CN116857069A - 一种来流空气能量回收的燃料电池发动机及飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种来流空气能量回收的燃料电池发动机及飞行器，属于飞行器推进领域。解决了传统航空发动机效率低且在高速飞行下来流空气温度过高导致压气机耗功过大的问题。它包括空气供给系统、燃料供给系统、燃料电池和推进系统，所述空气供给系统和燃料电池的阴极相连，所述燃料电池用于给推进系统提供电能。本发明通过重整预冷集成器实现了高效的能量管理以及来流空气的能量回收，降低了高马赫数下压气机的耗功，同时省去了单独的燃料重整器从而使得整个系统结构紧凑，且电力驱动压气机的方式可以进一步提升燃烧室的工作温度而不会受到传统的涡轮前温度限制，最终实现了发动机在高马赫数下的高效运行。
Description
技术领域
本发明属于飞行器推进领域，特别是涉及一种来流空气能量回收的燃料电池发动机及飞行器。
背景技术
效率更高、性能更优是航空发动机的一贯发展目标；目前传统的燃气涡轮航空发动机因为受限于材料的耐热性及有限的冷却能力，涡轮前温度的进一步提升受到制约；且基于布雷顿循环的热机，效率受限于卡诺效率，无法持续提高；
另一方面，飞行器的高速飞行也是航空领域发展的方向；但在高马赫数下飞行，来流空气的滞止温度过高，会影响发动机的稳定工作和寿命，但其也含有较高的能量；
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，具有较高的效率，不受卡诺循环的限制；其中一类固体氧化物燃料电池，具有工作温度高，燃料适用范围广泛的优点；将清洁高效的燃料电池技术与传统的航空燃气涡轮技术相结合是目前航空领域较有前景的一个研究方向；
为了解决传统航空发动机效率低且在高速飞行下来流空气温度过高的问题，本发明提出了一种来流空气能量回收的燃料电池发动机。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种来流空气能量回收的燃料电池发动机,以解决传统航空发动机效率低且在高速飞行下来流空气温度过高导致压气机耗功过大的问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面：一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，包括空气供给系统、燃料供给系统、燃料电池和推进系统，所述空气供给系统和燃料供给系统的重整预冷集成器相连，所述空气供给系统和燃料电池的阴极相连，所述燃料供给系统与燃料电池的阳极相连，所述推进系统与燃料电池的尾气输出端相连，所述燃料供给系统与推进系统相连，所述燃料供给系统为推进系统提供燃料，所述空气供给系统用于将来流空气引入后与燃料供给系统换热并在换热后进行加压输出给燃料电池，所述燃料供给系统用于给来流空气降温的同时为燃料电池提供反应原料，所述燃料电池用于给推进系统提供电能。
更进一步的，所述空气供给系统包括进气道和压气机，进气道的输出端与重整预冷集成器的热端进口连通，重整预冷集成器的热端出口与压气机的进口连通，压气机的输出端与燃料电池的阴极入口连通。
更进一步的，所述燃料供给系统还包括第一燃油泵、油箱、水箱、水泵和混合器，所述混合器上设有两个混合进入口和一个混合输出口，所述油箱的出口端经第一燃油泵与混合器的一个混合进入口连通，所述水箱经水泵与混合器的另一个混合进入口连通，混合器的混合输出口与重整预冷集成器的冷端进口连通，重整预冷集成器的冷端出口与燃料电池的阳极入口连通。
更进一步的，所述的重整预冷集成器为管束式构型，管内为冷流体，管外为热流体，冷端入口和冷端出口之间的管道内壁上设有燃油重整制氢的催化剂涂层。
更进一步的，所述推进系统包括燃烧室、喷管、电动机、冷却通道和连接轴，燃料电池的尾气输出端与燃烧室的一个进口端连通，所述油箱的出口端经第二燃油泵连通在燃烧室的另一个进口端上，燃烧室的出口端与喷管连通，电动机与压气机通过连接轴相连，电动机的电力输入端与燃料电池电力输出端相连。
更进一步的，所述电动机上设有冷却通道，所述第二燃油泵的输出端与冷却通道进口端连通，冷却通道的出口端与燃烧室连通。
更进一步的，所述燃料电池为基于阳极支撑的高温固体氧化物燃料电池。
根据本发明的另一个方面，提供一种飞行器，包含上述一种来流空气能量回收的燃料电池发动机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过重整预冷集成器实现了高效的能量管理以及来流空气的能量回收。高马赫数下的高温空气通过重整预冷集成器实现温度下降，而低温的燃油通过该部件实现了吸热的重整制氢反应，高温的来流空气将能量传送至燃油的重整产物，一方面降低了高马赫数下压气机的耗功，另一方面也为燃料电池提供了必要的以氢气为主的小分子反应物；
2、通过重整预冷集成器实现了重整和预冷两个过程的一体化，省去了单独的燃料重整器，使得整个系统结构紧凑，运行高效；
3、通过充分利用高效率的高温燃料电池，且对燃料电池的尾气进一步燃烧，实现了能量的梯级利用，同时通过调整进入燃烧室的另一路燃油流量，可以改变燃烧室的工作温度而不会受到传统的涡轮前温度限制，既提高了发动机的效率，又拓宽了发动机的工作范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机的结构示意图。
进气道1；重整预冷集成器2；压气机3；第一燃油泵4；油箱5；第二燃油泵6；水箱7；水泵8；混合器9；燃料电池10；燃烧室11；喷管12；电动机13；冷却通道14；连接轴15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见附图说明本实施方式，本发明的一个方面，提供一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，包括空气供给系统、燃料供给系统、燃料电池10和推进系统，所述空气供给系统和燃料供给系统的重整预冷集成器2相连，所述空气供给系统和燃料电池10的阴极相连，所述燃料供给系统与燃料电池10的阳极相连，所述推进系统与燃料电池10的尾气输出端相连，所述燃料供给系统与推进系统相连，所述燃料供给系统为推进系统提供燃料，所述空气供给系统用于将来流空气引入后与燃料供给系统换热并在换热后进行加压输出给燃料电池10，所述燃料供给系统用于给来流空气降温的同时为燃料电池10提供反应原料，所述燃料电池10用于给推进系统提供电能。
在本实施例中，所述空气供给系统包括进气道1和压气机3，进气道1的输出端与重整预冷集成器2的热端进口连通，重整预冷集成器2的热端出口与压气机3的进口连通，压气机3的输出端与燃料电池10的阴极入口连通，进气道1将来流空气引入后进入到重整预冷集成器2进行换热，温度降低后进入到压气机3内进行加压输送给燃料电池进行反应。
在本实施例中，所述燃料供给系统还包括第一燃油泵4、油箱5、水箱7、水泵8和混合器9，所述混合器9上设有两个混合进入口和一个混合输出口，所述油箱5的出口端经第一燃油泵4与混合器9的一个混合进入口连通，所述水箱7经水泵8与混合器9的另一个混合进入口连通，混合器9的混合输出口与重整预冷集成器2的冷端进口连通，重整预冷集成器2的冷端出口与燃料电池10的阳极入口连通，第一燃油泵4将油箱5内的然后引入到混合器9内，水泵8将水箱7内的水引入到混合器9，进入混合器9内的水和燃油进行混合后会输出给重整预冷集成器2内用作冷流体对来流空气进行降温。
在本实施例中，所述的重整预冷集成器2为管束式构型，其中管内为冷流体，管外为热流体，冷端入口和冷端出口之间的管道内壁上设有燃油重整制氢的催化剂涂层，帮助从混合器9进入管道内的原料进行反应生成以氢气、甲烷、一氧化碳等为主的小分子物质。
在本实施例中，所述推进系统包括燃烧室11、喷管12、电动机13、冷却通道14和连接轴15，燃料电池10的尾气输出端与燃烧室11的一个进口端连通，所述油箱5的出口端经第二燃油泵6连通在燃烧室11的另一个进口端上，燃烧室11的出口端与喷管12连通，电动机13与压气机3通过连接轴15相连，电动机13的电力输入端与燃料电池10的电力输出端相连，燃烧室11将第二燃油泵6泵送来的燃油以及燃料电池10的尾气进行燃烧，然后将动力通过喷管12进行输出。
在本实施例中，所述电动机13上设有冷却通道14，所述第二燃油泵6的输出端与冷却通道14进口端连通，冷却通道14的出口端与燃烧室11连通，将燃油泵入到冷却通道14内使得燃油的温度升高，降低电动机13温度，提高电动机13的运转可靠性的前提下，可以改变燃烧室的工作温度而不会受到传统的涡轮前温度限制。
在本实施例中，所述燃料电池10为基于阳极支撑的高温固体氧化物燃料电池。
使用时，进气道1将来流空气引入，空气进入重整预冷集成器2内换热后进入到压气机3内进行加压，第一燃油泵4将油箱5内的燃油引入到混合器9内，水泵8将水箱7内的水引入到混合器9内与燃油混合后进入到重整预冷集成器2内作为冷流体将来流空气进行降温，并与重整预冷集成器2冷端入口和冷端出口之间的管道内壁上设有燃油重整制氢的催化剂涂层反应，使得原料进行反应生成以氢气、甲烷、一氧化碳等为主的小分子物质，然后输出到燃料电池10的阳极，来流空气经加压后进入到燃料电池10的阴极，反应后输出电能给电动机13，电动机13通过连接轴15将动力输出给压气机3，帮助压气机3对空气进行加压，第二燃油泵6将油箱5内的燃油引入冷却通道14换热后提高温度同时带走电动机13的热量，然后进入到燃烧室11内，燃料电池的尾气也进入到燃烧室11内，二者在燃烧室11内进行燃烧后将动力通过喷管12进行输出，完成飞行器的驱动，实现了热量的管理，既提高了发动机的效率，又拓宽了发动机的工作范围。
根据本发明的另一个方面，提供一种飞行器，包括上述发动机。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (8)
1.一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：包括空气供给系统、燃料供给系统、燃料电池(10)和推进系统，所述空气供给系统和燃料供给系统的重整预冷集成器(2)相连，所述空气供给系统和燃料电池(10)的阴极相连，所述燃料供给系统与燃料电池(10)的阳极相连，所述推进系统与燃料电池(10)的尾气输出端相连，所述燃料供给系统与推进系统相连，所述燃料供给系统为推进系统提供燃料，所述空气供给系统用于将来流空气引入后与燃料供给系统换热并在换热后进行加压输出给燃料电池(10)，所述燃料供给系统用于给来流空气降温的同时为燃料电池(10)提供反应原料，所述燃料电池(10)用于给推进系统提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述空气供给系统包括进气道(1)和压气机(3)，进气道(1)的输出端与重整预冷集成器(2)的热端进口连通，重整预冷集成器(2)的热端出口与压气机(3)的进口连通，压气机(3)的输出端与燃料电池(10)的阴极入口连通。
3.根据权利要求1所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述燃料供给系统还包括第一燃油泵(4)、油箱(5)、水箱(7)、水泵(8)和混合器(9)，所述混合器(9)上设有两个混合进入口和一个混合输出口，所述油箱(5)的出口端经第一燃油泵(4)与混合器(9)的一个混合进入口连通，所述水箱(7)经水泵(8)与混合器(9)的另一个混合进入口连通，混合器(9)的混合输出口与重整预冷集成器(2)的冷端进口连通，重整预冷集成器(2)的冷端出口与燃料电池(10)的阳极入口连通。
4.根据权利要求1所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述的重整预冷集成器(2)为管束式构型，管内为冷流体，管外为热流体，冷端入口和冷端出口之间的管道内壁上设有燃油重整制氢的催化剂涂层。
5.根据权利要求3所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述推进系统包括燃烧室(11)、喷管(12)、电动机(13)、冷却通道(14)和连接轴(15)，燃料电池(10)的尾气输出端与燃烧室(11)的一个进口端连通，所述油箱(5)的出口端经第二燃油泵(6)连通在燃烧室(11)的另一个进口端上，燃烧室(11)的出口端与喷管(12)连通，电动机(13)与压气机(3)通过连接轴(15)相连，电动机(13)的电力输入端与燃料电池(10)电力输出端相连。
6.根据权利要求5所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述电动机(13)上设有冷却通道(14)，所述第二燃油泵(6)的输出端与冷却通道(14)进口端连通，冷却通道(14)的出口端与燃烧室(11)连通。
7.根据权利要求1所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机，其特征在于：所述燃料电池(10)为基于阳极支撑的高温固体氧化物燃料电池。
8.一种飞行器，其特征在于：包括权利要求1-7中任一项所述的一种来流空气能量回收的燃料电池发动机。
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