JP4584184B2

JP4584184B2 - 燃料電池の燃料供給制御方法

Info

Publication number: JP4584184B2
Application number: JP2006129774A
Authority: JP
Inventors: 長盈陳; 俊隆章; ▲けい▼原張; 雲博林
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: JP2007227336A; TW200733462A; TWI274436B; US20070196700A1

Description

本発明は一種の燃料供給制御方法に関するものであり、特に一種の燃料電池の反応過程に於いて、この過程で起こった燃料電池の特性値の変化により燃料供給を制御し、燃料センサのハードウェア設置の必要をなくする燃料電池の一種の燃料供給制御方法である。

燃料電池は電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換し出力する一種の電池装置である。その作動原理は水素を含む燃料と酸化剤（空気又は酸素）をそれぞれ電池の陽極と陰極へ供給するものである。陽極は燃料を水素イオンと電子に分解し、水素イオンは陽極からプロトン交換膜を通じて陰極へ供給され、さらに外部回路を経て陰極に伝導された電子と共に反応し結合して水となる。燃料電池は燃料を絶えず供給さえすれば、常に発電し続けることができる。また、この技術は燃料電池の反応生成物が水であるため、いかなる環境汚染を引き起こすこともない。そのため開発以来、高出力、低汚染という二大特徴は常に注目を集めてきた。

燃料電池の中でも、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ，以下「ＤＭＦＣ」と略する）は近年各国で積極的に研究が進められている燃料電池システムである。DMFCが従来の技術と異なる点は、燃料システムで液体メタノールが従来使用された水素に替わって燃料として用いられ、燃料電池の利便性と安全性が大幅に向上したことである。そのため将来は、各種携帯型の電気製品（ノートパソコン、ＰＤＡ、ＧＰＳ）に応用できるであろう。

しかしDMFCの燃料供給では、過度の燃料供給（メタノールによるもの）がメタノールクロスオーバーという現象を起こし、燃料電池の発電出力が低下する。この問題は、この技術に習熟した人々の間では知られていることであろう。また、燃料電池により供給される負荷需要に合わせるため、燃料の供給量をいかに適切に保つよう制御するかが重要になってくる。従来の技術では、例えばメタノールセンサのような燃料センサによりメタノール濃度の状態を検知し、メタノール供給のタイミングを判断する方法がその一例である。また従来の技術ではこの他にも、電気化学測定の方法をメタノールセンサとして用いる。例えば、他の燃料電池を燃料濃度センサとして使用し、当該燃料濃度センサを用い、循環している燃料内で発生する電力（電流や電圧等）により、燃料濃度を判断するメカニズムもある。しかしこれらの方法には幾つかの問題点が見られる。第一に、燃料電池システムの構造が更に複雑になりコストの増大を招く。第二に、燃料電池を用いる燃料温度センサ自身にも劣化現象がある。これらの理由により、当該燃料濃度センサは測定の精度を保つために定期的な調整が必要となるのである。更には、温度パラメータがセンサの測定に与える影響がどの程度かを考慮しなければならないため、制御は更に複雑になるのである。

燃料電池センサの方式により、余分なコストが増え、システムの構造も更に複雑になる。そのためセンサを使わずに燃料供給を制御する方法が徐々に主流となってきた。例えば特許文献１に示されたのは、燃料電池を検知する一種の短絡電流を、供給された燃料濃度を判定する方法として用いるものである。しかしこの技術は周期的に燃料電池をショートさせなければならないため、燃料電池本体が損傷を受けやすくなり、電池の安定性にも影響を与えるのである。

上記の説明を総合すると、燃料電池の一種の燃料供給制御方法により従来の技術的問題点を解決することが急務であると言えよう。

米国特許６８２４８９９号明細書

本発明の主要な目的は、燃料電池の一種の燃料供給制御方法を提供することにあり、燃料電池の反応時に於ける特性値（例えば電圧、電流又は出力）を測定することで、数値計算と比較を行い、燃料の供給量を制御することで、燃料電池が最高出力を生み出せることである。

本発明の副次の目的は、燃料電池の一種の燃料供給制御方法を提供することにあり、燃料電池の反応時に於ける特性値を測定して数値計算と比較を行い、燃料センサを設置しないでコストを低下させ制御精度を向上させるという目的を果たすことである。

上記の目的を果たすため、本発明では更に燃料電池の一種の燃料供給制御方法を提供するものであり、以下の手順を含む：まず特定量の燃料を燃料電池内に注入する。その後、制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検知する。続いて当該制御時間に達した時に、当該燃料電池の第二特性値を検出する。そして最後に、当該第二特性値と当該第一特性値を比較する。もし当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、燃料を当該燃料電池の混合タンク（ｍｉｘｉｎｇｔａｎｋ）に注入する。

好ましいのは、当該第一特性値は当該制御時間内で測定した最小電圧である。

好ましいのは、当該第一特性値は当該制御時間内で測定した最小電流である。

好ましいのは、当該第一特性値は当該制御時間内で測定した最小出力である。

好ましいのは、当該第一特性値は、該制御時間内の時間帯で検出、測定した当該燃料電池が有する特性値の移動平均又は二乗平均平方根である。上記のいわゆる特性値は電圧、電流又は出力でもありうる。

好ましいのは、当該制御時間の長さは当該特定量の燃料が特定負荷を維持し、特定出力を生み出すまでの間の時間である。そのうち当該特定出力とは、当該特定量の燃料が対応する当該負荷の分極曲線中の最大出力以下である。

好ましいのは、当該燃料電池の燃料供給制御方法は、更に以下の手順を含む：もし当該第二特性値が第一特性値より大きい場合は、その時点で第三特性値を検知する。そして当該時点に達する前に、当該燃料電池の第四特性値を検知する。最後に、当該第三特性値と当該第四特性値を比較する。もし第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該燃料電池の混合タンクに燃料を注入する。そのうち、好ましいのは、当該第四特性値は以下のものでありうる：当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の移動平均、又は当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の二乗平均平方根、又は当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特長値に於ける最小値。そして当該特性値は電圧値、電流値又は出力でありうる。

更には、当該燃料は水素リッチの液体燃料（例：メタノール又はエタノール）である。

上記の目的を達成するため、本発明は更に燃料電池の一種の燃料供給制御方法を提供するものであり、以下の手順を含む：（ａ）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（ｂ）制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検知する。（ｃ）当該制御時間に達した時、当該燃料電池の第二特性値を検出する。（ｄ）当該第二特性値と当該第一特性値を比較する。もし当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、当該手順（ａ）を繰り返す。（ｅ）特定の時点で第三特性値を検出する。（ｆ）当該時点に達する前に当該燃料電池の第四特性値を検知する。及び（ｇ）当該第三特性値と当該第四特性値を比較する。もし第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該手順（ａ）を繰り返す。

請求項１の発明は、燃料電池の燃料供給制御方法において、以下の手順を包括し、
特定量の燃料を燃料電池内に注入すること、
制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検出すること、
当該制御時間に達した時に、当該燃料電池の第二特性値を検出すること、そして、当該第二特性値と当該第一特性値を比較すること、もし当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、燃料を当該燃料電池内に注入することを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項２の発明は、当該第一特性値は、当該制御時間内に測定した最小電圧値、最小電流値及び最小出力値の中から一つを選択できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項３の発明は、当該第一特性値は、当該制御時間の時間帯に検出、測定された該燃料電池が有する特性値の移動平均値及び二乗平均平方根（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ，以下「ＲＭＳ」と略する）の中から一つを選択できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項４の発明は、当該制御時間の長さは当該特定量の燃料が負荷を維持し、特定出力を生み出すまでの間の時間であり、当該特定出力は、当該特定量の燃料が対応する当該負荷の分極曲線中の最大出力以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項５の発明は、更に以下の手順を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法において、
当該第二特性値が第一特性値より大きい場合は、その時点で第三特性値を検知し、
当該時点に達する前に、当該燃料電池の第四特性値を検知し、そして、当該第三特性値と当該第四特性値を比較し、第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該燃料電池内に燃料を注入することを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項６の発明は、当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の移動平均、及び二乗平均平方根の中から一つを選択できることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項７の発明は、当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池が有する特性値の最小値であり、当該特性値は電圧、電流及び出力の中から一つを選択できることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項８の発明は、当該燃料は水素リッチ液体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項９の発明は、以下の手順を含むことを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法において、
（ａ）特定量の燃料を燃料電池内に注入する、
（ｂ）制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検知する、
（ｃ）当該制御時間に達した時、当該燃料電池の第二特性値を検出する、
（ｄ）当該第二特性値と当該第一特性値を比較する。当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、手順（ａ）を繰り返す、
（ｅ）特定の時点で第三特性値を検出する、
（ｆ）当該時点に達する前に当該燃料電池の第四特性値を検知する、
（ｇ）当該第三特性値と当該第四特性値を比較する、もし第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該手順（ａ）を繰り返すことを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１０の発明は、当該第三特性値が第四特性値より大きい場合は、特定の地点で第三特性値を検知し、その後手順（ｅ）を繰り返すことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１１の発明は、当該第一特性値は、当該制御時間内に測定した最小電圧値、最小電流値及び最小出力値の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１２の発明は、当該制御時間の長さは当該特定量の燃料が負荷を維持し、特定出力を生み出すまでの間の時間であり、当該特定出力は、当該特定量の燃料が対応する当該負荷より小さい、又はこれと等しい場合の分極曲線中での最大出力であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１３の発明は、当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池が有する特性値の移動平均、及び二乗平均平方根の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１４の発明は、当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の最小値であり、当該特性値は電圧、電流及び出力の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。
請求項１５の発明は、当該燃料は水素リッチ液体燃料であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法としている。

本発明に示された燃料電池の燃料供給制御方法は、センサを余分に増やすことなく、材料を減少しコスト面の出費を抑え、燃料電池による出力電力の安定制御を行うものである。

図７に示したのは、本発明である電池の燃料供給制御方法の表示図である。当該制御方法１は以下の手順を含む：まず手順１０に示すように、特定量の燃料を燃料電池内に注入する。その後手順１１に示すように、特定の時点で第二特性値を検出する。当該第二特性値は電圧、電流又は出力でありうる。続いて手順１２に示すように、当該時点に達する前の時間帯に当該燃料電池の特性値を検出、測定し、第一特性値とする。最後に手順１３に示すように、当該第二特性値と当該第一特性値で比較を行う。もし当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、燃料を当該燃料電池内に注入する。当該第一特性値は当該時間帯内に測定した最小電圧、最小電流又は最小出力でありうる。また、当該第一特性値は更に当該時間帯内に検出、測定された当該特性値の移動平均又は二乗平均平方根でありうる。そのうち、当該特性値は電圧、電流又は出力でありうる。

図１は、本発明である燃料電池の燃料供給制御方法の比較的良好な実施例を描いた表示図である。当該燃料供給装置は以下の手順を含む：まず手順２０を行い制御時間を決定する。本発明の制御時間の決定方式は以下の説明に基づく。図２は、燃料電池が特定量の燃料を取り入れる時の分極曲線表示図である。当該分極曲線図は、特定量の燃料を注入した後に、負荷により発生する電圧と電流持続に関する関係図及び出力曲線の図である。図に示したうち、当該出力は最大値P _MAX を有する。そして本発明の当該制御時間は、当該特定量の燃料を燃料電池に注入した後、最大出力最大値P _MAX の時間長を維持するのに用いることが可能である。その他にも、過負荷の状況を避けるため、当該P _MAX より小さい副次出力P _ref を選択し、当該制御時間の長さを決定する基準となすことができる。これはまた、燃料電池は当該特定量の燃料を注入された時、P _ref の時間長を維持しこれを当該制御時間の長さとするとも言える。

手順２０の制御時間を決定した後、手順２１へ進み、当該燃料電池に対し特定量の燃料を提供し、燃料が電気化学反応を起こすことで発電する。本発明で言うところの燃料とは、例えばアルコール類等の燃料に見られる水素リッチの液体燃料でありうる。本実施例ではメタノールを挙げているが、これに限定されず、例えばエタノールであってもよい。図４に示したのは、負荷がかかった燃料電池の表示図である。当該燃料電池４は基本的にメタノール及び酸素を供給するパイプ、及び水と二酸化炭素を排出するパイプを含む。燃料電池４は中間部に陽極板４１、陰極板４０及びプロトン交換膜４２を有する。陽極板４１と陰極板４０の間には負荷５があり、当該陽極板４１、陰極板４０及び当該負荷５は回路を形成する。当該負荷５は計測器６に接続されている。当該計測器６は電圧計又は電流計でもありうる。本実施図では、当該計測器は電圧計として示され、そのため当該電圧計は当該負荷と並列である。このほか、もし計測器６が電流計である場合は、図５のような直列接続で電流を測定する。

手順２１の後、手順２２に進む、図４の電圧計により、当該制御時間内に当該計測器を用いてその時間での負荷の電圧値を検知し、その後それを制御ユニット７へ伝達する。図３に示したのは、燃料電池の反応時の電圧と時間の関係図である。図３では、曲線３０は燃料電池が当該特定量の燃料を取り入れる時に発生する電気化学反応の電圧と時間の関係図である。当該制御装置７は伝達された電圧を取り入れ、当該制御時間T _inv1内の最小電圧３０１を検出、判断する。当該最小電圧３０１は当該制御時間内の時間帯に検出、測定された当該燃料電池に於ける電圧値の移動平均、又は二乗平均平方根により代替することもできる。続けて、手順２３に進み、当該制御時間 T_inv1が到達する時点T １で、当該計測器により負荷の第一電圧値３０２を検知する。その後、手順２４に進み、当該第一電圧値３０２と当該最小電圧３０１を比較し、もし当該第一電圧値３０２が当該最小電圧３０１よりも小さい場合は、当該制御装置７は燃料供給装置８を制御し、燃料を供給する。即ち工程を手順２１に戻し、再び制御を行う。

図３に示すように、もし当該第一電圧値３０２が当該最小電圧３０１より大きい場合は、手順２５により時点T １で第二電圧値３０３を検出する。その後手順２６に進み、当該制御装置が当該時点に達する前に時間帯T _inv2で測定した電圧値を選択し、移動平均の計算を行い、当該時間帯T _inv2の移動平均３０５を求める。当該移動平均の計算及び当該移動平均については、二乗平均平方根の計算及び二乗平均平方根、又は当該時間帯T _inv2内の最小電圧等（これらに限定されない）に変更することもできる。

手順２６の後は、当該第二電圧値３０３と当該移動平均３０５を比較する。もし当該第二電圧値３０３が当該移動平均３０５よりも小さい場合は、再び手順２１に戻り、当該制御装置７により当該燃料供給装置８を制御し燃料電池４に燃料を供給する。もし当該第二電圧値３０３が当該移動平均３０５より大きい場合は、図３に示したように、再び手順２５に戻り別の時点T ２に達した時に別の第二電圧値３０４を検知する。その後当該手順２６を繰り返し、当該時点T ２に達する前に時間帯 T_inv3で測定された電圧値を選択し、移動平均の計算を行い、当該時間帯T _inv3の移動平均３０６を求める。手順２６の後、当該第二電圧値３０４と当該移動平均３０６を比較する。本実施図では、当該第二電圧値３０４は当該移動平均３０６より小さい。そのためシステムは手順２１に戻り、循環を持続し燃料電池の反応過程を制御するのである。

図６に示したのは、本発明である取得データの比較的良好な実施方式の表示図である。本実施図中で検出した電圧の方式は単一点での検出以外に、誤差を減少させるためにも図６に示したように、第二電圧値３０３を例に示すことができ、当該時点Ｔ１の前後で複数の電圧のデータ点３０３１、３０３２、３０３３、３０３４を検出できる。その後当該制御装置７はその算出した平均値を当該時点Ｔ１の電圧代表値、即ち第二電圧値３０３とすることが可能である。図３の各データ点３０１〜３０６は全てこの方法により行われる。

上記の実施例では電圧を例に説明したが、これを本発明の範囲として限定するものではなく、例えば電流値又は出力値でも本発明の主旨を実現できるものである。

上記の説明を総合すると、本発明に示された燃料電池の燃料供給制御方法は、センサを余分に増やすことなく、材料を減少しコスト面の出費を抑え、燃料電池による出力電力の安定制御を行うものである。

本発明である燃料電池の燃料供給制御方法の比較的良好な実施例の表示図である。燃料電池が特定量の燃料を取り入れる時の分極曲線の表示図である。燃料電池反応時の電圧と時間の関係図である。負荷がかかった燃料電池の表示図である。負荷を検知する電流の表示図である。本発明の取得データの比較的良好な実施方式の表示図である。本発明である電池の燃料供給制御方式の表示図である。

１燃料電池の燃料供給制御方法
１０、１１、１２、１３工程
２燃料電池の燃料供給制御方法
２０，２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７工程
３０曲線
３０１最小電圧値
３０２第一電圧値
３０３第二電圧値
３０４第三電圧値
３０５第一電圧値の移動平均
３０６第二電圧値の移動平均
４燃料電池
４０陰極
４１陽極
４２プロトン交換膜
５負荷
６計測器
７制御装置
８燃料供給装置

Claims

燃料電池の燃料供給制御方法において、以下の手順を包括し、
特定量の燃料を燃料電池内に注入すること、
制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検出すること、
当該制御時間に達した時に、当該燃料電池の第二特性値を検出すること、そして、当該第二特性値と当該第一特性値を比較すること、もし当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、燃料を当該燃料電池内に注入することを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第一特性値は、当該制御時間内に測定した最小電圧値、最小電流値及び最小出力値の中から一つを選択できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第一特性値は、当該制御時間の時間帯に検出、測定された該燃料電池が有する特性値の移動平均値及び二乗平均平方根（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ，以下「ＲＭＳ」と略する）の中から一つを選択できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該制御時間の長さは当該特定量の燃料が負荷を維持し、特定出力を生み出すまでの間の時間であり、当該特定出力は、当該特定量の燃料が対応する当該負荷の分極曲線中の最大出力以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
更に以下の手順を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法において、
当該第二特性値が第一特性値より大きい場合は、その時点で第三特性値を検知し、
当該時点に達する前に、当該燃料電池の第四特性値を検知し、そして、当該第三特性値と当該第四特性値を比較し、第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該燃料電池内に燃料を注入することを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の移動平均、及び二乗平均平方根の中から一つを選択できることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池が有する特性値の最小値であり、当該特性値は電圧、電流及び出力の中から一つを選択できることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該燃料は水素リッチ液体燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
以下の手順を含むことを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法において、
（ａ）特定量の燃料を燃料電池内に注入する、
（ｂ）制御時間内に当該燃料電池の第一特性値を検知する、
（ｃ）当該制御時間に達した時、当該燃料電池の第二特性値を検出する、
（ｄ）当該第二特性値と当該第一特性値を比較する。当該第二特性値が当該第一特性値よりも小さい場合は、手順（ａ）を繰り返す、
（ｅ）特定の時点で第三特性値を検出する、
（ｆ）当該時点に達する前に当該燃料電池の第四特性値を検知する、
（ｇ）当該第三特性値と当該第四特性値を比較する、もし第三特性値が第四特性値より小さい場合は、当該手順（ａ）を繰り返すことを特徴とする燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第三特性値が第四特性値より大きい場合は、特定の地点で第三特性値を検知し、その後手順（ｅ）を繰り返すことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第一特性値は、当該制御時間内に測定した最小電圧値、最小電流値及び最小出力値の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該制御時間の長さは当該特定量の燃料が負荷を維持し、特定出力を生み出すまでの間の時間であり、当該特定出力は、当該特定量の燃料が対応する当該負荷より小さい、又はこれと等しい場合の分極曲線中での最大出力であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池が有する特性値の移動平均、及び二乗平均平方根の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該第四特性値は、当該時点に達する前の時間帯に検出、測定された当該燃料電池の特性値の最小値であり、当該特性値は電圧、電流及び出力の中から一つを選択できることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。
当該燃料は水素リッチ液体燃料であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の燃料供給制御方法。