特表 2022-530875 構成可能燃料電池電力システムを具備する無人航空機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-04

(54)【発明の名称】構成可能燃料電池電力システムを具備する無人航空機

(51)【国際特許分類】

   B64D 27/24 20060101AFI20220627BHJP

   B64C 27/08 20060101ALI20220627BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20220627BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20220627BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220627BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20220627BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20220627BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20220627BHJP

【ＦＩ】

B64D27/24

B64C27/08

H01M8/249

H01M8/00 Z

H01M8/04 Z

H01M8/04694

H01M8/00 A

H01M8/0432

H01M8/04313

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021563199

(86)(22)【出願日】2020-04-23

(85)【翻訳文提出日】2021-12-13

(86)【国際出願番号】 GB2020051006

(87)【国際公開番号】W WO2020217058

(87)【国際公開日】2020-10-29

(31)【優先権主張番号】1905672.0

(32)【優先日】2019-04-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(31)【優先権主張番号】62/837,615

(32)【優先日】2019-04-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】504175659

【氏名又は名称】インテリジェント エナジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴ ＥＮＥＲＧＹ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100086531

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 俊夫

(74)【代理人】

【識別番号】100093241

【弁理士】

【氏名又は名称】宮田 正昭

(74)【代理人】

【識別番号】100101801

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 英治

(74)【代理人】

【識別番号】100095496

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 榮二

(72)【発明者】

【氏名】ケリー、アンドリュー ポール

(72)【発明者】

【氏名】スクレース、マシュー チャールズ

(72)【発明者】

【氏名】ワイルド、ロナン エリオット

(72)【発明者】

【氏名】ローソン、ジェフ マーク

(72)【発明者】

【氏名】フレーザー、イアン マセソン

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA21

5H127AB04

5H127AB13

5H127AB14

5H127AB16

5H127AB17

5H127AB29

5H127AC17

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127BA60

5H127BB02

5H127DB47

5H127DB91

5H127DC91

5H127EE04

5H127EE26

(57)【要約】

本開示は無人航空機システムに関する。いくつかの例示的な実装形態は、少なくともペイロード（３０）が固着される実装フレーム（１１０）と、予め定義された構成で動作可能な複数の燃料電池スタック（５０）であって、当該複数の燃料電池スタックの各々が個別のパッケージ中にある上記複数の燃料電池スタックと、水素を上記複数のスタックに供給するように構成された１または複数のタンク（６０）と、上記複数のスタック（５０）から発生させられた出力電力を受け取るように構成された推進システム（７０、８０）と、上記複数のスタックを上記予め定義された構成で結合させるように構成された電力コントローラ（４０）とを含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

無人航空機において、
少なくともペイロードが固着される実装フレームと、
予め定義された構成で動作可能な複数の燃料電池スタックであって、当該複数の燃料電池スタックの各々が個別のパッケージ中にある上記複数の燃料電池スタックと、
水素を上記複数のスタックに供給するように構成された１または複数のタンクと、
上記複数のスタックから発生させられた出力電力を受け取るように構成された推進システムと、
上記複数のスタックを上記予め定義された構成で結合させるように構成された電力コントローラとを有することを特徴とする無人航空機。

【請求項2】

上記スタックの各々が同一の出力を発生し、同一の効率定格を有するように構成される請求項１記載の無人航空機。

【請求項3】

上記複数のスタックは、当該航空機の重心がバランスして、当該航空機の飛行態様が影響されるように、上記フレームの周りに分散される請求項２記載の無人航空機。

【請求項4】

上記予め定義された構成は直列に配列された上記複数のスタックを含む請求項１記載の無人航空機。

【請求項5】

上記複数のスタックは２つのスタックであり、当該直列の配列は上記推進システムへの電源出力を倍増させる請求項４記載の無人航空機。

【請求項6】

当該電力の倍増化は、当該２つのスタックの出力電圧が倍増されて４４．４および５０．０Ｖの間の値となり、当該２つのスタックの各々を通る電流が当該各々のスタックがあたかも独立して動作しているように同一であることに基づく請求項５記載の無人航空機。

【請求項7】

上記予め定義された構成は並列に配列された上記複数のスタックを有する請求項１記載の無人航空機。

【請求項8】

上記複数のスタックは２つのスタックであり、当該並列の配列は上記推進システムへの電源出力を倍増させる請求項７記載の無人航空機。

【請求項9】

当該電力の倍増化は、当該２つのスタックの各々の電圧が当該各々のスタックがあたかも独立して動作しているように同一であり、当該２つのスタックからの出力電流が倍増されていることに基づく請求項８記載の無人航空機。

【請求項10】

上記電力コントローラは、さらに、上記２つのスタックの各々からの電流をバランスさせるように構成される請求項９記載の無人航空機。

【請求項11】

上記推進システムは１または複数のモーターおよび１または複数のローターを有する請求項１記載の無人航空機。

【請求項12】

上記電力コントローラは、さらに、上記複数のスタックの中の１つのスタックの障害を検出し、他のスタックを、上記推進システムが上記航空機に安全な着地をさせるように動作を継続させるように構成される請求項１１記載の無人航空機。

【請求項13】

上記複数のスタック、上記１または複数のタンク、および上記電力コントローラは上記フレームにお茶くされる請求項３記載の無人航空機。

【請求項14】

上記電力コントローラは、さらに、上記フレームを介して、上記複数のスタックのうちの少なくとも１つ、上記１または複数のタンクのうちの少なくとも１つ、または上記ペイロードの位置または配位を調整して、もって、上記航空機の重心を調整するように構成される請求項１３記載の無人航空機。

【請求項15】

さらに、上記複数のスタック、上記１または複数のタンク、および上記電力コントローラを相互接続する通信信号を有し、
上記通信信号は、共通グラウンドがあるように、上記複数のスタックの各々に関して絶縁されている請求項１記載の無人航空機。

【請求項16】

電力コントローラは、さらに、上記スタック、および／または上記航空機のモーターの機能維持よりも上記ペイロードの安全性を優先するために、上記ペイロードが損傷を受けないように着陸する可能性が少しでもあるように、パワーセルの過熱に関連する安全閾値に違反するように、上記グラウンドの装置を介して遠隔操作より、または、局所的に、上記航空機のオンボードの直接接続を介して、制御されるように構成される請求項１２記載の無人航空機。。

【請求項17】

さらに、バックアップバッテリーを有し、
上記障害が検出されることに応じて、上記可能性がバックアップバッテリーの使用を通じて大きくなる請求項１６記載の無人航空機。

【請求項18】

上記配位の調整は、上記少なくとも１つのスタック、上記少なくとも１つのタンク、または上記ペイロードの回転、反転、および傾斜の少なくとも１つを有する請求項１４記載の無人航空機。

【請求項19】

無人航空機において、
ペイロードを実装するように構成された実装フレームと、
予め定義された構成で動作可能な複数の燃料電池スタックであって、当該複数の燃料電池スタックの各々が個別のパッケージ中にある上記複数の燃料電池スタックであって、上記実装フレームが各スタックを少なくとも２つの位置のうちの１つに配置換えするように構成されている、上記複数の燃料電池スタックと、
水素を上記複数のスタックに供給するように構成された１または複数のタンクと、
上記複数のスタックから発生させられた出力電力を受け取るように構成された推進システムと、
上記複数のスタックを上記予め定義された構成で結合させるように構成された電力コントローラとを有し、
１つの燃料電池スタックの位置が調整されて上記航空機を上記ペイロードに対してバランスさせることを特徴とする無人航空機。

【請求項20】

上記実装フレームは各タンクを少なくとも２つの位置のうちの１つに配置換えするように構成され、
少なくとも１つの燃料電池スタックおよび燃料タンクの位置が調整されて複数の燃料電池スタック請求項１９記載の無人航空機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、全般的には、無人航空機（ＵＡＶ）用の燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）を組み付けるための構成可能なシステムに関する。さらに、燃料電池スタックをＵＡＶに統合するときに、重心（ＣｏＧ）の柔軟性および制御を獲得する方法が開示される。

【背景技術】

【0002】

ＵＡＶは、ドローンとしても知られ、写真撮影、監視、農場のメンテナンス（害虫駆除など）、大気調査、火災管理、野生生物の監視、小包の配達、軍事目的などの用途でますます人気が高まっている。ＵＡＶは、一般的には、２つのカテゴリに分類される。つまり、商用アプリケーションで一般的に使用されるマルチローターＵＡＶと、軍事アプリケーションで使用される固定翼ＵＡＶである。ＵＡＶにはナビゲーションシステムが装備されている。ＵＡＶの積み荷（ペイロード）は、目的業務によって異なり、ビデオカメラ、偵察装置、リモートセンシング装置、噴霧可能な適切な容器に保持された農薬、難燃剤、配達用パッケージなどで構成される。ＵＡＶは、通常、有人航空機よりも小さく、たとえば、数グラムから数十キログラムの重さがある。

【0003】

ＵＡＶは、推進力を提供し、補助機能（たとえば、画像やビデオキャプチャ、信号テレメトリなどの動作ペイロード）またはその他のオンボードシステムに電力を供給するために電力を必要とする。多くのアプリケーションでは、必要な機能を提供するために航空機に搭載されている必要な計算能力は、かなりの電力需要を表す場合がある。これは、具体的には、機内制御システムが飛行経路と補助機能の展開に関して決定を下す可能性がある自律型ＵＡＶの場合である。航空機自体は無人であるけれども、ＵＡＶは遠隔操縦され、何らかの形で人間の制御下にあって良い。

【0004】

一部のＵＡＶは一次電池を使用して電力を供給するけれども、現在ではリチウムイオン電池などの二次（充電式）電池を使用することが一般的になっている。バッテリーのみで電力が供給される場合、推進力やその他の搭載システムの電力需要により、ＵＡＶの飛行時間が制限される場合がある。近年、ＵＡＶの飛行範囲を拡大するために太陽光発電パネルが使用されている。ただし、太陽光発電パネルの発電能力は、周囲の気象条件や時間帯によって異なり、その結果、太陽光発電パネルがすべての状況での使用に適しているわけではない。さらに、太陽光発電パネルの発電能力は、高出力（高速）推進力が必要なアプリケーションや、その機能を提供するＵＡＶの搭載システムが特に重いか、かなりの電力を必要とするアプリケーションには不十分な場合がある。ＵＡＶの飛行時間と範囲は、通常、ペイロード（重量）と電源から利用できるエネルギー（ワット時）の関数である。他の電源は、固定翼の軍事用途向けのガソリンやジェット燃料などの燃料を燃料とするジェットエンジンや、水素やプロパン、ガソリン、ディーゼル、ジェット燃料などの他の燃料を燃料とする燃料電池を含む。ＵＡＶは通常、電源を再充電または補充するために、飛行の後、ホーム、つまり、ホームステーションまたはホームベースに戻る。

【0005】

燃料電池はＵＡＶにとって魅力的な電源であり、バッテリーによって提供されるエネルギーを超える可能性があり、多くの場合、飛行時間（または航続距離）を延長する可能性がある。燃料電池は、外部ソース燃料を電流に変換する電気化学エネルギー変換デバイスである。多くの燃料電池は、燃料として水素を使用し、酸化剤として酸素（典型的には空気から）を使用する。このような燃料電池の副産物は水であるため、燃料電池は発電用の環境への影響が非常に少ない装置になっている。増大する多くの用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電や、リチウムイオン電池などの携帯型電力貯蔵よりも効率的である。

【0006】

燃料電池を使用する利点があっても、場合によっては、１つのＦＣＰＭによって供給される電力レベルが特定のアプリケーションに十分でないことがある。しかし、ＦＣＰＭからの要求される電力出力が大きくなると、スタックのサイズは扱いにくくなる。たとえば、ＵＡＶに搭載できるように、燃料電池スタックの１つの大きな塊をパッケージ化することは非現実的ではないにしても非常に困難である。既知のＵＡＶ電力供給アプローチの別の問題は、飛行中に電源が故障した場合、ミッションやペイロードが衝突着陸によって損傷するリスクがかなり高いことである。ＵＡＶのフレームに取り付けられたさまざまなコンポーネントの配置と向きも、ＣｏＧや重量バランスの問題を引き起こす可能性がある。

【発明の概要】

【0007】

本開示は、無人航空機（ＵＡＶ）の側面を図説し、これは、添付の特許請求の範囲に記載されているものを含むけれども、これらに限定されない。

【0008】

ここに開示される方法、システム、および装置の複数の側面は、これに限定されないけれども、ペイロードを含む実装フレームのためのものであり、
予め定義された構成で動作可能な複数の燃料電池スタックであって、当該複数の燃料電池スタックの各々が個別のパッケージ中にある上記複数の燃料電池スタックと、
水素を上記複数のスタックに供給するように構成された１または複数のタンクと、
上記複数のスタックから発生させられた出力電力を受け取るように構成された推進システムとであり、
上記予め定義された構成は直列に配列された上記複数のスタックを含む。

【0009】

ここに開示される方法、システム、および装置の複数の側面は、これに限定されないけれども無人航空機を含む実装フレームのためのものであり、
ペイロードを実装するように構成された実装フレームと、
予め定義された構成で動作可能な複数の燃料電池スタックであって、当該複数の燃料電池スタックの各々が個別のパッケージ中にある上記複数の燃料電池スタックであって、上記実装フレームが各スタックを少なくとも２つの位置のうちの１つに配置換えするように構成されている、上記複数の燃料電池スタックと、
水素を上記複数のスタックに供給するように構成された１または複数のタンクと、
上記複数のスタックから発生させられた出力電力を受け取るように構成された推進システムと、
上記複数のスタックを上記予め定義された構成で結合させるように構成された電力コントローラであって、上記予め定義された構成は、並列または直列のうちの１つで配列された上記複数のスタックを有する、上記電力コントローラとであり、
１つの燃料電池スタックの位置が調整されて上記航空機を上記ペイロードに対してバランスさせる。

【0010】

ここに開示される方法、システム、および装置の側面において、その内部に信号線および電力線を接続させたＵＡＶのコンポーネントに電力を供給するためのモジュラー電力サプライである。２つ以上の燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）を直列または並列に接続して、電力出力を倍増し、エンドユーザーが単一の通信ポートを持つようにすることができる。

【0011】

電力コントローラは、燃料電池スタックおよびＵＡＶの他のコンポーネントと通信するように構成されて良い。コントローラは、水素サプライ、不活性ガスサプライ、電気負荷、および補助電源のうちの少なくとも１つを制御するように構成されて良い。

【0012】

いくつかの例において、電力サプライはハイブリッドバージョンであり、電力サプライの組み合わせを使用して良い。たとえば、燃料電池を使用する場合、離陸時などのピーク電力要件は、バッテリーを使用して補って良い。燃料電池はＵＡＶにとって魅力的な電源であり、バッテリーによって提供されるエネルギーを超える可能性があり、多くの場合、飛行時間（または航続距離）を延長する可能性がある。燃料電池は、外部ソース燃料を電流に変換する電気化学エネルギー変換デバイスである。多くの燃料電池は、燃料として水素を使用し、酸化剤として酸素（通常は空気から）を使用する。このような燃料電池の副産物は水であるため、燃料電池は発電用の環境への影響が非常に少ない装置である。ますます多くの用途で、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電や、リチウムイオン電池などの携帯型電力貯蔵よりも効率的である。

【0013】

燃料電池を使用する利点があっても、場合によっては、１つのＦＣＰＭによって供給される電力レベルが特定のアプリケーションに十分でないことがある。しかし、ＦＣＰＭからの要求される電力出力が大きくなると、スタックのサイズは扱いにくくなる。たとえば、ＵＡＶに搭載できるように、燃料電池スタックの１つの大きな塊をパッケージ化することは非現実的ではないにしても非常に困難である。既知のＵＡＶ電力供給アプローチの別の問題は、飛行中に電源が故障した場合、ミッションやペイロードが衝突着陸によって損傷するリスクがかなり高いことである。ＵＡＶのフレームに取り付けられたさまざまなコンポーネントの配置と配位も、ＣｏＧや重量バランスの問題を引き起こす可能性がある。

【0014】

本開示の他の特徴および利点は、部分的に、以下の説明および添付の図面に記載される。ここで、本開示の好ましい態様が説明され、また、当業者には、添付の図面と併せて理解される以下の詳細な説明を検討する際に、その一部が明らかになり、また、それを本開示の実施により学ぶことができるであろう。本開示の利点は、添付の特許請求の範囲で具体的に指摘されている手段および組み合わせによって実現および達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本開示の上述の側面および付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を添付の図面と関連付けて参照して、より容易に理解され、より良く理解できる。

【図1】図１は、１つまたは複数の実装形態に従って、複数のモジュール式燃料電池スタックを介して動作するように構成されたＵＡＶを模式的に示す。

【図2】図２は、１つまたは複数の実装形態に従う、２つの燃料電池パワーモジュール（ＦＣＰＭ）によって電力を供給されるＵＡＶの表現を示す。

【図3】図３は、１つまたは複数の実装形態に従う、２つのＦＣＰＭによって電力を供給されるＵＡＶの他の表現を示す。

【図4】図４は、１つまたは複数の実装形態に従う、２つのＦＣＰＭによって電源を供給されるＵＡＶの他の表現を示している。

【図5A】図５Ａは、１つまたは複数の実装形態に従う、２つのＦＣＰＭの直列構成を示す。

【図5B】図５Ｂは、１つまたは複数の実装形態に従う、２つのＦＣＰＭの並列構成を示す。

【0016】

図中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、開示の原則を説明することに重点が置かれている。図および付録のすべての参照番号、指示記号、および符号は、ここに完全に記載されているかのように、この参照によってここに組み込まれる。図の要素に番号を付けないことは、いかなる権利も放棄することを意図していない。番号のない参照は、図中の文字で識別されて良い。

【詳細な説明】

【0017】

以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を構成する添付の図面への参照を含む。図面は、例示として、いくつかの開示された態様が実施され得る特定の実施例を示している。これら実施例は、ここでは「例」または「オプション」とも呼ばれ、当業者が開示された方法および装置を実施することを可能にするのに十分な程度に詳細に説明されている。実施例を組み合わせて良く、他の実施例を利用して良く、また、構造的または論理的変更を、本開示の範囲から逸脱することなく行うことができる。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、開示の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって定義される。

【0018】

本開示の具体的な側面は、ＵＡＶに電力を供給するための複数の燃料電池の使用を説明する目的で以下に説明される。これらの燃料電池は、具体的な使用例に応じて、直列または並列構成で配置されて良い。様々な修正を行うことができ、本開示の範囲は、記載された例示的な側面に限定されない。

【0019】

例示的なＵＡＶ１００の模式図が図１に示されている。ＵＡＶ１００は、燃料電池電力サプライ９０などのいくつかの構成要素を備えることができ、燃料電池電力サプライ９０は、つぎに、複数の燃料電池スタックモジュール５０（直列または並列に接続される）を含む。複数の燃料電池スタックモジュール５０は、それぞれ、燃料電池スタック５４および１つまたは複数のファン５２を含んで良い。複数の燃料電池スタックモジュール５０は、１つまたは複数の燃料電池電力コントローラ４０およびインターフェースを有して良い。電力コントローラ４０は、通信信号およびインターフェースを有して良い。電力コントローラ４０は、さらに、１つまたは複数のタンク６０と通信して良い（例えば、ポンプ、ライン圧力を制御するため、またはタンクからの圧縮水素の流れを調整するため）。ＵＡＶ１００は、１つまたは複数のモーター７０、１つまたは複数のモーターローター８０、１つまたは複数のモーターコントローラ２０、およびペイロード３０などの他の構成要素を含んで良い。電力コントローラ４０は、モーターコントローラ２０を介して直接または間接的にモジュール５０からモーター７０に電力を供給して良い。

【0020】

図２～４において、ＵＡＶ１００は、ヘリコプターであって良く、１つまたは複数のストラット１３０によってフレーム１１０に結合された１つまたは複数の推進システムを含んで良く、これはＵＡＶの腕または手足とも呼ばれて良い。各推進システムは、それぞれのローター８０を駆動することができるモーター７０を備えて良い。ＵＡＶ１００の推進システムの数は、必要な空力設計、ペイロード、および飛行時間に応じて変化して良い。

【0021】

燃料電池電力サプライ９０は、フレーム１１０に取り外し可能に結合されて良く、適切な電気アダプタまたはプラグ９２を介して燃料電池電力コントローラ４０に電気的に結合されて良い。ストラットは機械的な支持を実現して良く、信号を搬送する導管（例えばケーブル）を供給して良く、これは、モジュール５０、電力コントローラ４０、モーターコントローラ２０、および各推進システム間の電気的および制御通信を提供する。ローター８０は、ＵＡＶ１００に推力および揚力を提供する。例示的なＵＡＶ１００は、また、着陸中にＵＡＶを支持し、着陸中にペイロード３０を保護するために、複数の脚部材１４０を含んで良い。

【0022】

燃料電池電力サプライ９０への水素供給は、水素サプライ６０（例えば、タンクまたはシリンダー）によって供給されて良く、この水素サプライ６０は、サドルに取り外し可能に取り付けられて良く、サドルはフレーム１１０に機械的に結合されて良い。水素サプライ６０は、また、ブラケット、タイなどを使用してフレーム１１０に取り外し可能に取り付けられて良い。水素サプライ６０は、クイック接続／切断フィッティング、磁気カップリングなどを使用して、水素供給導管の第１の端部と嵌合することができる水素接続アセンブリを、備えて良い。水素接続アセンブリは、圧力調整器、ソレノイド弁、遮断弁、および圧力逃がし弁のうちの少なくとも１つを含んで良く、所望の流量および圧力の水素が電力サプライ９０に送られることを確実にする。水素サプライ６０は、７００バール未満の圧力で圧縮水素を保管するように構成されて良い。

【0023】

いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００のために、直列構成と並列構成との間の選択が、燃料電池スタックモジュール５０の効率に基づいて行われる。いくつかの例示的な実装形態において、効率は、モジュール５０の電力出力に基づく。いくつかの例示的な実装形態において、推進システムに６ｓとして知られる２５ボルト（Ｖ）を供給すると、１２ｓとして知られる５０Ｖが推進システムに与えられる場合よりも、モーター７０のより効率的な動作が得られる。

【0024】

水素接続アセンブリを構成する構成要素は、モーターコントローラ２０または電力コントローラ４０からの信号によって電気的に作動させて良い。第１の端部の反対側にある水素供給導管の第２の端部は、燃料電池接続アセンブリ９１と嵌合することができる。燃料電池接続アセンブリ９１は、所望の流量および圧力の水素が燃料電池電力サプライ９０に送られることを確実にするために、圧力調整器、ソレノイド弁、遮断弁、および圧力逃がし弁のうちの少なくとも１つを含んで良い。燃料電池接続アセンブリ９１において含まれる部品は、コントローラ２０または電力コントローラ４０からの信号によって電気的に作動させることができて良い。

【0025】

いくつかの実装形態において、ペイロード３０は、１つまたは複数のカメラを含んで良く、燃料電池電力サプライ９０またはフレーム１１０に取り外し可能に結合されて良い（図２～４）。ペイロード３０は、コントローラ２０、コントローラ４０、および燃料電池電力サプライ９０のうちの少なくとも１つと通信することができる。

【0026】

コントローラ２０は、推進システム、ペイロード３０の動作、および燃料電池電力サプライ９０によって生成された余剰電力を貯蔵するように構成され得る充電式電池などの補助電源の少なくとも１つを制御するように構成されて良い。コントローラ４０は、推進システム、燃料電池電力サプライ９０の動作、水素サプライ６０の動作、ペイロード３０の動作、および充電式電池などの補助電源の少なくとも１つを制御するように構成されて良い。

【0027】

いくつかの例示的な実装形態において、バックアップバッテリー３５などの補助電源は、フレーム１１０に取り外し可能に結合されて良い。いくつかの実装形態において、バックアップバッテリー３５は、所定量のピーク電力を提供するようにサイズ決定される（例えば、既知の期間、強風からの回復など）。いくつかの例示的な実装形態において、バックアップバッテリー３５はリチウムポリマー電池である。

【0028】

補助電源は、また、離陸などの過渡電力期間中、または燃料電池電力サプライ９０が予想よりも少ない電力を生成しているときに、ペイロード３０およびＵＡＶ１００の他の構成要素の少なくとも１つに電力を供給するために使用されて良い。補助電源は、また、スーパーキャパシタおよび一次電池を含んで良い。燃料電池電力サプライおよび補助電源を使用して負荷に電力を供給するデバイス（ＵＡＶ１００などのデバイス）を操作するための例示的なシステムおよび方法は、本出願人の出願に係る米国特許第９，３５６，４７０号および米国特許出願公開第２０９０４０２８５号に開示されており、参照して双方ともにここに組み込まれる。

【0029】

燃料電池電力サプライ９０は、燃料電池電力コントローラ４０に関連して設けることができ、その場合、コントローラ２０は、双方向の方法で燃料電池電力コントローラ４０と通信することができる。代替的には、燃料電池電力コントローラ４０を使用して、コントローラ２０の代わりに、燃料電池接続アセンブリ９１および水素接続アセンブリの構成要素を制御して良い。ＵＡＶ１００は、飛行後、電源を再充電または補充するため、すなわち、ホームステーションまたはホームベース（表示しない）に戻って良い。

【0030】

いくつかの例示的な実装形態において、２つ以上の燃料電池スタックモジュール５０は、電力コントローラ４０によって促進される構成を介して、直列または並列にリンクされる。複数のモジュール５０が電力を直列に供給させることにより、電力出力（例えば、推進システムへの）を二倍にして良く、他方、たとえば、モジュール５０－１および５０－２からの供給電圧を２５Ｖまたはその周辺から４４．４Ｖ～５０Ｖまでに二倍にする（ただし、この例は、任意の適切な数のモジュール５０の直列構成を使用して良い）。これら、または、他の実装において、各モジュールが独立して動作しているかのように、２つ以上のモジュール５０（たとえば、モジュール５０－１、５０－２）のそれぞれを流れる電流を維持しながら、倍増が発生して良い。

【0031】

２つ以上のモジュール５０が並列に配置されているＵＡＶ実装においては、電力倍増は、２つ以上のモジュール５０のそれぞれの出力電圧が各スタックが独立して動作しているかのように同じであること、および、当該２つ以上のモジュール５０からの出力電流が倍増することに基づいて良い。モジュール５０が並列に接続されているＵＡＶの実装において、１つの個々のモジュール５０から利用可能なものよりも大きい合計出力電流を得ることができる。ＵＡＶ１００内のモジュール５０の並列構成は、また、冗長性を提供し、信頼性を高め、ＰＣＢ熱問題を回避し、システム効率を高めることによって有益であろう。いくつかの例示的な実装形態において、電力コントローラ４０は、モジュール５０のそれぞれからの電流のバランスをとるように構成されて良い。すなわち、並列構成のモジュール５０のいくつかの事例的な実装は、例えば、必要な電流が供給される前にモジュール５０がシャットダウンしないように、負荷電流が共有されるように実行されて良い。いくつかの例示的な実装形態は、制御ループを使用してモジュール５０からの出力電流を能動的に平衡化し、モジュール５０間を補償して良い。これを達成するために、いくつかの実装形態は、制御ループを介して電圧および温度の両方を監視して良い。

【0032】

いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００の電力コントローラ４０は、モジュール５０のうちの１つの障害または故障を検出し、１つまたは複数の他のモジュール５０に推進システム（すなわち、モーター７０およびローター８０）がＵＡＶ１００を安全な着陸にもたらすことができるように作動し続けるように構成されて良い（例えば、ペイロード３０および／またはＵＡＶ１００の他の構成要素に損傷を与えることなく）。いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００の電力コントローラ４０は、障害が検出されたときに、ペイロード３０が損傷を受けずに着陸する可能性が高くなるように、ＵＡＶ１００上の他のコンポーネント（モーター７０、モジュール５０など）の存続よりもペイロード３０の安全性を優先することによって、燃料電池の過熱に関連する安全閾値に違反するように、地上装置を介して遠隔構成または遠隔制御することができる。いくつかの例示的な実装において、障害が検出されたことに応じて、バックアップバッテリー３５を使用して推進システムに少なくとも一時的に電力を供給して安全な着陸の可能性を高めることができる。

【0033】

燃料電池電力サプライ９０は、複数の燃料電池スタックモジュール５０（例えば、図２に示されるように、５０－１および５０－２）を含んで良い。いくつかの例示的な実装形態において、燃料電池スタックモジュール５０のそれぞれは、独立してパッケージ化され、ＵＡＶ１００の周りに別々に配置されて良い。他の実装形態において、燃料電池スタックモジュール５０は、燃料電池電力サプライ９０内に一緒にパッケージ化されて良い。図２に示されるように、燃料電池電力サプライ９０（モジュール５０を含む）は、ＵＡＶ１００が地上で静止位置にあることを参照して、水素サプライ６０の上に配置されて良い。代替的には、燃料電池電力サプライ９０は、水素サプライ６０の下に配置されて良い（図３）。代替的には、燃料電池電力サプライ９０および水素サプライ６０は、互いに隣接して取り付けられて良い（図４）。

【0034】

ＵＡＶ１００の総電力要件に応じて、燃料電池スタックモジュール５０のそれぞれは、約６５０ワット（Ｗ）または約８００Ｗの最大連続電力を出力することができるけれども、任意の最大連続電力出力値が本開示によって企図される。いくつかの例示的な実装形態において、モジュール５０のそれぞれからの最大ピーク電力出力は、一時的に（例えば、約３０秒以下の間）約１０００Ｗまたは約１４００Ｗであって良い。いくつかの例示的な実装形態において、複数の電力モジュール５０は、それぞれ同じであって良い。たとえば、モジュール５０－１は、モジュール５０－２、...５０－ｎ（これらが使用されている場合。ｎは任意の自然数）のそれぞれと同一であって良い。この例または別の例では、モジュール５０のそれぞれは、同じ量の電力を生成し、同じ効率定格を有するように構成されて良い。いくつかの例示的な実装形態において、モジュール５０－１は、他のモジュール５０（例えば、モジュール５０－２）とは異なる最大連続電力出力を生成して良い。たとえば、６５０Ｗモジュールを８００Ｗモジュールと直列に構成して良い。別の例において、６５０Ｗモジュールを８００Ｗモジュールと並列に構成して良い。

【0035】

いくつかの例示的な実装形態において、双方向通信を表す両方向矢印は、信号を表すことができる。これらの信号は、通信データ、例えば、燃料電池スタック５４、水素サプライ６０（例えば、電流充填レベル、ライン内の圧力レベルなど）、モーター７０、コントローラ２０、ファン５２、および／またはペイロード３０のそれぞれのコマンドおよび制御（例えば、ステータス）を、コントローラ４０へ、またはコントローラ４０から伝達して良い。

【0036】

いくつかの例示的な実装形態では、燃料電池スタックモジュール５０は、直列にのみ接続されて良い。直列構成にあることに関連する理由から、モジュール５０のそれぞれの通信信号は、電力コントローラ４０から分離されて良い。並列構成において、同じ信号のいくつかまたは複数は、分離を必要としないであろう。むしろ、これらの信号は、多重化されてコントローラ４０に到達して良い。

【0037】

いくつかの例示的な実装形態において、燃料電池スタックモジュール５０を直列に連結する場合、ＵＡＶ１００が中間レールに仮想アースを有することを防いで良い。つまり、一部の実装形態において、燃料電池スタックモジュール５０－２の正の端子を燃料電池スタックモジュール５０－１の負の端子に接続している場合があり、この構成では、モジュール５０－１のアースがモジュール５０－２の電力になる。したがって、現在開示されているのは、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）と組み合わされた光学的に結合された技術を介して、通信信号を電気的に絶縁する方法である。さらに、変圧器（比較的重い）、単純な光アイソレータ、ホール効果センサー、または信号を分離するための直列接続されたコンデンサを絶縁する方法が開示される。一部の実装形態において、隔離バリア内に共通のアース／グラウンドが生成されて良い。いくつかの例示的な実装形態において、通信信号は、モジュール５０のそれぞれに関して隔離されている。したがって、開示された実装形態は、モジュール５０および／またはコントローラ４０を接続する問題を克服し、そうでなければ、中間レールに仮想アースが存在するであろう。

【0038】

電力サプライ９０からの必要な総電力出力は、ペイロード３０の質量および／または機能に依存し得る。いくつかの実装形態において、燃料電池スタックモジュール５０のそれぞれは、開放カソード・プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）スタックモジュールであって良い。必要な飛行時間および所与のペイロード３０の質量に対して燃料供給に利用可能な質量収支に応じて、複数の水素サプライ６０を使用して良い。ペイロード３０は、フレーム１１０に結合することができる。図４に示されるように、ＵＡＶ１００は、単一の燃料電池電力サプライ９０を含み、これは、複数の別個にパッケージされた燃料電池スタック５４（直列または並列に接続される）および複数のファン５２を含んで良い。

【0039】

いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００の１つまたは複数の構成要素（例えば、燃料電池スタックモジュール５０、水素サプライ６０、ペイロード３０、電力コントローラ４０、モーターコントローラ２０、およびバッテリ－３５）をフレーム１１０に取り付けることができる。いくつかの実装形態において、手動の飛行前機械的配置、電力コントローラ４０、または別のコントローラは、フレーム１１０を介して１つまたは複数の構成要素の位置または向きを調整することによってＵＡＶ１００の重心（ＣｏＧ）を調整するように構成されて良い。

【0040】

図２～４の描写は、いくつかの異なる可能な取り付け構成を説明するために使用されているけれども、この描写は、ＵＡＶ１００の様々な構成要素の任意の構成または向きが企図されているので、限定することを意図していない。そして、コントローラ２０および４０は、ＵＡＶ１００の飛行特性に関して、最適なＣｏＧのために任意の適切な位置でフレーム１１０に取り付けられて良い。例えば、これらの構成要素は、フレーム１１０に分散帝に実装されて良く、または、少なくともいくつかの構成要素がひとまとめになっていて良い。いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００は、航空機の重心が平衡になり、航空機が飛行する方法が制御可能に影響を受けるように、複数のモジュール５０をフレーム１１０の周りに分散させて良い。いくつかの例示的な実装形態において、ＵＡＶ１００の構成要素の取り付け位置および向きは、ＵＡＶ全体の重量バランスを柔軟に制御することができる。これらの構成要素の取り付け位置と配位（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は、抗力が最小になるように空力的に設計されて良い。配位（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）により、本開示は、ＵＡＶ１００の構成要素のうちの１つまたは複数を回転、反転、または傾斜させることを指す。複数の水素サプライ６０が使用される実装形態において、水素サプライ６０は再位置決めされて重量分布（すなわちＵＡＶ１００の他のコンポーネントに関するＣｏＧ考慮事項を含む）をバランスさせて良い。これら、または、他の実装形態において、フレーム１１０は、手動および自動の両方の再構成を可能にし得る。すなわち、電力コントローラ４０またはＵＡＶ１００の別の構成要素は、サプライ６０、電力コントローラ４０、モーターコントローラ２０、ペイロード３０、および燃料電池スタックモジュール５０のそれぞれの位置および配位を制御して良い。

【0041】

燃料電池スタックモジュール５０からの累積使用時間の関数としての出力は、周囲温度、湿度、および始動／停止の数などの様々な要因に依存する。燃料電池電力サプライ９０の信頼できる動作を確実にするために、例えば、ＵＡＶ１００が地上ステーションを使用してホームベースに戻ってスタック５４を調整するか、または燃料電池スタックモジュール５０の１つまたは複数を交換するとき、燃料電池スタックモジュール５０の状態（健康）をチェックすることが望ましい。具体的には、長時間の飛行の場合、離陸前にスタック５４を調整することが望ましいであろう。本開示では、スタック５４の調整は、スタックを構成する１つまたは複数の燃料電池の調整を含んで良い。

【0042】

図５Ａ～５Ｂは、２つの燃料電池パワーモジュールのそれぞれ直列および並列構成を示している。しかしながら、これらの例示的な実装形態は、３つ以上のパワーモジュールが直列または並列構成で接続され得るので、数を制限することが意図されていない。図５Ａにおいて、燃料電池スタックモジュール５０－１は、具体的には、（ｉ）その正端子を抵抗負荷の「電力」端子に、（ｉｉ）その負端子を燃料電池スタックモジュール５０－２の正端子に、および（ｉｉｉ）燃料電池スタックモジュール５０－２の負端子を抵抗性負荷の「グラウンド」端子にそれぞれ接続することによって、燃料電池スタックモジュール５０－２と直列に接続される。対照的に、図５Ｂは、燃料電池スタックモジュール５０－２と並列に接続された燃料電池スタックモジュール５０－１を示し、これは、具体的には、（ｉ）燃料電池スタックモジュール５０－１の正端子を抵抗負荷の「電力」端子および燃料電池スタックモジュール５０－２の正端子に接続し、（ｉｉ）燃料電池スタックモジュール５０－１の負端子を抵抗負荷の「グラウンド」端子および燃料電池スタックモジュール５０－２の負端子へ接続して実現される。これらおよび／または他の実装形態において、抵抗性負荷は、モーターコントローラ２０、モーター７０、ペイロード７０、および／またはペイロード３０に関連する任意の電気的機能であって良い。

【0043】

当該方法および燃料電池電力システムは、現在最も実用的で好ましい実装形態であると考えられているものに関して説明されてきたけれども、本開示は、開示された実装形態に限定される必要はないことを理解されたい。これは、特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる様々な修正および類似の構成を網羅することを意図しており、その範囲は、そのようなすべての修正および類似の構成を包含するように最も広い解釈を与えられるべきである。本開示は、以下の特許請求の範囲のありとあらゆる実装形態を含む。

【0044】

また、本開示の本質から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることも理解されたい。このような変更も、説明に目次的に含まれている。それらは依然としてこの開示の範囲内にある。この開示は、独立して、そしてシステム全体として、そして方法および装置モードの両方において、開示の多くの側面をカバーする特許をもたらすことを意図していることを理解されたい。さらに、本開示および特許請求の範囲の様々な要素のそれぞれは、また、様々な方法で実現されて良い。本開示は、任意の装置実装の実装バリエーション、方法またはプロセスの実装バリエーション、あるいはこれらの任意の要素の単なるバリエーションであろうと、そのような各バリエーションを包含すると理解されるべきである。

【0045】

具体的には、本開示は本開示の要素に関するものであるため、機能または結果のみが同じであっても、各要素の単語は同等の装置用語または方法用語で表現され得ることを理解されたい。このような同等の、より広い、またはさらに一般的な用語は、各要素または動作の説明に含まれると見なすべきである。このような用語は、この開示が権利を与えられている暗黙的に広い範囲を明示するために必要な場合に置き換えて良い。

【0046】

すべての動作は、その動作をとるための手段として、またはその動作を引き起こす要素として表現されて良いことを理解されたい。同様に、開示される各物理的構成要素は、その物理的構成要素が促進する作用の開示を包含すると理解されるべきである。

【0047】

この出願全体で使用されているように、「良い」（「ｍａｙ」）という言葉は、強制的な意味（つまり、しなければならない）ではなく、許容的な意味（つまり、可能性があることを意味する）で使用される。「含む」（「ｉｎｃｌｕｄｅ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」）の用語は、含むけれども、これらに限定されないことを意味する。ここで使用される場合、単数形（「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」）は、文脈が明らかに、そうでないことを指示しない限り、複数形の参照を含む。ここで使用される場合、「数」（「ｎｕｍｂｅｒ」）という用語は、１つまたは１より大きい整数（すなわち、複数）を意味する。ここで使用される場合、２つ以上の部品または構成要素が「結合されている」（「ｃｏｕｐｌｅｄ」）という記述は、リンクが発生する限り、部品が直接または間接的に、すなわち１つまたは複数の中間部品または構成要素を介して結合または一緒に動作することを意味する。ここで使用される場合、「直接結合された」（「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ」）とは、２つの要素が互いに直接接触していることを意味する。ここで使用される場合、「固定結合」（「ｆｉｘｅｄｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ」）または「固定」（「ｆｉｘｅｄ」）は、２つの構成要素が、互いに対して一定の配位を維持しながら、１つとして動くように結合されることを意味する。ここで使用される場合、「単一」（「ｕｎｉｔａｒｙ」）という用語は、コンポーネントが単一の部品またはユニットとして作成されることを意味する。つまり、個別に作成され、１つのユニットとして結合されたピースを含むコンポーネントは、「単一の」コンポーネントまたは本体ではない。ここで使用される場合、２つ以上の部品または構成要素が互いに「係合」（「ｅｎｇａｇｅ」）するという記述は、部品が直接または１つまたは複数の中間部品または構成要素を介して互いに力を及ぼすことを意味する。

【0048】

さらに、ここで使用され、他に定義されていない表現または用語は、説明のみを目的としており、限定を目的としていないことを理解されたい。ここで使用される方向句、例えば、上、頂部、下、底、左、右、上側、下側、前、後、およびそれらの派生語は、図面に示される要素の方向に関連し、そこに明示的に記載されていない限り、特許請求の範囲を制限するものではない。

【0049】

さらに、使用される各用語に関して、この出願での使用がそのような解釈と矛盾しない限り、共通の辞書定義は、各用語およびすべての定義、代替用語、およびに含まれるような同義語に組み込まれていると理解されたい。当業者によって認識されている標準的な技術辞書の少なくとも１つと、ランダムハウスウェブスターのＵｎａｂｒｉｄｇｅｄ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙの最新版が、参照により本明細書に組み込まれる。

【0050】

出願人はすべての不測の事態を予測できなかった可能性があるので、実質的でない代替しか行われない範囲で、出願人が実際に特定の実装形態を文字通り包含するようにクレームを起草しなかった範囲で、そして、その他、適用可能な範囲で、出願人はいかなる態様でもそのような範囲を意図し、または実質的に放棄したと理解されるべきではなく、また、当業者が、そのような代替的な実装形態を文字通り包含するであろう特許請求の範囲を起草したと合理的に期待されるべきではない。

【0051】

さらに、従来のクレーム解釈によれば、「有する」（「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）という移行句の使用は、本明細書の「オープンエンド」クレームを維持するために使用される。したがって、文脈上別段の必要がない限り、その用語（「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」）およびその変形である用語（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）は、記載された要素またはステップまたは要素またはステップのグループを含むことを意味することを意味するけれｄも、他の要素またはステップ、あるいは要素またはステップのグループを除外するものではない。このような用語は、出願人に法的に許容される最も広い範囲を提供するために、最も広範な形式で解釈する必要がある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【国際調査報告】