JP2014110719A - Unmanned work device system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an unmanned work device system capable of continuous drive over a long period of time without being influenced by surrounding environment and weather, by significantly reducing a frequency of maintenance such as replacement of a secondary battery even if not being connected with a commercial power supply.SOLUTION: An unmanned work device system uses an electrical power system comprising: at least a direct methanol fuel cell and a secondary battery; and a mechanism for charging the secondary battery by the direct methanol fuel cell.

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、独立電源を有する無人作業装置システムである。例えば、人の立ち入りが危険な区域の作業、調査、管理に用いることができる。 The present invention is an unmanned work device system having an independent power source that can be continuously driven for a long time without being affected by the weather and the surrounding environment, without maintenance. For example, it can be used for work, investigation, and management in areas where human access is dangerous.

これまで、地すべり、崖崩れ、水害、火山噴火が生じた場合、人が立ち入ることが困難であり、無人装置による作業、調査、管理が行われてきた（特許文献１，２）。しかしながら、これらの装置は、二次電池の容量の範囲でしか稼動することができなかった。 Until now, when landslides, landslides, floods, and volcanic eruptions have occurred, it has been difficult for humans to enter, and operations, investigations, and management by unmanned devices have been performed (Patent Documents 1 and 2). However, these devices can only operate within the capacity range of the secondary battery.

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。 In order to supply electric energy to the secondary battery, it is possible to combine a wind power generator and solar power generation. However, since the power generation system uses natural energy, it is difficult to secure a stable power source.

特開平８−５１６７３号公報JP-A-8-51673 特開２００７−１３５５４号公報JP 2007-13554 A

長期に連続駆動が可能な無人作業装置システムの提供。   Providing unmanned work equipment systems that can be driven continuously over a long period of time.

上記課題を解決するために、本発明は、次に示す無人作業装置システムを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following unmanned work device system.

（１）少なくとも、ダイレクトメタノール型燃料電池と二次電池とを有し、ダイレクトメタノール燃料電池によって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無人作業装置システム。
（２）さらに、太陽光発電、風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（１）の無人作業装置システム。
（３）太陽光発電、風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、前記ダイレクトメタノール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（２）の無人作業装置システム。 (1) An unmanned work device system using a power supply system having at least a direct methanol fuel cell and a secondary battery and having a mechanism for charging the secondary battery with the direct methanol fuel cell.
(2) The unmanned work device system according to (1), further including a mechanism for charging the secondary battery by one or more power generation systems selected from the group consisting of solar power generation and wind power generation.
(3) When the charge amount from one or more power generation systems selected from the group consisting of solar power generation and wind power generation is insufficient, the direct methanol fuel cell is activated to charge the secondary battery. (2) The unmanned work device system.

本発明の無人作業装置システムは、長期に連続駆動が可能である。 The unmanned work device system of the present invention can be continuously driven for a long time.

本発明の無人作業装置システムの構成図であるIt is a block diagram of the unmanned work apparatus system of this invention.

本発明における無人作業装置システムは、遠隔操作可能な無人作業装置と、独立型電源としてダイレクトメタノール型燃料電池によって二次電池を充電する機構を有する電源システムを持つ無人作業装置システムである。無人作業装置の種類や構造、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。また、無線通信機器、カメラ、センサーなど、その他機器と併せて使用することも可能であり、例えば無人作業装置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。無線操作では、駆動時間の延長効果が大きいため好ましい。 The unmanned work apparatus system according to the present invention is an unmanned work apparatus system having a remotely operated unmanned work apparatus and a power supply system having a mechanism for charging a secondary battery with a direct methanol fuel cell as an independent power supply. The type, structure, number, etc. of the unmanned work device are not limited and can be arbitrarily selected. It can also be used in conjunction with other devices such as wireless communication devices, cameras, sensors, etc. For example, the data obtained with an unmanned work device can be confirmed at another location with a wireless communication device. You can also. The wireless operation is preferable because the effect of extending the driving time is great.

本発明の無人作業装置システムにおいては、無人作業装置とともに、独立型電源としてダイレクトメタノール型燃料電池によって二次電池を充電する機構を有する電源システムを持つ点に特徴がある。多くの場合、無人作業装置用電源としては、二次電池が利用されているが、蓄電容量の範囲内でしか作業が行えないという問題が有る。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、風力発電と組み合わせることも考えられるが、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る。 The unmanned work device system of the present invention is characterized in that it has a power supply system having a mechanism for charging a secondary battery with a direct methanol fuel cell as an independent power supply together with the unmanned work device. In many cases, a secondary battery is used as the power supply for the unmanned work apparatus, but there is a problem that work can be performed only within the range of the storage capacity. When it is difficult to connect to a commercial power source, it may be possible to combine solar power generation and wind power generation as a means of supplying power. As the wind power generation decreases, there is a problem that the amount of power generation also decreases accordingly.Wind power generation cannot generate power even if the wind speed is too low or too high. Has a problem that it is difficult to use.

それに対して、本発明の無人作業装置システムは、ダイレクトメタノール燃料電池によって安定に二次電池に充電することができ、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、ダイレクトメタノール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。   In contrast, the unmanned work device system of the present invention can stably charge a secondary battery by a direct methanol fuel cell, and even when combined with a power generation system using natural energy such as solar power generation, When the amount of power generated from the power generation system using energy is reduced, there is an advantage that the direct methanol fuel cell can be further stabilized and driven for a long time by making up for the decrease.

ダイレクトメタノール型燃料電池は、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メタノール水溶液、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い、メタノールを燃料として使用した燃料電池による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。また反応性の高いメタノールを燃料として使用することから副反応がわずかなため、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。 A direct methanol fuel cell uses a proton conductive ion exchange membrane as an electrolyte, and catalyst electrode fine particles and a gas diffusion electrode are directly joined to the surface thereof. A methanol aqueous solution is provided on the anode side of the ion exchange membrane-electrode assembly. This is a power generation system using a fuel cell that uses methanol as a fuel, using a chemical reaction that can extract electricity by supplying air to the cathode. Unlike an internal combustion engine, it is an essentially quiet generator because of its power generation through chemical reaction. In addition, since side reaction is slight because highly reactive methanol is used as fuel, the exhaust gas is clean, there are few problems that adversely affect the human body such as carbon monoxide poisoning, and NOx and SOx are not generated. is there.

その他の燃料電池として、純水素を燃料とするものや、メタノールなどを改質して発生させた水素を燃料とするもの、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。メタノールなどを改質する場合には、そのための設備が必要になり、装置の大型化、重量化の問題が生じると共に、改質部分で高温が必要であるため、周囲への影響が生じる場合がある。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、ダイレクトメタノール燃料電池は、液体のメタノ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、燃料電池としての技術も実用レベルにあるため、最も適している。   Other fuel cells use pure hydrogen as fuel, hydrogen generated by reforming methanol, etc., and liquids such as formic acid, dimethyl ether, hydrazine hydrate, and borohydride aqueous solution. Fuel cells to be used are known. However, when a high-pressure cylinder is used to store pure hydrogen, there is a problem that a lot of maintenance is required. In addition, when a hydrogen storage alloy is used, there is a problem that the amount of storage per weight is small and it is difficult to change the fuel. Furthermore, although hydrogen can be generated by a chemical reaction such as water and calcium hydride, it is difficult to control the reaction and it is difficult to cope with intermittent operation. When reforming methanol, etc., equipment for that is required, which causes problems of large size and weight of the device, and high temperature is required at the reforming part, which may affect the surroundings. is there. Fuel cells using other liquid fuels such as formic acid still have many technical problems and are difficult to use. In that respect, the direct methanol fuel cell is most suitable because it uses liquid methanol, has high energy density, is easy to handle, and the technology as a fuel cell is at a practical level.

このダイレクトメタノール型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、ダイレクトメタノール型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機構を付与することで、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、不必要にダイレクトメタノール型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、無人作業装置に長時間電気を供給することができる。よって無人作業装置を常時安定的に、信頼性の高い状態で動作させることが可能である。 By combining this direct methanol fuel cell with a secondary battery, using the secondary battery as a power buffer, and operating the direct methanol fuel cell while monitoring changes in the charging state and operating conditions of the secondary battery By adding a mechanism that performs charging when the secondary battery voltage drops below the set value and stops charging when the secondary battery voltage rises sufficiently, the secondary battery is always in the set range. It is possible to maintain the state of charge and to eliminate the need to move the direct methanol fuel cell unnecessarily, so that it is possible to operate with the minimum required fuel consumption. Therefore, fuel can be used effectively, and electricity can be supplied to the unmanned work apparatus for a long time. Therefore, it is possible to operate the unmanned work device constantly and stably in a highly reliable state.

前記ダイレクトメタノール型燃料電池の出力としては、２０Ｗ〜２．５ｋＷの範囲が好ましく、さらに好ましくは２５Ｗ〜１ｋＷであり、より好ましくは２５Ｗ〜５００Ｗの範囲である。出力が２０Ｗ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２．５ｋＷを越える場合は、副反応による発熱が大きく、かつ大型となるので、無人作業装置システムには向かない傾向にある。 The output of the direct methanol fuel cell is preferably in the range of 20 W to 2.5 kW, more preferably in the range of 25 W to 1 kW, and more preferably in the range of 25 W to 500 W. When the output is less than 20 W, the power supply amount may be insufficient. On the other hand, when it exceeds 2.5 kW, the heat generated by the side reaction is large and the size becomes large, so that it tends not to be suitable for an unmanned work device system.

前記ダイレクトメタノール型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、本発明の無人作業装置システムにおいて信頼性の高い無人作業装置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。 The secondary battery connected to the direct methanol fuel cell is not particularly limited, but preferred examples include a lead storage battery, a nickel hydride battery, a nickel cadmium battery, a lithium ion battery, a lithium polymer battery, and a vanadium battery. As mentioned. Particularly preferred are lead storage batteries, nickel metal hydride batteries or lithium ion batteries. Lead acid batteries and nickel metal hydride batteries are highly safe batteries, and are effective in providing a highly reliable unmanned work device system in the unmanned work device system of the present invention. Since a lithium ion battery can be reduced in size, it can provide a merit that it is easy to carry. Moreover, as a secondary battery, what has durability in repeated charging / discharging is preferable, and a deep cycle lead acid battery, a nickel hydride battery, and a lithium ion battery are preferable.

前記二次電池の容量としては、５時間率容量として２０Ａｈ〜３ｋＡｈのものを使用することが好ましい。特に好ましくは、３５Ａｈ〜２ｋＡｈである。２０Ａｈ以下であると、電池の容量が不足する傾向にあり、３ｋＡｈを越えると大きくなりすぎる傾向にある。一例として、２０Ｗのダイレクトメタノール型燃料電池を使う場合２０Ａｈ〜１００Ａｈ、４０Ｗの場合３０Ａｈ〜１６０Ａｈ、１００Ｗの場合４０Ａｈ〜４００Ａｈ、５００Ｗの場合５０Ａｈ〜１ｋＡｈ、１ｋＷの場合８０Ａｈ〜２ｋＡｈが一つの目安である。 As the capacity of the secondary battery, it is preferable to use a battery having a 5-hour rate capacity of 20 Ah to 3 kAh. Particularly preferred is 35 Ah to 2 kAh. If it is 20 Ah or less, the battery capacity tends to be insufficient, and if it exceeds 3 kAh, it tends to be too large. As an example, 20 Ah to 100 Ah when using a 20 W direct methanol fuel cell, 30 Ah to 160 Ah for 40 W, 40 Ah to 400 Ah for 100 W, 50 Ah to 1 kAh for 500 W, 80 Ah to 2 kAh for 1 kW are one standard. .

また本発明の無人作業装置システムの好ましい実施様態においては、二次電池の電圧が低下した場合のみダイレクトメタノール型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、かつ燃料であるメタノール或いはメタノ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可能であり、メタノールタンクの大きさを設定することで、好ましくは、１０日間以上燃料交換を行う必要のない無人作業装置システムにすることが望まれる。より適切には１５日以上、さらに好ましくは３０日以上燃料交換を行う必要がないことが好ましい。メタノールタンクの容量としては、３Ｌ〜８０Ｌが好ましく、さらに好ましくは５Ｌ〜３０Ｌである。メタノールタンクの容量が３Ｌ以下であると燃料交換頻度が高くなるため好適ではなく、一方８０Ｌを越えるとタンクの持ち運びが不便である。   Further, in a preferred embodiment of the unmanned work device system of the present invention, the direct methanol fuel cell operates only when the voltage of the secondary battery is lowered, so that the fuel can be used efficiently and is a fuel. It is possible to operate stably for a long time by adjusting the tank capacity of methanol or methanol aqueous solution, and by setting the size of the methanol tank, preferably unattended work that does not require refueling for more than 10 days It would be desirable to have a device system. More suitably, it is preferable that there is no need to refuel for 15 days or longer, more preferably 30 days or longer. As a capacity | capacitance of a methanol tank, 3L-80L is preferable, More preferably, it is 5L-30L. If the capacity of the methanol tank is 3L or less, the frequency of fuel change increases, which is not preferable. On the other hand, if the capacity exceeds 80L, the tank is not convenient to carry.

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、ダイレクトメタノール燃料電池、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。ダイレクトメタノール燃料電池、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。   In the present invention, the frequency of maintenance can be further reduced by combining solar power generation and wind power generation in a power generation system using natural energy, and continuous driving for a longer period is possible. Among power generation systems using natural energy, solar power generation is preferable because it is inexpensive and easily obtains high output. In the present invention, the power generation system using natural energy preferably has a mechanism for charging the secondary battery. The charging mechanism includes an adjustment mechanism between the direct methanol fuel cell and the power generation system using natural energy, and a charge adjustment mechanism that monitors the capacity of the secondary battery and can be charged from the power generation system when necessary. It is preferable. Each of the direct methanol fuel cell, the secondary battery, and the power generation system using natural energy may have an adjustment mechanism, or may be a mechanism that controls a plurality.

無人作業装置の例としては、動物、植物、鉱物、化学薬品、気体などのサンプル取得装置、害虫、害獣などの駆除装置、パイプライン、電源ケーブルなどの点検保守装置、高所や狭い場所での清掃装置などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。これらの装置は、有毒ガス、落石、落盤など危険性のある場所や、人が入るスペースのない場所などで用いることができる。   Examples of unmanned work equipment include sample acquisition equipment for animals, plants, minerals, chemicals, gases, etc., extermination equipment for pests, pests, etc., inspection and maintenance equipment such as pipelines, power cables, etc. However, the present invention is not limited to these. These devices can be used in hazardous locations such as toxic gas, falling rocks, and rockfalls, or where there is no space for people to enter.

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。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples.

（実施例１）
ダイレクトメタノール型燃料電池として、ＳＦＣ Ｅｎｅｒｇｙ社製ＥＦＯＹ９００ＪＰ(出力40W)を用い、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製鉛蓄電池caos75B24L(48Ah)と接続し、消費電力２０Ｗの無人作業装置システムに接続することで無人作業装置システムを構築した。１０Ｌのメタノールを燃料に、一日２４時間の連続運転を行ったところ、約１０日間の連続使用が可能であった。 Example 1
As direct methanol type fuel cell, SFC Energy's EFOY900JP (output 40W) is connected to Panasonic lead storage battery caos75B24L (48Ah) and connected to an unmanned work device system with power consumption of 20W. did. When continuous operation was performed for 24 hours a day using 10 L of methanol as fuel, continuous use for about 10 days was possible.

（比較例１）
実施例１において、ダイレクトメタノール型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１５時間しか動作させることができなかった。このことからダイレクトメタノール型燃料電池を接続すると長時間、無人作業装置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。 (Comparative Example 1)
In Example 1, when a direct methanol fuel cell was not connected and only a lead storage battery was used, it could only be operated for about 15 hours. From this, it can be seen that when a direct methanol fuel cell is connected, it is possible to supply electricity to the unmanned work device system for a long time and to operate stably.

（実施例２）
実施例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。約１５日間の連続運転が可能であった。 (Example 2)
A solar power generation system with an output of 10 Wh was connected to the unmanned work device system of Example 1. Continuous operation for about 15 days was possible.

（比較例２）
比較例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。実施例２と同じ場所・時期でテストを行ったところ、連続運転機関は２０時間であった。 (Comparative Example 2)
A solar power generation system with an output of 10 Wh was connected to the unmanned work device system of Comparative Example 1. When the test was performed at the same place and time as Example 2, the continuous operation engine was 20 hours.

（実施例３）
実施例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの風力システムを接続した。約１２日間の連続運転が可能であった。 (Example 3)
A wind power system with an output of 10 Wh was connected to the unmanned work device system of Example 1. Continuous operation for about 12 days was possible.

（比較例３）
比較例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの風力システムを接続した。実施例３と同じ場所・時期でテストを行ったところ、連続運転機関は１８時間であった。 (Comparative Example 3)
A wind power system with an output of 10 Wh was connected to the unmanned work device system of Comparative Example 1. When the test was conducted at the same place and time as Example 3, the continuous operation engine was 18 hours.

本発明の無人作業装置システムは、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、信頼性に優れる無人作業装置システムを提供することができる。   The unmanned work device system according to the present invention can provide stable unmanned work device system that can be stably driven for a long period of time with greatly reduced maintenance, and is excellent in reliability.

Claims (3)

少なくとも、ダイレクトメタノール型燃料電池と二次電池とを有し、ダイレクトメタノール燃料電池によって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無人作業装置システム。 An unmanned work device system using a power supply system having at least a direct methanol fuel cell and a secondary battery and having a mechanism for charging the secondary battery with the direct methanol fuel cell. さらに、太陽光発電、風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１に記載の無人作業装置システム。 The unmanned work device system according to claim 1, further comprising a mechanism for charging the secondary battery by one or more power generation systems selected from the group consisting of solar power generation and wind power generation. 太陽光発電、風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、前記ダイレクトメタノール燃料電池が作動して二次電池の充電を行う機構を有することを特徴とする請求項２に記載の無人作業装置システム。 It has a mechanism for operating the direct methanol fuel cell to charge a secondary battery when the amount of charge from one or more power generation systems selected from the group consisting of solar power generation and wind power generation is insufficient. The unmanned work apparatus system according to claim 2.
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