JP5269780B2 - 燃料電池を使用した航空機用発電システム - Google Patents

Description

本発明は、航空機用発電システムに関し、より具体的には、航空機のための燃料電池を使用したシステムに関する。

航空機における電気設備の様々な部品の飛行中の動作に必要な電力は、一般に、航空機のエンジンに付随する１台または複数台の発電機から供給される。ガスタービンエンジンの場合、この目的で始動発電機（Ｓ／Ｇｓ）を使用することが知られている。始動発電機は、ギアボックスを介してタービンの軸に機械的に結合されており、飛行中は発電機として動作し、始動時は電動機として動作する。特に、地上において航空機エンジンが作動していないときは、補助電源装置（ＡＰＵ）が電力を供給する。一般に、ＡＰＵは発電機を駆動するガスタービンを備える。

電力は、航空機およびその電動機の機器を作動させるうえで油圧よりも常に好ましいものとなっているので、増え続ける航空機内の電力量を供給する必要がある。

Ｓ／Ｇｓなどの発電機の台数と電力を増やすことなくこの増大する需要を満たすために、ＡＰＵに燃料電池を使用する提案がなされてきた。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む発電システムを記載したカナダ特許第２４２７４４８号明細書を参照することができる。電池は、炭化水素燃料とコンプレッサからの圧縮空気とを受け入れて、加圧下で高温ガスの流れによって直流（ＤＣ）電力を生み出す。タービンは、ガス流が供給されてコンプレッサを駆動する。

ＳＯＦＣ、タービン、およびコンプレッサを備えるアセンブリは、従来の燃焼ガスタービンと同様に動作し、ＳＯＦＣが燃焼室に取って代わり、同時に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を汚染排出することなく同様に電力を生み出す。

本発明は、単なる直接発電に留まらずに燃料電池の資源の使用を可能にする航空機用発電システムを提案するので、このようなシステムは、
第１のコンプレッサと、
第１のコンプレッサに接続される圧縮空気の入口と、燃料入口とを有し、直流電力を生み出す燃料電池と、
加圧下で燃料電池からガス流を受け入れて、第１のコンプレッサに機械的に結合されて第１のコンプレッサを駆動するためのタービンと、
航空機客室に加圧空気を供給するために飛行中に使用される回路の第２のコンプレッサであって、タービンの軸に機械的に結合されている客室への供給用の第２のコンプレッサと、
を備える。

航空機客室内で空気を循環させるコンプレッサを駆動する従来のガスタービンにＡＰＵを使用することは知られているが、ＡＰＵは航空機が地上にあるときに限ると巡航高度にある客室を加圧するときほど十分に強力でない。従来のＡＰＵをこの目的に適う寸法で作るものと仮定することは実際には可能であるが、全体として不利なエネルギー収支を招くことになり、このため、従来、飛行中に客室に加圧空気を供給するコンプレッサは航空機の配電網から給電される電動機によって駆動されている。

燃料電池を使用すると、エネルギー効率が高くなり、飛行中に、客室に空気を供給する回路のコンプレッサを発電システムのタービンの軸と機械的に結合することによってコンプレッサを駆動することが可能になり、これが航空機の配電網から給電される電動機を使用する場合に比べて不利益をもたらすことはない。したがって、コンプレッサを駆動する専用電動機とその電源を省くことが可能である。

実施形態において、第１のコンプレッサと第２のコンプレッサは、共通のタービン軸によって駆動される。

別の実施形態において、タービンは、加圧下で燃料電池からガス流を受け入れて第１のタービン軸を駆動する第１のタービン段と、加圧下で第１のタービン段からガス流を受け入れて第２のタービン軸を駆動する第２のタービン段とを有し、第１のコンプレッサは第１のタービン軸によって駆動され、第２のコンプレッサは第２の軸によって駆動される。これによって、高圧タービン軸と低圧タービン軸とを有する従来の燃焼ガスタービンの構成に類似した構成が実現される。

また、電気機械を第２のコンプレッサと共通に同じタービン軸に取り付けることが可能である。

電気機械は、発電機としての第１の動作モードと、電動機としての第２の動作モードを有してもよく、電気機械が取り付けられるタービン軸で得られる機械トルクを少なくとも所定の最小値に維持するために、あるいは、電気機械の回転速度を所定の設定点値にサーボ制御するために、電気機械の第１の動作モードと第２の動作モードとを切り替える調整回路が設けられてもよい。

本発明は、添付図面を参照して行なわれる以下の説明を読むとよりよく理解され得る。

本発明に従った発電システムの実施形態の概略図である。 図１の発電システムの変形実施形態の概略図である。

図１に示されるような航空機内の発電システムは、並列に配置され直列に接続された複数の電池で構成される固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの燃料電池１０を備える。燃料電池１０には炭化水素燃料と圧縮空気が供給され、圧縮空気の酸素は燃料の水素と反応して電力を生み出す。このようなＳＯＦＣの製造方法と動作原理は、よく知られており、詳細に説明されない。

パイプ１２によってタンク（図示せず）から取り出される燃料は、メタン（ＣＨ_４）であってもよい。ＳＯＦＣ内の燃料として灯油などの他の炭化水素を使用することが知られているので、ＳＯＦＣ１０には航空機エンジン用の燃料を含むタンクから燃料が供給されてもよいことに留意されたい。

圧縮空気はコンプレッサ２０からパイプ１４を経由して供給される。コンプレッサ２０に供給する空気は、航空機客室４０を通過し、かつパイプ４２によってコンプレッサに供給された空気であってもよい。

ＳＯＦＣ１０は、ライン１６で利用され得る直流の形態の電力を生み出す。ライン１６は航空機の配電網４４に接続される。また、使用されない電力を蓄え、例えば、回路の遮断、回路の接続、あるいは電気設備の部品の急激な起動または停止に起因する、大振幅が予想される電気的な過渡変動を平滑化するために、バッテリ１８がライン１６に接続される。また、航空機の配電網４４には、航空機のエンジンで駆動されるＳ／Ｇｓなどの発電機によって従来通りに給電される。

ＳＯＦＣ１０からの基本的に二酸化炭素ＣＯ_２を含有する圧縮高温ガスと、水蒸気Ｈ_２Ｏとは、パイプ３２によってタービン３０に送られる。タービン３０は、圧縮高温ガスによって回転駆動され、コンプレッサ２０に機械的に結合され、タービン３０およびコンプレッサ２０のロータは、タービンの共通軸３４に取り付けられている。

タービン３０からのガスはパイプ３６を経由して排出される。熱交換器３８は、パイプ１４とパイプ３６にそれぞれ直列に接続された２つの独立したガス回路を有する。熱交換器３８は、タービンからのガスの残留熱エネルギーを利用してＳＯＦＣ１０に供給される圧縮空気を加熱する。

また、タービン３０は、客室４０に空気を供給する回路の一部を形成する第２のコンプレッサ４６を駆動する。コンプレッサ４６には外気が供給され、コンプレッサ４６は外気を圧縮し、環境制御システム（ＥＣＳ）として知られ、本質的によく知られている空気の温度と圧力を調整する働きをするシステム４９からパイプ４８を経由して客室４２に供給する。

図１の実施形態において、コンプレッサ４６はタービン３０の軸３４に取り付けられる。

また、タービン３０は、軸３４に取り付けられたロータを有する電気機械５０に機械的に結合される。タービン３０には他の機械的負荷が結合されてもよい。

電気機械５０は、発電機モードで動作しても電動機モードで動作してもよい。電気機械５０は、第一に、一次回路を有する主ロータと二次回路を有する主ステータとを有する同期発電機５０ａと、第二に、一次回路を有するステータと二次回路を有するロータとを有する励磁機５０ｂとを備えるＳ／Ｇ機械として製造され、励磁機の二次回路は回転ダイオードブリッジによって形成される整流器を介して同期発電機の一次回路に接続されてもよい。

電気機械５０の動作モードは、調整回路５２によって制御され、電気機械は、タービンによって供給されるトルクまたは機械力がコンプレッサ２０および４６と存在することが予想される他の負荷との所要トルクまたは機械力を超えると発電機として動作し、電気機械５０は、コンプレッサ２０および４６と存在することが予想される他の負荷とに必要な最小機械力またはトルクを供給するためにタービンを支援する電動機として動作する。

発電機動作モードにおいて、回路５２は、励磁機５０ｂの一次回路に配電網４４によって供給された交流（ＡＣ）を供給し、同期発電機によって供給された交流電圧はライン５３を経由して航空機の配電網４４に注入される。

電動機動作モードにおいて、回路５２は、励磁機５０ｂの一次回路にＤＣを供給し、発電機５０ａの二次回路には配電網からライン５３によってＡＣが供給される。励磁機の一次回路に供給する必要のあるＤＣは、場合により整流器を介して配電網４４から取り出されてもよく、あるいは、ＳＯＦＣ１０の出力またはバッテリ１８から取り出されてもよい。

調整回路５２は、タービン出力で得られるトルクのレベルを少なくとも所定の最小値に維持するために機械５０の動作モードを制御する。このために、調整回路５２は、センサ５４によって供給され、タービン出力トルクを表わす信号、例えば、軸３４の回転速度を表わす信号を受け入れる。電気機械の出力は、その回転速度、したがって、加圧コンプレッサ４６の回転速度の値をサーボ制御することによって所定の設定点値に制御され得る。

図２は、タービン３０が軸３４を駆動する第１のタービン段３０ａと、第１のタービン段３０ａからガス流が供給されて軸３５を駆動する第２のタービン段３０ｂとを備え、第２のコンプレッサ４６と電気機械とが軸３５に取り付けられるという点において図１の実施形態とは異なる変形実施形態を示す。熱交換器３８は、第２のタービン段（３０ｂ）から排気前にガス流を受け入れる。軸３４と３５は同軸であり、軸３５は軸３４の回転速度よりも遅い回転速度で駆動される。これは、従来の燃焼ガスタービンの高圧軸と低圧軸によって使用される構成に類似した構成である。

機械５０は、コンプレッサ４６と同じ軸３５に取り付けられるので、必要に応じて、タービン段３０ｂの駆動力の不足を補うことができる。速度センサ５４は軸３５に関係付けられている。上記のように、電気機械の出力は、その回転速度、したがって、加圧コンプレッサ４６の回転速度の値を調整回路５２でサーボ制御することによって所定の設定点値に制御され得る。

Claims (8)

1. 第１のコンプレッサ（２０）と、
   第１のコンプレッサに接続された圧縮空気入口と、燃料入口とを有し、直流電力を生み出す燃料電池（１０）と、
   加圧下で燃料電池からガス流を受け入れて、第１のコンプレッサを駆動するために第１のコンプレッサに機械的に結合されたタービン（３０）と、
   航空機客室に加圧空気を供給するために飛行中に使用される回路の第２のコンプレッサ（４６）と、
   を備える航空機用の発電システムであって、
   客室に供給する第２のコンプレッサ（４６）がタービン（３０）の軸に機械的に結合されることを特徴とする、システム。
2. 第１のコンプレッサ（２０）と第２のコンプレッサ（４６）とが共通のタービン軸（３４）に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. タービン（３０）が、加圧下で、燃料電池（１０）からガス流を受け入れて第１のタービン軸（３４）を駆動する第１のタービン段と、第１のタービン段からガス流を受け入れて第２のタービン軸（３５）を駆動する第２のタービン段とを備え、第１のコンプレッサ（２０）が第１のタービン軸（３４）によって駆動され、第２のコンプレッサ（４６）が第２の軸（３５）によって駆動されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. タービン（３０）の軸に機械的に結合された電気機械（５０）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 電気機械（５０）および第２のコンプレッサ（４６）が同じタービン軸に共通に取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 電気機械（５０）が発電機としての第１の動作モードと電動機としての第２の動作モードを有し、電気機械が取り付けられるタービン軸で得られる機械トルクを少なくとも所定の最小値の値に維持するために、電気機械の第１の動作モードと第２の動作モードとを切り替える調整回路（５２）が設けられることを特徴とする、請求項４および５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 電気機械の回転速度を所定の設定点値にサーボ制御する調整システムが設けられることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. コンプレッサ（２０）から供給される圧縮空気を燃料電池に入れる前に加熱するために、燃料電池（１０）に供給する圧縮空気とタービン（３０）から出るガス流とを独立に通す熱交換器（３８）を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。

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