JP2014110719A - 無人作業装置システム - Google Patents

Abstract

【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、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無人作業装置システムの提供。
【解決手段】少なくとも、ダイレクトメタノール型燃料電池と二次電池とを有し、ダイレクトメタノール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た無人作業装置システム。
【選択図】図１

Description

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で、独立電源を有する無人作業装置システムである。例えば、人の立ち入りが危険な区域の作業、調査、管理に用いることができる。

これまで、地すべり、崖崩れ、水害、火山噴火が生じた場合、人が立ち入ることが困難であり、無人装置による作業、調査、管理が行われてきた（特許文献１，２）。しかしながら、これらの装置は、二次電池の容量の範囲でしか稼動することができなかった。

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。

特開平８−５１６７３号公報 特開２００７−１３５５４号公報

長期に連続駆動が可能な無人作業装置システムの提供。

上記課題を解決するために、本発明は、次に示す無人作業装置システムを提供する。

（１）少なくとも、ダイレクトメタノール型燃料電池と二次電池とを有し、ダイレクトメタノール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た無人作業装置システム。
（２）さらに、太陽光発電、風力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムによって二次電池を充電する機構を有する（１）の無人作業装置システム。
（３）太陽光発電、風力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムからの充電量が不足する場合に、前記ダイレクトメタノール燃料電池が作動して二次電池の充電を行うことを特徴とする（２）の無人作業装置システム。

本発明の無人作業装置システムは、長期に連続駆動が可能である。

本発明の無人作業装置システムの構成図である

本発明における無人作業装置システムは、遠隔操作可能な無人作業装置と、独立型電源としてダイレクトメタノール型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持つ無人作業装置システムである。無人作業装置の種類や構造、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る。また、無線通信機器、カメラ、センサーなど、その他機器と併せて使用することも可能であり、例えば無人作業装置で得られたデータを、無線通信機器で別の場所で確認できるような構成を取ることもできる。無線操作では、駆動時間の延長効果が大きいため好ましい。

本発明の無人作業装置システムにおいては、無人作業装置とともに、独立型電源としてダイレクトメタノール型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持つ点に特徴がある。多くの場合、無人作業装置用電源としては、二次電池が利用されているが、蓄電容量の範囲内でしか作業が行えないという問題が有る。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、風力発電と組み合わせることも考えられるが、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る。

それに対して、本発明の無人作業装置システムは、ダイレクトメタノール燃料電池によって安定に二次電池に充電することができ、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、ダイレクトメタノール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。

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い、メタノールを燃料として使用した燃料電池による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、本質的に静かな発電機である。また反応性の高いメタノールを燃料として使用することから副反応がわずかなため、排ガスがクリーンであり、一酸化炭素中毒などの人体に悪影響を与える問題が少なく、かつＮＯｘ、ＳＯｘも発生しない特徴もある。

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。

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機構を付与することで、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、無人作業装置に長時間電気を供給することができる。よって無人作業装置を常時安定的に、信頼性の高い状態で動作させることが可能である。

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、無人作業装置システムには向かない傾向にある。

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、本発明の無人作業装置システムにおいて信頼性の高い無人作業装置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。

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。

また本発明の無人作業装置システムの好ましい実施様態においては、二次電池の電圧が低下した場合のみダイレクトメタノール型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り、かつ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無人作業装置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〜８０Ｌが好ましく、さらに好ましくは５Ｌ〜３０Ｌ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８０Ｌを越えるとタンクの持ち運びが不便である。

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。

無人作業装置の例としては、動物、植物、鉱物、化学薬品、気体などのサンプル取得装置、害虫、害獣などの駆除装置、パイプライン、電源ケーブルなどの点検保守装置、高所や狭い場所での清掃装置などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。これらの装置は、有毒ガス、落石、落盤など危険性のある場所や、人が入るスペースのない場所などで用いることができる。

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。

（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ＥＦＯＹ９００ＪＰ(出力40W)を用い、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製鉛蓄電池caos75B24L(48Ah)と接続し、消費電力２０Ｗの無人作業装置システムに接続することで無人作業装置システムを構築した。１０Ｌのメタノールを燃料に、一日２４時間の連続運転を行ったところ、約１０日間の連続使用が可能であった。

（比較例１）
実施例１において、ダイレクトメタノール型燃料電池を接続せず、鉛蓄電池のみを用いて使用したところ、約１５時間しか動作させることができなかった。このことからダイレクトメタノール型燃料電池を接続すると長時間、無人作業装置システムに電気を供給することが可能であり、安定的に動作可能であることがわかる。

（実施例２）
実施例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。約１５日間の連続運転が可能であった。

（比較例２）
比較例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの太陽光発電システムを接続した。実施例２と同じ場所・時期でテストを行ったところ、連続運転機関は２０時間であった。

（実施例３）
実施例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの風力システムを接続した。約１２日間の連続運転が可能であった。

（比較例３）
比較例１の無人作業装置システムに、出力１０Ｗｈの風力システムを接続した。実施例３と同じ場所・時期でテストを行ったところ、連続運転機関は１８時間であった。

本発明の無人作業装置システムは、メンテナンスを大幅に低減して安定的に長期間駆動させることが可能であり、信頼性に優れる無人作業装置システムを提供することができる。

Claims (3)

1. 少なくとも、ダイレクトメタノール型燃料電池と二次電池とを有し、ダイレクトメタノール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た無人作業装置システム。
2. さらに、太陽光発電、風力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムによって二次電池を充電する機構を有する請求項１に記載の無人作業装置システム。
3. 太陽光発電、風力発電からなる群より選ばれる１種以上の発電システムからの充電量が不足する場合に、前記ダイレクトメタノール燃料電池が作動して二次電池の充電を行う機構を有することを特徴とする請求項２に記載の無人作業装置システム。