集成燃料电池和发动机燃烧器组件制造技术

一种发动机组件，包括：燃烧器；与燃烧器集成的燃料电池堆，燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；和电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，一个或多个子系统被构造成接收由燃料电池堆产生的电能。燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。种或多种气态燃烧产物。种或多种气态燃烧产物。

【技术实现步骤摘要】
集成燃料电池和发动机燃烧器组件


[0001]本主题大体上涉及例如燃料电池的发电系统和燃气涡轮发动机。特别地，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开进一步涉及包括(i)用于产生富氢燃料流的催化部分氧化(C
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POX)转化器和(ii)由燃料电池和/或催化部分氧化(C
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POX)转化器产生的能量提供动力的一个或多个子系统。

技术介绍

[0002]在发动机的选择和操作中，发动机的燃料效率可能是一个重要的考虑因素。例如，飞行器中的燃气涡轮发动机的燃料效率可能是影响飞行器飞行距离的重要(和限制)因素。当前的飞行器喷气发动机通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇上的轴转化成推进力和转化成少量发电量。然而，除了燃气涡轮发动机之外，一些飞行器推进系统还可以包括燃料电池。这些燃料电池可以位于燃烧器的上游或围绕燃烧器，并且位于燃气涡轮发动机的压缩机的下游。压缩机输出的压缩空气沿着发动机的长度流动并进入燃料电池。该空气的一部分在产生电能时被燃料电池消耗。剩余的空气可以流过燃料电池或围绕燃料电池流动并进入燃烧器。然后，该空气与燃料混合并在发动机的燃烧器中燃烧。

技术实现思路

[0003]一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，一个或多个子系统被构造成接收由燃料电池堆产生的电能，其中燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
[0004]一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成(i)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，该催化部分氧化转化器被构造成优化引导到燃料电池堆中的燃料流的氢含量；(d)AC/DC转化器，该AC/DC转化器被构造成将燃料电池堆产生的电能的DC电流转化成AC电流；和(e)电连接到燃料电池堆的一个或多个子系统，该一个或多个子系统被构造成接收AC电流，其中，燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
[0005]一种方法，包括：(a)将来自压缩机的空气引导到与涡轮发动机的燃烧器集成的燃料电池堆的燃料电池中；(b)将燃料引导到燃料电池堆的燃料电池中；(c)将进入燃料电池堆的燃料电池的空气和燃料的至少一些转化为电能；(d)将电能转化成AC电流，供一个或多个发动机系统使用；(e)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气径向引导到燃烧器中；(f)在燃烧器中将燃料和排气燃烧成气态燃烧产物；和(g)使用气态燃烧产物驱动涡轮发动机的涡轮。
[0006]本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的前述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
[0007]如附图中所示，从以下更具体的对各种示例性实施例的描述中，前述和其他特征和优点将变得显而易见，附图中相似的附图标记通常表示相同、功能相似和/或结构相似的元件。
[0008]图1示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机系统中使用的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
[0009]图2示出了根据本公开的实施例的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池。
[0010]图3示出了根据本公开的实施例的沿图2中的线3
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3截取的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池的横截面图。
[0011]图4示出了根据本公开的实施例的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
[0012]图5示出了根据本公开的一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
[0013]图6示出了根据本公开的另一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
[0014]图7示出了根据本公开的又一实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
[0015]图8示出了操作集成燃料电池和燃烧器组件的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
[0016]下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，可以使用其他部件和配置而不背离本公开的精神和范围。
[0017]本公开涉及一种燃料电池和燃烧器组合系统。已知的燃料电池和燃烧器组合的一个问题是需要导管来引导空气流进入燃料电池并从燃料电池流出进入燃烧器。这些导管可以增加发动机的燃料电池和燃烧器组合的尺寸。此外，当前的飞行器喷气发动机通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇的轴转化成推进力和转化成少量发电量。因此，为了更高效和减少发动机和/或飞行的排放，需要在机上提供直流(DC)发电的架构和系统，例如燃料电池，以实现更多的电气架构，例如，一系列驱动风扇、边界层摄入的电动机等。因此，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开进一步涉及包括(i)催化部分氧化(C
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POX)转化器，用于产生富氢燃料流(和/或优化将被引导到燃料电池和/或燃料电池堆中的燃料流的氢含量)和(ii)一个或多个子系统，该一个或多个子系统由燃料电池和/或催化部分氧化(C
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POX)转化器产生的能量供电。例如，燃气涡轮发动机，例如与飞机一起使用的那些，通常主要提供轴(例如，机械)动力，该动力使用安装在风扇的轴转化成推进力和转化成少量发电量。相比之下，燃料电池通常以例如可以通过例如逆变器转化成交流电(AC)的直流电(DC)的形式提供电能。直流或交流电压可用于为电动机、灯、通信设备以及任何数量的电气设备和系统供电。因此，通过将燃料电池技术(例
如固体氧化物燃料电池(SOFC))与燃气涡轮发动机结合，例如，通过将这种燃料电池技术集成在燃气涡轮的燃烧器内，可以产生电能来驱动各种子系统，包括例如用于推进的风扇、发电机等。然而，这种燃料电池技术(例如，SOFC)通常需要电池在例如600至800℃的特定温度下操作才有效，并且燃料流富含氢气和一氧化碳。因此，根据本公开的实施例，包括催化部分氧化(C
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POX)转化器，用于产生用于固体氧化物燃料电池的富氢燃料流(例如，优化将被引导到燃料电池和/或燃料电池堆中的燃料流的氢含量)。
[0018]通常，固体氧化物燃料电池在发电时消耗1％至50％之间的燃料能量。传统的燃料电池将燃料电池的空气侧和燃料侧分开，并循环利用燃料，以最大限度地提高燃料循环中的燃料转化率。这需要热交换器、泵和管道系统(plumbing)的基本平衡，所有这些都本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机组件，其特征在于，包括：(a)燃烧器；(b)与所述燃烧器集成的燃料电池堆，所述燃料电池堆被构造成(i)将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中并且(ii)产生电能；(c)流体连接到所述燃料电池堆的催化部分氧化转化器，所述催化部分氧化转化器被构造成优化引导到所述燃料电池堆中的燃料流的氢含量；和(d)电连接到所述燃料电池堆的一个或多个子系统，所述一个或多个子系统被构造成接收由所述燃料电池堆产生的所述电能，其中，所述燃烧器被构造成将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。2.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括压缩机，所述压缩机流体连接在(i)所述燃烧器和(ii)所述催化部分氧化转化器的上游，所述压缩机被构造成将空气的一部分引导到所述催化部分氧化转化器中。3.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述催化部分氧化转化器，其中所述燃料的一部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以优化引导到所述燃料电池堆中的所述燃料流的所述氢含量。4.根据权利要求3所述的发动机组件，其特征在于，其中，所述燃料源包括煤油燃料和合成类似物、生物喷气燃料、合成汽油、生物柴油、甲醇、二甲醚(DME)、乙醇、甘油、甲酸、氨、水合肼、液态氢气、压缩氢气及其组合中的至少一种。5.根据权利要求3所述的发动机组...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳伦德拉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：