JP2018176920A - 飛翔体 - Google Patents

Abstract

【課題】飛翔体に搭載された燃料電池からの余剰燃料の排出を促進する。【解決手段】酸素と燃料とを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料電池に対して供給するべき燃料を蓄える燃料タンクと、燃料タンクから燃料電池に流入したが消費されずに残った余剰燃料を燃料電池から排出するための排出口に接続し、その余剰燃料を揚力または推力を生む機構の要素であるプロペラ、タービンまたはファンの下流に噴出する気流に向けて導く燃料排出管とを具備する飛翔体を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池が搭載される飛翔体に関する。

近時、遠隔操縦されまたは自律制御により飛行する無人航空機であるドローンが普及しつつあり、ドローンを様々な用途に活用しようとする試みが進められている。多くのドローンは、複数のプロペラを備えたマルチコプタ（マルチロータヘリコプタ、マルチロータ）であり、その各プロペラを電動機により回転駆動することで揚力及び推力を得ている。

プロペラを回転させる電動機への電力供給は、通常、機体に搭載された二次電池により行う。一般的には、外部の電源を二次電池に接続して二次電池を充電するが、比較的小形の燃料電池を電力供給源としてドローンに搭載することも考えられる（例えば、下記特許文献を参照）。燃料電池は、燃料極（アノード、マイナス極）と空気極（カソード、プラス極）とで電解質を挟んだ構造をなす。燃料極側には燃料を、酸素極側には酸素をそれぞれ供給し、その燃料と酸素とが反応する際に、燃料極において電子を取り出し、これを外部回路に電流として流す。電子は、外部回路を経由して酸素極へと帰還する。

特許第６０８４６７５号公報

燃料電池に供給される燃料は、その全てが燃料電池において消費されるわけではなく、一部が余剰燃料として燃料電池内に残留する。それ故、余剰燃料を燃料電池から適切に排出させる必要がある。燃料を蓄えている燃料タンクから燃料電池に向けて送出される燃料の圧力は、燃料タンク内の燃料の残存量が減少するにつれて逓減してゆく。そして、背圧、即ち燃料電池から排出される余剰燃料の圧力が高いと、燃料タンクから燃料電池に向かう燃料の流量が低下し、所要量の燃料が燃料電池に供給されなくなる、ひいては燃料電池による発電量が低下する懸念が生じる。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであって、飛翔体に搭載された燃料電池からの余剰燃料の排出を促進することを所期の目的とする。

上述した課題を解決するべく、本発明では、酸素と燃料とを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料電池に対して供給するべき燃料を蓄える燃料タンクと、燃料タンクから燃料電池に流入したが消費されずに残った余剰燃料を燃料電池から排出するための排出口に接続し、その余剰燃料を揚力または推力を生む機構の要素であるプロペラ、タービンまたはファンの下流に噴出する気流に向けて導く燃料排出管とを具備する飛翔体を構成した。

加えて、前記プロペラ、タービンまたはファンの下流に噴出する気流を導き入れるとともに、導入した気流の流れる方向に対して交差する方向から前記燃料排出管が接続している気流導入管と、
前記気流導入管への前記気流の導入の有無を切り替え、または気流導入管への気流の導入量を調節するための開閉弁とを具備するものとすることも好ましい。

また、前記燃料電池は、前記プロペラ、タービンまたはファンを回転駆動する電動機に供給するべき電力を発電する電力供給源の役割を担うことがある。

本発明によれば、飛翔体に搭載された燃料電池からの余剰燃料の排出を促進することができる。

本発明の一実施形態の飛翔体を示す斜視図。 同実施形態の飛翔体に搭載される燃料電池、燃料タンク及び電動機を含む回路図。 同実施形態の飛翔体におけるプロペラ、燃料排出管及び気流導入管の配置を示す側断面図。 本発明の変形例の一を示す側断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示す本実施形態の飛翔体１は、複数のプロペラ１１を備えたマルチコプタ、いわゆるドローンである。このドローン１は、既存のドローンと同様、これに実装された各プロペラ１１を電動機１２により回転駆動することで揚力及び推力を得る。ドローン１の前進や後退、旋回は、あるプロペラ１１と他のプロペラ１１との間で回転数に差を設け、機体を傾けることで実現する。

本実施形態のドローン１には、電動機１２に供給するべき電力を発電する電力供給源として、燃料電池２を搭載している。燃料電池２それ自体は、既知のものである。即ち、燃料電池２は、燃料極と空気極とで電解質を挟んだセルを最小構成単位とし、そのようなセルを複数積み重ねたセルスタックを主体とする。燃料極及び空気極はそれぞれ、気体を通過させる構造を有しており、反応に必要な燃料や酸素や当該電極を通過する。燃料は、水素であったり、水素と一酸化炭素との組み合わせであったりするが、本実施形態では水素を想定している。その上で、燃料極側に燃料を、酸素極側に酸素をそれぞれ供給し、それら燃料と酸素とが反応する際に、燃料極において電子を取り出し、これを外部回路に電流として流す。電子は、外部回路を経由して酸素極へと帰還する。セルスタックを構成するセルとセルとの間にはセパレータを介在させ、燃料及び酸素の流通経路を仕切る一方でセルとセルとを電気的に接続する。

図２に、本実施形態のドローン１に実装する回路の概略を示している。燃料である水素ガスは、燃料タンクである高圧水素タンク３１から燃料電池２に向けて圧送する。高圧水素タンク３１と燃料電池２とを接続する燃料の流通経路上には、圧力調節弁３２を設置し、この圧力調節弁３２により燃料電池２への燃料の供給の開始及び停止を制御するとともに、燃料電池２に供給される燃料の流量を調節する。並びに、酸素を含む空気は、コンプレッサ４１により燃料電池２に向けて圧送する。コンプレッサ４１は、電動機４２により回転駆動する。因みに、セルの電解質材料としてイオン交換膜が用いられる固体高分子形燃料電池２では、イオン交換膜を湿潤状態に保つ必要があり、そのために燃料電池２に送られる燃料ガス及び／または空気を加湿することがある。

加えて、燃料電池２には、これを冷却するための冷却水を供給する。冷却水は、冷却水ポンプ５１により燃料電池２に向けて圧送する。このポンプ５１もまた、電動機５２により回転駆動する。冷却水は、ポンプ５１から燃料電池２に送られ、燃料電池２を冷却した後ラジエータ５３において空冷され、再びポンプ５１に戻るように循環する。

燃料電池２が発電した電力は、外部回路にもたらされ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を介して二次電池６１に充電されるとともに、ドローン１に搭載された各電動機１２、４２、５２に供給され、プロペラ１１、コンプレッサ４１及びポンプ５１の駆動に用いられる。

しかして、本実施形態では、図１ないし図３に示すように、燃料電池２に送られたものの燃料電池２内で消費されなかった余剰燃料ガスＥを適切に燃料電池２外に排出するべく、燃料電池２における余剰燃料Ｅの排出口２１に燃料排出管７を接続し、この燃料排出管７をドローン１のプロペラ１１の下流に噴出する気流Ａに面する位置まで伸長させている。

ベルヌーイの定理により、一定の流れ方向に沿って流れる気流Ａの、その流れ方向と非平行に交差（特に、直交）する方向への圧力は、当該気流Ａの流速が速くなるほど低下する。このことから、速い流速で流れる気流Ａを利用して低圧または負圧を生み出すベンチュリ効果を得ることが可能である。ベンチュリ効果により減圧状態を作出する装置は、エジェクタ、アスピレータまたはジェットポンプと呼称される。本実施形態では、燃料排出管７の下流にエジェクタを構築し、このエジェクタにより燃料電池２の排出口２１から余剰燃料Ｅを吸い出す。具体的には、図３に示しているように、プロペラ１１の下方に噴出する流速の高い気流Ａを気流導入管８に取り入れ、かつこの気流導入管８を流れる気流Ａの流れ方向に対して交差または直交する方向から燃料排出管７を気流導入管８に接続し、燃料排出管７の終端部を気流導入管８の中途部に連通させる。燃料排出管７の終端部を流れる余剰燃料Ｅの流れ方向は、気流導入管８を流れる気流Ａの流れ方向に対して交差または直交する。

本実施形態では、酸素と燃料とを反応させて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２に対して供給するべき燃料を蓄える燃料タンク３１と、燃料タンク３１から燃料電池２に流入したが消費されずに残った余剰燃料Ｅを燃料電池２から排出するための排出口２１に接続し、その余剰燃料Ｅを揚力または推力を生む機構の要素であるプロペラ１１の下流に噴出する気流Ａに向けて導く燃料排出管７とを具備する飛翔体１を構成した。

本実施形態によれば、プロペラ１１の下流に発生する流速の速い気流Ａを利用して燃料排出管７の終端部に低圧または負圧を生み出し、この低圧または負圧でもって燃料電池２内の余剰燃料Ｅを排出口２１から吸い出して排出させることができる。従って、燃料電池２内及び燃料排出管７内の余剰燃料Ｅの圧力が低下し、燃料タンク３１から燃料電池２に向かう燃料の流量の減少を抑制でき、所要量の燃料を継続的に燃料電池２に供給することが可能となって、燃料電池２による発電量の低下の懸念を払拭できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。図４に示すように、プロペラ１１の下流に噴出する気流Ａを導き入れる気流導入管８に、当該気流導入管８への気流Ａの導入の有無を切り替え、または気流導入管８への気流Ａの導入量を調節するための開閉弁９を付設することも好ましい。開閉弁９を開弁した状態（図４中、実線で表す）では、流速の速い気流Ａが気流導入管８に流入し、燃料排出管７の終端部に低圧または負圧が発生する。その結果、燃料電池２の排出口２１から燃料排出管７を通じて排出される余剰燃料Ｅの流量が多くなる。

翻って、開閉弁９を閉弁した状態（図４中、一点鎖線で表す）では、流速の速い気流Ａが気流導入管８に殆どまたは全く流入しなくなり、燃料排出管７の終端部に低圧または負圧が発生しなくなる。結果、燃料電池２の排出口２１から燃料排出管７を通じて排出される余剰燃料Ｅの流量が少なくなる。開閉弁９の開度を拡大するほど、燃料電池２の排出口２１から排出される余剰燃料Ｅの流量は多くなり、または燃料電池２内及び燃料排出管７内の余剰燃料Ｅの圧力が低下する。よって、例えば、燃料タンク３１内の燃料の残存量が減少するほど、即ち燃料タンク３１から燃料電池２に向けて送出される燃料の圧力が低下するほど、開閉弁９の開度を拡大することが考えられる。燃料タンク３１内の燃料の残存量（または、燃料タンク３１から送出される燃料の圧力）が所定以上であるときには開閉弁９を閉弁し、その残存量が所定以下となったら開閉弁９を開弁するようにしてもよい。

上記実施形態では、燃料電池２が発電した電力を、飛翔体１の揚力または推力を生むプロペラ１１を回転駆動する電動機１２に供給していた。だが、燃料電池が発電した電力を、飛翔体の揚力または推力を生む機構には供給せず、専らそれ以外の用途に供する（飛翔体に実装した電装系に供給する等）こともあり得る。

上記実施形態では、飛翔体１の揚力または推力を生む機構がプロペラ１１であったが、揚力または推力を生む機構として、飛翔体にガスタービンエンジン、ジェットエンジン、ターボファンエンジン等を実装しているならば、それらエンジンの要素であるタービンまたはファンの下流に噴出する気流を利用することができる。その場合において、燃料排出管は、余剰燃料を当該タービンまたはファンの下流に噴出する気流に向けて導き、燃料排出管の終端部が接続する気流導入管は、当該タービンまたはファンの下流に噴出する気流を導き入れることとなる。

その他、各部の具体的構成は、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。

本発明は、燃料電池が搭載される飛翔体に適用することができる。

１…飛翔体
１１…プロペラ
１２…電動機
２…燃料電池
２１…排出口
３１…燃料タンク
６…燃料排出管
７…気流導入管
８…開閉弁
Ａ…気流
Ｅ…余剰燃料

Claims (3)

1. 酸素と燃料とを反応させて発電を行う燃料電池と、
   燃料電池に対して供給するべき燃料を蓄える燃料タンクと、
   燃料タンクから燃料電池に流入したが消費されずに残った余剰燃料を燃料電池から排出するための排出口に接続し、その余剰燃料を揚力または推力を生む機構の要素であるプロペラ、タービンまたはファンの下流に噴出する気流に向けて導く燃料排出管と
   を具備する飛翔体。
2. 前記プロペラ、タービンまたはファンの下流に噴出する気流を導き入れるとともに、導入した気流の流れる方向に対して交差する方向から前記燃料排出管が接続している気流導入管と、
   前記気流導入管への前記気流の導入の有無を切り替え、または気流導入管への気流の導入量を調節するための開閉弁と
   を具備する請求項１記載の飛翔体。
3. 前記プロペラ、タービンまたはファンを電動機により回転駆動するものであり、
   前記電動機に供給するべき電力を前記燃料電池により発電する請求項１または２記載の飛翔体。

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