(57)【要約】  燃料電池システムおよびその制御方法であり、前記システムは、燃料電池発電機（５）と、燃料供給ユニット（６）と、ガス供給ユニット（７）と、検出ユニット（８）と、制御ユニット（９）とを含む。前記検出ユニット（８）は、前記燃料電池発電機（５）の放電パラメータを検出するためのものである。前記制御ユニット（９）は、前記検出ユニット（８）によって検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット（６）からの燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）からのガス供給を制御するためのものである。ここで、前記検出ユニット（８）は、電流検出装置であり、前記検出ユニット（８）によって検出された前記燃料電池発電機（５）の放電パラメータは、放電電流値である。本発明は、燃料電池発電機からの放電電流出力を主なパラメータとして利用して、燃料供給ユニット／ガス供給ユニットを制御する。したがって、制御は、より直接的かつ効果的である。さらに、本発明は、前記燃料供給ユニットおよびガス供給ユニットの動作時間を制御して、前記放電電流値に従って断続的に作動することもできる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電機（５）と、燃料供給ユニット（６）と、ガス供給ユニット（７）と、検出ユニット（８）と、制御ユニット（９）とを含む燃料電池システムであって、
前記燃料供給ユニット（６）およびガス供給ユニット（７）は、前記燃料電池発電機（５）のアノード入口およびカソード入口にそれぞれ接続され、前記検出ユニット（８）は、前記燃料電池発電機（５）の２つの電極に接続され、前記燃料電池発電機（５）の放電パラメータを検出するためのものであり、前記制御ユニット（９）は、前記燃料供給ユニット（６）、ガス供給ユニット（７）および検出ユニット（８）にそれぞれ接続され、前記検出ユニット（８）によって検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を制御するためのものであり、
前記検出ユニット（８）は電流検出装置であり、前記検出ユニット（８）によって検出された前記燃料電池発電機（５）の放電パラメータは放電電流値であることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池発電機（５）は、単一の燃料電池または燃料電池スタックであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記燃料供給ユニット（６）は、燃料ポンプ（１０）と、燃料供給管と、燃料戻し管とを含み、前記燃料供給管と燃料戻し管は、前記燃料電池発電機（５）のアノード入口に接続され、前記燃料ポンプ（１０）は、前記燃料供給管に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ガス供給ユニット（７）は、ガスポンプ（１１）と、ガス供給管と、ガス排出管とを含み、前記ガス供給管とガス排出管は、前記燃料電池発電機（５）のカソード入口に接続され、前記ガスポンプ（１１）は、前記ガス供給管に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御ユニット（９）は、信号受信モジュールと、時間決定モジュールと、タイミングモジュールと、燃料供給制御モジュールと、ガス供給制御モジュールとを含み、
前記信号受信モジュールは、前記検出ユニット（８）から信号を受け、前記信号に従って放電電流値を決定し、前記放電電流値を前記時間決定モジュールに送るように構成され、
前記時間決定モジュールは、受けた放電電流値に従って予定動作時間および予定待機時間を決定し、前記タイミングモジュールにそれら時間を送るように構成され、
前記タイミングモジュールは、前記燃料供給ユニット（６）／ガス供給ユニット（７）の動作時間および待機時間のための時間調節を行うように構成され、前記燃料供給ユニット（６）／ガス供給ユニット（７）の動作時間または待機時間が、予定動作時間または予定待機時間を越える場合、前記燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールに、予定動作時間または予定待機時間が終了したことを示す信号を送り、
前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、前記タイミングモジュールから受けた信号に従って、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１、３または４に記載のシステム。
【請求項６】
前記タイミングモジュールは、前記燃料ポンプ（１０）の動作時間および待機時間のための時間調節を行うように構成されており、前記燃料供給制御モジュールは、前記燃料ポンプ（１０）の動作状態を制御するように構成されており、前記燃料供給制御モジュールは、予定動作時間が終了したことを示す信号を受けた場合、前記燃料ポンプ（１０）を停止し、前記燃料供給制御モジュールは、予定待機時間が終了したことを示す信号を受けた場合、前記燃料ポンプ（１０）を始動することを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記タイミングモジュールは、前記ガスポンプ（１１）の動作時間および待機時間のための時間調節を行うように構成されており、前記ガス供給制御モジュールは、前記ガスポンプ（１１）の動作状態を制御するように構成されており、前記ガス供給制御モジュールは、予定動作時間が終了したことを示す信号を受けた場合、前記ガスポンプ（１１）を停止し、前記燃料供給制御モジュールは、予定待機時間が終了したことを示す信号を受けた場合、前記ガスポンプ（１１）を始動することを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記タイミングモジュールは、時間が予め設定された複数のタイマーを含み、前記複数のタイマーは、前記燃料供給ユニット（６）の動作時間および待機時間のほかに前記ガス供給ユニット（７）の動作時間および待機時間のための時間調節を行うように設計されており、前記時間決定モジュールによって決定された予定動作時間および予定待機時間は、タイマーのために予め設定された時間として使用され、その結果、タイマーによってカウントされた時間が予定時間を超えるたびに、予定動作時間／予定待機時間が終了したことを示す対応する信号が送られ、前記信号が送られるたびに、タイマーは０にリセットすることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御ユニット（９）は、さらに、第１の電流コンパレータモジュールを含み、前記モジュールは、前記信号受信モジュールによって決定されるとともに送られた現在の放電電流値が、先の放電電流値と等しいかどうかを判断するように構成され、
現在の放電電流値が先の放電電流値と異なると判断される場合、前記時間決定モジュールに現在の放電電流値を送り、
現在の放電電流値が先の放電電流値と等しいと判断される場合、前記時間決定モジュールによって予め決定された予定動作時間および予定待機時間を維持することを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御ユニット（９）は、さらに、第２の電流コンパレータモジュールを含み、前記モジュールは、前記信号受信モジュールによって決定されるとともに送られた現在の放電電流値が０に等しいかどうかを判断するように構成され、
現在の放電電流値が０に等しいと判断される場合、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールに、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を停止することを知らせ、
現在の放電電流値が０と異なると判断される場合、前記時間決定モジュールに現在の放電電流値を送ることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
燃料電池システムにおける燃料電池発電機（５）の放電パラメータを検出し、
検出された放電パラメータに従って、燃料供給ユニット（６）の燃料供給およびガス供給ユニット（７）のガス供給を制御する、燃料電池システムのための制御方法であって、
燃料電池発電機（５）の前記検出された放電パラメータは、放電電流値であることを特徴とする、燃料電池システムのための制御方法。
【請求項１２】
前記方法における、検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を制御することは、
前記燃料電池発電機（５）の検出された放電電流値を受け、放電電流値を決定するための信号受信ステップと、
前記放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定するための時間決定ステップと、
前記燃料供給ユニット（６）／ガス供給ユニット（７）の動作時間および待機時間のための時間調節を行い、前記燃料供給ユニット（６）／ガス供給ユニット（７）の動作時間または待機時間が、予定動作時間または予定待機時間を超える場合、燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールに、予定動作時間または予定待機時間が終了したことを知らせるためのタイミングステップと、
予定動作時間または待機時間が終了したことを示す信号に従って、前記燃料供給ユニット（６）からの燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）からのガス供給をそれぞれ制御するための燃料供給制御ステップおよびガス供給制御ステップとを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法における、検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を制御することは、さらに、
前記信号受信ステップにおいて決定された現在の放電電流値が先の放電電流値と等しいかどうかを判断し、現在の放電電流値が先の放電電流値と異なる場合、前記時間決定ステップにおいて現在の放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定し、現在の放電電流値が先の放電電流値と等しい場合、前記時間決定ステップにおいて予め決定された予定動作時間および予定待機時間を維持するための第１の電流比較ステップを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法における、検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を制御することは、さらに、
前記信号受信ステップにおいて決定された放電電流値が０に等しいかどうかを判断し、放電電流値が０に等しい場合、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールに、前記燃料供給ユニット（６）の燃料供給および前記ガス供給ユニット（７）のガス供給を停止することを知らせ、放電電流値が０と異なる場合、前記時間決定ステップにおいて前記放電電流値に従って予定動作時間および予定待機時間を決定するための第２の電流比較ステップを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月１３日に出願された中国特許出願第２００５１０１３０５２１．Ｘ号に基づく優先権を主張し、これを参照として本明細書にその全体が組み込まれる。本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置であり、高効率、低公害および低騒音などを含む利点で特徴付けられる。燃料電池は、単一の燃料電池となりうる、または複数の単一の燃料電池を含む燃料電池スタックとなりうる。一般に、燃料電池は、図１に示すように、プロトン交換膜１と、アノード２と、カソード３と、ガイドプレート４とを含む。有機燃料電池システムでは、通常、空気または酸素が酸化剤として使用され、メタノール、ギ酸、アルコールなどの有機物質が燃料として使用されている。例えば、酸化剤として空気、燃料としてメタノールを用いる燃料電池システムにおいては、次の反応が、電気化学反応の間に生じる；
アノード  ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ  （１）
カソード  ３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ→３Ｈ２Ｏ       （２）
アノードとカソードとの反応は、次の一般的な反応を引き起こす；
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ            （３）
式（１）から、アノード２では、メタノールは拡散層を通って触媒層に拡散し、電気化学反応を行って、ＣＯ２、Ｈ＋および電子を生成することが分かる。式（２）から、アノード２で生成された電子はアノード２の外側のガイドプレート４および外部導体を通り、最終的には、電子はカソード３によって捕捉されることが分かる。アノード２で生成されたプロトンは、直接、プロトン交換膜１を介してカソード３に通り抜け、その結果、電流が生成される。
【０００３】
既存の燃料電池における燃料／ガス供給は、主に、パッシブ型およびアクティブ型の２つのタイプに分類されている。
【０００４】
パッシブ型燃料／ガス供給は、濃度拡散原理を使用することにより、燃料供給管およびガス供給管を介して、燃料電池の２つの電極に燃料および酸化剤ガスを供給することを参照する。しかしながら、反応の間に生成され、蓄積された生成物ＣＯ２およびＨ２Ｏを時宜取り除いて移動させることができないことにより、それらは、触媒層への燃料および酸化剤ガスの拡散を妨げる。さらに、反応が続くにつれて、反応領域近くの反応物の濃度はますます低くなり、反応物と生成物との拡散をブロックする。これらの要因は，すべて、燃料電池の出力を非常に不安定にし、その結果、性能が劣化することとなる。図２は、図１に示す燃料電池における出力電圧−電流の曲線グラフである。図３は、パッシブ型ガス／燃料供給の方法において、図１に示す単一の燃料電池を１０個積層した燃料電池スタックにおける出力−時間の曲線グラフである。それらの図面から、出力が安定しておらず、時間とともに放電電流はますます小さくなり、出力はますます低くなることが分かる。したがって、より高い出力を得るためには、より多くの反応物および酸化剤をアクティブに、つまり、積極的に移動させなければばらない。
【０００５】
アクティブガス／燃料供給は、燃料および酸化剤をアクティブに移動させるために使用される装置を参照し、より具体的には、燃料電池システムにおいて、燃料ポンプおよびエアコンプレッサまたはファンを加えることを参照する。
【０００６】
例えば、中国特許出願第１５６７６３０Ａ号は燃料電池を開示しており、ここで、燃料を供給する燃料供給管および反応後に燃料を回収する燃料回収管が発電機のアノードに接続されており、空気を供給する空気供給管および反応後に空気を排出する空気排出管が発電機のカソードに接続されている。その燃料電池では、アノードでの電気化学酸化反応およびカソードでの電気化学還元反応によって電気が発生される。性能調節装置は、前記発電機の出力電圧を測定するための電圧計と、測定された電圧値を所定値と比較し、それによっていかなる異常も検出し、または性能を調節するためのコントローラーとを含む。さらに、燃料供給管には、燃料を注入するための燃料ポンプが設けられており、空気供給管には、空気を注入するためのエアコンプレッサが設けられている。
【０００７】
上記燃料電池システムおよびその制御方法は、燃料電池の電圧に従って、燃料および空気の供給量を制御する。しかし、上述するように、燃料電池の電圧変化は、燃料電池における化学反応プロセスの実状を示す直接パラメータではない。したがって、燃料電池の電圧に従って燃料／空気供給を制御する方法は、明らかに、直接的に十分に有効でなく、積極的に制御結果を実現することができず、従って科学的ではない。
【０００８】
さらに、アクティブ型燃料／空気供給式の上記の燃料電池システム、およびその制御方法は、２つのさらなる欠点を有している。１つの態様では、外部燃料ポンプおよびエアコンプレッサ／ファンが作動する場合、大量の電力を消費し、燃料電池の出力効率が低下する。他の態様では、燃料ポンプおよびエアコンプレッサ／ファンは、連続作動条件下で耐用年数が非常に短い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
間接的で非効率的な制御および短い耐用年数などの、上述のアクティブ型燃料／空気供給式の既存の燃料電池システムおよびその制御方法での欠点を鑑みて、本発明は、直接的で効率的な制御、高い出力効率、長い耐用年数を有する燃料電池システム、および前記燃料電池システムの制御方法を提供する。
【００１０】
本発明者は、燃料電池における反応の実状を示す直接パラメータが、放電電流の大きさであることを発見した。上記式（１）、（２）および（３）から、アノード２で反応に関与するメタノールがより多い場合、燃料電池からの放電電流出力は、より高い（つまり、より多くの電子が生成される）ことが分かる。しかし、アノード２で反応に関与するメタノールがより少ない場合、燃料電池からの放電電流出力は、より低い（つまり、より少ない電子が生成される）。放電電流の値が、反応物の量に直接依存することは明らかである。同様に、カソード３では、燃料電池からの放電電流出力は、酸化剤の量にも直接依存する。したがって、放電電流が、使用される燃料および空気に直接関連する燃料電池システム、および前記燃料電池システムのための制御方法は、より直接的でかつ有効である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明で提供される燃料電池システムは、燃料電池発電機と、燃料供給ユニットと、ガス供給ユニットと、検出ユニットと、制御ユニットとを含む。前記燃料供給ユニットおよびガス供給ユニットは、燃料電池発電機のアノード入口およびカソード入口にそれぞれ接続されている。前記検出ユニットは、燃料電池発電機の２つの電極に接続されており、前記燃料電池発電機の放電パラメータを検出するためのものである。前記制御ユニットは、燃料供給ユニットと、ガス供給ユニットと、検出ユニットとにそれぞれ接続されており、前記検出ユニットによって検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニットの燃料供給および前記ガス供給ユニットのガス供給を制御するためのものである。ここで、前記検出ユニットは、電流検出装置である。前記検出ユニットによって検出された燃料電池発電機の前記放電パラメータは、放電電流値である。
【００１２】
本発明で提供される燃料電池システムのための制御方法は、燃料電池システムにおける燃料電池発電機の放電パラメータを検出するステップと、検出された放電パラメータに従って、燃料供給ユニットの燃料供給およびガス供給ユニットのガス供給を制御するステップとを含む。ここで、燃料電池発電機の前記検出された放電パラメータは、放電電流値である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明で提供される燃料電池システムおよびその制御方法は、アクティブ型の燃料／ガス供給式の既存の燃料電池システムおよびその制御方法を改善する。それは、主な放電パラメータとして燃料電池発電機からの放電電流値出力を利用して、燃料供給ユニット／ガス供給ユニットを制御する。燃料電池発電機の放電電圧を検出することにより燃料供給ユニット／ガス供給ユニットを制御するシステムおよび制御方法と比較して、この燃料電池システムおよびその制御方法は、制御においてより直接的でかつ効果的であり、プロアクティブな制御効果を実現し、反応物および生成物の拡散を妨げないようにすることができる。本発明の好ましい実施形態における燃料電池システムおよび制御方法は、放電電流に従って、燃料供給ユニット／ガス供給ユニットの動作サイクル内で動作時間を制御することもでき、つまり、放電電流が高い場合、動作時間はより長くなり、待機時間はより短くなる。放電電流が低い場合、動作時間はより短くなり、待機時間はより長くなる。したがって、燃料供給ユニット／ガス供給ユニットは、断続的に作動することができる。さらに、断続的作動は、燃料電池からの放電電流出力に関連することができる。このように、燃料および酸化剤は、放電電流と一致するように、必要に応じて供給することができる。その結果、燃料供給ユニット／ガス供給ユニットがさらに大量のエネルギーを消費し、それによって、放電電流が小さい場合、非効率をもたらす欠点を防止することができ、燃料電池は、より高い出力で安定して出力することができる。さらに、本発明は、コストが低く、容易に実行される。したがって、それは、小型電子製品用の有機燃料電池に非常に重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明で提供される燃料電池システムおよび制御方法を、添付図面を参照してさらに説明する。
【００１５】
図４に示すように、本発明で提供される燃料電池システムは、燃料電池発電機５と、燃料供給ユニット６と、ガス供給ユニット７と、検出ユニット８と、制御ユニット９とを含む。前記燃料供給ユニット６およびガス供給ユニット７は、燃料電池発電機５のアノード入口およびカソード入口にそれぞれ接続されている。前記検出ユニット８は、燃料電池発電機５の２つの電極に接続されており、前記燃料電池発電機５の放電パラメータを検出するためのものである。前記制御ユニット９は、燃料供給ユニット６と、ガス供給ユニット７と、検出ユニット８とにそれぞれ接続されており、前記検出ユニット８によって検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給を制御するためのものである。ここで、前記検出ユニット８は、電流検出装置である。前記検出ユニット８によって検出された燃料電池発電機５の前記放電パラメータは、放電電流値である。
【００１６】
前記燃料電池発電機５は、単一の燃料電池または燃料電池スタックである。前記燃料電池スタックは、単一の燃料電池が複数積層されて構成されている。前記燃料電池発電機５は、さらに、燃料電池反応電極と、酸化剤ガスおよび燃料を運ぶように設計された流路を有する電極プレートと、電流ガイド装置とを含み、それらは、従来の燃料電池発電機に含まれている。これらの装置の構造は、当業者にとって公知である。
【００１７】
前記燃料供給ユニット６は、燃料ポンプ１０と、燃料供給管と、燃料戻し管（図４において直線矢印として示す）とを含む。前記燃料供給管および燃料戻し管は、前記燃料電池発電機５のアノード入口に接続されている。前記燃料ポンプ１０は前記燃料供給管に設けられて、前記燃料電池発電機５に燃料を注入する。前記燃料ポンプ１０は、流体を駆動することができる任意のポンプとすることができる。前記燃料供給管および燃料戻し管は、燃料タンク（図示せず）に接続されており、燃料を供給するとともに回収する。
【００１８】
前記ガス供給ユニット７は、ガスポンプ１１と、ガス供給管と、ガス排出管（図４で直線矢印として示す）とを含む。前記ガス供給管およびガス排出管は、前記燃料電池発電機５のカソード入口に接続されている。前記ガスポンプ１１は、ガス供給管に設けられて、前記燃料電池発電機５に酸化剤ガスを注入する。前記ガスポンプ１１は、エアコンプレッサまたはファンとすることができる。前記ガス供給管は、ガス貯蔵タンク（図示せず）に接続され、または大気に直接接続されて、酸化剤ガスを供給する。前記ガス排出管は、ガスを回収または排出することができる。
【００１９】
図４に示すように、前記検出ユニット８は、直列に結合されたオーム計および電流計とすることができ、または電流センサーなどのように、電流を検出することができる任意の装置とすることができる。前記検出ユニット８は、燃料電池発電機５の放電出力端に並列に接続されて、前記燃料電池発電機５からの放電電流値を検出し、制御ユニット９に前記放電電流値を送る。
【００２０】
前記制御ユニット９は、信号受信モジュールと、時間決定モジュールと、タイミングモジュールと、燃料供給制御モジュールと、ガス供給制御モジュールとを含む。前記信号受信モジュールは、検出ユニット８から信号を受け、信号に従って放電電流値を決定し、前記放電電流値を時間決定モジュールに送るように設計されている。前記時間決定モジュールは、受けた放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定するように設計されており、タイミングモジュールにその２つを送る。前記タイミングモジュールは、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７のための動作時間および待機時間のための時間調節を行い、前記燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７の動作時間または待機時間が予定動作時間または予定待機時間を超える場合、燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールに信号を送って、予定動作時間または予定待機時間が終了したことを示すように設計されている。前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、タイミングモジュールから受けた信号に従って、燃料供給ユニット６の燃料供給およびガス供給ユニット７のガス供給を制御するように設計されている。具体的には、タイミングモジュールは、燃料ポンプ１０／ガスポンプ１１の動作時間および待機時間のための時間調節を行う。燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の動作状態をそれぞれ制御する。燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールが、予定動作時間が終了したことを示す信号を受けた場合、燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０／ガスポンプ１１を停止する。燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールが、予定待機時間が終了したことを示す信号を受けた場合、燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０／ガスポンプ１１を始動する。
【００２１】
具体的に、前記時間決定モジュールは、信号受信モジュールによって決定された現在の放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定し、タイミングモジュールにそのデータを送る。ここで、前記予定動作時間および予定待機時間は、燃料電池の具体的目的に応じて、具体的戦略で決定される。例えば、図５に示す曲線で、動作サイクル時間をまず特定し、次いで、対応する予定動作時間が、具体的な放電電流値に従って図面上で決定され、その結果、予定動作時間が、動作サイクル時間から引かれて、予定待機時間を得る。このように、動作サイクルにおける燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７の動作時間は、放電電流に応じて制御することができる。放電電流が高いほど、予定動作時間は長くなり、予定待機時間は短くなる。放電電流が低いほど、予定待機時間は短くなり、予定動作時間が長くなる。したがって、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７は、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７におけるアクティブ型電気燃料／ガス供給装置が多くのエネルギーを消費し、非効率をもたらすという欠点を克服するために、断続的に作動し、放電電流に一致する燃料および酸化剤を提供することができる。当業者は、動作サイクルにおける動作時間と待機時間との間の順位は自由であること、つまり、「待機」が「動作」に続いてもよいし、または「動作」が「待機」に続いてもよいことを承知しておくべきである。
【００２２】
上記技術構想では、時間決定モジュールは、現在の放電電流値に従って、リアルタイムで新しい予定動作時間および新しい予定待機時間を決定することができる。しかし、通常、システムの作動は、１つまたはいくつかの動作サイクル後に、新しい予定動作時間および待機時間で制御される。現在の放電電流値が、先の放電電流値から変化せず、手順を保存する場合、新しい予定動作時間および新しい待機時間を決定する必要はない。代わりに、全体のシステムは、さらに、先の予定動作時間および待機時間で作動することができる。その場合、前記制御ユニット９は、さらに、前記信号受信モジュールによって決定されるとともに送られた現在の放電電流値が、先の放電電流値と等しいかどうかを判断するように設計された第１の電流コンパレータモジュールを含むことが好ましく、また現在の放電電流値が先の放電電流値と異なる場合、時間決定モジュールに現在の放電電流値を送る。現在の放電電流値が先の放電電流値と等しい場合、時間決定モジュールによって予め決定された予定動作時間および予定待機時間を維持し、つまり、時間決定モジュールは、新しい予定動作時間および新しい予定待機時間を決定する必要はない。代わりに、全体のシステムは、先の動作サイクルが作動するのと同様の方法で作動する。
【００２３】
さらに、放電電流値が０に等しい場合、それは、燃料電池発電機５が完全に放電したことを示し、燃料およびガス供給を止めなければならない。したがって、前記制御ユニット９は、さらに、前記信号受信モジュールによって決定されるとともに送られた放電電流値が０に等しいかどうかを判断するために設計された第２の電流コンパレータモジュールを含むことが好ましく、前記放電電流値が０に等しい場合、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールに、前記燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給を停止することを直接知らせる。放電電流値が０と異なる場合、前記時間決定モジュールに放電電流値を送り、その結果、前記時間決定モジュールは、前記放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定することができる。
【００２４】
当業者は、前記第１の電流コンパレータモジュールと前記第２の電流コンパレータモジュールとの実行順序を逆にすることができ、判断結果に影響することはないことを理解すべきである。例えば、現在の放電電流値が先の放電電流値と異なるかどうかは、最初に判断することができる。現在の放電電流値が異なる場合、現在の放電電流値が０に等しいかどうかを判断することができる。次いで、現在の放電電流値が０に等しい場合、燃料およびガス供給を停止することができる。そうでなければ、現在の放電電流値は、時間決定モジュールに送られる。現在の放電電流値が先の放電電流値と等しい場合、先の予定動作時間および待機時間は維持される。または、現在の放電電流値が０に等しいかどうかは、最初に判断することができる。現在の放電電流値が０に等しい場合、現在の放電電流値が先の放電電流値と異なるかどうかを次いで判断することができる。現在の放電電流値が異なる場合、現在の放電電流値を時間決定モジュールに送ることができる。そうでなければ、予め決定された予定動作時間および待機時間を維持することができる。
【００２５】
確実に、当業者は、第１の電流コンパレータモジュールおよび第２の電流コンパレータモジュールを信号受信モジュールにおいて一体化できることを理解することができる。
【００２６】
前記タイミングモジュールは、時間が予め設定された複数のタイマーを含んで、ガス供給ユニット７の動作時間および待機時間と同様に、燃料供給ユニット６の動作時間および待機時間のための時間調節をそれぞれ行うことができる。前記時間決定モジュールは、決定された予定動作時間および待機時間を、タイマーのために予め設定された時間として利用し、その結果、タイマーによってカウントされた時間が予め設定された時間を超えるたびに、タイマーは、予定動作時間／予定待機時間が終了したことを示す信号を送る。前記信号が送られるたびに、タイマーは０にリセットする。
【００２７】
上述するように、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の始動／停止をそれぞれ制御することができる。前記燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１が始動する場合、燃料／ガスがアクティブに供給される。前記燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１が停止する場合、システムは、待機モードに入り、燃料／ガスをパッシブに供給することができる。さらに、前記燃料供給ユニット６からの燃料供給量および前記ガス供給ユニット７からのガス供給量も制御することができる。すなわち、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、前記燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１を制御して、一定割合または可変割合で燃料およびガスを供給することができる。「一定割合」とは、燃料／ガスの供給割合が一定であることを称する。つまり、電気燃料ポンプ１０またはガスポンプ１１に関して、出力は一定である。「可変割合」とは、放電電流値に応じて、燃料／ガスの供給割合が可変であることを称する。つまり、放電電流値が高いほど、供給割合が高くなる。放電電流値が低いほど、供給割合は低くなる。電気燃料ポンプ１０またはガスポンプ１１に関して、出力は可変である。
【００２８】
本発明で提供される燃料電池システムのための制御方法は、燃料電池システムにおける燃料電池発電機５の放電パラメータを検出するステップと、検出された放電パラメータに従って、燃料供給ユニット６の燃料供給およびガス供給ユニット７のガス供給を制御するステップとを含む。ここで、燃料電池発電機５の前記検出された放電パラメータは、放電電流値である。
【００２９】
ここで、前記方法において、検出された放電パラメータに従って、燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給を制御するステップは、前記燃料電池発電機５から、検出された放電電流値を受け、前記放電電流値を決定するための信号受信ステップと、前記放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定するための時間決定ステップと、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７の動作時間および待機時間のための時間調節し、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７の動作時間または待機時間が予定動作時間または予定待機時間を超える場合、予定動作時間または予定待機時間が終了したことを、前記燃料供給制御モジュール／ガス供給制御モジュールに知らせるタイミングステップと、予定動作時間または予定待機時間が終了したことを示す信号に従って、前記燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給をそれぞれ制御するための燃料供給制御ステップおよびガス供給制御ステップ、具体的には、前記燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の始動／停止を制御するステップとを含む。それらステップに関しては、制御ユニット９のモジュールの上記詳細な説明を参照されたい。
【００３０】
燃料電池システムにおける制御ユニット９が前記第１の電流コンパレータモジュールを含む場合、前記方法において検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給を制御するステップは、さらに、信号受信ステップにおいて決定された現在の放電電流値が先の放電電流値と等しいかどうかを判断し、現在の放電電流値が先の放電電流値と異なる場合、時間決定ステップにおける現在の放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定し、現在の放電電流値が先の放電電流値と等しい場合、時間決定ステップにおいて決定された予定動作時間および予定待機時間を維持する第１の電流比較ステップを含む。
【００３１】
燃料電池システムにおける制御ユニット９が前記第２の電流コンパレータモジュールを含む場合、方法において検出された放電パラメータに従って、前記燃料供給ユニット６の燃料供給および前記ガス供給ユニット７のガス供給を制御する前記ステップは、さらに、信号受信ステップで決定された放電電流値が０に等しいかどうかを判断し、放電電流値が０である場合、前記燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールに、燃料供給ユニット６の燃料供給およびガス供給ユニット７のガス供給を停止することを直接知らせ、放電電流値が０と異なる場合、時間決定ステップにおける放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定する第２の電流比較ステップを含む。
【００３２】
同様に、前記第１の電流比較ステップと前記第２の電流比較ステップとの実行順序は、逆にすることができ、通常作動に影響しない。
【００３３】
上記燃料供給制御ステップおよびガス供給制御ステップにおいて、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の始動／停止を制御することができるだけでなく、前記燃料供給ユニット６からの燃料供給量および前記ガス供給ユニット７からのガス供給量を制御することができ、つまり、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１は、一定割合または可変割合で、燃料およびガスを供給するように制御される。
【００３４】
以下に、本発明で提供される燃料電池システムの作動および制御方法の処理フローについて添付の図６を参照して説明する。処理フローは、実施形態に過ぎないことが留意される。ここで、いくつかの好ましいステップを必要に応じて置き換えることができ、例えば、第１の比較ステップおよび第２の比較ステップの実行時間は交換することができる。
【００３５】
図６に示すように、まず、検出ユニット８は、燃料電池発電機５から放電電流値を検出し、制御ユニット９の信号受信モジュールに検出された信号を送って、放電電流値を決定する。次いで、図６に示すように、第２の比較ステップでは、放電電流値が０に等しいかどうか判断する。燃料電池が完全に放電する前に、つまり、放電電流が０とは異なる前に、制御ユニット９の時間決定モジュールは、前記放電電流値に従って、予定動作時間および予定待機時間を決定する。例えば、時間は、図５に示される曲線、または他の式で決定することができる。燃料電池が完全に放電する場合、放電電流値は０であり、燃料供給およびガス供給は停止される。制御ユニット９における燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１を始動して、燃料電池発電機５に燃料および酸化剤ガスをアクティブに供給する。同時に、タイミングモジュールは０にリセットし、動作時間のための時間調節を開始する。予定動作時間の最後に、燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１を停止する。同時に、タイミングモジュールは０にリセットし、待機時間のための時間調節を開始する。一旦、予定待機時間が過ぎれば、動作サイクルは終了し、放電電流が検出され、放電電流値が再び決定される。ここで、第１の比較ステップは、現在の放電電流値が先の放電電流値と等しいかどうかを判断するために実行することができる。現在の放電電流値が先の放電電流値と等しい場合、燃料電池システムは、予め決定された予定動作時間および予定待機時間で作動し、つまり、燃料供給制御モジュールおよびガス供給制御モジュールは、予定待機時間が終了したことを示す信号に従って、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１を始動する。現在の放電電流値が先の放電電流値と異なる場合、予定動作時間および予定待機時間は、現在の放電電流値に従って、時間決定モジュールにおいて再決定され、燃料電池が完全に放電するまで、つまり、放電電流が０になるまで、上記ステップが繰り返される。
【００３６】
したがって、本発明で提供される燃料電池システムが制御方法を利用して、燃料供給ユニット６／ガス供給ユニット７を制御して、放電電流値に従って断続的に動作することが理解される。燃料電池発電機５からの放電電流出力が高いほど、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の動作時間は長くなり、待機時間は短くなり、したがって、より多く燃料および酸化剤ガスが運ばれる。その一方、燃料電池発電機５からの放電電流出力がより低いほど、動作時間は短くなり、待機時間は長くなる。したがって、本方法は、燃料ポンプ１０およびガスポンプ１１の不必要な電力消費量を回避し、動作効率を改善することができる。
【００３７】
以下に、本発明を実施例においてさらに詳細に説明する。
【００３８】
[比較例１]
既存の燃料電池システムについて説明するために実施例が使用される。
【００３９】
燃料電池システムＡは、中国特許出願第１５６７６３０Ａ号に開示された燃料電池システムを参照して構成されている。
【００４０】
ここで、燃料電池発電機は、定格出力および定格電流をそれぞれ５Ｗおよび１２５ｍＡとして、単一の燃料電池層を１０個積層した燃料電池スタックである。各単一の燃料電池は、有効アクティブ領域を１０ｃｍ２として、図１に示す構造で構成されている。市場において入手可能なブラシレス（brush-less）マイクロポンプを動作電流３Ｖおよび動作電流０．１Ａで、燃料ポンプとして使用する。２ｍｏｌ／Ｌのメタノールを０．０５Ｌ／分の流量で燃料として使用する。市場において入手可能なマイクロエアコンプレッサを、動作電圧３Ｖおよび動作電流０．１Ａで、ガスポンプとして使用する。０．１標準気圧で０．５Ｌ／分の流量の空気を酸化剤ガスとして使用する。前記燃料ポンプおよびエアコンプレッサは、一定の流量モードで動作する。
【実施例１】
【００４１】
本発明で提供される燃料電池システムについて説明するために、本実施例が使用される。
【００４２】
比較例１に示したように装置が構成される。しかし、相違点は次のとおりである；
燃料電池システムＢが、図４に示すように構成されている。ここで、燃料電池発電機からの放電電流は、１２５ｍＡ／ｃｍ２で一定である。動作サイクルは３０分に設定されている。図５の曲線に示すように、予定動作時間は６０秒であり、予定待機時間は、電流値１２５ｍＡ／ｃｍ２に対応して２９分である。
【実施例２】
【００４３】
本発明で提供される燃料電池システムについて説明するために本実施例が使用される。
【００４４】
実施形態１で説明したように、燃料電池システムＣは構成される。しかし、相違点は次のとおりである；
燃料電池発電機からの放電電流は６０ｍＡ／ｃｍ２で一定である。動作サイクルは３０分に設定されている。図５の曲線に示すように、予定動作時間は３０秒であり、予定待機時間は、電流６０ｍＡ／ｃｍ２に対応して２９分３０秒である。
【００４５】
以下に、本発明で提供される燃料電池システムの特性を次の実施例で説明する。
【実施例３】
【００４６】
燃料電池システムＡ、ＢおよびＣの出力を、電子負荷機器でそれぞれ測定し、図７，８および９にそれぞれ示すように、出力−時間の曲線を描画している。
【００４７】
燃料電池システムＡの出力は、図７に示すように、燃料電池発電機の出力から燃料ポンプおよびエアコンプレッサによって消費される電力を引くことによって得られた正味の出力である約４．４Ｗである。そのようなアクティブ型燃料／ガス供給方法は、長時間、安定出力を維持することができるが、出力は、システム自体の消費のために高くないことが分かる。
【００４８】
燃料電池システムＢの出力は、図８に示すように、３０分サイクルで変化し、出力は、そのほとんどの時間（約２８分）、４．９Ｗ〜５Ｗの範囲で安定している。
【００４９】
同様に、燃料電池システムＣの出力は、図９に示すように、３０分サイクルで変化し、出力は、そのほとんどの時間（約２８分）、２．７Ｗ〜２．８Ｗの範囲で安定している。
【００５０】
したがって、図７〜９から、本発明で提供される燃料電池システムは、長時間、より高い出力を確実にすることができることが分かる。さらに、燃料供給ユニットおよびガス供給ユニットが断続的に動作するので、エネルギー消費は低減される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】単一の燃料電池の構造組成の概略図である。
【図２】パッシブ型の燃料／ガス供給式の単一の燃料電池の出力電圧−電流の曲線グラフである。
【図３】パッシブ型の燃料／ガス供給式の燃料電池スタックの出力−時間の曲線グラフである。
【図４】本発明で提供される燃料電池システムのブロック図である。
【図５】本発明で提供される燃料電池システムの放電電流と動作時間との関係の曲線グラフである。
【図６】本発明で説明される燃料電池システムのための制御方法のフローチャートである。
【図７】比較例１における燃料電池システムＡの出力−時間の曲線を示す。
【図８】実施例１における燃料電池システムＢの出力−時間の曲線を示す。
【図９】実施例２における燃料電池システムＣの出力−時間の曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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