CN112983645A - 一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，该发动机压气机经过第一分流器与燃烧室连通，压气机依次经过第一分流器、第四分流器、第二引射器和第二分流器与燃烧室连通，压气机依次经过第一分流器、第四分流器、第三引射器、第一引射器和重整器与燃料电池阳极连通，燃料电池阳极经过第三分流器与与燃烧室连通，燃料电池阴极经过第二分流器与燃烧室连通，燃烧室与尾喷管连通；燃料电池阳极与第一引射器连通，燃料电池阴极与第二引射器连通，燃料电池经过电动机与压气机连接。解决了未来长航时无人机对动力系统的高功率密度，体积小，重量轻，运行稳定，高效率的需求问题，结合固体氧化物燃料电池和无涡轮喷气发动机优势互补。

Description

一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机
技术领域
本发明属于长航时无人机推进系统的技术领域，具体涉及一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机。
背景技术
随着各国对无人机在军事战略领域的不断重视，如何研制长航时无人机成为当下航空科技领域最活跃和最重要的发展方向之一，而无人机的动力技术的进步是其中的关键。
目前，无人机的发动机主要采用活塞发动机和燃气涡轮发动机。随着无人机从低空低速向高空高速发展，传统涡扇发动机逐渐无法满足长航时无人机对高性能发动机的要求。
现有的新能源无人机，例如，采用蓄电池作为动力的无人机，其能量利用率低，使用寿命不稳定，经济效益差，采用燃料电池作为单一能源的无人机，其功率密度低，重量大。
发明内容
本发明为了解决未来长航时无人机对动力系统的高功率密度，体积小，重量轻，运行稳定，高效率的需求的问题，提供了一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，结合固体氧化物燃料电池和无涡轮喷气发动机，两者优势互补。
本发明提出一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机包括进气道、压气机、第一分流器、电动机、第一引射器、重整器、固体氧化物燃料电池阳极、第二引射器、固体氧化物燃料电池阴极、第二分流器、第三分流器、燃烧室、尾喷管、第三引射器、第四分流器和固体氧化物燃料电池；所述压气机的进口通过进气道和大气连通，空气流入进气道后流入压气机，所述压气机的出口经过第一分流器与燃烧室的进口连通，所述压气机的出口依次经过第一分流器、第四分流器、第二引射器和第二分流器与燃烧室的进口连通，所述压气机的出口依次经过第一分流器、第四分流器、第三引射器、第一引射器和重整器与固体氧化物燃料电池阳极的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阳极的出口经过第三分流器与与燃烧室的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阴极的出口经过第二分流器与燃烧室的进口连通，燃烧室的出口与尾喷管的进口连通，燃烧室的排气通过尾喷管产生推进力；所述固体氧化物燃料电池阳极的出口经过第三分流器与第一引射器的进口连通，构成阳极再循环通路，燃料从第一引射器进入，所述固体氧化物燃料电池阴极的出口经过第二分流器与第二引射器的进口连通，构成阴极再循环通路；所述固体氧化物燃料电池经过电动机与压气机连接，所述固体氧化物燃料电池发出的电能通过电动机驱动压气机。
优选地，燃料与压缩后空气和水发生自热重整反应，反应后的燃料被送入固体氧化物氢燃料电池与空气反应，产生电能；未反应完全的氢在固体氧化物燃料电池尾气中，将尾气通入燃烧室中与空气混合燃烧，得到高温烟气膨胀在尾喷管中产生推进力。
优选地，所述固体氧化物燃料电池阴极入口流体通过阴极再循环通路进行预热，燃料和从压气机中出来的空气与从阳极再循环中排出的水混合后发生自热重整反应。
发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的工作原理为：
本本发明采用固体氧化物燃料电池释放燃料中的化学能，可使燃料利用率不受卡诺循环的限制，大大高于传统的燃气涡轮发动机，同时，又结合无涡轮喷气发动机，将燃料电池中未反应完的燃料通入燃烧室，进一步释放燃料中的化学能。
本发明使用带有阴阳极再循环的固体氧化物燃料电池，充分利用燃料和空气，提高燃料和空气利用率，所述燃料与压缩后空气和水发生自热重整反应，反应后的燃料被送入固体氧化物氢燃料电池与空气反应，产生电能。
未反应完全的氢在燃料电池尾气中，将尾气通入燃烧室中与空气混合燃烧，得到高温烟气膨胀在尾喷管中产生推进力。
这三种措施综合运用使得燃料和空气得到充分利用。
本发明提出一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的有益效果为：
1、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的燃料电池高温尾气通入燃烧室中再燃烧，燃烧后尾气在尾喷管膨胀并产生推进力，实现能量的高效利用，提高系统的热效率。
2、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的固体氧化物燃料电池采用再循环技术，充分利用燃料和空气，发电效率高，排气温度高。
3、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的燃料电池发出的电能通过电动机驱动压缩机，对空气进行增压，通入固体氧化物燃料电池，提高燃料电池发电能力。
4、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的燃料与空气和燃料电池产物的水发生自热重整反应，充分利用燃料电池产生的水，降低了对燃料电池排水的要求。
5、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机采用了固体氧化物燃料电池，循环效率不用受卡诺循环限制，能量利用率比较高，固体氧化物燃料电池可获得800～1000℃高温烟气，在尾喷管充分膨胀后获得较大推进功。
6、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机中的燃料电池采用再循环技术，充分利用燃料和空气，发电效率高，排气温度高，未完全反应的燃料进入燃烧室中被最终利用，排气膨胀并在尾喷管中产生推进力，进一步提高能量利用率。
7、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机由于电解质是固体，没有电解质蒸发与泄露的问题，而且电极也没有腐蚀的问题，运转寿命长，而且，由于构成材料的池体材料全部是固体，电池外形具有可塑性。
8、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机中燃料电池发出的电能通过电动机驱动压气机，对空气进行增压，通入固体氧化物燃料电池，提高燃料电池发电能力。
9、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机采用燃料单位质量放热量多，且产物为水，没有任何污染，更加环保。
10、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机经过再循环预热的燃料和空气进入固体氧化物燃料电池，自热重整后的产物大部分和空气发生化学反应产生电能，剩余部分进入燃烧室被燃烧利用，燃烧后高温高压尾气膨胀后产生推动力，充分利用热能。
11、本发明所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，能量利用率高，经济效益好。燃料和空气经过再循环重复使用，未反应完全的燃料通过在燃烧室中燃烧得到充分利用。燃料电池发出的电能通过电动机驱动压缩机对空气进行增压，很好的进行了能量利用。本实施方案能够更好地满足长航时无人机对动力系统可靠性和稳定性以及能量利用高效性的需求。
附图说明
图1是本发明一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的结构示意图；
图2是本发明一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机的原理图；
其中：1-进气道；2-压气机；3-第一分流器；4-电动机；5-第一引射器，6-重整器，7-固体氧化物燃料电池阳极；8-第二引射器；9-固体氧化物燃料电池阴极；10-第二分流器；11-第三分流器；12-燃烧室；13-尾喷管；14-第三引射器；15-第四分流器；16-固体氧化物燃料电池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-2说明本实施方式。本实施方式所述的一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机包括进气道1、压气机2、第一分流器3、电动机4、第一引射器5、重整器6、固体氧化物燃料电池阳极7、第二引射器8、固体氧化物燃料电池阴极9、第二分流器10、第三分流器11、燃烧室12、尾喷管13、第三引射器14、第四分流器15和固体氧化物燃料电池16，所述压气机2的进口通过进气道1和大气连通，空气流入进气道1后流入压气机2，所述压气机2的出口经过第一分流器3与燃烧室12的进口连通，所述压气机2的出口依次经过第一分流器3、第四分流器15、第二引射器8和第二分流器10与燃烧室12的进口连通，所述压气机2的出口依次经过第一分流器3、第四分流器15、第三引射器14、第一引射器5和重整器6与固体氧化物燃料电池阳极7的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阳极7的出口经过第三分流器11与与燃烧室12的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阴极9的出口经过第二分流器10与燃烧室12的进口连通，燃烧室12的出口与尾喷管13的进口连通，燃烧室12的排气通过尾喷管13产生推进力；所述固体氧化物燃料电池阳极7的出口经过第三分流器11与第一引射器5的进口连通，构成阳极再循环通路，燃料从第一引射器5进入，所述固体氧化物燃料电池阴极9的出口经过第二分流器10与第二引射器8的进口连通，构成阴极再循环通路；所述固体氧化物燃料电池16经过电动机4与压气机2连接，所述固体氧化物燃料电池16发出的电能通过电动机4驱动压气机2。
燃料与压缩后空气和水发生自热重整反应，反应后的燃料被送入固体氧化物氢燃料电池16与空气反应，产生电能；未反应完全的氢在固体氧化物燃料电池16尾气中，将尾气通入燃烧室12中与空气混合燃烧，得到高温烟气膨胀在尾喷管13中产生推进力。
所述固体氧化物燃料电池阴极9入口流体通过阴极再循环通路进行预热，燃料和从压气机2中出来的空气与从阳极再循环中排出的水混合后发生自热重整反应。
所述发动机系统包括固体氧化物燃料电池系统和推进系统，固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池组，分流器，引射器和重整器，推进系统包括压气机，电动机，燃烧室和尾喷管。
本发明将固体氧化物燃料电池与无涡轮喷气发动机结合起来，提高发动机的性能，采用固体氧化物燃料电池进行发电，电能驱动电动机并带动同轴的压气机压缩空气。本发明的固体氧化物燃料电池加入了阴阳极再循环，充分利用燃料和空气，发电效率高。固体氧化物燃料电池阴极9入口流体通过阴极再循环实现了预热，燃料与从压气机2中出来的空气和从阳极再循环中排出的水混合后在重整器内发生自热重整反应，生成的氢气提供到固体氧化物燃料电池阳极入口。然后，固体氧化物燃料电池废气进入燃烧室再燃烧，燃烧室的排气在尾喷管内膨胀并产生推力，实现了能量的梯级利用，提高了发动机的热效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，其特征在于，包括进气道(1)、压气机(2)、第一分流器(3)、电动机(4)、第一引射器(5)、重整器(6)、固体氧化物燃料电池阳极(7)、第二引射器(8)、固体氧化物燃料电池阴极(9)、第二分流器(10)、第三分流器(11)、燃烧室(12)、尾喷管(13)、第三引射器(14)、第四分流器(15)和固体氧化物燃料电池(16)，
所述压气机(2)的进口通过进气道(1)和大气连通，空气流入进气道(1)后流入压气机(2)，所述压气机(2)的出口经过第一分流器(3)与燃烧室(12)的进口连通，所述压气机(2)的出口依次经过第一分流器(3)、第四分流器(15)、第二引射器(8)和第二分流器(10)与燃烧室(12)的进口连通，所述压气机(2)的出口依次经过第一分流器(3)、第四分流器(15)、第三引射器(14)、第一引射器(5)和重整器(6)与固体氧化物燃料电池阳极(7)的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阳极(7)的出口经过第三分流器(11)与与燃烧室(12)的进口连通，所述固体氧化物燃料电池阴极(9)的出口经过第二分流器(10)与燃烧室(12)的进口连通，燃烧室(12)的出口与尾喷管(13)的进口连通，燃烧室(12)的排气通过尾喷管(13)产生推进力；
所述固体氧化物燃料电池阳极(7)的出口经过第三分流器(11)与第一引射器(5)的进口连通，构成阳极再循环通路，燃料从第一引射器(5)进入，所述固体氧化物燃料电池阴极(9)的出口经过第二分流器(10)与第二引射器(8)的进口连通，构成阴极再循环通路；
所述固体氧化物燃料电池(16)经过电动机(4)与压气机(2)连接，所述固体氧化物燃料电池(16)发出的电能通过电动机(4)驱动压气机(2)。
2.根据权利要求1所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，其特征在于，燃料与压缩后空气和水发生自热重整反应，反应后的燃料被送入固体氧化物氢燃料电池(16)与空气反应，产生电能；未反应完全的氢在固体氧化物燃料电池(16)尾气中，将尾气通入燃烧室(12)中与空气混合燃烧，得到高温烟气膨胀在尾喷管(13)中产生推进力。
3.根据权利要求1所述的带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池阴极(9)入口流体通过阴极再循环通路进行预热，燃料和从压气机(2)中出来的空气与从阳极再循环中排出的水混合后发生自热重整反应。
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