JP6206312B2

JP6206312B2 - 電源システム

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Publication number: JP6206312B2
Application number: JP2014089807A
Authority: JP
Inventors: 全広山下; 祥行勝間; 前田　健作; 健作前田; 北村　幸太; 幸太北村
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: JP2015210858A

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、特に積雪対策が施された筐体構造に関するものである。

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、特に積雪環境で働く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

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、特に積雪環境下でも使用できる、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３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は上面、底面及び側面を有し、かつ該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあることを特徴とする電源システムである。
（２）前記燃料電池を収容する筐体の底面は各内角の角度が7０°〜１１０°の範囲にある四角形乃至略四角形であって、かつ該底面の四角形乃至略四角形における２本の対角線のいずれかの線上を通る筐体の垂直断面形状は、台形又は五角形のいずれかであることを特徴とする電源システムである。
（３）燃料電池に必要な空気を供給する吸気口が、前記燃料電池を収容する筐体の側面に設けられており、該吸気口は、燃料電池が収納される筐体の底面図（図３）における（９）に位置する底辺部分から上方に伸びる側面に配置されることを特徴とする（２）に記載の電源システムである。
（４）前記吸気口は、該燃料電池から排出される排ガス出口より上側にあり、かつ該吸気口と該排ガス出口の距離は２．０ｃｍ〜２０．０ｃｍ以内にあることを特徴とする（３）に記載の電源システムである。
（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）〜（４）のいずれかに記載の電源システムである。
（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である。

本発明の電源システムは、屋外で、特に積雪が多い地域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、特に降雪環境下で安定した計測又は観測が可能になる。

本発明の電源システムにおける燃料電池が収納される筐体の底面に形成される二本の対角線少なくともいずれかの線上を通る、筐体に垂直な断面の形状の例である。本発明の電源システムにおける燃料電池が収納される筐体の底面に形成される二本の対角線少なくともいずれかの線上を通る、筐体に垂直な断面の形状の例である。本発明の電源システムにおける燃料電池が収納される筐体の底面図（内角の角度は、７０°〜１１０°）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。実施例の電源システムの概略図である。

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、特に積雪が多い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、積雪環境下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。

本発明は、少なくとも、出力が３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は上面、底面及び側面を有し、かつ該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあ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４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（１０）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（１１）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（１２）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（１３）、さらに単セル或いはスタックから生じる直流電流（１４）を制御機構（１５）を介し、外部に供給する機構（１６）と、これらを収納する収納機構（１７）とからなり、また、温度も含めてこれらの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、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）や（１７）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い。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４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（筐体）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５００W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５００W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、リチウムイオン電池が好ましく、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、或いは０℃以下でも使用可能な特性を有するリチウムイオン電池である。

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、本発明は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種以上の手段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〜１０００W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、１０００W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。より好ましくは２０Ｗ〜３５０Ｗの範囲である。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５に構成の模式図を示すが、燃料電池（１８）のプラス極およびマイナス極は、それぞれ二次電池（１９）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（２０）に接続されており、各種計測または観測システム（２１）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、特に積雪の影響を軽減することを目的とするが、雪の影響の例としては、積雪が圧縮され形成される氷の層による筐体へのダメージや、吹雪や、湿った雪が厚い雪の層を形成する着雪などがある。特に気温０度前後では着雪が起こりやすくなり、燃料電池の筐体の上に積もった雪に着雪し、それが成長することによって、筐体周辺を覆う問題が発生する。通常、燃料電池の運転には、空気が必要となるため、外気を筐体内部に取り込むと共に排ガスを外部に排出する必要あるが、筐体周辺部を覆う雪によって、外気の取り込みと排出が制限されるため、燃料電池が動作不良を起こし、停止や故障に繋がる。

そのために、本発明の電源システムは、筐体の上部に雪が積もらないよう、また積もった場合も簡単に落ちるよう、またその際は燃料電池への吸排気を阻害しない工夫を施していることを特徴としている。

先ず、該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定める場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあることを特徴とする。独立電源として使用する場合、山地等に運搬後、電源システムを設置するが、その場合、地面に置いて使用する、或いは、例えば木などに固定して使用する。そこで、本発明においては、地面とおよそ平行となる筐体底面を基準とし、筐体上面を地面とは非平行状態とすることで、積雪防止或いは積雪したとしても筐体上面から容易に雪が落ちる構成とすることを特徴としている。前記Ｂ地点とＡ地点の距離において、より好ましくは５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲であり、２．０ｃｍ未満の場合は、積雪防止効果が低くなる傾向にあり、３０．０ｃｍを超える場合は、運搬しにくくなる傾向にある。また底面の面積としては、０．０３〜２ｍ^２の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、０．０５〜１ｍ^２の範囲である。０．０３ｍ^２以下であると実質的に、燃料電池を収容するのが難しく、２ｍ^２を超えると運搬が難しくなる傾向にある。また該平面からＢ地点の距離は、１ｍ以下とすることが好ましい。１ｍを超えると運搬が難しくなると共に風の影響を受けやすくなる傾向にある。

また燃料電池の反応は、発熱反応であるため、燃料電池から発生した熱は、筐体上面を暖めることが可能であるため、筐体上面に傾きを持たせることにより、容易に積雪を防止できる効果がある。

また電源システムにおいて、燃料電池を収容する筐体の底面は各内角の角度は7０°〜１１０°の範囲にある四角形乃至略四角形であって、かつ該底面の四角形乃至略四角形における２本の対角線のいずれかの線上を通る筐体の垂直断面形状は、図１〜２のいずれかに分類される台形又は五角形のいずれかであることが好ましい。底面が四角形乃至略四角形であることにより、電源システムの運搬が容易であると共に、対角線を通る筐体の垂直断面形状として、図１〜２のような傾きを持たせることで、積雪を防止できる効果がある。ここで筐体の底面の各内角の角度としては、８０°〜１００°がより好ましい。長方形或いは正方形に近いほど、筐体内に燃料電池を設置しやすいため、運搬が容易となる傾向にある。底面を形成する各辺の長さは１０ｃｍ〜２ｍの範囲が好ましい。なお側面や底面を形成する壁としては、平坦でも良いが、凹凸形状や波状の形状を持たせても良い。凹凸形状や波状の形状を有する方が、強度が向上するため好ましい傾向にある反面、加工が複雑になる。角部分に丸みを帯びさせても良く、また角部分を保護する部品、或いは壁面などに何らかのものに固定するための冶具などが取り付けられていても良い。本発明の底面形状或いは断面形状などは概念としての形状を指すものである。筐体上面については、積雪があったとしても、図１において、（２）から（１）の方向に雪を取り除くことができる。図２においては、主に（４）から（３）の方向に雪を取り除くことができる。α及びβの角度としては、７０°〜１１０°が好ましいが、より好ましくは８５°〜１００°であり、最適には９０°〜１００°の範囲である。７０°未満だと、雪が側面に積もりやすくなり、１１０°を超えると形状的にかさばるため、好ましくない傾向にある。筐体上面の形状としては、平坦なもの、上方向に凸型となる流線型のものが積雪を取り除くために好ましいが、一部強度を高めるたり、雪を一方向に落としやすくするための凹凸が形成されていても良い。また筐体表面は撥水加工や着雪・着雪防止加工などが施されていても良い。

さらに、燃料電池の運転に必要な空気を筐体内部に供給する吸気口が、燃料電池を収容する筐体の側面に設けられており、該吸気口は、図３における（９）に位置する底辺部分から上方に伸びる側面に配置されることが好ましい。燃料電池の排気口からは燃料電池の廃熱の一部が排出されるため、積雪による影響を受けにくい傾向にあるが、吸気口は外気をそのまま筐体内部に取り入れるため、雪の影響を最も受けやすい。そのため、筐体上部に積雪した雪が吸気口付近を覆うことを防止することが好ましく、筐体上部からの雪が落ちて来にくい箇所に吸気口を配置することが望まれる。図３においては対角線を中心に（６）の方向に雪が落ちて来る傾向にあるため、より（７）に近い（９）の部分に該当する側壁に吸気口があることが好ましい。また、このとき吸気口にはルーバーを設置し、側壁に近づく雪が内部に侵入しにくくすることはさらに適切である。

さらに燃料電池からの廃熱を利用するために、燃料電池からの排ガスの出口を、吸気口付近に設置することにより、吸気口付近への雪の堆積を防ぐことが可能となる。しかしながら、排ガスが吸気口から吸い込まれることは好ましくない傾向にあり、かつ排ガス出口からは水分も排出されるので、気温が低いと出口下方向が凍結する傾向にあるため、吸気口は、燃料電池から排出される排ガス出口より上側にあり、かつ吸気口と排ガス出口の距離は２．０ｃｍ〜２０．０ｃｍ以内にあることを特徴とすることが好ましい。このような設計により、積雪による悪影響をより効果的に排除できる。なお吸気口と排ガスの出口の距離が２．０ｃｍ未満であると排ガスが吸気口から吸い込まれやすく、また２０．０ｃｍよりも離れた場合は、排ガスの廃熱を上手く利用しにくいため、それぞれ好ましくない傾向にある。

なお吸気口乃至排ガス出口を複数設けることで、積雪の影響を受けにくくする方策も可能である。

筐体を形成する素材としては特に限定されるものではなく複数の素材を組み合わせて使用することが可能であるが、素材としては、例えばジュラルミンなどのアルミニウム合金、ステンレス、ポリカーボネートなどのプレスチック、木材などがある。また前述のように燃料電池は発電時に電気と熱を発生する反応であり、寒冷地での使用に際しては、発生する熱を筐体内温度の保温に利用することができるので、例えば、筐体の一部に保温素材を用いることも可能であり、例えば、保温素材としては、グラスウール、ロックウール、セルロースファイバー、ポリスチレンフォーム、ウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、フェノールフォームは好ましい例である。

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。

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。

燃料電池として、ＳＦＣＥｎｅｒｇｙ社製ＥＦＯＹＰｒｏ８００(出力４５W、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。また鉛蓄電池から１０W−DC/DCコンバーターに接続し、燃料電池及び鉛蓄電池の双方から１２Vの直流電源として外部機器に電力を供給できる構成とした。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３ｍｍのジュラルミン製の図６に示す模式図の筐体に収納した。このとき図６において、（２２）と（２３）を結ぶ対角線を通る筐体断面は、図２の形となる。図２の（３）、（４）、（５）は、それぞれ図６の（２４）、（２５）、（２６）に相当する位置である。筐体の底面は６０ｃｍ×４５ｃｍ長方形であり、（２４）までの高さは４０ｃｍ、（２５）までの高さは４５ｃｍ、（２６）までの高さは４３ｃｍであり、また図２におけるα、βで示すと底面と側壁の内角は９０°である。（２５）の位置は、（２２）と（２３）を結ぶ対角線において、（２３）から４ｃｍの地点の真上に相当する箇所である。（２７）は吸気口（直径８ｃｍ、メッシュ状）は図６に記載される面の中央にあり、（２８）の排気ガスの出口は、（２７）から下方向に６ｃｍの位置に配置した。（２７）の位置は、図３（９）に相当する底面から繋がる側面部に相当する。（３０）の機器としては、消費電力約５Ｗの監視カメラを繋げ、本筐体の状態を監視した。

上記システムを人口気象室（大阪府立産業技術総合研究所）に設置し、室温−２０℃、降雪量500mm/日の条件下で降雪試験を行い、積雪の様子を観測したところ、筐体上面に積雪はあるものの、燃料電池からの発熱による温度上昇の影響もあり、筐体上面近傍の雪は解けやすく、筐体上面部と雪の間に発生した水分の作用で自然に滑り落ちた。ほとんどの積雪は吸気口の逆側に落ちる結果であった。また排気ガスの出口からは廃熱も出ていることもあり、吸気口付近に着雪はほとんど観測されなかった。以上のように本発明の電源システムは、積雪の影響を軽減できることを確認した。

本発明によると、積雪の多い環境でも、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）筐体底面の対角線上で筐体底面と垂直な断面における、筐体上面の一端（筐体底面と筐体上面の距離が最短距離となる点）
（２）筐体底面の対角線上で筐体底面と垂直な断面における、筐体上面の一端（筐体底面と筐体上面の距離が最長距離となる点）
（ここで、該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線と（１）の距離＜該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線と（２）の距離、α，βの角度は７０°〜１１０°）
（３）筐体底面の対角線上で筐体底面と垂直な断面における、筐体上面の一端（筐体底面と筐体上面の距離が最短距離となる点）
（４）筐体底面の対角線上で筐体底面と垂直な断面における、該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線が筐体上面に接する距離が最大となる点
（５）筐体底面の対角線上で筐体底面と垂直な断面における筐体上面の一端
（ここで、該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線と（３）の距離、乃至、該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線と（５）の距離＜該対角線を延長した線から垂直に延ばす垂線と（４）の距離、α，βの角度は７０°〜１１０°）
なお、（１）と（２）の間、（３）と（４）の間、（４）と（５）の間、は直線或いは上側に凸状となる流線型のいずれか、あるいは直線と流線型の組み合わせである。
（６）筐体底面における対角線の一端であり、図１の（１）に近い一端、或いは図２の（３）乃至（５）のいずれかで、（４）からの水平方向の距離が遠い一端
（７）筐体底面のおける対角線の一端であり、図１の（２）に近い一端、或いは図２の（３）乃至（５）のいずれかで、（４）からの水平方向の距離が近い一端
（８）（６）と（７）を結んだ対角線の中央
（９）（６）と（７）を結んだ対角線に直交する直線を（８）の位置で引いた際、その線が筐体の側壁に交わる際、（７）の側にある部分（太線で記載）
（１０）単セル、或いは複数の単セルを積層したスタック
（１１）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
（１２）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
（１３）単セル或いはスタックから生じる直流電流の制御機構
（１４）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
（１５）単セル或いはスタックから生じる直流電流
（１６）二次電池に電力を供給するための機構
（１７）収納機構
（１８）燃料電池
（１９）二次電池
（２０）外部への電力供給手段
（２１）各種計測または監視システム
（２２）筐体底面の一端
（２３）筐体底面の一端
（２４）（２２）と（２３）を結ぶ対角線上で、筐体底面を含む平面から、筐体上面までの距離が最も近い位置
（２５）（２２）と（２３）を結ぶ対角線上で、筐体底面を含む平面から、筐体上面までの距離が最も遠い位置
（２６）（２２）と（２３）を結ぶ対角線上で、筐体底面を含む平面から伸ばした垂線において、筐体端部に相当する位置
（２７）燃料電池に必要な空気を外気から取り込むために筐体に設けられた吸気口
（２８）燃料電池からの排気ガスの出口
（２９）電源システムからの電力を外部に送るための配線
（３０）観測機器

Claims

少なくとも、出力が３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は一つの斜面からなる上面、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形からなる底面及び側面を有し、該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあり、燃料電池に必要な空気を供給する吸気口が、前記燃料電池を収容する筐体の側面のうち、該斜面の傾斜方向に対して平行に位置する側面に配置されており、電源システムを構成する筐体の全てが４０ｋｇ以下であることを特徴とする電源システム。
少なくとも、出力が３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は二つの斜面からなる上面、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形からなる底面及び、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形、および五角形からなる側面を有し、該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあり、燃料電池に必要な空気を供給する吸気口が、前記燃料電池を収容する筐体の側面のうち、該斜面の傾斜方向に対して平行に位置する側面に配置されており、電源システムを構成する筐体の全てが４０ｋｇ以下であることを特徴とする電源システム。
吸気口を配置した側面において、吸気口の水平方向の位置が、前記Ａ地点の水平方向位置からの距離よりも前記Ｂ地点の水平方向の位置からの距離よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
少なくとも、出力が３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は一つの斜面からなる上面、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形からなる底面及び側面を有し、該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあり、燃料電池に必要な空気を供給する吸気口が、前記燃料電池を収容する筐体の側面のうち、該斜面の傾斜方向に対して垂直に位置し、前記Ｂ地点に近い側面に配置されており、電源システムを構成する筐体の全てが４０ｋｇ以下であることを特徴とする電源システム。
少なくとも、出力が３〜５００Ｗ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少なくとも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、該筐体は二つの斜面からなる上面、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形からなる底面及び、各内角の角度は７０°〜１１０°の範囲にある四角形、および五角形からなる側面を有し、該燃料電池を収容する筐体において、筐体底面を延長した平面に対して、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体の筐体上面の距離が最短距離になるＡ地点と、該平面から垂直に伸ばした垂線と該筐体上面の距離が最長距離になるＢ地点を定めた場合に、該平面からＢ地点の距離と該平面からＡ地点の距離の差は、２．０ｃｍ〜３０．０ｃｍの範囲にあり、燃料電池に必要な空気を供給する吸気口が、前記燃料電池を収容する筐体の側面のうち、該斜面の傾斜方向に対して垂直に位置し、前記Ｂ地点に近い側面に配置されており、電源システムを構成する筐体の全てが４０ｋｇ以下であることを特徴とする電源システム。
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１〜５のいずれかに記載の電源システム。
請求項１〜６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。