(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行又は推進用のブレイトンサイクル熱機関と電力供給用の燃料電池発電装置とを搭載した航空機において、前記ブレイトンサイクル熱機関及び燃料電池発電装置に供給する燃料として炭化水素燃料を使用し、その炭化水素燃料の分子構造を変更することで水素と残りの炭化水素化合物とに分離生成する機能と、分離生成されて生じた水素を前記燃料電池に供給するとともに炭化水素化合物を前記ブレイトンサイクル熱機関に供給する機能とを備えているとともに、
もっぱらブレイトンサイクル熱機関に供給されるジェット燃料を収容する第一の燃料用タンクと、炭化水素燃料を収容してなる第二の燃料タンクと、この第二の燃料タンクに連通する改質器と、この改質器に付設してなり燃料電池及びブレイトンサイクル熱機関へそれぞれ通じる経路に接続した分離器とを具備していることを特徴とする航空機用燃料供給システム。
【請求項２】
炭化水素燃料がシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物がベンゼン等の芳香族炭化水素である請求項１記載の航空機用燃料供給システム。
【請求項３】
炭化水素燃料がブタン等のパラフィン系炭化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物がブチレン等のオレフィン系炭化水素又はベンゼン等の芳香族炭化水素である請求項１記載の航空機用燃料供給システム。
【請求項４】
炭化水素燃料がペンタン等のパラフィン系炭化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物がシクロペンタン等のナフテン系炭化水素である請求項１記載の航空機用燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレイトンサイクル熱機関と燃料電池発電装置とを搭載した航空機用の燃料供給システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より航空機では、機内で必要とされる燃料の供給と、飛行又は推進のために必要とされる燃料の供給とは、別系統のシステムで行われているのが通例である。ところで航空機分野では、今まで以上の燃料の消費低減が求められている。そのため機内用の電力供給源としては、燃料からのエネルギー変換効率の高い燃料電池が導入されることが予想される。また、機体の制御などの装置についても電動式の装置の採用が並行的に進んでおり、近年の電力制御素子技術の発達に伴って、燃料電池を採用すれば消費エネルギー削減効果も得られると考えられる。
【０００３】
燃料電池を電源ユニットとして採用する場合、その燃料には次のような制限がある。すなわちその制限とは、実用面では最も優れているＰＥＦＣ（固体高分子燃料電池）の場合、電解質であるイオン交換膜内を移動するのは水素イオンであるため、発電に関与する燃料は水素のみとなること、また、電解質に塗布された白金触媒は一酸化炭素による被毒作用によって性能劣化が顕著となるので、燃料ガスには一酸化炭素を含まないこと等である。そこで、自動車搭載用の燃料電池では、燃料分子に水分子を加え分解する反応の燃料改質器を採用する方式が検討されている。
【０００４】
しかしながら航空機の場合は、燃料電池を導入するに当たって次の要素を考慮しておく必要がある。すなわち、航空機では自動車とは異なり、発進・停止を繰返す必要がないこと、推力として空気噴射を使用する必要性がある（回転翼機でもロータ部で噴流を利用する場合が多い）こと、高々度の低圧・低温空気を使用する必要性があること等の条件が課される。
【０００５】
さらに、航空機のジェットエンジンとして使用されているブレイトンサイクル熱機関には、自動車用のように走行エネルギーを頻繁に回収する構造が必要がなく、直接噴流を生成し、低温空気は熱サイクルの温度比を高め効率を向上させるなどの利点がある。このため、航空機の飛行・推進用としては、今後もブレイトンサイクル熱機関が採用されると考えられ、飛行・推進用の電力供給及び機内の電力供給を含む全てのエネルギーが燃料電池で賄われるケースは希であると考えられる。従って、今後も航空機の燃料供給において考え得る最適な形態は、飛行・推進用のエンジンにはブレイトンサイクル熱機関を利用したガスタービンを採用し、それ以外の飛行制御等は燃料電池からの電力で賄うという形態であって、それぞれのエネルギー効率を極限まで高めることが有用となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情から、機内電源のために燃料電池を導入した場合、その燃料電池と推進用のエンジンとの燃料の整合性を如何に確保するかという問題が生じる。それを解決する方法としては、全ての燃料に水素を使うことが考えられるが、水素を機体に搭載する場合には、水素を貯蔵する高圧ボンベには圧力の危険性とボンベ質量が大きいこと、水素吸蔵合金はそれ自体が重いこと、液化水素は断熱容器が重く大きくなること等の問題が避けられない。
【０００７】
そこで水素以外の燃料を使用し、その燃料を改質して水素を得るという方法が現実的な解決手段として考えられる。ところが、単に燃料改質器による燃料供給という方法を採用しても、次のような問題が依然として残る。すなわち、まず、そもそも燃料改質とは、燃料の炭素が酸化するエネルギーを利用して水素を生成するというプロセスであるが、改質のためにはエネルギーが消費されることになり、結果として燃料が消費されてしまう。また、改質に適した燃料としては、メタノールが有力候補として考えられているが、メタノールは燃焼の際には発熱量が低く（メタノールの低位発熱量＝１９．９ＭＪ／Ｋｇ、これは一般的なＪＥＴ−Ａ燃料＝４２．８ＭＪ／Ｋｇの半分以下）、ジェットエンジン用としては適していない。このため燃料電池用にメタノールを搭載しようとすると、ジェット燃料とは別に搭載する必要が生じ、運行時の消費バランスが悪ければどちらかの燃料が大幅に余ってしまい、航空機にとって無駄な負担を強いることになる。
【０００８】
以上のような問題に鑑みて、本発明は、航空機用の燃料供給システムにおいてブレイトンサイクル熱機関及び燃料電池発電装置を搭載することを前提として、航空機にとって重量的な負担とならず、しかも良好な燃料消費バランスで飛行・推進用の電力供給とその他の機内用の電力供給とを好適に両立できるシステムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の航空機用燃料供給システムは、上述の前提の下に、ブレイトンサイクル熱機関及び燃料電池発電装置に供給する燃料として炭化水素燃料を使用し、その炭化水素燃料の分子構造を変更することで水素と残りの炭化水素化合物とに分離生成する機能と、分離生成されて生じた水素を前記燃料電池に供給するとともに炭化水素化合物を前記ブレイトンサイクル熱機関に供給する機能とを備えているとともに、もっぱらブレイトンサイクル熱機関に供給されるジェット燃料を収容する第一の燃料用タンクと、炭化水素燃料を収容してなる第二の燃料タンクと、この第二の燃料タンクに連通する改質器と、この改質器に付設してなり燃料電池及びブレイトンサイクル熱機関へそれぞれ通じる経路に接続した分離器とを具備していることを特徴としている。なお、航空機には回転翼機も含まれる。
【００１０】
このため、燃料電池（特にＰＥＦＣ）を機内電源として採用する場合の燃料として、炭化水素燃料から適宜の燃料改質器を用いて分離生成された水素を確保することができるだけでなく、分離生成によって得られた炭化水素化合物を従来のジェット燃料と全く同じようにしてブレイトンサイクル熱機関（ジェットエンジン）の燃焼器で燃焼させることができ、多大な重量増加を招くことなく機内電源と飛行・推進用電源の両方を有効に確保することができる。なお、ジェットエンジンでは、生成した炭化水素化合物を他の燃料（ジェット燃料）と混合して使用するとよい。このようにすることで、ジェット燃料の搭載量を好適に減らし、重量による負荷を低減することが可能となる。
【００１１】
特に、ジェット燃料には、ベンゼン等の芳香族成分を容積比にして最大２２〜２５％含ませることが許容されているため、炭化水素燃料としてシクロヘキサン等のナフテン系炭化水素を採用し、分離生成後の炭化水素化合物をベンゼン等の芳香族炭化水素とすることが望ましい。
【００１２】
その他に好ましい炭化水素燃料としては、ブタン等のパラフィン系炭化水素が挙げられ、その場合の分離生成後の炭化水素化合物をブチレン等のオレフィン系炭化水素又はベンゼン等の芳香族炭化水素とすることがよい。
【００１３】
さらにその他の好ましい炭化水素燃料にはペンタン等のパラフィン系炭化水素が挙げられ、分離生成後の炭化水素化合物をシクロペンタン等のナフテン系炭化水素とすれば有用である。
【００１４】
なお本発明では、一旦分離生成して生じた炭化水素化合物を再度適宜の改質器等を通じて水素と残りの炭化水素化合物に分離生成し、生じた水素を燃料電池に供給し、炭化水素化合物をジェットエンジンに供給することも可能であって、このようにすれば、より多くの水素を機内電源用として得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図１を参照して説明する。
【００１６】
図1は本実施形態における航空機（１）における燃料供給システムの概観図である。航空機（１）には機内用発電装置として燃料電池（２）と、飛行・推進用のブレイストンサイクル熱機関によるジェットエンジン（８）とを搭載している。燃料電池（２）としては、ＰＥＦＣ（固体高分子燃料電池）を採用している。これは、近年の民間航空機における電子機器の搭載の増加や、電動アクチュエータの性能向上に伴なう高効率の電気式機体制御システムの導入によって、油圧等の動力から電力への需要シフトによる電力需要が大幅増加に対応するためである。これによって燃料消費が押さえられ、航続距離が増大し、運動性能向上に役立つことになる。
【００１７】
また、本システム（１）は、前記燃料電池（２）及びジェットエンジン（８）に燃料を供給するために、二種類の燃料タンク（３）及び（４）を備えている。一方の燃料タンク（３）には、炭化水素燃料としてナフテン系炭化水素であるシクロヘキサンａを収容しており、他方の燃料タンク（４）には、従来より使用されている飛行・推進用のジェット燃料ｄを収容している。燃料タンク（３）は経路を通じて改質器（５）に連通されている。この改質器（５）には分離器（６）を付設しており、分離器（６）からは燃料電池（２）へ通じる経路とジェットエンジン（８）へ通じる経路の二つの経路が延びている。分離器（６）からジェットエンジン（８）へ通じる経路上には、混合器（７）が配設されており、この混合機（７）には燃料タンク（４）から延びる経路が通じている。
【００１８】
次に、本システム（１）による燃料供給について具体的に説明する。
【００１９】
まず、燃料タンク（３）から改質器（５）へと送られたシクロヘキサンａは、改質器（５）内の白金等の触媒作用により次式１に示すように反応する。
【００２０】
【式１】
Ｃ6Ｈ12  →  ３Ｈ2＋Ｃ6Ｈ6
（ａ）       （ｂ）  （ｃ）
すなわち、１分子のシクロヘキサンａから３分子の水素ｂと１分子のベンゼンｃとが分離生成される。換言すれば、改質器（５）内でシクロヘキサンａは１分子当たりにつき３分子の水素ｂを放出し、自らは１分子のベンゼンｃに分子構造が変化することになる。生成した水素ｂ及びベンゼンｃは共に次の分離器（６）へと送られて、水素ｂとベンゼンｃそれぞれに分離される。水素ｃは、分離器（６）から燃料電池（２）へと供給され、図示しない別途の手段によって燃料電池（２）に供給された空気中の酸素と混合されて燃焼し、航空機（１）内の電力を発生させる。一方、ベンゼンｃは、分離器（６）から混合器（７）へと供給され、ここで燃料タンク（４）から供給されたジェット燃料ｄと混合されたうえでジェットエンジン（８）に供給され燃焼することで、航空機（１）の推力を発生させる。なお、従来よりジェット燃料ｄに対してベンゼンｃに代表される芳香族化合物を容積比で２２〜２５％含有させることが許容されているため、生成されたベンゼンｃを前記範囲内でジェット燃料ｄと混合するように混合機（７）で調整すれば、ジェットエンジン（８）での燃料の燃焼に問題は生じない。
【００２１】
以上のように本実施例によれば、炭化水素燃料であるシクロヘキサンａを分離生成することで発生する水素ｂ及びベンゼンｃを、それぞれ燃料電池（２）及びジェットエンジン（８）に供給するようにしているため、航空機（１）にジェットエンジン（８）と燃料電池（２）の両方を搭載することを前提にしつつも、ジェットエンジン（８）用の燃料と燃料電池（２）用の燃料とを全く別個に搭載する必要をなくし、搭載燃料の増加を招くことなく、飛行・推進のための推力及び機内用の電力を効率的に得ることができる。特にジェットエンジン（８）には分離生成したベンゼンｃとジェット燃料ｄとを混合して用いるため、ジェット燃料ｄの搭載量を削減でき、航空機（１）に対する重量による負荷を好適に軽減することができる。
【００２２】
なお、炭化水素燃料としては前記シクロヘキサン以外のナフテン系炭化水素を使用することができ、分離生成後の炭化水素化合物は元の炭化水素燃料に対応して生成するものを使用することができる。例えば、炭化水素燃料としてメチルシクロヘキサンを使用した場合には、次式２に示すように、
【００２３】
【式２】
Ｃ6Ｈ13−ＣＨ3  →  ３Ｈ2＋Ｃ6Ｈ11−ＣＨ3
のように反応して、３分子の水素及び１分子のトルエンが発生するので、水素を燃料電池に供給し、トルエンをジェット燃料に供給することができる。その他にも炭化水素燃料には、直鎖状のパラフィン系炭化水素も使用することができる。例えばパラフィン系炭化水素燃料から水素と二重結合を有するオレフィン系炭化水素とを得る場合、炭化水素燃料をブタンとすれば、次式３に示すように、
【００２４】
【式３】
Ｃ4Ｈ10  →  Ｈ2＋Ｃ4Ｈ8
１分子の水素と１分子のブチレンが得られる。また、パラフィン系炭化水素燃料から水素とナフテン系炭化水素化合物とを得る場合、炭化水素燃料をペンタンとすれば、次式４に示すように、
【００２５】
【式４】
Ｃ5Ｈ12  →  Ｈ2＋Ｃ5Ｈ10
１分子の水素と１分子のシクロペンタンが得られる。さらに、炭化水素燃料としてノルマルヘプタンを用いた場合は、次式５に示すように、
【００２６】
【式５】
Ｃ7Ｈ16  →  Ｈ2＋＋Ｃ6Ｈ11−ＣＨ3
１分子の水素と１分子のメチルシクロヘキサンが得られる。さらにまた、式５で生成したシクロヘキサンを分離器から再び改質器へと戻して前記式２のように炭化水素燃料として使用することもでき、その場合は１分子のノルマルヘプタンから、最終的に４分子の水素と１分子のメチルシクロヘキサンとが得られ、水素の生成量を増加することができる。その他にも、１種類の炭化水素燃料から２種類以上の炭化水素化合物が生成されるようにしても構わない。
【００２７】
さらに、炭化水素燃料用及びジェット燃料用のタンクを一体構造とし、運用条件によって各燃料の抗体割合を変更し得るように、タンク間に移動隔壁を設けたり、一方のタンクをゴム等の柔軟な素材の容器とするなどの工夫をすることもできる。
【００２８】
さらにまた、良質のゼオライト等の分子吸着構造物であって、シクロヘキサン分子など炭化水素燃料を選択的に抽出できる材料が安価に入手できるようであれば、ジェット燃料から当該炭化水素燃料を選択抽出することで本システムを運用するようにもできる。
【００２９】
その他、各部の具体的構成は、上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３１】
すなわち、本発明によれば、航空機において、飛行・推進用のブレイトンサイクル熱機関を利用したジェットエンジンと、機内電力用の燃料電池の両方を搭載しているにも拘わらず、炭化水素燃料を使用しこれを分離生成することで得られる炭化水素化合物をジェットエンジンに供給し、水素を燃料電池に供給している。このため、ジェットエンジンには他の補機類を伴わずに飛行・推進のみに特化した性能を発揮させることができる一方、燃料電池ではそれ自体が燃料のエネルギーを電気エネルギーに変換して燃料消費率の低減に寄与することができるため、搭載燃料の重量増加を招かずに、高効率での燃料消費を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるシステムの概観図。
【符号の説明】
１…航空機
２…燃料電池
８…ブレイトンサイクル熱機関（ジェットエンジン）
ａ…炭化水素燃料（シクロヘキサン）
ｂ…水素
ｃ…炭化水素化合物（ベンゼン）
【図１】
0004457475.tif 000002