JP7036097B2

JP7036097B2 - 飛行体

Info

Publication number: JP7036097B2
Application number: JP2019179535A
Authority: JP
Inventors: 徳宏深谷
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP2021054268A

Description

本発明は、飛行体に関し、さらに詳しくは、燃料電池を搭載した、小型、軽量、かつ、長時間の飛行が可能な飛行体に関する。

近年、ドローン、あるいは、無人航空機（Unmanned Aerial Vehicles, UAV）と呼ばれる飛行体は、計測、配達、災害時の物資の輸送などへの利用に期待が高まっており、今後数千億円の市場があると予測されている。一般に、ドローンは、プロペラによって浮力及び推進力を得ているが、エネルギー源にはＬｉイオン二次電池などの二次電池を用いている。二次電池は質量が大きいため、二次電池を搭載したドローンは、１時間以上の長時間の飛行に課題があった。

一方、長時間の飛行を目指して、二次電池よりもエネルギー密度が高い水素タンクを搭載したドローンが開発され、長時間の連続飛行ができることが実証されている（非特許文献１）。
また、軽量ガスを封入した気球と、空気ポンプとして動作する超音波振動モジュールとを組み合わせた飛行体も開発されている（非特許文献２）。一般に、浮力を生じさせる軽量ガスには、ヘリウムガスが用いられている。

さらに、浮力を生じさせる軽量ガスとして、水素を用いた飛行体も提案されている。
例えば、特許文献１には、
水素を貯留し水素の浮力でゴンドラを空中に浮上させる気嚢と、
水を貯留する水タンクと、
前記水を水素と酸素に電気分解する電気分解装置と、
大気中の酸素と前記気嚢中の水素とから水を生成させる燃料電池と
を備えた水素気球が開示されている。

同文献には、
（Ａ）電気分解装置で発生した水素は気体状態のまま気嚢に貯留され、浮力の増加又は燃料電池に再利用される点、
（Ｂ）電気分解装置で発生した酸素は、大気中に放出される点、及び、
（Ｃ）燃料電池で生成した水は、水タンクに貯留され、電気分解に再利用される点
が記載されている。

特許文献２には、
浮揚ガスが封入され、浮揚ガスによる浮力によって浮揚する機体本体と、
水電解によって水素ガスを生成し、水素ガスを機体本体に補給することにより浮揚ガスの漏洩による浮力の減少を補償する浮力補償装置と
を備えた飛行体が開示されている。
同文献には、水電解装置は装置構成が簡単であるため、浮力補償装置を小型化できる点が記載されている。

さらに、特許文献３には、
水素ガスが充填された内側袋体を備えた気球と、
気球に連繋された、燃料電池及び情報収集手段を備えた情報収集装置本体と、
内側袋体から燃料電池へ水素ガスを供給する水素ガス供給手段と
を備えた情報収集装置が開示されている。
同文献には、このような情報収集装置により、大気中において長時間に渡り情報収集をすることが可能となる点が記載されている。

浮力生成にプロペラを用いる飛行体の場合、保有エネルギーの大半が浮力生成に消費される。そのため、浮力生成にプロペラを用いる飛行体は、連続飛行に限界がある。また、プロペラが回転する時の騒音が大きいため、人のいる空間での応用が制限されたり、あるいは、映像記録の際に録音に支障が生じるという問題がある。

燃料電池は、一般に、二次電池より質量が大きい。そのため、燃料電池を搭載した飛行体（非特許文献１）が、二次電池を搭載した飛行体に対して優位性を得るためには、飛行体の大型化（５ｋｇ以上）が必要となる。
しかしながら、飛行体の大型化に伴い、浮力を生じさせるプロペラの大型化及びそれを駆動するモータの大出力化（数ｋＷ以上）が必要となる。また、大出力のモータを駆動させる電圧を確保するためには、電源として数十枚程度の単セルを積層した燃料電池スタックを用いたり、あるいは、高昇圧比コンバータを搭載することが必要となる。そのため、システムが複雑化するという問題がある。

また、浮力生成に軽量ガスを用いる飛行体（非特許文献２）において、気球のサイズが小さい時（約１０Ｌ程度）には、数ｇ程度の浮力しか生成させることができない。このような飛行体に搭載可能な質量を持つ二次電池（３６０Ｊ／ｇ以下）は、容量が少ない。そのため、飛行体の移動や搭載されたカメラ・センサ等により、二次電池に貯蔵された電力が短時間で消費され、長時間の運用ができない。また、最初に気球に導入したガス量で浮力が決まるため、気球を上昇及び下降させるためにもまた、プロペラなどの推進装置が必要となる。

さらに、水素ガスが充填された気球と燃料電池とが独立している飛行体（特許文献１～３）においては、発電に必要な空気及び水素ガスを燃料電池に供給するための供給ポンプが必要となる。そのため、システムが複雑となり、小型化及び軽量化に限界がある。

特開２０１７－１９００１９号公報特開２００２－２５５０９６号公報特開２００２－１２７９９１号公報

https://www.intelligent-energy.com/our-products/uavs/ https://www.nttdocomo.co.jp/info/news_release/2019/04/17_01.html

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池を搭載した、小型、軽量、かつ、長時間の飛行が可能な飛行体を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る飛行体は、
貯蔵した水素を放出し、又は、前記水素を発生させるための水素発生部と、
前記水素発生部から放出又は発生させた前記水素を貯留することにより浮力を発生させ、かつ、前記浮力を調節することが可能な水素貯留部と、
前記水素貯留部の内面にアノードが露出し、前記水素貯留部の外面にカソードが露出するように、前記水素貯留部の壁面の全部又は一部に形成された燃料電池と、
前記燃料電池部で発生させた電力を消費する負荷と、
前記水素発生部、前記水素貯留部、前記燃料電池、及び前記負荷の動作を制御する制御装置と
を備えている。

水素を貯留するための水素貯留部の壁面の全部又は一部に燃料電池を形成すると、燃料電池のアノード及びカソードに、それぞれ、水素及び空気を供給するための供給ポンプが不要となる。また、水素貯留部と水素発生部とを連結させ、水素ガスの消費量に応じて水素発生部からの水素発生量を調節すると、水素貯留部によって浮力が発生するだけでなく、浮力の大きさを任意に制御することができる。さらに、水素発生部のエネルギー密度は、圧縮水素タンクのそれより大きいため、本発明に係る飛行体は、小型、軽量であり、しかも長時間の飛行が可能となる。

本発明に係る飛行体の断面模式図である。水素発生剤を用いた飛行体のエネルギー及び水素の流れの模式図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．飛行体］
図１に、本発明に係る飛行体の断面模式図を示す。図１において、飛行体１０は、水素発生部１２と、水素貯留部１４と、燃料電池１６と、負荷１８と、制御装置（図示せず）とを備えている。飛行体１０は、物を運搬するための運搬装置（図示せず）をさらに備えていても良い。

［１．１．水素発生部］
水素発生部１２は、貯蔵した水素を放出し、又は、前記水素を発生させるためのものである。発生させた水素は、水素貯留部１４に一時的に貯留される。貯留された水素は、浮力の発生に利用される場合と、燃料電池１６の燃料として利用される場合とがある。
なお、水素発生部１２から水素を放出又は発生させる場合、通常、電力の消費を伴う。すなわち、水素発生部１２は、後述するように、浮力を調節するための負荷１８としても機能する。

水素発生部１２は、水素を物理的に放出するものでも良く、あるいは、化学的に放出するものでも良い。水素発生部１２としては、例えば、
（ａ）水素ガスを貯蔵した水素ガスタンク、
（ｂ）水素吸蔵合金を内封した水素吸蔵合金タンク、
（ｃ）熱分解により水素を発生する水素発生剤（例えば、アンモニアボランＨ₃ＮＢＨ₃）を貯蔵したタンクと、水素発生剤を加熱する加熱装置とを備えた水素発生装置、
（ｄ）液体水を電気分解することにより水素を発生させる水電解装置、
などがある。

これらの内、水素発生剤からの水素発生は、一般的に吸熱反応であり、水素生成には熱エネルギー（すなわち、熱源）を必要とする。しかし、水素発生剤を備えた水素発生装置は、他の装置と比べてエネルギー密度が高いので、水素発生部１２として好適である。例えば、アンモニウムボランの場合、約２０ｍａｓｓ％の水素発生が可能である。

［１．２．水素貯留部］
水素貯留部１４は、水素発生部１２から放出又は発生させた水素を貯留することにより浮力を発生させ、かつ、浮力を調節することが可能なものからなる。浮力は、水素貯留部１４に所定量以上の水素を貯留することにより発生させる。また、浮力の調節は、水素貯留量の増加又は減少に応じて、水素貯留部１４の容積を増加又は減少させることにより行われる。

水素貯留部１４は、水素貯留量に応じて容積を変更できるものであれば良く、必ずしもゴム状の弾性体である必要はない。水素貯留部１４の材料には、軽量で、可撓性のある高分子材料を用いるのが好ましい。
水素貯留部１４の形状は、浮力の発生及び調節が可能な限りにおいて、特に限定されない。水素貯留部１４の形状としては、例えば、球形、楕円体形、涙滴形、筒形、ドーナツ形、直方体形、立方体形などがある。
さらに、水素貯留部１４の最大水素貯留量（すなわち、水素貯留部１４の最大容積）は、要求される浮力の大きさ（すなわち、飛行体１０の最大質量）に応じて最適な値を選択することができる。

大気圧下で物体が浮力を持つためには、飛行体１０全体の密度が空気の密度よりも軽い必要がある。例えば、空気の比重は１．２９［ｇ／Ｌ］である。１０Ｌの水素０．０９［ｇ／Ｌ］が充填された水素貯留部１４を用いた場合、約１２ｇの重さまでの飛行体１０を浮遊させることができる。

［１．３．燃料電池］
燃料電池１６は、水素貯留部１４に貯留された水素を燃料に用いて、電力を発生させるためのものである。本発明において、燃料電池１６は、水素貯留部１４の内面にアノードが露出し、水素貯留部１４の外面にカソードが露出するように、水素貯留部１４の壁面の全部又は一部に形成される。この点が、従来とは異なる。水素貯留部１４の壁面に燃料電池１６を形成することによって、燃料電池１６に空気及び水素を供給するポンプ、ファン等が不要になるという利点がある。

水素貯留部１４の壁面には、１個の燃料電池１６が形成されていても良く、あるいは、２個以上の燃料電池１６が形成されていても良い。水素貯留部１４の壁面に２個以上の燃料電池１６が形成される場合、これらは、直列に接続されていても良く、あるいは、並列に接続されていても良い。

水素貯留部１４に形成される燃料電池１６の構造は、特に限定されないが、固体高分子形燃料電池が好ましい。固体高分子形燃料電池は、一般に、固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード及びカソードが接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。

ＭＥＡを水素貯留部１４の壁面の全部又は一部に形成する方法としては、例えば、
（ａ）水素貯留部１４の壁面の全体を固体高分子電解質で構成し、燃料電池１６として使用する部分にのみアノード及びカソードを接合する第１の方法、
（ｂ）水素貯留部１４の壁面を所定の形状を有するパーツ（例えば、三角形～六角形の板、半球体など）に分割し、全部又は一部のパーツにＭＥＡとしての機能を持たせ、これらのパーツを所定の順序で接合し、所定の形状を有する水素貯留部１４とする第２の方法、
などがある。

第２の方法を用いて水素貯留部１４を作製する場合、分割したパーツであって、固体高分子電解質からなるものの表面及び裏面に熱転写や塗布を用いて触媒層（アノード、カソード）を形成し、パーツ同士を接着材や熱可塑材などにより接着するのが好ましい。
また、第２の方法において、分割されたパーツの面積が大きい時には、蒸着、スパッタ等の方法を用いて、集電部として貴金属のワイヤーメッシュを分割されたパーツの表面に形成しても良い。あるいは、異物から保護するために、発電部表面にフィルタを取り付けても良い。

［１．４．負荷］
負荷１８は、燃料電池１６で発生させた電力を消費するためのものである。負荷１８は、通常、飛行体１０の飛行目的（例えば、計測、監視、輸送など）を遂行するために電力を消費するものであるが、浮力の調節にも用いることができる。すなわち、負荷１８を用いて電力（すなわち、水素貯留部１４に貯留されている水素）を消費した場合において、水素貯留部１４への水素の補給を行わない時には、水素貯留部１４の浮力が低下し、飛行体１０を下降させることができる。

負荷１８は、飛行体１０の用途に応じて最適なものを選択することができる。負荷１８としては、具体的には、以下のようなものがある。飛行体１０は、これらのいずれか１種の負荷１８を備えていても良く、あるいは、２種以上を備えていても良い。
（ａ）水素貯留部１４に水素を放出又は発生させるための水素発生部１２の制御部。
（ｂ）飛行体１０を水平方向に推進させるための推進部（例えば、プロペラ、羽、空気ポンプなど）。
（ｃ）撮影用カメラ。
（ｄ）計測用センサ（例えば、風速、風向、気圧、温度、湿度などを計測するための気象計測用センサ）。
（ｅ）照明装置。
（ｆ）燃料電池１６で発生させた電力を一時的に貯蔵するための二次電池。

［１．５．制御装置］
制御装置（図示せず）は、水素発生部１２、水素貯留部１４、燃料電池１６、及び負荷１８の動作を制御するためのものである。制御装置の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。また、制御装置の取り付け位置は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な位置を選択することができる。

［１．６．運搬装置］
飛行体１０は、物資の輸送に用いることもできる。この場合、飛行体１０は、物を運搬するための運搬装置（図示せず）をさらに備えていているのが好ましい。運搬装置の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
運搬装置としては、例えば、
（ａ）水素貯留部１４の下部に固定されたコンテナ、
（ｂ）コンテナを着脱自在に保持するための器具（コンテナをつり上げるためのフック及びワイヤー、コンテナを抱きかかえるためのアームなど）、
などがある。

［２．作用］
図２に、水素発生剤を用いた飛行体１０のエネルギー及び水素の流れの模式図を示す。まず、水素貯留部１４に所定量の水素が貯留されている状態において、燃料電池１６を作動させると、電力が発生する。発生した電力の一部は水素発生部１２の制御部に送られ、水素発生剤の加熱、水素発生量の調整などに消費される。さらに、水素発生部１２で発生した水素は、水素貯留部１４に送られる。

そのため、燃料電池１６による水素の消費量と水素発生部１２からの水素発生量とが一致するように、水素発生部１２を制御すると、浮力を一定に維持することができる。
あるいは、燃料電池１６による水素の消費量に比べて水素発生部１２からの水素発生量を多くする又は少なくすると、浮力を増加又は減少させることができる。そのため、荷物の積み卸しにより飛行体１０の搭載重量が変わった場合であっても、浮力を調節し、飛行を継続することができる。

さらに、燃料電池１６で発生させた電力の他の一部は負荷１８に送られ、飛行体１０の飛行目的のために消費される。また、余剰電力の一部は、負荷１８の一種である二次電池に蓄えられる。二次電池に蓄えられた電力は、二次電池以外の負荷１８の作動（例えば、計測用センサの作動、水素発生部１２の制御など）に用いることができる。

水素を貯留するための水素貯留部１４の壁面の全部又は一部に燃料電池１６を形成すると、燃料電池１６のアノード及びカソードに、それぞれ、水素及び空気を供給するための供給ポンプが不要となる。そのため、システムが簡素になり、軽量化が可能となる。
また、水素貯留部１４と水素発生部１２とを連結させ、水素ガスの消費量に応じて水素発生部からの水素発生量を調節すると、水素貯留部１４によって浮力が発生するだけでなく、浮力の大きさを任意に制御することができる。さらに、水素発生部１２のエネルギー密度は、圧縮水素タンクのそれより大きいため、本発明に係る飛行体１０は、小型、軽量であり、しかも長時間の飛行が可能となる。

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

本発明に係る飛行体は、計測、配達、災害時の物資の輸送などに用いることができる。

１０飛行体
１２水素発生部
１４水素貯留部
１６燃料電池
１８負荷

Claims

貯蔵した水素を放出し、又は、前記水素を発生させるための水素発生部と、
前記水素発生部から放出又は発生させた前記水素を貯留することにより浮力を発生させ、かつ、前記浮力を調節することが可能な水素貯留部と、
前記水素貯留部の内面にアノードが露出し、前記水素貯留部の外面にカソードが露出するように、前記水素貯留部の壁面の全部又は一部に形成された燃料電池と、
前記燃料電池部で発生させた電力を消費する負荷と、
前記水素発生部、前記水素貯留部、前記燃料電池、及び前記負荷の動作を制御する制御装置と
を備えた飛行体。
前記負荷は、
（ａ）前記水素発生部の制御部、
（ｂ）前記飛行体を水平方向に推進させるための推進部、
（ｃ）撮影用カメラ、
（ｄ）計測用センサ、
（ｅ）照明装置、及び、
（ｆ）前記燃料電池で発生させた電力を一時的に貯蔵するための二次電池
からなる群から選ばれるいずれか１以上を含む請求項１に記載の飛行体。
物を運搬するための運搬装置をさらに備えた請求項１又は２に記載の飛行体。