CN117996106A - 用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组，其包括：多个环形燃料电池组件，每个环形燃料电池组件由多个管状固体氧化物燃料电池构成，所述燃料电池被布置为彼此平行并且围绕中央轴线在周向上分布；至少一个第一堆叠歧管，其用于每个燃料电池组件，并与单独的燃料电池组件的第一侧接触；至少一个第二堆叠歧管，其用于每个燃料电池组件，并与单独的燃料电池组件的第二侧接触；以及中央凹部，其用于引导发动机轴穿过，其中所述燃料电池各自包括管状阳极和管状阴极，其中所述燃料电池组件通过彼此接触的成对的第一和第二堆叠歧管在轴向方向上堆叠，其中每个第一堆叠歧管包括氢入口，并连接到相应的燃料电池的阳极的第一端，并且其中每个第二堆叠歧管包括氢和蒸汽出口，并连接到相应的燃料电池的阳极的第二端。

Description

用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组

技术领域

本发明涉及一种用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组，以及具有固体氧化物燃料电池组的飞机发动机。

背景技术

运输机或客机的推进通常由使用烃基燃料的喷气发动机或燃烧发动机提供，这导致一定的碳足迹、NOx排放以及噪音。作为一种替代方案，通过可再生能源为未来飞机生产的氢是一种零碳燃料，其用来自大气的氧燃烧。然而，在喷气发动机中直接使用氢也会导致NOx的产生。此外，该过程导致发动机的低效率。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换装置，它使用氢作为燃料，并将其化学能转换成电能和热能。通过电化学反应产生电力，该电化学反应是一种安全的非燃烧反应。SOFC广泛用于固定应用，并且能够以高达85％的高燃料利用率来产生电力。SOFC由阳极、阴极、电解质和集流部件/互连器组成。在多孔阴极中，通过接受电子并产生氧化物离子而发生氧还原反应，其中氧化物离子行进穿过气密电解质到达阳极界面。氢燃料在阳极界面处通过接受氧化物离子并产生电子而被氧化，电子通过外部电路传递到阴极侧。SOFC的操作温度通常在600℃到900℃的范围中，这取决于SOFC材料的选择。

存在一些构思，其中将SOFC集成到用于推进飞机的驱动单元中。例如，EP 2 700120 A1公开了一种驱动单元，该驱动单元包括用于燃烧燃料/空气混合物的燃烧室和固体氧化物燃料电池装置，其中该燃料电池装置包括至少一个燃料电池，该至少一个燃料电池分别包括可联接到燃料管线的阳极、可联接到空气源的阴极以及流体出口，并且布置在燃烧室的上游。燃烧室包括用于供应燃料/空气混合物的燃烧室入口和用于排出废气的燃烧室出口，并且燃烧室入口连接到燃料电池装置的流体出口。

用于固定应用的SOFC通常选择为平面型SOFC的形式，其具有低的重量功率密度，并且在快速加热和冷却速率下可能经受对电池的高的热应力。该电池组的低重量功率密度主要是由于设计中使用了重型双极板。替代地，管状设计的SOFC在高重量功率密度、高表面体积比和低热应力方面提供了巨大的优势。此外，取决于应用，管状SOFC到电池组的集成是灵活的。上述驱动单元使用管状SOFC的环。

具有在二维中交错的大量管状SOFC的电池组可能经历不利的在电池组内的宽的温度分布以及从电池组中提取热量的困难。这可能会导致电池材料的退化，并导致性能下降，而集成冷却系统以协调宽的温度分布在技术上具有挑战性。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种替代的用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组，其具有在一维或二维上交错的管状SOFC，该固体氧化物燃料电池组允许以高效率并以明显降低的退化风险输送电力。

该目的通过具有本发明的特征的用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组来实现。有利的实施例和进一步的改进可以从以下描述中收集到。

提出了一种用于飞机发动机的固体氧化物燃料电池组，所述固体氧化物燃料电池组包括：多个环形燃料电池组件，每个所述环形燃料电池组件由多个管状固体氧化物燃料电池构成，所述燃料电池被布置为彼此平行并围绕中央轴线在周向上分布；至少一个第一堆叠歧管，所述至少一个第一堆叠歧管用于每个燃料电池组件，并与单独的燃料电池组件的第一侧接触；至少一个第二堆叠歧管，所述至少一个第二堆叠歧管用于每个燃料电池组件，并与单独的燃料电池组件的第二侧接触；以及中央凹部，所述中央凹部用于引导发动机轴穿过，其中，所述燃料电池各自包括阳极和阴极，其中通过彼此接触的成对的第一堆叠歧管和第二堆叠歧管，在轴向方向上堆叠所述燃料电池组件，其中每个第一堆叠歧管包括氢入口，并且连接到相应的燃料电池的阳极的第一端，并且其中每个第二堆叠歧管包括氢和蒸汽出口，并且连接到相应的燃料电池的阳极的第二端。

在下文中，为了提高可读性，术语“固体氧化物燃料电池”被称为“SOFC”。此外，在本发明的上下文中，如果没有明确提及另一种类型的燃料电池，则术语“燃料电池”是指固体氧化物燃料电池。

因此，根据本发明的燃料电池组包括数个环形燃料电池组件，所述数个环形燃料电池组件分别由第一堆叠歧管和第二堆叠歧管界定，其中，单独的组件以轴向布置对齐并且彼此电连接以形成所述燃料电池组。通过提供中央凹部，发动机轴可以延伸穿过燃料电池组。该燃料电池组的总体设计为中空圆柱形，并且每个组件包括环形形状。该环形形状可以包括在周向方向上布置在相同直径上的管状SOFC的至少一个环。如果需要，可以在每个组件中形成数个同心环，其中SOFC也在径向方向上装填。

第一堆叠歧管和第二堆叠歧管在轴向上围封相应的组件并提供它们的电互连。所述堆叠歧管可以包括以并联方式电连接SOFC的至少一部分的单个件。然而，也可以设想分段的堆叠歧管，该分段的堆叠歧管提供多个单独组的电并联连接的SOFC，所述多个单独组然后可以根据需要以串联连接的方式彼此连接。第一堆叠歧管用于将氢输送到SOFC中。第二堆叠歧管用于接收从SOFC流出的残余氢。因此，所述堆叠歧管可以同时提供电连接(即，电流收集)以及到氢源和氢收纳器的连接的功能。将这些功能组合到单个部件中允许使材料使用最小化。堆叠歧管可以被设计为中空环形装置，其能够被流动穿过以分配和/或收集流体。它们可以被理解为具有适于与相应的SOFC适形的形状的平坦腔室。在面向SOFC的一侧，堆叠歧管可以具有平坦的板状形状，这允许将相应的堆叠歧管电连接到相应的SOFC。

单独的管状SOFC在两侧上敞开，并且可以包括多种不同材料组合中的一种。在选择或设计SOFC时，内径和外径、间隔距离以及可用于燃料电池过程的表面都会受到影响。SOFC的管状形状确保实现特别是氢的高质量流量。

优选地，这些SOFC的电解质包括对氧离子可传导而对电子具有绝缘作用的陶瓷材料。掺杂的二氧化锆，例如掺杂有钇，特别是掺杂有8mol％钇的锆可以是合适的材料。SOFC的阴极也可以由对氧化物或氧离子且对电子都具有传导性的陶瓷材料制成，该陶瓷材料例如是基于掺杂的锰酸镧，其中使用锶等进行这种掺杂。可以使用混合的离子和电子传导性材料，例如(La0.60Sr0.40)0.95Co0.20Fe0.80O3-X。该燃料电池的阳极可以由包括陶瓷和金属材料的金属陶瓷材料制成。例如，包括混合导电材料的化合物，例如Ni-8YSZ镍掺杂和钇掺杂的氧化锆，以便传导离子和电子。通过使用管状SOFC，可以围绕涡轮机和压缩机之间的轴以环形方式布置多个自持的燃料电池，从而可以通过尽可能紧凑的集成来提供特别高的电功率，并且同时改善氢和空气的通流。

管状SOFC的设计可以包括圆形、椭圆形、矩形、多边形或者其它规则形状或不规则形状的横截面，但本发明的主题不限于这些形状。这也可以涉及沿着管状SOFC的长度的横截面的廓线，该廓线是恒定的，从而例如导致圆柱形的陶瓷管；或者该廓线是不恒定的，从而导致圆锥形状。此外，管状SOFC也可设计成具有一体的形状配合元件，以简化管状SOFC在接纳开口中的保持。

SOFC可以包括由内表面形成的阳极和由外表面形成的阴极。因而，管状SOFC的设计特别简单且强固，并且传导所提供的电功率可以通过SOFC在堆叠歧管中的机械安装座来实现。

作为对此的替代，每个SOFC可以包括连接到SOFC外部的单独的第一电极和连接到SOFC内部的单独的第二电极。以这种方式，进行电功率到堆叠歧管的传导以及因此到外部电路的传导。

由燃料电池组输送的电压和功率取决于SOFC的数量、它们的电连接的数量以及布置在电池组中的组件的数量。SOFC的数量又取决于外径，在发动机内部的电池组的有限尺寸的情况下，外径也会影响装填密度。通常，具有最小外径的SOFC可以产生高功率电池组，这是由于其大数量电池在组件中的占位。

在有利的实施例中，每个环形组件的所述多个管状固体氧化物燃料电池在径向上交错，以形成至少两个燃料电池环。因此，电池组的装填密度增加，并且可以大大提高由电池组输送的最大功率。SOFC可以形成正方形或六边形的装填结构，其中六边形装填结构导致更高的装填密度。

然而，可以设想，SOFC在径向方向和周向方向两者上彼此分离开，以便使空气流入到多孔阴极中。

在有利的实施例中，燃料电池组件中的至少一个包括在径向方向上分离开的至少两组的燃料电池，其中所述至少两组包括具有不同操作温度范围的不同类型的固体氧化物燃料电池。因此，所述电池组具有在宽范围的操作温度下操作的能力，使得电池组中的不均匀温度分布不会影响电池组的完整性。因此，可以使用更大且更宽的电池组设计。

在一个有利的实施例中，径向外部组的操作温度范围高于径向更内部组的操作温度范围。因此，在径向外部区域中布置具有较高操作温度的SOFC是优选的。

在一个有利的实施例中，燃料电池组件中的至少一个包括具有不同操作温度范围的在径向方向上分离开的三组燃料电池。因此，由于因在径向方向上存在依顺序增加的三个操作温度区域，SOFC使用的体积明显增加，因此电池组的功率可以明显增加。

在一个有利的实施方案中，径向最外组包括电解质支撑的固体氧化物燃料电池，其中径向中间组包括阳极支撑的固体氧化物燃料电池，并且其中径向最内组包括金属支撑的固体氧化物燃料电池。电解质支撑的SOFC包括被实现为在陶瓷电解质的相反表面上的涂层的阳极和阴极。这些具有最高操作温度范围。典型的阳极支撑的SOFC可以包括由镍和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的金属陶瓷混合物制成的阳极。阳极功能层、电解质和阴极层依次形成在阳极支撑体上。操作温度范围可以略低于电解质支撑的SOFC的范围。更进一步，金属支撑的SOFC通常包括形成在多孔金属支撑件上的阳极电极层，该多孔金属支撑件可以示例性地通过烧结Fe-Cr基合金粉末来获得，并且电解质层可以形成在其上以形成SOFC。这里，操作温度范围低于所提到的其它两种类型的SOFC。

在一个有利的实施例中，径向最外组具有750℃至850℃的操作温度范围，其中径向中间组具有650℃至750℃的操作温度范围，并且其中径向最内组具有550℃至650℃的操作温度范围。因此，操作温度可以在电池组的径向延伸范围上从550℃扩展到850℃，这允许安全地操作电池组，而不需要复杂的冷却系统来冷却电池组或协调电池组的温度分布。该设计允许耐受操作温度的大偏差。

在一个有利的实施例中，第一堆叠歧管和第二堆叠歧管被构造用以使氢从第一堆叠歧管的氢入口以之字形方式在交替的轴向流动方向上交替地流过在周向上连续的燃料电池。通过燃料电池的氢的层流也可以在高流速下实现。

在一个有利的实施例中，第一堆叠歧管被构造用以使氢从第一堆叠歧管的氢入口以相同的轴向流动方向朝向第二堆叠歧管流过在周向上连续的燃料电池。这简化了对各个燃料电池的氢供应。沿着氢到各个燃料电池的流路适当地选择流动阻力允许氢以分层方式流动。

在一个有利的实施例中，燃料电池在径向方向上彼此分离开，其中燃料电池组包括围封燃料电池的壳体，并且其中空气入口和空气出口布置在壳体处以使空气流过壳体，以用空气冲洗燃料电池。因此，燃料电池被壳体围封，并且被放置在壳体的内部空间中。空气进入壳体，并从第一堆叠歧管流到第二堆叠歧管。在这样做的过程中，燃料电池被空气冲洗，然后空气能够进入阴极，特别是当阴极是多孔的并且位于燃料电池的最外层时。

可以设想将较冷的空气通过径向向内位置处的空气入口给送到金属支撑的SOFC，因为这种类型的SOFC需要比其它类型SOFC更冷的空气。在径向向外位置处的空气入口可以主要向电解质支撑的SOFC供应更热的空气。一旦空气进入到电池组中，空气就在轴向方向上行进穿过电池组，以保持电池组的最佳温度。此外，空气也可以从电池组的侧面供应。

在一个有利的实施例中，电池组还包括在壳体内部的挡板，其中所述挡板在轴向方向上彼此分离开并且在径向方向上延伸，其中在轴向上依顺序布置的挡板具有不同的径向尺寸，并且其中所述挡板具有开口以使燃料电池通过。通过使用所述挡板，在第一堆叠歧管和第二堆叠歧管之间的空气流将被反复偏转。这会为布置在壳体内的所有燃料电池带来更大的涡度、改进的分布和更协调的氧密度。此外，这将为管状SOFC提供机械支撑。当提供轴向和横向空气流时，挡板可以包括附加穿孔，以用于使空气在轴向方向上穿过。这有助于将电池组温度保持在最佳状态。

在一个有利的实施例中，堆叠歧管包括不锈钢和氧化铝涂层。这允许不锈钢只暴露于燃料电池的其中必须收集电流的优选位置。涂覆的Al2O3层可防止高温腐蚀和铬从不锈钢材料中蒸发。不锈钢的使用有利于耐用性、机械稳定性和耐腐蚀性。堆叠歧管的未涂覆部分的形状、尺寸和位置主要取决于电连接电路，这将在下文中进一步解释。

在一个有利的实施例中，堆叠歧管包括用于各燃料电池的孔。优选地，相应的孔的内表面至少部分地未涂覆，以提供与相应的燃料电池的电接触。这些孔还用于机械地支撑燃料电池。

本发明还涉及一种飞机发动机，其包括：根据上述描述的固体氧化物燃料电池组；燃烧室，所述燃烧室位于所述燃料电池组的下游；涡轮机单元，所述涡轮机单元位于所述燃烧室的下游；以及压缩机单元，所述压缩机单元布置在所述燃料电池组的上游，并通过延伸穿过中央凹部的发动机轴连接到涡轮机。所述发动机能够通过仅消耗氢和空气来同时提供推力和电力，其中与已知的消耗氢的燃烧发动机相比，NOx排放明显减少。

在一个有利的实施例中，燃烧室与燃料电池组件的氢和蒸汽出口流体连通，并且包括空气入口。因此，从燃料电池的阳极流出的残余氢在燃烧室内燃烧。此外，燃烧室还可以包括单独的氢入口，以允许更好地控制氢的质量流量，并且至少部分地独立于燃料电池组的操作来操作燃烧室。

附图说明

在下文中，附图用于更详细地示出示例性实施例。图示是示意性的，并且不是按比例绘制的。相同的附图标记指代相同或相似的元件。附图中示出：

图1示出了具有根据示例性实施例的燃料电池组的飞机发动机的示意性截面图。

图2示出了燃料电池组和燃烧室的示意图。

图3a和图3b示出了堆叠歧管的节段的示意图以及堆叠歧管的示意性截面图。

图4示出了堆叠歧管的多个互连节段的示意图。

图5示出了燃料电池组件的正面的示意图。

图6示出了到燃料电池组件中的氢供应的示意图。

图7示出了图6的燃料电池环及其氢供应的示意图。

图8示出了到燃料电池环中的修改的氢分布。

图9示出了燃料电池组件的内部空间和在其中产生的气流。

图10示出了燃料电池组件的修改的内部空间，以及在该空间中围绕挡板形成的气流。

具体实施方式

图1示出了飞机发动机2的示意性截面图。前侧4布置在图1的左手侧，而后侧6布置在图1的右手侧。在前侧4处，存在压缩机单元8，其示例性地包括三个压缩机轮10，所述三个压缩机轮10在发动机轴12上一个在另一个后方地布置。它们接收来自发动机2周围的空气14，并对其进行压缩。压缩机轮10的一部分可以以风扇的形式实现。

在压缩机单元8的下游设有固体氧化物燃料电池组16，这将在下面进一步详细说明。它包括空气入口18，该空气入口18与压缩机单元8流体连通。进入燃料电池组16的空气通过空气出口20流出。此外，提供了氢入口22，其与氢源24联接，用于使氢流入到燃料电池组16中。提供氢和蒸汽出口26，以使残余的氢以及蒸汽离开燃料电池组16。提供燃料电池组16，用于通过消耗来自氢源24的氢和来自空气14的氧来进行燃料电池过程，以产生电力。

在燃料电池组16的下游，提供燃烧室28，该燃烧室28通过空气出口20接收来自燃料电池组16的空气以及来自氢和蒸汽出口26的残余的氢和蒸汽。此外，提供单独的氢入口30和附加的空气入口32，来自氢源24的附加的氢和来自压缩机单元8的空气通过所述单独的氢入口30和附加的空气入口32供给到燃烧室28中。结果，贫氧的空气和蒸汽离开燃烧室28，并被给送到燃烧室28的下游的涡轮机单元34中。

涡轮机单元34通过发动机轴12联接到压缩机单元8。它受到贫氧的空气和蒸汽的冲击，因此将被驱动旋转。该旋转通过发动机轴12传递到压缩机单元8，并导致为压缩机单元8提供机械动力。发动机2因此产生推力和电功率。

图2以更详细的图示示出了燃料电池组16。这里，示出了多个环形燃料电池组件36a、36b、36c、36d、36e和36f。它们沿着发动机轴12在轴向方向上一个接一个地布置，并且形成燃料电池组16。为了使发动机轴12按途径穿过燃料电池组16，设有延伸穿过所有的环形燃料电池组件36a至36f的中央凹部38。

燃料电池组件36a至36f中的每一个包括第一堆叠歧管40和第二堆叠歧管42。第一堆叠歧管40每个都包括沿周向方向分布的多个空气入口18。在该示例性实施例中，空气入口18同时设置在径向外部区域和径向内部区域处。示例性地，提供空气歧管44，其将空气输送到多个圆形管46，每个圆形管46围绕通向径向外部空气入口18的第一堆叠歧管40中的一个。同样接纳空气的内部圆形管47围绕发动机轴12，并且连接到径向内部空气入口18。第二堆叠歧管42中的每一个包括空气出口20，例如在第二堆叠歧管42的径向内部区域中，这些出口20直接连接到燃烧室28。

更进一步地，第一堆叠歧管40中的每一个包括氢入口22，该氢入口22连接到氢供应管48。与此类似，第二堆叠歧管42中的每一个包括氢和蒸汽出口26，该氢和蒸汽出口26连接到氢和蒸汽管50。示例性地，燃料电池组件36a至36f可以通过借助其相对的堆叠歧管而直接接触它们来构成电串联连接。通过提供这样的串联布置，每个燃料电池组件36a至36f的输送电压被加到总电压。更进一步地，燃料电池组件36a至36f中的每一个包括多个燃料电池，这些燃料电池根据期望的电参数而电互连，并且将在下文中进行解释。然而，也可以的是，可以在单独的燃料电池组件36a至36f之间提供间隙37，并通过合适的布线选择不同的连接方案。

如根据图1和图2清楚的，燃烧室28可以包括中空圆筒形形状，其外径至少基本上对应于燃料电池组件36的外径。燃烧室28的详细设计对于本发明的要点来说不是关键的，因此在此不作详细解释。本领域技术人员将能够考虑用于燃烧室28的合适设计。

图3a示出了第一堆叠歧管40的一部分，其包括多个孔52，每个孔52用于接纳管状燃料电池54。在每个孔52的内部，提供了未涂覆的不锈钢形式的接口连接器56。第一堆叠歧管40示例性地由不锈钢制成，并且除了在需要电接触的地方(例如在所述接口连接器56处)之外包括薄的氧化铝涂层58。这允许提供用于将堆叠歧管40和42以及接口连接器56编制为单个部件的设计解决方案，这使得电池组重量最小化，改善了电子传输，并且还使得铬从堆叠歧管40和42中的释放最小化。

燃料电池54包括作为外层的阴极60、作为内层的阳极62以及在两者之间的电解质64。对于它们的操作，氢被引导进入到阳极62中并流过管状燃料电池54，而空气通过阴极60内的小孔进入燃料电池54。因此，第一堆叠歧管40被设计成使氢通过孔52流入到阳极62中。孔52分布在堆叠歧管40和42上，以将燃料电池54彼此分离开，使得阴极60可以被空气冲洗。

在该示例性实施例中，第一堆叠歧管40和第二堆叠歧管42包括多个单独的节段66，这些节段66提供到一小组燃料电池54的并联连接。这些组中的数个组可以通过接口连接器68彼此串联连接，这些接口连接器68也以第一堆叠歧管40的未涂覆表面的形式实现。节段66在径向方向上分离开，从而形成间隙70，空气可以通过该间隙70进入相应的燃料电池组件36，以用空气冲洗燃料电池54。

图3b示出了第一堆叠歧管40的示意性截面图。这里，示例性地示出了氢入口22中的一个，氢通过该氢入口22进入第一堆叠歧管40，并且被分配到所有相关联的SOFC 54。此外，示出了第一堆叠歧管40的空气入口18，空气通过该空气入口18进入第一堆叠歧管，并被分配到多个空气供应开口19。这些可以是在相应的第一堆叠歧管40中的单独的开口，或者可以通过节段66之间在径向方向上和/或在周向方向上的间隙来实现。类似地，第二堆叠歧管42可以包括多个空气离开开口，来自空气供应开口19的未使用的空气可以通过这些空气离开开口进入第二堆叠歧管42。

在图4中，示出了数个节段66的示例性互连。为了更好地理解，节段66a形式的正极端子的阴影线与负极端子66b的阴影线不同。正极端子66a和负极端子66b在周向方向上以交替方式彼此跟随，从而形成环形形状。它们通过设置在节段66a和66b的侧面处的接口连接器68连接。形成了节段66a和66b的多个同心环形布置，这在图4中仅部分示出。一个环的节段66a或66b中的一个节段之间的径向连接通过附加的连接器71连接到相邻环的节段66a或66b中的一个节段。这里，构成负极端子的节段66b连接到形成正极端子的径向进一步向内定位的节段66a。互连可以根据单独需求进行定制。

图5示出了燃料电池组件36的示意图。这里，以密集装填的方式示出了多个单独的燃料电池54。这里，提供了燃料电池54的几个同心环，这些同心环彼此围封并形成中空圆柱形形状。因此，燃料电池组件36a具有在径向上和在周向上交错的多个燃料电池54。示例性地，产生三组72a、72b和72c燃料电池54，它们包括不同类型的管状SOFC 54。例如，径向最内组72a包括电解质支撑的SOFC，而径向中间组包括阳极支撑的SOFC，而径向最外组72c包括金属支撑的SOFC。这些具有不同的操作温度范围，第一组72a为基本上550℃至650℃，第二组72b为基本上650℃至750℃，而第三组72c为基本上750℃至850℃。因此，不需要在燃料电池组16的内部(即在燃料电池组件36a至36f中的每一个内)对于操作温度的繁琐且技术上有挑战性的协调。

图6示出了布置在第一堆叠歧管40中的氢入口22以及氢到单独的燃料电池54的分配。这里，第一堆叠歧管40将氢从径向最外位置到径向最内位置一个接一个地分配到燃料电池54的各个环。这里，流路74a直接在氢入口22上跟随，并且在周向方向上延伸约360°。由此，与该流路74a连接的所有的燃料电池54都被供给有氢。然后，氢通过互连开口76a，并到达第二周向流路74b中。这里，氢在周向方向上沿相反方向流动约360°，并且所有连接的燃料电池54也被供应氢。然后，通过另一互连开口76b，并且氢流入到另一流路74c中，该流路74c同样在周向方向上沿着相反方向延伸约360°，以此类推。因此，所有的燃料电池54将被一个接一个地供应流入到氢入口22中的氢。

图7中的空间图示出了对管状SOFC 54的一个环的氢供应，以供进一步澄清。这里，氢进入氢入口22，在第一堆叠歧管40的周向方向上分配，以将氢给送到所有单独的燃料电池54中。在流过燃料电池54之后，氢到达第二堆叠歧管42，并通过氢和蒸汽出口26离开。清楚的是，通过适当地平衡第一堆叠歧管40和管状燃料电池54中的所有的流动阻力，并选择在氢入口22处的合适供应压力，对氢入口22的氢供应足以供给管状SOFC的另外的环。

图8示出了一种用于分配氢的修改的方案。这里，第一堆叠歧管40和第二堆叠歧管42被构造用以使来自第一堆叠歧管40的氢入口22的氢以之字形方式在交替的轴向流动方向上交替地流过在周向上连续的燃料电池54。

在图9中，示出了燃料电池组件36的截面图。这里，示出了中央轴线78，中央凹部38沿着该中央轴线78延伸。所有的管状燃料电池54平行于中央轴线78布置，并且被装填在第一堆叠歧管40和第二堆叠歧管42之间。如前所示，设有数个空气入口18，这些空气入口使空气沿径向方向流入到第一堆叠歧管40中，并且这些空气将会从第一堆叠歧管40分配到燃料电池组件36的壳体81的内部空间80中。燃料电池组件36示例性地包括封闭壳体81，该封闭壳体81具有设置为在第一堆叠歧管40和第二堆叠歧管42之间延伸的外部壳体壳板82和内部壳体壳板84。内部壳体壳板84具有中空圆柱形形状，其内径对应于中央凹部38的外径。外部壳体壳板82的外径对应于堆叠歧管40和42的外径。进入空气入口18的空气流过内部空间80，从而所有燃料电池54都被空气冲洗。在通过燃料电池54之后，空气离开空气出口20。在图9的示例性实施例中，空气沿着基本轴向方向流动。

在图10中，对这种布置进行了修改，设置了具有不同尺寸并沿径向方向延伸的多个挡板86。所述挡板具有用于使燃料电池54通过的开口88。通过设置具有不同直径的挡板，空气流动方向改变数次，从而改善了对燃料电池54的冲洗。附加的穿孔90允许空气在轴向方向上通过挡板86。

附图标记

2飞机发动机

4前侧

6后侧

8压缩机单元

10压缩机轮

12发动机轴

14空气

16固体氧化物燃料电池组

18空气入口

19空气供应开口

20空气出口

22氢入口

24氢源

26氢和蒸汽出口

28燃烧室

30单独的氢入口

32附加的空气入口

34涡轮机单元

36燃料电池组件

37间隙

38中央凹部

40第一堆叠歧管

42第二堆叠歧管

44空气歧管

46圆形管

48氢供应管

50氢和蒸汽管

52孔

54管状燃料电池

56接口连接器

58氧化铝涂层

60阴极

62阳极

64电解质

66节段

68接口连接器

70间隙

71连接器

72一组燃料电池

74流路

76互连开口

78中央轴线

80内部空间

81壳体

82外部壳体壳板

84内部壳体壳板

86挡板

88开口

90穿孔

Claims (15)

1.用于飞机发动机(2)的固体氧化物燃料电池组(16)，包括：

多个环形燃料电池组件(36)，每个环形燃料电池组件(36)由多个管状固体氧化物燃料电池(54)构成，所述燃料电池(54a)被布置为彼此平行，并且围绕中央轴线(78)在周向上分布，

至少一个第一堆叠歧管(40)，所述至少一个第一堆叠歧管(40)用于每个燃料电池组件(36)，并且与单独的燃料电池组件(36)的第一侧接触，

至少一个第二堆叠歧管(42)，所述至少一个第二堆叠歧管(42)用于每个燃料电池组件(36)，并且与单独的燃料电池组件(36)的第二侧接触，以及

中央凹部(38)，所述中央凹部(38)用于引导发动机轴(12)穿过，

其中，所述燃料电池(54)各自包括阳极(62)和阴极(60)，

其中，所述燃料电池组件(36)通过彼此接触的成对的第一堆叠歧管(40)和第二堆叠歧管(42)在轴向方向上堆叠，

其中，每个第一堆叠歧管(40)包括氢入口(22)，并且连接到相应的燃料电池(54)的阳极(62)的第一端，并且

其中，每个第二堆叠歧管(42)包括氢和蒸汽出口(26)，并且连接到相应的燃料电池(54)的阳极(62)的第二端。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，每个环形组件(36)的所述多个管状固体氧化物燃料电池(54)在径向上交错，以形成至少两个由燃料电池(54)构成的环。

3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述燃料电池组件(36)中的至少一个包括在径向方向上分离开的至少两组(72)燃料电池(54)，并且

其中，所述至少两组(72)包括具有不同操作温度范围的不同类型的固体氧化物燃料电池(54)。

4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，径向外部组(72c)的操作温度范围高于径向更内部组(72a、72b)的操作温度范围。

5.根据权利要求3或4所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述燃料电池组件(36)中的至少一个包括在径向方向上分离开的具有不同操作温度范围的三组(72)燃料电池(54)。

6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，径向最外组(72c)包括电解质支撑的固体氧化物燃料电池，

其中，径向中间组(72b)包括阳极支撑的固体氧化物燃料电池，并且

其中，径向最内组(72a)包括金属支撑的固体氧化物燃料电池。

7.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，径向最外组(72c)具有750℃至850℃的操作温度范围，

其中，径向中间组(72b)具有650℃至750℃的操作温度范围，并且

其中，径向最内组(72a)具有550℃至650℃的操作温度范围。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述第一堆叠歧管(40)和所述第二堆叠歧管(42)被构造用以使氢从所述第一堆叠歧管(40)的氢入口(22)以之字形方式在交替的轴向流动方向上交替地流过在周向上连续的燃料电池(54)。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述第一堆叠歧管(40)被构造用以使氢从所述第一堆叠歧管(40)的氢入口(22)沿着相同的轴向流动方向朝向所述第二堆叠歧管(42)流过在周向上连续的燃料电池(54)。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述燃料电池(54)在径向方向上彼此分离开，

其中，所述燃料电池组(16)包括壳体(81)，所述壳体(81)围封所述燃料电池(54)，并且

其中，空气入口(18)和空气出口(20)布置在所述壳体(81)处，以使空气流过所述壳体(81)，以便用空气冲洗所述燃料电池(54)。

11.根据权利要求10所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

还包括位于所述壳体(81)内部的挡板(86)，

其中，所述挡板(86)在轴向方向上彼此分离开，并且在径向方向上延伸，

其中，在轴向上顺序布置的挡板(86)具有不同的径向尺寸，并且

其中，所述挡板(86)具有开口(88)，以允许所述燃料电池(54)通过。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述堆叠歧管(40、42)包括不锈钢和氧化铝涂层(58)。

13.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

其中，所述堆叠歧管(40、42)包括用于所述燃料电池(54)中的每个的孔(52)。

14.飞机发动机(2)，包括

-根据前述权利要求中的任一项所述的固体氧化物燃料电池组(16)，

-燃烧室(28)，所述燃烧室(28)位于所述燃料电池组(16)的下游，

-涡轮机单元(34)，所述涡轮机单元(34)位于所述燃烧室的下游，以及

-压缩机单元(8)，所述压缩机单元(8)布置在所述燃料电池组(16)的上游，并且通过延伸穿过所述中央凹部(38)的发动机轴(12)连接到所述涡轮机单元(34)。

15.根据权利要求14所述的飞机发动机(2)，

其中，所述燃烧室(28)与所述燃料电池组件(36)的氢和蒸汽出口(26)流体连通，并且包括空气入口(32)。