JP2007165302A

JP2007165302A - 液体燃料電池用の燃料濃度計算法

Info

Publication number: JP2007165302A
Application number: JP2006311804A
Authority: JP
Inventors: Yu-Jen Chiu; ▲りつ▼仁邱; Kuen-Sheng Shen; 坤昇沈; Hsin-Chung Lien; 信仲連; Jia-Hung Weng; 嘉鴻翁
Original assignee: Antig Technology Co Ltd
Current assignee: Antig Technology Co Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US20070148506A1; TW200722741A

Abstract

【課題】液体燃料電池用の燃料濃度計算法の提供。
【解決手段】燃料電池を濃度の異なる燃料の条件の下で、電化学反応をさせて電力を発生させる（１０１）。また、液体燃料電池と電気的に連結した電気負荷の電圧値（Ｖ）を変化させる（１０３）。各濃度の異なる燃料の条件に基づき、電気負荷の電圧値が変化する過程において、稼動中の液体燃料電池の複数個の物理量のパラメータを測定して記録する。その中から三つのパラメータを選んで対応する三次元測定空間を作る（１０５）。そして、この三次元測定空間に基づき、補間による計算法を設定する。この補間による計算法は液体燃料電池における燃料の未知濃度を計算することに用いられる（１０７）。未知濃度の燃料が液体燃料電池に提供され、電化学が発生し電力が生成される際に、三つの物理量パラメータを測り、設定した補間による計算法を利用すれば、液体燃料電池内の燃料の濃度が測れる（１０９）。
【選択図】図１

Description

本発明は濃度計に関するものであり、特に液体燃料電池の燃料濃度計算法に関わるものを指している。

液体燃料電池（例えば：直接型メタノール燃料電池）の燃料濃度を測定するのによく採用されている既知の方法は、あくまでも濃度測定器を利用して燃料濃度を測定する技術レベルのものである。このような周知の手法は燃料濃度の測定問題を解決できるが、軽薄短小の直接型メタノール燃料電池を使いたければ、濃度測定器の体積大小も合わせて変わらなければならない。でなければ、その内部で濃度測定器を設置することができなくなる。

本発明の発明者は以上の従来の手法での欠点を理解し、液体燃料電池用の燃料濃度計算法を発明した。この計算法模擬方式の燃料濃度測定器を例えることができ、燃料濃度の測定に利用できる。

本発明の主要目的は、実際の濃度測定器を使わずに、燃料濃度計算法を提供し、電化学反応が起こっている液体燃料電池を測定し、当時に使用される燃料濃度を判明することにある。

本発明のもう一つの目的は、実際の濃度測定器の代わりに、燃料濃度計算法を提供し、電化学反応が起こる最中の液体燃料電池を測定し、当時に使用される燃料濃度を判明することにある。

以上の目的を達成するには、本発明は液体燃料電池用、一種の燃料濃度計算法を提供している。この計算法では以下の手順が含まれている：（Ａ）一つ以上、既知濃度が異なる燃料を液体燃料電池に提供し、各濃度の異なる燃料の条件において、液体燃料電池を電化学反応をさせて電力を生成させる。（Ｂ）電気負荷（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＬｏａｄ）を提供して液体燃料電池を電気的に連結させ、その電気負荷の電圧値（Ｖ）を変化させる。（Ｃ）各濃度が異なる燃料というそれぞれの条件に基づき、手順（Ｂ）の進行中において、稼動中の液体燃料電池の複数個の物理量のパラメータを測定して記録する。その中から、三つのパラメータを選んで対応する三次元測定空間を作る。（Ｄ）この三次元測定空間に基づき、補間による計算法を設定する。ここの補間による計算法は、液体燃料電池内の燃料の未知濃度を計算することに利用できる。そして（Ｅ）では、未知濃度の燃料が液体燃料電池に提供され、電化学反応と電力を発生させる際の、手順（Ｃ）に対応する少なくとも三つの物理量のパラメータを測り、手順（Ｄ）で設定された補間による計算法を利用して液体燃料内の燃料濃度を計算することができる。

請求項１の発明は、以下の手順を含め、
（Ａ）一つ以上、液体燃料電池に既知濃度が異なる燃料を提供し、その液体燃料電池を、各既知濃度が異なる燃料という条件の下で、電化学反応を起こさせて電力を生成させ、
（Ｂ）電気負荷（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＬｏａｄ）を提供し、液体燃料電池とを電気的に連結させ、その電気負荷の電圧値（Ｖ）を変化させ、
（Ｃ）各既知濃度が異なる燃料という条件の下で、手順（Ｂ）の進行中において、当時に稼動中の液体燃料電池の複数個物理量のパラメータを測定して記録し、それらから三つの物理量のパラメータを選び、対応する三次元測定空間を作り、
（Ｄ）三次元測定空間に従い、補間による計算法を設定し、その内、当該の補間による計算法は液体燃料電池内の燃料の未知濃度を測定することに利用され、そして、
（Ｅ）未知濃度の燃料が液体燃料電池に提供されて電化学反応と電力が生成される際に、当時に手順（Ｃ）に対応する少なくとも三つの物理量パラメータを測定し、また、手順（Ｄ）で設定された補間による計算法を利用すれば、液体燃料電池内の燃料濃度を計算することができることを特徴とする液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項２の発明は、当該手順（Ａ）で提供された各既知濃度の燃料は２ｖ％〜８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項３の発明は、当該手順（Ｃ）で選ばれた物理量のパラメータは、温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータ、非定常電流パラメータを含み、その中の電流オーバーシュートパラメータは、非定常電流パラメータと定常電流パラメータとの間における差異の絶対値を計算して得られたものであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項４の発明は、当該手順（Ｃ）の記録手順は１０℃〜８０℃内の温度パラメータを記録したものであることを特徴とする請求項３記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項５の発明は、当該電気負荷の電圧値（Ｖ）の範囲は０Ｖ〜０.７Ｖであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項６の発明は、当該手順（Ｂ）で変化される電気負荷の電圧値の変化量（△Ｖ）は０.０２Ｖ〜０.５Ｖであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項７の発明は、当該補間による計算法は、プログラムによって実現される補間による計算法であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項８の発明は、当該液体燃料電池は、両極液体燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項９の発明は、当該液体燃料電池は、プリント配線板の製造プロセスで製造された液体燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項１０の発明は、当該液体燃料電池は直接型メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。
請求項１１の発明は、当該手順（Ｄ）の補間による計算法の設定ステップは以下を含め、
（ｄ１）ｎ個の既知濃度Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_nの燃料を利用して測れた温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータが、三次元測定空間からｎ個の対応する等濃度曲面を獲得し、
（ｄ２）液体燃料電池に未知濃度Ｃの燃料を提供し、当時の液体燃料電池の温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）を測定し、この時の温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）は、三次元測定空間内の測定点Pに対応し、（ｄ３）当該測定点Pを三次元測定空間内の定常電流の座標軸の方向に沿い、ｎ個の等濃度曲面に投影することによってｎ個の投影点を獲得し、その内、ｎ個の投影点の定常電流の座標値はそれぞれＩ_i、Ｉ＝１、２、…、ｎであり、そして、
（ｄ４）以下の公式で燃料濃度Ｃを計算する、

ことを特徴とする請求項３記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法としている。

本発明は液体燃料電池用の燃料濃度計算法、実際の濃度測定器を使わずに、燃料濃度計算法を提供し、電化学反応が起こっている液体燃料電池を測定し、当時に使用される燃料濃度を判明することにある。実際の濃度測定器の代わりに、燃料濃度計算法を提供し、電化学反応が起こる最中の液体燃料電池を測定し、当時に使用される燃料濃度を判明することにある。

図１は本発明が液体燃料電池システムに使う燃料濃度計算法に関する流れ図である。本発明の燃料濃度計算法１０は、当時に液体燃料電池２０内における濃度の計算に用いられ、実際の濃度測定器を使う必要がない。本発明の燃料濃度計算法１０が含む手順（１０１）〜（１０９）について、それぞれの説明は以下の通りである。手順（１０１）は一つ以上既知濃度が異なる燃料を液体燃料電池２０に提供し、各既知濃度の異なる燃料という条件の下で、液体燃料電池２０を電化学反応を起こさせて電力を生成させる。手順（１０３）は電気負荷（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＬｏａｄ）２２を提供して液体燃料電池２０とを電気的に連結させ、電気負荷２２の電圧値（Ｖ）を変化させる。

手順（１０１）において、本発明は各種の既知濃度の燃料を液体燃料電池２０に提供し、液体燃料電池２０に対し、各既知濃度の燃料という条件の下で電化学反応を起こさせる。本発明が必要とする各項目の物理量のパラメータをより容易に測定するには、本発明は特に、本発明の方法１０に合わせて構築された液体燃料電池システムを提供している。図２を参照してください。図２では、液体燃料電池２０は両極液体燃料電池であり、プリント配線板の製造プロセスで製造された直接型メタノール燃料電池を使っても良い。また、手順（１０３）では、図２の電気負荷２２の電圧値（Ｖ）の範囲は０Ｖ〜０.７Ｖにある。そして、電気負荷２２の電圧値の変化量（△Ｖ）は０.０２Ｖ〜０.５Ｖの間にある。

手順（１０５）は各既知濃度の燃料という条件の下で、手順（１０３）の進行中において、稼動中の液体燃料電池２０の複数個の物理量のパラメータを測定して記録する。その中から三つのパラメータを選んで対応する三次元測定空間を作る。手順（１０５）では、既知濃度の燃料という条件に基づき、本発明は液体燃料電池２０の温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータ及び非定常電流パラメータを測定して記録する。その中では、電流オーバーシュートパラメータは、非定常電流パラメータと定常電流パラメータとの差異の絶対値を計算して得られた値である。本発明は温度パラメータ、定常電流パラメーター、電流オーバーシュートパラメータの三つの物理量のパラメータを利用して液体燃料電池２０に対応する三次元測定空間を作っている。液体燃料電池システムがそれぞれの既知濃度の燃料での供給条件の下で、液体燃料電池２０を電化学反応を起こさせ、同時に、変化中の温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータを測定して記録する。これらのパラメーターは図２のコンピューター２４に伝送され、コンピューター２４の処理によって既知濃度、及びそれらの温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートなどの条件に対応する三次元測定空間を作らせる。図３は、本発明の燃料濃度計算法が各種の既知濃度に基づき、三次元測定空間を利用して得られた等濃度曲面を示している。図３では、等濃度曲面３１は既知濃度Ｃ１の燃料を利用して得られたものであり、座標軸Ｘは電流オーバーシュート（ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ）パラメータを、座標軸Ｙは温度パラメータを、座標軸Zは定常電流パラメータを表わしている。同様に、異なる既知濃度Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄の燃料を利用すれば、またそれぞれの対応する三つの等濃度曲面３３、３５、３７を得ることができる。

手順（１０５）の既知濃度の燃料ついては、選択できる濃度は２ｖ％〜８ｖ％であり、選択した膜/電極（ＭＥＡ）の違いにより、濃度範囲を更に拡大できる。また、測定して記録する温度パラメータの範囲については、１０℃〜８０℃内にあった方が良い。

手順（１０７）は前述の三次元測定空間に基づいて補間による計算法を設定し、この計算法は液体燃料における燃料の未知濃度を算出することに利用される。手順（１０７）では、三次元測定空間の各等濃度曲面は獲得されたため、本発明は補間による計算法を用いて燃料の未知濃度を推測することができる。手順（１０９）は未知濃度の燃料が液体燃料電池に提供され、電化学反応と電力を生成させる際において、手順（１０５）に対応する少なくとも三つの物理量のパラメータ、すなわち温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータを測り、手順（１０７）で設定された補間による計算法を利用して、液体燃料電池内の燃料濃度を計算することができる。

図４は本発明の方法で設定した補間による計算法の流れ図である。手順（１０７１）では、ｎ個の既知濃度Ｃ₁、Ｃ₂、・・・、Ｃ_nの燃料から測れた温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータ等の値を利用し、三次元測定空間からｎ個の対応する等濃度曲面を得ている。図３は等濃度曲面３１、すなわち手順（１０７１）において既知濃度Ｃ₁の状態で実施した具体の結果を示している。手順（１０７３）は液体燃料電池２０に未知濃度Ｃの燃料を提供し、当時に電化学反応を起こっている最中の液体燃料電池２０の温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）を測る。この時に測れた温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）は三次元測定空間の座標点に対応している。この座標点は未知濃度の測定点P （図３に示されるように）とされている。

手順（１０７５）はこの測定点Pを、三次元測定空間の定常電流座標軸（すなわち、Ｚ軸である）の方向に沿ってｎ個の等濃度曲面のそれぞれに投影し、ｎ個の投影点（例えば、図３のＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄等）を獲得する。ｎ個の投影点の定常電流の座標値はＩ_i、Ｉ＝１、２、・・・、ｎである。手順（１０７７）は以下の計算公式を用いて燃料濃度Ｃを計算する：

本発明の方法１０は手順（１０１）から手順（１０５）までを完成した後に、液体燃料電池２０が対応する等濃度曲面を確認できる。続いて手順（１０７）と手順（１０９）を実行し、それはプログラムを利用して実現できる。すなわち、それらの等濃度曲面及び前述の補間による計算法を、プログラムに書き換え、液体燃料電池２０に使われているプロセッサー（図に示されていない）を執行させる。

本発明の燃料濃度計算法１０はバーチャル式の燃料濃度測定器であり、電気負荷２２の電圧値（Ｖ）を変化させることで、当時の温度、定常電流（図５の定常範囲が示すように）及び発生しうる電流オーバーシュート（図５の非定常範囲が示すように）を測定することにより、三次元測定空間内の等濃度曲面を作り、そして、補間による計算法を利用して燃料濃度を判明する。そのため、本発明は新たな発明と言える。

本発明が液体燃料電池システムに利用される燃料濃度計算法の流れ図である。本発明の方法で構築された液体燃料電池測定システムを検証する構造を示す図である。本発明の燃料濃度計算法が各種の既知濃度の燃料という条件の下で、三次元測定空間を利用して得られた等濃度曲面を示す図である。本発明の方法で設定された補間による計算法の流れ図である。図２の液体燃料電池システムの電流−時間変化を測定して得られた曲線を示す図である。

符号の説明

１０燃料濃度計算法
２０液体燃料電池
３１、３３、３５、３７等濃度曲面

Claims

以下の手順を含め、
（Ａ）一つ以上、且つ液体燃料電池に既知濃度が異なる燃料を提供し、その液体燃料電池を、各既知濃度が異なる燃料という条件の下で、電化学反応を起こさせて電力を生成させ、
（Ｂ）電気負荷（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＬｏａｄ）を提供し、液体燃料電池とを電気的に連結させ、その電気負荷の電圧値（Ｖ）を変化させ、
（Ｃ）各既知濃度が異なる燃料という条件の下で、手順（Ｂ）の進行中において、当時に稼動中の液体燃料電池の複数個物理量のパラメータを測定して記録し、それらから三つの物理量のパラメータを選び、対応する三次元測定空間を作り、
（Ｄ）三次元測定空間に従い、補間による計算法を設定し、その内、当該の補間による計算法は液体燃料電池内の燃料の未知濃度を測定することに利用され、そして、
（Ｅ）未知濃度の燃料が液体燃料電池に提供されて電化学反応と電力が生成される際に、当時に手順（Ｃ）に対応する少なくとも三つの物理量パラメータを測定し、また、手順（Ｄ）で設定された補間による計算法を利用すれば、液体燃料電池内の燃料濃度を計算することができることを特徴とする液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該手順（Ａ）で提供された各既知濃度の燃料は２ｖ％〜８ｖ％の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該手順（Ｃ）で選ばれた物理量のパラメータは、温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータ、非定常電流パラメータを含み、その中の電流オーバーシュートパラメータは、非定常電流パラメータと定常電流パラメータとの間における差異の絶対値を計算して得られたものであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該手順（Ｃ）の記録手順は１０℃〜８０℃内の温度パラメータを記録したものであることを特徴とする請求項３記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該電気負荷の電圧値（Ｖ）の範囲は０Ｖ〜０.７Ｖであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該手順（Ｂ）で変化される電気負荷の電圧値の変化量（△Ｖ）は０.０２Ｖ〜０.５Ｖであることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該補間による計算法は、プログラムによって実現される補間による計算法であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該液体燃料電池は、両極液体燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該液体燃料電池は、プリント配線板の製造プロセスで製造された液体燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該液体燃料電池は直接型メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。
当該手順（Ｄ）の補間による計算法の設定ステップは以下を含め、
（ｄ１）ｎ個の既知濃度Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_nの燃料を利用して測れた温度パラメータ、定常電流パラメータ、電流オーバーシュートパラメータが、三次元測定空間からｎ個の対応する等濃度曲面を獲得し、
（ｄ２）液体燃料電池に未知濃度Ｃの燃料を提供し、当時の液体燃料電池の温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）を測定し、この時の温度（T）、定常電流（Ｉ）、電流オーバーシュート（σ）は、三次元測定空間内の測定点Pに対応し、（ｄ３）当該測定点Pを三次元測定空間内の定常電流の座標軸の方向に沿い、ｎ個の等濃度曲面に投影することによってｎ個の投影点を獲得し、その内、ｎ個の投影点の定常電流の座標値はそれぞれＩ_i、Ｉ＝１、２、…、ｎであり、そして、
（ｄ４）以下の公式で燃料濃度Ｃを計算する、

ことを特徴とする請求項３記載の液体燃料電池用の燃料濃度計算法。