[发明专利]一种飞机用固体氧化物氢燃料电池燃气轮机发电系统

说明书

技术领域

本发明属于飞机发电系统的技术领域；具体涉及一种飞机用固体氧化物氢燃料电池燃气轮机发电系统。

背景技术

随着飞机滞空时间的增长，如何稳定高效的为飞机供能成为飞机发展的一个重要问题。如何在保证机体紧凑的情况下提高飞机发电系统的发电效率成为研究的热点。

飞机飞行在高空，空气稀薄，对压气机要求很高。超长航时高空飞机动力系统中涡轮的主要作用为带动压气机工作，发电为次要功能，燃料电池需要较高压力才能实现高效率的问题。

现有飞机供电系统结构庞杂，形式多样，可靠性低。主电源多采用发动机间接或直接带动发电机，其他辅助能源、二次能源多采用蓄电池等，能量利用率低，发电效率低。对于使用蓄电池来说，使用寿命不定，经济效益差；出于能源与环境保护考虑，能源利用率低，难以实现污染物减排。

发明内容

本发明要解决现有技术存在供电形式多、可靠性低、系统庞杂、发电效率低的技术问题；提供了一种新型的飞机用固体氧化物氢燃料电池-燃气轮机发电系统，结合燃料电池与燃气轮机的优点，二者优势互补。采用氢燃料作为飞机的电力能源，质量能量密度大，能用更小的燃料质量换取更多的热量，而且产物无污染。同时，本发明增加了回热系统，是能量利用率更高。本发明系统使用固体氧化物燃料电池释放氢燃料中的化学能，可使燃料利用跟常规燃烧涡轮做功相比不受卡诺循环的限制。同时又结合燃气轮机，将燃料电池中未反应的氢燃料中的化学能进一步释放。本发明系统又采用回热子系统，将涡轮出口的高温烟气先后通过空气预热器和燃料预热器给燃料和空气预热，进一步利用尾气中的热能。三项举措综合使用使得整个系统能量利用尽可能达到最充分。

为解决上述技术问题，本发明的一种飞机用固体氧化物氢燃料电池燃气轮机发电系统，包括固体氧化物氢燃料电池4、燃烧室5、逆变器10、发电机8、涡轮6、压气机7、空气预热器9、燃料预热器3，燃料预热器3的出口与固体氧化物氢燃料电池4阳极的进口连通，空气预热器9的出口与固体氧化物氢燃料电池4阴极的进口连通，固体氧化物氢燃料电池4的阳极出口与阴极出口分别与燃烧室5上的进口连通，燃烧室5的出口与涡轮6的进口连通；涡轮6的输出功一部分传给与涡轮6同轴连接的压气机，剩余的部分驱动与涡轮6同轴连接的发电机发电，压气机的出口与空气预热器9连通，压气机的进口与舱内空气(即飞机内部空气)相通；固体氧化物氢燃料电池4对外输出直流电，发电机对外输出交流电，经过与固体氧化物氢燃料电池4连接的逆变器10转换为交流电输出。

所述涡轮6的出热口与空气预热器的进热口连通，空气预热器9的出热口与燃料预热器3的进热口连通，燃料预热器3的出热口与大气连通，利用固体氧化物燃料电池高温余热尾气在内的未利用的能量，提高能量利用率，同时未反应完全的氢燃料在燃烧室内燃烧带动涡轮做功来带动压气机和发电机工作进一步提高能量利用率。同时，回热系统加热空气和氢燃料满足了固体氧化物电池反应需要的高温条件，又利用了排出气体的废热，提高了能量利用效率。涡轮产生的电能与燃料电池产生的电能并网后共同为飞机提供电力。

燃料预热器3的进口与风机2(或者泵)的出口连通，风机2的进口与燃料罐1的出口连通。

所述逆变器10与用电设备11连接，用电设备11为飞机用电设备。

本发明经催化燃烧室燃烧后高温高压尾气推动涡轮做功，经交流发电机产生电能，和固体氧化物燃料电池产生的电能经逆变器后并网供飞机用电设备(如涡桨、照明设备等)使用，使得整个电力系统的发电效率达到较高水平。

本发明经过预热的氢气和空气，进入固体氧化物燃料电池，氢气大部分和空气发生化学反应产生电能，剩余部分进入燃烧室被燃烧利用。燃烧后高温高压尾气推动涡轮做功，经发电机产生电能，经逆变器后并网供飞机用电设备使用。同时涡轮出口高温尾气，先给空气预热，再给氢燃料预热，最后排放入大气，使热能得以充分的利用。

本发明的燃料电池发电效率高，尾气出口温度高，燃气轮机可充分利用燃料电池未完全反应燃料和高温尾气的能量，合理利用了燃料电池尾气余热在内的未利用能量，进一步提高飞机发电系统的效率。

本发明采用了固体氧化物燃料电池，循环效率不用受卡诺循环限制，能量利用率比较高，固体氧化物燃料电池可获得800～1000℃高温烟气，有利于燃气轮机发电获得高的效率。

本发明燃料电池尾气余热在内的未利用能量被燃气轮机的涡轮利用，相当于对涡轮进口气体进行了预热，通过涡轮做功发电，涡轮产生的电能与燃料电池产生的电能共同为飞机提供电力。