JPH11200888A

JPH11200888A - 燃料電池式タービンエンジン

Info

Publication number: JPH11200888A
Application number: JP10007446A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Kishi; 公博貴志
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 1999-07-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】燃料電池を使用して駆動するようにした、航
空機、船舶又は発電等の産業用の燃料電池式タービンエ
ンジンの提供。【解決手段】化石燃料中の水素又は水素と一酸化炭素
と空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う燃料
電池１０で発電した電力を電源とし駆動力を発生させる
モータ３により駆動力が発生させられる駆動軸８に設け
たタービン６、燃料電池１０の発電時に発生する蒸気に
より、タービン６によっても駆動力を発生させる蒸気供
給手段を設けるた。これにより、不具合を解消されると
ともに、軽量化、小型化ができ、定格運転による、低燃
費化および、部分負荷による効率向上を図ることができ
る。モータはスタータとして利用することができる、電
気回路の切換えだけで、駆動軸を正、逆回転させること
ができ、プロペラ又はファンを容易に逆回転させ、後進
又は停止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機用のターボ
ファンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャ
フトエンジン、補助動力装置、又は機械駆動、若しくは
発電を行う産業用のタービンエンジン、又は舶用のター
ビンエンジンを、水素若しくは一酸化炭素と酸素との電
気化学反応により発電を行うようにした燃料電池で駆動
するようにした燃料電池式タービンエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、従来の航空機用ガスタービン
式ターボファンエンジンを示す断面図である。図に示す
ように、従来のガスタービン式ターボファンエンジン
（以下単にターボファンエンジンという）８６は、燃焼
器８７内に噴射されたガソリン等の化石燃料が燃焼し、
高温、高圧になった燃焼ガスが、高圧タービン８８を回
転駆動させた後、低圧タービン９２に導入され、低圧タ
ービン９２を駆動させた後、排気ガス９１として外気へ
放出され、推進力を発生させるようにしている。

【０００３】高圧タービン８８により吸収された燃焼ガ
スのエネルギー、すなわち駆動力は、高圧タービン８８
と同軸状に設けられた圧縮機８９を回転駆動し、ターボ
ファンエンジン８６に流入するコア空気９０を圧縮し
て、化石燃料を燃焼させる酸化剤として燃焼室８７へ送
り込まれる。一方、圧縮機８９および高圧タービン８８
を設けた回転軸の内部を挿通され、回転軸とは独立に回
動するようにした内部軸の後端部には、高圧タービン８
８を駆動した後の燃焼ガスが導入されて作動する低圧タ
ービン９２が設けられ、推力を発生させるとともに、低
圧タービン９２の駆動力は、内部軸を介してターボファ
ンエンジン８６の前端部に設けられ、推力を発生させる
とともに、圧縮機８９にコア空気を供給するファン９３
を作動させる。

【０００４】また、図１３は、従来の航空機用ガスター
ビン式ターボプロップエンジン（以下ターボプロップエ
ンジンという）９４を示す断面図である。ターボプロッ
プエンジン９４においても、ターボファンエンジン８６
の燃焼器８７と同様な構成にされた、燃焼器９５で燃焼
された燃焼ガスは、タービン９６を回転駆動させ、推力
を発生させた後、排気ガス１１０として外気へ放出され
る。また、タービン９６により吸収された駆動力は、タ
ービン９６と同軸状に設けられた圧縮機９７を回転駆動
し、ターボプロップエンジン９４内に流入するコア空気
９８を圧縮する。

【０００５】一方、圧縮機９７の前方には、圧縮機９７
と同軸状の回転軸が設けられ、回転軸の先端に設けたギ
ア装置を介してプロペラ９９を回転させ、推力を発生さ
せるとともに、ターボプロップエンジン９４内の圧縮機
９７内にコア空気９８を流入させるようにしている。

【０００６】また、図１４は、従来のヘリコプタ用ガス
タービン式ターボシャフトエンジン（以下ターボシャフ
トエンジンという）１００を示す断面図である。ターボ
シャフトエンジン１００においても、図１２、図１３に
示す燃焼器８７，９５と同様の構成にされた、燃焼器１
０１で燃焼された燃焼ガスは、タービン１０２、および
タービン１０２の後流側に設けられた出力タービン１０
３を回転駆動させた後、排気ガス１０４として外気へ放
出される。

【０００７】タービン１０２により吸収された駆動力
は、タービン１０２と同軸に設けられた圧縮機１０５を
回転駆動し、ターボシャフトエンジン１００内へ流入す
るコア空気１０６を圧縮する。一方、タービン１０２を
駆動した後の燃焼ガスにより作動する出力タービン１０
３により吸収された駆動力は、出力軸１０６を回転駆動
し、出力軸１０６にベベルギアで連結された回転軸１０
８を回動させ、回転軸１０８の上端に連結されたロータ
１０７を回転させ、浮揚力および推進力を発生させる。

【０００８】しかしながら、上述したターボファンエン
ジン８６、ターボプロップエンジン９４若しくはターボ
シャフトエンジン１００のように、燃焼器８７，９５，
１０１内に化石燃料と、圧縮機８９，９７，１０５から
の圧縮空気とを供給して、燃焼させた燃焼ガスで駆動力
を発生させるようにした、従来のガスタービンエンジン
は、化石燃料の化学反応燃焼により、駆動力を発生させ
るようにしているため、以下の問題点がある。

【０００９】（１）外気へ排出される排出ガス９１，１
０４，１１０には、窒素酸化物、二酸化炭素が多く、こ
れらのエンジンの作動は大気汚染の原因となる。

【００１０】（２）ガソリン等の化石燃料の保有するエ
ネルギーのうち、駆動力として利用される効率（以下エ
ネルギー効率という）が３０〜４０％程度と低く、有効
に利用されていない。

【００１１】近年、水素若しくは化石燃料に含まれる水
素と酸素若しくは空気中の酸素とを、電気化学的に反応
させて発電し、発電に伴う窒素酸化物、二酸化炭素等の
有害物質の排出をなくし、若しくは少くして大気汚染を
起すことなく、またエネルギー効率を従来のエンジンに
比較して、飛躍的に向上させることができるようにした
燃料電池が開発されている。

【００１２】しかしながら、このような燃料電池を回転
翼機を含む航空機、船舶、車両、産業用機械、若しくは
発電機等を駆動するガスタービンエンジン本体に組み込
み、ガスタービンエンジンに設けられる圧縮機による圧
縮空気の生成に利用して、効率向上を図るとともに、燃
料電池の発電に伴い発生する蒸気でタービンを駆動し、
蒸気エネルギーの回収をも図り、さらに、エネルギー効
率を向上させることができるようにした、燃料電池式ガ
スタービンエンジンは、これまで実現してない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来、航空
機用等として使用されているガスタービンエンジンの上
述した不具合を解消するため、大気汚染を引き起す有害
な廃棄物を排出することなく、航空機用のターボファン
エンジン、ターボプロップエンジン又はターボシャフト
エンジン等を燃料電池で駆動するとともに、燃料電池の
発電時に発生する蒸気をも駆動力として使用するように
して、さらに燃料の保有するエネルギーを駆動力として
最大限に利用できるようにして、エネルギー効率を大幅
に向上させることのできる燃料電池式タービンエンジン
を提供することを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の燃料
電池式タービンエンジンは、次の手段とした。

【００１５】（１）化石燃料中の水素若しくは水素と一
酸化炭素と、空気中の酸素との電気化学反応により発電
を行う燃料電池を設けた。なお、電気化学反応により発
電を行うために供給される水素、酸素等は、化石燃料若
しくは空気中から抽出されるもののほか、精製された純
度の高いものを使用するようにしても良い。

【００１６】（２）燃料電池で発電した電力を電源と
し、駆動軸に駆動力を発生させるモータを設けた。な
お、モータの出力軸を駆動軸にし、モータと駆動軸との
間に駆動力伝達機構を設けないような構造のものにする
ことが好ましい。

【００１７】（３）モータにより駆動力が発生させられ
る駆動軸にタービンを設けた。（４）燃料電池の発電時に発生する蒸気を駆動軸に設け
たタービンに供給し、タービンに駆動力を発生させ、モ
ータの駆動力に加えて、タービンの駆動力によっても駆
動軸を作動させるようにした蒸気供給手段を設けた。

【００１８】本発明の燃料電池式タービンエンジンは、
上述（１）ないし（４）の手段に加え、次の手段とし
た。

【００１９】（５）燃料電池式タービンエンジンに設置
されたモータとタービンで駆動される駆動軸に、燃料電
池の空気側電極に供給する圧縮空気を生成する圧縮機を
設けた。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池および燃
料電池式タービンエンジンの実施の一形態を図面にもと
づき説明する。図１は本発明の燃料電池式タービンエン
ジンの実施の第１形態としての燃料電池式ターボファン
エンジン（以下単にターボファンエンジンという）を示
す断面図である。

【００２１】図に示すように、本実施の形態のターボフ
ァンエンジン１は、燃料電池１０、電気モータ３、低圧
タービン４、ファン５、高圧タービン６、圧縮機７から
構成される。また、高圧タービン６と圧縮機７とは高圧
軸８により同心状にして連結されるとともに、低圧ター
ビン４とファン５は、高圧軸８の軸心に沿って高圧軸８
内に穿設された穴を貫通して設けられ、高圧軸８とは独
立して回動する低圧軸９により連結されている。

【００２２】燃料電池１０は、従来の燃焼器８７等の配
置される位置と略同じ位置に配置され、燃料側電極１４
側に図示省略した燃料供給手段により供給される化石燃
料と、空気側電極１２側に空気供給手段により供給され
る（圧縮）空気中の酸素との電気化学反応により発電を
行う。低圧軸９と高圧軸８には、この燃料電池１０で発
電された電力で駆動される電気モータ３がそれぞれ組み
込まれている。さらに、本実施の形態のターボファンエ
ンジン１に使用される燃料電池１０は、図２に示すよう
に、同心状に配置された電解質含有セラミックス管１
１、空気側電極１２、孔質セラミックス管１３、燃料側
電極１４、中間端子１５から構成されている。

【００２３】このように構成されたターボファンエンジ
ン１においては、燃料電池１０には、化石燃料１９とコ
ア空気１８が圧縮機７で圧縮された圧縮空気１７とが供
給され、内部で化石燃料１９中の水素と圧縮空気１７中
の酸素との電気化学反応により発電されるとともに、燃
料側電極１４には、６００℃〜１０００℃の高温高圧の
蒸気が発生する。この発電された電気により電気モータ
３が作動し、電気モータ３がそれぞれ組み込まれた低圧
軸９と高圧軸８を各々回転駆動され、ファン５および圧
縮機７をそれぞれ作動させる。

【００２４】なお、後述するように、燃料電池１０によ
っては、化石燃料１９中の水素および一酸化炭素と圧縮
空気１７中の酸素との電気化学反応により、発電を行う
ようにしたものもあるが、説明を簡単にするため、燃料
電池式タービンエンジンの各実施の形態の説明において
は、燃料電池１０における発電は、水素と酸素との電気
化学反応により発電されるものとして説明する。

【００２５】一方、燃料側電極１４で発生した高温高圧
の蒸気は、高圧タービン６を回転駆動させ、高圧タービ
ン６と同軸状に高圧軸８に設けられた圧縮機７を電気モ
ータ３とともに駆動する。また、高圧タービン６から排
出され、エネルギーが残存している蒸気は、低圧タービ
ン４を蒸気タービンとして、さらに回転駆動させた後、
排気ガス２２として外気へ放出される。低圧タービン４
の回転駆動は、低圧軸９により低圧タービン４と同軸状
にして、ターボファンエンジン１の先端部に配置された
ファン５を回転させ、エンジン流入空気２０を圧縮し、
後方に噴出させて推力を発生させるバイパス空気２１と
前述した圧縮機７に導入されるコア空気１８とを発生さ
せる。

【００２６】次に、高圧軸８の駆動により、圧縮空気供
給手段としての圧縮機７が回転し、コア空気１８が圧縮
され、孔質セラミックス管１３内に導入された圧縮空気
１７中の酸素と燃料供給手段により燃料側電極１４の周
囲に導入された化石燃料１９中の水素との電気化学反応
による発電について、補足説明する。

【００２７】燃料側電極１４では、化石燃料１９中の水
素と、空気側電極１２で生成され、電解質含有セラミッ
クス管１１を通過してきた酸化物イオンとが反応して電
子が生成され、空気側電極１２から燃料側電極１４に流
れる電流１６が発生する。すなわち、空気側電極１２で
は孔質セラミックス管１３を通過してきた酸素と、燃料
側電極１４で生成され、空気側電極１２に流れる電子と
が結びついて酸化物イオンを発生する。この酸化物イオ
ンは、電解質含有セラミックス管１１を通過して燃料側
電極１４へ移動し、水素と反応して電子を発生させ、空
気側電極１２が＋、燃料側電極１４が−となる電位差を
発生させて、空気側電極１２から燃料側電極１４へ流れ
る電流１６が発生する。

【００２８】本実施の形態の（燃料電池式）ターボファ
ンエンジン１は、上述の構成にされているので、以下の
技術的特徴を有する。

【００２９】（１）タービンエンジン１の駆動を、化石
燃料１９の化学反応による燃焼エネルギーから電気化学
反応により発電を行う燃料電池１０による駆動にするこ
とで、燃焼行程がなくなり、燃焼に伴う窒素酸化物の発
生がなく、二酸化炭素の発生量も低減できる。

【００３０】（２）また、燃料電池１０は、従来の燃焼
器８７を設置する部分に組み込むことで軽量化、小型化
することができる。

【００３１】（３）また、燃料電池１０で生成した蒸気
のエネルギーをタービンで吸収して利用することで、コ
ンバインドサイクル化することができ、図３に示すよう
に、化学反応による燃焼エネルギーを利用した発電に比
較して、発電効率を向上させることができる。

【００３２】（４）また、電気モータ３でターボエンジ
ン１を駆動するため、ターボエンジン１を定格で運転す
ることができるため、低燃費とすることができるととも
に、図４に示すように、部分負荷による効率をも向上さ
せることができる。

【００３３】（５）また、燃料電池１０への供給する空
気を、圧縮機７で生成した圧縮空気１７とすることで、
発電効率を向上させることができる。

【００３４】（６）また、この電気モータ３はターボエ
ンジン１に必要とするエンジンスタータとして利用する
ことができる。

【００３５】（７）さらに、電気回路の切換えだけで
正、逆回転させることができるので、電気モータ１０を
逆転させることにより、ファン５を容易に逆回転させる
ことができ、航空機の着陸時のスラストリバースとして
利用することもできる。

【００３６】次に、図５は本発明の燃料電池式タービン
エンジンの実施の第２形態としての燃料電池式ターボプ
ロップエンジン（以下ターボプロップエンジンという）
を示す断面図である。

【００３７】図に示すように、本実施の形態のターボプ
ロップエンジン２５は、実施の第１形態で示したものと
同様の構成にされ、同様に水素と酸素との電気化学反応
により発電を行う燃料電池１０、および電気モータ３
３、出力タービン２６、圧縮機２７、プロペラ２８から
構成される。出力タービン２６と圧縮機２７は軸２９に
より連結され、この軸２９に電気モータ３を組み込むよ
うにしている。

【００３８】燃料電池３には、実施の第１形態と同様
に、化石燃料１９と圧縮空気１７が供給され、内部で水
素と酸素との電気化学反応により発電されるとともに、
６００℃〜１０００℃の高温高圧の蒸気が発生される。
発電された電気により電気モータ３が作動し、軸２９は
回転駆動され、圧縮機２７を作動させる。燃料電池３で
発生した高温高圧の蒸気は、出力タービン２６を蒸気タ
ービンとして回転駆動させ、軸２９を回転させた後、排
気ガス３０として、外気へ放出される。

【００３９】軸２９の回転駆動により圧縮機２７が作動
し、圧縮機２７の吸入口から流入するコア空気３１を圧
縮し、燃料電池１０に導入するとともに、圧縮機２７の
前端側には、回転軸３２が圧縮機２７と同軸状に設けら
れており、この回転軸３２の先端に設けられたギア装置
によりプロペラ２８を回転させ、前述したコア空気３１
の流れを発生させる。

【００４０】さらに、プロペラ２８の回転は、外部流３
３を発生させ、ターボプロップエンジン２５を装備した
航空機に推進力を発生させる。

【００４１】本実施の形態の（燃料電池式）ターボプロ
ップエンジン２５は、上述の構成にされているので、上
述した実施の第１形態におけるターボファンエンジン１
の前述した（１）〜（７）と同様の技術的特徴を有する
ことになる。

【００４２】次に、図６は本発明の燃料電池式タービン
エンジンの実施の第３形態としての燃料電池式ターボシ
ャフトエンジン（以下ターボシャフトエンジンという）
を示す断面図である。

【００４３】図に示すように、本実施の形態のターボシ
ャフトエンジン３５は、実施の第１形態で示したものと
同様の構成にされ、同様に発電を行う燃料電池１０、お
よび電気モータ３６、出力タービン３７、出力タービン
３７からの駆動力をロータ３８を上端部に設けたロータ
軸３９へベベルギアで伝達する出力軸４０、出力タービ
ン３７の上流側に、出力タービン３７とは分離されて配
置されたガスジェネタービン４１、および圧縮機４２か
ら構成されている。ガスジェネタービン４１と圧縮機４
２とは軸４３により連結され、さらに、軸４３には電気
モータ３６が組み込まれている。

【００４４】本実施の形態のターボシャフトエンジン３
５は、前方から流入するコア空気４４を吸入して、圧縮
機４２で圧縮して、図２に示す圧縮空気１７として燃料
電池１０に供給するとともに、化石燃料１９を燃料電池
１０に供給して、電気化学反応で発電した電力、および
発電時に燃料側電極１４に発生する蒸気で、ガスジェネ
タービン４１を作動させ圧縮機４２を作動させ、また、
ガスジェネタービン４１から排出される蒸気で、さらに
出力タービン３７を作動させロータ３８を回動駆動する
ようにしたので、上述した実施の第１形態におけるター
ボファンエンジン１の前述した（１）〜（６）と同様の
技術的特徴を有することになる。

【００４５】次に、図７は本発明の燃料電池式タービン
エンジンの実施の第４形態としての燃料電池式補助動力
装置（以下補助動力装置という）を示す断面図である。

【００４６】図に示すように、本実施の形態の補助動力
装置４５は、実施の第１形態で示したものと同様の構成
にされ、同様に発電を行う燃料電池１０、および電気モ
ータ４６、出力タービン４７、圧縮機４８、出力軸４９
から構成される。出力タービン４７と圧縮機４８とは、
軸５０により連結されている。また、軸５０には電気モ
ータ４６が組み込まれている。

【００４７】燃料電池１０には、化石燃料１９とコア空
気５１が供給され、内部で水素と酸素との電気化学反応
により発電が行われるとともに、６００℃〜１０００℃
の高温高圧の蒸気が発生する。発電された電気により電
気モータ４６が作動し、軸５０は回転駆動される。ま
た、燃料側電極１４に発生する高温高圧蒸気は、出力タ
ービン４７を蒸気タービンとして回転駆動させ、軸５０
を回転させた後、排気ガス５１′として放出される。軸
５０の駆動により圧縮機４８が回転し、コア空気５１を
圧縮し、化石燃料１９とともに、燃料電池１０に導入さ
れる。

【００４８】このように、本実施の形態の補助動力装置
４５では、前方から流入するコア空気５１を吸入し、圧
縮して圧縮空気１７として燃料電池１０に供給するとと
もに、化石燃料１９を燃料電池１０に供給して、燃料電
池１０内の圧縮空気１７中の酸素と化石燃料１９中の水
素との電気化学反応で発電した電力、および発電時に燃
料側電極１４に発生する蒸気による出力タービン４７の
作動力により、圧縮機４２を作動させるとともに、圧縮
機４８の先端に同軸状に連結された出力軸４９から駆動
力を出力するようにしたので、上述した実施の第１形態
における、ターボファンエンジン１の前述した（１）〜
（６）と同様の技術的特徴を有することになる。

【００４９】次に、図８は本発明の燃料電池式タービン
エンジンの実施の第５形態としての燃料電池式産業用／
舶用タービンエンジン（以下舶用タービンエンジンとい
う）を示す断面図である。

【００５０】図に示すように、本実施の形態の舶用ター
ビンエンジン５２は、実施の第１形態で示したものと同
様の構成にされ、同様に発電を行うとともに、発電時に
蒸気を発生させる燃料電池１０、燃料電池１０で発電し
た電力で作動する電気モータ５３、ガスジェネタービン
５４、圧縮機５５、および圧縮機５５とガスジェネター
ビン５４とを連結する軸５６とからなる。また、軸５６
には電気モータ５３が組み込まれている。

【００５１】さらに、ガスジェネタービン５４の後流側
には、ガスジェネタービン５４を駆動した蒸気が導入さ
れ、ガスジェネタービン５４とは独立に作動するように
した出力タービン５７が設けられ、この出力タービン５
７は、蒸気で発生する駆動力を出力タービン５７の後方
に同軸状に連結した駆動軸５８により、図示省略した後
方のプロペラ等に伝達するようにしている。

【００５２】また、燃料電池１０には、化石燃料１９と
共に、圧縮機５５でコア空気５８を圧縮した圧縮空気１
７が供給され、内部で化石燃料１９中の水素と圧縮空気
１７中の酸素との電気化学反応により、発電されるとと
もに、６００℃〜１０００℃の高温高圧の蒸気が発生す
る。この発電された電気により、電気モータ５３が作動
し、軸５６は回転駆動される。一方、燃料電池１０で発
生した高温高圧蒸気は、ガスジェネタービン５４を蒸気
タービンとして回転駆動させ、軸５６の回転により圧縮
機５５を回転させ、コア空気５９を圧縮し、燃料電池１
０に導入する。

【００５３】また、ガスジェネタービン５４を回転駆動
させ、エネルギーの残存する蒸気は出力タービン５７に
導入され、駆動軸５８を回転駆動させて、駆動軸５８の
後端に設けられたプロペラ等に推進力を発生させた後、
排気ガス６０として外部へ放出される。

【００５４】このように、本実施の形態の舶用タービン
エンジン５２は、前方から流入するコア空気５９を吸入
し、圧縮して圧縮空気１７として燃料電池１０に供給す
るとともに、化石燃料１９を燃料電池１０に供給して電
気化学反応で発電した電力、および発電時に燃料側電極
１４に発生する蒸気で、ガスジェネタービン５４を作動
させて、圧縮機５５を作動させ、また、ガスジェネター
ビン５４から排出される蒸気で出力タービン５７を作動
させ、駆動軸５８により、プロペラ等の駆動軸５８の後
端に設けられた動力装置を回転駆動するようにしたの
で、上述した実施の第１形態における、ターボファンエ
ンジン１の前述した（１）〜（７）と同様の技術的特徴
を有することになる。

【００５５】次に、図９は上述した（燃料電池式）ター
ボファンエンジン１、ターボプロップエンジン２５、タ
ーボシャフトエンジン３５、補助動力装置４５および舶
用タービンエンジン５２を駆動する、図２に示す燃料電
池１０に代り、これらのターボエンジンを駆動する、本
発明の実施の第６形態としての燃料電池の詳細を示す断
面図である。

【００５６】本実施の形態の燃料電池６１は、燃料側電
極６２と空気側電極６３が電解質含有セラミックス６４
を挟み込んで取り付けられる。燃料側電極６２と空気側
電極６３とは、電気モータ６５と電気配線６６で接続さ
れている。

【００５７】本実施の形態の燃料電池６１では、燃料側
電極６２には燃料として図２に示した化石燃料１９に代
えて、精製された水素６７を水素ボンベ等から供給する
ようにしている。また、空気側電極６３には、図２に示
した燃料電池１０と同様に、圧縮機７等からの圧縮空気
６８を供給するようにしている。

【００５８】このように構成された燃料電池６１では、
燃料側電極６２において、供給された水素６７と、空気
側電極６３で生成された酸化物イオン６９とが反応し
て、電子７０と蒸気７１が生成される。また、空気側電
極６３では、圧縮空気６８中の酸素と燃料側電極６２で
発生し、空気側電極６３に伝達された電子７０とが結び
ついて酸化物イオン６９が生成され、前述したようにこ
の酸化物イオン６９は電解質含有セラミックス６５中を
通って、燃料側電極６２に伝達され、上述したように燃
料側電極６２に電子７０と蒸気７１とを生成する。

【００５９】一方、酸化物イオン６９の生成により酸素
分の少なくなった圧縮空気６８は、排気ガス７２とし
て、燃料電池６１内から放出される。

【００６０】なお、本実施の形態の燃料電池６１による
反応式を、数１に示す。

【００６１】

【数１】

【００６２】本実施の形態の燃料電池６１では、（１）燃料側電極６２に供給される燃料として、化石燃
料６９に代え、水素を用いるようにしているため、燃料
の改質が不要となり、構造が簡素化できる。

【００６３】（２）空気側電極６３に供給される供給空
気を、圧縮機７等で圧縮した圧縮空気６８を供給するよ
うにしているので、発電効率を向上させることができ
る。

【００６４】次に、図１０は本発明の実施の第７形態と
しての燃料電池の詳細を示す断面図である。

【００６５】本実施の形態の燃料電池７３は、図９に示
す燃料電池６１と同様に燃料側電極６２と空気側電極６
３が電解質含有セラミックス６４を挟み込んで取り付け
られるとともに、空気側電極６３には、図２に示した燃
料電池１０と同様に、圧縮機７等からの圧縮空気６８を
供給するようにしている。

【００６６】一方、燃料側電極６２の化石燃料７４の供
給側には、多孔質隔壁７５を介して、反応室としての改
質室７６が設けられている。このように構成された、本
実施の形態の燃料電池７３の燃料側電極６２には改質室
７６、多孔室隔壁７５を通して化石燃料６９が供給され
る。この場合、燃料電池７３における発電に伴い燃料側
電極６３で生じた蒸気７１の一部は、多孔質隔壁７５を
通過して、反応室としての改質室７６に入り、燃料供給
手段により改質室７６内に供給されたガス状の化石燃料
７４と反応して、水素６７と一酸化炭素を生成する。

【００６７】この水素と一酸化炭素の混合ガス７７は、
多孔質隔壁７５を通過して燃料側電極６２に導入され、
燃料側電極６２において、空気側電極６３で生成された
酸化物イオン６９と反応して、電子７０と蒸気７１と二
酸化炭素とを生成し、前述したように蒸気７１の一部
は、改質室７６に導入され、化石燃料７４との反応に使
用されるとともに、残りの蒸気７１は二酸化炭素と混合
した排気ガス７８となって、燃料電池７３が排出され、
前述したようにタービンを駆動する。

【００６８】一方、空気側電極６３に供給された圧縮空
気６８は、空気側電極６３で圧縮空気６８中の酸素と燃
料側電極６２で発生し、空気側電極６３に伝達された電
子７０とが結びついて酸化物イオン６９を生成し、燃料
側電極６２と空気側電極６３の間に配設された電解質含
有セラミックス６５を通って、燃料側電極６２に伝達さ
れ、電子７０と蒸気７１とを生成する。

【００６９】また、空気側電極６３では空気中の酸素と
電子７０が結びついて酸化物イオン６９が生成し、酸素
成分の少なくなった空気は、排気ガス７２として燃料電
池７９から放出され、蒸気７１と二酸化炭素とが混合し
た排気ガス７８と同様に、燃料電池式タービンエンジン
を駆動する。

【００７０】このように、本実施の形態の燃料電池７３
では、（１）燃料側電極６２に改質室７６を組み込むことで、
燃料電池７３の燃料として、化石燃料７４が使用するこ
とができるとともに、化石燃料７４を水素６７と一酸化
炭素に分離する改質室を燃料電池７３内に設けるように
したので、改質器を別途設けるようにした燃料電池より
も構造が簡素化できる。

【００７１】（２）空気側電極６３に供給される供給空
気を、圧縮機７等で圧縮した圧縮空気６８を供給するよ
うにしているので、発電効率を向上させることができ
る。

【００７２】次に、図１１は本発明の実施の第８形態と
しての燃料電池の詳細を示す断面図である。

【００７３】本実施の形態の燃料電池７９は、図９、図
１０に示す燃料電池６１，７３と同様に、燃料側電極６
２と空気側電極６３が電解質含有セラミックス６４を挟
み込んで取り付けられるとともに、空気側電極６３に
は、図２に示した燃料電池１０と同様に、圧縮機７等か
らの圧縮空気６８を供給するようにしている。

【００７４】一方、燃料側電極６２の化石燃料７４供給
側には、燃料側電極６２と全面接触するようにした反応
室としての改質室８０が設けられている。このように、
燃料電池７９の燃料側電極６２側全面に設け改質室８０
に化石燃料７４を供給すると、酸化物イオン６９と化石
燃料７４との反応により燃料側電極６２で生じた蒸気７
１は、改質室８０に入り、導入された化石燃料７４と反
応して水素６７と一酸化炭素を生成する。この生成され
た水素６７と一酸化炭素との混合ガス７７は、燃料側電
極６２において、空気側電極６３で生成され、電解質含
有セラミックス６４を通過して、燃料側電極６２に到達
した酸化物イオン６９と反応して電子７０と蒸気７１と
二酸化炭素を生成する。

【００７５】また、化石燃料７４との反応に使用されな
かった蒸気７１は、燃料側電極６２で生成された二酸化
炭素と混合した排気ガス７８となって、燃料電池７９か
ら排出され、前述したようにタービンを駆動する。

【００７６】一方、空気側電極６３に供給された圧縮空
気６８は、空気側電極６３で圧縮空気６８中の酸素と、
燃料側電極６２で発生し、空気側電極６３に伝達された
電子７０とが結びついて酸化物イオン６９を生成し、燃
料側電極６２と空気側電極６３の間に配設された電解質
含有セラミックス６５中を通って、燃料側電極６２に伝
達され、電子７０と蒸気７１とを生成する。

【００７７】また、空気側電極６３では、空気中の酸素
と電子７０とが結びついて酸化物イオン６９が生成し、
酸素成分の少なくなった空気が、排気ガス７２として燃
料電池７９から放出され、蒸気７１と二酸化炭素とが混
合した排気ガス８８と同様に、燃料電池式タービンエン
ジンを駆動する。

【００７８】このように、本実施の形態の燃料電池７９
では、図１０に示す実施の第７形態の燃料電池７３にお
ける上述した（１）、（２）の効果と同様の効果が得ら
れるとともに、改質室８０の反応を行う容積が拡大でき
るため、化石燃料７４の改質効率を向上させることがで
きる。

【００７９】以上、図９〜図１１に示す、本発明の実施
の第６形態〜第８形態としての燃料電池６１，７３，７
９は上述したように、図１、図５〜図８に示す、本発明
の実施の第１形態〜第５形態としての燃料電池式タービ
ンエンジン１，２５，３５，４５，５２の何れにも適用
でき、各燃料電池式タービンエンジンの技術的特徴を発
揮できるものである。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
式タービンエンジンは、化石燃料中の水素又は水素と一
酸化炭素と空気中の酸素との電気化学反応により発電を
行う燃料電池、燃料電池で発電した電力を電源とし駆動
軸に駆動力を発生させるモータ、モータにより駆動力が
発生させられる駆動軸に設けたタービン、燃料電池の発
電時に発生する蒸気により、タービンに駆動力を発生さ
せ、モータの駆動力に加えて、タービンの駆動力によっ
ても駆動力を発生させるようにした蒸気供給手段を設け
るものとした。

【００８１】これにより、本発明の燃料電池式タービン
エンジンでは、（１）タービンエンジンの駆動を、化石燃料の化学反応
燃焼から電気化学反応にして、発電を行うようにした燃
料電池とすることで燃焼行程がなくなり、窒素酸化物の
発生がなく、二酸化炭素の発生量も低減できる。

【００８２】（２）また、燃料電池は、従来の燃焼器を
設置する部分に組み込むことができるので軽量化、小型
化することができる。

【００８３】（３）また、燃料電池で生成した蒸気のエ
ネルギーをタービンで吸収して利用することで、コンバ
インドサイクル化することができ、化学反応燃焼を利用
した発電に比較して発電効率を向上させることができ
る。

【００８４】（４）また、電気モータでタービンエンジ
ンを駆動するため、タービンエンジンを定格で運転する
ことができるため、低燃費とすることができるととも
に、部分負荷による効率を向上させることもできる。

【００８５】（５）また、電気モータはタービンエンジ
ンに必要とするエンジンスタータとして利用することが
できる。

【００８６】（６）さらに、電気回路の切換えだけで、
駆動軸が正、逆回転させることができるので、後進を必
要とする舶用タービンエンジン、又は停止力を発生させ
る必要のある航空機用タービンエンジンでは、電気モー
タを逆転させることにより、プロペラ又はファンを容易
に逆回転させ、目的を達成することもできる。

【００８７】また、本発明の燃料電池式タービンエンジ
ンは、モータとタービンで駆動される駆動軸に、電気化
学反応により発電を行う燃料電池の空気側電極に供給す
る圧縮空気を生成する圧縮機を設けるものとした。

【００８８】これにより、本発明の燃料電池式タービン
エンジンでは、燃料電池への供給する空気を圧縮空気と
することで、発電効率を向上させることができるととも
に、圧縮機が発電効率の良い燃料電池で発電された電力
で作動するモータおよび発電時に発生する蒸気で作動す
るタービンで駆動されるのでエンジン効率を向上させる
ことができる。

【００８９】また、本発明の燃料電池式タービンエンジ
ンでは、発電を行う燃料として化石燃料をそのまま使用
するようにすることもでき、しかも化石燃料から発電を
行う燃料としての水素と一酸化炭素に分離する反応室を
別途設ける必要をなくし、構造がより簡素化することも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池式タービンエンジンの実施の
第１形態としての燃料電池式タービンエンジンを示す断
面図、

【図２】図１に示す燃料電池の斜視図、

【図３】各種発電方式の容量と発電効率を示す図、

【図４】各種発電方式の部分負荷効率を示す図、

【図５】本発明の燃料電池式タービンエンジンの実施の
第２形態としての燃料電池式ターボプロップンエンジン
を示す断面図、

【図６】本発明の燃料電池式タービンエンジンの実施の
第３形態としての燃料電池式ターボシャフトンエンジン
を示す断面図、

【図７】本発明の燃料電池式タービンエンジンの実施の
第４形態としての燃料電池式補助動力装置を示す断面
図、

【図８】本発明の燃料電池式タービンエンジンの実施の
第５形態としての燃料電池式産業用／舶用タービンエン
ジンを示す断面図、

【図９】本発明の実施の第６形態としての燃料電池の内
部詳細を示す断面図、

【図１０】本発明の実施の第７形態としての燃料電池の
内部詳細を示す断面図、

【図１１】本発明の実施の第８形態としての燃料電池の
詳細を示す断面図、

【図１２】従来のガスタービン式ターボファンエンジン
を示す断面図、

【図１３】従来のガスタービン式ターボプロップエンジ
ンを示す断面図、

【図１４】従来のガスタービン式ターボシャフトエンジ
ンを示す断面図、

【符号の説明】

１（燃料電池式）ターボファンエン
ジン３電気モータ４低圧タービン５ファン６高圧タービン７圧縮機８高圧軸９低圧軸１０燃料電池１１電解質含有セラミックス管１２空気側電極１３孔質セラミックス管１４燃料側電極１５中間端子１６電流１７圧縮空気１８コア空気１９化石燃料２０エンジン流入空気２１バイパス空気２２排気ガス２５（燃料電池式）ターボプロップエ
ンジン２６出力タービン２７圧縮機２８プロペラ２９軸３０排気ガス３１コア空気３２回転軸３３電気モータ３５（燃料電池式）ターボシャフトエ
ンジン３６電気モータ３７出力タービン３８ロータ３９ロータ軸４０出力軸４１ガスジェネタービン４２圧縮機４３軸４４コア空気４５排気ガス４５（燃料電池式）補助動力装置４６電気モータ４７出力タービン４８圧縮機４９出力軸５０軸５１コア空気５１′ 排気ガス５２舶用タービンエンジン５３電気モータ５４ガスジェネタービン５５圧縮機５６軸５７出力タービン５８駆動軸５９コア空気６０排気ガス６１燃料電池６２燃料側電極６３空気側電極６４電解質含有セラミックス６５電気モータ６６電気配線６７水素６８圧縮空気６９酸化物イオン７０電子７１蒸気７２排気ガス７３燃料電池７４化石燃料７５多孔質隔壁７６改質室７７混合ガス７８排気ガス７９燃料電池８０改質室８６（ガスタービン式）ターボファン
エンジン８７，９５，１０１燃焼器８８高圧タービン８９，９７，１０５圧縮機９０，９８，１０６コア空気９１，１０４，１１０排気ガス９２低圧タービン９３ファン９４（ガスタービン式）ターボプロッ
プエンジン９６，１０２タービン９９プロペラ１００（ガスタービン式）ターボシャフ
トエンジン１０３出力タービン１０６出力軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素若しくは一酸化炭素と酸素との電気
化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を
電源とするモータと、前記モータの駆動軸に設置された
タービンと、前記燃料電池の発電時に発生する蒸気を前
記タービンに供給し、前記モータとともに前記タービン
で前記駆動軸を作動させるようにした蒸気供給手段とを
設けたことを特徴とする燃料電池式タービンエンジン。
【請求項２】前記燃料電池式タービンエンジンが、前
記モータの駆動軸に前記タービンと前記燃料電池の空気
側電極に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段を構成す
る圧縮機とを設けたことを特徴とする請求項１の燃料電
池式タービンエンジン。