本發(fā)明屬于飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域；具體涉及一種飛機(jī)用固體氧化物氫燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著飛機(jī)滯空時(shí)間的增長(zhǎng)，如何穩(wěn)定高效的為飛機(jī)供能成為飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要問題。如何在保證機(jī)體緊湊的情況下提高飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率成為研究的熱點(diǎn)。

飛機(jī)飛行在高空，空氣稀薄，對(duì)壓氣機(jī)要求很高。超長(zhǎng)航時(shí)高空飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中渦輪的主要作用為帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，發(fā)電為次要功能，燃料電池需要較高壓力才能實(shí)現(xiàn)高效率的問題。

現(xiàn)有飛機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐雜，形式多樣，可靠性低。主電源多采用發(fā)動(dòng)機(jī)間接或直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，其他輔助能源、二次能源多采用蓄電池等，能量利用率低，發(fā)電效率低。對(duì)于使用蓄電池來說，使用壽命不定，經(jīng)濟(jì)效益差；出于能源與環(huán)境保護(hù)考慮，能源利用率低，難以實(shí)現(xiàn)污染物減排。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)存在供電形式多、可靠性低、系統(tǒng)龐雜、發(fā)電效率低的技術(shù)問題；提供了一種新型的飛機(jī)用固體氧化物氫燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。采用氫燃料作為飛機(jī)的電力能源，質(zhì)量能量密度大，能用更小的燃料質(zhì)量換取更多的熱量，而且產(chǎn)物無污染。同時(shí)，本發(fā)明增加了回?zé)嵯到y(tǒng)，是能量利用率更高。本發(fā)明系統(tǒng)使用固體氧化物燃料電池釋放氫燃料中的化學(xué)能，可使燃料利用跟常規(guī)燃燒渦輪做功相比不受卡諾循環(huán)的限制。同時(shí)又結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)，將燃料電池中未反應(yīng)的氫燃料中的化學(xué)能進(jìn)一步釋放。本發(fā)明系統(tǒng)又采用回?zé)嶙酉到y(tǒng)，將渦輪出口的高溫?zé)煔庀群笸ㄟ^空氣預(yù)熱器和燃料預(yù)熱器給燃料和空氣預(yù)熱，進(jìn)一步利用尾氣中的熱能。三項(xiàng)舉措綜合使用使得整個(gè)系統(tǒng)能量利用盡可能達(dá)到最充分。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種飛機(jī)用固體氧化物氫燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物氫燃料電池4、燃燒室5、逆變器10、發(fā)電機(jī)8、渦輪6、壓氣機(jī)7、空氣預(yù)熱器9、燃料預(yù)熱器3，燃料預(yù)熱器3的出口與固體氧化物氫燃料電池4陽極的進(jìn)口連通，空氣預(yù)熱器9的出口與固體氧化物氫燃料電池4陰極的進(jìn)口連通，固體氧化物氫燃料電池4的陽極出口與陰極出口分別與燃燒室5上的進(jìn)口連通，燃燒室5的出口與渦輪6的進(jìn)口連通；渦輪6的輸出功一部分傳給與渦輪6同軸連接的壓氣機(jī)，剩余的部分驅(qū)動(dòng)與渦輪6同軸連接的發(fā)電機(jī)發(fā)電，壓氣機(jī)的出口與空氣預(yù)熱器9連通，壓氣機(jī)的進(jìn)口與艙內(nèi)空氣(即飛機(jī)內(nèi)部空氣)相通；固體氧化物氫燃料電池4對(duì)外輸出直流電，發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出交流電，經(jīng)過與固體氧化物氫燃料電池4連接的逆變器10轉(zhuǎn)換為交流電輸出。

所述渦輪6的出熱口與空氣預(yù)熱器的進(jìn)熱口連通，空氣預(yù)熱器9的出熱口與燃料預(yù)熱器3的進(jìn)熱口連通，燃料預(yù)熱器3的出熱口與大氣連通，利用固體氧化物燃料電池高溫余熱尾氣在內(nèi)的未利用的能量，提高能量利用率，同時(shí)未反應(yīng)完全的氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒帶動(dòng)渦輪做功來帶動(dòng)壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)工作進(jìn)一步提高能量利用率。同時(shí)，回?zé)嵯到y(tǒng)加熱空氣和氫燃料滿足了固體氧化物電池反應(yīng)需要的高溫條件，又利用了排出氣體的廢熱，提高了能量利用效率。渦輪產(chǎn)生的電能與燃料電池產(chǎn)生的電能并網(wǎng)后共同為飛機(jī)提供電力。

燃料預(yù)熱器3的進(jìn)口與風(fēng)機(jī)2(或者泵)的出口連通，風(fēng)機(jī)2的進(jìn)口與燃料罐1的出口連通。

所述逆變器10與用電設(shè)備11連接，用電設(shè)備11為飛機(jī)用電設(shè)備。

本發(fā)明經(jīng)催化燃燒室燃燒后高溫高壓尾氣推動(dòng)渦輪做功，經(jīng)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，和固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的電能經(jīng)逆變器后并網(wǎng)供飛機(jī)用電設(shè)備(如渦槳、照明設(shè)備等)使用，使得整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)電效率達(dá)到較高水平。

本發(fā)明經(jīng)過預(yù)熱的氫氣和空氣，進(jìn)入固體氧化物燃料電池，氫氣大部分和空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，剩余部分進(jìn)入燃燒室被燃燒利用。燃燒后高溫高壓尾氣推動(dòng)渦輪做功，經(jīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，經(jīng)逆變器后并網(wǎng)供飛機(jī)用電設(shè)備使用。同時(shí)渦輪出口高溫尾氣，先給空氣預(yù)熱，再給氫燃料預(yù)熱，最后排放入大氣，使熱能得以充分的利用。

本發(fā)明的燃料電池發(fā)電效率高，尾氣出口溫度高，燃?xì)廨啓C(jī)可充分利用燃料電池未完全反應(yīng)燃料和高溫尾氣的能量，合理利用了燃料電池尾氣余熱在內(nèi)的未利用能量，進(jìn)一步提高飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的效率。

本發(fā)明采用了固體氧化物燃料電池，循環(huán)效率不用受卡諾循環(huán)限制，能量利用率比較高，固體氧化物燃料電池可獲得800～1000℃高溫?zé)煔?，有利于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電獲得高的效率。

本發(fā)明燃料電池尾氣余熱在內(nèi)的未利用能量被燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪利用，相當(dāng)于對(duì)渦輪進(jìn)口氣體進(jìn)行了預(yù)熱，通過渦輪做功發(fā)電，渦輪產(chǎn)生的電能與燃料電池產(chǎn)生的電能共同為飛機(jī)提供電力。

本發(fā)明增加了回?zé)嵯到y(tǒng)，能量利用更充分，同時(shí)使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。

本發(fā)明采用氫燃料單位質(zhì)量放熱量多，且產(chǎn)物為水，沒有任何污染，更加環(huán)保。

本發(fā)明為飛機(jī)集中提供了大量電能，飛機(jī)的輔助系統(tǒng)和其他用能設(shè)備都可以從這里取電利用。

本發(fā)明由于電解質(zhì)是固體，沒有電解質(zhì)蒸發(fā)與泄露的問題。而且電極也沒有腐蝕的問題，運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長(zhǎng)，此外，由于構(gòu)成材料的池體材料全部是固體，電池外形具有靈活性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1進(jìn)行說明，本實(shí)施方式中一種飛機(jī)用固體氧化物氫燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)包括固體氧化物氫燃料電池4、燃燒室5、逆變器10、發(fā)電機(jī)8、渦輪6、壓氣機(jī)7、空氣預(yù)熱器9、燃料預(yù)熱器3，

燃料預(yù)熱器3的出口與固體氧化物氫燃料電池4陽極的進(jìn)口連通，

空氣預(yù)熱器9的出口與固體氧化物氫燃料電池4陰極的進(jìn)口連通，

固體氧化物氫燃料電池4的陽極出口與陰極出口分別與燃燒室5上的進(jìn)口連通，燃燒室5的出口與渦輪6的進(jìn)口連通；

渦輪6的輸出功一部分傳給與渦輪6同軸連接的壓氣機(jī)，剩余的部分驅(qū)動(dòng)與渦輪6同軸連接的發(fā)電機(jī)發(fā)電，

壓氣機(jī)的出口與空氣預(yù)熱器9連通，壓氣機(jī)的進(jìn)口與艙內(nèi)空氣相通；

固體氧化物氫燃料電池4對(duì)外輸出直流電，發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出交流電，經(jīng)過與固體氧化物氫燃料電池4連接的逆變器10轉(zhuǎn)換為交流電輸出。

所述渦輪6的出熱口與空氣預(yù)熱器的進(jìn)熱口連通，空氣預(yù)熱器9的出熱口與燃料預(yù)熱器3的進(jìn)熱口連通，燃料預(yù)熱器3的出熱口與大氣連通。

燃料預(yù)熱器3的進(jìn)口與泵2的出口連通，泵2的進(jìn)口與燃料罐1的出口連通，燃料罐1內(nèi)裝有氫；

所述逆變器10與渦槳連接。

所述的泵2從燃料罐中將氫燃料抽出后送入燃料預(yù)熱器3，被預(yù)熱后的氫燃料被送入固體氧化物氫燃料電池4與空氣反應(yīng)，產(chǎn)生電能；未反應(yīng)完全的氫在燃料電池尾氣中，將尾氣通入燃燒室5中與空氣混合燃燒，得到高溫?zé)煔膺M(jìn)入渦輪6中做功。渦輪6帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)7和發(fā)電機(jī)8工作，發(fā)電機(jī)8發(fā)出的電能送入逆變器10中與燃料電池的電能并網(wǎng)后帶動(dòng)用電設(shè)備11工作，給飛機(jī)提供電力。另一方面，渦輪6出口的高溫尾氣先經(jīng)過空氣預(yù)熱器9給來自壓氣機(jī)8的空氣預(yù)熱，在經(jīng)過燃料預(yù)熱器3給氫燃料預(yù)熱，最后排入大氣。

本發(fā)明的電力循環(huán)系統(tǒng)效率高、可靠性強(qiáng)。燃料電池未完全反應(yīng)的氫燃料，可以通過燃燒渦輪6作功獲得更多能量，提高渦輪6輸出功率，進(jìn)而提高壓氣機(jī)的增壓能力。與普通燃?xì)廨啓C(jī)相比，提高了效率。另外，將渦輪6出口尾氣用于回?zé)?，可以進(jìn)一步提高能量利用率。本實(shí)施方案能夠更好地滿足飛機(jī)對(duì)飛機(jī)電力可靠性和穩(wěn)定性以及能量利用高效性的需求。

另外，獲得的電能可用于飛機(jī)上其他電子設(shè)備，為他們提供穩(wěn)定的能量，也是全電飛機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)。