JP2005528739A - 燃料電池電源 - Google Patents

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Abstract

電子システムに使用する燃料電池電源１００は、燃料電池システム１３０、および制御手段１５０を含む。制御手段１５０は、一つ以上の出力機能の情報源から正味所要電力を算出し、その正味所要電力と燃料電池システム１３０の出力特性とを照合して、燃料電池システム１３０の動作基点を決定する。

Description

本発明は、概ね燃料電池による電源（以下、「燃料電池電源」とする）に関連する。更に特定すると、燃料電池電源を操作する方法、およびそのシステムに関連する。
昨今における携帯性の人気が高まるにつれ、電子装置設計者は装置のサイズや重量を軽減しようと努めている。サイズや重量の軽減は、新たな化学電池の発展により部分的にではあるが、可能になってきている。例えば、ニッケル水素、リチウムイオン、空気亜鉛、およびリチウムポリマーの化学電池があり、これらにより大電力を小型の容器に格納することが可能となる。二次、または充電式電池はその電気容量が不足すると充電する必要がある。充電するには、通常、電池を充電器に接続して行い、充電器は交流電圧を２から１２ボルトの低レベル直流電圧に変換する。電池の持続時間は、最低１時間から２時間であり、通常では４時間から１４時間持続する。現在の電池技術において課題となっている点は、高性能な充電方法が必要であることと充電効率の改善にある。
燃料電池は、携帯電子製品にとって次世代のエネルギー源の中心になると期待されている。燃料電池は、触媒作用により水素分子を水素イオン、および電子に変化させ、水素イオンを酸化してＨ２Ｏを生成し、その副産物であるＨ２Ｏを取り除く間に、膜組織を通して電子が取り除かれるが、この時、電力として電子が取り除かれる。燃料電池の一つの長所は、従来の電池に比べて、小型の容器内に極めて膨大な電力を供給することができる点である。携帯通信装置アプリケーションにおいて、通話時間の長さや、待機時間の長さを提供する燃料電池の性能における可能性は、燃料電池技術の小型化を継続する刺激となる。例えば、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を基礎とした空気を利用する燃料電池、デッドエンド系燃料電池は、携帯通信装置、および他の携帯電子装置に電力を供給するのに非常に適している。
従来の電池式電子装置の場合、電子装置の操作特性および使用傾向は、電池の効率性、信頼性、または寿命に重大な影響を与えているとはいえない。一方、電子装置の電源に燃料電池を使用すると、燃料電池システムの基本的な形体、電気化学特性、および電気的特性が、電子（負荷）装置の使用傾向によって永久に、或いは一時的に大きく変化する。燃料電池のこの特性の変化は、燃料電池電源の性能、および耐用年数に直接影響を与えるものである。電子装置の平均的な活用傾向、およびピーク時の負荷傾向も同様に、燃料消費、燃料電池システムの変換効率に影響する。現世代のデジタル、多機能電子装置は、電力を必要としない低電力の時間が長く続いたかと思えば、急激な短期間における出力スパイクなどの多様な負荷サイクルを有する。この種の電子装置に対する燃料電池電源を最適化するには、個人ユーザの使用傾向、電子装置自身の動的所要電力、および燃料電池システムの動作特性について管理する、複雑な処理を要する。
現在の最新技術では、この問題をバッテリと燃料電池システムとから成るハイブリッド電源を有する自動車に関連して扱い、解決に取り組んでいる。例えば、特許文献１において説明されているように、その時の自動車の運転状況に応じて、バッテリによる出力か、燃料電池システムによる出力かのどちらかを選択し、出力を使い分ける方法を教授している。同様な方法、および装置が特許文献２においても説明されている。
米国特許出願番号第６３２１１４５号 米国特許出願番号第５８０８４４８号
現在の技術による方法は、ハイブリッド電源に関連する問題として、燃料電池とバッテリ間における負荷分散の問題に取り組んでいるが、電子装置の動的所要電力に基づく燃料電池の操作性能の最適化という、核心となる問題に焦点を当てていない。加えて、燃料電池電源によって動作する負荷装置の使用プロファイルにおける、性能の有効性について触れていない。
従って、必要とされるのは、燃料電池システムの出力特性、電子装置の動的所要負荷、および広範囲にわたる負荷装置の電源として燃料電池システムを使用する一人以上の装置ユーザの使用プロファイルを考慮し、それらの均衡を保つ方法、およびその装置である。
本発明は、典型的な実施形態により説明されるが、それら実施形態に限定されるものではない。添付図面中、同一の参照符号は同様の要素を示すものとする。
要求に応じて、本発明における詳細な実施形態をここに開示する。しかしながら、開示された実施形態は本発明の典型例に過ぎず、多様な形式において実施され得ることを理解されたい。従って、本願において開示された特定の構造、機能の詳細は限定的に解釈されるものではなく、単に特許請求の範囲における基礎的事項と、当業者に本発明を教授し、本発明を適用できる詳細構造の大部分において、様々に使用するための一つの基礎的事項を表しているに過ぎない。更に、本願において使用している用語、ならびに語句は、限定する意図はなく、むしろ本発明に理解しやすい説明を提供するためのものである。
本願において、負荷装置のための燃料電池電源を効率的に操作する方法、およびその装置を説明する。その方法、および装置は、燃料電池電源の挙動に影響する三つの主要な要素の均衡を保つ働きがある。負荷装置の動的所要負荷、および一人以上の装置ユーザの装置使用プロファイルは、まとめて出力機能の情報源と呼ばれ、最初の二つの要素を構成し、一方、燃料電池システムの出力特性は第三の要素を構成する。燃料電池電源を効率的に操作する方法には、ある期間における一人以上の負荷装置ユーザの使用プロファイルを捕捉すること、それぞれの使用プロファイルを装置の動的負荷特性に基づき、実際に負荷装置が必要とする出力に変換すること、および算出した負荷装置の所要負荷に基づき、燃料電池システムの動作パラメータを選択することとが必要である。
燃料電池電源の電流電圧（Ｉ−Ｖ）の関係は、リチウムイオン、リチウムポリマー、ニッケル水素、およびニッケルカドミウム電池のような従来の化学電池による電源のものとは、大きく異なる。燃料電池の電力変換、および燃料利用効率は、その電流電圧曲線上の動作基点と密接な関係がある。燃料電池電源では、エネルギー貯蔵、およびエネルギー変換の面からみると、両者に動作基点との関係はない。燃料電池電源を最適に動作させるには、燃料電池の理論上の変換効率のみに依るのではなく、外部の電源負荷傾向にも依存している。燃料電池による装置にとって、見かけ上その使用プロファイルに大きな違いがなくとも、燃料の利用、およびシステム全体の変換効率に非常に大きな影響を与え得る。具体的な例を挙げると、ユーザＡ、およびユーザＢからなる二人の携帯電話ユーザを考えてみる。両ユーザとも、通常、一日に８時間、電話機を使用する。その８時間の内、各ユーザは２時間を通話に使用し、残りの６時間を待機時間に充てている。ユーザＡは、長い待機時間に続いて、長時間の通話をする傾向にある。一方、ユーザＢは、一日に数回通話を行い、各通話はほんの２、３分に留まるが、各通話間における待機時間はほとんどない。ユーザＡの燃料電池電源における燃料電池システムは、低温待機状態から長時間通話中の高温通話状態へのサイクルを繰り返すだろう。ユーザＢの燃料電池電源における燃料電池システムでは、温度変化の周期がより頻繁に繰り返されるが、温度変化の範囲が小さく、ユーザＡの燃料電池システムほど高温レベルに達することはない。ユーザＢの電池システ
ムのように、より温度変化の少ない周期において電力をより頻繁に消費する状態は、ユーザＡに比べてより効率的であり、与えられた燃料に対して負荷装置により多くの動作時間を提供する。つまり、ユーザＢはユーザＡよりも、ある一定の燃料に対してより多く通話することができる。従って、ユーザＡに必要とされる燃料電池システムの動作パラメータは、燃料電池電源の性能の最適化を実現するために、ユーザＢに必要とされる動作パラメータとは大幅に異なる。
図１において本発明の好適な実施形態における、負荷装置１６０に電力を供給する燃料電池電源１００を示す。燃料電池電源１００は、燃料源として機能する燃料貯蔵容器１１０、燃料貯蔵容器１１０を制御する燃料貯蔵容器制御装置１２０、燃料電池システム１３０、情報記憶装置１４０、および燃料電池電源１００のその他の構成要素の動作を制御する、制御手段１５０を含む。燃料電池システム１３０は、一つ以上の別個の燃料電池が連結したものも含まれることは当業者により認識されるだろう。燃料電池システム１３０は、電気出力調節回路、冷却装置、ファン、ポンプ、バルブ、および調整器などの支援周辺要素を状況に応じて含むことができる。制御手段１５０は、通常、演算手段１７０を含む。演算手段１７０とは、例えば算術演算や論理演算、および他の電気回路素子と通信も可能なマイクロプロセッサである。演算手段１７０は、イリノイ州、シャンバーグにある「モトローラ・インコーポレイテッド（Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｉｎｃ．）」によって製造された、ＭＣ６８３２８マイクロコントローラと同様のものであることが望ましい。他の同様なマイクロプロセッサも演算手段１７０に使用でき、かつ、演算手段１７０の処理要求への対処に応じて同型のマイクロプロセッサ、またはそれに代わる別のプロセッサが追加可能であることも認識されたい。燃料電池システム１３０は、燃料貯蔵容器１１０、演算手段１７０、および負荷装置１６０にそれぞれ接続している。制御手段１５０は更に、負荷装置１６０、情報記憶装置１４０、および燃料貯蔵制御装置１２０にそれぞれ接続している。情報記憶装置１４０は更に、負荷装置１６０に接続している。情報記憶装置１４０には、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去、および書き込み可能メモリ（ＥＰＲＯＭ）、またはそれらに類するものも含まれることは、当業者により認識されよう。或いは、情報記憶装置１４０は、本発明において、制御手段１５０の内部に含まれ得ることも、当業者により認識されよう。
図１で説明するように、燃料電池電源１００は負荷装置１６０に接続しており、負荷装置１６０は燃料電池電源１００からの電力を使用して、動作している。本発明における負荷装置１６０は、携帯型コンピュータ、ラップトップコンピュータ、パームトップコンピュータ、携帯端末、電動工具、携帯電話機、携帯無線データ端末、データ端末機能を有する携帯電話機、またはイリノイ州、シャンバーグにある「モトローラ・インコーポレイテッド（Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｉｎｃ．）」で製造された「Ｐａｇｅ Ｗｒｉｔｅｒ ２０００Ｘ」のような双方向小型無線呼び出し機等になり得ることも、当業者により認識されよう。以下の説明において、「負荷装置」という用語は上記に説明した如何なる装置、またはそれらに類する負荷装置を表す。明細書中の実施形態では、負荷装置として携帯電話機を説明していることが多いが、本発明は携帯電話機に限定されるものではない。燃料電池により電力の供給を受ける如何なる装置が、本発明の範囲、および構造から逸脱することなく使用可能である。
燃料電池電源１００が動作を開始すると、制御手段１５０は情報記憶装置１４０を検索して、接続している負荷装置１６０の動的負荷傾向を示すデータが存在するかを確認する。動作開始時の処理手順では同様に、一人以上の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向を確認し、燃料電池システム１３０の出力特性が情報記憶装置１４０内において有効であるか確認する。負荷装置１６０の負荷傾向を示すデータが見つからない場合、制御手段１５０はその情報について接続している負荷装置１６０に問合せ、その情報を将来使用するために情報記憶装置１４０内に保存する。一実施形態では、制御手段１５０は更に、負荷装
置１６０の現在の装置ユーザを識別するために、負荷装置１６０に問合せる。接続している負荷装置１６０の現在の装置ユーザによる使用傾向、または燃料電池システム１３０の出力特性が見つからない場合、情報記憶装置１４０に保存されているこの情報に関連するパラメータのデフォルト値が、制御手段１５０によって使用される。更に制御手段１５０は、現在の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向、および燃料電池システム１３０の出力特性を記録し始める。一度充分な情報が記録されると、それらのデータは将来使用するため、情報記録装置１４０内に保存される。本発明において、一つ以上の負荷装置における複数の装置ユーザによるそれぞれの使用傾向は、情報記憶装置１４０内に保存可能であることは、当業者により認識されよう。
制御手段１５０は、負荷装置１６０の動的所要負荷と特定装置ユーザのそれまでの使用傾向とを組合わせて、照合し、負荷装置１６０の正味所要負荷電力を算出する。一旦その正味所要電力が分かると、制御手段１５０は、正味所要電力と燃料電池システム１３０とを照合して、燃料電池システム１３０の初期動作基点を設定する。制御手段１５０は、時間と共に変化する燃料電池電源１００の負荷傾向や状態に合わせて、燃料電池システム１３０の動作基点を調整し続ける。
一例として、負荷装置１６０が携帯電話機である場合、動的所要負荷は、ピーク時における電流量、電流の継続時間、電流の頻度、待機状態時の電流、および節電モード時の電流を含むことができる。携帯電話機の用途におけるこれらのパラメータは、携帯電話機が使用するプロトコル、（即ち、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、時分割多源接続（ＴＤＭＡ）、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ））、携帯電話機の動作モード、携帯電話機の動作周波数帯、携帯電話機で動作しているアプリケーション、および携帯電話機が動作している国によって決まることが多い。本発明における動的所要負荷は、いかなる負荷要求の組合せ、またはそれに類するものになり得ることは、当業者により認識されよう。
携帯電話ユーザの使用傾向には、特定時間内における通話回数、通話頻度、各通話時間、使用したサービスのタイプ（音声 対 データ）が含まれる。携帯電話機の使用傾向パラメータは更に、待機モードにある時間、スピーカ音量、バックライトの使用、動作モード（例えば、ＴＤＭＡ 対 ＧＳＭ）、および警告機能の使用（例えば、振動 対 着信メロディ）等も含まれる。使用傾向には、また、常時接続、ストリーミングビデオや音楽サービス、およびテレビゲーム等からの付加的に電力を使用するような、多機能なデータ処理を中心とする携帯電話に特化した特別な環境をも考慮する。本発明は、各負荷装置における、各装置ユーザの使用傾向パラメータに対応するデータを情報記憶装置１４０内に保存する。本発明における使用傾向パラメータは、本願において説明したいかなるパラメータの組合せ、またはそれらに類するものでも可能であることは、当業者により認識されよう。
燃料電池システム１３０の出力特性には、燃料のタイプ、および酸化剤供給システムを含むことができる。酸化剤供給システムは、システムの応答時間、燃料電池の効率、燃料電池構造のタイプ、電解質、電極、気体拡散、および使用される触媒材料、並びにそれら組み立ておよび配置方法、燃料電池の寿命、負荷容量、Ｉ−Ｖ曲線、動作圧力、燃料電池システム１３０の温度、および湿度等を決定する。本発明における燃料電池システム１３０の出力特性は、本願において説明したいかなる特性の組合せ、またはそれらに類するものでも可能であることは、当業者により認識されよう。
燃料電池システム１３０の動作基点の設定には、燃料電池システム１３０内に含まれている燃料電池の電流電圧出力の相関を選定すること、反応物質の化学量および流量の制御、電解質の加湿レベルと生成水の生成の管理、およびデッドエンド系燃料電池の場合にお
ける汚染物質を取り除くための浄化サイクルの管理を含む。制御手段１５０が動作基点を設定すると、燃料電池をＩ−Ｖ曲線の最も効率の良い部分で動作させるために、燃料電池システム１３０内に含まれる燃料電池の動作電圧と電流出力を変化させる。燃料電池、およびＩ−Ｖ曲線上の動作基点に影響を与える様々な燃料電池のパラメータがその曲線に関連するように、Ｉ−Ｖ曲線の概念は、燃料電池技術においては周知である。例えば、米国特許出願番号第６３０００００号、同第５２９０６４１号、および第５０２３１５０号では、燃料電池のＩ−Ｖ曲線の性質、および特性について説明している。制御手段１５０はまた、反応速度、および生成水の生成を制御するために、燃料、および燃料電池に達する酸化剤の量を変化させることができる。例えば、ファン、送風機、ポンプ、冷却装置、および同様の構成要素のような能動要素を伴う燃料電池システムでは、制御手段１５０は、燃料電池の出力を負荷装置１６０の動的負荷特性と装置ユーザの使用傾向に合わせて、これらの構成要素のパラメータを変化させることができる。
好ましくは、本発明によれば、燃料電池システム１３０を動作させるために、制御手段１５０によって使用される３つの次元を改善および検証するために付加的な機能が実施され得る。制御手段１５０は、動作開始時に燃料電池システム１３０内にある燃料電池において一連のテスト処理手順を実行し、情報記憶装置１４０に保存されている燃料電池システムの出力特性が有効かつ最新のものであるかを確認する。テスト処理手順には、燃料電池の内部インピーダンス、標準的負荷状況における燃料電池の電流、電圧出力、加湿レベル、電解質膜の寿命等の検査が含まれる。制御手段１５０は、必要に応じて、情報記憶装置１４０に保存されている燃料電池システム１３０の出力特性を定義しているパラメータを更新する。
本発明における第二の実施形態では、所要電力に見合った最適な状態で燃料電池電源１００を動作させるのに加えて、制御手段１５０は、燃料電池電源１００の電力残容量も推定する。残容量の測定は、燃料貯蔵容器１１０に残されている燃料を正確に測定するだけではなく、外部の電力負荷傾向、および電力負荷状態における燃料電池の動作基点を正確に予測する。現世代のデジタル、多機能携帯通信装置は、電力を必要としない低電力の時間が長く続いたかと思えば、急激な短期間における出力スパイクなどの多様な負荷サイクルを有する。この種の負荷装置に対してエネルギー残容量を算出するには各個人装置ユーザの使用傾向、負荷装置１６０の動的所要電力、燃料電池システム１３０の出力特性について管理し、燃料貯蔵容器１１０内の燃料の残容量を測定する複雑な処理を要する。燃料電池電源１００の制御手段１５０は、すでに上記の情報にアクセスしているため、本発明の第二実施形態はこの特徴を利用して、燃料電池電源１００の燃料を正確に計測する、燃料計測機能を実施する。残容量の計測は、負荷装置１６０が装置ユーザに燃料電池電源の現在の状況を提供するために動作している間にも、継続的に行われる。加えて、装置ユーザに提供されるフィードバックは、負荷装置１６０の多様な動作モードにおいて、蓄えられている使用可能なエネルギーによって動作し得るであろう時間に関連していることが望ましい。
図２は、本発明における負荷装置１６０に電力を供給するための別の実施形態である、燃料電池電源２００を表す。燃料電池電源２００は、燃料源として機能する燃料貯蔵容器１１０、燃料貯蔵容器１１０に接続した、前記貯蔵器を制御するための燃料貯蔵容器制御装置１２０、燃料貯蔵容器１１０に接続している燃料電池システム１３０、負荷装置１６０に接続している情報記憶装置１４０、燃料電池システム１３０、および情報記憶装置１４０に接続し、燃料電池電源２００のその他の構成部品を制御している制御手段１５０を含む。制御手段１５０は本発明において、さらに負荷装置１６０に燃料計測情報を提供することが望ましい。燃料電池システム１３０は、互いに連結した一つ以上の別個の燃料電池を含んでも良いことは当業者により認識されよう。燃料電池電源２００は更に、制御手段１５０に接続した測定手段２１０を含むことが望ましい。測定手段２１０は、好ましく
は負荷装置１６０の正味所要電力、および燃料電池システム１３０の出力特性を使用して燃料電池電源２００の残容量を算出できるマイクロプロセッサ回路のような処理手段２２０を備える。処理手段２２０は、イリノイ州、シャンバーグにある「モトローラ・インコーポレイテッド（Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｉｎｃ. ）」によって製造された、ＭＣ６８３２８マイクロコントローラと同様のものであることが望ましい。処理手段２２０には他の同様なマイクロプロセッサも使用でき、さらに処理手段２２０の処理要求に対処するため必要に応じて、同型のマイクロプロセッサ、またはそれに代わる別のプロセッサが追加され得ることも認識されたい。加えて、処理手段２２０に接続している通信手段２３０も測定手段２１０内に含まれている。通信手段は、付加的な電気回路素子を使用して実行され、その付加的な電気回路素子は、制御手段１５０を経由して、処理手段２２０にあるマイクロプロセッサ回路から負荷装置１６０へ選択的に情報を転送する。
燃料電池電源２００は、燃料電池システム１３０、情報記憶装置１４０、および制御手段１５０の各装置を経由して負荷装置１６０と接続している。負荷装置１６０は、燃料電池電源２００によって供給される電源を使用して動作する。燃料電池電源２００が動作を開始すると、制御手段１５０は情報記憶装置１４０を検索して、接続している負荷装置１６０の動的負荷傾向を示すデータが存在するか確認する。動作開始時の処理手順では同様に、一人以上の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向を確認し、燃料電池システム１３０の出力特性が情報記憶装置１４０内において有効であるかを確認する。負荷装置１６０の負荷傾向を示すデータが見つからない場合には、制御手段１５０はその情報について接続している負荷装置１６０に問合せ、将来使用するために情報記憶装置１４０内に保存する。一実施形態では、制御手段１５０は更に、負荷装置１６０の現在の装置ユーザを識別するために、負荷装置１６０に問合せる。接続している負荷装置１６０の現在の装置ユーザによる使用傾向、または燃料電池システム１３０の動作特性が見つからない場合、情報記憶装置１４０に保存されているこの情報に関連するパラメータのデフォルト値が、制御手段１５０によって使用される。更に制御手段１５０は、現在の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向、および燃料電池システム１３０の動作特性を記録し始める。一度充分な情報が記録されると、それらのデータは将来使用するために、情報記録装置１４０内に保存される。本発明において、一つ以上の負荷装置における複数の装置ユーザによるそれぞれの使用傾向は、情報記憶装置１４０内に保存可能であることは、当業者により認識されよう。
制御手段１５０は、負荷装置１６０の動的所要負荷と特定装置ユーザのそれまでの使用傾向を組合わせて、照合し、負荷装置１６０の正味所要負荷電力を算出する。一旦その正味所要電力が分かると、制御手段１５０は、燃料電池システム１３０の初期動作基点を設定する。制御手段１５０は、時間と共に変化する燃料電池システム１３０の負荷傾向や状態に合わせて、燃料電池システム１３０の動作基点を調整し続ける。更に加えて、動作開始時の処理手順において制御手段１５０は燃料貯蔵容器制御装置１２０に問合せて、燃料貯蔵容器１１０の残燃料値も取得する。制御手段１５０は、燃料電池システム１３０の出力特性、負荷装置１６０の動的所要負荷、装置ユーザの使用傾向、燃料貯蔵容器１１０の残燃料の情報を使用して、燃料電池電源２００の電力残容量、負荷装置の異なるモードにおける動作可能時間、燃料消費率、およびエネルギー変換効率等の燃料計測情報を算出する。燃料計測情報は、本願において説明した如何なる情報の組合せ、またはそれらに類するものも含まれ得ることは、当業者により認識されよう。
電力残容量の測定方法には、情報記憶装置１４０に保存されている特定の装置ユーザによる負荷装置１６０の使用プロファイルを表す参照テーブル、または方程式を参照して、残燃料に基づいた燃料電池システム１３０のエネルギー残容量を測定することと、使用プロファイルに対応する燃料電池システム１３０の変換効率を推定することで、負荷装置１６０の予想動作時間を算出することとが含まれる。ある特定の燃料電池システム１３０の
特性を示している出力負荷に対する効率、およびＩ−Ｖ曲線上の動作基点の変化は、負荷装置１６０の残りの動作時間を測定するために使用される。制御手段１５０によって算出された残容量パラメータは、負荷装置１６０にある装置ユーザのインターフェース要素２５０か、燃料電池電源２００にあるユーザインターフェース要素、またはそれらに類するものの何れかにより、装置ユーザに表示される。
燃料電池により電力を供給されている装置にとって、使用モデルにおける微細な相違点は、燃料の使用、および燃料電池システムの変換効率全体に重大な影響を与え得る。例えば、二人の携帯電話機ユーザ、ユーザＡ、およびユーザＢを考えてみる。両ユーザとも、通常、一日に８時間、電話機を使用する。その８時間の内、各ユーザは２時間を通話に使用し、残りの６時間を待機時間に充てている。ユーザＡは、長い待機時間に続いて、長時間の通話をする傾向にある。一方、ユーザＢは、一日に数回通話を行い、各通話はほんの２、３分に留まるが、各通話間における待機時間はほとんどない。ユーザＡの燃料電池電源における燃料電池システムは、低温待機状態から長時間通話中の高温通話状態へのサイクルを繰り返すだろう。ユーザＢの燃料電池電源における燃料電池システムでは、温度変化の周期がより頻繁に繰り返されるが、温度変化の範囲が小さく、ユーザＡの燃料電池電源内の燃料電池システムほど高温レベルに達することはない。ユーザＢの電池システムのように、より温度変化の少ない周期において電力をより頻繁に消費する状態は、ユーザＡに比べてより効率的であり、与えられた燃料に対して負荷装置により多くの動作時間を提供する。つまり、ユーザＢはユーザＡよりも、ある一定の燃料に対してより多く通話することができる。従って、負荷装置１６０に対する燃料電池電源２００の残容量の推定に使用する燃料計測には、より精度の高い予測をするために、ユーザＡ、ユーザＢのそれぞれ異なる使用モデルを使用する。
好ましくは、本発明によれば、燃料電池電源２００を動作させるため、および燃料計測情報を算出するために、制御手段１５０によって使用される３つの次元を改善および検証するために付加的な機能が実施され得る。制御手段１５０は、動作開始時に一連のテスト処理手順を実行し、情報記憶装置１４０に保存されている燃料電池システムの出力特性が有効、および最新のものであるか確認する。テスト処理手順には、電池の内部インピーダンス、標準的負荷状況における電池の電流、電圧出力、加湿レベル、電解質膜の寿命等のテストを含むことができる。前記テストには、本願において説明したいかなるテスト事項の組合せ、またはそれらに類するものも含まれることは、当業者により認識されよう。制御手段１５０は、必要に応じて、情報記憶装置１４０に保存されている燃料電池システム１３０の出力特性を定義しているパラメータを更新する。
本発明における第三の実施形態では、測定手段は、燃料電池電源の電力残容量を推定する。図３は、本発明において負荷装置１６０に電力を供給する、第三の実施形態である燃料電池電源３００を表す。燃料電池電源３００は、燃料源として機能する燃料貯蔵容器１１０、燃料貯蔵容器１１０に接続した、前記貯蔵器を制御するための燃料貯蔵容器制御装置１２０、燃料貯蔵容器１１０に接続している燃料電池システム１３０、負荷装置１６０に接続している情報記憶装置１４０、および燃料計測情報を負荷装置１６０に提供する測定手段２１０を含む。測定手段２１０は、情報記憶装置１４０、燃料電池システム１３０、および燃料貯蔵容器制御装置１２０にそれぞれ接続しており、好ましくは、負荷装置１６０の正味所要電力、および燃料電池システム１３０の出力特性を使用して燃料電池電源の残容量を算出できるマイクロプロセッサ回路のような処理手段２２０を備える。
燃料電池電源３００は、負荷装置１６０と接続しており、負荷装置１６０は、燃料電池電源３００によって供給される電源を使用して動作する。燃料電池電源３００が動作を開始すると、測定手段２１０は情報記憶装置１４０を検索して、接続している負荷装置１６０の動的負荷傾向を示すデータが存在するかを確認する。動作開始時の処理手順では同様
に、一人以上の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向を確認し、燃料電池システム１３０の出力特性が情報記憶装置１４０内において有効であるか確認する。負荷装置１６０の負荷傾向を示すデータが見つからない場合には、測定手段２１０はその情報について接続している負荷装置１６０に問合せ、将来使用するために情報記憶装置１４０内に保存する。一実施形態では、測定手段２１０は更に、負荷装置１６０の現在の装置ユーザを識別するために、負荷装置１６０に問合せる。装置ユーザの使用傾向、または燃料電池システム１３０の出力特性が見つからない場合、情報記憶装置１４０に保存されているこの情報に関連するパラメータのデフォルト値が、測定手段２１０によって使用される。更に測定手段２１０は、現在の装置ユーザによる負荷装置の使用傾向、および燃料電池システム１３０の出力特性を記録し始める。一度充分な情報が記録されると、それらのデータは将来使用するために、情報記録装置１４０内に保存される。本発明において、一つ以上の負荷装置における複数の装置ユーザによるそれぞれの使用傾向は、情報記憶装置１４０内に保存可能であることは、当業者により認識されよう。
測定手段２１０は、負荷装置１６０の動的所要負荷と各装置ユーザのそれまでの使用傾向を組合せて、照合し、負荷装置１６０の正味所要負荷電力を算出する。更に加えて、動作開始時の処理手順において測定手段２１０は燃料貯蔵容器制御装置１２０に問合せて、燃料貯蔵容器１１０の残燃料値も取得する。測定手段２１０は、燃料電池システム１３０の出力特性、負荷装置１６０の動的所要負荷、装置ユーザの使用傾向、燃料貯蔵容器１１０の残燃料の情報を使用して、燃料電池電源３００の電力残容量、負荷装置の異なるモードにおける動作可能時間、燃料消費率、およびエネルギー変換効率等の燃料計測情報を算出する。燃料計測情報は、本願において説明した如何なる情報の組合せ、またはそれらに類するものも含まれ得ることは、当業者により認識されよう。測定手段２１０によって算出された残容量パラメータは、負荷装置１６０にある装置ユーザのインターフェース要素２５０か、燃料電池電源３００にあるユーザインターフェース要素、またはそれらに類するものの何れかにより、装置ユーザに表示される。
図４は、本発明に基づく燃料電池電源の性能管理に使用される処理を示す流れ図である。図４において、長方形のボックスはそのプロセスにおける構造上の実体を表し、角が丸いボックスは、多様な構造体の目的を達成させる処理ステップを表す。図４を参照すると、処理はステップ４００で開始し、カウンタ「ｎ」は１に設定されている。続いて処理は決定点４０５に進み、ｎ番目の装置ユーザによる負荷装置１６０の動作を確認する。決定点において「はい」を返すと、処理は初期化ステップ４１０に進み、その初期化ステップ中において燃料電池電源（１００，２００）にある制御手段１５０は、情報記憶装置１４０に問合せて接続している負荷装置１６０の動的負荷傾向に関するデータが存在するか確認する。初期化ステップはまた、ｎ番目のユーザによる負荷装置の使用傾向に関するデータ、および燃料電池システム１３０の出力特性に関するデータが有効であるかを確認する。負荷装置１６０の負荷傾向を示すデータが見つからない場合には、制御手段１５０はその情報について接続している負荷装置１６０に問合せ、将来使用するために情報記憶装置１４０内に保存する。ｎ番目の装置ユーザの使用傾向、または燃料電池システム１３０の出力特性が見つからない場合、情報記憶装置１４０に保存されているこの情報に関連するパラメータデフォルト値が、制御手段１５０によって使用される。負荷装置１６０の動的所要負荷に関連するパラメータは、ｎ番目の装置ユーザの使用傾向と照合され、負荷装置１６０の正味所要負荷電力を算出する４２０。ステップ４３０において、制御手段１５０は正味所要電力を、情報記憶装置１４０に保存されている燃料電池システム１３０の出力特性と照合し、ステップ４４０において燃料電池電源１００の動作に対する設定を選択する。ステップ４５０において、制御手段１５０は選択されたパラメータを使用して、燃料電池システム１３０を意図した状態で動作させる、ステップ４６０。次に、ステップ４７０では、ｎの値が１つ増加する。プロセスは、その後、決定点４０５にフィードバックされ、決定点４０５が終点４８０で処理フローの終了を意味する「いいえ」の値を返すまで
、ユーザの条件を調べ続ける。
図４において説明されている、燃料電池電源の動作方法に適用することは、いかなる特定の負荷装置に限定するものではないことは、当業者により認識されよう。電子装置に対してこの方法を適用していることは、本願においていくつか説明されている。電子装置でないものに適用している例としては、燃料電池による電力を供給されている自動車、またはハイブリッド自動車がある。ドライバによって運転の仕方はそれぞれ異なる。それによって、燃料効率にもそれぞれ異なった影響を与える。自動車に応用するにあたり、その使用傾向を構成する有用なパラメータには、停止からの加速、平均速度、停止頻度、加速の変動性、車速設定装置の使用プロファイル、その他多くのものが含まれる。本発明は、ガソリン車、ハイブリッド車、電気、または燃料電池車等に関わらず、現代の自動車を進歩させるものであり、各ドライバに合わせた自動車の性能や燃料効率を可能にするものである。
本発明は好適な実施形態において説明されてきたが、当業者にとって本発明から逸脱することなく様々な変更、および修正が可能であることは明らかであろう。従って、そのような全ての変更、および修正は、添付の特許請求の範囲において定義されているように、本発明の精神と範囲内であるとみなすことを目的としている。
本発明に基づく、燃料電池電源の多様な実施形態のブロック図。 本発明に基づく、燃料電池電源の多様な実施形態のブロック図。 本発明に基づく、燃料電池電源の多様な実施形態のブロック図。 本発明の好適な実施形態に基づく、燃料電池電源の動作を表す処理の流れ図。

Claims (10)

  1. 燃料電池電源において、
    負荷装置に電力を供給する燃料電池システムと、
    前記燃料電池システム、および前記負荷装置に接続している制御手段であって、
    一つ以上の出力機能の情報源から一つ以上の正味所要電力を算出し、かつ
    一つ以上の正味所要電力と燃料電池システムの一つ以上の出力特性とを照合して、前記燃料電池システムの動作基点を選択するようにプログラムされた制御手段とを備える燃料電池電源。
  2. 請求項１記載の燃料電池電源において、前記制御手段、および前記負荷装置に接続し、出力機能の情報源に関連する一つ以上のパラメータ、および燃料電池システムの出力特性を保存する情報記憶装置を更に備える燃料電池電源。
  3. 請求項３記載の燃料電池電源において、制御手段は、出力機能の情報源に関連する一つ以上のパラメータ、および燃料電池システムの出力特性を計算するための演算手段を備える燃料電池電源。
  4. 燃料電池電源において、
    負荷装置に電力を供給する燃料電池システムと、
    前記燃料電池システム、前記負荷装置、および燃料貯蔵容器制御装置に接続している制御手段であって、
    一つ以上の出力機能の情報源から一つ以上の正味所要電力を算出し、かつ、
    一つ以上の正味所要電力と燃料電池システムの一つ以上の出力特性を照合して、前記燃料電池システムの動作基点を選択するようにプログラムされた制御手段と、
    前記制御手段に接続している測定手段であって、
    前記負荷装置の一つ以上の正味所要電力と前記燃料電池システムの一つ以上の出力特性を使用して、燃料電池電源の残容量を算出するようにプログラムされた測定手段とを備える燃料電池電源。
  5. 請求項４記載の燃料電池電源において、制御手段は、
    出力機能の情報源に関連する一つ以上のパラメータ、および燃料電池システムの出力特性を計算するための演算手段と、
    出力機能の情報源に関連する一つ以上のパラメータ、および燃料電池システムの出力特性を記憶するための、前記演算手段に接続した情報記憶装置とを備える制御手段を有する燃料電池電源。
  6. 請求項４記載の燃料電池電源において、測定手段は、
    前記制御手段からの残燃料の情報を測定し、前記残燃料の情報と負荷装置の正味所要電力、および燃料電池システムの出力特性とを組合わせて、燃料電池電源の残容量を推定する処理手段と、
    燃料電池電源の残容量を前記制御手段に転送する通信手段とを備える測定手段を有する燃料電池電源。
  7. 請求項４記載の燃料電池電源において、燃料電池電源の残容量を表示するユーザインターフェース要素を更に備える燃料電池電源。
  8. 燃料電池電源において、
    負荷装置に電力を供給する燃料電池システムと、
    前記燃料電池システム、前記負荷装置、および燃料貯蔵容器制御装置に接続している測
    定手段であって、
    一つ以上の出力機能の情報源から前記負荷装置の一つ以上の正味所要電力を算出し、かつ、
    前記負荷装置の一つ以上の正味所要電力と前記燃料電池システムの一つ以上の出力特性を使用して、燃料電池電源の残容量を算出するようにプログラムされた測定手段とを備える燃料電池電源。
  9. 請求項８記載の燃料電池電源において、測定手段は、
    前記燃料貯蔵容器制御装置からの残燃料の情報を測定し、前記残燃料の情報と負荷装置の一つ以上の正味所要電力、および燃料電池システムの一つ以上の出力特性とを組合わせて燃料電池電源の残容量を推定する処理手段と、
    燃料電池電源の残容量を前記負荷装置に転送する通信手段とを備える測定手段を有する燃料電池電源。
  10. 燃料電池電源を操作する方法であって、
    一つ以上の出力機能の情報源、および燃料電池システムの一つ以上の出力特性を取得するステップと、
    一つ以上の出力機能の情報源から正味所要電力を算出するステップと、
    一つ以上の正味所要電力と燃料電池システムの一つ以上の出力特性とを照合して、前記燃料電池システムの動作基点を選択するステップとを備える方法。
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