(57)【要約】【課題】本発明は、航空機システムへエネルギーを供給するエネルギー供給システムおよび航空機システムへエネルギーを供給する方法を提供し、特に燃料電池およびエネルギー貯蔵装置を含むエネルギー供給システムを提供する。【解決手段】航空機用エネルギー供給システム１００は、少なくとも１つの燃料電池１０１と少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置１０３とを含み、このエネルギー貯蔵装置１０３が燃料電池１０１によって充電できるように、少なくとも１つの燃料電池が少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置１０３に結合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機用エネルギー供給システムであって、
少なくとも１つの燃料電池と、
少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置とを含み、
少なくとも１つの前記燃料電池は、前記燃料装置を用いて前記エネルギー貯蔵装置を充電できるように、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置に結合されるエネルギー供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のエネルギー供給システムであって、複数のエネルギー貯蔵装置および／または複数の燃料電池を含むエネルギー供給システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエネルギー供給システムであって、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置は、キャパシターであるエネルギー供給システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、前記エネルギー供給システムは、受動システムとして設計されるエネルギー供給システム。
【請求項５】
少なくとも１つの反転整流器および／または少なくとも１つの整流器をさらに含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。
【請求項６】
請求項５に記載のエネルギー供給システムであって、
少なくとも１つの前記反転整流器および／または少なくとも１つの前記整流器は、少なくとも１つの燃料電池によって、および／または少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置によって供給される電気エネルギーを変換するように適合されるエネルギー供給システム。
【請求項７】
請求項６に記載のエネルギー供給システムであって、前記変換は、電圧および／または周波数に関する変換を含むエネルギー供給システム。
【請求項８】
制御ユニットをさらに含み、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置は、前記制御ユニットを用いて、電気負荷の需要ピークをバッファするように制御される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置は、前記貯蔵装置を用いて補助動力装置に電力を供給できるように設計されるエネルギー供給システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、
前記エネルギー供給システムは、前記エネルギー貯蔵装置が電気エネルギー再生システムによって電気負荷から、および／または航空機の搭載ネットワークから充電できるように設計されるエネルギー供給システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、前記エネルギー貯蔵装置は、バッファ貯蔵装置として設計されるエネルギー供給システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムを含む航空機。
【請求項１３】
航空機内における請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムの利用。
【請求項１４】
航空機内でエネルギー供給システムを操作する方法であって、
燃料電池によって電気エネルギーを供給する工程と、
供給された前記電気エネルギーを中間貯蔵装置内に貯蔵する工程とを含むエネルギー供給システムを操作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年９月２９日に出願された独国特許出願第１０  ２００５  ０４６  ７２９  ６号および２００５年９月２９日出願の米国特許仮出願第６０，７２１，６３８号の優先権を主張し、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【０００２】
本発明は、航空機システムへエネルギーを供給するエネルギー供給システムおよび航空機システムへエネルギーを供給する方法を提供し、特に燃料電池およびエネルギー貯蔵装置を含むエネルギー供給システムを提供する。
【背景技術】
【０００３】
今日の航空機技術では、航空機エレクトロニクス用にさまざまなバスシステム、すなわち送電線のシステムがあり、この送電線は、たとえば２８Ｖの直流電流、または１１５Ｖ、４００Ｈｚの交流電流を航空機に供給する。バスシステムによって複数の電気負荷にエネルギーが供給される。たとえば、航空機の貨物室のドアは、バスラインによって供給される装置によって開けられる。バスラインは、バッテリによって給電される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
駐機時間または所謂待機時間における実際の航空機の構造によって、バッテリは航空機内における多様なシステムおよび／または装置にエネルギーを供給するが、システムおよび装置は、絶えず電気エネルギーを必要としている。待機時間は数日間に及ぶことがある。駐機時間が２日以上になる場合は、バッテリを取り外して、航空機を外部のエネルギー供給に接続する必要があるという課題があった。
【０００５】
本発明は、航空機にエネルギーを供給するための効率的なエネルギー供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態にしたがい、上記の要件は、少なくとも１つの燃料電池と少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置とを含み、エネルギー貯蔵装置が燃料電池によって充電できるように、少なくとも１つの燃料電池が少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置に結合される、航空機用エネルギー供給システムによって達成される。
【０００７】
１つの実施形態において、航空機内でエネルギー供給システムを操作する方法では、燃料電池によって電気エネルギーが供給され、供給された電気エネルギーが中間貯蔵装置内に貯蔵される。
【０００８】
本発明の基礎となる着想は、航空機における燃料電池の利用において見出すことができ、燃料電池は、エネルギー貯蔵装置、または換言すると中間貯蔵装置を充電する。これにより航空機システムによって生じる負荷ピークをバッファすることを可能とし、システムは、中間貯蔵装置またはバッファ貯蔵装置によって電気エネルギーを供給される。したがって貯蔵媒体、すなわちエネルギー源としてバッテリがなくても済む、または少なくとも航空機の待機時間中はかかるバッテリを取り外しておくことが可能となる。特に、本発明によるエネルギー供給システムを用いることによって、パルス式の操作、すなわち変調式操作の場合、バッテリの永続的な電気装荷を防ぐことが可能となるため、供給時間または駐機時間を供給されるべき航空機システムの延長供給時間にまで延ばすことが可能となる。
【０００９】
本構成において、燃料電池は、電気および／または温度エネルギーを航空機の電気システムに供給する電気および／または温度エネルギー供給源として設計されてもよい。エネルギー貯蔵装置によって、エネルギー供給システムは、相当の電気エネルギーを貯蔵することができ、電気エネルギーを短時間で供給することができる。このようにして、電力消費におけるピークを安定させることも可能となる。消費ピークが過ぎた時点で、エネルギー貯蔵装置は、燃料電池によって再度充電されてもよい。このようにして、中間エネルギー貯蔵装置がバッファとして用いられ、その結果、中間貯蔵装置によって、燃料電池を高レベルの効率または最適レベルの効率で作動させて、負荷ピークの安定を図ることが可能となるため、供給されるべき航空機システムに対するエネルギーの供給を供給がより効率よくなるように設計することも可能である。高レベルの効率で燃料電池を作動させることによって、全エネルギー消費を減らすこと、およびエネルギー供給システムからの熱の発生を減らすことも可能となる。
【００１０】
本発明によるシステムを用いて、適した所謂補助動力装置（ＡＰＵ）を起動するのに必要な個別のバッテリなしで済ませることも可能となる。航空機の場合、かかるＡＰＵは、灯油で動くガスタービンを包含してもよく、ガスタービンは、電気および空気エネルギーを生成する。さらに、ＡＰＵは、多様な航空機システムの異常発生時に航空機システムに取って代わるため、または支援するために操作されてもよい。さらに、本発明によりエネルギー供給システムが可能であり、エネルギー供給システムは、少なくとも一部において、バッテリの仕事を実行するための、燃料電池に結合されたバッファ貯蔵装置を含む。したがって少なくとも一部において、システムを簡略化するか、またはバッテリを取り除くことが可能となる。
【００１１】
本発明によるエネルギー供給システムによって、航空機のいかなる非常事態においてもエネルギー貯蔵装置によってエネルギーの必要量をバッファすることが可能となり、したがって別の非常用システムが利用可能になるまでの時間を埋めることも可能となる。このことは、特に、航空機が低速で飛行する場合に有用である。航空機では、通常、所謂ラムエアタービンが非常用システムとして用いられるが、ラムエアタービンは、低速では全電力を供給せず、そのためエネルギーを供給されるべき電気負荷の全てにエネルギーを供給できない恐れがある。本発明によるエネルギー供給システムを用いた場合、非常用システムが起動するまでのバッファとして、および／またはかかる非常用システムの代わりとしてシステムを利用することができる。
【００１２】
本発明のさらなる目的、実施形態および利点を、さらなる独立項および従属項に記載する。
【００１３】
以下、本発明に係るエネルギー供給システムの実施形態を詳細に説明する。本発明のエネルギー供給システムとの関連で記載される実施形態は、本発明による、エネルギー供給システムを操作する方法、エネルギー供給システムを含む航空機、および航空機におけるエネルギー供給システムの利用にも適用される。
【００１４】
さらなる実施形態において、本発明のエネルギー供給システムは、複数のエネルギー貯蔵装置および／または複数の燃料電池を含む。
【００１５】
複数の燃料電池および／またはエネルギー貯蔵装置を設けることによって、エネルギー供給システムによって供給される出力を、航空機内の電気負荷の電力要求に効率よく合わせることが可能となる。
【００１６】
別の実施形態において、本発明の少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置は、キャパシターである。エネルギー貯蔵装置、すなわち中間貯蔵装置は、バッテリであってもよい。
【００１７】
エネルギー貯蔵装置をキャパシターとして設計することは、高速エネルギー貯蔵装置を提供する特に効率のよい方法である。かかるキャパシターは、非常に高い電気エネルギーを貯蔵すること、およびエネルギーを短時間で供給することに好適である。かかるキャパシターは、本発明によるエネルギー供給システムの航空機内における利用により、ＡＰＵの起動段階においてＡＰＵ起動モータに相当の電力を供給するのにも好適である。本構成において、キャパシターの出力電圧は、キャパシター内に貯蔵される充電量に比例して決まる。充電量が下がればキャパシターの出力電圧が下がる。かかる低下は、場合によっては、中間貯蔵装置の充電を開始するための制御信号として用いてもよい。キャパシターを中間貯蔵装置として用いた場合、中間貯蔵装置としてのバッテリの利用に比べて、キャパシターは、恐らくバッテリより長い耐用年数を有する可能性があるため、キャパシターによってメンテナンスを簡略化することが可能となることは、有利であると考えられる。さらに、キャパシターの利用により、中間貯蔵装置としてバッテリを利用する場合よりも短い交換サイクル（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｃｙｃｌｅｓ）を実現できる。
【００１８】
さらなる実施形態において、本発明のエネルギー供給システムは、受動システムとして設計される。「受動システム」という用語は、航空機内の電気負荷がピーク出力（需要ピーク）を必要とする場合に自動的にスイッチオンになる、燃料電池および／またはエネルギー貯蔵装置、特にキャパシターのことをいう。さらに、少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置、たとえばキャパシターの電圧が不十分な場合に、少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置を再充電するために燃料電池が自動的にスイッチオンになるようにエネルギー供給システムを設計することができる。
【００１９】
少なくとも１つの燃料電池によって供給される電気エネルギーによるエネルギー貯蔵装置のかかる再充電は、わずかなエネルギーロスのみで再充電を可能とする。特に、航空機システムから、すなわち航空機内にある電気負荷から電気エネルギーを再生することも可能である。かかるエネルギーの再生を用いて、エネルギー供給システムの効率を高めること、および航空機にエネルギーを供給する際のエネルギーロスを減らすことが可能となる。
【００２０】
他の実施形態において、本発明のエネルギー供給システムは、少なくとも１つの反転整流器および／または少なくとも１つの整流器をさらに含む。少なくとも１つの反転整流器および／または少なくとも１つの整流器は、少なくとも１つの前記燃料電池によって、および／または少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置によって供給できる電気エネルギーを変換するように設計できる。特に、変換は、電圧および／または周波数に関連づけることができる。
【００２１】
反転整流器および／または整流器を設けることは、電圧および／または周波数に関連してさまざまな種類の電力を航空機内の電気負荷に供給する効率のよい方法である。換言すると、多様な電気負荷が供給されるように電力を変化させることが可能である。この趣旨において、異なる電圧および／または周波数で電力を供給することができる方法によって多様なバスシステムを提供することは好都合である。
【００２２】
さらなる実施形態において、本発明のエネルギー供給システムは、制御ユニットをさらに含み、制御ユニットは、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置を用いて電気負荷の需要ピークがバッファできるように制御ユニットを用いて前記エネルギー貯蔵装置が制御されるように設計される。
【００２３】
他の実施形態において、少なくとも１つの前記エネルギー貯蔵装置は、前記貯蔵装置を用いて補助動力装置に電力が供給できるように設計される。
【００２４】
このように、たとえばガスタービンでもよい補助動力装置（ＡＰＵ）に電力を供給することは、特にＡＰＵの起動段階においてエネルギーを供給する、特に効率のよい方法である。
【００２５】
他の実施形態において、本発明のエネルギー貯蔵装置は、バッファ貯蔵装置として設計される。特に、バッファ貯蔵装置は、装置を用いて航空機内の電気負荷の需要ピークがバッファできるように設計することができる。かかる電気負荷は、特に、航空機内にある装置および補助システムであり得るが、但し、このことは好ましくは航空機のエンジンを指すものではない。
【００２６】
特に好都合には、本発明によるエネルギー供給システムは、航空機に用いられるのがよい。
【００２７】
要約すると、本発明の一形態は、燃料電池とエネルギー貯蔵装置とを含むエネルギー供給システムの提供からなり、燃料電池は、電池を用いてエネルギー貯蔵装置が再充電可能であるように設計される。かかるバッファ貯蔵装置は、たとえばキャパシターまたはバッテリ（アキュムレータ）（ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）であってもよい。さらに、かかるエネルギー供給システムは、たとえばヘリコプターまたは飛行船を含むいかなる航空機内にも使用可能である。
【００２８】
本構成において、短時間で相当の電気エネルギーを供給するのにキャパシターが用いられてもよい。キャパシター内に貯蔵される充電量が低下すると、キャパシターの出力電圧もまた下がる。出力電圧が明示できる電圧値を下回る場合、燃料電池によっておよび／または電気エネルギー再生システムによって電気負荷からおよび／または機内に搭載されたネットワークからキャパシターが自動的に再充電されてもよい。
【００２９】
本発明のエネルギー供給システムの応用のさらなるケースとして、バッテリを取り除くことおよび／または置き換えることが挙げられる。従来技術において、かかるバッテリは、駐機している航空機内において用いられて補助動力装置を起動するためのエネルギー源として役立つが、かかるバッテリは、本発明によるエネルギー供給システムに置き換えられる。中間貯蔵装置と併せて燃料電池を含むエネルギー供給システムを用いてバッテリを支援し、または取り外すことによって、航空機の駐機時間を延長することも可能である。このことは、燃料電池によるキャパシターの再充電が可能なために可能である。したがって、延長待機時間の場合でさえ、メンテナンス作業、たとえば従来技術により必要であったバッテリの取り付けおよび取り外しを簡略化することも可能である。
【００３０】
また、エネルギー供給システムは、航空機のドアのうちの幾つかまたは全てを動作させるようにしてもよい。電気エネルギーによるキャパシターの永久的な充電が燃料電池によって可能であるため、航空機が駐機している場合でさえ、頻繁にドアを開くことまたは航空機に関する他の機能を頻繁に実行できる。
【００３１】
本発明によるエネルギー供給システムは、また、さまざまな故障が生じた場合に用いられる非常用システムである、ラムエアタービン（ＲＡＴ）の代わりとしておよび／またはＲＡＴを支援して用いられてもよい。かかるＲＡＴシステムは、プロペラがそれに取り付けられた外側に開くアーム（ｓｗｉｎｇ−ｏｕｔ  ａｒｍ）を含み、プロペラは、前進速度によって生じる相対風によって駆動されるため、したがって油圧および／または電気エネルギーを重要な非常用システムおよび航空電子工学システムに供給することができる。ＲＡＴシステムは、約５秒の起動時間を有し、航空機のさまざまなシステムの円滑な操作が確保されるように、従来技術による起動時間がバッテリによってバッファされる。かかるＲＡＴシステムと比較すると、本発明によるエネルギー供給システムは、低い飛行速度でも全出力を提供することができ、供給されなければならない電気負荷全てにエネルギーを供給できるという点で利点を持つ。したがって、プライオリティ弁において従来技術で生じていたような、システムのうちの幾つか、たとえばスラットおよび定速度電動機／発電機の切り離しが必要なくなる。低飛行速度においてＲＡＴシステムは、エネルギーが供給されなければならない電気負荷全てに満足にまたは完全に充分なエネルギーを供給できないため、従来技術によるＲＡＴシステムにおいて、低空飛行におけるかかる切り離しが必要である。
【００３２】
従来技術によるＲＡＴシステムにおいて、その後たとえば航空機の制御システムに供給するのに充分な油圧エネルギーが再び利用可能となるように、プライオリティ弁が電気負荷の幾つかを切り離す。これと比べると、本発明によるエネルギー供給システムは、航空機の低速時においてもまたは航空機が停止状態にあるときも、充分な電気および／または空気エネルギーを提供することができるのに対し、従来技術によるＲＡＴシステムは、ある一定の最低速度が維持されなければ、油圧油の内部抵抗が大きくなりすぎるために止まってしまう。したがって、本発明によるエネルギー供給システムは、ＲＡＴシステムを駆動するのに用いられるラムエアの速度に関係なく操作可能である。燃料電池は、低速で作動、すなわち絶えず作動させることができ、燃料電池の全負荷範囲において飛行の全状態で燃料電池を作動させることが可能である。
【００３３】
また、本発明によるエネルギー供給システム、たとえばキャパシターと連動して燃料電池を含むエネルギー供給システムの利用によりＲＡＴシステムの起動時間を著しく短縮することが可能である。本発明のエネルギー供給システムは、ＲＡＴシステムの非常用機能を帯び、ＲＡＴシステムに比べて短い起動時間を達成するのに好適である。
【００３４】
上記の実施形態のうちの１つに関してまたは上記の形態のうちの１つに関して説明した特徴または工程は、上述した他の実施形態の他の特徴または工程と組み合わせて用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照しながら１つの実施形態を用いて本発明を詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の１つの実施形態による航空機の電気負荷に電力を供給するためのエネルギー供給システムを図式化したものである。図１に示すように、エネルギー供給システム１００は、燃料電池１０１を含み、燃料電池は、第１の導電接続または導電線１０２によってキャパシター１０３に結合される。さらに、燃料電池１０１およびキャパシター１０３は、第２の導電接続１０４によって結合され、ダイオード１０５において互いに連結される。さらに、エネルギー供給システム１００は、反転整流器１０６を含み、整流器は、第３の導電線１０７および第４の導電線１０８によってキャパシター１０３に結合される。第３の導電接続１０７と第４の導電線１０８との間に電圧計１０９が結合され、電圧計１０９は、キャパシター１０３によって提供される電圧を決定するのに役立つ。
【００３７】
さらに、エネルギー供給システム１００は、第３の導電線１０７および第４の導電線１０８に結合される整流器１１０を含む。
【００３８】
反転整流器１０６は、電気負荷に交流電圧を提供する第１の電気バス１１１に結合されるのに対し、整流器１１０は、電気負荷に直流電圧を提供する第２の電気バス１１２に結合される。
【００３９】
図１において図示された回路によってエネルギー供給システムを提供することが可能である。かかるエネルギー供給システムにおいて、燃料電池１０１がキャパシター１０３に電気エネルギーを提供する、すなわち燃料電池１０１がキャパシター１０３を充電するのに用いられる。キャパシター１０３は、さらに、航空機内にある電気負荷の結果として生じる負荷ピークをバッファするのに用いることができる。
【００４０】
さらに「含む」は、他の構成要素または工程を除外するものではなく、また「１つの」は、複数を除外するものではないことを指摘しておく必要がある。さらに、上記の実施形態の１つに関して記載した特徴または工程は、上述した他の実施形態の他の特徴または工程と組み合わせても用いることができることを指摘しておく必要がある。請求項における参照文字は、限定するものとして解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の１つの実施形態によるエネルギー供給システムを図式化した図である。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月9日(2008.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の少なくとも１つの電力消費機器にエネルギーを供給するエネルギー供給システムであって、
少なくとも１つの燃料電池と、
少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置と、
少なくとも１つの補助動力装置と、を備え、
前記少なくとも１つの燃料電池は、前記電気エネルギー貯蔵装置が前記燃料電池により充電されるように、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置に接続され、
前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置は、前記少なくとも１つの燃料電池と前記少なくとも１つの電力消費機器の間にバッファ貯蔵装置として配置される、エネルギー供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のエネルギー供給システムであって、複数のエネルギー貯蔵装置および複数の燃料電池の少なくとも１つを備える、エネルギー供給システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエネルギー供給システムであって、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置は、キャパシターである、エネルギー供給システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、前記システムは、受動システムとして構成される、エネルギー供給システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、少なくとも１つの反転整流器および／または少なくとも１つの整流器を更に備える、エネルギー供給システム。
【請求項６】
請求項５に記載のエネルギー供給システムであって、
前記少なくとも１つの反転整流器および／または前記少なくとも１つの整流器は、前記少なくとも１つの燃料電池によって、および／または前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置によって供給される電気エネルギーを変換するように適合される、エネルギー供給システム。
【請求項７】
請求項６に記載のエネルギー供給システムであって、前記変換は、電圧および／または周波数に関する変換を含む、エネルギー供給システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、
制御ユニットを更に含み、
前記制御ユニットは、前記少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵装置を、それによって電気負荷の需要ピークをバッファ可能に制御するように構成される、エネルギー供給システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムであって、
前記エネルギー供給システムは、前記電気エネルギー貯蔵装置が少なくとも１つの電気エネルギー再生システムによって、少なくとも１つの電気需要負荷から、および航空機の搭載ネットワークから充電できるように構成される、エネルギー供給システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムを含む航空機。
【請求項１１】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムの航空機内における使用。
【請求項１２】
航空機内でエネルギー供給システムを操作する方法であって、
燃料電池によって電気エネルギーを供給する工程と、
供給された前記電気エネルギーを中間貯蔵装置内に貯蔵する工程と、を含む方法。
【国際調査報告】
2009509835.tif 000004
2009509835.tif 000005
2009509835.tif 000006