JP2009508295A - 飲料水および酸素を供給する燃料電池システム - Google Patents

飲料水および酸素を供給する燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】飲料水および酸素を乗り物に供給する燃料電池システムであって、燃料電池および空気カソードを有する電解セルを含む前記燃料電池システムを提供する。
【解決手段】飲料水および酸素を乗り物に供給する燃料電池システムであって、燃料電池と、電解セルとを含み、電解セルは、空気カソードをさらに含み、燃料電池に接続され、燃料電池および電解セルは、燃料電池および電解セルは、燃料電池から供給される電源によって電解セルの必要電力が賄われるように設計される燃料電池システムである。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００５年９月８日に出願された米国特許仮出願第６０／７１５ ２７７号ならびに２００６年１月１８日に出願された米国特許仮出願第６０／７５９ ８８８号および２００５年９月８日に出願された独国特許出願第１０ ２００５ ０４２ ７４９．９号ならびに２００６年１月１８日に出願された独国特許出願第１０ ２００６ ００２ ４７０．２号の優先権を主張し、これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
本発明は、飲料水および酸素を供給する燃料電池システムに関する。特に、本発明は、航空機または重航空機用の飲料水および酸素を供給する燃料電池システム、飲料水および酸素を供給する燃料電池システムを含む航空機および対応する飲料水および酸素を供給する燃料電池システムの航空機内での使用に関する。
従来の民間航空機では、乗客に供給する飲料水は、機内の貯蔵タンクに保存され、飛行中に貯蔵タンクから乗客に配られる。これは、飛行前に全必要水量をタンクに満たし、エンジン力によって飛行高度まで上げなければならないことを意味する。
さらに飛行高度で、乗客は呼吸用の空気を十分に必要とし、その空気は、航空機の空調システムによって供給される。空調システムは、エンジンの圧縮機段から次々に圧縮空気を取り出すことから、圧縮空気を得るためにエンジン力が必要となる。
乗客が客室内で円滑に移動できるようにするため、航空機は、人体が許容できる範囲に気圧を維持する与圧客室と呼ばれるものを備えている。通常、かかる与圧客室は、約７５０ｈＰａの圧力範囲で操作される。この圧力範囲は、海抜２，４５０ｍの気圧にほぼ一致する。これは、高度１０，０００ｍの平均外圧が約２６０ｈＰａであることから、外圧と客室内圧力との差圧は、約４９０ｈＰａで維持されることを意味する。差圧は、客室によって調整または構造的に吸収する必要がある。
最新の民間航空機は、平均飛行高度が約１２，０００ｍとなることを目指している。この高度の平均外圧は、約１９０ｈＰａである。したがって、従来の設計については、客室圧力および外部の気圧間の差圧は約５６０ｈＰａであることが導き出される。この差圧によって、客室の構造を強化する他の対策が必要となることから、重量がさらにかかり、しいては全燃料消費量が増加することを意味する。
本発明の目的は、乗り物に飲料水および酸素を供給する効率的なシステムに提供することである。
この目的は、本願の特許請求の範囲に記載する特徴による航空機または重航空機に飲料水および酸素を供給する燃料電池システムと、飲料水および酸素を供給する燃料電池システムを含む航空機と、航空機の対応する飲料水および酸素を供給する燃料電池システムの使用によって達成される。
本発明の一実施形態によれば、上記の目的は、飲料水および酸素を航空機に供給し、燃料電池および電解セルを含む燃料電池システムによって達成される。電解セルは、空気カソードをさらに含み、燃料電池に接続される。燃料電池および電解セルは、燃料電池からの電源供給によって電解セルの必要電力を賄うように設計される。
本発明の一実施形態の基本的な考えは、燃料電池と、空気カソードを含む（すなわち空気カソードを有する電解セルを形成する）電解セルが、共に接続して燃料電池システムを形成することによって、燃料電池は、電解セルのエネルギー供給として用いることができるということである。好ましくは、燃料電池が電解セルのすべての必要電力を賄うように、電解セルと関連付けながら燃料電池を設計してもよい。
本発明の一実施形態による燃料電池システムは、航空機の客室供給に関する様々な要求を統合することができるシステムを構築することができる。また、かかる統合性が高いシステムは、純酸素を生成するために用いることができる。これは、電解セルによって生成され、酸素分圧を増加（すなわち、乗り物（航空機など）の乗客および乗員の呼吸用空気中の酸素と窒素の構成比を酸素が増えるように変更）するのに利用することができる。これにより、客室圧力が減少する傾向となり、飛行高度が高くなると発生しうる傾向と反対に作用し、客室にかかる機械的応力が減少することから、構造部材の軽量化を達成することができる。例えば、客室気圧のために酸素分圧を増加させることによって、約６００ｈＰａの値を達成することができる。これは、上記の従来の差圧（約４９０ｈＰａ）によって、他の構造補強やその構造補強して重量を増加しないで約１５，５００ｍの飛行高度を達成することができることを意味する。さらに、今日の通常の飛行高度を保持すると同時に、それに応じて客室の構造を軽量化することができる。双方とも、燃料を大幅に節約する一助となりうる。
また、酸素分圧を増加させると同時に二酸化炭素（ＣＯ２）分圧を減少させ、７５０ｈＰａの従来の客室圧力を保持すると共に乗客の快適さを増大させることもできる。呼吸用空気のＣＯ２値が増大すると、乗客に攻撃性が現れる確率がわずかに増大すると共に、頭痛および倦怠感が発症すると考えられる原因の１つとなることが医学的に知られている。
また、軽量化するために、飲料水は、貯蔵タンクに保存して飛行高度に持ち上げる必要はなく、燃料電池の水素および酸素から生成でき、乗客による消費に利用可能であることから、水素のみを保存すればよいことが考えられる。したがって、本発明の１つの効果によって、燃料電池システムは、今日の乗り物（特に航空機）内の水の消費者に供給する真水を生成できると考えられる。かかる水の消費者は、例えば、洗面領域、トイレおよび機内キッチンである。しかしながら、今後考えられる水の消費者（上記の他に例えばシャワー空気加湿システムおよび自動飲料ディスペンサ）は、本発明による燃料電池システムによって真水を得ることができる。特に、燃料電池システムによって、航空機の離陸および飛行中の水負荷の減少させることができる。
これにより、大幅に軽量化できることから、特に上昇時（他の飛行段階を含む）の必要な力を減少させ、必要燃料を大幅に減少させることができる。また、規定の水質を均一にすることができる
本発明の更なる目的、実施形態および効果は、本願の特許請求の範囲に記載する他の独立請求項および従属請求項から得ることができる。
燃料電池システムの実施形態は、以下により詳細に記載されている。
一実施形態では、燃料電池はアノード側およびカソード側を含み、電解セルはアノード側およびカソード側を含む。さらに、電解側のカソード側は、燃料電池のカソード側に接続される。
かかる接続によって、湿潤空気は、抽出ガスとして電解セルのカソード側から燃料電池のカソード側に直接送られてもよくあるいはカソード反応に必要な空気流に混合してもよい。電解セルからのカソードの過剰な空気を凝縮してもよく、カソード反応から生成される生成水を燃料電池のカソード空気流に送ってもよい。
この場合、電解セルのカソード側では、以下の反応式による反応が発生することが好ましい。
１／２Ｏ２（空気）＋ ２Ｈ＋（膜）＋ ２ｅ−→Ｈ２Ｏ（液体）
この場合、電解セルのアノード側では、以下の反応式による反応が発生することが好ましい。
Ｈ２Ｏ（液体）→１／２Ｏ２（純酸素）＋ ２Ｈ＋（膜）＋２ｅ−。
燃料電池システムの他の実施形態では、燃料電池はアノード側およびカソード側を含み、電解セルはアノード側およびカソード側を含む。さらに、電解セルのカソード側は、燃料電池のアノード側に接続される。
電解セルと燃料電池のかかる接続によって、電解セルの膜を通ってカソード側に送られる水素が燃料電池のアノード側に送られるため、電解セルが必要とする外部水素を減少させることができる。
別の実施形態では、水素または改質ガスがアノード側に送られるように燃料電池が配置される。
かかる配置によって、燃焼ガスとして水素または水素および二酸化炭素からなる改質ガスがアノード側に送ることができる。
燃料電池システムの他の実施形態では、電解セルは、乗り物の客室からの空気がカソード側に送られるように配置される。
この配置によって、カソード側の電解セルの膜を浸透する電解処理による水素は、客室空気中の酸素と結合することができることから、客室空気（抽出ガスとして燃料電池に送られると考えられる）が加湿される。
また、別の実施形態では、燃料電池システムは熱交換器を含む。熱交換器は、燃料電池のカソード側から送られる空気を冷却するように配置される。
燃料電池のカソード側の排気を冷却できることから、燃料電池で生成される水を凝縮することができる。この水は、水タンクに保存でき、後に航空機の水の消費者用の真水として使用することができる。
他の実施形態では、燃料電池システムは、他の熱交換器をさらに含み、熱交換器は、電解セルのアノード側から送られる空気を冷却するように配置される。
その結果、電解セルのアノード側から出る空気によって第１の酸素／水の分離（すなわちこの得られた空気または排出された空気の第１の乾燥）を実施することができる。この処理で収集される水は、電解セルのアノード側に戻してもよい。
別の実施形態では、燃料電池システムは冷却流路をさらに含み、冷却流路は燃料電池を冷却するように燃料電池に接続される。
かかる冷却流路は、例えば、冷却媒体としての外気または大気によって、必要に応じて燃料電池を冷却するために航空機で用いることができる。
また、燃料電池システムの別の実施形態では、燃料電池は低温燃料電池であり、好ましくはプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。あるいは、本発明によれば、燃料電池は、他のあらゆる公知の型の燃料電池として設計されてもよい。かかる低温燃料電池は、例えば６０℃〜８０℃の温度で操作できるように設計してもよい。
また、燃料電池システムの別の実施形態は、高温ＰＥＭ燃料電池である。あるいは、本発明によれば、燃料電池は、他のあらゆる公知の型の燃料電池として設計されてもよい。かかる高温ＰＥＭ燃料電池は、例えば１２０℃〜３００℃の温度で操作できるように設計してもよい。
また、燃料電池システムの別の実施形態では、電解セルは、触媒を有する高分子膜電解セルとして設計される。あるいは、電解セルは、下流にある燃料電池の温度に適合する別の型の電解セルとして設計されてもよい。
別の実施形態では、燃料電池システムは、複数の燃料電池および複数の電解セルをさらに含む。複数の燃料電池および電解セルを備えることによって、エネルギーまたは酸素に関してあらゆる所望の性能を得ることができる。
燃料電池システムの別の実施形態では、燃料電池および電解セルは接続されてスタックを形成し、燃料電池から電解セルに電源を直接供給する。
この場合、電解セルおよび燃料電池は、１つのスタックにする（すなわち、個々の配置要素を１つの機械的な結合体に組み合わせる）ことが可能であることから、ケーブル材を節約することができる。
燃料電池システムの別の実施形態では、燃料電池と電解セルとの出力電力比は、燃料電池からの出力電力が電解セルの必要電力に対して正確に一致するように選択される。別の方法では、燃料電池からの出力電力は、燃料電池が電解セルに供給でき、余剰電力を生成しない（すなわち、燃料電池からの出力電力は、電解セルおよび純酸素ならびに水の生成に必要な電力と一致する）ように選択される。この場合、システムの制御は、導入される媒体のみ（すなわち水、水素および客室空気）によって好ましく実施されることから、燃料電池から機内のネットワークに送達されるエネルギーを調節する電気レギュレータおよびトランスフォーマを設置する必要がなくなる。かかる燃料電池システムをまとめるか、あるいは統合して単一のスタックを形成する場合、すべての外部接続が節約されることから、ケーブル材を節約することができる。
燃料電池システムの別の実施形態によれば、燃料電池と電解セルとの出力電力比は、燃料電池からの出力電力が燃料電池システムおよび電解セルのすべての補助機器が必要とする電力に対して正確に一致するように選択される。別の方法では、燃料電池は、電解セルの消費電力に対して過剰量の電力を生成し、その量は、燃料電池システムのすべての外部の消費者（例えばポンプまたは圧縮器）を操作するの十分な量である（すなわち、燃料電池システムは、システム固有のエネルギー必要量を賄うことができる）。また、燃料電池用の燃焼ガスを生成するために、改質装置に水を供給してもよい。この設計によって、燃料電池から機内のネットワークに送達されるエネルギーを調節する電気レギュレータおよびトランスフォーマを不要にすることができる。
燃料電池システムの別の実施形態によれば、燃料電池と電解セルとの電力比は、燃料電池からの出力電力が燃料電池システムおよび電解セルのすべての補助機器が必要とする電力に対してより高くなるように選択される。好ましくは、燃料電池システムは、電力インバータおよび電圧コンバータまたは電圧トランスフォーマを含み、電力インバータおよび電圧トランスフォーマは、燃料電池から乗り物内のネットワークに電力を供給するように設計される。
これによって、乗り物内のネットワークにエネルギーを送ることができる。本明細書に記載する制限パラメータは、燃料電池の必要水分量であってよく、この必要水分量は、電解セルによって賄うことができる。本発明で第１の態様は、酸素および航空機の機内で必要とされる真水を生成するように構成され、電解セルの必要電力およびすべての補助装置が必要とする電力が燃料電池による電気エネルギーの供給によって完全に賄われ、電力が航空機内のネットワークに全く供給されないように出力電力比が選択される。この場合、電解セルは、アノードの水を電気分解して水素および酸素を生成し、航空機の客室からカソード側に導入される空気中に含まれる酸素と水素を再結合して水を生成することによって下流にある燃料電池を加湿するに利用される。好ましくは、燃料電池はＰＥＭＦＣ型の低温燃料電池であり、および／または、電解セルは触媒を有する高分子膜による電解セルである。電解セルは、空気カソードをさらに含み、すなわち空気カソードを有する電解セルとして設計される。
第１の態様の実施形態では、電解セルおよび燃料電池を組み合わせてスタックを形成することから、電解セルには、燃料電池からエネルギーが直接供給され、燃料電池には、電解セルからカソード側の抽出ガス「湿潤空気」が直接供給され、燃料電池には、電解セルからカソード側の抽出ガス「湿潤空気」が直接供給される。また、アノード側の燃料電池に送られる燃焼ガスは、水素または水素と二酸化炭素からなる改質ガスからなる。
本発明の第２の態様は、酸素および航空機の機内で必要とされる真水を生成するように構成され、その構成は、電解セルおよび燃料電池からなるかあるいは含み、電解セルの必要電力が燃料電池による電気エネルギーによって賄われ、さらに余剰電力が航空機内ネットワークに供給されるように、出力電力比が選択されるという事実で捕らえてもよい。この場合、電解セルは、アノードの水を電気分解して水素および酸素を生成し、航空機の客室からカソード側に導入される空気中に含まれる酸素と水素を再結合して水を生成することによって下流にある燃料電池を加湿するに利用される。好ましくは、燃料電池はＰＥＭＦＣ型の低温燃料電池であり、および／または、電解セルは触媒を有する高分子膜による電解セルである。電解セルは、空気カソードをさらに含み、すなわち空気カソードを有する電解セルとして設計される。
第２の態様の一実施形態では、電解セルおよび燃料電池は、スタック内で組み合わせてもよく、電解セルには、燃料電池からエネルギーが直接供給され、燃料電池には、電解セルからカソード側の抽出ガスである「湿潤空気」が直接供給される。また、アノード側の燃料電池に送られる燃焼ガスは、水素または水素と二酸化炭素からなる改質ガスからなる。
第２の態様の他の実施形態では、インバータおよび電圧トランスフォーマは、機内ネットワークにエネルギーを供給するために設けてもよく、燃料電池および供給点の間に接続され、機内ネットワークの電圧、電圧および周波数に対して燃料電池からの電気エネルギーを調節する。
本発明の他の態様は、効果モードを有する２つの部分からなる燃料電池システムを生成するという点で本発明を捕らえてもよい。この場合、第１の部分は、空気および水素によって操作される燃料電池であり、好ましくは低温燃料電池（例えばプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池））であり、第２の部分は、電解セルであり、好ましくは、低温電解セル（例えばプロトン交換膜電解セル）である。原則として、燃料電池および電解セルは同類である。主な違いは、触媒の種類のみである。電解セルと燃料電池との大きさの比率（言わば出力電力比）は、目的の用途、（すなわち、燃料電池が、電力を燃料電池システムの電解セルのみに供給するのかあるいは他の補助装置にも供給するのか、機内ネットワークにさらに供給するか）に応じて求められる。電解セルは、空気カソードをさらに含み、すなわち空気カソードを有する電解セルとして設計される。
本発明の他の態様は、酸素および航空機の機内で必要とされる真水を生成するように構成され、その構成は、電解セルおよび燃料電池からなるかあるいは含み、電解セルの必要電力とすべての補助機器が必要とする電力は、燃料電池によって完全に賄われ、電力が航空機内のネットワークに全く供給されないように出力電力比が選択されるという事実で捕らえてもよい。本明細書では、電解セルは、アノードの水を電気分解して水素および酸素を生成するために利用でき、生成した水素は、下流にある燃料電池のアノード側に送られる。好ましくは、燃料電池は、６０℃〜８０℃の温度で操作するＰＥＭＦＣ型の低温燃料電池であるかあるいは２０℃〜３００℃の温度で操作するＰＥＭＦＣ型の高温燃料電池である。さらにまた、電解セルは、触媒を有する高分子膜による電解セルであってもよい。
このような態様の実施形態では、電解セルおよび燃料電池を組み合わせてスタックを形成してもよく、電解セルには、燃料電池からエネルギーが直接供給され、また、燃料電池のアノード側に送られる燃焼ガスは、水素または水素と二酸化炭素からなる改質ガスからなる。
本発明の他の態様は、航空機内の要件のための酸素および真水を生成するために設けられるように構成され、その構成は、電解セルおよび燃料電池からなるかあるいは含み、電解セルの必要電力が燃料電池による電気エネルギーの供給によって賄われ、さらに余剰電力が航空機内ネットワークに供給されるように、出力電力比が選択されるという事実で捕らえることができる。生成される水素と客室から空気中の酸素との再結合によって燃料電池を空気加湿するシステムと、燃料電池を空気加湿する水熱交換器を有するものの、燃料電池のアノードで生成した水素を供給するシステムの２つの異なるシステムに分割することができる。このような場合は、別々に考慮することができる。また、燃料電池は、ＰＥＭＦＣとは別の型の燃料電池であってもよく、この別の型の燃料電池は、燃料水素または改質ガスを有するアノードで操作することができる。さらにまた、電解セルは、触媒を有する高分子膜による電解セルであってもよくあるいは下流にある燃料電池の温度に調節される別の型の電解セルであってもよい。
このような態様の実施形態では、電解セルおよび燃料電池を組み合わせてスタックを形成してもよく、電解セルには、燃料電池からエネルギーが直接供給され、また、アノード側の燃料電池に送られる燃焼ガスは、水素または水素および二酸化炭素からなる改質ガスからなる。インバータおよび電圧トランスフォーマは、機内ネットワークにエネルギーを供給するために設けられ、燃料電池および供給点の間に接続され、機内ネットワークの電圧、電流および周波数に対して燃料電池からの電気エネルギーを調節する。
上記の実施形態または態様の１つに関して記載する特徴またはステップは、上記の他の実施形態または態様の特徴またはステップを組み合わせて用いることができるという事実に沿って参照してもよい。
本発明は、実施形態の例に基づき、図面を参照しながら以下にさらに詳述する。
以下の図の説明において、同一または同様の要素に同一または同様の符号を用いる。
図１は、本発明の一実施形態による飲料水および酸素を航空機に供給する燃料電池システムの図である。図１に示すように、燃料装置１００は、アノード側１０２およびカソード側１０３を有する燃料電池１０１を含む。燃料電池１０１は、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）として設計される。膜１０４は、アノード側１０２およびカソード側１０３との間に概略的に示される。燃料電池１０１のアノード側１０２は、弁１０６を有する供給ライン１０５および弁１０８を有する排出ライン１０７を示す。燃料電池１０１のカソード側１０３は、供給路１０９およびバルブ１１１を有する排出路１１０を含む。図１に示していないが、さらに他の酸素送出路に供給路１０９を接続できることが好ましい。排出路１１０は、燃料電池システム１００の第１の熱交換器１１２に接続される。また、第１の熱交換器１１２は、復水排出器１１３に接続され、復水排出器１１３は、第１の熱交換器１１２で凝縮された水を貯蔵する貯蔵タンク１１４に接続される。貯蔵タンク１１４には、排出路１１５が設けられ、バルブ１１６によって貯蔵タンク１１４の過剰の水を排出するときに利用される。さらに、復水排出器１１３は、排気を航空機（すなわち航空機の与圧客室）から放出できる放出口１１８にフィルタ１１７を介して接続される。
さらにまた、燃料電池システム１００は、アノード側１２０およびカソード側１２１を有する電解セル１１９を含む。電解セル１１９のカソード側１２１は、空気カソードと呼ばれるものとして設計され、供給路１２２を含み、供給路１２２は、バルブ１２３およびフィルタ１２４を介して導入口１２５に接続され、導入口１２５によって、与圧客室から電解セル１１９のカソード側１２１に空気を導入できる。電解セル１１９のカソード側１２１からの排出路１２６は、燃料電池１０１のカソード側１０３の供給路１０９に接続される。電解セル１１９のアノード側１２０からの排出路１２７は、第２の熱交換器１２８に接続され、第２の熱交換器１２８は、ガス排出路１２９を含み、第３の熱交換器１３０およびポンプ１３１を介して放出口に接続され、放出口から与圧客室に酸素を導入することができる。第２の熱交換器１２８は、電解セル１１９のアノード側１２０の水／酸素混合気体の酸素／水を分離するために利用される。第２の熱交換器１２８の水排出路１３２は、循環ポンプ１３３およびバルブ１３４を介して電解セル１１９のアノード側１２０の導入口に接続される。さらにまた、第２の熱交換器１２８は、バルブ１３６、ポンプ１３７および更なるバルブ１３８を介して貯蔵タンク１１４の排出口に接続される水入口１３５を含む。貯蔵タンク１１４の排出口は、バルブ１３９およびポンプ１４０を介して航空機の飲料水システムにさらに接続される。
さらにまた、燃料電池システム１００は航空機の外気に通じる冷却流路１４１を含む。冷却流路１４１は、第１の熱交換器１１２、第２の熱交換器１２８、第３の熱交換器１３０および燃料電池１０１を冷却するために利用される。
図１に示す燃料電池システムの機能は、以下に詳細に記載する。
水は、貯水ホルダとして利用される貯蔵タンク１１４および／または第２の熱交換器１２８を介して水循環路からポンプ１３３によって電解セル１１９に送られる。この水は、電解セル１１９にかけられる電圧によって２ＨおよびＯ（すなわち水素および酸素）に分解される。このようにして得られた酸素原子は、酸素分子Ｏ２を生成し、第２の熱交換器１２８によって実施され、航空機の空調システムの通風装置を介して送られ、酸素比率が増加した呼吸用空気を客室および乗客に供給する。
電解セル１１９のカソード側に客室からの排気が供給される。客室空気は、客室と外気の間にシステム全体に存在する差圧のために送られる。電解セル１１９のカソード１２１では、電解処理から得られる水素（電解セル１１９の膜を介してアノード１２０からカソード１２１へ流れる）は、客室空気に含まれる酸素と結合して水（電解セルを介して流れる客室の空気を加湿する）を生成する。ここで、電解セル１１９（基本的にＮ２、Ｏ２およびＨ２Ｏを含む）からの湿潤空気は、燃料電池１０１のカソード１０３に送られる。さらに、他の給気口路が供給路１０９に接続される場合、燃料電池１０１のカソード側に他の空気を送ることができる。アノード１０２の水素を送ると同時に、例えば電解セルによって得られる電気的負荷（すなわち消費者の電気エネルギー）をかけることによってさらなる水が生成される。次に、燃料電池内の排気中のすべての水成分は、第１の熱交換器１１２で凝縮される。凝縮された水成分は、タンク１１４およびポンプ１３７を介して電解セルのアノード側に送られ、以下の反応式に従って再び水分損失が実施される。
Ｈ２Ｏ（液体）→１／２Ｏ２（純酸素）＋ ２Ｈ＋（膜）＋２ｅ−。
アノード側の水分損失量は、カソード側の水生成量に等しい。
記載するシステムを冷却するために、冷却流路が用いられ、１次冷却媒体として外気を用い、２次冷却媒体として図１に示す配管システムを介して冷却液を熱交換器に送り込む。主に必要とされる熱交換器は、冷却流路から廃熱を外気に放出する冷却器と、空調システムのために、所望な残留湿度まで酸素を乾燥する第３の熱交換器１３０と、アノード水循環路を冷却する作用を有する第２の熱交換器１２８と、燃料電池１０１のカソード排気中に存在する空気湿度の凝縮の効果を有する第１の熱交換器１１２である。第１の熱交換器１１２で生成される復水は、復水排出路１１３を介して貯蔵タンク１１４に送られ、貯蔵タンク１１４は、中間の貯蔵タンクの緩衝タンクとして利用され、乗客が消費する飲料水または電解セル１１９用の水資源として利用される。
さらに、冷却流路は、航空機の様々なシステム用の加熱機能（例えば、凍結からの水タンクを保護）を担う他の熱交換器を備えてもよい。
上記の液状冷却媒体の代わりに気体状冷却媒体、液状冷却媒体と気体状冷却媒体の組み合わせまたは液体からガスへと加熱し、ガスから液体に冷却して凝集体の状態を変化させる冷却媒体を用いてもよい。その凝集体の状態を変化させる冷却媒体の場合、凝縮温度および沸騰温度は、熱交換器の温度の範囲内となる（つまり、冷却媒体の凝集体の状態は熱交換器で変化する）ように選択される。
図２は、本発明の他の実施形態による飲料水および酸素を航空機に供給する燃料電池の図である。但し、図１の実施形態と図２の実施形態の異なる点は、電解セルのカソード側が、燃料電池のアノード側に接続されることである。図２に示すように、燃料装置２００は、アノード側２０２およびカソード側２０３を有する燃料電池２０１を含む。燃料電池２０１は、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）として設計される。膜１０４は、アノード側２０２およびカソード側２０３との間に概略的に示される。燃料電池２０１のアノード側２０２は、バルブ２０６を有する第１の送出路２０５およびバルブ２０８を有する第２の送出路２０７を含む。
燃料電池２０１のカソード側２０３は、水交換器および／または熱交換器がカソード側２０３の給気とカソード側２０３の排気口の間に配置されるように水熱交換器２５０に接続される供給路２０９と排出路２１０を含む。このため、カソード側の送出路２０９は、水熱交換器２５０の第１側部２５１に接続されると同時に水熱交換器２５０に接続される第１の排出路であることを示す。水熱交換器２５０の第１側部の水熱交換器２５０の第１の送出路２５２は、水熱交換器２５０に客室空気を送ることができるようにバルブ２５３を介して客室に接続される。さらにまた、カソード側２０３の給気およびカソード側２０３の排気の水交換および／または熱交換のために、カソード側２０３の排出路２１０は、水熱交換器２５０の第２側部２５３に接続される。水熱交換器２５０の第２側部２５４の第２の排出路２５５は、燃料電池システム２００の第１の熱交換器２１２に接続される。
第１の熱交換器２１２は、復水排出路２１３にも接続され、復水排出路２１３は、第１の熱交換器２１２で凝縮された水を貯蔵する貯蔵タンク２１４に接続される。貯蔵タンク２１４には、排出路２１５が設けられ、バルブ２１６によって貯蔵タンク２１４の過剰の水を排出するときに利用される。さらに、復水排出器２１３は、排気を航空機（すなわち航空機の与圧客室）から放出できる放出口２１８にフィルタ２１７を介して接続される。
さらにまた、燃料電池システム２００は、アノード側２２０およびカソード側２２１を有する電解セル２１９を含む。電解セル２１９のカソード側２２１は、空気カソードとして知られているものとして設計され、必要に応じて、バルブ２２３によって水素を排出するために利用できる第１の排出路２２２を含む。電解セル２１９のカソード側２２１の第２の排出路は、燃料電池２０１のアノード側２０２の第２の送出路２０７に接続され、燃料として水素（電解セル２１９で生成される）を燃料電池２０１に送るために利用される。電解セル２１９のアノード側２２０の排出路２２７は、第２の熱交換器２２８に接続され、第２の熱交換器２２８は、ガス排出路２２９を示し、第３の熱交換器２３０およびポンプ２３１を介して放出口に接続され、放出口から与圧客室に酸素を送ることができる。第２の熱交換器２２８は、電解セル２１９のアノード側２２０の水／酸素混合気体の酸素／水を分離するために利用される。第２の熱交換器２２８の水排出路２３２は、循環ポンプ２３３およびバルブ２３４を介して電解セル２１９のアノード側２２０の導入口に接続される。さらにまた、第２の熱交換器１２８は、バルブ２３６、ポンプ２３７および更なるバルブ２３８を介して貯蔵タンク２１４の排出口に接続される水入口１３５を示す。貯蔵タンク２１４の排出口は、バルブ２３９およびポンプ２４０を介して航空機の飲料水システムにさらに接続される。
さらにまた、燃料電池システム２００は冷却器２４２を有する冷却流路２４１を含み、航空機の外気に通じる。冷却流路２４１は、第１の熱交換器２１２、第２の熱交換器２２８、第３の熱交換器２３０および燃料電池２０１を冷却するために利用される。
図２には、燃料電池システム２００のための多くの送出路および排出路を示す（矢印で概略的に示す）。排出路２６０は水の排出を示し、送出路２６１は燃料電池のカソード側への客室空気導入口を示すと共に、送出路２６２は燃料電池のアノード側への水素を供給することを特徴とする。さらにまた、図示する排出路２６３は水素が排出され、必要に応じて、電解セルのカソード側から水素を送ることができる。排出路２６４は、緩衝タンク２１４から航空機の飲料水システムへ水を送ることができる飲料水放出口を示す。排出路２６５は酸素放出口を示し、酸素は電解セルで生成され、航空機の空調システムに送ることができる。排出路２６６は、必要に応じて、燃料電池のカソード側から航空機外へ排気を送ることができる排出路を示す。最後に、図に示す送出路２６７は、冷却流路２４１に外気を送ることができる送出路を示す。
図２の燃料電池システムの機能は、図１の燃料電池システムの機能と同様である。したがって、燃料電池システム２００の異なる点を簡単に記載する。
図１の燃料電池システム１００と比較すると図２の燃料電池システム２００の大きな違いは、電解セルのカソード側が燃料電池のアノード側に接続されるという事実にある。したがって、電解セルで生成される水素は、エネルギー生成のために燃料電池に送ることができることから、燃料電池が必要とする外部水素を減少することができる。十分な湿度の空気が燃料電池のカソード側に利用可能なことをさらに確実にすることができるように、図２の燃料電池システム２００は、燃料電池で生成される水の一部が燃料電池のカソード側の給気に再び送られる他の水熱交換器２５０を示す。残りの水分は、図１の実施形態のように凝縮される。さらにまた、図２の実施形態では、客室空気は、図１の実施形態のように電解側のカソード側に供給されていないが、客室空気は、水熱交換器を介して燃料電池のカソード側に送られる。しかしながら、図２の実施形態の電解セルのカソード側は、送出路ではなく、２つの排出路を含み、その排出路の一方は、燃料電池のアノード側に水素を送るために用いられ、他方は、第２の排出路は、必要に応じて過剰な水素を排出するために利用される。
補足として、「含む」という用語は、他のあらゆる要素またはステップも除外せず、「１つ」は複数を除外しないことを意味する。上記の実施形態の１つに関して記載する特徴またはステップが、上記に記載する他の実施形態の特徴またはステップと組み合わせて用いることができるということを意味する。本願の特許請求の範囲に記載する請求項の符号は、限定を意味するとして解釈するべきでない。
本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の他の実施形態による燃料電池システムの図である。

Claims (23)

  1. 飲料水および酸素を乗り物に供給する燃料電池システム（１００、２００）であって、
    燃料電池（１０１、２０１）と、
    電解セル（１１９、２１９）とを含み、
    前記電解セル（１１９、２１９）は、空気カソードをさらに含み、かつ前記燃料電池に接続され、
    前記燃料電池（１０１、２０１）および前記電解セル（１１９、２１９）は、前記燃料電池（１０１、２０１）から供給される電源によって前記電解セル（１１９、２１９）の必要電力が賄われるように設計される燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池（１０１）は、アノード側（１０２）およびカソード側（１０３）を含み、前記電解セル（１１９）は、アノード側（１２０）およびカソード側（１２１）を含み、前記電解セル（１１９）の前記カソード側（１２１）は、前記燃料電池（１０１）の前記カソード側（１０３）に接続される、請求項１に記載の燃料電池システム（１００）。
  3. 前記電解セル（１１９）は、前記航空機の客室からの空気が前記カソード側（１２１）に送られるように設計される、請求項２に記載の燃料電池システム（１００）。
  4. 前記燃料電池（２０１）は、アノード側（２０２）およびカソード側（２０３）を含み、前記電解セル（２１９）は、アノード側（２２０）およびカソード側（２２１）を含み、前記電解セル（２１９）の前記カソード側（２２１）は、前記燃料電池（２０１）の前記アノード側（２０３）に接続される請求項１に記載の燃料電池システム（２００）。
  5. 前記燃料電池（２０１）は、前記航空機の客室からの空気が前記カソード側（２２１）に送られるように設計される、請求項４に記載の燃料電池システム（２００）。
  6. 前記燃料電池（１０１、２０１）は、前記アノード側に水素または改質ガスを送ることができるように設計される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  7. 熱交換器（１１３、２１３）をさらに含み、前記熱交換器（１１３、２１３）は、前記燃料電池（１０１、２０１）の前記カソード側（１０３、２０３）から送られる空気を冷却するように設計される、請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  8. 他の熱交換器（１２８、２２８）をさらに含み、前記熱交換器（１２８、２２８）は、前記電解セル（１１９、２１９）の前記アノード側（１２０、２２０）から送られる水／酸素混合物を冷却するように設計される、請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  9. 冷却流路（１４１、２４１）を含み、前記冷却流路（１４１、２４１）は、前記燃料電池（１０１、２０１）を冷却するように前記燃料電池（１０１、２０１）に接続される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  10. 前記燃料電池（１０１、２０１）は、低温燃料電池である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  11. 前記低温燃料電池（１０１、２０１）は、プロトン交換膜燃料電池である、請求項１０に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  12. 前記燃料電池（１０１、２０１）は、高温ＰＥＭ燃料電池である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  13. 前記高温ＰＥＭ燃料電池（１０１、２０１）は、プロトン交換膜燃料電池である、請求項１２に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  14. 前記電解セル（１１９、２１９）は、触媒を有する高分子膜電解セルである、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  15. 前記電解セル（１１９、２１９）は、触媒を有する高分子膜電解セルでなく、前記燃料電池の温度範囲に調節されるように配置される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  16. 複数の燃料電池および複数の電解セルをさらに含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  17. 前記燃料電池（１０１、２０１）および電解セル（１１９、２１９）は、接続されてスタックを形成し、前記電解セル（１１９、２１９）には、前記燃料電池（１０１、２０１）から電力が直接供給される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  18. 前記燃料電池（１０１、２０１）および前記電解セル（１１９、２１９）との出力電力比は、前記燃料電池（１０１、２０１）からの送出電力が前記電解セル（１１９、２１９）の必要電力に対して正確に一致するように選択される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  19. 前記燃料電池（１０１、２０１）と前記電解セル（１１９、２１９）との出力電力比は、前記燃料電池（１０１、２０１）からの送出電力が前記燃料電池システム（１００、２００）および前記電解セル（１１９、２１９）のすべての補助装置が必要とする電力に対して正確に一致するように選択される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  20. 前記燃料電池（１０１、２０１）と前記電解セル（１１９、２１９）との出力電力比は、前記燃料電池（１０１、２０１）からの送出電力が前記燃料電池システム（１００、２００）および前記電解セル（１１９、２１９）のすべての補助装置が必要とする電力に対してより高くなるように選択される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  21. インバータと電圧トランスフォーマとを含み、前記インバータおよび前記電圧コンバータは、前記燃料電池（１０１、２０１）からの電力が乗り物内のネットワークに供給されるように設計される請求項２０に記載の燃料電池システム（１００、２００）。
  22. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池（１００、２００）システムを有する航空機。
  23. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池（１００、２００）の使用。
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