一种飞机辅助能源系统及工作方法与流程

1.本发明属于清洁发电和先进氢能技术领域，具体涉及一种飞机辅助能源系统及工作方法。


背景技术：

2.随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，低碳经济和绿色环保的发展理念深入人心。研究表明，全球飞机运输业的二氧化碳排放量约占全球人类活动二氧化碳排放总量的2％。未来航空飞机的发展趋势必然是更加经济、环保的多电、全电动飞机。此外，随着飞机技术的发展，飞机的电气化和智能化水平进一步提高，致使飞机的电能负荷持续增长。传统飞机的电能负荷是由涡轮发动机带动发电机提供的，这种供电方式不仅效率低，而且会产生大量气体污染物和温室气体。
3.为了降低航空飞机的气体污染物和温室气体排放，波音、空客等航空公司已开始进行氢燃料电池在航空飞机上的应用研究。氢燃料电池具有发电效率高、无污染物、噪音小等优点，在飞机辅助能源供应领域具有广阔的应用前景。然而，氢气由于密度非常小(气态氢气密度为0.089kg/m3，液态氢气密度为71kg/m3)，对于飞机上的氢燃料电池应用来讲，最大的难点在于如何解决氢气的高效存储问题。目前，波音和空客公司提出的氢燃料电池主要是基于高压氢气储罐(35-70mpa)和液态氢气储罐来储存氢气，这种方式不仅储氢容量低，也存在一定的安全风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种飞机辅助能源系统及工作方法，该系统及工作方法能够有效解决储氢容量低的问题，同时安全性较高。
5.为达到上述目的，本发明所述的飞机辅助能源系统包括飞机能源动力子系统和铝燃料再生子系统；
6.所述铝燃料再生子系统包括氧化铝电解装置及可再生能源电力供应系统；飞机能源动力子系统的燃烧产物出口与氧化铝电解装置的物料进口相连通，氧化铝电解装置的电源接口与可再生能源电力供应系统相连接，氧化铝电解装置的固体铝燃料出口与飞机能源动力子系统。
7.所述飞机能源动力子系统包括氧化剂水供应系统、铝燃料储罐、铝-水燃烧反应器、气固分离器、气固分离器冷却受热面、燃烧产物收集罐、固体氧化物燃料电池、压缩机、飞机油箱、燃烧室及透平；
8.所述压缩机的进口与外界空气相连通，压缩机的出口分成两路，其中，一路与燃烧室的空气进口相连接，另一路与气固分离器冷却受热面的空气进口相连接，气固分离器冷却受热面的空气出口与固体氧化物燃料电池的阴极空气进口相连接，氧化剂水供应系统与铝-水燃烧反应器的燃料输送管路进口相连接，燃料输送管路上连接有铝燃料储罐，铝-水燃烧反应器的燃烧产物出口与气固分离器的物料进口相连接，气固分离器底部的固体物料
出口与燃烧产物收集罐相连接，气固分离器顶部的气体出口与固体氧化物燃料电池的阳极燃料进口相连接，固体氧化物燃料电池的阳极产物出口与燃烧室的气体燃料进口相连接，固体氧化物燃料电池的阴极产物出口与燃烧室的第二级氧化剂进口相连接；
9.所述飞机油箱的燃油出口与燃烧室的主燃料进口相连接，燃烧室的出口与透平的工质进口相连接。
10.所述飞机油箱的燃油出口经油泵与燃烧室的主燃料进口相连接。
11.可再生能源电力供应系统中的电能来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
12.所述铝燃料再生子系统在地面上的电解铝工厂中。
13.本发明所述飞机辅助能源系统的工作方法包括以下步骤：
14.当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存，获得的铝粉燃料储存在铝燃料储罐中，当飞机需要辅助能源供应时，则通过铝-水燃烧反应器将铝燃料的化学能转化为热能和氢气，热能供给飞机上的用热设备，氢气供给固体氧化物燃料电池，在固体氧化物燃料电池中氢气发生电化学反应产生电能，供给飞机上的用电设备，实现对飞机的辅助能源供应，铝-水燃烧的固体产物氧化铝通过收集回收，待飞机落地后，将收集的氧化铝固体输送到电解铝工厂，通过氧化铝电解装置电解再次得到铝燃料。
15.本发明具有以下有益效果：
16.本发明所述的飞机辅助能源系统及工作方法在具体操作时，(1)通过铝-水反应就地制氢，可有效解决氢燃料电池的氢气储存问题；(2)采用固体氧化物燃料电池发电，具有发电效率高，高温气体产物易于综合利用等优点；(3)将铝-水反应制氢、固体氧化燃料电池、燃机循环等进行有效耦合，具有系统效率高，污染物和二氧化碳排放少、噪音低等优点；(4)整个过程中铝-水燃烧反应后，其燃烧固体产物收集后通过电解再生可重新得到金属燃料铝，整个过程燃料铝循环再生、无消耗。
附图说明
17.图1为本发明的飞机能源动力子系统示意图。
18.图2为本发明的铝燃料再生子系统示意图。
19.其中，1为铝燃料储罐、2为铝-水燃烧反应器、3为气固分离器、4为气固分离器冷却受热面、5为燃烧产物收集罐、6为固体氧化物燃料电池、7为压缩机、8为飞机油箱、9为油泵、10为燃烧室、11为透平、12为氧化铝电解装置、13为可再生能源电力供应系统。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
21.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
22.本发明所述的飞机辅助能源系统包括飞机能源动力子系统和铝燃料再生子系统；
23.如图1所示，所述飞机能源动力子系统包括氧化剂水供应系统、铝燃料储罐1、铝-水燃烧反应器2、气固分离器3、气固分离器冷却受热面4、燃烧产物收集罐5、固体氧化物燃料电池6、压缩机7、飞机油箱8、油泵9、燃烧室10及透平11；所述压缩机7的进口与外界空气相连通，空气在压缩机7中进行升压，压缩机7的出口分成两路，其中，一路与燃烧室10的空气进口相连接，另一路与气固分离器冷却受热面4的空气进口相连接，气固分离器冷却受热面4的空气出口与固体氧化物燃料电池6的阴极空气进口相连接，氧化剂水供应系统与铝-水燃烧反应器2的燃料输送管路进口相连接，燃料输送管路上连接有铝燃料储罐1，铝粉-水混合物在铝-水燃烧反应器2中发生铝-水燃烧反应，燃烧反应放出的热量经热量利用装置与飞机上的用热设备相连接，包括厨房加热及飞机供热等，铝-水燃烧反应器2的燃烧产物出口与气固分离器3的物料进口相连接，气固燃烧产物在气固分离器3中经分离后，气固分离器3底部的固体物料出口与燃烧产物收集罐5相连接，气固分离器3顶部的气体出口与固体氧化物燃料电池6的阳极燃料进口相连接，在固体氧化物燃料电池6中，氢气发生电化学反应产生的电能直接供应给飞机上的用电设备，固体氧化物燃料电池6的阳极产物出口与燃烧室10的气体燃料进口相连接，固体氧化物燃料电池6的阴极产物出口与燃烧室10的第二级氧化剂进口相连接；
24.所述飞机油箱8的燃油出口与油泵9的进口相连接，油泵9的出口与燃烧室10的主燃料进口相连接，在燃烧室10中，燃料与氧化剂燃烧后产生高温高压气体，燃烧室10的出口与透平11的工质进口相连接，高温高压气体在透平11中膨胀做功后经透平11的工质出口排出外界环境；
25.如图2所示，所述铝燃料再生子系统包括氧化铝电解装置12及可再生能源电力供应系统13；所述铝燃料再生子系统在地面上的电解铝工厂中，将燃烧产物收集罐5中收集的固体氧化铝输送到电解铝工厂，燃烧产物收集罐5的出口与氧化铝电解装置12的物料进口相连通，氧化铝电解装置12的电源接口与可再生能源电力供应系统13相连接，在氧化铝电解装置12的阴极上产生铝液，通过冷凝收集后得到固体铝燃料，氧化铝电解装置12的固体铝燃料出口与铝燃料储罐1相连通，以供飞机能源动力子系统使用。
26.作为本发明的优选实施方式，所述可再生能源电力供应系统13中的电能来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
27.本发明所述的飞机辅助能源系统的工作方法包括以下步骤：
28.以铝-水燃烧反应作为固体氧化物燃料电池6的燃料氢气来源，首先，在地面上，以氧化铝为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置12对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存；获得的铝粉燃料储存在飞机上的铝燃料储罐1中，当飞机需要辅助能源供应时，通过铝-水燃烧反应器2将铝燃料的化学能转化为热能和氢气，热能供给飞机上的用热设备，氢气供
给固体氧化物燃料电池6，在固体氧化物燃料电池6中氢气发生电化学反应产生电能，供给飞机上的用电设备，实现对飞机的辅助能源供应。铝-水燃烧的固体产物氧化铝通过收集回收，待飞机落地后，将收集的氧化铝固体输送到电解铝工厂，通过氧化铝电解装置12电解再次得到铝燃料，实现循环利用，整个过程氧化铝无消耗。
29.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。