JP7472849B2

JP7472849B2 - 飛行体

Info

Publication number: JP7472849B2
Application number: JP2021074382A
Authority: JP
Inventors: 智彦金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2041-04-26
Also published as: JP2022168719A; US20220340291A1; EP4082912A1; CN115246486A

Description

本開示は飛行体に関する。

特許文献１、特許文献２には航空機に燃料電池システムが適用された技術が開示されている。また、特許文献３には航空機用の熱利用装置、特許文献４には燃料収容部に熱を供給する技術が開示されている。

特表２０１３－５４５６４９号公報特開２０１７－８１５５９号公報特開２００２－４６６９６号公報特開２０１４－４９３４５号公報

燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体において、その燃料となる水素を貯蔵しているタンクのバルブに設けられたシール部材が水素の連続供給により温度が低下し、シール性能が低下する問題がある。特に水素の連続供給という条件に加えて飛行時の高所における過酷な低温環境でも確実に水素の漏れを防止することが求められる。

本開示は、以上の問題点に鑑み、水素の連続供給及び低温環境でも水素タンクに設けられたバルブのシール部材のシール性をより確実に維持することを可能とする飛行体を提供することを目的とする。

本願は、燃料電池、及び、燃料電池を発電させるための水素を貯蔵する水素タンクを有する飛行体であって、水素タンクにはタンク本体から水素を取り出す、シール部材を具備するバルブが配置され、飛行体のいずれかの部位からの廃熱の一部を流体を通じてシール部材に対して伝える加温手段を備える、飛行体を開示する。

バルブが、流体が流れる流路を備えているように構成してもよい。

燃料電池を冷却した冷却水の少なくとも一部を流体とするように構成してもよい。

燃料電池から排出されるガスを流体とするように構成してもよい。

燃料電池に送るエアコンプレッサから吐出される空気の一部を流体としてもよい。

モータ、インバータ、及び、コンバータの少なくとも１つを冷却した冷却水を流体としてもよい。

本開示の飛行体によれば、水素の連続供給及び低温環境でも水素タンクに設けられたバルブのシール部材のシール性をより確実に維持することができる。

図１は、飛行体の１つの態様である航空機１の外観を表す図である。図２は、燃料電池１０による発電のための構成を説明する概念図である。図３は、燃料電池１０により駆動される機器との関係を説明する概念図である。図４は、加温手段７０Ａについて説明する図である。図５は、バルブ２２を加温する構成の１つの例を説明する図である。図６は、バルブ２２を加温する構成の他の例を説明する図である。図７は、加温手段７０Ｂについて説明する図である。図８は、加温手段７０Ｃについて説明する図である。図９は、加温手段７０Ｄについて説明する図である。

１．飛行体の基本構成
図１～図３には燃料電池を飛行の動力源として用いる１つの例にかかる飛行体（航空機１）の基本的な構成を説明する図を示した。図１は当該飛行体（航空機１）の外観を表す図、図２は飛行体（航空機１）に具備された燃料電池を発電させるための構成を模式的に表した図、図３は各構成の電気的な接続の態様を模式的に表した図である。

なお、ここでは説明のため、飛行体の１つの形態例として航空機１を説明するが、本開示の飛行体は燃料電池をプロペラの動力源としていればよく、外観やプロペラの位置、プロペラの数等は特に限定されることはなく、あらゆる形態の飛行体を本開示の飛行体の範囲に含めることができる。従って、本開示の飛行体は、飛行体の大きさ、搭乗できる人数等のいわゆる規模も限定されることはなく、また、無線で操作したり、予め飛行ルートがプログラムされていたりして飛行する無人の飛行体であるドローン等も含まれる。

１．１．外観
図１からわかるように、本形態の航空機１は、内側に飛行に必要な各要素を収納する筐体である本体２を備え、本体２の上部には人が乗って飛行体１を操縦するための操縦部３が設けられている。また、本形態の航空機１には航空機１の離陸、推進のためのプロペラ４が本体２の前後及び左右に１つずつ合計４つ配置されている。さらに本体２の下部には着陸の際に接地して本体２を支持する脚部５が具備されている。

１．２．燃料電池による発電
本開示の飛行体（航空機１）は燃料電池により発電した電力によりプロペラを駆動させ、これにより飛行に必要な力を得るように構成されている。そのため、図２からわかるように燃料電池１０がプロペラ用モータ５０に電気的に接続され、このプロペラ用モータ５０がプロペラ４を駆動させる。燃料電池１０には、水素供給システム２０から水素、空気供給システム３０からエア（空気）が供給されることで燃料電池１０が発電する。また、燃料電池１０には冷却水循環システム４０から冷却水が供給され燃料電池１０の冷却が行われている。以下に各構成について説明する。

１．２ａ．燃料電池
燃料電池１０は公知の通りであるが、例えば複数の燃料電池セルが重ねられた積層体がスタックケースに納められてなる。燃料電池セルは膜－電極接合体（ＭＥＡ）が２つのセパレータで挟まれて構成されている。ＭＥＡは固体高分子膜、負極触媒層、正極触媒層、負極ガス拡散層、正極ガス拡散層等による積層体である。

１．２ｂ．水素供給システム
水素供給システム２０は配管を通じて水素を燃料電池１０に供給するシステムである。水素供給システム２０は公知の通りであるが、水素タンク２１、バルブ２２、及び、水素ポンプ２３を備えている。
水素タンク２１は水素を貯留するタンクであり、容器状の水素タンク本体２１ａ及び口金２１ｂを備えている。これにより水素タンク本体２１ａに納められた水素を口金２１ｂを通じて取り出せるように構成されている。
バルブ２２は口金２１ｂに取り付けられ、水素タンク２１からの水素の出入りを切り替える。バルブ２２には水素の漏れを防ぐシール部材が配置されている。シール部材としては特に限定されることはないが、樹脂やゴムを材料としたＯリングが用いられることが多い。また、樹脂やゴムを用いたシール部材に対して後述する加温手段を適用することにより、特にシール性の維持の効果を発揮するものとなる。

水素ポンプ２３は、バルブ２２を通じて水素タンク２１から取り出した水素を燃料電池１０に送るポンプである。水素ポンプ２３の具体的態様は特に限定されることなく、燃料電池による発電システムに適用される公知の水素ポンプを適用することができる。

１．２ｃ．空気供給システム
空気供給システム３０は配管を通じてエア（空気）を燃料電池１０に供給するシステムである。空気供給システム３０は公知の通りであるが、エアコンプレッサ３１を備えている。エアコンプレッサ３１は周囲の空気を取り込んで圧縮して燃料電池１０に送る。エアコンプレッサ３１の具体的態様は特に限定されることなく、燃料電池による発電システムに適用される公知のエアコンプレッサを適用することができる。

１．２ｄ．冷却水循環システム
冷却水循環システム４０は配管を通じて冷却水を循環し、燃料電池１０に冷却水を供給するとともに燃料電池１０を冷却した冷却水を回収して熱を外気に放出する。冷却水循環システム４０は公知の通りであるが冷却水ポンプ４１、冷却用熱交換器４２、及び、ラジエタ４３を備えている。
冷却水ポンプ４１は冷却水を循環させるポンプであり、公知のものを用いることができる。
冷却用熱交換器４２は燃料電池１０に配置され、燃料電池１０が発電することにより発生した熱を吸収することで燃料電池１０を冷却する。冷却用熱交換器４２の具体的態様は特に限定されることはなく、燃料電池による発電システムに適用される公知の冷却用熱交換器を適用することができる。
ラジエタ４３は燃料電池１０から吸収した熱を外気に放出する熱交換器である。これにより燃料電池１０から吸収した熱を含んだ冷却水から熱を外気に放出することで、再度燃料電池１０を冷却することが可能な冷却水となる。ラジエタ４３の具体的態様は特に限定されることはなく、燃料電池による発電システムに適用される公知のラジエタを適用することができる。

以上のような構成により冷却水は配管を通じて各構成を通ることで次のように循環する。冷却水ポンプ４１により冷却用熱交換器４２に達した冷却水は燃料電池１０から熱を吸収しラジエタ４３に移動する。ラジエタ４３に達した冷却水は燃料電池１０から吸収した熱を外気に放出して再び冷却水ポンプ４１に達する。

１．３．発電による駆動
図３には、燃料電池１０が発電した電力を用いて駆動させる各構成の関係を模式的に示した。
プロペラ４は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ５０ａを介して、燃料電池１０で発電された電力によりプロペラ用モータ５０で駆動する。プロペラ４の駆動により飛行のための動力を得る。
冷却水ポンプ４１は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ４１ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により冷却水ポンプ用モータ４１ｂで駆動する。冷却水ポンプ４１の駆動により上記したように冷却水循環システム４０を冷却水が循環する。
エアコンプレッサ３１は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ３１ａを介して、燃料電池１０で発電された電力によりエアコンプレッサ用モータ３１ｂで駆動する。エアコンプレッサ３１の駆動により上記したように空気供給システム３０から燃料電池１０にエアが供給される。
水素ポンプ２３は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ２３ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により水素ポンプ用モータ２３ｂで駆動する。水素ポンプ２３の駆動により上記したように水素供給システム２０から燃料電池１０に水素が供給される。

また、当該発電による駆動のための電気系統には航空機１に設けられた二次電池６０が含まれており、当該二次電池６０によっても二次電池用コンバータ６１及び／又はインバータ２３ａ、３１ａ、４１ａ、５０ａを介してエアコンプレッサ用モータ３１ｂ、プロペラ用モータ５０、冷却水ポンプ用モータ４１ｂ、水素ポンプ用モータ２３ｂのそれぞれに電気的に接続されている。
二次電池６０による電力の供給は航空機１の始動時に用いられ、その他緊急時に用いられることもある。また、二次電池６０は燃料電池１０からの電力で充電が可能とされている。

２．加温手段
上記したように航空機１では燃料電池１０に水素を供給するために水素供給システム２０が具備されており、水素供給システム２０には水素タンク２１にバルブ２２が配置されている。そしてバルブ２２には水素が漏れないようにシール部材が備えられている。
バルブ２２は連続して長時間に亘って水素が通過するため熱が奪われその温度が低下する。さらに航空機１であることから移動中（飛行中）の多くの時間でその環境は地上に比べて低温であり、さらにバルブ２２が低温となる。バルブ２２が低温になればここに具備されるシール部材も低温になり、シール性が低下する虞がある。特にシール部材が樹脂やゴムからなる場合にはその傾向は顕著になる。シール性の低下は水素の漏洩のリスクを伴うものであり回避しなければならない。

そこで本開示では、加温手段を設けることによりシール部材を加温してシール性を維持するように構成されている。また、加温手段は飛行体（航空機１）のいずれかの部位からの廃熱の一部を流体を通じてシール部材に対して伝えるように構成されている。これにより加温のための新たな熱源を必要とすることなくシール部材を加温することができ、飛行体の構成要素の簡素化や軽量化を図ることもできる。以下に加温手段の具体的形態例を説明する。

２．１．形態１
図４に形態１に係る加温手段７０Ａを説明する図を示した。加温手段７０Ａは配管を冷却水循環システム４０に接続して冷却水の一部をバルブ２２に供給し、その熱でシール部材を加温する。具体的には加温手段７０Ａは、冷却用熱交換器４２から出た冷却水が流れる配管にＪ１で接続される配管７０Ａａによりバルブ２２に冷却水の一部を流す。さらに、バルブ２２から出る配管７０Ａｂが冷却水循環システム４０の配管にＪ２で接続されている。ここで接続部Ｊ２は、冷却水循環システム４０の冷却水循環方向において、接続部Ｊ１よりも冷却用熱交換器４２から遠い側となるように配置される。これにより燃料電池１０を冷却して加温された冷却水がバルブ２２に提供されシール部材を加温することができる。また、シール部材を加温した冷却水は冷却水循環システム４０に戻り適切な熱の処理が行われる。

バルブ２２と冷却水との熱交換を行う具体的手段は特に限定されることはないが、例えば図５に示したようにバルブ２２の内側に流路７０Ａｃを設け、これを配管７０Ａａ及び配管７０Ａｂを接続させる態様を挙げることができる。
その他、図６に示したようにバルブ２２の外周に巻き付けるようにコイル状の配管７０Ａｄを設け、これを配管７０Ａａ及び配管７０Ａｂを接続させる態様を挙げることができる。

この形態によれば燃料電池１０を冷却した熱（廃熱）を利用して適切にバルブ２２のシール部材を加温することができる。また、燃料電池１０からの廃熱をシール部材の加温に利用すれば、ラジエタ４３で熱交換をする負担を減らすことができ、ラジエタ４３の大きさを小さくすることができる場合もある。

２．２．形態２
図７に形態２に係る加温手段７０Ｂを説明する図を示した。加温手段７０Ｂは配管を排気管に接続してこの排気の一部をバルブ２２に供給し、その熱でシール部材を加温する。具体的には加温手段７０Ｂは、燃料電池１０からの排気が流れる配管に対してＪ３で接続される配管７０Ｂａによりバルブ２２に当該排気を流す。これにより燃料電池１０からの排気がバルブ２２に提供されシール部材を加温することができる。

バルブ２２と排気との熱交換を行う具体的手段は特に限定されることはないが、例えば上記図５に示したようにバルブ２２の内側に流路７０Ａｃを設けここに配管７０Ｂａから排気を流してもよい。
その他、上記図６に示したようにバルブ２２の外周に巻き付けるようにコイル状の配管７０Ａｄを設け、これに配管７０Ｂａを接続させる態様を挙げることができる。
さらに、配管７０Ｂａから直接、又は、配管７０Ｂａの先端にノズルを設ける等して配管７０Ｂａから排気を噴射してバルブ２２に当ててもよい。

この形態によれば燃料電池１０からの排気の熱（廃熱）を利用して適切にバルブ２２のシール部材を加温することができる。また、本形態によれば気体により加温を行うので加温した後の気体はそのまま排気すればよく、回収の必要がないので構成を簡素化することが可能である。

２．３．形態３
図８に形態３に係る加温手段７０Ｃを説明する図を示した。加温手段７０Ｃは空気供給システム３０のコンプレッサ３１から燃料電池１０にエアを供給する配管に接続してこのエアの一部をバルブ２２に供給し、その熱でシール部材を加温する。具体的には加温手段７０Ｃは、エアコンプレッサ３１から燃料電池１０にエアを供給する配管に対してＪ４で接続される配管７０Ｃａによりバルブ２２にエアを流す。これによりコンプレッサ３１からのエアがバルブ２２に提供されシール部材を加温することができる。

バルブ２２とエアコンプレッサ３１からのエアとの熱交換を行う具体的手段は特に限定されることはないが、例えば上記図５に示したようにバルブ２２の内側に流路７０Ａｃを設けここに配管７０Ｃａからのエアを流してもよい。
その他、上記図６に示したようにバルブ２２の外周に巻き付けるようにコイル状の配管７０Ａｄを設け、これに配管７０Ｃａを接続させる態様を挙げることができる。
さらに、配管７０Ｃａから直接、又は、配管７０Ｃａの先端にノズルを設ける等して配管７０Ｃａから排気を噴射してバルブ２２に当ててもよい。

この形態によればコンプレッサ３１からのエアを利用して適切にバルブ２２のシール部材を加温することができる。本形態によれば気体により加温を行うので加温した後の気体はそのまま排気すればよく、回収の必要がないことから構成を簡素化することが可能である。また、エアコンプレッサ３１で圧縮したエアは温度が高められており、これを利用することからこれも廃熱利用である。そして高い温度のエアをバルブ２２に供給できるので効率よくバルブ２２を加温することができる。

２．４．形態４
図９に形態４に係る加温手段７０Ｄを説明する図を示した。加温手段７０Ｄは、プロペラ用モータ５０を冷却するための冷却水循環システム５０ｂに配管を接続して冷却水の一部をバルブ２２に供給してその熱でシール部材を加温する。具体的な加温手段７０Ｄの態様は特に限定されることはないが、上記した形態１の加温手段７０Ａと同様に考えることができる。冷却水による冷却対象が異なるのみであり、基本的な考え方は同じである。

また、このような冷却水循環システムはプロペラ用モータに対する冷却水循環システムの他、燃料電池用コンバータ１０ａ、二次電池用コンバータ６１、及び、インバータ２３ａ、３１ａ、４１ａ、５０ａに対して設けられることもあり、その場合にはこれら冷却水循環システムの冷却水を利用してバルブ２２を加温してもよい。なお、このような冷却水循環システムでは冷却水の流量が少ないため配管の軽量化が可能となる。

３．その他
加温手段によるシール部材の加温のタイミングは特に限定されることはなく、シール部材が加温により溶けることや急激な劣化を生じるような高温になってシール性を失うことが無い限り加温し続けてもよい。
その他、通常の水素供給システム２０には水素タンク２１の温度を測定する手段（既存の温度センサ）を備えていることがあり、その場合には当該既存の温度センサを用いて水素タンクの温度からシール部材の温度を推定し、必要な時のみに流体を流してシール部材を加温して昇温させるように構成してもよい。ただしこれに限定されることはなくバルブ２２又はシール部材の温度を測定するセンサを新たに設けてもよい。

１航空機（飛行体）
２本体
３操縦部
４プロペラ
５脚部
１０燃料電池
２０水素供給システム
２１水素タンク
２２バルブ
２３水素ポンプ
３０空気供給システム
３１コンプレッサ
４０冷却水循環システム
４１冷却水ポンプ
４２冷却用熱交換器
４３ラジエタ
５０プロペラ用モータ
７０Ａ～７０Ｄ加温手段

Claims

燃料電池、及び、前記燃料電池を発電させるための水素を貯蔵する水素タンクを有する飛行体であって、
前記水素タンクにはタンク本体から水素を取り出す、シール部材を具備するバルブが配置され、
前記飛行体のいずれかの部位からの廃熱の一部を流体を通じて前記シール部材に対して伝える加温手段を備え、
前記流体は前記燃料電池から排出されるガス、又は、前記燃料電池に送るエアコンプレッサから吐出される空気の一部であり、
前記気体を配管の先端から、又は、ノズルを介して噴射して、直接前記バルブに当たるように前記配管又は前記ノズルが配置されている、
飛行体。