JP2008521693A - 航空機におけるエネルギー供給のための供給システム、航空機、及びエネルギーを航空機に供給する方法 - Google Patents

航空機におけるエネルギー供給のための供給システム、航空機、及びエネルギーを航空機に供給する方法 Download PDF

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Abstract

航空機におけるエネルギー供給のための供給システム（１００）は、航空機を推進させるエンジン（１０１）と、航空機に電気エネルギーを供給する燃料電池（１０２）と、エンジン（１０１）にエンジン燃料を供給する第１の燃料貯蔵器（１０３）と、燃料電池（１０２）に燃料電池用燃料を供給する第２の燃料貯蔵器（１０４）と、を備える。第１の燃料貯蔵器（１０３）は、第２の燃料貯蔵器（１０４）と別個に配置される。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００４年１２月３日に提出した米国特許仮出願第６０／６３３０１６号と、２００４年１２月３日に提出した独国特許出願第１０ ２００４ ０５８４３０．３号の利益を請求し、その開示内容はここに参照として援用される。
本発明は、航空機にエネルギーを供給するための供給システム、航空機、エネルギーを航空機に供給する方法に関する。
民間航空で用いられる従来の航空機では、乗客や乗務員への供給システムが通常、互いに分かれている。
呼吸用空気の供給及びキャビンの加圧は、１つ以上の空調装置を備えた空調システムを用いて行われている。このような空調システムでは、エンジンの、いわゆるブリードエアの形態で、その圧縮空気が供給される。このようなブリードエアは、その圧縮機後段でのエンジンの主要な空気流からとり出される。
キャビン減圧の際に必要な緊急用の酸素供給は通常、圧力タンクから送られるか又は化学的な方法で生成される。両方の事例において、最大供給時間には限界があり、これは、圧力タンクの充填量又は化学的な塩素酸塩キャンドルの燃焼時間に各々依存する。
機上の給水は通常、水タンクから送られ、調理室やトイレ又は洗面所のような水の消費場所に各々供給される。送水される水量は、飛行距離に依存し、水タンクの容積とその重量によって制限される。
特許文献１は、エネルギー供給装置を具備する航空機を開示しており、エンジンと燃料電池は、燃料貯蔵器の役目をもつ共通の水素タンクから供給を受ける。
欧州特許第０，９５７，０２６号明細書
航空機では、多重の安全対策を講じたエネルギー供給を提供する必要がある。
この必要性は、独立請求項に開示した特徴に従って各々実現される、航空機におけるエネルギー供給のための供給システム、航空機、そしてエネルギーを航空機に供給する方法によって満たされる。
例示的な実施形態によれば、航空機におけるエネルギー供給は、航空機を推進させるエンジンと、電気エネルギーを航空機に供給する燃料電池と、エンジン燃料をエンジンに供給する第１の燃料貯蔵器と、燃料電池用燃料を燃料電池に供給する第２の燃料貯蔵器とを備える。本発明によれば、第１の燃料貯蔵器は、第２の燃料貯蔵器と別個に配置される。
また、本発明は、前述の特徴をもつ航空機におけるエネルギー供給のための供給システムを具備する航空機を実現する。
例示的な実施形態によれば、エネルギーを航空機に供給する方法が提供され、航空機がエンジンで推進され、航空機には燃料電池から電気エネルギーが供給され、エンジンには第１の燃料貯蔵器からエンジン燃料が供給され、燃料電池には第２の燃料貯蔵器から燃料電池用燃料が供給される。第１の燃料貯蔵器は、第２の燃料貯蔵器と別個に配置される。
本発明の１つの着想は、航空機（例えば、飛行機又は飛行船）におけるエネルギー供給が、航空機を機械的に推進させるエンジンと、電気エネルギーを航空機の電力消費部に供給する燃料電池とから実現されることにある（エンジンは電気エネルギーも生成できる）。エンジンと燃料電池のために供される各々の燃料貯蔵器は、相互に別個に配置され、すなわち、それらは各々、機能的に分断されて、物理的に分離されているので、ある燃料貯蔵器又はエネルギー供給システムの故障が、他の燃料貯蔵器又はエネルギー供給システムにマイナスの影響を及ぼさないように、高い信頼性のもとで防止される。また、航空機の構成要素に対する電気エネルギーの継続的な供給を、特に緊急時に、例えば、エンジンが故障するか又は少なくとも損傷を被る場合や、その逆の場合において保証すべきである。エンジンに供給する燃料と燃料電池に供給する燃料とを各々に収容する二つの燃料貯蔵器は、燃料不足の状態が二つの燃料貯蔵器の一方に生じても、他の燃料貯蔵器は、重要な機能を少なくとも部分的に維持して使用できるように、別個に配置した構成部品の形態で構成される。また、エンジンは、航空機のエネルギー供給に関与する始動発電機の形態で発電機を備えることができる。
従って、本発明は精巧で障害に強い供給システムを提供することができ、該システムは良好な物流管理が可能であると共に、エネルギーを、航空機の機械的エネルギーや電気的エネルギーの消費部に高い信頼性で供給する。本発明による燃料電池を航空機に統合することで、燃料電池の構想によりエネルギー消費部への供給が行われる。本発明によるエンジンは、共用エンジンとは違ってブリードエアを使用しなくても済む。このエネルギーの形態は、電気エネルギーで代替可能である。
供給システムは、好ましくは、エネルギー供給だけでなく、キャビンと航空機の全体への供給を行う役目をもつ。
本発明は、高度に統合された客室システムと、高度に統合された客室システムを具備する航空機とを各々実現できる。本発明は、乗客と乗務員に、呼吸用空気、緊急用酸素、水を供給するための航空機用の装置構成を提供し、これは統合された燃料電池システムと同時に実現される。
「燃料電池」という用語は電気化学セルを意味し、これは、継続的に供給される燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、酸素）との反応エネルギーを、電気エネルギー、つまり、エネルギー消費部の構成要素へのエネルギー供給のために使用できる電気エネルギーへと変換する。水素−酸素燃料電池では、生成される水が、出発材料である水素及び酸素から得られ、発熱反応中に解放されるエネルギーは、エネルギー消費部の構成要素へのエネルギー供給のために使用できる。
本発明は、特に、航空機において安全対策を講じた信頼性の高いエネルギー供給を実現できる、統合化された客室システムの構成要素について進歩的な組み合わせを実現する。
このような航空機における供給システムは、乗客や乗務員に水を供給するために、与圧キャビン、エンジン（本発明によれば、ブリードエアを必ずしも送るわけでない）、燃料電池システム、空調システム、水調達や水質調整及び給水システムを装備できる。
本発明によれば、特に、エンジンを始動させるための補助電源又はＡＰＵや、別の圧縮空気、電源、バッテリの少なくとも一部をなくすことが可能となる。
本発明によれば、エンジンは、始動発電機、より詳細には、エンジンを始動させると共に航空機の電力消費部のために電気エネルギーを生成する始動発電機を装備できる。
空調システムは、電気的に動作する別の圧縮機によって供給を受けることができる。必要な電気エネルギーは、始動発電機又は燃料電池システムから供給できる。
また、燃料電池システムは、航空機の給水を実現するために、電気エネルギーに加えて水を供給できる。この水は、飲料水の形態で航空機の消費部に給水する前に調整することができる。
本発明によれば、燃料電池システムに供給する酸素は、例えば、別の換気装置によって客室空気の酸素分から得られるか、又は空調装置との直接的な接続部を介して空調装置に送られる外気の酸素分から得られる。また、燃料電池システムへの酸素供給は、航空機の外周部から得られる外気（を別に圧縮すること）からも実現できる。
ＰＥＭ（ポリマー電解質型燃料電池及びその関連タイプ）の低温燃料電池において、燃料電池システムが用いる燃料は、好ましくは、水素又は改質ガスの水素分であり、気体又は液体で存在し得る。ＤＭＦＣ（直接メタノール型燃料電池）では、燃料電池システムが用いる燃料はメタノールである。
エンジン用燃料は、（ケロシンのような）炭化水素又は水素である。エンジン用燃料については、燃料電池用燃料を燃料電池に供給する燃料とは異なる燃料貯蔵器に収容される。
本発明によれば、酸素発生器を、例えば、前述の構成要素に加えて提供できる。この酸素発生器が生成する酸素は、膜分離方法を用いて外部の空気から取得でき、キャビン減圧の事態に緊急供給用として使用できる。
このような酸素発生器の動作では、エンジンのブリードエアから通常は得られる（圧縮）空気が必要となるが、本発明によれば、電気圧縮機からも得られる。これらの圧縮機は、供給システムが正規モードで動作している場合に、空調システムに供給する同じ圧縮機でよい。緊急モード以外の動作モードでは、酸素発生器が生成する酸素を、燃料電池のカソード側の酸素分圧を増加させるために使用できる。また、酸素発生器が正規の動作モードで増加した酸素分圧を空調システムに供給することで、キャビン圧を下げられるという利点がある。そして、エネルギー必要量、空間要求、重量を低減させることができ、これは、より小型の圧縮機を使用できるからである。
主成分が窒素とされる、酸素の希薄な空気は、酸素発生器のモレキュラー・シーブ（分子篩）の他方の側に溜まる。この希薄な空気は、本発明によれば、その場での爆発性混合物の形成を防ぐために、燃料電池システムの筐体のパージに使用できる、不活性なガス混合物と見なすことができる。
また、このガスは、エネルギー担体として液体炭化水素を収容する燃料タンクに利用することができ、その目的は、液面よりも上にある酸素を排出して、爆発性混合物の濃度を爆発限界未満に下げることである。
本発明による供給システムは、代替として又は追加的に、ウィングの除氷に使用できる。燃料電池システムに溜まるカソードの排気は、水の調達に使用できる。このカソードの排気は燃料電池の動作温度を本質的に有するので、凝縮が行われること、従って、例えば、熱交換器や蒸気トラップによる温度低下を実現することが、水の調達に必要である。できるだけ多量の復水を得るために、カソードの排気は、１℃と１０℃との間の温度レベルまで下げることが望ましい。また、燃料電池スタックは、燃料電池のプロセスが発熱を伴って起きるので、冷却することが望ましい。燃料電池スタックの冷却中に凝縮器に溜まる熱は、ヒートポンプシステムを利用してカソードの排気へと戻すことができる。このようにして得た高温空気は、配管系統を介してウィング縁部に送られて、ウィングの除氷に使用できる。また、前述の圧縮機では廃熱も生じる。この廃熱は、ヒートポンプシステムによって同様にカソードの排気に与えることができる。
本発明のある態様によれば、このように作られる装置構成は、乗客又は荷物あるいはその両方を輸送する航空機からなり、少なくとも１つの与圧キャビンを備えることができる。
このような航空機は、好ましくは、ブリードエアを供給しない少なくとも１つのエンジンを備え、エンジンを始動させると共に、電源を供給するための始動発電機が装備される。また、別個の圧縮機を具備する少なくとも１つの空調システムは、新鮮な空気を与圧キャビンに供給すると共に、乗客や乗務員に必要な周囲圧力を実現するために提供できる。また、この装置構成は、従来の水タンク設備と全面的に又は部分的に置換し得る、少なくとも１つのモジュール式に設計された燃料電池システムを備える。このような燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを備えることができ、これらは、電気エネルギーだけでなく、空気、燃料、排気エア、排気ガス用の中央供給システム及び処分システムを利用する。そして、燃料電池システムは、与圧キャビンに電気エネルギーを供給する役目をもつことができ、与圧キャビン及び空調システムの圧縮機への供給や、航空機の給水システムへの給水を行うための複数のシステムに電気エネルギーを供給する。この水は、燃料電池システムのカソードの排気から調達され、給水網を介した飲料水の形態で、航空機の機上で配給される前に調整することができる。エンジンと燃料電池システムは、互いに完全に分離した供給用貯蔵器から燃料が供給され、燃料電池システム用の燃料は、使用する燃料電池に応じて、液体若しくは気体の水素又はメタノールとされる。エンジン用燃料は、ケロシンのような炭化水素又は液体若しくは気体の水素とされる。
航空機には、エンジン始動用に電気エネルギー及び圧縮空気を生成するために、あるいは地上での航空機への電源供給用若しくは緊急電源用又はその両方のために、補助電源が無くてもよい。
水については、消費部（例えば、調理室、洗面所、トイレ、シャワー及び／又は空気加湿システム）に対して飲料水の形態で配給される前に、全飛行時間中に機内で連続して生成し、そして調整することができる。
使用済みの（排）水は、真空システムによって運ばれて、収集タンクに溜め込まれ、地上で処分することができる。
本発明による装置構成において、過剰な量の水は、燃料電池システムのカソードの排気ガスが凝縮する前に、切替弁によって機外へと直ちに放出できる。
また、圧縮空気で動作し、モレキュラー・シーブの原理に従ってガスを分離する酸素発生器は、キャビン減圧時に乗客や乗務員への酸素供給を保証するために、そして、航空機が正規モードで動作している場合に、燃料電池システムのカソードの空気供給における酸素分圧を増加させるために設けられる。これにより、燃料電池の効率を高めることができる。
これに代わって、本発明による装置構成はまた、圧縮空気で動作し、モレキュラー・シーブの原理に従ってガスを分離する、酸素発生器を備え、この酸素発生器は、与圧キャビンの減圧時に乗客や乗務員への酸素供給を保証し、航空機が正規モードで動作している場合に、空調システムが送る客室空気の酸素分圧を増加させる。これにより、更に小さな圧縮機を利用できるので、キャビンの気圧を下げてエネルギーを節約できる。
本発明による供給システムでは、燃料電池の動作温度をもつカソードの排気エアが溜まる。この温度は、熱交換器と蒸気トラップによって下げることができる。これは、十分な量の復水を得て、カソードの排気エアを１℃と１０℃との間の温度レベルにまで下げ、燃料電池スタックを効果的に冷却できる。これらの措置により、燃料電池スタックの冷却中に凝縮器に溜まる熱は、配管系統を介してウィング縁部に対して、得られた高温空気を送るために、ヒートポンプシステムによりカソードの排気に戻すことができ、よって除氷機能を保証できる。また、空調システムの圧縮機は廃熱を出し、この廃熱をカソードの空気にヒートポンプシステムで与えることができる。
使用する燃料電池のタイプに応じて、燃料電池システムに供給する燃料は、低温又は高温ポリマー電解質膜型燃料電池用の水素とされる。メタノールは、直接メタノール型燃料電池に使用できる。燃料は、水素ガスタンク、液体水素用の容器又はメタノールタンクから供給され、このような容器は、例えば、尾翼の背後における航空機の後部領域に設置することができる。このような容器は、その場所に堅固に取り付けるか、又は取り外し可能なカートリッジの形態で実施できる。
代替として、燃料電池に供給する燃料は、別のガス処理装置から供給され、このガス処理装置は、好ましくは、燃料電池での使用に適した燃料ガス（例えば、水素）を、ケロシンのような炭化水素から生成することができる。
燃料電池システムの廃熱については、燃料電池システムの動作に必要な燃料、特に液体水素貯蔵器から供給される水素の気化又は予熱、あるいはその両方のために使用できる。
モレキュラー・シーブの原理に従う酸素発生器を用いる場合、酸素の希薄な空気は、モレキュラー・シーブにおいて無酸素側に溜まる。この空気は本質的に窒素からなるので、不活性なガス混合物と見なすことができる。このガス混合物は、その場に爆発性混合物が形成されないように防ぐために、燃料電池システムの筐体のパージに使用できるので、動作の安全性を高めることができる。このような酸素の希薄なガスは、その場での爆発の危険性を減らす目的で、燃料タンクに不活性なガスを供給するために使用できる。
供給システムにおける電気エネルギーの分配は、中央制御装置を用いて保証することができる。
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示される。
航空機におけるエネルギー供給のための、本発明による供給システムの実施形態を以下に説明する。これらの実施形態はまた、航空機、エネルギーを航空機に供給する方法にも適用される。
別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、ウィングの除氷装置を備え、これは、燃料電池の動作中に溜まる燃料生成物に応じてウィングの除氷を行えるように、燃料電池と結合される。そして、例えば、水素−酸素燃料電池の燃料生成物の形態で、高温水蒸気に存在する燃料電池の廃熱は、供給システムを具備する航空機のウィング除氷のために又はウィングへの着氷防止として、効果的に利用できる。このエネルギーは、供給システムにおける別の場所で、例えば、エンジン用及び／又は燃料電池用の燃料となる液体水素を気化させるために、代替として又は追加的に利用できる。ウィング除氷装置は、燃料電池の水蒸気の排気経路からエネルギー供給を受けることができ、特に、航空機における給水のために冷却されて凝縮する水蒸気を利用可能な、航空機の給水システムと組み合わせることにより、特に有利な方法で動作させることができる。これらの手段によって、燃料電池の実際の廃棄物、すなわち、水蒸気は、各種の方法、つまり、他の構成部品を暖めるか又は加熱すると共に、同時に水源としても有益に利用できる。この給水装備はコストが安く、そして重量の嵩む補助タンクを必要とせずに実現できる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、燃料電池の動作中に燃料生成物として溜まる水蒸気が、水を調達する目的で、ウィングの除氷を行う前に凝縮するものとされ、そして残りの燃料生成物が加熱ポンプによって加熱されると共に、この加熱された燃料生成物がウィング除氷装置に供給されるように設計される。水蒸気は、従って、水を得るために、実際のウィング除氷が行われる前に凝縮することが好ましい。この凝縮は、好ましくは、酸素の希薄な空気が加熱ポンプで再加熱されてウィング除氷装置に送られる前に行われる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、残りの燃料生成物が、供給水素と共に再加熱器において燃料電池のアノードの排気と混合できるように設計される。従って、ウィング除氷に必要なエネルギーレベルに達するために、アノードのガス、いわゆるパージガスと混合して、再加熱器において更に供給された水素と共に混合物を更に加熱することができる。
燃料電池の動作温度をもつ燃料電池のカソードの排気が溜まる場合に、その温度は、できるだけ多量の復水を得るために、熱交換器と蒸気トラップによって下げることができる。カソードの排気は、１℃から１０℃との間の温度レベルまで下げることができる。また燃料電池スタックを冷却することができ、その場合に燃料電池スタックの冷却中に凝縮器に溜まる熱を、ヒートポンプシステムによってカソードの排気に戻すことができるので、このようにして得られた高温空気は、除氷機能を保証するために、配管系統を介してウィング縁部に送ることができる。また、空調システムの圧縮機は廃熱を出すが、これを、ヒートポンプシステムによってカソードの排気に与えることができる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、エンジンと結合する発電装置を更に備える。この発電装置は、エンジンを始動させて電気エネルギーを航空機に供給するために、エネルギーを生成するように設計される。本発明による供給システムに組み込まれる、このような発電装置は、航空機の構成要素へのエネルギー供給を更に改善して精巧なものにすることができる。
別の例示的な実施形態によれば、供給システムは更に、航空機におけるエネルギー供給の中央制御のために設計された中央制御装置を備える。この制御装置は、本発明による供給システムの制御中枢の形態で実施され、エンジンで生成したエネルギー及び燃料電池で生成したエネルギーを、相互に適応的に用いて、必要に応じて、対応するエネルギー消費部に、生成したエネルギー量を配分する。また、この制御装置は、特に、異なるガス消費部（与圧キャビン、燃料電池など）の間のガス交換だけでなく、燃料電池の排気から得られる水を、航空機に供給する制御も可能である。中央制御装置は、コンピュータ・プログラムの形態で、すなわち、ソフトウェアとして実現されるか、又は１つ以上の特殊な電気回路の形態、すなわち、ハードウェアとして実現されるか、又は任意の混成形態で、すなわち、ソフトウェア・コンポーネント及びハードウェア・コンポーネントを用いて実現できる。
更なる例示的な実施形態によれば、供給システムは、呼吸用空気をキャビンに供給する空気供給装置を更に備え、この空気供給装置は、燃料電池又は発電装置あるいはその両方から電気エネルギーの供給を受けることができる。航空機のキャビンには通常、キャビン内の乗客や乗務員に呼吸用空気を供給することを目的として、呼吸用空気が供給される。この空気は、航空機の外周部からとり入れることができる。空気供給装置は、例えば、空調システムで空気の状態を調整するために、発電装置又は燃料電池あるいはその両方から電気エネルギーの供給を受けることができる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、圧縮ガスを空気供給装置に供給するための圧縮機を備える。換言すれば、空調システムは別個の圧縮機を装備できる。
別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、圧縮機を駆動するように設計した直流モータを備える。圧縮機は、新鮮な空気を与圧キャビンに供給すし、そして乗客や乗務員に必要な周囲圧力を与えるために、直流モータ又は交流モータ又は３相モータによって駆動することができる。
供給システムの更に別の例示的な実施形態によれば、酸素発生器は、航空機が正規モードで動作している場合に、空気供給装置が送る呼吸用空気の酸素分圧を増加させるために使用できるように設計される。この酸素発生器は、キャビン圧力を下げると共に、より小型の圧縮機を利用できるようになることで、エネルギー必要量、空間要求、重量を減少させることを目的として、航空機が正規モードで動作している場合に、空調システムにより送られる客室空気の酸素分圧を増加させることができる。
更に別の例示的な実施形態によれば、本発明に従う供給システムは、好ましくは、水を連続して生成する給水装置を更に備え、この給水装置は、燃料電池の動作中に溜まった燃料生成物から水を得るように設計される。水蒸気の形態とされる反応生成物は、特に水素−酸素燃料電池（又は水素−大気酸素燃料電池）を用いる場合に蓄積し、この水蒸気は復水となり、最適に調整された後で、航空機のあらゆる場所（例えば、調理室やトイレなど）の飲料水／用水に使用することができる。これにより、別個の水タンクをもつ必要がなくなり、航空機の重量を低減することが可能となる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、飲料水を得るために、調達した水を調整する水質調整装置を備える。水は、全飛行時間中に航空機内で連続して得られるので、調整後に、消費部、例えば、調理室や洗面所やトイレやシャワー又は空気加湿システムに飲料水の形態で配給することができる。
更に例示的な実施形態によれば、供給システムは、使用済みの水を真空システムで排出して、収集タンクに溜め込み、地上で廃棄する役目をもつ、排水処分装置を備える。使用済みの水は、真空システムを用いて運ばれ、収集タンクに溜まり、地上で廃棄処分することができる。
更なる例示的な実施形態によれば、処分システムは、凝縮が起こる前に、燃料電池の動作中に溜まった燃料生成物に含まれる過剰な量の水を放出する、放出装置を備える。この過剰な量の水は、特に、切替弁によって燃料電池システムのアノードの排気が凝縮する前に、機外に放出できる。
本発明による供給システムの燃料電池はキャビンに結合されることで、燃料電池の動作に必要な燃料電池のカソード側の出発材料をキャビンから供給できる。燃料電池の動作では、特に、酸素を出発材料として使用できることが要求される。この酸素は、乗客のいるキャビンから抽出した空気から得られ、燃料電池に送られる。
燃料電池は、航空機の外周部と結合されることで、燃料電池の動作に必要な燃料電池のカソード側の出発材料を、航空機の外周部から供給できる。この実施形態によれば、燃料電池の動作用の酸素は、航空機の周辺から、すなわち、大気から得て、そして圧縮することができ、必要であれば、水素又は別の燃料に含まれている水素イオンをカソード排気ガス、Ｈ２Ｏや過剰空気へと変換するために、酸素を燃料電池に送ることができる。
空気供給装置は、航空機の外周部と結合できるので、呼吸用空気をキャビンに供給するために、空気を航空機の外周部から取得できる。この実施形態によれば、大気から得た空気は、必要に応じて、更なる酸素富化及び圧縮の後に、呼吸用空気を乗客と乗務員に供給するために用いられる。
これは、酸素を豊富に含む呼吸用空気をキャビンに供給するために、空気供給装置を航空機の外周部と結合させるように酸素発生器を用いて実現できる。このようにして得た空気により、酸素発生器は、キャビン内の乗客にとって必要な量の酸素を供給するために、十分な酸素濃度を達成することが可能になる。
酸素発生器は、それが圧縮空気を用いて、モレキュラー・シーブのガス分離の原理に従って動作するように設計することができる。そして、モレキュラー・シーブのガス分離の原理に従って圧縮空気で動作する酸素発生器を更に組み込むことができ、その場合に、この酸素発生器は、一方でキャビン減圧時に乗客や乗務員に対する酸素供給を保証し、他方では、燃料電池の効率を改善するために、航空機が正規モードで動作している場合に、燃料電池システムのカソードの空気供給における酸素分圧を増加させる。
更に別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、酸素発生器の動作中に溜まった、酸素の希薄な空気が燃料電池の筐体のパージに使用できるように設計される。酸素発生器の動作原理のために、酸素の希薄な空気はモレキュラー・シーブの無酸素側に溜まり、この空気は本質的に窒素からなり、よって不活性なガス混合物と見なすことができる。この不活性なガス混合物は、その場での爆発性混合物の形成を防ぐために、燃料電池システムの筐体のパージに使用できる。
別の例示的な実施形態によれば、供給システムは、酸素発生器の動作中に溜まった酸素の希薄な空気が、第１の燃料貯蔵器又は第２の燃料貯蔵器あるいはその両方に含まれる、気相の炭化水素との衝突に使用できるように設計される。酸素が希薄で不活性なガスは、その場に存在する酸素を排出することにより可燃性を低下させるために、可燃性の液体炭化水素を含むタンクの気相に作用するために使用できる。
供給システムの更に別の例示的な実施形態によれば、燃料電池は、中央供給装置及び処分装置を利用した、複数の燃料電池スタックから構成されるか、又はこれを備えた、モジュール式に設計されたシステムである。モジュール式に設計された燃料電池システムは、電気エネルギーだけでなく、空気、燃料、排気エア、排気ガス用の中央供給及び処分装置を利用できる、複数の燃料電池スタックを備えることができる。
供給システムの更に別の例示的な実施形態によれば、第１の燃料貯蔵器は、炭化水素の形態で又は液体若しくは気体の水素を有するエンジン燃料をエンジンに供給するように設計できる。また第２の燃料貯蔵器は、液体若しくは気体の水素又はメタノールの形態で燃料電池用燃料を燃料電池に供給するように設計できる。使用する燃料電池のタイプに応じて、燃料電池システムの燃料は、従って、液体若しくは気体の水素又はメタノールでよく、エンジン用燃料は、ケロシンのような炭化水素又は液体若しくは気体の水素のいずれかでよい。また、燃料電池用の水素は、ガス処理装置により炭化水素からも取得できる。ケロシンでエンジンを動作させ、水素で燃料電池を動作させることが好ましい。
更に別の例示的な実施形態によれば、燃料電池は、ポリマー電解質膜型燃料電池又は直接メタノール型燃料電池である。従って、使用する燃料電池のタイプに応じて、燃料電池システムに供給する燃料は、低温又は高温ポリマー電解質膜型燃料電池用の場合に水素であり、また直接メタノール型燃料電池用のメタノールであり、加圧された水素ガスタンク、液体水素用容器、又はメタノールタンクから供給することができる。
第２の燃料貯蔵器及び燃料電池は、燃料電池の廃熱を、第２の燃料貯蔵器から供給される燃料電池用燃料の気化又は予熱、あるいはその両方のために使用できる。従って、燃料電池システムの廃熱は、燃料電池システムの動作に必要であって且つ液体水素貯蔵器から供給される水素を気化させ、予熱するために使用できる。
更に例示的な実施形態によれば、供給システムについては、エンジンを始動させるのに必要な電気エネルギーと圧縮空気を生成し、地上で航空機に電源供給を行い、及び／又は緊急時に電源供給を行うための補助電源装置をもたない。つまり、供給システムは、エンジンを始動させるのに必要な電気エネルギーと圧縮空気を生成し、地上で航空機に電源供給を行い、緊急用電源となる、従来の補助電源装置と完全に置き換わることができる。
また、酸素発生器は基本的に、緊急モードのために設けられ、キャビン減圧の発生時に呼吸用マスクを介して乗客に供給する酸素を、このガス発生器で生成できる。
本発明による航空機の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態はまた、航空機におけるエネルギー供給用の供給システムや、エネルギーを航空機に供給する方法にも適用される。
第２の燃料貯蔵器は、尾翼の背後で航空機の後部領域に位置する１つ以上の容器の形態で実現することができ、１つ以上の取り外し可能なカートリッジの形態で堅固に設置されるか又はその取り付けが可能である。従って、第２の燃料貯蔵器は、特に、液体水素用のタンク又はメタノールタンクとされる。これに関して、水素とメタノールを含む、燃料電池の動作用のタンクだけを尾部に配置することができる。エンジンは、他の場所に位置したタンクから供給を受けることが好ましい。
本発明のある態様では、ブリードエアを供給しないエンジンをもち、エンジンを始動させて電源を供給するための始動発電機を装備した、航空機を提供することが分かる。また、本発明によれば、少なくとも１つのモジュール式に設計した燃料電池システムを設けることもでき、これを、従来の水タンクに対してその全部又は一部と置き換えることができる。エンジンと燃料電池システムには、完全に別個の供給装置から燃料が供給できる。モジュール式の設計は、特に供給部品が故障することを想定した場合の余裕度を考慮する際に、特に重要である。また、これらのモジュールのために中央の供給及び処分用の経路を利用することができる。本発明による燃料電池システムは、全飛行期間中に水を連続して生成できる。但し、必要でない過剰な量の水は、凝縮が起きる前に航空機の機外へと直ちに放出できる。また、このカソードの排気はウィングの除氷に使用することができ、その場合に、空調システムの圧縮機の廃熱もまた使用できる。本発明による空調システムには、電気モータを用いた圧縮機を設けることができる。この圧縮機は直流モータで動作することができる。
本発明の好適な実施形態を図示すると共に、以下に詳説する。
なお、実施形態は図面において概略的に示しており、正確な尺度ではない。また、同一又は同様の構成要素については、異なる図面において同じ参照符号により特定される。
本発明の第１実施形態による、航空機におけるエネルギー供給用の供給システム１００について、図１を参照しながら説明する。
航空機（図示しない）におけるエネルギー供給用の供給システム１００は、航空機を推進させるエンジン１０１を備える。この供給システム１００はまた、電気エネルギーを航空機に供給する燃料電池１０２を備える。ケロシン貯蔵器１０３は、エンジン燃料をエンジン１０１に供給するために設けられている。また水素貯蔵器１０４が設けられ、これはケロシン貯蔵器１０３から機能的にも空間的にも分離している。
供給システム１００は始動発電機１０５を備え、これはエンジン１０１と結合し、エンジン１０１を始動させるエネルギーを生成すると共に電気エネルギーを航空機に供給するように設計される。この始動発電機１０５は特に、制御装置、つまり、航空機におけるエネルギー供給の中心的な制御のために中央制御装置の形態で設けられる装置（調整装置）１０６と接続される。
空気供給装置１０７は、（乗客がいる）与圧キャビン１０８に吸気エアを供給し、空気供給装置１０７（空調システム）は、燃料電池１０２又は始動発電機１０５、あるいはその両方から電気エネルギーの供給を選択的に受けられる。空調システム１０７、又は（吸気した空気を受けて、空調システム１０７用に、この空気を圧縮する）圧縮機１１０、あるいはその両方に対する電気エネルギーの供給については、電気制御装置１０６によって制御される。
また給水装置１０９が給水用に設けられており、この給水装置１０９は、燃料電池１０２の動作中に溜まる水蒸気から水を得るように設計される。給水装置１０９では、凝縮器１１１が燃料電池１０２の出口と結合し、この燃料電池１０２は水蒸気を凝縮器に送出する。凝縮器１１１が水蒸気を凝縮させることで水が得られ、この液体の水が飲料水調整装置１１２に送られる。飲料水調整装置１１２の出口から、水消費部１１３（例えば、洗面所や調理室など）に給水される。水消費部１１３で使用した水は、排水タンク１１４へと排出される。
燃料電池１０２を動作させるために、酸素は、水素貯蔵器１０４から燃料電池１０２に供給される水素燃料に加えて、酸化剤として必要である。酸素を含む吸気が、換気装置１１５によって与圧キャビン１０８から燃料電池１０２に供給される。燃料電池１０２は、燃料電池１０２の動作に必要な燃料の出発材料（すなわち、酸素）を与圧キャビン１０８から燃料電池１０２に供給できるように、与圧キャビン１０８と結合している。
過剰な量の空気又は水、あるいはその両方を、燃料電池１０２から放出することができる（図１参照）。また吸気エアがエンジン１０１に供給され、排気ガスがエンジン１０１から放出される。
以下に、本発明の第２実施形態による供給システム２００について、図２を参照しながら説明する。
供給システム１００とは異なり、酸素発生器２０１が供給システム２００に設置されており、この酸素発生器は圧縮機１１０の出口と結合されることで、圧縮した吸気を酸素発生器２０１に供給できる。酸素発生器２０１は、モレキュラー・シーブを用いて、吸気から、例えば酸素富化ガスを生成し、この酸素富化ガスを空調システム１０７に送ると共に、代替として又は追加的に、燃料電池１０２又は緊急酸素供給装置２０２あるいはその両方に送ることができる。
本発明の第３実施形態による供給システム３００について、図３を参照しながら説明する。
供給システム３００では、水性ガスを含む燃料電池１０２の不要な生成物がヒートポンプ３０１に送られる。復水は、貯水容器３０２に中間的に溜め込まれ、例えば、図１又は図２を参照して既述したように、更に処理することができる。また復水又は水蒸気は、熱交換器３０４を介して、航空機のウィングの除氷機能をもったウィング除氷装置３０５に送ることができる。
本発明の実施については、図示した好ましい実施形態に限定されない。それどころか、本発明による既述の解決策及び原理を基本的に異なる実施形態で利用した、数多くの変形例を構成することも考えられる。
「備える」という語は、任意の他の構成要素又はステップを除外せず、「１つの」という語は複数の意味を除外しないことにも留意すべきである。また、前記実施形態の１つを参照して述べた特徴又はステップは、他の前述の実施形態の異なる特徴又はステップと組み合わせて使用できることにも留意されたい。請求項の参照符号は、限定の意味に解すべきでない。
本発明の第１実施形態による航空機のエネルギー供給のための供給システムを示す図である。 本発明の第２実施形態による航空機のエネルギー供給のための供給システムを示す図である。 本発明の第３実施形態による航空機のエネルギー供給のための供給システムを示す図である。
符号の説明
１００ 供給システム
１０１ エンジン
１０２ 燃料電池
１０３ ケロシン貯蔵器
１０４ 水素貯蔵器
１０５ 始動発電機
１０６ 制御装置
１０７ 空気供給装置
１０８ 与圧キャビン
１０９ 給水装置
１１０ 圧縮機
１１１ 凝縮器
１１２ 飲料水調整装置
１１３ 水消費部
１１４ 排水タンク
１１５ 換気装置
２００ 供給システム
２０１ 酸素発生器
２０２ 緊急酸素供給装置
３００ 供給システム
３０１ ヒートポンプ
３０２ 中間貯水容器
３０３ ポンプ
３０４ 熱交換器
３０５ ウィング除氷装置

Claims (28)

  1. 航空機におけるエネルギー供給のための供給システムであって、
    航空機を推進させるエンジンと、
    航空機に電気エネルギーを供給する燃料電池と、
    エンジンにエンジン燃料を供給する第１の燃料貯蔵器と、
    燃料電池に燃料電池用燃料を供給する第２の燃料貯蔵器と、を備え、
    前記第１の燃料貯蔵器は、前記第２の燃料貯蔵器から機能的に分離されて、別個に配置される、供給システム。
  2. 前記燃料電池と結合されたウィング除氷装置を備え、前記燃料電池の動作中に溜まる燃料生成物に基づいて、前記ウィング除氷装置によってウィングの着氷を除去可能にした、請求項１に記載の供給システム。
  3. 前記供給システムは、前記燃料電池の動作中に燃料生成物として溜まる水蒸気が、水を得るためにウィングの除氷前に凝縮するように設計され、残りの燃料生成物はヒートポンプにより加熱され、加熱された燃料生成物が前記ウィング除氷装置に送られる、請求項２に記載の供給システム。
  4. 前記供給システムは、残りの燃料生成物が前記燃料電池のアノードの排気ガスと混合され、かつ供給された水素と共に再加熱器で加熱されるように設計される、請求項３に記載の供給システム。
  5. 前記エンジンに結合され、前記エンジンを始動させるためのエネルギーを生成する共に電気エネルギーを航空機に供給するように設計された発電装置を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の供給システム。
  6. 航空機におけるエネルギー供給の中央制御のために設計された中央制御装置を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の供給システム。
  7. 呼吸用空気をキャビンに供給する空気供給装置を備え、該空気供給装置は、前記燃料電池又は前記発電装置あるいはその両方によって電気エネルギーの供給を受けられる、請求項５に記載の供給システム。
  8. 圧縮ガスを空気供給装置に供給するための圧縮機を備える、請求項６に記載の供給システム。
  9. 前記圧縮機を駆動するように設計された直流モータを備える、請求項８に記載の供給システム。
  10. 水を連続的に生成するための給水装置を備え、該給水装置は、前記燃料電池の動作中に溜まる燃料生成物から水を得るように設計される、請求項１から９のいずれか１項に記載の供給システム。
  11. 飲料水を調達するために、得られた水を調整する水質調整装置を備える、請求項１０に記載の供給システム。
  12. 真空システムによって使用済みの水を排出して収集タンクに排水を溜めて、地上で排水を処分するための排水処分装置を備える、請求項１０又は１１に記載の供給システム。
  13. 凝縮が起こる前に、前記燃料電池の動作中に溜まる燃料生成物の過剰な量の水を放出するための放出装置を備える、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の供給システム。
  14. 前記燃料電池がキャビンに結合されることで、前記燃料電池の動作に必要な燃料電池の燃料出発材料をキャビンから供給できるようにした、請求項７から１３のいずれか１項に記載の供給システム。
  15. 前記燃料電池が航空機の外周部と結合されることで、前記燃料電池の動作に必要な前記燃料電池の燃料出発材料を航空機の外周部から供給できるようにした、請求項１から１４のいずれか１項に記載の供給システム。
  16. 空気供給装置が航空機の外周部と結合されることで、キャビンに呼吸用空気を送るために、空気を航空機の外周部から供給できるようにした、請求項７から１５のいずれか１項に記載の供給システム。
  17. 酸素発生器を備え、キャビンに酸素富化の呼吸用空気を送るために、前記酸素発生器を介して前記空気供給装置が航空機の外周部と結合される、請求項１６に記載の供給システム。
  18. 前記酸素発生器は圧縮空気を用いて動作し、モレキュラー・シーブの原理に従ってガス分離を行うように設計される、請求項１７に記載の供給システム。
  19. 前記酸素発生器は、航空機が正規モードで動作している場合に、前記空気供給装置が供給する呼吸用空気の酸素分圧を増加させるように設計される、請求項１７又は１８に記載の供給システム。
  20. 前記供給システムは、前記酸素発生器の動作中に溜まる酸素の希薄な空気が前記燃料電池の筐体のパージに使用できるように設計される、請求項１７から１９のいずれか１項に記載の供給システム。
  21. 前記供給システムは、前記酸素発生器の動作中に溜まる酸素の希薄な空気が、前記第１の燃料貯蔵器又は前記第２の燃料貯蔵器、あるいはその両方に溜まる気相の炭化水素に衝突作用を及ぼすために使用できるように設計される、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の供給システム。
  22. 前記燃料電池は、中央供給装置及び処分装置を利用する複数の燃料電池スタックを備えた、モジュール式に設計されたシステムである、請求項１から２１のいずれか１項に記載の供給システム。
  23. 前記第１の燃料貯蔵器は、液体若しくは気体の水素又はメタノールの形態でエンジン燃料を前記エンジンに供給するように設計される、請求項１から２２のいずれか１項に記載の供給システム。
  24. 前記第２の燃料貯蔵器は、液体若しくは気体の水素又はメタノールの形態で前記燃料電池用燃料を前記燃料電池に供給するように設計される、請求項１から２３のいずれか１項に記載の供給システム。
  25. 燃料電池は、ポリマー電解質膜型燃料電池又は直接メタノール型燃料電池である、請求項１から２４に記載の供給システム。
  26. 前記第２の燃料貯蔵器と前記燃料電池が結合されることで、前記第２の燃料貯蔵器から供給される前記燃料電池用燃料を気化させ又は予熱し、あるいはその両方を行うために前記燃料電池の廃熱を使用できるようにした、請求項１から２５のいずれか１項に記載の供給システム。
  27. 前記供給システムには、前記エンジンの始動に必要な電気エネルギー及び圧縮空気を生成し、地上での航空機への電源供給又は緊急用の電源供給あるいはその両方を行うための補助電源装置が無い、請求項１から２６に記載の供給システム。
  28. 航空機にエネルギーを供給する方法であって、
    エンジンによって航空機を推進させ、
    燃料電池によって電気エネルギーを航空機に供給し、
    第１の燃料貯蔵器からエンジン燃料を前記エンジンに供給し、
    第２の燃料貯蔵器から燃料電池用燃料を前記燃料電池に供給し、
    前記第１の燃料貯蔵器と前記第２の燃料貯蔵器とを機能的に分離して、別々に配置させる、ことを含む方法。
JP2007543788A 2004-12-03 2005-12-02 航空機におけるエネルギー供給のための供給システム、航空機、及びエネルギーを航空機に供給する方法 Expired - Fee Related JP5134371B2 (ja)

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