JP4746823B2 - 航空機の機内で水を生成するように構成された推進装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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の機内で水を生成するように構成された推進装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特に航空機においては（しかし船舶または陸上車両、および自立性の定置式装置においてもそうであるが）、水はたとえば燃料電池を使用して、或いは他の適当なプロセスによって得ることができる。この場合、航空機の飛行安全性および作動安全性ならびに快適性のために用いられる冗長性を保証するには、個々のシステムは互いに適宜結線されていなければならない。給水システムまたは排水システム、空調システムまたはキャビンエアシステム、エネルギー生成システム、液圧システムまたは空気圧システム間を燃料電池を使用して従来のように分離することは意味がないし、有利でもない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた種類の装置において、燃料電池技術の最適な活用と、飛行機に対する対応的な冗長性とを保証し、要求される安全上の観点を考慮した前記装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、タービンと、分離手段と、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とを有し、１個または複数個の高温燃料電池が推進装置の燃焼室の全体または一部として使用されて従来の燃焼室内で行われていたプロセスが補足され、或いは完全に取って代わられるように、水生成ユニットが推進装置のなかに一部または全体を組み込まれ、高温燃料電池は、第１の燃焼室の全体または一部の代用として使用するため、次のように構成されていること、すなわち推進装置を貫流する空気を高温燃料電池内へ導入可能であり且つ酸化過程により高温燃料電池内で加熱可能であり、且つ加熱された空気内に蓄積されているエネルギーをタービン内で回転エネルギーに変換可能であるように、高温燃料電池が構成され、高温燃料電池の下流側に分離手段が配置され、該分離手段により高温燃料電池の排ガスから水を凝縮抽出させることが可能であることを特徴とするものである。
【０００５】
本発明による装置の有利な構成は従属項２ないし２２に記載されている。
本発明の主要な利点は、水生成装置を搭載することから知られている重量、融通性、水質、水量、排水量低減に関する利点以外に、特に、ガスタービンプロセスと結合される高温燃料電池プロセスが高効率であるために推進装置の有害物質の排出が著しく低減し、よって燃料消費量が低減するとともに、燃料電池の排ガスを水の生成に利用することにある。
【０００６】
本発明の他の利点は、燃料電池の排ガスの中に含まれている水の一部を利用することにより航跡雲の形成が減り、よって高い大気層での縞状雲の形成が減ることである。日々の飛行運動の総数に関して言えば、不完全燃焼過程による凝縮核の放出が減少するので、飛行機排ガスによる大気中での凝縮物の形成が著しく減少する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面は本発明の１実施例を示すもので、推進装置に組み込んだ高温燃料電池により水を生成するための装置を示したものである。この装置は従来の飛行機推進装置から知られているプロセスに従って作動する。空気が吸い込まれて、空気供給側のコンプレッサ（コンプレッサ前段３１とコンプレッサ主段３２から成る）を介して圧縮され、燃焼室（従来は燃料と混合させて点火させる）で加熱され、燃料供給側のコンプレッサ８と連結されている排ガスタービン６を介して排出される。この場合に生じるコンプレッサ・タービンユニットの回転エネルギーはいわゆるファンへ伝達され、ファンは推進装置の推進力の主成分を提供する。排ガスタービン６とコンプレッサ８は単一ユニットまたは複合ユニットとして設けられている。
【０００８】
本発明によれば、燃焼室で従来のように行われるプロセスは、１個または複数個の高温燃料電池の使用により補足され、或いは完全に取って代わられる。高温燃料電池の原理は、いわゆるＳＯＦＣｓ（Solid Oxide Fuel Cells 固形酸化物型または酸化セラミックス型燃料電池）およびＭＣＦＣｓ（Molten Carbonate Fuel Cells 溶融カーボネート型燃料電池）に対し説明したが、基本的には将来的に提供可能な他の方法も適用可能である。
【０００９】
本発明による方法では、基本的には、燃料電池の空気供給側、すなわち酸素供給側と、燃料供給側、すなわち水素供給側とは互いに分離されている。
空気は推進装置を推進方向に貫流し、圧縮され、高温燃料電池内へ誘導される。高温燃料電池において空気は酸化過程により加熱され、燃料電池が必要とする場合には酸素成分が引き出される。最後に、このようにして加熱した空気は推進装置のタービン内で再び膨張する。含まれているエネルギーは種々のタービン段で回転エネルギーに置換され、推進装置のコンプレッサ段とファンとに放出され、新気を吸い込み、或いは推進作業を実施する。
【００１０】
燃料（従来どおりケロシン）はまず雑排水で乳化され、燃料と雑排水との燃料混合物は、燃料電池１をリング状に取り囲むように配置されている蒸発機３ａを介して燃料電池１へ誘導される。内部改質プロセスは燃料電池の作動に必要な水素を燃料から分離させ、酸化させて水にする。このとき水は燃料電池内で水蒸気として存在する。燃料に含まれている炭素成分は酸化してＣＯ_２になり、ＣＯ_２は適当な個所で（すなわち第１凝縮段および（または）第２凝縮段の後で）引き出される。
【００１１】
このようにして発生させた水蒸気はその一部分がタービン部分へ誘導されて、その中に含まれているエネルギー成分が回転エネルギーに置換され、より少量の部分は熱交換器内で凝縮して水になる。
【００１２】
水の中に有害物質が含まれている場合、これを除去するために、水は燃料電池１をリング状に取り囲むように配置されている浄水用の蒸発機１４ａ／凝縮機１４ｂを介して新たに蒸留され、その後活性炭フィルタを介して後処理される。
【００１３】
蒸発機は燃料電池の処理熱で作動する。同様に活性炭フィルタも燃料電池の処理熱で作動するが、そのときの温度レベルはフィルタの汚染（たとえば菌の付着）が阻止されるようなレベルである。活性炭を再生するため、個々のフィルタをそれぞれ交互に燃料電池の処理熱で再生させる。活性炭フィルタによる濾過の後、水の新たな凝縮と温度レベルの低下とが行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 高温燃料電池
２ 内部改質プロセス部
３ 燃料（ケロシン+雑排水成分）
３ａ 蒸発機
４ａ 空気導入
４ｂ 空気排出
５ 排ガス（Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２）
６ 排ガスタービン
７ 熱交換器
８ 燃料コンプレッサ
１３ ＣＯ_２分離
１４ａ 浄水用の蒸発機
１４ｂ 浄水用の凝縮機
１５ａ 活性炭フィルタ
１５ｂ 活性炭フィルタ
１６ 利用水
３０ ファン
３１ コンプレッサ前段
３２ コンプレッサ主段
３３ タービン高圧段
３４ タービン低圧段

Claims (22)

1. １個または複数個の燃料電池を使用して航空機の機内で水を生成するように構成された推進装置において、
   タービン（３３，３４）と、分離手段（６，７）と、１個または複数個の高温燃料電池（１）の形態の水生成ユニットとを有し、
   １個または複数個の高温燃料電池（１）が推進装置の燃焼室の全体または一部として使用されて従来の燃焼室内で行われていたプロセスが補足され、或いは完全に取って代わられるように、水生成ユニットが推進装置のなかに一部または全体を組み込まれ、
   高温燃料電池（１）は、第１の燃焼室の全体または一部の代用として使用するため、次のように構成されていること、すなわち推進装置を貫流する空気を高温燃料電池（１）内へ導入可能であり且つ酸化過程により高温燃料電池（１）内で加熱可能であり、且つ加熱された空気内に蓄積されているエネルギーをタービン（３３，３４）内で回転エネルギーに変換可能であるように、高温燃料電池（１）が構成され、
   高温燃料電池（１）の下流側に分離手段（６，７）が配置され、該分離手段（６，７）により高温燃料電池（１）の排ガスから水を凝縮抽出させることが可能である、
   推進装置。
2. 高温燃料電池が酸化セラミックス型燃料電池または溶融カーボネート型燃料電池として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の推進装置。
3. 高温燃料電池（１）の下流側に、該燃料電池の排ガスから水を凝縮抽出させる分離手段として、凝縮プロセス部を形成する排ガスタービン（６）と熱交換器（７）とが配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の推進装置。
4. 燃料電池の空気供給側または酸素供給側と、燃料供給側または水素供給側との双方を圧力で付勢するためのコンプレッサ（８，３２）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の推進装置。
5. 燃料電池（１）に燃料と雑排水とから成る燃料混合物または乳化物を供給するための装置が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の推進装置。
6. 燃料混合物（３）を蒸発させるため蒸発機（３ａ）が設けられ、蒸発機（３ａ）の下流側に燃料電池（１）の内部改質プロセス部（２）が配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の推進装置。
7. 蒸発機（３ａ）が、燃料電池（１）の処理熱で作動可能であるように、燃料電池（１）と熱伝導可能に結合されていることを特徴とする、請求項６に記載の推進装置。
8. 蒸発機（３ａ）が燃料電池（１）をリング状に取り囲むように配置されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の推進装置。
9. 蒸発機（３ａ）の下流側にコンプレッサ（８）が配置されていることを特徴とする、請求項６，７または８に記載の推進装置。
10. コンプレッサ（８）が排ガスタービン（６）を介して駆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４または９に記載の推進装置。
11. 排ガスタービン（６）が燃料電池（１）の排ガス（５）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１０に記載の推進装置。
12. 排ガスタービン（６）が凝縮プロセス部の１段を形成していることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の推進装置。
13. 排ガスタービン（６）とコンプレッサ（８）が単一ユニットまたは複合ユニットとして設けられていることを特徴とする、請求項１０から１２までのいずれか一つに記載の推進装置。
14. コンプレッサ（８）を複合ユニットとして配置した場合、燃料コンプレッサ以外に、圧縮空気用コンプレッサが設けられていることを特徴とする、請求項１３に記載の推進装置。
15. 凝縮プロセス部の１段が熱交換器（７）として構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
16. 熱交換器を推進装置の空気流内および（または）推進装置外被部付近の空気流内で作動させることを特徴とする、請求項３または１５に記載の推進装置。
17. 排ガスタービン（６）および熱交換器（７）の下流側に浄水用の蒸発機（１４ａ）または凝縮機（１４ｂ）が配置されていることを特徴とする、請求項３または１５に記載の推進装置。
18. 浄水用の蒸発機（１４ａ）が、燃料電池（１）の処理熱で作動可能であるように、燃料電池（１）と熱伝導可能に結合されていることを特徴とする、請求項１７に記載の推進装置。
19. 浄水用の蒸発機（１４ａ）が燃料電池（１）をリング状に取り囲むように配置されていることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の装置。
20. 凝縮機（１４ｂ）を推進装置の空気流内および（または）推進装置外被部付近の空気流内で作動させることを特徴とする、請求項１７に記載の推進装置。
21. 推進装置コンプレッサ（３２）と推進装置タービン（３３）とが、燃料電池（１）に空気を供給して冷却するために、回転数を減少させて一緒に回転し、他方ファン（３０）と推進装置コンプレッサ前段と推進装置タービン低圧段（３４）とが制動されることを特徴とする、請求項４に記載の推進装置。
22. 推進装置が圧縮空気により始動可能な推進装置であることを特徴とする、請求項１から２１までのいずれか一つに記載の推進装置。

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