与不同行业合作飞行燃料电池无人机

与不同行业合作飞行燃料电池无人机

2021/12/20

与不同行业合作飞行燃料电池无人机 通过增加燃料电池输出和减轻重量成功延长了飞行时间

燃料电池能量转换效率高，环保，所以下一代能源系统然而，目前的燃料电池是大型设备，不便于携带，并且需要在加氢站提供纯氢燃料。使用和位置限制另外，充电电池需要充电，在没有电源的地区使用时间有限，在灾区、山区等地区使用起来比较困难。因此，产业技术研究院“可以在任何地方使用的燃料电池”的概念，Atsumi Tech Co, Ltd 已上市销售使用液化石油气 (LPG) 卡式钢瓶发电可以便携式燃料电池我们重点关注静冈县滨松市 Atsumi Tech 和 AIST 正在开发的燃料电池技术。工业无人机。到目前为止，使用充电电池的无人机只能连续飞行约10至30分钟，问题包括在无法保证电力供应的灾区和山区使用由 AIST 和 Atsumi Tech 开发固体氧化物燃料电池 (SOFC) 无人机是飞行超过1小时罐装液化石油气卡式钢瓶您可以通过更换它来多次发电我可以。液化石油气卡式钢瓶可运往灾区和山区。三方成功进行了使用该燃料电池的无人机演示实验。从现在开始，飞行时间长，燃油更换方便，我们正在探索工业无人机的新用途。

使用燃料电池的想法，该燃料电池可以通过无人机中的液化石油气卡式钢瓶发电

　2020年6月，AIST、Atsumi Tech Co, Ltd和Prodrone Co, Ltd宣布成功开发出配备固体氧化物燃料电池（SOFC）的无人机的演示实验，该无人机可以使用市售的LPG卡式钢瓶发电。2020/06/15 新闻稿文章）。

目前，燃料电池作为下一代能源的研究和开发正在取得进展，家用燃料电池系统和在家发电的燃料电池汽车的使用开始增加。但前者需要外部重整器提取氢气，设备较大，而后者需要加氢站供应纯氢燃料，其使用受到限制。

另一方面，在没有氢能基础设施或充电站的地方，例如山区灾情调查、货物运输、基础设施检查等，对燃料电池的使用需求也越来越大。此外，近年来，电动汽车、物联网设备、机器人等增程器的开发不断加速，这些领域也需要紧凑、高功率的发电系统。

　迄今为止，AIST 的 Hiroshi Sumi 已与 Atsumi Tech Co, Ltd 合作开发一种便携式燃料电池系统，该系统可以使用商用液化石油气卡式钢瓶发电。液化石油气盒式气瓶是一种常见的燃料，也用于家用炉灶，并且可以在家庭中心轻松获得。通过对使用该LPG的燃料电池进行研究，开发出了100W级高输出的小型燃料电池。

　研发和销售无人机的Prodrone有限公司专注于这项技术。 Prodrone正在开发工业无人机，包括最大有效负载30公斤或以上的大型无人机以及配备机械臂的无人机。该公司一直在寻找一种轻型、高输出的电源，因为运载重物或在空中执行工作的工业无人机会消耗大量电力且飞行时间短。

　事实上，当我们在 2017 年 2 月宣布这项技术时，我们并没有考虑到它在无人机中的应用。我当时的老板提出了“让我们以无人机为例”的想法，并将其添加到演示材料中，但如果没有这个想法，ProDrone 可能已经太晚了才接近我们。”Washimi 回忆起那些日子说道。

我想增加无人机安装的电源，延长飞行时间

　我们经常在新闻报道中看到，在灾害发生时，无人机被用来进行损失调查。除了航拍之外，它们还用于检查高处基础设施、运输应急物资，并开始用于喷洒农药、运送包裹等。然而，目前的无人机飞行时间较短，约为 10 至 30 分钟。无人机配备锂离子聚合物（LiPo）二次电池，通常用于计算机和智能手机的电池。 LiPo二次电池的优点是可以重复充电和重复使用，但其缺点是单位重量的能量密度较低。无人机的功耗与重量成正比增加，因此存在一个困境：如果装载大量二次电池来延长飞行距离，无人机的重量就会增加，功耗也会增加。

　除了配备LiPo的无人机外，配备“聚合物电解质燃料电池（PEFC）”的无人机也正在开发中，这种无人机也用于燃料电池汽车，但由于这种类型使用纯氢气作为燃料，当氢气罐空时，需要在加氢站加注氢气。然而，需要无人机飞行的地区，例如灾区、山区，往往是没有加氢站的地区。此外，为了防止无人机坠毁的风险，《民用航空法》限制无人机在人口稠密地区（人口密度每平方公里4000人以上）使用，导致在正在开发加氢站的城市地区使用无人机变得困难。

　对于面临此类问题的专业无人机，AIST和Atsumi Tech开发的固体氧化物燃料电池（SOFC）是一项新技术，重量轻、输出功率高、可以飞行很长时间，并且足够简单，可以使用市售的液化石油气卡式气瓶发电，这有可能为工业无人机开辟新的用途。

使用电极直接从LPG中提取氢气等的内部重整技术

现在，我们来看看新开发的无人机上安装的采用LPG卡式气瓶的燃料电池的发展历史。首先，Sumi 从多种燃料电池中选择了一种称为固体氧化物燃料电池（SOFC）的燃料电池。 SOFC是一种使用氧化锆和二氧化铈等固体氧化物作为电解质的燃料电池，在700至1000摄氏度的高温下运行，在燃料电池中具有最高的发电效率。

　到目前为止，SOFC一直是固定的，主要利用城市燃气发电。然而，由于 SOFC 使用氢气和一氧化碳 (CO) 发电，因此主要成分是甲烷 (CH)₄)城市煤气不能直接使用。在将甲烷供应至燃料电池之前，称为外部重整器的外部装置从甲烷中提取氢气和CO，并将其供应至燃料电池。对于液化石油气卡式钢瓶，主要成分是丁烷 (C₄H₁₀) 因此，有必要从中提取氢气和CO，但我开发了一种内部重整技术，可以在燃料电池内的电极上发生这种反应。 “由于液化石油气可以直接供应到燃料电池，因此不需要外部重整器，使其更加紧凑和轻便，”Sumi 说。

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此外，为了进一步减轻空中发电SOFC系统的重量，Atsumi Tech还减轻了收集发电的“集电器”和分隔燃料电池的“分离器”的重量，以使燃料和空气不会混合。 “如果我们使集流体或隔膜变得更轻，电池本身的机械强度和发电性能就会下降。我们与 Atsumi Tech 一起努力设计电池，同时保持减重、强度和性能之间的平衡。”Sumi 回忆道。

　经过这些努力，新型燃料电池与2017年宣布的“紧凑型高功率燃料电池系统”相比，成功将单位输出重量减轻了60%，并实现了数公斤的减重，相当于无人机整体重量的10%以上。

SOFC-LiPo混合系统可飞行1小时以上

　新开发的无人机配备了SOFC和LiPo二次电池，并采用了根据电力负载切换电源的混合系统。该系统与混合动力汽车类似，当电力负荷高时，例如悬停时，由SOFC和LiPO二次电池供电，当电力负荷轻时，SOFC可以对二次电池充电。在使用配备该系统的无人机进行的飞行测试中，我们获得了能够工作一个多小时的前景。

　“未来，我们计划通过降低成本和提高耐用性来进一步提高完善水平，以便实现燃料电池无人机的商业化。至于燃料电池，我们将继续开发SOFC系统，着眼于无人机以外的应用。这是燃料电池的逆反应，因此可以通过相反方向的电流从水产生氢气。这被称为固体氧化物电解电池（SOEC），除了用SOFC发电之外，我还想研究利用SOEC来创造氢液化石油气等便携式燃料。”Sumi 谈到了未来。