(57)【要約】【課題】  燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置の提供。【解決手段】  無燃料濃度センサの燃料電池制御方法と燃料濃度センサを結合させて、燃料電池の運転を更に安定させる。ある実施例において、本発明は無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を利用して最適の燃料濃度範囲を決定し、その後、燃料濃度センサを利用し、燃料電池の運転が該濃度範囲内にあるように制御して燃料電池運転の主要なメカニズムと制御の第１防御線となし、並びに特定の燃料濃度範囲を決定し、並びに燃料濃度センサを利用して燃料濃度の状態が該特定の燃料濃度範囲を超過しないように制御して燃料濃度制御の第２防御線となす。【選択図】        図１
2009070788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給制御方法において、
燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップと、
燃料濃度センサを利用して該操作濃度範囲に基づき監視制御プロセスで該燃料電池モジュールの濃度を監視制御し、燃料注入のタイミングを決定するステップと、
を包含したことを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料供給制御方法において、該監視制御プロセスは、該燃料濃度センサを利用して該燃料電池モジュール内の燃料濃度を検出し、もし燃料濃度が該操作濃度範囲より低ければ、燃料を該燃料電池モジュールに供給し、もし燃料濃度が該操作濃度範囲より高ければ、燃料の該燃料電池モジュールへの供給を停止するプロセスであることを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の燃料供給制御方法において、該燃料電池モジュールの特徴値が異常である時、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法で燃料電池モジュールを制御する操作を監視制御の第２の防御線となし、不正常或いは損壊した燃料濃度センサの代わりとなすステップを更に包含することを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項４】
燃料供給制御方法において、
燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップと、
該操作濃度範囲内にあって、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法で、該燃料電池モジュールの反応を制御して、電力を負荷に提供するステップと、
燃料濃度センサを利用して該操作濃度範囲に基づき、監視制御プロセスで該燃料電池モジュールの濃度を監視制御し、燃料注入のタイミングを決定するステップと、
を包含したことを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項５】
請求項１又は４記載の燃料供給制御方法において、該燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップは更に、
無燃料濃度センサの燃料電池制御方法で該燃料電池モジュールの反応時の特徴値を得て、該特徴値はある時間区間内に測定した電圧最大値、電流最大値及びパワー最大値及びその組合せのいずれかとするステップと、
該特徴値に対応する時の燃料濃度を測定するステップと、
該燃料濃度に基づき該操作濃度範囲を決定するステップと、
を包含したことを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項６】
請求項１又は４記載の燃料供給制御方法において、該燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップは更に、
異なる燃料濃度を該燃料電池モジュールに注入するステップと、
該異なる燃料濃度に対応するパワー曲線を測定するステップと、
最大のパワー曲線が対応する燃料濃度を選択し並びに対応する燃料濃度に基づき該操作濃度範囲を決定するステップと、
を包含したことを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項７】
請求項４記載の燃料供給制御方法において、該監視制御プロセスは、該燃料濃度センサを利用して該燃料電池モジュール内の燃料濃度を検出し、もし燃料濃度が該操作濃度範囲より低ければ、燃料を該燃料電池モジュールに供給し、もし燃料濃度が該操作濃度範囲より高ければ、燃料の該燃料電池モジュールへの供給を停止するプロセスであることを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項８】
請求項４記載の燃料供給制御方法において、更に、
該燃料電池モジュールの負荷が変動する時、新たに該操作濃度範囲を決定するステップを包含したことを特徴とする、燃料供給制御方法。
【請求項９】
燃料電池装置において、
負荷に接続され、該負荷の運転に必要な電力を提供する燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールに接続され、該燃料電池モジュールに燃料を提供する燃料供給ユニットと、
該燃料電池モジュールに接続され、該燃料電池モジュール内の燃料の濃度を検出して検出信号を生成する燃料濃度センサと、
該燃料電池モジュール、該燃料供給ユニット及び該燃料濃度センサに接続され、該燃料電池モジュールの測定制御ユニットを決定し並びに該検出信号に基づき燃料注入のタイミングを決定する測定制御ユニットと、
を包含したことを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池装置において、該燃料濃度センサが水素を富む燃料濃度センサとされ、該水素を富む燃料濃度センサはメタノール燃料濃度センサ、エタノール燃料濃度センサ、ホウ水素化合物燃料濃度センサ或いは水素ガス燃料濃度センサのいずれかとされたことを特徴とする、燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の燃料電池制御方法と装置に係り、特に、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法と燃料濃度センサを結合させ、燃料電池の運転を更に安定させ安全とする一種の燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電気化学反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換し出力する一種の発電装置である。その作業原理は、水素を含有する燃料と酸化剤（例えば空気或いは酸素ガス）をそれぞれ電池の陽極と陰極に輸送し、陽極に発生する酸化反応により燃料を解離させ水素イオンと電子となし、水素イオンを陽極よりプロトン交換膜で陰極にいたらせて外負荷回路を介して陰極に伝導させる電子と結合させ、酸素ガスを還元反応させて水を生成する。連続して不断に燃料を供給しさえすれば、燃料電池は不断に発電できる。その高効率と低汚染の２大特徴により、この技術の開発は注目を集めている。
【０００３】
燃料電池中、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は、各種の携帯型電気用品（ノートブック型コンピュータ、携帯情報端末装置、ＧＰＳ）の電源供給に用いられ、各国で近年、積極に投入されている燃料電池システムである。ＤＭＦＣとその他の技術例えばＰＥＭＦＣの異なる点は、その燃料として液体メタノールを水素ガスの代わりとしていることであり、これにより大幅に燃料電池の燃料保存、運送の便利性、安全性を増した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＤＭＦＣの燃料供給にあって、この技術に詳しい者であれば分かるように、メタノール燃料濃度はＤＭＦＣに影響する重要な因子である。過量の燃料（例えばメタノール）は、厳重な燃料（メタノール）のクロスオーバーをもたらし得て、陰極でメタノールが直接酸素ガスと作用してミックスポテンシャル（ｍｉｘｅｄ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の現象を発生し、これにより燃料電池の発電効率不良の現象をもたらし、厳重な時は、負電圧現象を形成して電池を損壊する。このほか、燃料電池が供給する負荷の要求に併せて、いかに適量の燃料を供給するかの制御が相当に重要となる。
【０００５】
総合すると、燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置を提供して従来の問題を解決することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ある実施例において、本発明は一種の燃料供給制御方法を提供し、それは以下のステップ、則ち、燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップ、燃料濃度センサを利用し、該操作濃度範囲に基づき、該燃料電池モジュールの濃度を監視制御し、該燃料電池モジュールの特徴値に異常がある時、無燃料濃度センサの燃料供給制御方法を以て、該燃料電池モジュールの操作と反応を制御し、不正常な或いは損壊した燃料濃度センサの代わりとなし、燃料電池装置或いはシステムの正常な運転を維持するステップを包含する。
【０００７】
また、ある実施例において、本発明の一種の燃料供給制御方法を提供し、それは、以下のステップ、則ち、燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定するステップ、該操作濃度範囲内にあって、無燃料濃度センサの燃料供給制御方法を以て、該燃料電池モジュールの操作と反応を制御し、電力を負荷に提供するステップ、燃料濃度センサを利用し、該操作濃度範囲に基づき、該燃料電池モジュールの濃度を監視制御するステップ、を包含する。
【０００８】
さらにまたある実施例において、本発明は一種の燃料電池装置を提供し、それは、負荷に接続されて該負荷の運転に必要な電力を提供する燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに接続されて該燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給ユニットと、該燃料電池モジュールに接続されて該燃料電池モジュール内の燃料の濃度を検出して検出信号を生成する燃料濃度センサと、該燃料電池モジュール、該燃料供給ユニット及び該燃料濃度センサに接続されて、該燃料電池モジュールの操作濃度範囲を決定し、並びに該測定信号に基づき燃料注入のタイミングを決定する測定制御ユニットと、を包含する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は一種の燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置を提供し、それは、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を、燃料電池装置中に燃料を添加する主要制御メカニズムとなし、並びにあらかじめ特定の燃料濃度範囲を決定し、並びに燃料濃度センサを用いて燃料濃度の状態を該特定の燃料濃度範囲に制御して、燃料濃度制御の第２防御線となしている。
【００１０】
本発明は一種の燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置を提供し、それは無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を利用して最適の燃料濃度範囲を決定し、その後、更に燃料濃度センサを利用して燃料電池の運転が該濃度範囲以内であるように制御して、燃料電池装置或いはシステムの正常な運転を維持し、制御の第１防御線となし、並びに無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を制御の第２防御線となしている。
【００１１】
本発明は無燃料濃度センサの燃料電池制御方法と燃料濃度センサを結合させ、燃料電池の運転を更に安定させ安全とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の負荷を有する燃料電池装置表示図である。該燃料電池装置１は基本的に、燃料電池モジュール１０を包含し、それはメタノール及び空気或いは酸素ガスを供給するパイプライン、及び水及び二酸化炭素を排出する管路を具備する。燃料電池装置１の中間には陰極板１００、陽極板１０１及びプロトン交換膜１０２がある。陽極板１０１と陰極板１００の間には負荷１１があり、該陰極板１００、陽極板１０１、測定メータ１２は一つの回路を形成している。該負荷１１に測定メータ１２が接続され、該測定メータ１２は電圧計或いは電流計とされ得る。本実施例では、該測定メータ１２は電圧計とされ、これにより該電圧計は該負荷と並列に接続される。このほか、もし該測定メータ１２が電流計とされるなら、該負荷１１と直列に接続されて、電流を測定する。
【００１３】
該燃料電池装置１は更に燃料供給ユニット１４、燃料濃度センサ１５及び測定制御ユニット１３を具備する。該燃料供給ユニット１４は該燃料電池モジュール１０と接続され、該燃料供給ユニット１４は燃料を該燃料電池モジュール１０に供給する。該燃料濃度センサ１５は、該燃料電池モジュール１０の入口或いは出口端の陽極供給管線内に設置されて、該燃料電池モジュール１０内の燃料の濃度状態を検出し、これにより検出信号を生成し、測定制御ユニット１３に伝送する。本実施例では、該燃料濃度センサ１５は水素を富む燃料濃度センサとされる。該水素を富む燃料濃度センサはメタノール燃料濃度センサ、エタノール燃料濃度センサ、ほう水素化合物燃料濃度センサ或いは水素ガス燃料濃度センサとされ得る。燃料電池が使用する燃料の種類は広範であるため、該燃料濃度センサの選択は実際の必要により決定され、並びに前述の実施例に限定されるものではない。該測定制御ユニット１３は、該燃料電池モジュール１０、燃料供給ユニット１４及び該燃料濃度センサ１５と接続され、該測定制御ユニット１３は該燃料電池モジュール１０の操作濃度範囲を決定し、並びに該検出信号に基づき燃料注入のタイミングを決定する。
【００１４】
図２は本発明の燃料供給方法の第１実施例の表示図である。本実施例中、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を、燃料電池の燃料添加タイミング制御の主要なメカニズムとなし、並びにあらかじめ特定の燃料濃度範囲を決定し、燃料濃度センサ１５に燃料濃度が該特定の燃料濃度範囲を超過したかを完成制御させて、燃料濃度の制御を行い、燃料電池の正常発電の第２防護線を維持する。
【００１５】
本発明の燃料供給制御方法を説明するため、続いて図１の燃料電池を例とし、本発明の図２に示される方法を説明する。図２の燃料供給制御方法２は以下のステップを包含する。まず、ステップ２０において、負荷に対応して燃料電池モジュール１０の燃料の操作濃度範囲を決定する。続いて、該操作濃度範囲決定の方式について説明する。図３を参照されたい。図３は本発明の操作濃度範囲決定の第１実施例のフローチャートである。まず、ステップ２００ａを実行し、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法で、該燃料電池モジュール１０の、負荷に対応する反応時の特徴値を得る。該特徴値はある時間区間内で測定された電圧最大値、電流最大値、パワー最大値或いは前述の特徴値の任意の組合せとされ得る。再び図１を参照されたい。いわゆる測量した特徴値は、測量電圧値を例とすると、則ち測定メータ１２（電圧計）を利用して該負荷１１の反応値の電圧値の分布状況を測定し、並びにある時間区間内の電圧値分布の電圧最大値とされる。電流最大値或いはパワー最大値は、前述の方式に準じて得られるため、詳細な説明は省略する。無燃料濃度センサの燃料電池制御方法については、例えば台湾特許公告第Ｉ２７４４３６号に記載の技術内容を参照されたい。
【００１６】
図３に示されるように、最大の特徴値を探し出した時、ステップ２０１ａを実行し、燃料濃度センサ１５を利用して燃料電池モジュール１０内の該最大特徴値に対応する時の燃料濃度を測定する。続いて、ステップ２０２ａを実行し、さらに測定した燃料濃度に基づき、該操作濃度範囲を決定し、該操作濃度範囲の決定については、則ち、該燃料濃度を中心とし、上限と下限を取り、濃度範囲を決定し、該濃度範囲が操作濃度範囲とされる。
【００１７】
図４は本発明の操作濃度範囲決定の第２実施例のフローチャートである。本実施例中、まずステップ２００ｂにおいて、燃料電池モジュール１０に対して、順に異なる燃料濃度の燃料を注入する。その後、ステップ２０１ｂを実行し、燃料電池モジュール１０内の核異なる燃料濃度に対応するパワー曲線を測定する。最後に、ステップ２０２ｂを実行し、最大のパワー曲線に対応する燃料濃度を選択し並びに対応する燃料濃度に基づき該操作濃度の範囲を決定する。すなわち、最大パワー曲線に対応する燃料濃度を中心とし、上限と下限を取り、濃度範囲を形成し、該濃度範囲がすなわち操作濃度範囲とされる。
【００１８】
再び図２を参照されたい。ステップ２０の後、続いてステップ２１を行い、該操作濃度範囲内にあって、燃料濃度センサ１５を利用して該操作濃度範囲に基づき該燃料電池モジュールの濃度を監視制御し、こうして燃料注入のタイミングを決定する。本実施例のステップ２１において、燃料電池モジュール１０は反応過程中にわずかに燃料濃度センサ１５が運転し、燃料電池モジュール１０内の燃料濃度が該操作濃度範囲内であるかを判断する。
【００１９】
該監視制御プロセスは以下のとおりである。もし検出した燃料濃度が該操作濃度範囲の上限を超過すれば、すでに燃料添加が必要な時間が超過し、該測定制御ユニット１３が該燃料供給ユニット１４の燃料の燃料電池モジュール１０への供給を停止させる。反対に、検出した濃度が該操作濃度範囲の下限より小さければ、測定制御ユニット１３は強制的に燃料供給ユニット１４に燃料を燃料電池モジュール１０内に供給させて燃料電池モジュール１０の正常な反応を維持させる。ステップ２１の監視制御過程中、もし負荷が変動し、例えば、スイッチ、負荷が増加するか或いは減少して、再度ステップ２０中の操作濃度範囲を決定する必要がある時、測定制御ユニット１３はステップ２０を実行し、すなわち燃料電池モジュール１０の負荷が変動する時、新たに該操作濃度範囲を決定する。新たに該操作濃度範囲を決定する方式は図３及び図４の方法を利用できるため、重複して説明しない。燃料濃度センサも損壊するか或いは異常を発生し得るが、この時、ステップ２２で、測定制御ユニットが特徴値の異常、例えば電圧、或いはパワー、温度に異常現象が出現したことを検出すると、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法を以て、該燃料電池モジュール１０の反応を制御し、電力を負荷１１に提供し、このステップの目的は、燃料電池を安全に続けて運転させるための第２の防護線を提供することにある。
【００２０】
図５は本発明の燃料供給制御方法の第２実施例のフローチャートである。本実施例中、該燃料電池制御方法はまずステップ３０を実行し、燃料電池モジュール１０の操作濃度範囲を決定する。決定の方式は前述の図３及び図４に示される実施例のようである。続いてステップ３１を実行し、操作濃度範囲内にあって、無燃料濃度センサの燃料電池制御方法で、該燃料電池モジュール１０の反応を制御し、電力を負荷１１に提供する。ステップ３１に記載の燃料供給制御方法は、いわゆる無燃料濃度センサの燃料電池制御方法であり、すなわち、燃料濃度センサを使用しない方式で燃料電池内の燃料濃度に対して監視制御を行い、燃料電池の燃料添加のタイミングを制御する。このような方法は台湾特許公告第Ｉ２７４４３６号或いは米国特許第６，６９８，２７８号或いは米国特許第６，９９１，８６５号等の技術に見られるが、これに限定されるものではない。すなわち、本ステップ中の燃料供給制御方法は周知の技術中の任意の無燃料濃度センサの燃料電池制御方法とされ得る。
【００２１】
最後に、ステップ３２を実行し、燃料濃度センサを利用し該操作濃度範囲に基づき監視制御プロセスで該燃料電池モジュール１０の濃度を監視制御し、燃料注入のタイミングを決定する。本ステップの目的は、ステップ３１中の無燃料濃度センサ制御方法の安全性を高めることにある。燃料濃度センサ１５の設置を通し、燃料添加制御上のエラーを予防する。ステップ３２により、該監視制御プロセスを利用して燃料電池モジュール１０内の燃料濃度を監視制御し、燃料電池モジュール１０の運転を正常に維持できる。
【００２２】
ステップ３２中の監視制御プロセスは本実施例では、燃料電池モジュール内の燃料濃度が上限を超過するか下限値より低いかを監視制御することである。すなわち、燃料濃度が上下値を超えれば、ステップ３１中の燃料供給方法により燃料添加が必要かを判断し、則ち測定制御ユニット１３が該燃料濃度センサ１５の情報に基づき、該燃料供給ユニット１４に燃料を該燃料電池モジュール１０内に添加させないようにする。反対に、燃料濃度が下限値より低い時、ステップ３１中の燃料供給方法により燃料添加が不必要と判断し、該測定制御ユニット１３が該燃料濃度センサ１５の情報に基づき、強制的に該燃料供給ユニット１４に燃料を該燃料電池モジュール１０内に添加させて、燃料電池モジュール１０を正常に運転させる。
【００２３】
但し以上に述べたことは、本発明の実施例に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の請求範囲の記載に基づきなし得る均等の変化と修飾はいずれも本発明の請求の範囲に属する。
【００２４】
総合すると、本発明の提供する燃料供給制御方法と該方法を使用した燃料電池装置は、燃料電池装置をどのような負荷変動にも適用させられてその電力供給を維持でき、これにより、業界の要求を満足させ、これにより産業上の競争力を高めて周辺産業の発展に寄与し、特許の要件に符合する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の負荷を有する燃料電池装置表示図である。
【図２】本発明の燃料供給方法の第１実施例の表示図である。
【図３】本発明の操作濃度範囲決定の第１実施例のフローチャートである。
【図４】本発明の操作濃度範囲決定の第２実施例のフローチャートである。
【図５】本発明の燃料供給制御方法の第２実施例のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池装置
１０  燃料電池モジュール
１００  陰極板
１０１  陽極板
１０２  プロトン交換膜
１１  負荷
１２  測定メータ
１３  測定制御ユニット
１４  燃料供給ユニット
１５  燃料濃度センサ
２  燃料供給制御方法
２０〜２２  ステップ
２００ａ〜２０２ａ  ステップ
２００ｂ〜２０２ｂ  ステップ
３  燃料供給制御方法
３０〜３２  ステップ
【図１】
2009070788.tif 000003
【図２】
2009070788.tif 000004
【図３】
2009070788.tif 000005
【図４】
2009070788.tif 000006
【図５】
2009070788.tif 000007