CN115370476A - 集成燃料电池和发动机燃烧器组件 - Google Patents

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Abstract

一种发动机组件，包括：燃烧器；与燃烧器集成的燃料电池堆，燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；和电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，一个或多个子系统被构造成接收由燃料电池堆产生的电能。燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。

Description

集成燃料电池和发动机燃烧器组件
技术领域
本主题大体上涉及例如燃料电池的发电系统和燃气涡轮发动机。特别地，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开进一步涉及包括(i)用于产生富氢燃料流的催化部分氧化(C-POX)转化器和(ii)由燃料电池和/或催化部分氧化(C-POX)转化器产生的能量提供动力的一个或多个子系统。
背景技术
在发动机的选择和操作中，发动机的燃料效率可能是一个重要的考虑因素。例如，飞行器中的燃气涡轮发动机的燃料效率可能是影响飞行器飞行距离的重要(和限制)因素。当前的飞行器喷气发动机通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇上的轴转化成推进力和转化成少量发电量。然而，除了燃气涡轮发动机之外，一些飞行器推进系统还可以包括燃料电池。这些燃料电池可以位于燃烧器的上游或围绕燃烧器，并且位于燃气涡轮发动机的压缩机的下游。压缩机输出的压缩空气沿着发动机的长度流动并进入燃料电池。该空气的一部分在产生电能时被燃料电池消耗。剩余的空气可以流过燃料电池或围绕燃料电池流动并进入燃烧器。然后，该空气与燃料混合并在发动机的燃烧器中燃烧。
发明内容
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，一个或多个子系统被构造成接收由燃料电池堆产生的电能，其中燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)AC/DC转化器，该AC/DC转化器被构造成将燃料电池堆产生的电能的DC电流转化成AC电流；和(e)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，该一个或多个子系统被构造成接收AC电流，其中，燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
一种方法，包括：(a)将来自压缩机的空气引导到与涡轮发动机的燃烧器集成的燃料电池堆的燃料电池中；(b)将燃料引导到燃料电池堆的燃料电池中；(c)将进入燃料电池堆的燃料电池的空气和燃料的至少一些转化为电能；(d)将电能转化成AC电流，供一个或多个发动机系统使用；(e)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气径向引导到燃烧器中；(f)在燃烧器中将燃料和排气燃烧成气态燃烧产物；和(g)使用气态燃烧产物驱动涡轮发动机的涡轮。
本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的前述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
如附图中所示，从以下更具体的对各种示例性实施例的描述中，前述和其他特征和优点将变得显而易见，附图中相似的附图标记通常表示相同、功能相似和/或结构相似的元件。
图1示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机系统中使用的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
图2示出了根据本公开的实施例的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池。
图3示出了根据本公开的实施例的沿图2中的线3-3截取的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池的横截面图。
图4示出了根据本公开的实施例的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
图5示出了根据本公开的一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
图6示出了根据本公开的另一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
图7示出了根据本公开的又一实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
图8示出了操作集成燃料电池和燃烧器组件的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，可以使用其他部件和配置而不背离本公开的精神和范围。
本公开涉及一种燃料电池和燃烧器组合系统。已知的燃料电池和燃烧器组合的一个问题是需要导管来引导空气流进入燃料电池并从燃料电池流出进入燃烧器。这些导管可以增加发动机的燃料电池和燃烧器组合的尺寸。此外，当前的飞行器喷气发动机通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇的轴转化成推进力和转化成少量发电量。因此，为了更高效和减少发动机和/或飞行的排放，需要在机上提供直流(DC)发电的架构和系统，例如燃料电池，以实现更多的电气架构，例如，一系列驱动风扇、边界层摄入的电动机等。因此，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开进一步涉及包括(i)催化部分氧化(C-POX)转化器，用于产生富氢燃料流(和/或优化将被引导到燃料电池和/或燃料电池堆中的燃料流的氢含量)和(ii)一个或多个子系统，该一个或多个子系统由燃料电池和/或催化部分氧化(C-POX)转化器产生的能量供电。例如，燃气涡轮发动机，例如与飞机一起使用的那些，通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇的轴转化成推进力和转化成少量发电量。相比之下，燃料电池通常以例如可以通过例如逆变器转化成交流电(AC)的直流电(DC)的形式提供电能。直流或交流电压可用于为电动机、灯、通信设备以及任何数量的电气设备和系统供电。因此，通过将燃料电池技术(例如固体氧化物燃料电池(SOFC))与燃气涡轮发动机结合，例如，通过将这种燃料电池技术集成在燃气涡轮的燃烧器内，可以产生电能来驱动各种子系统，包括例如用于推进的风扇、发电机等。然而，这种燃料电池技术(例如，SOFC)通常需要电池在例如600至800℃的特定温度下操作才有效，并且燃料流富含氢气和一氧化碳。因此，根据本公开的实施例，包括催化部分氧化(C-POX)转化器，用于产生用于固体氧化物燃料电池的富氢燃料流(例如，优化将被引导到燃料电池和/或燃料电池堆中的燃料流的氢含量)。
通常，固体氧化物燃料电池在发电时消耗1％至50％之间的燃料能量。传统的燃料电池将燃料电池的空气侧和燃料侧分开，并循环利用燃料，以最大限度地提高燃料循环中的燃料转化率。这需要热交换器、泵和管道系统(plumbing)的基本平衡，所有这些都可以通过本公开的集成燃烧器和燃料电池来消除。例如，根据本公开的实施例，来自固体氧化物燃料电池的未燃烧燃料和空气被直接倾倒到燃气涡轮燃烧器中并被消耗。
根据本公开的一个实施例，用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合与用于产生用于固体氧化物燃料电池的富氢燃料流的催化部分氧化(C-POX)转化器组合，该固体氧化物燃料电池设计在燃气涡轮燃烧器的外衬里和/或内衬里中。此外，由燃料电池和/或催化部分氧化(C-POX)转化器产生的能量供电的一个或多个子系统包括在具有集成燃料电池的组合燃烧系统中。在操作中，通常存在于传统燃气涡轮燃烧器中的主燃烧器/引燃器用于启动燃气涡轮发动机并增加操作温度、压力和空气的质量流量。一旦温度、压力、质量空气流量足够高时，燃料被转移到催化部分氧化转化器，以促进位于燃烧器衬里区域内的固体氧化物燃料电池的功能。在催化部分氧化转化器中产生的氢气和一氧化碳流在固体氧化物燃料电池中用于发电。来自固体氧化物燃料电池的未燃烧燃料和空气被引导到存在主/引燃火焰的燃烧器中并提供点火以消耗来自固体氧化物燃料电池的任何未燃烧的氢气和一氧化碳流出物。然后，加热的空气被引导到燃气涡轮喷嘴中用于由涡轮进行的功提取。
根据一个实施例，氢气(H2)燃料可用作具有集成燃料电池的燃烧系统的燃料源之一，与烃燃料源相反(或除烃燃料源之外)。根据该实施例，该氢气(H2)燃料源可能不需要催化部分氧化(C-POX)转化器，因此，氢气(H2)燃料流可以被引导到燃料电池(例如，SOFC)中，该燃料电池集成到燃气涡轮燃烧器的外衬里和/或内衬里中。
根据一个实施例，各种燃料源可以与所提出的发动机系统一起使用，包括具有集成燃料电池的燃烧系统。用于发动机系统的燃料源的非限制性示例包括例如煤油燃料，例如JetA、JP-8和JP-5以及合成类似物、生物喷气燃料、合成汽油、生物柴油、甲醇、二甲醚(DME)、乙醇、甘油、甲酸、氨、水合肼、液态氢、压缩氢及其组合。
根据一个实施例，还可以包括预燃烧器系统和/或热交换器，以将来自压缩机的一部分空气的温度升高到特定温度(例如，600℃至800℃)，以进一步促进位于燃烧器衬里区域内的固体氧化物燃料电池的功能。例如，一旦温度、压力和空气质量流量足够高，一部分燃料可以转移到预燃烧器系统，以增加来自压缩机的那部分空气的温度。由预燃烧器系统加热的空气，连同在催化部分氧化转化器中产生的上述氢气和一氧化碳流，和/或氢气(H2)燃料流在固体氧化物燃料电池中用于产生例如直流(DC)电形式的电力。
本文所述的一个或多个实施例提供用于发动机系统(诸如飞行器(或其他运载器或固定发电系统)的燃气涡轮发动机)的燃料电池和燃烧器组件。组件(和本文所述的伴随方法)将燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池)和发动机的燃烧器集成在一起，从而以热效率高的方式提供电力和推进力。燃料电池堆围绕发动机的燃烧器的外部布置，使得空气径向向内流过燃料电池堆中的燃料电池，并朝向燃烧器的中心或环形轴线进入燃烧器。燃料电池堆可以集成到燃烧器的外壳和/或内壳(即，衬里)中，使得不需要额外的导管或管道来流体联接燃料电池堆与燃烧器。
本文所述的燃料电池和燃烧器组件可用于产生电力以产生除了由发动机排气提供的推力之外的推力。例如，从燃气涡轮发动机中的燃料电池堆汲取电流可用于为一个或多个电动机提供动力，该一个或多个电动机将扭矩添加到燃气涡轮发动机的风扇。这提高了包括燃料电池和燃烧器的推进系统的整体燃料效率。例如，经由例如具有本文所述的燃料电池和燃烧器组件的飞行器发动机完成飞行，燃料燃烧有可能至少减少10％或更多。
图1示出了在燃气涡轮发动机102中使用的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例。燃气涡轮发动机102包括轴115，轴115将至少一个压缩机104机械地连接到涡轮112。至少一个压缩机104接收入口空气并经由一级或多级旋转叶片压缩该空气。压缩空气被引导到燃料电池和燃烧器组件100中。
组件100包括环形燃烧器106，燃料电池堆108沿燃烧器106的一些或全部长度周向围绕燃烧器106。燃料电池堆108包括多个燃料电池，这些燃料电池被布置成将燃料和压缩空气从压缩机104转化为电能。燃料电池堆108可以集成到燃烧器106的外部部分，使得燃料电池堆108是燃烧器106的一部分并且位于燃烧器106的径向外侧(例如，相对于燃烧器106的环形轴线110)。燃气涡轮发动机102包括轴115内的中心轴线116，该中心轴线116可以与环形轴线110重合或者可以不与环形轴线110重合。
离开压缩机104的一些压缩空气在朝向燃烧器106的环形轴线110的径向向内的方向上被引导通过燃料电池堆108中的燃料电池。来自压缩机的一些或全部剩余量的压缩空气在沿着或平行于燃烧器106的环形轴线110的一个方向或多个方向上被引导到燃烧器106中。
燃料电池堆108中的燃料电池接收来自燃料歧管的燃料和来自压缩机104的空气，并将该燃料和空气转化为电能。来自燃料电池堆108中的燃料电池的部分氧化的燃料和空气排气朝向环形轴线110径向向内流入燃烧器106。来自燃料电池的部分消耗的燃料和空气排气、来自压缩机104的额外空气和/或来自一个或多个燃料喷射器(例如，引燃和/或主喷射器)的额外燃料在燃烧器106内燃烧。来自燃烧的燃料和空气混合物的排气然后被引导到涡轮112中，涡轮112经由轴115将该排气转化为旋转能量，该轴115可用于驱动一个或多个负载114，例如用于推动运载器(例如飞行器)的风扇、发电机等。根据一个实施例，轴115是将负载或风扇114连接到压缩机104和涡轮112的单个轴。根据另一个实施例，轴115包括(i)将压缩机104连接到涡轮112的外轴，以及(ii)将负载或风扇114连接到涡轮112的内轴。
图2示意性地示出了燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，图1中所示的燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例。如上所述，组件100包括燃料电池堆108，该燃料电池堆108相对于燃烧器106的环形轴线110位于燃烧器106的径向外侧。燃料电池堆108包括多个燃料歧管200，这些燃料歧管200位于沿着燃料电池106的周边的不同部分处。图2中所示的燃料歧管200的数量和/或布置是一个实施例并且不限制本文描述的所有实施例。
燃料歧管200是接收用于堆108中的燃料电池的燃料并将燃料分配给电池的导管。燃料歧管200可以与燃料的来源，例如一个或多个燃料罐或其他燃料容器，流体联接。燃料歧管200可以包括在将燃料输送到燃料流动通道中的位置处将燃料输送到燃料电池的孔口。在一个实施例中，燃料不是简单地从燃料歧管200通过孔口喷射到通过燃烧器106的空气流中。相反，燃料可以被引导到如例如通过引用整体并入本文的US2019/0136761A1中描述的流动通道中。如图2进一步所示，燃料歧管200可以是细长导管，其沿着平行于燃烧器106的环形轴线110或以其他方式沿着燃烧器106的环形轴线110的方向伸长。替代地，燃料歧管200可以具有另一种形状，例如环绕燃烧器106的环。
在一个实施例中，燃料歧管200可以被单独控制。例如，控制器(例如，包括和/或一个或多个处理器(例如微处理器)和/或与一个或多个处理器(例如微处理器)联接的硬件电路)可以控制阀，这些阀进而控制燃料流向不同的燃料歧管200。从燃料电池堆108汲取的电流量可以在包括组件100的发动机的操作期间被控制(例如，通过控制器)。控制器可以关闭或打开阀以减少或增加(分别)流入燃料电池堆108的燃料量。可以减少流入燃料电池堆108的燃料量以减少由燃料电池堆108产生的电流，或者可以增加流入燃料电池堆108的燃料量以增加由燃料电池产生的电流。可选地，不能通过燃料歧管200输送燃料到燃料电池堆108，以防止燃料电池堆108产生任何电流。
燃料电池堆108沿着燃烧器106的长度直接邻接燃烧器106。燃料电池堆108可以形成燃烧器106的外表面或边界。这可以包括与燃烧器106一体形成的燃料电池堆108这种布置减少或消除了包括额外管道以将燃料电池堆108与燃烧器106流体联接的需要。燃烧器106沿着朝向燃烧器106的环形轴线110定向的径向向内方向从燃料电池堆108接收未用完的燃料和空气。燃烧器106还可以接收来自压缩机104的补充燃料和空气。这种补充燃料和空气不通过或流过燃料电池堆108中的任何燃料电池，并且可以在沿着或平行于环形轴线110的方向上流入燃烧器106。燃烧器106进一步包括内部部分202，其通过例如轴(参见，例如图1的轴115)与压缩机104和/或涡轮112联接。
图3示出了沿着图2所示的线3-3的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即图1的燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例的横截面图。如图所示，燃料电池堆108通过围绕环形轴线110完全环绕燃烧器106而围绕燃烧器106周向延伸。燃料电池堆108包括产生电流的多个燃料电池300。在一个实施例中，这些燃料电池300是固体氧化物燃料电池。替代地，燃料电池300可以是另一种类型的燃料电池。燃料电池300形成为环绕燃烧器106的环带(annulus)的部分或分段。
在图3中可见的燃料电池300可以是环绕燃烧器106的燃料电池300的单个环或环带，其中更多的燃料电池300轴向堆叠在一起以形成燃料电池堆108。例如，燃料电池300的多个附加环可以放置在彼此顶部上以形成沿环形轴线110伸长的燃料电池堆108。虽然在图3中的环中示出了八个燃料电池300，但是更多或更少的燃料电池300可以形成环绕燃烧器106的环。
堆108中的燃料电池300定位成接收来自压缩机104(和/或如下文进一步描述的预燃烧器系统)的排放空气302和来自燃料歧管200(和/或如下文进一步描述的催化器)的燃料304。燃料电池300使用该空气302和该燃料304中的至少一些产生电流，并将部分氧化的燃料306和未使用的空气308朝向环形轴线110径向引导到燃烧器106中。燃烧器106将部分氧化的燃料306和空气308燃烧成一种或多种气体燃烧产物(例如，排气)，其被引导到下游涡轮112中并驱动下游涡轮112。
图4示出了可用于燃气涡轮发动机系统(例如，图1的燃气涡轮发动机102)的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器系统400)的另一个实施例的立体图，其进一步描述于例如通过引用整体并入本文的US2020/0194799A1中。系统400包括外壳410，该外壳410具有燃烧出口侧面412和与燃烧出口侧面412相对的侧面416、燃料和空气入口侧面422以及与燃料和空气入口侧面422相对的侧面424，以及侧面414、415。侧面414和416在图4的立体图中不可见。外壳410的形状可以与图4所示的不同。例如，在另一个实施例中，外壳410不需要具有矩形或立方体形状。
燃烧出口侧面412包括多个燃烧出口480，燃烧气体488从这些燃烧出口480引出外壳410。如本文所述，可使用燃料电池不消耗的燃料和空气，在外壳410内的燃料电池堆中产生燃烧气体488。该燃烧气体488可用于为诸如有人驾驶或无人驾驶飞行器的运载器产生推进力或推力。
燃料和空气入口侧面422包括一个或多个燃料入口450和一个或多个空气入口460。可选地，入口450、460中的一个或多个可以位于外壳410的另一侧。燃料入口450与燃料电池的燃料源(例如一个或多个含氢气体的加压容器)和/或如下文进一步描述的催化部分氧化转化器流体联接。替代地，可以使用另一种类型或来源的燃料。空气入口460与燃料电池的空气(例如从设置有燃气涡轮发动机的压缩机排出的空气(参见例如来自图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102中的压缩机104的空气302))的来源和/或如下文进一步描述的预燃烧器系统流体联接。替代地，可以提供另一种空气的来源，例如一个或多个氧气的加压容器。入口450、460分别接收来自燃料和空气的外部来源的燃料和空气，并且分别将燃料和空气引导到燃料电池中。
在一个实施例中，燃料和空气入口侧面422和燃烧出口侧面412可以是外壳410的唯一未被密封的侧面。例如，外壳410可以被密封以防止流体(气体和/或液体)进出外壳410，但对于入口450、460和燃烧出口480除外。经由入口450、460被引导到外壳410中的空气和燃料可以被外壳410内的燃料电池和/或燃烧气体488的产生完全或基本上消耗(例如，至少98％的体积或质量被消耗)。这可以允许除了燃烧气体488通过其离开外壳410的燃烧出口480之外，外壳410没有任何燃料或空气通过的其他出口。根据一个实施例，来自外壳410内的燃料电池的部分氧化的燃料和未使用的空气可以被引导到燃烧器中，使得燃烧器将部分氧化的燃料和空气燃烧成一种或多种气态燃烧产物(例如，排气)，其被引导到下游涡轮中并驱动下游涡轮(参见例如图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106和涡轮112)。
在一个实施例中，系统400可以由从端部或燃料和空气入口侧面422到相对的侧面424并排堆叠的一百个燃料电池形成。替代地，系统400可以包括更少或更多并排堆叠的燃料电池。根据一个实施例，系统400可以是8厘米高、2.5厘米宽和24厘米长。替代地，系统400可以比这些示例尺寸更高或更短、更宽或更窄、和/或更长或更短。
根据一个实施例，燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器系统400)可以集成到燃烧器的衬里中，从而通过外壳410沿燃烧器的一些或全部长度周向围绕燃烧器，该外壳410具有燃料电池堆或多个燃料电池。因此，根据本实施例，系统400或外壳410沿燃烧器(参见例如图1的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106)的长度直接邻接例如燃气涡轮发动机的燃烧器。外壳410可以形成燃烧器的外表面或边界。这可以包括与燃烧器一体形成的外壳410。这种布置减少或消除了包括附加管道以将外壳410与燃烧器流体联接的需要。根据另一个实施例，燃料电池堆可轴向联接到燃烧器，这意味着燃料电池堆位于燃烧器的上游，但不一定周向围绕燃烧器。
根据一个实施例，燃烧器与外壳410流体联接(参见例如图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106)。燃烧器沿着朝向燃烧器的环形轴线(参见例如图1至3的实施例的燃烧器106的环形轴线110)定向的径向向内方向从外壳410接收未用完的燃料和空气(例如，燃烧气体488)。
根据一个实施例，外壳410内的燃料电池(例如，SOFC)被定位成接收(i)来自如下文进一步描述的压缩机和/或预燃烧器系统的排放空气，和(ii)来自来源，例如下文进一步描述的催化部分氧化转化器的燃料。外壳410内的燃料电池使用这种空气和至少一些这种燃料产生电流，并将部分氧化的燃料和未使用的空气径向引导到燃烧器中。燃烧器将部分氧化的燃料和空气燃烧成一种或多种气态燃烧产物(例如，排气)，其可以被引导到下游涡轮中并驱动下游涡轮(例如，参见图1至3的实施例中的燃气涡轮发动机102的燃烧器106和涡轮112)。
图5示出了根据本公开的一个实施例的发动机组件，更具体地，具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机500。如图5所示，燃气涡轮发动机500包括将至少一个压缩机504机械连接到涡轮512的轴515。燃气涡轮发动机500进一步包括燃烧器506(例如燃气涡轮燃烧器)和燃料电池508(或燃料电池堆)，该燃料电池508具有与燃烧器506集成的多个燃料电池(例如，SOFC)。根据一个实施例，燃料电池508(例如，固体氧化物燃料电池)被集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。例如，根据一个实施例，燃料电池508可以集成到根据图1至3所示的实施例的燃烧器506中。替代地，根据另一个实施例，燃料电池508可以包括具有图4中所示的外壳410的系统400，然后其被集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。燃料电池508也可以以另一种方式集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。例如，来自燃料电池堆的排气流可以直接通过歧管引导到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。替代地，燃料电池堆的一部分和燃烧器衬里可以经由增材制造方法(例如，3D打印)集成。
如图5进一步所示，燃气涡轮发动机500还包括催化部分氧化(C-POX)转化器510，用于产生用于燃料电池508(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流511)，该燃料电池508集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。燃气涡轮发动机500进一步包括燃料源520(例如，碳氢化合物燃料源，包括例如碳中性燃料或合成碳氢化合物)，用于将燃料流525引导到催化部分氧化(C-POX)转化器510中以产生富氢燃料流511。然后，富氢燃料流511被引导到位于在燃烧器506的衬里区域中的燃料电池508。根据另一个实施例，燃料源520可以是氢气(H2)燃料源，而不是碳氢化合物燃料源。根据本实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器510对于这种氢气(H2)燃料源可能不是必需的，因此，氢气(H2)燃料流(例如，燃料流525)可以被直接发送到燃料电池508(例如SOFC)中，该燃料电池508集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。
图5的燃气涡轮发动机500进一步包括辅助燃料源522(例如碳氢化合物燃料源，包括例如碳中性燃料或合成碳氢化合物，例如合成的燃料(即合成燃料)，其由煤、玉米等制成，作为石油产品的替代品)。来自该辅助燃料源522的燃料流526可以通过主/引燃燃料喷嘴(未示出)被引导到燃烧器506中和/或帮助在燃烧器506内产生燃烧产物。根据一个实施例，燃烧器506包括一个或多个主/引燃燃料喷嘴和/或喷射器(未示出)，其具有可以帮助至少部分地混合空气和燃料以促进燃料和空气燃烧的混合器和/或旋流器，主/引燃火焰被配置为将从燃料电池堆引导到燃烧器中的燃料燃烧成一种或多种气态燃烧产物。
如图5进一步所示，燃气涡轮发动机500的压缩机504接收入口空气(未示出)并通过一级或多级旋转叶片压缩该空气。然后，压缩空气528被引导到催化部分氧化(C-POX)转化器510中，用于产生用于燃料电池508(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流511)，该燃料电池508集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中。压缩空气528的部分，即部分528A和部分528B，也分别被引导到燃料电池508和燃烧器506中，以促进燃料电池508和燃烧器506的功能。
在图5的实施例中，集成到燃烧器506的外衬里和/或内衬里中的燃料电池508将发送到燃料电池508中的燃料流511和压缩空气528A转化成电能518(例如，DC电流)。该电能或DC电流518被引导到AC/DC转化器530中以将DC电流518改变成AC电流535，AC电流535可以被一个或多个子系统550(例如发电机、风扇或其他电机)有效地利用。此外，来自燃料电池508的部分氧化的燃料和空气排放物径向向内流入燃烧器506。来自燃料电池508的部分消耗的燃料和空气排放物、来自压缩机504的额外空气(例如，压缩空气528B)，和/或来自一个或多个燃料喷射器的额外燃料(例如，来自辅助燃料源522的燃料流526)在燃烧器506内燃烧。来自燃烧的燃料和空气混合物的排气然后被引导到涡轮512中，涡轮512经由旋转轴515将排气转化成能够用于驱动一个或多个负载514(例如用于推动运载器(例如，飞行器)的风扇、发电机等)的能量。根据一个实施例，轴515是将风扇514连接到压缩机504和涡轮512的单个轴。根据另一个实施例，轴515包括(i)将压缩机504连接到涡轮512的外轴和(ii)将风扇514连接到涡轮512的内轴。虽然图5的实施例示出了经由轴515机械连接到涡轮512的风扇514，但是该风扇514可以替代地从燃气涡轮发动机500中省略(例如，分别参见图6和7的燃气涡轮发动机600/700)。
图6示出了根据本公开的另一个实施例的发动机组件，更具体地，具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机600。如图6所示，燃气涡轮发动机600包括将至少一个压缩机604机械连接到涡轮612的轴615。燃气涡轮发动机600进一步包括燃烧器606(例如燃气涡轮燃烧器)和燃料电池608(或燃料电池堆)，该燃料电池608具有与燃烧器606集成的多个燃料电池(例如，SOFC)。根据一个实施例，燃料电池608(例如，固体氧化物燃料电池)被集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。例如，根据一个实施例，燃料电池608可以集成到根据图1至3所示实施例的燃烧器606中。替代地，根据另一个实施例，燃料电池608可以包括具有图4所示的外壳410的系统400，然后将其集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。燃料电池608也可以以另一种方式集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。
如图6进一步所示，燃气涡轮发动机600进一步包括催化部分氧化(C-POX)转化器610，用于产生用于燃料电池608(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流611)，该燃料电池608集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。燃气涡轮发动机600进一步包括燃料源620(例如，碳氢化合物燃料源，包括例如碳中性燃料或合成碳氢化合物)，用于将燃料流625A引导到催化部分氧化(C-POX)转化器610中以产生富氢燃料流611。然后，富氢燃料流611被引导到位于在燃烧器606的衬里区域的燃料电池608中。根据另一个实施例，燃料源620可以是氢气(H2)燃料源，而不是碳氢化合物燃料源。根据本实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器610对于该氢气(H2)燃料源可能不是必需的，因此，氢气(H2)燃料流(例如，燃料流625A)可以被直接发送到燃料电池608(例如SOFC)中，该燃料电池608被设计/集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。
与图5的实施例的燃气涡轮发动机500相比，图6的实施例的燃料涡轮发动机600不包括辅助燃料源(例如，图5的实施例的辅助燃料源522)。因此，辅助燃料流625B从燃料源620被引导到燃烧器606中以在燃烧器606内操作主/引燃火焰(未示出)和/或帮助在燃烧器606内产生燃烧产物。
如图6进一步所示，燃气涡轮发动机600的压缩机604接收入口空气(未示出)并通过一级或多级旋转叶片压缩该空气。然后，压缩空气628被引导到催化部分氧化(C-POX)转化器610中以产生用于燃料电池608(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流611)，该燃料电池608被设计到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中。压缩空气628的部分，即部分628A和部分628B，也分别被引导到燃料电池608和燃烧器606中，以促进燃料电池608和燃烧器606的功能。
类似于图5的实施例，在图6的实施例中，集成到燃烧器606的外衬里和/或内衬里中的燃料电池608将发送到燃料电池608中的燃料611和压缩空气628A转化成电能618(例如，DC电流)。该电能或DC电流618被引导到AC/DC转化器630中，以便将DC电流618改变成AC电流635，AC电流635可以被一个或多个子系统650(例如发电机、风扇或其他电机)有效利用。此外，来自燃料电池608的部分氧化的燃料和空气排放物径向向内流入燃烧器606。来自燃料电池608的部分消耗的燃料和空气排放物、来自压缩机604的额外空气(例如，压缩空气628B)，和/或来自一个或多个燃料喷射器的额外燃料(例如，来自燃料源620的燃料流625B)在燃烧器606内燃烧。来自燃烧的燃料和空气混合物的排气然后被引导到涡轮612中，涡轮612经由旋转轴615将排气转化成能够用于驱动一个或多个负载(未示出)的能量。
如图6进一步所示，根据一个实施例，热交换器680可以可选地包括在催化部分氧化(C-POX)转化器610和位于燃烧器606的衬里区域中的燃料电池608之间。根据本实施例，当包括该热交换器680时，该热交换器被配置为调节从催化部分氧化(C-POX)转化器610进入燃料电池608的空气和/或燃料(即燃料流611)。此外，根据本实施例，当包括该热交换器680时，来自压缩机604的另一部分压缩空气628，即部分628C，被引导到热交换器680中以控制空气温度。该加热的空气628C的一部分可以被引导到(未示出)燃料电池608并且在燃料电池608内使用，或被引导(未示出)到燃烧器606中并且与被引导到燃烧器606中的燃料625B一起在燃烧器606内燃烧。取决于从催化部分氧化(C-POX)转化器610产生的可用热量，从压缩机604排出的排出空气628A、628B和628C的部分的流速可以被控制以控制离开压缩机680进入燃料电池608的燃料流611的温度。例如，如果在热交换器680处有过多的热量可用，则可以增加空气流628C以吸收更多热量，然后将其引导至燃料电池608和/或燃烧器606，在这种情况下，引导到燃料电池608的空气流628A和/或引导到燃烧器的空气流628B可以被相应地减少。
图7示出了根据本公开的另一个实施例的发动机组件，更具体地，具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机700。如图7所示，燃气涡轮发动机700包括将至少一个压缩机704机械连接到涡轮712的轴715。燃气涡轮发动机700进一步包括燃烧器706(例如燃气涡轮燃烧器)和燃料电池708(或燃料电池堆)，该燃料电池708具有与燃烧器706集成的多个燃料电池(例如，SOFC)。根据一个实施例，燃料电池708(例如，固体氧化物燃料电池)被设计到燃料器706的外衬里和/或内衬里中。例如，根据一个实施例，燃料电池708可以集成到根据图1至3所示实施例的燃烧器706中。替代地，根据另一实施例，燃料电池708可以包括具有图4所示的外壳410的系统400，然后将其集成到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中。燃料电池708也可以以另一种方式集成到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中。
如图7进一步所示，燃气涡轮发动机700还包括催化部分氧化(C-POX)转化器710，用于产生用于燃料电池708(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流711)，该燃料电池708被集成到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中。燃气涡轮发动机700进一步包括预燃烧器系统760，用于将从压缩机704排出的空气728的温度升高到足够高以实现燃料电池温度控制的温度(例如，～600℃至800℃)。根据一个实施例，预燃烧器系统760和催化部分氧化(C-POX)转化器710通过歧管连接在一起以向燃料电池708提供经调节的空气和燃料。根据一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器710、预燃烧器系统760和燃料电池708和/或具有多个燃料电池(例如，SOFC)的燃料电池堆紧密联接在燃气涡轮发动机700内(或发动机组件)，使得催化部分氧化(C-POX)转化器710、预燃烧器系统760和燃料电池708和/或燃料电池堆在燃气涡轮发动机700(或发动机组件)内尽可能彼此靠近地定位。燃气涡轮发动机700进一步包括用于将燃料流725A引导到催化部分氧化(C-POX)转化器710和预燃烧器系统760中的燃料源720(例如碳氢化合物燃料源，包括例如碳中性燃料或合成碳氢化合物)。特别地，如图7的实施例中所示，来自燃料源720的燃料流725A的第一部分燃料725C被引导到预燃烧器系统760，而来自燃料源720的燃料流725A的第二部分燃料725D被引导到催化部分氧化(C-POX)转化器710以产生富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(例如，燃料流711)。随着从压缩机704排出的空气728的温度升高到预燃烧器系统760内的期望温度(例如，600℃至800℃)，该加热的空气765然后被引导到燃料电池708中以促进位于燃烧器706的衬里区域中的燃料电池708(例如，SOFC)的功能。并行地，从燃料源720的燃料流725A引导到催化部分氧化(C-POX)转化器710的那部分燃料725D被发展成富氢燃料流711，其也被供给到燃料电池708中。
根据另一个实施例，燃料源720可以是氢气(H2)燃料源，而不是碳氢化合物燃料源。根据本实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器710对于该氢气(H2)燃料源可能不是必需的，因此，氢气(H2)燃料流(例如，燃料流725D)可以被直接发送到燃料电池708(例如，SOFC)中，该燃料电池708被集成到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中。
根据又一实施例，替代地，图7的预燃烧器系统760是热交换器或用于将从压缩机704排出的空气728的温度升高到足够高以实现燃料电池温度控制的温度(例如，～600℃至800℃)的另一个设备。
类似于图6的实施例的燃气涡轮发动机600，图7的实施例的发动机700不包括辅助燃料源(例如，图5的实施例的辅助燃料源522)。因此，辅助燃料流725B从燃料源720被引导到燃烧器706中以在燃烧器706内操作主/引燃火焰(未示出)和/或帮助在燃烧器706内形成燃烧产物。
如图7进一步所示，燃气涡轮发动机700的压缩机704接收入口空气(未示出)并通过一级或多级旋转叶片压缩该空气。然后，压缩空气728被引导到(i)预燃烧器系统760中，如上所述，用于升高被引导到燃料电池708中的空气765的温度，以及(ii)催化部分氧化(C-POX))转化器710，用于产生用于燃料电池708(例如，固体氧化物燃料电池)的富氢燃料流(例如，优化燃料流的氢含量)(参见例如燃料流711)，该燃料电池708被设计到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中。压缩空气728的一部分，即部分728A，也被引导到燃烧器706中以促进燃烧器706的功能。
类似于图5和6的实施例，集成到燃烧器706的外衬里和/或内衬里中的燃料电池708将发送到燃料电池708中的燃料711和空气765转化成电能718(例如，DC电流)。该电能或DC电流718被引导到AC/DC转化器730中，以便将DC电流718改变为AC电流735，该AC电流735可以被一个或多个子系统750(例如发电机、风扇或其他电机)有效利用。此外，来自燃料电池708的部分氧化的燃料和空气排放物径向向内流入燃烧器706。来自燃料电池708的部分消耗的燃料和空气排放物、来自压缩机704的额外空气(例如，压缩空气728A)，和/或来自一个或多个燃料喷射器的额外燃料(例如，来自燃料源720的燃料流725B)在燃烧器706内燃烧。来自燃烧的燃料和空气混合物的排气然后被引导到涡轮712中，涡轮712经由旋转轴715将排气转化为可以用于驱动一个或多个负载(未示出)的能量。
根据本公开的一个实施例，通过沿用于燃气涡轮发动机(500、600、700)(例如，飞行器发动机)的燃烧器(506、606、706)的燃烧器衬里并入或集成燃料电池(508、608、708)(例如，SOFC)，其中压缩机(504、604、704)在燃烧器(506、606、706)上游连接到燃烧器(506、606、706)，并且涡轮(512、612、712)在燃烧器(506、606、706)下游连接到燃烧器(506、606、706)，空气和燃料都可以在单程中被引导到燃料电池(508、608、708)(SOFC)，这意味着不回收来自燃料电池排气的未燃烧的燃料或空气到燃料电池(508、608、708)的入口。因此，在这种构造中不需要单独的空气供应或任何相关的控制装置。然而，由于用于燃料电池(508、608、708)(例如，SOFC)的入口空气仅来自上游发动机压缩机(504、604、704)而没有任何其他单独控制的空气源，从压缩机(504、604、704)排出的用于燃料电池(508、608、708)的入口空气经受在不同飞行阶段发生的空气温度变化。例如，飞行器发动机压缩机内的空气在怠速期间可能在200℃下工作，在起飞期间在600℃下工作，在巡航期间在450℃下工作，等等。被引导到燃料电池的入口空气的这种类型的温度变化可能导致燃料电池(例如，SOFC)的陶瓷材料出现严重的热瞬态问题(甚至热冲击)，其范围可能从开裂到失效。因此，根据本公开的实施例，通过将预燃烧器系统760流体连接到(i)发动机压缩机704(在预燃烧器系统760的上游侧)和(ii)燃料电池708(例如,SOFC)(在预燃烧器系统760的下游侧),预燃烧器系统760用作控制设备或系统以将被引导到燃料电池708中的空气765保持在所需温度范围(例如，700℃±200℃)。此外，通过将预燃烧器系统760与催化部分氧化(C-POX)转化器710集成在一起，可以实现更好的热管理和更快的启动。这进一步提高了系统的可操作性。
在一个实施例中，燃料(例如，燃料部分725A、725B、725C和/或725D)从燃料源550的转移可以被单独控制，以更好地管理被引导到燃料电池708中的空气765的温度。例如，控制器(例如，包括一个或多个处理器(例如微处理器)和/或与一个或多个处理器(例如微处理器)联接的硬件电路)可以控制阀，这些阀又控制流到预燃烧器系统760和/或催化部分氧化转化器710的燃料流量。从压缩机704排出的空气728的温度可以通过经由控制器控制流到预燃烧器系统760的燃料流量来控制。例如，控制器可以关闭或打开阀以减少或增加(分别)流入预燃烧器系统760的燃料量。可以减少流入预燃烧器系统760的燃料量，从而降低从压缩机704排出并被引导到预燃烧器系统760的空气728的温度，或者可以增加流入预燃烧器系统760的燃料量，从而增加从压缩机704排出并被引导到预燃烧器系760中的空气728的温度。可选地，没有燃料可以经由燃料源720输送到预燃烧器系统760以防止预燃烧器系统760增加和/或降低从压缩机704排出并被引导到预燃烧器系统760中的空气728的温度。
图8示出了操作集成燃料电池和燃烧器组件的方法800的一个实施例的流程图。方法800可以描述在使用本文所述的集成燃料电池和燃烧器组件产生推力和电流时(参见例如图1和4至7)执行的操作。在步骤802，从发动机的压缩机排出的空气被引导到集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池堆的燃料电池中。根据一个实施例，该空气可以在被引导到燃料电池中之前由预燃烧器系统(参见例如图7的预燃烧器系统760)预热。根据另一个实施例，该空气可以通过热交换器(参见例如图6的热交换器680)使用从催化部分氧化(C-POX)转化器(参见例如图6的催化部分氧化(C-POX)转化器610)产生的热量来预热。在步骤804，燃料经由燃料源和/或催化部分氧化转化器被引导到集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池中。燃料进入燃料电池的方向(在步骤804)和空气流入燃料电池的方向(在步骤802)可以同时、同步、顺序或以与图8所示相反的顺序发生。
在步骤806，燃料电池中的空气和燃料被至少部分地转化为电能。例如，燃料电池可以串联连接以建立在燃料电池中产生的直流电。例如，在步骤808A，该电能或DC电流被转化成AC电流以用于为一个或多个发动机子系统(例如发动机的风扇、发电机、另一负载)供电，或用于给电池充电。在步骤808B，燃料电池的流出物被径向向内引导到燃烧器。流出物可以包括未使用的空气、未燃烧的燃料和/或燃料电池的其他气态成分。在步骤810，流出物在燃烧器中(至少部分地)燃烧。来自压缩机的额外空气和/或来自燃料喷射器的燃料可以被引导到燃烧器中以帮助燃烧。燃烧器中的燃烧产生气态燃烧产物。在步骤812，发动机的涡轮由燃烧器中的气态燃烧产物驱动。例如，来自燃烧器的排气可被引导到涡轮中以经由例如轴使涡轮旋转。
因此，根据本公开的原理，提供了一种发动机系统，其将燃料电池(例如，SOFC)和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器组合在发动机系统(例如喷气发动机系统)上，用于航空平台的发电和推进。
根据本公开的一个实施例，提供了一种发动机系统，其可以使用碳中性燃料(例如，CNLF乙醇和/或CNLF合成燃料)操作并且可以在减少排放物的情况下实现高巡航效率。
根据本公开的原理，将燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器集成到燃气涡轮发电机组(即发电机组)可以产生电力。例如，轴(或机械)动力可以转化为AC电力，然后转化为DC电力。此外，一些轴(或机械)动力可用于推进，例如，如果风扇连接到轴。
根据本公开的一个实施例，可以提供AC电力来代替DC电力。
根据本公开的一个实施例，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统预计具有非常高的巡航效率和各种燃料(包括碳中性液态燃料(CNLF))的燃料灵活性。
根据本公开的原理，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统预计以超过60％的巡航效率传递DC电力，同时能够使用碳中性液体燃料(CNLF)(例如乙醇、合成燃料等等)操作。
根据本公开的一个实施例，开发了一种组合系统，其使组件的总数量最小化，同时还很紧凑，并且仍然具有高功率密度。
根据本公开的一个实施例，燃料电池(例如，SOFC)围绕环形和/或罐式燃烧器的集成允许高功率密度操作，同时燃料热释放可以在燃料电池和燃烧器之间进行平衡。另外，根据本公开的实施例，来自燃料电池的未燃烧产物(例如，大约50％至85％)仍然可以在燃烧器中燃烧。
根据本公开的一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器提供空气和燃料的预热并且可以与热交换器组合。根据本公开的另一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器可以将热量发送到涡轮。
根据本公开的一个实施例，压缩机(例如，发电机组压缩机)可以利用系统提供的所有协同作用来供应高压空气。
根据本公开的一个实施例，提供了一种热交换器，其调节进入具有集成燃料电池(SOFC)的燃烧器的空气和燃料，该热交换器使用来自包含在发动机系统中的催化部分氧化(C-POX)转化器的废热。
根据本公开的原理，提供了一种高效推进系统，其提供燃料节省。
根据本公开的原理，提供了一种发动机系统，该发动机系统能够使用碳中性液态燃料(CNLF)操作，其有效地具有零或低温室气体排放物。
根据本公开的原理，在燃烧器和发动机系统中包含燃料电池(例如，SOFC)产生低NOx排放物。
根据本公开的原理，与金属支撑燃料电池(MS-SOFC)相比，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统提供超过10×到20×kW/kg比功率密度。
根据本公开的原理，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统提供高达75％(例如，约60％至75％)电化学电压效率。
根据本公开的原理，与传统的SOFC-GT混合系统相比，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统提供与工厂节省的显著平衡，否则未使用的燃料电池产品和热量直接进入燃烧器。
根据本公开的原理，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统提供用于电化学输出的燃料电池的快速响应(例如，SOFC)。
根据本公开的一个实施例，燃料电池(例如，SOFC)与燃烧器的嵌入或集成消除了对用于燃料电池的单独压力容器和/或管道的需要。
根据本公开的原理，提供了一种发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统，其可以实现高效率(例如，至少60％)，其中现有推进系统的改动很小，同时还具有使用各种液化喷气燃料进行工作的能力。此外，虽然燃料电池(例如，SOFC)能够使用氢气(H2)燃料操作，但不需要氢气燃料基础设施。
根据本公开的原理，提供了一种组合系统，其将燃料电池(SOFC)、催化部分氧化(C-POX)转化器和燃气涡轮发动机集成到具有紧凑设计的单个布置中。
根据本公开的原理，发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统热力学回收来自催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器和燃料电池的废热，从而产生近100％有效的热电转化。
根据本公开的原理，提供了一种发动机系统上的具有燃料电池和作为预燃烧器的催化部分氧化(C-POX)转化器/重整器的组合系统，其可以使用合成燃料操作，这允许(i)至少58％的巡航电力生产率和/或(ii)减少至少70％的二氧化碳(CO2)排放物。
本公开的其他方面由以下条款的主题提供。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，一个或多个子系统被构造成接收由燃料电池堆产生的电能，其中燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括压缩机，该压缩机流体连接在(i)燃烧器和(ii)催化部分氧化转化器的上游，该压缩机被构造成将空气的一部分引导到催化部分氧化转化器中。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，燃料源提供燃料并且流体连接到催化部分氧化转化器，其中燃料的一部分从燃料源引导到催化部分氧化转化器以优化引导到燃料电池堆的燃料流的氢含量。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃料源包括煤油燃料和合成类似物、生物喷气燃料、合成汽油、生物柴油、甲醇、二甲醚(DME)、乙醇、甘油、甲酸、氨、水合肼、液态氢气、压缩氢气及其组合中的至少一种。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括提供燃料并且流体连接到燃烧器的辅助燃料源。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括AC/DC转化器，该AC/DC转化器被构造成将由燃料电池堆产生的电能的DC电流转化成AC电流以向一个或多个子系统供电。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括流体连接到燃料电池堆的预燃烧器系统，预燃烧器系统被构造成将引导到燃料电池堆中的空气流的温度控制到700°℃±200℃。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，催化部分氧化转化器、预燃烧器系统和燃料电池堆紧密地联接在发动机组件内。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，燃料源提供燃料并且流体连接到预燃烧器系统和催化部分氧化转化器，其中(i)燃料的第一部分从燃料源引导到预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到预燃烧器系统的空气的一部分的温度，并且(ii)燃料的第二部分从燃料源引导到催化部分氧化转化器，催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆的燃料流的氢含量。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃烧器包括一个或多个主/引燃燃料喷嘴，主/引燃燃料喷嘴被构造成将从燃料电池堆引导到燃烧器中的燃料和空气排气燃烧成一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括下游涡轮，该下游涡轮在燃烧器的下游连接到燃烧器。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括流体连接到催化部分氧化转化器和燃料电池堆的热交换器，热交换器被构造成调节进入燃料电池堆或燃烧器的入口空气和/或燃料。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃料电池堆是(i)周向地围绕燃烧器和(ii)轴向地联接到燃烧器的至少一个。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃料电池堆集成在燃烧器的内衬里和外衬里中的至少一个内。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃料电池堆是固体氧化物燃料电池堆。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)AC/DC转化器，AC/DC转化器被构造成将燃料电池堆产生的电能的DC电流转化成AC电流；(e)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，该一个或多个子系统被构造成接收AC电流，燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括压缩机，该压缩机流体连接在(i)燃烧器和(ii)催化部分氧化转化器的上游，该压缩机被构造成将空气的一部分引导到催化部分氧化转化器中。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，该燃料源提供燃料并且流体连接到催化部分氧化转化器，其中燃料的一部分从燃料源引导到催化部分氧化转化器以优化引导到燃料电池堆的燃料流的氢含量。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃料源包括煤油燃料和合成类似物、生物喷气燃料、合成汽油、生物柴油、甲醇、二甲醚(DME)、乙醇、甘油、甲酸、氨、水合肼、液态氢气、压缩氢气及其组合中的至少一种。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括提供燃料并且流体连接到燃烧器的辅助燃料源。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括流体连接到所述燃料电池堆的预燃烧器系统，预燃烧器系统被构造成将引导到燃料电池堆中的空气流的温度控制到700°℃±200℃。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，催化部分氧化转化器、预燃烧器系统和燃料电池堆紧密地联接在发动机组件内。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，燃料源提供燃料并且流体连接到预燃烧器系统和催化部分氧化转化器，其中(i)燃料的第一部分从燃料源到预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到预燃烧器系统的空气的一部分的温度，并且(ii)燃料的第二部分从燃料源引导到催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆的燃料流的氢含量。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，其中，燃烧器包括一个或多个主/引燃燃料喷嘴，主/引燃燃料喷嘴被构造成将从燃料电池堆引导到燃烧器中的燃料和空气排气燃烧成一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括下游涡轮，该下游涡轮在燃烧器的下游连接到燃烧器。
根据前述条款中任一项所述的发动机组件，进一步包括流体连接到催化部分氧化转化器和燃料电池堆的热交换器，热交换器被构造成调节进入燃料电池堆或燃烧器的入口空气和/或燃料。
一种方法，包括：(a)将来自压缩机的空气引导到与涡轮发动机的燃烧器集成的燃料电池堆的燃料电池中；(b)将燃料引导到燃料电池堆的燃料电池中；(c)将进入燃料电池堆的燃料电池的空气和燃料的至少一些转化为电能；(d)将电能转化成AC电流，供一个或多个发动机系统使用；(e)将燃料电池堆的燃料和空气排气径向引导到燃烧器中；(f)在燃烧器中将燃料和空气排气燃烧成气态燃烧产物；和(g)使用气态燃烧产物驱动涡轮发动机的涡轮。
尽管前面的描述是针对优选实施例的，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不背离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种发动机组件，其特征在于，包括：
(a)燃烧器；
(b)与所述燃烧器集成的燃料电池堆，所述燃料电池堆被构造成(i)将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中并且(ii)产生电能；
(c)流体连接到所述燃料电池堆的催化部分氧化转化器，所述催化部分氧化转化器被构造成优化引导到所述燃料电池堆中的燃料流的氢含量；和
(d)电连接到所述燃料电池堆的一个或多个子系统，所述一个或多个子系统被构造成接收由所述燃料电池堆产生的所述电能，
其中，所述燃烧器被构造成将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括压缩机，所述压缩机流体连接在(i)所述燃烧器和(ii)所述催化部分氧化转化器的上游，所述压缩机被构造成将空气的一部分引导到所述催化部分氧化转化器中。
3.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述催化部分氧化转化器，其中所述燃料的一部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以优化引导到所述燃料电池堆中的所述燃料流的所述氢含量。
4.根据权利要求3所述的发动机组件，其特征在于，其中，所述燃料源包括煤油燃料和合成类似物、生物喷气燃料、合成汽油、生物柴油、甲醇、二甲醚(DME)、乙醇、甘油、甲酸、氨、水合肼、液态氢气、压缩氢气及其组合中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括提供燃料并且流体连接到所述燃烧器的辅助燃料源。
6.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括AC/DC转化器，所述AC/DC转化器被构造成将由所述燃料电池堆产生的所述电能的DC电流转化成AC电流以向所述一个或多个子系统供电。
7.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括流体连接到所述燃料电池堆的预燃烧器系统，所述预燃烧器系统被构造成将引导到所述燃料电池堆中的空气流的温度控制到700℃±200℃。
8.根据权利要求7所述的发动机组件，其特征在于，其中，所述催化部分氧化转化器、所述预燃烧器系统和所述燃料电池堆紧密联接在所述发动机组件内。
9.根据权利要求7所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统和所述催化部分氧化转化器，其中(i)所述燃料的第一部分从所述燃料源引导到所述预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到所述预燃烧器系统中的空气的一部分的温度，并且(ii)所述燃料的第二部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以优化引导到所述燃料电池堆中的所述燃料流的所述氢含量。
10.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，其中，所述燃烧器包括一个或多个主/引燃燃料喷嘴，所述主/引燃燃料喷嘴被构造成将从所述燃料电池堆引导到所述燃烧器中的所述燃料和空气排气燃烧成所述一种或多种气态燃烧产物。
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