JP2005166658A

JP2005166658A - 知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法、及び、その燃料システム

Info

Publication number: JP2005166658A
Application number: JP2004338591A
Authority: JP
Inventors: 豐毅 ▲とう▼; Hoki Tou
Original assignee: Antig Technology Co Ltd
Current assignee: Antig Technology Co Ltd
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2005-06-23
Also published as: TW200520281A; DE102004055276A1

Abstract

【課題】知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法を提供する。
【解決手段】本発明の知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法は、少なくとも一つのマルチウェイスイッチ切換器を提供する工程と、少なくとも二つの燃料電池を、マルチウェイスイッチ切換器に電気的に接続する工程と、マルチウェイスイッチ切換器の少なくとも二つの燃料電池を、直列、並列、部分的に開路した電気的接続形態に配置する工程と、からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム内部の燃料電池セルの配置方法に関するものであって、特に、知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法に関するものである。

一般に、燃料電池とは、発電装置のことを指し、電化学反応過程により、直接、水素を含む燃料を利用し、空気中の水素と酸素が無燃焼の情況下で、電力を生成する。燃料電池は、一般の一次電池のように使い捨てではなく、また、二次電池のように、充電して繰り返し使えるものでもなく、燃料電池とは、燃料を継続的に添加することにより、その電力を維持するものである。

陽子交換膜燃料電池（PEMFC）を例とすると、水素を燃料とし、反応メカニズムは、電解水の逆反応とみなされ、陽極反応中、水素は、拡散層から進入して、触媒層のプラチナ金属などの促進剤の促進作用により、水素を水素陽子及び電子に分解し、前者は陽子交換膜を経て、陰極反応区に進入し、後者は集電装置を経て、外界への載入に使用される。一方、酸素は、陰極端の拡散層から進入し、触媒層のプラチナ金属などの促進剤の促進作用により、酸素を分解すると共に、プロトン導電膜からの水素陽子及び集電装置からの電子を結合し、陰極反応区で水を生成する。これにより、発電反応を完成する。その化学反応式は、以下のようである。
陽極反応：２H_２→４H^＋＋４ｅ⁻
陰極反応：O_２＋４H^＋＋４ｅ⁻→２H_２O
総反応：２H_２O＋O_２→２H_２O

ダイレクトメタノール型燃料電池（DMFC）を例とすると、中間層は、質量移動効果を生成する電解質膜で、電解質膜上の上下両側は、それぞれ、触媒層で、触媒層は陽極及び陰極の電化学反応の所在で、触媒層の各両側上端は、拡散層で、陽極の反応物メタノールは、拡散層を経て拡散し、触媒層に進入して反応する。化学反応による生成物の二酸化炭素は、陽極端の拡散層を経て排出され、水素陽子は、電解質層を通過して、質量移動し、この時、電子は、陽極集電層を経て、電流を収集した後、ロードして、再び、陰極に戻り、質量移動後の水素陽子と結合し、陰極端の拡散層を経て、水酸素が触媒層で反応し、生成物である水は、陰極端の拡散層より排出されて、発電反応を完成する。その化学反応式は以下のようである。
陽極反応：CH_３OH＋H_２O→CO_２＋６H^＋＋６e⁻
陰極反応：３／２O_２＋６H^＋＋６e⁻→３H_２O
総反応：CH_３OH＋３／２O_２→CO_２＋２H_２O

一つの燃料電子セルは、通常、最内層の陽子交換膜、両側の触媒層、及び、最外両側の気体拡散層、からなり、以上の反応は、即ち、一つの燃料電池セル（CELL）作業の最も基本の原理である。陽子交換膜燃料電池（PEMFC）にとって、一つの燃料電池が生成する理想電位は１．２ボルトで、ダイレクトメタノール型燃料電池（DMFC）にとって、一つの燃料電池が生成する理想電位は１．２ボルトで、陽子交換膜燃料電池の作業情況を分析すると、陽極活性化損失、電池抵抗損失、陰極活性化損失、及び、質量移動損失の、少なくとも四種の電力損失が発生する。ダイレクトメタノール型燃料電池の作業情況を観察すると、相似する電力損失があり、以上の四種の電力損失以外に、更に、メタノール通過が引き起こす電位損失もある。これらの電力損失は、理想電位を異なる程度の電位低下を起こし、燃料電池セルの発電効率が悪く、これらの電圧降下損失は、単一の燃料電池単位の電圧を０．４〜０．８ボルト、或いは、それ以下に下降させ、燃料電池の発電出力効率が不安定になる。

燃料電池の発電効率が不安定になる原因は、以上の情況以外に、燃料電池の作動時における環境が影響を与え、作業温度、作業圧力、及び、水素供給流量が異なり、燃料電池の発電効率は、全て異なる。この他、ダイレクトメタノール型燃料電池にとって、メタノール濃度、及び、メタノール透過率も、発電出力効率に影響を与える重大な要素である。これらの要素とその間の相互作用の要素は、燃料電池の電位を囲うし、電流密度は大きな浮動範囲を有し、燃料電池の電圧、及び、電流の出力はかなり不安定で、燃料電池の効率出力を不安定にする。

この他、現在の燃料電池の製作形式は、大きく以下の種類がある。スタック燃料電池、平面展開式燃料電池、及び、複合式燃料電池、である。スタック燃料電池の組み立て方法は：各電池セルは、平面、垂直方向に堆積し、堆積された一組毎に、厚さが増加する。平面展開式燃料電池は：各電池セルは、平面に、水平方向で組み立てられる。複合式燃料電池は：両者の組み立て方式を結合してなる。いかなる燃料電池でも、電池セルの直列、及び、並列により、必要な電力を達成しなければならず、直列では出力する電圧量が増加し、並列なら利用可能な電流量が増える。スタック燃料電池にとって、堆積を利用した組み立て方法は、最も直接的な動作が直列で、並列の効果を達成したい場合は、別途に連結が必要である。平面展開式燃料電池にとっては、並列の連結方式が、直列よりも便利である。複合式燃料電池は、更に面倒である。いかなる種類で製作した燃料電池でも、通常、連結方式で固定した後、直列、並列は、変更されない。

図１は、公知の燃料電池の固定組み立て方式を示す図である。図１中の各燃料電池セルは、どれも、電力出力が不安定になるかもしれない。電池の作業効果にとって、燃料電池セル出力の電力が不一致の場合、往々にして、燃料電池セルの使用寿命が減少し、電力差が大きくなり、寿命減少の速度も速くなる等の情況が発生する。図１内に、六個の燃料電池セルがあり、各燃料電池セルの標準電圧が０．６ボルトである場合、それぞれ、三個の燃料電池セルを一組の直列とし、更に、二組の直列の燃料電池を並列にするが、燃料電池セル１０Ａで電力出力が不安定な情況、例えば、電圧が０．２ボルトに低下する等が発生したら、この燃料電池セル１０Ａの影響により、燃料電池１０の効率が減少し、燃料電池１０全体の出力電力が下降する。更には、もし、そのうちの一つの電池セルが故障、或いは、損壊すれば、燃料電池１０全体が、作用を完全に失う。燃料電池１０は、公知の固定組み立て方式により、内部のそれぞれの燃料電池１０を組み立て、単独では、故障した燃料電池セル１０Ａに対して断線ができず、燃料電池１０全体を廃棄することになる。

更に、燃料電池１０は、内部に六個の燃料電池セルを有するが、固定組み立て方式により連接するので、六個の燃料電池セルに対し変化を加えて、もう一種の電圧の供給をすることが出来ない。

本発明は、知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法、及び、該方法を実施する燃料電池システムを提供し、燃料電池システム内の各燃料電池が、動態式で、各種異なる電圧と電流に連接できるようにすることを目的とする。

本発明は、知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法、及び、該方法を実施する燃料電池システムを提供し、燃料電池システム内の不良の燃料電池を断線隔離して、燃料電池システムが、更に効果的に利用できるようにすることをもう一つの目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法を提供し、少なくとも一つのマルチウェイスイッチ切換え器を提供する工程と、少なくとも二つの燃料電池を、マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続する工程と、マルチウェイスイッチ切換え器を制御し、マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続された少なくとも二つの燃料電池を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態にする工程と、からなる。

更に、上述の目的を達成するため、本発明は、知能型操作制御式動態直並列の燃料電池システムを提供し、少なくとも一つのマルチウェイスイッチ切換え器と、マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続される少なくとも二つの燃料電池と、燃料電池の発電状態を監視すると共に、マルチウェイスイッチ切換え器を制御し、マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続された少なくとも二つの燃料電池を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態にするマイクロコントローラと、からなる。

公知の固定方式により燃料電池を組み立てることによる欠点、及び、燃料電池セル自身が引き起こす電力損失要素により、理想電位１．２ボルトに達成しにくいために、組み立て後の燃料電池の額定電圧の不確定を生じる問題を改善する。

図２は、本発明の知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法のフローチャートで、図３は、本発明の方法に基づいて実施される燃料電池システムを示す図である。本発明の知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法２０は、主に、燃料電池システムに応用し、本発明の方法２０の燃料電池システム３０は、容易に、内部の全ての燃料電池３０１を操作制御することが出来、ロード４０の電気性規格、燃料電池の状態の要求よって、全ての燃料電池３０１を並列配置する、或いは、全ての燃料電池３０１を直列配置する、或いは、全ての燃料電池３０１が断線して、完全に、ロード４０と連接しないか、或いは、良好な状態の燃料電池３０１だけがロード４０と連接し、損壊した燃料電池３０１は、ロード４０と連接しない部分開路の配置にする。

本発明の配置方法２０の工程は、以下で説明する。工程２０１において、少なくとも一つのマルチウェイスイッチ切換え器３０３を提供する。本発明の採用するマルチウェイスイッチ切換え器３０３は、電子式マルチウェイスイッチ切換え器で、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタMOSFETにより構成されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３である。工程２０３において、少なくとも二つの燃料電池３０１を、マルチウェイスイッチ切換え器３０３に電気的に接続する。工程２０３中、各燃料電池３０１の正極と負極は、それぞれ、マルチウェイスイッチ切換え器３０３と電気的に接続すると共に、マルチウェイスイッチ切換え器３０３の二つの出力ピン３０３ｃ、３０３ｄを、ロード４０を連接する正極と負極とする。工程２０５において、マルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換えを制御し、マルチウェイスイッチ切換え器３０３に電気的に接続された少なくとも二つの燃料電池３０１を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態にする。工程２０５中、マルチウェイスイッチ切換え器３０３の制御信号入力ピン３０３ａ、３０３ｂは、制御信号３０７ａ、３０７ｂを受信し、マルチウェイスイッチ切換え器３０３は、受信した制御信号３０７ａ、３０７ｂによって、対応する電気的接続形態を切り換える。これによると、各燃料電池３０１は皆、マルチウェイスイッチ切換え器３０３により、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態になる。

図３の燃料電池システム３０は、マルチウェイスイッチ切換え器３０３と、少なくとも二つの燃料電池３０１と、マイクロコントローラ３０５と、からなる。少なくとも二つの燃料電池３０１は、マルチウェイスイッチ切換え器３０３に電気的に接続され、マイクロコントローラ３０５は、マルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え５０を制御して、マルチウェイスイッチ切換え器３０３に連接される少なくとも二つの燃料電池３０１を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形にする。

図４は、本発明のマルチウェイスイッチ切換え器の構造を示す図である。マルチウェイスイッチ切換え器３０３の制御信号入力ピン３０３ａ、３０３ｂは、マイクロコントローラ３０５を連接し、制御信号３０７ａ、３０７ｂを受信し、二つの出力ピン３０３ｃ、３０３ｄは、ロード４０を連接する正負極となる。各燃料電池３０１の正極と負極は、マルチウェイスイッチ切換え器３０３のピン位置３０３ｅ、３０３ｆ、及び、出力ピン３０３ｃ、３０３ｄにより、それぞれ連接する。マルチウェイスイッチ切換え器３０３の内部Ａ端点、Ｂ端点、Ｃ端点、Ｄ端点、Ｅ端点、Ｆ端点、及び、Ｇ端点等は、どれも、制御信号３０７ａ、３０７ｂの制御を受け、各端点は互いに連通、或いは、断線するように制御される。

図５は、本発明のマルチウェイスイッチ切換え器の切換えが対応する電気連接形態を示す図である。マイクロコントローラ３０５が「０」（低電圧準位）の制御信号３０７ａ、及び「０」（低電圧準位）の制御信号３０７ｂを出力する時、図６で示されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え状態を参照すると、直列の電気的接続形態に配置される。また、マイクロコントローラ３０５が「１」（高電圧準位）の制御信号３０７ａ、及び、「１」（高電圧準位）の制御信号３０７ｂを出力する時、図７で示されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え状態を参照すると、並列の電気的接続形態に配置される。また、マイクロコントローラ３０５が「１」（高電圧準位）の制御信号３０７ａ、及び、「０」（低電圧準位）の制御信号３０７ｂを出力する時、図８で示されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え状態を参照すると、断線の電気的接続形態に配置される。また、マイクロコントローラ３０５が「０」（低電圧準位）の制御信号３０７ａ、及び、「１」（高電圧準位）の制御信号３０７ｂを出力する時、図９で示されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え状態を参照すると、部分開路の電気的接続形態に配置され、図２右側の燃料電池３０１は良好で、電力をロード４０に供給するが、左側の燃料電池３０１は損壊して、既に、部分開路状態に配置されて、損壊した燃料電池は作動を停止すると共に、その他の利用可能な燃料電池に連接する。更に、マイクロコントローラ３０５が「０」（低電圧準位）の制御信号３０７ａ、及び、「１」（高電圧準位）の制御信号３０７ｂを出力する時、図１０で示されるマルチウェイスイッチ切換え器３０３の切換え状態を参照すると、もう一種の部分開路の電気的接続形態に配置され、図２左側の燃料電池３０１は良好で、電力をロード４０に供給するが、右側の燃料電池３０１は損壊して、既に、部分開路状態に配置されて、損壊した燃料電池は作動を停止すると共に、その他の利用可能な燃料電池に連接する。

図１１は、図３に基づいた実施例で、図１２は図１１のマルチウェイスイッチ切換え器の切換えが対応する電気連接形態を示す図である。図１１の第一マルチウェイスイッチ切換え器３０３１〜第五マルチウェイスイッチ切換え器３０３９は、電子式マルチウェイスイッチ切換え器、例えば、MOSFETの類の電子素子を採用し、マルチウェイスイッチ切換え器３０３１〜３０３９のゲートが「１」（高電圧準位）時、ソースは、電気的効果上は、ドレインと連接し、反対に、マルチウェイスイッチ切換え器３０３１〜３０３９のゲートが「０」（低電圧準位）時、ソースは、電気的効果上は、ドレインと断線（不連接）である。マイクロコントローラ３０５はそれぞれ、第一マルチウェイスイッチ切換え器３０３１〜第五マルチウェイスイッチ切換え器３０３９に対し、出力信号３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ、３０７ｄ、３０７ｅを出力し、図１２で示されるような、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態を得る。

本発明のマイクロコントローラ３０５は、更に、各燃料電池３０１の発電情況を観測し、各燃料電池３０１の状態を把握して、最適な知能型操作制御式動態直並列の燃料電池３０１の配置を達成する。

本発明の燃料電池３０１は、燃料電池セル、或いは、スタック燃料電池、平面展開式燃料電池、及び、複合式燃料電池、である。更に、本発明の燃料電池３０１は、陽子交換膜燃料電池（PEMFC）、ダイレクトメタノール型燃料電池（DMFC）、その他の燃料電池である。

本発明の配置方法２０と燃料電池システム３０は、上述の二つの数量の燃料電池３１に制限しているが、本発明の原理精神に基づき、当該技術を熟知する者なら、配置方法２０と燃料電池システム３０は、二つ以上の数量の燃料電池３０１上で実施することもできる。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

公知の燃料電池の固定組み立て方式を示す図である。本発明の知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法のフローチャートである。本発明の方法に基づいて実施される燃料電池システムを示す図である。本発明のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。本発明のマルチウェイスイッチ切換え器の切換え制御の対応する電気的接続を示す図である。直列に排列された電気的接続形態のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。並列に排列された電気的接続形態のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。断線に配置された電気的接続形態のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。部分開路に排列された電気的接続形態のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。もう一つの部分開路に排列された電気的接続形態のマルチウェイスイッチ切換え器を示す図である。図３の実施例を示す図である。図１１のマルチウェイスイッチ切換え器の切換え制御の対応する電気的接続を示す図である。

符号の説明

１０、３０１…燃料電池
１０Ａ…燃料電池ユニット
２０…配置方法
３０…燃料電池システム
４０…ロード
５０…切換え
２０１、２０３、２０５…工程
３０３…マルチウェイスイッチ切換え器
３０３ａ、ｂ…制御信号入力ピン
３０３ｃ、ｄ…出力ピン
３０３ｅ、ｆ…ピン位置
３０７ａ、ｂ…制御信号
３０５…マイクロコントローラ
３０３１…第一マルチウェイスイッチ切換え器
３０３３…第二マルチウェイスイッチ切換え器
３０３５…第三マルチウェイスイッチ切換え器
３０３７…第四マルチウェイスイッチ切換え器
３０３９…第五マルチウェイスイッチ切換え器

Claims

知能型操作制御式動態直並列配置を利用した燃料電池システムの配置方法をであって、
マルチウェイスイッチ切換え器を提供する工程と、
少なくとも二つの燃料電池を、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続する工程と、
前記マルチウェイスイッチ切換え器を制御し、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続された少なくとも二つの燃料電池を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態に配置する工程と、
からなることを特徴とする方法。
前記マルチウェイスイッチ切換え器は、電子式マルチウェイスイッチ切換え器であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
少なくとも二つの燃料電池を、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続する工程は、各燃料電池の正極と負極を、それぞれ、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記マルチウェイスイッチ切換え器を制御する工程は、マイクロコントローラを利用して、前記マルチウェイスイッチ切換え器に対し、制御信号を出力し、前記マルチウェイスイッチ切換え器が前記制御信号に従って、切換えの変化をすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記燃料電池は、燃料電池セル、スタック燃料電池、平面展開式燃料電池、及び、複合式燃料電池、のどれかであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記燃料電池は、陽子交換膜燃料電池（PEMFC）、ダイレクトメタノール型燃料電池（DMFC）のどちらかであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記マイクロコントローラは、更に、前記燃料電池の発電状況を観測することを特徴とする請求項４に記載の方法。
知能型操作制御式動態直並列の燃料電池システムであって、
マルチウェイスイッチ切換え器と、
前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続される少なくとも二つの燃料電池と、
前記マルチウェイスイッチ切換え器を制御し、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続された少なくとも二つの燃料電池を、直列、並列、断線、部分開路の電気的接続形態に配置するマイクロコントローラと、
からなることを特徴とするシステム。
前記マルチウェイスイッチ切換え器は、電子式マルチウェイスイッチ切換え器ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
少なくとも二つの燃料電池は、各燃料電池の正極と負極を、それぞれ、前記マルチウェイスイッチ切換え器に電気的に接続することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記マイクロコントローラは、前記マルチウェイスイッチ切換え器に対し、制御信号を出力し、前記マルチウェイスイッチ切換え器が前記制御信号に従って、切換えの変化をすることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記燃料電池は、燃料電池セル、スタック燃料電池、平面展開式燃料電池、及び、複合式燃料電池、のどれかであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記燃料電池は、陽子交換膜燃料電池（PEMFC）、ダイレクトメタノール型燃料電池（DMFC）のどちらかであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記マイクロコントローラは、更に、前記燃料電池の発電状況を観測することを特徴とする請求項８に記載のシステム。