JP2001338660A - 燃料供給部の防爆装置 - Google Patents
燃料供給部の防爆装置Info
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Abstract
置を提供する。 【解決手段】 航空機の機体1に装備した燃料容器5に
対して、燃料電池2を併設する。そしてこの燃料電池2
の燃料極22側に燃料容器5からの燃料Fを供給するよ
う供給系を設けるとともに、燃料電池2の酸素極23側
から発生する窒素ガスNを燃料容器5の密閉されている
空間側に導入するよう構成している。したがって、燃料
容器5の空間は窒素ガスの封入により爆発が抑制され
る。
Description
船舶あるいは地上用の走行車両など走行体、さらには空
港や港および地上における補給燃料備蓄施設などのよう
に、燃料を密閉構造で供給する燃料供給部を備えた機器
において、この燃料供給部の爆発を防止する防爆装置に
関する。
があげられる。特に、軍事用航空機では、着弾の危険性
にもさらされており、離着陸時の事故の衝撃等で搭載し
ている燃料容器(タンク)が損傷すると爆発事故となる
危険性がある。このような事情から、これを防止する研
究が進められ、燃料容器における気密内の気体を窒素濃
度92%以上とすることによって、このような時でも爆
発事故に至る可能性が大幅に減少することが判明してい
る。そこで、一部の軍用機では燃料タンク内に窒素ガス
を供給し、酸素濃度を下げておくことで、爆発事故を防
止する装置、OBIGGS(On Board Ine
rt Gas Generation System)
が搭載されている。この防止装置は、つぎのような順序
で作動するよう構成されている。
ガスタービンエンジンのコンプレッサ部から抽気を取り
入れる。 2)この抽気が選択透過膜が設けられた分離器に導かれ
る。 3)選択透過膜は、窒素分子と比べて酸素分子の方が3
〜5倍透過する特性を有しており、仮に選択性が5倍の
場合、2気圧で組成がN2:O2=8:2の空気を供給
すると、透過ガスが1気圧の場合は、組成は理論的には
およそN2:O2=0.68:0.32となり、結果と
してO2濃度は約12%高められることになる。一方、
選択透過膜を透過せずに残った空気には窒素が濃縮され
ることになる。 4)このようなプロセスで濃縮され(酸素濃度が8%未
満まで低下した空気)窒素富化ガスを燃料タンクに供給
する。一方、選択透過膜を透過した空気は、酸素の割合
が高くなるので、乗員の呼吸用に使うことも可能であ
る。
使用されているこのような防爆装置は、つぎのような問
題を有している。すなわち、この防爆装置は、選択透過
膜によって酸素を透過させるが、一般に1気圧以上の差
圧が必要で周囲よりかなり高い圧力にしなければなら
ず、そのために推力エンジンの高圧抽気が使用されてい
る。ところで、この推力エンジン抽気というのは、ジェ
ットエンジンの多段コンプレッサで圧縮され、燃焼器に
入る前の空気を取込むことにより得られるものであるた
め、この推力エンジンのスラスト力を減少させ、すなわ
ち推力エンジンの負荷となり、飛行性能の向上が求めら
れる航空機においては、大きな課題がある。一方、地上
で走行する車両や海上用の艦艇等の多くは、それらの内
燃機関にはガソリンやディーゼルを燃料とするピストン
エンジン方式のものが多く用いられているものの、窒素
ガス供給のためには、大掛かりなコンプレッサを別途搭
載する必要がある。
減を図るには、航空機の電源として、燃料エネルギから
電力への変換効率が高い燃料電池に置換えることの可能
性について研究を進めているが、この燃料電池で反応し
た後のガスは、酸素が発電反応で消費されてしまうた
め、空調等で再利用するには、酸素濃度低下等について
対策を考慮する必要がある。本発明はこのような課題を
解決する防爆装置を提供しようとするものである。
置は、上記課題を解決するために、燃料を密閉構造で供
給する燃料供給部と、電気エネルギを生成する燃料電池
を併設するとともに、燃料電池での反応後のガスを前記
燃料供給部へ導入する導入手段を設けたものである。し
たがって、燃料電池の酸素極側の空気は酸素が発電に伴
なう反応で消費され窒素富化ガスとなる。そして、燃料
は直接酸素に触れる可能性が大幅に減少する。また、燃
料電池はそれ自体が燃料エネルギを高効率で電気エネル
ギに変換し、電気エネルギ生成のための燃料消費が少な
くなって、燃料消費率が低減する。
部の防爆装置を図面に示す実施例にしたがって説明す
る。図1は本発明を航空機における燃料容器に適用した
実施例を示している。実施例では、燃料容器の防爆装置
の構成が概略的に示されている。なお、図1は航空機の
機体1のみを示し、主翼等は図示されていないが、燃料
容器5のための防爆装置の構成とキャビン6等の空調シ
ステムが有機的に結合されて図示されている。
すのは、燃料電池2であって、発電装置として航空機の
機体1に搭載される。近年は軍用機に限らず、民間航空
機でも電子機器の搭載が増加しているため、電力消費が
増大している。これに対し燃料消費を押さえ、航続距離
の増大を計ったり、運動性能向上に燃料を有効利用する
には、燃料エネルギの電気エネルギへの変換効率を高め
なければならず、その有効な手段として燃料電池の利用
が研究されている。
かつ推力エンジン等航空機の機体1における燃焼機関部
分に燃料を供給する燃料容器(タンク)の防爆機能との
関連から両者の機能を有機的に結合させたものである。
まず、図1を中心に、燃料電池の構成、機能等を説明す
る。
を主成分とした燃料ガスに改質する改質器3を介しての
燃料と、空調ライン等から取出された空気あるいは新鮮
空気だけでなくキャビン6内のアウトフロー空気が、そ
れぞれ燃料極22側と酸素極23側に供給される。燃料
電池2は電解質21を介して、燃料極22と酸素極23
がサンドイッチ状に構成されており、それぞれの極から
通電用の回路24がインバータ25に接続されている。
実際はこのサンドイッチ構造が多数積層された構造を有
する。なお、燃料電池2への燃料極22、酸素極23の
それぞれの供給圧力については、燃料極22側は改質器
3に供給されるのは液体燃料であるため、消費動力が非
常に小さい燃料ポンプ(図示せず)で充分である。一
方、酸素極23側はエンジンの低圧段からの空気供給で
充分である。酸素極23は空気極ともいう。
る反応についてであるが、この点は図6に示されてい
る。なお、図6に示される反応過程は、燃料電池2の改
質器3にイオン交換樹脂膜が用いられた固体高分子型燃
料電池(PEFC)の場合が示されている。すなわち、
燃料極22側の水素ガスHGは、燃料極に電子を放出し
自らは1価の陽イオンである水素イオンHIとなり、イ
オン交換膜の内部を通過し、酸素極23に達する。ここ
で水素イオンHIは電子と酸素分子OGと反応し、水分
子Wとなって出て行く。
用する固体電解質型燃料電池(SOFC)を使用する場
合には、電解質21を通過するのは酸素イオンとなるた
め、水分子が生成されるのは燃料極22の側となる。す
なわち、電解質に安定化ジルコニアやセリア系固容体等
を用いた固体電解質型燃料電池では、電解質21内部を
通過する導電性物質は2価の陰イオンである酸素イオン
であり、酸素極23の側の反応後のガスは、ほとんどが
窒素ガスNとなる。ただ、この固体電解質型燃料電池を
使用する場合には、反応温度が高いため、熱交換器によ
り熱の再生を行う等の対策が必要となる。
オン交換樹脂膜を用いた固体高分子型の燃料電池2の場
合では、電解質21内部を通過する導電性物質としては
水素イオンHIであり、酸素極23側の反応後のガスは
窒素ガスNと水蒸気となる。そこで、結露や燃料への水
分混入の悪影響の度合いから、必要に応じて水蒸気また
は水分除去のための機器を通過させる必要がある。この
ようにして、燃料電池2によって電気エネルギが生成さ
れ、インバータ25に接続される電気負荷に対応され
る。と同時に、窒素を多く含むガスが副次的に生成され
るのである。
れた窒素富化ガスNを、燃料タンク等の防爆用に供給す
ることによって、燃料容器5の安全性が図られる。とこ
ろで、上記酸素極23の側からの排気からの水分除去に
は、外部から取入れた空気と全熱交換され、さらにこの
熱交換する相手側空気として、航空機が高々度の巡航中
や寒冷地での離着陸時には、キャビン6内の循環空気と
することもでき、その場合には暖房と湿分補給を可能に
することができる。
スを利用することも可能である。燃料電池2の燃料極2
2側に供給されるガスとしては、固体高分子型燃料電池
の場合には燃料Fを改質し、H2とCO2が主成分とな
る。ただし、一部水分子が含まれる場合がある。なお、
改質器3において各種炭化水素が主成分となる燃料分子
が分解されるが、電解質21に塗布されている白金触媒
はCO分子と接触すると被毒作用が発生し、触媒機能が
消滅することを防止する必要性から、炭素は完全に酸化
されるよう処理される。
得た水を再利用し、炭素、具体的にはメタンなどの炭化
水素類と水を反応させ、CO2との水素分子を生成する
反応も利用される。そして、燃料電池2内の燃料極22
側では発電反応の結果、水素ガスHGは酸化され水分子
となるため、排気ガスは水蒸気とCO2がほとんどで、
これに燃え残ったH2が含まれる。
おける燃料極22側の排気ガスを利用する場合、この電
池2では反応部が高温で、燃料は自己改質するため、反
応に使用された後の燃料極側のガスは、燃料と改質時に
生成され反応されずに残留したH2、CO2、COと炭
化水素化合物・水分子が含まれる。
結露や燃料Fへの水分混入の悪影響の度合により、必要
に応じて、水蒸気または水分除去を行った上、燃料容器
5等に導き利用することが可能となる。
反応後の排気ガスを混合して、使用するという方法もあ
る。この場合は未反応分を燃焼させ、その熱は燃料電池
2のスタックの保温や改質器3の熱源として利用した後
に、これを燃料容器5に供給する。この場合にも、水分
除去のプロセスは必要と考えられる。
23側のガスの酸素は、酸素分圧が一桁近く下がる程度
まで減少すると、出力電圧を低下するすなわち濃度過電
圧が顕著になるため、供給された酸素分子のうち、80
〜90%が反応に供され、残りは未反応分として残留す
る。一方、この酸素の消費分に相当する水分子(実際は
モル比で言えば2倍の水分子)が生成されている。残り
は反応には関与しない窒素ガスNである。この酸素極2
3側の排ガスは、全熱交換器4に供給される。
分吸着の効果を持つフィン41が詰まった回転ドラム4
2が燃料電池2の排気の流路43と取込んだ外気の流路
44の間に設けられ、かつモータ45で回動駆動される
よう構成されている。そのため、燃料電池2の排気ガス
は、外気で冷やされたフィン41によって水の凝結とガ
スの冷却がなされ、水分の少ないほとんどの成分が窒素
で、しかも常温に近い温度のガスとなる。本発明はこの
窒素ガスNを燃料容器5、具体的には密閉された燃料容
器5の上方空間に充填するものである。
は、温暖な地上では機体1外に排出するが、高々度飛行
中や寒冷な地域での離着陸および地上では、機体1外か
ら取りれた空気に代えて、後述する空調装置からの空気
(この空気の中にはリサキュレーションされるキャビン
6内の空気を含む)で全熱交換することで、暖房と加湿
が実現される。
はベーパーサイクル式の空調装置と有機的に結合されて
いる。具体的には電動機7にて回転駆動されるコンプレ
ッサ8と膨張弁11がベーパーサイクルの回路VCにて
接続されている。13は推力エンジンであり、14は冷
却空気の供給ライン、そして15は冷却空気の機体1外
への排気ラインである。このベーパーサイクルの回路V
Cには、コンデンサ9とエバポレータ10が介在されて
いる。ここでコンデンサ9は機体1外の冷却空気と回路
VCとの熱交換を行う機能を有し、他方、エバポレータ
10はキャビン6からの空気と回路VCとの熱交換を行
う機能を有している。なお、12はプリクーラである。
によるベーパーサイクル方式によって、熱ポンプ機能が
発揮され空調の動作係数が高められるように構成されて
いる。また、この空調用の空気は、キャビン6を循環す
る空気を利用することで、推力エンジン13からの抽気
の量を極力減少させることができる。さらに、キャビン
6の暖房時には、全熱交換器4からの熱を利用すること
ができ、結果的には燃料電池2からの排熱と水蒸気がキ
ャビン6の空調に利用できることになる。キャビン6か
らの空気を燃料電池2の酸素極23側への供給を行わせ
るよう構成されていて、このことにより推力エンジン1
3からの抽気量を減らせることもできるよう構成されて
いる。
電池2から出た後は、反応チャンバ32で未反応ガスを
燃焼させ、改質器3の加熱流路31で改質器の昇温に供
されるているが、全熱交換器4で回収した熱と水蒸気を
改質器3用に利用してもよい。本発明が提供する防爆装
置は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例
は一例で、その他多くの実施例を包含するものである。
るが、上記ならびに図示例のように航空機の分野のみに
限定されないということである。上記においては、車両
ないし船舶なども適用範囲として挙げているが、さらに
このような交通機関のみならず、種々の分野、機器に適
用可能である。以下、これらについて説明する。最も基
本的な構成をとるものとして燃料電池そのもののシステ
ムを挙げることができる。このシステムの構成は図2に
示しているが、この図において図1と同一の符号で示さ
れるものは図1と同一の機構、部品であって、それらの
機能、作動は図1の説明と同一であり詳細は省略する。
素極23側から燃料容器5に対してガスの導入管P1が
接続されていてこの点に本発明の特徴があるが、このよ
うなシステムにおいては、燃料Fが燃料電池2のために
使用されるものであり、かつこの燃料Fの爆発を防ぐた
めに反応後のガスが燃料容器5内に導入されるもので燃
料Fの種類等に制限があり、また液状であることなどの
条件が伴う。
る。しかも、図3の自動車Mは燃料電池2からの出力
(電気エネルギ)にて電動機(モータ)EMを回転駆動
させ走行する電気自動車の例であるが、Tがその燃料電
池2のための燃料を収容する燃料容器である。電動機E
Mからの回転出力は差動歯車機構DGを介して車輪に伝
導される。燃料容器Tからの燃料は供給管KPを介して
燃料電池2に供給され、燃料電池2からの反応後のガス
は導入管P2を介して燃料容器Tに導入されるようにな
っている。なお、L1は電力供給回路を示している。し
たがって、燃料供給系と反応後のガス導入系だけをみる
と図2と図3は同一である。さらにこの図3の変形実施
例として、動力源としての燃料電池2を内燃機関たとえ
ば燃料の燃焼により動力を得るレシプロ形のエンジンに
置き換えた変形例を挙げることができる。この場合、燃
料電池2もまたこの燃料電池2への燃料供給系および反
応後のガス導入系も必要で、これを小形なものとして搭
載する自動車となる。このように車両としても2種類の
形式の変形例を挙げることができる。
できる例を挙げることができる。図4は、管制塔CTに
燃料電池2を装備し、管制塔CTにおける管制機器CM
に必要な電力をこの燃料電池2からも供給する形の実施
例を示すが、この燃料電池2からの反応後のガスを燃料
補給用としての燃料タンクGTに導入するようにしたも
のである。P3はそのガスの導入管を示しているが、密
閉構造を有する燃料タンクGTの上方部空間に導入され
るよう構成されている。KPは、この燃料を航空機等に
補給する補給パイプを示し、さらにL2は燃料電池2か
らの電力を供給する電力供給回路を示している。
定し、ならびに詳細な説明の中で説明する「燃料供給
部」についてその変形実施例も含めて説明する。本発明
における「燃料供給部」は、燃料を収容する燃料容器と
この燃料を必要とする部所(機器や交通機関等)に供給
する供給系、具体的には供給管、さらには供給管に介在
される弁、流量抑制機器などを全て包含するものであ
る。すなわち、この供給管や調節弁においても燃料が内
在する以上爆発はあり得るわけで、これを防止するのが
本発明の目的とするところであるからである。すなわ
ち、「燃料供給部」は燃料容器にのみガスを導入する場
合や、燃料供給管にのみガスを導入する場合もあり、さ
らには燃料容器と燃料供給管および調節弁等の機器さら
に供給端部に至る全域にガスを導入して防爆させる場合
もあり、本発明はこれらすべてが「燃料供給部」に含ま
れるものである。
の反応後のガスを導入管Pを介して燃料Fの供給管KP
に導入する一例を示している。図示例では、供給管KP
には二重管SPが設けられていて、燃料漏れなどが生じ
ないよう密閉されているが、この二重構造の中間部にガ
スが導入されるようになっている。5は燃料容器であ
る。なお、本発明の特許請求の範囲においては、「燃料
供給部」について「密閉構造」となっている点を特定し
ているが、この「密閉構造」は概略密閉でもよく、要は
燃料容器内における空間が大気に開放された状態でない
構造を指している。二重供給構造にすることでガスの導
入すなわち供給系の燃料をガスで包囲できるが、この構
成は供給系に介設される弁部においてもその周囲にこの
ような空間部を形成し、その部分にガスを導入すること
になる。
挙げられる。たとえば、燃焼機関、具体的には内燃機関
にて動力を発生し作動する製造プラントにおいて、内燃
機関への燃料供給を行う燃料供給部を装備している場
合、この燃料供給部の防爆装置として本発明は適用でき
る。さらに、港や空港などでの補給燃料備蓄施設などの
燃料を扱う施設においても本発明は適用される。このよ
うな場合は、空調装置は不要な場合もある。したがっ
て、空調装置との結合などは本発明が第1に提供する装
置においては必須とするものではない。
極、酸素極の構成、さらにはこの両極間の電解質の構造
などについてであるが、これらについての上記は一例で
限定されない。特に燃料の供給、ガスの取り出し方法も
上記に限定されない。
定する「併設」とは、燃料容器(タンク)とともに設け
るということであって、並設ではなく、全体の機器にお
いてその構成要素の一つとして設置すると解される。
たとおりであるから、燃料電池で電気エネルギを高効率
で取り出された後に、しかもこの排気ガスは酸素が少な
くて窒素を多く含むものであり、燃料容器を中心とする
燃料系統の防爆ガスとして使用できる。そして、この排
気ガスを燃料容器に充填して燃料容器の爆発を防止する
ことができる。また、本発明によると、選択透過膜のよ
うに昇圧量の大きな空気の供給が必要なく、特に航空機
の場合、飛行として作動中の推力エンジンの負荷を軽減
でき、飛行性能の低下を避けることができる。燃料電池
を併設するので、電気エネルギのが生成され、電力駆動
機器を装備する場合においては有利である。
機に適用した実施例を示す図である。
電池に適用した実施例を示す図である。
車に適用した実施例を示す図である。
塔に適用した実施例を示す図である。
ある。
Claims (12)
- 【請求項1】 燃焼を密閉構造で供給する燃料供給部
と、電気エネルギを生成する燃料電池を併設するととも
に、この燃料電池での反応後のガスを前記燃料供給部に
導入する導入手段を設け、この反応後のガスの導入によ
って前記燃料供給部の爆発を抑制するようにしたことを
特徴とする燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項2】 燃料供給部はその燃料を航空機に装備さ
れた推力エンジンに供給することを特徴とする請求項第
1項記載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項3】 燃料供給部はその燃料を燃料電池に供給
することを特徴とする請求項第1項記載の燃料供給部の
防爆装置。 - 【請求項4】 燃料供給部はその燃料を車両に搭載され
た燃料電池に供給することを特徴とする請求項第1項記
載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項5】 燃料供給部はその燃料を車両に搭載され
た内燃機関に供給することを特徴とする請求項第1項記
載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項6】 燃料供給部はその燃料を走行体に補給す
るために供給することを特徴とする請求項第1項記載の
燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項7】 燃料供給部はその燃料を施設内で消費ま
たは補給するために供給することを特徴とする請求項第
1項記載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項8】 燃料電池は、その内部の電解質に酸素イ
オン導電性の材料が使用され、酸素極側の反応後のガス
が燃料供給部に導入されるよう構成したことを特徴とす
る請求項第1項記載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項9】 燃料電池は、その内部の電解質に水素イ
オン導電性の材料が使用され、酸素極側の反応後のガス
は、その中から水分子が除去された後に燃料供給部に導
入されるようにしたことを特徴とする請求項第1項記載
の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項10】 水分子の除去には外気から取込んだ空
気と全熱交換する熱交換器を用い、熱交換した相手空気
が空調用に使用できるようにしたことを特徴とする請求
項第8項記載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項11】 燃料電池は、その燃料極で反応に供さ
れた後のガスから、残水素を除去した後に燃料供給部に
導入されるようにしたことを特徴とする請求項第1項記
載の燃料供給部の防爆装置。 - 【請求項12】 燃料電池は、その燃料極と酸素極の両
極で反応に供された後のガスを混合して未反応分を反応
させ、水蒸気を除去した後に燃料供給部に導入するよう
にしたことを特徴とする請求項第1項記載の燃料供給部
の防爆装置。
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