JP2017114186A - マルチコプタ - Google Patents

Abstract

【課題】空気中の酸素を利用する燃料電池を用いたマルチコプタにおいて、コンタミを防止するとともに、燃料電池の電圧低下を抑制して、ローターに安定した電源を供給可能なマルチコプタを提供する。【解決手段】機体本体２０と、モータ３１を駆動源とするプロペラ３２の回転により揚力を発生させる複数のローター３０と、機体本体２０およびローター３０を繋ぐ支持筐体４０と、機体本体２０に配設された燃料電池５０と、を備え、燃料電池５０に空気中の酸素を供給するための空気吸入口４１にエアフィルタ４４を設けてフィルタ４４を通過した空気を燃料電池５０に供給するように形成し、空気吸入口４１をプロペラ３２の下方における、プロペラ３２の回転により気圧が上昇する範囲内に配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の回転翼を駆動させるモータの電源に燃料電池を用いるマルチコプタに関するものである。

従来、マルチコプタは、回転翼（ロータ）をモータ等の動力を用いて回転させることが公知である（例えば、特許文献１参照）。

モータは、バッテリから電力の供給を受けて駆動する。バッテリは機体の所定の位置に装着される。マルチコプターのバッテリとして、リチウムポリマ二次電池等が用いられる。

特開２０１４−２４０２４２号公報

例えばマルチコプタの航続距離は、リチウムポリマ二次電池等を用いた場合その二次電池の容量によって制約を受ける。マルチコプタに積載可能な二次電池の重量には限界がある。積載可能な電池以上に航続距離を伸ばすことは困難である。また、二次電池を充電するには、ある程度の時間がかかり面倒である。更に充電している間はマルチコプタを使用することができないという問題がある。

マルチコプタのモータを駆動させる電源は、リチウムポリマ二次電池よりも重量が軽く、出力を長時間維持することができることが望ましい。

そこでマルチコプタの回転翼のモータの電源として、リチウムポリマ二次電池の代わりに燃料電池を用いることを試みた。燃料電池において、空気中の酸素を使用することは、酸素供給原を搭載する必要がないというメリットがある。

しかしながら、空気中の酸素を利用すると、コンタミが発生しやすいという問題がある。燃料電池に用いる酸素として、専用の酸素ではなく、大気中から取り入れた酸素を用いる場合、埃等の粒子が混入するだけでなく、アルコールやシロキサン等の化学物質が混入する恐れがある。コンタミが発生し、化学物質が酸素に混入すると燃料電池の触媒や極の性能を低下させ、所定の性能を発揮できなくなってしまう。

コンタミは、特に離着陸時に発生し易い。コンタミを防ぐために、触媒やガス拡散層の材料等を改良することが行われているが、それだけでは不十分である。コンタミに対しては、空気吸入口に高性能なフィルタを装着し、極に混入する化学物質を可能な限り低減することが望ましい。

しかしながら、高性能なフィルタは、空気抵抗が大きく、自然吸気により空気を取り入れる場合、酸素不足を引き起こし易い。このような酸素不足は、電圧低下を招き、回転翼の揚力の変化を引き起こす等の悪影響を与える虞がある。

本発明の目的は、燃料電池を用いたマルチコプタにおいて、空気中の酸素を利用する際に、コンタミを防止することが可能であるとともに、燃料電池の電圧低下を抑制して、回転翼に安定した電源を供給して駆動することが可能なマルチコプタを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のマルチコプタは、機体本体と、モータを駆動源とするプロペラの回転により揚力を発生させる複数のローターと、
前記機体本体および前記複数のローターを繋ぐ支持筐体と、前記機体本体に配設され、前記モータに電力を供給する電源である燃料電池と、を有するマルチコプタであって、前記燃料電池に空気中の酸素を供給するための空気吸入口にはエアフィルタが設けられており、これにより前記燃料電池には前記フィルタを通過した空気が供給され、前記空気吸入口は、前記プロペラの下方における、該プロペラの回転により気圧が上昇する範囲内に配置されていることを特徴とする。

前記マルチコプタにおいては、前記空気吸入口が、前記支持筐体の上面側の開口部に形成されていることが好ましい。

前記マルチコプタにおいては、前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることが好ましい。

本発明のマルチコプタは、空気中の酸素を燃料電池に供給するための空気吸入口にエアフィルタが設けられており、かかるフィルタを通過した空気が燃料電池に供給される。また、かかる空気吸入口は、プロペラから排出される空気が直接当たる位置に配置されている。これにより、ローターが回転している間は、空気吸入口に設けられているフィルタ部分の気圧がプロペラの効果で大気圧よりも高くなり、空気吸入口から効率良く空気を取り込むことが可能となる。

本発明の一実施例のマルチコプタの概略の構成を示す説明図である。 図１のマルチコプタの空気吸入口付近を示す説明図である。

以下、本発明のマルチコプタについて、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明のマルチコプタの一実施例の概略を示す説明図である。図１に示す実施例のマルチコプタ１０は、機体本体２０と、飛行のための揚力を発生させる複数個のローター３０と、機体本体２０とローター３０を繋ぐ支持筐体４０とを有する。ローター３０は、軸が垂直方向に配置されたプロペラ３２と、その駆動源であるモータ３１とを有する。ローター３０は、プロペラ３２の回転により垂直方向下方に空気を排出して揚力を発生させる。更に機体本体２０には、モータ３１に電力を供給する電源として、燃料電池５０が配設されている。支持筐体４０は、ローター３０の数に対応して設けられている。

図１の機体本体２０に配設される燃料電池５０は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略記することもある）を用いたものである。ＰＥＦＣは高分子電解質膜（以下、ＰＥＭと略記することもある）５１の両側を燃料極（負極；アノード）５２と空気極（正極；カソード）５３の多孔質電極で挟んで一体化したものである。一般的に負極５２はアノード触媒層と多孔質支持層から構成され、正極５３はカソード触媒層と多孔質支持層から構成され、ＰＥＭ５１を挟んでホットプレスにより一体化されて電極接合体（以下、ＭＥＡと略記することもある）を構成している。さらにＭＥＡは、燃料側、空気側の通路を設けたセパレータ５２a、５３aによって挟持されている。

燃料極５２側には、近傍に配置した高圧水素タンク等の水素供給タンク５４が接続され、水素が供給されるようになっている。また空気極５３側には、空気の供給口５５と水を排出するための排出口５７が設けられている。空気の供給口５５は、支持筐体４０に設けられている配管により空気吸入口４１に接続されており、マルチコプタ１０の外部の空気を空気吸入口４１から吸入して、空気極５３に酸素を供給するようになっている。また排出口５７には、ドレインパイプ４３が接続配管されていて、空気極５３側で発生した水を機体本体２０の外部に排出するようになっている。

図２は、図１のマルチコプタ１０の空気吸入口４１付近を示す説明図である。図２に示すように、空気吸入口４１は機体本体２０とローター３０を繋ぐ支持筐体４０の部分に設けられている。支持筐体４０の内部は中空に形成され、先端にはローター３０が取り付けられて固定されている。支持筐体４０は上面が開口した開口部として形成されており、そこが空気吸入口４１として形成されている。空気吸入口４１は、ローター３０のプロペラ３２がモータ３１の駆動により回転した場合に、プロペラ３２から排出される空気が直接当たる位置（プロペラ３２の下方における、プロペラ３２の回転により気圧が上昇する範囲内）に形成されている。空気吸入口４１から入った空気は、支持筐体４０の中空の内部の配管を通り、空気極５３に供給される。

空気吸入口４１は、フィルタ４４で覆われており、空気中の塵や埃等の異物が、吸入した空気に混入しないようになっている。更にこのフィルタ４４には、空気中のアルコールやシロキサン等の化学物質を通過させない高性能フィルタを用いることが望ましい。空気極５３に供給される空気は、フィルタ４４によりコンタミが防止されることから、触媒や極の性能の低下を避けることが可能である。

このようなコンタミ防止用の高性能フィルタ４４は、空気抵抗が大きくなる。空気吸入口４１の空気抵抗が大きくなると、自然吸気の場合には酸素不足を引き起こす可能性がある。これに対し、空気吸入口４１をプロペラ３２の羽根の直下の位置に設けることで、ローター３０が回転している間は、プロペラ３２から排出される空気が、直接、空気吸入口４１に当たる。空気吸入口４１のフィルタ４４の部分には、プロペラ３２の効果で、圧力が大気圧よりも高くなり、空気が空気極５３に送り込まれやすくなる。そのため自然吸気の場合と比較して、空気吸入口４１から効率良く空気を取り込むことが可能となり、空気吸入効率が向上する。

更に、ローター３０のプロペラ３２の回転により発生する空気を利用して、空気吸入口４１の圧力を高めることから、吸気圧力を上げるための別体の部品が不要になるという利点もある。

燃料電池５０に対し、空気極５３へ送る空気の吸入効率を向上させることで、空気極５３における酸素不足の発生を防止できる。酸素不足による電圧低下を防ぐことで、ローター３０の揚力を安定させることが可能である。また、マルチコプタ１０を素早く上昇させる際には、モータ３１の出力を上げるためのより多くの電力が必要となる。モータ３１の出力を上げると、プロペラ３２も高回転することとなり、その結果プロペラ３２下部の圧力も高められる。これにより本実施例のマルチコプタ１０は、高出力が必要なときにより多くの空気を空気極５３へ供給することが可能とされている。

マルチコプタ１０のローター３０を駆動させるモータ３１の電源として燃料電池５０を用いることにより、電源にリチウムポリマ二次電池を用いた場合と比較して、より大きな重量エネルギー密度を実現できる可能性がある。その結果、機体本体２０に搭載する電源の小型軽量化を図ることで、連続飛行時間を延ばすことが可能である。更に燃料電池５０は、リチウムポリマ二次電池のような面倒な充電をする必要がなく、燃料のカートリッジ、タンク等を交換するだけでよいという利点がある。

本発明のマルチコプタ１０で用いられる燃料電池５０は、ＰＥＦＣを用いるのが好ましい。ＰＥＦＣは、より小型軽量化が可能であり、マルチコプタ１０のリチウムポリマ二次電池の代替とすることが容易である。

マルチコプタ１０のローター３０の数は特に限定されないが、ローター３０を３個以上有するものが一般的である。ローター３０の数が２個の場合には、姿勢を制御する為に回転中に連続的にプロペラの角度を変える機構を有する。マルチコプタ１０は、例えばローター３０を３個備えるトライコプタ、４個のクアドコプタ、６個のヘキサコプタ、８個のオクタコプタ、さらにそれ以上の数のローター３０を備えるものであってもよい。

マルチコプタ１０は、飛行動作等を制御するメインコントローラ、受信器、電気機器や、電子機器の部品等（特に図示しない）を備え、燃料電池はこれらに電力を供給するようになっている。ローター３０のモータ３１はＤＣモータ等が用いられ、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等を介して、メインコントローラに接続されている。

メインコントローラは、ＣＰＵ、ＲＡＭ／ＲＯＭ、ＰＷＭコントローラ等を備えマルチコプタ１０の飛行を制御する。マルチコプタ１０は、複数のローター３０の回転方向や回転速度のバランス等により、飛行姿勢や位置を制御することが可能である。

また上記メインコントローラは、加速度センサ、ジャイロセンサ（角速度センサ）、気圧センサ、地磁気センサ（電子コンパス）等のセンサ群及びＧＰＳ受信器等を備えている。メインコントローラのＲＡＭ／ＲＯＭには、マルチコプタ１０の飛行時における飛行制御アルゴリズムが実装された飛行制御プログラムが記憶されている。マルチコプタ１０は、上記センサ群等から取得した情報を用いて、ＥＳＣによりＤＣモータの回転速度を制御する。

またマルチコプタ１０は、無線操縦（遠隔操作）を行うために、モータ３１を遠隔操作するための無線信号のＲＣ受信機を備える。ＲＣ受信機は、マルチコプタ１０の操縦者によって操作される無線操縦機からの無線信号を受信する。マイクロコンピュータは、ＲＣ受信機により受信された無線信号に基づいてローター３０のモータ３１の動作を制御する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば上記実施例では、燃料電池の燃料供給方式として高圧水素を用いたＰＥＦＣの例を示したが、燃料供給方式としてメタノール改質、水素吸蔵合金、液体水素、ダイレクトメタノール等を用いたものでもよい。

また上記実施例では、空気吸入口４１は一つの支持筐体４０のみに設けた例を示したが、空気吸入口４１は複数の支持筐体４０の全てに設けてもよいし、支持筐体の一部に設けても、いずれでもよい。支持筐体４０に設ける空気吸入口４１の数を増やすことで、空気の吸入効率を更に向上させることができる。

また、上記実施例のマルチコプタ１０の吸気機構は、燃料電池５０の空気極５３への酸素供給手段として用いられているが、本発明の吸気機構は、例えば外気を吸気する仕組みの内燃機関を機体本体２０内で駆動させるようなときにも利用することができる。

１０ マルチコプタ
２０ 機体本体
３０ ローター
３１ モータ
３２ プロペラ
４０ 支持筐体
４１ 空気吸入口
４４ フィルタ
５０ 燃料電池

Claims (3)

1. 機体本体と、
   モータを駆動源とするプロペラの回転により揚力を発生させる複数のローターと、
   前記機体本体および前記複数のローターを繋ぐ支持筐体と、
   前記機体本体に配設され前記モータに電力を供給する電源である燃料電池と、を有するマルチコプタであって、
   前記燃料電池に空気中の酸素を供給するための空気吸入口にはエアフィルタが設けられており、これにより前記燃料電池には前記フィルタを通過した空気が供給され、
   前記空気吸入口は、前記プロペラの下方における、該プロペラの回転により気圧が上昇する範囲内に配置されていることを特徴とするマルチコプタ。
2. 前記空気吸入口が、前記支持筐体の上面側の開口部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチコプタ。
3. 前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチコプタ。

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