集成燃料电池和燃烧器组件制造技术

一种集成燃料电池和燃烧器组件以及相关方法。该组件包括具有燃烧器几何形状和燃烧器出口温度的燃烧器。该组件进一步包括流体联接到燃烧器的多个燃料电池，多个燃料电池被构造为使用被引导到多个燃料电池中的燃料和空气生成燃料电池功率输出，并将来自多个燃料电池的燃料和空气排气引导到燃烧器中。多个燃料电池包括以预定电气构造围绕燃烧器几何形状布置的多个燃料电池控制组。多个燃料电池控制组中的每一个都具有可调整电流偏置。中的每一个都具有可调整电流偏置。中的每一个都具有可调整电流偏置。

【技术实现步骤摘要】
集成燃料电池和燃烧器组件


[0001]本公开大体涉及发电系统，例如燃料电池和燃气涡轮发动机。特别地，本公开涉及具有集成燃料电池和燃烧器组件的燃气涡轮发动机。

技术介绍

[0002]发动机的燃料效率在发动机的选择和操作中是重要的考虑因素。例如，用于飞行器中的燃气涡轮发动机的燃料效率是影响飞行器行进距离的重要(和限制)因素。当前飞行器喷气发动机通常主要提供轴(例如，机械)动力和少量发电，该机械动力使用安装在风扇的轴来转换为推进力。除了燃气涡轮发动机之外，一些飞行器推进系统包括燃料电池。这些燃料电池位于燃气涡轮发动机的燃烧器的上游和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发动机的长度流动并进入燃料电池中。该空气的一部分被燃料电池消耗以生成电能。其余空气流过燃料电池或围绕燃料电池流动并进入燃烧器中。然后，该空气与燃料混合并在发动机的燃烧器中燃烧。
[0003]燃烧器出口温度(T4)分布对于涡轮和喷嘴寿命很重要，并且燃烧器冷却被设计为在燃烧器的出口处获得预期参考温度分布曲线。任何与T4设计曲线的偏差都可能导致高热应力，从而缩短叶片(和喷嘴)的寿命。在燃烧器的衬套周围附接固体氧化物燃料电池(SOFC)可提高与燃烧器中的燃烧相关联的效率和排放。由于在燃烧器衬套处SOFC的燃料歧管和空气歧管的控制灵活性较低，因此使用SOFC来增加T4分布需要稳健的系统架构来集成SOFC和燃烧器组件。
附图说明
[0004]本公开的特征、优点和实施例将从以下更具体的对各种示例性实施例的描述中变得显而易见，如附图中所示，其中相似的附图标记通常指示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
[0005]图1示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的实施例的示意图。
[0006]图2示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的示意图。
[0007]图3示出了根据本公开的实施例的沿图2的线3
‑
3截取的集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池的示意横截面视图。
[0008]图4示出了根据本公开的实施例的作为在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池的立体视图的示意图。
[0009]图5A示出了根据本公开的实施例的跨在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的燃烧器的横截面的温度分布的示意图。
[0010]图5B示出了根据本公开的实施例的如在燃气涡轮发动机的集成燃料电池和燃烧器组件中使用的图5A的示例性燃料电池控制组的示意图。
[0011]图5C示出了根据本公开的实施例的如在燃气涡轮发动机的集成燃料电池和燃烧器组件中使用的图5A的燃烧器的横截面中的感兴趣区中的质量和能量的空间平衡的示意图。
[0012]图6A示出了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的集成燃料电池和燃烧器组件的燃烧器横截面中的外周边感兴趣区的示意横截面视图。
[0013]图6B示出了根据本公开的实施例的跨如在燃气涡轮发动机的集成燃料电池和燃烧器组件中使用的图6A的燃烧器横截面中的外周边感兴趣区的温度分布的示意图。
[0014]图7A示出了根据本公开的实施例的跨如在燃气涡轮发动机中使用的示例性燃料电池控制组的具有不对称布局的集成燃料电池和燃烧器组件的燃烧器的横截面的温度分布的示意图。
[0015]图7B示出了根据本公开的实施例的如在燃气涡轮发动机的集成燃料电池和燃烧器组件中使用的图7A的示例性燃料电池控制组的示例性不对称布局的示意图。
[0016]图7C示出了根据本公开的实施例的在图7A的燃烧器的横截面中的预定空间位置处的燃烧器出口处的温度对叶片跨度的示意功能表示。
[0017]图8是根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的燃烧器的一部分的示意图。
[0018]图9示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的操作的示意图。
[0019]图10示出了根据本公开的实施例的操作在燃气涡轮发动机中使用的集成燃料电池和燃烧器组件的方法的示意流程图。
具体实施方式
[0020]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，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
[0021]现在将详细参考所公开主题的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代所公开主题的相似或类似部分。如本文所用，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“示例性”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。此外，如本文所用，术语“燃料电池堆”和“多个燃料电池”以及“多电池”和“多燃料电池”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
[0022]燃气涡轮发动机(例如用于为飞行器提供动力或工业应用的那些燃气涡轮发动机)包括围绕中心发动机轴线设置的压缩机、燃烧器和涡轮，其中压缩机轴向设置在燃烧器的上游，并且涡轮轴向设置在燃烧器的下游。压缩机对空气供应加压，燃烧器在加压空气存在的情况下燃烧碳氢化合物燃料，并且涡轮从产生的燃烧气体中提取能量。可以改变空气压力比和/或燃烧器温度以提高燃气涡轮发动机循环效率。此外，空气压力比和/或燃烧器温度的任何变化都会影响涡轮的可操作性和寿命。
[0023]高于1100℃的燃烧器出口温度(在本领域中通常称为T4)在燃气涡轮发动机中是
常见的，而涡轮的静止喷嘴和旋转叶片的可接受金属温度被限制为900℃或1000℃。涡轮叶片的温度影响叶片的机械强度(例如蠕变和疲劳)以及叶片的抗氧化和耐腐蚀性。因此，将燃烧器出口温度(T4)维持在可接受范围内可显著提高涡轮叶片和涡轮喷嘴的寿命。燃烧器冷却解决方案是为特定参考燃烧器出口温度曲线设计的，并且与参考曲线的任何偏差都可能导致涡轮中的热应力，并缩短涡轮叶片和喷嘴的寿命。
[0024]在固体氧化物燃料电池(SOFC)和燃气涡轮发动机的集成设计中，SOFC在燃烧器的外衬表面处与注入燃烧器中的SOFC废气(800℃，H2/CO/H2O/CO2)机械联接。定位在燃烧器衬套的感兴趣区内的不同区域的SOFC(切向地、径向地、轴向地和周向地)电气地分组为若干个燃料电池控制组，以便调整来自对应于具有T4峰值分布和T4低分布的区域的SOFC的电流偏置。具体而言，调整每个SOFC组的电流偏置以实现沿切向、径向、轴向和周向方向的期望T4分布，从而实现T4热点的期望缓解和更均匀的平均T4分布。
[0025]“电流偏置”是电力控制中常用的方案。“电流偏置”在本领域中被称为施加在电流的标称值上的控制器偏置。从燃料电池组输出的电功率等于从燃料电池组输出的电流总量乘以施加到燃料电池组的电压。假设有三个示例性燃料电池控制组并联电连接并且每个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成燃料电池和燃烧器组件，其特征在于，所述组件包括：燃烧器，所述燃烧器具有燃烧器几何形状和燃烧器出口温度；以及多个燃料电池，所述多个燃料电池流体联接到所述燃烧器，所述多个燃料电池被构造为使用被引导到所述多个燃料电池中的燃料和空气生成燃料电池功率输出，并将来自所述多个燃料电池的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中，其中，所述多个燃料电池包括以预定电气构造围绕所述燃烧器几何形状布置的多个燃料电池控制组，所述多个燃料电池控制组中的每一个都具有可调整电流偏置。2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，其中，所述多个燃料电池沿所述燃烧器的轴向方向、或沿所述燃烧器的周向截面、或两者的组合串联连接。3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，其中，通过调整所述多个燃料电池控制组中的至少一个的所述电流偏置来控制围绕所述燃烧器几何形状的所述燃烧器出口温度的分布。4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，其中，所述多个燃料电池包括集成在所述燃烧器的外衬内的第一多个燃料电池、或集成在所述燃烧器的内衬内的第二多个燃料电池、或其任何组合，其中与所述第二多个燃料电池相比，所述第一多个燃料电池包括更多数量的燃料电池，并且进一步其中，与所述第二多个燃料电池中的任何燃料电池相比，所述第一多个燃料电池中的任何燃料电池包括更高的电容量、或更高的热容量、或更大的电池面积、或更低的燃料电池寿命、或其任何组合。5.一种集成燃料电池和燃烧器组件，其特征在于，所述组件包括：燃烧器，所述燃烧器具...

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