(57)【要約】      （修正有）【課題】商用電源に接続されていなくても、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、さらに測定装置外の気圧が低下した状態でも性能低下することなく安定して長時間の連続駆動が可能な独立電源を有する遠隔計測システムの提供。【解決手段】少なくとも燃料電池装置と二次電池とを有し、燃料電池装置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電源に用いた遠隔計測システムであり、前記燃料電池装置が、燃料電池スタックに供給する空気の圧力及び／又は流量を変更可能とする機構を備える。【選択図】図２
2014110201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃料電池装置と二次電池とを有し、燃料電池装置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電源に用いた遠隔計測システムであり、前記燃料電池装置が、燃料電池スタックと該燃料電池スタックに供給する空気の圧力及び／又は流量を変更可能とする機構を備えていることを特徴とする遠隔計測システム。
【請求項２】
前記燃料電池装置が、燃料電池装置の外部の気圧を測定する機構を有するとともに、測定された気圧値から燃料電池スタックに供給する空気の圧力及び／又は流量を制御する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の遠隔計測システム。
【請求項３】
前記燃料電池装置が、ダイレクトメタノール型燃料電池を有することを特徴とする請求項1又は２に記載の遠隔計測システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックに供給する空気の圧力を、ゲージ圧０．３乃至０．６ａｔｍの範囲で制御する機構を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の遠隔計測システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックに供給する空気の流量を、０乃至１３Ｌ／ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）の範囲で制御する機構を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の遠隔計測システム。
【請求項６】
高地で用いられることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の遠隔計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外気圧が低下した状態でも性能低下することなく安定して長時間の連続駆動が可能な独立電源を有する遠隔計測システムに関するものである。例えば、高山など標高が高く気圧の低い場所でも使用可能であり、火山の監視、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に用いることが可能である。
【背景技術】
【０００２】
これまで、遠隔地での計測機器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、ＣＯ２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。しかしながら、これらの機器は、二次電池の容量の範囲でしか稼動することができず、長期間連続的に使用する場合には、二次電池の交換などのメンテナンスが必要であった。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２―８３２９４号公報
【特許文献２】特開２００９―８９６０５号公報
【特許文献３】特開２００１―２８３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
商用電源に接続されていなくても、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、さらに測定装置外の気圧が低下した状態でも性能低下することなく安定して長時間の連続駆動が可能な独立電源を有する遠隔計測システムの提供。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
上記課題を解決するために、本発明は、次に示す遠隔計測システムを提供する。
【０００７】
（１）少なくとも燃料電池装置と二次電池とを有し、燃料電池装置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電源に用いた遠隔計測システムであり、前記燃料電池装置が、燃料電池スタックと該燃料電池スタックに供給する空気の圧力及び／又は流量を変更可能とする機構を備えていることを特徴とする遠隔計測システム。
（２）前記燃料電池装置が、燃料電池装置の外部の気圧を測定する機構を有するとともに、測定された気圧値から燃料電池スタックに供給する空気の圧力及び／又は流量を制御する機構を有することを特徴とする（１）に記載の遠隔計測システム。
（３）前記燃料電池装置が、ダイレクトメタノール型燃料電池から構成されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の遠隔計測システム。
（４）前記燃料電池スタックに供給する空気の圧力を、ゲージ圧０．３乃至０．６ａｔｍの範囲で制御する機構を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の遠隔計測システム。
（５）前記燃料電池スタックに供給する空気の流量を、０乃至１３Ｌ／ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）の範囲で制御する機構を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の遠隔計測システム。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の遠隔計測システムは、商用電源に接続されていなくても、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、特に標高に左右されることなく長期に連続駆動が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明における遠隔計測システムは、燃料電池装置と二次電池を有し、燃料電池装置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遠隔計測システムであり、前記燃料電池装置は燃料電池スタックと該燃料電池スタックに供給される空気圧力または空気流量を変更可能とする機能を備えていることを特徴とする。概念図を（図１）に示す。遠隔計測の種類や構造、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り、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、地下探査、放射性物質濃度センサー、放射線量センサー、などである。また、無線通信機器など、その他機器と併せて使用することは有用であり、遠隔計測で得られたデータを、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。
【００１１】
本発明の遠隔計測システムにおいては、遠隔計測とともに、独立型電源として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ており、標高が高く気圧の低い測定場所においても安定的に燃料電池の発電が可能である点に特徴がある。多くの場合、遠隔計測用電源としては、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。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、水力発電、地熱発電などの自然エネルギーを利用した発電システムを用いることはすでに提案されているが、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り、水力発電には降雨量が減少すると発電できなくなるという問題があり、地熱発電では設備が大規模であるため、費用が多大になるという問題がある。
【００１２】
それに対して、本発明の遠隔計測システムは、燃料電池により安定的に二次電池に電力を供給することができ、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、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。
【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。
【００１４】
さらに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、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、装置が設置された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】
しかしながら、周辺環境によって、ダイレクトメタノール形燃料電池の寿命や出力が異なると言う問題が存在する。ダイレクトメタノール形燃料電池は、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った発電システムである。このカソード側に供給される空気は、周辺の空気を利用するため、周辺環境の気圧が低い場合、酸素不足によるダイレクトメタノール型燃料電池の出力低下の問題が顕著である。またダイレクトメタノール型燃料電池は約７０℃で発電を行っているが、カソード側に供給される空気が多すぎる場合、導入された空気の温度によっては内部温度低下を引き起こすことで出力低下の問題が顕著である。
【００１６】
そのため本発明において使用する燃料電池装置は、燃料電池スタックに供給する空気の流量または圧力を変更可能とする機構を有することを特徴とする。空気の供給源としては、特に限定されるものではないが、例えばベローズ式、ダイヤフラム式、電磁式、ピストン式、水封式などのエアポンプやコンプレッサなど公知のものを使用することができるし、組み合わせても良い。また、空気圧力または空気流量を調整する手段としては、特に限定されるものではないが、上記空気供給手段の出力制御を行う方法や、ニードル式、ボール式、ゲート式、グローブ式等のバルブやエアレギュレータなど公知のものを使用することができるし、組み合わせても良い。ただし、本発明の遠隔計測システムに用いる燃料電池は連続運転による発電が要求されるため、エアタンクなどに加圧した空気を一度貯蔵し、貯蔵した空気を必要時にのみ供給するという方法は好ましくない。常時空気を供給できるように空気供給源から直接燃料電池スタックへ配管し、供給源の吐出量を制御するか、配管内空気流量または圧力を制御する方法が好ましい。概念図を（図１）に示す。
【００１７】
本発明の遠隔計測システムに用いる燃料電池スタックに供給される空気の流量および圧力は、燃料電池の出力容量と外部気圧値により、適切な設定値に調整する。燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池を選択し、標高１０００ｍ〜４０００ｍの高地にて使用する場合、気圧に応じて２０Wでは空気流量を２〜３Ｌ／ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）、９０Wでは空気流量を９〜１３L／ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）の範囲で調整され、空気圧力を調整する場合はゲージ圧０．３〜０．６ａｔｍの範囲で調整されることが好ましい。
【００１８】
また本発明においては、燃料電池装置の外部気圧を測定する圧力センサーを設置することは好適な手法である。センサーにより出力された測定値を空気流量または圧力制御回路へフィードバックすることにより、供給される空気流量または圧力を適切な設定値に自動調整する機能を追加することが可能である。上記の手法により、人手を用いずに燃料電池を最適な条件で運転させることが可能である。概念図を（図２）に示す。
【００１９】
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型燃料電池は、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。
【００２０】
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、遠隔計測に長時間電気を供給することができる。よって遠隔計測を常時安定的に、信頼性の高い状態で動作させることが可能である。
【００２１】
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、遠隔計測システムには向かない傾向にある。
【００２２】
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、本発明の遠隔計測システムにおいて信頼性の高い遠隔計測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。
【００２３】
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。
【００２４】
また本発明の遠隔計測システムにおいては、二次電池の電圧が低下した場合のみ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る。燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池を用いる場合、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遠隔計測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〜４００Ｌが好ましく、さらに好ましくは５Ｌ〜８０Ｌ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４００Ｌを越えると安全性の配慮が必要であり、運搬にも不便である。
【００２５】
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、水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形燃料電池、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型燃料電池、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。
【実施例】
【００２６】
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。
【００２７】
（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。空気供給ポンプは日東工機製ＶＣ０１０１（吐出流量１０Ｌ／ｍｉｎ）に交換し、空気供給ポンプと燃料電池スタックとを繋ぐ配管の途中にＳＭＣ社製フィンガバルブ（ＶＨＫ２）を設置した。濃度９０％、８０Ｌのメタノール燃料を使用し、標高１０００ｍの高地にて上記装置を持ち込み、空気供給流量を６．５Ｌ/ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）に設定し、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。
【００２８】
（比較例１）
実施例１において空気供給ポンプとしてＳＦＣ  Ｅｎｅｒｇｙ社製のＥＦＯＹ１６００ＪＰ標準仕様のＶＣ０１００−Ａ１（吐出流量６Ｌ／ｍｉｎ）を使用し、フィンガバルブを取り除き連続運転を行ったところ、燃料電池出力が実施例１の９割に低下し、約５４日間しか連続使用できなかった。
【００２９】
（実施例２）
実施例１において使用した装置を標高３０００ｍの高地に持ち込み、空気供給流量を９．５Ｌ/ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）に設定し、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。
【００３０】
（比較例２）
実施例２において空気供給ポンプとしてＳＦＣ  Ｅｎｅｒｇｙ社製のＥＦＯＹ１６００ＪＰ標準仕様のＶＣ０１００（吐出流量６Ｌ／ｍｉｎ）を使用し、フィンガバルブを取り除き連続運転を行ったところ、燃料電池出力が実施例２の６割にまで低下し、約３６日間しか連続使用できなかった。
【００３１】
（実施例３）
ダイレクトメタノール型燃料電池として、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。空気供給ポンプは日東工機製ＶＣ０１０１（吐出流量１０Ｌ／ｍｉｎ）に交換し、空気供給ポンプと燃料電池スタックとを繋ぐ配管の途中にＫＯＦＬＯＣ社製マスフローコントローラ（ＭＯＤＥＬ３６６０）を設置した。さらにＶＴＩテクノロジー社製気圧センサー（ＳＣＰ１０００−Ｄ０１）により測定した装置外気圧値により、空気流量を５．８〜１０Ｌ／ｍｉｎ（温度２５℃、外気圧下）に制御できるよう設定した。濃度９０％、８０Ｌのメタノール燃料を使用し、標高４０００ｍの高地にて上記装置を持ち込み、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。
【００３２】
（比較例３）
実施例２において空気供給ポンプとしてＳＦＣ  Ｅｎｅｒｇｙ社製のＥＦＯＹ１６００ＪＰ標準仕様のＶＣ０１００（吐出流量６Ｌ／ｍｉｎ）を使用し、マスフローコントローラと気圧センサーを取り除き連続運転を行ったところ、燃料電池出力が実施例２の６割にまで低下し、約３６日間しか連続使用できなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の遠隔計測システムは、商用電源に接続されていなくても、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、特に標高に左右されることなく長期に連続駆動が可能である。
【図１】
2014110201.tif 000003
【図２】
2014110201.tif 000004