JP4374751B2

JP4374751B2 - 航空機用の熱利用装置

Info

Publication number: JP4374751B2
Application number: JP2000235719A
Authority: JP
Inventors: 宗浩林; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: JP2002046696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機における各種サービスの向上に有効利用可能な航空機用の熱利用装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年エアラインの競合が激しく、特に長距離の乗客サービスは搭乗者獲得のキーになっている。このため、座席の広さや座り心地を向上させたり、映像等のエンターテイメントを加える等して、各種のサービス向上が図られている。そして、今後もなお一層のサービスの質の向上に向けて凌ぎがけずられていくと考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような傾向は、調理や温水利用にも向けられると予測される。
【０００４】
例えば、調理に関しては、現在は、予め調理済のものを冷蔵して積み込んでおき、配膳棚（ギャレー）内にある電子レンジで加熱した上、配膳されて乗客に配られるというサービスが行われている。しかし、機内での食事の質の向上のためには、もう少し本格的な料理の提供を可能とする設備が望まれる。しかも、多数の乗客に短時間で料理を配る必要があるため、手間が増えずにまとまって本格調理できる機器が条件となる。また、なるべく乗客のためのスペースを確保するために、機器には極力スペースをさかない事を基本としなければならない。
【０００５】
一方、温水利用に関しては、現在は、ラバトリーで洗面が可能なように電気ヒータにより温水を作り供給する機能を持っている程度で、現状においては温水の利用機会はそれほど多くない。しかし、今後は、温水洗浄便座などの快適製品の導入や、本格的な洗顔ができるような調度の導入が進むと考えられ、温水需要が増加すると予測される。
【０００６】
しかしながら、航空機の場合、これらのサービスを真に現実のものとするためには、特に航空機という特質を考慮することが不可欠である。近年の社会的な背景から、航空機の運行に伴う燃料消費は削減して行く必要が生じており、これらのサービスに付帯する機器におけるエネルギ消費は、運行に直接必要ないものとして、より厳しく削減することが求められている。
【０００７】
したがって、サービス向上のための手段がエネルギ消費を増大させるものであってはならず、そのためには、サービス向上とエネルギ削減という一見相反する要求の両立を可能にする機器の存在が不可欠となってくる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、先般開発した燃料電池搭載を利用する航空機システムに着目する。このシステムは、燃料消費の低減を図るために、航空機の電源として、燃料エネルギから電力への変換効率が圧倒的に高い（60%以上が期待される）燃料電池を補助動力装置に代替して使用しているものである。
【０００９】
このシステムにおいては、燃料電池において反応熱が発生する上、実用面で優れているPEFC（固体高分子型）燃料電池では反応後の空気に、またSOFC（固体酸化物電解質型）燃料電池では反応後の燃料ガスに、それぞれ大量の水蒸気が含まれる。
【００１０】
そこで、本発明は、この反応熱と水蒸気の少なくともいずれかを、機内サービス用の機器で再利用することとする。これにより、サービス機器を作動させるために消費する電力エネルギ、ひいては燃料を大幅に節減することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
例えば、PEFC（固体高分子型）燃料電池を用いる場合について具体的に説明する。この燃料電池では、反応は約80℃〜100℃で行われるため、その排気はほぼ反応温度で排出される。また、電解質にイオン交換膜が用いられ、電解質内部を通過する導電性物質としては水素イオン（H⁺）のため、空気極側では元来含まれていた酸素は水素と結合して水分子（水蒸気）に変わり、酸素極側の排気は元々ある窒素と微量の希ガス・反応で生成した水蒸気・反応せずに残った少量の酸素の混合ガスとなる。
【００１２】
そこで、この排気を食品やおしぼり等の加熱対象物を収容する加熱チャンバに供給し、或いは加熱対象物である給湯用の水を貯留するタンク内に吹き込むなどの構造を採用することが有効となる。
【００１３】
加熱チャンバは、水蒸気が高温で供給される一種の蒸し器を呈するため、従来のように調理済で冷蔵されていた食材を、電子レンジで加熱するのではなく、もう少し生に近い食材から調理することが可能になり、より良い食事のサービスを実現することができる。あるいは、最終的なグリル調理の前に予め熱を通す調理に用いる等の可能性も得られる。さらに、食材以外にも、おしぼり等を加熱し、提供するサービスも実現することができる。
【００１４】
一方、水タンクに吹き込まれた排気は、窒素ガス等の持つ熱のみならず、水蒸気は凝結を伴うため潜熱も放出され、タンク内の水が温められる。また、潜熱を放出し凝結した水蒸気はタンク内の水（温水）を増加させる。したがって、これによる給湯のサービスが期待できる。
【００１５】
次に、SOFC（固体酸化物電解質型）燃料電池を用いる場合について説明する。この燃料電池では、反応温度は800℃以上と高くなるため、熱回収のための再生熱交換器は必須となるが、排気はPEFCより高い温度が得られる。また、電解質に安定化ジルコニアやセリア系固容体等が用いられるため、電解質内部を通過する導電性物質としては酸素イオン（O2）となり、空気極側の反応後のガスはほとんどが窒素ガスとなる。一方、燃料極側の排気には多量の水蒸気を含むことになる。
【００１６】
そこで、これらの排気を、主に空気極側の排気を食品等の加熱対象物を収容する加熱チャンバに供給し、主に燃料極側の排気を給湯用の水タンク内に吹き込むという利用が可能になる。
【００１７】
なお、燃料極側の排気は、空気（酸素）を追加し、メッシュ状の保炎ネットを通過させ完全燃焼させることによって残っていた燃料（水素）は水蒸気に変えておくという方法で利用する。この場合、加熱チャンバへの供給は、燃料電池の反応熱回収用の再生熱交換器の中間からの抽気と、再生熱交換器の出口まで至った排気を混合し供給することで、保温程度からオーブン加熱域までの温度設定を実現することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。
【００１９】
航空機(1)には燃料電池(2)による発電装置が搭載されている。これは、近年における電力需要の増大に対応したものである。近年は民間航空機でも電子機器の搭載が増加していることや、電動アクチュエータの性能向上に伴ない効率の高い電気式機体制御システムが導入されることにより、油圧等の動力から電力への需要シフトが起こり、電力需要が大幅増加する傾向にある。そして、燃料消費を抑え、航続距離の増大を計ったり、運動性能向上に燃料を有効利用するには、燃料エネルギの電気エネルギへの変換効率を高めることが急務となり、その有効な手段として燃料電池(2)の導入を図っているものである。
【００２０】
さて、燃料電池(2)には燃料としてのH₂とこれにCO₂が混合した組成の燃料ガスに改質する改質器(3)を介しての燃料と、反応用に供給される空気を、それぞれ燃料極(202)側と酸素極(203)側に供給する。燃料電池(2)は電解質(201)を介して、燃料極(202)と酸素極(203)がサンドイッチされており（実際はこれが多数積層された構造を有する）、それぞれの極から通電用のライン（204）がインバータ(205)に接続され、インバータ(205)から機体の各機器へ電力が供給される。
【００２１】
燃料電池(2)に供給された燃料（水素ガス）は、PEFCの場合、燃料極(202)側の触媒の作用により電子を放出し自らは水素イオンとなり、電解質であるイオン交換膜の内部を通過し酸素極(203)に達する。ここで水素イオンは電子と酸素分子と反応し、水分子（水蒸気）となって出て行く。なお、電解質が安定化ジルコニアのSOFCの場合には、電解質を通過するのは酸素イオンとなるため、水分子が生成されるのは燃料極(202)側となる。
【００２２】
ここで、本実施例ではPEFC燃料電池(2)を採用した例を示す。酸素極(203)側に供給された空気は、酸素分圧が一桁近く下がる程度まで減少すると、出力電圧を低下する要因（濃度過電圧という）が顕著になるため、供給された酸素分子のうち、80〜90%が反応に供され、残りは未反応分として残留する。一方、この酸素の消費分に相当する水分子（実際はモル比で言えば2倍の水分子）が生成されることになる。残りは反応には関与しない窒素ガス（微量の希ガスを含む）である。また、反応熱によって、この酸素極(203)側の空気は80℃〜100℃程度となっている。
【００２３】
この酸素極(203)側からの排気ガスは、切替えバルブ(11)を介して、一方は、ギャレー(8)内に装備された加熱庫(4)（図２参照）に、他方はラバトリーユニット(9)に配された給湯器(5)（図３参照）に供給される。加熱庫(4)は、断熱構造を持ち密閉できる扉（401）、断熱・密閉容器庫(402)、庫内に配された引出し可能な網棚(403)、庫内の温度むらをなくすためのファン(404)、電子レンジとしての機能を与えるためのマイクロ波発生源(405)、赤外線ヒータ(406)等で構成されている。加熱庫(4)に配膳される料理（下ごしらえ済）の入った容器(13)を多数網棚(403)に並べて行き、完了すれば扉（401）を閉じ、密閉する。その上でスイッチ(12)を「排気加熱入」にすると、切替えバルブ(11)が切換わり、加熱庫(4)に排気ガスが流れ込む。この結果、容器(13)内食品の温度が上昇する。その後、調理内容によってはスイッチ(12)を切替えて、マイクロ波発生源(405)や赤外線ヒータ(406)を適当に使い、調理が進められる。
【００２４】
一方、切替えバルブ(11)を介しての排気ガスの他方の供給先である給湯器(5)は、水タンクを形成する断熱容器(501)、給水口(502)、配水口(503)、燃料電池排気ガスの供給ノズル(504)、排気ダクト(506)、補助ヒータ(507)などから構成されている。排気が加熱庫(4)に供給されていない間は、排気は断熱容器(501)内のノズル(504)から、直接タンク内の水の中に吹き込まれている状態となる。ノズル(504)は細密な泡を形成させる機能を持つため、水との接触面積が大きく、排気の持つ熱は水に伝達される。また、この時、排気内に含まれる水蒸気は熱を放出し凝結するが、これは周囲の水に内包されてしまう。
【００２５】
なお、PEFCの場合、電解質を通過できるものが水素イオンに限定されるため、燃料電池に供給される空気は酸素分子が水分子に変わる以外の変化がなく、窒素酸化物や一酸化炭素などが加熱庫(4)や給湯器(5)に混入する可能性がない。
【００２６】
本実施例では、新鮮空気をキャビン(6)内に空調機器(7)により供給した後、そのアウトフロー空気を燃料電池(2)へ供給空気として再利用している。そして、燃料電池(2)の酸素極(203)側の排気は、ギャレー(8)、ラバトリーユニット(9)で利用された後、燃料タンク(10)の防爆用に再利用される。また、燃料は改質器(3)を介して燃料電池(2)に供給されるが、燃料極(202)側の排気には残燃料が含まれていることから、空気を混ぜて燃焼器(302)で完全燃焼させ、その熱を熱交換器(301)を介して改質器(3)の反応温度（250〜300℃）を維持させる。
【００２７】
以上のような熱利用装置を導入すると、従来では、ギャレーでの調理加熱に電子レンジを用い、電力エネルギにより調理を行っていたのに対して、本実施例では燃料電池での発電反応（電力は飛行制御などのために利用される）に伴なって副産物として生成される熱と水蒸気を利用するため、サービス機器のために燃料を投入することがない。このため、航空機の飛行に必要な電力の消費を極力抑えることができる。さらに、燃料電池自身は燃料エネルギからの電気エネルギへの変換効率が60%と、ガスタービンの25〜30%より高いため、ガスタービンから熱エネルギーを作り出す場合と比較しても、エネルギ効率の高いシステムを構築できる利点を備える。このため、燃料消費を減少させながら、より多くの熱の利用を可能とすることができ、これまで不可能であった長時間加熱を必要とする本格的な調理が実現できたり、温水洗浄便座などのように湯の消費が多くなるサービス機器の導入が可能となり、その他の機内サービスも向上するなど、航空機の飛行を妨げずに種々のサービス向上を有効に図ることが可能となる。
【００２８】
なお、各部の具体的な構成は上述した実施例のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、 SOFC燃料電池を用いた場合にも、上記実施例に準じた構成に基づいて同様の効果を期待できるのは既述したとおりである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明が採用する燃料電池は、それ自体が燃料エネルギを高効率で電気エネルギに変換し、燃料消費率の低減に役立つ上に、反応に伴なって熱と水蒸気が生成される。そこでこれを、機内サービス用の熱源として再利用することによって、燃料消費の少ない熱の有効利用システムを構築することができる。さらに、機内電力が供給される間、熱の供給が可能となるため、これまで不可能であった長時間加熱を必要とする本格的な調理が実現できたり、温水洗浄便座などのように湯の消費が多くなるサービス機器の導入も可能となり、航空機全般に亘る機内サービスの向上に資することができる。しかも、本発明の構成によれば、別途に大掛かりな機器を導入せずとも比較的大きな熱容量を確保することができるため、不必要に機内スペースを占有することなく大勢の乗客に対するサービスに迅速に応えることが可能となる。
【００３０】
具体的には、先ず、燃料電池での反応によって生成されるガスを加熱対象物の加熱、給湯の熱源の少なくともいずれか一方に利用する機能を備えることで、航空機の飛行に必要な電力、ひいては燃料を不必要に消費することなく、燃料電池の廃熱を機内サービスの質的向上に有効に役立てることが可能となる。
【００３１】
また、燃料電池から生成される排気は、クリーンなものであるため、加熱対象物を収納したチャンバ内にその排気を直接導入する構成も可能になり、構造簡素にして熱利用効率の高いシステムも容易に実現可能となる。
【００３２】
勿論、本発明は、チャンバに、電子レンジ用マイクロ波発振源、加熱用赤外線放射源、電熱器、高周波加熱源のうち少なくとも一つの機能が併設されることを妨げるものではない。そして、このような併用をすれば、飛行に必要なエネルギの消費を極力抑えつつ、より多彩なサービスの展開を図ることができる。
【００３３】
特に、本発明が採用する燃料電池からは、熱と水蒸気が取り出せるため、給湯用の湯を多量に必要とするサービスに対しては、これらの熱及び水蒸気の両方を利用することによって大容量の給湯システム等も容易に構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す摸式的な構成図。
【図２】図１の要部詳解図。
【図３】図１の他の要部詳解図。
【符号の説明】
１…航空機
２…燃料電池
４…加熱対象物（加熱庫）
５…加熱対象物（給湯器）

Claims

電源供給用に燃料電池が搭載された航空機において利用される装置であって、この燃料電池での反応によって生成されるガスに含まれる熱と水蒸気の両方が加熱対象物を収納したチャンバ内に直接導入され、加熱対象物の加熱、給湯の熱源の少なくともいずれか一方に利用する機能を有したことを特徴とした航空機用の熱利用装置。
前記チャンバには、電子レンジ用マイクロ波発振源、加熱用赤外線放射源、電熱器、高周波加熱源のうち少なくとも一つの機能が併設された構造を有したことを特徴とした請求項1に記載の航空機用の熱利用装置。