JP2014110590A - 遠隔計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源に接続されていなくても、二次電池の交換などのメンテナンスの頻度を大幅に低減し、天候や周囲の環境に左右されることなく長期に連続駆動が可能な遠隔計測システムの提供。
【解決手段】少なくとも、アルコール改質型電池を有する電源システムを用いた遠隔計測システムによって、計測に必要な電気を供給するシステムを用いた遠隔計測システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、天候や周囲環境に左右されず、メンテナンスすることなく長時間の連続駆動が可能で、かつ騒音が少ない、独立電源を有する遠隔計測システムである。例えば、温度による路面凍結の監視、地滑り、地震などの災害監視に必要な計測に用いることができる。

これまで、遠隔地での計測機器の例として二次電池を用いたものが多数提案されている。例えば、ＣＯ_２計測（特許文献１）、温度などの環境計測（特許文献２）、災害の検知（特許文献３）などが挙げられる。しかしながら、これらの機器は、二次電池の容量の範囲でしか稼動することができず、長期間連続的に使用する場合には、二次電池の交換などのメンテナンスが必要であった。

二次電池に電気エネルギーを補給するために、風力発電装置や太陽光発電を組み合わせることも可能であるが、自然エネルギーを利用した発電システムであるため、安定的な電源確保が困難であった。

特開２０１２―８３２９４号公報 特開２００９―８９６０５号公報 特開２００１―２８３３４８号公報

商用電源に接続されていなくても、二次電池の交換などのメンテナンスの頻度を大幅に低減し、天候や周囲の環境に左右されることなく長期に連続駆動が可能な遠隔計測システムの提供。

上記課題を解決するために、本発明は、次に示す遠隔計測システムを提供する。

（１）少なくとも、アルコール改質形燃料電池を有する電源システムを用いた遠隔計測システムである。
（２）さらに二次電池を有し、アルコール改質形燃料電池によって該二次電池を充電する機構を有する電源システムを用いた（１）に記載の遠隔計測システム。
（３）さらに、太陽光発電、風力発電、水力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムによって二次電池を充電する機構を有する（２）に記載の遠隔計測システムである。
（４）太陽光発電、風力発電、水力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムからの充電量が不足する場合に、前記アルコール改質形燃料電池が作動して二次電池の充電を行うことを特徴とする（３）の遠隔計測システムである。
（５）また１ｍ離れた場所での作動音が４０ｄＢ以下であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の遠隔計測システムである。

本発明の遠隔計測システムは、商用電源に接続されていなくても、二次電池の交換などのメンテナンスの頻度を大幅に低減し、天候や周囲の環境に左右されることなく長期に連続駆動が可能である。また、静粛に動作するため、計測データへの影響を少なくすることができる。

本発明の遠隔計測システムの構成図である

本発明における遠隔計測システムは、遠隔計測と、独立型電源としてアルコール改質形燃料電池を電源として持つ遠隔計測システムである。遠隔計測の種類や構造、数などは限定されるものではなく、任意に選ぶことが可能である。例えば、雨量計や監視カメラ、変位計、水位計、風速計、濃度計、動作センサーなどが含まれる。また、無線通信機器など、その他機器と併せて使用することも可能であり、例えば遠隔計測で得られたデータを、無線通信機器で別の場所で確認できるような構成を取ることもできる。

本発明の遠隔計測システムにおいては、遠隔計測とともに、独立型電源としてアルコール改質形燃料電池を電源として用いる点に特徴がある。多くの場合、遠隔計測用電源としては、商用電源が利用されているが、場所によっては商用電源の使用が困難であるという問題が有る。商用電源への接続が困難である場合に、電力供給手段として太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電などの自然エネルギーを利用した発電システムを用いることはすでに提案されているが、太陽光発電には、積雪や降雨などの天候不順、及び周囲環境によって日照時間が減少すると、発電量もそれに応じて低下してしまう問題があり、風力発電には、風速が小さすぎても大きすぎても発電ができず、また、山間部のくぼ地など設置場所によっては利用が困難であるといった問題があり、水力発電には降雨量が減少すると発電できなくなるという問題があり、地熱発電では設備が大規模であるため、費用が多大になるという問題がある。

それに対して、本発明の遠隔計測システムは、アルコール改質形燃料電池によって安定に電気を供給することができ、二次電池や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電システムと組み合わせた場合においても、自然エネルギーを利用した発電システムからの発電量が低下した場合においては、アルコール改質形燃料電池が減少分を補うことによってさらなる安定化、長期間駆動ができるという利点がある。

ここで言うアルコール改質形燃料電池とは、燃料として少なくともメタノール或いはエタノールなどの液体アルコール燃料あるいはアルコール水溶液を含む液体燃料を用い、燃料から水素を取り出す改質器を通して取り出した水素を用いて動作する燃料電池である。該燃料電池内部では、電解質としてプロトン伝導性のイオン交換膜を用い、その表面に触媒電極微粒子とガス拡散電極が直接接合されており、このイオン交換膜−電極接合体のアノード側に改質器を通して得た水素を含む燃料ガス、カソード側に空気を供給することで、触媒作用により電気を取り出せる化学反応を使った発電システムである。化学反応による発電のため、内燃機関と異なり、本質的に静かな発電機である。アルコールとしては、特にメタノールを使用する場合、改質器をコンパクトにできるため特に好ましい。アルコールの他、水を含む燃料は好ましく、アルコールと水を改質器で反応させることにより、少なくとも水素と二酸化炭素を含む燃料ガスに変換することができる。メタノールを直接燃料電池に供給することでも電気を取り出すことができるが、メタノールの触媒反応は水素の触媒反応に比べると、過電圧が大きく、電気への変換効率は低いため、遠隔センサーによる消費電力が増えると、効率的な電源とはいえない。一方、本発明のアルコール改質形燃料電池は、高出力という特徴がある。従って、本発明の遠隔計測システムにおいては、計測機器のほか、出力の高い照明なども繋げて運転することが可能というメリットがある。また、排ガスがクリーンであり、一酸化炭素中毒などの人体に悪影響を与える問題が少なく、かつＮＯｘ、ＳＯｘも発生しない特徴もある。

その他の燃料電池として、純水素を燃料とするものや、ギ酸、ジメチルエーテル、水加ヒドラジン、ボロハイドライド塩水溶液などの液体を燃料に用いる燃料電池が知られている。しかしながら、純水素を貯蔵するために高圧のボンベを用いると、多くの保守が必要になるという問題がある。また、水素吸蔵合金を用いた場合には、重量あたりの貯蔵量が少なく、燃料交換が困難であるという問題もある。さらに、水と水素化カルシウムなど、化学反応によって水素を発生させることもできるが、反応の制御が難しく、断続的な運転に対応することが難しいため、本用途には適していない。ギ酸などのそのほかの液体燃料を用いる燃料電池は、未だ多くの技術課題があり、使用が困難である。その点、アルコール改質形燃料電池は、液体のアルコールを用いるためエネルギー密度が高く、取扱いも簡便であり、かつ改質器を用いることで、高出力の遠隔計測システムにも対応可能と言う特徴があり、燃料電池としての技術も実用レベルにあるため、適している。

このアルコール改質形燃料電池を二次電池と組合せ、二次電池を電力バッファとして用い、二次電池の充電状態の変化や稼動条件の変化をモニタリングしながら、アルコール改質形燃料電池を運転することにより、二次電池の電圧が設定値よりも低下する場合充電を行い、二次電池の電圧が充分に上昇した場合充電を停止する制御を行うことで、二次電池を常に設定範囲の充電状態を保つことが可能となり、かつ、不必要にアルコール改質形燃料電池を動かす必要がなくなるため、必要最小限の燃料消費で運転することが可能となる。そのため燃料を有効に使うことが可能となり、遠隔計測に長時間電気を供給することができる。よって遠隔計測を常時安定的に、信頼性の高い状態で動作させることが可能である。

前記アルコール改質形燃料電池の出力としては、３００Ｗ〜１０ｋＷの範囲が好ましく、さらに好ましくは４００Ｗ〜２．５ｋＷであり、より好ましくは４００Ｗ〜１．０ｋＷの範囲である。出力が３００Ｗに満たない場合、電力供給量が不足する可能性がある。一方１０ｋＷを越える場合は、改質器が大型になるとともに、運転制御のリードタイムが長くなり、かつ装置も大型となるので、遠隔計測システムには向かない傾向にある。

前記アルコール改質形燃料電池と連結する二次電池としては特に限定されるものではないが、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、バナジウム電池、などが好適な例として挙げられる。特に好ましくは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池である。鉛蓄電池やニッケル水素電池は安全性の高い電池であり、本発明の遠隔計測システムにおいて信頼性の高い遠隔計測システムを提供することに有効である。リチウムイオン電池は小型化が可能なため、持ち運びに優れるといったメリットを提供することができる。また、二次電池としては、繰返し充放電に耐久性があるものが好ましく、ディープサイクル鉛蓄電池やニッケル水素電池、リチウムイオン電池が好ましい。

前記二次電池の容量としては、５時間率容量として１８０Ａｈ〜３０ｋＡｈのものを使用することが好ましい。特に好ましくは、２４０Ａｈ〜１０ｋＡｈである。１８０Ａｈ以下であると、電池の容量が不足する傾向にあり、３０ｋＡｈを越えると大きくなりすぎる傾向にある。一例として、５００Ｗのダイレクトメタノール型燃料電池を使う場合２５０Ａｈ〜１ｋＡｈ、１ｋＷの場合８０Ａｈ〜２ｋＡｈ、５ｋＷの場合、４００Ａｈ〜１０ｋＡｈが一つの目安である。

本発明の遠隔計測システムは、静音性に優れる特徴がある。化学反応により発電するため、一般的なエンジン式の発電機とは異なり静かなため、遠隔計測システムとして発見されにくい特徴がある。その特徴を活かすため、１ｍ離れた場所での騒音が４０ｄＢ以下であることが好ましく、より好ましくは３０ｄＢ以下である。４０ｄＢ以下のノイズとすることで、不審者に気付かれることなく状況を監視することが可能である。燃料供給或いは空気の供給のため、内部にポンプを有するが、その際、なるべく音の小さなポンプを選択することが重要であると共に、例えば発砲スチロールやゴムやサスペンションなどでポンプの振動を抑制する方法は、音を小さくするために好適に用いることができる。例えばポンプとしてはダイヤフラム式ポンプやスクリュー構造を持つポンプを使用することは好ましい方法である。

また本発明の遠隔計測システムにおいて、二次電池と組み合わせる場合は、二次電池の電圧が低下した場合のみアルコール改質形燃料電池が動作するため、効率的に燃料を利用できる特徴があり、かつ燃料であるアルコール或いはアルコール水溶液のタンク容量を調節することで長期間安定に動作させることがあのうであり、燃料タンクの大きさを設定することで、好ましくは、３日間以上燃料交換を行う必要のない遠隔計測システムにすることが望まれる。より適切には５日以上、さらに好ましくは１０日以上燃料交換を行う必要がないことが好ましい。燃料タンクの容量としては、設置場所のスペースに応じて選択することができる。

本発明では、自然エネルギーを用いた発電システムには太陽光発電、風力発電、水力発電との組み合わせにより、さらにメンテナンス頻度を低減することができ、さらに長期間の連続駆動が可能になる。自然エネルギーを用いた発電システムの中では、太陽光発電が安価で高出力を得やすいため好ましい。本発明においては、自然エネルギーを用いた発電システムが、二次電池に充電する機構を有していることが好ましい。充電する機構には、アルコール改質形燃料電池、と自然エネルギーを用いた発電システムとの調整機構と、二次電池の容量を監視して必要な際に発電システムからの充電ができる充電調整機構があることが好ましい。アルコール改質形燃料電池、二次電池、自然エネルギーを用いた発電システムのそれぞれが調整機構を有していてもよいし、複数を統括する機構であってもよい。

以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。

（実施例１）
濃度５５％のメタノール水溶液を、Ｃｕ/ZnO/Al2O3触媒により２００−３００℃でメタノール改質を行った後、ＣＯ選択酸化を行うメタノール改質装置を経由し、発生した水素を出力５００Ｗの市販燃料電池に接続した。消費電力１００Ｗの照明、６０Ｗのカメラに接続して運転を行ったところ、１００Ｌのメタノール水溶液で、約８０時間連続動作することが可能であった。またノイズは遠隔計測システムから１ｍの距離で４０ｄＢと非常に静かであった。

（実施例２）
実施例１において、燃料電池と３４０Ａｈのディープサイクル鉛蓄電池と接続し、鉛蓄電池の容量が５０％以下となった際、メタノール改質形燃料電池を起動し、９５％充電されると停止する構成とした。その場合、約１４０時間動かすことが可能であった。

（比較例１）
実施例２において、メタノール改質形燃料電池を接続せず、鉛蓄電池のみを用いて使用したところ、約２０時間しか動作させることができなかった。このことからアルコール改質形燃料電池改質形燃料電池を接続すると長時間、遠隔計測システムに電気を供給することが可能であり、安定的に動作可能であることがわかる。また実施例１との比較からも、鉛蓄電池のみよりも、アルコール改質形燃料電池の方が長時間動作できることが分かる。

（実施例３）
実施例２の遠隔計測システムに、昼間の平均出力４００Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。その結果、１２日間の連続運転が可能であった。

（比較例２）
比較例１の遠隔計測システムに、昼間の平均出力４００Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。実施例３と同じ場所・時期にテストを行ったところ、蓄電池残容量の不足により、初日の夜間にシステムが停止した。

本発明の遠隔計測システムは、メンテナンスを大幅に低減して安定的に長期間駆動させることが可能であり、信頼性に優れる遠隔計測システムを提供することができる。

Claims (5)

1. 少なくとも、アルコール改質型電池を有する電源システムを用いた遠隔計測システム。
2. 請求項１に記載の遠隔計測システムであって、かつ二次電池を有し、アルコール改質形燃料電池によって該二次電池を充電する機構を有する電源システムを用いた遠隔計測システム。
3. さらに、太陽光発電、風力発電、水力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムによって二次電池を充電する機構を有する請求項２に記載の遠隔計測システム。
4. 太陽光発電、風力発電、水力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムからの充電量が不足する場合に、前記アルコール改質形燃料電池が作動して二次電池の充電を行うことを特徴とする請求項３に記載の遠隔計測システム。
5. １ｍ離れた場所での作動音が４０ｄＢ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の遠隔計測システム。