燃料电池系统和飞行器的制作方法

1.本公开涉及燃料电池系统和飞行器。


背景技术：

2.燃料电池(fc)是由一个单电池(以下，存在记载为单元的情况)或者将多个单电池层叠而成的燃料电池组(以下，存在仅记载为电池组的情况)构成并通过氢等燃料气体与氧等氧化剂气体的电化学反应而取出电能量的发电装置。此外，实际上向燃料电池供给的燃料气体和氧化剂气体多数情况下是与无助于氧化
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还原的气体的混合物。特别是氧化剂气体是包含氧的空气的情况较多。
3.此外，以下，也存在不特别地区别燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或者“气体”的情况。另外，存在将单电池、和层叠单电池而成的燃料电池组都称为燃料电池的情况。
4.对燃料电池进行了各种研究。
5.例如在专利文献1中公开有搭载了燃料电池的飞行器。
6.专利文献1：日本特开2017-081559号公报
7.对搭载于飞行器的燃料电池系统的自我诊断功能(机载诊断功能(obd))进行了研究。
8.对于燃料电池而言，若燃料气体的供给量不足，则催化剂发生反应，存在燃料电池的电位变为逆转电位的情况。
9.当在飞行器的飞行中因燃料气体向燃料电池的供给量不足等而燃料电池的电位变为了逆转电位的情况下，需要进行限制燃料电池的输出等动作，从而飞行器的飞行变得不稳定。


技术实现要素：

10.本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种即使在飞行器的飞行中燃料电池的发电产生了异常的情况下也能够使燃料电池的输出稳定持续规定的时间，从而能够延长飞行器可以稳定地飞行的时间的燃料电池系统。
11.本公开的燃料电池系统是飞行器用的燃料电池系统，其特征在于，上述燃料电池系统具有：燃料电池；燃料气体系统，向上述燃料电池供给燃料气体；电位传感器；以及控制部，上述燃料气体系统具有燃料气体供给部，上述控制部判定上述电位传感器测量出的上述燃料电池的电位是否是逆转电位，在判定为上述燃料电池的电位是逆转电位时，上述控制部使上述燃料气体从上述燃料气体供给部向上述燃料电池的供给量增大。
12.也可以构成为：在本公开的燃料电池系统的基础上，上述控制部监视上述燃料电池的电位，并且记录上述燃料电池的电位为逆转电位的状态的累计时间，在判定为上述燃料电池的电位是逆转电位时，上述控制部判定上述累计时间是否不足规定的时间，在判定为上述累计时间不足规定的时间时，上述控制部使上述燃料气体从上述燃料气体供给部向
上述燃料电池的供给量增大。
13.本公开的飞行器具备上述燃料电池系统。
14.根据本公开的燃料电池系统，即使在飞行器的飞行中燃料电池的发电产生了异常的情况下，也能够使燃料电池的输出稳定持续规定的时间，从而能够延长飞行器可以稳定地飞行的时间。
附图说明
15.图1是表示本公开的燃料电池系统的一个例子的简要结构图。
16.图2是表示本公开的燃料电池系统的控制的一个例子的流程图。
17.图3是表示本公开的燃料电池系统的控制的另一个例子的流程图。
18.附图标记说明
19.10
…
燃料电池；20
…
燃料气体供给部；21
…
燃料气体供给流路；22
…
燃料废气排出流路；23
…
排气排水阀；24
…
气液分离器；25
…
循环流路；26
…
推出器；50
…
控制部；60
…
电位传感器；100
…
燃料电池系统。
具体实施方式
20.本公开的燃料电池系统是飞行器用的燃料电池系统，其特征在于，上述燃料电池系统具有：燃料电池；燃料气体系统，向上述燃料电池供给燃料气体；电位传感器；以及控制部，上述燃料气体系统具有燃料气体供给部，上述控制部判定上述电位传感器测量出的上述燃料电池的电位是否是逆转电位，在判定为上述燃料电池的电位是逆转电位时，上述控制部使上述燃料气体从上述燃料气体供给部向上述燃料电池的供给量增大。
21.在本公开中，将燃料气体和氧化剂气体统称为反应气体。向阳极供给的反应气体是燃料气体，向阴极供给的反应气体是氧化剂气体。燃料气体是主要含有氢的气体，也可以是氢。氧化剂气体也可以是氧、空气、干燥空气等。
22.本公开的燃料电池系统搭载于飞行器来使用。
23.另外，本公开的燃料电池系统也可以搭载于即使通过二次电池的电力也能够飞行的飞行器来使用。
24.本公开的飞行器也可以是航空器。航空器也可以是飞机、垂直起降飞机等。垂直起降飞机也可以是直升机、无人机等。
25.飞行器也可以具备本公开的燃料电池系统。
26.本公开的燃料电池系统具备燃料电池。
27.燃料电池可以仅具有一个单电池，也可以是作为将多个单电池层叠而成的层叠体的燃料电池组。
28.单电池的层叠数并不特别地限定，例如，可以是2～数百个，也可以是2～600个。
29.燃料电池组也可以在单电池的层叠方向的两端具备端板。
30.燃料电池的单电池至少具备膜电极气体扩散层接合体。
31.膜电极气体扩散层接合体依次具有阳极侧气体扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层以及阴极侧气体扩散层。
32.阴极(氧化剂极)包括阴极催化剂层和阴极侧气体扩散层。
33.阳极(燃料极)包括阳极催化剂层和阳极侧气体扩散层。
34.将阴极催化剂层和阳极催化剂层统称为催化剂层。另外，作为阳极催化剂和阴极催化剂，例如能够举出pt(铂)、ru(钌)等，作为担载催化剂的母材和导电材料，例如能够举出碳等碳材料等。
35.将阴极侧气体扩散层和阳极侧气体扩散层统称为气体扩散层。
36.气体扩散层也可以是具有透气性的导电性部件等。
37.作为导电性部件，例如能够举出碳布和碳纸等碳多孔体、和金属网及发泡金属等金属多孔体等。
38.电解质膜也可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如能够举出包含水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜、和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如，也可以是全氟磺酸膜(杜邦公司制)等。
39.根据需要，单电池也可以具备夹持膜电极气体扩散层接合体的两面的两片隔离件。两片隔离件的一方是阳极侧隔离件，另一方是阴极侧隔离件。在本公开中，将阳极侧隔离件和阴极侧隔离件统称为隔离件。
40.隔离件也可以具有用于使反应气体和制冷剂向单电池的层叠方向流通的供给孔和排出孔。作为制冷剂，为了防止低温时的冻结，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。
41.供给孔能够举出燃料气体供给孔、氧化剂气体供给孔以及制冷剂供给孔等。
42.排出孔能够举出燃料气体排出孔、氧化剂气体排出孔以及制冷剂排出孔等。
43.隔离件可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔。
44.隔离件也可以在与气体扩散层接触的面具有反应气体流路。另外，隔离件也可以在与和气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有用于将燃料电池的温度保持恒定的制冷剂流路。
45.在隔离件是阳极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阳极侧隔离件可以在与阳极侧气体扩散层接触的面具有使燃料气体从燃料气体供给孔向燃料气体排出孔流动的燃料气体流路，也可以在与和阳极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
46.在隔离件是阴极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阴极侧隔离件可以在与阴极侧气体扩散层接触的面具有使氧化剂气体从氧化剂气体供给孔向氧化剂气体排出孔流动的氧化剂气体流路，也可以在与和阴极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
47.隔离件也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如也可以是将碳压缩而成为不透气的致密质碳、和冲压成型的金属(例如，铁、铝以及不锈钢等)板等。另外，隔
离件也可以具备集电功能。
48.燃料电池也可以具有各供给孔连通的入口歧管、和各排出孔连通的出口歧管等歧管。
49.入口歧管能够举出阳极入口歧管、阴极入口歧管以及制冷剂入口歧管等。
50.出口歧管能够举出阳极出口歧管、阴极出口歧管以及制冷剂出口歧管等。
51.燃料电池系统具备电位传感器。
52.电位传感器测定燃料电池的电位。电位可以是阴极电位，也可以是阳极电位。
53.电位传感器与控制部电连接，控制部探测由电位传感器测定出的燃料电池的电位。
54.电位传感器能够使用以往公知的电位计等。
55.燃料电池系统具备燃料气体系统。
56.燃料气体系统向燃料电池供给燃料气体。
57.燃料气体系统具有燃料气体供给部。
58.燃料气体系统也可以还具备燃料气体供给流路、推出器、循环流路、气液分离器、燃料废气排出流路以及排气排水阀。
59.燃料气体供给部将燃料气体向燃料电池的阳极供给。
60.作为燃料气体供给部，例如能够举出燃料罐等，具体而言能够举出液体氢罐、压缩氢罐等。
61.燃料气体供给部与控制部电连接。燃料气体供给部也可以构成为：根据来自控制部的控制信号，控制燃料气体供给部的主截止阀的开闭，由此控制燃料气体向燃料电池的供给的通断。
62.燃料气体供给流路将燃料气体供给部与燃料电池的燃料气体入口连接。燃料气体供给流路使燃料气体向燃料电池的阳极的供给成为可能。燃料气体入口也可以是燃料气体供给孔、阳极入口歧管等。
63.也可以在燃料气体供给流路配置有推出器。
64.推出器例如也可以配置于燃料气体供给流路上的与循环流路的合流部。推出器将包含燃料气体和循环气体在内的混合气体向燃料电池的阳极供给。作为推出器，能够采用以往公知的推出器。
65.也可以在燃料气体供给流路的燃料气体供给部与推出器之间的区域配置有调压阀和中压氢传感器。
66.调压阀调节从燃料气体供给部向推出器供给的燃料气体的压力。
67.也可以构成为：调压阀与控制部电连接，由控制部控制调压阀的开闭和开度等，由此调整向推出器供给的燃料气体的压力。
68.也可以构成为：中压氢传感器与控制部电连接，控制部探测由中压氢传感器测定出的燃料气体的压力，并根据探测出的压力来控制调压阀的开闭和开度等，由此调整向推出器供给的燃料气体的压力。
69.燃料废气排出流路将燃料电池的燃料气体出口与燃料电池系统的外部连接。
70.也可以在燃料废气排出流路的燃料气体出口与燃料电池系统的外部之间的区域配置有气液分离器。
71.燃料废气排出流路也可以从循环流路经由气液分离器分支。
72.燃料废气排出流路将从燃料电池的燃料气体出口排出的燃料废气向燃料电池系统的外部排出。燃料气体出口也可以是燃料气体排出孔、阳极出口歧管等。
73.排气排水阀(燃料废气排出阀)也可以配置于燃料废气排出流路。排气排水阀配置于燃料废气排出流路的比气液分离器靠下游的位置。
74.排气排水阀能够将燃料废气和水分等向外部(系统外)排出。
75.此外，外部可以是燃料电池系统的外部，也可以是飞行器的外部。
76.也可以构成为：排气排水阀与控制部电连接，由控制部控制排气排水阀的开闭，由此调整燃料废气向外部的排出流量和水分(液体水)的排水流量。另外，也可以通过调整排气排水阀的开度来调整向燃料电池的阳极供给的燃料气体压力(阳极压力)。
77.燃料废气也可以包含在阳极未发生反应而直接通过的燃料气体、和在阴极生成的生成水到达阳极的水分等。燃料废气存在包含在催化剂层和电解质膜等生成的腐蚀物质、和也可以在扫气时向阳极供给的氧化剂气体等的情况。
78.循环流路也可以将燃料电池的燃料气体出口与推出器连接。
79.也可以构成为：循环流路从燃料废气排出流路分支，通过与配置于燃料气体供给流路的推出器连接而与燃料气体供给流路合流。
80.也可以构成为：循环流路从燃料废气排出流路经由气液分离器分支，通过与配置于燃料气体供给流路的推出器连接而与燃料气体供给流路合流。
81.循环流路能够回收作为从燃料电池的燃料气体出口排出的燃料气体的燃料废气，并将其作为循环气体向燃料电池供给。
82.也可以在循环流路配置有气体循环泵。气体循环泵使燃料废气作为循环气体循环。也可以构成为：气体循环泵与控制部电连接，由控制部控制气体循环泵的驱动的开启
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关闭和转速等，由此调整循环气体的流量。
83.也可以在循环流路配置有气液分离器(阳极气液分离器)。
84.气液分离器也可以配置于燃料废气排出流路与循环流路的分支点。
85.因此，从燃料气体出口到气液分离器的流路可以是燃料废气排出流路，也可以是循环流路。
86.气液分离器配置于燃料废气排出流路的比排气排水阀靠上游的位置。
87.气液分离器将作为从燃料气体出口排出的燃料气体的燃料废气与水分(液体水)分离。由此，可以使燃料废气作为循环气体返回至循环流路，也可以将燃料废气排出流路的排气排水阀开阀而将不必要的气体和水分等向外部排出。另外，通过气液分离器，能够抑制多余的水分在循环流路流动，因此能够抑制由该水分引起的循环泵等的冻结的产生。
88.燃料电池系统也可以具备氧化剂气体系统。
89.氧化剂气体系统也可以具备氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给流路、氧化剂废气排出流路、氧化剂气体旁通流路、旁通阀以及氧化剂气体流量传感器等。
90.氧化剂气体供给部向燃料电池供给氧化剂气体。具体而言，氧化剂气体供给部向燃料电池的阴极供给氧化剂气体。
91.作为氧化剂气体供给部，例如能够使用空气压缩机等。
92.氧化剂气体供给部与控制部电连接。根据来自控制部的控制信号来驱动氧化剂气
体供给部。氧化剂气体供给部也可以被控制部控制从由从氧化剂气体供给部向阴极供给的氧化剂气体的流量和压力构成的群中选出的至少一个。
93.氧化剂气体供给流路将氧化剂气体供给部与燃料电池的氧化剂气体入口连接。氧化剂气体供给流路使氧化剂气体从氧化剂气体供给部向燃料电池的阴极的供给成为可能。氧化剂气体入口也可以是氧化剂气体供给孔、阴极入口歧管等。
94.氧化剂废气排出流路与燃料电池的氧化剂气体出口连接。氧化剂废气排出流路使作为从燃料电池的阴极排出的氧化剂气体的氧化剂废气向外部的排出成为可能。氧化剂气体出口也可以是氧化剂气体排出孔、阴极出口歧管等。
95.也可以在氧化剂废气排出流路设置有氧化剂气体压力调整阀。
96.氧化剂气体压力调整阀与控制部电连接，通过控制部将氧化剂气体压力调整阀开阀，由此将作为反应完毕的氧化剂气体的氧化剂废气从氧化剂废气排出流路向外部排出。另外，也可以通过调整氧化剂气体压力调整阀的开度来调整向阴极供给的氧化剂气体压力(阴极压力)。
97.氧化剂气体旁通流路从氧化剂气体供给流路分支，绕过燃料电池，将氧化剂气体供给流路的分支部与氧化剂废气排出流路的合流部连接。
98.在氧化剂气体旁通流路配置旁通阀。
99.旁通阀与控制部电连接，通过控制部将旁通阀开阀，由此在不需要氧化剂气体向燃料电池的供给的情况下，能够绕过燃料电池而将氧化剂气体从氧化剂废气排出流路向外部排出。
100.氧化剂气体流量传感器配置于氧化剂气体供给流路。
101.氧化剂气体流量传感器检测氧化剂气体系统内的氧化剂气体的流量。氧化剂气体流量传感器与控制部电连接。控制部也可以根据由氧化剂气体流量传感器检测到的氧化剂气体的流量来推断空气压缩机的转速。氧化剂气体流量传感器也可以配置于氧化剂气体供给流路的比氧化剂气体供给部靠上游的位置。
102.氧化剂气体流量传感器能够采用以往公知的流量计等。
103.燃料电池系统也可以具备燃料电池的冷却系统。
104.冷却系统可以具备制冷剂供给部，也可以具备制冷剂循环流路。
105.制冷剂循环流路与设置于燃料电池的制冷剂供给孔和制冷剂排出孔连通，能够使从制冷剂供给部供给的制冷剂在燃料电池内外循环。
106.制冷剂供给部与控制部电连接。根据来自控制部的控制信号来驱动制冷剂供给部。制冷剂供给部被控制部控制从制冷剂供给部向燃料电池供给的制冷剂的流量。由此也可以控制燃料电池的温度。
107.制冷剂供给部例如能够举出冷却水泵等。
108.也可以在制冷剂循环流路设置有将冷却水的热散热的散热器。
109.也可以在制冷剂循环流路设置有储存制冷剂的储存罐。
110.燃料电池系统也可以具备二次电池。
111.二次电池(电池)只要能够进行充放电即可，例如能够举出镍氢二次电池、和锂离子二次电池等以往公知的二次电池。另外，二次电池也可以包括双电层电容器等蓄电元件。二次电池也可以是将多个串联连接的结构。二次电池向电动机和空气压缩机等供给电力。
二次电池例如也可以从飞行器的外部的电源充电。也可以通过燃料电池的输出来对二次电池进行充电。二次电池的充放电也可以由控制部控制。
112.控制部在物理上例如具有cpu(中央运算处理装置)等运算处理装置、存储由cpu处理的控制程序和控制数据等的rom(只读存储器)、主要作为用于控制处理的各种作业区域来使用的ram(随机存储器)等的存储装置、以及输入输出接口。另外，控制部例如也可以是电子控制单元(ecu：electronic control unit)等的控制装置。
113.控制部也可以与点火开关电连接，该点火开关也可以搭载于车辆。也可以构成为：即使切断点火开关，控制部也能够通过外部电源来动作。
114.控制部判定电位传感器测量出的燃料电池的电位是否是逆转电位。
115.在判定为燃料电池的电位是逆转电位时，控制部使燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池的供给量增大。
116.增大的燃料气体的供给量只要大于判定时的供给量或者当前时刻的供给量，就不特别地限定，也可以适当地设定为燃料电池的电位变为正电位的量。
117.在本公开中，即使在燃料电池的电位变为了逆转电位的情况下，也不立即进行燃料电池的输出限制，而在燃料气体系统中进行使燃料气体的供给量增大的控制。在即使通过该控制燃料电池的电位也没有返回至正电位的情况下，限制燃料电池的输出，或者停止燃料电池系统。
118.也可以构成为：控制部监视燃料电池的电位，并且记录燃料电池的电位为逆转电位的状态的累计时间。
119.也可以构成为：在判定为燃料电池的电位是逆转电位时，控制部判定累计时间是否不足规定的时间。
120.也可以构成为：在判定为累计时间不足规定的时间时，控制部使燃料气体从燃料气体供给部向的燃料电池的供给量增大。
121.对于累计时间的规定的时间而言，例如也可以适当地设定为当经过了该时间以上的情况下认为燃料电池的电位从逆转电位返回至正电位的可能性较低的时间。于是，通过预先记录累计时间，从而在燃料电池的电位变为逆转电位的状态、其后返回至正电位的状态并再度变为了逆转电位的状态的情况下等，能够判定该逆转电位的状态是否为可预计返回至正电位的状态。
122.在本公开中，监控燃料电池的电位，记录逆转电位的状态的累计时间，在累计时间为规定时间以上的情况下，若燃料电池的电位变为逆转电位，则不进行使燃料气体的供给量增大的控制，而立即进行限制燃料电池的输出的控制。
123.图1是表示本公开的燃料电池系统的一个例子的简要结构图。
124.图1所示的燃料电池系统100具备燃料电池10、燃料气体供给部20、燃料气体供给流路21、燃料废气排出流路22、排气排水阀23、气液分离器24、循环流路25、推出器26、控制部50以及电位传感器60。
125.此外，在图1中，仅图示燃料气体系统，省略其他的氧化剂气体系统、冷却系统等的图示。
126.图2是表示本公开的燃料电池系统的控制的一个例子的流程图。
127.首先，控制部监控(监视)电位传感器测定出的电位。
128.而且，控制部判定电位传感器测量出的电位是否是逆转电位。
129.在判定为电位传感器测量出的电位是逆转电位时，控制部使燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池的供给量比当前时刻增大，并结束控制。也可以构成为：其后，在探测到电位传感器测量出的电位从逆转电位变为了正电位的情况下，控制部记录燃料电池的电位从逆转电位的状态到变为正电位的时间。
130.另一方面，在判定为电位传感器测量出的电位不是逆转电位时，控制部可以结束控制，也可以维持从燃料气体供给部向燃料电池的当前时刻的燃料气体的供给量并继续监控。
131.图3是表示本公开的燃料电池系统的控制的另一个例子的流程图。
132.首先，控制部监控(监视)电位传感器测定出的电位。控制部也可以一并记录燃料电池的电位为逆转电位的状态的累计时间。
133.而且，控制部判定电位传感器测量出的电位是否是逆转电位。
134.在判定为电位传感器测量出的电位不是逆转电位时，控制部可以结束控制，也可以维持从燃料气体供给部向燃料电池的当前时刻的燃料气体的供给量并继续监控。
135.另一方面，在判定为燃料电池的电位是逆转电位时，控制部判定燃料电池的电位为逆转电位的状态的累计时间是否不足规定的时间。
136.在判定为累计时间为规定的时间以上的情况下，控制部限制燃料电池的输出，或者停止燃料电池系统并结束控制。
137.另一方面，在判定为累计时间不足规定的时间时，控制部使燃料气体从燃料气体供给部向燃料电池的供给量增大。控制部一并记录燃料电池的电位为逆转电位的状态的时间。而且，控制部判定累计时间是否为规定的时间以上。在判定为累计时间不足规定的时间的情况下，控制部继续进行燃料电池的电位为逆转电位的状态的时间的记录。另一方面，在判定为累计时间为规定的时间以上的情况下，控制部限制燃料电池的输出，或者停止燃料电池系统并结束控制。