一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统。该发电系统中碳氢燃料经过外重整制氢获得氢气，供燃料电池使用。增加了外部重整器与水循环旁路。结合了燃料电池、燃气轮机两种动力系统的优点，燃料电池效率及产物组成与燃气轮机燃料种类之间合理匹配，燃料电池尾气温度与燃气涡轮前温度之间合理匹配，压气机压比与燃料电池工作压力之间合理匹配，燃气涡轮功率与压气机功率之间合理匹配，使得飞机燃料利用效率提高。全电飞机发热小，部件磨损小，系统的可靠性有所提高；便于生产安装，使用维护。
【技术实现步骤摘要】
一种飞机用碳氢燃料外重整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碳氢燃料外重整燃料电池-燃气轮机联合发电系统。
技术介绍
随着飞机滞空时间的增长，飞机能量需求成为制约飞机发展的一个瓶颈。如何在保证机体紧凑的情况下提高飞机燃料利用效率成为研究的热点。燃料电池因为其环保和燃料利用效率高的优势被各国重视。经过多年发展，燃气轮机技术已经相对成熟，且各种污染物的排放较低。人们发现高温燃料电池有大量余热被浪费，高品位的废热使得它可以和燃气轮机组成混合装置系统，从而大幅度地提高装置整体效率，燃料电池-燃气轮机技术被广泛的发展。同时，针对氢燃料能量密度低，低温贮存困难，储氢容器和大质量换热器带来的质量惩罚使得动力系统推重比处于较低水平。相比之下，碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高发电循环系统推重比。通过考察，发现碳氢燃料外重整燃料电池—燃气轮机联合发电系统可以很好地在飞机上利用。布置合理的发电系统不仅结构紧凑，不占用太多的机载空间，还可以高品位地提供大量电能，为飞机提供了充足的能量保障。不仅如此，现在已经有燃料电池飞机，证明了燃料电池在飞机上可用，进一步为飞机使用碳氢燃料外重整燃料电池—燃气轮机联合发电系统提供了支持。飞机电源系统的主要功能是产生或存储机载用电设备所需的电能，以保证飞机上各种用电设备工作时电能的供应。飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及外部(地面)电源供电插座等电源与设备组成。主机主电源是飞机正常工作状态时，为各种机载用电设备提供电能的系统，一般都是由航空发动机直接或间接传动的发电系统，通常由一台发动机传动一台或两台发电机。多发动机飞机，各发动机传动的发电机台数相同。由多发电机构成的飞机主电源，其工作可靠性较高。飞机在机场进行地面检查或航空发动机不工作时，飞机主电源不工作，需要工作的机载用电设备则由辅助电源或外部(机场地面)电源通过外部电源插座来提供电能。辅助电源有航空蓄电池和辅助动力装置两种类型。小型飞机大多采用航空蓄电池，大型飞机采用辅助动力装置的居多。辅助动力装置由小型机载发动机、发电机、液压泵或空气压缩机等设备组成。工作时，启动小型机载发动机，使发电机发电或使液压泵提供增压油，给用电设备、液压气压设备供电、供油。小型机载发动机通常由电动机启动。辅助动力装置一般在地面工作，但也有在空中工作的情况。飞机航空发动机起动阶段，机载用电设备所需的电能由外部(机场地面)电源提供。外部电源和机上主电源不允许同时投入飞机电网。应急电源是当飞机飞行中主电源发生故障时，为机载用电设备提供电能的供电电源。常用的应急电源有航空蓄电池和冲压空气涡轮发电机。冲压空气涡轮发电机不工作时，收放于飞机机体或机翼内；工作时，则打开放出，靠迎面气流吹动涡轮，带动发电机或应急液压泵。应急电源容量较小，仅能保证提供飞机紧急返回基地或紧急着陆时重要机载用电设备工作所需的电能。二次电源是将飞机主电源的电能转变为另一种或多种形式电能的装置，以满足机载用电设备对电能形式的不同需求。二次电源有集中供电和分散供电两种供电方式。集中供电的二次电源，其一台或两台二次电源给机上全部或一部分需要相同形式电能的用电设备供电，其中一台为主二次电源，另一台为备份二次电源。分散供电的二次电源，则是每个用电设备自己配备所需二次电源，有时，此二次电源设置于设备内部，称为设备内部电源或机内电源。有的飞机还配备备份电源，以增加电源余度。对于现有飞机电源系统，供电系统庞杂，飞机空间有限，过于复杂的系统占用飞机空间较大，工作效率较低，并且携带蓄电池作为辅助能源，能量利用率低，且不得不考虑蓄电池使用寿命，费用及污染问题。
技术实现思路
本专利技术要解决现有技术存在庞杂、低效、污染物排放的技术问题；提供了一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统。本专利技术中结合燃料电池与燃气轮机的优点，二者温度匹配，充分利用余热，能量转换效率高，对环境的污染小，噪音低。拥有很广阔的应用前景。本专利技术采用碳氢燃料作为飞机用的电力能源，碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高动力循环系统推重比，同时将碳氢燃料重整产生氢，生成物只有水，对环境污染小，还增加机体结构的紧凑性，提高了系统的效率。燃烧燃料电池未反应掉的碳氢燃料燃烧后为涡轮提供高温高压工质，一部分用于发电，一部分用于带动压气机。高温尾气循环利用，先对空气进行加热，再对液态碳氢燃料进行加热气化，循环利用能量，增加了整体系统的能量利用效率，做到能量损失最小化，还将尾气温度降低，减少热污染。本专利技术的整体通过碳氢燃料电池与燃气轮机的混合动力，效率高，可靠性强，同时降低了飞机用燃料所占机体的比例。使用碳氢燃料电池与燃气轮机组合的方式，为飞机用提供能源，同时多余热量循环利用，缓解了相比于氢燃料动力系统效率下降的问题。碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高动力循环系统推重比。本专利技术同时还减少碳排放以及热污染。本专利技术中一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池4、燃烧室5、逆变器15、发电机14、涡轮6、压气机7、空气预热器9、冷凝器10，还包括重整器3，碳氢燃料罐1的出口与重整器3的进口通过泵2(或者风机)连通，重整器3的出口与固体氧化物燃料电池4阳极的进口连通，空气预热器9的空气出口与固体氧化物燃料电池4阴极的空气进口连通，固体氧化物燃料电池4的阳极出口与阴极的出口分别与燃烧室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的尾气出口与重整器3的尾气进口，重整器3的尾气出口与蒸汽过热发生器8的尾气进口连通，蒸汽过热发生器8的尾气出口与空气预热器9的尾气进口连通，涡轮6的输出功一部分传给与涡轮6同轴连接的压气机7，剩余的部分驱动与涡轮6同轴连接的发电机14发电，压气机7的压缩空气出口与空气预热器9的空气进口连通，压气机6的空气进口与舱内空气(即飞机内部空气)相通，固体氧化物燃料电池4对外输出直流电，发电机14对外输出交流电，经过逆变器15转换为交流电输出；蒸汽过热发生器8的水蒸气出口与重整器3的水蒸气进口连通。所述发电系统还包括冷凝器10和气液分离器11、水箱12和水泵13，空气预热器9的输出端与冷凝器10的高温侧的输入端连接，冷凝器10的高温侧的输出端与气液分离器11的输入端连接；冷凝器10的低温侧输入端连接与外界空气(舱外空气，即大气)连通，另外一侧的低温侧输出端与大气连通；气液分离器11的出液口与水箱12的进液口连通，水箱12的出液口与蒸汽过热发生器8的进液口通过水泵13连通。碳氢燃料罐1装有碳氢燃料(如甲烷、航空煤油)。逆变器15与用电设备通过导线连接。本专利技术中燃料电池发电效率高，尾气出口温度高。燃气轮机要求进口温度高，进而可提高燃料电池尾气温度来供燃气轮机使用。合理利用了燃料电池尾气的余热，使得燃料电池与燃气轮机优势互补。本专利技术中采用了工作温度为高温的固体氧化物燃料电池。其工作温度高，且不用考虑二氧化碳循环和泄露问题，更可靠。专利技术中采用碳氢燃料(如甲烷)作为飞机用的电力能源。碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热器质量惩罚小，可显著提高电力循环系统推重比，作为超长航时高空飞机用电力循环系统本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池(4)、燃烧室(5)、逆变器(15)、逆变器(14)、涡轮(6)、压气机(7)、空气预热器(9)、冷凝器(10)，其特征在于还包括重整器(3)，碳氢燃料罐(1)的出口与重整器(3)的进口通过泵(2)连通，重整器(3)的出口与固体氧化物燃料电池(4)阳极的进口连通，空气预热器(9)的空气出口与固体氧化物燃料电池(4)阴极的进口连通，固体氧化物燃料电池(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)的尾气出口与重整器(3)的尾气进口连通，重整器(3)的尾气出口与蒸汽过热发生器(8)的尾气进口连通，蒸汽过热发生器(8)的尾气出口与空气预热器(9)的尾气进口连通，涡轮(6)的输出功大部分传给与涡轮(6)同轴连接的压气机(7)，剩余的部分驱动与涡轮(6)同轴连接的逆变器(14)发电，压气机(7)的压缩空气出口与空气预热器(9)的空气进口连通，压气机(6)的空气进口与舱内空气相通，固体氧化物燃料电池(4)对外输出直流电，逆变器(14)对外输出交流电，经过逆变器(15)转换为交流电输出；蒸汽过热发生器(8)的水蒸气出口与重整器(3)的水蒸气进口连通。...
【技术特征摘要】
1.一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池(4)、燃烧室(5)、逆变器(15)、逆变器(14)、涡轮(6)、压气机(7)、空气预热器(9)、冷凝器(10)，其特征在于还包括重整器(3)，碳氢燃料罐(1)的出口与重整器(3)的进口通过泵(2)连通，重整器(3)的出口与固体氧化物燃料电池(4)阳极的进口连通，空气预热器(9)的空气出口与固体氧化物燃料电池(4)阴极的进口连通，固体氧化物燃料电池(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)的尾气出口与重整器(3)的尾气进口连通，重整器(3)的尾气出口与蒸汽过热发生器(8)的尾气进口连通，蒸汽过热发生器(8)的尾气出口与空气预热器(9)的尾气进口连通，涡轮(6)的输出功大部分传给与涡轮(6)同轴连接的压气机(7)，剩余的部分驱动与涡轮(6)同轴连接的逆变器(14)发电，压气机(7)的压缩空气出口与空气预热器(9)的空气进口连通，压气机(6)的空气进口与舱内空气相通，固体氧化物燃料电池(4)对外输出直流电，逆变器(14)对...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦江，郭发福，姬志行，程昆林，周雪，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
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