(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池の運転条件を可能な限り最適な運転条件に近づける事の出来る燃料電池ドローンを提供する。【解決手段】燃料電池ドローンは、燃料電池システムを搭載すると共に、この燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池駆動型ドローンである。燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタック１と燃料電池運転雰囲気緩衝器２を有する。大気の空気を、燃料電池運転雰囲気緩衝器２を介して燃料電池に供給し、燃料電池において電極反応に使用したオフガスとしての空気を、燃料電池運転雰囲気緩衝器２に戻した後に、大気に放出する。【選択図】図１
2018181576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムを搭載すると共に、前記燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池駆動型ドローンにおいて、
前記燃料電池システムは、少なくとも固体高分子膜を電解質とする燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに流通する空気の温湿度交換を行う燃料電池運転雰囲気緩衝器とを有することを特徴とする燃料電池ドローン。
【請求項２】
前記燃料電池運転雰囲気緩衝器の未反応酸化剤ガス出口の相対湿度は、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス入口で１５％以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ドローン。
【請求項３】
前記燃料電池運転雰囲気緩衝器の未反応酸化剤ガスと既反応酸化剤ガスとの温湿度交換を、多孔質体を介して行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池ドローン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池駆動型無人飛行機（以下、「燃料電池ドロ−ン」と呼ぶ。）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、数種類に分類される。なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、多くの用途で電源として使用されている。特定には、固体高分子形燃料電池は、自動車における内燃機関の代用として使用されている。また、家庭用コージェネレーション・システムの電源として使用され、電気と熱を家庭に併給して高い総合効率を実現している。さらには、宇宙用の電源や無人飛行機用の電源としての使用も注目されている。
【０００３】
下記非特許文献１には、燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池ドローンが開示されている。プロペラ用モーター駆動電源をバッテリーと燃料電池のハイブリッドにして、バッテリーのみの無人飛行機に比べて長時間飛行を可能にしている。
【０００４】
下記特許文献１には、電気推進式飛行機に搭載のバッテリーを再充電する空中動力補給装置及びその装置を備える飛行機が開示されている。これは、充電側飛行機に搭載の電気エネルギー生産システムによって、そのバッテリーに対して飛行中などに充電する。この空中動力補給装置は電気推進式飛行機の、比較的短かった飛行時間を倍増さらには３倍増に増大させるようとする装置である。上記電気エネルギー生産システムの１つの実施例として、燃料電池を挙げている。
【０００５】
固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜をアノード電極、カソ−ド電極からなる一対のガス拡散電極が挟持した単電池と、それぞれの電極に反応ガスを供給するための流路を有するガス不透過性のセパレータで構成される。そして、水素等の燃料ガスをアノード電極に、空気等の酸化剤ガスをカソード電極に供給すると、電気化学反応により単電池で起電力が起きる。この単電池の起電力は高々１Ｖと低いため、通常は複数の単電池を積層した電池スタックとして使用される。高分子電解質膜としては、分子中にイオン交換基を持ち、含水することによりイオン伝導性物質として機能する。しかし、逆に、高分子電解質膜が乾燥すると、イオン伝導性が悪化し電池性能が著しく低下するため、高分子電解質膜の乾燥を防ぐような様々な手法がとられている。
【０００６】
下記特許文献２には、固体高分子形燃料電池において、加湿が必要となる高分子電解質膜に水分を供給するために、燃料ガスおよび／または酸化ガスの流通路と加湿水の流通路とを分離するように水蒸気透過膜を設けた加湿装置を提案している。
【０００７】
本件発明者は、その特許文献２に先立って、特許文献３において次のことを提案している。すなわち、水蒸気透過膜の両面に水と反応ガスを流通させる従来の固体高分子形燃料電池用の加湿器では、外気温が０℃以下に低下すると水流路で凍結が生じて発電が難しくなることを避けるために、電池反応部を通過した既反応ガスと電極反応部を通過する前の未反応ガスとを、保水性の多孔質体を介して接触させることにより、温度および湿度交換を行う温湿度交換手段を備えることを提案している。
【０００８】
一方で、加湿が必要となる高分子電解質膜や触媒層の保水性を確保するために、単電池やセパレータに工夫を凝らす場合もある。
【０００９】
本件発明者は、特許文献４において、高分子電解質膜と触媒層の保水性を確保するために、特許文献４に開示されるような酸化剤触媒層と酸化剤ガス拡散層との間に水分移送管理用に水管理層を設けた固体高分子形燃料電池を提案している。この固体高分子形燃料電池の水蒸気制御用多孔層は、酸化剤触媒層の湿度をセル全面に亘って一様にするために、ガス入口側から出口側に向かって、次のように傾斜が付けられている。例えば、ガスの入り口側から出口側に向かって気孔径に分布をつけたり、撥水性や親水性に傾斜をつけたり、また、表面張力に傾斜をつけたりしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１６−５０５４４１号公報
【特許文献２】特開２０００−３４８７４７号公報
【特許文献３】特許第４１５３６０８号公報
【特許文献４】特許第４６１０８１５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】“NASA, JAXA Eye Fuel-Cell Propulsion For Aircraft” Aviation Week & Space Technology：Aug 10,2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の非特許文献１の燃料電池駆動の無人飛行機に使用される固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転ができ、無人飛行機用の電源に適している。その反面、固体高分子形燃料電池を無人飛行機用の電源に用いた場合には、車載電源や家庭用コージェネレーショ電源に用いた場合に比べて、飛行の高低による気圧や外気温や湿度の変化、更には、長距離を高速で移動することによる気温や気象の変化が激しく、電池出力に大きく影響し、安定した飛行の確保ができないと言った問題があった。
【００１３】
従来の特許文献１の空中動力補給装置の場合、電気エネルギーの補給に時間を要して宅配物などの移送に長時間を要したり、充電基地のネット網が必要となったりして、技術的にも、輸送価格的にも多大な負担を要すると言った問題があった。
【００１４】
また、従来の特許文献２の加湿装置をもつ固体高分子形燃料電池を駆動源とした無人飛行機に使用した場合、無人飛行機の外気温が０℃以下に下がった場合に、加湿装置内の液水が凍結する問題があった。
【００１５】
本件発明者が提案した特許文献３の温湿度交換手段を具備した固体高分子形燃料電池を無人飛行機に使用した場合、０℃以下における液水の凍結はないが、気象の変化、気温の変化、外気の湿度の変化が厳しい無人飛行機では、発電性能への影響を完全に回避するまでには至らない可能性があった。
【００１６】
さらに、本件発明者が提案した特許文献４の水蒸気制御用多孔層を触媒層とガス拡散層との間に挿入した固体高分子形燃料電池を無人飛行機に使用した場合でも、完全に温湿度交換手段を取り除くと、外気の湿度が低い環境を飛行するときに、発電性能が低下する可能性があった。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その主たる目的は、固体高分子形燃料電池を電源として空中を飛行する無人飛行機において、飛行の高低による気圧や外気温や外気湿度の変化、更には、長距離を高速で移動することによる外気温や気象の変化を緩衝して、固体高分子形燃料電池の運転条件を可能な限り、固体高分子形燃料電池の最適な運転条件に近づける事の出来る燃料電池ドローンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池ドローンは、燃料電池システムを搭載すると共に、前記燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池駆動型ドローンにおいて、前記燃料電池システムは、少なくとも固体高分子膜を電解質とする燃料電池スタック（以下、「固体高分子形燃料電池」ともいう。）と、該燃料電池スタックに流通する空気の温湿度交換を行う燃料電池運転雰囲気緩衝器とを有することを特徴とする。
【００１９】
すなわち、本発明に係る燃料電池ドローンは、固体高分子形燃料電池と燃料電池運転雰囲気緩衝器とを備え、大気の空気を、燃料電池運転雰囲気緩衝器を介して燃料電池に供給し、燃料電池において電極反応に使用したオフガスとしての空気を、上記燃料電池運転雰囲気緩衝器に戻した後に、大気に放出することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池ドローンは、前記燃料電池運転雰囲気緩衝器を備え、この燃料電池運転雰囲気緩衝器の空気出口の相対湿度、すなわち、前記固体高分子形燃料電池の酸化剤ガス入口の相対湿度を１５％以上にしたことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池ドローンは、前記燃料電池運転雰囲気緩衝器を備え、燃料電池反応を通過した既反応ガスと燃料電池反応部を通過する前の未反応ガスを、保水性の多孔質体を介して温度および湿度の交換を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池ドローンによれば、上記構成としているので、固体高分子形燃料電池の運転条件を可能な限り最適な運転条件に近づける事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る燃料電池ドローンに搭載されている固体高分子形燃料電池の電池部および燃料電池運転雰囲気緩衝器の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池ドローンの燃料電池運転雰囲気緩衝器の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池ドローンの単電池の第二の実施形態を示す断面概念図である。
【図４】本発明に係る燃料電池ドローンの第二の実施形態を検証するために準備した単電池の部品の外観写真（図面代用写真）である。
【図５】本発明に係る燃料電池ドローンの第二の実施形態を検証するための発電性能評価試験装置の系統図である。
【図６】本発明に係る燃料電池ドローンの第二の実施形態を検証するために実施された発電試験結果（低露点側）である。
【図７】本発明に係る燃料電池ドローンの第二の実施形態を検証するために実施された発電試験結果（高露点側）である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
【００２５】
(第一の実施形態)
本実施形態の燃料電池ドローンは、燃料電池システムを搭載すると共に、この燃料電池システムによってプロペラ用モーターを駆動する燃料電池駆動型ドローンである。ドローンは、航空の用に供することができる飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船その他の機器であって、構造上人が乗ることができないもののうち、遠隔操作や自動操縦により、飛行させることができるものである。
【００２６】
ここで、構造上人が乗ることができないものとは、当該機器の概括的な大きさや潜在的な能力を含めた構造、性能等を確認することにより、これに該当すると判断されたものをいう。また、遠隔操作とは、プロポ等の操縦装置を活用し、空中での上昇、ホバリング、水平飛行、下降等の操作を行うことをいう。さらに、自動操縦とは、当該機器に組み込まれたプログラムにより自走的に操縦を行うことをいう。
【００２７】
この燃料電池ドローンに搭載されている燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタックと燃料電池運転雰囲気緩衝器とを有する。なお、燃料電池ドローンの燃料電池システム以外の構成、例えば、プロペラ、プロペラ用モーターその他の構成物は、公知のものを用いることができ、ここではその説明を省略する。
【００２８】
図１は、燃料電池システムの第一の実施形態の構成を示す分解斜視図である。なお、本実施形態では、酸化剤ガスである空気の温湿度交換、すなわち、燃料電池の運転雰囲気を緩衝する例について示している。すなわち、図１に示すように、本実施形態の燃料電池ドローン用の燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池を用いたシステムであり、燃料電池スタックを有する電池部１と、燃料電池運転雰囲気緩衝器２とから構成されている。
【００２９】
電池部１は、図１に示すように、燃料電池運転雰囲気緩衝器２との接合面に、酸化剤ガスである未反応の空気を電池部１に導入するための電池部未反応酸化剤ガス入口４と、既反応の酸化剤ガスを電池部１から排出するための電池部既反応酸化剤ガス出口５とを備えている。
【００３０】
燃料電池運転雰囲気緩衝器２は、その前面に前面端板７ａが設けられており、その後面に後面端板７ｂが設けられている。燃料電池運転雰囲気緩衝器２の前面端板７ａに、酸化剤ガスである未反応の空気を燃料電池運転雰囲気緩衝器２に導入するための未反応酸化剤ガス入口３と、既反応の酸化剤ガスを燃料電池運転雰囲気緩衝器２から排出するための既反応酸化剤ガス出口６とを備えている。
【００３１】
未反応酸化剤ガス入口３を介して燃料電池運転雰囲気緩衝器２を通過した空気は、酸化剤未反応ガスとして電池部未反応酸化剤ガス入口４を介して電池部１に供給される。また、電池部１で反応に利用された酸化剤既反応ガスは、電池部既反応酸化剤ガス出口５を介して、再び、燃料電池運転雰囲気緩衝器２を流通した後に、既反応酸化剤ガス出口６から大気に放出される。
【００３２】
すなわち、図１の電池部１と燃料電池運転雰囲気緩衝器２において、空気などの酸化剤ガスは、燃料電池運転雰囲気緩衝器２の未反応酸化剤ガス入口３から取り込まれ、燃料電池運転雰囲気緩衝器２で加温、加湿された後、電池部未反応酸化剤ガス入口４から電池部１に取り込まれる。電池部１で電池反応に使用された既反応酸化剤ガスは、電池部既反応酸化剤ガス出口５から燃料電池運転雰囲気緩衝器２に取り込まれ、燃料電池運転雰囲気緩衝器２において、未反応酸化剤ガスと温度、湿度を交換した後、既反応酸化剤ガス出口６から大気に放出される。
【００３３】
図２は、燃料電池運転雰囲気緩衝器２の縦断面図を示すものである。燃料電池運転雰囲気緩衝器２は、図２に示すように、前面の端板１１ａと後面の端板１１ｂとの間に、保水性の多孔質体１３とメッシュ１４とを交互に積層し、その周囲を未反応ガスシ−ル材１２ａと既反応ガスシール材１２ｂによって大気から封じ込めている。この燃料電池運転雰囲気緩衝器２は温湿度交換積層体としての機能を果たす。
【００３４】
なお、図２における前面の端板１１ａは、図１における前面端板７ａと対応する。また、図２における後面の端板１１ｂは、図１における後面端板７ｂと対応する。
【００３５】
本実施形態の燃料電池ドローンによれば、上記の如く、燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する電池部１と、燃料電池運転雰囲気緩衝器２とから構成されているので、固体高分子形燃料電池を電源として空中を飛行する無人飛行機において、飛行の高低による気圧や外気温や外気湿度の変化、更には、長距離を高速で移動することによる外気温や気象の変化を緩衝して、固体高分子形燃料電池の運転条件を可能な限り、固体高分子形燃料電池の最適な運転条件に近づける事が出来る。
【００３６】
また、本実施形態の燃料電池ドローンによれば、燃料電池運転雰囲気緩衝器２の未反応酸化剤ガスと既反応酸化剤ガスとの温湿度交換を、多孔質体１３を介して行うので、燃料電池運転雰囲気緩衝器２は温湿度交換積層体としての機能を果たし、イオン伝導性の悪化防止と電池性能が著しく低下することを防止することができる。
【００３７】
なお、本発明の燃料電池ドローンに係る構成は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、燃料電池ドローンの形状、構造に係る構成、及び燃料電池システムの形状、構造に係る構成等について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更可能である。
【００３８】
例えば、本発明に係る燃料電池ドローンの燃料電池システムは、上記実施形態の如く、電池部と燃料電池運転雰囲気緩衝器とから構成されているものに限定されず、その他の構成を備えているもの等でもよい。
【００３９】
また、燃料電池運転雰囲気緩衝器は、例えば、燃料ガス、冷却媒体等がいずれも燃料電池運転雰囲気緩衝器を通過して、電池部へ供給されるように構成することができる。その他の形状、構造に係る構成は、公知のものを採用することができ、如何なる形状、構造に係る構成であってもよい。
【００４０】
(第二の実施形態)
次に、図３を参照して、第二の実施形態の燃料電池ドローンについて説明する。なお、第一の実施形態と同一又は対応する部分については同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００４１】
本発明に係る燃料電池ドローンの第二の実施形態は、第一の実施形態の燃料電池運転雰囲気緩衝器２の空気出口において、電池部の酸化剤ガス入口での相対湿度として１５％以上に加湿することを特徴としている。この相対湿度の程度を定めるために、本発明者は、第二の実施形態の固体高分子形燃料電池の単電池２１を準備し発電試験を実施した。
【００４２】
図３に、発電性能評価試験に用いた固体高分子形燃料電池の単電池２１の構成を概念的に示す。単電池２１は、中心に高分子電解質膜２２を配し、アノード・カソードの両触媒層２３で挟み、さらに、その外側をアノード・カソードの両ガス拡散層２４で挟持している。アノード・カソード共に触媒層２３とガス拡散層２４との間には、水管理層２５を挿入している。高分子電解質膜２２、触媒層２３、ガス拡散層２４、水管理層２５からなる単電池２１の両側にセパレータ２６を配し、そのセパレータ２６のアノード側の溝に燃料ガス２７を、カソード側の溝に酸化剤ガス２８を流通させることで、電気を取り出す構成としている。
【００４３】
次に、本第二の実施形態の電池部の電池部未反応酸化剤ガス入口４（図１参照）での相対湿度を定めるために実施した、固体高分子形燃料電池の発電性能評価試験の試験方法および試験結果について説明する。
【００４４】
図４に、図３に概念的な構成を示した、触媒層２３を高分子電解質膜２２に塗布した触媒層塗布電解質膜２９、ガス拡散層２４、およびセパレータ２６の外観写真を示す。本発明者は、図４に示す触媒層塗布電解質膜２９と、ガス拡散層２４と、セパレータ２６とを、実際に発電性能評価試験に用いた。高分子電解質膜２２には厚さ２５μｍのプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いた。その高分子電解質膜２２を挟むようにアノード・カソード触媒層２３を配したが、両触媒層２３には田中貴金属株式会社製のカーボン担持白金触媒と高分子電解質（イオノマー）とを混合した触媒インクをテフロン(登録商標)・シートに塗布後、高分子電解質膜２２に転写して、触媒層塗布電解質２９とした。また、ガス拡散層２４としては、三菱レイヨン製の厚さ１２０μｍのカーボンペーパーを用いた。上記ガス拡散層２４には、カーボンブラックと低分子量のフッ素樹脂とからなる水管理層２５を塗布して、触媒層塗布電解質膜２９に重ね合わせた。
【００４５】
図５に、発電評価装置３１の系統図を示す。これを、図４に外観写真を示した触媒層塗布電解質膜２９、水管理層２５、塗布ガス拡散層２４、およびセパレータ２６の積層体の発電性能評価試験に用いた。図５の単電池２１のアノード側３２には、水素ボンベ３３から供給された水素を燃料ガス加湿器３４で加湿してから供給した。また、図５の単電池２１のカソード側３５には、空気コンプレッサー３６から供給された空気を酸化剤ガス加湿器３７で加湿してから供給した。燃料ガス、酸化剤ガス共に、露点を４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０，７５，８０，８５℃とした。電流は電子負荷装置３８で制御した。この場合、単電池２１の温度は８０℃とした。
【００４６】
図６および図７に、発電性能評価試験より得られたセル電圧と電流密度との関係を示す。図６は加湿器３４，３７の露点を４０，４５，５０，５５，６０℃としたときの発電性能評価試験結果を示す。同図に示すように、加湿器３４，３７の露点を低下させると高電流密度域でのセル電圧が僅かに低下する傾向にある。図７は加湿器３４，３７の露点を６５，７０，７５，８０，８５℃としたときの発電性能評価試験結果を示す。同図に示すように、発電性能は加湿器３４，３７の露点６５〜８０℃では一定であるが、８５℃では高電流密度域でセル電圧が僅かに低下する傾向にある。
【００４７】
図６および図７の発電性能評価試験結果は、単電池２１の温度８０℃に対して、燃料ガスと酸化剤ガスの入り口部の露点を４０℃以上に保持すれば、発電性能はほとんど変化ないことを示している。逆に、露点を４０℃以下にすると、発電性能が低下する傾向を示している。単電池２１の温度８０℃に対する露点４０℃は、相対湿度で概ね１５％である。なお、湿度測定方法は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８０６：２００１による。
【００４８】
以上の結果は、燃料電池運転雰囲気緩衝器２の空気の出口において、電池部の未反応酸化剤ガスの相対湿度として１５％以上に加湿することが、発電性能を維持するために必要とされることを示している。
【００４９】
すなわち、本実施形態の燃料電池ドローンによれば、上記の如く、燃料電池運転雰囲気緩衝器２を備え、この燃料電池運転雰囲気緩衝器２の空気出口の相対湿度、すなわち、固体高分子形燃料電池の電池部の電池部未反応酸化剤ガス入口４の相対湿度を１５％以上にしたので、イオン伝導性の悪化防止と電池性能が著しく低下することを防止でき、セル電圧を長時間にわたって維持することができる。
【００５０】
なお、本発明に係る燃料電池ドローンに係る構成は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、電池部の形状、構造に係る構成、触媒層塗布電解質膜と水管理層と塗布ガス拡散層とセパレータの積層体の形状、構造に係る構成等について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて、適宜変更である。
【００５１】
(他の実施形態)
また、上記の実施形態を次のように変更して構成することもできる。
例えば、本発明に係る燃料電池ドローンは、他の実施形態として、燃料電池運転雰囲気緩衝器２の多孔質体として、イオン交換膜や中空糸膜を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１          電池部
２          燃料電池運転雰囲気緩衝器
３          未反応酸化剤ガス入口
４          電池部未反応酸化剤ガス入口
５          電池部既反応酸化剤ガス出口
６          既反応酸化剤ガス出口
１１ａ      前面端板
１１ｂ      後面端板
１２ａ      未反応ガスシ−ル材
１２ｂ      既反応ガスシール材
１３        多孔質体
１４        メッシュ
２１        単電池
２２        高分子電解質膜
２３        アノード・カソード触媒層
２４        アノード・カソードガス拡散層
２５        アノード・カソード水管理層
２６        燃料・酸化剤セパレータ
２７        燃料ガス
２８        酸化剤ガス
２９        触媒層塗布電解質膜
３１        発電評価装置
３２        単電池アノード側
３３        水素ボンベ
３４        燃料ガス加湿器
３５        単電池カソード側
３６        コンプレッサー
３７        酸化剤ガス加湿器
３８        電子負荷装置
【図１】
2018181576.tif 000003
【図２】
2018181576.tif 000004
【図３】
2018181576.tif 000005
【図４】
2018181576.tif 000006
【図５】
2018181576.tif 000007
【図６】
2018181576.tif 000008
【図７】
2018181576.tif 000009