一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统技术方案

一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统,属于飞机发电系统领域。本发明专利技术的质子交换膜燃料出气口与燃烧室的进气口连通，燃烧室的出气口与涡轮的进气口连通；燃烧室的产生高温高压燃气进入涡轮中做功，涡轮的输出功一部分传给压气机，剩余的部分驱动发电机发电；质子交换膜燃料电池和发电机对外输出直流电和交流电，经过与变电装置转换为交流电输出。本发明专利技术采用质子交换膜燃料电池作为飞机的电力能源，质子交换膜燃料电池为飞机提供电力，且燃料电池剩余尾气在内未利用的能量通过燃烧室为涡轮做功提供动力，另外涡轮所连同轴压气机压比与燃料电池压比相匹配，整体通过质子交换膜燃料电池与燃气轮机的混合动力，效率高，可靠性强。

A proton exchange membrane fuel cell gas turbine combined power generation system for an aircraft

An aircraft proton exchange membrane fuel cell gas turbine combined power generation system belongs to the field of an aircraft power generation system. The proton exchange membrane fuel outlet and an air inlet communicated with the combustion chamber, the combustion chamber of the gas turbine inlet and an air inlet communicated with the combustion chamber; the high temperature and high pressure gas into the turbine power, output power of turbine part to the compressor, the remaining part of the drive motor power; proton exchange membrane fuel cells and generators the external output DC and AC, converted and substation device for AC output. The invention adopts the proton exchange membrane fuel cell as the power energy of the aircraft, the aircraft to provide electric power for proton exchange membrane fuel cell, and fuel cell exhaust, remaining unused energy to provide power for the work of the turbine through the combustion chamber, the turbine connected coaxial compressor pressure ratio and fuel cell pressure ratio matching, hybrid, overall by proton exchange membrane fuel cell and gas turbine with high efficiency, high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统
本专利技术属于飞机发电系统领域；具体涉及一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统。
技术介绍
电源系统是航天器中不可缺少的重要组成部分，其可靠性直接影响着航天器的寿命。航天器电源要根据飞行任务、航天器设计寿命和供电要求来选择。航天器的发展迫切需要大功率、长寿命和高可靠性的电源系统。电源系统的质量在航天器中的比重较大，质量要求非常严格的太阳能飞机，要求储能装置的比能量高，目前只有燃料电池可满足要求。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。
技术实现思路
本专利技术要解决现有技术存在飞机电源系统供电形式多，可靠性低，以及系统庞杂，发电效率低的技术问题；提供了一种的飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机发电系统，用于满足飞机飞行电力需求。本专利技术发电过程不涉及热能向机械能的转化，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音，且工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便。充分利用燃料电池尾气在内的未利用能量，燃料电池尾气余热在内的未利用能量经燃烧室，产生高温高压燃气通过涡轮做功，涡轮产生的电能与燃料电池产生的电能经过变电装置后为飞机供电。本专利技术中一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括质子交换膜燃料电池3、燃烧室4、涡轮5、压气机6、发电上的出气口与燃烧室4的进气口机7和变电装置8；质子交换膜燃料电池3的阳极室上设有进气口，质子交换膜燃料电池3阴极室上的进气口与压气机6的出气口连通，压气机6上设置有与舱内空气(即飞机内部空气)相连通的进气口，质子交换膜燃料电池3阳极室和阴极室上的出气口与燃烧室4上相对应的进气口连通，燃烧室4的出气口与涡轮5的进气口连通，涡轮5上设有出气口将未利用的尾气排入大气；燃烧室4的产生高温高压燃气进入涡轮5中做功，涡轮5的输出功一部分传给与涡轮5同轴连接的压气机6，剩余的部分驱动与涡轮5同轴连接的发电机7发电；质子交换膜燃料电池3对外输出直流电，发电机7对外输出交流电，经过与质子交换膜燃料电池3连接的变电装置8转换为交流电输出。所述质子交换膜燃料电池3阳极室上的进气口与氢罐1的出气口通过风机2连通。所述变电装置8与用电设备9连接。进一步限定，所述压气机2为离心式压气机或者轴流压气机。所述质子交换膜燃料电池3的两极板材料为石墨；两极板的厚度为2～3.7mm；两极板上设有导流流体槽及流体通道，采用现有极板即可。本专利技术的质子交换膜燃料电池发电效率高，经过燃烧后的尾气满足燃气轮机进口温度高的要求，通过燃烧室提高燃料电池尾气温度供燃气轮机使用，合理利用了质子交换膜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效率。本专利技术的工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、发电时不产生污染。本专利技术采用氢气作为质子交换膜燃料电池循环工质，不需要重整，化学反应简单，联合发电系统效率高，可靠性强。本专利技术采用氢气作为质子交换膜燃料电池循环工质，氢气与空气反应后生成水，不产生含元素氮，硫等的污染物，具有环境友好的优点。本专利技术的燃料电池的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5做功发电，涡轮5产生的电能与燃料电池产生的电能并网后作为飞行器的电力。本专利技术的涡轮5两端分别与压气机和发电机相连，涡轮5将功传递给同轴压气机，压气机对空气加压供燃料电池使用，提高涡轮5输出功率。本专利技术的涡轮5所连压气机压比与燃料电池所需压比相匹配，有益于提高系统整体工作效率。本专利技术采用质子交换膜燃料电池产生的直流电和电动机产生的交流电进行驱动，所以在控制、测试、容错方面具有先天优势，同时其分布式的构局使飞行器抗战损能力和重构能力得到了很大提高。本专利技术循环工质选择氢，不需要重整，化学反应简单，动力循环系统效率高，可以为飞机提供高效率的联合发电系统；且尾气不生成含氮化合物及含硫化合物，具有环境友好的优点；另外循环工质氢经过燃料电池并不能完全转化，经过燃料电池的尾气余热在内的未利用能量，进入燃烧室，形成高温、高压、高速的燃气流，高温、高压、高速燃气流恰好作为涡轮动力流入燃气涡轮，一方面涡轮带动同轴压气机，压气机将气体压缩供燃料电池使用，压气机压比与涡轮相匹配，有益于提高燃料电池效率；另一方面推动燃气涡轮旋转，经涡轮轴输出机械功，涡轮带动发电机。涡轮产生的电能与燃料电池产生的电能经过变电装置后供给飞机的电力设备，联合电力更有益于提高飞机的燃料利用效率。附图说明图1是本专利技术一具体实施方式的结构示意图。具体实施方式结合图1进行说明，本实施方式提供的一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括质子交换膜燃料电池3、燃烧室4、涡轮5、压气机6、发电机7和变电装置8；所述的质子交换膜燃料电池3的阳极室上设有进气口，所述质子交换膜燃料电池3阳极室上的进气口与氢罐1的出气口通过风机2连通，质子交换膜燃料电池3阴极室上的进气口与压气机6的出气口连通，压气机6上设置有与舱内空气相连通的进气口，质子交换膜燃料电池3阳极室和阴极室上的出气口与燃烧室4上相对应的连通，燃烧室4的出气口与涡轮5的进气口连通，涡轮5上设有出气口将未利用的尾气排入大气；燃烧室4的产生高温高压燃气进入涡轮5中做功，涡轮5的输出功一部分传给与涡轮5同轴连接的压气机6，剩余的部分驱动与涡轮5同轴连接的发电机7发电；质子交换膜燃料电池3对外输出直流电，发电机7对外输出交流电，经过与质子交换膜燃料电池3连接的变电装置8转换为交流电输出。所述变电装置8与用电设备9连通。进一步限定所述压气机2为离心式压气机，节省空间，单级增压比高，适应飞行器空间小的需求。在上述方案的基础上，所述质子交换膜燃料电池3的两极板材料为石墨。在上述方案的基础上，两极板的厚度为3.0mm。所述的氢罐1为带有减压阀及控制阀门的轻质高压储氢容器，此类轻质高压储氢容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷及金属组成的薄壁容器，其储氢压力可达80MPa，氢罐1上设置可调节流量的溢流阀。本专利技术中氢罐1中循环工质氢经风机2吹入质子交换膜燃料电池3，质子交换膜燃料电池3产生直流电，质子交换膜燃料电池3出口与燃烧室4相连，质子交换膜燃料电池3出口尾气和未反应的氢进入燃烧室4，燃烧室4与涡轮5相连，燃烧后尾气变为高温高压气体为涡轮5提供推动力，涡轮5一侧带动同轴压气机6，另外一侧带动同轴发电机7，压气机6对空气进行加压后通入质子交换膜燃料电池3，压气机5压比与燃料电池3压比相匹配，增强整体效率，另一侧电动机7产生交流电，最终燃料电池3产生的直流电与发电机产生交流电共同经过变电装置8变电后为用电设备9(如涡桨)供电。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括质子交换膜燃料电池(3)、燃烧室(4)、涡轮(5)、压气机(6)、发电机(7)和变电装置(8)；其特征在于质子交换膜燃料电池(3)的阳极室上设有进气口，质子交换膜燃料电池(3)阴极室上的进气口与压气机(6)的出气口连通，压气机(6)上设置有与舱内空气相连通的进气口，质子交换膜燃料电池(3)阳极室和阴极室上的出气口与燃烧室(4)上相对应的进气口连通，燃烧室(4)的出气口与涡轮(5)的进气口连通，涡轮(5)上设有出气口将未利用的尾气排入大气；燃烧室(4)的产生高温高压燃气进入涡轮(5)中做功，涡轮(5)的输出功一部分传给与涡轮(5)同轴连接的压气机(6)，剩余的部分驱动与涡轮(5)同轴连接的发电机(7)发电；质子交换膜燃料电池(3)对外输出直流电，发电机(7)对外输出交流电，经过与质子交换膜燃料电池(3)连接的变电装置(8)转换为交流电输出。

【技术特征摘要】
1.一种飞机用质子交换膜燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括质子交换膜燃料电池(3)、燃烧室(4)、涡轮(5)、压气机(6)、发电机(7)和变电装置(8)；其特征在于质子交换膜燃料电池(3)的阳极室上设有进气口，质子交换膜燃料电池(3)阴极室上的进气口与压气机(6)的出气口连通，压气机(6)上设置有与舱内空气相连通的进气口，质子交换膜燃料电池(3)阳极室和阴极室上的出气口与燃烧室(4)上相对应的进气口连通，燃烧室(4)的出气口与涡轮(5)的进气口连通，涡轮(5)上设有出气口将未利用的尾气排入大气；燃烧室(4)的产生高温高压燃气进入涡轮(5)中做功，涡轮(5)的输出功一部分传给与涡轮(5)同轴连接的压气机(6)，剩余的部分驱动与涡轮(5)同轴连接的发电机(7)发电；质子交换膜燃料电池(3)对外输出直流电，发电机(7)对外输出交...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦江，周雪，姬志行，程昆林，郭发福，艾成成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23