一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统

本发明属于航空系统领域，特别是涉及一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统。

背景技术：

1、开发能够水平起降的临近空间高超声速飞行器和两级入轨航天运输系统的一级关键在于发动机，基于空气预冷的组合发动机一直是重要的发展方向之一。通过在压气机入口布置预冷换热器，利用燃料冷却来流，可显著降低压气机入口空气温度，进而大幅降低压气机功耗，从而提高发动机循环效率。然而，以sabre发动机为代表的预冷发动机采用航空燃气涡轮技术，涡轮和压气机耦合工作相互影响，结构较为复杂，同时受卡诺循环的限制，系统效率低。

2、燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，不受卡诺循环的限制，具有较高的发电效率。其中，高温固体氧化物燃料电池工作温度高，具有燃料适用范围广、使用寿命长和维护成本低的优点。将高效的燃料电池技术与电动增压技术相结合，应用于喷气式推进系统，具有很大的潜力。

3、现有的预冷涡轮发动机结构大多比较复杂，压气机或泵与涡轮匹配比较困难，从而导致了发动机变工况性能差，相应的工作效率较为低下。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，以解决预冷涡轮发动机结构复杂、压气机或泵与涡轮匹配困难、发动机变工况性能差以及工作效率低的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，包括：

3、预冷器，热端入口与进气道的出口相连，热端出口与压气机的入口相连；

4、第一分流器，入口与所述压气机的出口相连，一个出口与燃烧室的入口相连，另一个出口与固体氧化物燃料电池系统的阴极入口端相连，所述固体氧化物燃料电池系统的阴极出口与燃烧室的入口相连，所述压气机设置有与其共轴的第一高速电机；

5、液氢储箱，出料口与氢泵入口相连，所述氢泵一个出口经第一阀门与预冷器的冷端入口相连，所述预冷器的冷端出口经第三阀门与第二分流器的入口相连，所述氢泵另一个出口经第二阀门与耦合在燃烧室外壁的再生冷却通道的入口相连，所述氢泵设置有与其共轴的第二高速电机，所述再生冷却通道的出口经第四阀门与第二分流器的入口相连，所述第二分流器的一个出口与第三分流器的入口相连，另一个出口与燃烧室入口相连，所述第三分流器的一个出口与固体氧化物燃料电池系统的阳极入口相连，另一个出口与固体氧化物燃料电池系统的冷却通道入口相连，所述固体氧化物燃料电池系统的阳极出口和冷却通道出口均与燃烧室入口相连；

6、液氧储箱，出料口经第五阀门与氧泵入口相连，所述氧泵出口与第四分流器的入口相连，所述氧泵设置有与其共轴的第三高速电机，所述第四分流器的一个出口与固体氧化物燃料电池系统的阴极入口相连，另一个出口与燃烧室入口相连，所述第一高速电机、第二高速电机和第三高速电机均与固体氧化物燃料电池系统电连接。

7、更进一步的，所述进气道的进气口大小可调。

8、更进一步的，所述预冷器为间壁式换热器。

9、更进一步的，所述第一高速电机、第二高速电机和第三高速电机均为直流电机。

10、更进一步的，所述第一分流器、第二分流器、第三分流器和第四分流器的出口流量可调。

11、更进一步的，所述固体氧化物燃料电池系统包括多个金属支撑固体氧化物燃料电池堆，每个所述金属支撑固体氧化物燃料电池堆包括多个串联的金属支撑固体氧化物燃料电池。

12、更进一步的，所述固体氧化物燃料电池系统的阴极进口为空气或氧气。

13、更进一步的，所述燃烧室设置有喷管。

14、更进一步的，所述喷管为收缩/扩张尾喷管。

15、更进一步的，所述喷管喉道面积及出口面积可调。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本系统通过固体氧化物燃料电池直接将化学能转化为电能，驱动高速电机以增压空气，避免了传统预冷涡轮发动机中复杂的涡轮与压气机或泵的耦合问题；

18、2、本系统去除了传统的涡轮，不仅简化了发动机的结构设计，还解决了二者匹配困难及变工况性能差的问题；

19、3、本系统利用液氢作为冷却剂和燃料，吸气模式下显著降低了进入压气机的空气温度，提高压缩比和燃烧效率，进而提升了发动机的整体效能和推力输出；

20、4、本系统通过设置固体氧化物燃料电池将化学能高效转换为电能，由电动机直接驱动压气机和泵对工质进行增压，能量损失少，有效增大了系统的压比，显著提高了系统的工作效率。

1.一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述进气道(1)的进气口大小可调。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述预冷器(2)为间壁式换热器。

4.根据权利要求3所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述第一高速电机(4)、第二高速电机(18)和第三高速电机(22)均为直流电机。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述第一分流器(5)、第二分流器(10)、第三分流器(11)和第四分流器(23)的出口流量可调。

6.根据权利要求5所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池系统(12)包括多个金属支撑固体氧化物燃料电池堆，每个所述金属支撑固体氧化物燃料电池堆包括多个串联的金属支撑固体氧化物燃料电池。

7.根据权利要求5所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池系统(12)的阴极进口为空气或氧气。

8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述燃烧室(13)设置有喷管(15)。

9.根据权利要求8所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述喷管(15)为收缩/扩张尾喷管。

10.根据权利要求9所述的一种采用燃料预冷的燃料电池电动增压喷气式推进系统，其特征在于：所述喷管(15)喉道面积及出口面积可调。