CN102449835A - 具有燃料电池的再热式燃气涡轮系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及(参照图2)一种燃气涡轮系统，包括：气体压缩器(210)；上游热源，例如燃料电池(212)，其接收由压缩器(210)压缩的气体，并且加热通过该上游热源(和当燃料电池产生电力时)的气体；中间涡轮(220)，其接收之前在上游加热源处加热的气体，并且连接到压缩器(210)并驱动压缩器(210)；以及输出涡轮(240)，其接收通过中间涡轮(220)输出的气体。离开中间涡轮的膨胀气体通过下游燃烧室和/或下游燃料电池之一或二者到达到输出涡轮，藉此在膨胀气体在输出涡轮(240)中膨胀之前再加热膨胀气体。优选的是，该系统被构造成使得由输出涡轮(240)接收的气体的温度高于由中间涡轮(220)接收的气体的温度。

Description

具有燃料电池的再热式燃气涡轮系统
本发明涉及再热式燃气涡轮系统，特别地，涉及具有燃料电池的此种系统。
在已知的燃气涡轮系统中，固体氧化物燃料电池(SOFC)和燃烧室连续加热压缩器和涡轮之间的气流。
根据本发明的第一方面，提供了一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游燃料电池，该燃料电池接收由所述压缩器压缩的气体，并且产生电力并加热从所述上游燃料电池通过的气体；
中间涡轮，该中间涡轮接收离开第一燃料电池的加热气体，并连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；以及
输出涡轮，该输出涡轮接收所述中间涡轮输出的气体；其中：
离开了所述中间涡轮的膨胀气体通过下游燃烧室和/或下游燃料电池之一或二者到达到所述输出涡轮，藉此在所述膨胀气体在所述输出涡轮中膨胀之前再加热所述膨胀气体。
根据本发明的第二方面，提供了一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游燃烧室，该上游燃烧室接收所述压缩器压缩的气体，并且加热通过所述上游燃烧室的气体；
中间涡轮，该中间涡轮接收离开第一燃烧室的加热气体，并且连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；以及
输出涡轮，该输出涡轮接收所述中间涡轮输出的气体；其中：
离开了所述中间涡轮的膨胀气体通过下游燃料电池到达到所述输出涡轮，藉此在所述膨胀气体在所述输出涡轮中膨胀之前再加热所述膨胀气体。
本发明还涉及再热式燃气涡轮系统，该系统在中间涡轮的进口处和输出涡轮或输出喷嘴的进口处处具有不同的进口温度。
已知具有用于驱动高压压缩器的高压涡轮和用于驱动输出轴的独立的低压输出涡轮的燃气涡轮系统。通常，这种涡轮系统还会包括附加的燃烧室，该燃烧室位于高压涡轮和低压输出涡轮之间的流径中。
常规地，这种涡轮系统将在高压涡轮和输出涡轮二者处以最高涡轮进口温度运行，以便于获得最高效率。涡轮的进口温度受到制造涡轮的材料的物理特性限制。因此，为了保证涡轮系统能够以最高效率运行，常规的涡轮被制造成为能够经受最高温度。由于涡轮必须以昂贵的材料制造以具有尽可能高的耐热性，因此这种做法非常昂贵。
根据本发明的第三方面，提供了一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：压缩器；上游加热源，该上游加热源接收被所述压缩器压缩的气体并加热通过所述上游加热源的气体；高压涡轮，该高压涡轮接收离开所述上游加热源的加热气体，并且连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；下游燃烧室，该下游燃烧室接收离开所述高压涡轮的气体，并且加热通过所述下游燃烧室的气体；以及输出涡轮，该输出涡轮接收所述下游燃烧室输出地气体，其中：该系统被构造成使得所述输出涡轮接收的气体的温度高于所述高压涡轮接收的气体的温度。
根据本发明的第四方面，提供了一种运行燃气涡轮系统的方法，所述燃气涡轮系统包括：压缩器；上游加热源，该上游加热源接收被所述压缩器压缩的气体并加热通过所述上游加热源的气体；高压涡轮，该高压涡轮接收离开所述上游加热源的加热气体，并且连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；下游燃烧室，该下游燃烧室接收离开所述高压涡轮的气体，并且加热通过所述下游燃烧室的气体；以及输出涡轮，该输出涡轮接收所述下游燃烧室输出地气体，其中：控制所述输出涡轮接收的气体的温度以使得该温度与所述高压涡轮接收的气体的温度相差预定量。
参照附图，将仅以示例的方式描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的燃气涡轮的第一实施方式的示意图；
图1a示出了根据本发明的燃气涡轮的第一实施方式的变型例的示意图；
图2示出了根据本发明的燃气涡轮系统的第二实施方式的示意图；
图2a示出了燃气涡轮系统的图2的实施方式的第一变型例；
图2b示出了燃气涡轮系统的图2的实施方式的第二变型例；
图2c示出了燃气涡轮系统的图2的实施方式的第三变型例；
图3示出了根据本发明的燃气涡轮系统的第三实施方式的示意图；
图3a示出了燃气涡轮系统的图3的实施方式的第一变型例；
图4示出了根据本发明的燃气涡轮系统的第四实施方式的示意图；
图4a示出了燃气涡轮系统的图4的实施方式的第一变型例；
图4b示出了燃气涡轮系统的图4的实施方式的第二变型例；
图5示出了根据本发明的用于航空器的燃气涡轮的第五实施方式的示意图；以及
图6示出了根据本发明的用于航空器的燃气涡轮的第六实施方式的示意图。
在图1中可以看到，再热式燃气涡轮系统包括高压涡轮级，该高压涡轮级具有高压压缩器110，该高压压缩器110由高压涡轮120通过轴125驱动。来自上游燃烧室115(位于高压涡轮120的上游)的燃烧气体被提供给高压涡轮120。上游燃烧室115接收由高压压缩器110提供的压缩气体和由外部燃料源(未示出)提供的燃料。
高压涡轮120向下游燃烧室130(位于高压涡轮20的下游)提供气体。下游燃烧室130也接收由外部燃料源(未示出)提供的燃料。
下游燃烧室130向驱动输出轴145的输出涡轮140提供燃烧气体。
在使用中，在进口105处向高压压缩器10提供气体。轴125的旋转驱动该压缩器以压缩气体。接着，压缩气体被提供给上游燃烧室115，压缩气体在该上游燃烧室115中与诸如煤油、丙烷、天然气等的燃料混合并被点燃。接着，燃烧气体被提供给高压涡轮120。气体在高压涡轮120中膨胀。这种膨胀驱动了高压涡轮120，由此驱动了轴125。膨胀气体离开高压涡轮120并提供给下游燃烧室130，膨胀气体在下游燃烧室中再次与诸如煤油、丙烷、天然气等燃料混合并被点燃。接着，燃烧气体被提供给输出涡轮140，燃烧气体在输出涡轮140中膨胀，驱动了输出涡轮140。输出涡轮140通过驱动输出轴145而提供机械功输出。气体经由出口150从该涡轮系统排出。
该涡轮系统具有两个燃烧室115和130，它们分别供应高压涡轮和输出涡轮。传统的燃气涡轮理论规定：在再热式燃气涡轮系统中，通过运行两个燃烧室以为两个涡轮产生相同且尽可能高的涡轮进口温度，实现最高的循环效率。极限温度通常由构成高压涡轮和输出涡轮的材料的物理特性规定，涡轮被制造成具有同样高的温度极限。因此，常规上，两个涡轮120和140会由相同的材料制成，所以动力装置的整体成本包括具有同样高的温度极限的两个涡轮的成本。
与常规方法相比，第一实施方式的燃烧室被构造和布置成提供不同温度的燃烧气体。
上游燃烧室向高压涡轮提供具有高压涡轮进口温度的气体。下游燃烧室向输出涡轮提供具有输出涡轮进口温度的气体，该输出涡轮进口温度高于高压涡轮内部温度。具体地说，在这个实施方式中，输出涡轮进口温度尽可能高，而高压涡轮进口温度较低。因此，高压涡轮受到较低的热应力，因此可以由不太昂贵的材料制成。
涡轮120的典型进口温度范围应为600℃到1000℃。输出涡轮140的进口处的气体温度应为1400℃。输出(或动力)涡轮140以明显高于高压涡轮120(或“气体发生器”)的膨胀比运行。输出涡轮140在高机械应力下运行，而且必须在高温下运行，因而必须是构造良好且相对昂贵的部件。相反，高压涡轮120以低得多的膨胀比和较低的运行温度运行，这通常在当前的内燃涡轮增压器技术能力范围之内；因此高压涡轮可以是成本相对较低的制品。
优选的是，在选定的运行条件下，系统可以停止使用下游燃烧室130，同时仍然使用压缩器110、燃烧室115和涡轮120、140。这在车辆的混合驱动系统中能够非常有用。该驱动系统可具有第一运行模式，在该模式中，使用下游燃烧室130(同时压缩器110、燃烧室115和涡轮120、140也被使用并处于运行状态)，并且来自输出涡轮140的机械功率通过机械传动传送至例如汽车的驱动轮，由SOFC 215产生的电力例如用于为车辆的电池充电(或者驱动车辆的电动机)。该驱动系统还可以具有第二运行模式，在该模式中，不使用下游燃烧室30(同时仍然使用压缩器110、燃烧室115和涡轮120、140)，并且涡轮40被机械传动与车轮断开，并改为与发电机相连；因此在第二模式中，SOFC将产生直流电，并且与涡轮40相连的发电机将产生交流电。
如上所述，常规系统将被安排成维持涡轮进口温度，使得这些温度相同并尽可能高。在实际应用中，涡轮进口温度仅被控制为一定容限。换言之，在现有系统中，可能存在着进口温度的随机波动。因此，涡轮进口温度可能存在轻微的差异，但这些差异将仅是很小的差异。然而，这样的系统仍然会被认为是被构造成维持相同的涡轮进口温度。涡轮进口温度中的任何差异都是偶然的。对于在1400℃下运行的涡轮而言，进口温度的偶然差异应小于50℃。按百分比来说，约为3.5％。
与常规系统相比，旨在将本发明的实施方式构造成具有不同的涡轮进口温度。可以将所述差异预先确定为高压涡轮20与输出涡轮40的材料和结构的函数。另选地，可以将所述差异预先确定为用于将热引入高压涡轮20的下游的手段的函数。例如，预先确定为SOFC的最大输出温度的函数。
在优选的实施方式中，所述差异将大于50℃(对于在1400℃运行的涡轮而言，所述差异为3.5％)。在另一优选的实施方式中，例如在结合有SOFC 215的实施方式中，所述差异将大于400℃(对于在1400℃运行的涡轮而言，所述差异为28％)。
计算显示，在如图1中所示的再热式涡轮装置的情况下，并且假定涡轮40的进口温度为1390℃，则从理想的1390℃开始，涡轮20的进口温度每降低100℃，该涡轮装置的热效率就降低大约1.5％。从理想的1390℃开始，涡轮20的进口温度每降低100℃，则制动相关的燃料消耗率也增加大约1.5％。因此，本发明的提议有悖于公认的理论，但是申请人认为：本发明所实现的成本节约和简化会使再热式燃气轮机设备得到更加广泛地使用，并且该优点在重要性方面超过了效率的损失。
在图1的实施方式中，尽管涡轮120、140设置有不同的轴125、145，但是可以将这些涡轮布置在公共轴上。图1a中示出了这种方案，在图1a中，与图1的部件相当的部件用相同的附图标记标出，但是在这些附图标记后增加了后缀‘a’。附图标记125a和150a指代压缩器110a、涡轮120a和涡轮140都共用的轴的不同部分。在系统经受快速负荷变化时，优选图1的空闲动力涡轮140。如果系统在稳定状态下运行，则图1a的公共轴方案是优选的，因为这更有效率(例如，对于轴支撑来说，需要更少的轴承)，并且可更容易地以较小的整体体积封装。然而，图1a的变型例响应慢(在压缩器和两个涡轮机都在公共轴上的情况下，存在较大的惯量)，因此图1的变型例优选地用于车辆。
在上述第一实施方式中，尽管从高压压缩器110排出的压缩气体在上游燃烧室115中通过燃烧过程而被加热，但是由于没有将高压涡轮120的进口温度最大化，可以使用另选的热源取代上游燃烧室115。例如，如图2所示，可使用固体氧化物燃料电池(SOFC)212代替上游燃烧室115。
图2示出了根据本发明的第二实施方式的再热式燃气轮机系统。
再热式燃气涡轮机系统包括高压涡轮级，该高压涡轮级具有高压压缩器210，该高压压缩器210被高压涡轮220通过轴225驱动。
高压压缩器210向上游SOFC 212(高压涡轮220的上游)提供压缩气体。SOFC212向高压涡轮220直接提供加热的压缩气体。在本实施方式中，SOFC 212与高压涡轮220直接连通，即，没有任何中间燃烧室。
外部燃料源(未示出)向SOFC 212提供燃料。
高压涡轮220向下游燃烧室230(高压涡轮220的下游)提供气体。下游燃烧室230接收来自外部燃料源(未示出)的燃料供应。
下游燃烧室230向输出涡轮240提供燃烧气体，输出涡轮240通过驱动输出轴245提供机械功率输出。
在使用中，在进口205处向高压压缩器210提供气体。轴225的旋转驱动压缩器以压缩气体。接着，压缩气体被提供给上游SOFC 212，气体在SOFC 212中被加热。当增压时，SOFC通常以最高效率工作。
接着，加热的气体被提供给高压涡轮220。气体在高压涡轮220中膨胀。这种膨胀驱动了高压涡轮220，由此驱动了轴225。膨胀气体离开高压涡轮220并提供给燃烧室230，气体在燃烧室230中与诸如煤油、丙烷、天然气等燃料混合并被点燃。接着，燃烧气体被提供给输出涡轮240，并且在涡轮240中膨胀，驱动输出涡轮240并由此驱动输出轴245。气体经由出口250从该涡轮系统排出。
在上述第二实施方式中，在高压压缩器210的出口与高压涡轮220的进口之间传送的气体仅被SOFC 212加热。
SOFC不能将气体加热到像常规使用的燃烧室一样高的温度。因此，无需使用由昂贵的耐热材料制造的高成本的高压涡轮。SOFC的一般温度范围将会在600℃到1000℃。输出涡轮40的进口处的气体温度将会是1400℃。输出(或动力)涡轮240以明显高于高压涡轮220(或“气体发生器”)的膨胀比运行。涡轮240处于高机械应力下，而且必须在高温下运行，因而必须是构造良好且相对昂贵的部件。相反，涡轮220以明显更低的膨胀比运行并具有更低的运行温度，这通常在当前的内燃涡轮增压器技术能力范围内；因此高压涡轮可以是相对低成本的制品。
优选的是，在选定的运行条件下，系统可以停止使用下游燃烧室230，同时SOFC12、压缩器210、涡轮220和涡轮240仍然工作。这在车辆的混合驱动系统中能够非常有效。该驱动系统可具有第一运行模式，在该模式中，使用燃烧室230(同时SOFC212、压缩器210和涡轮机220、240也被使用并处于运行状态)，并且来自输出涡轮240的机械功率通过机械传动传送至例如汽车的驱动轮，由SOFC产生的电力例如用于为车辆的电池充电(或者驱动车辆的电动机)。该驱动系统还可以具有第二运行模式，在该模式中，不使用燃烧室230(而SOFC 212、压缩器210和涡轮220、240仍然被使用并处于运行状态)，并且涡轮240被机械传动与车轮断开，并且改为与发电机相连；因此在第二模式中，SOFC将产生直流电，并且与涡轮机240相连的发电机将产生交流电。在另选的操作方案中，轴245仅将涡轮240连接至发电机和单独用于驱动车辆的电动机；电力由SOFC 212独自产生或者由SOFC 212与由涡轮机240提供动力的发电机二者产生，例如，当需要更大的功率时--当涡轮240驱动发电机时，可以仅在需要高功率的情况下使用燃烧室240(不管是否使用燃烧室240，SOFC 212、压缩器210和涡轮220、240仍然被使用并处于运转状态)。
图2a示出了图2的实施方式的变型例。除了在SOFC 212与涡轮220之间连接有附加的燃烧室251以在气体在涡轮220中燃烧前向离开SOFC 212的气体提供额外的热以外，该变型例与图1的实施方式相同。燃烧室251可以持续运转或仅选择性地在燃气轮机系统需要的功率超出预设的阈值时运转。燃烧室251的使用可以通过减少SOFC必须增添到压缩气体的热量而减少SOFC 212的设计上的限制。
尽管图2和图2a二者都将输出涡轮240示为安装于独立的输出轴245上的空闲的动力涡轮，但动力涡轮可以安装在压缩器210、涡轮220和涡轮240都共用的轴上。这在图2c和图2d中示出，图2c示出了如何使用公共轴来构造图2的系统，并且图2d示出了如何使用公共轴来构造图2b的系统。上面讨论了空闲动力涡轮和公共轴方案的优点和缺点。
图3示出了根据本发明第三实施方式的再热式燃气涡轮系统。
该再热式燃气涡轮系统包括高压涡轮级，该高压涡轮级具有高压压缩器310，该高压压缩器310被高压涡轮320通过轴325驱动。来自上游燃烧室315(高压涡轮320的上游)的燃烧气体被提供给高压涡轮320。
高压压缩器310向上游SOFC 312(高压涡轮320的上游)提供压缩气体。上游SOFC 312向第一燃烧室315提供加热的压缩气体。
来自外部燃料源(未示出)的燃料被提供给上游SOFC 312。来自外部燃料源(未示出)的燃料也被提供给上游燃烧室315。
高压涡轮320向下游SOFC 327(高压涡轮320的下游)提供气体。下游SOFC 327向下游燃烧室330提供气体。下游SOFC 327接收来自外部燃料源(未示出)的燃料供应。下游燃烧室330也接收来自外部燃料源(未示出)的燃料供应。
下游燃烧室330向输出涡轮340提供燃烧气体，该输出涡轮340驱动输出轴345。
在使用中，在进口305处向高压压缩器310提供气体。轴325的旋转驱动了压缩器以压缩气体。接着，压缩气体被提供给上游SOFC 327，气体在SOFC 327中被加热。
接着，压缩气体被提供给上游燃烧室315，气体在上游燃烧室315中与例如煤油、丙烷、天然气等燃料混合并被点燃。接着，燃烧气体被提供给高压涡轮320。气体在高压涡轮320中膨胀。这种膨胀驱动了高压涡轮320，由此驱动了轴325。膨胀的气体离开高压涡轮320并提供给下游SOFC 327，气体在SOFC 327中被进一步加热。接着，气体被提供给下游燃烧室330，气体在下游燃烧室330再次与例如煤油、丙烷、天然气等燃料混合并被被点燃。接着，燃烧的气体被提供给输出涡轮340，气体在输出涡轮340中膨胀，驱动输出涡轮340并由此驱动输出轴345。气体经由出口350从该涡轮系统中排出。
如在上述实施方式中那样，输出(或动力)涡轮350以高于高压(或“气体发生器”)涡轮320的膨胀比以及较高的进口温度运行。输出涡轮被轴345连接到车辆的驱动轮和/或发电机。
在上述第三实施方式中，SOFC和燃烧室按照串联结构布置。
然而，在上述第三实施方式中公开的串联结构包括在气体流动方向上位于燃烧室之前的SOFC，同样可以在气体流动方向上将SOFC设置在燃烧室之后。SOFC和燃烧室可以按照这个顺序设置在高压涡轮之前或高压涡轮之后和输出涡轮之前。
利用第二SOFC提供再热使得装置能够高效运行，并且使得能够在多种运行条件下提供大功率输出。如果在车辆中使用该燃气涡轮系统，则可以使得第一和第二燃烧室315和330能够受到控制，以使装置能够在第一模式和第二模式中运行，在第一模式中，使用燃烧室315、330二者(使用SOFC 312、327二者，使用压缩器312并使用涡轮320、340)，并且涡轮240与车辆的驱动轮相连，在第二模式中，不使用燃烧室315、330(但使用SOFC 312、327、仍然使用压缩器310和涡轮320、340)，并且涡轮340与驱动轮断开(并且可能与发电机相连接以产生交流电)；在此模式中，SOFC312和SOFC 327将提供直流电。第三种运行模式也是可能的，在此模式中，仅停止使用燃烧室330(并且仍然将SOFC 312、327与燃烧室315、压缩器310和涡轮机320、340一起使用)，并且在此模式中，涡轮机340与驱动轮断开(并且优选地与发电机相连接以产生交流电)；SOFC 312和SOFC 327二者都将产生直流电以为电池充电或驱动电动机。燃烧室315、330的使用可以为车辆的加速和/或车辆的高巡航速度提供动力。
尽管图3将输出涡轮340示为安装在独立的输出轴345上的空闲的动力涡轮，但动力涡轮可以安装在压缩器310、涡轮机320和涡轮机340都共用的轴上。图3a中示出了如何使用公共轴来构造图3的系统。上面讨论了空闲动力涡轮及公共轴方案的优点和缺点。
图4示出了根据本发明的另一个实施方式的再热式燃气涡轮系统。
该再热式燃气涡轮系统包括高压涡轮级，该高压涡轮级具有高压压缩器410，该高压压缩器由高压涡轮420通过轴425驱动。
高压压缩器410分成两路地提供压缩气体。第一路径向上游SOFC 412(涡轮机420的上游)提供压缩气体。第二路径向上游燃烧室415(涡轮机420的上游)提供压缩气体。
来自外部燃料源(未示出)的燃料被提供给上游SOFC 412。来自外部燃料源(未示出)的燃料还提供给上游燃烧室415。
来自上游SOFC 412的加热气体和来自上游燃烧室415的燃烧气体融合成一路以提供给高压涡轮420。
高压涡轮420分成两路地提供气体。第一路径向下游SOFC 427(涡轮机420的下游)提供压缩气体。第二路径向下游燃烧室430(涡轮机420的下游)提供压缩气体。
来自外部燃料源(未示出)的燃料被提供给下游SOFC 427。来自外部燃料源(未示出)的燃料还被提供给上游燃烧室430。
来自下游SOFC 427的加热气体和来自下游燃烧室430的燃烧气体融合成一路以提供给输出涡轮440，输出涡轮440驱动输出轴445。
在使用中，在进口405处向高压压缩器410提供气体。轴425的旋转驱动了压缩器以压缩气体。接着，压缩气体被提供给上游SOFC 412和上游燃烧室415，气体在SOFC 412中被加热，并且在上游燃烧室415中与燃料混合并被点燃。
接着，来自上游SOFC 412的加热气体与来自上游燃烧室415的燃烧气体的组合气流被提供给高压涡轮420。气体在高压涡轮320中膨胀。这种膨胀驱动了高压涡轮420，由此驱动了轴425。膨胀气体离开高压涡轮420，并分成分别通向下游SOFC 427和下游燃烧室430的两个路径。膨胀气体在下游SOFC 427中被加热，并且在下游燃烧室430中与燃料混合并被点燃。
接着，来自最后的SOFC 427的加热气体与来自最后的燃烧室430的燃烧气体的组合气流被提供给输出涡轮440，气体在该涡轮中膨胀，驱动了输出涡轮440，由此驱动了输出轴445。气体经由出口450从涡轮系统排出。
在上述图4的实施方式中，SOFC和燃烧室按照并联结构布置。
在需要继续使用SOFC 412和430、压缩器410、涡轮机420和440的同时停止使用燃烧室415和430时，可以优选地采用SOFC与燃烧室的并联结构；在这种情况下，可以在流径中结合阀调以将所有气流引导至SOFC。
尽管图4将输出涡轮440示为安装在独立的输出轴445上的空闲动力涡轮，但是动力涡轮机440可以安装在压缩器410、涡轮机420和涡轮机440共用的轴上。图4a示出了如何利用公共轴来构造图4的系统。上面讨论了空闲动力涡轮及公共轴方案的优点和缺点。
上述装置中的任一个都可以结合往复式发动机或旋缸式发动机，例如，增压式柴油发动机或增压式火花点火发动机。可以将离开了第二涡轮140、240、340、440的膨胀气体提供给这种发动机，以为发动机压缩增压。另选的是，前述实施方式中的任一个都可适于从压缩器110、120、310、410向发动机提供压缩增压空气；在图4b中对此进行了例示，图4b示出了图4系统的变型例，在该变型例中，将供应线路451示为将来自压缩器410的压缩空气作为增压空气提供给内燃机。
将流出上述高压涡轮120、220、320、420的部分燃烧气体再加热的能力使得能够从装置中汲取更大的功率。然而在一些区域可能存在效率的损失，再加热降低了装置整体的与制动相关空气消耗，使得能够从相同大小的装置输出更大的功率。
在上述图3、图3a、图4和图4a的实施方式中，再热式燃气涡轮系统具有两个加热级，每个加热级都包括串联结构或并联结构的SOFC和燃烧室。第一加热级可以包括一种结构(串联或并联)的第一SOFC和第一燃烧室，而第二加热级可以包括另一种结构(串联或并联)的第二SOFC和第二燃烧室。此外，本发明的实施方式不限于仅具有两个加热级和一个中间涡轮及随后的一个输出涡轮，而是可以适用于具有任意数量的加热级和涡轮级的再热式燃气涡轮系统。在这些实施方式中，在每个加热级中，SOFC和燃烧室的任意构造都是可能的。
技术人员应理解的是，上面公开的实施方式可等同地适用于使用输出喷嘴以代替上述输出涡轮的推进系统。在图5中示出了本发明的第一实施方式中在航空器中的特别用途的例子。
在图5的实施方式中，压缩器级510压缩空气，然后将压缩的空气传送到被提供了碳氢燃料的上游燃烧室515，获得的燃烧后热气体被提供给涡轮520，气体在该涡轮中发生膨胀，连接涡轮520以通过轴425驱动压缩器510。接着，膨胀气体穿过均被提供有燃料的下游SOFC 527和下游再热燃烧室530的并联结构。接着，再热气体在作为输出喷嘴(具有一个或多个阀的涡轮喷气航空发动机、涡轮风扇航空发动机或涡轮轴航空发动机)的输出涡轮级540中膨胀。
图6中示出了变型为推进系统(例如，航空器的推进系统)的图1实施方式，该推进系统具有输出喷嘴640以替代上述的输出涡轮140。输出喷嘴340输出推力以推进航空器(例如，飞机)。
在图5和图6二者的实施方式中，上游燃烧室向高压涡轮提供具有高压涡轮进口温度的气体。下游燃烧室向输出涡轮提供具有输出涡轮进口温度的气体，输出涡轮进口温度高于高压涡轮内部温度。具体来说，输出涡轮的进口温度尽可能高，而高压涡轮进口温度较低。因此，高压涡轮经受较低的热应力，并且可由此由不太昂贵的材料制成。
尽管上面已描述了固体氧化物燃料电池，也可以使用其它类型的燃料电池。
尽管未示出，但是可以以本领域公知的方式将热交换器插入所示的任一燃气涡轮系统中。

Claims (31)

1.一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游燃料电池，所述上游燃料电池接收由所述压缩器压缩的气体，并且产生电力并加热通过所述上游燃料电池的气体；
中间涡轮，所述中间涡轮接收之前在所述上游燃料电池中被加热的气体，并且所述中间涡轮连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；以及
输出涡轮，所述输出涡轮接收由所述中间涡轮输出的气体；其中：
离开所述中间涡轮的膨胀气体通过下游燃烧室和/或下游燃料电池中任一个或二者到达所述输出涡轮，藉此在所述膨胀气体在所述输出涡轮中膨胀之前再加热所述膨胀气体。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统还包括：上游燃烧室，该上游燃烧室与接收并加热由所述压缩器压缩的气体的所述上游燃料电池并联布置。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统还包括：上游燃烧室，该上游燃烧室与接收并加热由所述压缩器压缩的气体的所述上游燃料电池串联布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，下游燃烧室和下游燃料电池二者并联地布置在所述中间涡轮和所述输出涡轮之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，下游燃烧室和下游燃料电池二者串联地布置在所述中间涡轮和所述输出涡轮之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，在所述燃料电池、所述压缩器和所述涡轮仍然运转的同时，能够选择性地使用和停止使用所述燃烧室或所述燃烧室中的至少一个。
7.一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游燃烧室，所述上游燃烧室接收由所述压缩器压缩的气体并加热通过所述上游燃烧室的气体；
中间涡轮，所述中间涡轮接收离开所述第一燃料室的加热气体，并且所述中间涡轮连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；以及
输出涡轮，所述输出涡轮接收由所述中间涡轮级输出的气体；其中：
离开所述中间涡轮的膨胀气体通过下游燃料电池到达所述输出涡轮，藉此在所述膨胀气体在所述输出涡轮中膨胀之前再加热所述膨胀气体。
8.根据权利要求8所述的燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统还包括与所述下游燃料电池并联布置的下游燃烧室。
9.根据权利要求7所述的燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统还包括与所述下游燃料电池串联布置的下游燃烧室。
10.根据权利要求8或9所述的燃气涡轮系统，其中，能够选择性地使用和停止使用所述下游燃烧室。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，所述中间涡轮以第一进口温度和第一膨胀比运行，并且所述输出涡轮以高于所述第一进口温度的第二进口温度和大于所述第一膨胀比的第二膨胀比运行。
12.一种混合动力陆上车辆，该混合动力陆上车辆具有：至少一个电动机，所述至少一个电动机用于驱动所述车辆的至少一个从动轮；电池，其用于储存电力；权利要求6或权利要求11所述的燃气涡轮系统；传动系统，其能够将所述燃气涡轮系统的所述输出涡轮选择性地连接到从动轮；以及控制器，其控制所述电动机、所述燃气涡轮系统和所述传动系统的运转，其中所述控制器能够在所述车辆的至少第一运行条件和第二运行条件之间进行选择：
在第一运行条件中，所述电动机驱动所述从动轮，停止使用所述燃气涡轮系统的至少一个燃烧室，所述传动系统将所述输出涡轮级与被驱动的车轮断开，并且所述燃气涡轮系统的所述燃料电池发电以向所述电动机供电；并且
在第二运行条件中，使用所述燃气涡轮系统的所有燃烧室，所述传动系统将所述输出涡轮级连接到被驱动的车轮，并且所述输出涡轮用于驱动所述从动轮，同时所述燃气涡轮系统的所述燃料电池发电以为所述电池充电或向所述电动机供电，在所述第二运行条件中，所述从动轮能够由所述输出涡轮独自驱动，或者能够由所述输出涡轮与所述电动机并行地驱动。
13.根据权利要求12所述的混合动力陆上车辆，该混合动力陆上车辆还包括发电机，该发电机能够通过所述传动系统连接到所述燃气涡轮系统的所述输出涡轮级，并且在所述第一运行条件中，所述传动系统将所述输出涡轮级与被驱动的车轮断开，并且将所述输出涡轮级连接到所述发电机，所述发电机发电以向所述电动机供电，在所述第二运行条件中，机械传动将所述输出涡轮级连接到被驱动的车轮，并使所述输出涡轮级与所述发电机断开。
14.一种混合动力陆上车辆，该混合动力陆上车辆具有：至少一个电动机，所述至少一个电动机用于驱动所述车辆的至少一个从动轮；电池，其用于储存电力；发电机；权利要求6或权利要求11所述的燃气涡轮系统；传动系统，其能够将所述燃气涡轮系统的所述输出涡轮选择性地连接到所述发电机；以及控制器，其控制所述燃气涡轮系统和所述传动系统的运转，其中所述控制器能够在所述车辆的至少第一运行条件和第二运行条件之间进行选择：
在第一运行条件中，停止使用所述燃气涡轮系统的至少一个燃烧室，所述传动系统将所述输出涡轮级与所述发电机断开，并且所述燃气涡轮系统的所述燃料电池发电以向所述电动机供电；并且
在第二运行条件中，使用所述燃气涡轮系统的所有燃烧室，所述传动系统将所述输出涡轮级连接到所述发电机并驱动所述发电机发电以向所述电动机供电，并且所述燃气涡轮系统的所述燃料电池也发电以为所述电池充电或为所述电动机供电，所述电动机驱动所述从动轮。
15.一种车辆，该车辆包括：权利要求1至11中任一项所述的燃气涡轮与压缩点火或火花点火内燃机的组合，其中，所述燃气涡轮系统用于提供加压空气作为所述内燃机的进气。
16.一种航空器，该航空器包括权利要求1至11中任一项所述的燃气涡轮系统，其中所述输出涡轮充当所述航空器的推进喷嘴或连接到所述航空器的推进喷嘴。
17.一种燃气涡轮系统，该燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游热源，所述上游热源接收由所述压缩器压缩的气体，并且加热通过所述上游热源的气体；
高压涡轮，所述高压涡轮接收离开所述上游热源的加热气体，并且所述高压涡轮连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；
下游燃烧室，所述下游燃烧室接收离开所述高压涡轮的气体，并且加热通过所述下游燃烧室的气体；以及
输出涡轮，所述输出涡轮接收由所述下游燃烧室输出的气体；其中：
该系统被构造成使得所述输出涡轮接收的气体的温度高于由所述高压涡轮接收的气体的温度。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮系统，其中，所述上游热源是燃烧室。
19.根据权利要求17或18所述的燃气涡轮系统，其中，所述上游热源是燃料电池。
20.根据权利要求19所述的燃气涡轮系统，其中，所述上游热源是固体氧化物燃料电池。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，该系统被构造成使得所述输出涡轮接收的气体的温度与所述高压涡轮接收的气体的温度之间的差异至少为50℃。
22.根据权利要求17至20中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，该系统被构造成使得所述输出涡轮接收的气体的温度与所述高压涡轮接收的气体的温度之间的差异至少为400℃。
23.根据权利要求17至20中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，所述输出涡轮经由输出轴输出机械传动。
24.一种包括燃气涡轮的陆上车辆，所述燃气涡轮包括权利要求23所述的燃气涡轮系统，其中，所述输出轴与所述车辆的一个或更多个从动轮相连接。
25.根据权利要求17至22中任一项所述的燃气涡轮系统，其中，所述输出涡轮包括提供推力的推进喷嘴。
26.一种航空器，该航空器包括权利要求25所述的燃气涡轮系统，其中，所述推力用于推进所述航空器。
27.一种混合动力陆上车辆，其包括权利要求19所述的燃气涡轮系统，其中：
所述燃料电池用于提供电力以驱动所述车辆的电动机，和/或为所述车辆的一个或更多个电池充电；并且
所述输出涡轮经由输出轴输出机械传动，并且设置有传动系统以将所述输出轴选择性连接到所述车辆的一个或更多个从动轮，所述传动系统在所述车辆的驾驶员的控制下和/或在车辆电子控制系统的控制下将所述输出轴连接到所述从动轮。
28.一种运行燃气涡轮系统的方法，所述燃气涡轮系统包括：
压缩器；
上游热源，所述上游热源接收由所述压缩器压缩的气体，并且加热通过所述上游热源的气体；
高压涡轮，所述高压涡轮接收离开所述上游热源的加热气体，并且所述高压涡轮连接到所述压缩器并驱动所述压缩器；
下游燃烧室，所述下游燃烧室接收离开所述高压涡轮的气体，并且加热通过所述下游燃烧室的气体；以及
输出涡轮，所述输出涡轮接收由所述下游燃烧室输出的气体；其中
控制由所述输出涡轮接收的气体的温度，使得该温度与由所述高压涡轮接收的气体的温度相差预定量。
29.根据权利要求28所述的运行燃气涡轮系统的方法，其中，控制由所述输出涡轮接收的气体的温度，使得该温度高于由所述高压涡轮接收的气体的温度。
30.根据权利要求28或29所述的运行燃气涡轮系统的方法，其中，所述预定差异至少为50℃。
31.根据权利要求28或29所述的运行燃气涡轮系统的方法，其中，所述预定差异至少为400℃。
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