JP2000025696A - 航空機の機内にあるエネルギ―供給装置 - Google Patents

航空機の機内にあるエネルギ―供給装置

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来に比べて少ない有害物質及び騒音の発生
で改善された効率を持つエネルギー供給装置を航空機で
の使用のために提供する。 【構成】 主駆動装置、補助駆動装置、ラム空気タービ
ン又はＮｉＣｄ電池に置換するための航空機の機内にあ
るエネルギー供給装置において、直流を発生する燃料電
池１への空気供給のため、航空機空調装置の廃気又は航
空機外部空気が使用され、燃料電池廃気から航空機への
水供給用の水が得られ、その際燃料電池廃気が続いて航
空機周辺５へ導出され、燃料電池１から出る水素が航空
機周辺５へ導出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は航空機特に旅客機の
機内にあるエネルギー供給装置に関する。
【０００２】旅客機の機内ではエネルギー供給のため通
常次の可能性がある。 主駆動装置発電機 航空機の主駆動装置は、まず第１に航空機の前進用推力
発生に用いられる。更に主駆動装置は空調装置用圧縮空
気を供給し、伝動装置を介して発電機用動力を供給す
る。発電機は航空機の機内電源用電流を供給する。駆動
装置は航空機の燃料系統から燃料を供給される。 補助駆動装置（ＡＰＵ） 航空機には、機内給電、空調装置の空気供給及び駆動装
置始動のため、後部にガスタービン即ち補助駆動装置
（ＡＰＵ）がある。ＡＰＵは地上でも飛行中（例えば発
進、着地又は非常事態）にも使用される。ＡＰＵは航空
機の燃料系統から燃料を供給される。空調用圧縮空気の
発生及び統合される圧縮機による駆動装置始動のほか
に、ＡＰＵは電流発生のため発電機を駆動する。 ラム空気タービン（ＲＡＴ） 航空機の胴体には、胴体の周囲の流れの中へ繰出し可能
な空気タービンがあり、緊急の場合（機内液圧系統の故
障）連結される液圧ポンプにより、緊急着地のために充
分の大きさを持つ航空機の液圧系統への供給を行う。こ
のＲＡＴは、航空機の寿命（２５年）毎に平均１〜３倍
必要とされ、繰出される。その信頼性は、空力的胴体周
囲流に関係するため、現在のところ若干問題である。 ＮｉＣｄ電池 航空機には、機内給電のため、ＮｉＣｄ電池装置があ
る。これは、航空機始動の際機内における最初の自給自
足的給電に用いられる。 機内空調装置内の空調用圧縮機−膨張機装置を駆動する
圧縮空気 航空機には、空調のため空調装置があり、全飛行及び地
上停止時間の間接続されている。この空調装置は、駆動
装置又は補助駆動装置（ＡＰＵ）から高温の空気を供給
される。空調は、外部空気、圧縮機−膨張機装置及び水
取外し装置による冷却を介して行われる。圧縮機−膨張
機装置の運転のためのエネルギー源は、駆動装置又は補
助駆動装置から来る圧縮空気である。
【０００３】
【従来の技術】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４００
１６８４号明細書には、エネルギー供給装置として蓄電
池のほかに燃料電池を含む車両駆動用ハイブリツドシス
テムが記載されている。
【０００４】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８３２
４７１号明細書は、自由に動き得る電解質を持つ燃料電
池システムを開示しており、このシステムは無重力空間
例えば宇宙飛行で使用するために設計されている。
【０００５】飛行中における燃料電池の使用はドイツ連
邦共和国特許出願公開第１９６００９３６号明細書及び
第４００９７７２号明細書から既に公知である。両方の
場合燃料電池により発生される電気エネルギーが航空機
の駆動に用いられる。しかし燃料電池システムの具体的
な構造及び航空機へのその統合は開示されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、明細
書の初めにあげた従来の装置に比べて少ない有害物質及
び騒音の発生で改善された効率を持つエネルギー供給装
置を航空機での使用のために提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題は、請求項１の
特徴によって解決される。本発明の有利な構成は別の請
求項にしめされている。
【０００８】本発明によるエネルギー供給装置は、エネ
ルギー変換器として直流を発生する燃料電池を含んでい
る。燃料電池として特にＰＥＭ（陽子交換膜）燃料電池
が使用される。
【０００９】燃料電池用燃料として、改質器において水
素に変換される炭化水素を使用することができる。しか
し容器内の水素を航空機で運び、燃料電池へ供給するこ
とも可能である。この第２の可能性は、特に現在エアバ
ス社で企画されている水素航空機において提案され、こ
の水素航空機ではいずれにせよ水素が航空機に貯蔵され
ている。
【００１０】特にエネルギー変換器としてのガス発生器
に対する本発明の利点は次の通りである。有害物質放出
が全く又は僅かしかない。騒音の発生が一層少ない。効
率が一層高い。システム費が一層少ない。摩耗が一層少
なく、従って保守費が一層少ない。それ以上の利点は個
々の実施例の以下の説明から明らかになる。
【００１１】本発明はあらゆる種類の航空機に適してい
るが、特に旅客機及び大型旅客機に適している。
【００１２】航空機の機内にある本発明によるエネルギ
ー供給装置の有利な構成は特に次の通りである。 主駆動装置発電機 今まで使用された発電機（エネルギー変換：燃料から電
流）はＰＥＭ燃料電池により置換される。燃料として、
炭化水素（ガス発生システムにおける改質器による水素
への変換）も水素も可能である。必要な空気は駆動装置
又は客室空間の廃気から取出される。燃料電池において
発生される直流は、変換器により、航空機において通常
使用される電圧レベル（１１０Ｖ）を持つ交流に変換さ
れ、機内装置で利用可能にされる。ガス発生器を燃料電
池に代えることにより、著しく高い効率を持つ機内電流
が発生される。なぜならば １． 燃料が直接電流に変換され、 ２． ガスタービンの効率は比較的悪いからである。こ
れにより燃料消費が少なくなり、従って運ぶべき燃料の
重量が少なくなり、有害物質の放出が少なくなる。
【００１３】補助駆動装置（ＡＰＵ） 今まで使用されたガス発電機（エネルギー変換：燃料か
ら圧縮空気及び電流）は、ＰＥＭ燃料電池に代えられ
る。燃料として炭化水素（ガス発生システムにおいて改
質による水素への変換）及び水素が可能である。燃料電
池において発生される直流の一部は、変換器により、航
空機において通常使用される電圧レベル（１１０Ｖ）を
持つ交流に変換され、機内電流装置に利用可能である。
第２の部分は、ＤＣとして又は変換器によりＡＣとして
電動機に利用可能で、電動機が圧縮機を駆動する。必要
な空気は客室廃気（約０．７ｂａｒ）から取られる。圧
縮機は空調装置及び駆動装置に必要な圧縮空気を供給す
る。ガス発電機を燃料電池に代えることによって、機内
電流が著しく高い効率で発生される。なぜならば、 １． 燃料が電流に直接変換され、 ２． ガスタービンの効率が比較的悪いからである。こ
れにより燃料消費が少なくなり、従って運ぶべき燃料の
重量節約及び有害放出物の減少が可能になる。
【００１４】ラム空気タービン（ＲＡＴ） このエネルギー変換機（エネルギー変換：外部周囲流か
らの空力動力）は、ＰＥＭ燃料電池駆動装置により代え
られる。燃料として炭化水素（ガス発生システムにおい
て改質による水素への変換及び水素が可能である。必要
な空気は客室廃気から取られる。燃料電池において発生
される直流は、変換器により、航空機において通常使用
される電圧レベル（１１０Ｖ）を持つ交流に変換され、
液圧ポンプを駆動しかつ／又は機内電流装置に供給され
る。ＲＡＴを燃料電池に代えることにより、液圧エネル
ギー又は機内電流が確実に発生される。更にこのシステ
ムは、機内給電装置に場合によっては生じる需要ピーク
もまかなうことができ、従って独立した別の機内電流発
生システムを形成することもできる。
【００１５】ＮｉＣｄ電池 このエネルギー変換器（化学的に蓄えられるエネルギー
からの電流）は、ＰＥＭ燃料電池により置換される。燃
料として炭化水素（ガス発生システムにおいて改質によ
る水素への変換）及び水素が可能である。燃料電池にお
いて発生される直流は、変換器により、航空機において
通常使用される電圧レベル（１１０Ｖ）を持つ交流に変
換され、機内電流装置に使用可能である。電池を燃料電
池に代えることにより、機内電流が高い効率で発生さ
れ、電池の再充電の必要はもはやないので、このエネル
ギー発生器の利用可能性が高まる。
【００１６】機内空調装置内の空調用圧縮機−圧縮機装
置の駆動装置 空調装置に必要な駆動エネルギー（ガスタービンにより
発生されて圧縮機を駆動する圧縮空気）は、本発明によ
ればＰＥＭ燃料電池により発生される。燃料として炭化
水素（ガス発生システムにおいて改質器により水素への
変換）及び水素が可能である。得られる電気エネルギー
は、ＤＣとして又は変換器によりＡＣとして電動機に使
用可能で、電動機が空調装置に使用される圧縮機を駆動
する。燃料電池の作動に必要な空気は客室廃気（約０．
７ｂａｒ）から取られる。必要な新鮮空気は、圧縮機に
より外気から、例えば別個の導管及び外板にある入口を
経て取ることができる。それから圧縮機が空調装置用圧
縮空気を供給する。燃料電池において発生される直流の
一部は、場合によっては緊急の場合、変換器により、航
空機において通常使用される電圧レベル（１１０Ｖ）を
持つ交流に変換され、機内電流装置に利用可能である。
燃料電池により空調装置用エネルギーを供給することに
よって、エネルギーは、現場でＡＰＵ又は主駆動装置に
よるより著しく高い効率で発生される。なぜならば、 １． ガスタービンの効率は比較的悪く、ＦＣＥ効率は
非常によく、 ２． エネルギー変換連鎖は著しく簡単であるからであ
る。これにより燃料消費が少なくなり、従って運ぶべき
燃料の重量及び有害放出物が少なくなる。
【００１７】独立した緊急送信機（ＥＬＴ） 航空機には、緊急の場合の後に飛行物体を見つけ出すた
め、電池で作動せしめられるＥＬＴがある。このシステ
ムの使用期間を長くする（無線時間）ため、タンク装置
及び空気供給装置を含む燃料電池システムを使用するこ
とができる。
【００１８】本発明の複数の実施例を図面に基いて以下
に説明する。
【００１９】
【実施例】図１及び２は、本発明によるエネルギー供給
装置の例として補助駆動装置を示している。図１には関
与する構成素子の共同作用が概略図で示され、図２は旅
客機の尖頭尾部へまとめられる補助駆動装置の具体的構
成を示している。図２に示されている尖頭尾部の形状は
エアバスＡ３００の尖頭尾部にほぼ一致している。
【００２０】燃料電池は大体においてＰＥＭ燃料電池か
ら成り、高い効率で直流を発生する。そのため膜の両側
に反応ガス即ち水素及び空気が提供される。生じる反応
熱は、約８０°Ｃの温度レベルで、液状冷媒により導出
される。燃料電池の液体供給及び排出のために３つの方
法技術的区間（空気、水素、冷媒）が燃料電池内で実現
される。
【００２１】次の液体的、機械的又は電気的接続点が航
空機と燃料電池との間に実現される。
【００２２】１． 空気 図２に示す実施例では、それぞれ燃料電池スタツク及び
システム周辺装置を含む２つの燃料電池モジユール１が
存在する。各燃料電池モジユール１の前には空気供給装
置２が接続されている。この空気供給装置２は、特に燃
料電池へ供給すべき空気を圧縮しかつ燃料電池から出る
高温空気からエネルギーを回収する圧縮機−膨張機装
置、空気フイルタ及び消音器を含んでいる。空気供給装
置２は、フイルタ２６を介して、機内空調装置の廃気か
ら、また航空機外板にある流入開口を経て空気の供給を
受ける。空気の排出は航空機尾部にある空気出口装置３
を経て行われる。航空機に固有の（例えば調理場、トイ
レツト等用の）水設備への供給のため、燃料電池１の湿
った高温廃気流から水が得られる。そのため航空機周辺
空気で冷却される水凝縮器１３（図１）が廃気流中に挿
入される。廃気流は、湿った空気の温度低下により水を
沈殿し、この水が凝縮水導出管１４により水タンク１５
へ供給される。
【００２３】２． 水素 燃料電池１への水素供給は、運ばれる容器からガス状で
行われ、水素が加熱器４において燃料電池廃熱を使用し
て燃料電池温度に加熱される。水素を燃料として使用す
る将来の航空機駆動装置では、燃料電池に必要な水素は
航空機の水素タンクから直接取ることができる。燃料電
池から出る水素の導出は、出口管５により燃料電池１か
ら航空機外板へ行われる。
【００２４】３． 冷媒 燃料電池１の廃熱２３は、燃料電池モジユール１にある
熱交換器及び航空機側ポンプ６（図１）を経て、また送
風機８をまとめられている別の航空機側熱交換器７を経
て、航空機周辺へ放出される。
【００２５】４． 交流の発生 燃料電池１から供給される直流電圧は、変換器６によ
り、航空機の機内電源に必要な交流電圧（約１１０ＶＡ
Ｃ）に変換される。変換器９を経て更に電気駆動装置と
しての電動機２０に給電することができる。図示した実
施例では、電動機２０は空気圧縮機１０を駆動する。こ
の機能は６．において更に説明される。現在利用可能な
燃料電池により、両方の燃料電池モジユール１の各々が
２００Ｖで約６０ｋｗを供給する。従って約１２０ｋｗ
の直流電力を直流中間回路へ与えることができる。比較
のためエアバスＡ３２０で現在使用される従来のＡＰＵ
発電機は約１００ｋｗを供給する。
【００２６】５． 燃料電池の始動 燃料電池の始動２１のため、機内電源を介して燃料電池
内部の始動電動機が給電され、燃料電池を約１秒以内に
始動する。
【００２７】６． 空気圧縮 既に述べた空気圧縮機１０は、例えば航空機空調装置用
の圧縮空気を供給する。この場合圧縮空気により、航空
機空調装置内の空調用圧縮機−膨張機装置の圧縮機が駆
動される。圧縮機１０により発生される圧縮空気の別の
役割は、特に駆動装置の始動及び氷除去である。軸を介
して圧縮機１０に直接結合されている駆動電動機２０
は、燃料電池から約１２０〜１５０ｋｗの電力を必要と
する。駆動電動機２０は液状媒体で冷却することができ
る。圧縮機１０への空気供給は、航空機の周辺空気１１
から、航空機外板にある流入開口を経て行われる。圧縮
されて暖まる空気は、航空機に存在する圧縮空気導管１
２へ与えられ、この導管１２が圧縮空気を適当な負荷へ
導く。エアバス３２０の従来の発電機では、機内で現在
２．５ｂａｒ及び１５°Ｃの周辺用温度で約１ｋｇ／ｓ
の空気流を空気圧縮機から供給される。
【００２８】７． 燃料電池の制御 燃料電池の制御は、航空機バスシステムにより航空機の
計算機に接続されかつ航空機の機内電源を介して給電さ
れる固有燃料電池制御装置１８（図１）を介して行われ
る。
【００２９】８． 区画換気 故障の場合水素が尖頭尾部及び燃料電池モジユール１に
たまるのを防止するため、区画換気装置１９が組込まれ
て、（壁２５により区画される）尖頭尾部の全空間範囲
及び燃料電池モジユール１を通って所定の空気流を吸引
する。
【００３０】航空機用ＡＰＵにおける燃料電池の使用
は、次の利点を持っている。有害物質放出のないこと。
これは特に航空機のタラツプ位置又は方向転換位置にお
いて重要である。ガスタービンに比較して著しく少ない
騒音発生。高い効率（燃料電池システムに対して４０％
以上、全ＡＰＵに対して約１８％）、その結果僅かな燃
料需要従って可能な重量節約；調理場、ＷＣ及び空調装
置用の機内における水の発生（空気の加湿）が可能であ
る。従来のＡＰＵより著しく少ないシステム費用（約１
０００ドル／ｋｗ）が可能である。低い動作温度（８０
°Ｃ）及び僅かな機械的可動部分（従来のＡＰＵでは最
も熱い個所で１０００°Ｃ）による、僅かな摩耗及び保
守費用。
【００３１】図３は本発明の別の実施例を示し、航空機
の主駆動装置発電機が燃料電池に代えられている。図示
した航空機主駆動装置３０は送風機３１及び燃焼室３２
を持っている。駆動装置内に直流を発生する燃料電池３
５がある。燃料電池３５の前に空気供給装置２が接続さ
れている。燃料電池３５から供給される直流電圧は、変
換器３９により、航空機の機内電源で必要とされる交流
電圧（約１１０ＶＡＣ）に変換される。
【００３２】本発明による燃料電池システムは、航空機
の主駆動装置の機能に関係なく、航空機の機内電源のた
め４００Ｈｚの周波数を持つ１１０Ｖの交流を発生す
る。従って航空機の機内にある別の独立した電源が利用
可能である。
【００３３】燃料電池の空気供給は、駆動装置の吸入開
口又は駆動装置の圧力段からの空気により選択的に行わ
れる。燃料電池３５からの廃気は駆動装置の出口を経て
導出される。燃料電池３５の廃熱は、燃料電池から出る
水素と同様に航空機周辺５へ放出される。
【００３４】水素供給は、航空機で運ばれる容器又はタ
ンクから行われる。燃料電池の冷却、始動及び制御に関
しては、図１及び２に関連して説明した手段を使用する
ことができる。図１及び２に説明したシステムにおける
ように、燃料電池の廃気流から、航空機の水供給のため
の水を得ることができる。水素がたまるのを防止するた
め、区画換気装置を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】補助駆動装置（ＡＰＵ）として構成される本発
明によるエネルギー供給装置のブロツクダイヤグラムで
ある。
【図２】補助駆動装置として構成される別のエネルギー
供給装置の構成図である。
【図３】主駆動装置として構成される本発明による供給
装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ５ 航空機周辺

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主駆動装置、補助駆動装置、ラム空気タ
    ービン又はＮｉＣｄ電池に置換するための航空機の機内
    にあるエネルギー供給装置において、直流を発生する燃
    料電池（１）への空気供給のため、航空機空調装置の廃
    気又は航空機外部空気が使用され、燃料電池廃気から航
    空機への水供給用の水が得られ、その際燃料電池廃気が
    続いて航空機周辺（５）へ導出され、燃料電池（１）か
    ら出る水素が航空機周辺（５）へ導出されることを特徴
    とする、エネルギー供給装置。
  2. 【請求項２】 変換器（９）により、燃料電池（１）か
    ら供給される直流が交流に変換されることを特徴とす
    る、請求項１に記載のエネルギー供給装置。
  3. 【請求項３】 燃料電池（１）により得られる電流が、
    航空機の機内電源又は独立の緊急送信機の無線モジユー
    ルのために使用されることを特徴とする、請求項１又は
    ２に記載のエネルギー供給装置。
  4. 【請求項４】 変換器（９）の交流側に電気駆動装置
    （２０）が接続されていることを特徴とする、請求項１
    〜３の１つに記載のエネルギー供給装置。
  5. 【請求項５】 電気駆動装置（２０）が空気圧縮機（１
    ０）又は液圧ポンプを駆動することを特徴とする、請求
    項４に記載のエネルギー供給装置。
  6. 【請求項６】 空気圧縮機（１０）が航空機の空調装置
    用又は航空機駆動装置の始動用又は航空機氷除去用の圧
    縮空気を供給することを特徴とする、請求項５に記載の
    エネルギー供給装置。
  7. 【請求項７】 燃料電池（３５）が、航空機駆動装置
    （３０）の吸入開口又は航空機駆動装置（３０）の圧力
    段から周辺空気を供給されることを特徴とする、請求項
    １〜６の１つに記載のエネルギー供給装置。
  8. 【請求項８】 燃料電池廃気が航空機駆動装置（３０）
    の出口を経て航空機周辺（５）へ導出されることを特徴
    とする、請求項１〜７の１つに記載のエネルギー供給装
    置。
  9. 【請求項９】 燃料電池（１）が、航空機内の容器から
    水素を供給されることを特徴とする、請求項１〜８の１
    つに記載のエネルギー供給装置。
  10. 【請求項１０】 燃料電池（１）へ供給される水素が、
    燃料電池（１）の廃熱により燃料電池の温度に加熱され
    ることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載のエネ
    ルギー供給装置。
  11. 【請求項１１】 燃料電池（１）へ供給される水素が、
    航空機の機内にある水素発生装置を介して発生されるこ
    とを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載のエネルギ
    ー供給装置。
  12. 【請求項１２】 水素発生装置が炭化水素から水素を発
    生する改質器であることを特徴とする、請求項１１に記
    載のエネルギー供給装置。
  13. 【請求項１３】 燃料電池（１）を始動するため、航空
    機の機内電源を介して給電される燃料電池始動電動機が
    存在することを特徴とする、請求項１〜１２の１つに記
    載のエネルギー供給装置。
  14. 【請求項１４】 燃料電池（１）がＰＥＭ燃料電池であ
    ることを特徴とする、請求項１〜１３の１つに記載のエ
    ネルギー供給装置。
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