CN112855345A - 一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,属于飞机发电与推进技术领域。本发明解决了现有的飞机从发动机主轴取力或携带小型涡轮发动机发电效率低的问题。所述低压涡轮和低压压气机同轴固接,所述高压涡轮和高压压气机同轴固接,燃料箱的出口通过燃料泵分别连通重整器的入口及燃烧室的入口,低压压气机与高压压气机连通设置,高压涡轮与低压涡轮连通设置,高压压气机的出口分别连通重整器的入口及阴极的入口,阴极的出口与燃烧室的入口连通,燃烧室的出口与高压涡轮的入口连通,重整器的出口与阳极的入口连通,阳极的入口通过分流器分别连通冷却器的入口及燃烧室的入口,冷却器的出口与重整器的入口之间通过高温泵连通。

Description

一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统
技术领域
本发明涉及一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,属于飞机发电与推进技术领域。
背景技术
多电、全电飞机具有高控制性,高舒适性,是目前飞机的主流发展方向之一。由于电力系统逐步取代飞机机载机械、液压系统,以及机载设备功率逐渐增加,多电、全电飞机电功分数(Electric power fraction)逐渐加大(电功分数定义为飞机机载设备电功率与总功率之比,总功率为飞机机载设备电功率与推进功率之和)。大型商用飞机随着机型发展电功分数不断增加,部分军用无人机电功分数可高达到20%。传统飞机机载电能一般来源于燃气涡轮主轴取力或者携带一个小的涡轮发电机。现有成熟的飞机发电方式均要经过布雷顿循环再进行发电,受到卡诺循环热效率的限制,所以飞机发电效率和热效率都比较低,发电效率约为20%~40%,飞机热效率约为35%左右。在高电功分数下,较低的发电效率使得飞机耗油率增加,严重降低了飞机性能。因此,伴随着多电、全电飞机发展的趋势,飞机电功分数的不断提高,迫切需要一种高效率、低耗油率发电方式。
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有效率高(一般大于50%)、可直接使用碳氢燃料、不需要贵金属催化剂、没有液态电解质、污染物排放少、噪音低等优点,作为无人机、通勤飞机的动力系统已经被广泛研究。SOFC的排出尾气温度较高,而且含有未反应完的燃料,是较高品位的能源,可以与燃气涡轮联用提高系统总体热效率,所以燃料电池燃气涡轮混合动力循环是近年来机载高效发电循环的研究热点。美国空军在2012年研制了丙烷SOFC无人机。相比其它电池动力,它的续航时间可从2小时提高至8小时。
现有飞机发电系统一般从发动机主轴取力或携带小型涡轮发动机发电,导致效率低,无法适应高电功分数多电/全电飞机发展方向。
发明内容
本发明是为了解决现有的飞机从发动机主轴取力或携带小型涡轮发动机发电效率低的问题,进而提供了一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,它包括燃料电池系统和飞机推进系统,其中所述物燃料电池系统包括燃料箱、燃料泵、固体氧化物燃料电池组、冷却器、高温泵及重整器,所述固体氧化物燃料电池组包括阳极、电解质及阴极,
所述飞机推进系统包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮及低压涡轮,其中所述低压涡轮和低压压气机同轴固接,所述高压涡轮和高压压气机同轴固接,
燃料箱的出口通过燃料泵分别连通重整器的入口及燃烧室的入口,
低压压气机与高压压气机连通设置,高压涡轮与低压涡轮连通设置,高压压气机的出口分别连通重整器的入口及阴极的入口,阴极的出口与燃烧室的入口连通,燃烧室的出口与高压涡轮的入口连通,
重整器的出口与阳极的入口连通,阳极的入口通过分流器分别连通冷却器的入口及燃烧室的入口,冷却器的出口与重整器的入口之间通过高温泵连通。
进一步地,所述重整器设置有燃料入口、空气入口、阳极尾气入口及气体出口,所述燃料箱通过燃料泵与重整器的燃料入口连通,所述冷却器通过高温泵与重整器的阳极尾气入口连通,高压压气机与重整器的空气入口连通,重整器的气体出口与阳极的入口连通。
进一步地,低压压气机与低压涡轮之间通过第一连接轴固接,高压压气机与高压涡轮之间通过第二连接轴固接,所述第一连接轴与所述第二连接轴为转动连接的同心轴。
本发明与现有技术相比具有以下效果:
所述的固体氧化物燃料电池组与燃烧室相连,通过管道将燃料电池的高温尾气通入燃烧室中,燃料电池尾气与燃料在燃烧室中混合燃烧后进入涡轮做功,实现能源的梯级利用。
通过本申请将飞机推进和金属支撑固体氧化物燃料电池两个系统结合。高效率的燃料电池和燃气涡轮结合后,发电效率能够达到50%,复合系统热效率能够达到45%,节省能源。同时,本申请在完全消除过多质量惩罚的前提下,为飞机提供给充足的电能和推进功;
本申请构建的燃料电池阳极循环,通过将燃料电池阳极尾气的一部分通入冷却器,经外涵空气冷却后通过高温泵加压力进入重整器,实现水的部分循环利用,可以使携带水的总量减少60%,一定程度上减少飞机因水蒸气重整制氢携带大量水带来的质量惩罚。
附图说明
图1为本申请的原理示意图;
图2为本申请的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~2说明本实施方式,一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,它包括燃料电池系统和飞机推进系统,其中所述物燃料电池系统包括燃料箱1、燃料泵2、固体氧化物燃料电池组3、冷却器4、高温泵5及重整器6,所述固体氧化物燃料电池组3包括阳极3-1、电解质3-2及阴极3-3,
所述飞机推进系统包括低压压气机7、高压压气机8、燃烧室9、高压涡轮10及低压涡轮11,其中所述低压涡轮11和低压压气机7同轴固接,所述高压涡轮10和高压压气机8同轴固接,
燃料箱1的出口通过燃料泵2分别连通重整器6的入口及燃烧室9的入口,
低压压气机7与高压压气机8连通设置,高压涡轮10与低压涡轮11连通设置,高压压气机8的出口分别连通重整器6的入口及阴极3-3的入口,阴极3-3的出口与燃烧室9的入口连通,燃烧室9的出口与高压涡轮10的入口连通,
重整器6的出口与阳极3-1的入口连通,阳极3-1的入口通过分流器14分别连通冷却器4的入口及燃烧室9的入口,冷却器4的出口与重整器6的入口之间通过高温泵5连通。空气依次通过低压压气机7和高压压气机8进行压缩,为燃烧室9提供高压空气;燃料箱1通过燃料泵2将燃料分为两路,分别为重整器6和燃烧室9提供燃料;重整器6重整后将气体输送至固体氧化物燃料电池组3的阳极3-1,固体氧化物燃料电池组3的阳极3-1产生的高温尾气输送到燃烧室9;所述的固体氧化物系统燃料电池通过分流器14,将一部分阳极尾气通入冷却器4,经空气冷却后通过高温泵5增加压力进入重整器6,为重整器6的重整制氢提供水资源,实现水的部分循环利用。
冷却器4、高温泵5、重整器6构成燃料电池系统阳极循环;
本申请采用碳氢燃料水重整制氢的方式为固体氧化物燃料电池提供反应所需的氢气,所以飞机携带有一定的水资源,飞机携带的水可以通过进气道前部设置的阵列喷嘴喷射,水滴与进气道内的空气混合蒸发,降低压气机前的空气温度从而减少压气机的耗功,从而提高发动机比功,发动机比功可以提高5%~10%;同时进气道注入的水滴蒸发经压气机压缩后通入重整器6,可以为重整器6提供水蒸气。
所述的固体氧化物燃料电池组3与燃烧室9相连,通过管道将燃料电池的高温尾气通入燃烧室9中,燃料电池尾气与燃料在燃烧室9中混合燃烧后进入涡轮做功,实现能源的梯级利用。
本申请适应高电功分数、高功重比、高效率、低耗油率多、全电飞机推进与发电系统的发展需求,在充分考虑SOFC尾气利用、提高推进系统热效率、减少携带水重量的基础上,提出了一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统。
通过本申请将飞机推进和金属支撑固体氧化物燃料电池两个系统结合。高效率的燃料电池和燃气涡轮结合后,发电效率能够达到50%,复合系统热效率能够达到45%,节省能源。同时,本申请在完全消除过多质量惩罚的前提下,为飞机提供给充足的电能和推进功;
本申请构建的燃料电池阳极循环,通过将燃料电池阳极3-1尾气的一部分通入冷却器4,经外涵空气冷却后通过高温泵5加压力进入重整器6,实现水的部分循环利用,可以使携带水的总量减少60%,一定程度上减少飞机因水蒸气重整制氢携带大量水带来的质量惩罚。
所述重整器6设置有燃料入口、空气入口、阳极尾气入口及气体出口,所述燃料箱1通过燃料泵2与重整器6的燃料入口连通,所述冷却器4通过高温泵5与重整器6的阳极尾气入口连通,高压压气机8与重整器6的空气入口连通,重整器6的气体出口与阳极的入口连通。
低压压气机7与低压涡轮11之间通过第一连接轴12固接,高压压气机8与高压涡轮10之间通过第二连接轴13固接,所述第一连接轴12与所述第二连接轴13为转动连接的同心轴。

Claims (3)

1.一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,其特征在于:它包括燃料电池系统和飞机推进系统,其中所述物燃料电池系统包括燃料箱(1)、燃料泵(2)、固体氧化物燃料电池组(3)、冷却器(4)、高温泵(5)及重整器(6),所述固体氧化物燃料电池组(3)包括阳极(3-1)、电解质(3-2)及阴极(3-3),
所述飞机推进系统包括低压压气机(7)、高压压气机(8)、燃烧室(9)、高压涡轮(10)及低压涡轮(11),其中所述低压涡轮(11)和低压压气机(7)同轴固接,所述高压涡轮(10)和高压压气机(8)同轴固接,
燃料箱(1)的出口通过燃料泵(2)分别连通重整器(6)的入口及燃烧室(9)的入口,
低压压气机(7)与高压压气机(8)连通设置,高压涡轮(10)与低压涡轮(11)连通设置,高压压气机(8)的出口分别连通重整器(6)的入口及阴极(3-3)的入口,阴极(3-3)的出口与燃烧室(9)的入口连通,燃烧室(9)的出口与高压涡轮(10)的入口连通,
重整器(6)的出口与阳极(3-1)的入口连通,阳极(3-1)的入口通过分流器(14)分别连通冷却器(4)的入口及燃烧室(9)的入口,冷却器(4)的出口与重整器(6)的入口之间通过高温泵(5)连通。
2.根据权利要求1所述的一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,其特征在于:所述重整器(6)设置有燃料入口、空气入口、阳极尾气入口及气体出口,所述燃料箱(1)通过燃料泵(2)与重整器(6)的燃料入口连通,所述冷却器(4)通过高温泵(5)与重整器(6)的阳极尾气入口连通,高压压气机(8)与重整器(6)的空气入口连通,重整器(6)的气体出口与阳极的入口连通。
3.根据权利要求1或2所述的一种带阳极循环燃料电池燃气涡轮复合推进发电系统,其特征在于:低压压气机(7)与低压涡轮(11)之间通过第一连接轴(12)固接,高压压气机(8)与高压涡轮(10)之间通过第二连接轴(13)固接,所述第一连接轴(12)与所述第二连接轴(13)为转动连接的同心轴。
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