JP2007059367A

JP2007059367A - 燃料電池の発生力率の制御方法及びその応用

Info

Publication number: JP2007059367A
Application number: JP2005304349A
Authority: JP
Inventors: Jiun Ching Tung; 俊卿童; 豐毅 ▲とう▼; Hoki Tou; Yu-Lin Tang; 毓麟湯; Yu-Chin Wang; 裕進王
Original assignee: Antig Technology Co Ltd; Syspotek Corp
Current assignee: Antig Technology Co Ltd; Syspotek Corp
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-03-08
Also published as: TW200709489A; TWI319640B

Abstract

【課題】一種の燃料電池の発生力率の制御方法及びその応用を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、直流変圧器(DC Converter)と燃料電池を提供することに関り、また、直流変圧器の入力側と燃料電池の出力側が相互接続することにある。直流変圧器は、燃料電池の出力電流を利用して出力を定電圧出力に変換、及び、直流変圧器の入力側において定電流の予定範囲内に維持させ、また、燃料電池の出力電流を定電流の予定範囲内に維持させることもでき、その定電流の予定範囲は、燃料電池の膜電極接合体の数量、及び、膜電極接合体によって発生する最適力率範囲以内の電流範囲に基づいて、該定電流の予定範囲のその電流範囲値を設定する。更に、本発明は、燃料電池がその他の電気エネルギーの出力装置と組合せることでマルチエネルギーの出力に応用できることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一種の燃料電池の発生力率の制御方法及びその応用に関り、特に、直流変圧器を介することで直流変圧器の入力側の電流値を制御することで定電流範囲内に維持し、これにより、燃料電池の最大力率の出力、或いは、最適効率の出力より低い、或いは、状態もとで作動させ、また、その他電気エネルギーの出力装置と組合せることにより省エネ状態で電力供給することができることに関するものである。

従来の直流変圧器(DC Converter)で、例えば二次電池に用いる従来の直流変圧器は、その設計時において通常定電圧出力の安定性設計のみを考慮しているため、その出力電流が負荷によって変化し、二次電池から発生する電力の電圧が従来の直流変圧器に対する影響を心配することが無く、且つ、二次電池が充電された後、エネルギーを蓄積するエネルギー容器となるため、使用時の放電によってエネルギーが放出され、また、二次電池の放電時において電力量が十分である場合、二次電池の出力電流を定電流として維持することができ、これにより二次電池の電力が十分である定電圧のデバイスと見なすことができる。しかし、燃料電池はエネルギー変換器であるため、エネルギーを事前に蓄積せず、燃料電池を従来の直流変圧器と組合せて使用する時、燃料電池から発生する電力の電流値が外部からの負荷によって大きな変化が生じてしまう。この時、従来の直流変圧器は、燃料電池で変化した後の入力電流を利用して変換を行うことで、負荷に必要な力率を提供することができるが、生じる結果として燃料電池に最適力率の出力状態における運転をさせることができているとはいえない。

更に、通常燃料電池を使用する電子システムにおいて、例えば充電式リチウム電池の二次電池のようなその他の電気エネルギーの出力装置を組合せることができる。特に携帯式電子システムにおいて、何時二次電池の電力補充をすればよいのか分からず、且つ、二次電池の寿命は頻繁な充放電によって短くなる。しかし、燃料電池の燃料を随時充填することで、できるだけ二次電池の電力出力を下げる必要があり、且つ、電力出力を燃料電池に主に供給することで二次電池の省エネ目的を達成することができる。

本発明の発明者は、従来の直流変圧器が燃料電池に対し最適力率の出力状態において運転する操作モードを提供できないことを鑑み、一種の燃料電池の発生力率の制御方法の改良に努めることで、燃料電池が最適力率の出力状態で運転でき、また、この制御方法をもって燃料電池がその他電気エネルギーの出力装置と結合することでマルチエネルギーの供給システムに応用することにある。

本発明の主な目的は、一種の燃料電池の発生力率の制御方法及びその応用で、直流変圧器に出力電流の定電流を維持できる機能を提供する以外に、同時に燃料電池が最適力率の出力状態において運転させることを提供することにある。

本発明の上記の目的を達成するため、一種の燃料電池の力率発生制御方法、及び、その応用を提供することにあり、下記のステップを含む。直流変圧器(DC Converter)と燃料電池を提供し、また、直流変圧器の入力側と燃料電池の出力側を相互に接続する。直流変圧器が燃料電池の出力電力を利用することで出力を定電圧出力に変換する。及び、直流変圧器を直流変圧器の入力側において定電流の予定範囲内に維持させ、つまり、燃料電池の出力電流も定電流の予定範囲内に維持させ、この中の定電流の予定範囲は、燃料電池の膜電極接合体の数量、及び、膜電極接合体から発生する最適力率範囲以内の電流範囲に基づいて、該定電流の予定範囲の電流範囲値を設定する。この中の該最適力率範囲は、膜電極接合体が単位において燃料消耗量のもとで発生できる最大力率の出力、及び、膜電極接合体の最大力率の出力内の任意の状態を選択することである。

更に、本発明は燃料電池がその他の電気エネルギーの出力装置と組合せることでマルチエネルギーの出力に応用できることである。
該項目を熟知する技術者に本発明の目的、特徴、及び、効果を理解してもらうため、下記の具体的な実施例を介すると共に付属の図式を組合せ、本発明に対する詳細な説明を以下のとおり行うものである。

図１は、本発明である燃料電池の発生力率の制御方法及び負荷に応用した回路接続見取図である。図１を参考にすると、本発明は、少なくとも燃料電池(1)、及び、少なくとも第二電池(2)をそれぞれ直流変圧器(3) (DC Converter)に電気的に接続し、該燃料電池(1)と第二電池(2)からの出力電力の電圧変換を行い、更に該直流変圧器(3)を利用して負荷(4)に電気的に接続し、該直流変圧器(3)で電圧を変換した後の電力を該負荷(4)に供給する。この中の該燃料電池(1)は、水素リッチ燃料(例えばメタノール燃料)、酸素燃料、及び、触媒物質を介することで電気化学的反応を起して電力を発生する一種のエネルギー変換器であり、該燃料電池(1)に燃料電池の出力側(11)を具えることで、該燃料電池(1)が発生する電力を出力する。該第二電池(2)は、別の電力発生装置として蓄積した化学エネルギーを電気エネルギーへ変換できる一次電池、或いは、二次電池であり、また、第二電池の出力側(21)を有することで該第二電池(1)が発生する電力出力に用いる。例を挙げると該第二電池(2)をアルカリ電池の一次電池、或いは、リチウム電池の二次電池とすることができる。該直流変圧器(3)は、該燃料電池(1)と第二電池(2) にそれぞれ対応する複数個の直流変圧器の入力側(31)、及び、負荷(4) に対応する直流変圧器の出力側(32)を具備し、且つ、該直流変圧器(3)が降圧論理(buck logic)、或いは、昇圧論理(boost logic)の運転を介することで、負荷(4)に必要な電圧を組合せることで該燃料電池(1)、或いは、第二電池(2)が出力する電力に対応する電圧の大きさに変換することができる。及び、該負荷(4)は、電子デバイス、或いは、電子システムとすることができ、該直流変圧器(3)が出力する安定電圧の電力を介することで、該負荷(4)の運転を行うことができる。

前記燃料電池(1)の燃料電池の出力側(11)は、該直流変圧器(3)内の直流変圧器の入力側(31)に電気的に接続し、及び、該第二電池(2)の第二電池の出力側(21)は、該直流変圧器(3)内の別の直流変圧器の入力側(31)に電気的に接続して、燃料電池(1)と第二電池(2)が発生する電力を該直流変圧器(3)に伝送し、また、該直流変圧器(3)内の直流変圧器の出力側(32)を介して該負荷(4)に電気的に接続し、これにより特定電圧の電力を該負荷(4)の使用に伝送する。

前記の燃料電池(1)は、プリント回路基板の製造工程を利用して製造される燃料電池である。

図２は、本発明である燃料電池の発生力率の制御方法で使用する燃料電池の単一膜電極接合体の電流-力率特性曲線グラフである。及び、図３は、本発明である燃料電池の発生力率の御方法及びその応用のチャート図である。図１によると、本発明の制御方法に基づいて提供する直流変圧器(3)は、定電圧を出力して負荷(4)に供給する機能を具えている以外に、直流変圧器の入力側(31)の電流値を常に1つの定電流範囲内に維持させることができ、且つ、負荷(4)が特定の力率と作動電圧の運転のもとで、降圧論理(buck logic)、或いは、昇圧論理(boost logic)を経ることで対応の電流値を発生することができる。更に、該直流変圧器(3)には、運転制限される燃料電池(1)の最大電流出力値を具える。更に一歩進んで図２によると、該燃料電池(1)内の各膜電極接合体の電流出力値は、力率の出力値に対応でき、燃料電池(1)内の各膜電極接合体が出力電流値Imaxを発生する場合、最大出力力率Pmaxを対応発生することができ、且つ、該直流変圧器(3)が燃料電池(1)運転の最大電流出力値を制限し、つまり、最大力率出力の電流値Imaxより小さく、或いは、等しく維持し、これはこの時の燃料電池(1)が最大出力の力率Pmaxより小さい、或いは、等しい状態もとで運転していることを示す。本発明の制御方法には、ステップ(101)、ステップ(103)、及び、ステップ(105)も含んでおり、それぞれを以下で説明する。図１、及び、図３によると、ステップ(101)では、直流変圧器(3)と燃料電池(1)を提供し、また、直流変圧器(3)の直流変圧器の入力側(31)と燃料電池(1)の燃料電池の出力側(11)を相互に接続し、且つ、該燃料電池(1)内の膜電極接合体の電気化学的反応を経て発生する電力が、燃料電池の出力側(11)を介して電流を直流変圧器の入力側(31)に出力する。

ステップ(103)は、直流変圧器(3)が燃料電池(1)の出力電力を利用して出力を定電圧出力に変換する。直流変圧器(3)は、燃料電池(1)が発生する電力を回路手段、並びに、降圧論理(buck logic)、或いは、昇圧論理(boost logic)を介することで定電圧出力に変換し、また、定電圧出力が直流変圧器の出力側(32)を経由して外部に出力されて、負荷(4)に供給される。当然、直流変圧器(3)の定電圧出力は、一種類の定電圧の出力のみに制限されることが無く、負荷の実質要求に基づいて、直流変圧器(3)にも異なる定電圧出力の能力に変更することができる。

ステップ(105)は、直流変圧器(3)が直流変圧器の入力側(31)を定電流の予定範囲内に維持させることができ、また、燃料電池の出力側(11)は該定電流の予定範囲内に維持させることができ、該定電流の予定範囲は、燃料電池(1)の膜電極接合体の数量、及び、該膜電極接合体が発生する最大力率範囲以内の電流範囲値Imaxに基づいて、該定電流の予定範囲値に制限する。

前記ステップ内において、該直流変圧器(3)は、該負荷(4)に必要な電流の大きさ、或いは、力率の大きさは燃料電池(1)が対応する電流値Imax、或いは、最大出力の力率Pmaxより大きいかどうかを判断する。該負荷(4)が必要とする電流の大きさ、或いは、力率の大きさが燃料電池(1)の対応する電流値Imax、或いは、最大出力力率Pmaxより小さい、或いは、等しい場合、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できる。該負荷(4)が必要な電流の大きさ、或いは、力率の大きさは燃料電池(1)が対応する電流値Imax、或いは、最大出力力率Pmaxより大きい場合、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できない。

前記ステップ内において、燃料電池(1)の出力電流値は、電流値Imaxより小さい、或いは、等しく維持、且つ、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できる場合、該直流変圧器(3)は、第二電池(2)が電力提供に停止する状態を選択し、且つ、該直流変圧器(3)を介して燃料電池(1)が出力する電力を安定した電圧と電流に変換し、その直流変圧器の出力側(32)を経由して該負荷(4)の電力要求を供給する。

前記ステップ内において、燃料電池(1)の出力電流値は、電流値Imaxより小さい、或いは、等しく維持、且つ、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できない場合、該直流変圧器(3)は、第二電池(2)が提供する電力の状態を選択し、且つ、該直流変圧器(3)を介して燃料電池(1)、及び、第二電池(2)が出力する電力を安定した電圧と電流に変換し、その直流変圧器の出力側(32)を経由して該負荷(4)の電力要求を供給する。

その他、前記ステップ内において、燃料電池(1)が出力された力率値を介して、第二電池(2)が電力を提供するかどうかを選択決定することができる。つまり、燃料電池(1)が出力する力率値をPmaxより小さい、或いは等しく維持し、且つ、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できる場合、該直流変圧器(3)は、第二電池(2)が電力提供に停止する状態を選択し、且つ、該直流変圧器(3)を介し燃料電池(1)が出力する電力を安定電圧と電流に変換し、その直流変圧器の出力側(32)を経由して該負荷(4)の電力要求に供給する。更に、燃料電池(1)が出力する力率値が、Pmaxより小さい、或いは、等しく維持し、且つ、燃料電池(1)の出力電力が負荷(4)の要求に十分供給できない場合、該直流変圧器(3)は第二電池(2)と燃料電池(1)が並列給電状態を選択し、且つ、該直流変圧器(3)を介し燃料電池(1)、及び、第二電池(2)が出力する電力を安定した電圧と電流に変換し、その直流変圧器の出力側(32)を経由して該負荷(4)の電力要求に供給する。

前記ステップ内において、燃料電池(1)が単独で該負荷(4)の電力要求を供給できる時、該直流変圧器(3)は、第二電池(2)が継続して負荷(4)に電力供給を停止することを選択でき、また、該燃料電池(1)は同時に第二電池(2)に電力供給することを選択でき、これにより第二電池(2)への充電を行う。

前記ステップ内において、直流変圧器(3)が直流変圧器の入力側(31)を定電流の予定範囲内に維持させることができ、また、燃料電池の出力側(11)も該定電流の予定範囲内に維持させることができ、該定電流の予定範囲は燃料電池(1)の膜電極接合体の数量、及び、該膜電極接合体が発生する最適作動効率の力率出力範囲以内の電流範囲値に基づいて、該定電流の予定範囲値に制限する。この膜電極接合体が発生する最適作動効率の力率出力とは、膜電極接合体が単位において燃料消耗量のもとで、最大電力力率で出力を発生する状態を指す。

本発明における具体的な実施例を上記に記載したが、本発明の実施範囲が制限されるものではなく、この技術を熟知している任意のものが、本発明の精神と範囲内に基づいた各種の改変と修飾を行うことについて、その改変と修飾もまた本発明の請求範囲に属するものとし、本発明の保護範囲は特許請求範囲で定めたものを基準とする。

本発明である燃料電池の発生力率の制御方法及び負荷に応用した回路接続見取図である。本発明である燃料電池の発生力率の制御方法で使用する燃料電池の単一膜電極接合体の電流-力率の特性曲線グラフである。本発明である燃料電池の発生力率の制御方法及びその応用のチャート図である。

符号の説明

１燃料電池
１１燃料電池出力側
２第二電池
２１第二電池出力側
３直流変圧器
３１直流変圧器入力側
３２直流変圧器出力側
４負荷
101、103、105 ステップ

Claims

燃料電池の発生力率の制御方法において、
a.直流変圧器と一燃料電池を提供し、また、直流変圧器の入力側と燃料電池の出力側が相互に接続することと、
b.該直流変圧器が該燃料電池の出力電力について、出力を定電圧出力に変換、及び、
c.該直流変圧器が直流変圧器の入力側において定電流の予定範囲内に維持させることができ、その定電流の予定範囲は、燃料電池の膜電極接合体の数量、及び、該膜電極接合体が発生する最適力率範囲以内の電流範囲値に基づいて、該定電流の予定範囲値に制限するステップを含むことを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。
請求項１記載の燃料電池の発生力率の制御方法において、その最適力率範囲は、膜電極接合体が単位において燃料消耗量のもとで発生できる最大電力力率の出力、及び、膜電極接合体の最大力率の出力内の任意の状態を選択することを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。
請求項２記載の燃料電池力の率発生制御方法において、更に一歩進んで、
a.第二電池を提供し、また將直流変圧器の別の入力側と第二電池の出力側が相互に接続することと、
b.該燃料電池の出力電流値が電流値Imaxより小さい、或いは等しく維持され、且つ、燃料電池の出力電力が負荷の要求に十分供給できる場合、該直流変圧器は第二電池が電力提供を停止する状態を選択し、及び、
c.該燃料電池の出力電流値が電流値Imaxより小さい、或いは、等しく維持され、該燃料電池の出力電力が負荷の要求に十分供給できない場合、該直流変圧器が第二電池と燃料電池の並列給電状態を選択するステップを含むことを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。
請求項３記載の燃料電池の発生力率の制御方法において、更に一歩進んで、燃料電池が単独で該負荷の電力要求に供給できる場合、該直流変圧器は第二電池が継続して負荷に電力供給を停止することを選択し、また、該燃料電池が第二電池に電力を供給することを選択し、これにより第二電池の充電を行うステップを含むことを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。
請求項１記載の燃料電池の発生力率の制御方法において、その燃料電池が、プリント回路基板の製造工程を利用して製造した燃料電池であることを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。
請求項３記載の燃料電池の発生力率の制御方法において、その第二電池を一次電池、及び、二次電池のいずれかの電池を選択することを特徴とする、燃料電池の発生力率の制御方法。