ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ САМОЛЕТА
AIRCRAFT AUXILIARY POWER PLANT

Изобретение относится к области химических источников энергии (электрического тока) с преобразованием химической энергии в электрическую на основе батареи топливных элементов с образованием смеси окиси углерода и водорода (т.н. «синтез-газа»).
По своей конструктивной схеме топливный элемент похож на гальванический элемент, однако, в отличие от него топливный элемент содержит систему подачи топлива в область анода и окислителя в область катода. Процесс выработки электричества продолжается, пока идет подача топлива и окислителя. Электрохимический реактор содержит батареи высокотемпературных топливных элементов (например, твердооксидных - SOFC или расплав-карбонатных - MCFC и т.п.) прямого окисления углеводородного топлива, либо с внутренней конверсией углеводородного топлива, либо секции топливных элементов, работающих на синтез-газе с высоким содержанием свободного водорода, и топливные процессоры для переработки углеводородного топлива в синтез-газ.
Известна микротурбина, которая применяется, например, в энергетике в составе силовых установок с электроприводом на транспорте, в том числе воздушном, выполненная в виде двух модулей: турбокомпрессора и электрохимического реактора, устанавливаемого в газовоздушном тракте между компрессором и турбиной вместо камеры сгорания (патент РФ №2334113, опубл. 20.09.2008 г.).
Электрохимический реактор содержит батареи высокотемпературных топливных элементов (например, твердооксидных - SOFC или расплав-карбонатных - MCFC и т.п.) прямого окисления углеводородного топлива, либо с внутренней конверсией углеводородного топлива, либо секции топливных элементов, работающих на синтез-газе с высоким содержанием свободного водорода, и топливные процессоры для переработки углеводородного топлива в синтез-газ.
Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, рабочие колеса которых расположены на общем валу. Каналы отвода сжатого воздуха от компрессора и подвода горячих газов к турбине сообщаются с электрохимическим реактором, образуя единый газовоздушный тракт. Компрессор со степенью повышения давления, равной 2.0-2.5, обеспечивает использование в качестве основного топлива микротурбины бытового газа низкого давления без применения дополнительного дожимного газового компрессора.
В электрохимический реактор в качестве топлива может поступать природный газ, биогаз, синтетический горючий газ, в зависимости от типа применяемых топливных элементов.
Известна система топливных элементов, способная повышать производительность топливных элементов за счет ускорения реакции. Повышение удельных характеристик получают за счет подачи озона на катод стопки топливных элементов. Система топливных элементов содержит стопку топливных элементов, включающих в себя анод, катод и электролитическую мембрану, размещенную между ними, топливный бак для подачи водородосодержащего топлива на анод стопки топливных элементов и блок подачи окислителя для добавления озона к кислородосодержащему воздуху и, таким образом, для подачи на катод стопки топливных элементов. Соответственно озон подается на катод стопки топливных элементов для ускорения реакции в стопке топливных элементов и, таким образом, для достижения сравнительно высокой плотности тока (патент РФ №2326471, опубликован 10.06.2008 г.).
2
Известны устройство и способ для подачи водорода в топливный элемент (патент США №7311985). Устройство содержит риформер, в котором топливо превращается в газовую смесь, состоящую из H и СО, и очистное устройство для снижения концентрации СО в газовой смеси до заданного уровня. Очистное устройство соединено с анодным входом основного топливного элемента, в который поступает газовая смесь после очистки. Устройство содержит также вспомогательный топливный элемент, в который поступает воздух и СО из риформера для преобразования части химической энергии СО в электрическую.
Обязательным элементом энергетической установки с топливными элементами является реактор-конвертор, который служит для генерации из жидкого углеводородного топлива синтез-газа, необходимого для работы топливных элементов.
Известно также решение, представленное в патенте США №6834831, в котором предлагается гибридный твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) для ВСУ самолета. ТОТЭ преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию. В этой схеме жидкое углеводородное топливо из бака подается в теплообменник и нагревается в нем теплом выходящих из анодной части ТОТЭ продуктов химической реакции, и поступает в реформер, где происходит процесс топливно-водяной конверсии. Далее продукты реакции из ТОТЭ направляются в камеру сгорания. В камеру сгорания также поступает воздух, сжатый компрессором, прошедший теплообменник, где происходит его дополнительный нагрев продуктами из катодной части ТОТЭ. Камера сгорания служит для подвода тепла в цикл. Тепло срабатывается на турбине, приводящей в действие компрессор. При этом на выходе из турбины установлен водяной сепаратор, отделяющий сконденсированную в процессе расширения воду и обеспечивающий ею процесс топливо-водяной конверсии для выработки синтез-газа. Для запуска турбокомпрессора используется стартер, который при выходе ВСУ на рабочий режим используется как дополнительный генератор электрической мощности.
Основным недостатком предложенной схемы является то, что при изменении режима полета летательного аппарата устойчивость работы ТОТЭ снижается, что потребует соответствующего регулирования состояния воды, находящейся на борту самолета, которая может замерзнуть, и ее подача в реактор-конвертор прекратится. Более того, при изменении режима полета трудно обеспечить необходимый уровень давления на выходе из турбины для устойчивого процесса конденсации воды из продуктов сгорания.
Технической задачей заявляемого технического решения является повышение мощности и снижение расхода топлива вспомогательной силовой установки.
Технический результат достигается тем, что вспомогательная силовая установка для самолета, содержащая реактор-конвертор, батарею топливных элементов, блоки хранения и подачи топлива, соединенные с реактором-конвертером, дожигатель, турбину, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор, причем реактор-конвертор, вырабатывающий синтез-газ, выполнен совмещенным с батареей топливных элементов, генерирующих электроэнергию, при этом канал генерации синтез-газа соединен с каналами подачи топлива или кислорода и промежуточным газовым коллектором прохода синтез-газов в топливные элементы, а отводные каналы анодных и катодных газов соединены с дожигателем. Каналы подачи окислителя электроизолированы. В качестве жидкого топлива для получения синтез-газа на борту используется водно-спиртовая смесь.
На чертеже представлена заявляемая схема вспомогательной силовой установки для самолета, работающая на основе водоспиртовой смеси.
Вспомогательная силовая установка для самолета содержит оболочку электрогенерирующего канала 1 и силовую оболочку центрального канала 2. Топливные элементы батареи 3 выполнены на основе твердооксидных топливных элементов и снабжены пористым контактом 4 и изолятором 5. Центральный канал 6 соединен магистралью с баллоном хранения водоспиртовой смеси 10. Имеются два выходных коллектора: 8 для выходных анодных газов и 9 для выходных катодных газов. Магистрали 11 служат для подачи атмосферного воздуха в топливные элементы от компрессора 14 и, в случае необходимости, кислорода из баллона 16. Дожигатель 12 соединен магистралями с коллекторами выходных анодных и катодных газов, а также с турбиной 13. Батарея снабжена также промежуточными газосборниками 7 для сбора продуктов разложения водоспиртовой смеси, прошедшей через центральный канал 6 и служащей для питания топливных элементов 3. На выходном валу турбины установлен электрогенератор 15, предназначенный для выработки электроэнергии.
Атмосферный воздух сжимается компрессором 14 и подается в батарею топливных элементов, состоящую из электрогенерирующих каналов, по магистрали 11. Каждый электрогенерирующий канал, заключенный в силовую оболочку 2, предназначен для прямого преобразования химической энергии в электрическую. В центральный канал 6 подается водоспиртовая смесь по магистрали из баллона 10. Образовавшиеся в центральном канале продукты разложения водоспиртовой смеси собираются в промежуточном газосборнике 7, откуда поступают на топливные элементы 3. Электролит твердооксидных топливных элементов 3, выполненный из окислов редких металлов, обеспечивает транспортировку отрицательных ионов кислорода, образующихся на катоде к аноду, на котором они рекомбинируют с ионами водорода. Образовавшиеся анодные и катодные газы собираются в отдельных коллекторах 8 и 9 и покидают электрохимическую батарею. Тепло, выделяющееся в топливных элементах при протекании в них электрохимических реакций, используется для превращения водоспиртовой смеси в синтез-газ в центральном канале 6. Далее анодные и катодные газы из коллекторов 8 и 9 поступают в дожигатель 12, где осуществляется их сжигание. Продукты сгорания анодных и катодных газов из дожигателя 12 направляются на турбину 13. Турбина 13 служит приводом для компрессора 14, обеспечивающего сжатие атмосферного воздуха, и электрогенератора 15, предназначенного для выработки электроэнергии. В случае необходимости кратковременного увеличения выработки электроэнергии топливными элементами в атмосферный воздух, направляемый по магистралям 11, добавляется кислород из баллона 16.