一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置

技术领域

本发明属于辅助动力技术领域，具体涉及一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置。

背景技术

一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置在飞机运行过程中具有重要功能：不仅燃料电池为飞机提供电能，而且辅助动力装置也持续为飞机提供电能，防止主发动机停车造成飞机电能缺失，给飞机和乘客带来安全隐患。

燃气轮机辅助动力装置与主发动机工作形式相同，利用飞机主燃料箱中的航空煤油以及大气中吸入的空气燃烧做功。燃气轮机形式辅助动力装置存在明显的缺点，即化石能源(航空煤油)的化学能必须转变为热能后才能转变为热能后才能转变为电能。这种传统方式有两个最大的弊端：一是转化效率受布雷顿循环限制，转化效率低；二是在这个过程中，同时还会产生大量的尾气和噪声。此外由于受到环境影响，燃气轮机形式辅助动力装置高空性能难以保证。现在民用飞机的辅助动力装置为传统小型涡轮轴发动机，采用航空燃油作为燃料，燃料的利用效率比较低(30％左右)，体积大，重量比较重，发电机的功重比较低。由于转化效率高，各国大力发展氢燃料电池技术。氢燃料电池不仅具有能量转换率高、清洁、噪声低，而且在不同负载(部分负载、满负载和过载)和装置规模下都可以保持较高效率。更重要的是，高温燃料电池的排气温度高，而且还有不完全氧化的氢气和一氧化碳，还有很大的余热利用价值，因此高温燃料电池可以和辅助动力装置组成混合动力循环系统，这种混合循环可以得到更高的效率，联合循环的效率能分别达到70％(燃料电池)和90％(辅助动力装置)。

发明内容

本发明的目的：提高一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置。

本发明的技术方案：采用低温液态氢燃料，先通过加热器将燃料加热到一定温度范围，然后通过汽化器将液态氢转化成氢气；一部分氢气提供给燃料电池并与辅助动力装置的压气机提供的压缩空气中的氧气通过化学反应输出电能；另一部分氢气输入辅助动力装置与压缩空气混合燃烧产生高温高压燃气，冲击涡轮做功，并通过附件机匣和发电机将机械功转化为电能，剩余尾气排出体外。

一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置，包括：液氢罐、加热器、汽化器、燃料电池、压气机；

所述液氢罐输出端连接加热器输入端，液氢罐用于存储液态氢气并将液态氢气输送至加热器；所述加热器输出端连接汽化器输入端，加热器用于加热液态氢气后输送至汽化器，所述汽化器输出端连接燃料电池氢气输入端，汽化器用于将高温液态氢气汽化为气态氢气输出至燃料电池；

所述压气机输出端连接燃料电池，用于压缩空气后输送至燃料电池空气输入端；

燃料电池利用氧气和氢气进行化学反应输出电能。

进一步，所述装置还包括：燃烧室、涡轮和起发电机；

所述汽化器输出端还连接燃烧室输入端，压气机输出端还连接燃烧室；

燃烧室将来自汽化器的气态氢气和压气机的压缩空气混合燃烧后产生高温高压燃气重启涡轮做功，涡轮通过传动轴带动起发电机发电。

进一步，所述涡轮还通过传动轴带动压气机工作。

进一步，所述还包括：第一板式回热器；

所述第一板式回热器第一输入端连接燃料电池排气端；所述液氢罐输出端还连接第一板式回热器第二输入端；

第一板式回热器第二输出端连接汽化器输入端；第一板式回热器利用燃料电池输出端的高温混合气体将液态氢气加热后输送至汽化器。

进一步，所述装置还包括：分离器；

第一板式回热器第一输出端连接分离器输入端；所述分离器将高温混合气体中的氢气分离出后输出至燃烧室进行再燃烧。

进一步，所述装置还包括：第二板式回热器；

所述第二板式回热器第一输入端连接分离器输出端，第一输出端连接燃烧室输入端；第二输入端连接压气机输出端，第二输出端连接燃料电池；

第二板式回热器利用分离出的高温氢气余热加热来自压气机的压缩空气；并将加热后的压缩空气输出至燃料电池。

进一步，经所述第二板式回热器加热的压缩空气中的一部分直接与高温氢气混合输出至燃烧室。

进一步，所述涡轮输出的高温排气还用于为第二板式回热器加热。

本发明的有益效果：

随着民用飞机对电能需求也来越大，对高效、清洁能源的需求越来越大，液氢燃料的燃料电池辅助动力装置可显著降低排气污染和提高燃烧效率，而且联合循环方案有效避免了单燃料电池辅助动力装置起动复杂、环境依赖性强、控制响应速度慢等不足。联合循环方案燃料电池辅助动力装置获得广泛关注和大量应用。

1)减轻约30％重量，提高40％燃烧效率；

联合循环方案的燃料电池辅助动力装置比单一的燃气轮机形式的辅助动力装置结构复杂，但使用范围和运行形式有较大提高。在输出相同电功率时，联合循环方案的燃料电池辅助动力装置燃料转化效率可以达到75％，比单一的燃气轮机形式的辅助动力装置燃料转化效率提高40％，而重量减轻在30％以上。

2)降低排气污染；

在燃料电池中，氢气和氧气进行电化学反应，不仅具有能量转换率高、清洁、噪声，而且在不同负载(部分负载、满负载和过载)和装置规模下都可以保持较高效率。更重要的是，燃料电池的排气温度高，而且还有不完全氧化的氢气和一氧化碳，还有很大的余热利用价值，而且辅助动力装置采用氢气为燃料，燃烧后生成水蒸气，因此联合循环方案的燃料电池辅助动力装置排气基本为水蒸气，几乎没有污染。

3)结构紧凑，安装方便。

联合循环方案的燃料电池辅助动力装置将燃气涡轮形式的辅助动力装置和燃料电池相结合，通过电子控制器实现控制，简化了系统结构，两者可以隔离安装于不同空间，方便快捷。

附图说明

图1是本发明应用于民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置示意图；

其中，1-液氢罐，2-加热器，3-汽化器，4-板式回热器，5-燃料电池，6-分离器，7-板式回热器，8-起发电机，9-压气机，10-燃烧室，11-涡轮，12-调节阀，13-电子控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1,本发明采用低温氢燃料电池联合辅助动力装置结构，-250℃液氢罐1内液态氢先通过加热器2加热到常温，经过汽化器3汽化成氢气，流入板式回热器4调整到燃料电池5的工作温度点约700℃，扩散到金属多孔阳极，当到达三相边界，氢气承受氧化反应获得2H

液氢罐1的作用是-250℃的低温液氢的存储，内层采用防腐、耐热的陶瓷纤维为增强体，用SiO

加热器2的作用是将低温-250℃的液态氢转化到常温状态，起到加热作用。

汽化器3的作用是通过校正-反馈系统控制汽化的氢气温度，一方面增强燃料电池的化学反应速度，另一方面提高辅助动力装置的燃烧效率，增加电功率输出。是提高液态氢的汽化效果，起到了良好气液转化作用。

板式回热器4、7的作用是利用燃料电池或辅助动力装置的高温排气加热燃料电池5的进气燃料和压缩空气。

燃料电池5的作用是氧气和氢气进口温度控制在700℃左右，排气温度出口为800℃，在此工作温度范围内燃料的化学反应效率最高，提升电功率输出。

分离器6的作用是提高氢气和水蒸气的分离速度和效率，利用内部活性炭的吸附作用，吸收水蒸气，起到增强氢气纯度的作用。

燃烧室8的作用是提高氢气和氧气的燃烧稳定性，增强燃烧效率和能量转化效率。

起动发电机9的作用：当辅助动力装置起动时，作为起动电机，带动燃气涡轮转子转动，然后喷射燃料，点火燃烧，高温燃气冲击涡轮做功，辅助动力装置达到稳定工作状态，此时，起动发电机作为发电机，输出电功率。

压气机10的作用是提高空气的压力，输出高压空气，大部分提供给燃烧室8，小部分提供给板式回热器7；压缩空气生成高温、高压氧气和氮气，扩散到金属多孔阴极，当到达三相边界，气态氧气承受还原反应释放氧离子O2-，其通过陶瓷基离子导体电解质迁移到阳极，与2H+离子结合生成高温水蒸汽和NOx气体，尾气排出。

涡轮11的作用：高温燃气通过涡轮膨胀做功，带动压气机10和起动发电机9转动，提供高压空气和电功率输出。

调节阀12的作用是调节阀门的开度角度，将辅助动力装置的排出尾气进入板式回热器7，达到精确燃料电池侧的氧气温度约700℃。

一种民用飞机机载联合燃料电池辅助动力装置，在起动过程中，空气被送入辅助动力装置的燃烧室10，混合喷射燃料氢气直接燃烧，以增加涡轮11的进口温度。一部分出口气体的热转入燃料电池5堆栈，使得堆栈快速达到工作温度；起动后，燃料电池辅助动力装置将高压的液氢罐1内液体氢气通过加热器2或板式冷却器4加热到一定温度，并通过汽化器3获得氢气，提供给燃料电池5的阳极获得2H+离子；辅助动力装置的压气机9压缩空气生成高温、高压氧气和氮气，扩散到金属多孔阴极，当到达三相边界，气态氧气承受还原反应释放氧离子O2-，其通过陶瓷基离子导体电解质迁移到阳极，与2H+离子结合生成高温水蒸汽和NOx气体，尾气排出。

电子控制器13的作用是控制加热器2的开启、关闭，依据温度反馈，调节调节阀12的阀门开度角度，使得燃料电池5的氧气和氢气的进气温度约为700℃。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。