JP6125235B2 - 燃料電池の熱電併給システム - Google Patents

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Description

本発明は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。
既知の航空機には、揚力を生成する複数のエンジンが含まれている。少なくとも幾つかの既知の航空機には、動作するために電気を必要とする電気的コンポーネントが含まれている。このような電気的コンポーネントに電気を供給するために、少なくとも幾つかの既知の航空機は、エンジンから電力を抽出する。しかしながら、エンジンから電気的コンポーネントに電気を供給することは、エンジンの全体的な燃料消費を増加させる。エンジンの電力需要の低減を促進するために、少なくとも幾つかの既知の航空機は、搭載されている電気的コンポーネントに給電するために使用される電力を生成する燃料電池を含んでいる。しかしながら、少なくとも幾つかの既知の航空機は、燃料電池によって生成される電気及び/又は副産物を効率よく利用していない。
一態様において、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達する方法が提供される。この方法は、ループヒートパイプ(LHP)を燃料電池モジュールに連結することを含む。LHPモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してLHPモジュールを通って流れる第1の流体を含む。
別の態様では、航空機上で使用される発電システムが提供される。この発電システムは、熱を産生するように構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに連結されたLHPモジュールとを含む。LHPモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してLHPモジュールを通って流れる第1の流体を含む。
また別の態様では、システムが提供される。このシステムは、航空機と、航空機に搭載された電子デバイスとを含む。燃料電池モジュールが電子デバイスに連結される。燃料電池モジュールは、電気と熱を産生するように構成される。電気は電子デバイスに送られる。LHPモジュールは燃料電池モジュールに連結される。LHPモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してLHPモジュールを通る第1の流体を含む。
本発明のさらなる態様によれば、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生される熱を伝達する方法が提供される。この方法は、第1の流体を含むループヒートパイプ(LHP)モジュールを燃料電池モジュールに連結することと、LHPモジュールを通して第1の流体を流し、第1の流体が燃料電池モジュールから熱を吸収することとを含む。有利には、この方法は、熱を外部負荷に伝達することをさらに含む。有利には、この方法は、第2の流体を含む熱伝達モジュールをLHPモジュールに連結することと、熱伝達モジュールを通して第2の流体を流し、第2の流体がLHPモジュールから熱を吸収することとをさらに含む。好ましくは、第2の流体を流すステップは、熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的にポンピングする(ポンプで送る)ことをさらに含む。
本発明のさらなる態様によれば、航空機上で使用される発電システムが提供される。前記発電システムは、熱を産生するように構成された燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに連結されたループヒートパイプ(LHP)モジュールとを備え、前記LHPモジュールは、前記燃料電池モジュールから熱を吸収して前記LHPモジュールを通って流れる第1の流体を含んでいる。有利には、このシステムは、前記LHPモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される。有利には、LHPモジュールは、外部負荷への熱伝達を促進するヒートスプレッダをさらに備える。有利には、このシステムは、LHPモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備え、前記熱伝達モジュールは、前記LHPモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第2の流体を含む。好ましくは、熱伝達モジュールは、前記熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備える。好ましくは、熱伝達モジュールは放熱器をさらに備える。有利には、このシステムは、前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備え、燃料電池モジュールは、前記流体輸送モジュールを通して放水するように構成されている。
本発明のさらなる態様によれば、航空機と、前記航空機に搭載される電子デバイスと、前記電子デバイスに連結される燃料電池モジュールであって、前記電子デバイスに送られる電気と、熱とを産生するように構成された燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに連結されたループヒートパイプ(LHP)モジュールであって、前記燃料電池モジュールから熱を吸収して前記LHPモジュールを通って流れる第1の流体を含むLHPモジュールとを備えるシステムが提供される。有利には、このシステムは、前記LHPモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される。好ましくは、LHPモジュールは、外部負荷への熱伝達を促進するヒートスプレッダをさらに備える。有利には、このシステムは、前記LHPモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備え、前記熱伝達モジュールは、前記LHPモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第2の流体を含む。好ましくは、熱伝達モジュールは、前記熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備える。好ましくは、熱伝達モジュールは、放熱器をさらに備える。有利には、このシステムは、前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備え、前記燃料電池モジュールは、前記流体輸送モジュールを通して放水するように構成されている。
本明細書に記載されるフィーチャ、機能及び利点は、本発明の種々の実施形態において独立に実現することが可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。それら実施形態のさらに詳細な説明は、後述及び添付図面にみることができる。
例示的な航空機の平面図である。 図1に示された航空機に搭載されて使用されうる例示的な燃料電池の熱電併給システムの概略図である。 図2に示された燃料電池の熱電併給システムに使用されうる例示的な熱伝達システムの斜視図である。 図1に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。 図1に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。 図1に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。
種々の実施形態の具体的なフィーチャが一部の図面には示されて他の図面には示されないことがあるが、このような図解は便宜的に行われているにすぎない。任意の図面の任意のフィーチャは、他の任意の図面のフィーチャと組み合わせて参照及び/又は特許請求されうる。
本明細書に記載される主題は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。一実施形態では、航空機に搭載された発電システムは、熱と電気を産生するように構成された燃料電池モジュールを含む。ループヒートパイプ(LHP)モジュールが燃料電池モジュールに連結される。LHPモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してLHPモジュールを通って流れる第1の流体(例えば、作動油)を含む。したがって、LHPモジュールは、燃料電池モジュールの冷却を促進する。
本明細書で使用される「負荷」又は「外部負荷」という用語は、電気、熱、水、並びに/或いは別の装置及び/又はマシンによって産生、生成、及び/又は生産される他の副産物を利用する任意の装置及び/又はマシンを意味する。「一つの」という語から始まる単数形の要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することが明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないと理解すべきである。さらに、「一つの」という語から始まる単数形の要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することが明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないと理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」及び/又は「例示的実施形態」への言及は、記載されているフィーチャをやはり取り込む他の実施形態の存在を除外するものではない。
図1は、例示的な航空機100の平面図である。この例示的な実施形態では、航空機100は、胴体120と胴体120から延びる一対の翼130とを含む本体110を含んでいる。この例示的な実施形態では、少なくとも一つのエンジン140が各翼130に連結されて航空機100に推力を供給している。航空機100は、本明細書に記載されているように航空機100を機能させる任意の数のエンジン140を含むことができる。この例示的な実施形態では、航空機100は、複合材料から作製された少なくとも一つのコンポーネント及び/又は構造を含んでいる。
図2は、航空機100(図1に示す)に搭載されて使用されうる例示的な燃料電池の熱電併給システムの概略図である。この例示的な実施形態では、システム200は、電気、熱、及び水のシステムを単一のシステムに統合している。この例示的な実施形態では、システム200は、燃料204と空気206を、航空機100内部で使用されうる電気208に変換する燃料電池モジュール202を含んでいる。この例示的な実施形態では、燃料電池モジュール202の副産物には、水210、空気212、及び熱エネルギー又は熱(図示しない)が含まれる。この例示的な実施形態では、システム200は、燃料電池モジュール202と流体連通する導管214と、導管214に連結された浄水器216とを含んでいる。この例示的な実施形態では、浄水器216は、水210が飲用に適するように、浄水器を通って流れる水210の飲用水としての質を向上させることを助ける。
この例示的な実施形態では、システム200は、熱伝達モジュール又はループヒートパイプ(LHP)モジュール218を含む。この例示的な実施形態では、LHPモジュール218は、蒸発器220、コンデンサ222、及び熱伝達ループ224を含んでいる。この例示的な実施形態では、蒸発器220は、LHPモジュール218内部の循環及び流体の毛管ポンピングのための細孔芯構造を含んでいる。この例示的な実施形態では、蒸発器220は、燃料電池モジュール202に直接連結されており、燃料電池モジュール202によって産生される熱を吸収する。別の構成では、蒸発器220は、任意の構成を有することができる、並びに/或いは、本明細書に記載のようにシステム200を機能させることができる任意の装置及び/又は要素に連結することができる。
例示的な実施形態では、熱伝達ループ224は、蒸発器220からコンデンサ222に向かって蒸気を流す気相ライン226と、コンデンサ222から蒸発器220に向かって液体を流す液相ライン228とを含んでいる。すなわち、この例示的な実施形態では、LHPモジュール218は、毛管作用を使用して燃料電池モジュール202から熱を取り除き、受動的に熱をコンデンサ222へ伝達する二相熱伝達装置である。
この例示的な実施形態では、負荷230は、航空機100上で熱が使用されるようにコンデンサ222に連結されている。例えば、負荷230は、限定しないが、コーヒーメーカー、器具湯栓、及び/又はオーブンを含む器具である。代替的には、負荷230は本明細書に記載のようにシステム200を機能させることができる他の任意の器具及び/又は装置でもよい。
この例示的な実施形態では、第2の熱伝達モジュール232がLHPモジュール218に連結されている。この例示的な実施形態では、第2の熱伝達モジュール232は、ヒートスプレッダ234、放熱器236、及びそれらの間に延びる流体ライン238を含んでいる。この例示的な実施形態では、ヒートスプレッダ234は、コンデンサ222から熱を吸収し、この熱を、流体ライン238を通って流れる流体に伝達するように構成されている。この例示的な実施形態では、第2の熱伝達モジュール232はポンプ240を含むので、流体は能動的に流体ライン238を通って流される。別の構成では、第2の熱伝達システム232は受動的システムで、熱はヒートスプレッダ234と放熱器236との間で受動的に伝達される。この例示的な実施形態では、放熱器236は、熱が周囲環境に伝達されるように配置されている。
動作中、燃料電池モジュール202は、燃料204と空気206を受け取って、電気208、水210、空気212、及び/又は熱を生成及び/又は産生する。この例示的な実施形態では、水210は導管214を通って流れ、浄水器216が水210を飲用可能にする。
この例示的な実施形態では、蒸発器220は、流体が熱伝達ループ224を通って流れる際に燃料電池モジュール202から熱を吸収する。具体的には、この例示的な実施形態では、蒸発器220を通って流れる液体が燃料電池モジュール202から熱を吸収し、液体が蒸気に変化することを可能にする。すなわち、この例示的な実施形態では、蒸発器220において吸収された熱により、位相変化プロセスを経て液体は蒸気に変換される。この例示的な実施形態では、蒸気は蒸発器220から放出され、蒸気ライン226を通ってコンデンサ222に向かって流れる。したがって、この例示的な実施形態では、熱はコンデンサ222に運ばれる。この例示的な実施形態では、熱はコンデンサ222から負荷230及び/又はヒートスプレッダ234に向かって伝達され、これによって蒸気が液体に変化できる。すなわち、この例示的な実施形態では、位相変化プロセスは、蒸気がその潜熱を放った後に起こる。この例示的な実施形態では、液体はコンデンサ222から放出され、液相ライン228を通って蒸発器220に向かって流れる。
この例示的な実施形態では、第2の熱伝達モジュール232は、選択的に動作して、LHPモジュール218から周囲環境へと熱を伝達する。すなわち、この例示的な実施形態では、ポンプ240は、負荷230が熱を使用しているときには作動されず、負荷230が熱を使用していないときに作動される。
図3は、燃料電池モジュール202及びLHPモジュール218の斜視図である。この例示的な実施形態では、LHPモジュール218は、燃料電池モジュール202に直接連結されたヒートスプレッダ242と、ヒートスプレッダ242及び蒸発器220に連結されたヒートパイプ244とを含んでいる。この例示的な実施形態では、ヒートスプレッダ242及び/又はヒートパイプ244により、燃料電池モジュール202とLHPモジュール218との間での熱伝達速度が上昇する。したがって、熱は、燃料電池モジュール202から蒸発器220へと伝達されて、毛管ポンピングが行われる。この例示的な実施形態では、ヒートスプレッダ242及び/又はヒートパイプ244は、ワイヤ芯及び/又は焼結された芯を含んでいる。別の構成では、ヒートスプレッダ242及び/又はヒートパイプ244は、任意の構成を有することができる、並びに/或いは、本明細書に記載のようにシステム200を機能させることができる任意の材料から作製することができる。
この例示的な実施形態では、コンデンサ222は、水を通過させるように構成されている容器246内部に配置されている。具体的には、この例示的な実施形態では、容器246は、水を受け入れるように構成された入口248と、水を放出するように構成された出口250とを含んでいる。この例示的な実施形態では、水が容器246を通って流れることによりコンデンサ222が冷却される、及び/又は流体がLHPモジュール218を通って流れる。
図4〜6は、航空機100に搭載されて使用されうる他の燃料電池熱電併給システム400、500、及び600の概略図である。システム400は、概ねシステム200に類似しているが、LHPモジュール218が、燃料電池モジュール202に直接連結しているのではなく導管214に直接連結していることにより、燃料電池モジュール202によって発生した熱の吸収、使用、及び/又は分散が促進される。
システム500は、概ねシステム200に類似しているが、LHPモジュール218の代わりに、液体−液体間熱交換器502が導管214に連結されていることにより、燃料電池モジュール202によって発生した熱の吸収、使用、及び/又は分散が促進される。この例示的な実施形態では、熱交換器502は、熱交換器を通って延びる導管504を含む。この導管504は、冷水を熱交換器502に導き、ここで水が導管214及び/又は導管214内部の水210から熱を吸収することにより、導管504を通して熱交換器502から温水が放出される。
システム600は、概ねシステム200に類似しているが、LHPモジュール218の代わりに、液体−気体間熱交換器602が導管214に連結されていることにより、燃料電池モジュール202によって発生した熱の吸収、使用、及び/又は分散が促進される。この例示的な実施形態では、熱交換器602は、熱交換器を通って延びる導管604を含む。この導管604は、冷気を熱交換器602に導き、ここで空気が導管214及び/又は導管214内部の水210から熱を吸収することにより、導管604を通して熱交換器602から温風が放出される。
本明細書に記載される実施形態は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。本明細書に記載される実施形態は、航空機のガレーでの使用における燃料電池効率を上昇させること、及び/又はフライト中に航空機を動作させるために必要な、航空機による発電電力量を低減させることを助ける。したがって、本明細書に記載の実施形態は、エネルギーを蓄積すること、燃料電池から得られる熱と電力とを組み合わせて使用すること、及び燃料電池からガレー導入負荷への熱伝達を効率化することにより、ガレーによって使用される電力量の低減を助ける。
上述では、航空機環境における熱伝達の方法及びシステムの例示的実施形態について詳細に説明した。この方法及びシステムは、本明細書に記載されている具体的な実施形態に限定されることはなく、むしろ、システムのコンポーネント及び/又は方法のステップは、本明細書に記載されている他のコンポーネント及び/又はステップから分離されて独立に使用可能である。方法の各ステップ及び各コンポーネントは、他の方法ステップ及び/又はコンポーネントと組み合わせて使用されてもよい。種々の実施形態の具体的なフィーチャが一部の図面には示されて他の図面には示されないことがあるが、このような図解は便宜的に行われているにすぎない。図面の任意のフィーチャは、他の任意の図面の任意のフィーチャと組み合わせて参照及び/又は特許請求されることがある。
ここに記載した説明では、ベストモードを含む実施形態を開示するため、並びに、当業者が任意の機器やシステムの作製及び使用、並びに組込まれた任意の方法の実施を含め、これらの実施形態を実行することを可能にするために実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義されるもので、当業者であれば想起する他の実施例も含みうる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字言語から逸脱しない構造要素を有する場合、或いは、それらが特許請求の範囲の文字言語との有意でない相違を有する等価な構造要素を含んでいる場合は、特許請求の範囲の範囲内に含まれる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
(態様1)
航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生される熱を伝達する方法であって、
第1の流体を含むループヒートパイプ(LHP)モジュール(218)を、燃料電池モジュール(202)に連結することと、
第1の流体をLHPモジュール(218)を通して流し、第1の流体が燃料電池モジュール(202)から熱を吸収することと
を含む方法。
(態様2)
熱を外部負荷に伝達することをさらに含む、態様1に記載の方法。
(態様3)
第2の流体を含む熱伝達モジュール(232)を、LHPモジュールに連結することと、
第2の流体を熱伝達モジュールを通して流し、第2の流体がLHPモジュール(218)から熱を吸収することと
をさらに含む、態様1又は2に記載の方法。
(態様4)
第2の流体を流すことが、熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的にポンピングすることをさらに含む、態様3に記載の方法。
(態様5)
航空機100と、
前記航空機に搭載される電子デバイスと、
前記電子デバイスに連結される燃料電池モジュール(202)であって、前記電子デバイスに送られる電気と、熱とを産生するように構成されている燃料電池モジュール(202)と、
前記燃料電池モジュール(202)に連結されたループヒートパイプ(LHP)モジュール(218)であって、前記燃料電池モジュール(202)から熱を吸収して前記LHPモジュール(218)を通って流れる第1の流体を含むLHPモジュールと
を備えるシステム。
(態様6)
前記LHPモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される、態様5に記載のシステム。
(態様7)
前記LHPモジュールが、外部負荷への熱の伝達を促進する熱スプレッダを備えている、態様5又は6に記載のシステム。
(態様8)
前記LHPモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備えており、前記熱伝達モジュールが、前記LHPモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第2の流体を含む、態様5ないし7のいずれか一項に記載のシステム。
(態様9)
前記熱伝達モジュールが、前記熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備えている、態様8に記載のシステム。
(態様10)
前記熱交換モジュールがさらに放熱器を備えている、態様8又は9に記載のシステム。
(態様11)
前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備えており、前記燃料電池モジュールが、前記流体輸送モジュールを通して水を放出するように構成されている、態様5ないし10のいずれか一項に記載のシステム。
100 航空機
110 本体
120 胴体
130 翼
140 エンジン
200、400、500、600 燃料電池の熱電併給システム
202 燃料電池モジュール
204 燃料
206 空気
208 電気
210 水
212 空気
214 導管
216 浄水器
218 ループヒートパイプモジュール
220 蒸発器
222 コンデンサ
224 熱伝達ループ
226 気相ライン
228 液相ライン
230 負荷
232 熱伝達モジュール
234 ヒートスプレッダ
236 放熱器
238 流体ライン
240 ポンプ
242 熱スプレッダ
244 ヒートパイプ
246 容器
248 入口
250 出口
502、602 熱交換器
504、604 導管

Claims (7)

  1. 航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生される熱を伝達する方法であって、
    第1の流体を含むループヒートパイプ(LHP)モジュール(218)を、該燃料電池モジュール(202)に連結することと、
    第1の流体を該LHPモジュール(218)を通して流し、第1の流体が該燃料電池モジュール(202)から該熱を吸収することと、
    該熱を外部負荷(230)に伝達することと、
    第2の流体を含む熱伝達モジュール(232)を、該LHPモジュールに連結することと、
    該熱伝達モジュールを通して第2の流体を流し、第2の流体が該LHPモジュール(218)から該熱を吸収することとを含み、
    第2の流体を流すことが、該熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的にポンプで送ることをさらに含み、
    該熱伝達モジュール(232)が熱を該LHPモジュール(218)から周囲環境中へ伝達するように選択的に操作される、方法。
  2. 該熱が該外部負荷(230)によって使用されているときにポンプ(240)が作動されず、該熱が前記外部負荷(230)によって使用されていないときに作動される、請求項1の方法。
  3. 航空機(100)上で使用される発電システム(200)であって、
    熱を生成するように構成された燃料電池モジュール(202)と、
    前記燃料電池モジュールに連結されるループヒートパイプ(LHP)モジュール(218)であって、該熱を前記燃料電池モジュールから吸収し、前記LHPモジュールを通して流される第1の流体を含むLHPモジュールと、
    前記LHPモジュールに連結され、該熱が伝達される外部負荷(230)と、
    前記LHPモジュールに連結される熱伝達モジュール(232)であって、前記LHPモジュールから該熱を吸収し前記熱伝達モジュール(232)を通して流される第2の流体を含み、前記熱伝達モジュールを通して第2の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに含む熱伝達モジュール(232)とを含み、
    前記熱伝達モジュール(232)が、前記LHPモジュール(218)から雰囲気環境中へ熱を伝達するように選択的に操作されるように構成されている、発電システム。
  4. 前記LHPモジュールがさらに、外部負荷への該熱の伝達を促進するヒートスプレッダをさらに備える、請求項3に記載の発電システム。
  5. 前記燃料電池モジュールに連結された浄水器(216)を含む流体輸送モジュールをさらに備えており、前記燃料電池モジュールが、前記流体伝達モジュールを通して水を放出するように構成されている、請求項3または4に記載の発電システム。
  6. 該熱が前記外部負荷(230)によって使用されているときに前記ポンプ(240)が作動されず、該熱が前記外部負荷(230)によって使用されていないときに作動される、請求項3から5のいずれか一項に記載の発電システム。
  7. 航空機(100)であって、
    前記航空機(100)に搭載される電子デバイスと、
    請求項3から5のいずれか一項に記載の発電システム(200)とを有し、
    前記燃料電池モジュール(202)が前記電子デバイスに連結され、前記燃料電池モジュールが電気と熱とを産生するように構成され、該電気が前記電子デバイスに送られる、航空機。
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