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CN115307176A - 集成燃料电池和发动机燃烧器组件 - Google Patents

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CN115307176A
CN115307176A CN202210470412.6A CN202210470412A CN115307176A CN 115307176 A CN115307176 A CN 115307176A CN 202210470412 A CN202210470412 A CN 202210470412A CN 115307176 A CN115307176 A CN 115307176A
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CN
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fuel cell
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air
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Application number
CN202210470412.6A
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English (en)
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纳伦德拉·D·乔希
亨德里克·皮耶特·雅各布斯·德·博克
王宏刚
阿尼尔·R·达格尔
理查德·L·哈特
洪承爀
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Abstract

一种发动机组件，包括燃烧器、与燃烧器集成的燃料电池堆以及流体连接到燃料电池堆的预燃烧器系统。燃料电池堆构造成将燃料和空气排气从燃料电池堆引导到燃烧器中。预燃烧器系统被构造成控制被引导到燃料电池堆中的空气流的温度。燃烧器构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。发动机组件还可包括流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器。催化部分氧化转化器被构造成产生富氢燃料流以被引导到燃料电池堆中。

Description

集成燃料电池和发动机燃烧器组件
技术领域
本公开大体上涉及诸如燃料电池的发电系统和燃气涡轮发动机。特别地，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开还涉及包括(i)用于提高集成在燃气涡轮发动机的燃烧器内的燃料电池的空气温度的预燃烧器系统和/或(ii)用于产生富氢燃料流的催化部分氧化(C-POX)转化器。
背景技术
在发动机的选择和操作中，发动机的燃料效率可能是一个重要的考虑因素。例如，飞行器中的燃气涡轮发动机的燃料效率可能是飞行器可以行进多远的重要(和限制)因素。除了燃气涡轮发动机之外，一些飞行器推进系统还可以包括燃料电池。这些燃料电池可以位于燃烧器的上游或围绕燃烧器，并且位于燃气涡轮发动机的压缩机的下游。压缩机输出的压缩空气沿着发动机的长度流动并进入燃料电池。该空气的一部分在产生电能时被燃料电池消耗。剩余的空气可以流过燃料电池或围绕燃料电池流动并进入燃烧器。然后，该空气与燃料混合并在发动机的燃烧器中燃烧。
已知的燃料电池-燃烧器组合的一个问题是需要导管来引导空气流进入燃料电池并从燃料电池流出进入燃烧器。这些导管可以增加燃料电池和发动机组合的尺寸。此外，来自压缩机的空气通常必须被加热以确保空气足够热以在燃料电池内消耗。来自压缩机的空气的这种加热可能需要包括加热元件，例如热交换器，这进一步增加了系统的重量和体积。
发明内容
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气(air exhaust)引导到燃烧器中；和(c)流体连接到燃料电池堆的预燃烧器系统，该预燃烧器系统被构造成控制被引导到燃料电池堆中的空气流的温度，其中燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与燃烧器集成的燃料电池堆，该燃料电池堆被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气引导到燃烧器中；(c)流体连接到燃料电池堆的预燃烧器系统，该预燃烧器系统被构造成控制被引导到燃料电池堆中的空气流的温度；和(d)流体连接到燃料电池堆的催化部分氧化转化器，其中催化部分氧化转化器被构造成产生富氢燃料流以被引导到燃料电池堆中，其中燃烧器被构造成将来自燃料电池堆的燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
一种方法，包括：(a)在预燃烧器系统中加热从压缩机排出的空气；(b)将由预燃烧器系统加热的空气输出到燃料电池堆的燃料电池中；(c)将燃料引导到燃料电池堆的燃料电池中；(d)使用燃料电池堆将从预燃烧器系统进入燃料电池堆的燃料电池的空气的至少一些和燃料转换成电流；(e)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气(例如，径向和/或轴向)朝向燃烧器的环形轴线引导到燃烧器中；(f)将来自燃料电池堆的燃料和空气排气在燃烧器中燃烧成一种或多种气态燃烧产物；和(g)使用一种或多种气态燃烧产物驱动涡轮发动机的涡轮。
本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
如附图中所示，从以下更具体的对各种示例性实施例的描述中，前述和其他特征和优点将变得显而易见，附图中相似的附图标记通常表示相同、功能相似和/或结构相似的元件。
图1示出了根据本公开的实施例的在燃气涡轮发动机系统中使用的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
图2示出了根据本公开的实施例的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池。
图3示出了根据本公开的实施例的沿图2中的线3-3截取的图1所示的燃烧系统与集成燃料电池的横截面视图。
图4示出了根据本公开的实施例的燃烧系统与集成燃料电池的组合。
图5示出了根据本公开的一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。
图6示出了操作集成燃料电池和燃烧器组件的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合。本公开进一步涉及包括(i)用于控制集成在燃气涡轮发动机的燃烧器内的燃料电池的空气温度的预燃烧器系统，和/或(ii)用于产生富氢燃料流的催化部分氧化转化器。例如，燃气涡轮发动机，诸如与飞机一起使用的那些，在可变高度和操作条件下操作，这导致从压缩机排出的空气具有可在200℃至700℃范围内的可变温度。然而，燃料电池技术，诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)，通常要求电池在例如600℃至800℃的温度下操作才有效并且燃料流富含氢气和一氧化碳。因此，根据本公开的实施例，可以包括预燃烧器系统以控制在所有操作条件下离开预燃烧器系统玩具(toy)的空气温度，例如，燃料电池(例如，SOFC)的操作点，包括例如600℃至800℃。
通常，固体氧化物燃料电池在发电时消耗1％到50％之间的燃料能量。传统的燃料电池将燃料电池的空气侧和燃料侧分开，并循环利用燃料，以最大限度地提高燃料循环中的燃料转化率。这需要热交换器、泵和管道系统(plumbing)的基本平衡，所有这些都可以通过本公开的集成燃烧器与燃料电池来消除。例如，根据本公开的实施例，来自固体氧化物燃料电池的未燃烧燃料和空气被直接倾倒到燃气涡轮燃烧器中并被消耗。
根据本公开的一个实施例，用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合与(i)用于产生富氢燃料流的催化部分氧化(C-POX)转化器和(ii)预燃烧器系统组合，该预燃烧器系统用于将空气温度提高到例如固体氧化物燃料电池(其设计在燃气涡轮燃烧器的内衬里和/或外衬里中)的操作点(例如，600℃到800℃)，和/或比燃料电池的操作点低至多200℃和/或高至多200℃。在操作中，通常存在于传统燃气涡轮燃烧器中的引燃器/主燃烧器用于启动燃气涡轮发动机并增加操作温度、压力和空气质量流量。一旦温度、压力和质量空气流量足够高，燃料的一部分被转移到(i)催化部分氧化(C-POX)转化器和(ii)预燃烧器系统，以提高来自压缩机的空气的一部分的温度，从而促进位于燃烧器衬里区域内的固体氧化物燃料电池的功能。在催化部分氧化转化器中产生的氢气和一氧化碳流与通过固体氧化物燃料电池中的预燃烧器系统加热的空气一起用于产生电力。来自固体氧化物燃料电池的未燃烧燃料和空气被引导到存在引燃/主火焰的燃烧器中并提供点火以消耗来自固体氧化物燃料电池的任何未燃烧的氢气和一氧化碳流出物。然后，加热的空气被引导到燃气涡轮喷嘴中用于由涡轮进行的功提取。
根据一个实施例，氢气(H2)燃料可用作具有集成燃料电池的燃烧系统的燃料源之一，与烃燃料源相反(或除烃燃料源之外)。根据该实施例，对于该氢气(H2)燃料源，可能不需要催化部分氧化(C-POX)转化器，因此，氢气(H2)燃料流可以被引导到燃料电池(例如，SOFC)中，该燃料电池被设计在燃气涡轮燃烧器的外衬里和/或内衬里中。根据一个实施例，当氢气(H2)燃料是燃料源时，可以包括热交换器、预燃烧器系统和/或催化部分氧化(C-POX)转化器，以将氢气(H2)燃料的温度控制到以下中的至少一个：(i)燃料电池(例如，SOFC)的操作点；(ii)比燃料电池(例如，SOFC)的操作点低至多200℃；以及(iii)比燃料电池(例如，SOFC)的操作点高至多200℃。
根据另一个实施例，预燃烧器系统被构造成增加来自压缩机的空气的一部分的温度，以促进位于燃烧器衬里区域内的燃料电池的功能。例如，根据一个实施例，如果燃料电池(例如，SOFC)的操作点是600℃，则预燃烧器系统被构造成将来自压缩机的空气的一部分的温度增加到400℃至800℃。根据另一个实施例，如果燃料电池(例如，SOFC)的操作点是700℃，则预燃烧器系统被构造成将来自压缩机的空气的一部分的温度增加到500℃至900℃。根据又一个实施例，如果燃料电池(例如，SOFC)的操作点是800℃，则预燃烧器系统被构造成将来自压缩机的空气的一部分的温度增加到600℃至1000℃。
本文所述的一个或多个实施例提供用于发动机系统(诸如飞行器(或其他运载器或固定发电系统)的燃气涡轮发动机)的燃料电池和燃烧器组件。组件(和本文所述的伴随方法)将燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池)和发动机的燃烧器集成在一起，从而以热效率高的方式提供电力和推进力。燃料电池堆围绕发动机的燃烧器的外部布置，使得空气径向向内流过燃料电池堆中的燃料电池，并朝向燃烧器的中心或环形轴线进入燃烧器。燃料电池堆可以直接集成到燃烧器或燃烧室的外衬里和/或内衬里中，使得不需要额外的导管或管道来流体联接燃料电池堆与燃烧器。
本文所述的燃料电池和燃烧器组件可用于产生电力以产生除了由发动机排气提供的推力之外的推力。例如，从燃气涡轮发动机中的燃料电池堆汲取电流可用于为一个或多个电动机提供动力，该一个或多个电动机将扭矩添加到燃气涡轮发动机的风扇。这提高了包括燃料电池和燃烧器的推进系统的整体燃料效率。例如，为了完成一项任务，燃料消耗有可能至少减少10％或更多。
图1示出了在燃气涡轮发动机102中使用的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例。燃气涡轮发动机102包括轴115，轴115将至少一个压缩机104机械地连接到涡轮112。至少一个压缩机104接收入口空气并且经由一级或多级旋转叶片压缩该空气。压缩空气被引导到燃料电池和燃烧器组件100中。
组件100包括环形燃烧器106，燃料电池堆108沿燃烧器106的一些或全部长度周向围绕燃烧器106。燃料电池堆108包括多个燃料电池，这些燃料电池被布置成将燃料和压缩空气从压缩机104转化为电能。燃料电池堆108可以集成到燃烧器106的外部部分，使得燃料电池堆108是燃烧器106的一部分并且位于燃烧器106的径向外侧(例如，相对于燃烧器106的环形轴线110)。发动机系统102包括中心轴线116，该中心轴线116可以与环形轴线110重合或者可以不与环形轴线110重合。
离开压缩机104的一些压缩空气在朝向燃烧器106的环形轴线110的径向向内的方向上被引导通过燃料电池堆108中的燃料电池。来自压缩机104的一些或全部剩余量的压缩空气在沿着或平行于燃烧器106的环形轴线110的一个方向或多个方向上被引导到燃烧器106中。
燃料电池堆108中的燃料电池接收来自燃料歧管的燃料和来自压缩机104的空气，并将该燃料和空气转化为电能。来自燃料电池堆108中的燃料电池的部分氧化的燃料和空气排气朝向环形轴线110径向向内流入燃烧器106中。来自燃料电池的部分消耗的燃料和空气排气、来自压缩机104的额外空气和/或来自用于引燃器/主燃烧器的一个或多个燃料喷射器(通常存在于传统燃气涡轮燃烧器中)的额外燃料在燃烧器106内燃烧。来自燃烧的燃料和空气混合物的排气然后被引导到涡轮112中，涡轮112经由轴115将该排气转化为旋转能量，该轴115可用于驱动一个或多个负载114，诸如用于推动运载器(例如飞行器)的风扇、发电机等。根据一个实施例，轴115是将负载或风扇114连接到压缩机104和涡轮112的单个轴。根据另一个实施例，轴115包括(i)将压缩机104连接到涡轮112的外轴，以及(ii)将负载或风扇114连接到涡轮112的内轴。
图2示意性地示出了燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，图1中所示的燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例。如上所述，组件100包括燃料电池堆108，该燃料电池堆108相对于燃烧器106的环形轴线110位于燃烧器106的径向外侧。燃料电池堆108包括多个燃料歧管200，这些燃料歧管200位于沿着燃烧器106的周边的不同部分处。图2所示的燃料歧管200的数量和/或布置是一个实施例并且不限制本文描述的所有实施例。
燃料歧管200是接收用于堆108中的燃料电池的燃料并将燃料分配给电池的导管。燃料歧管200可以与燃料的来源，例如一个或多个燃料罐或其他燃料容器，流体联接。燃料歧管200可以包括在将燃料输送到燃料流动通道中的位置处将燃料输送到燃料电池的孔口。在一个实施例中，燃料不是简单地从燃料歧管200通过孔口喷射到通过燃烧器106的空气流中。相反，燃料可以被引导到如例如通过引用整体并入本文的US2019/0136761A1中描述的流动通道中。如图2进一步所示，燃料歧管200可以是细长导管，其沿着平行于燃烧器106的环形轴线110或以其他方式沿着燃烧器106的环形轴线110的方向伸长。替代地，燃料歧管200可以具有另一种形状，例如环绕燃烧器106的环。
在一个实施例中，燃料歧管200可以被单独控制。例如，控制器(或控制系统)(例如，包括一个或多个处理器(例如微处理器)和/或与一个或多个处理器(例如微处理器)联接的硬件电路)可以控制阀，这些阀又控制燃料流向不同的燃料歧管200。从燃料电池堆108汲取的电流量可以在包括组件100的发动机的操作期间被控制(例如，通过控制器)。控制器可以关闭或打开阀以减少或增加(分别)流入燃料电池堆108的燃料量。可以减少流入燃料电池堆108的燃料量以减少由燃料电池堆108产生的电流，或者可以增加流入燃料电池堆108的燃料量以增加由燃料电池堆108产生的电流。可选地，不能通过歧管200输送燃料到燃料电池堆108，以防止燃料电池堆108产生任何电流。
燃料电池堆108沿着燃烧器106的长度直接邻接燃烧器106。燃料电池堆108可以形成燃烧器106的外表面或边界。这可以包括与燃烧器106一体形成的燃料电池堆108。这种布置减少或消除了包括额外管道以将燃料电池堆108与燃烧器106流体联接的需要。燃烧器106沿着朝向燃烧器106的环形轴线110定向的径向向内方向从燃料电池堆108接收未用完的燃料和空气。燃烧器106还可以接收来自压缩机104的补充燃料和空气。这种补充燃料和空气不通过或流过燃料电池堆108中的任何燃料电池，并且可以在沿着或平行于环形轴线110的方向上流入燃烧器106。燃烧器106进一步包括内部部分202，其通过例如轴(参见，例如图1的轴115)与压缩机104和/或涡轮112联接。
图3示出了沿着图2所示的线3-3的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，图1的燃料电池和燃烧器组件100)的一个实施例的横截面视图。如图所示，燃料电池堆108通过围绕环形轴线110完全环绕燃烧器106而围绕燃烧器106周向延伸。燃料电池堆108包括产生电流的多个燃料电池300。在一个实施例中，这些燃料电池300是固体氧化物燃料电池。替代地，燃料电池300可以是另一种类型的燃料电池。燃料电池300形成为环绕燃烧器106的环带(annulus)的部分或分段。
在图3中可见的燃料电池300可以是环绕燃烧器106的燃料电池300的单个环或环带，其中更多的燃料电池300轴向堆叠在一起以形成燃料电池堆108。例如，燃料电池300的多个附加环可以放置在彼此顶部上以形成沿环形轴线110伸长的燃料电池堆108。虽然在图3中的环中示出了八个燃料电池300，但是更多或更少的燃料电池300可以形成环绕燃烧器106的环。
堆108中的燃料电池300定位成接收来自压缩机104(和/或如下文进一步描述的预燃烧器系统)的排放空气302和来自燃料歧管200(和/或如下文进一步描述的催化部分氧化转化器)的燃料304。燃料电池300使用该空气302和该燃料304中的至少一些产生电流，并将部分氧化的燃料306和未使用的空气308朝向环形轴线110径向引导到燃烧器106中。燃烧器106将部分氧化的燃料306和空气308燃烧成一种或多种气态燃烧产物(例如，排气)，其被引导到下游涡轮112中并驱动下游涡轮112。
图4示出了可用于燃气涡轮发动机系统(例如，图1的燃气涡轮发动机102)的燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器系统400)的另一个实施例的立体图，其进一步描述于例如通过引用整体并入本文的US2020/0194799A1中。系统400包括外壳410，该外壳410具有燃烧出口侧面412和与燃烧出口侧面412相对的侧面416、燃料和空气入口侧面422以及与燃料和空气入口侧面422相对的侧面424，以及侧面414、415。侧面414和416在图4的立体图中不可见。外壳410的形状可以与图4所示的不同。例如，在另一个实施例中，外壳410不需要具有矩形或立方体形状。
出口侧面412包括多个燃烧出口480，燃烧气体488从这些燃烧出口480引出外壳410。如本文所述，可使用燃料电池不消耗的燃料和空气，在外壳410内的燃料电池堆中产生燃烧气体488。该燃烧气体488可用于为诸如有人驾驶或无人驾驶飞行器的运载器产生推进力或推力。
空气入口侧面422包括一个或多个燃料入口450和一个或多个空气入口460。可选地，入口450、460中的一个或多个可以位于外壳410的另一侧。燃料入口450与燃料电池的燃料源(例如一个或多个含氢气体的加压容器)和/或如下文进一步描述的催化部分氧化转化器流体联接。替代地，可以使用另一种类型或来源的燃料。空气入口460与燃料电池的空气(例如从设置有燃气涡轮发动机的压缩机排出的空气(参见例如来自图1至3的实施例的燃气涡轮发动机系统102中的压缩机104的空气302))的来源和/或如下文进一步描述的预燃烧器系统流体联接。替代地，可以提供另一个空气的来源，例如，一个或多个氧气的加压容器。入口450、460分别接收来自燃料和空气的外部来源的燃料和空气，并且分别将燃料和空气引导到燃料电池中。
在一个实施例中，空气入口侧面422和出口侧面412可以是外壳410的唯一未被密封的侧面。例如，外壳410可以被密封以防止流体(气体和/或液体)进出外壳410，但对于燃料入口450和空气入口460和燃烧出口480除外。经由入口450、460被引导到外壳410中的空气和燃料可以被外壳410内的燃料电池和/或燃烧气体488的产生完全或基本上消耗(例如，至少98％的体积或质量被消耗)。这可以允许除了燃烧气体488通过其离开外壳410的燃烧出口480之外，外壳410没有任何燃料或空气通过的其他出口。根据一个实施例，来自外壳410内的燃料电池的部分氧化的燃料和未使用的空气可以被引导到燃烧器中，使得燃烧器将部分氧化的燃料和空气燃烧成一种或多种气态燃烧产物(例如，排气)，其被引导到下游涡轮中并驱动下游涡轮(参见例如图1至3的实施例的燃气涡轮发动机系统102的燃烧器106和涡轮112)。
在一个实施例中，系统400可以由从端部或空气入口侧面422到相对的侧面424并排堆叠的一百个燃料电池形成。替代地，系统400可以包括更少或更多并排堆叠的燃料电池。根据一个实施例，系统400可以是8厘米高、2.5厘米宽和24厘米长。替代地，系统400可以比这些示例尺寸更高或更短、更宽或更窄、和/或更长或更短。
根据一个实施例，燃烧系统与集成燃料电池的组合(即，燃料电池和燃烧器系统400)可以集成到燃烧器的衬里中，从而通过外壳410沿燃烧器的一些或全部长度周向围绕燃烧器，该外壳410具有燃料电池堆或多个燃料电池。因此，根据本实施例，系统400或外壳410沿燃烧器(参见例如图1的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106)的长度直接邻接例如燃气涡轮发动机的燃烧器。外壳410可以形成燃烧器的外表面或边界。这可以包括与燃烧器一体形成的外壳410。这种布置减少或消除了包括附加管道以将外壳410与燃烧器流体联接的需要。根据另一个实施例，燃料电池堆可轴向联接到燃烧器，这意味着燃料电池堆位于燃烧器的上游，但不一定周向围绕燃烧器。
根据一个实施例，燃烧器与外壳410流体联接(参见例如图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106)。燃烧器沿着朝向燃烧器的环形轴线(参见例如图1至3的实施例的燃烧器106的环形轴线110)定向的径向向内方向从外壳410接收未用完的燃料和空气(例如，燃烧气体488)。
根据一个实施例，外壳410内的燃料电池(例如，SOFC)被定位成接收(i)来自如下文进一步描述的压缩机和/或预燃烧器系统的排放空气，和(ii)来自来源，例如下文进一步描述的催化部分氧化转化器的燃料。外壳410内的燃料电池使用这种空气和至少一些这种燃料产生电流，并将部分氧化的燃料和未使用的空气径向引导到燃烧器中。燃烧器将部分氧化的燃料和空气燃烧成一种或多种气态燃烧产物(例如，排气)，其可以被引导到下游涡轮中并驱动下游涡轮(参见例如图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102的燃烧器106和涡轮112)。
图5示出了根据本公开的一个实施例的具有燃烧系统与集成燃料电池的组合的燃气涡轮发动机。如图5所示，燃气涡轮发动机500包括发动机壳体560，其包围压缩机512、燃烧器510(例如，燃气涡轮燃烧器)以及燃料电池520和/或具有与燃烧器510集成在一起的多个燃料电池(例如，SOFC)的燃料电池堆。根据一个实施例，燃料电池520(例如，固体氧化物燃料电池)被设计到燃烧器510的外衬里和/或内衬里中。例如，根据一个实施例，燃料电池520可以集成到根据图1至3所示的实施例的燃烧器510中。替代地，根据另一个实施例，燃料电池520可以包括具有图4中所示的外壳410的系统400，然后其被集成到燃烧器510的外衬里和/或内衬里中。燃料电池520也可以以另一种方式集成到燃烧器510的外衬里和/或内衬里中。
如图5所示，发动机500进一步包括燃料源550、预燃烧器系统540和催化部分氧化(C-POX)转化器530。根据一个实施例，预燃烧器系统540和催化部分氧化(C-POX)转化器530被歧管连接在一起，以向例如燃料电池520(例如，SOFC)的微混合器提供经调节的空气和燃料。根据一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器530、预燃烧器系统540和燃料电池520和/或具有多个燃料电池(例如，SOFC)的燃料电池堆在燃气涡轮发动机500(或发动机组件)的发动机壳体560内紧密联接，使得催化部分氧化(C-POX)转换器530、预燃烧器系统540以及燃料电池520和/或燃料电池堆在发动机壳体560内彼此尽可能靠近地定位。来自燃料源550的燃料的一部分544被引导至预燃烧器系统540，用于将从压缩机512排出的空气542的温度升高到例如燃料电池520的操作点和/或比燃料电池520的操作点低至多200℃和/或高至多200℃，例如，足够高以实现燃料电池温度控制的温度(例如，～500℃至1000℃)，而来自燃料源550的燃料的另一部分534被引导至催化部分氧化(C-POX)转化器530以产生富氢燃料流。随着从压缩机512排出的空气542的温度升高到燃料电池520的操作点(例如，600℃至800℃)和/或比燃料电池520的操作点低至多200℃和/或高至多200℃时，该加热的空气545然后被引导到燃料电池520中以促进位于燃烧器510的衬里区域中的燃料电池520(例如，SOFC)的功能。并行地，从燃料源550引导到催化部分氧化转化器530中的燃料的一部分534也被发展成供给到燃料电池520中的富氢燃料流532。
根据另一个实施例，燃料源550可以包括氢气(H2)燃料，与烃燃料源相反(或除烃燃料源之外)。根据本实施例，对于该氢气(H2)燃料源，可能不需要催化部分氧化(C-POX)转化器，因此，氢气(H2)燃料流(例如，燃料流580)可以被直接送入设计在燃烧器510的外衬里和/或内衬里中的燃料电池520(例如，SOFC)中。根据一个实施例，当氢气(H2)燃料是燃料源550时，可以包括热交换器(未示出)、预燃烧器系统(例如，预燃烧器系统540)和/或催化部分氧化(C-POX)转化器(例如，催化部分氧化(C-POX)转化器530)，以将氢气(H2)燃料的温度控制到以下中的至少一个：(i)燃料电池520(例如，SOFC)的操作点；(ii)比燃料电池520(例如，SOFC)的操作点低至多200℃；以及(iii)比燃料电池520(例如，SOFC)的操作点高至多200℃。
如图5进一步所示，燃烧器510还包括引燃器/主燃烧器515。在操作期间，引燃器/主燃烧器515用于启动发动机500并增加工作温度、压力和空气质量流量。一旦发动机500的温度、压力和空气质量流量足够高，燃料的一部分534从燃料源550到催化部分氧化转化器530，而燃料的另一部分544从燃料源550转移到预燃烧器系统540，以将从压缩机512排出的空气542的一部分的温度增加到例如燃料电池520的操作点(例如，600℃至800℃)和/或比燃料电池520的操作点低至多200℃和/或高至多200℃，以促进位于燃烧器510的衬里区域中的燃料电池520(例如，SOFC)的功能，如上所述。在催化部分氧化转化器530中产生的富氢燃料流532(即，氢和一氧化碳流)与由预燃烧器系统540加热的空气545一起在燃料电池520中使用以产生电力。来自燃料电池520的未燃烧的燃料和空气522被引导到燃烧器510中，在该燃烧器510中存在来自引燃器/主燃烧器515的引燃/主火焰并且提供点火以消耗来自燃料电池520的任何未燃烧的氢气和一氧化碳流出物518。根据一个实施例，来自燃料电池520(例如，SOFC)的排出的燃料和空气流522在类似微混合器燃烧器的燃烧器510中被消耗。加热的空气(例如，排气)然后被引导到燃气涡轮喷嘴516中，用于由涡轮(例如，参见图1至3的实施例的燃气涡轮发动机102的涡轮112)进行的功提取。根据另一个实施例，一个或多个引燃/主燃料喷嘴(例如，引燃器/主燃烧器515)和/或具有混合器和/或旋流器的喷射器被包括在燃烧器510内，其可以帮助至少部分地混合空气和燃料以促进燃料和空气的燃烧，主/引燃火焰被构造为将从燃料电池堆引导到燃烧器中的燃料燃烧成一种或多种气态燃烧产物。
根据本公开的一个实施例，通过沿用于燃气涡轮发动机500(例如，飞行器发动机)的燃烧器510的燃烧器衬里并入或集成燃料电池520(例如，SOFC)，其中压缩机512连接到燃烧器510的上游并且涡轮(未示出)连接到燃烧器510的下游，空气和燃料都可以在单程中被引导到燃料电池520(SOFC)，这意味着不回收来自燃料电池排气的未燃烧的燃料或空气到燃料电池520的入口。因此，在这种构造中不需要单独的空气供应或任何相关的控制装置。然而，由于用于燃料电池520(例如，SOFC)的入口空气仅来自上游发动机压缩机512而没有任何其他单独控制的空气源，从压缩机512排出的用于燃料电池520的入口空气经受在不同飞行阶段发生的空气温度变化。例如，飞行器发动机压缩机内的空气在怠速期间可能在200℃下工作，在起飞期间在600℃下工作，在巡航期间在450℃下工作，等等。被引导到燃料电池的入口空气的这种类型的温度变化可能导致燃料电池(例如，SOFC)的陶瓷材料出现严重的热瞬态问题(甚至热冲击)，其范围可能从开裂到失效。因此，根据本公开的实施例，通过将预燃烧器系统540流体连接到(i)发动机压缩机512(在预燃烧器系统540的上游侧)和(ii)燃料电池520(例如,SOFC)(在预燃烧器系统540的下游侧),预燃烧器系统540用作控制装置或系统以将被引导到燃料电池520中的空气545保持在所需温度范围(例如，700℃至800℃±200℃)。此外，通过将预燃烧器系统540与催化部分氧化(C-POX)转化器530集成在一起，可以实现更好的热管理和更快的启动。这进一步提高了系统的可操作性。
在一个实施例中，燃料(例如，燃料部分534、544)从燃料源550的转移可以被单独控制，以更好地管理被引导到燃料电池520中的空气流545的温度。例如，控制器(或控制系统)(例如，包括一个或多个处理器(例如微处理器)和/或与一个或多个处理器(例如微处理器)联接的硬件电路)可以控制阀，这些阀又控制流到预燃烧器系统540和/或催化部分氧化转化器530的燃料流量。从压缩机512排出的空气542的温度可以通过经由控制器控制流到预燃烧器系统540的燃料流量来控制。例如，控制器可以关闭或打开阀以减少或增加(分别)流入预燃烧器系统540的燃料量。可以减少流入预燃烧器系统540的燃料量，从而降低从压缩机512排出并被引导到预燃烧器系统540的空气542的温度，或者可以增加流入预燃烧器系统540的燃料量，从而增加从压缩机512排出并被引导到预燃烧器系统540中的空气542的温度。可选地，没有燃料可以经由燃料源550输送到预燃烧器系统540以防止预燃烧器系统540增加和/或降低从压缩机512排出并被引导到预燃烧器系统540中的空气542的温度。
图6示出了操作集成燃料电池和燃烧器组件的方法600的一个实施例的流程图。方法600可以描述在使用本文所述的集成燃料电池和燃烧器组件产生推力和电流时(参见例如图1、4和5)执行的操作。在步骤602，从发动机的压缩机排放的空气通过预燃烧器系统被加热到例如燃料电池的操作点(例如，600℃至800℃)和/或比燃料电池的操作点低至多200℃和/或高至多200℃。在步骤604，加热或预热的空气从预燃烧器系统输出并进入集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池堆的燃料电池中。在步骤606，燃料经由燃料源和/或催化部分氧化(C-POX)转化器被引导到集成燃料电池和燃烧器组件的燃料电池中。燃料进入燃料电池的方向(在步骤606)和空气流入燃料电池的方向(在步骤604)可以同时、同步、顺序或以与图6所示相反的顺序发生。
在步骤608，燃料电池中的空气和燃料被至少部分地转化为电能。例如，燃料电池可以串联连接以建立在燃料电池中产生的直流电。该电流可用于为例如发动机的风扇负载或其他负载供电，或用于为电池充电。在步骤610，燃料电池的流出物被径向向内引导到燃烧器中并朝向燃烧器的环形轴线。流出物可以包括未使用的空气、未燃烧的燃料和/或燃料电池的其他气态成分。在步骤612，流出物在燃烧器中(至少部分地)燃烧。来自压缩机的额外空气和/或来自燃料喷射器的燃料可以被引导到燃烧器中以帮助燃烧。燃烧器中的燃烧产生气态燃烧产物。在步骤614，发动机的涡轮由燃烧器中的气态燃烧产物驱动。例如，来自燃烧器的排气可以被引导到涡轮中以使涡轮旋转。
因此，根据本公开的原理，在燃料电池(例如，SOFC)上游但与转化液体燃料(例如，喷气A或乙醇)的催化部分氧化(C-POX)转化器并行的预燃烧器系统的布置是新颖的，使得(i)预燃烧器系统将被加热到例如燃料电池的操作点(例如，600℃至800℃)和/或比燃料电池的操作点低至多200℃和/或高至多200℃的空气供给到燃料电池的阴极和阳极侧中，和(ii)催化部分氧化(C-POX)转化器将富氢流供给到燃料电池的阴极和阳极侧，其流出物被倾倒到燃烧器中并在被引导到燃气轮喷嘴之前燃烧。
根据本公开的一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器、预燃烧器系统和燃料电池(例如，SOFC)在发动机(例如，燃气涡轮发动机)内紧密联接。
根据本公开的一个实施例，催化部分氧化(C-POX)转化器与用于燃气涡轮发动机的燃烧系统与集成燃料电池的组合一起被包括，以将液体燃料转化为气态氢/CO(一氧化碳)流。
根据本公开的一个实施例，燃料电池(例如，SOFC)与燃烧器紧密联接和/或集成，使得燃料电池的排气直接进入燃烧器。因此，根据本公开的实施例，不存在来自燃料电池的未燃烧燃料的再循环。
根据本公开的一个实施例，使用燃烧器内的引燃器/主燃烧器或燃料喷嘴连同混合器来引发和维持消耗来自燃料电池(例如，SOFC)的未燃烧燃料的火焰。根据另一个实施例，发动机燃料流被分成两股流：(i)被引导到燃烧器的引燃燃烧器的第一流和(ii)被引导到燃料电池(例如，SOFC)和/或催化部分氧化(C-POX)转化器的第二流。
根据本公开的一个实施例，包括控制系统以在所有操作条件下将预燃烧器系统的空气的出口温度保持在500℃至1000℃。
根据本公开的原理，将燃料电池(例如，SOFC)的空气温度维持到例如燃料电池的操作点(例如，600℃至800℃)和/或比燃料电池堆的操作点低至多200℃和/或比燃料电池堆的操作点高至多200℃的第一个挑战，可以通过包括消耗少量的燃料就能够控制到达燃料电池的空气的空气温度的燃烧系统(例如，预燃烧器系统)来解决。
根据本公开的原理，产生氢气和一氧化碳的混合物以使燃料电池能够起作用的第二个挑战，可以通过包括将燃料乙醇与空气转化成含有氢气、一氧化碳和氮气的气流的催化部分氧化(C-POX)转化器来解决。
根据本公开的原理，管理被喷射到燃料电池(例如，SOFC)中但未被消耗的燃料的第三个挑战，可以通过将燃料电池定位在具有引燃/主燃料喷嘴的燃气涡轮燃烧器旁边和/或该燃气涡轮燃烧器内，以这种方式使得来自燃料电池的含有未使用燃料的流出物在燃气涡轮燃烧器中消耗从而释放热量并完全转化为水和二氧化碳来解决。
根据本公开的原理，燃烧系统与集成燃料电池的组合可以实现作为顶循环(topping cycle)的燃料电池(例如，SOFC)与作为底循环(bottoming cycle)的燃气涡轮发动机(例如，布雷顿循环(Brayton cycle)燃气涡轮发动机)的稳态和瞬态操作。与传统的燃气涡轮发动机(例如，高级布雷顿循环燃气涡轮发动机)相比，这种组合提供了增加的效率。
根据本公开的一个实施例，取决于燃料电池(例如，SOFC)、燃烧器和发动机循环的设计，使用根据本公开的实施例的集成燃烧器和燃料电池组件的顶循环可以在燃气涡轮发动机中提供从300KW到2000KW的最高电力(topping electrical power)，将核心效率提高5％到12％。
本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与所述燃烧器集成的燃料电池堆，所述燃料电池堆被构造成将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中；和(c)流体连接到所述燃料电池堆的预燃烧器系统，所述预燃烧器系统被构造成控制被引导到所述燃料电池堆中的空气流的温度，其中所述燃烧器被构造成将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括压缩机，所述压缩机流体连接在(i)所述燃烧器和(ii)所述预燃烧器系统的上游，其中所述压缩机被构造成将空气的一部分引导到所述预燃烧器系统中。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统，其中所述燃料的一部分从所述燃料源被引导到所述预燃烧器系统以升高从所述压缩机引导到所述预燃烧器系统中的所述空气的一部分的温度。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括催化部分氧化转化器，所述催化部分氧化转化器流体连接到所述燃料电池堆，其中所述催化部分氧化转化器被构造成产生富氢燃料流以被引导到所述燃料电池堆中。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述催化部分氧化转化器、所述预燃烧器系统和所述燃料电池堆在所述发动机组件内紧密联接。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统和所述催化部分氧化转化器，其中(i)所述燃料的第一部分从所述燃料源引导到所述预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到所述预燃烧器系统的空气的一部分的温度，并且(ii)所述燃料的第二部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以产生所述富氢燃料流。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括氢燃料源，所述氢燃料源将氢燃料流提供到所述燃料电池堆中。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度为500℃至1000℃。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度为600℃至800℃。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述燃烧器进一步包括一个或多个引燃/主燃料喷嘴，所述一个或多个引燃/主燃料喷嘴被构造成将从所述燃料电池堆引导到所述燃烧器中的所述燃料和空气排气燃烧成所述一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括发动机壳体，所述发动机壳体包围所述燃烧器、所述燃料电池堆和所述预燃烧器系统。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括所述下游涡轮，所述下游涡轮向下游连接到所述燃烧器。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括控制系统，所述控制系统被构造成通过控制引导到所述预燃烧器系统中的燃料和/或空气流的流速，将从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度控制到以下中的至少一个：(i)所述燃料电池堆的操作点，(ii)比所述燃料电池堆的所述操作点低至多200℃和(iii)比所述燃料电池堆的所述操作点高至多200℃。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述燃料电池堆是以下中的至少一个：(i)周向围绕所述燃烧器和(ii)轴向地联接到所述燃烧器。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述燃料电池堆集成在所述燃烧器的内衬里和外衬里中的至少一个内。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述燃料电池堆是固体氧化物燃料电池堆。
一种发动机组件，包括：(a)燃烧器；(b)与所述燃烧器集成的燃料电池堆，所述燃料电池堆被构造成将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中；(c)流体连接到所述燃料电池堆的预燃烧器系统，所述预燃烧器系统被构造成控制被引导到所述燃料电池堆中的空气流的温度；和(d)流体连接到所述燃料电池堆的催化部分氧化转化器，其中所述催化部分氧化转化器被构造成产生富氢燃料流以被引导到所述燃料电池堆中，其中所述燃烧器被构造成将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括压缩机，所述压缩机流体连接在(i)所述燃烧器和(ii)所述预燃烧器系统的上游，其中所述压缩机被构造成将空气的一部分引导到所述预燃烧器系统中。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述催化部分氧化转化器、所述预燃烧器系统和所述燃料电池堆在所述发动机组件内紧密联接。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统和所述催化部分氧化转化器，其中(i)所述燃料的第一部分从所述燃料源引导到所述预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到所述预燃烧器系统的空气的一部分的温度，并且(ii)所述燃料的第二部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以产生所述富氢燃料流。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度为500℃至1000℃。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度为600℃至800℃。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，其中所述燃烧器进一步包括一个或多个引燃/主燃料喷嘴，所述引燃/主燃料喷嘴被构造成将从所述燃料电池堆引导到所述燃烧器中的所述燃料和空气排气燃烧成所述一种或多种气态燃烧产物.
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括发动机壳体，所述发动机壳体包围所述燃烧器、所述燃料电池堆、所述预燃烧器系统和所述催化部分氧化转化器。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括所述下游涡轮，所述下游涡轮向下游连接到所述燃烧器。
根据前述条项中的任一项所述的发动机组件，进一步包括控制系统，所述控制系统被构造成通过控制引导到所述预燃烧器系统中的燃料和/或空气流的流速，将从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度控制到以下中的至少一个：(i)所述燃料电池堆的操作点，(ii)比所述燃料电池堆的所述操作点低至多200℃和(iii)比所述燃料电池堆的所述操作点高至多200℃。
一种方法，包括：(a)在预燃烧器系统中加热从压缩机排出的空气；(b)将由所述预燃烧器系统加热的空气输出到燃料电池堆的燃料电池中；(c)将燃料引导到所述燃料电池堆的所述燃料电池中；(d)使用所述燃料电池堆将从所述预燃烧器系统进入所述燃料电池堆的所述燃料电池的空气的至少一些和所述燃料转换成电流；(e)将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气(例如，径向和/或轴向)朝向所述燃烧器的环形轴线引导到所述燃烧器中；(f)将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气在所述燃烧器中燃烧成一种或多种气态燃烧产物；和(g)使用所述一种或多种气态燃烧产物驱动涡轮发动机的涡轮。
尽管前面的描述是针对优选实施例的，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不背离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种发动机组件，其特征在于，包括：
(a)燃烧器；
(b)与所述燃烧器集成的燃料电池堆，所述燃料电池堆被构造成将来自所述燃料电池堆的燃料和空气排气引导到所述燃烧器中；和
(c)流体连接到所述燃料电池堆的预燃烧器系统，所述预燃烧器系统被构造成控制被引导到所述燃料电池堆中的空气流的温度，
其中所述燃烧器被构造成将来自所述燃料电池堆的所述燃料和空气排气燃烧成驱动下游涡轮的一种或多种气态燃烧产物。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括压缩机，所述压缩机流体连接在(i)所述燃烧器和(ii)所述预燃烧器系统的上游，其中所述压缩机被构造成将空气的一部分引导到所述预燃烧器系统中。
3.根据权利要求2所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统，其中所述燃料的一部分从所述燃料源被引导到所述预燃烧器系统以升高从所述压缩机引导到所述预燃烧器系统中的所述空气的一部分的温度。
4.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括催化部分氧化转化器，所述催化部分氧化转化器流体连接到所述燃料电池堆，其中所述催化部分氧化转化器被构造成产生富氢燃料流以被引导到所述燃料电池堆中。
5.根据权利要求4所述的发动机组件，其特征在于，其中所述催化部分氧化转化器、所述预燃烧器系统和所述燃料电池堆在所述发动机组件内紧密联接。
6.根据权利要求5所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括燃料源，所述燃料源提供燃料并且流体连接到所述预燃烧器系统和所述催化部分氧化转化器，其中(i)所述燃料的第一部分从所述燃料源引导到所述预燃烧器系统，以升高从压缩机引导到所述预燃烧器系统的空气的一部分的温度，并且(ii)所述燃料的第二部分从所述燃料源引导到所述催化部分氧化转化器以产生所述富氢燃料流。
7.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括氢燃料源，所述氢燃料源将氢燃料流提供到所述燃料电池堆中。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，其中从所述预燃烧器系统引导到所述燃料电池堆中的所述空气流的温度为500℃至1000℃。
9.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，其中所述燃烧器进一步包括一个或多个引燃/主燃料喷嘴，所述一个或多个引燃/主燃料喷嘴被构造成将从所述燃料电池堆引导到所述燃烧器中的所述燃料和空气排气燃烧成所述一种或多种气态燃烧产物。
10.根据权利要求1所述的发动机组件，其特征在于，进一步包括发动机壳体，所述发动机壳体包围所述燃烧器、所述燃料电池堆和所述预燃烧器系统。
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