CN110594040A - 一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，属于火箭发动机技术领域。本发明解决了现有的火箭发动机供给系统无法满足对小型运载火箭较短研发周期和较高灵活性要求的问题。电动燃料泵的入口与燃料罐连通，电动燃料泵的出口分别与若干冷却通道的入口连通，每个冷却通道的出口均与固体氧化物燃料电池的阳极入口及所述燃料喷射器连通；电动氧化剂泵的入口与氧化剂罐连通，电动氧化剂泵的出口分别与固体氧化物燃料电池的阴极入口及氧化剂喷射器连通，所述固体氧化物燃料电池与电能控制分配系统电联接，且电能控制分配系统分别与蓄电池及电动机电联接，所述电动机、所述电动氧化剂泵以及所述电动燃料泵同轴固接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，属于火箭发动机技术领域。
背景技术
近年来，国内外掀起了微小卫星应用研究的热潮，世界航天界开始面向微小卫星发射服务市场，研制低成本、高可靠性、更具灵活性的小型运载火箭。供给系统是火箭发动机的重要部分，常规的供给方式是挤压式和泵压式系统。挤压式系统比较简单，但需要高压气体/气瓶/贮箱，故系统的结构质量较大，一般适应于推力较小、总冲需求较低的推进系统。泵压式推进系统的结构质量相对较小，但发动机需要复杂的涡轮泵系统，研制成本高、周期长，一般适应于推力较大、总冲需求较高的推进系统。与挤压式发动机相比，电动泵压式发动机的燃烧室工作压强更高，并且在发动机长时间工作时具有结构质量更小的优势；而与涡轮泵压式发动机相比，电动泵压式发动机则具有结构简单可靠，研发周期短，制造成本低，推力调节灵活等优点。
随着电池和电机技术的进步，小推力、低总冲需求的推进系统采用电动泵推进剂供应系统已经成为可能。2017年5月，使用电动泵供应系统的“ELECTRON”小型运载火箭发射成功。电机与蓄电池的质量占电动泵供应系统总质量80％以上，并且电池质量会随着工作时间的增加而迅速增加，其所占比例将会超过50％。所以在长时间工作时，能量密度较低(最大约为500Wh/kg)的蓄电池将使得电动泵供应系统失去重量上的优势。
发明内容
本发明是为了解决现有的火箭发动机供给系统无法满足对小型运载火箭较短研发周期和较高灵活性要求的问题，进而提供了一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，它包括燃料罐、电动燃料泵、氧化剂罐、电动氧化剂泵、固体氧化物燃料电池、电能控制分配系统、电动机、蓄电池、燃烧室及主喷管，主喷管的外壁围设有若干冷却通道，所述燃烧室包括燃料喷射器及氧化剂喷射器，
电动燃料泵的入口与燃料罐连通，电动燃料泵的出口分别与若干冷却通道的入口连通，每个冷却通道的出口均与固体氧化物燃料电池的阳极入口及所述燃料喷射器连通；电动氧化剂泵的入口与氧化剂罐连通，电动氧化剂泵的出口分别与固体氧化物燃料电池的阴极入口及氧化剂喷射器连通，所述固体氧化物燃料电池与电能控制分配系统电联接，且电能控制分配系统分别与蓄电池及电动机电联接，所述电动机、所述电动氧化剂泵以及所述电动燃料泵同轴固接。
进一步地，一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统还包括次喷管，固体氧化物燃料电池的阳极出口及阴极出口均与次喷管连通。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
一、固体氧化物燃料电池系统提供电能为推进剂增压，可显著降低火箭发动机质量，更易控制，与现有技术相比，取消了外部重整器，降低系统复杂度，研制周期也将大大缩短；
二、碳氢燃料在冷却通道吸收火箭发动机热量，实现发动机热防护的同时完成升温，高温的碳氢燃料裂解成小分子燃料，满足燃料电池对燃料成分和工作温度的高要求。
三、本申请的燃料电池供给系统启动时，电能控制分配系统启动蓄电池为电动燃料泵及电动氧化剂泵提供电能，以解决燃料电池启动速度慢的问题；在固体氧化物燃料电池正常工作时，电能控制分配系统将多余的电能储存在蓄电池中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，它包括燃料罐1、电动燃料泵2、氧化剂罐3、电动氧化剂泵4、固体氧化物燃料电池5、电能控制分配系统6、电动机7、蓄电池8、燃烧室9及主喷管10，主喷管10的外壁围设有若干冷却通道11，所述燃烧室9包括燃料喷射器及氧化剂喷射器，
电动燃料泵2的入口与燃料罐1连通，电动燃料泵2的出口分别与若干冷却通道11的入口连通，每个冷却通道11的出口均与固体氧化物燃料电池5的阳极5-1入口及所述燃料喷射器连通；电动氧化剂泵4的入口与氧化剂罐3连通，电动氧化剂泵4的出口分别与固体氧化物燃料电池5的阴极5-2入口及氧化剂喷射器连通，所述固体氧化物燃料电池5与电能控制分配系统6电联接，且电能控制分配系统6分别与蓄电池8及电动机7电联接，所述电动机7、所述电动氧化剂泵4以及所述电动燃料泵2同轴固接。
因燃料喷射器及氧化剂喷射器均为现有技术，故在图1中未示出。
燃烧室9与主喷管10为一体连接结构，是火箭发动机的主体部分。电动燃料泵2与电动氧化剂泵4分别使燃料及氧化剂增压进入火箭发动机的燃烧室9。
固体氧化物燃料电池(SOFC)为现有技术，能量密度高(可达4000Wh/kg)、效率高(一般大于50％)、可直接使用碳氢燃料且不需要贵金属催化剂。
所述固体氧化物燃料电池5内发生电化学反应为电动机7提供电能，通过电能控制分配系统6控制电动机7转速以调节电动燃料泵2和电动氧化剂泵4的流量。
燃料及氧化剂均为推进剂。
所述火箭发动机使用碳氢燃料，碳氢燃料经过主喷管10管壁，对主喷管10管壁进行再生冷却；同时，碳氢燃料在高温条件下裂解成小分子燃料。
所述固体氧化物燃料电池5由多个电池堆组合而成，每个电池堆由多个单电池串、并联而成。
固体氧化物燃料电池5发生电化学反应为电机提供电能，通过电能控制分配系统6实现电能的分配和调节，控制电机转速以调节氧化剂泵4和燃料泵的流量。
本申请的燃料电池供给系统启动时，电能控制分配系统6启动蓄电池8为电动燃料泵2及电动氧化剂泵4提供电能，以解决燃料电池启动速度慢的问题；在固体氧化物燃料电池5正常工作时，电能控制分配系统6将多余的电能储存在蓄电池8中。
本发明在考虑小型运载火箭研发周期短、更高灵活性的基础下，提出一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，采用固体氧化物燃料电池5产生电能，驱动电动泵为推进剂增压。
火箭使用碳氢燃料，碳氢燃料通过电动燃料泵2增压后，进入冷却通道11进行火箭发动机的热防护，升温后一部分碳氢燃料进入燃烧室9中进行燃烧产生推进功；另一部分碳氢燃料进入固体氧化物燃料电池5的阳极5-1，高温的固体氧化物燃料电池5可以直接使用碳氢燃料进行电化学反应。与现有技术相比，取消了外部重整器，降低系统复杂度。
氧化剂通过电动氧化剂泵4增压后，一部分通入燃烧室9中与碳氢燃料混合燃烧；另一部分通入固体氧化物燃料电池5的阴极5-2为电化学反应提供氧气。
一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统还包括次喷管12，固体氧化物燃料电池5的阳极5-1出口及阴极5-2出口均与次喷管12连通。所述固体氧化物燃料电池5的尾气在次喷管12中燃烧。固体氧化物燃料电池5的阳极5-1尾气中含有未反应完的碳氢燃料，将固体氧化物燃料电池5的阳极5-1、阴极5-2尾气混合后进入火箭附加的次喷管12中，高温尾气在次喷管12中燃烧并加速，增加火箭的总推力。
现有技术中单纯的燃料电池如果使用碳氢燃料可能存在积碳问题，所以碳氢燃料需要重整，需要额外的热量和装置，且燃料电池出口的高温能量无法利用，造成极大的浪费。现有技术中单纯的火箭发动机需要蓄电池带动电动泵，且发动机壁面温度过高存在风险。通过本申请将燃料电池替代蓄电池和火箭发动机相结合，一方面利用了火箭发动机壁面的高温能量给碳氢燃料高温裂解，同时冷却了火箭发动机壁面；另一方面燃料电池产生电能带动电动泵，出口的高温能量通过次喷管产生推力。实现“1+1>2”的效果。
Claims (2)
1.一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，其特征在于：它包括燃料罐(1)、电动燃料泵(2)、氧化剂罐(3)、电动氧化剂泵(4)、固体氧化物燃料电池(5)、电能控制分配系统(6)、电动机(7)、蓄电池(8)、燃烧室(9)及主喷管(10)，主喷管(10)的外壁围设有若干冷却通道(11)，所述燃烧室(9)包括燃料喷射器及氧化剂喷射器，
电动燃料泵(2)的入口与燃料罐(1)连通，电动燃料泵(2)的出口分别与若干冷却通道(11)的入口连通，每个冷却通道(11)的出口均与固体氧化物燃料电池(5)的阳极(5-1)入口及所述燃料喷射器连通；电动氧化剂泵(4)的入口与氧化剂罐(3)连通，电动氧化剂泵(4)的出口分别与固体氧化物燃料电池(5)的阴极(5-2)入口及氧化剂喷射器连通，所述固体氧化物燃料电池(5)与电能控制分配系统(6)电联接，且电能控制分配系统(6)分别与蓄电池(8)及电动机(7)电联接，所述电动机(7)、所述电动氧化剂泵(4)以及所述电动燃料泵(2)同轴固接。
2.根据权利要求1所述的一种用于火箭发动机的燃料电池供给系统，其特征在于：它还包括次喷管(12)，固体氧化物燃料电池(5)的阳极(5-1)出口及阴极(5-2)出口均与次喷管(12)连通。
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