(57)【要約】【課題】  電力装置の効率性およびエネルギ出力を向上させるための装置および方法を提供する。【解決手段】  電力装置は、可燃性の燃料を電気エネルギに化学的に変換するように構成された燃料電池を使用する。廃棄燃料バーナーは、燃料電池が排出する未燃焼の燃料を受けるように構成され、この廃棄バーナーは、未燃焼の燃料を燃焼して加熱ガスを生成する。タービンは、加熱ガスを受け、それによって駆動されるように構成される。タービンは、コンプレッサに結合された駆動軸を駆動するようにさらに構成される。コンプレッサは、圧縮された酸化ガスを燃料電池に供給するために、酸化ガスの加圧源を圧縮するように構成されて、燃料電池の効率性を向上させる。発電機も駆動軸と結合され得、この発電機はタービンによって回転される駆動軸から電力を生成するように構成される。【選択図】        図１
2004211706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力装置であって、
可燃性の燃料を電気エネルギに変換するように構成された燃料電池と、
前記燃料電池によって排出された未燃焼の燃料を受けるように構成され、かつ前記未燃焼の燃料を燃焼して加熱ガスを生成する廃棄燃料バーナーと、
前記加熱ガスを受け、かつ前記加熱ガスによって駆動されるように構成されたタービンとを含み、前記タービンは駆動軸を駆動するようにさらに構成され、前記電力装置はさらに、
前記駆動軸に結合されたコンプレッサを含み、前記コンプレッサは、圧縮された酸化気体を前記燃料電池に供給するために、加圧された酸化気体源をさらに圧縮するように構成され、前記電力装置はさらに、
前記駆動軸に結合された発電機を含み、前記発電機は、前記タービンによって前記駆動軸を駆動することにより電気エネルギを生成するように構成される、電力装置。
【請求項２】
前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池を含み、前記可燃性の燃料はジェット燃料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記燃料電池および前記可燃性の燃料によって発せられた廃熱を受けるように構成された改質装置をさらに含み、前記改質装置は、前記可燃性の燃料を前記燃料電池によって使用される反応物質に変換する補助をするようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記改質装置は、蒸気改質装置、触媒部分酸化改質装置、または自動熱改質装置のうちの１つである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
水を前記改質装置に供給するように構成された水源をさらに含み、前記改質装置は、前記水源からの水を使用して、前記可燃性の燃料を前記反応物質に変換する、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記水源は、前記タービンからの排気ガスを受けるように結合された水分離器を含み、前記水分離器は、前記タービンから受けた前記排気ガスから水を抽出するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記水分離器によって生成された水は、前記改質装置以外によって使用される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記改質装置によって前記可燃性の燃料から変換された前記反応物質は、水素および一酸化炭素を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記加圧された酸化気体源には、水蒸気がより多く含まれる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
水蒸気がより多く含まれる前記加圧された酸化気体源は、加圧された航空機からの客室用送風を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記燃料電池によって生成された廃熱を受け、かつ廃熱を前記燃料電池に戻すように構成されて、その中で生じる化学反応を促進し、燃料電池のスタックを通して生じる温度勾配を減じる、少なくとも１つの熱交換器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記発電機は、前記駆動軸と結合された始動機をさらに含み、前記始動機は、前記ター
ビンが前記駆動軸を駆動していないときに、前記始動機が前記コンプレッサを駆動するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
航空機補助電力装置であって、
ジェット燃料を電気エネルギに変換するように構成された燃料電池と、
前記燃料電池によって排出された未燃焼の燃料を受けるように構成され、かつ前記未燃焼の燃料を燃焼させて加熱ガスを生成する、廃棄燃料バーナーと、
前記加熱ガスを受け、かつ前記加熱ガスによって駆動されるように構成されたタービンとを含み、前記タービンは駆動軸を駆動するようにさらに構成され、前記補助電力装置はさらに、
前記駆動軸に結合されたコンプレッサを含み、前記コンプレッサは、圧縮された航空機の客室用送風を前記燃料電池に供給するために、前記コンプレッサ投入で受けた航空機の客室用送風をさらに圧縮するように構成され、前記補助電力装置はさらに、
前記駆動軸に結合された発電機を含み、前記発電機は、前記タービンによって前記駆動軸を駆動することにより、電気エネルギを生成するように構成される、航空機補助電力装置。
【請求項１４】
前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記燃料電池によって発せられた廃熱を受けるように構成された改質装置をさらに含み、前記改質装置は、前記ジェット燃料を前記燃料電池によって使用される反応物質に変換する補助をするようにさらに構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記改質装置は、蒸気改質装置、触媒部分酸化改質装置、または自動熱改質装置のうちの１つである、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
水を改質装置に供給するように構成された水源をさらに含み、前記改質装置は、前記水源からの水を用いて、前記ジェット燃料を前記反応物質に変換する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記水源は、前記タービンからの排気ガスを受けるように結合された水分離器を含み、前記水分離器は、前記タービンから受けた前記排気ガスから水を抽出するように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記水分離器によって生成された水は、前記改質装置以外によって使用される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記改質装置によって前記ジェット燃料から変換された反応物質は、水素および一酸化炭素を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項２１】
前記燃料電池によって生成された廃熱を受け、かつ廃熱を前記燃料電池に戻すように構成されて、その中で生じる化学反応を促進し、燃料電池のスタックを通して生じる温度勾配を減じる、少なくとも１つの熱交換器をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記発電機は、前記駆動軸と結合された始動機をさらに含み、前記始動機は、前記タービンが前記駆動軸を駆動していないときに、前記始動機が前記コンプレッサを駆動するように構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項２３】
電力を供給するための方法であって、
可燃性の燃料を電気エネルギに化学的に変換するステップと、
可燃性の燃料の前記化学的な変換によって発せられた、未燃焼の燃料を燃焼して、加熱ガスを生成するステップと、
前記加熱ガスを用いて、投入された酸化気体の加圧源を機械的にさらに圧縮するステップと、
前記圧縮された酸化気体を用いて、前記可燃性の燃料を電気エネルギに化学的に変換するステップと、
前記加熱ガスを用いて、発電機を機械的に駆動して、電気エネルギを生成するステップとを含む、電力を供給するための方法。
【請求項２４】
燃料電池は、前記可燃性の燃料を化学的に変換する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池は固体電解質型燃料電池を含み、前記可燃性の燃料はジェット燃料である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記可燃性の燃料を、前記可燃性の燃料を化学的に変換する際に使用される反応物質に化学的に変換することによって発せられる廃熱を改質するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記改質するステップは、蒸気改質装置、触媒部分酸化改質装置、または自動熱改質装置のうちの１つによって行なわれる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
廃熱を改質する際に使用するための水を供給するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
水を供給するステップは、排気ガスを用いて、前記投入された酸化気体の加圧源を機械的にさらに圧縮した後で、前記排気ガスから水を抽出するステップによってもたらされる、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記改質するステップは、水素および一酸化炭素を含む反応物質をもたらす、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記加圧されて投入された酸化気体源には水蒸気がより多く含まれる、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記加圧されて投入された酸化気体源は、加圧された航空機からの客室用通風を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
少なくとも１つの熱交換器を用いて、前記燃料電池によって生成された廃熱を前記燃料電池へ戻して、その中で生じる化学反応を促進し、燃料電池のスタックを通して生じる温度勾配を減じる、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記加圧されて投入された酸化気体源を機械的にさらに圧縮する加熱ガスがないときに、始動機モーターを使用して、投入酸化気体の前記加圧源を機械的にさらに圧縮するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は一般的に、航空機の電力供給に関し、より特定的には、航空機のためのより効率的な電力源の提供に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
当該技術において理解されるように、航空機は、機内システムに電気を与えるための２種類の補助電力装置（ＡＰＵｓ）、すなわち、タービン駆動のＡＰＵｓおよび燃料電池ＡＰＵｓを使用し得る。タービン駆動のＡＰＵｓは、ジェット燃料を燃焼させてタービンを駆動し、タービンが今度は発電機を駆動して電気エネルギを生成する。燃料電池は、燃料を電気エネルギに化学的に変換する。航空機が地上にある際も、航空機が飛行中のときも、双方の種類のＡＰＵｓを用いて、機内システムに電力を供給し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、双方の種類のＡＰＵｓは有用であるものの、各々不利な点を有する。タービン駆動のＡＰＵｓは、空港の環境へのかなりの汚染の原因となり得、これはタービンを駆動するのに燃料を燃焼させることによって、一部のジェット燃料が燃焼されないままとなり、窒素酸化物（ＮＯX）を生成するためである。一方で、燃料電池ＡＰＵｓは、タービン駆動のＡＰＵｓよりも少ない排出物質しか与えないが、高い高度では効率的ではない傾向がある。タービンで電力供給されたシステムおよび燃料電池においては、タービン駆動のＡＰＵｓによって、燃焼済みの燃料を燃やすことによって生成された廃熱、または燃料電池ＡＰＵｓによって発熱を伴って生成された廃熱を活用して、地上施設のための建物または水を加熱する試みがなされている。
【０００４】
双方の場合において、航空機または他のシステムは改良されたＡＰＵｓからの恩恵を受け得る。特により高い高度での、より効率的な燃料電池ＡＰＵｓによって、他の電力源の要求が減じられる。
【０００５】
したがって、当該技術においては、現在のシステムと比べて、少ない汚染物質を生成し、少ない燃料を消費する一方で、十分な電力を費用効果的に与える、改良されたＡＰＵｓおよび発電方法に対する、まだ応じられていない要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
本発明では、電力装置の効率性およびエネルギ出力を向上させるための装置および方法が提供される。本発明は、圧縮空気の供給を化学プロセスに与えることによって、可燃性の燃料を電気エネルギに変換するための化学プロセスの効率性を改善する。化学プロセスによって消費されなかった可燃性の燃料は、収集され燃焼されて、タービンを駆動し、これが次にコンプレッサを駆動して圧縮空気を供給する。さらに、発電機をタービンに結合して、追加の電気エネルギを生成することができる。始動モーターもコンプレッサと結合して、始動プロセスの際に空気を圧縮し得る。
【０００７】
本発明の例示の実施例は、燃料電池が可燃性の燃料を電気エネルギに化学的に変換するように構成された電力装置である。廃棄燃料バーナーは、燃料電池によって排出された未燃焼の燃料を受けるように構成され、この廃棄バーナーは、燃焼されていない燃料を燃焼
して、加熱ガスを生成する。タービンは、加熱ガスを受け、かつ加熱ガスによって駆動されるように構成される。タービンは、コンプレッサと結合された駆動軸を駆動するようにさらに構成される。コンプレッサは、圧縮された酸化気体を燃料電池に供給するために、酸化気体の加圧源を圧縮するように構成されて、燃料電池の効率性を向上させる。
【０００８】
本発明はまた、燃料電池によって生成された廃熱から反応物質を抽出することのできる燃料改質装置を組み込み得る。本発明はまた、水を改質装置に供給して、反応物質の抽出を容易にし得る。所望であれば、その水は、加熱ガスから水を抽出する水分離器によって供給され得る。改質装置によって使用されない水は、他の目的のための水源を与え得る。
【０００９】
本発明の一形態は、航空機補助電力装置として使用され得る。この電力装置は空気を好適に圧縮して、加圧されて投入されたガスを燃料電池に与えて電力の生成を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の好ましい、および代替の実施例を、図面を参照して以下に詳細に記載する。
【００１１】
図１は、本発明のハイブリッド燃料電池／タービン駆動の補助電力装置（ＡＰＵｓ）１００の１つの例示の実施例のブロック図である。燃料電池１０４は、陽極部分１０８および陰極部分１１２を有し、これらはともに直流（ＤＣ）電力を与える。与えられたＤＣ電力を次にインバータ１１６に供給して、交流（ＡＣ）電力を電気システム１１８に与えることができる。したがって、ＤＣおよびＡＣ電力の双方が、本発明の実施例によって与えられる。現時点において好ましい一実施例において、燃料電池は固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。本明細書に記載した例示の実施例は、航空機への応用について述べるが、本発明の実施例はまた、船、タンク、軍用車両、電車等といった他の交通システムにおいて使用される可能性がある。本発明の実施例はまた、地上発電の応用のために使用される可能性がある。
【００１２】
燃料電池１０４は、ジェット燃料の供給１２０を受ける。ジェット燃料の供給１２０は、熱交換機１２４および改質装置１２８を通って経路付けられる。熱交換機１２４は、燃料電池１０４の陽極部分１０８または燃料電池スタック（図示せず）それ自体によって生成された熱い排気ガス１３２を受け、その熱はジェット燃料の供給１２０に与えられて、ジェット燃料の供給１２０の温度を上昇させ、改質装置１２８の化学プロセスを促進する。改質装置１２８は、そうして加熱された、ただし粘結点より低い温度で加熱されたジェット燃料の供給１２０を、水素および一酸化炭素に改質し、これらが燃料電池１０４によって使用される。この改質装置は、蒸気改質装置、触媒部分酸化改質装置、自動熱改質装置、または燃料を、燃料電池１０４によって使用される水素および一酸化炭素の反応物質へと変換することのできる別の同様の種類の改質装置であってもよい。
【００１３】
燃料電池１０４はまた、投入ガス供給１３６を受け、この投入ガスの供給は、本発明の実施例において、加圧供給である。１つの現在好まれる実施例において、以下でさらに説明されるプロセスを通して、駆動軸１４４によって駆動されるコンプレッサ１４０は、投入ガスの供給を圧縮してより濃密でより構成要素が豊富な投入ガスの供給を燃料電池１０４に与える。先述のように、現在考えられる燃料電池は高い高度で非効率的である。この非効率性は、一つには、気圧が低いためである。投入ガス供給１３６を加圧することによって、燃料電池１０４における化学反応の効率性が向上する。
【００１４】
図１に示した実施例において、未加工のガス投入の供給は、好適に航空機の客室用送風１４８とすることができる。既に加圧された航空機の客室用送風１４８を用いることにより、たとえば、燃料電池への投入ガスの圧力を、約３５，０００フィートの典型的な民間航空機の巡航高度で約３．５ポンド平方インチ（ＰＳＩ）の圧力から、典型的な客室圧力
である約１０．９ＰＳＩまたはそれ以上に増大させることができる。また、コンプレッサ１４０を用いてそのガスをさらに圧縮すれば、航空機の客室用送風１４８を、さらに２．５倍から５．０倍程度圧縮して、燃料電池１０４の化学プロセスをさらに促進することができる。
【００１５】
航空機の客室用送風１４８を用いることは、その中に水蒸気が比較的豊富であり、水が改質装置１２８によってなされる化学変換において使用されるという点で、さらに別の利点を有する。高い高度の大気よりも水蒸気がより豊富な、航空機の客室用送風１４８を有利に使用することによって、かつそれをさらに圧縮することによって、高密度で濃厚な投入ガス供給１３６は燃料電池１０４をさらにより効率的なものにする。
【００１６】
図１に示したように、圧縮された投入ガス供給１３６はまた、熱交換器１５２を通過し、この熱交換器は、燃料電池１０４の陰極部分１１２によって生成された熱い排気ガス１５６によって暖められるか、または、燃料電池スタック（図示せず）それ自体から失われた熱によって暖められる。当業者によって理解されるように、投入ガス供給１３６の温度を上昇させることによって、燃料電池１０４によって行なわれる化学的プロセスがさらに向上し、燃料電池スタック（図示せず）に対する温度勾配が減じられる。
【００１７】
図１に示したように、燃料電池１０４の陽極部分１０８によって生成された排気ガス１３２、および燃料電池の陰極部分１１２によって生成された排気ガス１５６は、収集され、バーナー１６０で燃焼される。陽極部分１０８の排気ガス１３２は、燃料電池１０４内の化学反応によって変換されなかった燃焼されていないジェット燃料を含む。本発明の１つの現在好ましい実施例において、バーナー１６０におけるこの燃焼されていないジェット燃料を捕えて、燃焼した結果、加圧され加熱されたガス流１６４が生じ、これはタービン１６８を強制的に駆動させることができる。タービン１６８は、駆動軸１４４と結合されて、その駆動軸１４４を駆動して、それが他の用途のために機械的に変換されたエネルギを分け与えることができるようにする。先述のように、１つのこのような用途は、コンプレッサ１４０を回転させて、燃料電池１０４への投入ガス供給１３６を加圧することである。
【００１８】
本発明の現時点で好ましい実施例において、タービン１６８によって生成され、かつ駆動軸１４４に与えられた機械エネルギの別の用途は、駆動軸１４４に結合された始動機／発電機１７２を回転させることである。その発電機の機能の一部として、始動機／発電機１７２は、駆動軸の回転において現われた機械エネルギを電力に変換して、航空機システムのための別の電力源を与える。図１に示したように、燃料電池１０４のＤＣ出力のすべては、インバータ１１６に供給されて、ＡＣ電流を航空機システム１１８に与えるものとして示され、始動機／発電機１７２の本来的にＡＣの出力も、航空機システム１１８に直接与えられるものとして示されている。しかしながら、当業者によって理解されるように、燃料電池１０４および／または始動発電機１７２による電力の出力は、必要に応じて分割され、方向付けられ、および／または変換されて、さまざまな航空機システムにとって望まれるような交流のおよび直流の電力量を与えることができる。
【００１９】
本発明の現時点で好ましい実施例における始動機／発電機１７２の別の機能は、始動機としての機能である。バーナー１６８が、収集された燃焼されていないジェット燃料を燃焼していないときには、タービン１６８を駆動して駆動軸１４４を駆動させて、コンプレッサ１４０を回転させるような加熱されたガス流１６４が生じない。加圧されて投入されたガスの供給１３６は、燃料電池１０４の機能性を向上させるため、始動機／発電機１７２には、それが結合された駆動軸１４４を駆動して、コンプレッサ１４０を回転させ、加圧されて投入されたガスの供給１３６を生み出す電力源（図示せず）を供給することができる。
【００２０】
本発明の現時点で好ましい実施例の別の局面は、水分離器１８０である。水分離器１８０は、タービンの排気ガス流１８４を受け、この排気ガス流はバーナー１６０におけるジェット燃料の燃焼により保湿性が高くなる。水分離器１８０は、タービンの排気ガス流１８４から、収集された水の供給１８８を抽出する。当業者によって理解されるように、水分離器１８０によって抽出された、収集された水の供給１８８を、改質装置１２８に経路付けられた航空機において使用して、燃料電池のための反応物質の生成を高めることができる。燃料電池１０４からの排気ガス、ならびに／または水分離器１８０によって抽出されなかった水および水蒸気から成る排気ガス１９６は、排気ガスとして放出することができる。
【００２１】
図２は、燃料電池およびタービン駆動の電力生成の混合を用いて、電力を生成するための方法２００を示したフロー図である。ブロック２１０で、燃料電池反応のために使用される投入ガスを機械的に圧縮して、投入ガスにおいて、燃料電池によって使用される投入ガスの成分がより濃密で豊富であるようにする。先述のように、このステップへのガスの投入は、加圧客室用送風といった既に加圧されたガス源であってもよい。先述のように、他の機械エネルギ源がこのプロセスに利用可能でないときに、始動機／発電機１７２（図１）を使用して、コンプレッサ１４０を回転させて投入ガスを圧縮し得る。ブロック２２０（図２）で、可燃性の燃料は、燃料電池によって行なわれ得るように、電気に化学的に変換される。ブロック２３０で、ブロック２２０での化学変換ステップで燃焼されなかった燃料を次に燃焼して、投入ガスのエネルギ含量を増大させる。ブロック２４０で、現時点で好ましい実施例において、燃焼されなかった燃料の燃焼によって生成された機械エネルギをまた使用して、先述のように始動機／発電機１７２（図１）を駆動する等により、電気を機械的に生成する。このプロセスは望まれれば繰返され得る。
【００２２】
図３は、燃料電池の圧力をＸ軸上に示し、それに対する電力の増加の割合をＹ軸上に示すことによって、気圧の、燃料電池の性能への影響を示すグラフ３００である。グラフ３００から見て取れるように、燃料電池に供給される圧力が増加すると、電力の出力が、特に約１気圧から３気圧の範囲で増大する。したがって、本発明の一実施例では、燃料電池の圧力を、周囲圧力の２．５倍から５．０倍に増大させるので、本発明の実施例は、燃料電池の発電量を向上させる。
【００２３】
図４は、航空機の巡航時間に対する、全質量および有効全質量を示したグラフ４００である。標準のタービンで電力供給されたＡＰＵの固定重量４２０および本発明の実施例の質量４１０が、本発明の実施例の有効全質量４４０と共に示されている。有利なことに、燃料電池ＡＰＵのための有効全質量は、燃料電池プロセスの結果として燃料が節約され水が生成されるために、巡航時間とともに減少する。本発明の１つの実施例に従うと、有効全質量４４０は、そのより優れた効率性のために、より急激に減少し、巡航時間が約４時間後の時点４５０で、本発明の実施例の有効全質量４４０は、タービンで電力供給されたＡＰＵの全質量４２０よりも少なくなる。この有効全質量における改善は、先述の減じられた汚染物質を考慮に入れてない。
【００２４】
本発明の好ましい実施例を示し、説明してきたが、先述のように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を行なうことができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施例の開示によって制限されない。代わりに、本発明は、別掲の特許請求の範囲を参照して完全に決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例を使用した、ハイブリッド固体電解質型燃料電池の補助電力装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例を使用して、補助電力を生成する方法のフロー図である。
【図３】燃料電池にかかる気圧に対する電力性能の増大を示したグラフである。
【図４】補助電力装置について、巡航時間に対する全質量および有効全質量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１００  補助電力装置（ＡＰＵｓ）、１０４  燃料電池、１１６  インバータ、１２０
ジェット燃料の供給、１２４  熱交換機、１２８  改質装置、１３２  排気ガス、１３６  投入ガスの供給、１４０  コンプレッサ、１４４  駆動軸、１４８  客室用送風、１６０  バーナー、１６８  タービン、１７２  始動機／発電機、１８０  水分離器。
【図１】
2004211706.tif 000003
【図２】
2004211706.tif 000004
【図３】
2004211706.tif 000005
【図４】
2004211706.tif 000006
【外国語明細書】
2004211706000001.pdf