電單元的運行，其它發電單元繼續工作為整個發電系統提供穩定的電力輸出。在發電運行時，同時通過啟停發電單元的數量，實現系統發電總量的控制。
[0055]在發電單元的結構上將旋轉熱機發電機高溫吸熱端直接放入燃料電池裝置的中心，在最小的距離范圍內吸收燃料電池裝置排出空氣的熱量，以及燃料電池裝置的輻射熱量;并且旋轉熱機發電機的低溫散熱端放置在燃料電池裝置保溫外殼之外，直接向環境散熱。這樣的結構簡單，吸熱和散熱效果好，維護方便。
[0056]本實用新型的優選實施例是采用旋轉熱機發電機，當然也可以采用其他形式的非旋轉式的熱機;在優選實施例中的旋轉熱機發電機體積小，結構簡單，尤其適合與燃料電池裝置結合，組成高效的發電系統。旋轉熱機運行的啟停可與燃料電池裝置的運行同步，確保燃料電池裝置和旋轉熱機發電機始終處于最佳配合狀態。
[0057]燃料電池裝置與旋轉熱機發電機結合的獨立發電單元，體積能夠控制在普通貨車和集裝箱運輸的范圍內，易于運輸到電站建設地點。安裝簡單方便，適合電站的快速建設和擴容。
[0058]本實用新型的燃料電池裝置與旋轉熱機發電機聯合能夠實現很高發電效率。當用于建筑物附近時，能夠實現熱電聯產。通常的燃料電池裝置的低熱值發電效率在50%至60%。旋轉熱機發電機的余熱發電效率在30%至40%。這樣聯合發電效率能達到65%至76%，有效地實現節約能源，減少二氧化碳的排放。
[0059]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種工作在500°C至1000°C范圍的高溫燃料電池和功率300千瓦以下旋轉熱機的聯合發電系統，包括至少一個發電單元(100)和用于電能傳輸的電力輸送系統(500);該發電單元(100)又包括至少一套將輸入燃氣經電化學反應直接變換為電能的高溫燃料電池裝置(120)和至少一臺將所述高溫燃料電池裝置(120)的熱能轉化為電能的旋轉熱機發電機(130); 所述高溫燃料電池裝置(120)包括與電力輸送系統(500)電連接的至少一組燃料電池堆單元(125)、空氣管道系統(260)和燃氣管道系統(270);所述空氣管道系統(260)與各燃料電池堆單元(125)的燃料電池堆空氣進、出口(1252，1254)連接，所述燃氣管道系統(270)與各燃料電池堆單元(125)的燃料電池堆燃氣進、出口(1256，1258)連接;燃氣和空氣在各燃料電池堆單元(125)中發生電化學反應產生的電能經輸出電極傳送至電力輸送系統(500)，對外輸出電力； 所述各燃料電池堆單元(125)呈環形設置，以使所述高溫燃料電池裝置(120)中央部位形成熱空氣腔(124); 所述將熱能轉換為電能的旋轉熱機發電機(130)，包括共軸線連接的旋轉體(132)、驅動電機(133)和發電機(134);所述驅動電機(133)用于啟動和保持熱機發電機(130)的旋轉體(132)的旋轉； 所述旋轉體(132)包括高溫吸熱端(1321)和低溫散熱端( 1322);所述高溫吸熱端(1321)嵌置于熱空氣腔(124)中吸收空氣熱量，吸收到的熱能在旋轉體(132)中轉換為機械能，經與旋轉體(132)共軸線連接的發電機(134)轉換為電能，輸出到電力輸送系統(500)對外輸出電力。2.根據權利要求1所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述空氣管道系統(260)包括空氣進氣管(261),空氣進氣流量閥門(262)和空氣出氣管(266)； 所述空氣進氣管(261)經空氣進氣流量閥門(262)與空氣通道(265)連接，空氣通道(265)又與各燃料電池堆單元(125)的燃料電池堆空氣進氣口(1252)連接，各燃料電池堆單元(125)的空氣出氣口(1254)連接到熱空氣腔(124); 所述空氣通道(265)設置在各燃料電池堆單元(125)的外圍；空氣從空氣進氣管(261)進入后，依次經過空氣進氣流量閥(262)和空氣通道(265)，又經燃料電池堆空氣進氣口(1252)進入燃料電池堆單元(125)進行電化學反應;反應后的廢空氣經燃料電池堆空氣出氣口(1254)進入熱空氣腔(124)，空氣出氣管(266)與熱空氣腔(124)連接，將所述廢空氣引出熱空氣腔(124)。3.根據權利要求2所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述燃氣管道系統(270)包括燃氣進氣管(271)、燃氣進氣流量閥(272)和燃氣出氣管(276);所述燃氣進氣管(271)經燃氣進氣流量閥(272)與各燃料電池堆單元(125)的燃料電池堆燃料進氣口(1256)連接，各燃料電池堆單元(125)的燃料電池堆出氣口(1258)與燃氣出氣管(276)連接； 燃氣從燃氣進氣管(270)進入后，依次經過燃氣進氣流量閥(272)和燃料電池堆燃料進氣口(1256)，進入燃料電池堆單元(125)進行電化學反應;反應后的燃氣經燃料電池堆出氣口(258)從燃氣出氣管(276)排出。4.根據權利要求3所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述高溫燃料電池裝置(120)還包括用于高溫燃料電池裝置(120)保溫的保溫外殼(121);所述燃料電池堆單元(125)、空氣通道(265)和熱空氣腔(124)均設置在所述保溫外殼(121)內部； 所述空氣管道系統(260)、所述燃氣管道系統(270)和電力輸送系統(500)均穿過保溫外殼(121)進入燃料電池堆單元(125)，分別與燃料電池堆空氣進出氣口(1252，1254)、燃料電池堆燃氣進出氣口(1256，1258)和燃料電池堆電力輸出電極連接。5.根據權利要求1所述的聯合發電系統，其特征在于: 還包括電控系統(600);所述電控系統(600)與旋轉熱機發電機(130)的驅動電機(I33)電連接，通過控制驅動電機(133)的旋轉速度調整旋轉熱機發電機(130)的輸出電量。6.根據權利要求5所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述電控系統(600)與空氣進氣流量閥(262)電連接，通過控制進入的空氣流量調節高溫燃料電池裝置(120)的輸出電量。7.根據權利要求5所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述電控系統(600)與燃氣進氣流量閥(272)電連接，通過控制進入的燃氣流量調節高溫燃料電池裝置(120)的輸出電量。8.根據權利要求3所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述高溫燃料電池裝置(120)還包括用于回收排出廢燃氣熱量以提升進入燃氣溫度、降低排出廢燃氣溫度的燃氣換熱器(280)，所述燃氣換熱器(280)包括用于熱量交換的換熱主體(281)和與換熱主體(281)連接的低溫燃氣輸入口(282)、高溫燃氣輸出口(284)、高溫廢燃氣輸入口( 283)和低溫廢燃氣輸出口( 285); 低溫燃氣從燃氣進氣管(270)直接地，或經燃氣進氣流量閥(272)后再從低溫燃氣輸入口(282)進入換熱主體(281)，完成熱交換后變成高溫燃氣從高溫燃氣輸出口(284)輸出到燃料電池堆燃氣進氣口(1256);從燃料電池堆燃氣出氣口(1258)輸出的廢燃氣經高溫廢燃氣輸入口(283)進入換熱主體(281)進行熱交換后變成低溫廢燃氣從低溫廢燃氣輸出口(285)排出到燃氣出氣管(276)。9.根據權利要求2所述的聯合發電系統，其特征在于: 所述高溫燃料電池裝置(120)還包括用于提高空氣溫度的空氣加熱系統(290); 所述空氣加熱系統(290)包括鼓風機(296)、空氣換熱器(297)和空氣加熱器(298)以及低溫空氣輸入口(292)、高溫空氣輸出口(294)、高溫廢空氣輸入口(293)和低溫廢空氣輸出口(295); 鼓風機(296)從大氣中獲取的低溫空氣從低溫空氣輸入口(292)進入空氣換熱器(297)，完成熱交換后變成高溫空氣、從高溫空氣輸出口(294)輸出到空氣加熱器(298)，并加熱到燃料電池工作所需的空氣溫度，再輸入到空氣管道系統(260)的空氣進氣管(261);從空氣管道系統(260)的空氣出氣管(266)輸出的廢空氣，經高溫廢空氣輸入口(293)進入空氣換熱器(297)進行熱交換后，變成低溫廢空氣從低溫廢空氣輸出口(295)排出到大氣中。10.根據權利要求1所述的聯合發電系統，其特征在于: 包括用于將所述旋轉熱機發電機(I 30)與高溫燃料電池裝置(120)固定連接的連接支架(160);所述驅動電機(133)和發電機(134)的定子與連接支架(160)固定連接，所述連接支架(160)與高溫燃料電池裝置(120)固定連接。
【文檔編號】H02K7/18GK205453398SQ201521092812
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月25日
【發明人】伍復軍
【申請人】伍復軍