JP5083560B2 - 航空機における燃料電池用空気の供給システムおよび供給方法 - Google Patents
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Description
君島真仁、木村泰康、笠木伸英「マイクロガスタービン・燃料電池ハイブリッドシステムの部分負荷特性」2002年6月、第21回エネルギ・資源学会研究発表会講演論文
本発明によれば、第1タービンの吸気口に導入される機内空気の圧力と、第1タービンの排気口に通じる機外空気の圧力との差により、キャビンから排気される機内空気を作動流体として第1タービンが駆動される。この第1タービンの発生動力が圧縮装置による機外空気の圧縮動力として用いられる。これにより、機内空気が有する圧力エネルギを、上空における低圧の機外空気を圧縮する際に無駄なく有効活用できるので、その機内空気が有する圧力エネルギと、燃料電池からの排気ガスを利用した第2タービンの発生動力により、機外空気を圧縮するのに要する動力を賄うことができる。
なお、第2タービンの作動流体は、空気極側から流出する排気ガスを含んでいれば、それ以外の例えば燃料電池の燃料極側から流出する排気ガスが混合されていてもよい。さらに、第2タービンの作動流体に燃料電池の燃料極側から流出する排気ガスが混合される場合、その燃料極側の排気ガスに含まれる未燃ガスを空気極側の排気ガスとの混合時に燃焼させる燃焼器を備えているのが好ましい。
あるいは本発明システムにおいては、前記キャビンから排気された機内空気を、前記第1タービンへの導入前に前記第2タービンの排気ガスにより加熱する加熱部を有する。これにより、第2タービンの排気ガスに残存している熱エネルギを機内空気に付与し、その機内空気の膨張により得られる第1タービンの発生動力を増大でき、より多くの熱エネルギ回収に貢献できる。また、第2タービンの排気ガスは、圧縮装置による圧縮空気を加熱することで低下した後でも、例えば150℃以上の高温が維持されることから、電子機器を冷却することで昇温したキャビンからの機内空気をさらに加熱するのに用いることができる。これにより、燃料電池による電力供給によって冷却対象となる電子機器が多くなったり、燃料電池での反応温度が高く設定されることで第2タービンの排気ガス温度が高くなる場合は、機外空気の圧縮のために用いられる第1タービンの発生動力が増大する。この場合、前記圧縮装置は少なくとも一つのターボ圧縮機を有し、前記ターボ圧縮機の羽根車、前記第1タービンの羽根車、および前記第2タービンの羽根車は、同軸中心に回転するように一体化されていてもよい。例えば、圧縮装置を構成する1〜2個の羽根車、第1タービンを構成する1個の羽根車、第2タービンを構成する1個の羽根車の合計3〜4個の羽根車を、1本のシャフトにより結合することで、圧縮および膨張のための機構を小型化し、比較的小型の航空機に適したものにできる。これにより、本発明を適用可能な機体規模の範囲を広げることができる。
前記第2回転シャフトに同軸かつ一体的に接続されるロータを有する発電機を備えるのが好ましい。これにより、第2タービンでの空気の膨張仕事が第2ターボ圧縮機での空気の圧縮動力よりも大きい場合、発電機において発電がなされ、燃料電池から放出される熱エネルギを電力として回収できる。
これにより、燃料電池からの排気ガスは第2タービンにおける膨張後も200℃以上となっていることが多く、十分に高温であることから、燃料電池から放出される熱エネルギを第2タービンの発生動力として回収するだけでなく、第2タービンの排気ガスが有する熱により翼を加熱することで、翼の前縁外表面等の氷着防止必要箇所に氷が付着するのを防止できる。よって、着氷防止のために別途エネルギを消費する必要がなくなり、エネルギ消費を削減できる。
通常、キャビンから換気のために排出される機内空気は、航空機に搭載される電子機器等の冷却に用いられた後に機外に排出される。そのため、従来技術のように機内空気を圧縮する場合、その圧縮前に機内空気は電子機器等の熱により昇温されていることから、圧縮に要する動力が機内空気の絶対温度に比例して増大することになる。例えば、圧縮前の機内空気が20℃(293K)から電子機器等の熱により70℃(343K)に昇温された場合、機内空気の圧縮に要する動力は17%増加することになる。
これに対し本発明により、機内キャビンから換気のために排出される機内空気を航空機に搭載される機器の発生熱により加熱し、機内空気により駆動される第1タービンの発生動力を圧縮装置による機外空気の圧縮動力に利用することで、機内空気により機器を冷却でき、しかも第1タービンの発生動力を増大できる。
さらに、前記キャビンから排気された機内空気が前記第1タービンへの導入前に前記発電機を冷却するように、前記ロータに機内空気の通過流路が形成され、前記通過流路を介して前記第1タービンの前記吸気口に前記キャビンの前記機内空気排気口が接続されているのが好ましい。これにより、発電機は機内空気により冷却されるので、放熱のために寸法を大きくする必要がなく、小型化できる。
Claims (5)
- 航空機に搭載された燃料電池において発電反応に必要な空気を、前記燃料電池の空気極側に供給するためのシステムであって、
圧縮装置と、
第1タービンと、
第2タービンとを備え、
前記圧縮装置により機外空気が圧縮されるように、前記圧縮装置の吸気口に前記航空機の機外空気導入口が接続され、
前記圧縮装置による圧縮空気が前記空気極側に供給されるように、前記圧縮装置の排気口に前記空気極の吸気口が接続され、
前記航空機のキャビンから排気される機内空気が前記第1タービンの作動流体として用いられるように、前記第1タービンの吸気口に前記キャビンの機内空気排気口が接続され、
前記第1タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記空気極側から流出する排気ガスが前記第2タービンの作動流体として用いられるように、前記第2タービンの吸気口に前記空気極の排気口が接続され、
前記第2タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記第1タービンの発生動力と前記第2タービンの発生動力が前記圧縮装置による機外空気の圧縮動力として利用されるように、前記第1タービンの出力と前記第2タービンの出力を前記圧縮装置に伝達する出力伝達手段を備え、
前記圧縮装置は、第1ターボ圧縮機と第2ターボ圧縮機を有し、
前記出力伝達手段として、前記第1タービンの羽根車と前記第1ターボ圧縮機の羽根車を同軸に一体回転するように連結する第1回転シャフトと、前記第2タービンの羽根車と前記第2ターボ圧縮機の羽根車を同軸に一体回転するように連結する第2回転シャフトとを有し、両回転シャフトは互いに独立して回転するものとされ、
前記第1ターボ圧縮機による圧縮後の機外空気が前記第2ターボ圧縮機により圧縮されるように、両ターボ圧縮機は互いに直列に接続される航空機における燃料電池用空気の供給システム。 - 航空機に搭載された燃料電池において発電反応に必要な空気を、前記燃料電池の空気極側に供給するためのシステムであって、
圧縮装置と、
第1タービンと、
第2タービンとを備え、
前記圧縮装置により機外空気が圧縮されるように、前記圧縮装置の吸気口に前記航空機の機外空気導入口が接続され、
前記圧縮装置による圧縮空気が前記空気極側に供給されるように、前記圧縮装置の排気口に前記空気極の吸気口が接続され、
前記航空機のキャビンから排気される機内空気が前記第1タービンの作動流体として用いられるように、前記第1タービンの吸気口に前記キャビンの機内空気排気口が接続され、
前記第1タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記空気極側から流出する排気ガスが前記第2タービンの作動流体として用いられるように、前記第2タービンの吸気口に前記空気極の排気口が接続され、
前記第2タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記第1タービンの発生動力と前記第2タービンの発生動力が前記圧縮装置による機外空気の圧縮動力として利用されるように、前記第1タービンの出力と前記第2タービンの出力を前記圧縮装置に伝達する出力伝達手段を備え、
前記キャビンから排気された機内空気を、前記第1タービンへの導入前に前記第2タービンの排気ガスにより加熱する加熱部を有する航空機における燃料電池用空気の供給システム。 - 前記圧縮装置は少なくとも一つのターボ圧縮機を有し、
前記ターボ圧縮機の羽根車、前記第1タービンの羽根車、および前記第2タービンの羽根車は、同軸中心に回転するように一体化されている請求項2に記載の航空機における燃料電池用空気の供給システム。 - 前記航空機の翼に気体流路が、この気体流路を通過する気体の熱により前記翼の氷着防止必要箇所が加熱される位置に形成され、
前記第2タービンの排気ガス、または、前記第2タービンの排気ガスにより加熱された気体が、前記気体流路に導入される請求項1〜3の中の何れか1項に記載の航空機における燃料電池用空気の供給システム。 - 航空機に搭載された燃料電池において発電反応に必要な空気を、前記燃料電池の空気極側に供給する際に、
圧縮装置と、
第1タービンと、
第2タービンとを備え、
前記圧縮装置により機外空気が圧縮されるように、前記圧縮装置の吸気口に前記航空機の機外空気導入口が接続され、
前記圧縮装置による圧縮空気が前記空気極側に供給されるように、前記圧縮装置の排気口に前記空気極の吸気口が接続され、
前記航空機のキャビンから排気される機内空気が前記第1タービンの作動流体として用いられるように、前記第1タービンの吸気口に前記キャビンの機内空気排気口が接続され、
前記第1タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記空気極側から流出する排気ガスが前記第2タービンの作動流体として用いられるように、前記第2タービンの吸気口に前記空気極の排気口が接続され、
前記第2タービンの排気口は機外空間に連通され、
前記第1タービンの発生動力と前記第2タービンの発生動力が前記圧縮装置による機外空気の圧縮動力として利用されるように、前記第1タービンの出力と前記第2タービンの出力を前記圧縮装置に伝達する出力伝達手段を備えるシステムを用いて、
前記キャビンから排気される機内空気を、前記航空機に搭載される機器の発生熱により加熱した後に前記第1タービンに導入する航空機における燃料電池用空気の供給方法。
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