JP2015210915A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源に接続されていなくても使用可能で、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、かつ、特に周囲温度が大きく変化する場所でも使用できる、長期に連続駆動が可能な電源システム、並びに計測又は観測システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と二次電池を含む電源システムであって、これを構成する燃料電池及び二次電池は少なくとも１個以上の筐体に収納されている。ここで、燃料電池からは、発電したときに生成される余剰廃熱が排ガスとして排出されるか、または熱交換器を介して熱移動された排ガスが排出される。筐体外壁面に設けられた排気口３、または燃料電池と排気口３を繋ぐ通路内に経路の設けられた切換え機構６により、（Ａ）この排ガスが該筐体内へ循環する状態と、（Ｂ）排気口３から該筐体外へ排出される状態とに切換えできる構造を持つことにより、燃料電池の運転環境を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測又は観測システムに用いることができる燃料電池と二次電池を組み合わせた独立電源システムに関するものであり、特に周囲温度が変化する場所に設置される場合において、最適な燃料電池運転条件へ簡単にかつ確実に切換え可能な、筐体に収納された電源システムを提供する。

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観測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ダイレクトメタノール型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、特に周囲温度の変化に対して運転条件を切換えるような電源システムについてまでは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

商用電源に接続されていなくても使用可能で、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、かつ、特に周囲温度が大きく変化する場所でも使用できる、長期に連続駆動が可能な電源システム、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監視システムを提供する。

（１）少なくとも、出力が３〜３００Ｗの範囲である燃料電池と二次電池を含む電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電可能であり、かつ該燃料電池及び該二次電池から外部への電力供給手段を有し、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１種以上の手段で、該電源システムを構成する燃料電池及び二次電池は少なくとも１個以上の筐体に収納されており、該燃料電池は燃料と酸化剤とを化学反応させて発電したときに生成される余剰廃熱を放出する手段として、該化学反応による生成物中の気体成分を排ガスとして排出する機構を有するか、または該生成物から熱交換器を介して熱移動された排ガスを排出する機構を有し、該燃料電池を収納する筐体において、該筐体外壁面に設けられた該排ガスを排出する排気口を有し、該排気口または、該燃料電池と該排気口を繋ぐ通路内に経路切換え機構を有し、該経路切換え機構の動作によって、（Ａ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該筐体内へ循環する状態と、（Ｂ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該排気口から該筐体外へ排出される状態とに切換えできる構造を有することを特徴とする電源システムである。
（２）前記経路切換え機構の動作が温度センサにより検出される値によって自動制御されることを特徴とする（１）に記載の電源システムである。
（３）前記経路切換え機構の動作が温度により形状変化する物質の収縮および膨張、変形により発生する力を駆動力として行われることを特徴とする（１）に記載の電源システムである。
（４）前記経路切換え機構の動作が遠隔制御可能であることを特徴とする（１）に記載の電源システム。
（５）前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池、メタノール改質型燃料電池、又は固体水素利用型燃料電池のいずれか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である。
（６）（１）乃至（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である。

本発明の電源システムは、周囲温度が大きく変化する場所でも使用できる独立電源システムである。また同電源システムを使った計測又は観測システムであり、特に周囲温度が大きく変化する場所でも安定した計測又は観測が可能になる。

排気口部に設置された経路切換え機構の例である（ａ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが排気口から筐体外へ排出される状態である（ｂ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが筐体内に循環する状態である 燃料電池から排気口への通路内に設置された経路切換え機構の例である（ａ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが排気口から筐体外へ排出される状態である（ｂ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが筐体内に循環する状態である 燃料電池から排気口への通路内に設置された経路切換え機構の例である（ａ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが排気口から筐体外へ排出される状態である（ｂ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが筐体内に循環する状態である 熱膨張収縮を利用した経路切換え機構の例である（ａ）高温時にシリンダ内の気体が熱膨張したことで、シリンダロッドが移動して排気口が開き、燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが排気口から筐体外へ排出される状態である（ｂ）低温時にシリンダ内の気体が熱収縮したことで、シリンダロッドが移動して排気口が閉じ、燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが筐体内に循環する状態である 燃料電池の概念図である 本発明の電源システムにおける計測または観測システムへの電気的接続に関する例である。

電源として商用電源が幅広く利用されているが、場所によっては商用電源の使用が困難という問題がある。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、特に周囲温度が大きく変化するような環境下での使用を考えて検討されている例はほとんどない。

本発明における電源システムは、周囲温度が大きく変化するような場所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り、また電源システムを備えた計測及び観測システムである。

少なくとも、出力が３〜３００Ｗの範囲である燃料電池と二次電池を含む電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電可能であり、かつ該燃料電池及び該二次電池から外部への電力供給手段を有し、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１種以上の手段で、該電源システムを構成する燃料電池及び二次電池は少なくとも１個以上の筐体に収納されており、該燃料電池は燃料と酸化剤とを化学反応させて発電したときに生成される余剰廃熱を放出する手段として、該化学反応による生成物中の気体成分を排ガスとして排出する機構を有するか、または該生成物から熱交換器を介して熱移動された排ガスを排出する機構を有し、該燃料電池を収納する筐体において、該筐体外壁面に設けられた該排ガスを排出する排気口を有し、該排気口または該燃料電池と該排気口を繋ぐ通路内に経路切換え機構があり、該経路切換え機構の動作によって、（Ａ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該筐体内へ循環する状態と、（Ｂ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該排気口から該筐体外へ排出される状態とに切換えできる構造を有することを特徴とする電源システムである。

燃料電池に関する検討は、多数行われており、例えば、電気化学便覧第６版ｐ６１６〜６３７に記載されている。中でも高分子電解質膜を利用する燃料電池は、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と熱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。

燃料電池の一般的な概念図を図５に示し、これを元に説明すると、少なくとも燃料電池は、前述のイオン交換膜−電極接合体と、アノードに接する面に燃料を供給するための燃料流路と、カソードに接する面に酸化剤を供給するための酸化剤流路とを形成したセパレータと、を有する単セル、或いは複数の単セルを積層したスタック（１８）と、単セル或いはスタックの燃料入り口に燃料を供給する燃料供給機構（１９）と、単セル或いはスタックの酸化剤入り口に主に空気からなる酸化剤を供給する酸化剤供給機構（２０）と、単セル或いはスタックから排出される排ガスを、直接或いは間接的に外部に排出する機構（２１）、さらに単セル或いはスタックから生じる直流電流（２２）を制御機構（２３）を介し、外部に供給（２４）する機構と、これらを収納する収納機構（２５）とからなり、また、温度も含めてこれら機構を制御する機構を有するものである。具体例としては多数あるが、例えば、電気化学便覧第６版、Ｐ６３６やＰ６２０に、（１８）、（１９）、（２０）、（２１）や（２５）の部分が示されていたり、特開２０１３−７７４２９、ＥＰ２２３９８０８などに内部の構造が記載されているが、限定されるものではなく、燃料電池を表現する際、前記単セルやスタックを燃料電池として示すことも多いが、本発明における燃料電池とは、図５の概念図に示される燃料電池への燃料や酸化剤の供給や制御を含む機構や温度制御が含まれた燃料電池システムを示す。ここで燃料供給機構には、燃料タンクからの燃料供給を含み、燃料タンク自体は、前記収容機構内部にあっても外部にあっても好ましいものである。

本発明においては、前記燃料電池は二次電池と電気的に接続され、燃料電池で発電した電力を二次電池に充電できることを特徴とする。

燃料電池の出力としては、３Wから３００Wの範囲が好ましく、さらに好ましくは１０W〜２５０Wの範囲であり、さらに好ましくは２５W〜２００Wの範囲である。出力が３Ｗ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、電気的に接続した二次電池から、燃料電池の起動時に二次電池に蓄えられた電力を使用できる構成が好ましい。また燃料電池起動後は、燃料電池から二次電池に電力供給して充電することが可能となる構成が好ましい。その場合、燃料電池は二次電池の状態を常にモニタリングすることで、二次電池の充電状態を監視し、二次電池の充電状態が常に任意に設定した範囲内となるよう、燃料電池の起動停止を行うことが好ましい構成である。

燃料電池と二次電池を組み合わせることにより、独立電源システムとしての使用が可能となる。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り、一定の範囲の充電状態に二次電池を管理できるため、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。

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〜２５０Ａｈ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、２５０Ａｈ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、燃料電池の起動停止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。

従って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様態である。例えば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、また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。また２０℃の場合、下限設定値Ａは、１０．５〜１２．３Ｖ、上限設定値Ｂは、１３．０Ｖ〜１４．３Ｖの範囲である。

また、燃料電池及び二次電池から外部への電力供給手段を有し、その手段は、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以上の手段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。例えば図６に構成の模式図を示すが、燃料電池（２６）のプラス極およびマイナス極は、それぞれ二次電池（２７）のプラス極とマイナス極に電線を通じて接続されており、また外部への電力供給手段（２８）に接続されており、各種計測または監視システム（２９）に接続されている構成は好ましい形態である。

本発明において燃料電池および二次電池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、風雨や雪等の環境にさらされるため、燃料電池および二次電池は筐体内に設置することで、外部環境から保護されることが必要である。なお、筐体は設置場所による制限を減らすため、運搬を可能にする目的で、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、さらに好ましくは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。

本発明では、特に周囲温度が大きく変化する場合でも燃料電池が好適に発電可能にすることを目的としている。燃料電池は燃料と酸化剤の化学反応により電気を取出す仕組みであるが、この反応は発熱反応であるため副次的に熱を生成しており、余剰となる廃熱は外部へ排ガスとして排出する必要がある。周囲温度がほとんど変化しない場所への設置であれば、排ガスの処理を一定の条件で、例えば排ガスを外部へ排出するような構造や、排ガスを筐体内部へ循環するような構造とすれば良いが、周囲温度が大きく変化するような場所に設置する場合はそれらの一定条件にのみ適用できる構造では、燃料電池が故障する恐れがある。例えば、低温の場合では燃料電池内の内部液が凍結することにより故障するし、高温の場合では燃料電池自身が生成する熱により筐体内が高温となり故障することがある。

そのために、本発明の電源システムは、周囲温度に応じて、燃料電池の排ガスを筐体外部へ排出できる構造と筐体内部へ循環させる構造とに簡単にかつ確実に切換えできるよう工夫を施していることを特徴としている。即ち、燃料電池を収納する筐体において、筐体外壁面に設けられた排ガスを排出する排気口または燃料電池と排気口を繋ぐ通路内に経路切換え機構があり、その経路切換え機構の動作によって、（Ａ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが筐体内へ循環する状態と、（Ｂ）燃料電池の余剰廃熱を含む排ガスが排気口から筐体外へ排出される状態とに切換えができる構造を有していることを特徴としている。経路切換え機構としては特に制限されるものではないが、例えば図１のように排気口（３）に可動式ルーバ（４）と回転式経路切換え扉（７）があって、開閉制御機構（５）の動きにより排気の経路切換えができるような構造でも良いし、図２、図３のように燃料電池と排気口を繋ぐ通路内に回転式経路切換え扉（１１）やスライド式切換え扉（１２）があって、扉（１１）、（１２）の動きにより経路切換えできるような構造でも良い。ここでは、（A）の状態に完全に切り替わった場合では燃料電池を収納する筐体内部に排ガスが戻らず、また（B）の状態に完全に切り替わった場合では排気口から排ガスが逃げない構造とすることが重要であり、これにより効果的に排ガスの除去または排ガスの利用をすることが可能である。

また経路切換え機構の排ガス経路切換え方法としては特に制限されるものではない。直接的な人力手動による切換え方法でも良いし、モータ、エアシリンダ、油圧シリンダなど既存のアクチュエータを用いた切換え方法でも良い。特に排ガス経路切換えを自動制御や遠隔制御で行う場合は前述の既存のアクチュエータを用いた切換え方法が好ましい。

本発明では、経路切換え機構の排ガス経路切換えを温度センサにより検出される値によって自動制御されることを特徴とすることにより、設置現場に行かずとも切換え可能とすることができる。山間部などの立ち入り容易でない遠隔地に電源システムを設置する場合には、経路切換え機構の切換えを自動制御することによりメンテナンスの負担を軽減できるメリットがある。自動制御方法としては特に制限されるものではないが、例えば検出温度値に対して線形的または非線形的に経路切換え機構により動作する扉の開閉率を変更する制御方法や、検出温度値がある閾値に達した際に経路切換え機構の切換えが動作する制御方法を用いることができる。商用電源の使用が困難な場所に設置する場合では、検出温度値に対して線形的または非線形的に経路切換え機構により動作する扉の開閉率を変更する制御方法は、切換え機構を動作させるアクチュエータを頻繁に細かく動作させる必要があり消費電力が増加するため、検出温度値がある閾値に達した際に経路切換え機構の切換えが動作する制御方法の方がより好ましい。経路切換えするための温度閾値の設定値としては、燃料電池が使用できる環境温度にもよるが、−２０℃〜３５℃の間に設定することが好ましく、さらには−５℃〜２０℃の間に設定することがより好ましい。また頻繁な切換えを防止するために温度閾値は２点設け、筐体内に排ガスを循環させる状態への切換え温度閾値よりも、筐体外へ排ガスを排出させる状態への切換え温度閾値を高く設定し、２点の温度閾値の温度差としては５℃〜１０℃とすることが好ましい。筐体内部の温度は燃料電池の稼働状況や経路切換え状態によって大きく変化する場合があるため、検出温度の測定位置としては筐体外の気温とすることが好ましい。

また本発明では、経路切換え機構の動作を温度により形状変化する物質の収縮および膨張、変形により発生する力を駆動力として行うことにより、設置現場に行かずとも切換え可能とすることができ、商用電源の使用が困難な場所に設置する場合では機器消費電力の低減がすることができる。使用する物質については、特に制限されるものではなく、固体・液体・気体どれを選定しても良い。特には温度変化に対して膨張率・収縮率に優れた気体を用いることが、構造を簡易にでき、コスト面から好ましい。気体の種類としては特に制限はないが、コスト面や安定性、安全性の面から空気または窒素ガスを使用することが好ましい。図５に図２の経路切換え機構に対して気体を封入したシリンダを用いて動作させる場合を例として示す。例えば気体の場合、圧力一定であれば−２０℃から３５℃への温度変化で約１．２倍の膨張率があるため、図５の場合では切換え動作に必要なストロークに対して６倍程度の全ストロークを持つシリンダを用いる。またシリンダロッドがストロークの中間位置にある場合は、シリンダに封入された気体の絶対圧によりシリンダロッドにかかる力Ｆｓ（Ｎ）、大気圧によりシリンダロッドにかかる力Ｆａ（Ｎ）、可動式ルーバ（４）の全重量により発生するモーメントのうち開閉制御機構（５）を持ち上げようとする力Ｆ１（Ｎ）、開閉制御機構（５）の重量Ｍ２（ｋｇ）、排ガス循環切換え扉（７）の重量により発生するモーメントのうち開閉制御機構（５）を持ち上げようとする力Ｆ３（Ｎ）には式１の釣り合いの関係にある。設置場所の標高が高く大気圧が減少した場合は、Ｆａが減少するため温度に対するシリンダロッドの動作タイミングが変化して最適な切換え動作条件とならない可能性がある。そのため、排ガス循環切換え扉（７）に取り付けられた調整錘（１６）と排ガス循環切換え扉（７）の回転軸との距離を調整することでシリンダロッドの動作タイミングを調整し、最適な開閉条件とすることが可能である。
Ｆｓ＋Ｍ２ｇ＝Ｆａ＋Ｆ１＋Ｆ３ ・・・・・（式１）
ここで、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ＾２）である。

また本発明では、経路切換え機構の動作を遠隔制御可能とすることにより、設置現場に行かずとも任意に切換え可能とすることができる。山間部などの立ち入り容易でない遠隔地に電源システムを設置する場合には、経路切換え機構の動作を遠隔制御することによりメンテナンスの負担を軽減できるメリットがある。遠隔制御のための遠隔通信方法としては、無線ＬＡＮによる通信、例えば携帯電話通信網、公衆電話通信網、衛星電話通信網を介した通信方法でも良いし、その他の手段でも良く、設置場所における通信網整備状況に応じて選択できる。

本発明における燃料電池としては、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。また、固体水素利用型燃料電池も好ましい例である。固体水素利用型燃料電池とは、アルミニウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウムなどと水分との化学反応で水素を発生し、その水素を燃料として動作させる燃料電池のことである。固体燃料のため、保管が容易であり、必要に応じて水を加えることで燃料を発生できるメリットがある。

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。燃料としてメタノールを用いる場合、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。

また燃料量としては、１回の燃料交換にて、０．６ｋWh〜９０ｋWhの電力量を供給可能であることが好ましい。電源システムの効率によるが、メタノールとして１L〜８０Lが目安である。１回の燃料交換にて供給可能な電力量が０．６ｋWｈよりも小さいと、燃料交換頻度が高く、メンテナンスが煩雑となる傾向にあり、９０ｋWhよりも大きいと燃料が重く交換が難しくなる傾向にある。

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も有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から供給された電力を用いて計測又は観測システムを作動することができる。該計測又は観測システムを構成する機器としては、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。

（実施例１）
燃料電池にはＳＦＣ社製のＥＦＯＹＰｒｏ８００を用い、燃料電池をプラスック製の筐体に収納した状態の装置を製作した。燃料電池の排気口には図１の機構を持つルーバを設け、ルーバが開いた際には燃料電池から筐体外部へ放熱される構造とした。この装置を−３０℃に温調された恒温ブースに設置し、ルーバが閉じた状態で燃料電池を運転させた。筐体内の平均温度は−１０℃であったが、燃料電池は停止することなく運転を行った。
（比較例１）
実施例１において、ルーバが開いた状態で燃料電池を運転させた。筐体内の平均温度は−２２℃となり、ほどなくして燃料電池は運転停止した。停止原因は燃料電池内の循環液の凍結であった。

（実施例２）
実施例１の装置を、４０℃に温調された恒温ブースに設置し、ルーバを開いた状態で燃料電池を運転させた。筐体内の平均温度は４８℃であったが、燃料電池は停止することなく運転を行った。
（比較例２）
実施例２において、ルーバが閉じた状態で燃料電池を運転させた。筐体内の平均温度は６０℃になり、ほどなくして燃料電池は運転停止した。停止原因は燃料電池スタックの過昇温であった。

本発明によると、周囲温度が大きく変化場所でも、良好に動作する燃料電池を用いた発電システムを提供できる。そのため、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）燃料電池及び燃料電池の排ガス排出部
（２）燃料電池と排気口とを繋ぐ通路
（３）筐体外壁面に取り付けられた排ガスが排出される排気口
（４）排気口に設けられた可動式ルーバ
（５）可動式ルーバ（４）および排気循環切換え扉（７）の開閉制御機構
（６）開閉制御機構（５）の切換え制御入力部
（７）回転式の筐体内への排ガス循環切換え扉
（８）燃料電池から排出される排ガス
（９）筐体内へ循環する排ガス
（１０）排気口に設けられた固定式ルーバ
（１１）回転式の筐体内への排ガス循環切換え扉
（１２）スライド式の筐体内への排ガス循環切換え扉
（１３）排ガス経路切換え制御用シリンダ
（１４）制御入力部（６）に直接接続されるシリンダロッド
（１５）シリンダ内に封入された気体
（１６）シリンダ圧力と開閉扉重量とのバランスを調整する錘
（１７）シリンダロッド（１４）が無い側のシリンダ内圧力を大気圧に調整する通気穴
（１８）単セル、或いは複数の単セルを積層したスタック
（１９）単セル或いはスタックの燃料入り口に燃料を供給する燃料供給機構
（２０）単セル或いはスタックの酸化剤入り口に主に空気からなる酸化剤を供給する酸化剤供給機構
（２１）単セル或いはスタックから生じる直流電流の制御機構
（２２）単セル或いはスタックから排出される排ガスを外部に排出する機構
（２３）単セル或いはスタックから生じる直流電流
（２４）二次電池に電力を供給するための機構
（２５）収納機構
（２６）燃料電池
（２７）二次電池
（２８）外部への電力供給手段
（２９）各種計測または監視システム

Claims (6)

1. 少なくとも、出力が３〜３００Ｗの範囲である燃料電池と二次電池を含む電源システムであって、該燃料電池は該二次電池を充電可能であり、かつ該燃料電池及び該二次電池から外部への電力供給手段を有し、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１種以上の手段で、該電源システムを構成する燃料電池及び二次電池は少なくとも１個以上の筐体に収納されており、該燃料電池は燃料と酸化剤とを化学反応させて発電したときに生成される余剰廃熱を放出する手段として、該化学反応による生成物中の気体成分を排ガスとして排出する機構を有するか、または該生成物から熱交換器を介して熱移動された排ガスを排出する機構を有し、該燃料電池を収納する筐体において、該筐体外壁面に設けられた該排ガスを排出する排気口を有し、該排気口または、該燃料電池と該排気口を繋ぐ通路内に経路切換え機構を有し、該経路切換え機構の動作によって、（Ａ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該筐体内へ循環する状態と、（Ｂ）該燃料電池の余剰廃熱を含む該排ガスが該排気口から該筐体外へ排出される状態とに切換えできる構造を有することを特徴とする電源システム。
2. 前記経路切換え機構の動作が温度センサにより検出される値によって自動制御されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記経路切換え機構の動作が温度により形状変化する物質の収縮および膨張、変形により発生する力を駆動力として行われることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記経路切換え機構の動作が遠隔制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
5. 前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池、メタノール改質型燃料電池、又は固体水素利用型燃料電池のいずれか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乃至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。