JP2022537431A - クリーン燃料の電気航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムの方法および装置 - Google Patents

クリーン燃料の電気航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムの方法および装置 Download PDF

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Abstract

実物大のクリーン燃料電動航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムの方法および装置であって、複数の水素燃料電池から電子を収集して、複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれの電圧およびトルクまたは電流の量および分配を、選択および制御するように構成されるオートパイロット制御ユニットによって命令されるモータコントローラに電圧および電流を供給するように構成される電気回路を使用して、ターボチャージャ、スーパーチャージャ、ブロワ、または酸素の局所供給によって圧縮された空気からのガス状酸素および熱交換器によって変換された液体水素からのガス状水素を処理するために連動して動作する複数の燃料電池を含む燃料電池モジュールを有し、電気回路から戻る電子は圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンが酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子および熱を形成する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、両出願に共通するすべての主題について、２０１９年６月２１日に提出された同時係属中の米国仮出願第６２／８６４，７５１号の優先権および利益を主張するものである。上記仮出願の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、実物大のクリーン燃料の電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）またはマルチロータ航空機のための、軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムの方法および装置に関する。これは、排他的ではないが、次世代空モビリティ（ＡＡＭ）航空機を含む、搭載燃料電池電気（低排出または無排出）マルチロータ航空機への特定の用途に見いだされ、燃料電池モジュールまたはその他の搭載動力源が燃料を電気に変換し、次いで、その電気を使用して複数の電気モータを動作させる。測定結果を使用してコンピュータ監視に通知することにより、方法およびシステムは、燃料供給システムおよび発電システムの両方に関連するデータを使用して、航空機の機能および効率を向上させることができる。マルチロータ航空機は、無人航空機（ＵＡＶ）またはドローンモードで、リモートコマンドまたは事前にプログラムされた目的地までのルートのいずれかに従って動作し得るか、またはパイロットがオペレータモードで動作させ得る。
縮尺マルチロータ航空機（マルチコプタと呼ばれることもある）は新しいものではないが、それらは、人間の乗客を運ぶという厳密さ、または要件を意図していない縮尺モデルであり、大部分は玩具として使用されるか、または、無線制御リモコンによって動きが制御された状態で限られた期間の監視または航空写真撮影のミッションのために、または事前に計画されたルートを飛行するために使用される。すべてではないにしても、ほとんどがバッテリ駆動である。例えば、米国特許出願第２０１２００８３９４５号は、特に縮尺マルチコプタに関するものであるが、ＦＡＡ認定の乗客輸送を実施するために必要な安全性、構造、または冗長性の機能についても、耐障害性および状態変数解析を伴う実用的な乗客輸送車両を実施するために必要ないかなるシステムについても、搭載された燃料からそれ自体の電力を生成するいかなる方法についても言及されていない。人間の乗客を安全かつ確実に運び、米国および外国の空域内で動作できる実物大の航空機を提供するための動力学および完全性の要件は、以前の縮尺モデルのものとは大幅に異なる。
現在、個人の移動の多くは飛行機で行われている。５００マイル（約８０５キロメートル）超の目的地の場合、飛行機は、歴史的に最も速い交通手段であり、乗客１マイル（約１．６キロメートル）あたりの負傷者数の観点で最も安全である。しかし、米国内には約２００のハブアンドスポーク空港しか存在せず、人口の多くは空港から３０分以上離れた場所に住んでいる。さらに、米国全土に小さな管制塔がある５，３００以上の地方空港、および限られた数の管制塔がある、または管制塔がない１９，０００以上の小さな空港があり、人口の９７％超が飛行場から１５～３０分以内の場所に住んでいる。これまで数多く述べられてきたように、これは、ほとんど活用されていない能力である。
２１世紀では、既存のハブアンドスポーク空港システムの多くの制約、ならびに２次元の州間高速道路システムおよび通勤高速道路システムの混雑は残したまま、３次元空域でのより分散された分散型の移動を可能にするために、進化している米国航空宇宙システム（ＮＡＳ）の高度な技術を適用する機会が利用可能である。
多くの大都市および都市圏は、通勤交通によって事実上、麻痺しており、主要な幹線道路はすでに輸送能力の限界または輸送能力を超えており、住宅および既存事業が、拡幅またはさらなる建設に深刻な障害をもたらしている。ＮＡＳＡは、「Ｌｉｆｅ Ａｆｔｅｒ Ａｉｒｌｉｎｅｒｓ」シリーズのプレゼンテーション（Ｌｉｆｅ Ａｆｔｅｒ Ａｉｒｌｉｎｅｒｓ ＶＩ，ＥＡＡ Ａｉｒ Ｖｅｎｔｕｒｅ ２００３，Ｏｓｈｋｏｓｈ，ＷＩ．２００３年８月３日、およびＬｉｆｅ Ａｆｔｅｒ Ａｉｒｌｉｎｅｒｓ ＶＩＩ、ＥＡＡ Ａｉｒ Ｖｅｎｔｕｒｅ ２００４，Ｏｓｈｋｏｓｈ，ＷＩ．２００４年７月３０日を参照）において、およびＮＡＳＡのＢｒｕｃｅ Ｈｏｌｍｅｓ博士（Ｓｍａｌｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ － Ａ Ｖｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ２１ｓｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ，Ｄｒ．Ｂｒｕｃｅ Ｊ．Ｈｏｌｍｅｓ，ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ．２００２を参照）は、短距離の空中移動を提供するために、オンデマンドで、細分化され、分散され、二地点間の、および拡張可能な方法で動作する個人用航空機（ＰＡＶ）の階層統合に基づく航空の未来を主張している。このようなシステムは、今日の集中型の集約されたハブアンドスポークシステムではなく、２１世紀の統合された空域、自動化、および技術に大きく依存する。この階層的ビジョンの第１の層、または最下位の層は、小型の個人用航空機または航空機であり、陸上輸送の混雑または高能力空港の可用性によって制限されることなく、人々が任意の二地点間で効率的かつ簡単に移動することを可能にする。主な要件には、車両の自動化、レーダが装備されていない空域および管制塔施設のない場所での動作、推進力のための環境技術、安全性および信頼性の向上、および米国航空宇宙システム（ＮＡＳ）または外国の同等システム内での統合された動作のためのエンルート飛行要領およびシステムが含まれる。ＮＡＳＡが掲げる最終的な目標には、自動化された自力式航空機および都市内輸送用のための非炭化水素動力航空機が含まれる。ＮＡＳＡは、やがて来る将来の全移動距離の最大４５％が個人用航空機であると予測している。
したがって、先進アビオニクスおよび飛行制御技術と組み合わせて、（これまで電気化学バッテリに貯蔵されていたエネルギを単に消費するのとは対照的に）独自の電力を生成するための搭載能力を備える、高信頼性、安全性、単純性、および冗長性の制御機能を有する最先端の電気モータおよび電子機器およびコンピュータ技術に基づき、通勤、レクリエーション、都市間輸送、産業、配達のための用途、または、とりわけ搭乗している人間の乗客の有無にかかわらないセキュリティおよび監視の用途が見いだされる実物大のマルチコプタの実装について説明する。
一般に、縮尺マルチロータ航空機（マルチコプタと呼ばれることもある）は新しいものではないが、それらは、人間の乗客を運ぶという厳密さ、または要件を意図していない縮尺モデルである。その結果、これらのデバイスは、一般に基本的なバッテリ、ヒートシンク、電気モータを含むが、エンジンの付いた乗用車に通常、搭載されている冷却システムのためのラジエータ、流体（しばしば、冷却剤と呼ばれる）、冷却ファン、または監視デバイスがない単純な発電システムに依存している。
人間の乗客を安全かつ確実に運ぶことができる実物大の航空機を提供するための動力学および完全性の要件は、縮尺モデルのものとは大幅に異なる。このような車両には、先進アビオニクスおよび飛行制御技術と組み合わせて、電力を生成するための搭載能力を備える、高信頼性、安全性、単純性、および冗長性の制御機能を有する最先端の電気モータ、電子機器およびコンピュータ技術が必要である。航空機に搭載された電力の生成および分配には、非効率的な性能および資源の消費、環境汚染、コスト増加、重量または空間の消費の増加、車両構造の制約、不要な車両コンポーネントの複雑性および冗長性を含む、いくつかの課題がある。
燃料電池を使用して電力を生成することは魅力的な代替手段であるが、航空機の要求により、現在の燃料電池技術を実用的な方法で実装することは困難である。一般に、燃料電池は、燃料および酸化剤の化学エネルギを化学反応、ほとんどの場合、１対の酸化還元反応によって直接電気に変換する様々なタイプの電気化学電池である。燃料電池の２つの化学反応は、電解質および２つの電極、それぞれ負のアノードおよび正のカソードという３つの異なるセグメントまたはコンポーネントの界面で発生する。燃料電池は燃料を消費し、２つの酸化還元反応の最終結果として電流を生成し、この電流を使用して、通常は負荷と呼ばれる電気デバイスに電力を供給するだけでなく、唯一の他の生成物として水または二酸化炭素および熱を生成することもできる。燃料、例えば、水素がアノードに供給され、空気がカソードに供給される。アノードでの触媒は、燃料に酸化反応を起こさせ、イオン（多くの場合、正に帯電した水素イオンまたはプロトン）および負に帯電した電子を生成し、これらの電子は、カソードへの様々な経路を取る。通常は微細な白金粉末である、アノード触媒は、燃料を電子とイオンに分解し、電子は外部回路を通ってアノードからカソードに移動し、両端間の電圧降下が電気の流れを生成し、直流電気を生成する。イオンは、電解質を通ってアノードからカソードに移動する。電解質は、イオン、多くの場合、正に帯電した水素イオン（プロトン）が、燃料電池の両側の間を移動できるようにする。電解質物質は、通常、燃料電池のタイプを定義し、水酸化カリウム、炭酸塩、リン酸などのいくつかの物質から作ることができる。イオンまたはプロトンは、電解質を通ってカソードに移動する。カソードでは、別の触媒によってイオン、電子、および酸素が反応する。カソード触媒、多くの場合ニッケルは、イオンを廃棄物に変換し、主な副産物として水を形成する。したがって、水素燃料の場合、電子は酸素およびプロトンと結合して、発生した電気、水および熱のみを生成する。
燃料電池は用途が広く、拡張可能であり、発電所または機関車のような大きなシステムから、パーソナル電子デバイスまたはホビードローンのような小さなシステムまで電力を供給できる。燃料および電解質物質は、燃料電池のタイプを定義する。燃料電池は、水素などの燃料の化学エネルギを使用して、クリーンで効率的に電気を生成する。燃料電池は、燃焼ではなく化学的に電気を生成するため、従来の発電所を制限する特定の熱力学的法則（例えば、カルノー制限）の影響を受けない。したがって、燃料電池は、ほとんどの場合、従来の燃料燃焼よりも燃料からエネルギを抽出するのに効率的である。また、一部の電池からの排熱も利用することで、システム効率をさらに向上させることができる。
一部の燃料電池は純水素を必要とし、他の燃料電池は一部の不純物を許容できるが、効率的に稼働するにはより高い温度が必要になる可能性がある。液体電解質は一部の電池を循環しており、これには、動的で空間が制限された環境でそのような電池を使用する可能性を低下させる、ポンプまたはその他の追加機器が必要となる。イオン交換膜電解質は、低コストで効率および耐久性が向上している。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の固体で柔軟な電解質は、漏れたり割れたりすることはなく、これらの電池は車両に適した十分に低い温度で動作する。しかし、これらの燃料は精製しなければならならず、したがって、燃料を精製するために「改質装置」または電解槽などの前処理装置が必要になり、システムの複雑さが増大し、利用可能な空間が減少する。白金触媒は膜の両側に使用されることが多く、コストが高くなる。個々の燃料電池は、わずかな量の直流（ＤＣ）電力しか生成せず、実際には、スタックに組み立てられた多くの燃料電池を必要とする。これには、かなりの発電が必要であるが、空間および、特に重量を最小限に抑えなければならない航空機の実装において困難をもたらし、実行可能な飛行性能を達成するために、様々な設定および条件で関連する化学反応、電磁、および熱力学原理を実装するためのより効率的な方法を必要とする。
効率的な車両性能のために、好ましい動作条件（例えば、温度）で機能するために追加のリソースを消費または要求する代わりに、利用可能なリソースを使用しながら、ターボチャージャまたはスーパーチャージャおよび熱交換器の有利な特性を設計に活用して、航空機（次世代空モビリティ航空機を含む）のニーズに動的に対応するための電力（電圧および電流）の生成および分配の効率および効果を向上させる実物大のクリーン燃料の電動ＶＴＯＬ航空機のための、改良された軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムの方法および装置が必要である。さらに、航空機の飛行を正常に維持するために順守しなければならない飛行パラメータによって要求される車両の体積および質量の制限により、航空機内で使用されるシステムの数、質量、およびサイズを制限しながら、発電システムからの排熱を同時に放散し、電力および電気システムが過熱するのを防ぎ、貯蔵された液体水素燃料を燃料電池および他の発電コンポーネントに供給するためにガス状水素燃料に効率的に変換する必要がある。本発明は、他の望ましい特性を有することに加えて、この必要性に対処するためのさらなる解決策に関する。具体的には、本発明は、ガス状水素、液体水素、または他の一般的な燃料（圧縮、液体、またはガス状燃料を含む）などの燃料から電気を生成するシステムを含む軽量機体胴体またはマルチロータ機体胴体と、軽量マルチロータ機体胴体または他のフレーム構造に取り付けられた電気リフトおよび推進システムと、それぞれがプロペラまたはロータを駆動するＡＣまたはＤＣブラシレス電気モータの逆回転対、ナビゲーション用に統合されたアビオニクスシステムと、モータを管理し、車両の安定性を維持し、飛行ベクトルおよびパラメータを維持し、電力および燃料の供給および分配を制御し、機構を動作させ、当業者によって理解されるような熱力学的動作条件または他の車両性能を制御するための冗長オートパイロットシステムと、ルートを事前に計画する能力をオペレータに提供し、オートパイロットを介して、またはタブレットコンピュータまたは一連のオペレータジョイスティックの動きを通じて推力、ピッチ、ロール、およびヨーを直接制御して目的地まで飛行するシステムを有する、タブレットコンピュータベースのミッション計画および車両制御システムと、交通状況および状況認識、天気表示および警告を提供するためのＡＤＳＢまたはＡＤＳＢのような能力（リモートＩＤを含む）とを有する次世代空モビリティ（ＡＡＭ）航空機を含む、実物大の垂直離着陸有人または無人航空機において燃料電池モジュールを使用して電力の生成および分配を管理するためのシステム、方法および装置に関する。本明細書で使用されるリモートＩＤは、飛行中の無人航空機システム（ＵＡＳ）が、連邦航空局（ＦＡＡ）によって公布された規則およびプロトコルと一致する他の当事者が受信できる識別情報を提供する能力を指す。車両にはテールロータがなく、揚力は、電気モータのセットによって提供され、例示的な実施形態では、直接結合された二重反転プロペラの対、または、ロータとも呼ばれる、二重反転プロペラの縮小された遊星もしくは他のギアボックスの対を駆動する１つまたは複数の対の小さな電気モータを備える。モータの各対に二重反転プロペラを使用すると、回転の慣性によって生成するはずのトルクが相殺される。プログラムされた単一または冗長デジタルオートパイロット制御ユニット（オートパイロットコンピュータ）による自動コンピュータ監視、またはモータ管理コンピュータを含む制御システムおよびコンピュータ監視は、各モータコントローラおよびモータを制御して、ピッチ、バンク、ヨーおよび仰角を生成する一方で、同時に、搭載された慣性センサを使用して、車両の安定性を維持し、パイロットまたはルート計画ソフトウェアが命令できる飛行レジームを制限し、不慮の急勾配の土手またはピッチ、または制御の喪失につながる可能性のあるその他の潜在的に有害な行為から車両を保護する一方で、さらに、同時に、航空機コンポーネントおよび区画の温度および熱伝達を測定、計算、調整しながら、冷却システムおよび加熱システムのパラメータ、弁、ポンプを同時に制御して、モータ、燃料電池、その他の重要なコンポーネントが動作パラメータを超えないように保護し、飛行中の乗員に安全で快適な環境を提供する。車両状態に関する検知されたパラメータ値は、推奨される車両の動作パラメータを超えそうなときを検出するために使用される。モータ制御コマンドを通知するために、車両状態測定からのフィードバックを使用することによって、および冗長オートパイロットコンピュータ間で投票することによって、方法およびシステムは、車両の動作の単純性、安定性、信頼性、安全性、および低コストに寄与する。動作パラメータを超えるか、または設定された許容限界または安全率を超えた場合は、緊急システムが作動し得る。電力は、電圧および電流を生成するための１つまたは複数の搭載燃料電池モジュール、発電および過剰な熱または熱エネルギの生成を監視および制御するための電子機器、ならびに各モータに指令された電圧および電流を制御し、その性能（とりわけ、結果として生じるＲＰＭ、電流、トルク、温度などの指標を含み得る）を測定するためのモータコントローラによって提供される。燃料電池モジュール、モータ、モータコントローラ、バッテリ、回路基板、およびその他の電子機器では、過剰な熱または排熱を除去または放散しなければならない。液体水素は、気体状態に変換して、燃料電池に供給するために熱交換器を通して温められる（または、代わりに、流体の圧力を変更して、液体Ｈ２からガス状水素への相転移を生じさせ、熱交換器を使用してガス状水素を温めることができる）。次いで、その熱交換器は、燃料電池からの排熱を冷却するのに役立ち得るか、または乗員の快適性のための航空機のキャビンの冷却に寄与するために使用され得る。発電、または液体燃料の貯蔵および気体状態への変換の副産物である熱エネルギは、車両の乗客エリアに暖房および冷房を提供するために使用される。
本発明は、実物大でクリーン燃料の電気マルチロータ車両、特に、本明細書では、オンデマンドで広く分散されたポイントツーエニーポイントの２１世紀のエアモビリティシステムの一部としてのマルチロータ航空機、個人用航空機（ＰＡＶ）、航空移動車両（ＡＭＶ）、または次世代空モビリティ（ＡＡＭ）航空機とも呼ばれる実物大のマルチロータ航空機のコア設計の一部に対処する。明確にするために、本明細書におけるマルチロータ航空機へのすべての言及は、ＡＡＭ航空機を含むが、これに限定されない、上記の車両のいずれかまたはすべてを含む。連邦航空局によって識別されるクラスＥまたはクラスＧ空域で有視界飛行方式（ＶＦＲ）の下で動作させる場合、車両の動作は単純で多くのオペレータにとって魅力的であり、したがって、ほとんどの通勤状況では、航空交通管制塔とのいかなる無線対話も必要ない。その他の場合、車両は、他の空域クラス、ＶＦＲおよびＩＦＲ（計器飛行方式）およびパート１３５（チャーター航空機）の運用で、米国または、限定されないが、米国が航空機の認証および運用を管理する二国間協定を維持している国を含む、他国の同等の規制で運用され得る。
このクラスの車両の多くの用途の中には、オペレータがより複雑な従来の航空機またはヘリコプタに必要な操縦スキルのレベルを有する必要がない通勤、地域交通、エアタクシサービス、救急医療サービス、災害救援活動、およびレクリエーション（ならびにその他の用途）を含む次世代の個人輸送がある。この進化は、個人用航空機（ＰＡＶ）または航空移動車両（ＡＭＶ）と呼ばれる。この車両にはまた、法執行機関、国境警備、軍事偵察、緊急救援援助、および商用ユーザに役立つ、空中監視、セキュリティおよび偵察、警備、および荷物または援助物資の配達への自律的または無人の用途がある。
車両には、（一般に「ジョイスティック」またはサイドアームコントローラと呼ばれるコントロールを使用して、またはスロットルおよびジョイスティックコマンドを模倣するためのタブレットコンピュータのモーションを使用して）オペレータによる制御入力を受け入れ、電気モータコントローラ、空のハイウェイの表示、場所、地形および高速道路を提供する先進アビオニクスおよびＧＰＳ機器、および一時的ユーザでも、短いデモ飛行の後にシステムを習得できる簡素化されたゲームのような制御システムへのコマンドを管理するための冗長オートパイロットコンピュータが装備されている。タブレットコンピュータは、オペレータにルートを事前に計画する能力を付与し、オートパイロットを介して、またはタブレットコンピュータ自体の動きを通じて推力、ピッチ、ロール、ヨーを手動で制御して目的地まで飛行するシステムを有するミッション計画および車両制御システム能力を提供する。あるいは、制御入力は、ユーザの好みに応じて、垂直揚力（プロペラＲＰＭまたはトルク）制御のためのスロットル、ピッチ（機首上げ／下げ角）およびバンク（左または右への角度）制御のためのジョイスティック、またはピッチ、バンク、および推力の要素を１つまたは複数の制御要素に組み合わせる多軸ジョイスティックを使用して行うことができる。オートパイロット制御ユニットまたはモータ管理コンピュータは、オペレータまたはオートパイロットの指示による制御入力を測定し、これを既知の性能表または関連する計算に従って、個々の電気モータのコントローラへのコマンドに変換し、次いで、上記コマンドに対するモータの反応を監視し、車両状態データ（ピッチ、バンク、ヨー、ピッチ率、バンク率、ヨー率、垂直加速度、横加速度、縦加速度、ＧＰＳ速度、垂直速度、対気速度、その他の要因）を監視して、車両の動作が所望のエンベロープ内にあることを確認する。
本発明の例示的な実施形態によれば、クリーン燃料航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池モジュールであって、燃料電池モジュールは、１つまたは複数の熱交換器と流体連通する複数の水素燃料電池と、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ、ブロワ、コンプレッサ、空気または酸素の局所供給またはそれらの組み合わせを含む１つまたは複数の酸素供給機構と、各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池内のガス状水素（ＧＨ２）を、各水素燃料電池に接続されたアノードバッキング層を通して迂回させるように構成され、プロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有する第１のチャネルアレイを有する、水素フローフィールドプレートを有する、複数の水素燃料電池の各水素燃料電池を備え、アノード側触媒層は、ＧＨ２に接触し、ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成される。燃料電池モジュールは、各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池内の圧縮された空気を、各水素燃料電池に接続されたカソードバッキング層を通して迂回させるように構成され、ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有する第２のチャネルアレイを有する、酸素フローフィールドプレートを備え、ＰＥＭは、ポリマを含み、プロトンがアノード側からカソード側に浸透することを可能にするが、電子を制限するように構成される。燃料電池モジュールは、アノード側の触媒層から電子を収集し、航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路を備え、電気回路から戻る電子は、圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンは酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する。燃料電池モジュールは、各水素燃料電池からＨ２Ｏおよび圧縮された空気を除去するために、第２のチャネルアレイを使用するように構成される酸素フローフィールドプレートの流出端および、各水素燃料電池から排気ガスを除去するために、第１のチャネルアレイを使用するように構成される水素フローフィールドプレートの流出端を含み、それによって、フローベクトルを有する複数の水素燃料電池のそれぞれの内部にサブコンポーネントを配置し、複数の水素燃料電池を、部品点数を削減したモジュール式に組み合わせることができる耐障害性ユニットを形成し、燃料電池モジュールによって生成される電力と燃料電池モジュールの重量との比率を、航空パワートレインに適合したキログラムあたり少なくとも１キロワットにする、燃料電池モジュール内で整列された１つまたは複数の燃料電池スタックに組み立てることを可能にする。本出願では、発電サブシステムの実施形態は、複数のモータおよびプロペラアセンブリを制御するように構成される複数のモータコントローラに電圧および電流を供給する１つまたは複数の燃料電池モジュールと、ゼロか１つまたは複数のバッテリアレイと、１つまたは複数の回路基板と、１つまたは複数のプロセッサと、１つまたは複数のメモリと、１つまたは複数の電子コンポーネント、電気接続、電線と、各電源と電気メインバスとの間の絶縁を提供する１つまたは複数のダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴまたはＩＧＢＴまたはＳｉＣ）を備え得る。１つまたは複数の燃料電池モジュールは、１つまたは複数の水素駆動燃料電池をさらに備えることができ、各水素駆動燃料電池は、熱交換器を使用してガス状態に温められた液体水素（ＬＨ２）から抽出されたガス状水素（ＧＨ２）を燃料とし、１つまたは複数の燃料電池モジュールは、燃料槽からの水素を空気と結合して、当業者に知られている電気化学過程に従って電圧および電流を供給する。燃料槽は、内槽および外槽、絶縁ラップ、内槽と外槽との間の真空をさらに備え、それによって、約１０バール（約１ＭＰａ）、または１４０ｐｓｉ（約０．９６５ＭＰａ）の動作圧力を生成することができる。バッテリサブシステムは、冷却剤を輸送する冷却剤導管と流体連通している高電圧バッテリアレイ、バッテリ監視および充電サブシステムを備えることができる。
本発明の態様によれば、燃料電池モジュールは、モジュールハウジング、燃料供給アセンブリ、再循環ポンプ、冷却剤ポンプ、燃料電池制御、センサ、エンドプレート、冷却剤導管、接続部、水素入口、冷却剤入口、空気入口、空気フィルタ、ブロワ、風量計、水素出口、空気出口、冷却剤出口、および１つまたは複数の燃料電池モジュールに接続され、流体連通し、冷却剤を輸送する冷却剤導管をさらに備えることができる。
本発明の態様によれば、１つまたは複数のターボチャージャまたはポンプまたはスーパーチャージャを備える１つまたは複数の酸素供給機構は、空気駆動するか、または生成される電力の一部を使用して、小さなモータを駆動でき、次いで、吸気口と流体連通し、周囲空気を収集して圧縮された空気に圧縮し、複数の水素燃料電池の各水素燃料電池の酸素フローフィールドプレートの空気入口および流入端に供給するように構成される圧縮手段を回転させ、１つまたは複数のターボチャージャまたはスーパーチャージャブロワ、コンプレッサ、空気または酸素の局所供給、またはそれらの組み合わせ、および燃料電池モジュールを備える１つまたは複数の酸素供給機構は、１つまたは複数の空気フィルタおよび風量計と流体連通して、生成される電力レベル、大気圧、および温度に基づいて燃料電池モジュールの入口酸素要件に一致するように、各空気入口で圧縮された空気を計測および制御する。
本発明の態様によれば、酸素フローフィールドプレートは、ＰＥＭを酸素フローフィールドプレートと水素フローフィールドプレートとの間に介在させ、水素フローフィールドプレートの反対側の複数の水素燃料電池の各水素燃料電池内に配置できる。
本発明の態様によれば、１つまたは複数の熱交換器は、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽と流体連通するように構成でき、１つまたは複数の熱交換器は、熱エネルギ伝達を使用してＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するように、または、システムが、ＬＨ２をガス状水素（ＧＨ２）に変換するために圧力の変化を使用するなどの他の方法などによる相転移を実行して、水素を温め（例えば、すでに抽出されたガス状水素（ＧＨ２）の温度を上げる）、許容可能な燃料電池スタックの入力温度ウィンドウまたはパラメータ（特定の燃料電池の仕様によって異なる）内に収まるようにさらに構成される。燃料槽は、チタン、ポリマ、ステンレス鋼、または炭素繊維エポキシシェル、プラスチック、ポリマ、またはステンレス鋼のライナ、チタン、ポリマ、炭素繊維、またはステンレス鋼の内槽、両方の槽間の絶縁材料、液体をガス状に膨張させる膨張手段、（任意選択の）槽取り付け設備、配管設備、落下保護、および内槽と外槽との間の減圧（部分的またはほぼ完全な真空）を維持するための設備をさらに備えることができ、燃料として水素の作動流体を使用するように構成される。あるいは、燃料槽は、３１６Ｌステンレス鋼または、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を有するライナ材料を使用した、他の適切な材料を有するボスおよび外槽をさらに備え、燃料槽は、用途によって異なるが、特定の具現化では、約７０ＭＰａの範囲で動作する動作圧力、および約１０５ＭＰａの範囲の耐圧力で、ガス状水素の作動流体を使用するように構成される。燃料として液体水素を使用する実施形態を考えると、１つまたは複数の熱交換器は、伝導を含む熱力学を使用して、１つまたは複数の熱交換器および燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される燃料に熱交換器壁および熱交換器表面を越えて熱または熱エネルギを伝達するように構成でき、作動流体および燃料は、互いに物理的に隔離されたままである。
本発明の態様によれば、電気回路を含む統合システムは、航空機コンポーネントに電力を供給する電気回路に電圧および電流を供給する各水素燃料電池内に配置された電気コレクタを有し、クリーン燃料航空機の複数のモータおよびプロペラアセンブリを制御するように構成される複数のモータコントローラを含む電力分配監視および制御サブシステムを備え得る。
本発明の例示的な実施形態によれば、クリーン燃料の航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムは、複数のモータコントローラによって制御される複数のモータおよびプロペラアセンブリに電圧および電流を供給するように構成される複数の水素燃料電池を有する少なくとも１つの燃料電池モジュールを有する発電サブシステムと、少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通し、燃料を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽を有する燃料供給サブシステムと、燃料槽および複数の水素燃料電池の各水素燃料電池、複数の流体導管を含む少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する熱交換器および、冷却剤を貯蔵および輸送するように構成される、少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する少なくとも１つのラジエータを有する熱エネルギインタフェースサブシステムとを備える。システムはまた、周囲空気を圧縮するように構成され、少なくとも１つの空気入口および少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ、ブロワ、コンプレッサ、空気または酸素の局所供給、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を含む１つまたは複数の酸素供給機構を有する外部インタフェースサブシステムを備える。システムはまた、複数のモータコントローラおよびアビオニクスサブシステムへの供給された電圧および電流の分配を監視および制御するための配電監視および制御サブシステムであって、動作条件を測定するように構成される１つまたは複数の検知デバイスおよび、複数の水素燃料電池の各水素燃料電池から電子を収集し、複数のモータコントローラおよび航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路であって、電気回路から戻る電子は圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンは酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成し、複数のモータコントローラは、測定された動作条件に基づいてアルゴリズムを計算するように構成され、複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれに対する電圧およびトルク、または、電流の量および分配を、選択および制御するように構成される、コンピュータプロセッサを有する１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットによって命令される、電気回路とを有する、配電監視および制御サブシステムを備える。
本発明の態様によれば、熱エネルギインタフェースサブシステムの熱交換器は、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される複数の流体導管および燃料槽と流体連通し、熱交換器は、伝導を含む熱力学を使用して、１つまたは複数の熱交換器および燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される燃料に熱交換器壁および熱交換器表面を越えて熱または熱エネルギを伝達することによる熱エネルギ伝達を使用して、（例えば、すでに抽出されたガス状水素（ＧＨ２）の温度を上げるため）ガス状水素（ＧＨ２）を動作温度まで温めるか、または、ＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するようにさらに構成でき、作動流体および燃料は互いに物理的に隔離されたままである。
本発明の態様によれば、システムは、複数の水素燃料電池の各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池内のガス状水素（ＧＨ２）を、各水素燃料電池に接続されたアノードバッキング層を通して迂回させるように構成され、プロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有する第１のチャネルアレイを有する、水素フローフィールドプレートをさらに備え、アノード側触媒層は、ＧＨ２に接触し、ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成される。システムは、各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池に接続されたカソードバッキング層を通して各水素燃料電池内の圧縮された空気を迂回させるように構成され、ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有する第２のチャネルアレイを有する、酸素フローフィールドプレートをさらに備え、ＰＥＭは、ポリマを含み、プロトンがアノード側からカソード側に浸透することを可能にするが、電子を制限するように構成される。システムは、アノード側の触媒層から電子を収集し、電圧および電流を発電サブシステムの電力分配監視および制御サブシステムに供給するように構成される電気回路を含み得て、電気回路から戻る電子は、圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンは酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する。システムはまた、第２のチャネルアレイを使用して各水素燃料電池からＨ２Ｏおよび圧縮された空気を除去するように構成される酸素フローフィールドプレートの流出端および、第１のチャネルアレイを使用して各水素燃料電池から排気ガスを除去するように構成される水素フローフィールドプレートの流出端を備え得る。
本発明の態様によれば、システムは、１つまたは複数のバッテリアレイと、１つまたは複数の回路基板と、１つまたは複数のプロセッサと、１つまたは複数のメモリと、１つまたは複数の電子コンポーネント、電気接続、電線と、電気メインバスと少なくとも１つの燃料電池モジュールを含む１つまたは複数の電源との間の絶縁を提供する１つまたは複数のダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはＳｉＣ）とをさらに備え得る。
本発明の態様によれば、燃料供給サブシステムは、ガス状水素（ＧＨ２）、液体水素（ＬＨ２）、または低温圧縮水素（ＣＣＨ）、または燃料電池と互換性のあるその他の適切な物質を含む燃料を貯蔵および輸送するように構成された燃料槽とそれぞれ流体連通する、燃料配管、水または燃料ポンプ、充電または燃料コネクタ用の燃料補給接続、１つまたは複数のベント、１つまたは複数の弁、１つまたは複数の圧力調整器、およびユニオンをさらに備え得る。
本発明の態様によれば、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱安全センサは、燃料供給サブシステム内のガスの温度および濃度を監視でき、また、１つまたは複数の圧力計、１つまたは複数のレベルセンサ、１つまたは複数の真空計、１つまたは複数の温度センサを有し、さらに、少なくとも１つの燃料電池モジュールおよび複数のモータコントローラを有し、それぞれが、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス、または同様のネットワークまたはバスを使用して温度およびその他のパラメータを自己測定および報告し、弁、ポンプ、またはそれらの組み合わせについて、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットに通知し、熱エネルギが冷却剤から伝達される流体を使用して、燃料の供給または冷却の増減を可能にするように構成され、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットは、複数のモータコントローラ、燃料供給サブシステム、少なくとも１つの燃料電池モジュール、および異なる場所への燃料、空気および冷却剤の流れを変える弁およびポンプを動作させるコマンドを使用する流体制御ユニットを指揮する少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットを有し、少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットは、冗長ネットワークを介して投票プロセスを伝達する。本発明の態様によれば、少なくとも１つの燃料電池モジュールは、燃料供給アセンブリ、空気フィルタ、ブロワ、風量計、再循環ポンプ、冷却剤ポンプ、燃料電池制御、センサ、エンドプレート、冷却剤導管、接続部、水素入口、冷却剤入口、酸素入口、水素出口、酸素出口、冷却剤出口、および少なくとも１つの燃料電池モジュールに接続され、流体連通し、冷却剤を輸送する冷却剤導管をさらに備える。
本発明の態様によれば、コンピュータプロセッサを備える１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットは、それぞれが少なくとも１つの燃料電池モジュールに空気または酸素を供給する、１つまたは複数の空気駆動ターボチャージャまたはスーパーチャージャ、ブロワ、エアコンプレッサ、または搭載された補助的な酸素供給物を有する１つまたは複数の酸素供給機構を使用して、複数のモータコントローラによって制御される複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれへの、発電サブシステムの複数の水素燃料電池からの電圧および電流の量および分配を、１つまたは複数のアルゴリズムに基づいて計算、選択、および制御し、ＬＨ２またはＧＨ２を温めるために使用される熱交換器または気化器を有する熱エネルギインタフェースサブシステムを使用して、および／または少なくとも１つのラジエータまたは１つまたは複数の排気ポートを使用して排熱を放散し、排気ガスとともに排熱を排出するようにさらに構成され得て、Ｈ２Ｏ分子は、１つまたは複数の排気ポートまたはベントを使用して除去される。
本発明の態様によれば、システムは、それぞれが複数の対のプロペラブレードまたは複数のロータブレードを有し、それぞれが、複数のモータコントローラおよび複数の水素（または他の適切な物質）燃料電池からの電圧および電流を分配する電力分配監視および制御サブシステムに電気的に接続され、それらによって制御される、複数のモータおよびプロペラアセンブリ（「ロータ」アセンブリ）に取り付けられ、それらを支持する、車両重量、人間の乗員および／またはペイロードを支持するマルチロータ機体胴体を有する、１人または複数の人間の乗員および／またはペイロードを輸送するための大きさ、寸法、および構成の実物大の電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）、電気または従来の固定翼航空機システム内に実装され得る。
本発明の態様によれば、複数のモータコントローラは、高電圧、高電流の液冷または空冷コントローラであり得る。システムは、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットへの有線または無線（ＲＦ）または光ファイバ接続を有する、ソフトウェアを含むミッション計画コンピュータおよび、クリーン燃料航空機との間の衝突回避、通行、緊急検出、および気象情報をソフトウェアに提供する、無線接続または有線接続または光ファイバ接続の放送型自動従属監視（ＡＤＳＢ）またはリモートＩＤユニットをさらに備える。コンピュータプロセッサおよび入力／出力インタフェースを有する１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットは、シリアル（ＲＳ２３２、ＳＰＩ、Ｉ２Ｃおよび当技術分野で知られている他のもの）、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＡＲＩＮＣ４２９、離散デジタル入力、離散デジタル出力、アナログ電圧入力、アナログ電圧出力、モータ制御用のパルス幅変調出力、組み込みまたはスタンドアロンのエアデータコンピュータ、組み込みまたはスタンドアロンの慣性測定デバイス、および１つまたは複数の相互通信チャネルまたはネットワークから選択されるインタフェースのうちの少なくとも１つを有し得て、クリーン燃料航空機の動作条件、制御パネル、計量器、およびセンサ出力を監視および表示するために使用される標準的なアビオニクスの構成を有する簡略化されたコンピュータおよびディスプレイと、ローカル電流貯蔵を提供するための対応する電圧のバッテリを使用して、マルチロータ航空機システムの一次電圧のうちの少なくとも一部を、１２Ｖ、２４Ｖ、２８Ｖからなるグループの１つまたは複数を含む標準電圧、またはアビオニクス、ラジエータファンモータ、コンプレッサモータ、ウォータポンプモータおよび非推進目的の他の標準電圧にダウンシフトするように構成されるＤＣ－ＤＣコンバータまたはスタータ／オルタネータと、コマンドデータの複数のチャネルがシリアル回線を介して１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットに渡されるように、ピッチ、ロール、ヨー、スロットル、およびその他の所望の情報をシリアル通信インタフェース（ＣＡＮ、イーサネット、シリアル回線を含むがこれらに限定されない相互接続）に組み合わせる手段とを含み得て、制御情報は、周期的または非周期的な速度で繰り返される複数のフレームにパッケージ化される。１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットは、制御アルゴリズムを動作させて、複数のモータコントローラのそれぞれに対するコマンドを生成し、クリーン燃料航空機のマルチロータ航空機の安定性を管理および維持し、フィードバックを監視できる。
本発明の態様によれば、燃料槽は、炭素繊維エポキシシェル、プラスチックライナ、金属界面、落下保護をさらに有し得て、燃料として水素の作動流体を使用するように構成される。燃料槽は、極低温の内槽および外槽、絶縁ラップ、内槽と外槽との間の真空をさらに含み、それによって、約１０バール（約１ＭＰａ）、または１４０ｐｓｉ（約０．９６５ＭＰａ）（または、当業者によって理解される他の適切な圧力）で液体水素（ＬＨ２）を含む動作圧力を生成することができる。燃料槽はまた、極低温圧縮貯蔵槽を含み得て、極低温液体はさらに３００バール（３０ＭＰａ）から３５０バール（３５ＭＰａ）（または、当業者によって理解される他の適切な圧力）に圧縮される。代替的または追加的に、燃料槽、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を含むライナ材料をさらに有し、燃料槽は、一例として７０ＭＰａの動作圧力、および１０５Ｍｐａ以上の耐圧力（または、当業者によって理解される他の適切な圧力）でガス状水素の作動流体を使用するように構成される。
本発明の例示的な実施形態によれば、クリーン燃料ＶＴＯＬ航空機で軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムを動作させる方法は、液体水素（ＬＨ２）燃料を燃料槽から燃料槽と流体連通する１つまたは複数の熱交換器に輸送し、１つまたは複数の熱交換器を使用してＬＨ２への熱エネルギ伝達を実行し、ＬＨ２の状態をガス状水素（ＧＨ２）に変換するか、または、ＧＨ２を温め、次いで、ＧＨ２を１つまたは複数の熱交換器から、１つまたは複数の熱交換器と流体連通している複数の水素燃料電池を有する１つまたは複数の燃料電池モジュールに輸送する段階と、吸気口と流体連通しているターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構を使用して、周囲空気を収集して圧縮された空気に圧縮する段階と、ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構から、ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構と流体連通する複数の水素燃料電池を有する１つまたは複数の燃料電池モジュールに圧縮された空気を輸送する段階と、複数の水素燃料電池内のＧＨ２を、複数の水素燃料電池のそれぞれの水素フローフィールドプレートの流入端に埋め込まれた第１のチャネルアレイに迂回させ、ＧＨ２を第１のチャネルアレイに強制的に通し、ＧＨ２を、水素フローフィールドプレートの第１のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有するアノードバッキング層を通して、膜電解質アセンブリのＡＧＤＬおよびプロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側に接続されたアノード側触媒層に拡散させる段階と、複数の水素燃料電池内の圧縮された空気を、水素フローフィールドプレートの反対側に配置された複数の水素燃料電池のそれぞれの酸素フローフィールドプレートの流入端に埋め込まれた第２のチャネルアレイに迂回させ、ＧＨ２を第２のチャネルアレイに強制的に通し、圧縮された空気を、酸素フローフィールドプレートの第２のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有するカソードバッキング層を通して、膜電解質アセンブリのＣＧＤＬおよびＰＥＭのカソード側に接続されたカソード側触媒層に拡散させる段階と、アノード側触媒層との接触により、ＧＨ２を正電荷のプロトンまたは水素イオンと負電荷の電子に分割する段階であって、ＰＥＭは、プロトンが電荷引力によって、アノード側からカソード側に浸透することを可能にするが、電子を有する他の粒子を制限する、分割する段階と、クリーン燃料マルチロータＶＴＯＬ航空機の複数のモータおよびプロペラアセンブリを制御するように構成される複数のモータコントローラを有する発電サブシステムに電力を供給する電気回路に電圧および電流を供給し、電気回路から戻る電子を圧縮された空気中の酸素と結合して、酸素イオンを形成し、次いで、プロトンを酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する段階と、第２のチャネルアレイおよび酸素フローフィールドプレートの流出端を使用して、Ｈ２Ｏおよび圧縮された空気を燃料電池から除去するために、Ｈ２Ｏ分子をＣＧＤＬを介して第２のチャネルアレイに通し、第１のチャネルアレイおよび水素フローフィールドプレートの流出端を使用して、燃料電池から排気ガスを除去する段階とを備える。
本発明の態様によれば、方法は、ガス状水素（ＧＨ２）または液体水素（ＬＨ２）を含む燃料を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽とそれぞれ流体連通する、燃料配管、水または燃料ポンプ、充電または燃料コネクタ用の燃料補給接続、１つまたは複数のベント、１つまたは複数の弁、１つまたは複数の圧力調整器、およびユニオンを有する燃料供給サブシステムをさらに備え得る。
本発明の態様によれば、方法の段階が電気を生成するために繰り返し実行されるとき、複数の水素燃料電池および１つまたは複数の燃料電池モジュール内で実行される後続反応で再利用されるように、Ｈ２Ｏ分子は、排気ポートまたはベントを使用して除去でき、流体導管は、１つまたは複数の燃料電池モジュールを出るＧＨ２を燃料供給サブシステムに戻し、１つまたは複数の燃料電池モジュールを出る酸素または空気を１つまたは複数の熱交換器を有する外部インタフェースサブシステムに戻すように導く。
本発明の態様によれば、熱エネルギインタフェースサブシステムの１つまたは複数の熱交換器は、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される複数の流体導管および燃料槽と流体連通し、１つまたは複数の熱交換器は、ガス状水素（ＧＨ２）を動作温度まで温めるか、または、伝導を含む熱力学を使用して、１つまたは複数の熱交換器および燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される燃料に、熱交換器壁および熱交換器表面を越えて熱または熱エネルギを伝達することによる熱エネルギ伝達を使用して、ＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するようにさらに構成され、作動流体および燃料は互いに物理的に隔離されたままである。
本発明の態様によれば、方法は、温度検知デバイスまたは熱安全センサを使用して、クリーン燃料ＶＴＯＬ航空機の動作条件を測定する段階をさらに備え、燃料温度、燃料槽温度、燃料電池温度、バッテリ温度、モータコントローラ温度、冷却剤温度、ラジエータ温度、燃料供給サブシステム内のガスの濃度からなるグループから選択された１つまたは複数を測定する段階および、１つまたは複数の圧力計、１つまたは複数のレベルセンサ、１つまたは複数の真空計、１つまたは複数の温度センサを有する温度検知デバイスまたは熱安全センサを有し、少なくとも１つの燃料電池モジュールおよび複数のモータコントローラをさらに有し、それぞれが、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス、または同様のネットワークまたはバスを使用して温度およびその他のパラメータを自己測定および報告し、弁、ポンプ、またはそれらの組み合わせについて、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットに通知し、熱エネルギが冷却剤から伝達される流体を使用して、燃料の供給または冷却の増減を可能にするように構成され、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットは、複数のモータコントローラ、燃料供給サブシステム、少なくとも１つの燃料電池モジュールを指揮する少なくとも１つのオートパイロット制御ユニット、および様々な場所への燃料、空気、冷却剤の流れを変える弁およびポンプを動作させるコマンドを使用する流体制御ユニットを有し、少なくとも１つのオートパイロット制御ユニットは、単一または冗長ネットワーク（冗長ネットワークが投票プロセスを使用する場合）を介してコマンドおよびステータス情報を通信する。
本発明の態様によれば、方法は、クリーン燃料ＶＴＯＬ航空機の動作条件、制御パネル、計量器、およびセンサ出力を監視および表示するために使用される標準的なアビオニクスの構成を有する簡略化されたコンピュータおよびディスプレイを含むことができる。
本発明の態様によれば、方法は、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスを使用してマルチロータ航空機の動作条件を繰り返し測定し、１つまたは複数の燃料電池モジュールのデータを使用して、比較、計算、選択、制御、および実行する段階を実行し、１つまたは複数の燃料電池モジュールによる電圧および電流またはトルクの生成および供給、およびマルチロータ航空機の動作条件を繰り返し管理できる。
本発明の例示的な実施形態では、クリーン燃料航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池モジュールは、ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の熱交換器および１つまたは複数の酸素供給機構と流体連通する複数の水素燃料電池を含む。複数の水素燃料電池の各水素燃料電池は、各水素燃料電池の水素フローフィールドプレートに接続され、ガス状水素（ＧＨ２）に接触し、ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有するアノードバッキング層と、各水素燃料電池の酸素フローフィールドプレートに接続され、ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有するカソードバッキング層と、アノード側の触媒層から電子を収集し、航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路とを備える。
以下の本発明の説明は、添付の図面を参照している。
マルチモード熱エネルギ伝達および関連するコンポーネントのための統合システムを制御する論理を含む、本発明を実施するための例示的なシステムブロック図を示す。 マルチモード熱エネルギ伝達および関連するコンポーネントのための統合システムを制御する論理を含む、本発明を実施するための例示的なシステムブロック図を示す。 マルチモード熱エネルギ伝達および関連するコンポーネントのための統合システムを制御する論理を含む、本発明を実施するための例示的なシステムブロック図を示す。 マルチモード熱エネルギ伝達および関連するコンポーネントのための統合システムを制御する論理を含む、本発明を実施するための例示的なシステムブロック図を示す。 本発明のシステムの様々な制御インタフェースコンポーネントの電気的およびシステム接続性の例示的なシステム図を示す。 代替のタイプの制御のために構成できる、本発明のシステムの様々な制御インタフェースコンポーネントのための電気的およびシステム接続性の例示的なシステム図を示す。 耐障害性、三重冗長な投票制御および通信手段の例に焦点を合わせた、より詳細なブロック図の例を示す。 投票された双方向マルチプレクサの電気信号管理の例を示す。 投票された双方向マルチプレクサの電気信号管理の例を示す。 投票された双方向マルチプレクサの電気信号管理の例を示す。 投票された双方向マルチプレクサの電気信号管理の例を示す。 本発明の１つの例示的な実施形態による、手順ステップを示すフローチャートを示す。 本発明のシステムの様々な燃料電池、燃料供給、発電、およびモータ制御コンポーネントの電気的およびシステム接続性を示す。 マルチロータ航空機内の燃料電池の構成例を示す。 マルチロータ航空機内の少なくとも１つの燃料電池モジュール内の燃料電池の例示的なサブコンポーネントを示す。 マルチロータ航空機内の燃料電池の内部サブコンポーネントの例を示す。 マルチロータ航空機のための制御パネル、計量器、およびセンサ出力の例を示す。 マルチロータ航空機の燃料および発電サブシステムのコンポーネントの空間要件の例を示す。 マルチロータ航空機内の燃料および発電サブシステムの例示的な位置を示す、マルチロータ航空機のプロファイル図を示す。 マルチロータ航空機内の燃料供給および発電サブシステムの代替の例示的な位置を示す図を示す図である。 マルチロータ航空機内の発電サブシステムの熱伝達および交換器コンポーネントの構成の例示的な図を示す。 マルチロータ航空機内の燃料供給システムコンポーネントの例示的なプロファイル図を示す。 マルチロータ航空機のフレームから延在する燃料供給サブシステムおよび発電サブシステムを収容する位置および区画およびロータの直径間の空間を示す２つの図を示す。 本発明の実施形態による、マルチロータ航空機のフレームから片持ち梁の６つのロータを有するマルチロータ航空機の側面図および上面図を示し、燃料供給サブシステムおよび発電サブシステムを収容する位置および区画を示す。 マルチロータ航空機内の燃料槽および燃料供給サブシステムの例示的なサブコンポーネントを示す。 燃料槽、燃料電池、ラジエータ、熱交換器、および空調コンポーネントの例示的な図を示す。 燃料槽、燃料電池、ラジエータ、熱交換器、および空調コンポーネント、ならびにコンポーネント間の熱伝達のための相互に関連する導管の例示的な図を示す。 １つの例示的な実施形態による、本発明を示すフローチャートを示す。
ここで、全体的な理解を提供するために、これから特定の例示的な実施形態を説明するが、本明細書に記載されるシステムおよび方法は、他の適切な用途のためのシステムおよび方法を提供するように適合および修正でき、本明細書に記載されるシステムおよび方法の範囲から逸脱することなく、他の追加および修正を行うことができることを当業者であれば理解するであろう。
特に明記しない限り、例示の実施形態は、特定の実施形態の様々な詳細の例示的な特徴を提供するものとして理解でき、したがって、特に明記しない限り、図の特徴、コンポーネント、モジュール、および／または態様は、開示されるシステムまたは方法から逸脱することなく、他の方法で組み合わせ、分離、交換、および／または再配置できる。
本発明の例示的な実施形態は、ＡＡＭ航空機および本明細書で前述したすべての同等物を含む、実物大のクリーン燃料電動マルチロータ航空機のための、軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池統合システムおよび関連する方法および装置に関する。１つまたは複数の燃料電池モジュールは、個別に並列または直列に機能するが、連動して、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ（または、ブロワ、またはこれらのコンポーネントの代わりに補助的な貯蔵酸素供給のＯ２）によって圧縮された周囲空気からのガス状酸素を処理し、熱交換器によって液体水素から抽出された、またはガス状に貯蔵されたガス状水素を処理するための複数の燃料電池を備える。ガス状水素は、触媒および膜電解質アセンブリのプロトン交換膜（ＰＥＭ）を有する燃料電池層を通過し、酸化反応を使用して電子から分離されたプロトンが膜を通過する一方で、電子が膜を通過するのを防ぐ。統合システムの１つまたは複数の燃料電池モジュールは、複数の水素燃料電池から電子を収集するように構成される電気回路を使用して、複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれに対する電圧およびトルク、または、電流の量および分配を、選択および制御するように構成される、オートパイロット制御ユニットによって命令されるモータコントローラに電圧および電流を供給する。電気回路から触媒を含む燃料電池内の異なる領域に戻る電子は、圧縮された空気内の酸素または圧縮された空気から分離された酸素と結合して酸素イオンを形成する。次いで、触媒が関与する反応を通じて、以前に電子から分離されたプロトンが酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子および熱を形成する。統合システムは、冷却剤を貯蔵および輸送するように構成される、１つまたは複数の燃料電池モジュールと流体連通する１つまたは複数のラジエータを有する少なくとも１つの発電サブシステムおよび、複数の流体導管で構成される熱交換器を有する熱エネルギインタフェースサブシステムを備える。統合システムはまた、１つまたは複数の燃料電池モジュールと流体連通し、液体水素、ガス状水素、または同様の流体などの燃料を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽を含む燃料供給サブシステムと、１つまたは複数のベントと、１つまたは複数の出口と、１つまたは複数の排気ポートと、熱力学的動作条件を測定するように構成される１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスと、１つまたは複数の熱基準を使用するエネルギ伝達のための１つまたは複数の優先順位を有する、温度調整プロトコルを計算するように構成されるコンピュータプロセッサを有するオートパイロット制御ユニットと、温度調整プロトコルに基づいて、１つまたは複数の供給源から１つまたは複数の熱エネルギ移動先への熱エネルギ伝達の量と分配を選択および制御するように構成される、熱力学的動作条件を有する測定された動作条件の比較結果に基づいたアルゴリズムとを備える。
図１～図２１は、全体を通して同様の部品が同様の参照番号で示され、本発明による、実物大のクリーン燃料の電動マルチロータ航空機のための、軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システム、方法および装置の例示的な実施形態または複数の実施形態を示す。本発明は、図示される例示的な実施形態または複数の実施形態を参照して説明されるが、多くの代替形態が本発明を具現化できることを理解されたい。当業者であれば、要素または材料のサイズ、形状、またはタイプなど、開示される実施形態のパラメータを、依然として本発明の精神および範囲に沿った方法で変更するための様々な方法をさらに理解するであろう。
図１は、本発明を実行するために使用し得るシステム１００の１つのタイプをブロック図形式で示す。ここで、１人から５人の個人用航空機（ＰＡＶ）または無人航空機（ＵＡＶ）の発電管理には、プライマリフライトディスプレイ１２、放送型自動従属監視（ＡＤＳＢ）またはリモートＩＤ送信機／受信機１４、通常、１２内に組み込まれた全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機、燃料計１６、対気速度および垂直速度を計算するためのエアデータコンピュータ３８、ミッション制御タブレットコンピュータ３６およびミッション計画ソフトウェア３４、および冗長フライトコンピュータ（オートパイロットコンピュータ３２とも呼ばれる）、などの搭載機器が含まれ、これらはすべて、航空機１０００の動作および位置を監視するか、水素駆動燃料電池ベースの電気を生成する発電サブシステム６００および燃料供給サブシステム９００を監視および制御して、これらのシステムの動作および、高度、姿勢、対地速度、位置、地域の地形、推奨飛行経路、気象データ、残りの燃料および飛行時間、モータ電圧および現在の状態、意図する目的地、および安全な飛行を成功させるために必要なその他の情報などの航空機１０００の状態データの様々な態様を表すディスプレイの提示を提供する。燃料電池ベースの発電サブシステム６００は、貯蔵された水素を圧縮された空気と組み合わせて、水および熱のみの副産物で電気を生成し、それによって、様々なタイプのポンプおよび冷却システム４４およびターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６も含むことができる燃料電池モジュール１８を形成して、燃料電池モジュール１８の効率および／または性能を最適化する。当業者によって理解されるように、燃料電池はまた、高電圧バッテリアレイ、バッテリ監視および充電器サブシステムまたは同様の構成からなるバッテリサブシステム（または、スーパーキャパシタ、それらの組み合わせ、または当業者によって理解される他のエネルギ貯蔵システム）によって増強され得る。本開示は、発電システムおよび貯蔵エネルギバッテリシステムの両方、ならびに両方のエネルギ貯蔵の手段を組み込んだハイブリッドシステムに対処することを意図している。例示の説明のために、本説明は、燃料電池形態の発電に焦点を合わせている。
図２Ａ～図２Ｂは、電力（電圧および電流）の生成、分配、調整、および監視を制御する論理を含む、本発明のシステム１００の様々な制御インタフェースコンポーネントのための電気およびシステム接続を含む、例示的な実施形態の製品版システム図を示す。車両状態（ピッチ、バンク、ヨー、対気速度、垂直速度、高度）は、ａ）オペレータが、ａ１）入力デバイスとしてミッション制御タブレットコンピュータ３６を使用して行われた物理的動作およびコマンドか、ａ２）サイドアームコントローラを使用して行われた物理的な動きおよびコマンドか、または、ａ３）地上－遠隔パイロットから安全なデジタルまたは戦術データリンクまたは無線チャネルを介して送信される物理的な動きおよびコマンドか、または、ａ４）自律モードをサポートするミッション制御タブレットコンピュータ３６およびミッション計画ソフトウェア３４を使用して選択および事前にプログラムされた事前計画されたミッションルートのいずれかを使用することによって命令されるか、または、ｂ）ミッション制御タブレットコンピュータ３６およびミッション計画ソフトウェア３４を使用して選択および事前にプログラムされ、離陸前に搭載オートパイロットシステムにアップロードされる事前計画されたミッションルートを使用するＵＡＶモードで命令される。ミッション制御タブレットコンピュータ３６は、指定されたルートまたは位置コマンドセットを、オートパイロットコンピュータ３２および投票者４２にシリアル、無線制御または同様のデータリンクを介して送信し得て、そうであれば、オートパイロットはその指定されたルートまたは位置コマンドセット（例えば、出発地から目的地まで移動するルートを形成するための高度および位置のセット）を利用し得る。例示的な実施形態に含まれる機器およびプロトコルに応じて、一連のコマンドは、例えば、１０～３０ミリ秒の「フレーム」内に含まれる１．０～２．０ミリ秒の間で変化するパルス幅で表される、指定されたコマンド情報を搬送する一連のサーボ制御パルスの繰り返しを使用して送信され得る。コマンドデータの複数の「チャネル」を各「フレーム」に含め得るが、唯一の注意点は、次のチャネルのパルスを開始し得る前に、各最大パルス幅に出力のない期間（通常はゼロボルトまたは論理ゼロ）を設けなければならないことである。このようにして、コマンド情報の複数のチャネルが各フレーム内の単一のシリアルパルスストリームに多重化される。フレーム内の各パルスのパラメータは、最小パルス幅、最大パルス幅、および周期的な繰り返し率を有する。モータのＲＰＭまたはトルクは、制御線に印加されるパルスの持続時間によって決定される。モータのＲＰＭは、信号のデューティサイクルまたは繰り返し率ではなく、指定されたパルスの持続時間によって決定されることに留意されたい。オートパイロットは、２０ｍｓごとにパルスを確認するものと予期することができるが、これはシステム１００の要件に応じて、より短く、またはより長くなり得る。フレーム内の各チャネルのパルスの幅によって、対応するモータの回転速度が決定される。例えば、１．２ｍｓ未満のパルスは何でも、「モータオフ」または０ＲＰＭとして事前にプログラムし得る（オフ状態のモータは人が自由に回転させることできるが、０ＲＰＭになるように命令されたモータはその位置で「ロック」される）、１．２ｍｓから２．０ｍｓの範囲のパルス幅は、それに比例して２０％のＲＰＭから１００％のＲＰＭまでモータに命令する。制御されるモータの物理的制約を考えると、パルス幅と結果として生じるモータＲＰＭとの間の正確な相関関係は、各システムのプログラミングの関数になる。別の実施形態では、モータコマンドは、オートパイロットからモータコントローラ２４にデジタルで送信され得て、ステータスおよび／またはフィードバックは、伝送媒体としてＲＦまたは電線または光ファイバを使用して、適用可能な多くの利用可能なデジタルデータバスの１つであるイーサネットまたはＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）などのデジタルデータバスを使用して、モータコントローラ２４からオートパイロットに返され得る。モデム（変調器－復調器）は、データリンクデバイス対内に暗黙的に存在し得て、したがって、ユーザがイーサネットまたはＣＡＮコマンドを送信すると、モデムは上記のデータを１つまたは複数のチャネル上の信頼性の高い送受信に適した形式に変換し、相手のモデムは、オートパイロットシステム内で使用するために、その形式を受信ノードで元のイーサネットまたはＣＡＮコマンドに変換し直す。当業者によって理解されるように、タブレットまたは地上パイロットステーションと車両との間に無線データリンクを実装するために、多くの可能な実施形態が利用可能であり、それと同様に、オートパイロット、モータコントローラ２４、および搭載発電およびモータ制御システムを形成する燃料電池および支援デバイスの間でデータおよびコマンドを送受信するために、可能な限り多くの実施形態が利用可能である。
次いで、各オートパイロットの受信機は、ソフトウェアアルゴリズムを使用して、タブレットコンピュータまたは代替制御手段からのチャネルコマンドに相関する受信チャネルパルス（この例では、ピッチ、バンク、ヨー、ｒｐｍなどの制御入力を表すパルス幅のセット）を、複数（この例では、６つ）のモータコントローラ２４、モータ、およびプロペラ２９のそれぞれを制御するために必要な出力に変換して、命令された車両の動きを実現する。コマンドは、直接有線、または送信機と受信機との間の安全なＲＦ（無線）信号を介して送信され得て、ＲＣ形式を使用し得るか、イーサネット、ＣＡＮ、または別の適切なプロトコルで直接デジタルデータを使用し得る。オートパイロットはまた、ピッチ、バンク角、ヨー、加速度などの他の車両状態情報を測定し、独自の内部センサおよび利用可能なデータを使用して車両の安定性を維持する役割を果たす。
オートパイロットと複数のモータコントローラ２４との間のコマンドインタフェースは、機器セットごとに異なり、可変ＤＣ電圧、可変抵抗、ＣＡＮ、イーサネットまたはその他のシリアルネットワークコマンド、ＲＳ－２３２またはその他のシリアルデータコマンド、またはＰＷＭ（パルス幅変調）、シリアルパルスストリーム、または当業者に明らかな他のインタフェース規格などの各モータコントローラ２４への信号オプションを伴う場合がある。オートパイロットコンピュータ３２内で動作する制御アルゴリズムは、必要な状態分析、比較を実行し、結果として生じるコマンドを個別のモータコントローラ２４に対して生成し、結果として生じる車両状態および安定性を監視する。投票手段４２は、３つのオートパイロットコンピュータ３２のうちのどの２つが一致するかを決定し、投票動作を自動的に実行して、適切なオートパイロットコンピュータ３２の出力を対応するモータコントローラ２４に接続する。冗長システム１００の場合、三重冗長は、起こりうる障害を検出するために入力間で投票する最も一般的な手段であるが、他のレベルの冗長性も、飛行の安全性の要件および規制を満たすことを条件として可能であり、当業者には明らかである。
好ましい制御の実施形態では、命令された車両の動きおよびモータのｒｐｍコマンドは、ラジコン航空機の制御に使用されるものと同様の１対のジョイスティックおよびスロットル、またはスロットルを含む１対の従来のサイドアームコントローラによっても具現化でき、ジョイスティック／サイドアームコントローラは、命令された動きを示す読み取り値（ポテンショメータ、ホール効果センサ、または回転可変差動変圧器（ＲＶＤＴ））を提供し、次いで、表示度数は、適切なメッセージ形式に変換され、ネットワークコマンドまたは信号によってオートパイロットコンピュータ３２に送信され、それによって、複数のモータコントローラ２４、モータおよびプロペラ／ロータ２９を制御するために使用され得る。サイドアームコントローラまたはジョイスティックは、左右および前後の動きが可能な「ステアリングホイール」または操縦桿で具現化することもでき、２軸ジョイスティックまたは操縦桿は、ピッチコマンド（機首上げまたは機首下げ）およびバンクコマンド（左側上げまたは左側下げ）を示す２つの独立したシングルまたは二重冗長可変電圧またはポテンショメータ設定のセットを提供する。あるいは、ピッチおよびロールの動きの代わりに、オートパイロットはまた、オートパイロットが同時に車両を安定した、水平な、またはほぼ水平な状態に維持している間中に、「左に行く」、「右に行く」、「前方に行く」、「後方に行く」、「ヨー左」または「ヨー右」のコマンドを生成することを可能にし得る。この後者の制御手段は、翼のある航空機などの飛行車両よりも地上の車両（例えば、自動車）の動きに似ているため、乗客により一層の快適さを提供する。
好ましい実施形態における複数のモータおよびプロペラ２９のモータは、航空機モータとして動作可能な、空冷または液冷（水、不凍液、油、または当業者によって理解される他の冷却剤を含む冷却剤による）、あるいはその両方であるブラシレス同期３相ＡＣまたはＤＣモータである。
システム１００のすべての動作を通して、車両の制御および動作は、認められた飛行価値基準に対して人命を保護するために要求される必要な安全性、信頼性、性能および冗長手段で実行される。
車両を動作させるための電気エネルギは、燃料電池モジュール１８から導出され、燃料電池モジュール１８は、任意選択の大電流ダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２０および回路ブレーカ９０２を通してモータコントローラ２４に電圧および電流を提供する。高電流接触器９０４または同様のデバイスは、スタータ／ジェネレータ２６に電圧を印加して燃料電池モジュール１８を始動し、電力を生成する、車のイグニッションスイッチと同様に、車両キースイッチ４０の制御下で係合および係合解除される。例えば、高電流接触器９０４は、車両キースイッチ４０によって制御され、電流がスタータ／ジェネレータ２６に流れることを可能にする本質的に大きな真空リレーであり得る。本発明の例示的な実施形態によれば、スタータ／ジェネレータ２６はまた、航空機１０００のアビオニクスシステムに電力を供給する。安定した電力が利用可能になると、モータコントローラ２４はそれぞれ、ＲＰＭモードまたはトルクモードのいずれかでモータを制御することによって所望の推力を達成するために必要な電圧および電流を個別に管理し、各モータおよびプロペラ／ロータの組み合わせ２８による推力の生成を可能にする。車両あたりのモータコントローラ２４およびモータ／プロペラの組み合わせ２８の数は、車両アーキテクチャ、所望のペイロード（重量）、燃料容量、電気モータのサイズ、重量、電力、および車両構造に応じて、わずか４個から１６個以上にもなる。有利なことに、複数の独立したモータコントローラ２４およびモータを有するマルチロータ車両を実装することにより、より少ない電流需要でより小型のモータの使用が可能になり、したがって、燃料電池が十分な飛行時間を達成しながら、機能する航空機に必要な総重量で必要な電圧および電流を生成でき、１つまたは複数のモータまたはモータコントローラ２４の故障をオートパイロットによって補うことが可能になり、上記故障の場合に安全な飛行および着陸を継続することが可能になる。
燃料電池１８は、搭載された燃料貯蔵２２によって供給される。マルチロータ航空機１０００の燃料槽２２に、出発地、目的地、または沿道の給油所で燃料を補給する能力は、車両の実用性および通勤者に受け入れられるためには必須のものである。モータのエネルギ源を置き換えるために燃料槽２２に燃料を補給する能力は、時間のかかるプロセスであり得る、外部電源から再充電しなければならない、従来のすべての電気車両（例えば、バッテリ駆動車）で必要とされるダウンタイムを低減させる。燃料電池および燃料電池モジュール１８は、水素によって電力を供給され得る。したがって、燃料電池モジュール１８は、燃料から電気を生成して、マルチロータ航空機１０００のモータに電力を供給できる。有利なことに、燃料電池モジュール１８の使用は、バッテリよりも重量効率が高く、既存のリチウムイオンバッテリよりも高いエネルギ密度を提供し、それによって、揚力を生成するためにモータが必要とする仕事を低減させる。さらに、水素燃料電池を使用すると、燃料３０が消費されるにつれて重量が減少するため、モータに必要な仕事量が減少する。
全電気式車両の性質上、燃料電池モジュール１８に加えて、搭載バッテリの再充電を容易にするための外部レセプタクルを有する、搭載高電圧バッテリおよび再充電サブシステムを持ち運ぶことも可能である。場合によっては、長期間の無人航空機による監視、セキュリティ、またはその他の用途のために、電気およびデータテザーの終端で車両を動作させることが望ましい場合もある。この状況では、電力はテザーケーブルを介して補充または提供され、制御情報は、本明細書に記載されるような搭載システム、または地上管制官によって動作させられる双方向の有線またはブロードバンドまたは無線またはＲＦネットワークのいずれかによって提供できる。
車両のアビオニクス１２、１４、１６、３２、３４、３６、３８を動作させ照明をサポートするための電力は、ａ）燃料電池モジュール１８によって電力を供給され、アビオニクスバッテリ２７に電力を供給する低電圧スタータジェネレータ２６、または、ｂ）アビオニクスバッテリ２７にエネルギを供給するＤＣ－ＤＣコンバータのいずれかによって提供される。ＤＣ－ＤＣコンバータを使用する場合、燃料電池モジュール１８によって生成された高電圧から電力を引き出し、本実施形態では、典型的には、３００ＶＤＣ～６００ＶＤＣのより高い電圧を、いずれも典型的に小型航空機システムで使用される電圧である、１２Ｖ、２４Ｖまたは２８Ｖまたは他の電圧規格のいずれかにダウンコンバートする。ナビゲーション、ストローブ、着陸灯は２６および２７から電力を引き出し、米国および外国の空域規制の下で、夜間の安全性および動作に必要な航空機の照明を提供する。システム全体１００の一部としてこれらの補助照明デバイスを制御するために、適切な回路遮断器９０２およびスイッチ手段が提供される。これらのデバイスは通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）ライトとして実装され、１つまたは複数のスイッチによって直接制御されるか、ＣＡＮまたはその他のデジタルデータバスコマンドに応答するデータバス制御スイッチによって制御される。図１に示すようにＣＡＮまたはデータバスコマンドシステムを使用する場合は、複数の「ユーザエクスペリエンス」またはＵＸデバイスを使用して、キャビン照明、座席照明、ウィンドウ照明、ウィンドウメッセージング、サウンドキャン電池またはサウンドコクーンの制御、外面照明、外面のメッセージまたは広告、座席のメッセージ、キャビン全体の乗客への指示または機内のメッセージ、乗客の体重検知、パーソナルデバイス（例えば、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、タブレット、ｉＰａｄ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）、または同等の他のデバイスまたは同様のパーソナルデジタルデバイス）の接続および充電、およびキャビンまたは車両内に追加され得るその他の統合機能などのユーザエクスペリエンスの向上を実現させ得る。
複数のモータおよびプロペラ２９のモータの対は、異なるＲＰＭまたはトルク設定（オートパイロットがモータをＲＰＭまたはトルクモードで制御しているかどうかによって決定される）で動作するように命令され、オートパイロット制御下でわずかに異なる量の推力を生成し、したがって、安定した飛行姿勢を維持するために、オートパイロットの６軸内蔵センサまたはリモート慣性センサからの位置フィードバックを使用して、ピッチモーメント、またはバンクモーメント、またはヨーモーメント、または高度の変化、または横方向の動き、または縦方向の動き、または同時に上記の任意の組み合わせを航空機１０００に与える。センサデータは、各オートパイロットによって読み取られ、その物理的な動きおよび動きの速度が評価され、次いで、それらを３次元すべての命令された動きと比較して、必要な新しい動きコマンドが評価される。
もちろん、すべての航空機がアビオニクス、計装、コントローラ、またはモータの同じ組み合わせを使用するわけではなく、一部の航空機には、この組み合わせとは異なる機器、またはこの組み合わせに加えた機器が含まれる。例えば、このサイズの一般的な航空機で慣習的な通信または他の小型の補助アビオニクスに望まれ得る無線機は示されていない。ただし、組み合わせが何であれ、一部の機器のセットは、オペレータからの入力コマンドを受け入れ、それらの入力コマンドを、逆回転モータおよびプロペラ２９の対からの異なる推力量に変換し、したがって、アセンブリ２８内のプロペラ／ロータ２９を動作させる電気モータから差動推力を生成するために、異なるコマンドを使用して、航空機１０００のピッチ、バンク、ヨー、および垂直方向の動き、または航空機１０００の横方向および縦方向ならびに垂直方向およびヨー方向の動きを生成する。航空機の１０００の現在および意図された位置のアビオニクス、計装、および表示と組み合わせると、一組の機器により、オペレータは、車内、データリンクを介した地上、または事前に計画されたルートの割り当てによる自律的な動作のいずれであっても、航空機１０００を簡単かつ安全に動作させ、意図する目的地に誘導できる。
図２には、モータとプロペラの組み合わせ２８、プロペラ２９、プライマリフライトディスプレイ１２、放送型自動従属監視（ＡＤＳＢ）またはリモートＩＤ送信機／受信機１４、オートパイロットコンピュータ３２、ミッション制御タブレットコンピュータ３６、およびミッション計画ソフトウェア３４が含まれる。いずれの場合も、ミッション制御タブレットコンピュータまたはサイドアームコントローラは、指定されたルートまたは位置コマンドセットまたは達成される意図された動作をオートパイロットコンピュータ３２および投票者４２、モータコントローラ２４、ならびに対気速度および垂直速度３８を計算するためのエアデータコンピュータに送信し得る。いくつかの実施形態では、燃料槽２２、アビオニクスバッテリ２７、ポンプおよび冷却システム４４、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６、およびスタータ／オルタネータも、含まれ、監視され、および制御され得る。すべての燃料電池１８は、搭載された燃料３０槽２２によって供給され、その燃料を使用して、マルチロータ航空機１０００の動力源を生成する。これらのコンポーネントは、４Ｄ飛行管理と連携して最小限の入力からルートを自動生成および実行するように構成および統合されているため、ユーザは適切なルートを定義するための専門知識を必要としない。完全なエンベロープ保護が開発および実装されているため、ユーザまたは環境により、車両が安全な飛行エンベロープおよび動作条件から逸脱することはない。エンベロープ保護は、後方乱気流モデリング、気象データ、および性能および安全性に利用できる最高水準を組み込んだ正確に設計された冗長アルゴリズムを使用して開発された、乗員を保護するためのより安全なシステムを提供する。目標は、システムの何らかの態様で障害が発生しない限り、または障害が発生するまで、車両、人間のオペレータ／スーパーバイザ／乗客、または環境により、車両が安全なエンベロープから逸脱することはないということである。好ましい実施形態のモータは、航空機モータとして動作でき、空冷、液冷、またはその両方であるブラシレス同期３相ＡＣまたはＤＣモータである。モータおよび燃料電池モジュール１８は、電気抵抗および摩擦を含む力から過剰な熱または排熱を発生させるため、この熱は、管理および熱エネルギ伝達の対象となり得る。一実施形態では、モータは、燃料電池モジュール１８とは別の冷却ループまたは回路に接続される。別の実施形態では、モータは、燃料電池モジュール１８との共有冷却ループまたは回路に接続される。
システム１０００は、少なくとも、１）飛行制御ハードウェア、２）飛行制御ソフトウェア、３）飛行制御テスト、４）モータ制御および配電サブシステム、５）モータ、６）燃料電池発電サブシステムのシステムおよびコンポーネントに関して、異常状態の間に予測可能な挙動を生み出す、事前に設計された耐障害性またはグレースフルデグラデーションを実装する。
飛行制御ハードウェアは、例えば、３２ビット、６４ビット、またはそれ以上のＡＲＭプロセッサ（または当技術分野で知られている他の適切なプロセッサ、特定の実施形態では、プロセッサを使用せず、代わりに、ＦＰＧＡまたは当技術分野で知られている同様のデバイスを使用し得る）を有するＰｉｘｈａｗｋまたは他の飛行コントローラの冗長セットを備え得る。車両は、複数の飛行コントローラで構成され得て、特定の例示的な実施形態は、冗長性のために車内に配置された少なくとも３つのＰｉｘｈａｗｋオートパイロットを使用する。各オートパイロットは、３つの加速度計、３つのジャイロ、３つの磁力計、２つの気圧計、および少なくとも１つのＧＰＳデバイスを備えるが、ハードウェアおよびソフトウェアのデバイスの正確な組み合わせおよび構成は異なり得る。各オートパイロットの内部にあるセンサの組み合わせと投票のアルゴリズムは、各センサタイプから最良値を選択し、各オートパイロット内のスイッチオーバ／センサの障害を処理する。飛行制御ソフトウェアは、１）ＣＡＤデータ、２）ＦＥＡデータ、３）実際のプロペラ／モータ／モータコントローラ／燃料電池の性能データの測定を使用して開発された少なくとも１つのＰＩＤスタイルのアルゴリズムを有し得る。
車両の６つのモータについての例示的な実施形態が示され、各モータは、専用のモータコントローラ２４によって制御される。各モータの電気的動作特性／データは制御され、分析および意思決定のために投票システムに伝達される。モータコントローラ２４への通信は、（本実施形態では）シグナルインテグリティを保護し、電磁気および雷に対する耐性を提供するために、光ファイバトランシーバがインラインで設置された、デジタルネットワークプロトコルであるＣＡＮを介して、オートパイロットとモータコントローラ２４との間で行われる。本実施形態では、「フライバイライト」としても知られている光ファイバを使用すると、車両の信頼性が向上し、地上差、電圧差、電磁干渉、照明、およびテレビまたはラジオの放送塔、空港のレーダ、機上レーダ、および同様の潜在的な障害などの外部の電磁干渉源に対するすべての脆弱性が減少する。ネットワークおよび電気または光または無線媒体の他の例も、規制要件を満たすことを条件として可能である。モータの性能に関連する測定パラメータには、モータ温度、ＩＧＢＴ温度、電圧、電流、トルク、および１分あたりの回転数（ＲＰＭ）が含まれる。これらのパラメータの値は、所与の大気、電力、ピッチの条件下で予想される推力と相関している。
燃料電池制御システムは、特定の使用構成に基づいて様々な数の燃料電池、例えば、耐障害性のために構成される３つの水素燃料電池のセットを有し得る。電池の動作および制御は、ＣＡＮプロトコルを使用して有効化および管理されるが、他の多くのデータバスおよび制御技術が可能であり、当業者には明らかであろう。オートパイロット内に記憶されている１つまたは複数の飛行制御アルゴリズムは、ＣＡＮを介して燃料電池から供給される電力を制御および監視する。三重モジュール冗長オートパイロットは、任意の１つの燃料電池の損失を検出し、自動切り替えまたは相互接続の形態を使用して残りの燃料電池を再構成でき、したがって、燃料電池システムが安全降下および着陸を実行するために航空機１０００の動作を継続できることを保証する。動作パラメータが大幅な範囲または事前設定された限度を超えた場合、または、安全な着陸が危険にさらされるような緊急状態が存在する場合、統合された緊急手順がアクティブになり、ロータ間弾道機体パラシュートの展開がトリガされる。
オートパイロットコンピュータ３２は、マイクロプロセッサベースの回路で具現化され、航空機１０００のデータバス、マルチチャネルサーボまたはネットワークコントローラ（入力）３５および３７、ならびにモータコントローラ（出力）２４と通信するために必要な様々なインタフェース回路を含み、安定性を維持するために慣性および姿勢の測定を行う。これは、システム全体に関連して、冗長性、耐障害性、複数冗長性の投票制御および通信手段ならびにオートパイロット制御ユニット３２の主要な特徴を詳述するブロック図を示す図３でさらに詳細に示す。さらに、オートパイロットコンピュータ３２はまた、後の分析または再生のために、航空機の位置、航空機の状態データ、速度、高度、ピッチ角、バンク角、推力、場所、および航空機の位置および性能を撮像するのに典型的な他のパラメータの自動記録または報告のために構成され得る。さらに記録されたデータは複製され、耐火性および耐衝撃性のある別のコンピュータまたはデバイスに送信され得る。これらの要件を達成するために、上記のオートパイロットには、組み込みのエアデータコンピュータ（ＡＤＣ）および組み込みの慣性測定センサが含まれているが、これらのデータは、小型の独立したスタンドアロンユニットから導出することもできる。オートパイロットは、シングル、デュアル、クワッド、またはその他のコントローラとして動作させ得るが、信頼性および安全性の目的で、好ましい実施形態は、三重冗長オートパイロットを使用し、ユニットは、１つまたは複数のネットワーク（信頼性および可用性のために２つが好ましい）を使用して協調関係で情報、決定、および意図されたコマンドを共有する。許容されるガードバンド外で深刻な不一致が発生した場合、３つのユニットが存在すると仮定すると、３票のうち２票は、モータコントローラ２４によって実施されるコマンドを決定し、適切なコマンドが自動的に選択されて、モータコントローラ２４に送信される。同様に、ハードウェアのサブセットは、ネットワーク、例示的な実施形態では、ＣＡＮバスの状態を監視して、バスジャムまたは他の誤動作が物理レベルで発生したかどうかを判断し、その場合、復帰用ＣＡＮバスへの自動切り替えが行われる。オペレータは通常、飛行中にコントローラの不一致について通知されないが、その結果は記録され、したがって、飛行後にさらに診断を行うためにユニットをスケジュールし得る。
ミッション制御タブレットコンピュータ３６は、典型的には、単一または二重冗長実装であり、各ミッション制御タブレットコンピュータ３６は、同一のハードウェアおよびソフトウェアおよび、そのユニットを「プライマリ」または「バックアップ」として指定する画面ボタンを含む。プライマリユニットは、障害が発生していない限り、すべての場合に使用され、それによって、オートパイロットがプライマリの障害を検出したときに、オペレータ（存在する場合）が、タッチアイコンを通して「バックアップ」ユニットを選択しなければならないか、または、自動フェイルオーバがバックアップユニットを選択する。事前にプログラムされた正式なルートなしで動作する場合、ミッション制御タブレットコンピュータ３６は、その内部動きセンサを使用して、オペレータの意図を評価し、所望のモーションコマンドをオートパイロットに送信する。ミッション計画コンピュータまたはタブレットなしで動作する場合、オートパイロットは、接続されたジョイスティックまたはサイドアームコントローラの対からコマンドを受信する。ＵＡＶモード、または有人自動モードでは、ミッション計画ソフトウェア３４は、飛行前に航空機１０００が飛行するためのルート、目的地、および高度プロファイルを指定するために使用され、その飛行のための飛行計画を形成する。飛行計画は、プライマリミッション制御タブレットコンピュータ３６に入力された場合、各オートパイロットコンピュータ３２およびミッション制御タブレットコンピュータ３６は、同じミッションコマンドおよび意図されたルートを運ぶように、対応するオートパイロットに自動的に送信され、オートパイロットは、それら自体とバックアップミッション制御タブレットコンピュータ３６との間で飛行計画の詳細を自動的にクロスフィルする。プライマリタブレットに故障が発生した場合、バックアップタブレットにはすでに同じ飛行の詳細が含まれており、オペレータアクションまたは自動フェイルオーバのいずれかによって選択されると、飛行の制御を引き継ぐ。
複数のモータおよびプロペラ２９のモータ制御の場合、同期ＡＣまたはＤＣブラシレスモータのために、各大電流コントローラから各モータに接続する３つの相が存在する。３つの相のうちの任意の２つの位置を逆にすることにより、モータを反対方向に駆動させる。代替として、モータコントローラ２４内には、同じ効果を可能にするソフトウェア設定があるが、反対方向に駆動するように指定されたモータにも逆ピッチ（これらは、左側と右側のピッチ、またはプーラ（通常）とプッシャ（反転）ピッチプロペラと呼ばれることもある）のプロペラを有しなければならないため、結線接続することが好ましく、それによって、複数のモータおよびプロペラ２９を形成する。モータを逆回転対で動作させることは、そうでなければ車両を回転させようとする、回転トルクを相殺する。
例示の実施形態では、本明細書に記載される動作分析および制御アルゴリズムは、搭載オートパイロットコンピュータ３２によって実行され、飛行経路および他の有用なデータは、アビオニクスディスプレイ１２に提示される。本発明の様々な態様は、異なる分業で実施でき、位置および制御命令の一部または全部は、原則として、航空機１０００と地上機器との間でブロードバンドまたは８０２．１１Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）ネットワーク、無線周波数（ＲＦ）データリンクまたは戦術データリンクメッシュネットワークまたは同様のものを使用することによって、航空機１０００の外部で、地上機器で実行できる。
ＡＤＳＢ能力と結合されたアビオニクス表示システムの組み合わせにより、マルチロータ航空機１０００は、他の近くの航空機からの放送データを受信でき、それによって、マルチロータ航空機１０００は、他の航空機との接近遭遇を回避することと、他の協力する航空機との接近遭遇を回避するために、自機の位置データを放送することと、パイロットに表示するため、およびマルチロータ航空機１０００内のアビオニクス表示システムで使用するための気象データを受信することと、航空交通管制官と相互作用または通信をほとんど、または全く必要とせず、マルチロータ航空機１０００の動作を可能にすることと、米国航空宇宙システム下での自機の状態、協力する航空機の状態、および利用可能な飛行経路の動力学に基づいて、飛行経路の最適化のための計算を実行し、したがって、出発地から目的地までの最適な、または、ほぼ最適な飛行経路を実現することとを可能にする。
図３は、定性判定プロセスを実行するために、耐障害性、三重冗長投票制御およびの通信手段を使用して実装された投票プロセスを示す、より詳細なブロック図の例を示す。このリアルタイムシステムには簡潔な「正解」がないため、代わりに、オートパイロットコンピュータ３２は、飛行計画をクロスフィルすることによって、飛行計画データおよび飛行を動作させるための所望のパラメータを共有し、それぞれが、現在の航空機１０００の状態、および各ノードの健全性を定義する、それ自体の状態空間変数を測定する。各ノードは、（記載の実施形態では、シリアルＣＡＮバスメッセージフォーマットで）独立して、モータ制御出力３１４のセットを生成し、各ノードは、それ自体の内部の健全性状態を評価する。次いで、健全性状態評価の結果を使用して、どのオートパイロットが複数のモータおよびプロペラ２９のモータを実際に制御するのかを自動的に選択する。
例示的な実施形態では、投票プロセスは、次の規則によって誘導される。１）各オートパイロットノード（ＡＰ）３２は、各メッセージの開始時に、その内部の健全性が良好であるときに「ノードＯＫ」３０４をアサートする。メッセージは更新期間ごとに発生し、ＡＰ間の共有通信を提供する。２）各ＡＰは、内部障害を検出するか、または内部ウォッチドッグタイマが期限切れになるか（ＡＰまたはソフトウェアの障害を示す）、またはバックグラウンド電池テストに失敗した場合に、「ノードＯＫ」をアサート解除する。３）各ＡＰの「ノードＯＫ」信号は、１ショットの「ウォッチドッグ」タイマ３０６を再トリガするために、時間間隔ごとに少なくとも１回パルスしなければならない。４）ＡＰの健全性ビットがパルスしない場合、ウォッチドッグはタイムアウトになり、ＡＰは無効と見なされる。５）各ＡＰは、二重冗長マルチトランスミッタバス３１０を介して他の２つのＡＰに接続する（これは、ＣＡＮネットワーク、ＲＳ－４２２／４２３シリアルネットワーク、イーサネットネットワーク、または複数のノードが通信できるようにする同様の手段であり得る）。６）ＡＰは、コックピットのプライマリタブレットと通信しているＡＰに基づいてプライマリＡＰを決定する。７）プライマリＡＰは、プライマリタブレットから飛行計画データまたは飛行コマンドを受信する。８）次いで、ＡＰは、二重冗長ネットワーク３１０を使用して、飛行計画データおよび経由地点データを、ＡＰ自体の間でクロスフィルする（これにより、各オートパイロット（ＡＰ）は、タブレットからそれらを受信したかのように、ミッションまたはコマンドパラメータを確実に認識できる）。９）コックピットでは、バックアップタブレットは、そのクロスファイルしたＡＰから飛行計画データまたは飛行コマンドのコピーを受信する。１０）次いで、各ＡＰは航空機１０００の状態とコマンド状態を監視して、プライマリＡＰが許容可能な公差範囲またはガードバンド範囲内で動作していることを確認する（結果は二重冗長ネットワーク３１０を使用してＡＰ間で共有される）。１１）モータ出力コマンドは、ＰＷＭモータ制御シリアル信号３１４を使用して発行され、本実施形態（他の実施形態も説明されているが、ここでは詳細に扱わない）では、各ＡＰからの出力は、各モータコントローラ２４に提示される前に投票者３１２を通過する。１２）ＡＰが健全性ビットをアサート解除するか、または、そのウォッチドッグタイマの再トリガに失敗した場合、ＡＰは無効と見なされ、投票者３１２は投票テーブルに基づいて飛行を制御するために異なるＡＰを自動的に選択する。１３）新しいＡＰは、車両状態の制御を引き継ぎ、以前と同様に投票者３１２にモータコマンドを発行する。１４）各ＡＰは、コンパニオンＡＰの健全性状態の状態テーブルを維持する（ＡＰが通信に失敗した場合、ＡＰは動作不能として記録され、残りのＡＰは状態テーブルを更新し、失敗したまたは失敗しているＡＰからの入力を受け入れたり期待したりしなくなる）。１５）定性分析も、現在命令していないＡＰによって、または独立した監視ノードによって監視される。１６）各ＡＰは、それ自体の状態テーブルに加えて、他の２つの状態テーブルおよび許容可能な偏差テーブルを維持する。１７）ネットワークマスタは周期的なレートで他のＡＰに新しいフレームを発行し、次いで、最新の状態データを公開する。１８）各ＡＰは、メッセージフレームを確認した後、プログラム可能な遅延内に他のＡＰにその結果を公開するか、無効と宣言しなければならない。１９）プログラム可能な遅延後にメッセージフレームが受信されない場合、ノード２はネットワークマスタの役割を引き継ぎ、ノード１にメッセージを送信して、そのマスタの役割を終了する。冗長通信システムは、システム動作または安全性を低下させることなく、システムが単一の障害を切り抜けることを可能にするために提供されていることに留意されたい。複数の障害により緊急システムの実装が開始され、障害の数および障害タイプに基づいて、緊急減速および降下システムを作動させて、ロータ間弾道パラシュートを解放し得る。
アナログスイッチ３１２を使用して実装された多方向投票者は、モータ制御メッセージ３１４が制御ノードとモータコントローラ２４との間を通過し得て、燃料電池メッセージが制御ノードと燃料電池との間を通過し得て、ジョイスティックメッセージが制御ノードとジョイスティックの間を通過し得るように、１．ＯＫ、２．ＯＫおよび３．ＯＫの状態を監視し、これらの３つの信号を使用して、どのシリアル信号セット３０２を有効にするかを決定する。このコントローラのシリアルバスは、好ましい実施形態では、ＣＡＮネットワークに代表されるが、ＰＷＭパルス列、ＲＳ－２３２、イーサネット、または同様の通信手段などの他のシリアル通信を使用し得る。代替的な実施形態では、ＰＷＭパルス列が使用され、各チャネルのＰＷＭパルスの幅は、モータコントローラ２４が達成すべきＲＰＭのパーセントを指定するために使用される。これにより、制御ノードは、ネットワーク上の各モータコントローラ２４にコマンドを発行できる。投票および信号切替により、３つのオートパイロットコンピュータからの複数のコマンドストリーム出力に投票して、各オートパイロットの内部の健全性および状態に関するシステムの知識を使用して、複数（典型的には、モータごとに１つと、任意の他のサーボシステムごとに１つ）のコマンドストリームの単一セットを生成できる。
図４は、本発明のいくつかの例示的な実施形態が使用し得る、投票された双方向マルチプレクサ電気信号管理を示す。システム１００は、様々なサブシステムを監視する検知デバイスまたは安全センサを提供し、それぞれが、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスを使用してパラメータを自己測定および報告し、弁、ポンプ、またはそれらの組み合わせについて、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニット３２またはコンピュータユニット（ＣＰＵ）に通知して、熱エネルギが冷却剤から伝達される流体を使用して、燃料の供給または冷却の増減を可能にするように構成される、少なくとも１つの燃料電池モジュールおよび複数のモータコントローラを備え、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニット３２は、複数のモータコントローラ２４、燃料供給サブシステム、少なくとも１つの燃料電池モジュール１８、および異なる場所への燃料、空気および冷却剤の流れを変える弁およびポンプを動作させるコマンドを使用する流体制御ユニットを指揮する少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットを有し、少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニット３２は、ＣＰＵを備えた少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニット３２が健全性状態指標（例えば、周期的にトリガされる「Ｉ'ｍ ＯＫ」信号）を提供する冗長ネットワークを介して投票プロセスを通信する。信号およびアナログ投票回路は、個々の健全性状態指標から、すべてのノードが良好であるか、特定のノードで障害が発生しているか、一連の障害が発生しているか、またはシステムが動作不能か（または、個々の信号の集約およびクロスチェック検証に基づく他の同様の兆候）を判断することにより、例えば、燃料電池モジュールの全体的な健全性を計算する。次いで、投票の結果は、例えば、燃料電池モジュール１８またはモータコントローラ２４を制御するために送信される適切な信号をトリガする。
図５は、本発明のいくつかの例示的な実施形態が使用し得る測定－分析－調整－制御手法を簡略化された形態で示すフローチャートを示す。システムは、出力メッセージを介して制御ＡＰによって開始される周期系フレームの「ティック」ごとに、ルーチン４００に周期的に入る。これが発生する周波数は、検知されるパラメータおよび車両の飛行動力学に適したものとして選択され、場合によっては、周波数は測定によって異なり得る。しかし、簡潔にするために、周波数はすべての測定に対して同じであり、具体的にするために、おおよそ、１秒あたり４０回、または２５ミリ秒ごとにオーバーサンプリング周波数が適用される。
ブロック４０２において、システムは、最初に、プロペラＲＰＭ、モータ電圧、モータ電流、および（利用可能な場合）温度または同様の熱力学的動作条件を含む、複数のモータおよびプロペラ２９の各モータの性能を示す様々なセンサ出力の測定を行う。そのような測定データは、各モータコントローラ２４のシリアルデータバスを介して容易にアクセスし得て、例示の実施形態は、この方法で取得できる様々な利用可能な測定パラメータの中から選択する。
したがって、取得されたモータデータを使用して、システムは、ブロック４０４のように、様々な分析を実行し、その分析を使用して、各モータの推力および車両の揚力および姿勢への寄与を計算し得る。次いで、ブロック４０６は、タブレットスロットルコマンドまたはスロットルレバーがオペレータによってどこに配置されたかを検出することによって、スロットルコマンドを測定し、以前のサンプルからの命令された推力の任意の変化に注目する。
ブロック４０８は、引き出された電圧、電流、および推定される残りの燃料３０を測定する。次いで、このデータは、進行中の移動またはミッションの残りの飛行時間の分析の一部として使用され、オペレータが利用できるようになる。
ブロック４１０において、オートパイロットコンピュータ３２は、他の組み込まれた慣性センサおよび（任意選択で）エアデータセンサを含む他の搭載センサから航空機１０００の測定値の代表的なグループ、および組み込まれたＧＰＳ受信機からデータを受信することによって導出されるＧＰＳデータを収集する。そのような測定には、対気速度、垂直速度、気圧高度、ＧＰＳ高度、ＧＰＳ緯度およびＧＰＳ経度、外気温度（ＯＡＴ）、ピッチ角、バンク角、ヨー角、ピッチ率、バンク率、ヨー率、縦加速度、横加速度、および垂直加速度が含まれる。一部のパラメータについては、システムが測定値を比較するための所定の制限がある。このデータは、熱力学的動作条件を決定するために使用され得て、オペレータが利用できるようになる。これらは、値自体の制限および／または最後の表示度数以降または過去数回のいくつかの表示度数の平均からの変化量の制限であり得る。制限は、熱力学、コンポーネント、設定、パラメータ、および動作条件から導出される熱基準に関連し得る。次いで、ブロック４１２は、タブレットまたはサイドアームユニットがオペレータによって空間内のどこに配置されたかを検出することによって、タブレット飛行コントローラまたはサイドアームコントローラコマンドを測定し、以前のサンプルからの命令された位置の任意の変化に注目する。事前計画（ＵＡＶ）モードで動作している場合、ブロック４１２は、オートパイロット制御ユニット３２に以前にロードされた事前計画ミッションの次の必要な段階を評価する。
次いで、ブロック４１４は、すべての車両状態データおよびオペレータからの命令されたデータを一致させ、所望の動きに対応するために必要なモータコントローラ２４の調整の意図されるマトリックスを計算する。次いで、ブロック４１６は、バックグラウンド健全性状態テストを実行し、コマンドマトリックスをブロック４１８に渡す。バックグラウンド健全性状態テストが失敗した場合、ブロック４１６はエラーを報告し、ブロック４３２で投票者３１２の出力状態ビットを無効にする。テスト自体を実行できない場合、投票者３１２の出力状態ビットはパルスを停止し、外部ウォッチドッグはそのコントローラの障害を宣言し、外部投票者３１２のアクションを通して別のコントローラが引き継ぐことを可能にする。
次いで、ブロック４１８は、意図されるコマンドのマトリックスを調べ、意図されるアクションが航空機１０００の安全マージン内にあるかどうかを評価する。例えば、モータコントローラ３が一定の電流を出力するように命令されている場合、その電流は、この航空機１０００について承認された性能測定基準内にある。そうでない場合、ブロック４２０は、モータコントローラ２４のコマンドのマトリックスを調整し、車両性能が調整または制約されたことを示すためにディスプレイに表示を提供する。
同様に、ブロック４２２は、意図されるコマンドのマトリックスを調べ、電気システムおよび燃料槽２２が、ミッションの全体的な成功を損なうことなく、マージンを持ってミッションを達成するのに十分な電力を含むかどうかを評価する。例えば、すべてのモータコントローラ２４が高度を上げるためにより高い電流を出力するように命令されている場合、その電流が利用可能であり、これはミッションの全体的な成功を損なうことなく行うことができる。そうでない場合、ブロック４２４は、モータコントローラ２４のコマンドのマトリックスを調整し、車両性能が調整または制約されたことを示すためにディスプレイに表示を提供する。次いで、ブロック４２４は、そのアクションおよび状態を他のオートパイロットノードに示すためのネットワークメッセージを発行する。
ノードのアクションが、航空機１０００が安全な飛行エンベロープパラメータを超えるのを防止したり、飛行の安定性を維持したりするのに十分な数のノードの状態を修正できないことが検出された場合、ブロック４２５は、モータコントローラ２４にコマンドを発行して、緊急降下またはロータ間弾道機体または航空機パラシュート展開を含み得る緊急手順を開始し、それらの応答が正しいかどうかを監視する。そうでなければ、ブロック４２６は、次いで、モータコントローラ２４にコマンドを発行し、それらの応答が正しいかどうかを監視する。
次いで、ブロック４２８は、利用可能な航空機の性能および状態データのすべてを撮像し、更新サンプルを不揮発性データストレージデバイス、典型的には、フラッシュメモリデバイスまたは他の形態の永続的なデータストレージに記憶する時期であるかどうかを決定する。典型的には、サンプルは１秒あたり１回記憶されるため、システムは１００ミリ秒のサンプル機会ごとに記憶動作を実行する必要はない。
次いで、ブロック４３０は、オペレータのディスプレイに任意の必要な更新を提供し、シーケンス全体が繰り返されると、次のティックを待つために戻る。
ブロック４３６は、すべての車両状態データ、特に、様々な温度センサおよび熱エネルギセンサから取得された測定された温度状態または測定された熱エネルギ状態およびオペレータからの命令されたデータの形態での熱力学的動作条件を一致させ、次いで、航空機１０００内の熱エネルギの管理を改善するために必要な調整を計算する。ブロック４３８は、排熱を効率的に管理し、車両の動作条件を維持するために、異なる車両システム間で熱エネルギの転送を実行し、車両状態データは、結果として生じる調整された熱力学的動作条件を反映して更新される。次いで、ブロック４１８は、意図されるコマンドのマトリックスを調べ、意図されるアクションが航空機１０００の安全マージン内にあるかどうかを評価する。そうでない場合、ブロック４２０はコマンドを調整する。ステップに戻って進むと、次いで、ブロック４３０は、オペレータのディスプレイに任意の必要な更新を提供し、シーケンス全体が繰り返されると、次のティックを待つために戻る。
飛行が完了すると、オペレータまたはオペレータの整備士は、記録されたデータを利用して、様々な提示形式で表示したり再生したりできる。１つの手法は、搭載ディスプレイ装置が、記録されたデータを取得し、様々なパラメータに適切なディスプレイのスタイルを決定し、データを確認または再生（シミュレーション）し、それらのビューに従ってデータを表示するために選択するビューのリストをユーザに提供するようにプログラムされたコンピュータの形態をとることである。しかし、例示の実施形態は、ディスプレイを提供するために地上装置に依存しないが、これは、非搭載ディスプレイまたは地上ディスプレイまたはリモートサーバシステムによっても達成できる。システムは、搭載装置（データサーバ）がウェブページを準備して提供する、いわゆる、クライアントサーバ手法を利用することによってこれを行い、地上ディスプレイ装置は、所望のユーザインタフェースを提供するために、標準のウェブブラウザクライアントのみを必要とする。
記憶または取得された飛行データレコードに関しては、ブラウザベースの通信モードを提供することに加えて、搭載記録システムにより、１つまたは複数の飛行からの記憶データを他の方法で読み取ることも可能である。例えば、搭載ストレージはまた、ウェブサーバインタフェースを使用して検査および／またはダウンロードしたり、戦術データリンク、商用通信（すなわち、４Ｇ、５Ｇまたは同様のもの）、Ｗｉ－Ｆｉ、またはイリジウムなどの衛星（ＳａｔＣｏｍ）サービスを使用して地上局に送信したりし得る。必ずしもそうとは限らないが、典型的には、搭載ストレージは、標準的な技術を使用して簡単に読み取れるコンマ区切りまたはその他の単純なファイル形式のデータを含む。
マルチロータ車両の動作および制御に対する本発明の手法は、調整可能なモータおよびコントローラの項目を測定、分析、表示、および予測し、命令された動きが安全で車両の能力の範囲内であるかどうかを計算するために、その搭載機器と組み合わされて、この新しい航空機設計の安全性および有用性を大幅に向上させ、初心者のオペレータが車両の通常の動作限界を超えて動作しようとする可能性を減らすことができる。したがって、当技術分野における重要な進歩となる。同様に、冗長モータ容量、冗長燃料電池機能で動作し、三重冗長オートパイロットで動作する車両の能力および発明者が考案した「フライバイライト」技術の使用により、この新しい航空機設計の安全性および実用性が大幅に向上し、システム障害、モータ故障、燃料電池障害、または外部ＥＭＩまたは雷干渉による壊滅的な事態からオペレータまたはペイロードを保護する。この設計は、モータ、コントローラ、またはオートパイロットまたはタブレットまたはサイドアームコントローラの任意の単一の障害を管理し、回避して、車両の安全な継続的動作および着陸を保証する。
図６は、本発明のシステムの様々なモータ制御コンポーネントの電気的およびシステム接続性、ならびにマルチロータ航空機１０００のための例示的な燃料供給サブシステム９００を示す。電気的接続性は、（対応する複数のモータおよびプロペラ２９の）６つのモータおよびプロペラアセンブリ２８および、モータおよびプロペラの組み合わせに電力を供給するために必要な電気コンポーネントを含む。高電流接触器９０４は、スタータ／ジェネレータ２６に電圧を印加して燃料電池モジュール１８を始動する、車両キースイッチ４０の制御下で係合および係合解除される。本発明の例示的な実施形態によれば、点火後、燃料電池モジュール１８（例えば、１つまたは複数の水素駆動燃料電池または炭化水素燃料モータ）は電気を生成して、（複数のモータおよびプロペラ２９の）６つのモータおよびプロペラアセンブリ２８に電力を供給する。回路遮断器９０２を有する電力分配監視および制御サブシステムは、燃料電池モジュール１８から複数のモータコントローラ２４への生成された電圧および電流の分配を自律的に監視および制御する。当業者によって理解されるように、回路遮断器９０２は、過負荷または短絡に起因する損傷から各モータコントローラ２４を保護するように設計されている。さらに、電気的接続性および燃料供給サブシステム９００は、ダイオードまたはＦＥＴ２０を含み、各電源および電気メインバスおよび燃料電池モジュール１８との間の絶縁を提供する。ダイオードまたはＦＥＴ２０はまた、それらが２つの供給源からの電流を一緒に電気メインバスにダイオードＯＲするという点で、フェイルセーフ回路の一部である。例えば、燃料電池モジュール１８の対の１つが故障した場合、ダイオードまたはＦＥＴ２０は、現在唯一残っている電流源によって提供される電流を、すべてのモータコントローラ２４に等しく共有し分配することを可能にする。そのような事象は明確にシステム障害になり、オートパイロットコンピュータ３２は、それに応じて反応して、航空機をできる限り早く安全に着陸させる。有利なことに、ダイオードまたはＦＥＴ２０は、残りの電流を共有することによって、システムがそのモータの半分を失うのを防ぐ。さらに、ダイオードまたはＦＥＴ２０も個別に有効化されるため、１つのモータが故障または劣化した場合、（複数のモータおよびプロペラ２９の、例えば、逆回転対の）適切なモータとプロペラの組み合わせ２８が無効になる。例えば、ダイオードまたはＦＥＴ２０は、（複数のモータおよびプロペラ２９の）適切なモータおよびプロペラの組み合わせ２８の有効な電流を無効にして、その対をオフにし、不均衡な推力を回避する。本発明の例示的な実施形態によれば、（複数のモータおよびプロペラ２９の）６つのモータおよびプロペラの組み合わせ２８は、それぞれ、モータおよびプロペラ２９を含み、６つのモータおよびプロペラの組み合わせ２８の６つのモータの独立した動きを制御するモータコントローラ２４に接続される。当業者によって理解されるように、電気的接続性および燃料供給サブシステム９００は、６、８、１０、１２、１４、１６、またはそれ以上の独立したモータコントローラ２４および（複数のモータおよびプロペラ２９の）モータおよびプロペラアセンブリ２８を使用して実装され得る。
図６に続けると、電気的接続性および燃料供給サブシステム９００はまた、冗長バッテリモジュールシステムならびにＤＣ充電システムのコンポーネントを示す。電気的接続性および燃料供給サブシステム９００は、燃料槽２２、アビオニクスバッテリ２７、ポンプ（例えば、水または燃料ポンプ）および冷却システム４４、スーパーチャージャ４６、およびスタータ／オルタネータを含む。燃料電池１８は、搭載された燃料３０槽２２によって供給され、その燃料を使用して、モータおよびプロペラの組み合わせ２８のための動力源を生成する。当業者によって理解されるように、燃料電池モジュール１８は、複数のモータおよびプロペラ２９を駆動または回転させるために、水素または他の適切なガス燃料３０によって燃料を供給できる１つまたは複数の水素駆動燃料電池を含むことができる。
図７、図８、および図９は、マルチロータ航空機１０００の発電サブシステム６００内の燃料電池モジュール１８の例示的なサブコンポーネントを示す。図７は、マルチロータ航空機１０００内の燃料電池の構成例を示し、図８は、マルチロータ航空機１０００内の少なくとも１つの燃料電池モジュール１８内の燃料電池の例示的なサブコンポーネントを示す。一実施形態では、１つまたは複数の燃料電池モジュール１８は、空気フィルタ１８ｆ、ブロワ１８ｆ、風量計１８ｆ、燃料供給アセンブリ７３、再循環ポンプ７７、冷却剤ポンプ７６、燃料電池制御１８ｅ、センサ、エンドプレート１８ａ、少なくとも１つのガス拡散層１８ｂ、少なくとも１つの膜電解質アセンブリ１８ｃ、少なくとも１つのフローフィールドプレート１８ｄ、冷却剤導管８４、接続部、水素入口８２、冷却剤入口７８、冷却剤出口７９、１つまたは複数の燃料電池モジュール１８に空気を供給する１つまたは複数の空気駆動ターボチャージャ４６、および１つまたは複数の燃料電池モジュール１８に接続され、流体連通し、冷却剤３１を輸送する冷却剤導管８４を有する。１つまたは複数の燃料電池モジュール１８は、１つまたは複数の水素駆動燃料電池をさらに含み得て、各水素駆動燃料電池は、ガス状水素（ＧＨ２）または液体水素（ＬＨ２）によって燃料を供給され、１つまたは複数の燃料電池モジュール１８は、燃料槽２２からの水素を空気と結合して、電圧および電流を供給する。燃料電池の容器および配管は、関連する圧力および温度についてＡＳＭＥコードおよびＤＯＴコードに合わせて設計されている。
一実施形態では、航空燃料電池モジュール１８は、部品点数を減らすように構成された多機能スタックエンドプレートを含み、統合されたマニホールド、統合されたワイヤリングハーネス、統合された電子機器および制御装置を有し、スタックエンドプレートは特定の配管および継手を排除し、部品の検査および交換を容易にし、信頼性の向上、大幅な質量、体積および騒音の低減、および二重壁保護の低減をもたらす。統合された電子機器および制御装置は、燃料電池モジュール１８の温度センサまたは熱エネルギセンサとして動作し得て、それらは、燃料電池モジュール１８の熱伝達インフラストラクチャアーキテクチャにも統合され得て、したがって、動作によって生成された過剰な熱を電子機器および制御装置から遠ざけて、より効率的な動作を促進し、過熱を低減し得る。航空燃料電池モジュール１８は、軽量化、体積電力密度の増加、最大振動耐性、性能および燃料効率の向上、耐久性の向上、およびそれらの組み合わせのために最適化されたスタックを有する、航空宇宙用の軽量金属燃料電池コンポーネントでさらに構成され得る。例示的な実施形態では、燃料電池モジュール１８は、７２×１２×２４インチ（Ｌ×Ｈ×Ｗ）（１８２．８８×３０．４８×６０．９６センチメートル）の寸法および１２０ｋｇ未満の質量を有する構成で、１０，０００時間を超える設計寿命を有し、１２０ｋＷの電力を生成し得る。各モジュールの動作方向は、ロール、ピッチ、ヨーに対応し、二重壁保護ならびに衝撃および振動システムの耐性を低減する。
図９は、水素フローフィールドプレートおよび酸素フローフィールドプレート１８ｄの構成、バッキング層および触媒を有する膜電解質アセンブリのプロトン交換膜１８ｃの両側のアノードおよびカソード体積、ならびに結果として生じる水素、酸素、および冷却剤のフローベクトルを示す、エンドプレート１８ａで覆われた燃料電池モジュール１８内の例示的なサブコンポーネントをさらに示す。ガス状水素燃料は、供給アセンブリ７３を介して入り得て、圧縮された空気（ターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６、ブロワ、または圧縮された空気または酸素の局所供給によって供給される）の形態の酸素（Ｏ２）は、空気フィルタ／ブロワ／メータ１８ｆからの出力として入り得て、排気流体は、再循環ポンプ７７を介して除去できる。一実施形態では、触媒層は、電極／電解質の界面に付着させ得る。電極／電解質の界面の触媒層のカソードで液体の水が形成され得て、除去されない場合、燃料電池の性能を妨げ、Ｏ２が電極／電解質の界面に到達するのを妨げ、最大電流密度の制限を引き起こす。ガス拡散層ＧＤＬ １８ｂは、ガス輸送を妨げることなく、Ｈ２Ｏの除去を可能にするために実施され得る。ＧＤＬ １８ｂは、電極／電解質の界面への流れを可能にし、生成された電流を運び、ＧＤＬ１８ｂを通る水蒸気拡散およびガス流出チャネルからの対流を可能にするのに十分な導電率を可能にする多孔性であり得て、それによって、電解質を循環させ、水を気化させるが、液体Ｈ２Ｏを透過させることはできない。ガス拡散層ＧＤＬ １８ｂは、流路を構成する導体間で電子を通過させるために導電性であり得る。ＧＤＬ １８ｂは、バッキング層およびメソポーラス層の両方を有し得る。圧縮されたＯ２／空気は、ガス流路を通って流れ、ＧＤＬ １８ｂを通って触媒層に拡散し、そこで、電解質層またはアセンブリを通って来るイオンまたはプロトンと反応する。一般的な電解質のタイプには、アルカリ、溶融炭酸塩、リン酸（液体電解質）、ならびにプロトン交換膜（ＰＥＭ １８ｃ）および固体酸化物（固体）などがある。液体電解質は、様々な手段で２つの電極の間に保持される。ＰＥＭ １８ｃは、膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）１８ｃを使用して所定の位置に保持される。ＰＥＭ １８ｃ（ＰＥＭＦＣ）は、ほとんどの場合、電解質として水性の酸性高分子膜を使用し、白金系の電極を有する。
動作中、１つまたは複数の熱交換器５７を使用する抽出によって、またはシステム１００によって開始される圧力の変化によってＧＨ２に変換されたＬＨ２、およびターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６（または、従来の燃料ポンプおよび調整器、または、空気もしくは酸素の局所貯蔵）からの空気フィルタ／ブロワ／計器１８ｆを経由する圧縮された空気／Ｏ２の流れは、両方とも複数の水素燃料電池を含む１つまたは複数の燃料電池スタックを有する１つまたは複数の燃料電池モジュール１８に供給される。複数の水素燃料電池の各燃料電池では、供給アセンブリ７３からのＧＨ２燃料は、入口での水素フローフィールドプレート１８ｄ流入の第１の端部に入り、水素をアノード層に分配して流すように設計されたチャネルアレイを含む水素フローフィールドプレート１８ｄの流路を通って供給され、過剰なＧＨ２は、燃料電池の残りをバイパスし、流体導管、弁、および再循環ポンプ７７にさらに接続され、それらと流体連通して、将来の燃料電池反応のために水素をリサイクルし得る、出口でのＧＨ２流出を介してそのフローフィールドプレート１８ｄの第２の端部を出るように指示され得る（または、排気ポート６６を使用して排気として排出され得る）。同様に、各燃料電池では、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６内に含まれるか、または、圧縮された空気から抽出されたＯ２は、入口を使用して流入する酸素フローフィールドプレート１８ｄの第１の端部に入り、酸素をカソード層に分配して流すように設計されたチャネルアレイを介して、各燃料電池の対のプレートのそれぞれの反対側のフローフィールドプレート１８ｄでのＧＨ２の流れに対して垂直な角度の方向にフローフィールドプレート１８ｄを横切る流路を介して供給され、過剰なＯ２は、燃料電池の残りをバイパスし、将来の燃料電池反応のために酸素をリサイクルするために、流体導管、弁、および再循環ポンプ７７にさらに接続され、それらと流体連通し得る、出口でのＯ２および／またはＨ２Ｏ流出を介してそのフローフィールドプレート１８ｄの第２の端部を出るように指示され得る（または、排気ポート６６を使用して排気として排出され得る）。ガス状ＧＨ２およびＯ２のそれぞれは、ＰＥＭ １８ｃなどのプラスチック膜によってさらに分離された２層の触媒によって分離された、（正味の流れが互いに、燃料電池の中心に向かうように）向かい合った燃料電池の両側に配置された２つの異なるＧＤＬ １８ｂを介して拡散される。バッキング層とプラスチック膜触媒との間の界面にある電極のコンポーネントであり得る電極触媒は、酸化反応を含み得る反応を使用して、ＧＨ２分子を水素イオンまたはプロトンおよび電子に分解する。一実施形態では、アノード層のアノードで、白金触媒によって、Ｈ２二水素がＨ＋正に帯電した水素イオン（プロトン）とｅ－負に帯電した電子に分割される。ＰＥＭ １８ｃは、正に帯電したイオンのみを通過させてカソードに到達することを可能にし、その結果、カソードに引き付けられたプロトンはＰＥＭ １８ｃを通過し、一方、電子は、ＰＥＭ電解質アセンブリ（ＭＥＡ）がそれらに対してバリアとして機能する場所で制限される。負に帯電した電子は、代わりに、電圧降下に従って、外部電気回路に沿ってカソードに移動し、その結果、電流がアノード側触媒層からカソード側触媒層に流れ、電気を生成して、航空機１０００のコンポーネントに電力を供給し、この電力は、ストレージに送られるか、または、複数のモータおよびプロペラアセンブリ２８を動作させるために、複数のモータコントローラ２４に直接送られる。電子がフローフィールドプレート１８ｄによって分配された後、ＧＤＬを通過するときに白金電極と接触すると、１つまたは複数の集電体は、金属または他の適切な導電性媒体を有し、ＭＥＡを迂回してカソード層に到達するように指示され得る、外部電気回路への電子の流れを容易にするために使用され得る。外部電気回路を通過した後、電子はカソード層に堆積し、そこで電子と水素イオンまたはプロトンが第２の触媒層の存在下でＯ２と結合して、水および熱が生成される。電子は、Ｏ２と結合してＯ２イオンを生成し、次いで、ＰＥＭ １８ｃを通って到着する水素イオンまたはプロトンが、Ｏ２のイオンと結合してＨ２Ｏを形成する。次いで、このＨ２Ｏは、カソード側の触媒層を越えてＧＤＬを通ってＯ２流路に戻され、そこで除去するか、そうでなければ空気流と対流して、流体導管、弁、またはポンプにさらに接続され、それらと流体連通し得る、出口でのＯ２および／またはＨ２Ｏ流出を介してそのフローフィールドプレート１８ｄの第２の端部を出ることができ、他の排気ガスまたは流体にも使用できる排気ポート６６を使用して排気として排出され得る。したがって、燃料電池の生成物は、熱、水、および反応によって生成される電気だけである。他の実施形態では、代わりに、集電体プレートまたはＧＤＬ圧縮プレートなどの追加の層を実装できる。
図１０は、それぞれの燃料電池モジュール１８（下）ならびに気象データ（右半分）および空のハイウェイデータ（左半分）のそれぞれに関連する燃料残量、燃料電池温度およびモータ性能を含む燃料電池動作条件を示すために提供され得る、ディスプレイ提示５０２の一種を示す。また、車両のＧＰＳ対気速度（左上の垂直バー）とＧＰＳ高度（右上の垂直バー）も示される。航空機１０００がどこにいるのか、どのように動作しているのか、およびどこに向かっているのかについての総合的な３次元表現をオペレータに提示するために、機首磁方位、バンク、およびピッチも表示される。他の画面は、画面の下部に並ぶタッチセンサ式のボタンの列から選択できる。ディスプレイ提示５０４も同様であるが、飛行経路に沿ってパイロットを誘導するために「ウィケット」が追加されている。画面の下半分は、搭載した電力量で車両が容易に到達できる近くの着陸地点を示す。実装に近いことを対象にした例示的な実施形態では、図１０は、この車両およびミッションに適合した、利用可能なＴＳＯ'ｄ（すなわち、ＦＡＡ承認済み）アビオニクスユニットの使用を示している。ＦＡＡまたは国際当局による承認を条件として、より単純な形式のアビオニクス（簡易車両動作またはＳＶＯとして知られている）が導入され得て、上記ディスプレイは、概念的には、Ａｐｐｌｅ ｉＰａｄ（登録商標）と同様に、「タブレット」または簡略化されたコンピュータおよびディスプレイにインストールされて動作するソフトウェアパッケージである。同一のディスプレイソフトウェアを実行する２つの同一のユニットを使用すると、ユーザが、いくつかの異なるディスプレイ提示を構成すること、さらには、飛行中に１つのディスプレイに障害が発生した場合でも完全な能力を有することを可能にする。これにより、車両の全体的な安全性および信頼性が向上する。
図１１は、マルチロータ航空機１０００の燃料供給および発電サブシステム６００のコンポーネントの空間要件の例を示す。
図１２は、マルチロータ航空機１０００内の燃料供給および発電サブシステム６００の例示的な位置を示す、例示的なマルチロータ航空機１０００のプロファイル図を示す。
図１３は、マルチロータ航空機１０００内の燃料供給サブシステム９００および発電サブシステム６００の代替の例示的な位置を示す図を示す図である。
図１４は、マルチロータ航空機１０００内の発電サブシステム６００の熱伝達および熱交換コンポーネントの構成の例示的な図を示す。いくつかの実施形態では、燃料槽２２、アビオニクスバッテリ２７、様々なポンプおよび冷却システム４４、スーパーチャージャ４６、およびラジエータ６０も含まれ、監視され、制御され得る。すべての燃料電池モジュール１８は、搭載された燃料槽２２によって供給され、その燃料３０を使用して、マルチロータ航空機１０００の動力源を生成する。これらのコンポーネントは、４Ｄ飛行管理と連携するように構成および統合される。発電サブシステム６００は、特定の使用構成に基づいて様々な数の燃料電池、例えば、水素燃料電池のセットを有し得る。電池の動作および制御は、ＣＡＮプロトコルまたは同様のデータバスまたはネットワークまたは無線または他の通信手段を介して可能になる。飛行制御アルゴリズムは、ＣＡＮを介して燃料電池から供給される電力を変調および監視する。
図１５は、パイロットおよび乗客を収容するキャビン環境を有する内部温度帯５２から防火壁９９の反対側に配置された発電サブシステム６００のコンポーネントに関連するマルチロータ航空機１０００内の燃料供給サブシステム９００のコンポーネントの例示的なプロファイル図を示す。
図１６は、マルチロータ航空機機体胴体１０２０のフレームから延在し、ほぼ環状構成で支持アーム１００８を伸長するプロペラ２９のアレイの位置を示す２つの図を示す。
図１７は、細長い支持アーム１００８および航空機本体１０２０を有する本発明の実施形態による例示的な航空機１０００を示し、図１７は、図１６に示す航空機１０００の別の図を示す。本発明の例示的な実施形態によれば、複数の電気モータは、細長い支持アーム１００８によって支持され、航空機１０００が上昇すると、細長い支持アーム１００８は、航空機１０００自体を（懸架状態で）支持する。図１７は、本発明の実施形態による、プロペラ２９が明確に示されている複数のモータおよびプロペラアセンブリ２８を支持する細長い支持アーム１００８が取り付けられている、機体胴体１０２０の位置を示す、マルチロータ航空機１０２０のフレームから片持ち梁にされた６つのロータ（プロペラ２９）を有するマルチロータ航空機１０００の側面図および上面図を示す。
図１８は、マルチロータ航空機１０００内の燃料槽２２および燃料供給サブシステム９００の例示的なサブコンポーネントを示し、燃料槽２２は、炭素繊維エポキシシェルまたはステンレス鋼または他の頑丈なシェル、プラスチックまたは金属ライナ、金属界面、衝突／落下保護をさらに有し、燃料３０として水素の作動流体を使用するように構成され、関連する圧力および温度についてＡＳＭＥコードおよびＤＯＴコードに合わせて設計されている燃料配管８５、容器および配管８５を有する。一般に、熱力学システムでは、作動流体は、エネルギを吸収または伝達する、または、機械もしくは熱機関を作動させる液体またはガスである。本発明では、作動流体は、液体または気体状態の燃料、冷却剤３１、加圧された空気、または加熱されてもされなくてもよい他の空気を含み得る。燃料槽２２は、コンポーネント／機械的区画から外部温度帯５４へのベント６４を含むように設計されており、燃料槽２２を破裂させることなく５０フィート（１５２．４メートル）の降下を実現する設計で設置されている。燃料槽２２のヘッド側は、複数の弁８８と、燃料槽２２を動作させるための器具とを有する。一実施形態では、燃料槽２２のヘッド側は、ＬＨ２燃料補給ポート（燃料移送連結部のメス部分５８）を含む嵌合部Ａ、３／８インチＢ（１７．３ミリメートル）（ＶＥＮＴ６４）、１／４インチ（１３．８ミリメートル）（ＰＴ）、１／４インチ（１３．８ミリメートル）（ＰＧ＆ＰＣ）、フィードスルー、真空ポート、真空計、スペアポート、１／４インチ（１３．８ミリメートル）センサ（液体検出）を含む嵌合部Ｂ、少なくとも１つの１インチ（３４ミリメートル）ユニオン８６（熱交換器５７とのインタフェース）ならびに１／２インチ（２１．７ミリメートル）安全弁８８を含む嵌合部品Ｃを有する。液体水素貯蔵サブシステムおよび燃料槽２２は、充電のために少なくとも１つの燃料移送連結部５８、充電用の１バール（１００ｋＰａ）のベント６４、自己圧力増大ユニット、少なくとも２つの安全逃し弁８８、ＧＨ２加熱コンポーネント、熱交換器５７に送られるか、そうでなければ、燃料電池冷却剤３１の水のための流体導管と接触している容器および配管を使用し得る。燃料槽２２はまた、レベルセンサ（高容量）を含み、規制要件を満たし得る。燃料槽２２の異なる例示的な実施形態は、降下および衝突保護を提供するために燃料槽２２のコンポーネントをカプセル化するために使用される炭素繊維エポキシシェルまたはステンレス鋼シェル材料を含み得る。別の実施形態では、ＬＨ２燃料槽２２は、１つまたは複数の内槽、絶縁ラップ、内槽と外槽との間の真空、および、はるかに低い動作圧力、典型的には、約１０バール（約１ＭＰａ）、または１４０ｐｓｉ（約０．９６５ＭＰａ）を有し得る（ＧＨ２は、典型的には、はるかに高い圧力で動作する）。燃料槽２２はまた、連結器、調整器および同様のコンポーネントにさらなる降下および衝突保護を提供するために、少なくとも１つの保護リングを装備し得る。例示的な実施形態では、燃料供給サブシステム９００は、燃料槽２２を規定量まで液体水素（ＬＨ２）で満たし、それを安全に貯蔵するために使用されるＬＨ２充填ラインをさらに備え、圧力センサ、圧力安全弁、圧力計、圧力調整器、および１つまたは複数の圧力増大ユニットは、燃料槽２２の環境を監視、調節、および調整して、燃料を適切な温度および状態に維持し、ＬＨ２排出ラインを使用して供給される発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）に効率的に燃料を供給し、燃料は、１つまたは複数の熱交換器５７を有する追加の手段によって調整される。燃料の安全性を管理するだけでなく、変位中の燃料の供給の継続性を維持するために、揮発性ガスを気化器７２および１つまたは複数のＧＨ２ベント６４の接続部を通過させて外部環境に排出し得る。追加のコンポーネントには、少なくとも１つの真空センサおよびポート、およびレベルセンサフィードスルーが含まれる。燃料供給サブシステム９００は、限定されないが、発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）に供給するために、適切な方法で冷却剤導管を通る冷却剤の流れを監視、指示、ルート変更、および調整するために使用される、圧力トランスミッタ、レベルセンサ、冷却剤循環ポンプ、および圧力調整器のソレノイド弁を含む、様々なコンポーネントをさらに備える。一実施形態では、燃料は、発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）から別個の冷却剤（例えば、熱交換器５７と流体連通する）によって供給され得て、別の実施形態では、燃料供給サブシステム９００は、冷却剤を輸送する冷却剤導管を有する冷却ループまたは回路を発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）と共有し、追加の実施形態では、燃料供給サブシステム９００は、例えば、１つまたは複数の熱交換器５７による熱伝導性接触または間接接触のいずれかを介して、発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）を含む様々なコンポーネントの冷却剤導管として機能する燃料配管を有し得る。
図１９は、発電サブシステム６００の最も基本的なコンポーネントとともに、燃料槽２２、燃料電池、ラジエータ６０、熱交換器５７、および空調コンポーネントを有する燃料供給サブシステム９００の例示的な図を示す。統合システム１００の燃料供給サブシステム９００は、ガス状水素（ＧＨ２）、液体水素（ＬＨ２）、または同様の流体燃料からなるグループから選択される燃料を貯蔵および輸送するように構成される、１つまたは複数の燃料電池と流体連通する燃料槽２２をさらに備える。燃料供給サブシステム９００は、それぞれが燃料槽２２と流体連通する、燃料配管、少なくとも１つの燃料供給連結部５８、充電のための燃料補給接続、１つまたは複数のベント６４、１つまたは複数の弁８８、１つまたは複数の圧力調整器、気化器７２、ユニオン８６、および熱交換器５７をさらに備え、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱安全センサは、燃料供給サブシステム９００内のガスの温度および濃度を監視し、１つまたは複数の圧力計、１つまたは複数のレベルセンサ、１つまたは複数の真空計、および１つまたは複数の温度センサも有する。オートパイロット制御ユニット３２またはコンピュータプロセッサは、サブシステムのコンポーネントを動作させ、温度調整プロトコルに基づいて、発電サブシステム６００を有する１つまたは複数の供給源から、内部温度帯５２（ＨＶＡＣサブシステム６を使用）、外部温度帯５４（少なくとも１つのラジエータ６０または１つまたは複数の排気ポート６６を使用する）、および燃料供給サブシステム９００（熱交換器５７または気化器７２を有する熱エネルギインタフェースサブシステム５６を使用する）を含む、１つまたは複数の熱エネルギ移動先などへの熱エネルギ伝達の量および分配を計算、選択、および制御するようにさらに構成される。分配は、ＨＶＡＣサブシステムを使用して、内部温度帯５２を有する１つまたは複数の供給源から、燃料供給サブシステム９００を有する１つまたは複数の熱エネルギ移動先まで行われ得る、または、１つまたは複数のベント６４を使用して、外部温度帯５４から燃料供給サブシステム９００まで行われ得る、およびそれらの組み合わせで行われ得る。図１８は、圧力増大ユニット、ＬＨ２のＡｌｔポート、燃料補給ポート、スイッチ接点付き圧力計、圧力トランス／レベル／真空計／圧力調整器、ＬＨ２をＧＨ２に変換して嵌合するための気化器７２、嵌合部Ａ：ＬＨ２燃料補給ポート（メス燃料移送連結部５８）、嵌合部品Ｂ：３／８インチＢ（１７．３ミリメートル）（ベント６４）、嵌合部品Ｃ：１インチ（３４ミリメートル）ユニオン８６（熱交換器付きインタフェース５７）とともに、ＬＨ２の４００Ｌ燃料槽２２を示す。また、少なくとも１つのラジエータ６０、冷却剤出口、例示的な燃料電池モジュール１８、冷却剤入口７８、空気流の検知および調節、および冷却剤（冷却水循環）ポンプ７６も示される。図１８に示す、熱交換器５７または気化器７２を有する熱エネルギインタフェースサブシステム５６は、燃料３０を有する燃料供給サブシステム９００に関連し、流体連通する第１の流体導管および冷却剤３１を有する発電サブシステム６００に関連し、流体連通する第２の導管に接続するように構成され、熱エネルギは、冷却剤３１から伝導によって伝導界面を越えて燃料３０に伝達され、それによって、燃料３０を温め、冷却剤３１を冷却し、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスは、燃料温度センサおよび冷却剤温度センサをさらに有する。
図２０は、燃料槽２２、燃料電池、ラジエータ６０、熱交換器５７、および空調コンポーネント、ならびにコンポーネント間の熱伝達のための相互に関連する導管の例示的な図を示す。一実施形態では、冷却システムは、燃料電池モジュール１８、モータ、モータコントローラ２４、および熱伝達による電子冷却用に構成される５つの熱交換器５７を備える。熱交換器５７はそれぞれ、チューブ、ユニオン８６（ＬＨ２槽側）、真空ポート／フィードスルーおよびベント６４を有する。様々な実施形態では、内側容器からの１つまたは複数の出口を使用し得て、複数の内側容器を外側容器の内部に構築し得る。気化器７２は、導管８５、パイプ８５またはチューブ８５によって熱交換器５７と相互接続され得るか、または冷却剤導管８４と接触することによって熱交換器５７自体として機能し得る。一実施形態では、熱交換器５７は、熱伝導率、熱力学、および流体力学に関連する異なる原理を実施することによって、ある流体から別の流体にエネルギ／熱をより効率的に伝達する軽量アルミニウム熱交換器５７または小型流体熱交換器５７をさらに有し得る。そのような流体熱交換器５７は、冷却剤導管８４および燃料配管８５の内部を通常流れる温かいおよび／または熱い流体を使用する。熱エネルギは、冷却剤導管８４内の流体（冷却剤３１）がシステムを通って流れるときに対流によって伝達され、移動する流体は、異なる温度の表面を有する流体導管／冷却剤導管８４の内壁と接触し、分子の運動は、対流による単位表面あたりの熱伝達を確立する。次いで、熱伝導では、熱は、熱交換器５７本体内の２つのコンポーネント間の物理的接触の領域にわたって、より高温の流体導管／冷却剤導管８４からより低温の燃料フローチューブ８５／燃料導管８５／燃料配管８５に自然に流れる。次いで、熱エネルギは、流入チューブ８５／燃料導管８５／燃料配管８５の内壁から、燃料フローチューブ８５／燃料導管８５／燃料配管８５の内壁の表面領域に接触することによって流れる燃料配管８５内の流体に対流によって再び伝達される。熱交換器５７は、平行流、向流、および交差流を含む基準の流れにより分類され得る。熱交換器５７は、シェルおよびチューブ、プレート、フィン、スパイラル、および上記タイプの組み合わせであり得る。熱交換器５７の本体、チューブ、パイプ、配管および導管は、銅、ステンレス鋼、および合金およびそれらの組み合わせのうちの１つ、または他の導電性材料を有し得る。流体熱交換器５７の第１の開放端は、冷却剤導管８４に接続され、これらと流体連通し得る。第２の開放端は、発電サブシステム６００（例えば、燃料電池モジュール１８）、外部温度帯５４、および、特に、ラジエータ６０を含む他のサブシステムに流体（冷却剤３１）を輸送する第２の冷却剤導管８４に接続され、これらと流体連通する。流体熱交換器５７の第３の開放端は、流入チューブ８５／燃料導管８５／燃料配管８５に接続され、これらと流体連通し得る。流体熱交換器５７の第４の開放端は、流入チューブ８５／燃料導管８５／燃料配管８５に接続され、これらと流体連通し、その結果、流体熱交換器５７は、燃料供給サブシステム９００、発電サブシステム６００、内部温度帯５２、または外部温度帯５４に流入または流出する流体導管、冷却剤導管８４、パイプ、燃料配管８５の区画を置き換え、交換器５７を通って流れる流体から熱を再び取り出し、その熱を流入流体に伝達し得る。接続は、パイプを接続する任意の既知の方法を使用して行い得る。熱力学的動作条件の測定は、１つまたは複数の熱エネルギ源に対応する第１の温度を測定し、熱基準に対応する１つまたは複数の追加の温度を評価することを有し、１つまたは複数の熱基準は、動作パラメータ、警告パラメータ、機器設定、乗員制御設定、代替コンポーネント、代替帯、温度センサ、および外部基準情報からなるグループから選択される１つまたは複数の基準を有する。１つまたは複数の供給源は、発電サブシステム６００、内部温度帯５２、外部温度帯５４、および燃料供給サブシステム９００からなるグループから選択される。１つまたは複数の熱エネルギ移動先は、発電サブシステム６００、内部温度帯５２、外部温度帯５４、および燃料供給サブシステム９００からなるグループから選択される。一実施形態では、燃料電池制御システム１００は、２つのモータの対ごとに１つの燃料電池、すなわち、６つのモータおよび３つの燃料電池モジュール１８を有する。燃料電池モジュール１８は、１つの燃料電池が故障した場合の、モニタ、ソースコードのレベルＡ分析、および少なくとも１つのクロスオーバースイッチを有する三重モジュール冗長オートパイロットである。
図２１は、クリーン燃料マルチロータ航空機１０００で軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムを動作させるための方法７００の１つの例示的な実施形態による、本発明を示すフローチャートを示す。方法７００は、ステップ７０２において、液体水素（ＬＨ２）燃料を燃料槽２２から燃料槽２２と流体連通している１つまたは複数の熱交換器５７に輸送し、１つまたは複数の熱交換器５７を使用してＬＨ２の状態をガス状水素（ＧＨ２）に変換して、ＬＨ２への熱エネルギ伝達を実行する段階と、ステップ７０４において、ＧＨ２を１つまたは複数の熱交換器５７から、１つまたは複数の熱交換器５７と流体連通している複数の水素燃料電池を有する１つまたは複数の燃料電池モジュール１８に輸送する段階とを備える。方法の段階は、ステップ７０６において、複数の水素燃料電池内のＧＨ２を、複数の水素燃料電池のそれぞれの水素フローフィールドプレート１８ｄの流入端に埋め込まれた第１のチャネルアレイに迂回させ、ＧＨ２を第１のチャネルアレイに強制的に通し、ＧＨ２を、水素フローフィールドプレート１８ｄの第１のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）１８ｂを有するアノードバッキング層を通して、膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）１８ｃのＡＧＤＬおよびプロトン交換膜（ＰＥＭ１８ｃ）のアノード側に接続されたアノード側触媒層に拡散させる段階をさらに備える。ステップ７０８において、システム１００は、吸気口と流体連通している１つまたは複数のターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６を使用して、周囲空気を収集して圧縮された空気に圧縮することを実行する。システム１００は、ステップ７１０において、１つまたは複数のターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６から、１つまたは複数のターボチャージャまたはスーパーチャージャ４６と流体連通する複数の水素燃料電池を有する１つまたは複数の燃料電池モジュール１８に圧縮された空気を輸送することと、ステップ７１２において、複数の水素燃料電池内の圧縮された空気を、水素フローフィールドプレート１８ｄの反対側に配置された複数の水素燃料電池のそれぞれの酸素フローフィールドプレート１８ｄの流入端に埋め込まれた第２のチャネルアレイに迂回させ、ＧＨ２を第２のチャネルアレイに強制的に通し、圧縮された空気を、酸素フローフィールドプレート１８ｄの第２のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）１８ｂを有するカソードバッキング層を通して、膜電解質アセンブリのＣＧＤＬおよびＰＥＭ１８ｃのカソード側に接続されたカソード側触媒層に拡散させることとを実行する。ステップ７１４において、アノード側触媒層との接触により、ＬＨ２を正電荷のプロトンまたは水素イオンと負電荷の電子に分割する段階であって、ＰＥＭ １８ｃが、プロトンが電荷引力によって、アノード側からカソード側に浸透することを可能にするが、電子を有する他の粒子を制限する、分割する段階、ステップ７１６において、マルチロータ航空機の複数のモータおよびプロペラアセンブリ２８を制御するように構成される複数のモータコントローラ２４を有する発電サブシステムに電力を供給する電気回路に電圧および電流を供給する段階、ステップ７１８において、電気回路からの電流から戻る電子を圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンを酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する段階、ステップ７２０において、第２のチャネルアレイおよび酸素フローフィールドプレート１８ｄの流出端を使用して、Ｈ２Ｏおよび圧縮された空気を燃料電池から除去するために、Ｈ２Ｏ分子をＣＧＤＬを介して第２のチャネルアレイに通す段階、ステップ７２２において、第１のチャネルアレイおよび水素フローフィールドプレート１８ｄの流出端を使用して、燃料電池から排気ガスを除去する段階。燃料電池の機能によって生成された過剰な熱は、排気ガスおよび／またはＨ２Ｏとともに排出され、１つまたは複数の冷却剤が満たされたラジエータを使用して放散されるか、または、１つまたは複数の熱交換器５７によって使用される流体導管内の作動流体によって供給され、２つの異なる流体間の直接界面なしにＬＨ２を加熱する熱エネルギ伝達によってＬＨ２からＧＨ２を抽出できる。１つの例示的な実施形態では、ＧＨ２および酸素分子または圧縮された空気からの空気は、燃料電池および燃料電池モジュール１８を通過し、それぞれ水素出口および酸素出口から出され得て、それぞれは、本発明の工程段階が、電気、熱、およびＨ２Ｏ蒸気を継続的に生成するために繰り返し実行されるとき、流体をリサイクルし、ＧＨ２および酸素または空気を燃料供給サブシステムおよび外部インタフェースサブシステムに戻し、燃料電池および燃料電池モジュール１８内で実行される後続反応に再利用するために、追加の流体導管と流体連通するように構成され得る。
オートパイロット制御ユニット３２またはコンピュータプロセッサを使用して、発電サブシステム６００から１つまたは複数の熱エネルギ移動先への熱エネルギ伝達を実行することは、発電サブシステム６００のコンポーネントと流体連通する流体を使用して、熱または熱エネルギを熱エネルギ移動先に対応する異なる場所に輸送し、それによって、１つまたは複数の供給源の温度または過剰な熱エネルギを低減することを有し得る。これを実現するために、プロセッサは供給源および熱エネルギ移動先の対を選択し、対の記憶されたルーティングデータを取得し、次いで、適切な弁８８、調整器、導管、およびコンポーネントを始動、作動、または調整して、作動流体を航空機１０００を通して送り、流体の流れを供給源から１つまたは複数の熱エネルギ移動先に向ける。例えば、燃料電池モジュール１８が排熱の放散および転送を必要とすることを温度調整プロトコルが示している場合、プロセッサは、燃料供給サブシステム９００を熱エネルギ移動先として選択し得て、プロセッサは、その燃料電池モジュール１８に接続され、流体連通する冷却剤導管８４と流体連通する冷却剤ポンプ７６および適切な弁８８を作動させ、その結果、冷却剤３１が、燃料電池モジュール１８から、熱交換器５７につながるルートに沿って冷却剤導管８４および配管８４を通って移動し、次いで、同様に、燃料配管８５内のポンプおよび弁８８を作動させ、したがって、冷却剤３１および燃料３０は、プロセッサが作動させた熱交換器５７の別個の導管を通って同時に流れ、熱または熱エネルギが、より高温の冷却剤３１から、熱交換器５７の導管、壁および本体を越えて、より低温の燃料３０に伝達され、それによって、燃料電池モジュール１８の供給源の温度を下げ、燃料３０、またはより一般的には燃料供給サブシステム９００の温度を上げる。１つまたは複数の供給源から１つまたは複数の熱エネルギ移動先への熱エネルギ伝達を実行することは、弁８８および冷却剤ポンプ７６を使用して燃料３０または冷却剤３１の流体流を迂回させることをさらに有し得て、冷却剤３１は水および添加剤（不凍液など）を有し得る。プロセッサは燃料電池モジュール１８を測定し続けながら、プロセッサは、流れを他の熱エネルギ移動先に迂回させるか、熱交換器５７への流れを減らすか、または熱交換器５７への流れを止めて、流れを異なる熱エネルギ移動先に向け直し得る。複数のプロセッサが連動して異なる機能を実行することで、エネルギ伝達タスクを達成し得る。統合システム１００は、コンポーネント、区画、およびサブシステムを反復的または継続的に測定して、設計および動作条件のパラメータを満たすために、航空機１０００のエネルギ伝達および温度性能を絶えず調整する。１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスを使用して、熱エネルギ源に対応する第１の温度および熱基準に対応する１つまたは複数の追加の温度を含むマルチロータ航空機１０００の熱力学的動作条件を測定することは、燃料温度、燃料槽温度、燃料電池または燃料電池モジュール１８の温度、バッテリ温度、モータコントローラ温度、冷却剤温度またはピークコントローラ温度、モータ温度、またはピークモータ温度もしくは総モータ温度、ラジエータ６０の温度、キャビン温度、および外気温度からなるグループから選択された１つまたは複数を測定することをさらに備える。温度調整プロトコルは、オートパイロット制御ユニット３２またはコンピュータプロセッサおよび比較結果に基づくアルゴリズムを使用して、例示的な方法７００および統合システム１００によって計算され得る。温度調整プロトコルに基づいて、１つまたは複数の供給源からの熱エネルギ伝達の量および分配を選択および制御することは、温度調整プロトコルに基づいて、１つまたは複数の熱エネルギ移動先を指示することをさらに有し、１つまたは複数の供給源からの熱エネルギ伝達の量および分配を選択および制御することをさらに有する。プロセッサはシステムに問い合わせて、後続の計算、算定、優先順位、プロトコル、および割り当てを決定する一連の質問に対する回答を決定する。例えば、発電サブシステム６００は、インタフェースの設定温度よりも高温ですか？発電サブシステム６００はインタフェースの最高温度よりも高温ですか？発電サブシステム６００は外部温度帯５４よりも高温ですか？例えば、発電サブシステム６００と燃料供給サブシステム９００との間の温度差が大きいままである場合、発電サブシステム６００の供給源から燃料供給サブシステム９００の熱エネルギ移動先への転送が実行される。外部温度帯５４は、１つまたは複数のラジエータ６０および１つまたは複数のファン６８に連結され得る排気ポート６６またはベント６４を含む外部温度出口をさらに有し得る。プロセッサは、外部温度帯を燃料電池モジュール１８の供給源の熱エネルギ移動先として設定できるが、ラジエータ６０または冷却剤温度が通常または安全な動作限界温度を超え始めた場合、プロセッサは、温度分配プロトコルおよび優先順位を再調整し、熱交換器５７への追加の冷却剤３１の流れを作動させて、燃料供給サブシステム９００を追加の熱エネルギ移動先して追加し得て、それによって、ラジエータ６０に必要な冷却負荷を低減し、燃料電池モジュール１８の供給源の温度をさらに低減して、その供給源を改善された動作温度にする。
熱エネルギ／温度交換サブシステムの熱界面は、航空機１０００上でかなりの距離で配置されている複数のサブシステムおよびコンポーネントを相互接続し、様々な移動先に転送するための熱および熱エネルギを輸送するための作動流体の使用を容易にするために重要である。熱界面はさらに、伝導を含む熱力学を使用して、１つまたは複数の熱交換器５７と流体連通する燃料配管８５によって供給される燃料３０に、熱交換器５７の壁および熱交換器５７の表面を越えて、１つまたは複数の熱交換器５７と流体連通する冷却剤導管８４によって供給される冷却剤３１から熱または熱エネルギを伝達するように構成される１つまたは複数の熱交換器５７を有し、冷却剤３１および燃料３０は、互いに物理的に隔離されたままである。
１つまたは複数の供給源から１つまたは複数の熱エネルギ移動先への熱エネルギ伝達を実行した後、例示的な方法は、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスを使用して、発電サブシステム、燃料供給サブシステムおよび関連するサブシステムを有するマルチロータ航空機１０００の熱力学的動作条件を繰り返し測定し、次いで、１つまたは複数の燃料電池および１つまたは複数のモータ制御ユニットのデータの比較、計算、選択および制御、および実行する段階を実行して、マルチロータ航空機１０００の動作条件を繰り返し管理する。
本明細書に記載される方法７００およびシステム１００は、特定の航空機１０００またはハードウェアまたはソフトウェア構成に限定されず、多くの航空機または動作環境での適用可能性を見いだし得る。例えば、本明細書に記載されるアルゴリズムは、ハードウェアまたはソフトウェア、あるいはそれらの組み合わせで実装できる。方法７００およびシステム１００は、１つまたは複数のコンピュータプログラムに実装でき、コンピュータプログラムは、１つまたは複数のプロセッサ実行可能命令を含むと理解できる。コンピュータプログラムは、１つまたは複数のプログラム可能なプロセッサ上で実行でき、プロセッサ、１つまたは複数の入力デバイス、および／または１つまたは複数の出力デバイスによって読み取り可能な１つまたは複数の記憶媒体（揮発性および不揮発性メモリおよび／または記憶要素を含む）に記憶できる。したがって、プロセッサは、１つまたは複数の入力デバイスにアクセスして入力データを取得でき、１つまたは複数の出力デバイスにアクセスして出力データを通信できる。入力および／または出力デバイスは、ミッション制御タブレットコンピュータ３６、ミッション計画ソフトウェア３４プログラム、スロットルペダル、サイドアームコントローラ、ヨークまたは操縦輪、またはプロセッサがアクセスできる他の動作表示デバイスのうちの１つまたは複数を有し得て、そのような前述の例は、網羅的なものではなく、例示のためのものであり、限定するものではない。
コンピュータプログラムは、好ましくは、コンピュータシステムと通信するために、１つまたは複数の高レベルの手続き型またはオブジェクト指向プログラミング言語を使用して実装されるが、必要に応じて、プログラムは、アセンブリ言語または機械語で実装できる。言語はコンパイルまたは解釈できる。
したがって、本明細書で提供されるように、プロセッサは、いくつかの実施形態では、ネットワーク化された環境または通信環境で独立して動作できる３つの同一のデバイスに組み込むことができ、ネットワークは、例えば、イーサネットなどのローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、またはＲＳ２３２もしくはＣＡＮなどのシリアルネットワークを含むことができる。ネットワークは、有線、無線ＲＦ、光ファイバもしくはブロードバンド、またはそれらの組み合わせとすることができ、異なるプロセッサ間の通信を容易にするために、１つまたは複数の通信プロトコルを使用できる。プロセッサは、分散処理用に構成でき、いくつかの実施形態では、必要に応じて、クライアントサーバモデルを利用できる。したがって、方法およびシステムは、複数のプロセッサおよび／またはプロセッサデバイスを利用して、必要なアルゴリズムを実行し、適切な車両コマンドを決定でき、３つのユニットで実装される場合、３つのユニットは、それら自体の間で投票して、取るべきアクションについて３つのうち２つの合意に達することができる。当業者によって理解されるように、投票はまた、別の数のユニット（例えば、１、２、３、４、５、６など）を使用して実行できる。例えば、投票では、他のシステム状態情報を使用して、偶数のユニットが一致しない場合に発生し得る任意の関係を断ち切ることができ、したがって、システムは、動作に対して許容可能なレベルの安全性を提供する合意に達する。
提示を表示するためのプロセッサと統合するデバイスまたはコンピュータシステムは、例えば、ディスプレイを有するパーソナルコンピュータ、ワークステーション（例えば、Ｓｕｎ、ＨＰ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ｉＰａｄなどのタブレット、または、本明細書で提供されているように動作できるプロセッサと通信できる別のデバイスを含むことができる。したがって、本明細書で提供されるデバイスは、網羅的なものではなく、例示のために提供されるものであり、限定するためのものではない。
「プロセッサ（ａ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」または「プロセッサ（ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」への言及は、スタンドアロンおよび／または分散環境で通信できる１つまたは複数のプロセッサを含むと理解でき、したがって、有線通信または無線通信を介して他のプロセッサと通信するように構成でき、そのような１つまたは複数のプロセッサは、類似または異なるデバイスであり得る１つまたは複数のプロセッサ制御デバイス上で動作するように構成できる。さらに、メモリへの言及は、特に明記しない限り、１つまたは複数のプロセッサ可読およびアクセス可能メモリ要素および／またはコンポーネントを含むことができ、これらは、プロセッサ制御デバイスの内部、プロセッサ制御デバイスの外部にあり得て、様々な通信プロトコルを使用して有線または無線ネットワーク経由でアクセスでき、特に明記しない限り、外部メモリデバイスおよび内部メモリデバイスの組み合わせを含むように構成でき、そのようなメモリは、用途に基づいて連続および／または分割できる。ネットワークへの言及は、特に明記しない限り、１つまたは複数のネットワーク、イントラネット、および／またはインターネットを含むことができる。
方法およびシステムは、その具体的な実施形態に関連して説明されてきたが、それらはそのように限定されるものではない例えば、方法およびシステムは、６、８、１０、１２、１４、１６、またはそれ以上の独立したモータコントローラ２４およびモータを有する様々なマルチロータ車両に適用でき、したがって、異なる量の揚力、したがって、ペイロードおよび動作能力を提供する。システムは、オペレータの制御下で動作させ得るか、または、地上からネットワークまたはデータリンクを介して動作させ得る。車両は、搭載バッテリ電池２７の記憶容量のみで動作させ得るか、または、搭載電動発動機またはその他の再充電源によってその容量を増強し得るか、または、航空機にエネルギを供給する目的でも、テザーケーブルまたはアンビリカルケーブルの端部で動作させ得る。上述の教示に照らして多くの修正および変形が明らかになり得て、本明細書で説明および図示される部品の詳細、材料、および配置における多くの追加の変更は、当業者によって行われ得る。

Claims (23)

  1. クリーン燃料航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池モジュールであって、
    １つまたは複数の熱交換器およびターボチャージャまたはスーパーチャージャ、ブロワ、コンプレッサ、または空気または酸素の局所供給またはそれらの組み合わせを有する１つまたは複数の酸素供給機構と流体連通する複数の水素燃料電池であって、前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池が、
    各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池内のガス状水素（ＧＨ２）を、前記各水素燃料電池に接続されたアノードバッキング層を通して迂回させるように構成され、プロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有する第１のチャネルアレイを有する、水素フローフィールドプレートであって、前記アノード側触媒層が、前記ＧＨ２に接触し、前記ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成される、水素フローフィールドプレートと、
    各水素燃料電池に配置され、前記各水素燃料電池に接続されたカソードバッキング層を通して各水素燃料電池内の圧縮された空気を迂回させるように構成され、前記ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有する第２のチャネルアレイを有する、酸素フローフィールドプレートであって、前記ＰＥＭが、ポリマを含み、プロトンが前記アノード側から前記カソード側に浸透することを可能にするが、前記電子を制限するように構成される、酸素フローフィールドプレートと、
    前記アノード側の触媒層から電子を収集し、航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路であって、前記電気回路から戻る電子が、圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、前記プロトンが酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する、電気回路と、
    各水素燃料電池から、前記Ｈ２Ｏ分子および前記圧縮された空気を除去するために、前記第２のチャネルアレイを使用するように構成される前記酸素フローフィールドプレートの流出端と、
    各水素燃料電池から排気ガスを除去するために、前記第１のチャネルアレイを使用するように構成される前記水素フローフィールドプレートの流出端であって、それによって、フローベクトルを有する前記複数の水素燃料電池のそれぞれの内部にサブコンポーネントを配置し、前記複数の水素燃料電池を、部品点数を削減したモジュール式に組み合わせることができる耐障害性ユニットを形成し、燃料電池モジュールによって生成される電力と燃料電池モジュールの重量との比率を、航空パワートレインに適合したキログラムあたり少なくとも１キロワットにする、前記燃料電池モジュール内で整列された１つまたは複数の燃料電池スタックに組み立てることを可能にする、水素フローフィールドプレートの流出端とを有する、複数の水素燃料電池を備える、燃料電池モジュール。
  2. 前記燃料電池モジュールが、モジュールハウジング、燃料供給アセンブリ、再循環ポンプ、冷却剤ポンプ、燃料電池制御、センサ、エンドプレート、冷却剤導管、接続部、水素入口、冷却剤入口、空気入口、水素出口、空気出口、冷却剤出口、および前記燃料電池モジュールに接続され、前記燃料電池モジュールと流体連通し、冷却剤を輸送する冷却剤導管をさらに備える、および／または、
    ターボチャージャまたはスーパーチャージャを備える前記１つまたは複数の酸素供給機構が、吸気口と流体連通し、周囲空気を収集して圧縮された空気に圧縮し、前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池の前記酸素フローフィールドプレートの空気入口および流入端に供給するように構成され、前記１つまたは複数の酸素供給機構が、ターボチャージャ、スーパーチャージャ、ブロワ、コンプレッサ、空気または酸素の局所供給、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を有し、前記燃料電池モジュールが、１つまたは複数の空気フィルタおよび風量計と流体連通して、生成される電力レベル、大気圧、および温度に基づいて前記燃料電池モジュールの入口酸素要件に一致するように、各空気入口で前記圧縮された空気を計測および制御する、および／または、
    前記酸素フローフィールドプレートが、前記ＰＥＭを前記酸素フローフィールドプレートと前記水素フローフィールドプレートとの間に介在させ、前記水素フローフィールドプレートの反対側の前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池内に配置される、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記１つまたは複数の熱交換器が、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽と流体連通しており、前記１つまたは複数の熱交換器が、熱エネルギ伝達を使用してＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するようにさらに構成されるか、すでに抽出されたガス状水素（ＧＨ２）の温度を上げるように構成される、請求項１またはに２記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記１つまたは複数の熱交換器が、伝導を含む熱力学過程を使用して、前記１つまたは複数の熱交換器および前記燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される前記燃料に、熱交換器壁および熱交換器表面を超えて熱または熱エネルギを伝達し、作動流体および前記燃料が、互いに物理的に隔離されたままである、請求項３に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記電気回路が、航空機コンポーネントに電力を供給する前記電気回路に電圧および電流を供給する各水素燃料電池内に配置された電気コレクタを有し、前記クリーン燃料航空機の複数のモータおよびプロペラアセンブリを制御するように構成される複数のモータコントローラを有する電力分配監視および制御サブシステムを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
  6. クリーン燃料航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムであって、
    複数のモータコントローラによって制御される複数のモータおよびプロペラアセンブリに電圧および電流を供給するように構成される複数の水素燃料電池を有する少なくとも１つの燃料電池モジュールを有する発電サブシステムと、
    前記少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通し、燃料を貯蔵および輸送するように構成される燃料槽を有する燃料供給サブシステムと、
    前記燃料槽および前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池、複数の流体導管を含む前記少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する熱交換器と、冷却剤を貯蔵および輸送するように構成される、前記少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する少なくとも１つのラジエータとを有する、熱エネルギインタフェースサブシステムと、
    周囲空気を圧縮するように構成され、少なくとも１つの空気入口および前記少なくとも１つの燃料電池モジュールと流体連通する、ターボチャージャ、スーパーチャージャ、ブロワ、コンプレッサ、空気または酸素の局所供給、またはそれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を有する１つまたは複数の酸素供給機構を有する外部インタフェースサブシステムと、
    前記複数のモータコントローラおよびアビオニクスサブシステムへの供給された電圧および電流の分配を監視および制御するための配電監視および制御サブシステムであって、
    動作条件を測定するように構成される１つまたは複数の検知デバイスと、
    前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池から電子を収集し、前記複数のモータコントローラおよび航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路であって、前記電気回路から戻る電子が、前記圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、プロトンが、酸素イオンと結合してＨ２Ｏ分子を形成し、前記複数のモータコントローラが、測定された動作条件に基づいてアルゴリズムを計算するように構成され、前記複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれに対する電圧およびトルク、または、電流の量および分配を、選択および制御するように構成される、コンピュータプロセッサを有する１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットによって命令される、電気回路とを有する、配電監視および制御サブシステムとを備える、システム。
  7. 前記熱エネルギインタフェースサブシステムの前記熱交換器が、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される前記複数の流体導管および前記燃料槽と流体連通し、前記熱交換器が、伝導を含む熱力学過程を使用して、前記１つまたは複数の熱交換器および前記燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される前記燃料に熱交換器壁および熱交換器表面を越えて熱または熱エネルギを伝達することによる熱エネルギ伝達を使用して、ＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するか、すでに抽出されたガス状水素（ＧＨ２）の温度を上げ、作動流体および前記燃料は互いに物理的に隔離されたままである、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池に配置され、各水素燃料電池内のガス状水素（ＧＨ２）を、前記各水素燃料電池に接続されたアノードバッキング層を通して迂回させるように構成され、プロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有する第１のチャネルアレイを有する、水素フローフィールドプレートであって、前記アノード側触媒層が、前記ＧＨ２に接触し、前記ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成される、水素フローフィールドプレートと、
    各水素燃料電池に配置され、前記各水素燃料電池に接続されたカソードバッキング層を通して各水素燃料電池内の圧縮された空気を迂回させるように構成され、前記ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有する第２のチャネルアレイを有する、酸素フローフィールドプレートであって、前記ＰＥＭが、ポリマを含み、プロトンが前記アノード側から前記カソード側に浸透することを可能にするが、前記電子を制限するように構成される、酸素フローフィールドプレートと、
    前記アノード側の触媒層から電子を収集し、電圧および電流を発電サブシステムの電力分配監視および制御サブシステムに供給するように構成される電気回路であって、前記電気回路から戻る電子が、前記圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、前記プロトンが、酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する、電気回路と、
    各水素燃料電池から、前記Ｈ２Ｏ分子および前記圧縮された空気を除去するために、前記第２のチャネルアレイを使用するように構成される前記酸素フローフィールドプレートの流出端と、
    各水素燃料電池から排気ガスを除去するために、前記第１のチャネルアレイを使用するように構成される前記水素フローフィールドプレートの流出端とをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
  9. １つまたは複数のバッテリアレイと、
    １つまたは複数の回路基板と、
    １つまたは複数のプロセッサと、
    １つまたは複数のメモリと、
    １つまたは複数の電子コンポーネント、電気接続、電線と、
    電気メインバスと前記少なくとも１つの燃料電池モジュールを有する１つまたは複数の電源との間の絶縁を提供する１つまたは複数のダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはＳｉＣ）とをさらに備え得る、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記燃料供給サブシステムが、ガス状水素（ＧＨ２）または液体水素（ＬＨ２）を含む燃料を貯蔵および輸送するように構成される前記燃料槽とそれぞれ流体連通する、燃料配管、ポンプ、充電または燃料コネクタ用の燃料補給接続、１つまたは複数のベント、１つまたは複数の弁、１つまたは複数の圧力調整器、およびユニオンをさらに備える、請求項８または９に記載のシステム。
  11. １つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱安全センサが、前記燃料供給サブシステム内のガスの温度および濃度を監視し、また、１つまたは複数の圧力計、１つまたは複数のレベルセンサ、１つまたは複数の真空計、１つまたは複数の温度センサを有し、さらに、それぞれが、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスを使用して温度およびその他のパラメータを自己測定および報告し、弁、ポンプ、またはそれらの組み合わせについて、前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットに通知して、熱エネルギが前記冷却剤から伝達される流体を使用して、燃料の供給または冷却の増減を可能にするように構成される、前記少なくとも１つの燃料電池モジュールおよび前記複数のモータコントローラを有し、前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットが、前記複数のモータコントローラ、前記燃料供給サブシステム、前記少なくとも１つの燃料電池モジュール、および異なる場所への燃料、空気および冷却剤の流れを変える弁およびポンプを動作させるコマンドを使用する流体制御ユニットを指揮する少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットを有し、前記少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットが、冗長ネットワークを介して投票プロセスを伝達する、請求項１０に記載のシステム。
  12. 前記少なくとも１つの燃料電池モジュールが、燃料供給アセンブリ、空気フィルタ、ブロワ、風量計、再循環ポンプ、冷却剤ポンプ、燃料電池制御、センサ、エンドプレート、冷却剤導管、接続部、水素入口、冷却剤入口、酸素入口、水素出口、酸素出口、冷却剤出口、および前記少なくとも１つの燃料電池モジュールに接続され、流体連通し、冷却剤を輸送する冷却剤導管をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
  13. コンピュータプロセッサを備える前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットが、前記少なくとも１つの燃料電池モジュールに空気または酸素を供給する、空気駆動ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構を使用して、前記複数のモータコントローラによって制御される前記複数のモータおよびプロペラアセンブリのそれぞれへの、前記発電サブシステムの前記複数の水素燃料電池からの電圧および電流の量および分配を、１つまたは複数のアルゴリズムに基づいて計算、選択および制御し、ＬＨ２またはＧＨ２を温めるために使用される前記熱交換器または気化器を有する前記熱エネルギインタフェースサブシステムを使用して、および／または少なくとも１つのラジエータまたは１つまたは複数の排気ポートを使用して排熱を放散し、排気ガスとともに排熱を排出するようにさらに構成され、前記Ｈ２Ｏ分子が、前記１つまたは複数の排気ポートまたはベントを使用して除去される、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記システムが、それぞれが複数の対のプロペラブレードまたは複数のロータブレードを有し、それぞれが、前記複数のモータコントローラおよび前記複数の水素燃料電池からの電圧および電流を分配する電力分配監視および制御サブシステムに電気的に接続され、それらによって制御される、前記複数のモータおよびプロペラアセンブリに取り付けられ、それらを支持する、車両重量、人間の乗員および／またはペイロードを支持するマルチロータ機体胴体を有する、１人または複数の人間の乗員および／またはペイロードを輸送するための大きさ、寸法、および構成の実物大の電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）または電気航空機システム内に実装される、および／または、
    前記複数のモータコントローラが、高電圧、高電流の液冷または空冷コントローラである、請求項８から１３のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットへの有線または無線（ＲＦ）接続を有する、ソフトウェアを有するミッション計画コンピュータと、
    前記クリーン燃料航空機との間の衝突回避、通行、緊急検出、および気象情報を前記ソフトウェアに提供する、無線接続または有線接続の放送型自動従属監視（ＡＤＳＢ）またはリモートＩＤユニットと、
    シリアルＲＳ２３２、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）、イーサネット、アナログ電圧入力、アナログ電圧出力、モータ制御用のパルス幅変調出力、組み込みまたはスタンドアロンのエアデータコンピュータ、組み込みまたはスタンドアロンの慣性測定デバイス、および１つまたは複数の相互通信チャネルまたはネットワークから選択されるインタフェースのうちの少なくとも１つを有するコンピュータプロセッサおよび入力／出力インタフェースを有する前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットと、
    前記クリーン燃料航空機の動作条件、制御パネル、計量器、およびセンサ出力を監視および表示するために使用される標準的なアビオニクスの構成を有する簡略化されたコンピュータおよびディスプレイと、
    ローカル電流貯蔵を提供するための対応する電圧のバッテリを使用して、マルチロータ航空機システムの一次電圧のうちの少なくとも一部を、１２Ｖ、２４Ｖ、２８Ｖからなるグループの１つまたは複数を含む標準電圧、またはアビオニクス、ラジエータファンモータ、コンプレッサモータ、ウォータポンプモータおよび非推進目的の他の標準電圧にダウンシフトするように構成されるＤＣ－ＤＣコンバータまたはスタータ／オルタネータと、
    コマンドデータの複数のチャネルがシリアル回線を介して前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットに渡されるように、ピッチ、ロール、ヨー、スロットル、およびその他の所望の情報を前記シリアル回線に組み合わせる手段であって、制御情報が、周期的または非周期的な速度で繰り返される複数のフレームにパッケージ化される、組み合わせる手段と、
    制御アルゴリズム動作させて、前記複数のモータコントローラのそれぞれに対するコマンドを生成し、前記クリーン燃料航空機のマルチロータ航空機の安定性を管理および維持し、フィードバックを監視する、前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットとをさらに備える、および／または、
    前記燃料槽が、炭素繊維エポキシシェル、プラスチックライナ、金属界面、落下保護をさらに有し、前記燃料として水素の作動流体を使用するように構成される、請求項８から１４のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記燃料槽が、１つまたは複数の極低温の内槽および外槽、絶縁ラップ、前記内槽と前記外槽との間の真空をさらに有し、それによって、約１０バール（約１ＭＰａ）、または１４０ｐｓｉ（約０．９６５ＭＰａ）で液体水素（ＬＨ２）を含む動作圧力を生成する、請求項１５に記載のシステム。
  17. クリーン燃料航空機において軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池システムを動作させるための方法であって、前記方法が、
    液体水素（ＬＨ２）燃料を燃料槽から前記燃料槽と流体連通する１つまたは複数の熱交換器に輸送し、前記１つまたは複数の熱交換器を使用して前記ＬＨ２への熱エネルギ伝達を実行し、前記ＬＨ２の状態をガス状水素（ＧＨ２）に変換するか、または、ＧＨ２を温める段階と、
    前記ＧＨ２を前記１つまたは複数の熱交換器から、前記１つまたは複数の熱交換器と流体連通している複数の水素燃料電池を有する１つまたは複数の燃料電池モジュールに輸送する段階と、
    吸気口と流体連通しているターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構を使用して、周囲空気を収集して圧縮された空気に圧縮する段階と、
    ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する前記１つまたは複数の酸素供給機構から、ターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する前記１つまたは複数の酸素供給機構と流体連通する前記複数の水素燃料電池を有する前記１つまたは複数の燃料電池モジュールに圧縮された空気を輸送する段階と、
    前記複数の水素燃料電池内の前記ＧＨ２を、前記複数の水素燃料電池のそれぞれの水素フローフィールドプレートの流入端に埋め込まれた第１のチャネルアレイに迂回させ、前記ＧＨ２を前記第１のチャネルアレイに強制的に通し、前記ＧＨ２を、前記水素フローフィールドプレートの前記第１のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有するアノードバッキング層を通して、膜電解質アセンブリの前記ＡＧＤＬおよびプロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側に接続されたアノード側触媒層に拡散させる段階と、
    前記複数の水素燃料電池内の圧縮された空気を、前記水素フローフィールドプレートの反対側に配置された前記複数の水素燃料電池のそれぞれの酸素フローフィールドプレートの流入端に埋め込まれた第２のチャネルアレイに迂回させ、前記ＧＨ２を前記第２のチャネルアレイに強制的に通し、前記圧縮された空気を、前記酸素フローフィールドプレートの前記第２のチャネルアレイと接触し、接続された表面領域のカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有するカソードバッキング層を通して、前記膜電解質アセンブリの前記ＣＧＤＬおよび前記ＰＥＭのカソード側に接続されたカソード側触媒層に拡散させる段階と、
    前記アノード側触媒層との接触により、前記ＧＨ２を正電荷のプロトンまたは水素イオンと負電荷の電子に分割する段階であって、前記ＰＥＭが、プロトンが電荷引力によって、前記アノード側から前記カソード側に浸透することを可能にするが、前記電子を有する他の粒子を制限する、分割する段階と、
    前記クリーン燃料航空機の複数のモータおよびプロペラアセンブリを制御するように構成される複数のモータコントローラを有する発電サブシステムに電力を供給する電気回路に電圧および電流を供給し、前記電気回路から戻る電子を前記圧縮された空気中の酸素と結合して酸素イオンを形成し、次いで、前記プロトンを酸素イオンと結合して、Ｈ２Ｏ分子を形成する段階と、
    前記第２のチャネルアレイおよび前記酸素フローフィールドプレートの流出端を使用して、前記Ｈ２Ｏ分子および前記圧縮された空気を前記複数の水素燃料電池から除去するために、前記Ｈ２Ｏ分子を前記ＣＧＤＬを介して前記第２のチャネルアレイに通し、前記第１のチャネルアレイおよび前記水素フローフィールドプレートの流出端を使用して、前記複数の水素燃料電池から排気ガスを除去する段階とを備える、方法。
  18. ガス状水素（ＧＨ２）または液体水素（ＬＨ２）を含む燃料を貯蔵および輸送するように構成される前記燃料槽とそれぞれ流体連通する、燃料配管、ポンプ、充電または燃料コネクタ用の燃料補給接続、１つまたは複数のベント、１つまたは複数の弁、１つまたは複数の圧力調整器、およびユニオンを有する燃料供給サブシステムをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
  19. 方法の段階が電気を生成するために繰り返し実行されるとき、前記複数の水素燃料電池および前記１つまたは複数の燃料電池モジュール内で実行される後続反応で再利用されるように、前記Ｈ２Ｏ分子は、排気ポートまたはベントを使用して除去でき、流体導管は、前記１つまたは複数の燃料電池モジュールを出るＧＨ２を前記燃料供給サブシステムに戻し、前記１つまたは複数の燃料電池モジュールを出る酸素または空気を前記１つまたは複数の熱交換器を有する外部インタフェースサブシステムに戻すように導く、請求項１８に記載の方法。
  20. 熱エネルギインタフェースサブシステムの前記１つまたは複数の熱交換器が、燃料として液体水素（ＬＨ２）を貯蔵および輸送するように構成される前記流体導管および前記燃料槽と流体連通し、前記１つまたは複数の熱交換器が、ガス状水素（ＧＨ２）を動作温度まで温めるか、または、伝導を含む熱力学を使用して、前記１つまたは複数の熱交換器および前記燃料槽と流体連通する燃料配管によって供給される前記燃料に、熱交換器壁および熱交換器表面を越えて熱または熱エネルギを伝達することによる熱エネルギ伝達を使用して、ＬＨ２からガス状水素（ＧＨ２）を抽出するようにさらに構成され、作動流体および前記燃料は互いに物理的に隔離されたままである、請求項１９に記載の方法。
  21. 燃料温度、燃料槽温度、燃料電池温度、バッテリ温度、モータコントローラ温度、冷却剤温度、ラジエータ温度、燃料供給サブシステム内のガスの濃度からなるグループから選択された１つまたは複数を測定する段階を有する、温度検知デバイスまたは熱安全センサを使用して、前記クリーン燃料航空機の動作条件を測定する段階をさらに備え、前記温度検知デバイスまたは熱安全センサは、１つまたは複数の圧力計、１つまたは複数のレベルセンサ、１つまたは複数の真空計、１つまたは複数の温度センサを有し、さらに、前記１つまたは複数の燃料電池モジュールおよび前記複数のモータコントローラを有し、それぞれが、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスを使用して温度およびその他のパラメータを自己測定および報告し、弁、ポンプ、またはそれらの組み合わせについて、１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットまたはコンピュータユニットに通知し、熱エネルギが冷却剤から伝達される流体を使用して、燃料の供給または冷却の増減を可能にするように構成され、前記１つまたは複数のオートパイロット制御ユニットは、前記複数のモータコントローラ、前記燃料供給サブシステム、前記１つまたは複数の燃料電池モジュール、および異なる場所への燃料、空気、冷却剤の流れを変える弁およびポンプを動作させるコマンドを使用する流体制御ユニットを指揮する少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットを有し、前記少なくとも２つの冗長オートパイロット制御ユニットは、冗長ネットワークを介して投票プロセスを通信する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記クリーン燃料航空機の動作条件、制御パネル、計量器、およびセンサ出力を監視および表示するために使用される標準的なアビオニクスの構成を有する簡略化されたコンピュータおよびディスプレイをさらに備える、および／または、
    前記方法は、１つまたは複数の温度検知デバイスまたは熱エネルギ検知デバイスを使用してマルチロータ航空機の動作条件を繰り返し測定し、前記１つまたは複数の燃料電池モジュールのデータを使用して、比較、計算、選択および制御、および実行する段階を実行し、前記１つまたは複数の燃料電池モジュールによる電圧および電流またはトルクの生成および供給、および前記マルチロータ航空機の動作条件を繰り返し管理する、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法。
  23. クリーン燃料航空機のための軽量、高出力密度の耐障害性燃料電池モジュールであって、
    １つまたは複数の熱交換器およびターボチャージャまたはスーパーチャージャを有する１つまたは複数の酸素供給機構と流体連通する複数の水素燃料電池を備え、前記複数の水素燃料電池の各水素燃料電池が、
    各水素燃料電池の水素フローフィールドプレートに接続され、ガス状水素（ＧＨ２）に接触し、ＧＨ２をプロトンおよび電子に分割するように構成されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）のアノード側にさらに接続されるアノード側触媒層に接続されるアノードガス拡散層（ＡＧＤＬ）を有するアノードバッキング層と、
    各水素燃料電池の酸素フローフィールドプレートに接続され、前記ＰＥＭのカソード側にさらに接続されるカソード側触媒層に接続されるカソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）を有するカソードバッキング層と、
    前記アノード側の触媒層から電子を収集し、航空機コンポーネントに電圧および電流を供給するように構成される電気回路とを有する、燃料電池モジュール。
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