本发明属于飞机发电系统领域；具体涉及一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池-燃气轮机联合发电系统。
背景技术：
随着飞机滞空时间的增长，飞机能量需求成为制约飞机发展的一个瓶颈。如何在保证机体紧凑的情况下提高飞机燃料利用效率成为研究的热点。燃料电池因为其环保和燃料利用效率高的优势被各国重视。经过多年发展，燃气轮机技术已经相对成熟，且各种污染物的排放较低。人们发现高温燃料电池有大量余热被浪费，高品位的废热使得它可以和燃气轮机组成混合装置系统，从而大幅度地提高装置整体效率，燃料电池-燃气轮机技术被广泛的发展。
同时，针对氢燃料能量密度低，低温贮存困难，储氢容器和大质量换热器带来的质量惩罚使得动力系统推重比处于较低水平。相比之下，碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高发电循环系统推重比。
通过考察，发现碳氢燃料外重整燃料电池—燃气轮机联合发电系统可以很好地在飞机上利用。布置合理的发电系统不仅结构紧凑，不占用太多的机载空间，还可以高品位地提供大量电能，为飞机提供了充足的能量保障。
不仅如此，现在已经有燃料电池飞机，证明了燃料电池在飞机上可用，进一步为飞机使用碳氢燃料外重整燃料电池—燃气轮机联合发电系统提供了支持。
飞机电源系统的主要功能是产生或存储机载用电设备所需的电能，以保证飞机上各种用电设备工作时电能的供应。飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及外部(地面)电源供电插座等电源与设备组成。主机主电源是飞机正常工作状态时，为各种机载用电设备提供电能的系统，一般都是由航空发动机直接或间接传动的发电系统，通常由一台发动机传动一台或两台发电机。多发动机飞机，各发动机传动的发电机台数相同。由多发电机构成的飞机主电源，其工作可靠性较高。
飞机在机场进行地面检查或航空发动机不工作时，飞机主电源不工作，需要工作的机载用电设备则由辅助电源或外部(机场地面)电源通过外部电源插座来提供电能。辅助电源有航空蓄电池和辅助动力装置两种类型。小型飞机大多采用航空蓄电池，大型飞机采用辅助动力装置的居多。辅助动力装置由小型机载发动机、发电机、液压泵或空气压缩机等设备组成。工作时，启动小型机载发动机，使发电机发电或使液压泵提供增压油，给用电设备、液压气压设备供电、供油。小型机载发动机通常由电动机启动。辅助动力装置一般在地面工作，但也有在空中工作的情况。
飞机航空发动机起动阶段，机载用电设备所需的电能由外部(机场地面)电源提供。外部电源和机上主电源不允许同时投入飞机电网。应急电源是当飞机飞行中主电源发生故障时，为机载用电设备提供电能的供电电源。常用的应急电源有航空蓄电池和冲压空气涡轮发电机。冲压空气涡轮发电机不工作时，收放于飞机机体或机翼内；工作时，则打开放出，靠迎面气流吹动涡轮，带动发电机或应急液压泵。应急电源容量较小，仅能保证提供飞机紧急返回基地或紧急着陆时重要机载用电设备工作所需的电能。二次电源是将飞机主电源的电能转变为另一种或多种形式电能的装置，以满足机载用电设备对电能形式的不同需求。二次电源有集中供电和分散供电两种供电方式。集中供电的二次电源，其一台或两台二次电源给机上全部或一部分需要相同形式电能的用电设备供电，其中一台为主二次电源，另一台为备份二次电源。分散供电的二次电源，则是每个用电设备自己配备所需二次电源，有时，此二次电源设置于设备内部，称为设备内部电源或机内电源。有的飞机还配备备份电源，以增加电源余度。
对于现有飞机电源系统，供电系统庞杂，飞机空间有限，过于复杂的系统占用飞机空间较大，工作效率较低，并且携带蓄电池作为辅助能源，能量利用率低，且不得不考虑蓄电池使用寿命，费用及污染问题。
技术实现要素：
本发明要解决现有技术存在庞杂、低效、污染物排放的技术问题；提供了一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统。本发明中结合燃料电池与燃气轮机的优点，二者温度匹配，充分利用余热，能量转换效率高，对环境的污染小，噪音低。拥有很广阔的应用前景。本发明采用碳氢燃料作为飞机用的电力能源，碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高动力循环系统推重比，同时将碳氢燃料重整产生氢，生成物只有水，对环境污染小，还增加机体结构的紧凑性，提高了系统的效率。燃烧燃料电池未反应掉的碳氢燃料燃烧后为涡轮提供高温高压工质，一部分用于发电，一部分用于带动压气机。高温尾气循环利用，先对空气进行加热，再对液态碳氢燃料进行加热气化，循环利用能量，增加了整体系统的能量利用效率，做到能量损失最小化，还将尾气温度降低，减少热污染。本发明的整体通过碳氢燃料电池与燃气轮机的混合动力，效率高，可靠性强，同时降低了飞机用燃料所占机体的比例。使用碳氢燃料电池与燃气轮机组合的方式，为飞机用提供能源，同时多余热量循环利用，缓解了相比于氢燃料动力系统效率下降的问题。碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热质量惩罚小，可显著提高动力循环系统推重比。本发明同时还减少碳排放以及热污染。
本发明中一种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池燃气轮机联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池4、燃烧室5、逆变器15、发电机14、涡轮6、压气机7、空气预热器9、冷凝器10，还包括重整器3，碳氢燃料罐1的出口与重整器3的进口通过泵2(或者风机)连通，重整器3的出口与固体氧化物燃料电池4阳极的进口连通，空气预热器9的空气出口与固体氧化物燃料电池4阴极的空气进口连通，固体氧化物燃料电池4的阳极出口与阴极的出口分别与燃烧室5上的进口连通；燃烧室5的出口与涡轮6的进口连通，涡轮6的尾气出口与重整器3的尾气进口，重整器3的尾气出口与蒸汽过热发生器8的尾气进口连通，蒸汽过热发生器8的尾气出口与空气预热器9的尾气进口连通，涡轮6的输出功一部分传给与涡轮6同轴连接的压气机7，剩余的部分驱动与涡轮6同轴连接的发电机14发电，压气机7的压缩空气出口与空气预热器9的空气进口连通，压气机6的空气进口与舱内空气(即飞机内部空气)相通，固体氧化物燃料电池4对外输出直流电，发电机14对外输出交流电，经过逆变器15转换为交流电输出；蒸汽过热发生器8的水蒸气出口与重整器3的水蒸气进口连通。
所述发电系统还包括冷凝器10和气液分离器11、水箱12和水泵13，空气预热器9的输出端与冷凝器10的高温侧的输入端连接，冷凝器10的高温侧的输出端与气液分离器11的输入端连接；冷凝器10的低温侧输入端连接与外界空气(舱外空气，即大气)连通，另外一侧的低温侧输出端与大气连通；气液分离器11的出液口与水箱12的进液口连通，水箱12的出液口与蒸汽过热发生器8的进液口通过水泵13连通。
碳氢燃料罐1装有碳氢燃料(如甲烷、航空煤油)。
逆变器15与用电设备通过导线连接。
本发明中燃料电池发电效率高，尾气出口温度高。燃气轮机要求进口温度高，进而可提高燃料电池尾气温度来供燃气轮机使用。合理利用了燃料电池尾气的余热，使得燃料电池与燃气轮机优势互补。
本发明中采用了工作温度为高温的固体氧化物燃料电池。其工作温度高，且不用考虑二氧化碳循环和泄露问题，更可靠。
发明中采用碳氢燃料(如甲烷)作为飞机用的电力能源。碳氢燃料体积能量密度大，储存和换热器质量惩罚小，可显著提高电力循环系统推重比，作为超长航时高空飞机用电力循环系统更具有竞争力。
本发明燃料电池的高温尾气热量被燃气轮机的涡轮利用，相当于对涡轮进口气体进行了预热，通过涡轮做功发电，涡轮带动发电机产生的交流电与燃料电池产生的直流电并网后作为飞机用的电力。
本发明充分利用涡轮输出尾气的余热加热水和空气，保证了重整时所需水蒸气的温度和燃料电池所需的空气温度，同时加热碳氢燃料，使之变为气态好被碳氢燃料电池所利用。
本发明增加了水循环旁路，使得整个电力系统的余热、回热等能量交换变得更复杂，同时使得整个电力系统的结构更为紧凑。
本发明碳氢重整部分与燃料电池分开，不仅降低了固体氧化物燃料电池的热应力，而且降低了固体氧化物燃料电池阳极结焦和硫中毒的可能性。重整器中的重整反应所需能量来源于燃气涡轮的尾气，充分利用了尾气的余热，提高了飞机燃料的利用效率，达到了降低成本和节能减排的目的。
本发明碳氢燃料电池产生直流电和涡轮带动同轴发电机产生的交流电共同经过变电装置，经过变电装置转换后为飞机上的用电设备提供电力。
本发明主要应用于全电飞机用，采用碳氢燃料电池产生的直流电和电动机产生的交流电进行驱动，所以在控制、测试、容错方面具有先天优势，同时其分布式的构局使飞机用抗战损能力和重构能力得到了很大提高。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
结合图1进行说明，本实施方式提供的种飞机用碳氢燃料外重整燃料电池-燃气轮机联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池4、燃烧室5、逆变器15、发电机14、涡轮6、压气机7、空气预热器9、冷凝器10，还包括重整器3，碳氢燃料罐1的出口与重整器3的进口通过泵2(或者风机)连通，重整器3的出口与固体氧化物燃料电池4阳极的进口连通，空气预热器9的空气出口与固体氧化物燃料电池4阴极的空气进口连通，固体氧化物燃料电池4的阳极出口与阴极的出口分别与燃烧室5上的进口连通；燃烧室5的出口与涡轮6的进口连通，涡轮6的尾气出口与重整器3的尾气进口连通，重整器3的尾气出口与蒸汽过热发生器8的进口连通，蒸汽过热发生器8的尾气出口与空气预热器9的尾气进口连通，涡轮6的输出功一部分传给与涡轮6同轴连接的压气机7，剩余的部分驱动与涡轮6同轴连接的发电机14发电，压气机7的压缩空气出口与空气预热器9的空气进口连通，压气机6的空气进口与舱内空气(即飞机内部空气)相通，固体氧化物燃料电池4对外输出直流电，发电机14对外输出交流电，经过逆变器15转换为交流电输出；蒸汽过热发生器8的水蒸气出口与重整器3的水蒸气进口连通。
所述发电系统还包括冷凝器10和气液分离器11、水箱12和水泵13，空气预热器9的输出端与冷凝器10的高温侧的输入端连接，冷凝器10的高温侧的输出端与气液分离器11的输入端连接；冷凝器10的低温侧输入端连接与外界空气连通，另外一侧的低温侧输出端与大气连通；气液分离器11的出液口与水箱12的进液口连通，水箱12的出液口与蒸汽过热发生器8的进液口通过水泵13连通。
碳氢燃料罐1装有碳氢燃料(如甲烷、航空煤油)。
逆变器15与用电设备通过导线连接。
泵2将碳氢燃料罐1中的碳氢燃料吹入重整器3，涡轮6和压气机7设置同轴，压气机7将空气压入碳氢燃料电池组4涡轮6与发电机14转子同轴，每一个碳氢燃料电池组4包含空气入口与燃料入口以及废弃出气端并于内部把碳氢化合物燃料重整为燃料气体，碳氢燃料电池组4的出气端与燃烧室5相连。
涡轮5与发电机14相连，发电机采用交流发电机，发出交流电，碳氢燃料电池组4与发电机14输出端并网后为飞机用系统提供电力，冷凝器10采集涡轮输出尾气中的水蒸气通过气液分离器11为水箱12注入水，再通过水泵13泵经过蒸汽过热发生器8水为碳氢燃料重整提供水，通过空气预热器9为注入燃料电池的空气加热。燃气轮机采用进口温度高的设计，进而合理利用了燃料电池尾气的余热，使得涡轮6转速提高，发电机14发电效率提高。如此设计，电力循环系统效率高、可靠性强，同时可以通过涡轮6获得更多能量，提高涡轮6输出功率，进而提高压气机的增压能力。与氢燃料电池相比，提高了效率。本实施方案能够更好地满足长航时的飞机用的需求，同时还保证了机体的紧凑性。
使用碳氢作为发电的燃料，通过重整制氢，供燃料电池使用，碳氢重整部分与燃料电池分开，不仅降低了固体氧化物燃料电池的热应力，而且降低了固体氧化物燃料电池阳极结焦和硫中毒的可能性。重整器中的重整反应所需能量来源于燃气涡轮的尾气，充分利用了尾气的余热，提高了飞机燃料的利用效率，达到了降低成本和节能减排的目的。由于蒸汽重整需要热能，水循环系统也需要能量的分配，通过蒸汽过热发生器8和空气预热器9为水循环系统提供热能。为了防止燃料电池气体泄漏，在设计燃料电池时需要注意增加泄露防护组件。
燃料电池发出的直流电与发电机发出的交流电并网后，为用电设备提供电能，同时为飞机用上其他电子设备提供电能。