專利名稱：管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及微小型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)。2.背景技術(shù)
微型燃?xì)廨啓C(jī)是一類新近發(fā)展起來(lái)的小型熱 力發(fā)動(dòng)機(jī)，其單機(jī)功率范圍為25 300kW，基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械(向心式透平和離心式壓氣機(jī))以及回?zé)嵫h(huán)。 據(jù)認(rèn)為，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)有可能掀起“電源小型分散化”的技術(shù)革新熱潮，從而成為21世紀(jì)能源技術(shù)的主流。
先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有多臺(tái)集成擴(kuò)容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動(dòng)、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負(fù)荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無(wú)論對(duì)中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)在民用交通運(yùn)輸(混合動(dòng)力汽車)以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢(shì)，受到美、俄等軍事大國(guó)的關(guān)注，因此，從國(guó)家安全看發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)也是非常重要的。
目前大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是由飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的直接演變，透平室、燃燒室、離心壓氣機(jī)、發(fā)電機(jī)等成軸向水平布置，對(duì)中心軸的耐溫性和加工和使用的垂直度要求苛刻，需要由旋轉(zhuǎn)部分、軸承、密封件、潤(rùn)滑油系統(tǒng)和尖端的電子控制設(shè)備組成的復(fù)雜裝置。 由于在技術(shù)上的復(fù)雜，使大多數(shù)用戶都得依靠原設(shè)備制造廠家來(lái)完成維修、大修和進(jìn)行先進(jìn)的維護(hù)保養(yǎng)。由于同軸排列的燃燒室的高溫高速燃?xì)膺€需要經(jīng)過(guò)固定的渦輪葉輪導(dǎo)向變?yōu)樾D(zhuǎn)氣流帶動(dòng)透平渦輪做功，需要消耗能量，另外用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)在空間布置上不像飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)那樣要求緊湊。
高溫燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂希?在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站。管式SOFC具有高機(jī)械強(qiáng)度、高抗熱沖擊性能、簡(jiǎn)化的密封技術(shù)、高模塊化集成性能等特點(diǎn)，是最接近商業(yè)化的SOFC發(fā)電技術(shù)。但目前高溫燃料電池燃料燃燒不完全，排煙溫度過(guò)高，亟待綜合利用。
因此依據(jù)流體特性，將管式高溫燃料電池組和微小型燃?xì)廨啓C(jī)耦合，開(kāi)發(fā)高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造和裝配容易、維修和更換費(fèi)用較低、便于移動(dòng)的高溫燃料電池組和微小型燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能和高溫?zé)煔廨啓C(jī)發(fā)電梯級(jí)組合、熱電聯(lián)供實(shí)現(xiàn)能量的高效利用是未來(lái)分布式能源亟待解決難題之一。3.發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有微小型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)存在的不足而提供一種管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，無(wú)需流向轉(zhuǎn)化，直接利用高速燃?xì)鈩?dòng)能，效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費(fèi)用較低，便于移動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案
本發(fā)明提供管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、離心式渦輪、透平室、燃盡室、管狀高溫燃料電池組、軸承I、離心壓氣機(jī)、高速永磁電機(jī)、軸承2、板式回?zé)崞?、板式換熱器和變頻系統(tǒng)組成。沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次向后排列透平室、離心壓氣機(jī)和高速永磁電機(jī)；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，透平室采用軸承I定位；透平室前部依次設(shè)置板式回?zé)崞骱桶迨綋Q熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機(jī)出口與板式回?zé)崞魅肟谕ㄟ^(guò)管道相連，管狀高溫燃料電池組入口和板式回?zé)崞鞒隹谕ㄟ^(guò)管道相連，燃盡室出口正對(duì)離心式渦輪；離心壓氣機(jī)和高速永磁電機(jī)中間位置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)軸承2懸掛和定位，高速永磁電機(jī)和管狀高溫燃料電池組連接變頻系統(tǒng)，熱量利用合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費(fèi)用較低，便于移動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)軸為立式布置和水平布置。
離心式渦輪和離心壓氣機(jī)為單級(jí)或多級(jí)。
燃盡室沿透平室圓周切線方向均勻布置，與透平室軸向方向垂直，個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
軸承I和軸承2為滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承中的一種。
板式回?zé)崞骱桶迨綋Q熱器為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。4.


圖I是本發(fā)明的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖的圖面說(shuō)明如下1.轉(zhuǎn)動(dòng)軸、2.離心式渦輪、3.透平室、4.燃盡室、5.離心壓氣機(jī)、6.高速永磁電機(jī)、7.軸承2、8.板式回?zé)崞鳌?.板式換熱器、10.變頻系統(tǒng)、11、軸承I、 12.管狀高溫燃料電池組5.具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的介紹圖I所示，本發(fā)明所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)軸(I)、離心式渦輪(2)、透平室(3)、燃盡室(4)、管狀高溫燃料電池組(12)、離心壓氣機(jī)(5)、高速永磁電機(jī)(6)、軸承(7)、板式回?zé)崞?8)、板式換熱器(9)和變頻系統(tǒng)(10)組成。沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸(I)依次向后排列透平室(3)、離心壓氣機(jī) (5 )和高速永磁電機(jī)(6 );透平室(3 )內(nèi)裝離心式渦輪(2 )，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸(I)上，透平室(3 ) 采用軸承I (11)定位；透平室(3 )前部依次設(shè)置板式回?zé)崞?8 )和板式換熱器(9 )，沿透平室(3)圓周切線方向均勻布置燃盡室(4)，燃盡室(4)入口為管狀高溫燃料電池組(12);離心壓氣機(jī)(5)出口與板式回?zé)崞?8)入口通過(guò)管道相連，管狀高溫燃料電池組(12)入口和板式回?zé)崞?8)出口通過(guò)管道相連，燃盡室(4)出口正對(duì)離心式渦輪(2);離心壓氣機(jī)(5)和高速永磁電機(jī)(6 )中間位置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(I)通過(guò)軸承(7 )懸掛和定位,高速永磁電機(jī)(6 )和管狀高溫燃料電池組(12)連接變頻系統(tǒng)(10)，熱量利用合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費(fèi)用較低，便于移動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)軸(I)為立式布置和水平布置。
離心式渦輪(2)和離心壓氣機(jī)(5)為單級(jí)或多級(jí)。4
燃盡室(4)沿透平室(3)圓周切線方向均勻布置，與透平室(3)軸向方向垂直，個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
軸承I (11)和軸承2(7)為滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承。
板式回?zé)崞?8)和板式換熱器(9)為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。
工作時(shí)，高壓燃?xì)馀c離心式壓氣機(jī)來(lái)的高壓空氣在管狀高溫燃料電池組的發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫高速燃?xì)膺M(jìn)入燃盡室進(jìn)一步燃燒，高速煙氣沿透平室圓周類切線方向噴入透平室，直接推動(dòng)離心式渦輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)，同軸高速旋轉(zhuǎn)的離心壓氣機(jī)為燃燒時(shí)提供高壓空氣，高速永磁電機(jī)產(chǎn)生的高頻電流和管狀高溫燃料電池組產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過(guò)變頻系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為50HZ或60HZ的常用電流外輸；從透平室中心流出的高溫燃?xì)庀扰c高壓空氣在板式回?zé)崞髦袚Q熱回收能量，然后再在板式換熱器中回收能量，實(shí)現(xiàn)電熱或冷量聯(lián)供，加之高溫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)耦合實(shí)現(xiàn)了燃料化學(xué)能的梯級(jí)利用，提高能源利用效率；偶數(shù)分布的燃盡室保證了離心式渦輪受力平衡，也為燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)燃燒時(shí)開(kāi)啟個(gè)數(shù)簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)發(fā)電量提供了手段；轉(zhuǎn)動(dòng)軸立式布置節(jié)省了空間，降低了中心軸的耐溫性和加工和使用的垂直度要求苛刻度；磁懸浮軸承減少了啟動(dòng)摩檫力，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)軸的精確定位和固定，便于燃?xì)廨啓C(jī)的快速啟動(dòng)。這些措施的采用使管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)熱量利用合理、發(fā)電效率高達(dá)80%以上、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費(fèi)用較低，便于移動(dòng)，更適合于分布式智能電網(wǎng)熱電冷多聯(lián)供使用。
權(quán)利要求
1.管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、離心式渦輪、透平室、燃盡室、管狀高溫燃料電池組、軸承I、離心壓氣機(jī)、高速永磁電機(jī)、軸承2、板式回?zé)崞鳌迨綋Q熱器和變頻系統(tǒng)組成，其技術(shù)特征是沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次向后排列透平室、離心壓氣機(jī)和高速永磁電機(jī)；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，透平室采用軸承I定位；透平室前部依次設(shè)置板式回?zé)崞骱桶迨綋Q熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機(jī)出口與板式回?zé)崞魅肟谕ㄟ^(guò)管道相連，管狀高溫燃料電池組入口和板式回?zé)崞鞒隹谕ㄟ^(guò)管道相連，燃盡室出口正對(duì)離心式渦輪；離心壓氣機(jī)和高速永磁電機(jī)中間位置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)軸承2懸掛和定位，高速永磁電機(jī)和管狀高溫燃料電池組連接變頻系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所說(shuō)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸為立式布置和水平布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所說(shuō)的離心式渦輪和離心壓氣機(jī)為單級(jí)或多級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所說(shuō)的燃盡室沿透平室圓周切線方向均勻布置，與透平室軸向方向垂直，個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所說(shuō)的軸承I和軸承2為滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所說(shuō)的板式回?zé)崞骱桶迨綋Q熱器為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提供管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃?xì)廨啓C(jī)，沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次向后排列透平室、離心壓氣機(jī)和高速永磁電機(jī)；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上；透平室前部依次設(shè)置板式回?zé)崞骱桶迨綋Q熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機(jī)出口與板式回?zé)崞魅肟谕ㄟ^(guò)管道相連，燃燒室入口和板式回?zé)崞鞒隹谕ㄟ^(guò)管道相連，燃燒室出口正對(duì)離心式渦輪；高速永磁電機(jī)連接變頻系統(tǒng)，發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費(fèi)用較低，便于移動(dòng)。
文檔編號(hào)F02C3/08GK102926871SQ20121046655
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者田原宇, 喬英云, 劉峰 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)