JP2015161214A - motor jet engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify and downsize structure of a motor jet engine and furthermore to secure high efficiency and high thrust thereof.SOLUTION: A motor jet engine comprises: a casing having an intake port and an exhaust nozzle; a compressor provided in the casing and compressing the air sucked in from the intake port; a motor connected to the compressor and driving the compressor; a fuel cell which is provided closer to the exhaust nozzle side than the compressor in the casing, generates electric power and supplies the electric power to the motor and heats the compressed air with thermal energy generated by heat generation during the electric power generation; and a combustor which is provided closer to the exhaust nozzle side than the fuel cell in the casing, mixes the compressed air heated by the fuel cell with fuel, combusts the resultant mixture and discharges the exhaust from the exhaust nozzle.

Description

本発明は、内蔵した燃料電池による発電及び排熱を利用したモータジェットエンジンに関する。   The present invention relates to a motor jet engine using power generation and exhaust heat by a built-in fuel cell.

従来のジェットエンジン100は、図10に示すように、例えば、圧縮機101と、燃焼器102と、タービン103とを備えている。更に、従来のジェットエンジン100は、ブレイトンサイクルに基づいて構成されている。圧縮機101にて断熱圧縮された空気が、燃焼器102内で噴射された燃料と混合して等圧下で燃焼され、高温高圧ガスが生成される。この高温高圧ガスは、タービン103を駆動しながら断熱膨張し、ノズル104を介して排出される。また、圧縮機101とタービン103とは、1つの軸105により接続されている。そして、従来のジェットエンジン100は、タービン103を回転させることにより、軸105を介して回転仕事を圧縮機101に伝達して回転させている。   As shown in FIG. 10, the conventional jet engine 100 includes a compressor 101, a combustor 102, and a turbine 103, for example. Furthermore, the conventional jet engine 100 is configured based on the Brayton cycle. The air adiabatically compressed by the compressor 101 is mixed with the fuel injected in the combustor 102 and burned under an equal pressure to generate high-temperature and high-pressure gas. The high-temperature high-pressure gas is adiabatically expanded while driving the turbine 103 and is discharged through the nozzle 104. The compressor 101 and the turbine 103 are connected by a single shaft 105. The conventional jet engine 100 rotates the turbine 103 by transmitting rotational work to the compressor 101 via the shaft 105.

ここで、ブレイトンサイクルの効率を示すパラメータは、熱効率と比出力とである。高い比出力を得るためには温度比を高くとる必要がある。更に、温度比を上げると熱効率が最大となる圧力比は増加する。そのため、従来のジェットエンジン100は、高出力・高効率とするためには作動流体を高温高圧にする必要がある。また、従来のジェットエンジン100は、単段圧縮だと圧力比を上げることに限界があるため、多段圧縮をすることにより、圧力比を上げて、高効率化を図っている。   Here, the parameters indicating the efficiency of the Brayton cycle are thermal efficiency and specific output. In order to obtain a high specific output, it is necessary to increase the temperature ratio. Furthermore, when the temperature ratio is increased, the pressure ratio at which the thermal efficiency is maximized increases. Therefore, the conventional jet engine 100 requires the working fluid to have a high temperature and a high pressure in order to achieve high output and high efficiency. In addition, since the conventional jet engine 100 has a limit in increasing the pressure ratio in the case of single-stage compression, the pressure ratio is increased by using multistage compression to achieve high efficiency.

更に、従来のジェットエンジン100は、上述したように、高効率化を図るために、高温高圧ガスを流す必要がある。この高温高圧ガスは、タービン103に当たる。そのため、タービン103を構成するタービン翼には、高温高圧に耐えうる性質を持った材料の使用や冷却構造を設ける必要がある。しかしながら、高温高圧に耐えうる材料には、耐熱・耐圧限界があるため、効率を上げることが難しい。また、耐熱・耐圧材料を使用することは、製作コストの上昇にも繋がる。更に、タービン翼に冷却構造を設けることは、高度な加工技術が必要となり、製作・加工が難しくなる。更に、構造が複雑化するため、系全体の大型化が避けられない。更に、保守点検面においても、タービン翼は慎重に点検を行う必要があるため、手間及びコストがかかる等の問題が生じる。また、従来のジェットエンジン100では、燃焼器102で生成された高温高圧ガスが、タービン103を駆動しながら断熱膨張する際に圧力が減少する。そのため、排気ノズル入り口での圧力は減少し、取り出すことのできる仕事を全て外部に取り出すことができない。   Furthermore, as described above, the conventional jet engine 100 needs to flow high-temperature and high-pressure gas in order to achieve high efficiency. This high-temperature and high-pressure gas hits the turbine 103. Therefore, it is necessary to provide the turbine blades constituting the turbine 103 with a material having a property capable of withstanding high temperature and pressure and a cooling structure. However, it is difficult to increase the efficiency of materials that can withstand high temperatures and pressures because they have heat and pressure limits. In addition, the use of heat-resistant / pressure-resistant materials leads to an increase in production cost. Furthermore, providing a cooling structure for the turbine blades requires advanced processing technology, making it difficult to manufacture and process. Further, since the structure becomes complicated, the entire system cannot be enlarged. Furthermore, in terms of maintenance and inspection, the turbine blades need to be carefully inspected, which causes problems such as labor and cost. Further, in the conventional jet engine 100, the pressure decreases when the high-temperature high-pressure gas generated in the combustor 102 adiabatically expands while driving the turbine 103. For this reason, the pressure at the inlet of the exhaust nozzle decreases, and all the work that can be taken out cannot be taken out.

特開2012−505348号公報JP 2012-505348 A

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、タービンが不要となるなど、構造面での簡略化が可能なモータジェットエンジンを提供することを目的とする。また、高効率・高推力が確保可能なモータジェットエンジンを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a motor jet engine that can be simplified in terms of structure such that a turbine is not necessary. It is another object of the present invention to provide a motor jet engine that can ensure high efficiency and high thrust.

本発明に係るモータジェットエンジンは、吸気口と排気ノズルとを有するケーシングと、上記ケーシング内に設けられ、上記吸気口から吸入された空気を圧縮する圧縮機と、上記圧縮機に連結され、該圧縮機を駆動させるモータと、上記ケーシング内の上記圧縮機よりも排気ノズル側に設けられ、電力を発電して該電力を上記モータに給電すると共に、発電時の発熱による熱エネルギーによって上記圧縮された空気を加熱する燃料電池と、上記ケーシング内の上記燃料電池よりも排気ノズル側に設けられ、上記燃料電池によって加熱された圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させて上記排気ノズルから排出する燃焼器とを備える。   A motor jet engine according to the present invention includes a casing having an intake port and an exhaust nozzle, a compressor provided in the casing and compressing air sucked from the intake port, and coupled to the compressor. A motor for driving the compressor and an exhaust nozzle side of the compressor in the casing are configured to generate electric power to supply the electric power to the motor and to compress the heat by heat energy generated during power generation. A fuel cell that heats the heated air and an exhaust nozzle side of the fuel cell in the casing. The fuel is mixed with the compressed air heated by the fuel cell, burned, and discharged from the exhaust nozzle. Combustor.

更に、上記燃料電池として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いるようにしても良い。   Furthermore, a solid oxide fuel cell (SOFC) may be used as the fuel cell.

本発明のモータジェットエンジンは、圧縮機が燃料電池によって発電された電力を利用して電動で駆動されることにより、圧縮機を駆動するためのタービンをケーシング内に組み込む必要がなくなる。すなわち、本発明のモータジェットエンジンは、タービンを省略することができる。したがって、本発明のモータジェットエンジンは、軸長を含めて回転系全体の小型化が望める。更に、本発明のモータジェットエンジンは、タービンを省略することができるので、構造の簡略化及び低コスト化を図ることができる。   In the motor jet engine of the present invention, the compressor is electrically driven using the electric power generated by the fuel cell, so that it is not necessary to incorporate a turbine for driving the compressor in the casing. That is, the motor jet engine of the present invention can omit the turbine. Therefore, the motor jet engine of the present invention can be expected to reduce the size of the entire rotating system including the axial length. Furthermore, since the motor jet engine of the present invention can omit the turbine, the structure can be simplified and the cost can be reduced.

更に、本発明のモータジェットエンジンは、発電時に自ら発熱する。したがって、本発明のモータジェットエンジンは、燃料電池がケーシング内の燃焼器よりも吸気口側に設けられ、燃料電池の発電時の発熱による熱エネルギーによって圧縮機により圧縮された空気が加熱されることにより、燃料電池の発熱による熱エネルギーも推力として取り出して利用することができる。更に、本発明のモータジェットエンジンは、燃焼器によって燃焼する前に、燃料電池の発電時の発熱による熱エネルギーによって圧縮機により圧縮された空気が予熱されることにより、燃焼器による燃焼効率を向上させることができる。よって、本発明のモータジェットエンジンは、圧力比や温度比が同等の従来型ジェットエンジンに比べて、高効率・高推力を確保することができる。   Furthermore, the motor jet engine of the present invention generates heat by itself during power generation. Therefore, in the motor jet engine of the present invention, the fuel cell is provided closer to the intake port than the combustor in the casing, and the air compressed by the compressor is heated by the heat energy generated by the heat generated during the power generation of the fuel cell. Thus, the thermal energy generated by the heat generated by the fuel cell can also be extracted and used as a thrust. Furthermore, the motor jet engine of the present invention improves the combustion efficiency of the combustor by preheating the air compressed by the compressor with the heat energy generated during the power generation of the fuel cell before combustion by the combustor. Can be made. Therefore, the motor jet engine of the present invention can ensure high efficiency and high thrust as compared with the conventional jet engine having the same pressure ratio and temperature ratio.

すなわち、本発明のモータジェットエンジンは、従来のジェットエンジンと同程度の推力を確保する場合、従来のジェットエンジンよりも少ない燃料流量でよく、従来のジェットエンジンと同程度の燃料流量の場合、従来のジェットエンジンよりも大きな推力を得ることが期待できる。   That is, the motor jet engine of the present invention may have a fuel flow rate smaller than that of the conventional jet engine when the thrust comparable to that of the conventional jet engine is ensured. It can be expected to obtain a larger thrust than the jet engine.

本発明を適用したモータジェットエンジンを示した概略図である。It is the schematic which showed the motor jet engine to which this invention is applied. 本発明を適用したモータジェットエンジンを示したブロック図である。1 is a block diagram showing a motor jet engine to which the present invention is applied. 本発明を適用したモータジェットエンジンのエネルギーバランスを示した図である。It is the figure which showed the energy balance of the motor jet engine to which this invention is applied. 当量比とセル温度との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between equivalence ratio and cell temperature. セル温度と発電効率との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between cell temperature and power generation efficiency. セル温度と圧力比との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between cell temperature and a pressure ratio. セル温度と総合効率との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between cell temperature and total efficiency. セル温度と無次元比出力との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between cell temperature and a dimensionless ratio output. セル温度と排気ガスのマッハ数との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between cell temperature and the Mach number of exhaust gas. 従来のジェットエンジンを示したブロック図である。It is the block diagram which showed the conventional jet engine.

以下、本発明を適用したモータジェットエンジンについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更可能である。   Hereinafter, a motor jet engine to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following examples, It can change arbitrarily in the range which does not deviate from the summary of this invention.

<1.モータジェットエンジンの構成の説明>
本発明を適用したモータジェットエンジン1は、例えば、人が搭乗可能な航空機や人が搭乗しない無人航空機及びホビー用航空機等に搭載されるジェットエンジンである。更に、このモータジェットエンジン1は、タービンを持たず、圧縮機を、従来のジェットエンジンのように圧縮機と直結されたタービンで駆動させるのではなく、外部動力で駆動させる、所謂、モータジェットエンジンである。
<1. Description of motor jet engine configuration>
The motor jet engine 1 to which the present invention is applied is, for example, a jet engine mounted on an aircraft on which a person can board, an unmanned aircraft on which a person does not board, an hobby aircraft, or the like. Further, the motor jet engine 1 does not have a turbine, and the compressor is not driven by a turbine directly connected to the compressor like a conventional jet engine, but is driven by external power, so-called a motor jet engine. It is.

具体的に、モータジェットエンジン1は、図1に示すように、吸気口2aと排気ノズル2bとを有するケーシング2と、吸気口2aから吸入された空気を圧縮する圧縮機3と、圧縮機3に連結され、圧縮機3を駆動させるモータ4と、電力を発電してその電力をモータ4に給電する燃料電池5と、圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させて排気ノズル2bから排出する燃焼器6とを備えている。   Specifically, as shown in FIG. 1, the motor jet engine 1 includes a casing 2 having an intake port 2a and an exhaust nozzle 2b, a compressor 3 that compresses air sucked from the intake port 2a, and a compressor 3 And a motor 4 that drives the compressor 3, a fuel cell 5 that generates electric power and supplies the electric power to the motor 4, and mixes and burns the compressed air with fuel and discharges it from the exhaust nozzle 2b. Combustor 6.

ケーシング2は、図1に示すように、従来公知のジェットエンジンのケーシングと略同じ構造で構成されており、吸気口2aと排気ノズル2bとを有する円筒状に形成されている。更に、ケーシング2には、圧縮機3、モータ4、燃料電池5及び燃焼器6が内蔵されている。更に、ケーシング2内には、吸気口2aから排気ノズル2bに向けて、圧縮機3(モータ4)、燃料電池5、燃焼器6の順に配置されている。更に、ケーシング2の排気ノズル2bは、燃焼器6によって生成された燃焼ガスを膨張させて気流速度を高めて排気するために設けられている。なお、ケーシング2内には、燃焼器6よりも排気ノズル2b側に、燃焼器6の燃え残りを完全に燃やすための再燃装置であるアフターバーナが更に配置されるようにしても良い。   As shown in FIG. 1, the casing 2 has substantially the same structure as that of a conventionally known jet engine casing, and is formed in a cylindrical shape having an intake port 2a and an exhaust nozzle 2b. Further, the casing 2 includes a compressor 3, a motor 4, a fuel cell 5 and a combustor 6. Further, in the casing 2, the compressor 3 (motor 4), the fuel cell 5, and the combustor 6 are arranged in this order from the intake port 2 a toward the exhaust nozzle 2 b. Further, the exhaust nozzle 2b of the casing 2 is provided to expand the combustion gas generated by the combustor 6 to increase the air flow velocity and exhaust the combustion gas. In the casing 2, an afterburner that is a reburning device for completely burning the unburned residue of the combustor 6 may be further disposed on the exhaust nozzle 2 b side than the combustor 6.

圧縮機3は、図1に示すように、ケーシング2内の吸気口2a側に設けられている。更に、圧縮機3は、遠心圧縮式や軸流圧縮式等の従来公知のジェットエンジンに用いられる圧縮機で構成されている。更に、圧縮機3は、遠心圧縮式の圧縮機と軸流圧縮式等の圧縮機との内の何れか一方を少なくとも1個設けて構成されるようにしても良く、両方を少なくとも1個ずつ設けて構成されるようにしても良い。   As shown in FIG. 1, the compressor 3 is provided on the intake port 2 a side in the casing 2. Furthermore, the compressor 3 is composed of a compressor used in a conventionally known jet engine such as a centrifugal compression type or an axial flow compression type. Further, the compressor 3 may be configured by providing at least one of a centrifugal compression type compressor and an axial flow compression type compressor, and at least one of both. It may be configured to be provided.

そして、圧縮機3は、吸気口2aから吸入された空気を圧縮する。更に、圧縮機3は、図2に示すように、圧縮した空気を燃料電池5(カソード5a)に供給する。   And the compressor 3 compresses the air suck | inhaled from the inlet 2a. Furthermore, the compressor 3 supplies the compressed air to the fuel cell 5 (cathode 5a) as shown in FIG.

モータ4は、図1に示すように、圧縮機3を駆動させるための電動モータである。更に、モータ4は、ケーシング2内に設けられ、圧縮機3の回転軸に直接的に又はギア群等の伝達部材を介して間接的に連結されている。更に、モータ4は、燃料電池5と電気的に接続されており、燃料電池5から電力が給電されて駆動される。   The motor 4 is an electric motor for driving the compressor 3 as shown in FIG. Further, the motor 4 is provided in the casing 2 and is directly connected to the rotating shaft of the compressor 3 or indirectly through a transmission member such as a gear group. Further, the motor 4 is electrically connected to the fuel cell 5 and is driven by power supplied from the fuel cell 5.

燃料電池5は、図1に示すように、ケーシング2内の圧縮機3よりも排気ノズル2b側で燃焼器6よりも吸気口2a側に設けられている。すなわち、燃料電池5は、低温度の空気が流れる、所謂、コールドセクションに設けられている。更に、燃料電池5は、モータ4に電気的に接続されている。この燃料電池5は、従来公知の燃料電池であれば如何なる燃料電池であっても良いが、例えば、高温での作動に優れ、高負荷且つ燃料選択の自由度が高い固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、SOFC)が好ましい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 5 is provided on the exhaust nozzle 2 b side of the compressor 3 in the casing 2 and on the intake port 2 a side of the combustor 6. That is, the fuel cell 5 is provided in a so-called cold section through which low-temperature air flows. Further, the fuel cell 5 is electrically connected to the motor 4. The fuel cell 5 may be any fuel cell as long as it is a conventionally known fuel cell. For example, the fuel cell 5 is a solid oxide fuel cell that is excellent in operation at high temperatures, has a high load, and has a high degree of freedom in fuel selection. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is preferred.

そして、図2に示すように、燃料電池5は、空気が燃料電池5のカソード5aに供給されると共に、原燃料が例えばブロワー(又はポンプ)8によってリフォーマ9に供給されてリフォーマ9によって改質された後に燃料電池5のアノード5bに供給される。すると、燃料電池5は、電力を発電して、その電力をモータ4に給電する。なお、燃料電池5は、発電した電力を、例えばDC/ACインバータ等のモータ調節器を介してモータ4に給電するようにしても良い。更に、燃料電池5は、ブロワー(又はポンプ)8やリフォーマ9を介さずに、原燃料が直接アノード5bに供給されるようにしても良い。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell 5, air is supplied to the cathode 5 a of the fuel cell 5 and raw fuel is supplied to the reformer 9 by, for example, a blower (or pump) 8 and reformed by the reformer 9. Is supplied to the anode 5b of the fuel cell 5. Then, the fuel cell 5 generates electric power and supplies the electric power to the motor 4. The fuel cell 5 may supply the generated power to the motor 4 via a motor regulator such as a DC / AC inverter. Further, the fuel cell 5 may be configured such that the raw fuel is directly supplied to the anode 5 b without using the blower (or pump) 8 or the reformer 9.

更に、燃料電池5は、発電時に自ら発熱する。そのため、燃料電池5は、圧縮機3で圧縮されて燃焼器6に導かれる空気を発電時の発熱による熱エネルギーによって加熱する。すなわち、モータジェットエンジン1は、燃料電池5の発電時の発熱による熱エネルギーをも推力として利用する。   Furthermore, the fuel cell 5 generates heat itself during power generation. Therefore, the fuel cell 5 heats the air compressed by the compressor 3 and guided to the combustor 6 by the heat energy generated by the heat generated during power generation. That is, the motor jet engine 1 also uses thermal energy generated by heat generation during the power generation of the fuel cell 5 as a thrust.

燃焼器6は、図1に示すように、ケーシング2内において、燃料電池5よりも排気ノズル2b側に設けられている。更に、燃焼器6は、従来公知のジェットエンジンの燃焼器と略同じ構造で構成されている。そして、燃焼器6は、燃料電池5で加熱された圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させて、生成された高温の排気ガスを排気ノズル2bからケーシング2の外部に排出する。   As shown in FIG. 1, the combustor 6 is provided on the exhaust nozzle 2 b side of the fuel cell 5 in the casing 2. Further, the combustor 6 has substantially the same structure as a conventionally known jet engine combustor. The combustor 6 mixes the fuel with the compressed air heated by the fuel cell 5 and burns it, and discharges the generated high-temperature exhaust gas from the exhaust nozzle 2 b to the outside of the casing 2.

以上のように構成を有するモータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力がモータ4に供給され、モータ4によって圧縮機3が駆動される。すなわち、モータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力を利用して圧縮機3が電動で駆動される。   In the motor jet engine 1 configured as described above, the electric power generated by the fuel cell 5 is supplied to the motor 4, and the compressor 3 is driven by the motor 4. That is, in the motor jet engine 1, the compressor 3 is electrically driven using the electric power generated by the fuel cell 5.

次いで、モータジェットエンジン1は、圧縮機3が駆動されると、圧縮機3によって吸気口2aから吸入された空気が圧縮され、燃料電池5によって圧縮機3で圧縮された空気が加熱される。すなわち、モータジェットエンジン1は、燃料電池5の発熱による熱エネルギーも推力として取り出して利用する。   Next, in the motor jet engine 1, when the compressor 3 is driven, the air sucked from the intake port 2 a is compressed by the compressor 3, and the air compressed by the compressor 3 is heated by the fuel cell 5. That is, the motor jet engine 1 takes out and uses the thermal energy generated by the heat generated by the fuel cell 5 as a thrust.

次いで、モータジェットエンジン1は、燃焼器6によって、燃料電池5で加熱された圧縮された空気に燃料が混合されて燃焼されて、生成された高温の排気ガスが排気ノズル2bからケーシング2の外部に排出されることで、エンジン出力を得る。この際、モータジェットエンジン1は、燃焼器6によって生成された高温の排気ガスが排気ノズル2bにおいて最高圧となり、入口全圧と出口全圧との比である膨張比を大きく取ることができるので、排気速度を大きくすることができる。   Next, in the motor jet engine 1, fuel is mixed with the compressed air heated by the fuel cell 5 and burned by the combustor 6, and the generated high-temperature exhaust gas is discharged from the exhaust nozzle 2 b to the outside of the casing 2. The engine output is obtained by being discharged. At this time, in the motor jet engine 1, the high-temperature exhaust gas generated by the combustor 6 becomes the highest pressure in the exhaust nozzle 2b, and the expansion ratio that is the ratio between the total inlet pressure and the total outlet pressure can be increased. The exhaust speed can be increased.

ここで、図3(A)は、圧縮機とこの圧縮機を駆動するためのタービンとが1つの軸で接続されている従来のジェットエンジンのエネルギーバランスを示している。図3(B)は、圧縮機とこの圧縮機を駆動するためのタービンとが少なくとも1つの軸で接続されていると共に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)等の燃料電池が内蔵されている燃料電池内蔵型のジェットエンジンのエネルギーバランスを示している。図3(C)は、圧縮機を駆動するためのタービンがケーシング2内に組み込まれておらず、固体酸化物形燃料電池(SOFC)等の燃料電池5が内蔵されている本発明を適用したモータジェットエンジン1のエネルギーバランスを示している。   Here, FIG. 3A shows the energy balance of a conventional jet engine in which a compressor and a turbine for driving the compressor are connected by a single shaft. In FIG. 3B, a compressor and a turbine for driving the compressor are connected by at least one shaft, and a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) is incorporated. It shows the energy balance of a jet engine with a built-in fuel cell. In FIG. 3C, the present invention in which the turbine for driving the compressor is not incorporated in the casing 2 and the fuel cell 5 such as a solid oxide fuel cell (SOFC) is incorporated is applied. The energy balance of the motor jet engine 1 is shown.

図3(A)に示すように、従来のジェットエンジンは、図3(A)中の(a)に示すような燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー20を有する。そして、従来のジェットエンジンは、圧縮機で圧縮された空気に燃焼器によって燃料が混合された際、図3(A)中の(b)に示すようなエネルギー21を有する。具体的には、仕事を取り出す元となる合計エネルギー21は、燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー20と、圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー21aとの和である。   As shown in FIG. 3 (A), the conventional jet engine has energy 20 that can be extracted when all the fuels shown in FIG. 3 (A) have reacted. And the conventional jet engine has the energy 21 as shown to (b) in FIG. 3 (A), when a fuel is mixed with the air compressed with the compressor with the combustor. Specifically, the total energy 21 from which work is extracted is the sum of the energy 20 that can be extracted when all the fuel has reacted and the energy 21a that the air compressed by the compressor has.

そして、従来のジェットエンジンは、燃焼器によって燃焼されると、図3(A)中の(c)に示すようなエネルギー22を有する。具体的には、燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー20と圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー21aとの合計エネルギー21が、全て熱エネルギー22となる。   When the conventional jet engine is burned by the combustor, it has energy 22 as shown in (c) of FIG. Specifically, the total energy 21 of the energy 20 that can be taken out when all of the fuel has reacted and the energy 21 a that the air compressed by the compressor has becomes the thermal energy 22.

そして、この熱エネルギー22は、図3(A)中の(d)に示すように、一部23aが伝熱損失と排気ガスの熱としてケーシングの外部に放出され、その他23bが仕事として取り出される。そして、取り出される仕事23bは、図3(A)中の(e)に示すように、一部24aがタービンを介して圧縮機を駆動するのに用いられ(=圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー21a)、その他24bが外部に取り出される。ここでは、例えば、エンジンの推力となる。   As shown in (d) of FIG. 3 (A), a part 23a of this thermal energy 22 is released to the outside of the casing as heat transfer loss and heat of exhaust gas, and the other 23b is taken out as work. . Then, as shown in FIG. 3A, (e), the work 23b to be taken out is used by a part 24a for driving the compressor via the turbine (= the air compressed by the compressor is The energy 21a) and the other 24b are extracted to the outside. Here, for example, it is the thrust of the engine.

図3(B)に示すように、従来の燃料電池内蔵型ジェットエンジンは、図3(B)中の(a)に示すような燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー30を有する。そして、従来の燃料電池内蔵型ジェットエンジンは、圧縮機で圧縮された空気に燃焼器によって燃料が混合された際、図3(B)中の(b)に示すようなエネルギー31を有する。具体的には、エネルギー31は、燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー30と、圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー31aとの合計エネルギーである。   As shown in FIG. 3B, the conventional jet engine with a built-in fuel cell has energy 30 that can be taken out when all the fuels shown in FIG. And the conventional fuel cell built-in type jet engine has the energy 31 as shown to (b) in FIG.3 (B), when a fuel is mixed with the air compressed with the compressor by the combustor. Specifically, the energy 31 is the total energy of the energy 30 that can be extracted when all of the fuel has reacted and the energy 31a that the air compressed by the compressor has.

そして、従来の燃料電池内蔵型ジェットエンジンは、燃焼器によって燃焼されると共に燃料電池によって発電されると、図3(B)中の(c)に示すようなエネルギー32を有する。具体的には、エネルギー31から得られた熱エネルギー32aと、燃料電池の発電から得られた電気エネルギー32bとを有する。   When the conventional fuel cell built-in jet engine is combusted by the combustor and generated by the fuel cell, it has energy 32 as shown in (c) of FIG. Specifically, it has thermal energy 32a obtained from energy 31 and electrical energy 32b obtained from power generation of the fuel cell.

そして、この熱エネルギー32aは、図3(B)中の(d)に示すように、一部33aが伝熱損失と排気ガスの熱としてケーシングの外部に放出され、その他33bが仕事として取り出される。そして、取り出される仕事33bは、図3(B)中の(e)に示すように、一部34aがタービンを介して圧縮機を駆動するのに用いられ(=圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー31a)、その他34bが外部に取り出される。ここでは、例えば、エンジンの推力となる。   As shown in (d) of FIG. 3B, the heat energy 32a is partly released to the outside of the casing as heat transfer loss and exhaust gas heat, and the other 33b is taken out as work. . Then, as shown in FIG. 3B, (e), the work 33b to be taken out is used by a part 34a for driving the compressor via the turbine (= the air compressed by the compressor is The energy 31a) and the other 34b are extracted to the outside. Here, for example, it is the thrust of the engine.

図3(C)に示すように、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、図3(C)中の(a)に示すような燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー40を有する。そして、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、圧縮機3で圧縮された空気に燃焼器6によって燃料が混合された際、図3(C)中の(b)に示すようなエネルギー41を有する。具体的には、エネルギー41は、燃料が全て反応した際に取り出せるエネルギー40と、圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー41aとの合計エネルギーである。   As shown in FIG. 3 (C), the motor jet engine 1 to which the present invention is applied has energy 40 that can be taken out when all the fuels shown in FIG. 3 (C) have reacted. When the motor jet engine 1 to which the present invention is applied is mixed with the air compressed by the compressor 3 by the combustor 6, the motor jet engine 1 generates energy 41 as shown in FIG. Have. Specifically, the energy 41 is the total energy of the energy 40 that can be taken out when all the fuel has reacted and the energy 41a that the air compressed by the compressor has.

そして、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃焼器6によって燃焼されると共に燃料電池5によって発電されると、図3(C)中の(c)に示すようなエネルギー42を有する。具体的には、エネルギー41から得られた熱エネルギー42aと、燃料電池5の発電から得られた電気エネルギー42bとを有する。   When the motor jet engine 1 to which the present invention is applied is combusted by the combustor 6 and generated by the fuel cell 5, the motor jet engine 1 has energy 42 as shown in (c) of FIG. Specifically, it has thermal energy 42 a obtained from the energy 41 and electric energy 42 b obtained from the power generation of the fuel cell 5.

そして、この熱エネルギー42aは、図3(C)中の(d)に示すように、一部43aが伝熱損失と排気ガスの熱としてケーシング2の外部に放出され、その他43bが外部に仕事として取り出される。ここでは、例えば、エンジンの推力となる。そして、図3(C)中の(e)に示すように、燃料電池5の発電から得られた電気エネルギー42bは、一部44aが圧縮機3を駆動するのに用いられる(=圧縮機で圧縮された空気がもつエネルギー41a)。   As shown in (d) of FIG. 3 (C), a part 43a of this thermal energy 42a is released to the outside of the casing 2 as heat transfer loss and exhaust gas heat, and the other 43b works outside. As taken out. Here, for example, it is the thrust of the engine. And as shown to (e) in FIG.3 (C), the electrical energy 42b obtained from the electric power generation of the fuel cell 5 is used for a part 44a driving the compressor 3 (= compressor). Energy 41a) of compressed air.

すなわち、従来のジェットエンジン及び従来の燃料電池内蔵型ジェットエンジン(以下、従来のジェットエンジン等とも言う。)は、圧縮機を駆動するためのタービンを有するので、熱エネルギー22,32aから取り出された仕事の一部23b,33bがタービンを介して圧縮機を駆動するのに用いられてしまう。これに対して、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力を利用して圧縮機3が電動で駆動されるので、熱エネルギー42aから取り出された仕事43bを全て外部に取り出すことができる。すなわち、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池の発電による電気エネルギーで圧縮機3を駆動するため、タービンが不要である。また、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池の発熱により得られる熱エネルギーをタービンで失うことなく、ノズルで推進のための仕事として取り出すことができる。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等よりも、高効率である。   That is, a conventional jet engine and a conventional jet engine with a built-in fuel cell (hereinafter, also referred to as a conventional jet engine) have a turbine for driving a compressor, and thus are extracted from thermal energy 22 and 32a. Part of the work 23b, 33b will be used to drive the compressor through the turbine. In contrast, in the motor jet engine 1 to which the present invention is applied, since the compressor 3 is electrically driven using the power generated by the fuel cell 5, all the work 43b extracted from the thermal energy 42a is used. Can be taken out. That is, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied does not require a turbine because the compressor 3 is driven by the electric energy generated by the power generation of the fuel cell. In addition, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can take out thermal energy obtained by the heat generation of the fuel cell as work for propulsion by the nozzle without losing it by the turbine. Therefore, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied is more efficient than a conventional jet engine or the like.

更に、従来のジェットエンジン等は、外部に取り出される仕事を増やすために、合計エネルギー21,31から得られる熱エネルギー22,32を増やす必要がある。更に、熱エネルギー22,32を増やすためには、圧縮機3によって空気を大きく圧縮して高温高圧化する必要がある。これに対して、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力を利用して圧縮機3が電動で駆動されるので、従来のジェットエンジン等ほど、圧縮機3によって空気を大きく圧縮して高温高圧化する必要がない。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等ほどの耐熱・耐圧材料を使用する必要が無く、従来のジェットエンジン等のように冷却構造を設ける必要もなく、ケーシング2の肉厚を薄くできるなど、構造の簡略化及び低コスト化を図ることができる。   Furthermore, in order for the conventional jet engine etc. to increase the work taken out outside, it is necessary to increase the thermal energy 22, 32 obtained from the total energy 21, 31. Furthermore, in order to increase the thermal energy 22, 32, it is necessary to compress the air greatly by the compressor 3 to increase the temperature and pressure. On the other hand, in the motor jet engine 1 to which the present invention is applied, the compressor 3 is electrically driven using the electric power generated by the fuel cell 5, so that the conventional jet engine or the like is driven by the compressor 3. It is not necessary to compress the air greatly to increase the temperature and pressure. Therefore, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied does not need to use a heat-resistant / pressure-resistant material as much as that of a conventional jet engine, and does not require a cooling structure like the conventional jet engine. The structure can be simplified and the cost can be reduced, for example, the thickness can be reduced.

<2.モータジェットエンジンの作用効果の説明>
以上のように、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、圧縮機3が燃料電池5によって発電された電力を利用して電動で駆動されることにより、従来のジェットエンジン等のように、圧縮機3を駆動するためのタービンをケーシング2内に組み込む必要がなくなる。すなわち、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、タービンを省略することができる。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等よりも、回転系全体を短縮することができ、小型化することができる。更に、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、タービンを省略することができるので、従来のジェットエンジン等よりも、構造の簡略化及び低コスト化を図ることができる。
<2. Explanation of effects of motor jet engine>
As described above, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied is compressed like the conventional jet engine by the compressor 3 being electrically driven using the power generated by the fuel cell 5. A turbine for driving the machine 3 need not be incorporated in the casing 2. That is, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can omit the turbine. Therefore, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can shorten the entire rotation system and can be miniaturized as compared with a conventional jet engine or the like. Furthermore, since the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can omit the turbine, the structure can be simplified and the cost can be reduced as compared with a conventional jet engine or the like.

更に、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、発電時に自ら発熱する。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池5がケーシング2内の燃焼器6よりも吸気口2a側に設けられ、燃料電池5の発電時の発熱による熱エネルギーによって圧縮機3により圧縮された空気が加熱されることにより、燃料電池5の発熱による熱エネルギーも推力として取り出して利用することができる。更に、本発明を適用したモータジェットエンジンは、燃焼器6によって燃焼する前に、燃料電池5の発電時の発熱による熱エネルギーによって圧縮機3により圧縮された空気が予熱されることにより、燃焼器6による燃焼効率を向上させることができる。よって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、小型化しても、高効率・高推力を確保することができる。一例として、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、熱効率が40%〜60%で大型のガスタービンエンジンと同等の効率を有することができる。   Further, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied generates heat by itself during power generation. Therefore, in the motor jet engine 1 to which the present invention is applied, the fuel cell 5 is provided on the intake port 2a side with respect to the combustor 6 in the casing 2, and the compressor 3 is heated by the heat energy generated by the heat generated when the fuel cell 5 generates power. By heating the compressed air, the heat energy generated by the heat generated by the fuel cell 5 can be taken out and used as a thrust. Furthermore, in the motor jet engine to which the present invention is applied, the air compressed by the compressor 3 is preheated by the heat energy generated by the heat generated when the fuel cell 5 generates power before being combusted by the combustor 6. The combustion efficiency by 6 can be improved. Therefore, even if the motor jet engine 1 to which the present invention is applied is downsized, high efficiency and high thrust can be ensured. As an example, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can have an efficiency equivalent to that of a large gas turbine engine with a thermal efficiency of 40% to 60%.

更に、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力を利用して圧縮機3が電動で駆動されるので、熱エネルギー42aから得られた仕事43bを全て外部に取り出すことができる。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等よりも、高効率に外部に仕事を取り出すことができる。   Further, in the motor jet engine 1 to which the present invention is applied, since the compressor 3 is electrically driven using the electric power generated by the fuel cell 5, all the work 43b obtained from the thermal energy 42a is taken out to the outside. be able to. Therefore, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can extract work to the outside with higher efficiency than a conventional jet engine or the like.

すなわち、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等と同程度の推力を確保する場合、従来のジェットエンジン等よりも小型化することができ、従来のジェットエンジン等と同程度のサイズにする場合、従来のジェットエンジン等よりも大きな推力を得ることができる。   That is, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can be made smaller than the conventional jet engine or the like when the same thrust force as that of the conventional jet engine or the like is secured. In the case of the size, it is possible to obtain a larger thrust than a conventional jet engine or the like.

更に、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、燃料電池5によって発電された電力を利用して圧縮機3が電動で駆動されるので、従来のジェットエンジン等ほど、圧縮機3によって空気を大きく圧縮して高温高圧化する必要がない。一例として、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、最高温度が1000℃以下で運用することができる。したがって、本発明を適用したモータジェットエンジン1は、従来のジェットエンジン等ほどの耐熱・耐圧材料を使用する必要が無く、従来のジェットエンジン等のように冷却構造を設ける必要もなく、ケーシング2の肉厚を薄くできるなど、構造の簡略化及び低コスト化を図ることができる。   Furthermore, in the motor jet engine 1 to which the present invention is applied, the compressor 3 is electrically driven using the power generated by the fuel cell 5, so that the air is increased by the compressor 3 as much as the conventional jet engine. There is no need to compress and increase the temperature and pressure. As an example, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied can be operated at a maximum temperature of 1000 ° C. or less. Therefore, the motor jet engine 1 to which the present invention is applied does not need to use a heat-resistant / pressure-resistant material as much as that of a conventional jet engine, and does not require a cooling structure like the conventional jet engine. The structure can be simplified and the cost can be reduced, for example, the thickness can be reduced.

<3.モータジェットエンジンの性能評価の説明>
次に、本発明を適用したモータジェットエンジン1の総合効率や比出力に着目し、性能評価を行った。
<3. Explanation of motor jet engine performance evaluation>
Next, performance evaluation was performed focusing on the overall efficiency and specific output of the motor jet engine 1 to which the present invention is applied.

3−1.性能計算手法の説明
ここでは、燃料成分は航空機用燃料を想定し、ケロシンのサロゲート燃料の主成分として用いられるn−decane(C1022)とした。n−decaneのように炭素数の大きい燃料は、水蒸気改質によって発生する水素の量を増やす試みがなされているが、ここでは水蒸気を用いない最も単純なドライ改質を想定した。改質反応としての総括反応式は、以下の式で表される。
3-1. Description of Performance Calculation Method Here, the fuel component is assumed to be an aircraft fuel, and n-decane (C 10 H 22 ) used as the main component of the kerosene surrogate fuel. An attempt has been made to increase the amount of hydrogen generated by steam reforming for a fuel having a large carbon number such as n-decane. Here, the simplest dry reforming without using steam is assumed. The general reaction formula as the reforming reaction is represented by the following formula.

更に、セル内で以下の反応によって発電が行われる。   Furthermore, power generation is performed by the following reaction in the cell.

全体での総括的な反応式としては、以下の式で表される。   The overall reaction formula is expressed by the following formula.

したがって、当量比φはモル比で燃料:酸素=φ:15.5で定義する。発電した電力は圧縮機の駆動に利用される。SOFCの排気ガス中には未反応分のHとCO及び投入した燃料が含まれるため、通常では、これに燃料を加えて後段のアフターバーナ部で再燃するが、今回の計算では簡略化のため全て電池内部で反応するという仮定のもと計算を行った。また、セル出口温度をセルの運用温度とみなして評価を行った。 Accordingly, the equivalence ratio φ is defined as fuel: oxygen = φ: 15.5 in terms of molar ratio. The generated power is used to drive the compressor. The SOFC exhaust gas contains unreacted H 2 and CO and the fuel that has been added. Normally, fuel is added to this and then re-combusted in the afterburner section at the latter stage, but this calculation is simplified. Therefore, the calculation was performed under the assumption that all of the cells react inside the battery. In addition, the cell outlet temperature was regarded as the operating temperature of the cell for evaluation.

表1に計算条件を示す。初期圧力及びノズル出口圧力はいずれも1atmとし、初期温度は298Kとした。機械効率は計算簡略化のため無視した。また、それ以外の効率について、効率を考慮した条件(With loss case)及び効率をすべて1とした条件(Ideal case)でそれぞれ計算を行った。圧縮機断熱効率とノズル効率はそれぞれ0.85と0.90とした。なお、以後使用する添え字の1から4は、それぞれ圧縮前、圧縮後、セル出口及びノズル出口を表す。   Table 1 shows the calculation conditions. The initial pressure and the nozzle outlet pressure were both 1 atm, and the initial temperature was 298K. Mechanical efficiency was ignored for simplicity of calculation. For other efficiencies, the calculation was performed under a condition that considered the efficiency (With loss case) and a condition where the efficiency was all 1 (Ideal case). The compressor heat insulation efficiency and nozzle efficiency were 0.85 and 0.90, respectively. Subscripts 1 to 4 to be used hereinafter represent a cell outlet and a nozzle outlet before and after compression, respectively.

先ず、ギブスの自由エネルギーの反応前と反応後の変化量ΔGを計算する。温度一定のもとで生じるギブスの自由エネルギーの変化量は以下の式で与えられる。   First, the change amount ΔG of Gibbs free energy before and after the reaction is calculated. The amount of change in Gibbs free energy that occurs under constant temperature is given by the following equation.

計算には、化学平衡計算プログラム「NASA CEA」で用いられている熱力学的係数を用いて多項式計算により求めた。TΔSはSOFCでは電力として取り出すことができずに排熱となるが、この熱は最終的にノズルでの膨張によって推力として利用される。また、実際のセルでは、内部抵抗による電圧降下(分極)が発生し、実際の起電力は理論起電力に比べ低くなる。理論出力に対する損失した電力の比で、電極での電力損失率αを定義すると、SOFCの出力Wcellは、セルでの反応前後のギブスの自由エネルギーの変化量ΔGcellとαを用いて以下の式で表される。 The calculation was performed by polynomial calculation using the thermodynamic coefficient used in the chemical equilibrium calculation program “NASA CEA”. TΔS cannot be taken out as electric power in SOFC and becomes exhaust heat, but this heat is finally utilized as thrust by expansion at the nozzle. In an actual cell, a voltage drop (polarization) due to internal resistance occurs, and the actual electromotive force is lower than the theoretical electromotive force. If the power loss rate α at the electrode is defined by the ratio of the lost power to the theoretical output, the SOFC output W cell is expressed as follows using the Gibbs free energy change ΔG cell and α before and after the reaction in the cell . It is expressed by a formula.

更に、抵抗等による損失を考慮し、電池とモータ間の電力の伝達効率ηtransを用いると、圧縮機動力Wは以下の関係となる。 Further, when power transmission efficiency η trans between the battery and the motor is used in consideration of a loss due to resistance or the like, the compressor power W c has the following relationship.

更に、エネルギーバランスにより、以下の式が成り立つ。   Furthermore, the following formula is established by the energy balance.

ここで、Hは、燃料が初期温度のもと全て反応したと仮定したときに生じるエンタルピーの変化量である。このHとセルの出力を用いて、発電効率ηは以下の式で表される。 Here, H 1 is the amount of change in enthalpy that occurs when it is assumed that the fuel has all reacted under the initial temperature. Using this H 1 and the output of the cell, the power generation efficiency η e is expressed by the following equation.

圧力比πは、圧縮前後での温度比θと、圧縮前後での比熱比の算術平均値κを用いて、以下の式で表される。 The pressure ratio π c is expressed by the following equation using the temperature ratio θ c before and after compression and the arithmetic average value κ c of the specific heat ratio before and after compression.

ここで、圧縮後のエンタルピーHは、圧縮後の温度、つまり圧力比によって変化するため、上記(8)式を満たすように繰り返し計算によって圧縮後の温度と圧力比とを求めた。ノズルでガスがなす仕事Wnozは、ノズル前後でのエンタルピー落差により以下の式で表される。 Here, since the enthalpy H 2 after compression changes depending on the temperature after compression, that is, the pressure ratio, the temperature and pressure ratio after compression were obtained by repeated calculation so as to satisfy the above equation (8). The work W noz made by the gas at the nozzle is expressed by the following equation based on the enthalpy drop before and after the nozzle.

この機関の性能を評価する重要なパラメータである総合的な効率ηは、以下の式で評価する。 The overall efficiency η O which is an important parameter for evaluating the performance of this engine is evaluated by the following equation.

熱効率と同様に、ジェットエンジンの性能を決める重要なパラメータのひとつが無次元比出力であり、以下の式で表される。   As with thermal efficiency, one of the important parameters that determines the performance of a jet engine is the dimensionless output, which is expressed by the following equation.

SOFCの出口圧力Pは、圧縮後の圧力Pセルでの圧力損失率ζを用いて以下の式で表される。 Outlet pressure P 3 of the SOFC, using the pressure loss rate ζ of pressure P 2 cells after compression is expressed by the following.

ノズル前後での温度比θは、ノズル前後での圧力比π、ノズル効率η及びノズル前後の比熱比の算術平均値κを用いて、以下の式で表される。 The temperature ratio θ n before and after the nozzle is expressed by the following equation using the pressure ratio π n before and after the nozzle, the nozzle efficiency η n and the arithmetic average value κ n of the specific heat ratio before and after the nozzle.

したがって、ノズル出口温度Tは、T=T/θの関係より、以下の式で表される。 Accordingly, the nozzle outlet temperature T 4 is expressed by the following equation from the relationship of T 4 = T 3 / θ n .

ノズル出口での排気速度vとマッハ数Mは、排気ガスの質量をm、比熱比をκ及びガス定数をRとすると、それぞれ以下の式で与えられる。 The exhaust velocity v and the Mach number M at the nozzle outlet are given by the following equations, where m is the exhaust gas mass, κ e is the specific heat ratio, and R is the gas constant.

3−2.計算結果及び考察の説明
3−2−1.燃料の当量比がセル出口温度に及ぼす影響の説明
当量比を変化させることで、SOFCの動作温度である900℃から1000℃付近となる当量比を計算により見積もった。図4に各当量比におけるSOFCのセル温度を示す。実線が効率1、すなわち電力損失と分極による起電力の低下や圧力損失を考慮しない条件(Ideal case)での温度、破線が効率を考慮した場合(With loss case)での温度である。セルの出口温度はIdeal caseでは、φ=0.22でおよそ900K、φ=0.27でおよそ1000Kであった。With lossの場合、φ=0.25でおよそ900K、φ=0.29でおよそ1000Kであった。また、SOFCの実際の運用を考慮した場合、燃料の当量比はおよそ0.2から0.4程度で良いことが分かる。
3-2. Explanation of calculation results and consideration 3-2-1. Explanation of Effect of Fuel Equivalent Ratio on Cell Outlet Temperature By changing the equivalent ratio, the equivalent ratio that becomes the operating temperature of SOFC from 900 ° C. to around 1000 ° C. was estimated by calculation. FIG. 4 shows the cell temperature of SOFC at each equivalent ratio. The solid line is the efficiency 1, that is, the temperature under the condition (Ideal case) that does not consider the drop in electromotive force and pressure loss due to power loss and polarization, and the broken line is the temperature when the efficiency is considered (With loss case). In the ideal case, the outlet temperature of the cell was about 900 K at φ = 0.22 and about 1000 K at φ = 0.27. In the case of With loss, φ = 0.25 was approximately 900K, and φ = 0.29 was approximately 1000K. Further, it is understood that the fuel equivalence ratio may be about 0.2 to 0.4 considering the actual operation of SOFC.

3−2−2.セル出口温度が発電効率に及ぼす影響の説明
セル出口温度が発電効率、圧力比及び理論効率に及ぼす影響を評価した。図5にセル温度の違いによる発電効率の計算結果を示す。Ideal caseでは、1000Kでおよそ64%と非常に高い発電効率を得る。また、セル出口温度が低温であるほど発電効率は高まる。これは、ギブスの自由エネルギーで仕事として利用できないTΔS分が低温なほど小さいためである。With loss caseでは当然発電効率も小さくなる結果が得られ、1000Kではおよそ38%ほどであった。電気駆動系の損失により発電効率は低下するが、抵抗などで生じた熱はノズルで仕事として回収でき、後述するように系全体の総合効率は高く保てる。
3-2-2. Explanation of the effect of cell outlet temperature on power generation efficiency The effect of cell outlet temperature on power generation efficiency, pressure ratio and theoretical efficiency was evaluated. FIG. 5 shows the calculation result of the power generation efficiency due to the difference in cell temperature. In the ideal case, a very high power generation efficiency of approximately 64% at 1000K is obtained. Moreover, the power generation efficiency increases as the cell outlet temperature is lower. This is because the TΔS content that cannot be used as work by Gibbs free energy is smaller as the temperature is lower. In the With loss case, the power generation efficiency was naturally reduced, and at 1000K, it was about 38%. Although the power generation efficiency decreases due to the loss of the electric drive system, the heat generated by the resistance or the like can be recovered as work by the nozzle, and the overall efficiency of the entire system can be kept high as will be described later.

3−2−3.セル出口温度が圧力比に及ぼす影響の説明
図6にセル出口温度の違いによる圧力比の計算結果を示す。セル温度が600K付近ではIdeal caseではおよそ7、With loss caseではおよそ3となった。また、セル出口温度が高いほど、圧力比は高くなる。これは、セル出口温度が高い、すなわちセル出力が高いために、圧縮仕事が大きく圧力比が上昇する。また、セル出口温度が高いほど、各損失による影響が顕著となった。Ideal caseでは、900Kで圧力比はおよそ30程である。これは、最近の大型ターボファンエンジンのおよそ半分程度の圧力比であるが、タービンを駆動する必要が無いため、後述するように非常に高いノズル圧力比を確保できる。また、圧力比が低い分、耐圧性を低くすることが可能で、圧縮機段数も少なくて済み、信頼性や材料面で現行のエンジンに比べて優位である。また、超音速飛行時では、ラム圧縮され高エンタルピーの空気が流入するが、最高最低温度比及び圧力比が小さくても高出力、高効率が実現できる。
3-2-3. Explanation of Effect of Cell Outlet Temperature on Pressure Ratio FIG. 6 shows the calculation result of the pressure ratio due to the difference in cell outlet temperature. When the cell temperature was around 600K, it was about 7 for the Ideal case and about 3 for the With loss case. Also, the higher the cell outlet temperature, the higher the pressure ratio. This is because the cell outlet temperature is high, that is, the cell output is high, so that the compression work is large and the pressure ratio is increased. Moreover, the influence by each loss became remarkable, so that the cell exit temperature was high. In the ideal case, the pressure ratio is about 30 at 900K. This is approximately half the pressure ratio of recent large turbofan engines, but it is not necessary to drive the turbine, so that a very high nozzle pressure ratio can be secured as will be described later. In addition, the pressure resistance can be lowered because the pressure ratio is low, and the number of compressor stages is reduced, which is superior to current engines in terms of reliability and materials. In supersonic flight, ram-compressed and high-enthalpy air flows in, but high output and high efficiency can be realized even if the maximum / minimum temperature ratio and pressure ratio are small.

3−2−4.セル出口温度が総合効率に及ぼす影響の説明
図7に、セル出口温度と総合効率の関係を示す。Ideal caseでは、セル出口温度が1000Kで総合効率およそ87%と非常に高い効率となった。また、幅広い温度域で高い効率となっていることが分かる。これは、セル出口温度が低いほど燃料電池の発電効率が高い一方で、ブレイトンサイクルとしての効率が高温度側で上昇するためである。With loss caseでは、今回行った温度範囲ではおよそ30%程総合効率は低かったが、セル出口温度が1000Kでおよそ45%と高い効率が確保できる。これは、大型のガスタービン発電の発電端効率と同等の効率であるが、系の温度は1000K程で済むという特徴がある。
3-2-4. FIG. 7 shows the relationship between the cell outlet temperature and the overall efficiency. In the ideal case, the cell outlet temperature was 1000K, and the overall efficiency was very high at approximately 87%. It can also be seen that the efficiency is high over a wide temperature range. This is because the lower the cell outlet temperature, the higher the power generation efficiency of the fuel cell, while the Brayton cycle efficiency increases on the higher temperature side. In the With loss case, the overall efficiency was low by about 30% in the temperature range performed this time, but a high efficiency of about 45% can be secured at a cell outlet temperature of 1000K. This is an efficiency equivalent to the power generation end efficiency of a large-scale gas turbine power generation, but has a feature that the temperature of the system is about 1000K.

3−2−5.セル出口温度が無次元比出力に及ぼす影響の説明
図8に、セル出口温度と無次元比出力の関係を示す。Ideal caseでは、セル出口温度がおよそ650Kで無次元比出力は1、1000Kではおよそ2.3となった。With loss caseでは、セル出口温度が低いほど損失を無視した場合と無次元比出力の差が小さく、高温ほど差が顕著であった。セル出口温度が1000Kでは、無次元比出力はおよそ1.2となった。これは、圧力比が40程度の現用機とほぼ同等である。
3-2-5. Explanation of Effect of Cell Exit Temperature on Dimensionless Specific Output FIG. 8 shows the relationship between the cell exit temperature and the dimensionless specific output. In the ideal case, the cell exit temperature was about 650K, and the dimensionless output was about 2.3 at 1,1000K. In the With loss case, the lower the cell outlet temperature, the smaller the difference between the dimensionless output and the case where the loss is ignored, and the higher the temperature, the more significant the difference. When the cell outlet temperature was 1000K, the dimensionless specific power was about 1.2. This is almost the same as a working machine having a pressure ratio of about 40.

3−2−6.セル出口温度が排気ガス速度に及ぼす影響の説明
図9に、セル出口温度と排気ガスのマッハ数の関係を示す。
3-2-6. FIG. 9 shows the relationship between the cell outlet temperature and the exhaust gas Mach number.

3−3.結論
本発明を適用したモータジェットエンジン1について、n−decaneを燃料として計算によって性能推算を行った。その結果、以下に示す知見を得た。
3-3. Conclusion About the motor jet engine 1 to which this invention is applied, performance estimation was performed by calculation using n-decane as fuel. As a result, the following knowledge was obtained.

(1)発電効率はセル出口温度が低いほど高く、損失を無視した場合1000Kでおよそ64%であり、温度の上昇に伴い低下する。一方で、圧力比はセル出口温度が高いほど高く、損失を無視した場合900Kでおよそ30となった。以上の特長により、SOFCの運用される幅広い温度域において総合効率が非常に高く、低温・低圧力比でも高い総合効率を得ることが可能であり、運用が想定される幅広い温度域で85%を超える。また、損失を考慮した条件で現行のエンジンに比べて効率を犠牲にすることなく低温低圧化が可能で、利点があることが分かった。   (1) The power generation efficiency is higher as the cell outlet temperature is lower, and is approximately 64% at 1000 K when the loss is ignored, and decreases as the temperature increases. On the other hand, the pressure ratio was higher as the cell outlet temperature was higher, and was about 30 at 900K when the loss was ignored. With the above features, overall efficiency is very high in a wide temperature range where SOFC is operated, and high overall efficiency can be obtained even at low temperature and low pressure ratio, and 85% in a wide temperature range where operation is expected. Exceed. In addition, it was found that low-temperature and low-pressure can be achieved without sacrificing efficiency compared with the current engine under conditions that take loss into account.

(2)損失を無視した場合、セル出口温度が600K程で排気ガスのマッハ数は2を超え、超音速噴射が可能である。損失を考慮した条件においても、セル出口温度が600Kほどでマッハ数が1を超える。現行の超音速飛行用エンジンの圧力比と温度比から見積もられる比出力と同程度の比出力が確保できることからも、圧縮動力源のタービンを用いることなく圧縮機段数を少なくでき、超音速での運用を含む高推力運転が可能である。   (2) When the loss is ignored, the cell outlet temperature is about 600K, the exhaust gas Mach number exceeds 2, and supersonic injection is possible. Even under the condition considering the loss, the cell outlet temperature is about 600K and the Mach number exceeds 1. Since the specific power equivalent to the specific power estimated from the pressure ratio and temperature ratio of the current supersonic flight engine can be secured, the number of compressor stages can be reduced without using the turbine of the compression power source, and at supersonic speed. High thrust operation including operation is possible.

1 モータジェットエンジン、2 ケーシング、2a 吸気口、2b 排気ノズル、3 圧縮機、4 モータ、5 燃料電池、5a カソード、5b アノード、6 燃焼器、8 ブロワー、9 リフォーマ、100 ジェットエンジン、101 圧縮機、102 燃焼器、103 タービン、104 ノズル、105 軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor jet engine, 2 Casing, 2a Inlet, 2b Exhaust nozzle, 3 Compressor, 4 Motor, 5 Fuel cell, 5a Cathode, 5b Anode, 6 Combustor, 8 Blower, 9 Reformer, 100 Jet engine, 101 Compressor , 102 Combustor, 103 Turbine, 104 nozzles, 105 axes

Claims (2)

吸気口と排気ノズルとを有するケーシングと、
上記ケーシング内に設けられ、上記吸気口から吸入された空気を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機に連結され、該圧縮機を駆動させるモータと、
上記ケーシング内の上記圧縮機よりも排気ノズル側に設けられ、電力を発電して該電力を上記モータに給電すると共に、発電時の発熱による熱エネルギーによって上記圧縮された空気を加熱する燃料電池と、
上記ケーシング内の上記燃料電池よりも排気ノズル側に設けられ、上記燃料電池によって加熱された圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させて上記排気ノズルから排出する燃焼器とを備えることを特徴とするモータジェットエンジン。
A casing having an inlet and an exhaust nozzle;
A compressor provided in the casing and compressing air sucked from the air inlet;
A motor connected to the compressor and driving the compressor;
A fuel cell that is provided on the exhaust nozzle side of the compressor in the casing, generates electric power and supplies the electric power to the motor, and heats the compressed air by heat energy generated during power generation; ,
A combustor that is provided on the exhaust nozzle side of the fuel cell in the casing and that mixes and burns fuel in the compressed air heated by the fuel cell and discharges the fuel from the exhaust nozzle. Motor jet engine.
上記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)であることを特徴とする請求項1に記載のモータジェットエンジン。   The motor jet engine according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC).
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