(57)【要約】      （修正有）【課題】降雪、積雪がある冬季などのように自然エネルギーを利用する発電装置において発電量が低下し、氷点下での充放電により蓄電池が劣化するような条件下でも、安定した電力を供給する。【解決手段】燃料電池と蓄電池を組み合わせた電源装置において、燃料電池から発生した熱を、蓄電池を一定の温度範囲に保温するための機構に用いた後、外部に排出することを特徴とする電源装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と蓄電池を組み合わせた電源装置であって、燃料電池から発生した熱を、蓄電池を一定の温度範囲に保温するための機構に用いた後、外部に排出する機構を有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記燃料電池から発生した熱の媒体として、燃料電池の空冷式熱交換器を通過した空気を用い、該空気が、蓄電池が収納された容器と蓄電池の間に設けられた空間に導入され、蓄電池の保温機構に用いられた後、別の出口から排出される機構を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記燃料電池から発生した熱の媒体として、燃料電池から排出される気体を用い、該気体が燃料電池に接続された排気管から排出されており、かつ蓄電池が収納された容器内に導入された排気管が蓄電池の保温機構に用いられる機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記蓄電池が収納された容器内で、排気管が蛇行していることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記蓄電池が収納された容器と、該容器内の温度を検出する温度検出器と、該蓄電池の電力によって該容器の内部を加熱する加熱機構と、該加熱機構の制御機構とを有しており、該制御機構が、該温度検出器で検出された温度が、あらかじめ設定された温度以下のときに、該加熱機構を作動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】
該制御機構において、該加熱機構を作動させる温度が０〜３５℃の範囲にあり、該加熱機構を作動させない温度が０℃未満あるいは３５℃を超える温度であることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
【請求項７】
該燃料電池が固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電源装置。
【請求項８】
該燃料電池の燃料が、メタノールあるいはメタノール水溶液であることを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
【請求項９】
該燃料電池の燃料が、濃度６０％未満のメタノール水溶液であることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
【請求項１０】
該燃料電池の燃料が、濃度６０％以上９９．８％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
【請求項１１】
該燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の電源装置。
【請求項１２】
該蓄電池が、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、バナジウム電池からなる群より選ばれる１種以上の電池であることを特徴とする請求項1〜１１のいずれかに記載の電源装置。
【請求項１３】
該蓄電池の少なくとも一部が、鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１４】
該蓄電池として、容量が３５Ａｈ〜３０００Ａｈの範囲の鉛蓄電池を１個以上有していることを特徴とする請求項１３に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と蓄電池とを組み合わせた電源装置である。特に環境温度の極めて低い寒冷地方や高地で使用されるに好適な保温機構を備えた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
わが国は国土の７０％以上が山地であり降水量が多いこと、河川の勾配が急峻であることから、洪水などや崖崩れ等の災害が発生しやすい。国土交通省の統計によれば、全国に
525,307箇所の土砂災害危険箇所が存在する。これらの災害の発生を防ぐために災害が予測される箇所に護岸工事、落石防護工事、のり面安定工事等の防災工事が施行されている。災害の発生が予測される箇所は数多く、工事の完成までには数年を要することからすべての危険箇所に工事が施行されているわけではない。（非特許文献１）
【０００３】
一方で計測技術、検知技術の発達により、落石の検知や河川の水位、土地の歪みを計測することで災害の発生を事前に検知することができるようになってきた。
【０００４】
これらを計測するには電源の確保が必要になる。災害の発生が予測される場所は、人家から離れていることが多く電力会社からの電気の供給がなされていないことがおおい。また土砂災害などの場合、発生源となるところでの観測が重要であり、山の中や高地での観測がおおく、平地に比べ気温が低く、積雪も多い。電源としては、蓄電池や太陽光発電装置や風力発電装置などの自然エネルギーを利用する発電装置のいずれか、または二者を組み合わせて使用される。しかし、蓄電池や自然エネルギーを利用する発電装置を電源として使用した場合、例えば太陽光発電装置であれば雨天時や降雪、積雪時に十分な発電量が得られない。このため冬季には、数日ごとに蓄電池の交換を余儀なくされている。蓄電池を氷点下で充放電を行うとさらにその寿命が短くなるという課題もあった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】国土交通省  道府県別土砂災害危険箇所
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであり、特に降雪、積雪がある冬季などのように自然エネルギーを利用する発電装置において発電量が低下し、氷点下での充放電により蓄電池が劣化するような条件下でも、安定した電力を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは鋭意検討の結果、以下の手段により、課題を解決しうる発明をなした。
（１）燃料電池と蓄電池を組み合わせた電源装置であって、燃料電池から発生した熱を、蓄電池を一定の温度範囲に保温するための機構に用いた後、外部に排出する機構を有することを特徴とする電源装置。
（２）前記燃料電池から発生した熱の媒体として、燃料電池の空冷式熱交換器を通過した空気を用い、該空気が、蓄電池が収納された容器と蓄電池の間に設けられた空間に導入され、蓄電池の保温機構に用いられた後、別の出口から排出される機構を有することを特徴とする（１）に記載の電源装置。
（３）前記燃料電池から発生した熱の媒体として、燃料電池から排出される気体を用い、該気体が燃料電池に接続された排気管から排出されており、かつ蓄電池が収納された容器内に導入された排気管が蓄電池の保温機構に用いられる機構を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の電源装置。
（４）前記蓄電池が収納された容器内で、排気管が蛇行していることを特徴とする（３）に記載の電源装置。
（５）前記蓄電池が収納された容器と、該容器内の温度を検出する温度検出器と、該蓄電池の電力によって該容器の内部を加熱する加熱機構と、該加熱機構の制御機構とを有しており、該制御機構が、該温度検出器で検出された温度が、あらかじめ設定された温度以下のときに、該加熱機構を作動させることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の電源装置。
（６）該制御機構において、該加熱機構を作動させる温度が０〜３５℃の範囲にあり、該加熱機構を作動させない温度が０℃未満あるいは３５℃を超える温度であることを特徴とする（５）に記載の電源装置。
（７）該燃料電池が固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の電源装置。
（８）該燃料電池の燃料が、メタノールあるいはメタノール水溶液であることを特徴とする（７）に記載の電源装置。
（９）該燃料電池の燃料が、濃度６０％未満のメタノール水溶液であることを特徴とする（８）に記載の電源装置。
（１０）該燃料電池の燃料が、濃度６０％以上９９．８％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする（８）に記載の電源装置。
（１１）該燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池であることを特徴とする（８）〜（１０）のいずれかに記載の電源装置。
（１２）該蓄電池が、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、バナジウム電池からなる群より選ばれる１種以上の電池であることを特徴とする（１）〜（１１）のいずれかに記載の電源装置。
（１３）該蓄電池の少なくとも一部が、鉛蓄電池であることを特徴とする（１２）に記載の電源装置。
（１４）該蓄電池として、容量が３５Ａｈ〜３０００Ａｈの範囲の鉛蓄電池を１個以上有していることを特徴とする（１３）に記載の電源装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電源装置は、天候や周囲環境に左右されず、メンテナンス不要で長時間の発電が可能である。また、複数の電源装置を組み合わせることで安定的に長期の発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明実施例１の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明における電源装置は、独立型電源として少なくとも燃料電池によって蓄電池に電力を充電する機能を有すると共に、燃料電池から発生した熱を利用した蓄電池の保温機構を有する電源装置である。
【００１１】
本発明の電源装置においては、蓄電池の電力消費を最小限に抑えながら、高地などの寒冷地においても蓄電池を劣化させること無く充放電できる点に特徴がある。遠隔計測装置など、長時間ある程度の電力が必要となる物は、商用電力を用いるのが一般的であるが、電力を使用する場所によっては、商用電源の確保が困難であるという問題がある。商用電力を代替する電力供給手段としては、太陽光発電、風力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置を用いることが提案されているが、たとえば太陽光の場合は、曇天、降雨、降雪、積雪などの気象条件や、森林、山等による発電量の低下がおこる。風力発電であれば、常時風が発生することはなくこの場合は、発電量が０となる。また、商用電源の確保が困難である場所は、高地であることが多く、季節によっては気温が氷点下に下がる。蓄電池は氷点下で充放電すると劣化する傾向にあるため、これを防ぐためには蓄電池に蓄えた電力で自らを暖めなければならない。降雪続き発電量０かつ氷点下が長期間続けば、使用装置用の電力が足りなくなり、最悪の場合、蓄電池が再度充放電しなくなるなどの問題がある。
【００１２】
それに対し本発明の電源装置では、燃料電池により安定的に蓄電池に電力を供給することができ、自然エネルギーを利用した発電装置と組み合わせることで、自然エネルギーによる発電において発生が不可避な電力供給量の低下が発生した場合に、燃料電池が不足する電力量を補うことにより、安定かつ長期間の電力使用が可能になる。さらに燃料電池が発生する熱を蓄電池の保温機構に用いることにより、氷点下での使用においても、蓄電池自らを暖める電力を減らすことができ、その結果長時間にわたる連続電力供給が可能になるという利点がある。
【００１３】
燃料電池は、アノード側に水素やメタノールなどの燃料を供給し、カソード側に空気を供給することで触媒を使用した化学反応により電気を産み出せる仕組みをもった発電装置である。燃焼ではなく化学反応による発電のため、排ガスには、NｏｘやＳＯｘの発生がなく、クリーンな特徴があり、設置場所の環境に対して負荷をかけないという特徴を持つ。該燃料電池は、ダイレクトメタノール燃料電池であることが好ましい実施様態である。
【００１４】
さらに固体高分子電解質型燃料電池は、電解質としてプロトン伝導性イオン交換膜を用い、膜の表面に触媒電極微粒子と、ガス拡散電極層が直接接合されており、固体高分子電解質型ダイレクトメタノール燃料電池においてはイオン交換膜−電極接合体のアノード側にメタノール水溶液を、カソード側に空気をそれぞれ供給することで触媒を用いた化学反応により電力を発生させる発電システムである。燃焼・爆発等が発生する内燃機関と異なり原理的に運転音が静かな発電機である。また、排ガスはクリーンであり、ＳＯｘやＮＯｘを発生しない特徴をもち、電力を使用する場所における環境に対して負荷をかけないという特徴を持つ。
【００１５】
前記固体高分子電解質型ダイレクトメタノール燃料電池にはメタノールもしくは、メタノール希釈液が用いられる。希釈液濃度が低下するに従い、反応によって発生する水分が増加するが、発生した水分は冷却や濃度調整に用いることで、反応に必要な水分を確保でき、水分の補充が不要となる利点がある。また、濃度が６０％未満であれば、保存条件が緩和される。一方、６０％以上９９．８％未満になると燃料比率が上がることで、反応効率がよくなり、燃費が向上する。これらの濃度は、電力を必要とする装置や、その装置の連続運転時間等により適切に選択されるのが望ましい。
【００１６】
前記固体高分子電解質型燃料電池を蓄電池と組み合わせ、蓄電池の電圧により燃料電池の動作を制御することで、発電が必要なときにのみ燃料電池を運転するので不必要に燃料を消費せず、燃料を有効に利用することができ、長時間にわたり電力を供給することができる。
【００１７】
前記蓄電池は、特に限定されるものではないが、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、バナジウム電池等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、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使用に供された場合に安全性が高い電池であり、本発明の遠隔計測装置において信頼性の高い遠隔計測システムを提供するのに有効である。またリチウムイオン電池は小型化が可能であるため、可搬性に優れるという長所を提供できる。また蓄電池として要求される特性には、繰り返し充放電への耐性が高いサイクルユース鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池が好ましい。
【００１８】
前記蓄電池は、容器に収められている。容器の材質は、布、プラスチック、金属等、特に限定されるものではないが、保温性を持ったものが望ましい。この容器に燃料電池の空冷式熱交換器を通った空気と、燃料電池の排気管を導入する。容器内の排気管は、効率よく熱を容器内に出す為、蛇行させるか熱交換器を通す事が好ましいが、水蒸気が凝縮し、排気を滞らせる事は好ましくない。容器に導入した空気を逃すスリットも設けることが好ましい。スリット面積は、導入した管よりも小さい事が好ましい。
【００１９】
前記蓄電池収納容器には、容器内温度を検出する温度検出器と、容器内を加熱する電気ヒーターと、前記温度検出器で検出された温度があらかじめ設定された温度以下のときに、前記蓄電池から電気ヒーターに通電する制御器を設けていることが好ましい。これらは蓄電池の電圧で動く事が好ましい。制御器の温度範囲は0℃以上４０℃以下にするのが望ましく、特に好ましくは、２0℃以上３０℃以下である。
【００２０】
前記蓄電池の容量としては、５時間率容量として、３５Ａｈから３ｋＡｈのものを使用するのが望ましい、特に好ましくは３５Ａｈから２ｋＡｈである。２０Ａｈ以下の容量だと電池容量が不足する傾向にあり、また過充電による劣化がおこる可能性が有る。また、３ｋＡｈ以上だと大きくまた重過ぎる傾向にある。一例として、発電量が２０Ｗの固体高分子電解質型燃料電池を使う場合には、２０Ａｈから１００Ａｈの容量を、４０Ｗの場合３０Ａｈから１６０Ａｈ、１００Ｗの場合４０Ａｈから４００Ａｈ、５００Ｗの場合５０Ａｈから１ｋＡｈ、１ｋＷの場合８０Ａｈから２ｋＡｈがひとつの目安となる。
【００２１】
前記燃料電池の運転時間は、ダイレクトメタノール燃料電池の場合には使用するメタノールもしくは、メタノール水溶液を供給するタンクの容量に依存する。したがってタンクの容量を調節することで長時間安定して動作させることが可能になる。タンクの大きさは使用する装置の電力、希望連続運転時間によるが、好ましくは、１０日以上燃料を補充する必要がないことが望まれる。より適切には、１５日以上、さらに好ましくは３０日以上燃料補充を行う必要がないことが望ましい。タンクの容量としては、３Ｌから８０Ｌが好ましく、より好ましくは、５Ｌから３０Ｌである。タンク容量が３Ｌ未満であると燃料の補充頻度が高くなり、長時間の連続運転に適さない。一方、容量が８０Ｌをこえるとタンクの扱い、とくに持ち運ぶ場合、不便である。
【００２２】
本発明では、燃料電池装置と太陽光発電装置、風力発電装置、小型水力発電装置などの自然エネルギーを利用する発電装置と組み合わせることができ、さらに長時間にわたり安定した電力がえられるため、長時間にわたる連続計測が可能となる。また、自然エネルギーを利用する発電装置には、発電した電力を蓄電池に充電できる機能を有することが好ましい。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
（実施例１）
固体高分子電解質型燃料電池として、ＳＦＣ  Ｅｎｅｒｇｙ社製のＥＦＯＹ１６００ＪＰ（発電量６５Ｗ）を用い、ジーエス・ユアサ社製鉛蓄電池ＧｒａｎｄＳｔａｒＥＢ５０（５０Ａｈ）と接続し、合計消費電力５０Ｗの装置を接続した。蓄電池は、保温の収納容器に収め、燃料電池の空冷式熱交換器を通った空気と、燃料電池の排気管を導入した。また前記容器には温度検出器、１０Ｗ電気ヒーター、３０℃設定の制御器を設けた。濃度９０％、８０Ｌのメタノール燃料を使用し、平均気温−１０度で２４時間／日の連続運転をおこなったところ、約６０日間の連続使用が可能であった。
【００２５】
（比較例１）
実施例１において、空気と排気管を導入せず、実施例１に記載の合計消費電力５０Ｗの装置を接続し、平均気温−１０度で２４時間／日の連続運転をおこなった。約５０日間の連続使用が可能であった。
【００２６】
（比較例２）
比較例１の蓄電池収納容器から温度検出器、１０Ｗ電気ヒーター、制御器を除き、実施例１に記載の合計消費電力５０Ｗの装置を接続し、平均気温−１０度で２４時間／日の連続運転をおこなった。低温で充放電をしたため、蓄電池の残容量不足により、約４０日で燃料電池を含めて停止した。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の電源装置は、メタノールを燃料とする燃料電池と蓄電池とを組み合わせ、特に環境温度の極めて低い寒冷地方や高地で使用されるに好適な保温機構を備え、安定した電力を提供することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１ 燃料電池  
２ 温度制御付蓄電池収納容器  
３ 燃料電池の熱交換器排気を２に導入
４ ２からの排気  
５ ２を貫通する燃料電池の排気管
【図１】
2014110200.tif 000003
【図２】
2014110200.tif 000004