Система топливного элемента и электронное устройство



Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство
Система топливного элемента и электронное устройство

 


Владельцы патента RU 2477909:

СОНИ КОРПОРЕЙШН (JP)

Изобретение относится к топливным элементам. Система топливного элемента содержит энергогенерирующую секцию для генератора электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива к энергогенерирующей секции, выполненную с возможностью регулировать количество подаваемого жидкого топлива; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; секцию определения температуры энергогенерирующей секции и секцию управления, выполненную так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет регулирования количества подаваемого жидкого топлива из секции подачи топлива на основе температуры энергогенерирующей секции, определяемой секцией определения температуры. Техническим результатом является повышение стабильности работы независимо от внешней среды. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 36 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, в которой электроэнергия производится в результате реакции между метанолом или подобным ему и окислительным газом (кислород), и к электронному устройству, включающему такую систему топливного элемента.

Уровень техники

Ранее, поскольку топливные элементы имеют высокую эффективность производства энергии и не выделяют вредных веществ, топливные элементы фактически использовались в качестве промышленного оборудования для производства электроэнергии и бытового оборудования для производства электроэнергии, или в качестве источника энергии для искусственных спутников Земли, космических кораблей и т.п. Затем, в последние годы, топливные элементы все больше развивались как источник энергии для транспортного средства, такого как пассажирский автомобиль, автобус и грузовой автомобиль. Такие топливные элементы подразделяются на топливный элемент с водно-щелочным раствором, фосфорно-кислотный топливный элемент, топливный элемент с расплавленным карбонатом, твердооксидный топливный элемент, прямой метанольный топливный элемент и т.п. В особенности, DMFC (прямой метанольный топливный элемент) с твердым полиэлектролитом способен обеспечить высокую плотность энергии при использовании метанола как источника водородного топлива. Кроме того, DMFC не нуждается в риформере, и поэтому его габаритные размеры могут быть уменьшены. Таким образом, DMFC как малый мобильный топливный элемент исследовался все в большей мере.

В DMFC МЕА (Мембранно-электродная сборка), как единый узел, в котором пленка твердого полиэлектролита вставлена между двумя электродами, используется как продукт объединения и интеграции. Один газодиффузионный электрод используется как топливный электрод (анод), и метанол как топливо доставляется к поверхности такого газодиффузионного электрода. В результате метанол разлагается, образуются ионы водорода (протоны) и электроны, и ионы водорода проходят через пленку твердого полиэлектролита. Кроме того, другой газодиффузионный электрод используется как кислородный электрод (катод), и воздух как окислительный газ доставляется к поверхности другого газодиффузионного электрода. В результате кислород воздуха связывается с вышеупомянутыми ионами водорода и вышеупомянутыми электронами, с образованием воды. Такая электрохимическая реакция приводит к генерации электродвижущей силы в DMFC.

Между тем, в топливном элементе, используемом для мобильных целей, желательно, чтобы топливный элемент устойчиво выполнял операцию по производству электроэнергии в любой окружающей среде, такой как в закрытом помещении, на открытом воздухе в зимний период, в автомобиле при высоких температурах в середине лета и внутри оболочки, где отвод теплоты затруднен. Кроме того, также желательно, чтобы топливный элемент был в состоянии следовать за внезапными изменениями в окружающей среде, такими как внезапное перемещение топливного элемента из теплой комнаты в заморозки на открытом воздухе. Таким образом, поскольку соответствующее количество подаваемого топлива для топливного элемента отличается в зависимости от температуры и влажности внешней среды, желателен тщательный контроль подачи топлива согласно изменениям окружающей среды (контроль подачи топлива, в котором количество подаваемого топлива не является избыточным или недостаточным).

Вот в случае, когда количество подаваемого топлива становится чрезмерным, избыток топлива проникает к кислородному электроду за счет явления, названного кроссовером. Явление кроссовера - это явление, в котором избыток топлива быстро окисляется прямо на кислородном электроде и тем самым не только понижает эффективность использования топлива и является причиной отходов, но также и несет риск получения ожога пользователем в результате повышения температуры. Кроме того, напротив, в случае, когда подача топлива становится недостаточной, нельзя получить достаточной мощности, и имеется возможность прекращения подачи питания к оборудованию, связанному с топливным элементом.

Таким образом, в прошлом предложен способ управления количеством подаваемого топлива с целью подавления избытка и недостатка подаваемого топлива (например, патентный документ 1).

Между тем, в системах топливных элементов, включающих в себя топливный элемент, такой как вышеупомянутый, имеется система топливного элемента, в которой напряжением производимой электроэнергии и током производимой электроэнергии (генерируемая мощность) в топливном элементе заряжают аккумуляторную батарею и питают нагрузку. Таким образом, в такой системе топливного элемента желательно, чтобы генерируемая мощность от топливного элемента заряжала аккумуляторную батарею настолько эффективно, насколько возможно.

Таким образом, например, в патентном документе 2 предлагается система топливного элемента, в которой управление выполняется так, чтобы величина напряжения производимой электроэнергии в топливном элементе поддерживалась постоянной за счет использования преобразователя постоянного тока (DC/DC).

Перечень ссылок

Патентные документы:

Патентный документ 1: публикация заявки на патент Японии №2007-227336.

Патентный документ 2: публикация заявки на патент Японии №2006-501798.

Раскрытие изобретения

При управлении подачей топлива в вышеупомянутом патентном документе 1 устанавливаются два пороговых значения (верхнее предельное значение и нижнее предельное значение) для напряжения и тока. Подача топлива прекращается, когда превышается верхнее предельное значение, в то время как подача топлива возобновляется, когда величина падает ниже нижнего предельного значения. Согласно этому способу управления подача топлива может регулироваться путем изменением напряжения во время генерации электроэнергии при токе постоянной величины и путем изменения тока во время генерации электроэнергии при постоянном напряжении.

Однако в способе управления, например, имеется проблема в том, что в случае, когда происходит явление кроссовера, ситуация усугубляется. Особенно, например, во время, когда напряжение уменьшается и падает ниже нижнего предельного значения, когда топлива недостаточно во время управления при постоянном токе, то поскольку напряжение также уменьшается, когда имеет место и явление кроссовера, напряжение падает ниже нижнего предельного значения. Здесь, в первом случае (когда топлива недостаточно), необходимо подать топливо, в то время как в последнем случае (когда происходит явление кроссовера), необходимо остановить подачу топлива. Однако, поскольку внимание обращено только на напряжение при управлении подачей топлива, имеется проблема в том, что разница между первым и последним не может быть дифференцирована.

В таком DMFC в качестве способа подачи метанола к топливному электроду предлагаются жидкостный топливный элемент (жидкое топливо (водный раствор метанола) подается прямо к топливному электроду) и паровой топливный элемент (испаренное жидкое топливо подается к топливному электроду). Из вышеупомянутого, в паровом топливном элементе подачу топлива регулируют согласно концентрации топлива, поскольку в жидкостном топливном элементе такое управление не может быть выполнено, управление подачей топлива выполняется согласно циклу подачи топлива (такому как выбор времени работы насоса подачи топлива или выбор времени открытия/закрытия заслонки). Таким образом, в паровом типе DMFC, в частности, желательно, чтобы стабильная работа по генерации электроэнергии была реализована независимо от внешней среды, запрещая излишек и недостаток при подаче топлива.

Между тем, так как детализированный способ управления за счет использования преобразователя DC/DC не описывается в вышеупомянутом патентном документе 2, желательно чтобы был реализован более эффективный способ управления.

Далее, в вышеупомянутом DMFC в качестве способа подачи метанола к топливному электроду предложены жидкостный топливный элемент (жидкое топливо (водный раствор метанола) прямо подводится к топливному электроду) и паровой топливный элемент (испаренное жидкое топливо подается к топливному электроду). В вышеуказанном паровом топливном элементе подачу топлива регулируют согласно концентрации топлива, поскольку в жидкостном топливном элементе такое управление не может быть выполнено, производится прерывистое управление подачей топлива согласно циклу подачи топлива. В связи с этим в частности, в паровом DMFC трудно управлять напряжением производимой электроэнергии и током производимой электроэнергии из-за прерывистого управления подачи топлива, и желательно, чтобы была реализована стабильная работа по производству электроэнергии.

Данное изобретение сделано в свете вышеупомянутых проблем. Первый объект изобретения относится к системе топливного элемента, которая в состоянии обеспечить производство электроэнергии более устойчиво, чем в прошлом независимо от внешней среды, и к электронному устройству, включающему в себя такую систему топливного элемента.

Второй объект изобретения относится к системе топливного элемента, которая в состоянии обеспечить производство электроэнергии в паровом топливном элементе более устойчиво, чем в прошлом, и к электронному устройству, включающему в себя такую систему топливного элемента.

Первая система топливного элемента по данному изобретению включает в себя: энергогенерирующую секцию для производства электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, в которой можно регулировать количество подаваемого жидкого топлива; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; секцию определения температуры для определения температуры энергогенерирующей секции; секцию управления для осуществления управления таким образом, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной за счет управления количества подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива на основе температуры энергогенерирующей секции, определяемой секцией определения температуры.

Первое электронное устройство по данному изобретению включает в себя вышеупомянутую первую систему топливного элемента.

В первой системе топливного элемента и первом электронном устройстве данного изобретения жидкое топливо, подаваемое от секции подачи топлива, испаряется в секции испарения топлива, вследствие чего газообразное топливо подается к энергогенерирующей секции. Далее, в энергогенерирующей секции производится электроэнергия путем подачи газообразного топлива и окислительного газа. Кроме того, секцией определения температуры определяется температура энергогенерирующей секции в зависимости от производимой электроэнергии. Кроме того, количество подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива регулируется на основании определяемой температуры энергогенерирующей секции, и поэтому управление выполняется так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной. При этом между количеством подаваемого топлива и температурой энергогенерирующей секции имеется монотонно возрастающая зависимость друг от друга. Таким образом, по сравнению с прошлым управлением подачей топлива на основе напряжения производимой электроэнергии, тока производимой электроэнергии или генерируемой мощности, например, облегчается управление подачей топлива, которое предотвращает явление кроссовера и соответствует изменениям во внешней среде. Кроме того, поскольку выполняется управление с обратной связью, в котором температура энергогенерирующей секции является постоянной, по сравнению с простым управлением, путем включения и прекращения подачи топлива, температура энергогенерирующей секции стабилизируется.

Вторая система топливного элемента по данному изобретению включает в себя: энергогенерирующую секцию для производства электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, в которой количество подаваемого жидкого топлива можно регулировать; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; систему повышения напряжения для подъема уровня напряжения энергогенерирующей секции; систему управления для управления напряжением на нагрузке и током нагрузки, подаваемых от системы повышения напряжения к нагрузке путем управления работой системы с помощью заданной контрольной таблицы.

Второе электронное устройство по данному изобретению включает в себя вышеупомянутую вторую систему топливного элемента.

Во второй системе топливного элемента и втором электронном устройстве по данному изобретению жидкое топливо, подаваемое от секции подачи топлива, испаряется в секции испарения топлива, а газообразное топливо подается к энергогенерирующей секции. Затем в энергогенерирующей секции производится электроэнергия за счет подачи газообразного топлива и окислительного газа. Кроме того, уровень напряжения производимой электроэнергии, подаваемого от энергогенерирующей секции, увеличивается системой повышения напряжения и подается к нагрузке как напряжение нагрузки. В то же время напряжение нагрузки и ток нагрузки, подаваемые от системы повышения напряжения к нагрузке, регулируются путем управления работой системы с помощью заданной контрольной таблицы.

Согласно системе топливного элемента или первому электронному устройству по данному изобретению количество подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива регулируется на основе определяемой температуры энергогенерирующей секции, и поэтому обеспечивается управление, в котором температура энергогенерирующей секции становится константой. Таким образом, по сравнению с прошлым, например, управление подачей топлива предотвращает явление кроссовера и облегчает согласование с изменениями во внешней среде, кроме того, температура энергогенерирующей секции стабилизируется. В результате производство электроэнергии является более стабильным, чем в прошлом, независимо от внешней среды.

Согласно второй системе топливного элемента или второму электронному устройству по данному изобретению уровень напряжения электроэнергии, производимой энергогенерирующей секцией, повышается системой повышения напряжения, а работа системы повышения напряжения регулируется, и поэтому управление выполняется на напряжении нагрузки и токе нагрузки, подаваемых от системы повышения напряжения. Таким образом, даже в случае, когда в паровом топливном элементе производится прерывистая подача топлива, реализуется эффективное управление напряжением нагрузки и током нагрузки. В результате производство электроэнергии в паровом топливном элементе может быть более стабильным, чем в прошлом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой блок-схему, поясняющую структуру системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 показывает поперечное сечение, поясняющее структурный пример энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.3 является видом сверху, поясняющим структурный пример энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.4 представляет собой диаграмму для пояснения сущности парового способа подачи топлива.

Фиг.5 представляет собой блок-схему для пояснения подробной структуры секции управления, показанной на фиг.1.

Фиг.6 показывает поперечное сечение, поясняющее способ производства энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.7 является видом сверху, поясняющим способ производства энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.8 показывает графики, поясняющие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 1.

Фиг.9 показывает график, поясняющий характеристики производства электроэнергии путем управления подачи топлива согласно сравнительному примеру 2.

Фиг.10 показывает график, поясняющий сводку характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.11 показывает график, поясняющий характеристики производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 3.

Фиг.12 показывает график, поясняющий подробности характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.13 показывает график, иллюстрирующий пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.14 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.15 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.16 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.17 представляет собой блок-схему, поясняющую подробную структуру секции управления согласно второму варианту осуществления.

Фиг.18 показывает графики, поясняющие генерацию высокой температуры, которая может произойти при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.19 представляет собой блок-схему для пояснения подробной структуры системы управления согласно сравнительному примеру 4.

Фиг.20 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 4.

Фиг.21 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.22 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.23 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.24 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую всю структуру системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.25 является принципиальной схемой, поясняющей систему добавочного напряжения, показанную на фиг.24.

Фиг.26 представляет собой временную диаграмму для упрощенного пояснения способа подачи парового топлива.

Фиг.27 является принципиальной схемой, поясняющей структуру системы добавочного напряжения и схемы распределения напряжения, показанной на фиг.24.

Фиг.28 представляет собой временную диаграмму, поясняющую операцию генерации сигнала с PWM.

Фиг.29 является принципиальной схемой, поясняющей работу системы добавочного напряжения, показанной на фиг.27.

Фиг.30 представляет собой временную диаграмму, поясняющую функционирование при постоянном напряжении согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.31 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример функционирования при постоянном напряжении согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.32 представляет собой временную диаграмму, поясняющую функционирование при постоянном токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.33 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример функционирования при постоянном токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.34 показывает диаграмму, поясняющую пример использования таблицы управления при функционировании при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.35 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример соотношения между генерируемой мощностью и функционированием при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.36 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример соотношения между эффективностью конверсии топлива и функционированием при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Описание вариантов осуществления

Варианты осуществления данного изобретения будут в дальнейшем описаны подробно со ссылками на чертежи.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 поясняет структуру системы топливного элемента (система 5 топливного элемента) согласно первому варианту осуществления данного изобретения. Система 5 топливного элемента снабжает электроэнергий нагрузку 6 через выходные терминалы Т2 и Т3. Система 5 топливного элемента состоит из топливного элемента 1, секции 30 определения температуры, секции 31 определения тока, секции 32 определения напряжения, секции 33 повышения напряжения, аккумуляторной батареи 34 и секции 35 управления.

Топливный элемент 1 включает в себя энергогенерирующую секцию 10, топливный резервуар 40 и топливный насос 42. Подробная структура и описание топливного элемента 1 будут даны ниже.

Энергогенерирующая секция 10 является секцией прямого производства электроэнергии из метанола за счет реакции между метанолом и окислительным газом (например, кислородом). Энергогенерирующая секция 10 включает в себя множество единичных элементов, включающих катод (кислородный электрод), и анод (топливный электрод). Подробная структура энергогенерирующей секции и ее описание будут даны ниже.

Топливный резервуар 40 хранит жидкое топливо, необходимое для производства электроэнергии (например, метанол или водный раствор метанола). Подробная структура и описание топливного резервуара 40 будут даны ниже.

Топливный насос 42 является насосом для перекачивания жидкого топлива, содержавшегося в топливном резервуаре 40, и подачи (транспортировки) жидкого топлива к энергогенерирующей секции 10. Топливный насос 42 способен регулировать количество подаваемого топлива. Указанная операция (операция по подаче жидкого топлива) подачи топлива насосом 42 управляется упомянутой секцией 35 управления. Подробная структура и описание топливного насоса 42 будут даны ниже.

Секция 30 определения температуры определяет температуру (особенно окружающую температуру или вблизи энергогенерирующей секции 10) Т1 энергогенерирующей секции и является, например, термистором.

Секция 31 определения тока размещается между катодом энергогенерирующей секции 10 и точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и предназначена для определения тока I1, генерируемого энергогенерирующей секцией 10. Секция 31 определения тока включает в себя, например, резистор. Секция 31 определения тока может быть размещена на соединительной линии L1L (между анодом энергогенерирующей секции 10 и точкой контакта Р2).

Секция 32 определения напряжения размещается между точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и точкой Р2 контакта на соединительной линии L1L. Секция 32 определения напряжения предназначена для определения напряжения V1, генерируемого энергогенерирующей секцией 10. Секция 32 определения напряжения включает в себя, например, резистор.

Секция 33 повышения напряжения размещается между точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и точкой Р3 контакта на линии LO выхода. Секция 33 повышения напряжения является преобразователем напряжения, который повышает уровень напряжения V1 (напряжение постоянного тока), генерируемого энергогенерирующей секцией 10, и генерирует постоянное напряжение V2. Секция 33 повышения напряжения представляет собой, например, преобразователь DC/DC.

Аккумуляторная батарея 34 размещается между точкой Р3 контакта на линии LO выхода и точкой Р4 контакта на линии LG заземления. Аккумуляторная батарея 34 предназначена для хранения постоянного напряжения V2, генерируемого секцией 33 повышения напряжения. Аккумуляторная батарея 34 является литий-ионной аккумуляторной батареей и т.п.

Секция 35 управления предназначена для согласования количества подаваемого жидкого топлива от топливного насоса 42 на основе температуры (определяемая температура) Т1 энергогенерирующей секции, определяемой секцией 30 определения температуры, генерируемого тока (определяемый ток) I1, определяемого секцией 31 определения тока, и напряжения производимой электроэнергии (определяемое напряжение) V1, определяемого секцией 32 определения напряжения. Конкретно, в этом варианте осуществления секция 35 управления предназначена для управления температурой энергогенерирующей секции 10 таким образом, чтобы ее температура была постоянной (почти постоянной в пределах данного диапазона), путем подачи от топливного насоса 42 количества жидкого топлива, регулируемого на основе определяемой температуры Т1, определенной секцией 30 определения температуры. Секция 35 управления представляет собой, например, микрокомпьютер. Более подробное описание структуры и функционирования секции 35 управления будет дано ниже.

Далее в описании будет дана подробная структура топливного элемента 1 в соответствии с фиг.2 - фиг.4. Фиг.2 и фиг.3 поясняют пример структуры единичных элементов 10А-10F энергогенерирующей секции 10 топливного элемента 1. Фиг.2 соответствует поперечному сечению по линии II-II фиг.3. Единичные элементы 10А-10F размещаются, например, в матрице три по два в направлении в плоскости и имеют планарную слоистую структуру, в которой каждый из них электрически соединен друг с другом последовательно посредством множества соединительных элементов 20. Вывод 20А как расширенная часть соединительных элементов 20 присоединен к единичным элементам 10С и 10F. Ниже описываются единичные элементы 10А-10F, топливный резервуар 40, топливный насос 42, сопло 43 и испаритель 44 топлива.

Каждый из единичных элементов 10А-10F имеет топливный электрод (анод, анодный электрод) 12 и кислородный электрод 13 (катод, катодный электрод), которые расположены друг против друга через пленку 11 электролита.

Пленка 11 электролита выполнена, например, из протон-проводящего материала, имеющего сульфонатную группу (-SO3Н). Примеры протон-проводящих материалов включают в себя: протон-проводящий материал полиперфторалкил сульфоновой кислоты (например, «Nafion» (зарегистрированный товарный знак), производимый фирмой Дю Пон), углеводородный протон-проводящий материал, такой как полиамид сульфоновой кислоты, и протон-проводящие фуллерены.

Топливный электрод 12 и кислородный электрод 13 имеют, например, в структуре слой катализатора, содержащий катализатор, такой как платина (Pt) и рутений (Ru), нанесенный на токосниматель, сделанный из, например, углеродной бумаги. Слой катализатора представляет собой, например, слой, в котором подложка, такая как сажа, несущая катализатор, диспергирована в протон-проводящем материале полиперфторалкиле сульфоновой кислоты или ему подобном. Насос подачи воздуха (не показан) может быть связан с кислородным электродом 13. Иначе, кислородный электрод 13 может быть связан с внешней стороной через апертуру (не показано) в соединительном элементе 20, и воздух, то есть кислород, может подаваться посредством естественной вентиляции.

Соединительный элемент 20 имеет изгиб 23 между двумя плоскими сечениями 21 и 22. Плоское сечение 21 контактирует с топливным электродом 12 единичного элемента (например, 10А), а плоское сечение 22 контактирует с кислородным электродом 13 смежного единичного элемента (например, 10В), и, таким образом, два единичных элемента (например, 10А и 10В) электрически соединены последовательно. Далее, соединительный элемент 20 выполняет функцию токового коллектора, чтобы собрать электричество, генерируемое в соответствующих единичных элементах 10А-10F. Такой соединительный элемент 20 имеет, например, толщину 150 мкм, выполнен из меди (Сu), никеля (Ni), титана (Ti) или нержавеющей стали (SUS) и может быть покрыт золотом (Аu), платиной (Pt) и т.п. Кроме того, соединительный элемент 20 имеет отверстие (не показано) для того, чтобы обеспечить подачу топлива и воздуха к топливному электроду 12 и кислородному электроду 13 соответственно. Соединительный элемент 20 сделан из сетки, такой как просечно-вытяжной металл, перфорированный металл и т.п. Сечение изгиба 23 может быть ранее согнуто по толщине единичных элементов 10А-10F. Иначе, в случае, когда соединительный элемент 20 делается из материала, имеющего гибкость, такого как сетка толщиной 200 мкм или меньше, сечение изгиба 23 может быть сформировано на этапе изготовления. Такой соединительный элемент 20 соединяют с единичными элементами 10А-10F, например, путем оборачивания изолирующего материала (не показано), такого как PPS (полифенил сульфид) и силиконовый каучук, вокруг пленки 11 электролита в соединительном элементе 20.

Топливный резервуар 40 содержит, например, контейнер с кубическим объемом, изменяемым без появления воздушных пузырей или т.п., даже если объем жидкого топлива 41 увеличивается или уменьшается (например, полиэтиленовый пакет), а прямоугольный твердый корпус (структура) покрывает контейнер. Топливный резервуар 40 снабжается топливным насосом 42 для всасывания жидкого топлива 41 в топливный резервуар 40 и извлечения жидкого топлива 41 из сопла 43 приблизительно выше центра топливного резервуара 40.

Топливный насос 42 включает в себя, например, пьезоэлектрический корпус (не показан), пластмассовую секцию пьезоэлектрического корпуса (не показано) для того, чтобы поддерживать пьезоэлектрический корпус, и канал (не показано) в виде трубы для соединения топливного резервуара 40 с соплом 43. Например, как показано на фиг.4, топливный насос 42 способен регулировать количество топлива согласно изменению в количестве подачи топлива за одну операцию или изменению в цикле Δt подачи топлива. Топливный насос 42 соответствует конкретному примеру «секция подачи топлива» данного изобретения.

Секция испарения топлива предназначена для испарения жидкого топлива, подаваемого от топливного насоса 42, и подачи испаренного топлива к энергогенерирующей секции 10 (соответствующим единичным элементам 10А-10F), Секция 44 испарения топлива содержит диффузионную секцию (не показано) для содействия диффузии топлива на пластине (не показано), сделанной, например, из металла или сплава, содержащего нержавеющую сталь, алюминий и т.п., или пластмассы с высокой жесткостью, такой как сополимер циклоолефин (СОС). Диффузионная секция использует неорганический пористый материал, такой как глинозем, кремнезем и оксид титана или пористый материал из смолы.

Сопло 43 является эжекционным отверстием для транспорта топлива через канал (не показано) топливного насоса 42, и эжектирует топливо по направлению к диффузионной секции, предусмотренной на поверхности секции 44 испарения топлива. Тем самым, топливо, перенесенное к секции 44 испарения топлива, диффундирует, испаряется и подается к энергогенерирующей секции 10 (соответствующим единичным элемента 10А-10F). У сопла 43 есть канал диаметром, например, от 0,1 мм до 0,5 мм.

Подробная структура секции 35 управления будет описана со ссылкой на фиг.5. Фиг.5 поясняет подробную блок-схему структуры секции 35 управления.

Секция 35 управления состоит из секции 350 вычитания (секция вычисления разности), секции 351 PID (пропорционально-интегрально-дифференциального) управления и секции 352 корректировки генерации тепла.

Секция 350 вычитания предназначена для определения разности (=Tsv(s)-Tpv(s)) между заданной температурой (регулируемая температура) Tsv(s), предварительно установленной в системе управления, и температурой (определяемая температура) Т1 (Tpv (s)) энергогенерирующей секции 10, определяемой секцией 30 определения температуры, и величину разности выводят к секции 351 PID управления.

Секция 351 PID управления предназначена для вычисления количества подаваемого жидкого топлива (требуемое количество H(s) генерируемого тепла) пропорционально временному интегралу и временной производной разности величин между заданной температурой Tsv (s) и определяемой температурой Tpv (s), определяемой в секции 350 вычитания, и выдает заданное количество H(s) генерируемого тепла в секцию 352 корректировки генерации тепла.

Секция 351 PID управления вычисляет требуемое количество H(s) генерируемого тепла с помощью следующих уравнений (1) и (2).

В уравнениях H(s) обозначает требуемое количество генерируемого тепла; KP, TI и ТD обозначают константы PID; Tsv(s) обозначает заданную температуру; ΔT(s) обозначает разность температур; и s обозначает время.

Секция 352 корректировки генерации тепла предназначена для вычисления эффективности преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 на основе напряжения, производимой электроэнергии (определяемое напряжение) V1, определяемое секцией 32 определения напряжения, и тока производимой электроэнергии (определяемый ток) I1, определяемого секцией 31 определения тока, и вычисления количества P(s) подаваемого топлива (корректирует количество подаваемого жидкого топлива, вычисленного в секции 351 PID управления), используя вычисленную эффективность преобразования энергии. Информация о количестве P(s) подаваемого топлива выдается в топливный насос 42 в топливном элементе 1. В результате, хотя детали будут описаны ниже, температура энергогенерирующей секции 10 становится постоянной.

Конкретно, секция 352 корректировки генерации тепла вычисляет количество подаваемого топлива P(s), используя уравнение (3) и уравнение (4). В этом варианте осуществления эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 вычисляется также с учетом тока I1 производимой электроэнергии в энергогенерирующей секции 10 в дополнение к напряжению V1 производимой электроэнергии в энергогенерирующей секции 10. Тем не менее, эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 может быть вычислена приблизительно (η≈VO/VT), полагая, что коэффициент Е использования топлива равен фактически 1. Это происходит потому, что при фактическом управлении операция по управлению влияет лишь чуть-чуть, даже если выполняется такое приблизительное вычисление.

IT соответствует теоретической величине тока, рассчитанной из количества подаваемого топлива.

Система 5 топливного элемента этого варианта осуществления может быть изготовлена, например, следующим образом.

Во-первых, пленка 11 электролита, сделанная из вышеупомянутого материала, размещается между топливным электродом 12 и кислородным электродом 13, сделанными из вышеуказанного материала. Указанные составляющие соединяют термической компрессией. Таким образом, топливный электрод 12 и кислородный электрод 13 соединяют с пленкой 11 электролита, чтобы образовать единичные элементы 10А-10F.

Затем изготавливается соединительный элемент 20, выполненный из вышеуказанного материала. Как показано на фиг.6 и фиг.7, шесть единичных элементов 10А-10F размещаются в матрице три по два, и электрически последовательно соединяются друг с другом соединительным элементом 20. Уплотняющий материал (не показан), сделанный из вышеупомянутого материала размещается вокруг пленки 11 электролита, и этот уплотняющий материал привинчивается и закрепляется на изгибе сечении 23 соединительного элемента 20.

После этого топливный резервуар 40, который содержит жидкое топливо 41 и снабжен топливным насосом 42, соплом 43 и т.п., размещается на стороне топливного электрода 12, сопряженного с единичными элементами 10А-10F, и в результате формируется топливный элемент 1. Вышеупомянутая секция 30 определения температуры, секция 31 определения тока, секция 32 определения напряжения, секция 33 повышения напряжения, аккумуляторная батарея 34 и секция 35 управления электрически соединены в параллель с топливным элементом 1, соответственно как показано на фиг.1. Соответственно, система 5 топливного элемента, показанная на фиг.1 - фиг.3, завершена.

Ниже будет дано описание подробного действия и эффекта системы 5 топливного элемента этого варианта осуществления путем сравнения системы 5 топливного элемента с аналогичными примерами.

В системе 5 топливного элемента жидкое топливо 41, находящееся в топливном резервуаре 40, накачивается топливным насосом 42, и поэтому жидкое топливо 41 проходит через канал (не показан) и достигает секции 44 испарения топлива. В секции 44 испарения топлива, в случае, когда жидкое топливо эжектируется соплом 43, топливо рассеивается в широких пределах в диффузионной секции (не показано), предусмотренной на ее поверхности. Таким образом, жидкое топливо 41 естественно испаряется, и испаренное топливо подается к энергогенерирующей секции 10 (конкретно к топливным электродам 12 соответствующих единичных элементов 10А-10F).

При этом воздух (кислород) подается к кислородному электроду 13 энергогенерирующей секции 10 посредством естественной вентиляции или насосом подачи воздуха (не показан). Тогда на кислородном электроде 13 протекает реакция в соответствии с выражением (5) и генерируются ионы водорода и электроны. Ионы водорода достигают топливного электрода 12 через пленку 11 электролита. На топливном электроде 12 протекает реакция в соответствии с выражением (6) и генерируются вода и двуокись углерода. Таким образом, в топливном элементе 1 протекает реакция в соответствии с выражением (7) и производится электроэнергия.

За счет этого часть химической энергии жидкого топлива 41, то есть метанола, преобразуется в электроэнергию, которая собирается соединительным элементом 20 и извлекается в виде тока (ток I1 производимой электроэнергии) от энергогенерирующей секции 10. Уровень напряжения V1 производимой электроэнергии (напряжение постоянного тока) на основе тока I1 производимой электроэнергии увеличивается (преобразование напряжения) системой 33 повышения напряжения и становится напряжением V2 постоянного тока. Напряжение V2 постоянного тока подается в аккумуляторную батарею 34 или в нагрузку (например, в электронное устройство). В случае, когда напряжение V2 постоянного тока подается в аккумуляторную батарею 34, эта аккумуляторная батарея 34 заряжается указанным напряжением. Тем временем, в случае, когда напряжение V2 постоянного тока подается в нагрузку 6 через выходные терминалы Т2 и Т3, нагрузка 6 запитывается, и данная операция выполняется. В это время в топливном насосе 42 количество подаваемого топлива регулируется согласно изменению в количестве подаваемого топлива за одну операцию или изменению в цикле Δt подачи топлива под контролем секции 35 управления.

При этом в использовавшемся ранее управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 1 вышеупомянутый цикл Δt подачи топлива является всегда постоянным. В этом случае цикл, который включает в себя «выработка увеличивается → температура увеличивается, пленка 11 электролита становится сухой → выработка уменьшается → температура уменьшается → пленка 11 электролита становится влажной →…», непрерывно повторяется. Таким образом, например, как показано на фиг.8, выход производимой электроэнергии и температура изменяются в значительной степени независимо от подачи топлива, находящейся в постоянном интервале.

Далее, в использовавшемся ранее управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 2 два пороговых значения (верхнее предельное значение и нижнее предельное значение) устанавливаются для напряжения производимой электроэнергии во время поддержания постоянной величины тока производимой электроэнергии и для тока производимой электроэнергии во время поддержания постоянного напряжения производимой электроэнергии, и подача топлива прекращается, когда верхнее предельное значение напряжения превышается. Тем временем подача топлива возобновляется, когда величина падает ниже нижнего предельного значения. Однако, например, как показано на фиг.9, количество подаваемого топлива, напряжение производимой электроэнергии, ток производимой электроэнергии и количество производимой электроэнергии, которые являются произведением вышеупомянутого, не проявляют изменения, т.е. являются монотонными по отношению друг к другу, и выпуклая кривая тянется в направлении, в котором напряжение производимой электроэнергии и т.п. имеют максимальную величину согласно увеличению количества подаваемого топлива. Поэтому, например, в случае, когда напряжение производимой электроэнергии низко, т.е. нет возможности узнать, превышается ли максимальная величина (пороговое значение) в этой точке, невозможно точно определить, надо ли увеличить или уменьшить подачу топлива. Конкретно, например, в случае, когда происходит явление кроссовера, ситуация ухудшается. Другими словами, например, в то время когда напряжение уменьшается ниже нижнего предельного значения, когда топлива недостаточно во время управления постоянной величиной тока, поскольку напряжение также уменьшается, если также случается явление кроссовера, напряжение падает ниже нижнего предельного значения. Здесь, в первом случае (когда топлива недостаточно), необходимо подавать топливо, в то время как во втором случае (когда случается явление кроссовера) необходимо прекратить подачу топлива. Однако, поскольку внимание направлено просто на напряжение при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 2, разность между первым и последним случаями нельзя различить.

Тем временем в системе 5 топливного элемента этого варианта осуществления, как показано на фиг.1 и фиг.5, температура (определяемая температура) Т1 энергогенерирующей секции 10 определяется секцией 30 определения температуры, и количество жидкого топлива, подаваемого топливным насосом 42, регулируется секцией 35 управления на основе определяемой температуры Т1. Здесь, в отличие от вышеупомянутого напряжения производимой электроэнергии и т.п., количество подаваемого топлива и температура энергогенерирующей секции представляют собой монотонно возрастающую зависимость друг от друга, как, например, показано на фиг.10.

Таким образом, по сравнению с управлением подачей топлива на основе напряжения производимой электроэнергии, подобно тому как, например, в сравнительном примере 1, облегчается управление подачей топлива, которое предотвращает явление кроссовера и происходит в соответствии с внешней средой (например, пороговые величины, такие как показано на фиг.10, определяются более легко). А именно, все, что необходимо, это уменьшение количества топлива каждый раз, когда определяемая температура Т1 слишком высока, и, напротив, увеличение подачи топлива каждый раз, когда определяемая температура Т1 слишком низка. Поскольку ситуация, которая вызывает отказ, отсутствует согласно этому правилу, обеспечивается очень стабильное и устойчивое производство электроэнергии.

Далее, для начала, топливный элемент генерирует энергию посредством химической реакции. Реакция окисления топлива успешно протекает на топливном электроде, а реакция восстановления окислителя протекает на кислородном электроде. Таким образом, управление производимой электроэнергией является не чем иным, как управлением непосредственно химической реакцией. Здесь, согласно кинетике химической реакции, параметрами, определяющими скорость химической реакции, являются частотный коэффициент, энергия активации и температура. Полагая, что два предыдущих параметра являются почти постоянными, ясно, что стабилизация температуры важна для стабилизации химической реакции топливного элемента. Поэтому, также и с такой точки зрения, устойчивое производство электроэнергии может быть реализовано путем стабилизации температуры, которая является основным параметром управления для определения тока производимой электроэнергии.

Однако нельзя сказать, что простое управление, в котором при выполнении подачи топлива на основе определяемой температуры Т1 подача топлива прекращается, когда превышается верхняя предельная температура, в то время как подача топлива возобновляется, когда температура падает ниже нижней предельной температуры, является идеальным. В этом случае подобным образом температуру регулируют термостатом, используя биметалл, например, как в сравнительном примере 3, показанном на фиг.11(А) и фиг.11(В), возможность колебания температуры высока. Другими словами, прекращение подачи топлива после того, как превышается верхняя предельная температура, является слишком поздним, и температура Т1 энергогенерирующей секции 10 продолжает увеличиваться. Тем временем возобновление подачи топлива после падения температуры ниже нижней предельной температуры также является слишком поздним, и температура Т1 энергогенерирующей секции 10 продолжает уменьшаться.

Таким образом, в системе 5 топливного элемента в этом варианте осуществления, как показано на фиг.5, управление с обратной связью (особенно PID управление), в котором температура энергогенерирующей секции 10 становится константой, выполняется секцией 351 PID управления. PID управление является классическим способом управления с обратной связью, который в состоянии быстро приблизить контролируемую величину к заданной величине и стабилизировать контролируемую величину и является способом контроля, который способен гладко приблизить контролируемую величину к фактической заданной величине.

В результате, например, как показано на фиг.12(А) и фиг.12(В), предотвращаются перерегулирование и недорегулирование энергогенерирующей секции 10. По сравнению с простым управлением путем включения и остановки подачи топлива, описанной в предшествующем сравнительном примере 3, температура энергогенерирующей секции 10 стабилизируется. Таким образом, например, как показано на фиг.13, ясно, что операция по производству электроэнергии устойчиво выполняется в энергогенерирующей секции 10 путем управления подачи топлива в этом варианте осуществления.

Кроме того, например, в примерах, показанных на фиг.14(А) - фиг 14(D), вместо того, чтобы прямо подавать расчетное количество топлива, выполняется проверка производства электроэнергии путем добавления шума к результату вычисления (результату производимой электроэнергии, когда делают изменения с добавлением шума → без шума → с добавлением шума). Согласно фиг.14, ясно, что влияние на выход производимой электроэнергии мало, даже когда прибавляется шум, и производство электроэнергии стабильно продолжается. В системе топливного элемента, использующей топливный насос в качестве средства подачи топлива, инжекционная величина может изменяться в результате старения и неисправности топливного насоса. Однако результаты, показанные на фиг.14, указывают, что производство электроэнергии стабильно продолжается, даже когда инжекционная величина топливного насоса неожиданно изменяется.

Далее, например, пример, показанный на фиг.15(А) - фиг.15(D), является случаем, в котором количество подаваемого топлива было внезапно значительно изменено (здесь, когда внезапно уменьшено). Согласно фиг.15 ясно, что, даже если количество подаваемого топлива внезапно значительно изменяется, это изменение обычно может быть в значительной степени поглощено PID управлением.

Далее, например, примеры, показанные на фиг.16(А) - фиг.16(D) являются случаем, в котором воздушные пузыри смешиваются в жидком топливе. Согласно фиг.16 ясно, что, даже если некоторые воздушные пузыри смешиваются в топливном электроде, изменение обычно может быть поглощено PID управлением.

Как описано выше, в этом варианте осуществления управление, при котором температура Т1 энергогенерирующей секции 10 становится постоянной, выполняется за счет управления количеством подаваемого жидкого топлива от топливного насоса 42 на основе температуры Т1 энергогенерирующей секции 10, определяемой секцией 30 определения температуры. Таким образом, по сравнению с прошлым, например, управление подачей топлива, которое предотвращает явление кроссовера и согласовано с изменениями во внешней среде, облегчается и, кроме того, температура энергогенерирующей секции 10 стабилизируется. Таким образом, производство электроэнергии может быть выполнено более устойчиво, чем в прошлом, независимо от внешней среды (например, ухудшение с возрастом и отказами).

Конкретно, в секции 351 PID управления управление, в котором температура энергогенерирующей секции 10 становится константой выполняется за счет пропорционирования подачи количества жидкого топлива с временным интегралом и временной производной от разности величин между заданной температурой Tsv (s) и определяемой температурой Т1 (Tpv (s)). Тем самым можно получить вышеупомянутый эффект.

Далее, в секции 352 коррекции генерации тепла эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 вычисляется на основе напряжения V1 производимой электроэнергии, которое определяется секцией 32 определения напряжения, и тока I1 производимой электроэнергии, который определяется секцией 31 определения тока, и количество подаваемого жидкого топлива корректируется на основе расчетной эффективности η преобразования энергии. Таким образом, становится возможным управление подачей топлива с учетом эффективности η преобразования энергии и может быть выполнено более стабильное производство электроэнергии, чем в прошлом.

Далее, даже для парового типа DMFC, в котором особенно желательна стабильная генерация энергии независимо от внешней среды, может выполняться более стабильное, чем в прошлом, производство электроэнергии, с подавлением излишка и недостатка количества подаваемого топлива.

Второй вариант осуществления

Далее будет описан второй вариант осуществления данного изобретения. Система топливного элемента этого варианта осуществления представляет собой систему 5 топливного элемента из первого варианта осуществления, показанного на фиг.1, в котором нижеупомянутая секция 36 управления, описанная ниже, используется вместо секции 35 управления. Таким образом, те же самые обозначения применяются к элементам, аналогичным элементам из предшествующего первого варианта осуществления и описания.

Фиг.17 поясняет блок-схему секции 36 управления из этого варианта осуществления. Система 36 управления состоит из секции 350 вычитания (секции вычисления разности), секции 351 PID управления, секции 352 коррекции генерации тепла, секции 361 управления коэффициентом использования и секции 362 выбора минимальной величины. Другими словами, секция 361 управления коэффициентом использования и секция 362 выбора минимальной величины дополнительно предусмотрены в секции 35 управления из первого варианта осуществления, показанного на фиг.5.

Секция 361 управления коэффициентом использования вычисляет коэффициент Е использования топлива (=реальная текущая величина IO производимой электроэнергии / теоретическая величина тока IT, оцениваемая на основе количества подаваемого топлива) в энергогенерирующей секции 10 на основе тока I1 производимой электроэнергии (определяемый ток), определяемого секцией 31 определения тока, и вычисляет подаваемое количество PE(s) жидкого топлива так, чтобы сохранялся расчетный коэффициент Е использования топлива (становится постоянной). Поскольку на одну молекулу метанола извлекается электрический заряд 6е-, коэффициент Е использования топлива относят к отношению измеренного тока (здесь, определяемого тока I1) к теоретическому значению максимального тока, вычисленному на основе этого соотношения.

Конкретно, секция 361 управления коэффициентом использования вычисляет количество PE(s) подаваемого топлива с помощью следующего уравнения (8).

(Kcell представляет константу соотношения; Esv представляет заданную величину коэффициента использования; и Ipv(s) представляет текущую величину тока производимой электроэнергии).

Секция 362 выбора минимальной величины определяет конечное количество P(s) подаваемого топлива с учетом того, что количество PPID(s) подаваемого топлива (первое количество подаваемого топлива) вычислялось на основе температуры Т1 энергогенерирующей секции 10 в секции 351 PID управления и секции 352 корректировки количества генерируемого тепла, а количество PE(s) подаваемого топлива (второе количество подаваемого топлива) вычислялось на основе коэффициента Е использования топлива в секции 361 управления коэффициентом использования и конечного количества P(s) подаваемого топлива к топливному насосу 42 в топливном резервуаре 1. А именно, конечное количество P(s) подаваемого топлива определяется путем выбора одного из количества PPID(s) подаваемого топлива и количества PE(s) подаваемого топлива. Конкретнее, конечное P(s) количество подаваемого топлива определяется путем выбора более малой величины из количества PPID(s) подаваемого топлива и количества PE(s) подаваемого топлива.

Другой способ выбора может использоваться вместо способа выбора в секции 36 выбора минимальной величины. Например, конечное количество P(s) подаваемого топлива может быть определено путем выбора одного из количества PPID(s) подаваемого топлива и количества PE(s) подаваемого топлива в зависимости от режима производства электроэнергии в энергогенерирующей секции 10.

Ниже в описании будут даны подробные действия и существо системы топливного элемента этого варианта осуществления. Основная работа системы топливного элемента подобна работе системы первого варианта осуществления, и в связи с этим будет описана только операция по управлению работой подачи топлива системой 36 управления.

Во-первых, в вышеупомянутой секции 35 управления первого варианта осуществления, например, в случае, когда топливный элемент 1, который генерирует мощность, внезапно охлаждается, может произойти явление генерации более высокой температуры, как показано на фиг.18, например, по следующей причине. Т.е., поскольку заданная температура является всегда постоянной, если топливный элемент 1 непрерывно охлаждается с внешней стороны и не может достигнуть заданной температуры, секция 35 управления пытается приблизиться к заданной температуре, даже выполняя чрезмерную подачу топлива и вызывая явление кроссовера. Другими словами, хотя топливный элемент 1 находится в ситуации, когда энергия не может генерироваться, эта ситуация не распознается.

Таким образом, как, например, в секции 106 управления (сравнительный пример 4), показанной на фиг.19, можно рассмотреть обеспечение вышеупомянутой секции 361 управления коэффициентом использования в секции 106 управления и регулирование количества РE(s) подаваемого жидкого топлива так, чтобы расчетный коэффициент использования топлива стал постоянным. Согласно этому, например, даже если происходит внезапное охлаждение и ему подобное, полагают, что можно отслеживать изменения в окружающей среде.

При управлении подачей топлива сравнительного примера 4, например, как показано на фиг.20(А) - фиг.20(С), ясно, что производство электроэнергии может быть продолжено без уменьшения коэффициента использования (поддерживается на уровне примерно 50%), даже если охлаждение выполняется путем подачи воздуха вокруг энергогенерирующей секции 10 во время производства электроэнергии (когда происходит внезапное охлаждение). Однако, как показано на фиг.20(С), температура энергогенерирующей секции 10 поднимается до почти максимальной 60°С и происходит явление генерации высокой температуры.

Тем временем секция 36 управления этого варианта осуществления определяет конечное количество P(s) подаваемого топлива с учетом как количества PPID(s) подаваемого топлива, вычисленного на основе температуры Т1 энергогенерирующей секции 10 в секции 351 PID управления и секции 352 корректировки генерации тепла, и количества PE(s) подаваемого топлива, вычисленного на основе коэффициента использования топлива в секции 361 управления коэффициентом использования. Другими словами, используется как преимущество PID управления, в котором температура энергогенерирующей секции 10 становится постоянной, так и преимущество управления коэффициентом использования в энергогенерирующей секции 10, которая становится постоянной, что уравновешивает соответствующие неудобства.

В результате, например, в случае, когда происходит внезапное охлаждение и тому подобное, при PID управлении предотвращается явление генерации высокой температуры, поскольку коэффициент Е использования в энергогенерирующей секции 10 становится постоянным, и предотвращается явление генерации высокой температуры при управлении коэффициентом использования, так как обеспечивается верхняя предельная температура энергогенерирующей секции 10. Таким образом, например, как показано на фиг.21(А) - фиг.21(D), ясно, что, даже если воздух подают вокруг энергогенерирующей секции 10 и энергогенерирующую секцию 10 внезапно охлаждают, аномальная генерация теплоты в результате кроссовера не происходит и выполняется стабильное производство электроэнергии. Кроме того, как, например, показано на фиг.22(А) - фиг.22(D), ясно, что, даже если дно энергогенерирующей секции 10 охлаждается непосредственно, аномальная генерация теплоты в результате кроссовера не происходит и обеспечивается стабильное производство электроэнергии.

Как описано выше, в этом варианте осуществления конечное количество P(s) подачи топлива определяется с учетом как количества PPID(s) подаваемого топлива, рассчитанного на основе температуры Т1 энергогенерирующей секции 10 в секции 351 PID управления и секции 352 коррекции генерации теплоты, так и количества PE(s) подаваемого топлива, вычисляемого на основе коэффициента Е использования топлива в секции 361 управления коэффициентом использования. Благодаря этому явление генерации высокой температуры при PID управлении и явление высокой температуры при управлении коэффициентом использования может быть предотвращено. Таким образом, по сравнению с первым вариантом осуществления устойчивое производство электроэнергии может быть выполнено даже при добавочных изменениях внешней окружающей среды.

Конкретно, в секции 362 выбора минимальной величины конечное количество P(s) подаваемого топлива определяется путем выбора более малой величины количества PPID(s) подаваемого топлива и количества PE(s) подаваемого топлива. Благодаря этому можно получить вышеупомянутый эффект.

Далее, можно предписать верхнюю предельную величину (Тmах) температуры и нижнюю предельную величину (Емин) коэффициента использования в энергогенерирующей секции 10 путем комбинации PID управления и управления коэффициентом использования, и может быть реализована стабильная и устойчивая работа по производству электроэнергии при различных неисправностях.

Видоизмененный пример второго варианта осуществления

При управлении подачей топлива второго варианта осуществления (комбинация PID управления и управления коэффициентом использования), когда установка нижнего предельного коэффициента Е использования является неподходящей, невозможно получить достаточный выход производимой электроэнергии, или, наоборот, топливо расточительно потребляется. Конкретно, в качестве случаев, когда установка нижнего предельного коэффициента Е использования является неподходящей, даны, например, случай, когда установка нижнего предельного коэффициента Е использования является неподходящей для внешней окружающей среды и т.п., и случай, когда количество подаваемого топлива на одну операцию топливного насоса 42 изменяется в результате отказа в системе подачи топлива и т.п. За счет этого величина установки (здесь, нижняя предельная величина) коэффициента Е использования топлива предпочтительно (динамически) периодически обновляется в системе 36 управления согласно окружающей среде. Конкретно, например, топливо полностью потребляется каждые десять минут и, кроме того, непосредственная величина коэффициента Е использования топлива вычисляется в каждый раз в последние десять минут. Затем нижняя предельная величина коэффициента Е использования автоматически обновляется так, чтобы расчетный коэффициент Е использования был сохранен даже во время следующих десяти минут.

В этом случае, например, как показано на фиг.23(А) - фиг.23(F), могут быть оптимизированы не только безопасность, но также и эффективность η преобразования энергии (экономия топлива).

Третий вариант осуществления

Фиг.24 поясняет всю структуру системы топливного элемента (система 5А топливного элемента) третьего варианта осуществления изобретения. Система 5А топливного элемента подает электроэнергию для питания нагрузки 6 через выходные терминалы Т2 и Т3. Система 5А топливного элемента состоит из топливного элемента 1, секции 31 определения тока, секции 32 определения напряжения, цепи 33А повышения напряжения, цепи 37 деления напряжения, аккумуляторной батарея 34 и секции 35А управления. Те же самые обозначения применяются к элементам, подобным элементам из вышеупомянутых первого и второго вариантов осуществления, и их описание будет опущено.

Секция 32 определения напряжения размещается между точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и точкой Р2 контакта на соединительной линии L1L. Секция 32 определения напряжения предназначена для определения напряжения V1 в энергогенерирующей секции 10 (входное напряжение Vin цепь 33А повышения напряжения). Система 32 определения напряжения включает в себя, например, сопротивление.

Цепь 33А повышения напряжения размещается между точкой Р1 контакта соединительной линии L1H и точкой Р5 контакта на линии LO выхода. Цепь 33А повышения напряжения является преобразователем напряжения, который повышает уровень напряжения V1 (постоянное входное напряжение Vin) энергогенерирующей секции 10 и генерирует постоянное выходное напряжение Vout. Цепь 33А повышения напряжения включает в себя, например, преобразователь DC/DC. Цепь 33А повышения напряжения выполняет операцию по повышению рабочего напряжения согласно результату сравнения градуированного напряжения VFB, генерируемого цепью 37 деления напряжения, описанной ниже, и заданного опорного напряжения (опорное напряжение Vref, описанное ниже). Как результат такой операции увеличения напряжения цепью 33А повышения напряжения, например, как показано на фиг.25, выходное напряжение Vout в состоянии стать больше, чем напряжение LiV на зажимах аккумуляторной батареи 34, и может генерироваться разность ΔV потенциалов. Таким образом, может быть выполнена операция по заряду аккумуляторной батареи 34. Далее, величина выходного тока Iout из цепи 33А повышения напряжения в это время определяется вышеупомянутой разностью ΔV потенциалов и величиной внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи 34. Для детализации структуры и детализации работы секции 33 повышения напряжения описание будет дано ниже.

Цепь 37 деления напряжения размещается между точкой Р5 контакта на линии LO выхода и точкой 6 контакта на G линии заземления и состоит из резисторов R3 и R4 и варистора Rv. Один конец резистора R3 связан с точкой Р5 контакта, а другой конец связан с одним концом варистора Rv. Кроме того, другой конец варистора Rv связан с одним концом резистора R4 в точке Р7 контакта. Далее, другой конец резистора R4 связан с точкой Р6 контакта. В этом случае цепь 37 деления напряжения возвращает к цепи 33А повышения напряжения парциальное напряжение VFB (напряжение обратной связи) выходного напряжения Vout от цепи 33А повышения напряжения, генерируемого между точками Р6 и Р7 контакта. Ниже будет дано описание подробностей работы обратной связи.

Аккумуляторная батарея 34 размещается между точкой Р3 контакта на линии LO выхода и точкой Р4 контакта на линии заземления LG. Аккумуляторная батарея 34 предназначена для хранения электроэнергии на основе выходного напряжения Vout (напряжение нагрузки) постоянного тока, генерируемого цепью 33А повышения напряжения, и тока выхода Iout (ток нагрузки) от цепи 33А повышения напряжения. Аккумуляторная батарея 34 составлена из, например, литий-ионных аккумуляторных батарей или подобных.

Секция 35А управления предназначена для того, чтобы согласовать количество подаваемого жидкого топлива от топливного насоса 42 на основе тока I1 производимой электроэнергии (определяемый ток), определяемого секцией 31 определения тока, и напряжение V1 (определяемое напряжение) производимой электроэнергии (входное напряжение Vin), определяемое секцией 32 определения напряжения. Далее, секция 35А управления предназначена для того, чтобы управлять выходным напряжением Vout (напряжение нагрузки) и выходным током Iout (ток нагрузки), подаваемым от цепи 33А повышения напряжения к нагрузке (аккумуляторная батарея 34 и нагрузка 6), управляя работой по повышению напряжения цепью 33А повышения напряжения с помощью вышеупомянутой заданной контрольной таблицы. Такая секция 35А управления включает в себя микрокомпьютер и т.п. Детализация операции управления выходным напряжением Vout и выходным током Iout секцией 35А управления будет дано в описании ниже.

Топливный насос 42 включает в себя, например, пьезоэлектрический корпус (не показан), пластмассовую секцию пьезоэлектрического корпуса (не показано) для того, чтобы поддерживать пьезоэлектрический корпус, и канал (не показано) в виде трубы для соединения топливного резервуара 40 с соплом 43. Например, как показано на фиг.26(А) и (В), топливный насос 42 в состоянии регулировать количество подаваемого топлива согласно изменению количества подаваемого топлива за одну операцию или изменению в цикле Δt подачи топлива. Топливный насос 42 соответствует конкретному примеру «секции подачи топлива» данного изобретения.

Подробные структуры цепи 33А повышения напряжения и цепи 37 деления напряжения будут показаны на фиг.27 и фиг.28. Фиг.27 поясняет подробную структуру цепи 33А повышения напряжения и цепи 37 деления напряжения.

Цепь 33А повышения напряжения состоит из преобразователя DC/DC, опорного источника 331 питания, усилителя 332 сигнала ошибки, цепи 333 осцилляции и секции 344 генерации сигнала с PWM (модуляция ширины импульса). Преобразователь DC/DC состоит из катушки 33L индуктивности, конденсатора 33С и двух переключающих элементов Тr1 и Тr2.

Преобразователь DC/DC является преобразователем напряжения, который повышает уровень напряжения V1 производимой электроэнергии в энергогенерирующей секции 10 (входное напряжение постоянного тока Vin), и генерирует выходное напряжение Vout постоянного тока. В преобразователе DC/DC катушка 33L индуктивности размещается на соединительной линии L1H. Кроме того, переключающий элемент Тr1 размещается между соединительной линией L1H и соединительной линией L1L, переключающий элемент Тr2 размещается на соединительной линии L1H и линии LO выхода, а конденсатор 33С размещен между линией LO выхода и линией LG заземления.

Здесь каждый из переключающих элементов Тr1 и Тr2 состоит из, например, N-канального MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор). Управляющие сигналы (сигналы PWM) S1 и S2 выходят из нижеупомянутой секции 334 генерации сигнала с PWM и подаются на затворные терминалы переключающих элементов Тr1 и Тr2, и осуществляется управление соответствующими операциями переключения.

Опорный источник 331 питания является источником питания для подачи опорного напряжения Vref к усилителю 332 сигнала ошибки.

Усилитель 332 сигнала ошибки сравнивает поделенное напряжение VFB, подаваемое цепью 37 деления напряжения, и опорное напряжение Vref, подаваемое опорным источником 331 питания, для большой и малой разности потенциалов и выводит результат сравнения («Н (высокий)» или «L (низкий)» сигнал) в секцию 334 генерирования сигнала с PWM.

Цепь 333 осцилляции генерирует импульсный сигнал, используемый для того, чтобы генерировать сигнал с PWM в секции 334 генерации сигнала с PWM, и подает генерируемый импульсный сигнал в секцию 334 генерации сигнала с PWM.

Секция 334 генерации сигнала с PWM генерирует управляющие сигналы S1 и S2 переключающих элементов Тr1 и Тr2, составленные из сигналов с PWM, на основе результата сравнения в усилителе 332 сигнала ошибки и импульсного сигнала, подаваемого из цепи 333 осцилляции. Более подробно, например, как показано на фиг.28(А) и (В), в случае, когда поделенное напряжение VFB имеет больший потенциал, чем опорное напряжение Vref, составленное из пилообразного колебания, сигналы с PWM (управляющий сигнал S1), имеющие ширину импульса, генерируются во время этого периода. Кроме того, в это время, как показано на чертеже ширинами Δt1-Δt3 импульса, ширина импульса управляющего сигнала S1 становится меньше, в то время как потенциал поделенного напряжения VFB становится больше, и наоборот, ширина импульса управляющего сигнала S1 становится больше, в то время как потенциал поделенного напряжения VFB меньше.

Система 5А топливного элемента этого варианта осуществления в состоянии может быть выполнена, например, следующим образом.

Во-первых, топливный элемент 1 формируется подобно тому, как описано в вышеупомянутом первом варианте осуществления. Затем вышеупомянутую секцию 31 определения тока, секцию 32 определения напряжения, цепь 33А повышения напряжения, цепь 37 деления напряжения, аккумуляторную батарею 34 и секцию 35А управления соединяют электрически и прикрепляют к топливному элементу 1, как показано на фиг.24. В результате формируется система 5А топливного элемента, показанная на фиг.24 и фиг.25.

Затем будет дано подробное описание действия и осуществления системы 5А топливного элемента этого варианта осуществления.

В системе 5А топливного элемента в топливном элементе 1 протекает реакция, показанная в уравнении (7), и генерируется электроэнергия, как в первом варианте осуществления. Таким образом, часть химической энергии жидкого топлива 41, то есть метанола, преобразуется в электроэнергию, которая собирается и отводится соединительным элементом 20, в виде тока (ток I1 производимой электроэнергии) от энергогенерирующей секции 10. Уровень напряжения V1 (напряжение постоянного тока) производимой электроэнергии (входное напряжение Vin) на основе тока I1 производимой электроэнергии увеличивается (преобразование напряжения) цепью 33А повышения напряжения и является напряжением Vout (выходное напряжение) постоянного тока. Выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки) и выходной ток Iout (ток нагрузки) от цепи 33А повышения напряжения подается в аккумуляторную батарею 34 или нагрузку (например, электронное устройство). Тогда в случае, когда выходное напряжение Vout и выходной ток Iout подаются в аккумуляторную батарею 34, аккумуляторная батарея 34 заряжается указанными напряжением и током. В случае же, когда выходное напряжение Vout и выходной ток Iout подаются в нагрузку 6 через выходные терминалы Т2 и Т3, нагрузка 6 функционирует и данная операция выполняется.

В это время в топливном насосе 42 количество подаваемого топлива на одну операцию или цикл Δt подачи топлива регулируются секцией 35 управления и, соответственно, регулируется количество подаваемого топлива.

Помимо этого, в это же время в цепи 33А повышения напряжения данного варианта осуществления выполняется операция по увеличению напряжения, как это показано на фиг.29(А) - фиг.29(С). Фиг.29(А) - фиг.29(С) поясняют операцию по увеличению напряжения секцией 33А повышения напряжения с помощью диаграммы состояния цепи. Секция вышеупомянутого преобразователя DC/DC в цепи 33А повышения напряжения выделяется и иллюстрируется. Однако входное напряжение Vin для удобства поясняется как источник питания, а нагрузка, связанная с выходной стороной, для удобства поясняется как нагрузочный резистор RL. Далее, чтобы сделать состояния ON (включено) и OFF (выключено) переключающих элементов Тr1 и Тr2 более понятными, переключающие элементы Тr1 и Тr2 поясняются для удобства в форме выключателя.

В преобразователе DC/DC в цепи 33А повышения напряжения, во-первых, как показано на фиг.29(А), когда подается входное напряжение Vin, ток Iа составлен из токов, протекающих, как показано на чертеже, к катушке 33L индуктивности. В это время переключающий элемент Тr1 находится в состояния ON, а переключающий элемент Тr2 находится в состоянии OFF.

Затем, как показано на фиг.29(В), когда переключающий элемент Тr1 находится в состоянии ON, ток IL, текущий к катушке 33L индуктивности и переключающему элементу Тr1, становится больше, чем ток выхода Iout, текущий к нагрузочному резистору RL. Ток IL таким образом увеличивается, и поэтому в катушке 33L индуктивности запасается большая энергия.

Затем, как показано на фиг.29(С), когда переключающий элемент Тr1 переводится в состояние OFF, ток Iа состоит из потоков электрического тока, показанных на чертеже. В это время, так как ток за счет энергии, запасенной в катушке 33L индуктивности, накладывается на ток Iа, выходное напряжение Vout, подаваемое к сопротивлению нагрузки RL, выражается следующим уравнением (9), в случае, когда напряжение, генерируемое в катушке 33L индуктивности, есть VL. Кроме того, в это же время конденсатор 33 С одновременно заряжается, пока напряжение между обоими концами не достигает выходного напряжения Vout.

Тогда, впоследствии повторяя операции на фиг.29(В) и фиг.29(С), генерируется выходное напряжение Vout, которое является более высоким напряжением, чем входное напряжение Vin (выполняется операция по увеличению напряжения), и подается в нагрузочный резистор RL.

Кроме того, в это время поделенное напряжение VFB выходного напряжения Vout, как это показано на фиг.28(А), возвращается к цепи 33А повышения напряжения цепью 37 деления напряжения. Далее, в секции 334 генерации сигнала с PWM управляющие сигналы S1 и S2 для переключающих элементов Тr1 и Тr2, составленные из сигналов с PWM, таких как проиллюстрированные на фиг.28(В), генерируются на основе результата сравнения в усилителе 332 сигнала ошибки и импульсного сигнала, поданного от цепи 333 осцилляции. В это время ширина импульса управляющего сигнала S1 становится меньше по мере того, как потенциал поделенного напряжения VFB становится больше, и наоборот, ширина импульса управляющего сигнала S1 становится больше по мере того, как потенциал поделенного напряжения VFB становится меньше.

Таким образом, в случае, когда выходное напряжение Vout мало, работа состоит в том, что ширина импульса управляющего сигнала S1 увеличивается и выходное напряжение Vout увеличивается. Между тем, в случае, когда выходное напряжение Vout высокое, работа состоит в том, что импульс управляющего сигнала S1 уменьшается и выходное напряжение Vout уменьшается. Таким образом, управление выполняется так, чтобы выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки) было константой (постоянное рабочее напряжение) за счет управления поделенным напряжением VFB так, чтобы оно стало равным с опорным напряжением Vref.

Конкретно, работа при постоянном напряжении выполняется, как, например, показано на фиг.30(А) - (D) и фиг.31. Другими словами, в состоянии, в котором выходное напряжение Vout (напряжение FC, напряжение производимой электроэнергии) становится постоянной величиной, выходной ток Iout (ток FC, ток производимой электроэнергии) немедленно увеличивается после того, как жидкое топливо 41 подается топливным насосом 42, и ток FC постепенно уменьшается с уменьшением жидкого топлива 41. Причина этого состоит в том, что количество энергии, которое может произвести энергогенерирующая секция 10 при постоянном количестве жидкого топлива 41, также является постоянной величиной. Таким образом, поскольку периодически подаваемое жидкое топливо 41 потребляется при производстве электроэнергии в энергогенерирующей секции 10, ток FC от энергогенерирующей секции 10 уменьшается.

Кроме того, в этом варианте осуществления, например, путем возврата напряжения в цепь 33А повышения напряжения, соответствующего току I1 производимой электроэнергии (выходной ток), управление работой цепи 33А повышения напряжения (функционирование при токе постоянной величины) также может быть выполнено так, чтобы выходной ток Iout (ток нагрузки) становился константой.

В этом случае, конкретно, функционирование при постоянном токе выполняется, например, как показано на фиг.32(А) - (D) и фиг.33. Другими словам, в этом случае подача жидкого топлива 41 немедленно увеличивается после того, как жидкое топливо 41 подается топливным насосом 42. Таким образом, в состоянии, когда выходной ток Iout (ток FC, ток производимой электроэнергии) устанавливается постоянным, выходное напряжение Vout (напряжение FC, напряжение производимой электроэнергии) увеличивается согласно количеству подаваемого жидкого топлива 41. Тем временем напряжение FC уменьшается, когда количество жидкого топлива 41 уменьшается.

Здесь, в этом варианте осуществления, при функционировании при постоянном напряжении и при постоянном токе функционирование цепи 33А повышения напряжения управляется секцией 35А управления путем использования контрольной таблицы, такой как показано на фиг.34(А) - (С).

Конкретно, например, в случае, когда используется контрольная таблица, показанная на фиг.34(А), оперативный контроль цепи 33А повышения напряжения выполняется так, чтобы заданная величина опорного напряжения Vref увеличилась по мере того, как увеличивается заданная величина выходного напряжения Vout (напряжение FC, напряжение нагрузки). Таким образом, выполняется функционирование при постоянном напряжении и при постоянном токе в соответствии с заданной величиной напряжения FC.

Кроме того, например, в случае, когда используется контрольная таблица, показанная на фиг.34(В), если количество подаваемого жидкого топлива 41 от топливного насоса 42 является константой, величины выходного напряжения Vout (напряжение FC, напряжение нагрузки) и выходного тока Iout (ток FC, ток нагрузки) регулируются согласно величине нагрузки 6. Таким образом, в состоянии, в котором количество подаваемого топлива за единицу времени является константой, напряжение FC и ток FC обеспечиваются согласно значению нагрузки.

Кроме того, например, в случае, когда используется контрольная таблица, показанная на фиг.34(С), оперативный контроль цепи 33А повышения напряжения выполняется так, чтобы выходной ток Iout (ток FC, ток нагрузки) уменьшался, в то время как увеличивается заданная величина эффективности преобразования топлива в энергогенерирующей секции 10. Таким образом, когда обеспечивается функционирование при постоянном напряжении, количество подаваемого топлива и эффективность преобразования топлива могут быть оптимизированы.

Таким образом, в этом варианте осуществления напряжение V1 (входное напряжение Vin) производимой электроэнергии, подаваемое от энергогенерирующей секции 10, увеличивается цепью 33А повышения напряжения и подается в нагрузку (аккумуляторная батарея 34 и нагрузка 6) как выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки). В это время работа цепи 33А повышения напряжения контролируется с помощью данных контрольной таблицы, и поэтому выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки) и выходной ток Iout (ток нагрузки), подаваемые от цепи 33А повышения напряжения в нагрузку, контролируются.

Далее, в этом варианте осуществления, как описано ниже, более предпочтительно использовать управление при постоянном напряжении, чем управление при постоянном токе.

Во-первых, соотношение между генерируемой мощностью и работой при постоянном напряжении или работой при постоянном токе будет описано со ссылкой на фиг.35.

Во-первых, работа при постоянном токе, как показано на фиг.35(А), как указано ссылочной позицией Р11 на чертеже, даже если количество подаваемого топлива (cc/h) за единицу времени увеличивается, мощность на выходе (мощность FC) не увеличивается с увеличением количества топлива и является почти константой.

Тем временем при функционировании при постоянном напряжении, показанном на Фиг.35(В), как обозначено на чертеже стрелкой Р12, выходная мощность (мощность FC) может быть увеличена путем увеличения количества подаваемого топлива (cc/h) за единицу времени. Ясно также, что ширина ΔV1 (диапазон напряжения) напряжения FC имеет определенный размер для получения максимальной мощности. В результате, за счет генерирования мощности в состоянии, при котором напряжение FC есть постоянная величина, производство электроэнергии может быть выполнено в состоянии, в котором устанавливается пропорциональная зависимость между мощностью FC и количеством подаваемого топлива.

Затем, со ссылкой на фиг.36 будет описано соотношение между эффективностью преобразования топлива и функционированием при постоянном напряжении или при постоянном токе.

Во-первых, при работе на постоянном токе, поясняемой на фиг.36 (А), обозначено на чертеже стрелкой Р13, эффективность преобразования топлива является самой высокой, когда подача топлива выполняется при расходе 0,302 (cc/h) (когда количество подаваемого топлива является самым малым на чертеже). Однако ширина ΔI2 величины тока является узкой, когда эффективность преобразования топлива является самой высокой величиной, и, далее, эффективность преобразования топлива внезапно ухудшается, когда ширина ΔI2 величины тока повышается.

Тем временем при работе на постоянном напряжении, поясняемой на фиг.36(В), ширина ΔV2 величины напряжения является широкой, когда эффективность преобразования топлива является самой высокой. В этом случае, как обозначено стрелкой Р14 на чертеже, эффективность преобразования топлива является также самой высокой, когда подача топлива выполняется при расходе 0,302 (cc/h) (когда количество подаваемого топлива является самым малым на чертеже). Кроме того, как описано выше, поскольку мощность FC может быть изменена согласно количеству подаваемого топлива в единицу времени, за счет выполнения производства электроэнергии в состоянии, при котором напряжение FC есть постоянная величина, производство электроэнергии в состоянии, в котором устанавливается пропорциональное соотношение между мощностью FC и количеством подаваемого топлива, и производством электроэнергии в состоянии, при котором эффективность преобразования топлива высока, становятся возможными в то же самое время.

Благодаря этому, в случае, когда оперативное управление цепью 33А повышения напряжения выполняется так, чтобы выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки, напряжение FC) становилось константой (когда контроль выполняется так, чтобы обеспечить работу при постоянном напряжении), состояние производства электроэнергии в топливном элементе 1 может быть благоприятным.

Таким образом, в этом варианте осуществления напряжение V1 (входное напряжение Vin) производимой электроэнергии, подаваемое от энергогенерирующей секции 10, увеличивается цепью 33А повышения напряжения, а функционирование цепи 33А повышения напряжения контролируется с помощью заданной контрольной таблицы в секции 35А управления, и поэтому управление выполняется при выходном напряжении Vout (напряжение нагрузки) и выходном токе Iout (ток нагрузки), подаваемых от цепи 3А повышения напряжения в нагрузку (аккумуляторная батарея 34 и нагрузка 6). Тем самым даже в случае, когда производится прерывистая подача топлива в паровой топливный элемент 1, реализуется эффективное управление выходным напряжением Vout и выходным током Iout. В результате выполняется производство электроэнергии в паровом топливном элементе, которое более стабильно, чем ранее.

Кроме того, в случае, когда оперативное управление цепью 33А повышения напряжения выполняется таким образом, чтобы выходное напряжение Vout (напряжение нагрузки) стало константой (когда управление выполняется при постоянном напряжении), состояние производства электроэнергии в топливном элементе 1 может быть особенно благоприятным.

Данное изобретение описано в отношении от первого до третьего варианта осуществления и видоизмененного примера. Однако данное изобретение не ограничивается вариантами осуществления и т.п., и могут быть сделаны различные изменения.

Например, в вышеупомянутых первом и втором вариантах осуществления и вариационном примере этого дано описание для случая, когда управление выполняется так, чтобы температура энергогенерирующей секции 10 была постоянной (выполняется PID управление), за счет пропорционирования количества подаваемого жидкого топлива с временным интегралом и временной производной от разности между целевой температурой Tsv(s) и определяемой температурой Tpv(s). Однако, например, управление может быть выполнено так, чтобы температура энергогенерирующей секции 10 была постоянной за счет использования управления с обратной связью, такого как пропорциональное управление и пропорционально-интегральное управление, нечеткое управление, Н∞ управление и т.п. Конкретно, управление может быть выполнено так, чтобы температура энергогенерирующей секции 10 была постоянной (выполняется пропорциональное управление) за счет пропорционирования количества подаваемого жидкого топлива величине разности между целевой температурой Tsv(s) и определяемой температурой Tpv(s). Далее, управление может быть выполнено так, чтобы температура энергогенерирующей секции 10 была постоянной (выполняется пропорционально-интегральное управление) за счет пропорционирования количества подаваемого жидкого топлива с временным интегралом от величины разности между целевой температурой Tsv(s) и определяемой температурой Tpv(s). Кроме того, управление может быть выполнено так, чтобы температура энергогенерирующей секции 10 была постоянной (выполняется пропорционально-дифференциальное управление) за счет пропорционирования количества подаваемого жидкого топлива временной производной от величины разности между целевой температурой Tsv(s) и определяемой температурой Tpv(s).

Кроме того, в вышеупомянутых первом и втором вариантах осуществления и видоизмененном примере этого дано описание для случая, в котором секция 352 коррекции генерации тепла вычисляет эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10, используя напряжение V1 (определяемое напряжение) производимой электроэнергии, определяемое секцией 32 определения напряжения. Однако эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 может быть вычислена с помощью ранее установленного заданного напряжения (заданное напряжение) вместо напряжения V1 производимой электроэнергии.

Далее, схемные структуры цепи 33А повышения напряжения и цепи 37 деления напряжения не ограничиваются описанными согласно предшествующему третьему варианту конструкции и могут быть схемными структурами, использующими другие способы. Кроме того, контрольная таблица не ограничивается описанными согласно вышеупомянутому третьему варианту осуществления (фиг.34(А) - (С)), и может использоваться контрольная таблица с другими структурами.

Далее, в вышеупомянутых вариантах осуществления и т.п. дано описание для случая, когда энергогенерирующая секция 10 включает в себя шесть единичных элементов, которые электрически соединены друг с другом последовательно. Однако число единичных элементов не ограничивается этим. Например, энергогенерирующая секция 10 может быть составлена из одного единичного элемента или из двух и большего заданного числа единичных элементов.

Далее, в вышеупомянутых вариантах осуществления и т.п. подача воздуха к кислородному электроду 13 выполняется естественной вентиляцией. Однако воздух может быть подан при использовании насоса и т.п. В этом случае кислород или газ, содержащий кислород, могут быть поданы вместо воздуха.

Далее, в вышеупомянутых вариантах осуществления и т.п. дано описание для случая, когда топливный резервуар 40, содержаний жидкое топливо 41, встроен в системах 5 и 5А топливного элемента. Однако такой топливный резервуар может быть съемным с системы топливного элемента.

Далее, в вышеописанных вариантах осуществления и т.п. дано описание прямой метанольной системы топливного элемента. Однако данное изобретение может быть также применено к другому типу системы топливного элемента.

Система топливного элемента данного изобретения в состоянии соответственно использоваться для мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, электронная камера, электронный справочник и PDA (персональный цифровой помощник).

1. Система топливного элемента, содержащая: энергогенерирующую секцию для генерации электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, причем секция подачи топлива выполнена с возможностью регулировать количество подаваемого жидкого топлива; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; секцию определения температуры для определения температуры энергогенерирующей секции; и секцию управления для выполнения управления так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет регулирования количества подаваемого жидкого топлива из секции подачи топлива на основе температуры энергогенерирующей секции, определяемой секцией определения температуры.

2. Система топливного элемента по п.1, в которой система управления выполнена с возможностью приблизительно вычислять эффективность преобразования энергии в энергогенерирующей секции на основе напряжения производимого энергогенерирующей секцией или заданного установленного напряжения и с возможностью корректировать количество подаваемого жидкого топлива, используя расчетную эффективность преобразования энергии.

3. Система топливного элемента по п.2, в которой система управления выполнена с возможностью вычислять эффективность преобразования энергии в энергогенерирующей секции также с учетом тока, производимого в энергогенерирующей секции, в дополнение к напряжению, производимому энергогенерирующей секцией или заданному установленному напряжению.

4. Система топливного элемента по любому из пп.1-3, содержащая секцию определения тока для определения тока в энергогенерирующей секции, при этом система управления выполнена с возможностью вычислять коэффициент использования топлива в энергогенерирующей секции на основе тока производимой электроэнергии, определяемого секцией определения, и вычислять количество подаваемого жидкого топлива, так чтобы расчетный коэффициент использования топлива был постоянным, а также выполнена с возможностью определять финальное количество подаваемого жидкого топлива с учетом первого количества подаваемого топлива, вычисляемого на основе температуры энергогенерирующей секции, и второго количества подаваемого топлива, вычисляемого на основе коэффициента использования топлива.

5. Система топливного элемента по п.4, в которой секция управления выполнена с возможностью определения финального количества подаваемого жидкого топлива путем выбора первого или второго количества подаваемого топлива.

6. Система топливного элемента по п.5, в которой секция управления выполнена с возможностью определять финальное количество подаваемого жидкого топлива путем выбора меньшей величины подаваемого количества из первого количества подаваемого топлива и второго количества подаваемого топлива.

7. Система топливного элемента по п.4, в которой секция управления выполнена с возможностью периодически обновлять заданную величину коэффициента использования топлива.

8. Система топливного элемента по любому из пп.1-3, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной за счет подачи пропорционального количества жидкого топлива с учетом интегрального времени и временной производной от разности величин между заданной температурой и определяемой температурой энергогенерирующей секции.

9. Система топливного элемента по любому из пп.1-3, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет подачи пропорционального количества подаваемого жидкого топлива с учетом разности величин между заданной температурой и определяемой температурой энергогенерирующей секции.

10. Система топливного элемента по любому из пп.1-3, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет подачи пропорционального количества подаваемого жидкого топлива с учетом временного интеграла разности величин между заданной температурой и определяемой температурой энергогенерирующей секции.

11. Система топливного элемента по любому из пп.1-3, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет подачи пропорционального количества подаваемого жидкого топлива с учетом временной производной от разности величин между заданной температурой и определяемой температурой энергогенерирующей секции.

12. Электронное устройство, включающее в себя систему топливного элемента, содержащую:
энергогенерирующую секцию для генерации электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа;
секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, причем секция подачи топлива выполнена с возможностью регулировать количество подаваемого жидкого топлива;
секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива;
секцию определения температуры для определения температуры энергогенерирующей секции; и
секцию управления для выполнения управления так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной, за счет регулирования количества подаваемого жидкого топлива из секции подачи топлива на основе температуры энергогенерирующей секции, определяемой секцией определения температуры.

13. Система топливного элемента, содержащая:
энергогенерирующую секцию для генерации электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа;
секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, причем секция подачи топлива выполнена с возможностью регулировать количество подаваемого жидкого топлива;
секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива;
цепь повышения напряжения для повышения уровня генерируемого напряжения, подаваемого из энергогенерирующей секции; и секцию управления для выполнения управления напряжением нагрузки и током нагрузки, подаваемыми из цепи повышения напряжения в нагрузку, путем управления работой цепи повышения напряжения с помощью заданной контрольной таблицы.

14. Система топливного элемента по п.13, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление цепью повышения напряжения таким образом, чтобы напряжение нагрузки стало постоянным.

15. Система топливного элемента по п.14, в которой цепь повышения напряжения выполнена с возможностью повышать рабочее напряжение в соответствии с потенциальным результатом сравнения напряжения на нагрузке и заданного опорного напряжения, а секция управления выполнена с возможностью выполнять управление цепью повышения напряжения таким образом, чтобы заданная величина опорного напряжения увеличивалась по мере увеличения величины напряжения нагрузки.

16. Система топливного элемента по п.14, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление цепью повышения напряжения с помощью контрольной таблицы таким образом, чтобы ток нагрузки становился меньше по мере увеличения заданной величины эффективности преобразования топлива в энергогенерирующей секции.

17. Система топливного элемента по п.13, в которой секция управления выполнена с возможностью выполнять управление цепью повышения напряжения таким образом, чтобы ток нагрузки был постоянным.

18. Система топливного элемента по любому из пп.13-17, в которой секция управления выполнена с возможностью регулировать величину напряжения нагрузки и тока нагрузки в соответствии с величиной нагрузки с помощью контрольной таблицы в случае, когда количество подаваемого жидкого топлива из секции подачи топлива постоянно.

19. Система топливного элемента по п.13, в которой цепь повышения напряжения включает в себя преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC/DC).

20. Электронное устройство, включающее в себя систему топливного элемента, содержащую:
энергогенерирующую секцию для генерации электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа;
секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, причем секция подачи топлива выполнена с возможностью регулировать количество подаваемого жидкого топлива;
секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива;
цепь повышения напряжения для повышения генерируемого уровня напряжения, подаваемого из энергогенерирующей секции; и секцию управления для выполнения управления напряжением нагрузки и током нагрузки, подаваемыми из цепи повышения напряжения в нагрузку, путем управления работой цепи повышения напряжения с помощью заданной контрольной таблицы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству электрической энергии и получению Н2 с использованием углеродсодержащего топлива в топливных элементах. .

Изобретение относится к системе топливного элемента. .

Изобретение относится к топливному картриджу и системе топливного элемента, которые предназначены для подачи жидкого топлива в топливный элемент. .

Изобретение относится к топливным элементам (ТЭ) с испарительным охлаждением. .

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах, предназначенных для использования как в качестве источника бесперебойного питания, так и полностью автономного источника.

Изобретение относится к системе генерирования мощности на топливных элементах. .

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах, обеспечивающих резервное электропитание, и может использоваться в самых различных областях науки и техники.

Изобретение относится к набору для заливки топлива и способу заливки жидкого топлива в топливный картридж для запасания жидкого топлива, подлежащего подаче в основной корпус топливного элемента.

Изобретение относится к топливным элементам, в частности к эксплуатации топливного элемента при определенных температурах. .

Изобретение относится к когенерационной системе на топливных элементах, предназначенной для получения горячей воды путем рекуперации и использования бросового тепла топливного элемента

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию

Изобретение относится к способу и устройству для выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента (1) в системе (20) топливных элементов с сенсорным устройством (30) для контролирования рабочих сред, выведенных из рабочего пространства (27)

Способ хранения топливного элемента включает первый этап калибровки эталонной мембраны с помощью ядерного магнитного резонанса с целью получения кривой зависимости максимальной водной нагрузки (λmaxx(T)) мембраны от температуры мембраны (3), и второй этап калибровки стандартного элемента с целью получения зависимости между электрическим сопротивлением стандартного элемента, водной нагрузкой (λ) его мембраны и его температурой (T). Способ также включает этап высушивания, зависящий от двух этапов калибровки. Обеспечение оптимальной эффективности работы топливного элемента за счет того, что мембрана каждой ячейки содержит определенное количество воды, близкое к насыщению, является техническим результатом предложенного изобретения. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предусмотрена система генерирования мощности на топливных элементах, в которой уменьшена потеря мощности в линии питания, электрически соединяющей батарею и схему преобразования мощности, тем самым достигается высокая эффективность генерирования мощности. Установка (6) для реформинга и батарея (7) расположены в блоке (2) основного корпуса. Выходные контактные зажимы (31) батареи предусмотрены на обоих концах в направлении укладки батареи (7). Схема (24) преобразования мощности расположена в блоке (2) основного корпуса и размещается в непосредственной близости к батарее (2). Входные контактные зажимы (32) схемы преобразования мощности предусмотрены на схеме (24) преобразования мощности и размещены в направлении параллельно направлению укладки батареи. Выходные линии (27) батареи электрически соединяют выходные контактные зажимы (31) батареи и входные контактные зажимы (32) схемы преобразования мощности. Снижение потери мощности в системе с топливными элементами при уменьшении ее габаритов и повышении надежности системы является техническим результатом предложенного изобретения. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13). Топливный элемент (10) вырабатывает энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера (20) сгорания избирательно подает обогревающий газ в катод (13) топливного элемента (10). Первый обратный канал (17) для обогревающего газа смешивает, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода (13), с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа и обогревающего газа подается в катод (13). Система (50) подачи газа соединена с первым обратным каналом (17) для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода (13) так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания. Повышение эффективности использования газа, выпускаемого из катода, путем использования его для повышения температуры топливного элемента, а также снижение отложений углерода на аноде, является техническим результатом заявленного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к топливным элементам. Технический результат - повышение долговечности топливных элементов путем регулирования давления на электродах. Предложена система топливного элемента, включающая в себя топливный элемент для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод; систему (HS) подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод; и контроллер для регулирования системы (HS) подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод, причем контроллер осуществляет изменение давления, когда выход стороны топливного электрода закрыт, при этом контроллер периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления (ΔР1). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 22 ил.
Наверх