JP2018181576A - Fuel cell drone - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a fuel cell driven unmanned airplane (hereinafter referred to as a "fuel cell drone") in which a propeller motor is driven by a fuel cell system.
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。 A fuel cell is a device that converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen and an oxidant such as air. The fuel cell is classified into several types according to the type of electrolyte used. Above all, a solid polymer fuel cell using a polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte has a compact structure and can obtain high output density and can be operated with a simple system. Used as a power source in applications. In particular, polymer electrolyte fuel cells are used as substitutes for internal combustion engines in motor vehicles. In addition, it is used as a power source for home cogeneration systems, supplying electricity and heat to homes to achieve high overall efficiency. Furthermore, the use as a power supply for space and a power supply for unmanned airplanes is also attracting attention.
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。 Non-Patent Document 1 below discloses a fuel cell gun that drives a propeller motor by a fuel cell system. The propeller motor drive power source is a hybrid of battery and fuel cell, enabling flight for a longer time than a battery-only unmanned airplane.
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。 Patent Document 1 below discloses an aerial power supply device for recharging a battery mounted on an electrically propelled airplane, and an airplane equipped with the device. This is to charge the battery on the fly etc. by the electric energy production system mounted on the charging side plane. This air powered vehicle is a device that attempts to double or even triple the relatively short flight times of an electric propelled aircraft. A fuel cell is mentioned as one example of the above-mentioned electric energy production system.
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。 A polymer electrolyte fuel cell comprises a unit cell having a polymer electrolyte membrane held by a pair of gas diffusion electrodes consisting of an anode electrode and a cathode electrode, and a gas having a flow path for supplying a reaction gas to each electrode. Composed of impermeable separators. Then, when a fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode electrode and an oxidant gas such as air is supplied to the cathode electrode, an electromotive force is generated in the unit cell due to an electrochemical reaction. Since the electromotive force of this single cell is as low as at most 1 V, it is usually used as a battery stack in which a plurality of single cells are stacked. As a polymer electrolyte membrane, it has an ion exchange group in the molecule and functions as an ion conductive material by containing water. However, conversely, when the polymer electrolyte membrane is dried, the ion conductivity is deteriorated and the battery performance is significantly reduced. Therefore, various methods for preventing the polymer electrolyte membrane from being dried are taken.
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。 In Patent Document 2 below, in a polymer electrolyte fuel cell, in order to supply water to a polymer electrolyte membrane that requires humidification, a flow passage of fuel gas and / or an oxidation gas and a flow passage of humidification water are provided. A humidifier with a water vapor permeable membrane is proposed to be separated.
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。 Prior to Patent Document 2, the inventor of the present invention proposes the following in Patent Document 3. That is, in the humidifier for the conventional polymer electrolyte fuel cell in which water and reaction gas are allowed to flow on both sides of the water vapor permeable membrane, freezing occurs in the water flow path when the outside air temperature falls below 0 ° C., making power generation difficult In order to avoid the problem, the temperature and humidity are exchanged by bringing the reaction gas which has passed through the cell reaction part into contact with the unreacted gas before passing through the electrode reaction part via the water-retentive porous body. It is proposed to provide a humidity exchange means.
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。 On the other hand, in order to secure the water retentivity of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer that require humidification, the unit cells and the separator may be devised.
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。 The inventor of the present invention, in Patent Document 4, in order to ensure water retention of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, the water between the oxidant catalyst layer and the oxidant gas diffusion layer as disclosed in Patent Document 4 A polymer electrolyte fuel cell with a water management layer is proposed for transfer management. The porous layer for water vapor control of this polymer electrolyte fuel cell has a slope as follows from the gas inlet side to the outlet side in order to make the humidity of the oxidant catalyst layer uniform over the entire cell surface. It is attached. For example, the pore diameter is distributed from the inlet side to the outlet side of the gas, the water repellency and the hydrophilicity are inclined, and the surface tension is inclined.
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。 The polymer electrolyte fuel cell used for the fuel cell drive unmanned airplane of the conventional non-patent document 1 can be operated at a relatively low temperature, and is suitable as a power supply for the unmanned airplane. On the other hand, when a solid polymer fuel cell is used as a power source for an unmanned aerial vehicle, changes in air pressure, outside air temperature, and humidity due to the height of the flight, as compared with the case where it is used as a car power source or a household cogeneration power source. Furthermore, there was a problem that the temperature and weather changes rapidly due to moving at a high speed for a long distance, which greatly affects the battery output and can not ensure stable flight.
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。 In the case of the conventional aerial power supply device of Patent Document 1, it takes time to supply electric energy, it takes a long time to transfer a home delivery, etc., or a network of a charging base becomes necessary. In addition, there was a problem that the transportation price also required a large burden.
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。 In addition, when the solid polymer fuel cell having the humidifying device of the conventional patent document 2 is used as a driving source in an unmanned airplane, the liquid in the humidifying device when the outside temperature of the unmanned airplane drops below 0 ° C. There was a problem that the water freezes.
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。 When the polymer electrolyte fuel cell equipped with the temperature / humidity exchange means of Patent Document 3 proposed by the present inventor is used in an unmanned airplane, there is no freezing of liquid water at 0 ° C. or lower, but changes in weather, changes in air temperature However, in the case of unmanned airplanes where changes in outside air humidity are severe, it may not be possible to completely avoid the impact on power generation performance.
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。 Furthermore, even when using a solid polymer fuel cell in which the porous layer for steam control of Patent Document 4 proposed by the present inventor is inserted between the catalyst layer and the gas diffusion layer in an unmanned airplane, the temperature and humidity are completely exchanged. If the means were removed, there was a possibility that the power generation performance would be degraded when flying in an environment where the humidity of the outside air is low.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and its main purpose is to measure the atmospheric pressure, the outside air temperature and the outside air humidity due to the height of the flight in an unmanned airplane flying in the air using a polymer electrolyte fuel cell as a power source. Buffering changes in the outside air temperature and weather due to changes in movement and long distances at high speeds, and as far as possible for polymer electrolyte fuel cell operating conditions, optimum polymer electrolyte fuel cell operating conditions To provide a fuel cell drone that can be
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。 A fuel cell drone according to the present invention for achieving the above object comprises a fuel cell system and a fuel cell driven drone for driving a propeller motor by the fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises at least a solid body. It has a fuel cell stack (hereinafter, also referred to as a "polymer electrolyte fuel cell") using a polymer membrane as an electrolyte, and a fuel cell operating atmosphere buffer for exchanging temperature and humidity of air flowing through the fuel cell stack. It is characterized by
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。 That is, a fuel cell drag according to the present invention comprises a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell operating atmosphere buffer, supplies atmospheric air to the fuel cell via the fuel cell operating atmosphere buffer, and the fuel cell After the air as the off gas used for the electrode reaction is returned to the fuel cell operating atmosphere buffer, it is released to the atmosphere.
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。 Further, a fuel cell drown according to the present invention includes the fuel cell operating atmosphere buffer, and the relative humidity of the air outlet of the fuel cell operating atmosphere buffer, that is, the oxidant gas inlet of the solid polymer fuel cell. It is characterized in that the relative humidity is 15% or more.
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。 In addition, the fuel cell drone according to the present invention is provided with the fuel cell operating atmosphere buffer, and has a porous structure which retains the unreacted gas which has passed through the fuel cell reaction and the unreacted gas before passing through the fuel cell reaction part. It is characterized by the exchange of temperature and humidity through the body.
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。 According to the fuel cell drag of the present invention, since the above configuration is adopted, the operating condition of the polymer electrolyte fuel cell can be made as close as possible to the optimal operating condition.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(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。
(First embodiment)
The fuel cell drone according to the present embodiment is a fuel cell driven drone that mounts a fuel cell system and drives a propeller motor by the fuel cell system. A drone is an airplane, a rotorcraft, a glider, an airship or other equipment that can be used for aviation, among which structurally inaccessible to humans, can be made to fly by remote control or autopilot. It is possible.
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。 Here, the term “structurally incapable of riding” refers to those that are judged to correspond to this by confirming the general size and potential of the device, including the structure and performance. . Further, the remote control means performing operation such as lifting in the air, hovering, level flight, lowering, etc., utilizing a control device such as a propo. Furthermore, the term "autopilot" refers to self-propelled steering by a program incorporated in the device.
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。 The fuel cell system mounted on the fuel cell draw includes at least a fuel cell stack and a fuel cell operating atmosphere buffer. The components other than the fuel cell system of the fuel cell drone, for example, a propeller, a motor for a propeller, and other components may be known ones, and the description thereof is omitted here.
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。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the first embodiment of the fuel cell system. In the present embodiment, temperature / humidity exchange of air which is an oxidant gas, that is, an example in which the operating atmosphere of the fuel cell is buffered is shown. That is, as shown in FIG. 1, the fuel cell system for a fuel cell drone of this embodiment is a system using a polymer electrolyte fuel cell, and a cell unit 1 having a fuel cell stack, and a fuel cell operating atmosphere The shock absorber 2 is comprised.
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。 As shown in FIG. 1, the battery unit 1 is a battery unit unreacted oxidant gas for introducing unreacted air, which is an oxidant gas, into the battery unit 1 on the bonding surface with the fuel cell operating atmosphere buffer 2. An inlet 4 and a battery unit pre-reacted oxidant gas outlet 5 for discharging the already reacted oxidant gas from the battery unit 1 are provided.
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。 The fuel cell operating atmosphere buffer 2 is provided with a front end plate 7a on its front surface and a rear end plate 7b on its rear surface. In the front end plate 7a of the fuel cell operating atmosphere buffer 2, an unreacted oxidant gas inlet 3 for introducing unreacted air, which is an oxidant gas, into the fuel cell operating atmosphere buffer 2, and an already reacted oxidant It has an already reacted oxidant gas outlet 6 for discharging the gas from the fuel cell operating atmosphere buffer 2.
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。 The air that has passed through the fuel cell operating atmosphere buffer 2 via the unreacted oxidant gas inlet 3 is supplied to the battery unit 1 via the unreacted unreacted oxidant gas inlet 4 as the oxidant unreacted gas. In addition, the oxidant-reacted gas used for the reaction in the battery unit 1 passes through the fuel cell operating atmosphere buffer 2 again through the battery unit-reacted oxidant gas outlet 5, and then the reacted oxidant gas is It is released to the atmosphere from the outlet 6.
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。 That is, in the battery unit 1 and the fuel cell operating atmosphere buffer 2 of FIG. 1, an oxidant gas such as air is taken in from the unreacted oxidant gas inlet 3 of the fuel cell operating atmosphere buffer 2, and the fuel cell operating atmosphere buffer After being heated and humidified by the vessel 2, it is taken into the battery unit 1 from the battery unit unreacted oxidant gas inlet 4. The already reacted oxidant gas used for the cell reaction in the cell unit 1 is taken into the fuel cell operating atmosphere buffer 2 from the cell unit already reacted oxidant gas outlet 5, and unreacted oxidation occurs in the fuel cell operating atmosphere buffer 2. After exchanging the temperature and humidity with the agent gas, it is released to the atmosphere from the already reacted oxidant gas outlet 6.
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。 FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the fuel cell operating atmosphere buffer 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the fuel cell operating atmosphere buffer 2 alternately laminates the water retaining porous body 13 and the mesh 14 between the front end plate 11a and the rear end plate 11b, and The surrounding is sealed from the atmosphere by the unreacted gas seal material 12a and the reacted gas seal material 12b. The fuel cell operating atmosphere buffer 2 functions as a temperature / humidity exchange laminate.
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。 The front end plate 11 a in FIG. 2 corresponds to the front end plate 7 a in FIG. 1. Further, the end plate 11 b on the rear surface in FIG. 2 corresponds to the rear end plate 7 b in FIG. 1.
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。 According to the fuel cell drag of the present embodiment, as described above, since the fuel cell system is composed of the cell unit 1 having the fuel cell stack and the fuel cell operating atmosphere buffer 2, the polymer electrolyte fuel In an unmanned airplane flying in the air using batteries as a power source, it is a solid that buffers changes in air pressure, outside air temperature, outside air humidity due to the height of the flight, and outside air temperature and weather changes due to high-speed movement over long distances. The operating conditions of the polymer fuel cell can be made as close as possible to the optimum operating conditions of the polymer electrolyte fuel cell.
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。 Further, according to the fuel cell drag of the present embodiment, the temperature and humidity exchange between the unreacted oxidant gas of the fuel cell operating atmosphere buffer 2 and the reacted oxidant gas is carried out through the porous body 13, so that the fuel The battery operating atmosphere buffer 2 functions as a temperature-humidity exchange laminate, and can prevent the deterioration of ion conductivity and the remarkable deterioration of the battery performance.
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。 The configuration according to the fuel cell draw of the present invention is not limited to the above embodiment, and the configuration of the fuel cell draw, the configuration according to the structure, the configuration of the fuel cell system, the configuration according to the structure, etc. It can be suitably changed as needed in the range which does not deviate from the meaning of the present invention.
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。 For example, the fuel cell system of the fuel cell drone according to the present invention is not limited to the one including the battery unit and the fuel cell operating atmosphere buffer as in the above embodiment, and has other configurations. Etc.
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。 Further, the fuel cell operating atmosphere buffer can be configured such that, for example, the fuel gas, the cooling medium and the like can be supplied to the battery unit through the fuel cell operating atmosphere buffer. The structure which concerns on another shape and structure can employ | adopt a well-known thing, and the structure which concerns on what kind of shape and structure may be sufficient.
(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。
Second Embodiment
Next, with reference to FIG. 3, the fuel cell drone of the second embodiment will be described. In addition, about the part same as 1st embodiment or respond | corresponding, the same code | symbol is attached | subjected, the description is abbreviate | omitted, and only a different part is demonstrated.
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。 In the fuel cell drone according to the second embodiment of the present invention, the relative humidity at the oxidant gas inlet of the battery unit is humidified to 15% or more at the air outlet of the fuel cell operating atmosphere buffer 2 of the first embodiment. It is characterized by In order to determine the degree of the relative humidity, the inventor prepared a single cell 21 of the polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment and carried out a power generation test.
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。 FIG. 3 conceptually shows the structure of the unit cell 21 of the polymer electrolyte fuel cell used in the power generation performance evaluation test. The unit cell 21 has a polymer electrolyte membrane 22 at its center, sandwiched by both catalyst layers 23 of the anode and cathode, and further sandwiched by both gas diffusion layers 24 of the anode and cathode. A water management layer 25 is inserted between the catalyst layer 23 and the gas diffusion layer 24 for both the anode and the cathode. Separators 26 are disposed on both sides of the unit cell 21 consisting of the polymer electrolyte membrane 22, the catalyst layer 23, the gas diffusion layer 24, and the water management layer 25, and the fuel gas 27 is introduced into the groove on the anode side of the separator 26. By flowing the oxidant gas 28 through the grooves, the electricity is taken out.
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。 Next, the power generation performance evaluation test of the polymer electrolyte fuel cell was carried out to determine the relative humidity at the cell portion unreacted oxidant gas inlet 4 (see FIG. 1) of the cell portion of the second embodiment. Test methods and test results will be described.
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。 FIG. 4 shows an external appearance photograph of the catalyst layer-coated electrolyte membrane 29, the gas diffusion layer 24, and the separator 26 in which the catalyst layer 23 is coated on the polymer electrolyte membrane 22 whose conceptual configuration is shown in FIG. The inventor actually used the catalyst layer-coated electrolyte membrane 29 shown in FIG. 4, the gas diffusion layer 24, and the separator 26 in the power generation performance evaluation test. As the polymer electrolyte membrane 22, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane which is a proton exchange membrane with a thickness of 25 μm was used. The anode and cathode catalyst layers 23 were disposed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane 22, but both catalyst layers 23 were catalyst inks in which a carbon-supported platinum catalyst manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. and a polymer electrolyte (ionomer) were mixed. The solution was applied to a Teflon (registered trademark) sheet and transferred to a polymer electrolyte membrane 22 to obtain a catalyst layer-coated electrolyte 29. Further, as the gas diffusion layer 24, carbon paper made of Mitsubishi Rayon with a thickness of 120 μm was used. A water management layer 25 composed of carbon black and a low molecular weight fluorocarbon resin was applied to the gas diffusion layer 24, and the water management layer 25 was overlaid on the catalyst layer-coated electrolyte membrane 29.
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。 A system diagram of the power generation evaluation device 31 is shown in FIG. This was used for the power generation performance evaluation test of the laminate of the catalyst layer-coated electrolyte membrane 29, the water management layer 25, the coating gas diffusion layer 24, and the separator 26 whose appearance is shown in FIG. The hydrogen supplied from the hydrogen cylinder 33 was humidified by the fuel gas humidifier 34 and then supplied to the anode side 32 of the unit cell 21 of FIG. 5. Further, the air supplied from the air compressor 36 was humidified by the oxidant gas humidifier 37 and then supplied to the cathode side 35 of the unit cell 21 of FIG. 5. The dew points of the fuel gas and the oxidant gas are 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, and 85 ° C. The current was controlled by the electronic load device 38. In this case, the temperature of the unit cell 21 was 80.degree.
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。 6 and 7 show the relationship between the cell voltage and the current density obtained from the power generation performance evaluation test. FIG. 6 shows the results of the power generation performance evaluation test when the dew points of the humidifiers 34 and 37 are 40, 45, 50, 55 and 60.degree. As shown in the figure, when the dew points of the humidifiers 34 and 37 are lowered, the cell voltage in the high current density region tends to slightly decrease. FIG. 7 shows the results of the power generation performance evaluation test when the dew points of the humidifiers 34 and 37 are 65, 70, 75, 80 and 85.degree. As shown in the figure, the power generation performance is constant at the dew point of 65 to 80 ° C. of the humidifiers 34 and 37, but at 85 ° C., the cell voltage tends to slightly decrease in the high current density region.
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。 The power generation performance evaluation test results in FIGS. 6 and 7 show that the power generation performance hardly changes if the dew point at the inlet of the fuel gas and the oxidant gas is maintained at 40 ° C. or higher for the temperature 80 ° C. of the unit cell 21 It is shown that. Conversely, when the dew point is set to 40 ° C. or less, the power generation performance tends to decrease. The dew point 40 ° C. to the temperature 80 ° C. of the unit cell 21 is approximately 15% in relative humidity. The humidity measurement method is in accordance with JIS Z 8806: 2001.
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。 The above results are required to maintain power generation performance by humidifying the relative humidity of the unreacted oxidant gas of the battery unit to 15% or more at the air outlet of the fuel cell operating atmosphere buffer 2. It is shown that.
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。 That is, according to the fuel cell drag of the present embodiment, as described above, the fuel cell operating atmosphere buffer 2 is provided, and the relative humidity of the air outlet of the fuel cell operating atmosphere buffer 2, that is, the polymer electrolyte fuel cell Since the relative humidity of the battery portion unreacted oxidant gas inlet 4 of the battery portion is 15% or more, it is possible to prevent the deterioration of the ion conductivity and to significantly reduce the battery performance, and maintain the cell voltage for a long time be able to.
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。 The configuration according to the fuel cell drag according to the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the configuration of the battery unit, the configuration according to the structure, the catalyst layer coating electrolyte membrane, the water management layer and the coating gas The configuration of the layered structure of the diffusion layer and the separator, the configuration of the structure, and the like may be changed as appropriate without departing from the scope of the present invention.
(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。
(Other embodiments)
Further, the above embodiment can be modified as follows.
For example, as another embodiment of the fuel cell drag according to the present invention, an ion exchange membrane or a hollow fiber membrane may be used as a porous body of the fuel cell operating atmosphere buffer 2.
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
Reference Signs List 1 battery unit 2 fuel cell operating atmosphere buffer 3 unreacted oxidant gas inlet 4 battery unit unreacted oxidant gas inlet 5 battery unit reacted oxidant gas outlet 6 reacted oxidant gas outlet 11 a front end plate 11 b rear end plate 12a Unreacted gas seal material 12b Reacted gas seal material 13 porous body 14 mesh 21 single cell 22 polymer electrolyte membrane 23 anode cathode catalyst layer 24 anode cathode gas diffusion layer 25 anode cathode water management layer 26 fuel Oxidant separator 27 Fuel gas 28 Oxidant gas 29 Catalyst layer coated electrolyte membrane 31 Power generation evaluation device 32 Single cell anode side 33 Hydrogen cylinder 34 Fuel gas humidifier 35 Single cell cathode side 36 Compressor 37 Oxidant gas humidifier 38 Electronic load device
Claims (3)
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。 In a fuel cell driven drone equipped with a fuel cell system and driving a propeller motor by the fuel cell system,
The fuel cell system comprises a fuel cell stack having at least a solid polymer membrane as an electrolyte, and a fuel cell operating atmosphere buffer for exchanging temperature and humidity of air flowing through the fuel cell stack. Drone.
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