JP2015006035A - 電源システム、および計測又は観測システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】積雪時でも長期に連続駆動が可能な、例えば計測又は監視システムに用いることが可能な屋外にも設置できる電源システム並びに計測又は観測システムを提供する。【解決手段】少なくとも、出力が５〜３００Ｗの範囲である燃料電池３と、二次電池４とから構成される電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電し、かつ該二次電池から外部に電力を供給する手段５を有し、該手段は、直接、ＤＣ/ＤＣコンバーター、及びＤＣ/ＡＣインバーターからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の手段であって、該電源システムを構成する機器は１個以上の筐体６に収納されており、該筐体は積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、積雪時に好適に使用できる電源システムに関するものである。温度による路面凍結の監視、地滑り、地震などの災害監視、周辺環境や状態の監視に必要な計測又は観測システムに用いることができる。

これまで、電源システム、特に屋外で独立電源として使用する電源システム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、可搬式のリチウムイオン電池は多数市販されているが、長期間連続的に使用するためには、二次電池の容量を増やすしかない。特に屋外で計測又は監視システムに使用する例として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）などが挙げられるが、二次電池は一度放電すると充電する必要があるという問題がある。また電池容量に比例して重くなるため、可搬性に乏しいという問題もあった。

また、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多数提案されているが、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。

そのような問題を解決するために、長期間の電源供給を目的として、例えばリチウムイオン電池とメタノールを燃料とする燃料電池を組み合わせた電源（特許文献４、特許文献５）が紹介されているが、要素技術の検討であり、実際に屋外、特に積雪環境下で電源システムとして使用するところまで検討されたものではなかった。

特開２０１２―８３２９４号公報 特開２００９―８９６０５号公報 特開２００１―２８３３４８号公報 特許第４５６４９４０号公報 特許第４５８３０１０号公報

積雪時でも長期に連続駆動が可能な、例えば計測又は監視システムに用いることが可能な屋外にも設置できる電源システム並びに計測又は観測システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、次に示す電源システム並びに計測又は観測システム、設置方法を提供する。

（１）少なくとも、出力が５〜３００Ｗの範囲である燃料電池と、二次電池とから構成される電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電し、かつ該二次電池から外部に電力を供給する手段を有し、該手段は、直接、ＤＣ/ＤＣコンバーター、及びＤＣ/ＡＣインバーターからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の手段であって、該電源システムを構成する機器は１個以上の筐体に収納されており、該筐体は積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段を有することを特徴とする電源システム。
（２）前記筐体にかかる沈降力を緩和する手段として、筐体にかかる沈降力を緩和する物体を筐体近傍に有することを特徴とする（１）に記載の電源システム。
（３）前記筐体にかかる沈降力を緩和する物体は、柱状であることを特徴とする（２）に記載の電源システム。
（４）前記筐体にかかる沈降力を緩和する手段として、燃料電池から発生する熱を筐体に伝達し、筐体上面の雪を溶かすことにより沈降力を緩和することを特徴とする（１）に記載の設置方法電源システム。
（５）前記燃料電池はダイレクトメタノール型燃料電池、或いはメタノール改質型燃料電池であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電源システム。
（６）（１）〜（５）のいずれかに記載の電源システムから供給された電力を用いて作動する、計測又は観測システム。

本発明によると、積雪環境下において筐体に加わる圧力を軽減できる。そのため、例えば積雪量が多いときに電源システムを雪から保護することが可能である。また筐体自体の設計を簡素化することも可能となる。それゆえ電源システム、或いは計測又は観測システムとした際の安全性、安定性を向上することができる。

本発明の電源システムの構成例である。 本発明の電源システムの構成例である。 沈降力のイメージ図 本発明における沈降力を緩和する機構のイメージ図

温度による路面凍結の監視、地滑り、地震などの災害監視、周辺環境や状態の監視に必要な計測又は観測システムにおいて多くの場合、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。そのような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独立電源が求められるが、例えば二次電池によるものは、特に可搬タイプの場合、持ち運べる重量に制限があるため、供給できる電力は僅かである。一方、太陽電池や風力発電などの自然エネルギーを利用した電源と二次電池を組み合わせた電源システムはすでに提案されているが、太陽電池や風力発電は、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、或いは風の強弱などにより、発電量もそれに応じて変動してしまう問題があり、両者を組み合わせた電源システムは、安定性に問題があった。

また、その他の独立電源として、例えばメタノールを燃料とする燃料電池と蓄電池を組み合わせた電源も検討されているが、要素技術を検討したものであり、具体的に天候や気温の変化が大きな屋外での使用を考えて検討されている例はほとんどない。特に積雪環境化における設置方法を検討した例はほとんど見られない。

本発明における電源システムは、実際に、特に冬季屋外での使用を踏まえた燃料電池と二次電池を組み合わせた電源システムに関するものである。また電源システムを使った計測及び観測システムである。

本発明は、少なくとも、出力が５〜３００Wの範囲である燃料電池と二次電池とから構成される電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電し、かつ該二次電池から外部に電力を供給する手段を有し、該手段は、直接、ＤＣ／ＤＣコンバーター、ＤＣ／ＡＣインバーターからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の手段であって、該電源システムを構成する機器は１個以上の筐体に収納されており、該筐体は積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段を有することを特徴とする設置方法である。

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水素ガスやメタノールなど化石燃料を供給し、カソード側に酸素を含むガス、例えば酸素や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、カルノーサイクルに支配されない、高効率発電が可能である。内燃機関による発電の場合、騒音がうるさく、また排ガスに一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物などの有害物質が多量に混入する可能性があるので、電源システムには適さない。

燃料電池の出力としては、５Wから３００Wの範囲が好ましく、さらに好ましくは２０W〜２５０Wの範囲であり、さらに好ましくは４０W〜２００Wの範囲である。出力が５Ｗ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３００Ｗを越える場合は、消費燃料が多く、かつ重量も増加するので、屋外で使用する電源システムには向かない傾向にある。

本発明においては、燃料電池の起動には電力を使用するため、二次電池と接続して、起動時に二次電池に蓄えられた電力を使用するが、一度燃料電池が起動すれば、燃料電池から二次電池に電気を供給することが可能となる。そのため、二次電池のみからなる可搬型電源システムでは、二次電池の容量がなくなると全く使えなくなる問題があったが、燃料電池と接続することで、二次電池への充電が可能となるため、長期間電力を供給することができ、可搬型電源システムの動作時間を長くすることができ、ひいてはより安定性の高いシステムを提供することができる。また家庭用燃料電池の場合、商用電源から起動に必要な電力を賄う構成が採用されているが、このような系では、屋外で使用する電源システムとしては好ましくない傾向にある。

燃料電池と連結する二次電池としては、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、ニッケルカドミウム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カドミウム電池は信頼性の高い電池であり、本発明の屋外用の電源システムにおいて信頼性の高いもの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、温度特性も考慮すると、鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池が好ましく、特に本発明に好ましい二次電池は鉛蓄電池、中でもディープサイクルタイプの鉛蓄電池である。

前記二次電池の容量としては、用途に応じて適宜選択可能であるが、２０時間率容量として５Ａｈ〜３００Ａｈのものを使用することが好ましい傾向にある。特に好ましくは、１０Ａｈ〜１５０Ａｈである。５Ａｈ以下であると、電池の容量が不足する傾向にあり、３００Ａｈを越えると重くなりすぎる傾向にある。一例として、４５Ｗの場合１０Ａｈ〜１００Ａｈ、１１０Ｗの場合５０Ａｈ〜２００Ａｈ、が一つの目安である。燃料電池の出力に対して二次電池の容量が小さすぎると直ぐに充電が完了し、ON/OFFの頻度が高くなるため好ましくなく、大きすぎると満充電に至らず必要以上に燃料を消費する傾向にある。

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、燃料電池を運転することは本発明の電源システムとして好ましい。二次電池の電圧が降下して下限設定値Ａ以下になった場合に前記燃料電池による発電によって二次電池への充電を行い、前記二次電池の電圧が上昇して上限設定値Ｂ以上になった場合に前記燃料電池による発電を停止し二次電池への充電を停止する機構を有することで、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、長時間電気を供給することができる。よって常時安定的に、信頼性の高い電源として動作させることが可能である。

また前記下限設定値Ａ及び上限設定値Ｂがいずれも変更可能であることで、二次電池の状態に適した運転が可能となる。鉛蓄電池における目安としては、−２０℃の場合、下限設定値Aは１０．５〜１３．０V、上限設置値Bは１３．５〜１４．７Vの範囲である。

二次電池からは、直接或いはＤＣ／ＤＣインバーター或いはＤＣ／ＡＣインバーターの少なくとも一つを介して外部に電気を供給する仕組みであることが必要である。ＤＣ／ＤＣインバーター或いはＤＣ／ＡＣインバーターの種類は任意のものを選ぶことができる。好ましいＤＣ／ＤＣインバーター或いはＤＣ／ＡＣインバーターは、出力１０W〜３５０Wの範囲のＤＣ／ＤＣインバーター或いはＤＣ／ＡＣインバーターである。出力が１０W未満であると電源として出力が足りない傾向にあり、３５０Wを越えるようなＤＣ／ＤＣインバーター或いはＤＣ／ＡＣインバーターは、待機電力が大きく、燃料消費速度が速く、かつ筐体内部への放熱も大きいため好ましくない。なおDC／ACインバーターのAC出力としては正弦波のでるものが特に好ましい傾向にあるが、制限されるものではない。

本発明において燃料電池および二次電池等の電源システムを構成する機器は、一つ以上の筐体に収納されていることを特徴とする。電源システムを屋外で使う場合には、風雨等の環境にさらされるため、筐体内に設置することが好ましい。なお、筐体は設置場所による制限を減らすため、運搬を容易にする目的で、筐体は運搬補助機構を持つことが好ましい。なお重量の制限を減らすために、二つ以上の筐体に分けて運搬できるようにすることは、なお好ましい構成である。各筐体の重量は特に制限を受けるものではないが、山間部などへの運搬を考慮すると各１００ｋｇ以下であることが好ましい。重量が１００ｋｇを越える場合、電源システムとして持ち運びが困難となる傾向にある。より好ましくは４０ｋｇ以下であり、さらには２５ｋｇ以下である。

運搬補助機構の例としては、筐体には取っ手のように手で保持したり、あるいは例えばリュックのように肩や背中に提げることが可能なよう輪っか状など持ち運びが簡易となる何らかの凹凸構造を有するなどは持つことが好ましい例である。また、キャリーケースのよう車輪や、収納式の持ち手があっても良い。また台車等の運搬用器具への固定を補助する構成であっても良い。

本発明においては、筐体を設置した際、積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段を有することを特徴とする。

積雪には、時間の経過と共に圧密し沈降する性質がある。この場合、積雪の中に筐体があると、筐体の上部や側方にある積雪の沈降が筐体によって妨げられるため、筐体に引っかかった状態となる。その積雪の重量によって、筐体に沈降力が作用する。イメージを図３に示すが、沈降力を理論的に求める事は雪質によっても変わるため、一般に容易でなく、一般には水平桁に作用する沈降力の実測から得られた経験式を用いている。例としては式１〜２がある。
Fs＝９．８×１．７（Smax/9.8）^１．５ ・・・・（式１）
Fs=1.4Smax ・・・（式２）
ここで、Fs:沈降力（ｋN/m）、Smax:褶曲層内積雪の単位面積当たりの最大積雪重量（kN/m2）である。

通常、筐体上部に積もる雪による荷重の数倍〜数十倍の力が印加されることとなるため、本発明の燃料電池を含む筐体を積雪環境下で使用する場合、筐体が圧力により破壊される可能性が高い。

そこで本発明における設置方法としては、積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段を有することを特徴としている。

例えば、本発明の筐体において沈降力が発生する箇所の地上高さよりも背の高い物体を筐体近傍に設置する方法は、積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する好ましい手段の例である。筐体の近くに、筐体よりも背の高い物体が存在すると、その物体の方に沈降力がかかるため、筐体への荷重は抑えられるという特徴がある。例えば少なくとも１つ以上のH鋼など柱状の物体を筐体近くに埋めることでそちらに沈降力を分散する手段がある。その他、岩や木材、土、ブロック、コンクリート柱などの物体も同様に使用可能であるが、材質、形態として沈降力による荷重に耐える強度があるものであれば、特に限定されるものではない。物体は固定のため、一部を埋めることも可能であるし、単に地上に置くことも可能である。図４に本方策による圧力分散のイメージ図を示す。

或いは、筐体の温度が０℃よりも高くなるようヒーターや地面の熱を伝える構成により、筐体周辺部或いは上部の雪のみ溶かすことで、沈降力を抑制することも可能である。沈降力は雪が沈む際に、周辺よりも地上高さが高い場所に発生するが、筐体上部の雪を溶かすことによって、圧力自体が加わらないようにすることも可能である。また前記ヒーターや地上の熱の他、燃料電池で発生する熱を筐体に伝えることで筐体周辺部の雪を溶かす手段を採ることも可能である。

本発明における燃料電池としては、特に限定されるものではないが、特に燃料にはメタノールを用いることが好ましい。積雪時の寒冷な環境でも凍結せず、取扱性に優れることに加え、高エネルギー密度のため、長期間駆動する場合良好な燃料といえる。従って燃料電池としては、ダイレクトメタノール型燃料電池、或いはメタノール改質型燃料電池が好ましい。ここでいうダイレクトメタノール型燃料電池は、メタノール或いは希釈したメタノールを燃料電池に供給することで動作する燃料電池であり、メタノール改質型燃料電池は、メタノールを一旦改質器を経由させることで少なくとも水素を取り出し、その水素を燃料電池に供給することで動作する燃料電池のことである。

発電可能な電力は、いずれも燃料量に比例するため、運転したい期間に併せて燃料タンクの大きさを変えることができる。燃料タンク内の燃料は５０〜９９．５％の範囲の濃度のメタノール水溶液であることが好ましい。例えば濃度５０％である場合、備蓄量などに規制がないため取り扱いに優れるという長所がある。一方で高濃度になるほど長時間使用可能となる長所がある。より好ましくは９０％〜99.5％の範囲である。

特にダイレクトメタノール型燃料電池としては、前記高濃度燃料を取り込んだ後、燃料電池本体にて、希釈後、燃料電池スタックに希釈メタノールが供給される構成が好ましい。高濃度のメタノールが燃料電池スタックに流れ込むと、出力低下に繋がる可能性があるため、希釈メタノールの濃度は、０．３％〜１０％の範囲であることが特に好ましい。

また、前記二次電池に対し、自然エネルギーによる充電機構を有していることを特徴とすることは好ましい構成である。太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置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。特に好ましい組合せは太陽光発電装置である。

また本発明の電源システムに接続する機器としては、任意に選ぶことが可能であるが、例えば、雨量計、地震計、温湿度計、地すべりセンサー、濃度計、監視カメラ、赤外線センサー、気圧計、風速計、水位センサー、圧力センサー、変位センサー、風速センサー、地下探査、放射性物質濃度センサー、放射線量センサー、照明、位置センサー、コンピューター、携帯電話等の無線通信機器、などがある。また、画像・音声・データの記録装置など、その他機器と併せて使用することは有用であり、データを、無線通信機器によって送信し、別の場所で遠隔モニタリングすることができる。

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）
燃料電池として、ＳＦＣ Ｅｎｅｒｇｙ社製ＥＦＯＹ Ｐｒｏ９００(出力３８W、ダイレクトメタノール型燃料電池)を用い、１２V−２４Ahディープサイクル鉛蓄電池と接続した。また鉛蓄電池は２５０W−DC/ACインバーターに接続し、１００Vの交流電源として使用可能な構成とした。燃料としては５Lタンクに入れた９９％メタノールを用い、これらを厚さ５ｍｍのポリカーボネート製の筐体内（内部：幅５５ｃｍ×奥行き７０ｃｍ×高さ６０ｃｍ）に収納した。燃料電池から、筐体外部に吸気排気用配管を取り出し、筐体の側上面には圧力センサーをセットした。試験的に、本発明の電源システムを−１℃の人口降雪室内に設置し、消費電力８Ｗの監視カメラに接続した。また、筐体側面２０ｃｍの位置に、高さ１．０ｍとなるようブロックを積み、４８時間人工的に雪を降らせ、その後２００時間放置した。連続運転を行ったところ、良好に動作することを確認した。試験後に圧力センサーにかかる圧力は、７０ｋg/m2であった。

（比較例１）
実験例１の試験において、ブロックを設置しないことを除き、実施例１に従い試験を行った。試験後に圧力センサーにかかる圧力は、３００ｋｇ/m2であった。試験後の筐体は圧力により部分的に変形していた。

実施例１と比較例１の比較より、筐体よりも地上高さの高いブロックを横におき、筐体にかかる沈降力をブロックに分散させた本発明の電源システムによると、積雪環境下でも雪により発生する沈降力を抑制することが可能であるため、筐体を保護することが可能である。

（実施例２）
実施例１において、燃料電池はＳＦＣ Ｅｎｅｒｇｙ社製ＥＦＯＹ Ｐｒｏ２２００(出力９０W、ダイレクトメタノール型燃料電池)を用い、かつ筐体としては該ポリカーボネート製筐体の上面のみ厚さ1mmのステンレスに張り替えたものを使用し、実施例１と同様の試験を行った。また負荷としては、監視カメラに変えて、消費電力５４Wのライトを用いた。圧力センサーにかかる圧力は、４１ｋｇ/m2であった。

実施例２によると、筐体上面の素材をステンレスに変更することで、燃料電池から発生する廃熱が筐体上面に伝わり、筐体に積もる雪を溶かすことで、沈降力を低減できることを示している。尚、この手法は燃料電池の出力が高い場合ほど有効と考えられる。

本発明によると、特に積雪が問題となるような屋外環境においても、良好に起動する燃料電池を用いた発電システムを提供できる。そこため、計測、観測がこれまで困難であった地域における計測、観測が可能となる。

１．筐体にかかる沈降力を緩和する物体
２．燃料タンク
３．燃料電池
４．二次電池
５．外部への電力供給
６．筐体
７．筐体の上側
８．地面
９．燃料電池から発生する熱を筐体上部に伝える機構
１０．褶曲層（１２に加わる圧力が増加）
１１．Smax(重量)
１２．筐体
１３．筐体にかかる沈降力を緩和する物体（１３により１０に由来する圧力を受ける構成、１２への沈降力を緩和する）

Claims (6)

1. 少なくとも、出力が５〜３００Ｗの範囲である燃料電池と、二次電池とから構成される電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電し、かつ該二次電池から外部に電力を供給する手段を有し、該手段は、直接、ＤＣ/ＤＣコンバーター、及びＤＣ/ＡＣインバーターからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の手段であって、該電源システムを構成する機器は１個以上の筐体に収納されており、該筐体は積雪時に該筐体にかかる沈降力を緩和する手段を有することを特徴とする電源システム。
2. 前記筐体にかかる沈降力を緩和する手段として、筐体にかかる沈降力を緩和する物体を筐体近傍に有することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記筐体にかかる沈降力を緩和する物体は、柱状であることを特徴とする請求項２に記載の電源システム。
4. 前記筐体にかかる沈降力を緩和する手段として、燃料電池から発生する熱を筐体に伝達し、筐体上面の雪を溶かすことにより沈降力を緩和することを特徴とする請求項１に記載の設置方法電源システム。
5. 前記燃料電池はダイレクトメタノール型燃料電池、或いはメタノール改質型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電源システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電源システムから供給された電力を用いて作動する、計測又は観測システム。