(57)【要約】      （修正有）【課題】天候や環境に左右されることなく長期に連続駆動が可能な可搬型電源システム並びに計測・観測システムを提供する。【解決手段】燃料電池４と二次電池１１とこれらの電力を出力する電力出力手段１０から構成され、該燃料電池は該二次電池を充電可能であり、かつ該電力出力手段は、少なくとも直接出力あるいはＤＣ/ＤＣコンバーターあるいはＤＣ/ＡＣインバーターから成り、これら構成機器は少なくとも１個以上の筐体に収納されており、少なくとも該燃料電池が収納される筐体１に、該燃料電池に供給する空気を取り入れるための１箇所以上の吸気口２と、該燃料電池からの排ガスを排出する排気口６を有すると共に、該筐体の少なくとも一部に、25℃における熱伝導率が0.06W/m・K以下である保温素材を備え、かつ該筐体には、該燃料電池の冷却或いは筐体内の空気循環のためのファン７を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、該筐体は、少なくとも燃料電池が収納される筐体に、燃料電池に供給する空気を取り入れるための１箇所以上の吸気口と、燃料電池からの排ガスを排出する排気口を有すると共に、該筐体の少なくとも一部に、25℃における熱伝導率が0.06W/m・K以下である保温素材を備え、かつ該筐体には、燃料電池及び/又は筐体に設置されたファンによる空冷或いは筐体内の空気循環機構が備えられていることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記保温素材は、JIS  K６９１１規格にて規定するA法にて、不燃性、或いは自己消化性、のいずれかに分類される素材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。
【請求項３】
前記吸気口は、該電源システムの動作状況に合わせて開閉可能であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の電源システム。
【請求項４】
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３のいずれかに記載の電源システム。
【請求項５】
一度の燃料交換にて、０．６ｋWh〜９０ｋWhの電力量を供給可能であることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天候や周囲環境に左右されず、メンテナンスすることなく長時間の連続駆動が可能な電源システムおよびその筐体である。例えば、温度による路面凍結の監視、地滑り、地震などの監視、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、要素技術の検討であり、実際に屋外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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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
【特許文献４】特許第４５６４９４０号公報
【特許文献５】特許第４５８３０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、かつ天候や周囲の環境に左右されることなく長期に連続駆動が可能な、例えば計測又は観測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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
（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、該筐体は、少なくとも燃料電池が収納される筐体に、燃料電池に供給する空気を取り入れるための１箇所以上の吸気口と、燃料電池からの排ガスを排出する排気口を有すると共に、該筐体の少なくとも一部に、25℃における熱伝導率が0.06W/m・K以下である保温素材を備え、かつ該筐体には、燃料電池及び/又は筐体に設置されたファンによる空冷或いは筐体内の空気循環機構が備えられていることを特徴とする電源システムである。
（２）また前記保温素材は、JIS  K６９１１規格にて規定するA法にて、不燃性、或いは自己消化性、のいずれかに分類される素材であることを特徴とする、（１）に記載の電源システムである。
（３）また前記吸気口は、該電源システムの動作状況に合わせて開閉可能であることを特徴とする（１）乃至（２）のいずれかに記載の電源システムである。
（４）また前記燃料電池は、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（３）のいずれかに記載の電源システムである。
（５）一度の燃料交換にて、０．６ｋWh〜９０ｋWhの電力量を供給可能であることを特徴とする（４）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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電源システムは、屋外で電源として使用する際に長期に連続駆動が可能であるため、商用電源に接続されていなくても使用可能で、二次電池や燃料の交換などのメンテナンスの頻度を大幅に低減した状態で電源を確保できる。それゆえ計測又は観測システムとした際の安定性を向上することができる。また可搬型にすることも可能であるという特徴を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電源システムの構成例である。
【図２】本発明の電源システムの構成例である。
【図３】本発明の燃料電池の模式図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、特に天候や気温の変化が大きな過酷な使用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。例えば冬季の高山、北海道などでは、気温がマイナス３０〜４０℃となることもある一方、温暖な地域にて夏場に４０℃を超えることも珍しくない。
【００１３】
本発明における電源システムは、実際に過酷な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。
【００１４】
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を含む構成からなる電源システムであり、かつ該燃料電池は該二次電池を充電可能であり、かつ該燃料電池と該二次電池は電気的に並列に接続されてなり、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、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、該筐体は、少なくとも燃料電池が収納される筐体に、燃料電池に供給する空気を取り入れるための１箇所以上の吸気口と、燃料電池からの排ガスを排出する排気口を有すると共に、該筐体の少なくとも一部に、２５℃における熱伝導率が０．０６W/ｍ・K以下である保温素材を備え、かつ該筐体には、燃料電池及び/又は筐体に設置されたファンによる空冷或いは筐体内の空気循環機構が備えられていることを特徴とする電源システムである。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池の一般的な概念図を図３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（２４）と、単セル或いはスタックの燃料入り口に液体燃料を供給する燃料供給機構（２５）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（２６）と、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（２８）、さらに単セル或いはスタックから生じる直流電流（２９）を制御機構（２７）を介し、外部に出力（３０）する機構と、これらを収納する収納機構（３１）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。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３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のことである。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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２５W〜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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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４に構成の模式図を示すが、燃料電池（３２）のプラス極およびマイナス極は、それぞれ二次電池（３３）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、またそれぞれが、外部への電力供給手段（３４）に接続されており、各種計測または監視システム（３５）に接続されている構成は好ましい形態である。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
寒冷地や高温環境においても、良好に動作する電源システムを構築するためには、外部から受ける温度の影響を最小限に抑える設計が必要である。その目的で、本発明の電源システムにおいては、燃料電池が収納される筐体には、少なくとも燃料電池に供給する空気を取り入れるための１箇所以上の吸気口有すると共に、筐体の少なくとも一部に、２５℃における熱伝導率が０．０６W/ｍ・K以下である保温素材を備え、かつ該筐体には、燃料電池及び/或いは筐体に設置されたファンによる空冷或いは筐体内空気循環機構が備えられている。
【００２９】
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。この場合、筐体には、燃料電池反応を促進するために必要な空気取り入れ口となる吸気口を有し、かつ発生した熱を筐体内部に留めるために、筐体の一部には、熱伝導率が０．０６W/ｍ・K以下の保温素材を備えており、保温されていることが好ましい。より好ましい熱伝導率は０．０４W/m・K以下である。熱伝導率が０．０６W/m・Kよりも大きいと保温が十分でなく、外気の影響を受けやすくなる傾向にある。また保温素材は、筐体表面積の５０％以上をカバーすることが好ましく、より好ましくは８０％以上である。５０％未満の場合、保温性が低下する傾向にあり、外気の影響を受けやすくなるため、好ましいとはいえない。一方、夏場の高温環境下においても太陽光の影響で筐体内が高温となるため、同様に保温素材でカバーされていることが好ましい。この場合も同様に保温素材の熱伝導率は０．０６W/ｍ・K以下であることが好ましく、より好ましくは０．０４W/m・K以下である。また筐体における被覆率も５０％以上が好ましく、最適には８０％以上である。このように保温素材により、幅広い環境下で良好に動作可能な電源システムとすることができる。また保温素材の厚みとしては、０．３ｃｍ〜１０ｃｍの範囲にあることが好ましい。厚みが０．３ｃｍ未満であると、筐体内部の温度が低下しやすい傾向にあり、一方１０ｃｍよりも厚いと電源システムとしての大きくなるため、可搬性が低下する傾向にある。より好ましくは０・８ｃｍ〜５ｃｍである。
【００３０】
燃料電池反応によって発生する熱は、極寒地などで使用する場合は、熱を筐体内に留めるために、燃料電池及び/或いは筐体に設置したファンにより、筐体内で空気を循環することが好ましい。それにより、筐体内温度をより均一に保つことが可能となり、燃料電池を含む筐体内部の機器を守ることも可能である。
【００３１】
一方、高温環境下で使用する場合は、燃料電池及び/或いは筐体に設置したファンにより、熱を外部に逃がすなど、空冷することが好ましい。外気温により、筐体内で空気を循環する機構と空冷する機構を切り替える運転方法は、好ましい手法であり、例えば温度センサーと連動させることで自動的に切り替える方式や、季節・設置場所によって手動で切り替える方式も好ましいものである。
【００３２】
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。
【００３３】
ここでグラスウールとは、ガラス成分を高温で溶解し、細かい繊維状にした素材であり、高温多湿な状況でも劣化しにくく、吸音性にも優れる傾向がある。ロックウールとは、玄武岩、鉄鋼スラグなどを溶かし細い繊維状に加工したものであり、繊維の隙間に大量の動きにくい空気を含むことにより保温性を発揮する。セルロースファイバーは、パルプ類を綿状に粉砕し、品質改良剤を添加したもので、繊維の中にある空気泡により保温性を発揮する。また、木質繊維のため素材そのものが湿気を吸収・放出することから結露が起きにくいという特徴もある。スチレンフォームは、ポリスチレン樹脂に発泡剤と難燃剤を加えてビーズ状にしたものを蒸気で発泡させる、或いはポリスチレン樹脂、発泡剤、難燃剤を混ぜ合わせ、発泡しながら押し出して成形したものである。細かい気泡から構成される。軽量、水に強い、などの特徴もある。ウレタンフォームは、ポリイソシアネートとポリオールを主原料に、発泡剤や難燃剤などを混ぜて生成するもので、気泡に含まれる極めて小さなガスにより保温する。ポリエチレンフォームは、主な原料としてポリエチレン樹脂を用い、発泡剤を加えて発泡させたもので、柔軟性が高く、防水性もあるといった特徴がある。フェノールフォームは、フェノール樹脂に発泡剤、硬化剤などを加えて形成したもので、経年劣化しにくいといった特徴もある。特に好ましくは、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であり、軽量であるため、電源システムの取扱が容易になる。
【００３４】
また、前記保温素材はJIS  K6911規格にて規定するA法にて、不燃性、自己消化性、のいずれかに分類される素材であることが好ましい。燃料として用いる水素ガス或いはメタノールに起因する火災（例えば山火事からの延焼）等を抑制できる効果を持たせることができる。
【００３５】
不燃性とは、継続して燃焼しない性質であり、JIS  K6911にて規定するA法では、長さ127mm、幅及び厚み12.7mmの試験片に３０秒間炎を当て、炎を取り去った後に試験片の燃焼が１８０秒以内に消え、かつ燃焼した長さが25mm以下の場合に不燃性を持つと定められる。自己消化性とは炎にさらされる間は燃えるが、炎から話せば消化する性質で、JIS K6911にて規定するA法では、炎を取り去った後に試験片の燃焼が１８０秒以内に消え、かつ燃焼した長さが25mm以上100mm以下の場合に自己消化性を持つと定める。
【００３６】
保温の効果を高める目的で、筐体に設置された吸気口は、電源システムの動作状況に合わせて開閉可能であることも好ましい。冬季に燃料電池が停止している際は閉じることによって、外気の筐体内への浸入を抑えることが可能であるため保温効果が高い。また夏期、燃料電池及び/或いは筐体に設置したファンにより筐体内部を換気する際は、開けることによって換気を効率的に行うこともできる。開閉を自動的に行わせるために、例えば、燃料電池あるいはファンが動作時などに、筐体内部の気圧が未動作時よりも低下する際のみ外気を吸い込む開閉弁を使用するのは好ましい例である。
【００３７】
例えば、下記のような開閉状態は好ましい一例である。
燃料電池    ファン         吸気口
ON      ON(換気)         開
OFF     ON（換気）      開
ON      OFF             開
OFF     OFF             閉
ON      ON(循環)         開
OFF     ON(循環)         閉
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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】
【００４４】
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。
【００４５】
（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１０W−DC/DCコンバーターに接続し、１２Vの直流電源として使用可能な構成とした。燃料としては１Lタンクに入れた９９％メタノールを用い、これらを厚さ２ｃｍの熱伝導率が0.024の硬質ウレタンフォームを隙間が無いように貼り付け保温した厚さ３ｍｍのジュラルミン（熱伝導率164W/m・K）製の筐体内（内部：幅６０ｃｍ×奥行き７５ｃｍ×高さ６５ｃｍ）に収納した。筐体側面に直径３．５ｃｍの吸気口を作製すると共に、雨が内部に侵入しないようルーバーを取り付けた。また、燃料電池からの排ガスはEFOY付属の排気チューブから筐体外に直接排気できるよう、別途筺体側面にあけた直径１．８ｃｍの排気口を通して排出した（EFOY排気チューブ：直径２ｃｍ（スポンジ製のため、１．８ｃｍの排気口に通る））。また燃料電池付属のファンにより、ファン動作時は筺体内部で空気が循環する構成とした。本実施例の硬質ウレタンフォームは、JIS  K６９１１規格にて規定するA法にて、自己消火性のものを使用した。このようにして実施例１の電源システムを作製した。
【００４６】
試験的に、本発明の電源システムを−２０℃に温調された恒温ブースに設置し、消費電力５Ｗの監視カメラに接続し、２４時間動作させた。２４時間駆動時の燃料消費量は、１４０ｇであった。１Lのメタノールで約０．８５ｋWhの電力を供給することができる。
【００４７】
（実施例２）
実施例１の電源システムにおいて、筺体の吸気口に燃料電池の動作と連動して開閉する逆止弁を取り付けた。燃料電池が空気を必要とするときは、外気を取り入れるが、停止時は外気が流入しない構成とした。実施例１に従う試験を行ったところ、２４時間駆動時の燃料消費量は、１２３ｇであった。また１Lのメタノールで約０．９８ｋWhの電力を供給することができる。
【００４８】
（比較例１）
実施例１の電源システムにおいて、硬質ウレタンフォームを外すことで比較例１の電源システムを作製した。実施例１に従う試験を行ったところ、２４時間駆動時の燃料消費量は、２０４ｇであった。本電源システムで使用したEFOYは、凍結防止機能が備わっており、燃料電池の温度が氷点下とならないよう、燃料電池温度が低下すると自動的に発電し、発電時の熱により温度を一定以上に保つ機能が備わっている。実施例１、２よりも燃料消費量が増大したのは、電源システム内部の温度が低く、凍結防止機能が頻繁に動作したためだと考えられる。また１Lのメタノールで約０．５８ｋWhの電力供給量となり、実施例１、２に比較し大幅に少ない結果であった。
【００４９】
（実施例３）
実施例１の電源システムにおいて、硬質ウレタンフォームに変えて、熱伝導率0.04W/m・Kの難燃剤入りの発泡スチレンフォーム（自己消火性）を用い、同様の試験を行った。２４時間駆動時の燃料消費量は、１５２ｇであった。１Lのメタノールで約０．７７ｋWhの電力を供給することができ、良好であった。
【００５０】
（実施例４）
実施例１の電源システムにおいて、５Lのメタノールタンクを用い、かつ筐体後面に、換気用ファン（消費電力５W）を取り付けた実施例３の電源システムを構築した。換気用ファンの出口には、雨が内部に侵入しないようルーバーを取り付けた。また換気用ファンは筐体内部に別途取り付けた温度センサーと連動させ、センサーの検知温度が４０℃を超える場合起動し、筺体内を換気冷却する構成とした。換気用ファン及び温度センサーの電源は筺体内のバッテリーとした。
【００５１】
実施例３の電源システムを、試験的に、東洋紡総合研究所（滋賀県大津市）の屋外に２０１３年８月１日から同年８月７日まで設置し、消費電力３５Ｗの照明に接続し、連続動作させた。燃料電池は常時駆動しながら期間中照明を連続駆動可能であることを確認した。
【００５２】
（比較例２）
実施例３の電源システムにて、比較例１同様、硬質ウレタンフォームを取り除いた状態で実施例３記載の試験を行った。結果、燃料電池は夜間動作したが、昼間の直射日光の影響により筺体内部温度が上昇し停止したため、照明を連続動作させることができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によると、厳冬期や真夏といった過酷な屋外環境でも、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。
【符号の説明】
【００５４】
１    少なくとも燃料電池を収納する筐体
２    筐体に設けられた燃料電池に供給する空気の取り入れ口
３    燃料電池を動作するための燃料が入った容器
４    二次電池に充電する機能を少なくとも有する燃料電池
５    燃料電池からの排ガスを筐体の外部に導く配管
６    燃料電池からの排ガスを筐体の外部に排出する排気口
７    筐体内部の空気循環用ファン
８    二次電池及び電源システムから外部への電力供給手段を収納する筐体
９    燃料電池と二次電池を電気的に接続する配線
１０  電源システムから外部への電力供給手段
１１  二次電池
１２  燃料電池と燃料が入った容器を接続する配管
１３  筐体に設けられた燃料電池に供給する空気の取り入れ口
１４  燃料電池を収納する筐体
１５  燃料電池を動作するための燃料が入った容器
１６  二次電池に充電する機能を少なくとも有する燃料電池
１７  ファン
１８  筐体内部の空気をファンから筐体外部に排出するためのダクト
１９  電源システムから外部への電力供給手段を有する燃料電池と二次電池を電気的に接続する配線
２０  二次電池
２１  燃料電池からの排ガスを筐体外部に導く配管
２２  燃料電池からの排ガスを筐体外部に排出するための排気口
２３  燃料電池と燃料が入った容器を接続する配管
２４  単セル、或いは複数の単セルを積層したスタック
２５  単セル或いはスタックの燃料入り口に液体燃料を供給する燃料供給機構
２６  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
２７  単セル或いはスタックから生じる直流電流の制御機構
２８  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
２９  単セル或いはスタックから生じる直流電流
３０  二次電池に電力を供給するための機構
３１  収納機構
３２  燃料電池
３３  二次電池
３４  外部への電力供給手段
３５  各種計測または監視システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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