JP2015530528A - 航空機などの旅客輸送機関に搭載される、水素のための着脱可能な貯蔵体 - Google Patents

航空機などの旅客輸送機関に搭載される、水素のための着脱可能な貯蔵体 Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態は、概して、航空機、航空宇宙機関、又は、その他の旅客輸送機関に搭載される水素ネットワークのための着脱可能な貯蔵体に関する。これらの実施形態は、特には、燃料電池システムを補助するために水素ネットワークを用いる機関に関する。【選択図】図１

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１２年７月２６日に出願された「航空機の水素ネットワークのための着脱可能な貯蔵体」(“Removable Storage for Hydrogen Aircraft Network”)と題された、米国特許仮出願第６１／６７５，９１５号の優先権を主張し、この出願の全開示内容を援用して本文の記載の一部とする。
本発明の実施形態は、概して、航空機、航空宇宙機関（乗り物）、又は、その他の乗客輸送機関に搭載される水素ネットワークのための着脱可能な貯蔵体に関する。これらの実施形態は、特には、燃料電池システムを補助するために水素ネットワークを用いる機関（乗り物）に関する。
航空機内の多数の構成要素（部品）が、それらの作動のための電力を必要とする。これらの構成要素の多くが、航空機を飛行させるために実際に必要な電気部品（すなわち、ナビゲーションシステム、燃料計、飛行操縦装置、及び、油圧システム）とは別個である。例えば、航空機には、配膳設備、加熱／冷却システム、洗面所、パワーシート、湯沸器、及び、その他の同様に電力を必要とする構成要素（部品）が備えられている。外部電力を必要とするような特定の構成要素は、限定はしないが、ゴミ圧縮機（厨房及び／又は洗面所で）、オーブン及び加温コンパートメント（例えば、スチームオーブン、コンベクションオーブン、及びパン温め器）、オプショナルの食器洗浄機、冷凍庫、冷蔵庫、コーヒー及びエスプレッソメーカ、湯沸器（お茶用）、空気冷却装置及び冷蔵コンパートメント、厨房ごみ処理機、加温又は冷却される移動式カウンタのカート／トロリー、表面清浄、エリアヒータ、キャビン換気、独立換気、エリア又はスポットライト（例えば、キャビン照明、及び／又は、乗客座席のための読書灯）、給水器、凍結防止のための給水管加熱、乗客の電子機器のための充電ステーション、電気ソケット、真空発生器、真空トイレアセンブリ、雑排水のインタフェース弁、パワーシート（例えば、特に、ビジネスクラス又はファーストクラスの座席のための）、乗客用娯楽装置、非常用照明、並びに、これらの組合せを含む。これらの構成要素は、乗客の快適さ及び満足のために重要であり、多くの構成要素が絶対的な必需品である。
しかし、これらの構成要素に関する問題の１つは、これらの構成要素のエネルギー消費である。先に述べたように、厨房の加熱及び冷却システムは、航空機内の複数のその他のシステムの中でも特に、同時に動力を必要とする。このようなシステムは、しばしば、航空機エンジンの駆動ジェネレータから引き出すことができる動力よりも多くの動力を必要とし、追加の動力源、例えば、ジェット燃料（ケロシン）燃焼補助動力装置（ＡＰＵ）（又は、航空機が飛行中でない場合は地上の動力装置）を必要とする。この動力消費は、数百人の乗客を乗せた長時間飛行の場合に、より一層大きくなろう。さらに、航空機動力の利用により、騒音及びＣＯ２排出が生じ、これらは共に、低減されることが望ましい。従って、これらの構成要素に動力を供給するための革新的な方法を提供することにより、燃料効率及び電力管理を改善するための方法を定めることが望ましい。機内の構成要素を動作させるための動力を発生させるために、そしてまた、動力発生の有益な副産物を、旅客輸送機関（例えば航空機）内のその他の用途に利用するために、新規の方法が開発されている。
燃料電池の比較的新しい技術は、既に航空機に搭載されている補助エネルギー源に、有望な清浄装置及び防音装置を設けている。燃料電池は、電力に加えて、複数の出力を有し、これらのその他の出力は、利用されない場合が多く、しかし、燃料電池システムにより発生される他の利用可能なエネルギー源（例えば、熱、電気、及び／又は空気圧による動力）の損失を回避するために用いられることができる。燃料電池システムは、燃料源である圧縮水素を空気中の酸素と結合させて、電力及び熱出力を主生成物として生成する。水及び低酸素空気(Oxygen Depleted Air)（ＯＤＡ）が副生成物として生成される。これらの副生成物は、航空機の現在の動力発生プロセスによるＣＯ２排出よりも、有害性が非常に低い。
燃料電池を航空機及びその他の機関（乗り物）に搭載し使用することの提案は比較的新しいため、燃料電池が機能するのに必要な水素のための貯蔵ネットワーク及びシステムが適切な場所に存在しない。具体的には、現在、民間航空機に導入されている水素ネットワークはない。酸素ネットワークは、航空機の非常時減圧に備えて導入されているため、酸素は乗員及び乗客に提供されることができる。酸素の高漏出を回避するために、自動的な流れヒューズを、ガスネットワークに沿って設置することができる。ボンベ領域では、安全性のために高圧が避けられ、低圧が優先されている。また、航空機又は航空宇宙の機関に搭載される化学的酸素発生器も存在する。しかし、これらのシステム及びネットワークは、着脱可能に設計されておらず、また、ガスを燃料電池システムに配送するために設計されてもおらず、酸素を呼吸システム及びその他の加圧システムに配送するためものである。
従って、取り外して補充及び／又は交換されることができる着脱可能な水素貯蔵システムが現在必要である。
従って、本文中に記載される本発明の実施形態は、燃料電池用及び／又はその他の任意の水素利用のために用いられる航空機ネットワークのための水素貯蔵（水素貯蔵体）を提供する。この水素貯蔵システムは、機関（乗り物）から着脱可能であるように設計され、これにより、水素貯蔵体を、補充及び／又は新しい水素源に交換することができる。
水素貯蔵トロリーの側面図である。 水素貯蔵クレードルの側面図である。 水素貯蔵エアカーゴコンテナの側面透視図である。 航空機の可能な水素ネットワークの概略図である。 水素を使用する燃料電池システムの概略図である。 燃料電池システムが様々な航空機システムに電力を供給するためにどのように用いられ得るかを示す概略図である。 水素を１以上の航空機システムに接続するために用いられ得る円筒状のクイックフィットコネクタの実施形態である。 水素を１以上の航空機システムに接続するために用いられ得るクイックフィットコネクタ（プレート）の実施形態である。
本発明の実施形態は、着脱可能な水素貯蔵体を航空機又はその他の乗客輸送機関に設置するための装置、システム及び方法を提供する。このシステムは、機関（乗り物）から容易に着脱可能であり且つ新しい水素ボンベのセットに交換されるように設計されている。航空会社は航空機の再整備(turn-around)時間の、より一層の短縮に努めている。しかし、それは、また、これらのシステムが安全に導入されること、及び、メンテナンスが安全で容易であることを必須とする。本文中に記載する実施形態が、機関に迅速に取り付けられ且つ機関から迅速に取り外され、これにより、水素の補充が現場以外で、又は専用の安全な補充エリアで行われることができることが望ましい。これは、飛行機の再整備時間、又は、水素充填のために実行される追加の予防措置、若しくは安全対策を増やさないことを意味する。従って、本文中に記載するシステムは、本質的に安全で容易に利用可能であり、尚且つ、統合（一体化）が容易であり、物流（logistics）を減らす。本文中に記載する様々な実施形態は、個々に、又は、互いに関連して、及び、その他の商用システムと共に用いられ得る。１以上の水素貯蔵場所が提供されるであろう。また、本発明のシステムを、燃料電池システムのための水素の使用に関して記載するが、記載される着脱可能な水素貯蔵体は、特定の用途のためのものではなく、また、このタイプの燃料（又はその他のタイプの燃料）の分散的貯蔵の構想が、航空機内のその他の用途に電力を供給するために用いられ得ることが理解されよう。
水素ガスネットワークは、安全規制及び安全基準の確立を必要とするという点で酸素ガスネットワークと同等である。航空機内に設置されるいずれのガスボンベも、米国運輸省により適格とされ、認定され、承認を得なければならない。ガイドラインＳＡＥ（米国自動車技術者協会）ＡＩＲ６４６４は、航空機の燃料電池システムの統合（一体化）を推奨している。
水素のために用いられるガス貯蔵容器(storage)は、約１２７バール（１．２７ＭＰａ）〜約７００バール（７０ＭＰａ）以上の範囲の圧力を有する典型的なガスボンベである。様々なタイプのガスボンベがあり、それらは、例えば、Ｔｙｐｅ１（金属）、Ｔｙｐｅ２（フープ巻き複合体、金属ライナあり）、Ｔｙｐｅ３（フルラップ複合体、金属ライナあり）Ｔｙｐｅ４（フルラップ複合体、金属ライナなし）である。本文中に記載する実施形態は、全てのタイプのボンベに有用であり、さらに、将来使用され得るその他の貯蔵容器にも有用である。旅客輸送機関の機内での水素の使用のために提供されるいずれの貯蔵システムも、安全で確実であるように設計されることが、概して望ましい。それ故、以下の着脱可能な水素貯蔵ネットワークシステムを開発した。
図１は、水素貯蔵トロリー１０を示す。このトロリー１０は、航空機内での食品及び／又は飲料の保管、並びに配膳のために通常使用されるトロリーと類似のタイプのトロリーである。水素貯蔵の場合、トロリーベイが、１以上のボンベ又はその他の任意のタイプの貯蔵容器を収容できる水素貯蔵エリア１２に替えられる。クイックプラグ１４を、水素接続のために用いることができる。
別の実施形態において、図２に示されているように、貯蔵体がクレードル１６として形成され得る。クレードルは、水素ネットワークに、クイックフィット接続部１８を介して接続され得る。接続部１８は、標準的な交換時間を短縮するために、クレードル１６に一体化され得る。クレードルは、加圧又は非加圧エリアに設置され得る。クレードルは、側部及び底部を有し、また、任意選択的に、蓋／上部も有し得る。クレードルは、収容される水素ボンベの個数に基づいて、又は、水素ボンベの様々な寸法及び／若しくは形状に基づいて機能的に設計され得る。クレードルは、ボンベを所定位置に固定するように迅速にセットされるロッキングストラップを有する。クレードルを固定するためのその他の有用な選択肢は、ロッキングサイドレール２０、ドッキングポイント、固定されたロッキングポイント（例えば、古典的なねじ固定）、又は、クイックフィットドッキング特徴物を含むが、これらに限定されない。これらの特徴物は、本文中に記載される実施形態のいずれにも用いられ得る。クレードルは、標準的なツールを用いて取り外されることができる。
図３は、さらなる実施形態を示す。この実施形態は、水素貯蔵エリア２４が組み込まれたエアカーゴコンテナ２２である。貯蔵エリアは、水素ネットワークに、接続部ポート２６を介して接続され得る。この実施形態は、その他の２つの選択可能な貯蔵体（以下、オプション）よりも多量の水素を収容することができよう。これらの実施形態のいずれも、又は全てを、個々に、又は、互いに接続して使用することが可能である。これらの実施形態は全て、水素ボンベを取り外して航空機から離れた場所で補充できるように、航空機にほぼ着脱可能であるように設計される。従って、これらのオプションには、車輪又はその他の移動可能な特徴物（例えばトロリー１０にて示されているような車輪２８、又は、スライダ、又は、グライダ）が設けられ得る。或いは、これらは、手で、又は、小型フォークリフトを用いて持ち上げて取り外すことができるように十分に小さくても良い。概して、カーゴコンテナは、空港内の標準的なマテリアルハンドリングを用いて取り外し及び交換されることができ、これらは、その他のオプションよりも大きい貯蔵体を有する。カーゴコンテナは、スライドレールに取り付けられ、次いで、一体化された航空機ブラケットにロックされる。
水素貯蔵システムのためのクイックフィットプラグ１４は、これらの実施形態のいずれにも、水素ボンベを水素ネットワークに接続するために用いられ得る。プラグ１４は、Ａ／Ｃ通信のための通信ケーブルを組み込むことができ、又は、遠隔ＯＮ／ＯＦＦ弁を用い得る。その他のコネクタ１８，２６は、クイックキー型フィットを有することができ、又は、その他の部品への意図しない連結を回避するために、様々な異なる寸法を含み得る。一体型(all-in one)コネクタを設けることも、又は、水素貯蔵装置に特有の別個のコネクタを設けることも可能であろう。図７は、円筒状のクイックフィットコネクタの一実施形態を示す。このコネクタは、コネクタ自体を中心として回転した場合でも光信号を遠ざけておくための光学レンズを有する。図８は、それ自体を中心として回転できず、且つ、ロック機能を含むクイックフィットコネクタプレートの一実施形態を示す。その他のコネクタも可能であり、本発明の範囲内にあるとみなされる。任意のコネクタが、本文中に記載する貯蔵システムのいずれにも用いられ得ることが理解されよう。
水素の配送を開始及び／又は遮断するために、手動又は遠隔遮断弁を、トロリー、クレードル、及び／又はカーゴコンテナシステム内に設置できる。システムは、トロリー、クレードル、又はカーゴコンテナの１以上の弁が意図せずに接続を断たれた場合、自動的に閉鎖され得る。
図４は、航空機における水素ネットワークのための概略図を示す。１以上の燃料電池システム３０及び／又はその他の水素利用物(application)が航空機の水素ネットワークに接続されている。そして、ネットワークは、様々な貯蔵オプション１０，１６及び／又は２２に接続している導管３２を有する。これらの水素貯蔵オプションは、航空機の加圧領域及び／又は非加圧領域に配置されることができる。水素は、気体、液体、及び／又は固体の状態で貯蔵されることができる。
各貯蔵方法は、迅速な取り付け及び取り外しシステムを有することができ、これらの方法は、全てのタイプの航空機において実行されることができ、且つ／又は、固有の安全性を有することができる。例えば、永続的な水素検出、一体化された調節装置、及び、高圧パイプを排除することが望ましい。その代わりに、独立型システムが、安全性のために望ましい。遮断弁は、手動式、又は、遠隔操作式であってよく、或いは、独立型の遮断弁であってもよい。先に述べたように、遮断弁は、クイックキー型フィットであっても、又は、意図しない連結を回避するために、クイックキーフィットコネクタとは異なる寸法を有してもよい。
以上に記載し図示した構造及び方法に、変更、修正、追加及び削除が、本発明の範囲又は精神、及び、以下の特許請求の範囲から逸脱せずに行われ得る。
１０ トロリー
１２ 水素貯蔵エリア
１４ クイックフィットプラグ
１６ クレードル
１８ クイックフィット接続部（コネクタ）
２０ ロッキングサイドレール
２２ エアカーゴコンテナ
２６ 接続部ポート（コネクタ）
２８ 車輪
３２ 導管

Claims (7)

  1. 航空機内で用いるための水素貯蔵システムであって、
    前記航空機から着脱可能であるように構成された１以上の水素貯蔵特徴物と、
    前記航空機内で水素を必要とするシステムに水素が配送されることを可能にする接続特徴物とを含む水素貯蔵システム。
  2. 水素を必要とする前記システムの１つが燃料電池システムである請求項１に記載の水素貯蔵システム。
  3. 前記水素貯蔵特徴物が、トロリー、クレードル、又は、カーゴベイコンテナを含む、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
  4. 前記水素貯蔵特徴物が、前記水素を航空機システムに接続するクイックフィットコネクタを含む、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
  5. 前記クイックフィットコネクタが、円筒状のクイックフィットコネクタ、又は、プレート状のクイックフィットコネクタを含む、請求項４に記載の水素貯蔵システム。
  6. 前記航空機から着脱可能である前記水素貯蔵特徴物が、前記特徴物を、その使用中に前記航空機に固定するロッキングシステムを有する、請求項１に記載の水素貯蔵システム。
  7. 前記ロッキングシステムが、ロッキングストラップ、スライドレール、ドッキングポイント、ねじ固定、又は、クイックフィットドッキング特徴物を含む、請求項６に記載の水素貯蔵システム。
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