Prodrone Co, Ltd [代表董事河野正和]（以下简称“Prodrone”）、Atsumitech Co, Ltd[代表董事铃木英幸]（以下简称“Atsumitech”）环境技术中心[主任内山直树]国立先进工业技术研究所[董事长石村和彦]（以下简称“Atsumitech”）简称“AIST”）极端功能材料研究部[研究主任松原]一郎]首席研究员须美浩能够长时间飞行和工作固体氧化物燃料电池（SOFC）无人机是世界上首次展示的。
这一次，液化石油气（LPG）可用SOFC 堆栈更高的输出功率和更轻的重量（每次输出的重量比以前减轻了60%）使其即使在天空中也能发电SOFC系统通过将SOFC产生的电力提供给无人机和二次电池，可以延长飞行和工作时间。此外，即使无人机的电力负载波动较大，液化石油气也能在电极内稳定地转化为氢气和一氧化碳。内部修改开发出SOFC技术。由于它由液化石油气提供动力，用途广泛且易于携带，因此即使在氢基础设施尚未到位的地区，它也有望为物流、基础设施检查和灾难应对等领域做出贡献。
这项研究和开发得到了国家研究开发公司新能源和产业技术开发机构 (NEDO) 的“实现机器人和无人机活跃的节能社会项目”的支持。
正在进行飞行测试的固体氧化物燃料电池无人机
近年来，创建新产业的具体措施之一就是创造扩大无人机产业应用的环境。无人机和机器人预计将用于物流领域，由于小批量运输的增加和装载率的下降，需要更有效地使用能源；基础设施检查领域，通过有效和高效的检查延长基础设施的使用寿命，以减少资源是一个紧迫的问题；以及灾害应对领域，需要代替人员快速调查现场损坏情况。
但是，它通常被安装作为无人机的电源锂离子聚合物（LiPo）二次电池单位重量的能量密度较低，因此飞行和工作时间仅约15至30分钟。由于无人机的功耗与其重量成正比，因此无法安装大量二次电池，并且在运载重物（例如用于物流的货物或用于基础设施检查的测量设备）时，飞行和操作时间变得更短。此外，在发生灾难的情况下，可能难以确保用于充电的电源，并且假定二次电池可能变得无法使用。要解决这些二次电池问题，请使用纯氢聚合物电解质燃料电池（PEFC）的无人机国内和国际上都在取得进展，但在尚未建立氢基础设施的地区存在燃料采购困难等挑战。
Prodrone 开发和销售可用于物流和基础设施检查的工业无人机。尤其是在可承载30公斤以上（最大有效载荷）的大型无人机和配备机械臂可直接操作的无人机方面拥有世界一流的先进技术。与此同时，AIST 展示了一种 SOFC“便携式燃料电池系统”，可以使用 LPG 卡式钢瓶发电（2013 年 1 月 28 日 AIST 新闻稿)在国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）项目“固体氧化物燃料电池等实用化技术开发/下一代技术开发/微型SOFC型小型发电机（2013-2014财年）”项目中，进行了面向量产的基础研究。后来，我们与 Atsumi Tech 合作，开发了一种“紧凑型高功率燃料电池系统”，提高了 SOFC 的输出和耐用性（2017 年 2 月 9 日 AIST/Atsumi Tech 新闻公告）。
这次，在NEDO的“实现机器人和无人机活跃的节能社会项目/提高节能性能等的研发/实现长期工作的燃料电池无人机的研发（2017-2019年）”的支持下，我们进一步增加了LPG驱动的SOFC系统的产量和重量，开发了内部重整SOFC适应无人机电力负载波动的技术，开发出可搭载SOFC系统的无人机。
图 1 显示了 Atsumi Tech 开发的无人机 SOFC 堆栈的外观。为了提高单位体积的功率密度，扁平型电池通过改进用于收集发电的组件，单位电极面积的输出密度已大幅提高至传统产品的约两倍。此外，为了串联连接多个扁平电池，需要隔离器来分隔电池之间的燃料和空气并提供电连接。通过应用Atsumi Tech的金属加工技术和设计隔板的形状来减轻重量，与2017年推出的“紧凑型高功率燃料电池系统”相比，我们能够将单位输出的重量减轻60%。通过在无人机上安装该SOFC堆栈，可以减轻数公斤的重量，从而降低功耗，有助于实现长时间飞行和工作。
图 1 用于安装在无人机上的 SOFC 堆栈的外部视图
图2显示了新开发的LPG驱动的SOFC系统的外观。该SOFC系统采用了AIST开发的内部重整SOFC技术。通过在电极内将液化石油气转化为氢气和一氧化碳，可以使用市售液化石油气卡式钢瓶作为燃料，即使在氢气基础设施尚未到位的地区也可以使用。通常，当将LPG燃料直接供应至SOFC时，作为LPG的主要成分的丁烷在燃料侧电极(燃料电极、负极)上热分解。碳沉积发生，电极性能迅速恶化。对于2017年推出的“紧凑型高功率燃料电池系统”，我们开发了纳米结构电极材料和操作控制技术，可以在恒定发电和工作温度以及无电力负载波动的条件下抑制由于碳沉积而导致的电极性能恶化。此次，AIST开发了一种新的内部改进的SOFC技术，即使由于无人机电力负载波动而导致SOFC的发电量和工作温度急剧变化，电极性能也不会恶化，并将其纳入Atsumi Tech设计的SOFC自动启动/发电/停止控制系统中。因此，即使是电力负载波动较大的无人机也可以配备Ene-Farm等家用燃料电池系统。外部修改无需设备，有助于系统的简化和减轻重量。
图2 LPG驱动的SOFC系统的外观
图 3 显示了飞行测试期间的 SOFC 无人机。 Prodrone 开发了一款无人机，可配备液化石油气驱动的 SOFC 系统，可承载高达 30 公斤的有效载荷。为了应对因安装SOFC系统而增加的重量，已采取措施尽可能降低单位重量的功耗。此外，该设计使得起飞和着陆时的螺旋桨振动、气流和冲击不会影响SOFC系统的运行。图4是传统无人机和SOFC无人机的电源示意图。传统无人机仅采用LiPo二次电池供电，而SOFC无人机，当无人机电力负载大时，由SOFC和LiPo二次电池向无人机供电，当电力负载轻时，由SOFC向LiPo二次电池供电进行充电。通过优化SOFC-LiPo二次电池混合供电系统的输出控制，有望实现超过1小时的长时间飞行和运行。通过在全球首次演示SOFC可以作为高空飞行的无人机的动力源，预计未来SOFC将应用于多种移动物体和机器人。
图3 飞行测试中的SOFC无人机
图4常规无人机和SOFC无人机供电示意图
为了让无人机能够更长时间地飞行和工作，我们将推进提高SOFC系统的输出和重量、优化混合供电系统、降低无人机功耗等改进。我们的目标是快速实现SOFC无人机的商业化，可用于物流、基础设施检查和灾难应对等领域。