本發(fā)明涉及直接轉(zhuǎn)變化學(xué)能為電能的裝置和非變?nèi)菔綑C(jī)器或發(fā)動機(jī)聯(lián)合的發(fā)電裝置和系統(tǒng)，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(zhuǎn)熱機(jī)聯(lián)合組成的發(fā)電裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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(huán)境的能源利用方式，現(xiàn)有技術(shù)燃料電池就是這樣一類比較理想的發(fā)電方式，目前全球燃料電池與燃料電池堆棧(Stacks)技術(shù)發(fā)展迅速。燃料電池(Fuel Cell)是通過電化學(xué)反應(yīng)將存儲在碳?xì)浠衔锶剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，通過陽極中的氫氧化反應(yīng)和陰極中的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池用途廣泛，既可應(yīng)用于軍事、空間、發(fā)電廠領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)動車、移動設(shè)備、居民家庭等領(lǐng)域。

燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，其發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉(zhuǎn)化效率高；燃料電池系統(tǒng)的燃料到電能轉(zhuǎn)換效率通常在45%～60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火力發(fā)電和核能發(fā)電大約30%～40%的效率。發(fā)電使用的燃料，譬如，煤，石油和生物質(zhì)，通過氣化反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。這個過程不是開放的燃燒反應(yīng)，不對環(huán)境造成污染。燃料電池的發(fā)電過程是氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生純凈的水，對環(huán)境也沒有污染。

燃料電池發(fā)電站的安裝地點(diǎn)靈活,占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站，或是作為住宅或商業(yè)小區(qū)、工廠、大型建筑物的獨(dú)立電站都非常合適。負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。

燃料電池按其工作溫度在不同范圍，通常區(qū)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℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell 縮寫為PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell縮寫為 PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；而熔融碳酸鹽型燃料電池（molten carbonate fuel cell縮寫為MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（solid oxide fuel cell 縮寫為SOFC，工作溫度為750℃～1000℃）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(nèi)部將天然氣主成份CH₄改質(zhì)成H₂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。

當(dāng)然高溫燃料電池發(fā)電過程中，沒有轉(zhuǎn)換成電能的那些能量，形成了高溫?zé)崮?，有很好的熱發(fā)電能力。一些已公開的利用燃料電池余熱的技術(shù)，如專利CN1218421C，主要是通過與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；也有與蒸氣鍋爐結(jié)合，通過汽輪機(jī)來發(fā)電。這些技術(shù)所依賴的燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐和汽輪機(jī)都是大型設(shè)備，其發(fā)電功率都是在1兆瓦以上，投資和建設(shè)規(guī)模都很大，且汽輪機(jī)停止工作時整個發(fā)電系統(tǒng)都將停止。這些技術(shù)適用于大型的發(fā)電系統(tǒng)，對于小微型高溫燃料電池發(fā)電設(shè)備和小型的分布式高溫燃料電池發(fā)電站等應(yīng)用場合卻并不適用。

高溫燃料電池是體積小的發(fā)電設(shè)備，大規(guī)模發(fā)電是通過大量的燃料電池串聯(lián)和并聯(lián)來實現(xiàn)的。在整個系統(tǒng)中，部分燃料電池停止工作，不會影響整個發(fā)電系統(tǒng)的工作。發(fā)電容量的調(diào)節(jié)通過開啟工作燃料電池的數(shù)量來實現(xiàn)，讓每個燃料電池都在最佳點(diǎn)工作。正是因為這個特點(diǎn)，燃料電池非常適合構(gòu)建分布式發(fā)電和供電系統(tǒng)。在分布式的高溫燃料電池發(fā)電和供電系統(tǒng)的余熱利用方面，如果也能做到將余熱利用分散，當(dāng)部分的余熱利用停止時，不會影響整個系統(tǒng)的余熱利用停止，這樣整個發(fā)電和供電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性都將得到提高。

為了更好利用小微型高溫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程中的熱能，本發(fā)明將高溫燃料電池與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)合，構(gòu)成效率更高的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)對于小微型高溫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)有效利用高溫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的余熱，提高能源綜合利用效率，同時也提高了系統(tǒng)電力輸出的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種工作在500℃至1000℃范圍的高溫燃料電池和功率300千瓦以下旋轉(zhuǎn)熱機(jī)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括至少一個發(fā)電單元和用于電能傳輸?shù)碾娏斔拖到y(tǒng)；該發(fā)電單元又包括至少一套將輸入燃?xì)饨?jīng)電化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)化為電能的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)；所述高溫燃料電池裝置包括與電力輸送系統(tǒng)電連接的至少一組燃料電池堆單元、空氣管道系統(tǒng)和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)；所述空氣管道系統(tǒng)與各燃料電池堆單元的燃料電池堆空氣進(jìn)、出口連接，所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)與各燃料電池堆單元的燃料電池堆燃?xì)膺M(jìn)、出口連接；燃?xì)夂涂諝庠诟魅剂想姵囟褑卧邪l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能經(jīng)輸出電極傳送至電力輸送系統(tǒng)，對外輸出電力；所述各燃料電池堆單元呈環(huán)形設(shè)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(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)，包括共軸線連接的旋轉(zhuǎn)體、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)；所述驅(qū)動電機(jī)用于啟動和保持旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體中轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)與旋轉(zhuǎn)體共軸線連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，輸出到電力輸送系統(tǒng)對外輸出電力。

所述空氣管道系統(tǒng)包括空氣進(jìn)氣管、空氣進(jìn)氣流量閥門和空氣出氣管；所述空氣進(jìn)氣管經(jīng)空氣進(jìn)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(jìn)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(shè)置在各燃料電池堆單元的外圍，與燃料電池堆空氣進(jìn)氣口連接；空氣從空氣進(jìn)氣管進(jìn)入后，依次經(jīng)過空氣進(jìn)氣流量閥和空氣通道，又經(jīng)燃料電池堆空氣進(jìn)氣口進(jìn)入燃料電池堆單元進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)后的廢空氣經(jīng)燃料電池堆空氣出氣口進(jìn)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。

所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)包括燃?xì)膺M(jìn)氣管、燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥和燃?xì)獬鰵夤?；所述燃?xì)膺M(jìn)氣管 經(jīng)燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥與各燃料電池堆單元的燃料電池堆燃料進(jìn)氣口連接，各燃料電池堆單元的燃料電池堆出氣口與燃?xì)獬鰵夤苓B接；燃?xì)鈴娜細(xì)膺M(jìn)氣管進(jìn)入后，依次經(jīng)過燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥和燃料電池堆燃料進(jìn)氣口，進(jìn)入燃料電池堆單元進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)后的燃?xì)饨?jīng)燃料電池堆出氣口從燃?xì)獬鰵夤芘懦觥?/p>

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(shè)置在所述保溫外殼內(nèi)部；所述空氣管道系統(tǒng)、所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)和電力輸送系統(tǒng)均穿過保溫外殼進(jìn)入燃料電池堆單元，分別與燃料電池堆空氣進(jìn)出氣口、燃料電池堆燃?xì)膺M(jìn)出氣口和燃料電池堆電力輸出電極連接。

所述的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，還包括電控系統(tǒng)；所述電控系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動電機(jī)電連接，通過控制驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)的輸出電量。

所述電控系統(tǒng)與空氣進(jìn)氣流量閥電連接，通過控制進(jìn)入的空氣流量調(diào)節(jié)高溫燃料電池裝置的輸出電量。

所述電控系統(tǒng)與燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥電連接，通過控制進(jìn)入的燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)高溫燃料電池裝置的輸出電量。

所述高溫燃料電池裝置還包括用于回收排出廢燃?xì)鉄崃恳蕴嵘M(jìn)入燃?xì)鉁囟?、降低排出廢燃?xì)鉁囟鹊娜細(xì)鈸Q熱器，所述燃?xì)鈸Q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?xì)廨斎肟?、高溫燃?xì)廨敵隹?、高溫廢燃?xì)廨斎肟诤偷蜏貜U燃?xì)廨敵隹冢坏蜏厝細(xì)鈴娜細(xì)膺M(jìn)氣管直接地，或經(jīng)燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥后再從低溫燃?xì)廨斎肟谶M(jìn)入換熱主體，完成熱交換后變成高溫燃?xì)鈴母邷厝細(xì)廨敵隹谳敵龅饺剂想姵囟讶細(xì)膺M(jìn)氣口；從燃料電池堆燃?xì)獬鰵饪谳敵龅膹U燃?xì)饨?jīng)高溫廢燃?xì)廨斎肟谶M(jìn)入換熱主體進(jìn)行熱交換后變成低溫廢燃?xì)鈴牡蜏貜U燃?xì)廨敵隹谂懦龅饺細(xì)獬鰵夤堋?/p>

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(tǒng)；所述空氣加熱系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、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(fēng)機(jī)從大氣中獲取的低溫空氣從低溫空氣輸入口進(jìn)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(tǒng)的空氣進(jìn)氣管；從空氣管道系統(tǒng)的空氣出氣管輸出的廢空氣，經(jīng)高溫廢空氣輸入口進(jìn)入空氣換熱器進(jìn)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。

所述的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括用于將所述旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)與高溫燃料電池裝置固定連接的連接支架；所述驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)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。

同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果是：1、高溫燃料電池裝置與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)合后使得每個發(fā)電單元有獨(dú)立的余熱發(fā)電利用設(shè)施，旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行與燃料電池裝置的功率匹配，確保燃料電池裝置和旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)始終處于最佳配合狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的綜合發(fā)電效率；2、結(jié)構(gòu)上將旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)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(nèi)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(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)的低溫散熱端放置在燃料電池發(fā)電組保溫外殼的外面，直接向環(huán)境散熱，結(jié)構(gòu)簡單、吸熱和散熱效果好，維護(hù)方便；3、各發(fā)電單元可靈活連接及啟停，輕松實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電量總的控制，同時方便系統(tǒng)維護(hù)；4、高溫燃料電池裝置與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)合后的發(fā)電單元體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于運(yùn)輸?shù)诫娬窘ㄔO(shè)地點(diǎn)，安裝簡單方便，適合電站的快速建設(shè)和擴(kuò)容。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高溫燃料電池和旋轉(zhuǎn)熱機(jī)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)選實施例結(jié)構(gòu)的軸測投影示意圖；

圖2是所述優(yōu)選實施例之高溫燃料電池裝置120的軸測投影示意圖；

圖3是圖2軸測投影沿直徑方向剖切后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軸測投影示意圖；

圖4是所述優(yōu)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是所述優(yōu)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖1正投影的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明優(yōu)選實施例的系統(tǒng)框架示意圖之一；

圖8是本發(fā)明優(yōu)選實施例包括燃?xì)鈸Q熱器280的系統(tǒng)框架示意圖之二；

圖9是本發(fā)明優(yōu)選實施例之空氣加熱系統(tǒng)290的框架示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合各附圖對本發(fā)明的實施方式做進(jìn)一步詳述。

如圖1至7所示，本發(fā)明的優(yōu)選實施例之一包括至少一個發(fā)電單元100和用于電能傳輸?shù)碾娏斔拖到y(tǒng)500；該發(fā)電單元100又包括至少一套將輸入燃?xì)饨?jīng)電化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)化為電能的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130；所述高溫燃料電池裝置120包括與電力輸送系統(tǒng)500電連接的至少一組燃料電池堆單元125、空氣管道系統(tǒng)260和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)270；所述空氣管道系統(tǒng)260與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆空氣進(jìn)、出口1252，1254連接，所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)270與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆燃?xì)膺M(jìn)、出口1256，1258連接；燃?xì)夂涂諝庠诟魅剂想姵囟褑卧?25中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能經(jīng)輸出電極傳送至電力輸送系統(tǒng)500，對外輸出電力；所述各燃料電池堆單元125呈環(huán)形設(shè)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(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130，包括共軸線連接的旋轉(zhuǎn)體132、驅(qū)動電機(jī)133和發(fā)電機(jī)134；所述驅(qū)動電機(jī)133用于啟動和維持旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的旋轉(zhuǎn)體132的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)體132和驅(qū)動電機(jī)133一起做繞共軸線轉(zhuǎn)動；所述旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體132中轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)與旋轉(zhuǎn)體132共軸線連接的發(fā)電機(jī)134轉(zhuǎn)換為電能，輸出到電力輸送系統(tǒng)500對外輸出電力。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)實際功率需求來配置發(fā)電單元的數(shù)量。

如圖1至7所示，所述空氣管道系統(tǒng)260包括空氣進(jìn)氣管261、空氣進(jìn)氣流量閥門262和空氣出氣管266 ；所述空氣進(jìn)氣管261經(jīng)空氣進(jìn)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(jìn)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(shè)置在各燃料電池堆單元125的外圍；進(jìn)入燃料電池堆單元125進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)后的廢空氣經(jīng)燃料電池堆空氣出氣口1254進(jìn)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。

所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)270包括燃?xì)膺M(jìn)氣管271、燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥272和燃?xì)獬鰵夤?76；所述燃?xì)膺M(jìn)氣管271 經(jīng)燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥272與各燃料電池堆單元125的燃料電池堆燃料進(jìn)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?xì)獬鰵夤?76連接；燃?xì)鈴娜細(xì)膺M(jìn)氣管270進(jìn)入后，依次經(jīng)過燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥272和燃料電池堆燃料進(jìn)氣口1256，進(jìn)入燃料電池堆單元125進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)后的燃?xì)饨?jīng)燃料電池堆出氣口258從燃?xì)獬鰵夤?76排出。

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(shè)置在所述保溫外殼121內(nèi)部；所述空氣管道系統(tǒng)260、所述燃?xì)夤艿老到y(tǒng)270和電力輸送系統(tǒng)500均穿過保溫外殼121進(jìn)入燃料電池堆單元125，分別與燃料電池堆空氣進(jìn)出氣口1252，1254、燃料電池堆燃?xì)膺M(jìn)出氣口1256，1258和燃料電池堆電力輸出電極連接。

如圖7所示，所述的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)還包括電控系統(tǒng)600；所述電控系統(tǒng)600與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的驅(qū)動電機(jī)133電連接，通過控制驅(qū)動電機(jī)133的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的輸出電量。

如圖7所示，所述電控系統(tǒng)600與空氣進(jìn)氣流量閥262電連接，通過控制進(jìn)入的空氣流量調(diào)節(jié)高溫燃料電池裝置120的輸出電量。所述電控系統(tǒng)600與燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥272電連接，通過控制進(jìn)入的燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)高溫燃料電池裝置120的輸出電量。電控系統(tǒng)600還包括適量的傳感器，測量系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

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?xì)獬鰵夤?76之前還包括燃?xì)獬鰵饬髁靠刂崎y274。

所述空氣管道系統(tǒng)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。

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?xì)鉄崃恳蕴嵘M(jìn)入燃?xì)鉁囟?、降低排出廢燃?xì)鉁囟鹊娜細(xì)鈸Q熱器280，所述燃?xì)鈸Q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?xì)廨斎肟?82、高溫燃?xì)廨敵隹?84、高溫廢燃?xì)廨斎肟?83和低溫廢燃?xì)廨敵隹?85；低溫燃?xì)鈴娜細(xì)膺M(jìn)氣管270直接地，或經(jīng)燃?xì)膺M(jìn)氣流量閥272后再從低溫燃?xì)廨斎肟?82進(jìn)入換熱主體281，完成熱交換后變成高溫燃?xì)鈴母邷厝細(xì)廨敵隹?84輸出到燃料電池堆燃?xì)膺M(jìn)氣口1256；從燃料電池堆燃?xì)獬鰵饪?258輸出的廢燃?xì)饨?jīng)高溫廢燃?xì)廨斎肟?83進(jìn)入換熱主體281進(jìn)行熱交換后變成低溫廢燃?xì)鈴牡蜏貜U燃?xì)廨敵隹?85排出到燃?xì)獬鰵夤?76。

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(tǒng)290；所述空氣加熱系統(tǒng)290包括鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)296從大氣中獲取空氣，經(jīng)增壓后從低溫空氣輸入口292進(jìn)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(jìn)氣管261；從空氣出氣管266輸出的廢空氣，經(jīng)高溫廢空氣輸入口293進(jìn)入空氣換熱器297進(jìn)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。

如圖1和6所示，包括用于將所述旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130與高溫燃料電池裝置120固定連接的連接支架160；所述驅(qū)動電機(jī)133和發(fā)電機(jī)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。

如圖1和6所示，所述將熱能轉(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130，包括共軸線連接的旋轉(zhuǎn)體132、驅(qū)動電機(jī)133和發(fā)電機(jī)134；所述驅(qū)動電機(jī)133用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的旋轉(zhuǎn)體132做繞共軸線轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電機(jī)133用于旋轉(zhuǎn)體1320初始啟動。所述旋轉(zhuǎn)體132可以和發(fā)電機(jī)134直接連接；所述驅(qū)動電機(jī)133的轉(zhuǎn)軸和定子也可以分別與發(fā)電機(jī)134的轉(zhuǎn)軸和定子相連。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以通過控制驅(qū)動電機(jī)133的旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)整旋轉(zhuǎn)式熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的輸出電量。

本發(fā)明優(yōu)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(gòu)成，電解質(zhì)通常采用氧化鋯 ZrO₂，它構(gòu)成了O^2-的導(dǎo)電體氧化釔（Y₂O₃）作為穩(wěn)定化氧化鋯（YSZ）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用氧化鑭錳 LaMnO₃氧化鑭鉻隔板采用LaCrO₃。固體氧化物燃料電池的高溫燃料電池反應(yīng)式如下：

燃料極：H₂+O^2-==H₂O+2e^-

空氣極：1/2O₂+2e^-==O^2-

全體：H₂+1/2O₂==H₂O

燃料極，H₂經(jīng)電解質(zhì)而移動，與O^2-反應(yīng)生成H₂O和e^-?？諝鈽O，由O₂和e^-生成O^2-。全體同其他燃料電池一樣由H₂和O₂生成H₂O。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(nèi)部將天然氣主成份CH₄改質(zhì)成H₂加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

固體氧化物燃料電池的工作溫度范圍包括600℃～1000℃，優(yōu)選的溫度還可以是600℃至750℃或750℃至850℃。固體氧化物燃料電池很少需要對燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計更為簡單，且與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。在800℃下進(jìn)行了實驗，效果良好，可將其制成25～100kW級和50～200kW級高溫燃料電池裝置和旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。

當(dāng)然本發(fā)明中的高溫燃料電池裝置還可以是高溫工作范圍500℃至1000℃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(zhì)子交換膜燃料電池裝置。

所述高溫燃料電池裝置的燃?xì)庀到y(tǒng)使用的燃?xì)獍ㄓ校瑲錃?，天然氣和煤氣等，與其對應(yīng)燃?xì)夤艿酪策m用于具體不同類型的燃?xì)?。最簡單的是直連天然氣管道。復(fù)雜一點(diǎn)是利用排出廢燃?xì)獾娜紵裏崃浚瑢μ烊粴膺M(jìn)行重整，轉(zhuǎn)換為氫氣，再送入發(fā)電單元?？梢栽谌?xì)夤艿乐性黾訉γ汉吞烊粴膺M(jìn)行氣化的裝置和設(shè)備。

所述旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130的功率范圍根據(jù)高溫燃料電池裝置的溫度和功率范圍進(jìn)行匹配。 例如，燃料電池發(fā)電機(jī)輸入燃料的低熱值功率是100千瓦，燃料電池發(fā)電機(jī)在新的時候發(fā)電效率是60%，運(yùn)行一段時間后燃料電池發(fā)電機(jī)發(fā)電效率變化為50%，則可以選擇熱機(jī)的吸熱功率是在40千瓦至50千瓦之間以適應(yīng)燃料電池不同的運(yùn)行狀態(tài)；若熱機(jī)的發(fā)電效率是30%，則熱機(jī)的發(fā)電功率在12千瓦至15千瓦之間。

本發(fā)明中優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)130可以是如CN102121419B中所公開的旋轉(zhuǎn)式溫差動力裝置為核心的發(fā)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(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)。高溫燃料電池的工作溫度范圍不同與其配合的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)也可以做相應(yīng)的調(diào)整變化，使兩者匹配達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行效率。高溫燃料電池裝置可接受電控系統(tǒng)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(yīng)條件從而控制其輸出功率，同時旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)也接受電控系統(tǒng)的控制使其運(yùn)行狀態(tài)最佳并與高溫燃料電池裝置運(yùn)行狀態(tài)匹配最佳。

CN102121419B中所公開的旋轉(zhuǎn)式溫差動力裝置，包括進(jìn)氣導(dǎo)流圓盤和轉(zhuǎn)子；進(jìn)氣導(dǎo)流圓盤內(nèi)部的導(dǎo)流葉片呈彎曲狀，兩兩之間形成進(jìn)氣導(dǎo)流通道；轉(zhuǎn)子包括低溫葉輪、高溫葉輪及固定在轉(zhuǎn)子上的加熱器；低溫葉輪的內(nèi)徑大于高溫葉輪的內(nèi)徑，且兩者分別固定于轉(zhuǎn)子的兩端部；進(jìn)氣導(dǎo)流圓盤置于低溫葉輪一端，其進(jìn)氣導(dǎo)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(zhuǎn)式溫差動力裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，同時可以使用太陽能、燃?xì)獾茸鳛槟茉?，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(shè)備進(jìn)行加熱，輔助加熱設(shè)備的使用使轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能更加穩(wěn)定。

本發(fā)明將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分解為多個發(fā)電單元，每個發(fā)電單元有獨(dú)立的燃料和空氣供應(yīng)以及輸電和電控系統(tǒng)。即每個發(fā)電單元有獨(dú)立的余熱利用設(shè)施。各發(fā)電單元可以串聯(lián)或者并聯(lián)；當(dāng)需要對發(fā)電單元進(jìn)行維護(hù)時，可單獨(dú)停止一個發(fā)電單元的運(yùn)行，其它發(fā)電單元繼續(xù)工作為整個發(fā)電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力輸出。在發(fā)電運(yùn)行時，同時通過啟停發(fā)電單元的數(shù)量，實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電總量的控制。

在發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)上將旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)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(nèi)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(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)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(huán)境散熱。這樣的結(jié)構(gòu)簡單，吸熱和散熱效果好，維護(hù)方便。

本發(fā)明的優(yōu)選實施例是采用旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)，當(dāng)然也可以采用其他形式的非旋轉(zhuǎn)式的熱機(jī)；在優(yōu)選實施例中的旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，尤其適合與燃料電池裝置結(jié)合，組成高效的發(fā)電系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)熱機(jī)運(yùn)行的啟?？膳c燃料電池裝置的運(yùn)行同步，確保燃料電池裝置和旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)始終處于最佳配合狀態(tài)。

燃料電池裝置與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)合的獨(dú)立發(fā)電單元，體積能夠控制在普通貨車和集裝箱運(yùn)輸?shù)姆秶鷥?nèi)，易于運(yùn)輸?shù)诫娬窘ㄔO(shè)地點(diǎn)。安裝簡單方便，適合電站的快速建設(shè)和擴(kuò)容。

本發(fā)明的燃料電池裝置與旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)聯(lián)合能夠?qū)崿F(xiàn)很高發(fā)電效率。當(dāng)用于建筑物附近時，能夠?qū)崿F(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。通常的燃料電池裝置的低熱值發(fā)電效率在50%至60%。旋轉(zhuǎn)熱機(jī)發(fā)電機(jī)的余熱發(fā)電效率在30%至40%。這樣聯(lián)合發(fā)電效率能達(dá)到65%至76%，有效地實現(xiàn)節(jié)約能源，減少二氧化碳的排放。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。