高温燃料电池和旋转热机的联合发电系统技术方案

工作温度范围500℃至1000℃的高温燃料电池和功率300千瓦以下旋转热机的联合发电系统，包括电力输送系统和至少一个发电单元；该发电单元又包括至少一套将高温燃料电池装置和至少一台旋转热机发电机。所述高温燃料电池装置包括至少一组燃料电池堆单元以及与各燃料电池堆单元连接的空气管道系统和燃气管道系统；燃气和空气在燃料电池堆单元中发生电化学反应产生电能；各燃料电池堆单元环形设置使中间形成热空气腔；旋转热机发电机高温吸热端嵌置于热空气腔中吸收空气热量转换为机械能，经发电机转换为电能输出。高温燃料电池与旋转热机发电机结合将余热转化为电能提高了发电效率，且结构简单体积小便于分布式应用。

Combined power generation system of high temperature fuel cell and rotary heat engine

Combined power generation system of high temperature fuel cell and power operating temperature range of 500 DEG to 1000 DEG C below 300 kW rotating engine, including power transmission system and at least one power generating unit; the power unit comprises at least a high temperature fuel cell device and at least one rotary engine generator. The high temperature fuel cell device comprises an air pipe system and gas pipeline system at least one group of fuel cell stack and fuel cell stack unit and each unit is connected; the gas and air reactor electrochemical reaction to generate electricity in the fuel cell unit; the fuel cell stack unit is set so that the ring is formed in the middle of the hot air chamber; rotary engine generator high temperature heat absorbing end is embedded in the heat in the air cavity air to absorb heat into mechanical energy, the generator into electricity output. The combination of high temperature fuel cell and rotary heat engine generator transforms waste heat into electric energy, improves power generation efficiency, and has simple structure and is capable of urinating in distributed applications.

【技术实现步骤摘要】
高温燃料电池和旋转热机的联合发电系统
本专利技术涉及直接转变化学能为电能的装置和非变容式机器或发动机联合的发电装置和系统，尤其涉及工作温度大于500摄氏度的燃料电池堆和与其功率匹配的旋转热机联合组成的发电装置和系统。
技术介绍
多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式，现有技术燃料电池就是这样一类比较理想的发电方式，目前全球燃料电池与燃料电池堆栈(Stacks)技术发展迅速。燃料电池(FuelCell)是通过电化学反应将存储在碳氢化合物燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，通过阳极中的氢氧化反应和阴极中的氧化还原反应将化学能直接转化为电能。燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。燃料电池通过化学反应产生电能，中间不经过燃烧过程，其发电效率不受卡诺循环的限制,能量转化效率高；燃料电池系统的燃料到电能转换效率通常在45%～60%，远远大于火力发电和核能发电大约30%～40%的效率。发电使用的燃料，譬如，煤，石油和生物质，通过气化反应，产生氢气。这个过程不是开放的燃烧反应，不对环境造成污染。燃料电池的发电过程是氢和氧发生化学反应，产生纯净的水，对环境也没有污染。燃料电池发电站的安装地点灵活,占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为住宅或商业小区、工厂、大型建筑物的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。燃料电池按其工作温度在不同范围，通常区分为低温的和高温的两类。碱性燃料电池（alkalinefuelcell缩写为AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell缩写为PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell缩写为PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；而熔融碳酸盐型燃料电池（moltencarbonatefuelcell缩写为MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（solidoxidefuelcell缩写为SOFC，工作温度为750℃～1000℃）称为高温燃料电池。高温燃料电池，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO也可以直接作为燃料利用。当然高温燃料电池发电过程中，没有转换成电能的那些能量，形成了高温热能，有很好的热发电能力。一些已公开的利用燃料电池余热的技术，如专利CN1218421C，主要是通过与燃气轮机结合，组成联合发电系统；也有与蒸气锅炉结合，通过汽轮机来发电。这些技术所依赖的燃气轮机、锅炉和汽轮机都是大型设备，其发电功率都是在1兆瓦以上，投资和建设规模都很大，且汽轮机停止工作时整个发电系统都将停止。这些技术适用于大型的发电系统，对于小微型高温燃料电池发电设备和小型的分布式高温燃料电池发电站等应用场合却并不适用。高温燃料电池是体积小的发电设备，大规模发电是通过大量的燃料电池串联和并联来实现的。在整个系统中，部分燃料电池停止工作，不会影响整个发电系统的工作。发电容量的调节通过开启工作燃料电池的数量来实现，让每个燃料电池都在最佳点工作。正是因为这个特点，燃料电池非常适合构建分布式发电和供电系统。在分布式的高温燃料电池发电和供电系统的余热利用方面，如果也能做到将余热利用分散，当部分的余热利用停止时，不会影响整个系统的余热利用停止，这样整个发电和供电系统的效率和稳定性都将得到提高。为了更好利用小微型高温燃料电池发电系统发电过程中的热能，本专利技术将高温燃料电池与旋转热机发电机结合，构成效率更高的联合发电系统。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于避免上述现有技术对于小微型高温燃料电池发电系统的热能不能被完全利用的不足之处，而提出一种高温燃料电池与旋转热机发电机联合的发电系统，通过旋转热机发电机有效利用高温燃料电池发电系统的余热，提高能源综合利用效率，同时也提高了系统电力输出的稳定性和可维护性。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是一种工作在500℃至1000℃范围的高温燃料电池和功率300千瓦以下旋转热机的联合发电系统，包括至少一个发电单元和用于电能传输的电力输送系统；该发电单元又包括至少一套将输入燃气经电化学反应直接变换为电能的高温燃料电池装置和至少一台将所述高温燃料电池装置的热能转化为电能的旋转热机发电机；所述高温燃料电池装置包括与电力输送系统电连接的至少一组燃料电池堆单元、空气管道系统和燃气管道系统；所述空气管道系统与各燃料电池堆单元的燃料电池堆空气进、出口连接，所述燃气管道系统与各燃料电池堆单元的燃料电池堆燃气进、出口连接；燃气和空气在各燃料电池堆单元中发生电化学反应产生的电能经输出电极传送至电力输送系统，对外输出电力；所述各燃料电池堆单元呈环形设置，以使所述高温燃料电池装置中央部位形成热空气腔；所述将热能转换为电能的旋转热机发电机，包括共轴线连接的旋转体、驱动电机和发电机；所述驱动电机用于启动和保持旋转热机发电机旋转体的旋转；所述旋转体包括高温吸热端和低温散热端；所述高温吸热端嵌置于热空气腔中吸收空气热量，吸收到的热能在旋转体中转换为机械能，经与旋转体共轴线连接的发电机转换为电能，输出到电力输送系统对外输出电力。所述空气管道系统包括空气进气管、空气进气流量阀门和空气出气管；所述空气进气管经空气进气流量阀门与空气通道连接，空气通道又与各燃料电池堆单元的燃料电池堆空气进气口连接，各燃料电池堆单元的空气出气口连接到热空气腔；所述空气通道设置在各燃料电池堆单元的外围，与燃料电池堆空气进气口连接；空气从空气进气管进入后，依次经过空气进气流量阀和空气通道，又经燃料电池堆空气进气口进入燃料电池堆单元进行电化学反应；反应后的废空气经燃料电池堆空气出气口进入热空气腔，空气出气管与热空气腔连接，将所述废空气引出热空气腔。所述燃气管道系统包括燃气进气管、燃气进气流量阀和燃气出气管；所述燃气进气管经燃气进气流量阀与各燃料电池堆单元的燃料电池堆燃料进气口连接，各燃料电池堆单元的燃料电池堆出气口与燃气出气管连接；燃气从燃气进气管进入后，依次经过燃气进气流量阀和燃料电池堆燃料进气口，进入燃料电池堆单元进行电化学反应；反应后的燃气经燃料电池堆出气口从燃气出气管排出。所述高温燃料电池装置还包括用于高温燃料电池装置保温的保温外壳；所述燃料电池堆单元、空气通道和热空气腔均设置在所述保温外壳内部；所述空气管道系统、所述燃气管道系统和电力输送系统均穿过保温外壳进入燃料电池堆单元，分别与燃料电池堆空气进出气口、燃料电池堆燃气进出气口和燃料电池堆电力输出电极连接。所述的联合发电系统，还包括电控系统；所述电控系统与旋转热机发电机的驱动电机电连接，通过控制驱动电机的旋转速度调整旋转热机发电机的输出电量。所述电控系统与空气进气流量阀电连接，通过控制进入的空气流量调节高温燃料电池装置的输出电量。所述电控系统与燃气进气流量阀电连接，通过控制进入的燃气流量调节高温燃料电池装置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工作在500℃至1000℃范围的高温燃料电池和功率300千瓦以下旋转热机的联合发电系统，包括至少一个发电单元(100)和用于电能传输的电力输送系统(500)；该发电单元(100)又包括至少一套将输入燃气经电化学反应直接变换为电能的高温燃料电池装置(120)和至少一台将所述高温燃料电池装置(120)的热能转化为电能的旋转热机发电机(130)；所述高温燃料电池装置(120)包括与电力输送系统(500)电连接的至少一组燃料电池堆单元(125)、空气管道系统(260)和燃气管道系统(270)；所述空气管道系统(260)与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆空气进、出口(1252，1254)连接，所述燃气管道系统(270)与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆燃气进、出口(1256，1258)连接；燃气和空气在各燃料电池堆单元(125)中发生电化学反应产生的电能经输出电极传送至电力输送系统(500)，对外输出电力；所述各燃料电池堆单元(125)呈环形设置，以使所述高温燃料电池装置(120)中央部位形成热空气腔(124)；所述将热能转换为电能的旋转热机发电机(130)，包括共轴线连接的旋转体(132)、驱动电机(133)和发电机(134)；所述驱动电机(133)用于启动和保持热机发电机(130)的旋转体(132)的旋转；所述旋转体(132)包括高温吸热端(1321)和低温散热端(1322)；所述高温吸热端(1321)嵌置于热空气腔(124)中吸收空气热量，吸收到的热能在旋转体(132)中转换为机械能，经与旋转体(132)共轴线连接的发电机(134)转换为电能，输出到电力输送系统(500)对外输出电力。...

【技术特征摘要】
1.一种工作在500℃至1000℃范围的高温燃料电池和功率300千瓦以下旋转热机的联合发电系统，包括至少一个发电单元(100)和用于电能传输的电力输送系统(500)；该发电单元(100)又包括至少一套将输入燃气经电化学反应直接变换为电能的高温燃料电池装置(120)和至少一台将所述高温燃料电池装置(120)的热能转化为电能的旋转热机发电机(130)；所述高温燃料电池装置(120)包括与电力输送系统(500)电连接的至少一组燃料电池堆单元(125)、空气管道系统(260)和燃气管道系统(270)；所述空气管道系统(260)与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆空气进、出口(1252，1254)连接，所述燃气管道系统(270)与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆燃气进、出口(1256，1258)连接；燃气和空气在各燃料电池堆单元(125)中发生电化学反应产生的电能经输出电极传送至电力输送系统(500)，对外输出电力；所述各燃料电池堆单元(125)呈环形设置，以使所述高温燃料电池装置(120)中央部位形成热空气腔(124)；所述将热能转换为电能的旋转热机发电机(130)，包括共轴线连接的旋转体(132)、驱动电机(133)和发电机(134)；所述驱动电机(133)用于启动和保持热机发电机(130)的旋转体(132)的旋转；所述旋转体(132)包括高温吸热端(1321)和低温散热端(1322)；所述高温吸热端(1321)嵌置于热空气腔(124)中吸收空气热量，吸收到的热能在旋转体(132)中转换为机械能，经与旋转体(132)共轴线连接的发电机(134)转换为电能，输出到电力输送系统(500)对外输出电力。2.根据权利要求1所述的联合发电系统，其特征在于：所述空气管道系统(260)包括空气进气管(261)、空气进气流量阀门(262)和空气出气管(266)；所述空气进气管(261)经空气进气流量阀门(262)与空气通道(265)连接，空气通道(265)又与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆空气进气口(1252)连接，各燃料电池堆单元(125)的空气出气口(1254)连接到热空气腔(124)；所述空气通道(265)设置在各燃料电池堆单元(125)的外围；空气从空气进气管(261)进入后，依次经过空气进气流量阀(262)和空气通道(265)，又经燃料电池堆空气进气口(1252)进入燃料电池堆单元(125)进行电化学反应；反应后的废空气经燃料电池堆空气出气口(1254)进入热空气腔(124)，空气出气管(266)与热空气腔(124)连接，将所述废空气引出热空气腔(124)。3.根据权利要求2所述的联合发电系统，其特征在于：所述燃气管道系统(270)包括燃气进气管(271)、燃气进气流量阀(272)和燃气出气管(276)；所述燃气进气管(271)经燃气进气流量阀(272)与各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆燃料进气口(1256)连接，各燃料电池堆单元(125)的燃料电池堆出气口(1258)与燃气出气管(276)连接；燃气从燃气进气管(270)进入后，依次经过燃气进气流量阀(272)和燃料电池堆燃料进气口(1256)，进入燃料电池堆单元(125)进行电化学反应；反应后的燃气经燃料电池堆出气口(258)从燃气出气管(276)排出。4.根据权利要求3所述的联合发电系统，其特征在于：所述高...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍复军，
申请(专利权)人：伍复军，
类型：发明
国别省市：美国,US