JP2010097930A

JP2010097930A - 燃料電池システム、および、燃料電池の水素漏れの検査方法

Info

Publication number: JP2010097930A
Application number: JP2009173094A
Authority: JP
Inventors: Chian-Ping Yeh; 劍平葉; Yu-Chun Ko; 友俊柯; Chiang-Wen Lai; 将文頼
Original assignee: Nan Ya Printed Circuit Board Corp
Current assignee: Nan Ya Printed Circuit Board Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2010-04-30
Also published as: TW201017964A; DE102009002794A1; US20100098976A1

Abstract

【課題】燃料電池システム、および、水素漏れの検査方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池モジュール１１０からなる。燃料電池システムは、更に、燃料電池モジュールと水素源に結合されるバルブ１２０を有し、水素を燃料電池モジュールに送ったり、送るのを阻止したりする。燃料電池システムは、更に、バルブと燃料電池モジュールに結合される制御板１３０を有し、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧を検査して、水素漏れがあるか判断する。制御板が水素漏れがあると判断するとき、制御板はバルブを制御して、水素が燃料電池モジュールに送られないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであって、特に、燃料電池システム、および、燃料電池の水素漏れの検査方法に関するものである。

燃料電池は、高転換効率、低汚染であるので、近年、発電機モジュール、内燃エンジン、携帯型電子通信製品など、さまざまな分野に応用されている。しかし、水素燃料電池は引火、爆発、高熱伝導特性があり、水素漏れは水素燃料電池にとって危険極まりない。燃料電池中に損傷したプロトン膜があるので、水素漏れが発生する。特に、損傷したプロトン膜のせいで、燃料電池の陽極中の水素分子が損傷したプロトン膜を経て陰極に達し、触媒による触媒作用を受け、その後、水素分子は酸素と反応して、高温高熱か燃焼を生成する。更に、損傷したプロトン膜のせいで、燃料電池の出力電圧が減少する。

燃料電池の水素漏れを検出する公知の方法は、水素検出器と燃料電池モジュールを外部接続して、燃料電池モジュール内の水素濃度を感知するものである。しかし、携帯式電子製品にとって、水素検出器は燃料電池システム全体の体積を増加してしまう。また、携帯式電子製品中に水素検出器を整合するのは不便である。

特開２００６−１９４８５１号公報

上述の問題を解決するため、本発明は、水素漏れを検査することができ、携帯式電子製品に簡単に整合できる燃料電池システム、および、燃料電池の水素漏れの検査方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールと水素源に結合されて、水素を燃料電池モジュールに送ったり、送るのを阻止したりするバルブと、バルブと燃料電池モジュールに結合され、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧を検査して、水素漏れがないか判断する制御板と、からなり、制御板が水素漏れがあると判断するとき、制御板は、バルブを制御して、燃料電池モジュールに水素を送るのを阻止する。

本発明の燃料電池の水素漏れの検査方法は、少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池モジュールを提供するステップと、燃料電池モジュールが連接する負荷を除去するステップと、燃料電池モジュール中の少なくとも一つの燃料電池の相関出力電圧を得るステップと、少なくとも一つの燃料電池の相関出力電圧と所定電圧を比較するステップと、少なくとも一つの燃料電池の一出力電圧が所定電圧より低いとき、水素漏れがあると判断するステップと、からなる。

本発明の燃料電池システム、および、燃料電池の水素漏れの検査方法は、回路システムが燃料電池電圧を検出する方式により、体積を増加することなく、一般的な、或いは、公知の燃料電池システムに整合することができる。

本発明の燃料電池システムの構造を示す図である。本発明の具体例による水素漏れを検査する方法のフローチャート図である。本発明の燃料電池モジュールの例を示す図である。本発明の具体例による水素漏れを検査するもう一つの方法のフローチャート図である。

本発明の上述の目的、特徴、長所を更に分かりやすくするため、以下で好ましい実施例と図式により説明する。

図１は、本発明の燃料電池システムの構造を示す図である。燃料電池システムは、燃料電池モジュール１１０、バルブ１２０、制御板１３０、および、ストレージデバイス１４０、からなる。

燃料電池モジュール１１０は、少なくとも一つの燃料電池１１２からなり、各燃料電池は一出力電圧を有する。燃料電池の数量は燃料電池システムの負荷要求に従って決定する。一般に、同一規格の複数の燃料電池を直列して、燃料電池モジュール１１０の出力電圧を増加させる。もう一つの具体例中、燃料電池モジュール１１０は、多組の直列、並列された燃料電池からなる。バルブ１２０はオン／オフスイッチで、燃料電池モジュール１１０と水素源に結合されて、水素を燃料電池モジュール１１０に送るか、送るのを阻止する。制御板１３０は燃料電池モジュール１１０とバルブ１２０に結合される。制御板１３０は、燃料電池モジュール１１０の出力電圧と少なくとも一つの燃料電池の出力電圧を検査して、水素漏れがないか判断する。水素漏れがある場合、制御板は制御信号をバルブ１２０に送る。リチウム電池、ＮｉＭＨ電池、および、超コンデンサ等のストレージデバイス１４０は、一時的に、制御板１３０に電力を供給するのに用いられる。

制御板１３０は、様々な信号を受信、処理、送信することができる独立した回路を有する。制御板１３０は、いくつかの集積ユニットを含んでもよい。本発明の具体例によると、制御板１３０は、更に、感知、変換ユニット１３２、制御ユニット１３４、および、電源スイッチ１３６を有する。感知、変換ユニット１３２は、直列された少なくとも一つの燃料電池のターミナル電圧、或いは、燃料電池モジュール１１０の出力電圧を検出するのに用いられる。マイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、シングルチップ、および、デジタル信号処理器等の制御ユニット１３４は、受信信号に従って、処理、分析、計算を実行する。本発明の具体例によると、制御ユニット１３４は、直列された少なくとも一つの燃料電池１１２のターミナル電圧のデジタル信号から、少なくとも一つの燃料電池１１２の相関出力電圧を得て、その後、少なくとも一つの燃料電池１１２の相関出力電圧と所定電圧値を比較して、出力電圧が低下したか判断する。注意すべきことは、少なくとも一つの燃料電池１１２がいかなる負荷にも接続されていないとき、出力電圧は開回路電圧である。また、所定電圧値は、燃料電池アプリケーションに従って、ユーザーにより設定される。例えば、一般の燃料電池ユニットの出力電圧が０．６〜０．９Ｖである場合、所定電圧値は０．５Ｖに設定される。これにより、一燃料電池の出力電圧が所定電圧値０．５Ｖに減少すると、水素漏れがあると判断する。続いて、制御ユニット１３４が信号をバルブ１２０に送り、バルブ１２０は、燃料電池１１０に水素が進入するのを阻止する。同様に、制御ユニット１３４は、燃料電池モジュール１１０の出力電圧と所定操作電圧を比較する。注意すべきことは、燃料電池モジュール１１０が負荷に接続されるとき、出力電圧は測定された電圧である。所定操作電圧は、システムに接続される負荷が運転できる最低電圧である。燃料電池モジュール１１０の出力電圧が所定操作電圧より低いとき、制御板は水素漏れがあると判断する。同時に、制御ユニット１３４は信号をバルブ１２０に伝送し、バルブ１２０が閉じる。

ストレージデバイス１４０は制御板１３０に結合され、燃料電池モジュール１１０が電力を制御板１３０に供給する前、一時的に、電力を制御板１３０に供給する。電源スイッチ１３６は、制御板１３０内に設置されるオン／オフスイッチであり、制御ユニット１３４に結合される。電源スイッチ１３６は、電力を制御板１３０に送ったり、止めたりする。燃料電池モジュール１１０が負荷に接続されるとき、電源スイッチは開いて、燃料電池モジュール１１０に電力を供給して、制御板１３０に伝送し、ストレージデバイス１４０を充電する。

図２は、本発明の具体例による水素漏れの検査方法のフローチャートである。ステップ２０２で、水素が燃料電池モジュール１１０に進入し、燃料電池モジュール１１０が発電し、制御板１３０に電力を供給して、周辺装置をスタートアップし、ストレージデバイス１４０を充填する。次に、ステップ２０４で、制御板１３０の内側の制御ユニット１３４は電源スイッチ１３６を閉鎖し、燃料電池モジュール１１０と制御板１３０間の接続を切断するか、或いは、燃料電池モジュール１１０が他の負荷に接続されるのを阻止して、燃料電池モジュールが開回路になる。ステップ２０６で、制御板１３０の感知、変換ユニット１３２が、少なくとも一つの燃料電池のターミナル電圧を検出する。燃料電池モジュール１１０は、通常、同一規格で直列された少なくとも一つの燃料電池からなる。従って、図３で示されるように、モジュール１１０中に複数のターミナル電圧がある。感知、変換ユニット１３２は、少なくとも一つの燃料電池１１２のターミナル電圧を、デジタルターミナル電圧信号に変換して、その後、制御ユニット１３４に伝送する。その後、ステップ２０８で、制御板１３０の制御ユニット１３４は、デジタルターミナル電圧信号に従って、少なくとも一つの燃料電池１１２の現在の出力電圧値を計算する。

図３は、本発明の燃料電池モジュールの例を示す図である。この例で、少なくとも一つの燃料電池１１２の出力電圧の計算方法を説明する。図３で示されるように、燃料電池モジュール１１０は、直列された６個の燃料電池１１２（Ｃ１〜Ｃ６）を有し、よって、６個のターミナル電圧Ｖ１、Ｖ２〜Ｖ６を有する。制御ユニット１３４は、Ｖ１、Ｖ２〜Ｖ６のデジタル信号を受信した後、Ｖ１からＶ２を引いて、燃料電池Ｃ１の出力電圧を得て、Ｖ_ｎからＶ_ｎ＋１を引いて、燃料電池Ｃ_ｎの出力電圧を得る。

ステップ２１０で、制御ユニット１３４は、少なくとも一つの燃料電池１１２の各出力電圧と所定電圧を比較する。少なくとも一つの燃料電池１１２の一出力電圧が所定電圧より小さい場合、水素漏れがあると判断する。よって、制御ユニット１３４は、信号を送って、バルブ１２０を閉じ、水素が送られるのを阻止する。よって、ステップ２１８が終了する。少なくとも一つの燃料電池１１２の各出力電圧が所定電圧より大きい場合、少なくとも一つの燃料電池１１２に水素漏れがないと判断する。そして、ステップ２０２に戻る。制御板１３０は、再び、電源スイッチ１３６を開いて、燃料電池モジュール１１０を負荷に接続する。燃料電池モジュール１１０は、電力を制御板１３０、或いは、負荷に供給し、ストレージデバイス１４０を充電する。その後、これらのステップが上述のように繰り返される。

図４は、本発明の具体例によるもう一つの水素漏れの検査方法のフローチャート図である。ステップ４０２で、水素が燃料電池１１０に進入し、燃料電池１１０が発電して、生成された電力を制御板１３０に供給し、周辺装置をスタートアップして、ストレージデバイス１４０を充電する。次に、ステップ４０４で、制御板１３０内の感知、変換ユニット１３２が燃料電池モジュール１１０の出力電圧を検出して、出力電圧をデジタル出力電圧信号に変換する。ステップ４０６で、制御ユニット１３４は、燃料電池モジュール１１０の出力電圧と所定操作電圧を比較する。公知技術で知られているように、燃料電池モジュール１１０が負荷に接続されるとき、燃料電池モジュールの出力電圧は減少する。しかし、出力電圧が一電圧レベルに低下するとき、負荷が適切に機能せず、水素漏れが発生する。所定の操作電圧値は、水素漏れで生じる電圧低下幅に従って決定される。ステップ４１２で、燃料電池モジュール１１０の出力電圧が所定操作電圧より小さい場合、少なくとも一つの燃料電池に水素漏れがあると判断する。これにより、ステップ４１４で、制御ユニット１３４は信号を伝送して、バルブ１２０を閉じ、水素が送られるのを阻止する。ステップ４１０で、燃料電池モジュール１１０の出力電圧が所定操作電圧より大きい場合、少なくとも一つの燃料電池１１２に水素漏れがないと判断し、ステップ４０２に戻る。その後、これらのステップが上述のように繰り返される。

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。

100 燃料電池システム
110 燃料電池モジュール
112 燃料電池
120 バルブ
130 制御板
132 感知、変換ユニット
134 制御ユニット
136 電源スイッチ
140 ストレージデバイス
202、204、206、208、210、212、214、216、218、402、404、406、408、410、412、414 ステップ

Claims

燃料電池システムであって、
少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールと水素源に結合されて、水素を前記燃料電池モジュールに送ったり、前記燃料電池モジュールに送るのを阻止したりするバルブと、
前記バルブと前記燃料電池モジュールに結合され、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧を検査して、水素漏れがないか判断する制御板と、
からなり、
前記制御板が水素漏れがあると判断するとき、前記制御板は、前記バルブを制御して、前記燃料電池モジュールに水素を送るのを阻止することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池モジュールは、直列された少なくとも一つの燃料電池からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記の少なくとも一つの燃料電池により生成されるターミナル電圧に従って、前記制御板は、前記の少なくとも一つの燃料電池の相関出力電圧を得ることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御板は、前記の少なくとも一つの燃料電池の出力電圧と所定電圧を比較し、前記の少なくとも一つの燃料電池の一出力電圧が前記所定電圧より低いとき、前記制御板は水素漏れがあると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記制御板は、更に、
前記の少なくとも一つの燃料電池のターミナル電圧をデジタルターミナル電圧信号に転換する感知、変換ユニットと、
前記感知、変換ユニットに結合され、前記デジタルターミナル電圧信号からデジタル出力電圧信号を得て、前記デジタル出力電圧信号と所定電圧値を比較して、前記の少なくとも一つの燃料電池の一デジタル出力電圧信号が前記所定電圧値より小さいとき、前記制御板が水素漏れがあると判断する制御ユニットと、
からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池モジュールが負荷に結合されるとき、前記制御板は前記燃料電池モジュールの出力電圧を検査して、水素漏れがあるか判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御板は、前記燃料電池モジュールの出力電圧と所定操作電圧を比較して、前記出力電圧が前記所定操作電圧より低いとき、前記制御板は水素漏れがあると判断することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムは、更に、前記制御板に結合され、前記燃料電池モジュールが負荷に結合されないとき、前記制御板に電力を供給するストレージデバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御板は、更に、
前記制御板に電力を供給するか、或いは、前記制御板に電力が送られるのを阻止する電源スイッチと、
前記電源スイッチに結合され、前記電源スイッチを開いて、前記燃料電池モジュールが前記制御板に電力を供給して、前記ストレージデバイスを充電する制御ユニットと、
からなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
燃料電池の水素漏れの検査方法であって、
少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池モジュールを提供するステップと、
前記燃料電池モジュールが連接する負荷を除去するステップと、
前記燃料電池モジュール中の少なくとも一つの燃料電池の相関出力電圧を得るステップと、
前記の少なくとも一つの燃料電池の前記相関出力電圧と所定電圧を比較するステップと、
前記の少なくとも一つの燃料電池の一出力電圧が前記所定電圧より低いとき、水素漏れがあるか判断するステップと、
からなることを特徴とする燃料電池の水素漏れの検査方法。
更に、
前記燃料電池を負荷に結合するステップと、
前記燃料電池モジュールの出力電圧を検出するステップと、
前記燃料電池モジュールの前記出力電圧と所定操作電圧を比較するステップと、
前記燃料電池モジュールの前記出力電圧が前記所定操作電圧より低いとき、水素漏れがあると判断するステップと、
からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の水素漏れの検査方法。
更に、水素漏れがあると判断するとき、前記燃料電池モジュールに水素が送られるのを阻止するステップを含むことを特徴とする請求項１０、或いは、１１に記載の燃料電池の水素漏れの検査方法。
前記燃料電池モジュール中の前記の少なくとも一つの燃料電池の前記相関出力電圧は、
直列された前記の少なくとも一つの燃料電池のターミナル電圧を測定するステップと、
前記の少なくとも一つの燃料電池のターミナル電圧に従って、前記の少なくとも一つの燃料電池の相関出力電圧を計算するステップと、
からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の水素漏れの検査方法。