JP4484709B2 - 航空機内で水を生成するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、１個または複数個の燃料電池を使用して航空機内で水を生成するための装置であって、１個または複数個の高温燃料電池の形態の水生成ユニットの一部または全体を航空機駆動装置内に組み込んで航空機駆動装置の燃焼室の全体または一部を高温燃料電池により代用することにより、従来燃焼室で行なわれていたプロセスを補完または完全に代替させるようにした前記装置に関するものである。

特許文献１から知られているエネルギー供給装置は主駆動装置、補助パワーユニット、ラムエアータービン、或いはニッケルカドミウム電池を代用するものである。燃料電池は直流電流を発生するために用いられ、この場合燃料電池へ空気を供給するため、航空機の空調装置または航空機の周囲空気が使用される。航空機に水を供給するため燃料電池の排ガスから水が採取され、その後燃料電池の排ガスは航空機の周囲に排出される。燃料電池から生じる水素も航空機の周囲に排出される。水の生成は航空機の排出部に配置される圧縮機を用いて行なわれる。

特許文献２に記載されているジェットエンジンは燃焼室に組み込まれた燃料電池を有している。この燃料電池は燃焼室に配置されており、燃焼室の全体または一部を高温燃料電池により代用する構成の、本願の新規な独立請求項の対象とは異なっている。本願前に公知のこのジェットエンジンの場合、エンジンのプロセスは燃料電池を作動させるためにのみ利用される。

欧州特許公開第９５７０２６Ａ２号公報 欧州特許公開第９６７６７６Ａ１号公報

本発明の課題は、冒頭で述べた種類の装置において、水素と空中酸素だけで作動させるための燃料電池・ガスタービン組み合わせを、キャビンに水および圧縮空気を供給し電流を発生させるための駆動装置としておよび／または補助動力源（ＡＰＵ Auxiliary Power Unit）として設けることである。

上記課題は、本発明によれば、高温燃料電池が酸化物セラミックス型燃料電池（ＳＯＦＣ Solid Oxide Fuel Cell）または溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ Molten Carbonate Fuel Cell）として構成されていること、高温燃料電池のアノード側に純粋な水素を供給し、カソード側に空気を供給すること、燃焼室の一部を高温燃料電池により代用した場合、代用されなかった燃焼室にだけ水素と空気の混合物を供給すること、少なくとも水素の供給量を調整可能または完全に遮断可能であること、高温燃料電池のアノード側の下流側に、アノード排ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する少なくとも１つの単段または多段のタービンが配置されていること、高温燃料電池の下流側に、高温燃料電池のアノード排ガスの一部から水を圧縮プロセスにより取得するアノード排ガス圧縮機が配置されていることによって解決される。

本発明の他の構成は従属項に記載されている。

上記構成により、少なくとも１つの燃焼室、有利には複数の燃焼室の代わりに、１個または複数個の高温燃料電池が使用される。しかしながら、前記対象とは異なり、少なくとも１つまたは複数の燃焼室は水素空気混合物を燃焼させるために維持される。燃焼室と高温燃料電池とはガスタービンの１個の軸または複数個の軸のまわりに交互にリング状に配置するのが有利である。

燃焼室はガスタービンおよび高温燃料電池を始動させるために用いられるとともに、たとえば航空機を始動させるためにガスタービンの空気貫流率を短時間増大させるためにも用いられる。連続運転時には高温燃料電池の熱エネルギーのみが空気貫流を生じさせるために利用される。水の生成は高温燃料電池のアノード側、すなわち水素側で行なわれる。このいわゆるアノード排ガスは、取り込んだ水素を１００％完全に置換する場合、水蒸気（高温蒸気）から成っている。この高温蒸気はタービンを通じて誘導され、タービンにおいて高温蒸気は膨張により冷却され、よって熱エネルギーがタービン軸の回転運動に変換される。この回転エネルギーはＨ _２ コンプレッサーにおいて高温燃料電池に必要な水素側のプレプレジャーを発生させるために使用される。熱エネルギーの変換をスターリングエンジン、および／または、異なる熱機関の１つの組み合わせまたは複数の組み合わせ（たとえばタービンとスターリングエンジン）により行なうこともできる。

以後のプロセス段階で水蒸気は最終的に圧縮される。純粋なＨ_２Ｏが得られ、すなわち蒸留水が得られる。この水は種々の消費装置に供給され、或いは、塩処理ユニットを介して飲料水へ調製される。発生した雑排水は、汚水の蒸留の際に排出される水と同様に集水タンクに捕獲される。水は水圧縮プロセスの排熱で作動するＬＨ _２ 蒸発器で蒸気化され、水の取得に必要としなかった高温燃料電池のアノード排ガスの蒸気成分とともにガスタービンのタービン負圧段の前に供給される。空気側でいわゆるファンを介して外気および／またはキャビン排気が吸込まれる。このファンは標準運転ではタービン負圧段により駆動され、始動過程時には電動機により駆動される。ファンにより誘導される空気は下流側に配置したコンプレッサーでまず予め圧縮され、その後他のコンプレッサーにおいて燃焼室と高温燃料電池の空気側とのためにさらに圧縮される。燃焼室または高温燃料電池を介して取り込まれた熱エネルギーはまずタービン高圧段を駆動させ、前述したように熱い排気流に雑排水を供給した後タービン負圧段を駆動させる。コンプレッサー段およびタービン段の数量と、燃焼室および高温燃料電池の数量とは、必要に応じて種々のタイプに対し任意に変化させることができる。

本発明による装置の利点は以下のとおりである。
ａ）担持間の性能要求に対し融通性がある。
ｂ）個々のプロセスステップが高度に統合されている。
ｃ）得られた水が高純度である。
ｄ）システムが高効率である。
ｅ）軽量化が達成されている。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図面には本発明の１つの実施形態が図示されており、唯一の図は水生成システムを示している。水生成システムは液体水素のためのタンク１を有している。したがっていわゆる「クライオプレーンCryoplane」で使用するのが特に有利である。図からわかるように、高温燃料電池７は飛行機駆動装置２の燃焼室７ａの一部として使用されている。高温燃料電池７にはアノード側に純粋な水素が供給され、カソード側に空気が供給される。他方燃焼室７ａには水素と空気の混合物が供給される。この場合、少なくとも水素供給は調整可能に或いは完全に遮断可能に実施される。高温燃料電池７の下流側には、アノード側に、少なくとも１つの単段または多段のタービン１６が設けられている。タービン１６はアノード排ガス３５の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。燃料電池の型式としては、酸化物セラミックス型燃料電池（ＳＯＦＣ Solid Oxide Fuel Cell）または溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ Molten Carbonate Fuel Cell）またはパワーと温度レベルに関しこれらに比較可能な型式の燃料電池を使用する。

高温燃料電池７の下流側にはアノード排ガス圧縮機１８が設けられている。アノード排ガス圧縮機１８は燃料電池７のアノード排ガス３５の一部から水を取得する。さらに高温燃料電池７の両側に、すなわち空気または酸素側と燃料または水素側とに圧力を作用させることができ、この場合アノード側とカソード側とで同じ圧力でもよいし異なる圧力でもよい。液状の水素またはガス状の水素の使用が可能である。液状の水素１は高温燃料電池７または燃焼室７ａに侵入する前に蒸発させてもよく、この場合ＬＨ _２ 蒸発器１７はアノード排ガスのプロセス熱で作動させることができる。本発明による特別な実施形態によれば、ＬＨ _２ 蒸発器１７はアノード排ガス圧縮機１８のまわりにリング状に或いはアノード排ガス圧縮機１８の内部に円形に配置され、管形熱交換器として実施される。この場合もアノード排ガス圧縮機１８の少なくとも一部は冷却空気１９で作動させることができる。

使用した水および必要としない凝縮物は容器３２に集められる。アノード排ガス圧縮機１８で加熱された空気２０を特別な容器３３で雑排水を蒸発させるために利用するのが有利である。雑排水はポンプ３７により容器３３内へ搬送される。この場合、雑排水から出る固形物質および浮遊物質を抑留させるためのフィルタが設けられる。アノード排ガス圧縮機１８からは蒸留品質の水が取り出されて次のように分配され、すなわち調理室２３と洗面台２４とシャワー室２５とに塩処理部２３の配量により生成させた飲料水２２が供給され、真空式トイレ２７と空気加湿器２６とに蒸留水が供給されるように分配される。タービン高圧段８およびタービン負圧段９はコンプレッサー段５，６とファン１１とを作動させることができ、この場合コンプレッサー段５，６は高温燃料電池７と燃焼室７ａとを空気側で圧力で付勢する。ファン１１の空気貫流部３は飛行機駆動装置において飛行機の推進用に使用することができ、ＡＰＵ（補助動力源）においては空気圧縮システムおよび／または空調装置の圧力付勢に使用することができる。このためそれぞれ１つのファン１１が第１のコンプレッサー段５およびタービン負圧段９と接続され、或いは、第２のコンプレッサー段６およびタービン高圧段８と接続されている。

排水は集水タンク２８に集められて全部または一部が脱水素され（３０）、このようにして得た水を雑排水集水タンク３２に供給する。本発明の利点は以下のとおりである。
−本発明による装置は水システムへ水を放出せずとも作動させることができる。
−燃焼室と高温燃料電池とを別個に作動させることができ、或いは互いに任意に組み合わせて作動させてもよい。
−燃焼室と高温燃料電池とを別個に作動させる場合、個々の燃焼室または高温燃料電池とを切り離すことができる。

本発明による装置の１実施形態の構成図である。

Claims (19)

1. １個または複数個の燃料電池を使用して航空機内で水を生成するための装置であって、１個または複数個の高温燃料電池（７）の形態の水生成ユニットの一部または全体を航空機駆動装置内に組み込んで航空機駆動装置の燃焼室（７ａ）の全体または一部を高温燃料電池（７）により代用することにより、従来燃焼室で行なわれていたプロセスを補完または完全に代替させるようにした前記装置において、
   高温燃料電池（７）が酸化物セラミックス型燃料電池（ＳＯＦＣ Solid Oxide Fuel Cell）または溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ Molten Carbonate Fuel Cell）として構成されていること、
   高温燃料電池（７）のアノード側に純粋な水素を供給し、カソード側に空気を供給すること、
   燃焼室（７ａ）の一部を高温燃料電池（７）により代用した場合、代用されなかった燃焼室（７ａ）にだけ水素と空気の混合物を供給すること、
   少なくとも水素の供給量を調整可能または完全に遮断可能であること、
   高温燃料電池（７）のアノード側の下流側に、アノード排ガス（３５）の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する少なくとも１つの単段または多段のタービン（１６）が配置されていること、
   高温燃料電池（７）の下流側に、高温燃料電池（７）のアノード排ガス（３５）の一部から水を圧縮プロセスにより取得するアノード排ガス圧縮機（１８）が配置されていること、
   を特徴とする装置。
2. 熱エネルギーの変換を、異なる熱機関の１つの組み合わせまたは複数の組み合わせにより行なうことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. タービン（１６）内で得られた回転エネルギーをＨ _２ コンプレッサー（１３）に供給することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. Ｈ _２ コンプレッサー（１３）を、アノード側を純粋な水素（１５）で圧力付勢するために使用することを特徴とする、請求項１または３に記載の装置。
5. 高温燃料電池（７）が空気または酸素側と燃料または水素側との両側を圧力で付勢されるように構成され、アノード側とカソード側とで同じ圧力または異なる圧力を許容可能であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。
6. 液状またはガス状の水素を使用することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の装置。
7. 液状の水素（１）を、高温燃料電池（７）または燃焼室（７ａ）に侵入する前にＬＨ _２ 蒸発器（１７）で蒸発させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の装置。
8. ＬＨ _２ 蒸発器（１７）がアノード排ガス圧縮機（１８）のプロセス熱で作動可能であるように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. ＬＨ _２ 蒸発器（１７）がアノード排ガス圧縮機（１８）のまわりにリング状にまたはアノード排ガス圧縮機（１８）の内部に円形に配置され、管形熱交換器として構成されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. アノード排ガス圧縮機（１８）を冷却空気（１９）で作動させることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の装置。
11. 使用した水とアノード排ガス圧縮機（１８）の必要としない凝縮物とを収容する容器（３２）が設けられていることを特徴とする、請求項１，８，９，１０のいずれか一つに記載の装置。
12. アノード排ガス圧縮機（１８）内での圧縮プロセスにより加熱された空気（２０）を別個の容器（３３）内で雑排水を蒸発させるために利用し、容器（３３）内へ雑排水をポンプ（３７）により搬送すること、雑排水から固形物質および浮遊物質を取り除くためのフィルタが設けられていることを特徴とする、請求項１，８，９，１０，１１のいずれか一つに記載の装置。
13. タービン高圧段（８）とタービン負圧段（９）とが設けられ、前記加熱された空気（２０）を利用して容器（３３）内で生じた蒸気をタービン負圧段（９）内へ吹込み、そこでカソード排気ガス（３６）と混合させることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. アノード排ガス圧縮機（１８）から蒸留品質の水を取り出し分配すること、調理室（２３）と洗面台（２４）とシャワー室（２５）とに、塩（２３）の配量により生じた飲料水（２２）を供給し、真空式トイレ（２７）と加湿器（２６）とに蒸留水を供給することを特徴とする、請求項１，８，９，１０，１１，１２，１３のいずれか一つに記載の装置。
15. タービン高圧段（８）とタービン負圧段（９）が前記航空機駆動装置（２）のコンプレッサー段（５，６）とファン（１１）とを作動させること、コンプレッサー段（５，６）が高温燃料電池（７）と燃焼室（７ａ）とを空気側で圧力で付勢することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
16. ファン（１１）を貫流する空気（３）を圧縮可能であること、圧縮した空気（３）を、航空機駆動装置において航空機の推進のために使用し、航空機補助動力源において空気圧縮システムおよび／または空調装置の圧力付勢のために使用することを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. それぞれ１つのファン（１１）が、第１のコンプレッサー段（５）および第２のタービン段（９）と連結され、或いは、第２のコンプレッサー段（６）および第１のタービン段（８）と連結され、これらファン（１１）が互いに同軸に配置されて異なる回転数で回転することを特徴とする、請求項１５または１６に記載の装置。
18. 真空式トイレ（２７）から出る排水を集水タンク（２８）に集め、その全部または一部を脱水素化し（３０）、このようにして得た水を雑排水集水タンク（３２）に供給することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
19. 個々の燃焼室（７ａ）または個々の高温燃料電池（７）を別個に作動させ、いくつかの燃焼室（７ａ）または高温燃料電池（７）を遮断可能であることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか一つに記載の装置。

Images