CN114132469A - 一种联合布雷顿循环与sofc的新型混合动力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，包括闭式布雷顿循环系统和固体氧化物燃料电池，主要包括压气机，回热器，换热器，SOFC系统，铝水反应器，涡轮，发电机，冷凝器，高氯酸盐制氧器和智能水泵。本发明以全封闭小型动力装置为技术核心，针对深海探测器等精密性无氧设备进行设计使用。该系统与传统热机相比，具有能量密度高，能量转化效率强(2～3倍)，减噪隐蔽，燃料适应性好等诸多优点，满足水下航行长航时、大航程、高功率密度的动力发展需求。
Description
技术领域
本发明属于动力工程领域，具体涉及一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置。
背景技术
无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一种由水面舰艇和潜艇搭载的无人水下作战平台，作为一种海上力量倍增器，有着广泛而重要的军事和民用用途。现阶段作为UUV动力来源的铅酸电池、银锌电池以及锂离子电池等，均有各自的缺点和限制，如比能量底，寿命短，充电时间长等，难以满足无人潜航器严格体积重量限制下不断增长的电力需求以及特种情况下灵活便利的需求。
SOFC是基于陶瓷材料的全固态能量转换装置，通过高温电催化反应将燃料化学能直接转化为电能，具有高效、清洁、高温余热可复合利用和燃料适应性广等优点。热机发电的电效率一般在24-35％，而SOFC的一次发电效率可以达到50％以上，综合能量利用率可达80％以上；因SOFC不需要使用贵金属催化剂，成本更低，而且高温工作条件可以提供更高品质的热能输出；SOFC技术不受地域、环境和气候的限制，具有很强的可靠性和适应性。
以氦或者氦氙为工质的闭式布雷顿循环，其在经济性、热源选择的多样性以及环境保护等方面具有明显优势。氦气的摩尔质量较小，但是其较大的比体积导致装置的换热设备与管道直径的尺寸较大，需要消耗较大的压缩功，导致压气机的级数较多，动力系统构型过于庞大。随着掺混氙气摩尔分数的增加，显著地降低比功和热效率，增大系统的效率。分子量为40(72mol％He，28mol％Xe)的He-Xe二元混合气体表现几乎和理想气体一致。
发明内容
本发明的目的在于提供可以满足水下航行长航时、大航程、高功率密度的动力发展需求的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置。
一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，包括闭式布雷顿循环系统和固体氧化物燃料电池，主要包括压气机，回热器，换热器，SOFC系统，铝水反应器，涡轮，发电机，冷凝器，高氯酸盐制氧器和智能水泵。
进一步地，所述SOFC系统包括铝水反应制氢装置，高氯酸盐制氧器，SOFC发电装置，智能水泵，换热器和冷凝器。
进一步地，所述SOFC系统采用纯氢纯氧进行反应发电，氢气来源于铝水反应产生的高温氢气，氧气来源于固体高氯酸盐制氧器。进入SOFC的高温气体实现电化学发电装置的预热，SOFC在进行反应过程中会产生大量的余热需要被冷却带走维持SOFC装置温度的恒定。氢氧经过电化学反应和燃烧之后产生的水蒸气经过冷却换热之后重新回到铝水反应器作为原料继续进行反应，实现SOFC系统的闭式循环。
进一步地，所述闭式布雷顿系统包括压气机，涡轮，回热器，冷凝器以及作为布雷顿循环工质热源提供热量的SOFC换热系统。
进一步地，所述闭式布雷顿系统以具有高能量氦氙混合流体作为工质，经过压缩，进入回热器对涡轮出口工质余热进行再利用，然后经过SOFC换热系统将工质温度提高到理想温度，进入涡轮发电，进一步进入回热器与冷凝器，回到压气机继续工作，实现闭式布雷顿循环。
进一步地，所述SOFC换热系统包括：其一，铝水反应器在产生氢气的过程中产生的大量热；其二，SOFC在电化学反应过程中产生的热；其三，SOFC反应产生的水蒸气携带的热量。
本发明的有益效果在于：
本发明通过闭式布雷顿循环吸收SOFC高温余热实现能量梯级利用，以固体化学反应作为SOFC系统运行反应物的来源，满足水下航行长航时、大航程、高功率密度的动力发展需求。
附图说明
图1为本发明联合动力系统设计原理图；
图2为本发明基于SOFC与闭式布雷顿循环的联供系统构型。
图中：1—铝水反应器；2—高氯酸盐制氧器；3—铝水冷却器；4—固体氧化物燃料电池；5—燃烧室；6—加热器；7—蒸汽冷却器；8—智能水泵；9—氦氙压气机；10—氦氙透平；11—发电机；12—回热器；13—氦氙冷却器；14—功率转化器；15—氧气发生器；16—氢气发生器；17—燃料电池系统；18—布雷顿循环系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1给出了联合动力系统的设计原理，图2给出了固态能源布雷顿循环与SOFC混合动力系统工作原理，系统主要由铝水反应器、SOFC、冷凝器、功率转化器、氦氙涡轮、回热器、预冷器、压气机、固体高氯酸盐制氧器、发电机、换热器、智能水泵等元器件组成，系统重点围绕铝水反应器、固体氧化物、惰性气体动力转换单元构建。
系统工作过程如下：循环一，混合动力开始工作时，智能水泵将水增压经喷嘴进入储有铝粉和催化剂混合物铝水反应器中，铝水在催化剂的作用下发生剧烈快速反应，生成氧化铝及氢气并释放大量的热，高温氢气进入固体氧化物燃料电池阳极；由固态高氯酸盐通过受热分解产生的氧气进入燃料电池阴极，氢氧在固体氧化物燃料电池内经电催化反应，对外输出直流电；剩余气体经过燃烧室后生成携带大量余热的过热蒸汽，过热蒸汽经一级换热器将部分热量传递给高压氦氙惰性气体工质，再经冷凝器，经过低温海水冷凝成液态水供工质循环泵使用，形成燃料电池闭式循环系统。
循环二，由启发动机带动旋转，氦氙混合工质经过压气机加压之后，进一步进入回热器、换热器铝水冷却器升温到理想温度，然后进入涡轮中做功；气体膨胀带动涡轮旋转，转轴带动发电机输出电力，进入功率控制器中对外发电；而涡轮的出口气体进入回热器进行余热的利用，进一步进入冷凝器中，通过海水将氦氙工质温度冷凝到合适的压气机进口温度，形成一个闭式循环。
由于SOFC与铝水反应器的链式反应，控制SOFC输出功率的方式可以通过氢气的产量来实现。氢气产量的提高会提升系统的热交换，会进一步提高闭式布雷顿循环的功。因此，可以通过控制铝水反应器中参与反应产生氢气的铝的质量来控制系统总体的输出功率。
表1给出基于100kW设计情况下本发明与系统与相似系统的对比。
由表1可以看出，由于水下的特殊作业环境，本发明系统的效率有所降低，但是大大提高了系统的动律密度，与同为水下系统的燃料电池相比，效率没有太大的差距，但是功率密度确提高了近一倍。
本发明系统构建分为物料供应系统、能量转化系统和功率输出系统。在物料供应系统中，铝水反应释放氢气，同时释放大量热一方面供给氧气发生器吸收，另一方面供氦氙布雷顿工质吸收。在能量转化系统中，SOFC接收反应产生的高温高压氢气与氧气发生电化学反应，输出直流电；闭式氦氙布雷顿系统则吸收物料供应系统释放热与SOFC反应产生的高温余热，做功输出直流电。输出电流进入功率转换系统中变成稳定能源对外输出。为了更好实现系统的高效稳定，提高联动系统的安全性，针对各部件做出以下措施：
1)在物料供应系统中，氧气发生器由高氯酸钾(KClO4)受热分解产生氧气组成，热量全部来源于铝水反应器释放热；为维持铝水反应器稳定工作，通过主要氦氙工质对铝水反应器进行冷却，维持反应器温度的稳定。
2)为提高SOFC系统工作效率，维持SOFC系统工作稳定，工作压力通过物料供应系统中压力容器储气以提高压力，通过氦氙工质吸收SOFC反应热维持工作温度稳定。布雷顿循环应在控制动力涡轮额定转速的情况下，结合喘振裕度、涡轮进口温度实现对布雷顿循环整机的动态控制，以减少对叶片等重要部件的损伤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：包括闭式布雷顿循环系统和固体氧化物燃料电池，主要包括压气机，回热器，换热器，SOFC系统，铝水反应器，涡轮，发电机，冷凝器，高氯酸盐制氧器和智能水泵。
2.根据权利要求1所述的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：所述SOFC系统包括铝水反应制氢装置，高氯酸盐制氧器，SOFC发电装置，智能水泵，换热器和冷凝器。
3.根据权利要求2所述的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：所述SOFC系统采用纯氢纯氧进行反应发电，氢气来源于铝水反应产生的高温氢气，氧气来源于固体高氯酸盐制氧器。进入SOFC的高温气体实现电化学发电装置的预热，SOFC在进行反应过程中会产生大量的余热需要被冷却带走维持SOFC装置温度的恒定。氢氧经过电化学反应和燃烧之后产生的水蒸气经过冷却换热之后重新回到铝水反应器作为原料继续进行反应，实现SOFC系统的闭式循环。
4.根据权利要求1所述的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：所述闭式布雷顿系统包括压气机，涡轮，回热器，冷凝器以及作为布雷顿循环工质热源提供热量的SOFC换热系统。
5.根据权利要求4所述的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：所述闭式布雷顿系统以具有高能量氦氙混合流体作为工质，经过压缩，进入回热器对涡轮出口工质余热进行再利用，然后经过SOFC换热系统将工质温度提高到理想温度，进入涡轮发电，进一步进入回热器与冷凝器，回到压气机继续工作，实现闭式布雷顿循环。
6.根据权利要求5所述的一种联合布雷顿循环与SOFC的新型混合动力装置，其特征是：所述SOFC换热系统包括：其一，铝水反应器在产生氢气的过程中产生的大量热；其二，SOFC在电化学反应过程中产生的热；其三，SOFC反应产生的水蒸气携带的热量。
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