一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统

摘要

一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，属于飞艇动力技术领域。本发明解决现有高空飞艇长航时飞行动力需求不足的问题。本发明包括氢气发生单元、空气输入单元、太阳能电池、发电单元和储电单元，氢气发生单元的气体输出端和空气输入单元的气体输出端分别与发电单元的气体输入端连接；太阳能电池的电力输出端分别与储电单元的电力输入端和飞艇的电力输入端连接；储电单元为氢气发生单元和空气输入单元提供电能；发电单元的电力输出端分别与储电单元和飞艇的电力输入端连接。本发明将环境能源与自备储存能源综合起来，具有效率高、排放低等特点；并且该系统结合太阳能发电，具有更加清洁，减少多余的热排放和碳排放的优点。

权利要求

1.一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，其特征在于：包括氢气发生单元、空气输入单元、太阳能电池(13)、发电单元和储电单元，氢气发生单元的气体输出端和空气输入单元的气体输出端分别与发电单元的气体输入端连接；太阳能电池的电力输出端分别与储电单元的电力输入端和飞艇的电力输入端连接；储电单元为氢气发生单元和空气输入单元提供电能；发电单元的电力输出端分别与储电单元和飞艇的电力输入端连接；发电单元为燃料电池(9)，燃料电池(9)包括壳体(17)、第一隔板(14)、第二隔板(16)和单体电池(15)；第一隔板(14)将壳体(17)分成非密闭空气室(C)和反应区，第二隔板(16)将反应区分隔成电化学反应室和内部燃烧室(D)，并且第二隔板(16)具有燃料通道，所述的单体电池(15)通过第一隔板(14)和第二隔板(16)均匀固定在电化学反应区内，单体电池(15)的外部为燃料电池(9)的阳极，单体电池(15)内部为燃料电池(9)的阴极，单体电池之间相互组成阳极通道(A)，单体电池(15)的内部构成阴极通道(B)；

所述的氢气发生单元包括燃料罐(1)、水箱(2)、燃料泵(3)、水泵(4)、燃料电加热器(5)、水电加热器(6)和重整器(8)，水泵(4)的进水管与水箱(2)连通，水泵(4)的出水管与水电加热器(6)连通，水电加热器(6)与重整器(8)连通，水泵(4)将水箱中的水输送至水电加热器(6)中加热为水蒸汽，并在水泵(4)的驱动下，水蒸汽输送至重整器(8)中；燃料泵(3)的进油管与燃料罐(1)连通，燃料泵(3)的出油管与燃料电加热器(5)连通，燃料电加热器(5)与重整器(8)连通，燃料泵(3)将燃料罐(1)中的航空煤油输送至燃料电加热器(5)中加热，加热后的航空煤油在燃料泵(3)的驱动下输送至重整器(8)中；加热后的航空煤油和水蒸气在重整器(8)中发生重整制氢反应产生氢气；

所述的重整器(8)的输出端与燃料电池(9)的阳极连通，重整器(8)中产生的氢气通入到燃料电池(9)的阳极内；

所述的空气输入单元包括压气机(10)和空气电加热器(7)，空气电加热器(7)的输入端与压气机(10)连通，空气电加热器(7)的输出端与燃料电池(9)阴极连通，空气通过压气机(10)压缩成为高压空气，高压空气经和空气电加热器(7)加热后成为高温高压空气，高温高压空气通入到燃料电池(9)的阴极内；

所述的内部燃烧室(D)排出的高温高压尾气通入至涡轮(11)中，驱动涡轮(11)做功，带动压气机(10)工作；

所述的壳体(17)为圆柱体，在壳体(17)的周边均匀设置有氢气入口。

2.根据权利要求1所述的一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，其特征在于：所述的单体电池(15)为管式固体氧化物燃料电池。

3.根据权利要求1所述的一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，其特征在于：所述的太阳能电池(13)为多晶体薄膜太阳能电池，太阳能电池(13)贴附在飞艇气囊表面。

4.根据权利要求1所述的一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，其特征在于：所述的储电单元为蓄电池(12)。

说明书

一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，属于飞艇动力技术领域。

背景技术

[0002] 高空飞艇的飞行高度一般为10km～30km。在这个高度上，飞行器对地面实施侦察、监视、预警、通信等任务是非常合适的。同时，飞艇具有长航时、长留空时间等特点，留空时
间在数月以上，甚至可达1年之久。因此，发展飞艇技术无论是对军事领域还是对民用领域
都有着重要意义。

[0003] 高空飞艇的能源来源有三种方式：(1)自备储存能源；(2)环境能源；(3)自备储存能源与环境能源组合能源。自备储存能源可以是燃油、核能或者氢气。使用燃油具有取材方
便、价格低廉等优点，但是能量密度有限，难以支持长时间运转。使用核能能量密度非常大，
但是存在放射性危险。使用氢气具有清洁、绿色等优点，但是有限的氢气依然难以维持飞艇
很长的留空时间。环境能源可以是太阳能。太阳能是很好的清洁能源，不仅没有化学排放，
而且没有多余的热排放，更没有碳排放。同时，使用太阳能具有取之不竭的优点，适合飞艇
长时间工作。但是太阳能非常分散，主要在8:00到18:00之间的10h内才能获取，所获得的能
量在满足这10h期间飞艇飞行推进需求后，难以维持其余14h飞行所需要的能量。自备储存
能源与环境能源组合能源成为飞艇实际飞行推进的能源选择，提高了能源系统的可靠性与
应急能力。在其中之一出现故障时，剩余的另一套能源系统可以降低载荷、降低时间运行，
或者为飞艇的紧急迫降提供条件。结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统充分
将环境能源与自备储存能源综合起来，具有效率高、排放低等特点，能够满足飞艇长航时飞
行的需求。

[0004] 固体氧化物燃料电池SOFC工作具有效率高、功率密度大、结构简单、燃料适应性广等多方面优点。传统SOFC通常由两个气室将燃料与氧化剂气体分隔开来，可以在阴阳极之
间保持较高的化学势梯度，以实现较高的发电效率及燃料利用率，但是传统SOFC存在阴阳
极气流不均匀的缺点，可能导致电池工作温度不均匀，使得电池在工作过程中存在热应力，
容易导致电池性能加速衰减。而且传统SOFC一般在出口处要另外接一个燃烧室，利用未被
电化学利用的燃料。这样就加重了整个系统的质量，这对飞艇动力系统来说是非常不利的。
因此，结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统提出一种均匀流内燃烧室固体氧
化物燃料电池，可以很好地解决传统SOFC存在的问题。

发明内容

[0005] 本发明为了解决现有高空飞艇长航时飞行动力需求不足的问题，提供了一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，将环境能源与自备储存能源综合起来，具
有效率高、排放低等特点，能够非常好地满足飞艇长航时飞行的动力需求。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，包括氢气发生单元、空气输入单元、太阳能电池、发电单元和储电单元，氢气发生单元的气体输出端和空气输入单
元的气体输出端分别与发电单元的气体输入端连接；太阳能电池的电力输出端分别与储电
单元的电力输入端和飞艇的电力输入端连接；储电单元为氢气发生单元和空气输入单元提
供电能；发电单元的电力输出端分别与储电单元和飞艇的电力输入端连接；发电单元为燃
料电池，燃料电池包括壳体、第一隔板、第二隔板和单体电池；第一隔板将壳体分成非密闭
空气室和反应区，第二隔板将反应区分隔成电化学反应室和内部燃烧室，并且第二隔板具
有燃料通道，所述的单体电池通过第一隔板和第二隔板均匀固定在电化学反应区内，单体
电池的外部为燃料电池的阳极，单体电池内部为燃料电池的阴极，单体电池之间相互组成
阳极通道，单体电池的内部构成阴极通道。

[0008] 优选的：所述的单体电池为管式固体氧化物燃料电池，包括阳极材料、阴极材料和固体氧化物电解质，其中阳极材料位于固体氧化物电解质的外侧，阴极材料位于固体氧化
物电解质的内侧。

[0009] 优选的：所述的氢气发生单元包括燃料罐、水箱、燃料泵、水泵、燃料电加热器、水电加热器和重整器，水泵的进水管与水箱连通，水泵的出水管与水电加热器连通，水电加热
器与重整器连通，水泵将水箱中的水输送至水电加热器中加热为水蒸汽，并在水泵的驱动
下，水蒸汽输送至重整器中；燃料泵的进油管与燃料罐连通，燃料泵的出油管与燃料电加热
器连通，燃料电加热器与重整器连通，燃料泵将燃料罐中的航空煤油输送至燃料电加热器
中加热，加热后的燃烧油在燃料泵的驱动下输送至重整器中；加热后的燃烧油和水蒸气在
重整器中发生重整制氢反应产生氢气。

[0010] 优选的：所述的重整器的输出端与燃料电池的阳极连通，重整器中产生的氢气通入到燃料电池的阳极内。

[0011] 优选的：所述的空气输入单元包括压气机和空气电加热器，空气电加热器的输入端与压气机连通，空气电加热器的输出端与燃料电池阴极连通，空气通过压气机压缩成为
高压空气，高压空气经和空气电加热器加热后成为高温高压空气，高温高压空气通入到燃
料电池的阴极内。

[0012] 优选的：所述的太阳能电池为多晶体薄膜太阳能电池，太阳能电池贴附在飞艇气囊表面。

[0013] 优选的：所述的储电单元为蓄电池。

[0014] 优选的：所述的内部燃烧室排出的高温高压尾气通入至涡轮中，驱动涡轮做功，该机械功带动压气机工作。

[0015] 本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，该系统将环境能源与自备储存能源综合起来，具有效率高、排放低等特点，
能够非常好地满足飞艇长航时飞行的动力需求；并且该系统结合太阳能发电，使得飞艇动
力系统更加清洁，减少化学排放、多余的热排放和碳排放，太阳能取之不竭，增长飞艇留空
时间；本发明设计一种新型管式均匀流内燃烧室固体氧化物燃料电池，使电池阴阳极气流
更加均匀，电池工作温度更加均匀，消除电池热应力，提高电池性能，并且该燃料电池将燃
烧室置于燃料电池内部，减轻了混合动力系统的质量，使得混合动力系统更好地适用于飞
艇。

附图说明

[0016] 图1是结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统结构示意图；

[0017] 图2是燃料电池结构示意图；

[0018] 图3是图2的A‑A处的剖视图

[0019] 图中1‑燃料罐，2‑水箱，3‑燃料泵，4‑水泵，5‑燃料电加热器，6‑水电加热器，7‑空气电加热器，8‑重整器，9‑燃料电池，10‑压气机，11‑涡轮，12‑蓄电池，13‑太阳能电池，14‑
第一隔板，15‑单体电池，16‑第二隔板，17‑壳体，A‑阳极通道，B‑阴极通道，C‑非密闭空气
室，D‑内部燃烧室。

具体实施方式

[0020] 结合附图1至图3说明本发明具体实施方式：本发明一种结合太阳能发电的燃料电池燃气轮机混合动力系统，包括氢气发生单元、空气输入单元、太阳能电池13、发电单元和
储电单元，氢气发生单元的气体输出端和空气输入单元的气体输出端分别与发电单元的气
体输入端连接；太阳能电池的电力输出端与储电单元的电力输入端连接；储电单元为氢气
发生单元和空气输入单元提供电能；发电单元的电力输出端与储电单元连接；发电单元为
燃料电池9，燃料电池9包括壳体、第一隔板14、第二隔板16和单体电池15；第一隔板14将壳
体分成非密闭空气室C和反应区，第二隔板16将反应区分隔成电化学反应室和内部燃烧室
D，所述的单体电池15通过第一隔板14和第二隔板16均匀固定在电化学反应区内，单体电池
15的外部为燃料电池9的阳极，单体电池15内部为燃料电池9的阴极，单体电池之间相互组
成阳极通道A，单体电池15的内部构成阴极通道B。如此设置，太阳能电池将太阳能转化为电
能首先用来推进飞艇行驶，剩余的存储在储电单元中，储电单元为燃料电加热器5、水电加
热器6和空气电加热器7提供电能，氢气发生单元产生的氢气和空气输入单元产生的高温高
压空气在燃料电池9中发生电化学反应产生电能，燃料电池9产生的电能首先用来推进飞艇
行驶，剩余的存储在储电单元中，同时燃料电池9产生的高温高压尾气通入至涡轮11做功，
部分机械功用于推进飞艇行驶，另一部分机械功带动压气机10工作。

[0021] 所述的单体电池15为管式固体氧化物燃料电池，包括阳极材料、阴极材料和固体氧化物电解质，其中阳极材料位于固体氧化物电解质的外侧，阴极材料位于固体氧化物电
解质的内侧。如此设置，本发明提供一种新型管式均匀流内燃烧室固体氧化物燃料电池，使
电池阴阳极气流更加均匀，电池工作温度更加均匀。

[0022] 所述的氢气发生单元包括燃料罐1、水箱2、燃料泵3、水泵4、燃料电加热器5、水电加热器6和重整器8，水泵4的进水管与水箱2连通，水泵4的出水管与水电加热器6连通，水电
加热器6与重整器8连通，水泵4将水箱中的水输送至水电加热器6中加热为水蒸汽，并在水
泵4的驱动下，水蒸汽输送至重整器8中；燃料泵3的进油管与燃烧罐1连通，燃料泵3的出油
管与燃料电加热器5连通，燃料电加热器5与重整器8连通，燃料泵3将燃烧罐1中的航空煤油
输送至燃料电加热器5中加热，加热后的航空煤油在燃料泵3的驱动下输送至重整器8中；加
热后的航空煤油和水蒸气在重整器8中发生重整制氢反应产生氢气。如此设置，利用储电单
元内的电能驱动燃料电加热器5和水电加热器6分别对燃料和水进行加热，被加热的燃料和
水在重整器8中发生重整制氢反应产生氢气。

[0023] 所述的重整器8的输出端与燃料电池9的阳极连通，重整器8中产生的氢气通入到燃料电池9的阳极内。

[0024] 所述的空气输入单元包括压气机10和空气电加热器7，空气电加热器7的输入端与压气机10连通，空气电加热器7的输出端与燃料电池9阴极连通，空气通过压气机10压缩成
为高压空气，高压空气经和空气电加热器7加热后成为高温高压空气，高温高压空气通入到
燃料电池9的阴极内。如此设置，利用储电单元内的电能驱动空气电加热器7对来自压气机
10的高压空气进行加热得到高温高压空气，高温高压空气通入到燃料电池9的阴极内，由于
第一隔板14的阻隔，高温高压空气只能进入单体电池15的内部，在燃料电池9中，氢气和空
气中的氧气在电化学反应区发生电化学反应产生电能，并且由于第二隔板16具有燃料通
道，因此在电化学反应区未完全反应掉的氢气将在内部燃烧室中和剩余氧气发生燃烧反
应，最后通过尾气出口排出，尾气出口排出的高温高压尾气通入至涡轮11做功，部分机械功
用于推进飞艇行驶，另一部分机械功带动压气机10工作。

[0025] 所述的太阳能电池13为多晶体薄膜太阳能电池。如此设置，太阳能电池13贴附在飞艇气囊表面。

[0026] 所述的内部燃烧室D排出的高温高压尾气通入至涡轮11中，驱动涡轮11做功，带动压气机10工作。

[0027] 在白天时，飞艇留空如果不需要太多的动力，只需太阳能电池13工作，就可保证飞艇的电力供应；如果飞艇需要足够的动力飞行，则太阳能电池，储电单元、氢气发生单元、空
气输入单元和发电单元全部处于工作状态；在夜晚时，太阳能电池13不工作，飞艇优先使用
储电单元内的电能，当储电单元内的电能不足时，发电单元开始提供电能。

[0028] 本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。