燃料電池の燃料供給方法
【課題】負荷変動に適切に応じた燃料電池の燃料供給方法。
【解決手段】（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。前記の方法を利用し、燃料電池動作中の負荷の変化を監視制御できる。前記の方法に基づき、本発明は、更に（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断し、燃料供給の時機を判断する。本発明の提供する方法を利用し、燃料濃度センサーの使用を不要とするだけでなく、更に、負荷の変化に従い、燃料電池の燃料の供給を制御し、燃料電池の性能を向上させ、燃料電池製作・使用上のコストを低減する。
【解決手段】（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。前記の方法を利用し、燃料電池動作中の負荷の変化を監視制御できる。前記の方法に基づき、本発明は、更に（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断し、燃料供給の時機を判断する。本発明の提供する方法を利用し、燃料濃度センサーの使用を不要とするだけでなく、更に、負荷の変化に従い、燃料電池の燃料の供給を制御し、燃料電池の性能を向上させ、燃料電池製作・使用上のコストを低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料供給方法に関し、特に、燃料電池の反応過程において、燃料電池が反応過程中の電気的特性値の変化を測定し、負荷の変化を判断し、燃料供給時期を制御し、燃料電池動作効率を向上する燃料電池の燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電装置である。動作原理は、水素を含有する燃料と酸化剤（空気または酸素）をそれぞれ電池の陽極と陰極に伝送し、陽極が酸化反応により燃料を水素イオンおよび電子に解離し、水素イオンが陽極から陽子交換膜を介して陰極に至り、外部負荷回路の電導を経て陰極の電子に結合し、酸素と還元反応により水を生成する。連続して絶え間なく燃料を供給することにより、燃料電池は連続して発電が可能である。その高効率および低汚染の二つの大きな特長によって、この技術開発は爾来注目を浴びている。
【０００３】
燃料電池のうち、ダイレクトメタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,DMFC、以下ＤＭＦＣと呼ぶ）は、各種携帯型端末（ノートパソコン、ＰＤＡ、ＧＰＳ）の電源供給に更に便利に応用することができ、各国で近年積極的に燃料電池システムを投入している。ＤＭＦＣおよびその他の技術、例えばＰＥＭＦＣの異なる点は、その燃料を液体メタノールにより水素に置き換えて燃料とし、大幅に燃料電池の保存、運送の便利性、安全性を向上させている。
【０００４】
しかしながら、ＤＭＦＣの燃料供給中、当業者であれば分かるように、過剰の燃料供給（メタノール等）が重度のメタノールクロスオーバー（methanol crossover）を起こし、陰極でメタノールが酸素と直接作用して、混成電位の現象を発生し、燃料電池の発電効率の低下の状況を招き、酷い場合には、負電圧現象を起こし、電池を損傷させる。また、燃料電池が供給する負荷に合わせる必要があるため、燃料供給量を如何に適量に制御するかが重要となっている。従来の技術において、燃料濃度センサーを利用するものがあり、例えば、燃料（メタノール）濃度センサーにより燃料（メタノール）濃度状態を検出して、燃料を供給する時期を判断する。或いは、電気化学的測定法によりエタノールセンサーとすることが開示されている。しかしながら、これらの方法は、幾つかの欠点があり、１つは、燃料電池システムの複雑度およびコストを増加させていることであり、もう１つは、電気化学方法がなす燃料センサーは、電極が劣化現象を有するので、測定の精度を維持するために該燃料濃度センサーには常に補正が必要であることである。また、物理的方法で検知するように作製された燃料濃度センサーは、測定値は温度の関数であり、測定データは常に温度の修正または補償が必要であるため精度の制御に影響し、制御の複雑度を増加させる。
【０００５】
燃料濃度センサーを介在する方式によって、想定外にコストおよびシステムの複雑度が増加するので、如何にセンサーを使用することを避け、燃料供給を制御するかの方法が、徐々に趨勢となっている。米国特許第６６９８２７８号明細書が開示する技術は、燃料電池の電流、メタノール入出口の温度を測定することによって、メタノール燃料の濃度を判断する間接測定の方法であり、この種の方法は、フィルム電極セットの劣化の影響を受けるため限定される。また、米国特許第６９９１８６５号明細書は、燃料電池の短絡電流または開放電圧を測定して、燃料供給を判定する方法を開示している。しかしながら、この技術は周期的に燃料電池を開放または短絡する必要があり、燃料電池自身が容易に損傷し、電池の安定性および寿命に影響を及ぼす。
【特許文献１】米国特許第６６９８２７８号明細書
【特許文献２】米国特許第６９９１８６５号明細書
【特許文献３】特表２００７−５０９４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、負荷の変化を測定して、燃料濃度と供給量を変化させ、燃料電池が負荷の変化に応じて、適切な電力を供給できるようにし、燃料電池の燃料使用効率を向上する目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【０００７】
本発明のもう1つの目的は、燃料電池の反応時の電気的特性値の変化を測定し、負荷が変化しているか否かを判断する目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【０００８】
本発明のもう1つの目的は、燃料電池の反応時の電気的特性値の変化を測定し、例えば、電圧、電流または電力であり、数値演算および比較を行い、燃料の供給量を制御し、燃料センサーの設置をせずに、コスト低減および燃料電池の最適な電力出力の制御の目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成する為、本発明の提供する燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。
【００１０】
好適には、該燃料電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力、およびその組み合わせのうちの１つであることができる。
【００１１】
好適には、該負荷が変化を有するか否かを判断する方法が、該監視制御時間内に随時燃料電電池の電気的特性値を測定し、所定の閾値を超えているか否かにより判定する。該電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうち１つを選択することができる。
【００１２】
好適には、該ステップ（d）は、更に以下のステップを含む：（d１）該負荷が増加する場合、ステップ（a）に戻る。（ｄ２）該負荷が減少する場合、ステップ（b）に戻る。そのうち、該負荷の増加または減少を判断する方式は、該燃料電池の電気的特性値の変化が低い値から高い値或いは高い値から低い値に変化するかであり、その方式は、該燃料電池電気的特性値の変化曲線の変化率が正値または負値かで判断する。該燃料電池電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうちの１つであることができる。また、前後の時間点の電気的特性値の差異が正の値であるか負の値であるかで判断することもできる。上記の目的を達成するため、本発明の提供する燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する。
【００１３】
好適には、該ステップ（e）が更に、以下のステップを含む：（e1）該監視制御時間区間内に該燃料電池の第１電気的特性値を取得する。（e2）該監視制御時間に達したら該燃料電池の第２電気的特性値を取得する。（e3）該第２電気的特性値と該第１電気的特性値を比較し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも小さい場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e4）該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より大きい場合、監視制御時間区間後の時間点前に第３電気的特性値を測定する。（e5）該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を測定する。（e6）該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）へ戻る。（e7）該閾値を超えていない場合、該第３電気的特性値を該第４電気的特性値と比較し、該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さい場合、ステップ（a）に戻って燃料を該燃料電池内に注入する。（e8）該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より大きい場合、ステップ（e4）に戻る。
【００１４】
そのうち、該第１電気的特性値は、該監視制御機関内に測定された電圧最小値、電流最小値、電力最小値およびその組み合わせの１つの最小値である。また、該第１電気的特性値は、該監視制御期間内の１つの時間区域で測定される該燃料電池の電気的特性値の移動平均値または該監視制御期間内の１つの時間区域に測定された該燃料電池の電気的特性値の二乗平均（root mean square = RMS）またはその他の数学方法で計算した統計値であり、第２電気的特性値と関係を形成することに用い、燃料電池の電気的特性値曲線の趨勢を判定することができる。
【００１５】
該第３電気的特性値は、該時間点前の１つの時間区域で測定される該燃料電池の電気的特性値の移動平均値または二乗平均値または数学計算された統計値である。
【００１６】
好適には、該ステップ（e）は更に下記のステップを含む：（e1）該監視制御時間点に達する時、該燃料電池の電気的特性値を計算した第１変化率を取得する。（e2）該第１変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e3）該第１変化率が正の値である場合、時間点で測定し、該燃料電池電気的特性値の第２変化率を判断する。（e4）該燃料電池電気的特性値の変化が該閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）に戻る。（e5）該閾値を超えていない場合、該第２変化率を判断し、第２変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e6）第２変化率が正である場合、該ステップ（e3）に戻る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池の燃料供給方法は、負荷の変化を測定して、燃料濃度と供給量を変化させ、燃料電池が負荷の変化に応じて、適切な電力を供給できるようにし、燃料電池の燃料使用効率を向上する目的を達成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例の説明図である。該燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：まず、ステップ１０において特定量の燃料を燃料電池内に注入する。該燃料は、燃料電池に供給する水素燃料であり、燃料電池は例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell , PEFC）である。該水素燃料は、メタノールまたはエタノールまたはボロハイドライド化合物である。このほか、該水素燃料は液体に限らず、例えば、陽子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)の水素気体でもよく、各種異なる燃料電池に供給する燃料はいずれも適用でき、本文ではダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)のメタノール供給を例とする。ステップ１１において、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定し、該燃料電池電気的特性値に基づき監視制御時間を決定する。該燃料電池電気的特性値は燃料電池が出力する電圧、電流、電力およびその組み合わせのうち１つである。
【００１９】
続いて、本発明の監視制御時間決定の方式を説明する。図２は、燃料電池が特定量の燃料を受信する時の極化曲線説明図である。該極化曲線図は、最良の条件での電圧と電流の関係図および電力と電流の関係曲線図である。図中、最良条件の下、該電力は、最大値Ｐmaxを有し、燃料電池の最短監視制御時間が、該特定量燃料を燃料電池に注入した後、負荷Ｉmaxを最大電力Ｐmaxに維持する時間長さに用いる。
【００２０】
したがって、図１のステップ１１において、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定した後（該燃料電池電気的特性値は燃料電池が出力する電流を例とする）、該燃料電池電気的特性値および燃料電池の監視制御時間に基づき、調整を行う。例えば、実験から得られる燃料電池の最短監視制御時間が1分間であり、その出力最大電流が5アンペアであり、ステップ１１で測定する燃料電池電気的特性値が1アンペアである場合、比例換算によって、ステップ１１で決定する監視制御時間は5分間であることが得られる。
【００２１】
図１に示すように、ステップ１１の後、負荷が変化しているか否かを判断する。該負荷が変化しているか否かを判断する方法は、該監視制御時間内に該燃料電池電気的特性値の変化量が閾値を超えているか否かに基づき判定する。該電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうち１つを選択することができる。変化している場合、ステップ１３を行い、負荷が増加しているか減少しているかを判断する。変化していない場合、ステップ１４を行い、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する。
【００２２】
続いて、図１のステップ１１〜ステップ１３がどのように判断するかを説明する。ステップ１１〜ステップ１３を説明するために、まず、燃料電池装置の構造を説明する。図３は、本発明の燃料電池説明図である。該燃料電池４は、基本的にメタノールおよび酸素（空気）を供給する管路と、水および二酸化炭素を排出する管路とを具える。燃料電池４の中間に陽極板４１、陰極板４０および陽子交換膜４２を有する。陽極板４１と陰極板４０との間に負荷５を有し、該陽極板４１、陰極板４０および該負荷５にループを形成させる。該負荷５は、コンパレータ６に接続し、該コンパレータ６は、電圧計または電流計であって、本実施例中では、該コンパレータは電流計であり、したがって、該電流計は該負荷と直列する。また、該コンパレータ６が電圧計である時、並列に接続して負荷端の電圧を測定する。制御ユニット７がコンパレータ６が測定した信号を受信してシステム論理判断を行い、論理判断の結果に基づき、燃料供給ユニット８を制御し、燃料供給の動作を行う。
【００２３】
ステップ１２を行い、負荷が変化しているか否かを判断する時、該燃料電池の電気的特性値の変化が閾値を超えているか否かを測定する。図３、図４および図５に示すように、図４は、燃料電池反応過程で負荷が増加した電流変化説明図であり、図５は、燃料電池の反応過程で、負荷が減少した電流変化の説明図である。図４中、燃料はＴ0の時間点で注入され、この時、燃料電池が電気化学反応し、エネルギーを発生し、負荷５に電流を供給する。その後、制御ユニット７は、該燃料電池が出力した電気的特性値に基づき、本実施例中、燃料電池が出力する電流に基づき、監視制御時間Ｔmon1を決定する。続いて、制御ユニット７は、定期的に電流計が測定する電流に基づき、２つの時間点での変化を判断し、例えば、図４中の時間点Ｔ1時の測定点３０１が測定する電流Ｉ1と時間点Ｔ2の測定点３０２が測定する電流Ｉ2の差異変化の百分比ΔＩ／Ｉ1が閾値を超える場合、負荷が変化していると判断する。本実施例中、該閾値が２０％であり、Ｔ1とＴ2は、通常間隔が１秒以下であり、更には、１μ秒以下であり、但しこれに限らず、使用者は、需要に基づき、閾値および時間間隔の大きさを設定でき、閾値の設定は、通常、アクティブな負荷変化の測定並びに適応に用い、同時に測定回路自身のノイズおよび誤差を識別してフィルターリングする。
【００２４】
該閾値を超える場合、ステップ１３を行う。ステップ１３中、負荷が増加しているか減少しているかを判断し、そのうち、該負荷が増加しているか減少しているかの判断は、該燃料電池電気的特性値の変化が低い値から高い値へ変わっているか否かで判断する。その方式は、該電気的特性値変化の変化率が正の値であるか負の値であるかにより判断する。図４を例とし、図中、Ｉ2がＩ1より大きいので、時間点Ｔ2の時、ステップ１０を行い、特定量の燃料を該燃料電池内に注入し、その後、後続のステップを継続し、新たな監視制御時間Ｔmon2を発生する。反対に、図５に示すように、測定点４０２の電流Ｉ2と測定点４０１の電流Ｉ1との間の差異変化の百分比が閾値を超えているが、電流Ｉ2が電流Ｉ1より小さく、負荷が減少し、既に燃料が足りているので、時間点Ｔ2の時、燃料を注入せず、ステップ１１を行い、測定した電流の大きさに基づき、新たに監視制御時間をたて、その長さをＴmon2’とする。
【００２５】
図６は、本発明の燃料電池の燃料供給方法の第２実施例のフロー説明図である。燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：まず、ステップ２０１を行い、特定量の燃料を燃料電池内に注入する。該燃料は、水素燃料である。該水素燃料は、メタノールまたはエタノールまたはボロハイドライド化合物である。また、該水素燃料は、液体に限らず、例えば、水素気体であってもよい。該燃料電池の構造は、図３に示すとおりであるからその細部の説明は前記の通りであり、ここで再度記載しない。
【００２６】
図７は、燃料電池の反応過程中の時間に対する電流変化の説明図である。図７中、電気的特性値は、電流により代表される。その後、ステップ２０２を行い、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定し、該燃料電池電気的特性値に基づき、監視制御時間Ｔmon1を決定する。続いて、該監視制御時間Ｔmon1内に燃料電池の電気的特性値の変化量の百分比が閾値を超えているか否かを判断する。該電気的特性値は、電流、電圧、電力のうち１つまたは三者の任意の組み合わせのうち、１つであることができる。該監視制御時間Ｔmon1の決定方式は、前記の通りであり、ここに詳細を記載しない。
【００２７】
ステップ２０３中の閾値が２０％であり、前後の電気的特性値の差異が２０％（変化量百分比）を超える場合、ステップ２０３を満足するとみなす。閾値の大きさは、状況および経験に基づき決定でき、本実施例中の２０％に限らない。図７を例とすると、時間点Ｔ2の測定点５０２の電流Ｉ2は、時間点Ｔ1の測定点５０１の電流Ｉ1を超え、且つ差異量がＩ1の２０％を超えるので、ステップ２０４を行い、電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する。ステップ２０４の判断の方式は、測定点５０１の電流Ｉ1のおよび測定点５０２の電流Ｉ2の差異が正の値であるか、負の値であるかに基づくか、または測定点５０１と測定点５０２の間の変化率が正の値であるか負の値であるかにより判断を行うことができる。測定点５０１と測定点５０２の時間間隔（Ｔ2-Ｔ1）は、実際の負荷の随時時間変動する状況に基づき決定することができる。
【００２８】
図７中、電流Ｉ2が電流Ｉ1より大きいので、ステップ２０１に戻り、時間点Ｔ2で新たに特定量の燃料を注入し、その後、ステップ２０２で新たな監視制御時間Ｔmon2を決定する。監視制御時間Ｔmon2の過程中、ステップ２０３を満足しないので、消費しきれない燃料が十分であるか否かを判断するプロセスを行う。
【００２９】
燃料が足りているか否かを判断するプロセスは、まず、ステップ２０５により、該監視制御時間Ｔmon2内に燃料電池の第１電気的特性値を取得する。該第１電気的特性値は、該監視制御時間内に測定される電流最小値、電圧最小値、電力最小値およびその組み合わせのうち、１つの最小値であることができる。本実施例は、電流により判断を行うが、電力を用いて判断してもよく、電力電気的特性値は電圧電気的特性値、電流電気的特性値の組み合わせである。図８は、燃料電池反応過程中の電力変化の説明図である。通常、燃料電池の作動がある特定時間内に固定抵抗、固定電圧または固定電流等の三種の固定負荷状況の１つであることができ、例えば、燃料電池の適用対象がノートブックコンピュータの電源供給であれば、固定抵抗とすることができるので、電力と電圧曲線は基本的に図７の電流曲線と一致し、図８に示すように、その値は、２つの電気的特性値の積であり、制御解析度および精度を向上させる効果を有する。しかし、実際の応用において、固定抵抗または固定電圧の状況に限定しない。図７の実施例中、第１電気的特性値は電流最小値であり、測定点５０３の電流Ｉ3のである。このほか、該第１電気的特性値は、該監視制御期間内の時間区間に測定される該燃料電位電気的特性値の移動平均値または該監視制御期間内の１つの時間区間に得られる電朗電池電気的特性値の二乗平均（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ，ＲＭＳ）または、相関する数学的方法で計算される統計値であることができ、多種の定義を有することができる。
【００３０】
続いて、ステップ２０６を行い、該監視制御時間に達する時、該燃料電池の第２電気的特性値を取得する。該第２電気的特性値は、電圧、電流または電力およびその組み合わせのうち１つであり、図７の実施例では電力であり、測定点５０４の電流Ｉ4でもある。その後、ステップ２０７を実行し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より小さいか否かを判断する。該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より小さい場合、燃料が既に尽きている或いは、尽きそうであることを意味し、ステップ２０１に戻り、新たに燃料を注入する。反対に、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも大きい場合、燃料が消費し終えていないことを意味する。図７で説明するように、測定点５０３の電流Ｉ3は、測定点５０４の電流Ｉ4より小さいので、また、残り多くの燃料が消費し終わっていないことを意味する。
【００３１】
燃料が不足する状況の下、ステップ２０８を継続して行い、１つの時間点５０６前に第３電気的特性値を測定する。図７中、該第３電気的特性値が測定点５０５の電流Ｉ5である。その後、ステップ２０９を行い、該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を取得する。該第４電気的特性値が図７中では、測定点５０６の電流Ｉ6である。続いて、ステップ２１０を行い、該燃料電池の電気的特性値の変化量が閾値を超えているか否か判断し、閾値設定の法則は前記の通りであり、本ステップの閾値は２０％であり、このステップ中、図７で、この時間点の電流変化が閾値を超えていないかどうかを判断する。図７は、閾値を超えていない状況である。この時、ステップ１１に戻り、第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さいか否かを判断する。図７中、電流Ｉ6は電流Ｉ5より小さく、ステップ２１１の条件を満足するので、ステップ２０１に戻り、特定量の燃料を該燃料電池内に注入し、その後、後続のステップを続行する。反対に、第４電気的特性値が、第３電気的特性値より大きい場合、燃料が残っていることを意味するので、ステップ２０８に戻り、第３電気的特性値および第４電気的特性値の取得を持続し、燃料が尽きているか否かを監視制御する。測定点５０５と測定点５０６の時間間隔は要求に合わせて決めることができ、本実施例では、１秒であるが、これに限定しない。
【００３２】
図６および図７に示すように、時間点Ｔ6で燃料を注入した後、監視制御時間Ｔmon3を決定する。該監視制御時間Ｔmon3内で、同様にステップ２０３を続行し、燃料電池の電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断する。図７中の監視制御時間Ｔmon3内の測定点５０７および測定点５０８の間で発生する電気的特性値の変化量が閾値を超える状況なので、ステップ２０４を行い、電気的特性値が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する。監視制御時間Ｔmon3の電流Ｉ8がＩ7より小さく、負荷が小さくなっていることを意味するので、ステップ２０２を行い、負荷の変化に基づき、新たな監視制御時間Ｔmon4を決定し、その後、後続のステップを行う。このような反復運行で、燃料の供給を随時調整し、燃料電池の動作を維持する。
【００３３】
図９は、本発明の燃料電池の燃料供給方法の第３実施例のフロー説明図である。本実施例中、ステップ２０〜ステップ２８からなり、その大部分のステップは、前記第２実施例と同一であり、異なる箇所は、本実施例のステップ２４および２６が変化率の正負を利用し、燃料の補充が必要かどうかを判断する。ステップ２４中、該監視制御時間に達する時、該燃料電池の電気的特性値の第１変化率を取得計算し、その後、ステップ２５を行い、第１変化率が正であるか否かを判断する。該第１変化率が負の値である時、ステップ２０に戻り、燃料を該燃料電池内に注入する。反対に、該第１変化率が正の値である場合、ステップ２６を行い、時間点で該燃料電池電気的特性値の第２変化率を測定、判断する。その後、ステップ２７を行い、燃料電池電気的特性値が閾値を超えているを超えているか否かを判断し、ステップ２７は、ステップ２２に類似し、変化率が閾値を超えていれば、ステップ２３に戻る。反対に、該閾値を超えていない場合、ステップ２８を行い、ステップ２６で測定された第２変化率が正であるか否かを判断し、第２変化率が負の値であれば、ステップ２０に戻り、燃料を該燃料電池内に注入し、第２変化率が正であれば、該ステップ２６に戻る。
【００３４】
図１０は、本発明の第２実施例の方法を利用し、燃料電池から得られる電力出力および負荷の変化関係曲線図であり、それは、２５Ｗを定格出力としてダイレクトメタノール燃料電池システムが電力エネルギーをノートブックコンピュータに供給した実際の測定実験結果図である。そのうち、図１０の曲線９００は、負荷を介した電流の変化を表し、負荷の変化に置換し、負荷が３Ａより高い時は、ノートブックコンピュータ開放時のエネルギー消耗状況であり、負荷が０．８Ａより低い時は、ノートブックコンピュータがオフ時のエネルギー消耗状況であり、ダイレクトメタノール燃料電池が自身のＢＯＰシステムの動作を維持する必要がある。区域９０１内の曲線は、燃料電池が出力する電力の負荷に伴う変化の曲線を表す。図から分かるように、本発明の方法により、燃料電池の電力出力は確実に、負荷の変化の大きさに従い、メタノール燃料の供給量を調整して、安定した電力出力を達成し、且つノートブックコンピュータのオンオフの変動、負荷切り換えから、本方法は、システムの最小要求を満足するだけではなく、更に、最適な最大の電力出力点を自動的に探し出すことができる。
【００３５】
なお、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均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。例えば、図６中のステップ２０１で特定量の燃料を注入し、該特定量は前記実施例では固定の燃料量であり、ステップ２０２中の監視制御時間は、負荷の状況によって異なる時間の長さを有する。しかしながら、実際に実施時、前記の方式以外に、ステップ２０１中、注入する燃料量を変化させることもでき、その後、固定の監視制御時間で実施することもできる。即ち、燃料電池供給電力の総エネルギーが燃料注入量と監視制御時間の関数であるので、燃料注入量を固定し、その後監視制御時間を変動させるか、燃料注入量を変動させ、監視制御時間を固定するかを問わず、本発明の実施方式である。
【００３６】
なお、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均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。例えば、燃料電池システム中、燃料電池がオンまたはオフ時、システムの負荷は負荷変動する状況であり、また、燃料電池システムがオンされた後の正常動作の下、充電器で充電すれば、固定負荷の状況をみなすことができる。したがって、本発明の方法を介して、上記のアクティブな負荷および固定負荷を組み合わせた状況に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第１実施例のフロー説明図である。
【図２】燃料電池の最良条件時の極化曲線説明図である。
【図３】燃料電池システムの説明図である。
【図４】燃料電池の反応過程で負荷が増加した電流変化説明図である。
【図５】燃料電位の反応過程で負荷が減少した電流変化説明図である。
【図６】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第２実施例のフロー説明図である。
【図７】燃料電池の反応過程中の時間に対する電流変化の説明図である。
【図８】燃料電池の反応過程中の時間に対する電力変化の説明図である。
【図９】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第３実施例のフロー説明図である。
【図１０】本発明の第２実施例の方法を利用した燃料電池が得る電力出力と負荷変化の関係曲線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 燃料電池の燃料供給方法
１０〜１４ ステップ
２ 燃料電池の燃料供給方法
２０１〜２１１ ステップ
２０〜２８ ステップ
３０１，３０２ 測定点
４０１，４０２ 測定点
５０１〜５０８ 測定点
４ 燃料電池
４０ 陰極
４１ 陽極
４２ 陽子交換膜
５ 負荷
６ コンパレータ
７ 制御ユニット
８ 燃料供給ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料供給方法に関し、特に、燃料電池の反応過程において、燃料電池が反応過程中の電気的特性値の変化を測定し、負荷の変化を判断し、燃料供給時期を制御し、燃料電池動作効率を向上する燃料電池の燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電装置である。動作原理は、水素を含有する燃料と酸化剤（空気または酸素）をそれぞれ電池の陽極と陰極に伝送し、陽極が酸化反応により燃料を水素イオンおよび電子に解離し、水素イオンが陽極から陽子交換膜を介して陰極に至り、外部負荷回路の電導を経て陰極の電子に結合し、酸素と還元反応により水を生成する。連続して絶え間なく燃料を供給することにより、燃料電池は連続して発電が可能である。その高効率および低汚染の二つの大きな特長によって、この技術開発は爾来注目を浴びている。
【０００３】
燃料電池のうち、ダイレクトメタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,DMFC、以下ＤＭＦＣと呼ぶ）は、各種携帯型端末（ノートパソコン、ＰＤＡ、ＧＰＳ）の電源供給に更に便利に応用することができ、各国で近年積極的に燃料電池システムを投入している。ＤＭＦＣおよびその他の技術、例えばＰＥＭＦＣの異なる点は、その燃料を液体メタノールにより水素に置き換えて燃料とし、大幅に燃料電池の保存、運送の便利性、安全性を向上させている。
【０００４】
しかしながら、ＤＭＦＣの燃料供給中、当業者であれば分かるように、過剰の燃料供給（メタノール等）が重度のメタノールクロスオーバー（methanol crossover）を起こし、陰極でメタノールが酸素と直接作用して、混成電位の現象を発生し、燃料電池の発電効率の低下の状況を招き、酷い場合には、負電圧現象を起こし、電池を損傷させる。また、燃料電池が供給する負荷に合わせる必要があるため、燃料供給量を如何に適量に制御するかが重要となっている。従来の技術において、燃料濃度センサーを利用するものがあり、例えば、燃料（メタノール）濃度センサーにより燃料（メタノール）濃度状態を検出して、燃料を供給する時期を判断する。或いは、電気化学的測定法によりエタノールセンサーとすることが開示されている。しかしながら、これらの方法は、幾つかの欠点があり、１つは、燃料電池システムの複雑度およびコストを増加させていることであり、もう１つは、電気化学方法がなす燃料センサーは、電極が劣化現象を有するので、測定の精度を維持するために該燃料濃度センサーには常に補正が必要であることである。また、物理的方法で検知するように作製された燃料濃度センサーは、測定値は温度の関数であり、測定データは常に温度の修正または補償が必要であるため精度の制御に影響し、制御の複雑度を増加させる。
【０００５】
燃料濃度センサーを介在する方式によって、想定外にコストおよびシステムの複雑度が増加するので、如何にセンサーを使用することを避け、燃料供給を制御するかの方法が、徐々に趨勢となっている。米国特許第６６９８２７８号明細書が開示する技術は、燃料電池の電流、メタノール入出口の温度を測定することによって、メタノール燃料の濃度を判断する間接測定の方法であり、この種の方法は、フィルム電極セットの劣化の影響を受けるため限定される。また、米国特許第６９９１８６５号明細書は、燃料電池の短絡電流または開放電圧を測定して、燃料供給を判定する方法を開示している。しかしながら、この技術は周期的に燃料電池を開放または短絡する必要があり、燃料電池自身が容易に損傷し、電池の安定性および寿命に影響を及ぼす。
【特許文献１】米国特許第６６９８２７８号明細書
【特許文献２】米国特許第６９９１８６５号明細書
【特許文献３】特表２００７−５０９４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、負荷の変化を測定して、燃料濃度と供給量を変化させ、燃料電池が負荷の変化に応じて、適切な電力を供給できるようにし、燃料電池の燃料使用効率を向上する目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【０００７】
本発明のもう1つの目的は、燃料電池の反応時の電気的特性値の変化を測定し、負荷が変化しているか否かを判断する目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【０００８】
本発明のもう1つの目的は、燃料電池の反応時の電気的特性値の変化を測定し、例えば、電圧、電流または電力であり、数値演算および比較を行い、燃料の供給量を制御し、燃料センサーの設置をせずに、コスト低減および燃料電池の最適な電力出力の制御の目的を達成する燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成する為、本発明の提供する燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。
【００１０】
好適には、該燃料電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力、およびその組み合わせのうちの１つであることができる。
【００１１】
好適には、該負荷が変化を有するか否かを判断する方法が、該監視制御時間内に随時燃料電電池の電気的特性値を測定し、所定の閾値を超えているか否かにより判定する。該電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうち１つを選択することができる。
【００１２】
好適には、該ステップ（d）は、更に以下のステップを含む：（d１）該負荷が増加する場合、ステップ（a）に戻る。（ｄ２）該負荷が減少する場合、ステップ（b）に戻る。そのうち、該負荷の増加または減少を判断する方式は、該燃料電池の電気的特性値の変化が低い値から高い値或いは高い値から低い値に変化するかであり、その方式は、該燃料電池電気的特性値の変化曲線の変化率が正値または負値かで判断する。該燃料電池電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうちの１つであることができる。また、前後の時間点の電気的特性値の差異が正の値であるか負の値であるかで判断することもできる。上記の目的を達成するため、本発明の提供する燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入する。（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定する。（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定し顕著な変化が無いかを判断する。（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする。（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する。
【００１３】
好適には、該ステップ（e）が更に、以下のステップを含む：（e1）該監視制御時間区間内に該燃料電池の第１電気的特性値を取得する。（e2）該監視制御時間に達したら該燃料電池の第２電気的特性値を取得する。（e3）該第２電気的特性値と該第１電気的特性値を比較し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも小さい場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e4）該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より大きい場合、監視制御時間区間後の時間点前に第３電気的特性値を測定する。（e5）該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を測定する。（e6）該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）へ戻る。（e7）該閾値を超えていない場合、該第３電気的特性値を該第４電気的特性値と比較し、該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さい場合、ステップ（a）に戻って燃料を該燃料電池内に注入する。（e8）該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より大きい場合、ステップ（e4）に戻る。
【００１４】
そのうち、該第１電気的特性値は、該監視制御機関内に測定された電圧最小値、電流最小値、電力最小値およびその組み合わせの１つの最小値である。また、該第１電気的特性値は、該監視制御期間内の１つの時間区域で測定される該燃料電池の電気的特性値の移動平均値または該監視制御期間内の１つの時間区域に測定された該燃料電池の電気的特性値の二乗平均（root mean square = RMS）またはその他の数学方法で計算した統計値であり、第２電気的特性値と関係を形成することに用い、燃料電池の電気的特性値曲線の趨勢を判定することができる。
【００１５】
該第３電気的特性値は、該時間点前の１つの時間区域で測定される該燃料電池の電気的特性値の移動平均値または二乗平均値または数学計算された統計値である。
【００１６】
好適には、該ステップ（e）は更に下記のステップを含む：（e1）該監視制御時間点に達する時、該燃料電池の電気的特性値を計算した第１変化率を取得する。（e2）該第１変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e3）該第１変化率が正の値である場合、時間点で測定し、該燃料電池電気的特性値の第２変化率を判断する。（e4）該燃料電池電気的特性値の変化が該閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）に戻る。（e5）該閾値を超えていない場合、該第２変化率を判断し、第２変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する。（e6）第２変化率が正である場合、該ステップ（e3）に戻る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池の燃料供給方法は、負荷の変化を測定して、燃料濃度と供給量を変化させ、燃料電池が負荷の変化に応じて、適切な電力を供給できるようにし、燃料電池の燃料使用効率を向上する目的を達成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例の説明図である。該燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：まず、ステップ１０において特定量の燃料を燃料電池内に注入する。該燃料は、燃料電池に供給する水素燃料であり、燃料電池は例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell , PEFC）である。該水素燃料は、メタノールまたはエタノールまたはボロハイドライド化合物である。このほか、該水素燃料は液体に限らず、例えば、陽子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)の水素気体でもよく、各種異なる燃料電池に供給する燃料はいずれも適用でき、本文ではダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)のメタノール供給を例とする。ステップ１１において、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定し、該燃料電池電気的特性値に基づき監視制御時間を決定する。該燃料電池電気的特性値は燃料電池が出力する電圧、電流、電力およびその組み合わせのうち１つである。
【００１９】
続いて、本発明の監視制御時間決定の方式を説明する。図２は、燃料電池が特定量の燃料を受信する時の極化曲線説明図である。該極化曲線図は、最良の条件での電圧と電流の関係図および電力と電流の関係曲線図である。図中、最良条件の下、該電力は、最大値Ｐmaxを有し、燃料電池の最短監視制御時間が、該特定量燃料を燃料電池に注入した後、負荷Ｉmaxを最大電力Ｐmaxに維持する時間長さに用いる。
【００２０】
したがって、図１のステップ１１において、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定した後（該燃料電池電気的特性値は燃料電池が出力する電流を例とする）、該燃料電池電気的特性値および燃料電池の監視制御時間に基づき、調整を行う。例えば、実験から得られる燃料電池の最短監視制御時間が1分間であり、その出力最大電流が5アンペアであり、ステップ１１で測定する燃料電池電気的特性値が1アンペアである場合、比例換算によって、ステップ１１で決定する監視制御時間は5分間であることが得られる。
【００２１】
図１に示すように、ステップ１１の後、負荷が変化しているか否かを判断する。該負荷が変化しているか否かを判断する方法は、該監視制御時間内に該燃料電池電気的特性値の変化量が閾値を超えているか否かに基づき判定する。該電気的特性値は、燃料電池の電流、電圧、電力およびその組み合わせのうち１つを選択することができる。変化している場合、ステップ１３を行い、負荷が増加しているか減少しているかを判断する。変化していない場合、ステップ１４を行い、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する。
【００２２】
続いて、図１のステップ１１〜ステップ１３がどのように判断するかを説明する。ステップ１１〜ステップ１３を説明するために、まず、燃料電池装置の構造を説明する。図３は、本発明の燃料電池説明図である。該燃料電池４は、基本的にメタノールおよび酸素（空気）を供給する管路と、水および二酸化炭素を排出する管路とを具える。燃料電池４の中間に陽極板４１、陰極板４０および陽子交換膜４２を有する。陽極板４１と陰極板４０との間に負荷５を有し、該陽極板４１、陰極板４０および該負荷５にループを形成させる。該負荷５は、コンパレータ６に接続し、該コンパレータ６は、電圧計または電流計であって、本実施例中では、該コンパレータは電流計であり、したがって、該電流計は該負荷と直列する。また、該コンパレータ６が電圧計である時、並列に接続して負荷端の電圧を測定する。制御ユニット７がコンパレータ６が測定した信号を受信してシステム論理判断を行い、論理判断の結果に基づき、燃料供給ユニット８を制御し、燃料供給の動作を行う。
【００２３】
ステップ１２を行い、負荷が変化しているか否かを判断する時、該燃料電池の電気的特性値の変化が閾値を超えているか否かを測定する。図３、図４および図５に示すように、図４は、燃料電池反応過程で負荷が増加した電流変化説明図であり、図５は、燃料電池の反応過程で、負荷が減少した電流変化の説明図である。図４中、燃料はＴ0の時間点で注入され、この時、燃料電池が電気化学反応し、エネルギーを発生し、負荷５に電流を供給する。その後、制御ユニット７は、該燃料電池が出力した電気的特性値に基づき、本実施例中、燃料電池が出力する電流に基づき、監視制御時間Ｔmon1を決定する。続いて、制御ユニット７は、定期的に電流計が測定する電流に基づき、２つの時間点での変化を判断し、例えば、図４中の時間点Ｔ1時の測定点３０１が測定する電流Ｉ1と時間点Ｔ2の測定点３０２が測定する電流Ｉ2の差異変化の百分比ΔＩ／Ｉ1が閾値を超える場合、負荷が変化していると判断する。本実施例中、該閾値が２０％であり、Ｔ1とＴ2は、通常間隔が１秒以下であり、更には、１μ秒以下であり、但しこれに限らず、使用者は、需要に基づき、閾値および時間間隔の大きさを設定でき、閾値の設定は、通常、アクティブな負荷変化の測定並びに適応に用い、同時に測定回路自身のノイズおよび誤差を識別してフィルターリングする。
【００２４】
該閾値を超える場合、ステップ１３を行う。ステップ１３中、負荷が増加しているか減少しているかを判断し、そのうち、該負荷が増加しているか減少しているかの判断は、該燃料電池電気的特性値の変化が低い値から高い値へ変わっているか否かで判断する。その方式は、該電気的特性値変化の変化率が正の値であるか負の値であるかにより判断する。図４を例とし、図中、Ｉ2がＩ1より大きいので、時間点Ｔ2の時、ステップ１０を行い、特定量の燃料を該燃料電池内に注入し、その後、後続のステップを継続し、新たな監視制御時間Ｔmon2を発生する。反対に、図５に示すように、測定点４０２の電流Ｉ2と測定点４０１の電流Ｉ1との間の差異変化の百分比が閾値を超えているが、電流Ｉ2が電流Ｉ1より小さく、負荷が減少し、既に燃料が足りているので、時間点Ｔ2の時、燃料を注入せず、ステップ１１を行い、測定した電流の大きさに基づき、新たに監視制御時間をたて、その長さをＴmon2’とする。
【００２５】
図６は、本発明の燃料電池の燃料供給方法の第２実施例のフロー説明図である。燃料電池の燃料供給方法は、以下のステップを含む：まず、ステップ２０１を行い、特定量の燃料を燃料電池内に注入する。該燃料は、水素燃料である。該水素燃料は、メタノールまたはエタノールまたはボロハイドライド化合物である。また、該水素燃料は、液体に限らず、例えば、水素気体であってもよい。該燃料電池の構造は、図３に示すとおりであるからその細部の説明は前記の通りであり、ここで再度記載しない。
【００２６】
図７は、燃料電池の反応過程中の時間に対する電流変化の説明図である。図７中、電気的特性値は、電流により代表される。その後、ステップ２０２を行い、負荷に対して燃料電池電気的特性値を測定し、該燃料電池電気的特性値に基づき、監視制御時間Ｔmon1を決定する。続いて、該監視制御時間Ｔmon1内に燃料電池の電気的特性値の変化量の百分比が閾値を超えているか否かを判断する。該電気的特性値は、電流、電圧、電力のうち１つまたは三者の任意の組み合わせのうち、１つであることができる。該監視制御時間Ｔmon1の決定方式は、前記の通りであり、ここに詳細を記載しない。
【００２７】
ステップ２０３中の閾値が２０％であり、前後の電気的特性値の差異が２０％（変化量百分比）を超える場合、ステップ２０３を満足するとみなす。閾値の大きさは、状況および経験に基づき決定でき、本実施例中の２０％に限らない。図７を例とすると、時間点Ｔ2の測定点５０２の電流Ｉ2は、時間点Ｔ1の測定点５０１の電流Ｉ1を超え、且つ差異量がＩ1の２０％を超えるので、ステップ２０４を行い、電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する。ステップ２０４の判断の方式は、測定点５０１の電流Ｉ1のおよび測定点５０２の電流Ｉ2の差異が正の値であるか、負の値であるかに基づくか、または測定点５０１と測定点５０２の間の変化率が正の値であるか負の値であるかにより判断を行うことができる。測定点５０１と測定点５０２の時間間隔（Ｔ2-Ｔ1）は、実際の負荷の随時時間変動する状況に基づき決定することができる。
【００２８】
図７中、電流Ｉ2が電流Ｉ1より大きいので、ステップ２０１に戻り、時間点Ｔ2で新たに特定量の燃料を注入し、その後、ステップ２０２で新たな監視制御時間Ｔmon2を決定する。監視制御時間Ｔmon2の過程中、ステップ２０３を満足しないので、消費しきれない燃料が十分であるか否かを判断するプロセスを行う。
【００２９】
燃料が足りているか否かを判断するプロセスは、まず、ステップ２０５により、該監視制御時間Ｔmon2内に燃料電池の第１電気的特性値を取得する。該第１電気的特性値は、該監視制御時間内に測定される電流最小値、電圧最小値、電力最小値およびその組み合わせのうち、１つの最小値であることができる。本実施例は、電流により判断を行うが、電力を用いて判断してもよく、電力電気的特性値は電圧電気的特性値、電流電気的特性値の組み合わせである。図８は、燃料電池反応過程中の電力変化の説明図である。通常、燃料電池の作動がある特定時間内に固定抵抗、固定電圧または固定電流等の三種の固定負荷状況の１つであることができ、例えば、燃料電池の適用対象がノートブックコンピュータの電源供給であれば、固定抵抗とすることができるので、電力と電圧曲線は基本的に図７の電流曲線と一致し、図８に示すように、その値は、２つの電気的特性値の積であり、制御解析度および精度を向上させる効果を有する。しかし、実際の応用において、固定抵抗または固定電圧の状況に限定しない。図７の実施例中、第１電気的特性値は電流最小値であり、測定点５０３の電流Ｉ3のである。このほか、該第１電気的特性値は、該監視制御期間内の時間区間に測定される該燃料電位電気的特性値の移動平均値または該監視制御期間内の１つの時間区間に得られる電朗電池電気的特性値の二乗平均（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ，ＲＭＳ）または、相関する数学的方法で計算される統計値であることができ、多種の定義を有することができる。
【００３０】
続いて、ステップ２０６を行い、該監視制御時間に達する時、該燃料電池の第２電気的特性値を取得する。該第２電気的特性値は、電圧、電流または電力およびその組み合わせのうち１つであり、図７の実施例では電力であり、測定点５０４の電流Ｉ4でもある。その後、ステップ２０７を実行し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より小さいか否かを判断する。該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より小さい場合、燃料が既に尽きている或いは、尽きそうであることを意味し、ステップ２０１に戻り、新たに燃料を注入する。反対に、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも大きい場合、燃料が消費し終えていないことを意味する。図７で説明するように、測定点５０３の電流Ｉ3は、測定点５０４の電流Ｉ4より小さいので、また、残り多くの燃料が消費し終わっていないことを意味する。
【００３１】
燃料が不足する状況の下、ステップ２０８を継続して行い、１つの時間点５０６前に第３電気的特性値を測定する。図７中、該第３電気的特性値が測定点５０５の電流Ｉ5である。その後、ステップ２０９を行い、該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を取得する。該第４電気的特性値が図７中では、測定点５０６の電流Ｉ6である。続いて、ステップ２１０を行い、該燃料電池の電気的特性値の変化量が閾値を超えているか否か判断し、閾値設定の法則は前記の通りであり、本ステップの閾値は２０％であり、このステップ中、図７で、この時間点の電流変化が閾値を超えていないかどうかを判断する。図７は、閾値を超えていない状況である。この時、ステップ１１に戻り、第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さいか否かを判断する。図７中、電流Ｉ6は電流Ｉ5より小さく、ステップ２１１の条件を満足するので、ステップ２０１に戻り、特定量の燃料を該燃料電池内に注入し、その後、後続のステップを続行する。反対に、第４電気的特性値が、第３電気的特性値より大きい場合、燃料が残っていることを意味するので、ステップ２０８に戻り、第３電気的特性値および第４電気的特性値の取得を持続し、燃料が尽きているか否かを監視制御する。測定点５０５と測定点５０６の時間間隔は要求に合わせて決めることができ、本実施例では、１秒であるが、これに限定しない。
【００３２】
図６および図７に示すように、時間点Ｔ6で燃料を注入した後、監視制御時間Ｔmon3を決定する。該監視制御時間Ｔmon3内で、同様にステップ２０３を続行し、燃料電池の電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断する。図７中の監視制御時間Ｔmon3内の測定点５０７および測定点５０８の間で発生する電気的特性値の変化量が閾値を超える状況なので、ステップ２０４を行い、電気的特性値が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する。監視制御時間Ｔmon3の電流Ｉ8がＩ7より小さく、負荷が小さくなっていることを意味するので、ステップ２０２を行い、負荷の変化に基づき、新たな監視制御時間Ｔmon4を決定し、その後、後続のステップを行う。このような反復運行で、燃料の供給を随時調整し、燃料電池の動作を維持する。
【００３３】
図９は、本発明の燃料電池の燃料供給方法の第３実施例のフロー説明図である。本実施例中、ステップ２０〜ステップ２８からなり、その大部分のステップは、前記第２実施例と同一であり、異なる箇所は、本実施例のステップ２４および２６が変化率の正負を利用し、燃料の補充が必要かどうかを判断する。ステップ２４中、該監視制御時間に達する時、該燃料電池の電気的特性値の第１変化率を取得計算し、その後、ステップ２５を行い、第１変化率が正であるか否かを判断する。該第１変化率が負の値である時、ステップ２０に戻り、燃料を該燃料電池内に注入する。反対に、該第１変化率が正の値である場合、ステップ２６を行い、時間点で該燃料電池電気的特性値の第２変化率を測定、判断する。その後、ステップ２７を行い、燃料電池電気的特性値が閾値を超えているを超えているか否かを判断し、ステップ２７は、ステップ２２に類似し、変化率が閾値を超えていれば、ステップ２３に戻る。反対に、該閾値を超えていない場合、ステップ２８を行い、ステップ２６で測定された第２変化率が正であるか否かを判断し、第２変化率が負の値であれば、ステップ２０に戻り、燃料を該燃料電池内に注入し、第２変化率が正であれば、該ステップ２６に戻る。
【００３４】
図１０は、本発明の第２実施例の方法を利用し、燃料電池から得られる電力出力および負荷の変化関係曲線図であり、それは、２５Ｗを定格出力としてダイレクトメタノール燃料電池システムが電力エネルギーをノートブックコンピュータに供給した実際の測定実験結果図である。そのうち、図１０の曲線９００は、負荷を介した電流の変化を表し、負荷の変化に置換し、負荷が３Ａより高い時は、ノートブックコンピュータ開放時のエネルギー消耗状況であり、負荷が０．８Ａより低い時は、ノートブックコンピュータがオフ時のエネルギー消耗状況であり、ダイレクトメタノール燃料電池が自身のＢＯＰシステムの動作を維持する必要がある。区域９０１内の曲線は、燃料電池が出力する電力の負荷に伴う変化の曲線を表す。図から分かるように、本発明の方法により、燃料電池の電力出力は確実に、負荷の変化の大きさに従い、メタノール燃料の供給量を調整して、安定した電力出力を達成し、且つノートブックコンピュータのオンオフの変動、負荷切り換えから、本方法は、システムの最小要求を満足するだけではなく、更に、最適な最大の電力出力点を自動的に探し出すことができる。
【００３５】
なお、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均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。例えば、図６中のステップ２０１で特定量の燃料を注入し、該特定量は前記実施例では固定の燃料量であり、ステップ２０２中の監視制御時間は、負荷の状況によって異なる時間の長さを有する。しかしながら、実際に実施時、前記の方式以外に、ステップ２０１中、注入する燃料量を変化させることもでき、その後、固定の監視制御時間で実施することもできる。即ち、燃料電池供給電力の総エネルギーが燃料注入量と監視制御時間の関数であるので、燃料注入量を固定し、その後監視制御時間を変動させるか、燃料注入量を変動させ、監視制御時間を固定するかを問わず、本発明の実施方式である。
【００３６】
なお、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均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。例えば、燃料電池システム中、燃料電池がオンまたはオフ時、システムの負荷は負荷変動する状況であり、また、燃料電池システムがオンされた後の正常動作の下、充電器で充電すれば、固定負荷の状況をみなすことができる。したがって、本発明の方法を介して、上記のアクティブな負荷および固定負荷を組み合わせた状況に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第１実施例のフロー説明図である。
【図２】燃料電池の最良条件時の極化曲線説明図である。
【図３】燃料電池システムの説明図である。
【図４】燃料電池の反応過程で負荷が増加した電流変化説明図である。
【図５】燃料電位の反応過程で負荷が減少した電流変化説明図である。
【図６】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第２実施例のフロー説明図である。
【図７】燃料電池の反応過程中の時間に対する電流変化の説明図である。
【図８】燃料電池の反応過程中の時間に対する電力変化の説明図である。
【図９】本発明の燃料電池の燃料供給方法の第３実施例のフロー説明図である。
【図１０】本発明の第２実施例の方法を利用した燃料電池が得る電力出力と負荷変化の関係曲線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 燃料電池の燃料供給方法
１０〜１４ ステップ
２ 燃料電池の燃料供給方法
２０１〜２１１ ステップ
２０〜２８ ステップ
３０１，３０２ 測定点
４０１，４０２ 測定点
５０１〜５０８ 測定点
４ 燃料電池
４０ 陰極
４１ 陽極
４２ 陽子交換膜
５ 負荷
６ コンパレータ
７ 制御ユニット
８ 燃料供給ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップ：
（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入し、
（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定し、
（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定して予め設定した値を超える変化が無いかを判断し、
（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする、
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
【請求項２】
以下のステップ：
（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入し、
（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定し、
（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定して予め設定した値を超える変化が無いかを判断し、
（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をし、
（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する、
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
【請求項３】
前記燃料電池電気的特性値が、燃料電池の電流、電圧、電力又はその組み合わせのうちの１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項４】
前記負荷が変化しているか否かを判断する方法が、該監視制御時間内に該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かで判断し、該燃料電池電気的特性値が、燃料電池の電流、電圧、電力又はその組み合わせのうち１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項５】
前記ステップ（d）は、更に以下のステップ：
（d1）該負荷が増加する場合、ステップ（a）に戻り、
（d2）該負荷が減少する場合、ステップ（b）に戻る、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項６】
前記負荷が増加または減少する方式が該燃料電池電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項７】
前記電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する方式が、該燃料電池電気的特性値曲線の変化率が正の値であるか負の値であるかで判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項８】
前記電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する方式が、該燃料電池電気的特性値の前後時間点の差異が正の値であるか負の値であるかで判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項９】
前記ステップ（e）が更に、以下のステップ：
（e1）該監視制御時間区間内に該燃料電池の第１電気的特性値を取得し、
（e2）該監視制御時間に達したら該燃料電池の第２電気的特性値を取得し、
（e3）該第２電気的特性値と該第１電気的特性値を比較し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも小さい場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する、
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１０】
前記第１電気的特性値が該監視制御時間内に測定される電圧最小値、電流最小値、および電力最小値又はその組み合わせのうち１つであるか、該第１電気的特性値が該監視制御期間内の１つの時間区間に測定される該燃料電池電気的特性値の移動平均値または二乗平均値（Ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ，ＲＭＳ）である請求項９記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１１】
前記ステップが更に、以下のステップ：
（e4）該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より大きい場合、監視制御時間区間後の時間点前に第３電気的特性値を測定し、
（e5）該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を測定し、
（e6）該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）へ戻り、
（e7）該閾値を超えていない場合、該第３電気的特性値を該第４電気的特性値と比較し、該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さい場合、ステップ（a）に戻って燃料を該燃料電池内に注入し、（e8）該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より大きい場合、ステップ（e4）に戻る、
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１２】
前記第３電気的特性値が該時間点前の１つの時間区間に得られる該燃料電池電気的特性値の移動平均値または二乗平均値であるか、または該時間点前の１つの時間区間に得られる該燃料電池電気的特性値の最小値である請求項１１記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１３】
前記ステップが更に、以下のステップ：
（e1）該監視制御時間点に達する時、該燃料電池の電気的特性値を計算した第１変化率を取得し、
（e2）該第１変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入し、
（e3）該第１変化率が正の値である場合、時間点で測定し、該燃料電池電気的特性値の第２変化率を判断し、
（e4）該燃料電池電気的特性値の変化が該閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）に戻り、
（e5）該閾値を超えていない場合、該第２変化率を判断し、第２変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入し、
（e6）第２変化率が正である場合、該ステップ（e3）に戻る、
ことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１４】
前記燃料が水素燃料であり、該水素燃料が水素気体、メタノール、エタノールまたはボロハイドライド化合物である請求項１０記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１】
以下のステップ：
（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入し、
（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定し、
（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定して予め設定した値を超える変化が無いかを判断し、
（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をする、
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
【請求項２】
以下のステップ：
（a）特定量の燃料を燃料電池内に注入し、
（b）負荷に対して燃料電池の電気的特性値を測定し、該燃電池の電気的特性値に基づき、監視制御時間を決定し、
（c）該監視制御時間内に、随時負荷を測定して予め設定した値を超える変化が無いかを判断し、
（d）変化があった場合、負荷変化状況に基づき、ステップ（ａ）および（b）のうち１つの戻る選択をし、
（e）変化がない場合、該監視制御時間内に該特定量の燃料が足りているか否かを判断する、
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
【請求項３】
前記燃料電池電気的特性値が、燃料電池の電流、電圧、電力又はその組み合わせのうちの１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項４】
前記負荷が変化しているか否かを判断する方法が、該監視制御時間内に該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かで判断し、該燃料電池電気的特性値が、燃料電池の電流、電圧、電力又はその組み合わせのうち１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項５】
前記ステップ（d）は、更に以下のステップ：
（d1）該負荷が増加する場合、ステップ（a）に戻り、
（d2）該負荷が減少する場合、ステップ（b）に戻る、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項６】
前記負荷が増加または減少する方式が該燃料電池電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項７】
前記電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する方式が、該燃料電池電気的特性値曲線の変化率が正の値であるか負の値であるかで判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項８】
前記電気的特性値の変化が低い値から高い値に変わっているか否かを判断する方式が、該燃料電池電気的特性値の前後時間点の差異が正の値であるか負の値であるかで判断することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項９】
前記ステップ（e）が更に、以下のステップ：
（e1）該監視制御時間区間内に該燃料電池の第１電気的特性値を取得し、
（e2）該監視制御時間に達したら該燃料電池の第２電気的特性値を取得し、
（e3）該第２電気的特性値と該第１電気的特性値を比較し、該第２電気的特性値が該第１電気的特性値よりも小さい場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入する、
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１０】
前記第１電気的特性値が該監視制御時間内に測定される電圧最小値、電流最小値、および電力最小値又はその組み合わせのうち１つであるか、該第１電気的特性値が該監視制御期間内の１つの時間区間に測定される該燃料電池電気的特性値の移動平均値または二乗平均値（Ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ，ＲＭＳ）である請求項９記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１１】
前記ステップが更に、以下のステップ：
（e4）該第２電気的特性値が該第１電気的特性値より大きい場合、監視制御時間区間後の時間点前に第３電気的特性値を測定し、
（e5）該時間点で該燃料電池の第４電気的特性値を測定し、
（e6）該燃料電池電気的特性値変化量が閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）へ戻り、
（e7）該閾値を超えていない場合、該第３電気的特性値を該第４電気的特性値と比較し、該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より小さい場合、ステップ（a）に戻って燃料を該燃料電池内に注入し、（e8）該第４電気的特性値が該第３電気的特性値より大きい場合、ステップ（e4）に戻る、
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１２】
前記第３電気的特性値が該時間点前の１つの時間区間に得られる該燃料電池電気的特性値の移動平均値または二乗平均値であるか、または該時間点前の１つの時間区間に得られる該燃料電池電気的特性値の最小値である請求項１１記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１３】
前記ステップが更に、以下のステップ：
（e1）該監視制御時間点に達する時、該燃料電池の電気的特性値を計算した第１変化率を取得し、
（e2）該第１変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入し、
（e3）該第１変化率が正の値である場合、時間点で測定し、該燃料電池電気的特性値の第２変化率を判断し、
（e4）該燃料電池電気的特性値の変化が該閾値を超えているか否かを判断し、該閾値を超えている場合、ステップ（d）に戻り、
（e5）該閾値を超えていない場合、該第２変化率を判断し、第２変化率が負の値である場合、ステップ（a）に戻り、該燃料電池内に燃料を注入し、
（e6）第２変化率が正である場合、該ステップ（e3）に戻る、
ことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の電力供給方法。
【請求項１４】
前記燃料が水素燃料であり、該水素燃料が水素気体、メタノール、エタノールまたはボロハイドライド化合物である請求項１０記載の燃料電池の電力供給方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−３２６３４（Ｐ２００９−３２６３４Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３５４８（Ｐ２００７−２３３５４８）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（５９９１７１８６６）行政院原子能委員會核能研究所 (37)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（５９９１７１８６６）行政院原子能委員會核能研究所 (37)
【Ｆターム（参考）】
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