JP7435535B2 - 飛行体 - Google Patents
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Description
本開示は飛行体に関する。
特許文献１には燃料電池システムにおいて、水素循環系における水素循環ポンプと空気供給系におけるエアコンプレッサとを同一の駆動モータで駆動する構成が開示されている。また特許文献２には燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ（冷却媒体供給装置）とエアコンプレッサとが同軸上に配置されていることが開示されている。
燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体には、水素、冷却水、空気等の各種流体を流動させるためのポンプやコンプレッサを要し、これを駆動するために駆動手段（モータやインバータ）が多数配置されている。一方、飛行体はその性質上他の輸送機器に比べて軽量であることがさらに重要であり、かかる観点から駆動手段による重量を軽減させたい。
そこで本開示は、駆動手段の数を減らすことで軽量化された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、プロペラを駆動するモータを備える飛行体であって、燃料電池を冷却するための冷却水を循環させるポンプを有し、ポンプは、プロペラを駆動するモータにより駆動する、飛行体を開示する。
さらに燃料電池に空気を供給するコンプレッサを備え、コンプレッサはプロペラを駆動するモータとは異なる他の駆動手段により駆動するように構成してもよい。
さらに燃料電池に水素を供給するポンプを備え、水素を供給するポンプは、コンプレッサを駆動する他の駆動手段により駆動するように構成してもよい。
本開示の飛行体によれば、プロペラを駆動するモータにより他の機器を合わせて駆動することで当該他の機器のための駆動手段を要しないため軽量化が可能となる。
１．第１形態
図１～図３には第１形態にかかる例であり、燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体（航空機１）の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１０を発電させるための構成を模式的に表した図、図３は各構成の関係を模式的に表した図である。
図１～図３には第１形態にかかる例であり、燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体（航空機１）の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１０を発電させるための構成を模式的に表した図、図３は各構成の関係を模式的に表した図である。
１．１．外観
図１からわかるように、本形態の飛行体（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（航空機１）を操縦するための操縦部３が設けられている。また、本形態の飛行体（航空機１）には飛行体（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５が具備されている。
図１からわかるように、本形態の飛行体（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（航空機１）を操縦するための操縦部３が設けられている。また、本形態の飛行体（航空機１）には飛行体（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５が具備されている。
なお、ここでは説明のための飛行体の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、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。
１．２．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がプロペラを駆動するモータ５０に電気的に接続され、このプロペラを駆動するモータ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。
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がプロペラを駆動するモータ５０に電気的に接続され、このプロペラを駆動するモータ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。
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。
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。
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。
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。
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及び冷却水ポンプ４１は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ５０ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により共通のモータ（プロペラ・冷却水ポンプ用モータ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て、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。
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及び冷却水ポンプ４１は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ５０ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により共通のモータ（プロペラ・冷却水ポンプ用モータ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て、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コンバータ６１及び／又はインバータ２３ａ、３１ａ、５０ａを介してエアコンプレッサ用モータ３１ｂ、プロペラ・冷却水ポンプ用モータ５０、水素ポンプ用モータ２３ｂのそれぞれに電気的に接続され駆動できるように構成されている。
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。
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。
このような構成によれば、少なくとも冷却水を循環させるポンプ専用の駆動手段（冷却水ポンプ専用のモータ、インバータ）を無くすことができる。これにより飛行体を構成するための構成部材を減らすことができ飛行体の軽量化を図ることが可能となる。
プロペラを駆動するモータと冷却水ポンプを駆動するモータとを共通化できることは、冷却水は温度変化が緩やかでよく、早い応答性を必要としないことから、プロペラの回転に連動させて冷却水を循環させれば足りることによる。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、これに連動させる冷却水も止まる機会が少なくなり、上記のように構成してもよい。例えば自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返すため、モータが止まっている機会が多く、そのたびに冷却水も停止すると冷却の不具合が生じる可能性がある。
プロペラを駆動するモータと冷却水ポンプを駆動するモータとを共通化できることは、冷却水は温度変化が緩やかでよく、早い応答性を必要としないことから、プロペラの回転に連動させて冷却水を循環させれば足りることによる。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、これに連動させる冷却水も止まる機会が少なくなり、上記のように構成してもよい。例えば自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返すため、モータが止まっている機会が多く、そのたびに冷却水も停止すると冷却の不具合が生じる可能性がある。
また、本形態のように、燃料電池に空気を供給するコンプレッサを駆動する手段は、プロペラを駆動する手段（インバータ５０ａ、プロペラ・冷却水ポンプ用モータ５０）とは異なる他の駆動手段（インバータ３１ａ、エアコンプレッサ用モータ３１ｂ）により駆動することが好ましい。これによりプロペラ４の駆動に独立して燃料電池１０に発電のための空気を供給することができ、プロペラ４の駆動を応答性良く円滑に燃料電池１０による電力に切り替えることができる。
２．第２形態
図４には第２形態にかかる例であり、燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体（航空機１）の構成を説明する図を示した。図４は図３に相当する図であり、各構成の関係を模式的に表した図である。第２の形態は、航空機１の外観（図１）、燃料電池１０を発電するための構成（図２）については上記した第１の形態と同様に考えることができるため説明を省略する。従ってここでは第２形態における発電による駆動について説明する。
図４には第２形態にかかる例であり、燃料電池を飛行の動力源として用いる飛行体（航空機１）の構成を説明する図を示した。図４は図３に相当する図であり、各構成の関係を模式的に表した図である。第２の形態は、航空機１の外観（図１）、燃料電池１０を発電するための構成（図２）については上記した第１の形態と同様に考えることができるため説明を省略する。従ってここでは第２形態における発電による駆動について説明する。
プロペラ４及び冷却水ポンプ４１は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ５０ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により共通のモータ（プロペラ・冷却水ポンプ用モータ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て、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及び水素ポンプ２３は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ１３１ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により共通のモータ（エアコンプレッサ・水素ポンプ用モータ１３１ｂ）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。
エアコンプレッサ３１及び水素ポンプ２３は、燃料電池用コンバータ１０ａ及びインバータ１３１ａを介して、燃料電池１０で発電された電力により共通のモータ（エアコンプレッサ・水素ポンプ用モータ１３１ｂ）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コンバータ６１及びインバータ１３１ａ、５０ａを介してエアコンプレッサ・水素ポンプ用モータ３１ｂ、プロペラ・冷却水ポンプ用モータ５０のそれぞれに電気的に接続され駆動できるように構成されている。
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。
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。
このような構成によれば、冷却水を循環させるポンプ専用の駆動手段（冷却水ポンプ専用のモータ、インバータ）を無くすことができる。これにより飛行体を構成するための構成部材を減らすことができ飛行体の軽量化を図ることが可能となる。
プロペラを駆動するモータと冷却水ポンプを駆動するモータとを共通化できることは、冷却水は温度変化が緩やかでよく、早い応答性を必要としないことから、プロペラの回転に連動させて冷却水を循環させれば足りることによる。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、これに連動させる冷却水も止まる機会が少なくなり、上記のように構成してもよい。例えば自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返すため、モータが止まっている機会が多く、そのたびに冷却水も停止すると冷却の不具合が生じる可能性がある。
プロペラを駆動するモータと冷却水ポンプを駆動するモータとを共通化できることは、冷却水は温度変化が緩やかでよく、早い応答性を必要としないことから、プロペラの回転に連動させて冷却水を循環させれば足りることによる。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、これに連動させる冷却水も止まる機会が少なくなり、上記のように構成してもよい。例えば自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返すため、モータが止まっている機会が多く、そのたびに冷却水も停止すると冷却の不具合が生じる可能性がある。
さらに、本形態では、燃料電池への水素の供給の駆動手段（インバータ、モータ）と空気の供給の駆動手段（インバータ、モータ）との共有化ができるためさらに軽量化に寄与する。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、空気と水素とを連動させることが効果的である。一方、自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返し、燃料電池はモータの停止中には空気の供給を止めてもよいが水素の供給は停止できないため、空気の提供と水素の提供とを連動させることが難しい。
飛行体は飛行の開始から終了までの間プロペラが止まる機会が少ないため、空気と水素とを連動させることが効果的である。一方、自動車の場合には出発地から目的地までの間に移動と停止を繰り返し、燃料電池はモータの停止中には空気の供給を止めてもよいが水素の供給は停止できないため、空気の提供と水素の提供とを連動させることが難しい。
１ 航空機（飛行体）
２ 本体
３ 操縦部
４ プロペラ
５ 脚
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 エアコンプレッサ
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・冷却水ポンプ用モータ
１３１ｂ エアコンプレッサ・水素ポンプ用モータ
２ 本体
３ 操縦部
４ プロペラ
５ 脚
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 エアコンプレッサ
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・冷却水ポンプ用モータ
１３１ｂ エアコンプレッサ・水素ポンプ用モータ
Claims (3)
- 燃料電池、及び、プロペラを駆動するモータを備える飛行体であって、
前記燃料電池を冷却するための冷却水を循環させるポンプを有し、
前記ポンプは、前記プロペラを駆動するモータにより駆動する、
飛行体。 - さらに前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサを備え、
前記コンプレッサは前記プロペラを駆動するモータとは異なる他の駆動手段により駆動する、請求項１に記載の飛行体。 - さらに燃料電池に水素を供給するポンプを備え、
前記水素を供給する前記ポンプは、前記コンプレッサを駆動する前記他の駆動手段により駆動する、請求項２に記載の飛行体。
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