CN114361520A - 飞行器发动机 - Google Patents

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Abstract

一种冲压式喷气发动机，包括：具有空气入口和排气出口的燃烧区域；以及燃料电池，燃料电池与冲压式喷气发动机的空气入口和燃料供给流体连通，其中燃料电池与燃烧区域热连通。

Description

飞行器发动机
技术领域
本主题一般涉及飞行器发动机，更具体地涉及包括燃料电池的飞行器发动机。
背景技术
燃料电池是提供直流(dc)电压的电化学能量转换装置，直流电压可用于为电动机、灯、通信设备等。燃料电池通过在离子导电层(也称为燃料电池的电解质)上电化学结合燃料和氧化剂而产生电能，该离子导电层可以是液体或固体。燃料电池的常见类型包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)以及固体氧化物(SOFC)。
一般来说，燃料电池包括电解质和两个电极。产生电的反应通常发生在电极处，在电极处可以设置催化剂以加速反应。电极可以配置为通道、多孔层等，以增加发生化学反应的表面积。电解质将带电粒子从一个电极携带到另一个电极，否则燃料和氧化剂都是基本上不可渗透的。
典型地，燃料电池将氢气(燃料)和氧气(氧化剂)转化成水(副产物)以产生电。在高温操作中，副产物可作为蒸汽离开燃料电池。在空气用作氧化剂的情况下，空气中的氮气基本上为惰性的，并且通常通过燃料电池。示例性烃燃料包括但不限于天然气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇和其他烃。
冲压式发动机是超音速吸气式喷气发动机的简易形式，一般来说缺少移动部件。进入冲压式发动机的空气被亚音速压缩并与燃料混合，在火焰保持器下游的燃烧室中燃烧。排出气体通过阻塞的喷嘴并以超音速排放到大气中。冲压式喷气发动机在2马赫(1500英里/小时(MPH))和4马赫(3000英里/小时(MPH))的速度之间工作效率最高。在操作期间，出口停滞温度达到3800°F的情况并不少见。
超音速燃烧冲压式喷气发动机(超燃冲压式喷气发动机)是在超音速气流中燃烧的冲压式喷气发动机。由于其设计，超燃冲压式喷气发动机的操作通常限于接近超音速的速度(例如，超过5马赫或3800MPH)。
喷气发动机产生的大量热能目前被忽视或浪费了。因此，本领域普通技术人员继续需要改进发动机性能和能量使用。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。
在本公开的一个示例性方面，一种冲压式喷气发动机，包括：燃烧区域，该燃烧区域具有空气入口和排气出口；和燃料电池，该燃料电池与该冲压式喷气发动机的该空气入口和燃料供应流体连通，其中该燃料电池与该燃烧区域热连通。
在本公开的另一示例性方面中，一种航空发动机，包括：燃料电池，该燃料电池设置成在该航空发动机的燃料供给和燃烧区域之间流体连通，其中该燃料电池被配置为从该航空发动机的空气入口接收空气进气并发电。
在本公开的另一示例性方面，一种在冲压式喷气发动机上发电的方法，该方法包括：在冲压式喷气发动机的空气入口处进气；将至少一部分该进气和燃料供应给冲压式喷气发动机的燃料电池；以及通过燃料电池发电。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面以及优点。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的各个方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的燃料电池系统的立体图。
图2是根据本公开的示例性实施例的燃料电池系统的燃料电池单元的立体图。
图3是根据本公开的示例性实施例的沿图2中的线A-A看到的图2的燃料电池单元的横截面侧视图。
图4是根据本公开的示例性实施例的燃料电池单元堆叠的示意性侧视图。
图5是根据本公开的示例性实施例的冲压式喷气发动机的示意性横截面图。
图6是根据本公开的示例性实施例的冲压式喷气发动机的一部分的示意性横截面图。
图7是根据本公开的示例性实施例的在飞行器中使用燃料电池发电的方法的流程图。
具体实施例
现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细说明使用数字和字母名称来指代图纸中的特征。在附图和说明书中的相似或类似标号被用于指代本发明的相似或类似部分。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用于将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”指燃气涡轮发动机或车辆内的相对位置，并指燃气涡轮发动机或车辆的正常运行姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前指更靠近发动机入口的位置，后指更靠近发动机喷嘴或排气出口的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，“下游”是指流体流向的方向。
除非本文另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接”等指直接联接、粘接或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、粘接或附接。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言用于修改任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与之相关的基本功能发生变化。因此，由一个或多个术语修饰的值，例如“约”、“大约”和“基本”，不限于规定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在10％的余量内。
在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这些范围被标识并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合。
根据本文描述的一个或多个实施例，一种飞行器发动机，诸如冲压式喷气发动机，可以包括燃料电池，该燃料电池被配置为响应于由飞行器发动机内的燃烧所耗散的热能而发电。该燃料电池可以设置在飞行器发动机的旁通空气通道中，并通过空气入口从周围环境接收空气。通过旁通空气通道的空气可以以亚音速流动，而飞行器发动机的主空气通道以超音速操作。空气可与燃料一起通过燃料电池，并进入燃烧室，在燃烧室中空气可被点燃以产生可以推进飞行器的推力。该燃料电池可以在离子交换过程中利用空气和燃料来发电。在某些实施例中，燃料电池可利用内部重整燃料，从而消除对外部重整燃料或外部再加热空气进行操作的需求，并减少飞行器上用于燃料电池使用所需的子系统数量。由此所得到的飞行器可以具有减轻的重量和简化的发动机复杂性，并增加热效率和降低比燃料消耗。在其他实施例中，燃料电池可以利用外部或部分外部重整燃料。
现在参考附图，图1示出了燃料电池系统100的实施例。该系统100包括电接地的外壳体102，外壳体102具有燃烧出口侧104和相对侧106、燃料和空气入口侧108和相对侧110，以及相对侧112、114。相对侧106、114在图1的立体图中不可见。外壳体102的形状和设计可以与图1中所示的不同。例如，在另一实施例中，外壳体102不需要具有矩形或立方体。
出口侧104可包括多个出口116，空气和燃料118可通过该多个出口116流出壳体102。空气和燃料118可以从壳体102通过并进入冲压式喷气发动机的燃烧室，如下文所述。
入口侧108可以包括一个或多个燃料入口120和一个或多个空气入口122。可选地，一个或多个入口120和122可以位于外壳体102的另一侧。燃料入口120可以与燃料源流体连通，例如，包含飞行器上的冲压式喷气发动机的燃料供应。空气入口122可以与空气源流体连通，例如，空气通过冲压式喷气发动机的空气入口进入冲压式喷气发动机。入口120和122可以分别从燃料和空气的外部源接收燃料和空气，并将燃料和空气分别引导到燃料电池系统100的燃料电池中。
图2示出了根据示例性实施例的燃料电池单元200的立体图。燃料电池单元200代表包括在图1所示的壳体102中的一个或多个燃料电池的部分。燃料电池单元200从入口端202延伸到相对的出口端204。一般来说，在操作期间，燃料和空气可以从入口端202流到出口端204。出口端204可以位于图1所示的壳体102的出口侧104处，或者与图1所示的壳体102的出口侧104共同延伸。例如，图1中所示的出口116可以是多个燃料电池单元200的堆叠的出口端204。该入口端202可位于壳体102的相对侧106处或壳体102的相对侧106的内部。
多个燃料电池单元200可以在壳体102内堆叠在一起。例如，多个燃料电池单元200可以放置成彼此接触，使得燃料电池单元200的催化剂侧206面向壳体102的入口侧108。催化剂侧206可以代表燃料电池单元200的侧部，该侧部在燃料电池单元202的活性区域208中具有几个催化剂层。这些层可以包括阳极层、阴极层以及设置在阳极层和阴极层之间的电解质层(例如，固体氧化物层或高温质子导电层)。
燃料电池单元200可进一步包括燃料入口208和空气入口210。燃料入口208可以与壳体102的燃料入口120对准或以其他方式流体连通，并且空气入口214可以与壳体102的空气入口122对准或以其他方式流体连通。当燃料电池单元200堆叠在一起时，燃料入口208可以与燃料入口120对准或以其他方式与燃料入口120流体连通，使得燃料电池单元200接收经由燃料入口120喷射到壳体102中的燃料。空气入口210可以与空气入口122对准或以其他方式与空气入口122流体连通，使得燃料电池单元200接收经由空气入口122到壳体102中的空气。
图3是图2的沿A-A线看到的燃料电池单元200的截面图。燃料电池单元200包括支撑结构300，例如金属支撑件。支撑结构300可以从催化剂支撑表面302延伸到相对侧或表面304。多孔支撑层306可设置在导电支撑结构300的催化剂支撑表面302上。多孔支撑层306可由形成孔的一种或多种材料形成，以允许燃料和空气流过多孔支撑层306。
在所示实施例中，催化剂层堆叠308设置在导电支撑结构300上并通过多孔支撑层306与导电支撑结构300分隔。催化剂层堆叠308包括沉积或以其他方式形成在多孔支撑层306上的阳极层310。阳极层310可由用作燃料电池的阳极的材料形成，该燃料电池由两个燃料电池单元200组合而成。催化剂层堆叠308还包括电解质层312，该电解质层312沉积或以其他方式形成在阳极层310上。电解质层312由用作燃料电池的电解质的材料形成，该燃料电池由两个燃料电池单元200组合而成。催化剂层堆叠308还包括沉积或以其他方式形成在电解质层312上的阴极层314。阴极层314由用作燃料电池的阴极的材料形成，该燃料电池由两个燃料电池单元200组合而成。可选地，阴极层314可以代替阳极层在多孔层306上并与其接触，同时阳极层310位于图3所示的阴极层314的位置。彼此重叠的层310、312以及314的二维区域或覆盖区可以限定燃料电池单元200的活性区域。
在所示实施例的横截面平面中，支撑结构300形成为包括实心板316的梳形体(combed body)，实心板316具有沿相反方向(例如，朝向燃料电池单元200的催化剂侧和朝向燃料电池单元200的相对开口侧304)远离实心板316延伸的突起部318和320。突起部318和320可以在延伸进出图3的平面的方向上伸长，或朝向燃料电池单元200的入口端和出口端的方向上伸长。这些突起部和板316均形成伸长的通道或通路322和324。
在每个燃料电池单元200中，在板316的一侧上的通路322可以是燃料流经燃料电池单元200的燃料通路，而在板316的相对侧上的通路324可以是空气流经燃料电池单元200的空气通道。可选地，如果阴极层314与多孔层306接触并且阳极层310位于电解质层312的相对侧，则通路322可以是空气通道，以及通路324可以是燃料通道。
每个通路322由多孔层306、两个突起部318以及板316限界或包围。这些通路322可称为封闭通路。相反，通路324可称为开口通路，因为这些通路324在三个侧面上由板316和突起部320限定，但沿着导电支撑结构300的开口侧304开口。
图4示出了图2所示的几个燃料电池单元200的堆叠400的横截面图的实施例。在堆叠400中的燃料电池单元200的数量作为一个示例提供。堆叠400中可以包括更多或更少数量的燃料电池单元200。堆叠400通过与图3所示的单个燃料电池单元200的平面相同的平面以截面视图示出。堆叠400从入口端402延伸到相对端404。入口端402可以位于如图1所示的壳体102的入口侧108处或壳体102的入口侧108内。相对端404可以在壳体102的相对侧110处或在壳体102的相对侧110内。
燃料电池单元200可以放置成彼此接触，使得多个燃料电池单元200具有与另一个燃料电池单元200的催化剂层堆叠308接触的导电支撑结构300的开口侧304。如图4所示，这可以将在一个燃料电池单元200的板316、同一燃料电池单元200的两个突起部320和另一个燃料电池单元200的催化剂层堆叠308之间的通路324包围。这种燃料电池单元200的堆叠方式形成多个燃料电池406，这些燃料电池406中的每一个由两个燃料电池单元200的一部分(但不是全部)形成。端部燃料电池单元200(例如，图4中的燃料电池单元200A)可以在该燃料电池单元200A的板316的一侧上不具有突起部320或通路324。另一端部燃料电池单元200(例如，图4中的燃料电池单元200B)可以与端盖支撑结构408连接。端盖支撑结构408可以是导电支撑结构300的一部分，导电支撑结构300包括板316和突起部320(以及相应的通路324)，但不包括突起部318(或者相应的通路322)。
如图4所示，燃料电池单元200相互堆叠形成多个燃料电池406。通过在堆叠400中包括更多的燃料电池单元200，可以增加每个堆叠400中的燃料电池406的数量。在每个燃料电池406内，燃料在催化剂层堆叠308的一侧的一个燃料电池单元200的通路322中流动，而空气在在相同催化剂层堆叠308的另一侧的另一个燃料电池单元200的通路324中流动。至少一些燃料可以通过多孔支撑层306到达阳极层310，并且空气可以接触阴极层314，使得燃料电池406可以产生电流。可选地，空气可以在燃料电池406中的催化剂层堆叠308的一侧的一个燃料电池单元200的通路322中流动，而燃料在相同催化剂层堆叠308的另一侧的另一个燃料电池单元200的通路324中流动。至少一些空气可以通过多孔支撑层306以到达在多孔支撑层306上的阴极层，并且燃料可以接触催化剂层堆叠308的相对侧上的阳极层，使得燃料电池406可以产生电流。
燃料电池404可以彼此串联连接，使得在燃料电池404中产生的电流被相加结合。由每个燃料电池404产生的电流可以通过导电支撑结构300导通到与多个燃料电池404连接的导体(例如，总线、电线等)。可选地，燃料电池404中的两个或更多个可以彼此并联连接。该电流可以由一个或多个导体(诸如一个或多个总线、电线、电缆等)从图1所示的堆叠400和壳体102中导通出来。
在一个实施例中，多个燃料电池堆叠400可以一起使用。多个燃料电池堆叠400可以由诸如陶瓷间隔件的绝缘间隔件来分隔，这可以防止堆叠400、400之间的高压电弧。间隔件可另外用于将堆叠400与邻近的金属(例如安装它们的钢材)隔绝。
本文描述的燃料电池可以消耗一些燃料和空气以产生电流。未使用的燃料(或未被燃料电池消耗的燃料)可被引导出燃料电池，在燃料电池中未使用的燃料可被燃烧。这种燃烧的燃料可以用于其他目的或执行其他工作，例如推进飞行器。燃料电池产生的电流可用于为飞行器的一个或多个部件供电。
每个燃料电池可以具有金属支撑件，该金属支撑件在同一堆叠中的燃料电池之间提供电流导通。这种支撑件可以称为导电支撑结构。燃料电池可以是固体氧化物燃料电池(SOFC)或另一种类型的燃料电池。金属支撑件可以包括内部通道或者可以通过并排放置多个燃料电池来形成这些内部通道。这些通道提供燃料电池电极上的空气流和燃料流以产生电流。燃料电池可以包括在电极和金属支撑件之间的界面处的多孔支撑件。多孔支撑件可称为电极支撑件。
燃料电池的电极可以沉积在该多孔支撑件上，例如通过将阳极沉积在多孔支撑件上，将电解质沉积在阳极上，以及将阴极沉积在电解质上。多孔支撑件可以具有足够大的孔，以允许在内部通道中流动的燃料(例如，气态燃料)通过多孔支撑件扩散到电极。但是，孔可以足够小以阻止形成电极的粒子通过多孔支撑件的通路。在一个实施例中，多孔支撑件中的孔的尺寸可以在2微米至80微米的范围内，但是可选地，可以根据沉积以形成电极的粒子的尺寸而更小或更大。形成电极的材料层可使用热喷涂或另一沉积技术来沉积。
燃料电池中的导电支撑结构和电极支撑件可以由一种或多种耐腐蚀金属形成以减缓燃料电池的降解(相对于使用非耐腐蚀金属)。可使用的金属的示例包括E-BRITE、SS430系列的不锈钢(例如，SS430、SS431等)、Jethete M152TM、CROFER 22APU和HAYNES合金、镍和镍铬合金等。金属可具有较大的铬含量(例如，高于金属支撑件或多孔支撑件重量的约8-10％)以赋予支撑件更大的导电性。
在一个实施例中，可在燃料电池的阴极或阳极侧的导电支撑结构上提供较薄的保护涂层(例如，比阴极或阳极薄的涂层)，以增加氧化皮的导电性或防止铬蒸发和电极(例如阴极)中毒。保护涂层可以由诸如钴、锰、钴和锰的组合、导电陶瓷等材料形成。
导电支撑结构可以为燃料电池的电极提供入口歧管和气流场。在其他燃料电池系统收集排气歧管中的气体并将气体引导到另一个燃料电池系统部件的情况下，本文描述的系统将燃料电池流场的排气引导到燃烧室中并允许在刚离开燃料电池之后反应(例如，燃烧)。燃料电池包括用于燃料和空气的一系列排气孔，以允许高效燃烧。每个燃料电池中的电极可以在燃料和空气排出位置之前终止(例如，沿着在燃料电池中燃料和空气流动的方向终止)。例如，电极可以不进入燃料与空气混合用于燃烧的区域(例如，燃烧室)的一百微米至十毫米内。电极没有延伸到的这个区域可以被称为终端区域。。
在终端区域中，导电支撑结构的成分可相对于导电支撑结构的其他区域变化成更耐腐蚀的合金和/或可涂覆一种或多种热障涂层。这些热障涂层可以由与燃料电池的电解质材料相同的材料形成，或者可以是电解质涂层或层到终端区域中的延伸部分(阴极和阳极也不会延伸到终端区域中)。这有助于保护燃料电池堆的终端区域免受过度腐蚀。
金属支撑件可以包括伸长的流动通道和交叉端口，伸长的流动通道在一个方向上分别引导空气和燃料(例如，气体)的流动，交叉端口在横向上引导部分空气或燃料。本文描述的燃料电池的金属支撑件可以允许燃料电池(例如SOFC)用于产生电流和产生可用于推进的燃烧。其他燃料电池可能具有陶瓷部件或支撑件，它们可能过于脆弱而无法承受燃烧。另外，本文描述的燃料电池的金属支撑件的热膨胀系数可能更接近于用于产生电极和电解质的材料的热膨胀系数，燃烧产生(并通过燃料电池传导)的热量不会产生破坏性的热应力。此外，可以通过多孔支撑件使金属支撑件的表面变得粗糙，以提高电极层对金属支撑件的粘合。
将诸如SOFC的燃料电池集成到燃烧系统中作为在高压和低利用率下运行的顶部循环，可允许燃料电池在高功率密度(例如，大于每平方厘米半瓦特的功率密度或每平方厘米至少三瓦特至十瓦特的功率密度)下产生高效功率。通过将燃料电池和燃料电池堆叠直接集成到燃烧系统中，集成了许多用于燃料和空气管理的冗余热交换器和控制系统，以降低总体发电成本。另外，对于推进系统，由于燃料电池直接从空气和燃料发电，并且燃料电池也被燃烧以产生推进力，因此推进系统的效率可显著提高100％以上。对于飞行器，电流和推进力的这种组合可以用来增加飞行范围。例如，飞行器可以至少部分地由来自燃料电池的燃烧产生的推力推进，并且由燃料电池产生的电流可以用于为飞行器的附加轮辋马达供电。对于无人飞行器(例如，无人机)，集成的燃料电池和燃烧系统可以提供估计翻倍的燃料消耗效率，从而将飞行范围增加多达40％。可选地，产生的电流可用于为飞行器上的电子设备供电(例如，产生推力的除外)。
图5示出了根据本文描述的实施例的示例性飞行器发动机的示意性横截面图。图5中描绘的特定飞行器发动机为冲压式喷气发动机500，然而，应理解的是，其他飞行器发动机可适用于与本文所述的燃料电池一起使用。冲压式喷气发动机500通常可以包括空气入口502和入口主体504，空气入口502接收来自周围环境的空气，入口主体504配置为增加通过空气入口502的空气的相对压力。随着冲压式喷气发动机500前进通过环境，冲压式喷气发动机500内的空气压力增加。在到达燃烧区域506时，空气与通过一个或多个燃料喷射口508供给的燃料混合。高压下的燃料和空气的组合被点燃，并在高压下通过喷嘴510(例如阻塞的喷嘴)从冲压式喷气发动机500排出。高压排出气体产生推力，该推力推动冲压式喷气发动机500和连接的飞行器通过环境。
图6示出了冲压式喷气发动机600的一部分的示意性横截面图，冲压式喷气发动机600包括主体602，主体602具有空气入口604，空气入口604接收来自周围环境的进入空气并引导所接收的空气的第一部分通过与燃烧区域608流体连通的主空气通道606。所接收的空气的第二部分可以通过空气入口604被引导至与燃料电池612流体连通的旁通空气通道610，所述燃料电池612诸如前述燃料电池(例如，燃料电池堆叠400)。旁通空气通道610可以与燃烧区域608上游的主空气通道606流体连通。进入空气入口604的空气的第二部分可以沿着线路A通过旁通空气通道610到达燃料电池612。空气的第二部分可与燃料电池612交界(例如，通过空气通路322)并进入燃烧区域608，在燃烧区域608中空气可被点燃以产生推力。
通过冲压式喷气发动机600的空气的第一部分和第二部分的体积流率可以等于或近似于进入空气入口604的空气的总体积流率。
在一个实施例中，进入主空气通道606的接收空气QM与进入旁通空气通道610的接收空气QB的体积流率比[AM:AB]可以在10000∶1和1∶100之间的范围内，诸如在100∶1和1∶10之间的范围内。在一个实施例中，QM大于QB。在更具体的实施例中，QM显著大于QB。即，进入主空气通道606的空气的体积流率可以超过进入旁通空气通道610的空气的体积流率。
在一个实施例中，通过主空气通道606的空气的第一部分可以以平均第一速度行进，而通过旁通空气通道610的空气的第二部分可以以小于平均第一速度的平均第二速度行进。例如，通过主通道606的空气的第一部分可以以超音速行进，而通过旁通空气通道610的空气的第二部分可以以亚音速行进。以这种方式，与燃料电池612连接的空气可以以亚音速行进，而通过主空气通道606的空气可以以超音速行进，从而允许冲压式喷气发动机600以提高的效率以超音速操作。
在一个实施例中，燃料电池612可以设置成邻近于燃烧区域608，例如紧邻燃烧区域608。图6描绘的冲压式喷气发动机600将燃料电池612示为与燃烧区域608的外表面接触。然而，可以不需要燃料电池612和燃烧区域608的外表面之间的直接接触。
如上关于图3所述，燃料电池单元200的支撑结构300可以包括沿燃料电池单元200延伸的空气通路322。通过旁通空气通道610的空气的第二部分或其一部分可以在空气通路322处与燃料电池612接合。更具体地，空气的第二部分可进入燃料电池单元200的空气通路322并与之接合以在某些操作条件下发电。这些操作条件之一可以包括温度。更具体地，燃料电池612可仅在达到发生离子交换的活化温度时才发电。
燃料电池612可以与燃烧区域608热连通，使得燃料电池612接收通过点燃燃烧区域608内的燃料F和空气而产生的热能(热)以发电。在某些情况下，燃料电池612可以具有至少900°F的活化温度或开始发电所需的温度，诸如至少950°F，诸如至少1000°F，诸如至少1100°F，诸如至少1200°F，诸如至少1300°F，诸如至少1400°F，诸如至少1500°F。在一个实施例中，燃料电池612的活化温度可以不大于2000°F，诸如不大于1800°F。在活化温度下，或在活化温度范围内，燃料电池612内的离子可以与燃料F反应以发电。更具体地，当燃料F穿过燃料电池612的阳极时，它从燃料电池612的阴极吸引氧离子。氧离子可以与燃料F反应以产生电、蒸汽以及二氧化碳。在电能产生期间产生的蒸汽和/或二氧化碳可通过冲压式喷气发动机600再循环或排放到环境中。由此产生的电力可用于为冲压式喷气发动机600所附接的飞行器的一个或多个电池或设备供电，从而减少飞行器的电池的电力存储需求。
在与燃料电池612接合之后，空气的第二部分可通过燃烧区域608一侧中的一个或多个开口614或另一相关端口，并进入燃烧区域608，在燃烧区域608中空气可被燃料F点燃。举例来说，一个或多个开口614可包括至少一个开口，诸如至少两个开口，诸如至少三个开口，诸如至少五个开口，诸如至少二十个开口，诸如至少一百个开口，诸如至少五百个开口。在某些情况下，一个或多个开口614可以以栅格状构造设置，或者以其他方式包括多个等间隔或非等间隔的开口。在一个实施例中，空气的第二部分可以通过一个或多个开口614直接从燃料电池612到燃烧区域608。即，燃料电池612和燃烧区域608可以通过一个或多个开口614彼此直接流体连通。在另一实施例中，空气的第二部分可以通过燃料电池612和燃烧区域608之间的中间子系统或部件。例如，空气的第二部分可以在进入燃烧区域608之前通过管道、冲压式喷气发动机600的一个或多个子系统或部件等。
被喷射到燃烧区域608中的燃料F的至少一部分可以在进入燃烧区域608之前与燃料电池612接合。例如，燃料F可以通过上述燃料电池612的燃料通路324(图3)。在一个实施例中，通过燃料电池612的燃料F的部分可以直接从燃料电池612通向燃烧区域608。在另一实施例中，该部分燃料F可以通过燃料电池612和燃烧区域608之间的中间子系统或部件。
在一些情况下，喷射到燃烧区域608中的燃料中少于100％的燃料通过燃料电池612。例如，进入燃烧区域608的燃料F中少于99％的燃料可通过燃料电池612，诸如燃料F中少于98％的燃料，诸如燃料F中少于97％的燃料，诸如燃料F中少于96％的燃料，诸如燃料F中少于95％的燃料，诸如燃料F中少于90％的燃料。在其他情况下，喷射到燃烧区域608中的所有燃料F可通过燃料电池612。燃料F或其穿过燃料电池612的部分可以沿着燃烧区域608的壁穿过一个或多个开口614，并且在燃烧区域608中被点燃以产生推力。在某些情况下，一个或多个开口614可以是空气的第二部分和燃料F共同的开口。在其他情况下，燃料F和空气的第二部分可以通过分开的开口进入燃烧区域608。
在一个实施例中，燃料F和空气可以互相平行地进入燃料电池612。也就是说，燃料F和空气的混合物可以沿着一个或多个开口614近似均匀地分布到燃烧区域608中。
在某些情况下，在冲压式喷气发动机600内使用燃料电池612不需要外部重整燃料或外部再加热空气来操作。这通常可包括利用用于直接内部燃料重整和/或开环阴极设计的独特阳极催化剂，以通过允许来自燃烧区域608和/或旁路空气的高温直接通过燃料电池进入燃烧区，从而使系统复杂性和压降最小化。在一个实施例中，可以在阳极的表面上添加一个或多个保护涂层，以实现利用内部重整燃料的稳定操作。作为非限制性示例，燃料电池612可以包括涂层，例如设置在燃料电池612的通道中重整催化剂。使用这样的涂层可允许高辛烷值喷气燃料的内部重整。在一个实施例中，可以使用催化部分氧化(CPOX)。CPOX可以通过快速起燃特性和对瞬态的响应快速重整动力学。使用内部重整的燃料可分别减少用于重整或再加热燃料和空气所需的子系统的数量，从而减少飞行器的重量和发动机的复杂性，同时提高冲压式喷气发动机600的热效率并降低比燃料消耗。此外，燃料电池612的紧凑性通过保持燃料电池612的总长度较小而使燃料电池耐用性最大化，这使得燃料电池堆叠400上的热应力和机械应力最小化。在其他实施例中，燃料电池612可以使用外部或至少部分外部重整的燃料来操作，例如通过被配置为至少部分重整燃料的一个或多个中间子系统或部件的燃料。
图7是使用冲压式喷气发动机发电的方法700的说明性示例。方法700包括在冲压式喷气发动机的空气入口处进气的步骤702。方法702进一步包括将进气和燃料的至少一部分供给到冲压式喷气发动机的燃料电池的步骤704。这可以例如通过将空气分成两个或更多部分来执行，包括进入冲压式发动机的燃烧区域的第一部分和进入旁通空气通道并与燃料电池接合的第二部分。在一个实施例中，进气的分离可以通过冲压式喷气发动机的边缘或导向装置来执行。如前所述，空气的第一部分和第二部分可以以彼此不同的相对速度行进。更具体地，与空气的第二部分相比，空气的第一部分可以以更高的速度行进。空气的第二部分可与燃料F一起通过燃料电池并进入燃烧区域。
方法700可以进一步包括使用燃料电池发电的步骤706。在一个实施例中，发电步骤706可仅在燃料电池处于或高于燃料电池的活化温度时发生。虽然活化温度可基于一个或多个条件(例如燃料电池组成、燃料类型等)而变化，但应注意的是，在低于活化温度的温度下，发电可能不会发生，或可能显著减少。
应当理解的是，在其他实施例中，本文描述的燃料电池可用于超燃冲压式发动机或其他类型的航空发动机。此外，燃料电池可与本文未明确描述的一个或多个电部件协同使用，以在操作期间使用或存储由燃料电池产生的电能。例如，燃料电池可以与一个或多个电池、航空电子设备等电连通。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等效结构元件，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。
本发明的其他方面由以下条项的主题提供：
一种冲压式喷气发动机，燃烧区域，燃烧区域具有空气入口和排气出口；和燃料电池，燃料电池与空气入口和冲压式喷气发动机的燃料供应流体连通，其中，燃料电池与燃烧区域热连通。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，燃料电池包括：一个或多个空气通道，一个或多个空气通道配置为将空气的至少一部分从空气入口输送至燃烧区域；和一个或多个燃料通道，一个或多个燃料通道配置为将燃料供应的至少一部分输送到燃烧区域。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，空气通道和燃料通道通过燃料电池的支撑结构彼此间隔开，支撑结构包括主体，主体包括在主体的第一侧上的多个第一突起部和在主体的与第一侧相对的第二侧上的多个第二突起部，多个第一突起部限定空气通道，多个第二突起部限定燃料通道。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，空气通道和燃料通道与燃烧区域直接连通。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，燃料电池设置成在燃料供应和燃烧区域之间流体连通，并且其中，所有进入燃烧区域的燃料均通过燃料电池。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，燃料电池包括具有活化温度至少为900°F的燃料电池。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，空气入口包括：主空气通道，主空气通道与燃烧区域流体连通；和旁通空气通道，旁通空气通道与燃料电池流体连通。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，主空气通道配置成接收以超音速行进的空气，而旁通空气通道配置成接收以亚音速行进的空气。
根据这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机，其中，燃料电池包括燃料电池堆叠，燃料电池堆叠包括多个堆叠的燃料电池单元。
一种航空发动机，包括：燃料电池，燃料电池设置成在航空发动机的燃料供应和燃烧区域之间流体连通，其中，燃料电池被配置为从航空发动机的空气入口接收空气进气并发电。
根据这些条项中的一个或多个条项的航空发动机，其中，燃料电池包括多个燃料电池单元，并且其中，燃料电池单元中的至少一个包括：一个或多个空气通道，一个或多个空气通道配置为将至少一部分空气从空气入口直接输送到燃烧区域；和一个或多个燃料通道，一个或多个燃料通道配置为将燃料供给的至少一部分输送到燃烧区域。
根据这些条项中的一个或多个条项的航空发动机，其中，燃料电池是固体氧化物燃料电池，并且其中，固体氧化物燃料电池的活化温度通过来自燃烧区域的热传递来实现。
根据这些条项中的一个或多个条项的航空发动机，其中，空气入口包括：主空气通道，主空气通道与燃烧区域流体连通；和旁通空气通道，旁通空气通道与燃料电池流体连通。
一种在冲压式喷气机上发电的方法，方法包括：在冲压式喷气发动机的空气入口进气；将进气和燃料的至少一部分供给到冲压式喷气发动机的燃料电池；以及通过燃料电池发电。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，进一步包括：将进气分成第一部分和第二部分；将进气的第一部分直接输送到燃烧区域，并将进气的第二部分通过旁通空气通道输送到燃料电池。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，其中，进气的第一部分以第一平均速度行进，并且其中，进气的第二部分以第二平均速度行进，如在燃料电池处所测量的，第二平均速度小于第一平均速度。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，其中，第一速度是超音速，第二速度是亚音速。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，其中，空气的第二部分通过燃料电池直接进入燃烧区域。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，其中，当燃料电池处于至少900°F的活化温度时发电发生，并且其中，供给到燃料电池的热量由进气、燃烧区域或两者提供。
根据这些条项中的一个或多个条项的方法，其中，向燃料电池供给进气和燃料包括：使进气通过多个空气通道；以及使燃料通过多个燃料通道，其中，空气通道和燃料通道由燃料电池的支撑结构彼此间隔开，支撑结构包括主体，主体包括在主体的第一侧上的多个第一突起部和在主体的与第一侧相对的第二侧上的多个第二突起部，多个第一突起部限定空气通道，多个第二突起部限定燃料通道。
这些条项中的一个或多个条项的方法使用这些条项中的一个或多个条项的冲压式喷气发动机。
这些条项中的一个或多个条项的冲压式发动机使用这些条项中的一个或多个条项的方法。

Claims (10)

1.一种冲压式喷气发动机，其特征在于，包括：
燃烧区域，所述燃烧区域具有空气入口和排气出口；和
燃料电池，所述燃料电池与所述空气入口和所述冲压式喷气发动机的燃料供应流体连通，
其中，所述燃料电池与所述燃烧区域热连通。
2.根据权利要求1所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述燃料电池包括：
一个或多个空气通道，所述一个或多个空气通道配置为将空气的至少一部分从所述空气入口输送至所述燃烧区域；和
一个或多个燃料通道，所述一个或多个燃料通道配置为将所述燃料供应的至少一部分输送到所述燃烧区域。
3.根据权利要求2所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述空气通道和所述燃料通道通过所述燃料电池的支撑结构彼此间隔开，所述支撑结构包括主体，所述主体包括在所述主体的第一侧上的多个第一突起部和在所述主体的与所述第一侧相对的第二侧上的多个第二突起部，所述多个第一突起部限定所述空气通道，所述多个第二突起部限定所述燃料通道。
4.根据权利要求2所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述空气通道和所述燃料通道与所述燃烧区域直接连通。
5.根据权利要求1所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述燃料电池设置成在所述燃料供应和所述燃烧区域之间流体连通，并且其中，所有进入所述燃烧区域的所述燃料均通过所述燃料电池。
6.根据权利要求1所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述燃料电池包括具有活化温度至少为900°F的燃料电池。
7.根据权利要求1所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述空气入口包括：
主空气通道，所述主空气通道与所述燃烧区域流体连通；和
旁通空气通道，所述旁通空气通道与所述燃料电池流体连通。
8.根据权利要求7所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述主空气通道配置成接收以超音速行进的空气，而所述旁通空气通道配置成接收以亚音速行进的空气。
9.根据权利要求1所述的冲压式喷气发动机，其特征在于，所述燃料电池包括燃料电池堆叠，所述燃料电池堆叠包括多个堆叠的燃料电池单元。
10.一种航空发动机，其特征在于，包括：
燃料电池，所述燃料电池设置成在所述航空发动机的燃料供应和燃烧区域之间流体连通，其中，所述燃料电池被配置为从所述航空发动机的空气入口接收空气进气并发电。
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