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利用燃料电池的用于航空器的发电机系统

阅读：1020发布：2021-01-11

IPRDB可以提供利用燃料电池的用于航空器的发电机系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种燃料电池(10)，其具有压缩机(20)所输送的压缩空气进口和燃料进口，并且它产生直流电。涡轮机(30)接收来自于燃料电池的压力气流和机械地联结第一压缩机以驱动它。在飞行中使用向航空器舱室(40)输送压缩空气的第二压缩机(46)回路机械地联结涡轮机的轴。电机(50)可以联结如驱动压缩机(46)的轴相同的涡轮机轴，电机能够作为发电机或作为电动机工作。，下面是利用燃料电池的用于航空器的发电机系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于航空器的发电机系统，该系统包括：

●第一压缩机；

●燃料电池，它具有连接第一压缩机的压缩空气进口和燃料进口，并且产生直流电；

●涡轮机，它接收来自于燃料电池的压力气流，并且机械地联结第一压缩机以驱动它；

和

●在飞行中使用向航空器舱室输送压缩空气的第二压缩机回路；

用于向舱室输送的第二压缩机机械地联结涡轮机的轴。

2.根据权利要求1所述的系统，其中第一压缩机和第二压缩机安装在共同的涡轮机的轴上。

3.根据权利要求1所述的系统，其中涡轮机包括第一涡轮机级和第二涡轮机级，第一涡轮机级接收来自于燃料电池的压力气流和驱动第一涡轮机轴，第二涡轮机级接收来自于第一涡轮机级的气流和驱动第二涡轮机轴，第一涡轮机轴驱动第一压缩机，而第二轴驱动第二压缩机。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括电机，该电机机械地联结涡轮机的轴。

5.根据权利要求4所述的系统，其中电机和第二压缩机共同安装在相同的涡轮机轴上。

6.根据权利要求4所述的系统，其中电机具有作为发电机的第一种工作方式和作为电动机的第二种工作方式，并且提供调节电路用于在第一种和第二种方式之间切换电机工作，以维持电机所安装的涡轮机轴上可用的机械扭矩为不小于确定的最小值的数值。

7.根据权利要求4所述的系统，其中提供调节系统用于伺服控制电机的转速为预先确定的设置值。

8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括热交换器，该热交换器分别地流过输送给燃料电池的压缩空气和离开涡轮机的气流，以在压缩空气进入燃料电池中之前加热压缩机所产生的压缩空气。

说明书全文

利用燃料电池的用于航空器的发电机系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于航空器，更具体地用于飞机的发电机系统，该系统使用燃料电池。

背景技术

[0002] 在飞机中，电气设备的各种部件的飞行运转所需要的电力通常由连接飞机发动机的一个或多个发电机供应。对于燃气涡轮发动机，已知使用启动器/发电机(S/Gs)达到该目的。它们通过齿轮箱机械地联结涡轮机的轴，并且在飞行时，它们作为发电机工作，或者作为启动的电动机。辅助电源设备(APU)供电，特别是在地面上飞机发动机不运转时。通常APU包括驱动发电机的燃气涡轮机。

[0003] 因为对于飞机和它们电动机的致动设备而言，电力相对于水力变得越来越优选，因此在大飞机上需要产生越来越多数量的电力。

[0004] 为了满足这种日益增加的需要，而不增加发电机，诸如S/Gs的数量和功率，已经提出了在APU中使用燃料电池的建议。可以参考文献CA 2 427 448，其描述了一种电生产系统，该系统包括固态氧燃料电池(SOFC)。该电池接收碳氢化合物燃料和来自于压缩机的压缩空气，并且它产生直流(DC)电，同时还有压力热气流。气流输送给涡轮机，并且驱动压缩机。

[0005] 包括SOFC、涡轮机和压缩机的组合装置以与常规燃气涡轮机相似的方式工作，其中SOFC占据燃烧室位置，同时也产生电力，而没有任何氧化氮(NOx)的污染排放。发明内容

[0006] 本发明提供了一种用于航空器的发电机系统，它可以利用燃料电池资源，而不仅是电的直接产生，这种系统包括：

[0007] ●第一压缩机；

[0008] ●燃料电池，它具有连接第一压缩机的压缩空气进口和燃料进口，并且产生直流电；

[0009] ●涡轮机，它接收来自于燃料电池的压力气流，并且机械地联结第一压缩机以驱动它；和

[0010] ●在飞行中使用向航空器舱室输送压缩空气的第二压缩机回路，用于向舱室输送的第二压缩机机械地联结涡轮机的轴。

[0011] 使用带有常规燃气涡轮机的APU用以驱动压缩机是已知的，该压缩机引起空气在航空器舱室中循环，但是只有航空器在地面上时是这样的，在巡航高度APU不足以有动力向舱室增压。实际上可以设想足以用于该目的的常规APU尺度设计，但是这将引起总体不利的能量预算，这就是为什么飞行中用以给舱室输送压缩空气的压缩机通常地由通过飞机的电网供电的电动机驱动。

[0012] 燃料电池的应用增加了能量效率，并且可以在飞行时，给舱室输送空气的回路压缩机通过机械联结发电机系统的涡轮机的轴被驱动，这与使用飞机的电网供电的电动机比较，没有处于不利位置。因此，可以省略用以驱动压缩机的专用的电动机以及它的电源。 [0013] 在一个实施方式中，第一压缩机和第二压缩机由共同的涡轮机轴驱动。 [0014] 在另一个实施方式中，涡轮机具有第一涡轮机级和第二涡轮机级，该第一涡轮机级接收来自于燃料电池的压力气流和驱动第一涡轮机轴，该第二涡轮机级接收来自于第一涡轮机级的压力气流和驱动第二涡轮机轴，第一压缩机由第一涡轮机轴驱动，而第二压缩机由第二个轴驱动。这产生了一种结构，它与带有高压涡轮机轴和低压涡轮机轴的常规燃气涡轮机的结构相似。

[0015] 也可以提供一种电机，其与第二压缩机一样安装在相同的涡轮机轴上。 [0016] 电机可以具有作为发电机的第一种工作方式，以及作为电动机的第二种工作方式，并且可以提供调整电路以在第一种方式和第二种方式之间切换电机的工作，以维持电机所安装的涡轮机轴上可用的机械扭矩不小于确定的最小值，或者以伺服控制电机的转速为预先确定的给定值。

[0017] 附图说明

[0018] 通过参考附图阅读下面的描述，可以更好地理解本发明，其中： [0019] 图1是本发明发电机系统的实施方式的详细图示。

[0020] 如图1所示，用于在飞机中产生电力的系统包括燃料电池10，诸如固态氧燃料电池(SOFC)，这种电池是由并排设置并且串联连接的大量电池组成。燃料电池10由碳氢化合物燃料和压缩空气供给动力，来自于压缩空气的氧气与燃料的氢气反应以产生电力。如何制造这种SOFC的方法以及它如何工作是公知的，这里不再详细描述。

[0021] 通过管路12从燃料箱(未示出)取出的燃料可以是甲烷(CH4)。应该观察到使用其它的碳氢化合物，包括煤油作为SOFC中燃料是已知的，因此SOFC 10可以从用于飞机发动机的燃料箱提供动力。

[0022] 压缩空气由压缩机20通过管路14递送。输送给压缩机20的空气可以是流经飞机舱室40，并且通过管路42递送给压缩机的空气。

[0023] SOFC 10产生了直流形式的电力，在电线16上可以使用该电力。电线16连接飞机的电网44。电池18也连接电线16以存储任何未用的电力和消除任何可能是大幅度的短时电力变化，例如由于中断电路、进行连接或突然地起动或停止一部电气设备而产生的该短时电力变化。飞机的电网44也以常规方式通过飞机的发动机驱动的发电机，诸如S/Gs供电。

[0024] 来自于SOFC 10和基本上包含二氧化碳CO2和水蒸气H2O的压缩的热气体通过管路32被带到涡轮机30。涡轮机30被压缩的热气体旋转驱动，并且机械地联结压缩机20，涡轮机30和压缩机20的转子安装在涡轮机的共同轴34上。

[0025] 来自于涡轮机30的气体通过管路36排气。热交换器38具有两个分开的气路，它们顺序地分别连接管路14和管路36。热交换器38使用来自于涡轮机的气体的残留热能以加热输送给SOFC的压缩气体。

[0026] 涡轮机30也驱动第二压缩机46，该第二压缩机46形成用以给舱室40输送空气的回路的一部分。外部气体输送给压缩机46压缩，以经过系统49，通过管路48将它输送给舱室40，系统49用于调整空气的温度和压力，称为环境控制系统(ECS)，其本身是公知的。 [0027] 在图1的实施方式中，压缩机46安装在涡轮机30的轴34上。

[0028] 涡轮机30也机械地联结电机50，该电机50具有安装在轴34上的转子。其它的机械负载可以可选地联结涡轮机30。

[0029] 电机50可以以发电机方式或以电动机方式工作。电机50可以制造成S/G机器，其首先包括带有主转子和主定子的同步发电机50a，该主转子具有初级电路，该主定子具有次级电路，以及其次包括励磁机50b，该励磁机50b具有带有初级电路的定子和带有次级电路的转子，励磁机的次级电路通过旋转的二极管电桥形成的整流器连接同步发电机的初级线路。

[0030] 电机50的工作方式受调整电路52控制，当涡轮机输送的扭矩或机械功率超过压缩机20和46加上可能存在的任何其它负载的需要时，电机作为发电机工作，以及电机50作为帮助涡轮机的电动机工作，以输送压缩机20和46以及可能存在的任何其它负载需要的所需最小的机械功率或扭矩。

[0031] 在发电机工作方式下，电路52给励磁机50b的初级电路输送电网44所输出的交流电(AC)，并且同步发电机50a所输出的交流电压通过电线53注入到飞机的电网44中。 [0032] 在电动机工作方式中，电路52给励磁机50b的初级电路输送D。C，而通过电线53从电网给发电机50a的次级电路输送AC。可以从电网44获取用于输送给励磁机的初级电路所需的DC，可能要通过整流器，或者可以从SOFC 10的输出端或从电池18获取用于输送给励磁机的初级电路所需的DC。

[0033] 调整电路52控制电机50的工作方式，以维持从涡轮机出口端可用的扭矩水平不少于确定的最小值。为了这个目的，调整电路52接收传感器54所输送的信号，并且表示来自于涡轮机的输出扭矩，例如，轴转速的信号表示。电机的功率可以通过伺服控制其转速的数值，及由此加压压缩机46的转速达到预先确定的设定值进行控制。

[0034] 在实施方式不同的变化的实施方式中，其中涡轮机30包括驱动轴34的第一涡轮机级，以及被来自于第一级的气流进行输送并且驱动轴35的第二涡轮机级，第二压缩机46和电机安装在轴35上。热交换器38接收来自于涡轮机的第二级的气流，然后排放。轴34和35是同轴的，轴35以慢于轴34转速的转速被驱动。这是与常规燃气涡轮机的高压和低压轴所用的结构相似的结构。

[0035] 因为电机50与压缩机46安装在相同的轴35上，可以适合时，弥补来自于涡轮机级30b的驱动功率的不足。速度传感器54连接轴35。

标题	发布/更新时间	阅读量
轴流式涡轮机-专利编号CN1253230A	2020-05-13	115
轴流式涡轮机-专利编号CN1840862A	2020-05-12	771
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轴流式涡轮机-专利编号CN1140791A	2020-05-13	903
轴流式涡轮机-专利编号CN103857879A	2020-05-11	147
轴流式涡轮机-专利编号CN101349167B	2020-05-11	924
轴流式涡轮机-专利编号CN1547642A	2020-05-12	259
轴流式涡轮机-专利编号CN101349167A	2020-05-11	1019

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