マルチローター無人航空機用の燃料電池: エネルギー貯蔵と性能解析の比較研究

2019 年、世界の二酸化炭素排出量は 9 億 2,000 万トンに達しました [1]。あらゆる交通手段からの炭素排出量は総排出量の約 21 % を占め、航空業界が大きく貢献しています。現在、航空による排出は輸送関連の排出全体の約 12 % を占めており、航空灯油の燃焼は航空業界の排出の 79 % を占めています。{7}}航空産業からの排出量の全体的な割合は、現時点では特に重要ではないように思われるかもしれませんが、航空灯油の脱炭素化プロセスは他の輸送部門に比べて比較的遅いです。クライメート・アクション・トラッカーはまた、航空業界のカーボンニュートラルへの進捗状況が「不十分」であると指摘している。他の産業が脱炭素化に取り組むにつれ、航空業界など「削減が難しい」産業の相対的な排出量シェアは必然的に増加するだろう。航空産業の予測年間成長率が今後 20 年間抑制されない場合、排出量は 2040 年までに 11 % 増加する可能性があります [2]。 2050 年までに、世界の炭素排出量の 25 % が航空産業から発生する可能性があるという懸念すべき見通しがあります。その結果、水素燃料電池、バイオ燃料、ソーラーパネルなどの代替エネルギー源が、航空分野における重要な研究テーマとなっています[3]。航空、特に民間航空の脱炭素化と電化は、世界的な緊急課題となっています[4、5]。

マルチローター無人航空機 (UAV) は航空産業に不可欠な要素であり、農業、林業、地域検査、短距離から中距離の高速輸送などの用途に広く使用されています[6,7]。-飛行パラメータの制御、経路計画、飛行構造の最適化に焦点を当てて性能を向上させることを目的とした対応する研究も[[8], [9], [10]]で急成長しています。ただし、現在市販されているほとんどのマルチコプター UAV の主な制限は、リチウム バッテリーに依存していることです。これらの UAV は通常、離陸質量を示します-<25 kg, payload capacities <5 kg, and flight duration times ≤40 min [[11], [12], [13]]. This durability challenge restricts the use of these battery-powered UAVs in different scenarios. To boost the maximum range and operational capabilities, significant research has focused on investigating high-capacity batteries, using lightweight materials in the structure, and optimising path planning.

現在、最先端の---リチウム-ポリマー バッテリーは、130～200 Wh/kg の範囲の比エネルギーを供給します。将来のバッテリー技術の可能性を考慮すると、新技術による計算範囲は 250 Wh/kg に達すると予想されます [14、15]。バークら。 [16] は、リチウム-電池が直面する見通しと技術的課題について概説しました。 400 Wh/kg を超える高い比エネルギー密度は、従来の電池と比較して推進システムの質量を大幅に削減でき、リチウム硫黄電池の競争力を高めることができますが、平均寿命が短いため、その応用が妨げられています。ヤップら。 [17] は、3D プリンティングを使用した積層造形とトポロジー構造の最適化を組み合わせて軽量 UAV を研究しました。ユアンら。 [18] は、プロペラ半径、プロペラ速度、プロペラブレードの数、翼弦幅、プレツイスト角などの設計パラメータが航空機の飛行力学や性能に及ぼす影響を調査しました。アドキンス-リーベック設計法を使用してブレード設計を最適化し、航空機の消費電力を約 3% 削減しました。黄ら。 [19] は、物流のための UAV 群の輸送効率を高めるために、アリのコロニー アルゴリズムに基づいて、UAV とトラックを組み合わせたフリートのタスク スケジューリングと経路計画方法を提案しました。-このアプローチにより、バッテリー駆動の UAV の運用可能範囲が大幅に拡大されました。{33}

ただし、リチウム電池のエネルギー密度は、上記の方法が UAV の航続距離の延長に与える影響が比較的限定的であることを意味します。-さらに、追加の質量にはかなりの電力需要があるため、バッテリーを追加するだけでは最大航続距離は実質的に拡張されません。したがって、比エネルギーを高めるためにパワートレインの改善を検討することが急務となっています。

水素は、従来の灯油と比較してエネルギー密度が 3 倍高いため、潜在的な長距離飛行用動力ソリューションとして期待されています。-現在、一般的な燃料電池ハイブリッド システムは、250 ～ 540 Wh/kg の範囲の特定のエネルギー レベルを提供します [20]。燃料電池推進システムの応用は、航空分野で人気の研究テーマです [21]。一例は、Horizo​​n Energy Systems Aerostack シリーズです [22]。空冷式燃料電池は、多数の UAV [[23], [24], [25], [26], [27]] に組み込まれることに成功しています。-

UAV の低温陽子交換膜燃料電池 (PEMFC) スタックでは空冷が優先されます。-- 重量とスペースの厳しい制約から生じています [28]。 Santos [29] および Boukoberine ら。 [30] は、実際の飛行試験データを使用して、それぞれ約 300 W と 1400 W の電力需要を持つ燃料電池駆動のマルチコプター UAV の設計と定式化戦略を開発しました。{7}リーら。 [31] は、電力要件が 1 ～ 2 kW の小規模 PEMFC デバイスで頻繁に使用される受動的空冷には、同じファンを使用して反応空気と冷却空気の両方をスタック全体に引き込み、分配することが含まれると指摘しました。 Intelligent Energy Ltd.[32]は、定格電力需要が 4.8 kW の UAV 用の空冷燃料電池を備えた電力システムを提供すると主張しています。-上記のことから、出力が 0 ～ 4.8 kW の燃料電池には通常、冷却と反応に必要な空気流を提供するファンが装備されているため、自由呼吸型パッシブ冷却スタックの採用が実現可能であることが実証できます。-

燃料電池はエネルギー密度の点で利点がありますが、比較的低い出力密度、長い時間遅延、および遅い応答によって操作性が妨げられます[33]。対照的に、リチウム電池は長距離性能に欠ける可能性があるため、より高い出力を提供でき、特に UAV が巡航段階からホバリングまたは降下段階に急速に切り替わるときなどの高出力過渡時に、動的応答能力が強化されます [34]。-したがって、そのようなシナリオでは、リチウム電池と燃料電池を組み合わせてハイブリッド推進システムを形成することが、UAV で高いエネルギーと出力密度を達成するための実現可能な戦略です [35]。効果的なエネルギー管理戦略は、ハイブリッド燃料電池を搭載した UAV の航続距離と環境堅牢性の延長にさらに貢献します [36,37]。したがって、低出力の燃料電池 UAV の場合、空冷式燃料電池とリチウム電池を混合して使用することが、最大航続距離と応答時間のバランスをとる実行可能なソリューションです。-

上記のことから、水素燃料電池と低地経済がますます世界的な注目の的になっていることは明らかです。{0}優れたエネルギー密度を備えた水素燃料電池は、リチウム電池を搭載した UAV の欠点に対処し、航空業界の脱炭素化を促進するソリューションとして登場しつつあります。-しかし、リチウム電池-駆動の UAV は実際の用途では耐久性に欠けており、燃料電池のエネルギー密度がリチウム電池よりも高いことが示されているにもかかわらず、現在の研究の大部分は燃料電池-駆動の UAV のエネルギー管理戦略に集中しています。これらの戦略は、リアルタイムの電力需要を入力として使用し、アルゴリズムを使用してさまざまな電源への電力割り当てスキームを導き出します。-これは、燃料電池車に関して私たちのチームが以前に実施したエネルギー管理戦略の研究と大きく変わりません。-[38,39]。複雑な付属品がないため、リチウム電池は、より小さな出力範囲内で利点を発揮することがよくあります。現在、燃料電池ハイブリッド推進システムがリチウム電池推進システムよりも優れた性能を発揮する閾値に関する文献は不足しています。

この研究では、燃料電池を動力とする UAV に関するこれまでの研究で見落とされがちだった 2 つの問題に焦点を当てています。{0}まず、特定のモデルと飛行プロファイルについて、UAV 用途に燃料電池がより適切な範囲を決定することにより、リチウム電池推進システムを燃料電池ハイブリッド推進システムに置き換えるための境界条件を計算する方法が提案されました。次に、燃料電池 UAV アプリケーション シナリオの固有の側面を分析します。特に重要なのは、電力需要側への影響です。

リアルタイムの電力需要を入力として使用してエネルギー管理戦略を策定するための前提条件の 1 つは、さまざまな環境における UAV の電力需要と供給の変動を理解することです。これは戦略策定プロセスの境界条件です。{0}実際の応用では、高高度で動作する UAV は通常、環境温度と空気密度の変化により、安定した飛行を維持するためにより多くのエネルギーを必要とします [40]。さらに、高度の変化が燃料電池の冷却に及ぼす影響については、さらなる注意が必要です [41]。オズベクら。 [42] は、それらの調整を確実にするために、UAV の電力要件と温度変化を同時に考慮する必要性を強調しました。燃料電池システムは UAV の胴体の内部に配置されており、外部環境要因の影響を直接受ける外部から周囲の空気を直接取り込みます。一方で、空気密度の減少は UAV の電力需要の増加につながり、その結果、燃料電池スタックからの熱放出が増加します。同時に、燃料電池スタックの熱放散率は環境の変化によって変化する可能性があり、空気が薄いと対流熱伝達係数が低下します。ただし、外部温度が低下すると、スタックと環境の間の温度差が大きくなり、スタックと環境の間の熱交換が促進されます。

この論文では、研究対象を最大離陸重量（MTOW）が 25 kg のヘキサコプター UAV に限定し、燃料電池で駆動する UAV に対する高度の影響を調査しました。-エネルギー管理戦略を策定する際に採用されたアプローチは、利用可能なエネルギーをすべて使用したり航続距離を最大化する戦略を設計するのではなく、リチウム電池が電力需要に迅速に対応できるようにしながら、燃料電池推進システムの出力を最大化することでした。この研究は、文献レビュー、Simulink モデリング、ANSYS シミュレーションを通じて、UAV での燃料電池の使用がより経済的な選択肢である範囲を明確にし、さまざまな質量の燃料電池駆動 UAV の最大飛行限界を理解し、燃料電池駆動 UAV に固有のアプリケーション シナリオがもたらす課題を把握し、考えられる解決策を特定することを目的としています。{6}}

この文書の残りの部分は次のように構成されています。セクション 2 UAV の電力需要をモデル化する方法、3 推進システムを設計および適合させる方法、4 熱放散のための空気化学量論比を計算する方法では、UAV の電力需要を計算し、燃料電池を動力とする UAV 推進システムと適合させ、燃料電池を冷却するために必要な空気流量を計算するための方法を示します。{4}シミュレーション結果についてはセクション 5 で説明します。最後に、議論と結論をセクション 6 で示します。