JP2022187198A - 燃料電池システム及び無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】エアコンプレッサの消費電力を抑制することが可能な燃料電池システム及びこれを搭載する無人飛行機を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１にエアを供給するエア供給経路２１と、エア供給経路２１に設けられ燃料電池スタック１１にエアを圧送するエアコンプレッサ２２と、燃料電池スタック１１から排出されたエアを含むオフガスを大気に排出するエア排出経路２４と、燃料電池スタック１１とエアコンプレッサ２２との間のエア供給経路２１から分岐してエア排出経路２４に合流するエアバイパス経路２５と、エアバイパス経路２５のエア排出経路２４との接続部２７に形成されたオリフィス３１と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池システム及びこれを搭載する無人航空機に関する。

燃料電池システムを搭載する無人航空機が知られている（例えば、特許文献１）。この種の燃料電池システムには、酸化剤ガスであるエアを大気から吸引し、燃料電池スタックに圧送するエアコンプレッサが使用されている。

特開２０１８－１８１５７６号公報

エアコンプレッサ、特にターボ形のエアコンプレッサでは、エアの流量と圧力とが周期的に激しく変動する現象であるサージングを回避することが重要である。サージングは、エアコンプレッサを流れるエアの流量が比較的少ない場合に発生し易い。サージングを回避するべくエアコンプレッサを流れるエアの流量を多くすると、燃料電池スタックに供給されるエアの流量が過剰になる場合がある。そこで、エアコンプレッサにより圧縮されたエアの一部を迂回させて、大気に排出することが考えられる。しかし、迂回させたエアを大気に排出することは、エアコンプレッサの消費電力を増加させることであり、無人飛行機の燃費の悪化に繋がっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、エアコンプレッサの消費電力を抑制することが可能な燃料電池システム及びこれを搭載する無人飛行機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにエアを供給する供給経路と、前記供給経路に設けられ前記燃料電池スタックにエアを圧送するコンプレッサと、前記燃料電池スタックから排出されたエアを含むオフガスを大気に排出する排出経路と、前記燃料電池スタックと前記コンプレッサとの間の前記供給経路から分岐して前記排出経路に合流するバイパス経路と、前記バイパス経路の前記排出経路との接続部に形成されたオリフィスと、を備えることを特徴とする。

このような構成により、オリフィスが形成された接続部を通過するエアの流速は、接続部よりも上流側のバイパス経路を流れるエアの流速よりも速くなる。オリフィスが形成された接続部を通過するエアの圧力は、接続部よりも上流側のバイパス経路を流れるエアの圧力よりも低下する。接続部を通過して圧力が低下したエアが、排出経路を流れるオフガスに合流することにより、接続部付近の排出経路の圧力は、オリフィスが形成されていない場合よりも低下する。よって、接続部にオリフィスが形成されている場合、接続部よりも上流側の排出経路を流れるオフガスが、接続部付近に向かって吸引され易くなる。これにより、排出経路に連通する燃料電池スタックを流れるエアの流量が増加し得る。コンプレッサの出力を高めなくても、燃料電池スタックに供給されるエアの流量が増加し得る。燃料電池システムは、コンプレッサの出力を抑制したとしても、所望流量のエアを燃料電池スタックに供給することができる。したがって、燃料電池システムは、コンプレッサの消費電力を抑制することができる。

更に好ましい態様として、前記排出経路は、前記接続部よりも上流側の位置に絞り部を有する。

このような態様により、絞り部を通過するオフガスの流速は、絞り部よりも上流側の排出経路を流れるオフガスの流速よりも速くなる。絞り部を通過して接続部付近の排出経路を流れるオフガスと、接続部を通過して排出経路に流入するエアとの流速差は小さくなり得る。接続部付近の排出経路を流れるオフガスと、接続部を通過したエアとの合流損失は小さくなり得る。したがって、燃料電池システムは、所望流量のエアを燃料電池スタックに供給するために必要なコンプレッサの出力を更に抑制することができ、コンプレッサの消費電力を更に抑制することができる。

更に好ましい態様として、前記バイパス経路は、前記排出経路を流れる前記オフガスの流れ方向に対して鋭角に傾斜して前記排出経路に合流する前記排出経路に対して鋭角に傾斜して合流する。

このような態様により、接続部付近の排出経路を流れるオフガスと、接続部を通過したエアとの合流損失は小さくなり得る。燃料電池システムは、必要なコンプレッサの出力を更に抑制することができ、コンプレッサの消費電力を更に抑制することができる。

更に好ましい態様として、前記供給経路は、前記コンプレッサにより圧送されたエアを前記燃料電池スタックに直接供給する。例えば、前記供給経路は、インタークーラを介さずに、前記コンプレッサから圧送されたエアを前記燃料電池に直接供給する。

このような態様により、燃料電池システムは小型化及び軽量化を図ることができる。また、燃料電池システムは、コンプレッサにより圧送されたエアを燃料電池スタックに直接供給しても燃料電池スタックが適切に発電できる程度の圧力比を実現する回転数でコンプレッサを動作させれば十分である。燃料電池システムは、コンプレッサの消費電力を更に抑制することができる。

また、本発明の無人航空機は、前記燃料電池システムを搭載することを特徴とする。

このような構成により、燃料電池スタックからコンプレッサへの電力供給量を抑制できるので、燃料電池スタックから無人航空機の駆動装置への電力供給量を増加させることができる。したがって、無人航空機は、燃費を向上させることができ、例えば航続距離や航続時間を長くすることができる。

本発明によれば、エアコンプレッサの消費電力を抑制することが可能な燃料電池システム及びこれを搭載する無人飛行機を提供することができる。

本実施形態の無人航空機を模式的に示す斜視図。 図１に示す無人航空機の上面図。 図１に示す無人航空機の側面図。 図１に示す無人航空機に搭載された燃料電池システムの系統図。 図２に示す各エア経路の構成を示す図。 図５に示すＶＩ－ＶＩ線の断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。

図１は、本実施形態の無人航空機１を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す無人航空機１の上面図である。図３は、図１に示す無人航空機１の側面図である。なお、図２及び図３では、アーム４及びプロペラ装置５の図示を省略している。

無人航空機１は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１１を動力源として搭載する無人航空機である。無人航空機１は、燃料電池スタック１１の発電電力によりブレード７を回転させることによって、上昇、下降、旋回、前進、後進又はホバリング等の様々な飛行形態で飛行することができる。無人航空機１は、自律的又は遠隔操作によって飛行することができる。無人航空機１は、マルチコプタ型のドローンによって構成されてもよい。

無人航空機１は、箱状のフレーム３を備える機体２と、当該フレーム３の前部及び後部のそれぞれから左右に突出するアーム４と、各アーム４の先端部に取り付けられたプロペラ装置５とを備える。

機体２は、燃料電池システム１０と、無人航空機１の動作を制御する不図示の制御装置と、無人航空機１の外部と無線通信を行う不図示の通信機と、無人航空機１の周辺環境を認識するための不図示のセンサとを備える。機体２は、燃料電池システム１０の各構成要素、制御装置、通信機及びセンサが、フレーム３の内部又は外面に取り付けられることによって構成される。例えば、燃料電池システム１０の後述する、燃料電池スタック１１、二次バッテリ１２、エア供給経路２１及びエアコンプレッサ２２等は、フレーム３の内部に取り付けられる。燃料電池システム１０の後述するラジエータ６２は、フレーム３の前側の外面において前方に傾斜した姿勢で取り付けられる。燃料電池システム１０の後述する水素ガスタンク４１は、フレーム３の上側の外面において、円筒状の水素ガスタンク４１の軸線が前後方向に沿うように取り付けられる。

プロペラ装置５は、燃料電池スタック１１の発電電力によって駆動するモータ６と、モータ６の駆動によって回転するブレード７とを備える。

図４は、図１に示す無人航空機１に搭載された燃料電池システム１０の系統図である。

燃料電池システム１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）等から成る燃料電池セルを複数積層することによって構成された燃料電池スタック１１と、二次バッテリ１２とを備える。燃料電池スタック１１の発電電力は、二次バッテリ１２に蓄えられる。燃料電池スタック１１の発電電力は、二次バッテリ１２に蓄えられずに、プロペラ装置５のモータ６等の負荷に直接供給されてもよい。更に、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１にエアを供給するエア供給系２０と、燃料電池スタック１１に燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給系４０と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却系６０とを備える。

エア供給系２０は、燃料電池スタック１１にエアを供給すると共に、燃料電池スタック１１での電気化学反応に用いられなかったエアを含むオフガスを燃料電池スタック１１から排出する系統である。

エア供給系２０は、燃料電池スタック１１にエアを供給するエア供給経路２１と、エア供給経路２１に設けられ、大気から導入されたエアに含まれる塵埃を除去するエアクリーナ２３とを備える。エア供給系２０は、エア供給経路２１に設けられ、エアクリーナ２３を通過したエアを燃料電池スタック１１に圧送するエアコンプレッサ２２を備える。エアコンプレッサ２２は、ターボ形のエアコンプレッサによって構成される。エアコンプレッサ２２は、燃料電池スタック１１の発電電力によって駆動するモータ２２ａによって駆動し、吸引したエアを圧縮する。

エア供給系２０は、燃料電池スタック１１から排出されたエアを含むオフガスを大気に排出するエア排出経路２４を備える。エア供給系２０は、燃料電池スタック１１とエアコンプレッサ２２との間のエア供給経路２１から分岐してエア排出経路２４に合流するエアバイパス経路２５を備える。すなわち、エアバイパス経路２５は、エア供給経路２１から分岐する分岐部２６と、エア排出経路２４に合流するためにエア排出経路２４に接続する接続部２７とを有する。エアバイパス経路２５は、エアコンプレッサ２２により圧送されたエアの一部をエア排出経路２４に迂回させる。

エア供給系２０は、エアの圧力及び温度をそれぞれ計測する圧力センサ２８及び温度センサ２９と、エアの流量を計測するエアフローメータ３０とを備える。圧力センサ２８は、エア供給経路２１のエア導入口付近や、エアコンプレッサ２２と分岐部２６との間のエア供給経路２１に設けられてもよい。温度センサ２９は、エアクリーナ２３に設けられてもよい。エアフローメータ３０は、エアクリーナ２３の出口付近のエア供給経路２１に設けられてもよい。

なお、エア供給系２０は、エアコンプレッサ２２から圧送されたエアを冷却するインタークーラを備えていなくてもよい。すなわち、エア供給系２０のエア供給経路２１は、エアコンプレッサ２２により圧送されたエアを燃料電池スタック１１に直接供給してもよい。これにより、燃料電池システム１０は、部品点数を減らすことができ、小型化及び軽量化を図ることができる。無人航空機１は、小型化及び軽量化を図ることができる。また、燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２により圧送されたエアを燃料電池スタック１１に直接供給しても燃料電池スタック１１が適切に発電できる程度の圧力比を実現する回転数でエアコンプレッサ２２を動作させれば十分である。燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２の消費電力を抑制することができる。燃料電池システム１０は、これを搭載する無人航空機１の燃費を更に向上させることができる。

水素ガス供給系４０は、燃料電池スタック１１に水素ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１での電気化学反応に用いられなかった水素ガスを含むオフガスを燃料電池スタック１１から排出する系統である。

水素ガス供給系４０は、高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク４１と、燃料電池スタック１１に水素ガスを供給する水素ガス供給経路４２とを備える。水素ガス供給系４０は、水素ガス供給経路４２の水素ガスタンク４１の出口付近に設けられ、水素ガスタンク４１に充填された水素ガスの水素ガス供給経路４２への導入と導入停止とを切り替える主止弁４３を備える。水素ガス供給系４０は、水素ガス供給経路４２に設けられ、水素ガスタンク４１から導入された水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４４を備える。水素ガス供給系４０は、レギュレータ４４と燃料電池スタック１１との間の水素ガス供給経路４２に設けられ、レギュレータ４４により圧力が調整された水素ガスを燃料電池スタック１１に放射するエジェクタ４５を備える。水素ガス供給系４０は、レギュレータ４４の出口付近の水素ガス供給経路４２において発生し得る過大圧力を開放するリリーフ弁４６と、エジェクタ４５の出口付近の水素ガス供給経路４２において発生し得る過大圧力を開放するリリーフ弁４７とを備える。

水素ガス供給系４０は、燃料電池スタック１１から排出されたオフガスを、エア排出経路２４に排出する水素ガス排出経路４８を備える。水素ガス供給系４０は、水素ガス排出経路４８に設けられ、燃料電池スタック１１から排出されたオフガスから生成水を分離する気液分離器４９を備える。水素ガス供給系４０は、気液分離器４９を通過したオフガスに含まれる水素ガスをエジェクタ４５（又は水素ガス供給経路４２）に循環させる水素ガス循環経路５０を備える。なお、水素ガス循環経路５０には、気液分離器４９を通過した水素ガスをエジェクタ４５（又は水素ガス供給経路４２）に圧送する水素ガスポンプが設けられてもよい。水素ガス供給系４０は、気液分離器４９の出口付近（気液分離器４９とエア排出経路２４との間）の水素ガス排出経路４８に設けられ、気液分離器４９を通過したオフガス及び生成水のエア排出経路２４への排出と排出停止とを切り替える排気排水弁５１を備える。

水素ガス供給系４０は、水素ガスの圧力を計測する圧力センサ５２を備える。圧力センサ５２は、水素ガスタンク４１の出口付近の水素ガス供給経路４２や、リリーフ弁４６とエジェクタ４５との間の水素ガス供給経路４２や、リリーフ弁４７と燃料電池スタック１１との間の水素ガス供給経路４２に設けられてもよい。

冷却系６０は、冷却水を循環させて燃料電池スタック１１を冷却する系統である。

冷却系６０は、燃料電池スタック１１とラジエータ６２との間において冷却水を循環させる冷却水循環経路６１と、燃料電池スタック１１から排出された冷却水を冷却するラジエータ６２とを備える。冷却系６０は、ラジエータ６２により冷却された冷却水を燃料電池スタック１１に圧送するウォータポンプ６３を備える。ウォータポンプ６３は、燃料電池スタック１１の発電電力によって駆動するモータ６３ａによって駆動する。予備の冷却水を貯留し冷却水の圧力を調整するリザーバタンク６４と、ラジエータ６２を冷却するファン６５とを備える。

冷却系６０は、冷却水循環経路６１を流れる冷却水をエアコンプレッサ２２に分流させてエアコンプレッサ２２を冷却するコンプレッサ冷却経路６６を備える。コンプレッサ冷却経路６６は、ウォータポンプ６３から圧送された冷却水の一部をエアコンプレッサ２２に供給し、エアコンプレッサ２２から排出された冷却水をラジエータ６２に排出する。

冷却系６０は、冷却水の温度を計測する温度センサ６７を備える。温度センサ６７は、燃料電池スタック１１の出口付近の冷却水循環経路６１に設けられてもよい。なお、冷却系６０は、ラジエータ６２と並列して冷却水循環経路６１に設けられ、冷却水からイオンを除去するイオン交換器を備えてもよい。

図５は、図２に示す各エア経路の構成を示す図である。図６は、図５に示すＶＩ－ＶＩ線の断面図である。図５及び図６において、黒色矢印はエアコンプレッサ２２により圧送されたエアの流れを示し、白抜き矢印は燃料電池スタック１１から排出されたオフガスの流れを示す。

エアバイパス経路２５は、図５に示すように、燃料電池スタック１１とエアコンプレッサ２２との間のエア供給経路２１から分岐する分岐部２６を有する。エアバイパス経路２５は、図５及び図６に示すように、オフガスを大気に排出するエア排出経路２４の排出口２４ａと燃料電池スタック１１との間のエア排出経路２４に合流するために当該エア排出経路２４に接続する接続部２７を有する。

接続部２７には、図６に示すように、オリフィス３１が形成される。オリフィス３１は、接続部２７に形成された開口である。オリフィス３１は、接続部２７よりも上流側のエアバイパス経路２５の流路断面積よりも小さい流路断面積を形成する形状を有する。すなわち、オリフィス３１が形成された接続部２７の流路断面積は、接続部２７よりも上流側のエアバイパス経路２５の流路断面積よりも小さい。オリフィス３１は、接続部２７付近のエア排出経路２４に沿って延びる板状部材３１ａを、接続部２７に設置することによって形成されてもよい。

オリフィス３１が形成された接続部２７を通過するエアの流速は、接続部２７よりも上流側のエアバイパス経路２５を流れるエアの流速よりも速くなる。オリフィス３１が形成された接続部２７を通過するエアの圧力は、接続部２７よりも上流側のエアバイパス経路２５を流れるエアの圧力よりも低下する。接続部２７を通過して圧力が低下したエアが、エア排出経路２４を流れるオフガスに合流することにより、接続部２７付近のエア排出経路２４の圧力は、オリフィス３１が形成されていない場合よりも低下する。よって、接続部２７にオリフィス３１が形成されている場合、接続部２７よりも上流側のエア排出経路２４を流れるオフガスが、接続部２７付近に向かって吸引され易くなる。

これにより、エア排出経路２４に連通する燃料電池スタック１１を流れるエアの流量が増加し得る。すなわち、この場合、エアコンプレッサ２２の出力を高めなくても、燃料電池スタック１１に供給されるエアの流量が増加し得る。燃料電池システム１０は、オリフィス３１が接続部２７に形成されることによって、エアコンプレッサ２２の出力を従来よりも抑制したとしても、所望流量のエアを燃料電池スタック１１に供給することができる。したがって、燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２の消費電力を抑制することができる。

エアコンプレッサ２２の消費電力を抑制できると、燃料電池スタック１１からエアコンプレッサ２２への電力供給量を抑制できるので、燃料電池スタック１１からプロペラ装置５への電力供給量が増加し得る。よって、燃料電池システム１０は、これを搭載する無人航空機１の燃費を向上させることができ、例えば航続距離や航続時間を長くすることができる。

更に、図６に示すように、エア排出経路２４は、接続部２７よりも上流側の位置に絞り部３２を有する。絞り部３２における流路断面積は、絞り部３２よりも上流側のエア排出経路２４の流路断面積よりも小さい。

絞り部３２を通過するオフガスの流速は、絞り部３２よりも上流側のエア排出経路２４を流れるオフガスの流速よりも速くなる。絞り部３２を通過して接続部２７付近のエア排出経路２４を流れるオフガスと、接続部２７を通過してエア排出経路２４に流入するエアとの流速差は小さくなり得る。接続部２７付近のエア排出経路２４を流れるオフガスと、接続部２７を通過したエアとの合流損失は小さくなり得る。これにより、燃料電池システム１０は、所望流量のエアを燃料電池スタック１１に供給するために必要なエアコンプレッサ２２の出力を更に抑制することができる。燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２の消費電力を更に抑制することができる。燃料電池システム１０は、これを搭載する無人航空機１の燃費を更に向上させることができる。

更に、図６に示すように、エアバイパス経路２５は、エア排出経路２４を流れるオフガスの流れ方向に対して鋭角θに傾斜した姿勢でエア排出経路２４に合流する。接続部２７付近のエア排出経路２４を流れるオフガスと、接続部２７を通過したエアとの合流損失は小さくなり得る。これにより、燃料電池システム１０は、所望流量のエアを燃料電池スタック１１に供給するために必要なエアコンプレッサ２２の出力を更に抑制することができる。燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２の消費電力を更に抑制することができる。燃料電池システム１０は、これを搭載する無人航空機１の燃費を更に向上させることができる。

なお、上記の実施形態において説明されたエア供給経路２１は、特許請求の範囲に記載された「供給経路」の一例である。エアコンプレッサ２２は、特許請求の範囲に記載された「コンプレッサ」の一例である。エア排出経路２４は、特許請求の範囲に記載された「排出経路」の一例である。エアバイパス経路２５は、特許請求の範囲に記載された「バイパス経路」の一例である。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更を行うことができる。本発明は、或る実施形態の構成を他の実施形態の構成に追加したり、或る実施形態の構成を他の実施形態と置換したり、或る実施形態の構成の一部を削除したりすることができる。

１…無人航空機、２…機体、３…フレーム、４…アーム、５…プロペラ装置、６…モータ、７…ブレード、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…二次バッテリ、２０…エア供給系、２１…エア供給経路（供給回路）、２２…エアコンプレッサ（コンプレッサ）、２２ａ…モータ、２３…エアクリーナ、２４…エア排出経路（排出回路）、２４ａ…排出口、２５…エアバイパス経路（バイパス経路）、２６…分岐部、２７…接続部、２８…圧力センサ、２９…温度センサ、３０…エアフローメータ、３１…オリフィス、３１ａ…板状部材、３２…絞り部、４０…水素ガス供給系、４１…水素ガスタンク、４２…水素ガス供給経路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…エジェクタ、４６…リリーフ弁、４７…リリーフ弁、４８…水素ガス排出経路、４９…気液分離器、５０…水素ガス循環経路、５１…排気排水弁、５２…圧力センサ、６０…冷却系、６１…冷却水循環経路、６２…ラジエータ、６３…ウォータポンプ、６３ａ…モータ、６４…リザーバタンク、６５…ファン、６６…コンプレッサ冷却経路、６７…温度センサ

Claims (5)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにエアを供給する供給経路と、
   前記供給経路に設けられ前記燃料電池スタックにエアを圧送するコンプレッサと、
   前記燃料電池スタックから排出されたエアを含むオフガスを大気に排出する排出経路と、
   前記燃料電池スタックと前記コンプレッサとの間の前記供給経路から分岐して前記排出経路に合流するバイパス経路と、
   前記バイパス経路の前記排出経路との接続部に形成されたオリフィスと、を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排出経路は、前記接続部よりも上流側に絞り部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バイパス経路は、前記排出経路を流れる前記オフガスの流れ方向に対して鋭角に傾斜して前記排出経路に合流する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記供給経路は、前記コンプレッサにより圧送されたエアを前記燃料電池スタックに直接供給する
   ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 請求項１～４の何れか一項に記載の燃料電池システムを搭載することを特徴とする無人航空機。

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