(57)【要約】【課題】航空機１の電源システムとして軽量かつ高効率なシステムを構築する。【解決手段】電源システムＳは、航空機１の推力エンジン４によって駆動されるメイン発電機GEN1，GEN2と、補助動力装置APUと、機体に対し分散して配置され、それによって機体における電気負荷の近傍に配置される２以上の分散発電機FC1，FC2，FC3，FC4と、バッテリBAT1，BAT2と、緊急時電源FC5と、を備える。メイン発電機GEN1，GEN2、補助動力装置APU、分散発電機FC1，FC2，FC3，FC4、バッテリBAT1，BAT2及び緊急時電源FC5からの電力は、主幹電線２及び複数の配電装置３ａ，３ｂ，３ｃを含む分散配電ネットワークＮによって、各電気負荷に配電される。【選択図】図１
2007015423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、
補助動力装置と、
機体に対し分散して配置され、それによって機体における電気負荷の近傍に配置される２以上の分散発電機と、
少なくとも１のバッテリと、
緊急時電源と、
上記メイン発電機、補助動力装置、分散発電機、バッテリ及び緊急時電源からの電力を各電気負荷に配電するネットワークであって、主幹電線及び複数の配電装置を含む分散配電ネットワークと、を備えた航空機の電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムにおいて、
上記分散発電機は、固体酸化物形燃料電池である航空機の電源システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電源システムにおいて、
上記補助動力装置は、交流発電機が直結されたガスタービンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド発電装置である航空機の電源システム。
【請求項４】
請求項３に記載の電源システムにおいて、
上記ガスタービンは、マイクロガスタービンである航空機の電源システム。
【請求項５】
請求項４に記載の電源システムにおいて、
上記交流発電機は、誘導発電機である航空機の電源システム。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
上記補助動力装置は、上記ガスタービンを始動させる電動スタータをさらに備える航空機の電源システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
上記メイン発電機は、上記推力エンジンを始動させるスタータ機能を有するモータ発電機であり、
上記モータ発電機は、上記補助動力装置によって駆動される航空機の電源システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
上記緊急時電源は、燃料電池である航空機の電源システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
上記バッテリは、Ｌｉ−ｉｏｎ形バッテリである航空機の電源システム。
【請求項１０】
航空機の推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、
ガスタービンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド補助動力装置と、
少なくとも１のバッテリと、
緊急時電源と、
上記メイン発電機、ハイブリッド補助動力装置、バッテリ及び緊急時電源からの電力を機体における各電気負荷に配電する配電ネットワークと、を備えた航空機の電源システム。
【請求項１１】
航空機の推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、
補助動力装置と、
少なくとも１のバッテリと、
燃料電池からなる緊急時電源と、
上記メイン発電機、補助動力装置、バッテリ及び緊急時電源からの電力を、機体における各電気負荷に配電する配電ネットワークと、を備えた航空機の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、航空機の電源システムとして、推力エンジンの始動やキャビン内の空調におけるエネルギ効率を改善すべく、補助動力装置（Auxiliary Power Unit：ＡＰＵ）をガスタービンから燃料電池に替えると共に、推力エンジンにスタータ・ジェネレータの機能を有するモータ発電機を設けることが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３４９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで近年の民間航空機においては、客室のエンターテイメント性の向上や一部装備品の電気化等に伴い、電力負荷が増大している。そのため、航空機の電源システムも、そうした電力負荷の増大に対応して発電量を増大させる必要があるが、従来の航空機の電源システムのように、推力エンジンによって駆動されるメイン発電機やＡＰＵ発電機を備えると共に、それらの電力を１カ所に集め、そこから各装備品に配電する集中配電方式の配電ネットワークでは、重量が大幅に増大し航空機に搭載し得なくなる。
【０００４】
また、将来においては、推力を除く機体各システムの動力源を電気に一元化し、エンジン抽気系統や油圧系統をなくす全電気式航空機も検討されているが、そうした全電気式航空機においては電力負荷がさらに増大することになり、それに対応可能な電源システムが必要となる。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、航空機の電源システムとして軽量かつ高効率なシステムを構築することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電源システムの配電ネットワークを、主幹電線と複数の配電装置とを含む分散配電ネットワークとすると共に、推力エンジンによって駆動されるメイン発電機及び補助動力装置の他に、複数の発電機を機体に対し分散して配置することによって、電源システムの軽量化と効率の向上とを図ることとした。
【０００７】
つまり、本発明の航空機の電源システムは、推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、補助動力装置と、機体に対し分散して配置され、それによって機体における負荷の近傍に配置される２以上の分散発電機と、少なくとも１のバッテリと、緊急時電源と、上記メイン発電機、補助動力装置、分散発電機、バッテリ及び緊急時電源からの電力を各負荷に配電するネットワークであって、主幹電線及び複数の配電装置を含む分散配電ネットワークと、を備えるシステムである。
【０００８】
分散配電ネットワークは、集中配電ネットワークに比べて配線数が減少し、それにより重量の軽減及び配電損失の低減の点で有利になる。
【０００９】
また、従来の電源システムにおいては、推力エンジンによって駆動されるメイン発電機及びＡＰＵ発電機によって発電していたが、本電源システムは、それらの発電機の他に、複数の分散発電機を備える。このことで、電力負荷が増大しても、上記各発電機の大容量化が抑制され、ＡＰＵ発電機の重量増加が抑制される。
【００１０】
さらに、複数の分散発電機を機体に対し分散して配置し、そのことによって分散発電機を負荷の近傍に配置することによって、配電損失の低減が図られる。
【００１１】
その結果、航空機の電源システムとして、重量を軽減しつつ効率の向上が図られる。
【００１２】
ここで、上記分散発電機は燃料電池としてもよく、その場合は特に、固体酸化物形燃料電池が好ましい。燃料電池は発電効率が高く、重量軽減の点で有利である。また排熱を利用することも可能である。さらに、固体酸化物形燃料電池は、炭化水素燃料を有効に利用することが可能であり、炭素リッチなジェット燃料を搭載する航空機においては、燃料改質工程が単純化する固体酸化物形燃料電池が適している。
【００１３】
上記燃料電池は、高圧直流電流を出力する、としてもよい。高圧直流電流は、交流電流に比べて電流損失が大幅に小さく、効率の向上と配線重量の低減化とが図られる。
【００１４】
上記補助動力装置は、交流発電機が直結されたガスタービンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド発電装置である、としてもよい。
【００１５】
電力負荷の増大に伴いＡＰＵ（ガスタービン）の容量を増大させると、ＡＰＵのサイズ及び重量が大幅に増大してしまう。そこで、ＡＰＵを、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたハイブリッド発電装置とすることによって、発電効率の大幅な向上によりＡＰＵの小型・軽量化が実現する。
【００１６】
上記ガスタービンはマイクロガスタービンである、としてもよい。つまり、圧縮機及びタービンがそれぞれ遠心型で、圧縮比が比較的低く、その低い圧縮比に伴い燃料温度が（大型）ガスタービンに比べて低い一方、回転数が大型ガスタービンに比べて大幅に高いガスタービンとしてもよい。
【００１７】
大型のガスタービンは、発電容量を小さくすると発電効率が低下するが、マイクロガスタービンは発電容量が小さくても、高い発電効率が得られる。すなわち、ＡＰＵとして要求される発電容量に対して、発電効率を低下させることなく小型化することができ、航空機に搭載する上で有利である。
【００１８】
また特に全電気式航空機においては、従来のＡＰＵ（ガスタービン）の機能の一つである抽気エネルギが不要になる。この点でもＡＰＵをマイクロガスタービンとする利点となる。
【００１９】
上記交流発電機は誘導発電機である、ことが好ましい。誘導発電機は高速度運転において発電効率が高いため、高回転数で運転されるマイクロガスタービンに誘導発電機を直結することによって発電効率の向上が図られる。
【００２０】
上記補助動力装置は、上記ガスタービンを始動させる電動スタータをさらに備える、としてもよい。そうすることによって、ＡＰＵの始動性が向上する。
【００２１】
上記メイン発電機は、上記推力エンジンを始動させるスタータ機能を有するモータ発電機であり、上記モータ発電機は、上記補助動力装置からの電力によって駆動される、としてもよい。
【００２２】
上述したように、全電気式航空機においては抽気エネルギが無くなるため、推力エンジンに連結されるメイン発電機をモータ発電機とし、補助動力装置によって上記推力エンジンを始動させる構成としてもよい。
【００２３】
上記緊急時電源は燃料電池である、としてもよい。従来の航空機では、緊急時電源としてＲＡＴ（Ram Air Turbine）を備えていたが、緊急時電源を燃料電池とすることによって、緊急時には機体の空気抵抗が低減するという利点がある。
【００２４】
上記バッテリはＬｉ−ｉｏｎ形バッテリである、としてもよい。特に全電気式航空機においては、バックアップ電源としてバッテリの信頼性の向上及び大容量化が求められる。そこでバッテリとしては、高性能なＬｉ−ｉｏｎ形バッテリが好ましい。
【００２５】
本発明の他の電源システムは、航空機の推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、ガスタービンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド補助動力装置と、少なくとも１のバッテリと、緊急時電源と、上記メイン発電機、ハイブリッド補助動力装置、バッテリ及び緊急時電源からの電力を機体における各負荷に配電する配電ネットワークと、を備えるシステムである。尚、ここでいう配電ネットワークは、集中配電ネットワークでも、分散配電ネットワークでもよい。
【００２６】
上述したように、電力負荷の増大に伴いＡＰＵのガスタービンの発電容量が増大し、それによってＡＰＵのサイズ及び重量が大幅に増大することになるが、ＡＰＵをガスタービンと燃料電池とのハイブリッド電源とすることによって、ＡＰＵの小型・軽量化の点で有利になる。
【００２７】
本発明のさらに他の電源システムは、航空機の推力エンジンによって駆動されるメイン発電機と、補助動力装置と、少なくとも１のバッテリと、燃料電池からなる緊急時電源と、上記メイン発電機、補助動力装置、バッテリ及び緊急時電源からの電力を、機体における各負荷に配電する配電ネットワークと、を備えるシステムである。尚、ここでいう配電ネットワークは、集中配電ネットワークでも、分散配電ネットワークでもよい。
【００２８】
上述したように、緊急時電源としてのＲＡＴは、緊急時における機体の空気抵抗を増大させることになるが、ＲＡＴに替わって燃料電池を搭載することにより、緊急時における機体の空気抵抗が低減する。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の航空機の電源システムによると、分散配電ネットワークと、複数の発電機の分散配置とを組み合わせることによって、効率の向上と軽量化とを共に達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、実施形態に係る航空機の電源システムＳの装備図、図２は電源システムＳのブロック図を示している。この航空機１は全電気式航空機であって、詳細な図示は省略するが、その操縦システムは、油圧アクチュエータに替えて電動アクチュエータを含むフライバイワイヤ（Fly-by-Wire：ＦＢＷ）とされ、その空調システムは、エンジン抽気エアサイクルに替えて電動エアコンプレッサを備え、そのコクピットシステムは、アナログ計器に替えて統合ディスプレイを備え、その降着システムは、油圧ブレーキ及び油圧アクチュエータに替えて電気ブレーキ及び電動アクチュエータを備え、その防除氷システムは、エンジン抽気エアサイクルに替えて電気ヒータを備える。航空機の各システムにおける電気負荷は、図１，２においては負荷LOAD（又はLOADS）として示される。
【００３２】
本電源システムＳは、主幹電線２及び複数の（図例では３つの）配電装置３ａ，３ｂ，３ｃを含む分散配電ネットワークＮを備える。各負荷LOADへの配電を行う配電装置３ａ，３ｂ，３ｃは、機体前部、中央部及び後部のそれぞれに配置されており、各配電装置３ａ，３ｂ，３ｃは主幹電線２によって互いに接続されている。各配電装置３ａ，３ｂ，３ｃは、コクピットに設けられたコントロールパネル３１により遠隔で配電制御が可能な半導体サーキットブレーカ（Solid State Power Controller：ＳＳＰＣ）とすればよい。
【００３３】
本電源システムＳはまた、電源として、推力エンジン４，４に取り付けられて、この推力エンジン４，４により駆動される２つのモータ発電機GEN1，GEN2（メイン発電機）と、補助動力装置APUと、分散発電機としての複数の燃料電池FC1-4と、緊急時電源としての燃料電池FC5と、２つのバッテリBAT1，BAT2と、を含む。
【００３４】
本実施形態では、航空機１が第１及び第２の推力エンジン４，４を備えており、それに対応して、第１及び第２モータ発電機GEN1，GEN2が設けられ、それぞれが機体中央部の配電装置３ｂに接続されている。
【００３５】
本航空機１は、上述したように全電気式であることから抽気エネルギが得られず、そのため、各モータ発電機GEN1，GEN2は、スタータ及びジェネレータの機能を有している。つまり、各モータ発電機GEN1，GEN2は、推力エンジン４の始動を行うと共に、エンジン始動後はエンジン４の回転エネルギにより発電を行う。モータ発電機GEN1，GEN2は交流発電機とすればよく、その出力は、定周波（Constant Frequency：ＣＦ）、可変周波（Variable Frequency：ＶＦ）のいずれであってもよい。ここでは、ＶＦ出力とする。
【００３６】
補助動力装置APUは、図２に示すように、マイクロガスタービンMGTと、燃料電池FCとを組み合わせたハイブリッド電源とされていて、機体後部の配電装置３ｃに接続されている。
【００３７】
ここで、上記補助動力装置APUにおける上記マイクロガスタービンMGTは、タービン及びコンプレッサが同軸に結合されると共に、そのコンプレッサ軸に交流発電機が直結される。この交流発電機は、誘導発電機とすることが好ましい。これは、誘導発電機は高回転数で効率が高くなるのに対し、マイクロガスタービンMGTの動作回転数は、大型のガスタービンに比べて高いためである。
【００３８】
尚、補助動力装置APUにおける、マイクロガスタービンMGTと燃料電池FCとの組み合わせとしては、種々の構成を採用することができる。
【００３９】
こうして、マイクロガスタービンMGTと燃料電池FCとを組み合わせたハイブリッド電源（補助動力装置APU）からは、図２に示すように、マイクロガスタービンMGTに直結した交流発電機より交流出力が、燃料電池FCより直流出力が得られる。マイクロガスタービンMGTと燃料電池FCとを組み合わせることによって、マイクロガスタービンMGT単体、又は燃料電池FC単体の場合と比較して、発電効率を大幅に向上させることができる。
【００４０】
分散発電機である燃料電池FCとしては、第１〜第４燃料電池FC1，FC2，FC3，FC4の合計４つが航空機１に搭載されており、第１及び第２燃料電池FC1，FC2は機体前部、第３及び第４燃料電池FC3，FC4は機体後部にそれぞれ配置されて、配電装置３ａ，３ｃにそれぞれ接続されている。このように、４つの燃料電池FC1，FC2，FC3，FC4は、負荷LOADの近傍となるように、機体に対して分散配置されている。
【００４１】
各燃料電池FCの構成は周知であるため、ここでは図示は省略するが、図２に示すように、それぞれ直流電流を出力する。
【００４２】
また、緊急時電源としての燃料電池FC5は、従来のＲＡＴに替わるものである。
【００４３】
ここで、上記燃料電池FC（分散発電機としての燃料電池FC1-4、ＡＰＵの燃料電池FC及び緊急時電源としての燃料電池FC5を含む）は、炭化水素燃料が使用可能な固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であることが、炭素リッチなジェット燃料を利用する航空機１においては燃料改質の単純化が可能であり好ましい。しかしながら、燃料電池はＳＯＦＣに限るものではない。例えば、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）を採用することも可能である。
【００４４】
各燃料電池FCからの出力は高圧直流電流とすることが望ましい。こうすることで、電流損失を大幅に小さくすることができ、効率の向上と配線重量の低減化とが図られる。
【００４５】
各バッテリBAT1，BAT2は、種々の形式を採用可能であるが、ここでは高効率かつ小型のLi-ion形バッテリとされている。全電気式航空機１においては、バックアップ電源としてのバッテリBAT1，BAT2には、高い信頼性と大容量化が求められるが、Li-ion形バッテリはそれを満たすことができる。この２つのバッテリBAT1，BAT2は、それぞれ機体前部及び後部に配置されて配電装置３ａ，３ｃに接続されている。
【００４６】
次に、図２を参照しながら、本電源システムＳの構成について説明する。第１及び第２のモータ発電機GEN1，GEN2からの交流電流はそれぞれ、第１及び第２のＡＣバスAC BUS1，AC BUS2に供給されると共に、補助動力装置APUからの交流電流は、ＡＣグランドサービスバスAC GND SERVを介して第１及び第２のＡＣバスAC BUS1，AC BUS2に供給される。尚、ＡＣグランドサービスバスAC GND SERVには、外部電源Ext.Pwrからの交流電流も供給される。これにより、モータ発電機GEN1，GEN2には補助動力装置APUから電力が供給される。
【００４７】
一方、第１〜第４の燃料電池FC1，FC2，FC3，FC4及び補助動力装置APUからの直流電流は、第１及び第２のＤＣバスDC BUS1，DC BUS2を介して、第１〜第４のフライトコントロールバスFLT CNTL BUS1-4に供給される。第１〜第４の燃料電池FC1，FC2，FC3，FC4及び補助動力装置APUからの直流電流は、第１及び第２バッテリバスBAT BUS1，BAT BUS2にも供給される。
【００４８】
第１バッテリバスBAT BUS1は、第１及び第３のフライトコントロールバスFLT CNTL BUS1，FLT CNTL BUS3に接続されると共に、スタンバイＤＣバスSTBY DC BUS及び活電バッテリバスHOT BAT BUSに接続される。
【００４９】
第２バッテリバスBAT BUS2は、第２及び第４のフライトコントロールバスFLT CNTL BUS2，FLT CNTL BUS4に接続されると共に、上記補助動力装置APUのマイクロガスタービンMGTを始動させるスタータに接続される。
【００５０】
補助動力装置APUと第１及び第２のＤＣバスDC BUS1，DC BUS2との間には、ＤＣグランドサービスバスDC GND SERVが介設されており、ＤＣグランドサービスバスDC GND SERVには、外部電源Ext.Pwrからの直流電流も供給される。
【００５１】
第１バッテリBAT1は、活電バッテリバスHOT BAT BUSを介して、第１バッテリバスBAT BUS1及び第１チャージャーNo.1 CHRGERに接続される。第１チャージャーNo.1 CHRGERは、第１のＤＣバスDC BUS1に接続される。
【００５２】
第２バッテリBAT2は、第２バッテリバスBAT BUS2と、第２チャージャーNo.2 CHRGERに接続される。第２チャージャーNo.2 CHRGERは、スタンバイＤＣバスSTBY DC BUSに接続され、スタンバイＤＣバスSTBY DC BUSにはまた、上記緊急用電源（燃料電池FC5）からの直流電流が供給される。
【００５３】
第１のＤＣバスDC BUS1にはノンエッセンシャルバスNONESSENTIAL BUSがリレーを介して接続され、直流電流は、ノンエッセンシャルバスNONESSENTIAL BUSにも供給される。
【００５４】
この構成により、マイクロガスタービンMGTは、バッテリ電源からの電力によって電動スタータにより始動され、推力エンジン４，４は、補助動力装置APUからの電力によって、モータ発電機GEN1，GEN2により始動されることになる。
【００５５】
尚、上記電源システムＳでは、各電源とバスとの間にリレーが介設されている。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態の電源システムＳでは、分散配電システムと、燃料電池FCの分散配置とを組み合わせることによって、配線数の低減により重量の軽減及び配電損失の低減が図られると共に、電力負荷が増大しても、モータ発電機GEN1，GEN2及びＡＰＵ発電機の大容量化が抑制されてこれらの発電機の重量増加が抑制され、さらに燃料電池FCを負荷LOADの近傍に配置することにより配電損失の低減が図られる。その結果、電源システムＳの軽量化を図りつつ、発電効率の増大が実現する。つまり、全電気式航空機１の電源システムＳとして最適なシステムとすることができる。
【００５７】
また、補助動力装置APUを、マイクロガスタービンMGTと燃料電池FCとを組み合わせたハイブリッド電源とすることによって、発電効率の大幅な向上により、電力負荷が増大しても、補助動力装置APUの小型・軽量化を達成することができる。尚、上記実施形態では、マイクロガスタービンMGTを採用したが、通常のガスタービンを採用してもよい。
【００５８】
また、緊急時電源として燃料電池FC5を搭載することにより、従来は緊急時に機体の底部から展開されるＲＡＴによって機体の空気抵抗が大きくなるのに対し、機体の空気抵抗を小さくすることができる。
【００５９】
尚、本電源システムＳが適用可能な航空機１は、全電気式航空機に限るものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は、電源システムの軽量化を図りつつ、発電効率の増大が実現するため、特に全電気式航空機等の電力負荷の大きい航空機の電源システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施形態に係る電源システムの装備図である。
【図２】電源システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００６２】
１    航空機
２    主幹電線
３ａ〜３ｃ  配電装置
４    推力エンジン
APU    補助動力装置
BAT1,2    バッテリ
FC    燃料電池（ＡＰＵ）
FC1-4    燃料電池（分散発電機）
FC5    緊急時電源（燃料電池）
GEN    モータ発電機（メイン発電機）
MGT    マイクロガスタービン
Ｎ    分散配電ネットワーク
Ｓ    電源システム
【図１】
2007015423.tif 000003
【図２】
2007015423.tif 000004