JP2009514151A - 燃料電池システムを有する航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気供給用のコンプレッサおよび／またはブロワーなしで動作する旅客輸送機用の燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムの燃料電池において、燃料電池が第１入口接続部と、第１出口接続部と、陽極側と、陰極側とを備え、第１入口接続部は陽極側の入口接続部として形成され、第１出口接続部は陽極側の出口接続部として形成される。加えて、燃料電池システムは、第１入口接続部において旅客機の気圧に対応する圧力の気体を適用できるように構成される。
【選択図】図２

Description

本願は、２００５年１０月２７日に出願された独国特許出願第１０ ２００５ ０５１ ５８３．５号の優先権を主張し、その開示内容は参照によって本願の内容の一部を構成する。

本発明は、航空機システムに供給するための燃料電池システム、航空機用の水供給システム、および航空機の燃料電池システムを運転する方法に関し、特に水の供給にも適している燃料電池システムに関する。

今日の航空機技術においては、燃料電池を用いて航空機上で水を生成するアセンブリが知られている。このようなアセンブリにより、例えば１つ以上の高温燃料電池としての水生成ユニットの航空機エンジンへの部分的または完全な一体化が可能となり、航空機エンジンの燃焼室の全部または一部が高温燃料電池に置き換えられる。

航空機上のエネルギー供給ユニットは、例えば独国特許出願第１９８２１９５２号に開示される。この航空機は燃料電池を備え、燃料電池の空気供給には、航空機空調装置の排出もしくは排気、または航空機外の空気が用いられる。これに関して、各燃料電池モジュールが空気供給ユニットの上流に接続されており、この空気供給ユニットは、燃料電池への空気供給を圧縮し燃料電池から排出される加熱された空気からのエネルギーを再利用する圧縮膨張ユニットと、エアフィルタと、マフラーとを備える。

航空機供給用の効率的な燃料電池システム、航空機用の水供給システム、航空機内で燃料電池システムを運転する効率的な方法、および燃料電池システムを備える航空機を提供することが供給されている。

このような要求は、独立請求項の特徴に基づく航空機用の燃料電池システム、航空機用の水供給システム、航空機内で燃料電池システムを運転する方法、および燃料電池システムを備える航空機により実現される。

１つの実施形態では、旅客用航空機の燃料電池システムは燃料電池を備え、燃料電池は、第１入口接続部と、第１出口接続部と、陽極側と、陰極側とを備え、第１入口接続部は陽極側の入口接続部として形成され、第１出口接続部は陽極側の出口接続部として形成される。さらに、燃料電池システムは、第１入口接続部において旅客機または客室内の気圧に対応する圧力の気体を適用することができるように形成される。

別の実施形態では、航空機内で燃料電池システムを運転する方法において、燃料電池システムは燃料電池を備え、燃料電池は第１入口接続部と、第１出口接続部と、陽極側と、陰極側とを備え、第１入口接続部は陽極側の入口接続部として形成され、第１出口接続部は陽極側の出口接続部として形成され、この方法は燃料電池の出口接続部に負圧をかける。さらに、この方法は、負圧により燃料電池の陽極側に気体を吸引する。

別の実施形態では、航空機用の水供給システムは、本発明の実施形態に基づく燃料電池システムと、燃料タンクと、コンバータと、熱交換器を備え、コンバータはＤＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータ、すなわち直流／直流／交流コンバータとして構成され、熱交換器は燃料電池システムにより生成された熱が燃料電池システムから除去されるよう構成され、燃料タンクは燃料電池システムに燃料を供給可能となるよう構成されている。

本発明の基本思想は、燃料電池システムの空気供給用のコンプレッサおよび／またはブロワーなしで動作する航空機用の燃料電池システムを供給することである。燃料電池内の必要な気流は、燃料電池の出口接続部に印加される負圧のみにより、燃料電池の陽極側へ引き込まれる。際立った特徴としては、必要な陽極側気流を生成するためには、燃料電池の排出側である燃料電池の出口接続部において負圧が印加されることである。

本発明の燃料電池システムにより、特に簡易な方法で組み込み可能である航空機用の燃料電池システムを提供することが可能となる。燃料電池システムの部品もまた、その他の航空機の機能および／または航空機のシステムの機能の一体化および／または担当に適切であってもよい。

本発明の２つ目の基本思想は、コンプレッサを排除できることであり、これは、軽量化および補助電源または自身の電気需要の低減、ならびに電子機械部品の排除による燃料電池システムの信頼性向上につながる。

この燃料電池システムの更なる利点は、印加された負圧による陽極排出空気の水の回収性の向上であり、燃料電池内の水の凝縮が低減される。従って、燃料電池をより低い温度で動作できる。燃料電池システムのコンデンサにおける温度差が一定であることにより、陽極排出空気中により多くの水を保存できるため、コンデンサの構成を小型化することができる。従って、燃料電池システムは、また、航空機内の水供給システムとしての使用に適している。

本発明にかかる燃料電池システムは、飛行機の運行における燃料電池を基礎とする水生成システム向けの仕様の少なくとも１つを実現できる。本発明の燃料電池システムは、特に、以下説明する基本仕様の充足に適していてもよく、また現行の移動機用の水生成システムとは大きく異なってもよい。このような仕様は、例えば、水生成システムが機上の環境条件によって劣化することなく確実に機能しなければならないという構造安定性にあってもよく、および／または水生成システムが、航空機が寒冷地に駐機している場合の低温の影響に耐えなければならないという耐寒性にあってもよい。さらに、この仕様は、システムが凍結状態にて短時間で始動できなければならないという低温始動能力でもよく、システムが所定の最低時間一定のパワーで機能しなければならないという長寿命性にあってもよく、および／または機能を果たすために必要であり、かつ強度または安定性仕様を維持する最低限の重量にシステム重量が低減されるという軽量性であってもよい。加えて、メンテナンスの費用が可能な限り低くおさえられなければならないというメンテナンス要求、システム内においてメンテナンスハッチ（アクセス）またはメンテナンス用の開口に容易に接近できなければならないという接近容易性、および／または燃料電池システムから得られる水が飲用水の適切な規制に対応するよう媒体の流れおよび材料を選択しなければならないという清浄性などの仕様があってもよい。

本発明の更なる目的、実施形態、および利点は、関連した請求項および従属請求項において規定される。

以下、燃料電池システムの１つの実施形態を詳細に説明する。実施形態は燃料電池システムに関連して説明するが、航空機用の水供給システム、燃料電池システムの運転方法、燃料電池システムを備える航空機、および航空機の燃料電池システムの使用に対しても適用される。

燃料電池システムの別の実施形態では、燃料電池システムは複数の燃料電池を備える。

燃料電池システムの更に別の実施形態においては、燃料電池は、ポリマー電解質膜型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、および／またはリン酸型燃料電池として形成される。特に、複数の燃料電池が構成される場合には、個々の燃料電池は異なる形式であってもよい。従って、燃料電池システムにおいて燃料電池の形式の混合または任意の組み合わせであってもよい。例えば、ある燃料電池はポリマー電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、他のものはダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、および／またはリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であってもよい。

言い換えると、このような燃料電池または燃料電池システムは、電気エネルギーの生成および飲用水の生成に適していてもよく、または、ベースユニットとして、単層または複層で、ＰＥＭＦＣ、ＤＭＦＣ、もしくはＰＡＦＣのいわゆるスタック、またはこれらの技術の任意の組み合わせを含んでもよい。燃料電池システムのスタックは、陰極側に燃料供給ラインを含んでもよい。この燃料は、用いられる燃料電池の種類および／または用いられる組み合わせによって、水素、水素を含む改質ガス、および／またはメタノールを含んでもよく、またはこれらであってもよい。加えて、燃料電池のスタックは、陽極側に空気（酸素）および水の供給ラインおよび排出ラインがそれぞれ設けられてもよい。

燃料電池システムには、燃料電池の陽極側吸入空気をろ過するよう燃料電池システムに設けられるエアフィルタが備えられてもよい。従って、燃料電池システムが欠点のない水質を実現し、燃料電池の要素を汚染および／または詰まらせる可能性があるほこり、および／またはよごれの粒子から保護された状態を保証される。好ましくは、目立つ空気内容物を保持する差圧のないエアフィルタが用いられる。

別の実施形態では、燃料電池システムは更に出口ターミナルを備え、この出口ターミナルは燃料電池の第１出口接続部と航空機の外部環境とに連結可能であるよう構成される。

航空機の外部環境に連結可能である出口ターミナルを備えることは、例えば空気および／または酸素などの気体が燃料電池の陽極側に吸引される様に負圧または真空を燃料電池で利用可能とすることに、特に効果的である。特に、航空機が飛行中であってキャビン内の気圧と外気圧との間に圧力差がある場合に当てはまる。

更なる実施形態において、燃料電池システムはさらに負圧システムを備え、この負圧システムまたは真空システムは、燃料電池の第１出口接続部に連結可能である。

負圧システムまたは真空システムを備えることにより、例えば、空気および／または酸素などの気体が燃料電池の陽極側に吸引される負圧を燃料電池に与えることに特に効果的である。例えば、このタイプの負圧システムとして所謂真空システムを用いることができ、これはキャビンからの排水処理用に航空機で用いることもできる。このような負圧システムは、航空機が地上または地表付近に位置する場合の負圧の生成に特に有利である。これにより、キャビンの気圧と航空機の真空システムとの間の差圧または圧力差が生成できる。真の真空とは異なり、圧力差は約５００ｈＰａに過ぎない。先に述べたように、真空システムは、基本的に航空機内においてトイレからの排せつ物の処理に用いられる。地表付近または地上においては、真空システムおよびキャビン内の気圧の間の差圧は、真空システムの廃水タンクのいわゆる真空生成装置により生成されてもよい。

別の実施形態によれば、燃料電池システムはさらに三方バルブを備え、この三方バルブは燃料電池の第１出口接続部と、負圧システムと、及び出口ターミナルとの間に接続することができる。

上記構成間で三方バルブを用いることにより、簡易な方法で、航空機が地上、地表付近、または巡航高度にあるかどうかによって効率的な切り替えを行うことができる。地上では、三方バルブは負圧システムにより燃料電池に差圧を与えるよう切り替えることができ、巡航高度では、三方バルブは差圧が外気により生成されるように制御されてもよい。

更なる実施形態において、複数の燃料電池が１つのスタックに形成される。また、それぞれ１つ以上の燃料電池を備える複数のスタックを形成してもよい。

実施形態では、スタックは複数の部分ユニットを含み、各部分ユニットは部分ユニットへの気体供給を個別に制御可能に構成された調整バルブを備える。部分ユニットまたはサブユニットは、それぞれ、例えば、１個の燃料電池から構成されてもよく、複数の燃料電池から構成されてもよい。

部分ユニットごとに個別に調整バルブを設けることにより、個々の燃料電池および／または燃料電池群への空気および／または酸素供給を、制御および／または調整することができる。

別の実施形態では、スタックは更にエンドプレートおよび／またはエンドプレートに設けられた調整バルブを備える。

従って、実際に、スタックのエンドプレートに設けられた気体または媒体の供給および排出ラインの制御バルブなどの燃料電池システムの特定の機能を移動させることができる。この制御バルブは、バルブブロックで組み合わせることができる媒体ごとに個別に制御されるバルブであってもよく、各バルブはスタックの特定の領域に供給を行うか、または代替として、スタックの個々のセルに供給してもよい。

このアセンブリの利点は、媒体供給の制御を個別に行うことによる燃料電池のスタックの目標追従的または選択的な熱制御、及びこれに関連する燃料転換への影響にあり、これによりスタック内の均質な熱プロファイルが得られる。この均質な熱プロファイルは、スタックの寿命を延ばし、局所的な加熱およびこれによって引き起こされる漏洩を防止すことができる。このような個別の制御により、スタックの特定の領域に触媒発熱体を好適に設けることができる。このような構成により、低温のスタックを加熱または動作温度まで加熱することができ、これにより、低温始動能力を向上させることおよび／または凍結からの保護を実現することができる。

エンドプレートの構成は、また、本発明の独立した部分的な特徴、すなわち上記燃料電池システムの構成から独立した部分的特徴として見てもよい。すなわち、燃料電池のスタック用のエンドプレートが設けられ、このエンドプレートは制御バルブおよび／または調整バルブを備え、この制御バルブおよび／または調整バルブは、これによって空気および／または酸素供給を燃料電池スタックの個々の燃料電池および／または燃料電池群について個別に制御または調整可能であるよう構成される。

更なる実施形態において、エンドプレートは密度が１ｋｇ／ｄｍ³未満の材料から形成される。材料としては、例えば、アルミニウム発泡体を用いることができる。

本発明の実施形態によれば、軽量材料を用いることにより、通常燃料電池スタックで用いられる一般的には圧延、鋳造、または鍛造アルミニウム板からなるエンドプレートを置き換えることが可能となり、リブ構造に加工することにより板厚および板重量を減少できる。本発明の実施形態によれば、最小の単位体積当たり重量の材料を用いることができ、これにより軽量化が可能となる。

更なる実施形態において、エンドプレートは、スタックが引っ張りベルトによりブレース可能（ｖｅｒｓｐａｎｎｂａｒ）に構成される。

スタックのブレース能力はエンドプレートの成形次第である。これに関連して、成形は、主荷重面においてエンドプレートの最大剛性が得られるよう行われ、これによりブレース（Ｖｅｒｓｐａｎｎｕｎｇ）が可能となる。このようなブレース能力により、燃料電池を効率的に固定することが可能となる。これは、互いに上下に積み重ねられた燃料電池についても可能であり、航空機内の燃料電池スタックの固定に関しても可能である。ブレースにより、燃料電池スタックをその内部で生じる媒体（気体）の圧力の作用からの保護も可能となり、このブレースはまた媒体の漏洩に対するスタックの密閉として機能してもよい。これに関連して、１つ以上の引っ張りベルトがスタックの周囲に、引っ張りロックまたは引っ張りジャッキを備えるエンドプレート上に長手方向に配されてもよい。このようにして、引っ張りベルトの引張りにより、スタックを保持する役割を果たす圧力を加えることが可能となる。

別の実施形態では、スタックは内部案内要素を備える。

スタックに内部案内要素を設けることにより、スタックのセルが互いにおよび／またはセルの個々の要素がその周囲の要素から移動したりずれたり滑ったりすることを効率的に防ぐことができる。

更なる実施形態において、燃料電池システムはさらにタイロッドまたはテンションロッドを備え、このタイロッドはタイロッドによりスタックがブレース可能なように構成されている。好適な方法では、このタイロッドは材料としてカーボンファイバ強化プラスチックを含む。

タイロッドは、スタックのブレースを確実にするため、ベルト引張りの代替的または追加的な構成として設けることができる。

カーボンファイバ強化タイロッドを用いることにより、スタックの個々の板および膜を長手方向にブレースするというタイロッドによる引張りの従来技術として知られる具体例を回避することができる。従来技術においては、これらのタイロッドは、ナットと板ばねまたは回転ネジとを備えるネジつきロッドとして具体化される。カーボンファイバ強化タイロッドを用いることにより、著しい軽量化が可能となる。これに関して、カーボンファイバは、スタックの長手方向に２個の対向する引っ張り要素を介してエンドプレートに圧力を作用させることができるよう用いることができる。

タイロッドの構成も、本発明の独立した部分的な特徴、すなわち上記燃料電池システムの実施形態の構成から独立した部分的特徴として見ることができる。すなわち、燃料電池のスタック用のタイロッドが設けられ、このタイロッドは、タイロッドによりスタックがブレース可能であるよう構成され、このタイロッドは材料としてカーボンファイバ強化プラスチックを含む。

更なる実施形態において、燃料電池システムは更に第１空気排出バルブを備え、この第１空気排出バルブは第１出口接続部に連結される。

従って、燃料電池の陽極側で効率的な差圧制御を行うことができる。

別の実施形態では、燃料電池システムは第２空気排出バルブを備え、燃料電池は陰極側の出口接続部である第２出口接続部を備える。さらに、第２排出バルブは第２出口接続部に接続される。

このような構成により、燃料電池の陰極側でも効率的な差圧制御を行うことができる。

更なる実施形態において、燃料電池システムは更に発熱体を備え、この発熱体は、これにより燃料電池を加熱できる。好適には、スタックは複数の発熱体を備え、この発熱体は個々の燃料電池の間で一体化されている。特に、発熱体は触媒発熱体として形成することができる。

言い換えると、個別に制御可能な触媒発熱体が一体化され個々の燃料電池要素の間に分配される。この発熱体は、水素および酸素が水に変換される触媒反応により、水素または空気および／もしくは酸素を衝突させ、スタックを動作温度に均一に加熱する、および／または航空機の凍結による燃料電池システムの凍結を防止するために必要となる熱量を生成することができる。

別の実施形態では、燃料電池はバイポーラプレートを備え、このバイポーラプレートは材料として導電性プラスチックを含む。好適には、バイポーラプレートは、第１主面と、第２主面と、複数の流路とを備え、複数の流路の第１部分が第１主面に配置されている。更に、複数の流路の第２部分は、複数の流路の第１部分の流路が第２部分の流路に向かい合わないように、第２主面に配置されている。

実際に、このような流路の配列を交互配列の流路、すなわち１つの流路または凸状部がバイポーラプレートの一方の面に配される場合には他方の反対側の面には流路が存在しない状態ということができる。このような配列により、バイポーラプレートの材料消費を最小限で維持または最小化することができ、これにより軽量化が可能となる。

バイポーラプレートの材料としては、グラファイトの割合が約８０％のプラスチックが適切である。固有重量が約７．９ｋｇ／ｄｍ³のスチールでできたバイポーラプレートに対し、このようなプラスチックのバイポーラプレートの固有重量は２．２ｋｇ／ｄｍ³である。この種のプラスチックはバイポーラプレートの作成に用いることができ、これから作られるバイポーラプレートは射出成形プロセスで作成可能であり、特に薄く費用効率が高くなるよう構成されてもよい。同じバイポーラプレートの対向する流路が互いに置き換えられるような、また材料消費を最小限とすることができるような媒体導入流路の配列とすることにより、更に軽量化することができる。

バイポーラプレートの構成も、本発明の独立した部分的な特徴、すなわち上記燃料電池システムの実施形態から独立した部分的特徴として見ることができる。すなわち、バイポーラプレートを備える燃料電池が提供され、このバイポーラプレートは材料として導電性プラスチックを含む。バイポーラプレートは、第１主面と、第２主面と、複数の流路とを備え、複数の流路の第１部分は第１主面に配置される。加えて、複数の流路の第２部分は、複数の流路の第１部分の流路が第２部分の流路に向かい合わないように、第２主面に配置される。

とりわけ好適には、本発明にかかる燃料電池システムは航空機で用いてもよい。

本発明の実施形態によれば、燃料電池の動作点は、燃料電池システムからの熱が最小となるよう、すなわち、例えば、燃料電池の最小放射熱の動作点安全仕様を実現する動作点を得るために放射される熱を考慮して最適化するよう選択される。

このような最適化により、燃料電池の熱出力を最小限に維持することができ、この燃料電池は、水素（２Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）の水（２Ｈ₂Ｏ）への変換による電気エネルギーだけでなく、熱も放出する。

さらなる実施形態において、水供給システムの総重量を考慮して水供給システムの動作点が最適化される。

水供給システムの動作点、特に燃料電池により放出される電圧に関する動作点に関して考えられる最適化は、例えば、以下の数式を繰り返し使用することにより行われてもよい。

ここにおいて、
ＧＳ₀＝最適化されていないアセンブリ（水供給システム）のスタック重量、
ＧＴ₀＝最適化されていないアセンブリの燃料およびタンク重量、
ＧＷ₀＝最適化されていないアセンブリの熱交換器の重量、
ＧＰ₀＝最適化されていないアセンブリのポンプの重量、
ＧＫ₀＝最適化されていないアセンブリのコンバータ重量、
ｕ₀＝基本スタック、すなわち最適化されていないアセンブリのスタックのセル電圧、
ｊ₀＝基本スタック、すなわち最適化されていないアセンブリのスタックの電流密度、
ｕ₁＝新たな動作点におけるスタックのセル電圧、
ｊ₁＝新たな動作点におけるスタックの電流密度。

このような数式により、スタックのサイズ、スタック数、および性能データに関する特定の環境に関して、水供給システムにおいて重量が最適化された燃料電池システムの動作点を決定することができる。

このような最適な燃料電池パラメータの選択により、以下の数学的相互関係を考えることができる。一方で、セル電圧ｕ（ｊ）および電流密度ｊとのリニアな相互関係は、ｕ（ｊ）＝ｕ’−ｒ＊ｊとなり、ここでｒは電圧−電流密度曲線の増加を表す。ここから、以下のような一定の電気的スタック電力についての関係が求められる。

スタック重量については、以下が当てはまる。
Ｇ₁／Ｇ₀＝（ｊ₀（ｕ₀）＊ｕ₀）／（ｊ₁（ｕ₁）＊ｕ₁）、ここで、
ｕ₀＝基本スタック、すなわち最適化されていないアセンブリのスタックのセル電圧、
ｊ₀＝基本スタック、すなわち最適化されていないアセンブリのスタックの電流密度、
ｕ₁，ｊ₁＝ｕ₁＞ｕ₀およびｊ（ｕ₁）＜ｊ₀（ｕ₀）である新たな動作点におけるスタックのセル電圧および電流密度、
Ｇ₁，Ｇ₀＝新たなスタックおよび基本スタックの重量。

ここから、スタック電力が一定に維持されると、電圧ｕ₁が増加するとｕ−ｊ特性線により電流密度ｊ₁が減少し、ｒ＝ΔＵ／Δｊ＜−０，５であるため、スタック重量は電圧の増加とともに増加する（Ｇ₁＞Ｇ₀）。言い換えると、電圧がΔＵで増加すると、電流密度Δｊが２＊ΔＵより大きい係数で減少する。これより、スタック電力を一定に保つためにはセル表面を大きくする必要があり、これによって総重量が増加する。

水素および酸素の消費については、以下が当てはまる。
電気効率ηは、以下に従って、電圧がｕ₀からｕ₁（ｕ₁＞ｕ₀）に増加するにつれて高くなる。
η₁／η₀＝ｕ₁／ｕ₀（η₁は新たなスタックに関し、η₀は基本スタックに関する）。
但し、ｕ₁がｕ₀より大きい場合。
ここから、水素消費量が、ｍ₁／ｍ₀＝η₀／η₁＝ｕ₀／ｕ₁（ｍ₁は新たなスタックの消費に関し、ｍ₀は基本スタックの消費に関する）に従って減少し、これにより大気中の酸素も減少する。

熱生成については、以下が当てはまる。
電気効率ηの増加は、少ない熱生成につながることがあり、従って、単位時間あたりＱで与えられる熱が、以下に従って減少する（Ｑ₁＜Ｑ₀）。
Ｑ₁／Ｑ₀＝［（Ｕ_th−ｕ₁）＊ｊ₀（ｕ₁）］／［（Ｕ_th−ｕ₀）＊ｊ₀（ｕ₀）］、
ここでＵ_thはいわゆる熱平衡電圧である。

熱交換器（熱移動器）およびポンプについては、以下が当てはまる。
熱生成の減少により、熱交換器の表面、ひいては重量を、以下のように減らすことができる（Ｇ₁＜Ｇ₀）。
Ｇ₁／Ｇ₀＝Ｑ₁／Ｑ₀＝Ａ₁／Ａ₀、（Ａ₀は基本スタックの表面、Ａ₁は最適化されたスタックの表面）。
加えて、同量では、熱容量の流れおよびこれにより媒体の冷却に必要なポンプ電力を減少させることができ、これは寄生的電気消費量および重量の減少を意味する。

コンバータについては、以下が当てはまる。
セル表面が一定であると、必要なセルの数は、Ｐ＝ｃｏｎｓｔ．＝ｕ＊Ｎ＊ｊ（ｕ）＊Ａ＝Ｕｓ＊ｊ（ｕ）＊Ａ＝Ｕｓ＊Ｉｓ、ここでＰはスタックの電力、Ａはスタックの面積、であるので、以下に従い増加する。
Ｎ₁／Ｎ₀＝ｊ１（ｕ₁）＊ｕ₁）／（ｊ₀（ｕ₀）＊ｕ₀）（Ｎ₀は基本スタックのセルの数、Ｎ₁は新たなスタックのセルの数）
スタック電流Ｉｓの減少とスタック電圧Ｕｓの増加により、ＤＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータの重量を減少させると共にその効率を向上させることもできる。

従って、最適化により、同じ電力のために必要とされる燃料ガスが減少するため上記動作点の選択により不可避となるスタックの拡大が、より小さい冷却器およびより小さい熱交換器ならびにより小さい電気コンバータの使用に影響を与えることがあるため、燃料電池システムおよび水供給システムの重量を減少させることができる。

燃料電池システムの重量を減少させるためには、基本的にスタックの重量を減少させる必要がある。本発明によれば、本願のアセンブリにおいて、導電性プラスチック材料をバイポーラプレートとして使用すること、その重量低減についての詳細な仕様、スタックのブレースの方法、および軽量エンドプレート、例えばグラスファイバ強化カーボン又はプラスチックを使用することにより実現される。加えて、例えばダクト、付属品、接続器、バルブなどの燃料電池スタックの周辺部にプラスチックを用いることにより、システム重量を減少させることができる。

水供給システムでは、水導入部品には、好適には、一方で例えば約２０μＳ／ｍの伝導率κを有する脱塩水に対する耐性を示し、他方で飲用水システムでの使用にも適切である材料が選択される。これは、また、燃料電池の陽極側のバイポーラプレート、エンドプレート、および膜の構成にも当てはまる。

さらに、水供給システムの周辺部のダクトについては、好ましくは、できるだけ軽量の材料、例えば、ナノコーティングまたはガラスコーティングされたプラスチックパイプが用いられる。このようなパイプは、一方では単位体積当り重量が小さいために、また他方では陰極側の水素および陽極側の脱塩水に関連した特定の特性により優れている。好ましくは、陰極側で用いられるパイプは水素不透過性が高く、陽極側で用いられるパイプは好ましくは脱塩水に対する耐性が高く、また、飲用水運搬用のラインの国際的に提案されている基準を満足できることが好ましい。

本発明の一特徴は、１つ以上の燃料電池スタックからなるまたはこれを含む航空機用の燃料電池システムに見ることができ、このスタックのタイプは、ポリマー電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、もしくはリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であってもよく、またはこれらの混合であってもよい。これに関連して、スタックは陽極側において空気および／または酸素で作用し、陽極側の流入には、より高い圧力レベルのキャビン側の供給と航空機の周囲の外気のより低い圧力レベルの排出ラインとの間の圧力が用いられる。排出ラインに加えられる陽極側の差圧は、キャビン内の気圧と排出側の外気圧との間の圧力条件と同じ条件で生成され、圧力レベルを下げるためには真空システムが用いられ、この真空システムは航空機のキャビンからの排水を除去するために用いることもできる。特に、複数のセルからなるスタックまたはスタックの個々のセルの特定の領域は、それぞれ、個々に空気または酸素供給ラインを有してもよく、これらの供給ラインは調整バルブを介して個々に制御可能である。好ましくは、この調整バルブは、スタックのエンドプレートに一体化されている。

この面によれば、好ましくは、個別に制御可能な触媒発熱体が個々の燃料電池要素の間に分配されて一体化されており、この水素と酸素が水に変換される触媒反応により、スタックを動作温度に均一に加熱するために、または航空機の凍結が生じた場合に燃料電池システムの凍結を防止するために必要な熱量が生成される。燃料電池のスタックで用いられるバイポーラプレートは、導電性プラスチックを含んでよく、バイポーラプレートの両側における媒体導入流路の配列は、材料消費が最小限となるよう置き換えられるよう実施される。エンドプレートは、密度が１ｋｇ／ｄｍ³より小さい材料、例えばアルミニウム発泡体などから作成されることが好ましい。加えて、エンドプレートは、スタックが引っ張りベルトでブレースされるよう形成されてもよく、引っ張りベルトでブレースされたスタックでは、好ましくは、セルが互いにずれることまたは１つのセルの個々の要素がこれを取り巻く要素からずれることを防ぐ内部導入要素が設けられる。代替的に、スタックはカーボンファイバ強化プラスチックからなるブレース用のタイロッドを備えてもよい。任意で、「流出バルブ」の制御により、燃料電池システムの差圧調整（陽極側および／または陽極および陰極側）が実現される。

上記実施形態の１つに関して記載されるか、または上記の特徴および／または部分的な特徴の１つに関して記載された構成または工程は、独立して、および／または他の上記実施形態、または特徴および／または部分的な特徴と結合して使いることができることに留意すべきである。

次に、本発明は、図面を参照として典型的な実施形態に関してより詳細に記述する。

類似または同一の構成は、類似または同一の参照記号を有して異なる図で提供される。

図１は、航空機の消費電気供給および水供給用の燃料電池システムの模式図を示す。燃料電池システム１００は、燃料供給用の燃料タンク１０１と燃料電池のスタック１０２とを備える。燃料電池のスタック１０２は、供給側エンドプレート１０３と排出側エンドプレート１０４とを備える。燃料電池のスタック１０２には、第１供給ライン１０５を介して空気が供給され、第１供給ライン１０５は、燃料電池のスタック１０２の陽極側の流量調整のために、エアフィルタ１０６と、コンプレッサ１０７と、第１バルブ１０８とを備える。さらに、燃料電池のスタック１０２には、第２供給ライン１０９を介して陰極側の燃料タンク１０１から燃料が供給される。第２供給ラインは、陰極側の流量調整が可能となる第２バルブ１１０を備える。

排出側エンドプレート１０４は、いわゆる空気抜きバルブである第３バルブ１１１を介してコンデンサ１１２に連結されている。コンデンサ１１２は凝縮液配水管１１３に連結されており、これにより第１接続部１１４を介して復水を水システムに放出する。加えて、凝縮液配水管１１３は第２接続部１１５により外気圧レベルすなわち航空機の外気に連結されている。コンデンサ１１２は、さらに、第３バルブ１１６および第４バルブ１１７を介して冷却回路１１８に連結されている。冷却回路１１８は、外部空気冷却器１１９と２次冷却水ポンプ１２０とを備え、これによりクーラントを冷却回路１１８にポンプで通すことができる。加えて、冷却回路１１８は冷却ブロワー１２１を備える。

加えて、冷却回路１１８は、燃料電池のスタック１０２を冷却するために用いられる熱交換器１２２に連結される。この関連で、熱交換器１２２がその一部をなす追加の冷却回路１２３は、主冷却水ポンプを備える。

さらに、燃料電池のスタック１０２は、導電性ライン１２５および１２６を介して電圧コンバータ１２７に連結され、これはさらに航空機の電気ネットワーク１２８に連結される。

図２に、本発明の実施形態にかかる航空機の消費電気供給および水供給用の燃料電池の模式的な図を示す。燃料電池システム２００は、燃料供給用の燃料電池タンク２０１と燃料電池のスタック２０２とを備える。燃料電池のスタック２０２は、供給ライン側エンドプレート２０３と排出ライン側エンドプレート２０４とを備える。燃料電池のスタック２０２には、第１供給ライン２０５を介して空気が供給され、第１供給ライン２０５は、燃料電池のスタック２０２の陽極側の流量調整のため、エアフィルタ２０６と第１バルブ２０８とを備える。加えて、燃料電池のスタック２０２には、第２供給ライン２０９を介して陰極側の燃料タンク２０１から燃料が供給される。第２供給ラインは、陰極側の流量調整が可能となる第２バルブ２１０を備える。

排出ライン側エンドプレート２０４は、いわゆる空気抜きバルブである第３バルブ２１１を介してコンデンサ２１２に連結されている。コンデンサ２１２は凝縮液配水管２１３に連結されており、これにより第接続部２１４を介して復水を水システムに通す。さらに、凝縮液配水管２１３は三方バルブ２２９に連結されており、三方バルブ２２９は第２接続部２１５により外気圧レベルすなわち航空機の外気に連結されている。さらに、三方バルブ２２９は、第３接続部２３０により航空機の真空システムに連結されている。コンデンサ２１２は、さらに、第３バルブ２１６および第４バルブ２１７を介して冷却回路２１８に連結されている。冷却回路２１８は、外部空気冷却器２１９と２次冷却水ポンプ２２０とに連結されており、これによりクーラントを冷却回路２１８にポンプで通すことができる。

さらに、冷却回路２１８は、燃料電池のスタック２０２を冷却するために用いられる熱交換器２２２に連結される。この関連で、熱交換器２２２がその一部をなす追加の冷却回路２２３は、主冷却水ポンプ２２４を備える。

さらに、燃料電池のスタック２０２は、導電性ライン２２５および２２６を介して電圧変換器２２７に連結され、これはさらに航空機の電気ネットワーク２２８に連結される。

図２にかかる実施形態は、陽極側の供給空気をキャビン内の気圧よりも高い圧力にするコンプレッサを有しないことを特徴とする。陽極側の供給空気は燃料電池のスタックの排気側が露出される負圧のみにより燃料電池の陽極側へ吸引される。これに関連して、一方では、飛行中は巡航高度の外気圧に対応する負圧を提供する外気が用いられる。他方、地上またはより低い高度においては、キャビン内の気圧を基準として気圧を下げる負圧または真空システムを用いることができる。これらの２つの選択肢の切り替えは三方バルブによって行うことができる。

図３に、ブレースされたスタック３００の模式的な図を示す。スタック３００は、供給ライン側エンドプレート３０１と排出ライン側エンドプレート３０１とを備える。加えて、図３においては、引っ張りロック３０４を備える引っ張りベルト３０３が示されており、この引っ張りベルト３０３によりスタック３００を補強することができる。図３では、燃料電池のスタック３００の個々の燃料電池３０５も垂直線で示されている。図３の左側に、燃料電池の長手方向の軸に垂直な図を示しており、同図には、空気および／または酸素用の第１排出ライン３０６とＨ２パージ用の第２排出ライン３０７が示されている。

図４に、バルブを有するエンドプレートの模式的な断面図を示す。エンドプレート４００は、水素用第１供給ライン４０１と空気および／または酸素用の複数の第２ライン４０２を備える。加えて、エンドプレート４００は、例えばねじ込み式フィルタであるフィルタ４０３を備え、これにより第２ライン４０２に通される空気および／または酸素がフィルタされる。エンドプレート４００はフィルタ４０３の下流に分配器またはマニホールド４０４を備え、これにより空気および／または酸素を分配することができる。加えて、エンドプレート４００は表面プレート４０６を備える。エンドプレート４００は、単一の部品として形成されてもよく、表面プレート４０６と一体化されてもよく、表面プレート４０６が別の部品として埋め込まれてもよく、エンドプレート４００に接続可能であってもよく、この場合には表面プレート４０６とエンドプレート４００との間にシーリング４０５が設けられる。さらに、図４において、エンドプレート４００が取付けられる燃料電池のスタック４０８の一部も示されている。図４に模式的に示すパイプ４０９により、燃料電池のスタックに水素を供給することができる。加えて、エンドプレート４００は複数の制御バルブ４１０を備え、これにより空気および／または酸素供給の制御バルブを制御および／または調整することができる。図４に空気／酸素供給用の供給ラインを矢印４１１〜４１７で模式的に示す。矢印４１１はセルＸ〜Ｘ_a用の空気／酸素供給を表し、矢印４１２はセルＸ_a+1〜Ｘ_b用の空気／酸素供給を表し、矢印４１３はセルＸ_b+1〜Ｘ_c用の空気／酸素供給を表し、矢印４１４はセルＸ_c+1〜Ｘ_d用の空気／酸素供給を表し、矢印４１５はセルＸ_d+1〜Ｘ_e用の空気／酸素供給を表し、矢印４１６はセルＸ_e+1〜Ｘ_f用の空気／酸素供給を表し、矢印４１７はセルＸ_f+1〜Ｘ_g用の空気／酸素供給を表す。

図５に、バイポーラプレート５００の模式的な断面図を示す。上の図５ａに、第１側面に気体流路５０１と第１側面に対向する第２側面に気体流路５０２とを備えるバイポーラプレート５００を示す。図５ａでは、第１側面の気体流路５０１がそれぞれ気体流路５０２に対向する。下の図５ｂに、第１側面に気体流路５０１と第１側面に対向する第２側面に気体流路５０２とを備える第２バイポーラプレート５００を示す。図５ｂでは、第１側面の各気体流路５０１は気体流路５０２に対向していない。言い換えると、気体流路５０１および５０２がバイポーラプレートに沿って互い違いに並んでおり、交互に配置されている。このようにして、バイポーラプレートの厚みを減らすことができ、これによりバイポーラプレートの重量を減らすことができる。

図６に、バイポーラプレート６００の模式的な平面図を示す。バイポーラプレート６００は、ガイドピン用の穴６０２を備える。さらに、気体供給ライン６０３および供給側気体分配器６０４が、バイポーラプレート６００に配されている。図６に、供給される気体が通るいわゆる流動場６０５とシール６０６が示される。さらに、バイポーラプレート６００は、排出ライン側気体収集装置６０７と気体排出ライン６０８とを備える。

さらに「含む」は、他の構成要素または工程を除外するものではなく、また「１つの」は、複数を除外するものではないことを指摘しておく必要がある。さらに、上記の典型的な実施形態の１つに関して記載した特徴または工程は、上述した他の典型的な実施形態の他の特徴または工程と組み合わせても用いることができることを指摘しておく必要がある。請求項における参照文字は、限定するものとして解釈すべきではない。

航空機の消費電気供給および水供給用の燃料電池システムの模式的な図を示す。 本発明の実施形態にかかる航空機の消費電気供給および水供給用の燃料電池の模式的な図を示す。 ブレースされたスタック３００の模式図を示す。 バルブを有するエンドプレートの模式的な断面図を示す。 バイポーラプレートの模式的な断面図を示す。 バイポーラプレートの平面図の略図を示す。

Claims (26)

1. 旅客用航空機用の燃料電池システムであって、
   燃料電池を備え、
   前記燃料電池は、第１入口接続部と、
   第１出口接続部と、
   陽極側と、
   陰極側とを備え、
   前記第１入口接続部は前記陽極側の入口接続部として形成され、
   前記第１出口接続部は前記陽極側の出口接続部として形成され、
   前記第１入口接続部が前記客室内の気圧に対応する圧力の気体を適用できるように構成される燃料電池システム。
2. 複数の燃料電池を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池は、ポリマー電解質膜型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、および／またはリン酸型燃料電池として構成される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の前記第１出口接続部と前記航空機の外部環境に連結可能であるよう構成される出口ターミナルを更に備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の前記第１出口接続部に接続可能な負圧システムを更に備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の前記第１出口接続部と、前記負圧システムと、前記出口ターミナルとの間に接続することができる三方バルブを更に備える請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記複数の燃料電池は、スタックとして形成される、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記スタックは、複数の部分ユニットを含み、それぞれの部分ユニットは、前記部分ユニットへのガス供給を個別に制御可能であるように構成された調整バルブを備える、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記スタックは、エンドプレートを更に含み、前記調整バルブは前記エンドプレートに配置されている、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記エンドプレートは、密度が１ｋｇ／ｄｍ^３未満の材料から形成される、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記エンドプレートは、前記スタックが引張りベルトによりブレース可能であるように構成される、請求項９または請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記スタックは、内部案内要素を備える、請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. タイロッドを更に含み、前記スタックが前記タイロッドによりブレース可能であるように構成される、請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記タイロッドは、カーボンファイバ強化プラスチックを含む、請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記第１出口接続部に接続される第１空気排出バルブを更に備える、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
16. 第２空気排出バルブを備え、
    前記燃料電池は、前記陰極側の出口接続部として形成された第２出口接続部を更に備え、
    前記第２空気排出バルブは前記第２出口接続部に接続される、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料電池を加熱できるように構成された発熱要素を更に備える、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
18. 前記スタックは、複数の発熱要素を備え、
    前記複数の発熱要素は、個々の燃料電池の間で一体化されている、請求項７から請求項１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
19. 前記発熱要素は、触媒発熱要素として構成される、請求項１７または請求項１８に記載の燃料電池システム。
20. 前記燃料電池システムは、導電性プラスチックを材料として含むバイポーラプレートを備える、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
21. 前記バイポーラプレートは、第１主面と、
    第２主面と、
    複数の流路とを備え、
    前記複数の流路の第１部分は前記第１主面に配置され、
    前記複数の流路の第２部分は、前記複数の流路の前記第１部分の流路が前記第２部分の流路に向かい合わないように前記第２主面に配置される、請求項２０に記載の燃料電池システム。
22. 請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムと、
    燃料タンクと、
    コンバータと、
    熱交換器とを備え、
    前記コンバータはＤＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータ、すなわち直流／直流／交流コンバータとして構成され、
    前記熱交換器は、前記燃料電池システムにより生成された熱が前記燃料電池システムより取り去られるよう構成され、
    前記燃料タンクは、前記燃料電池システムに燃料供給可能となるよう構成される水供給システム。
23. 前記水供給システムの総重量を考慮して前記水供給システムの動作点が最適化される、請求項２２に記載の水供給システム。
24. 航空機内で燃料電池システムを運転する方法において、前記燃料電池システムは、燃料電池を備え、前記燃料電池は第１入口接続部と、第１出口接続部と、陽極側と、陰極側とを備え、前記第１入口接続部は前記陽極側の入口接続部として形成され、前記第１出口接続部は前記陽極側の出口接続部として形成され、
    前記方法は、前記燃料電池の前記出口接続部に負圧をかける工程と、
    前記負圧により前記燃料電池の前記陽極側に気体を吸引する工程とを含む燃料電池システムを運転する方法。
25. 請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムまたは請求項２２または請求項２３に記載の水供給システムを備える航空機。
26. 請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムまたは請求項２２または請求項２３に記載の水供給システムの航空機内での使用。

Images