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公開番号2024067019
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-16
出願番号2023187751
出願日2023-11-01
発明の名称電源供給システム、その燃料電池の発電性能の計測装置、及びその燃料電池の制御方法
出願人財團法人工業技術研究院,INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE
代理人弁理士法人 HARAKENZO WORLD PATENT & TRADEMARK
主分類H01M 8/04537 20160101AFI20240509BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するための燃料電池発電性能計測装置を提供する。
【解決手段】計測装置110は、テスト抵抗116、第1テストスイッチ114、電流計測ユニット118および制御ユニット112を含む。制御ユニット112は、第1制御信号を発信することにより選択的に第1テストスイッチ114を導通させるように、第1テストスイッチと電流計測ユニット118とを制御する。第1テストスイッチ114が導通している場合、燃料電池102、テスト抵抗116、第1テストスイッチ114および電流計測ユニット118はテスト回路を形成し、電流計測ユニット118はテスト回路を通るテスト電流を計測し、制御ユニット112は、テスト電流に基づいて燃料電池102の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得し、リアルタイム抵抗値に基づいて燃料電池102の発電性能を評価する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するための燃料電池発電性能計測装置であって、
テスト抵抗、第１テストスイッチ、電流計測ユニット、及び、制御ユニットを含み、
前記制御ユニットは、第１制御信号を発信することにより選択的に前記第１テストスイッチを導通させるように、前記第１テストスイッチと前記電流計測ユニットとを制御し、
前記第１テストスイッチが導通している場合、前記燃料電池、前記テスト抵抗、前記第１テストスイッチ及び前記電流計測ユニットはテスト回路を形成し、前記電流計測ユニットは前記テスト回路を通るテスト電流を計測し、前記制御ユニットは前記テスト電流に基づいて前記燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得し、該リアルタイム抵抗値に基づいて前記燃料電池の発電性能を評価し、
前記燃料電池の出力電圧が前記定格出力電圧の１／２未満となり、及び／または、
前記テスト抵抗の抵抗値が前記内部抵抗の所定の抵抗値より小さい、燃料電池発電性能計測装置。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記電流計測ユニットはホール電流計測素子を含む、請求項１に記載の燃料電池発電性能計測装置。
【請求項３】
定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するための燃料電池発電性能計測装置であって、
テスト抵抗、第１テストスイッチ、差動電圧計測ユニット、及び、制御ユニットを含み、
前記制御ユニットは、第１制御信号を発信することにより選択的に前記第１テストスイッチを導通させるように、前記第１テストスイッチと前記差動電圧計測ユニットとを制御して、
前記第１テストスイッチが導通している場合、前記燃料電池、前記テスト抵抗及び前記第１テストスイッチがテスト回路を形成し、前記差動電圧計測ユニットは、前記テスト抵抗の上流端電圧及び下流端電圧をそれぞれ計測して前記テスト抵抗の差動電圧を取得し、前記制御ユニットは前記差動電圧及び前記テスト抵抗の抵抗値に基づいて前記テスト回路のテスト電流を得て、前記テスト電流及び前記燃料電池の前記定格出力電圧に基づいて前記燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得し、該リアルタイム抵抗値に基づいて前記燃料電池の発電性能を評価し、
前記燃料電池の出力電圧が前記定格出力電圧の１／２未満となり、及び／または、前記テスト抵抗の抵抗値が前記内部抵抗の所定の抵抗値より小さい、燃料電池発電性能計測装置。
【請求項４】
前記テスト抵抗の抵抗値は、前記内部抵抗の予測抵抗値の１／５～１／１００である、請求項１または３に記載の燃料電池発電性能計測装置。
【請求項５】
前記差動電圧計測ユニットは、
前記テスト抵抗の上流端にカップリングするように接続され、当該上流端における電圧の電圧信号が入力される第１入力端、
前記テスト抵抗の下流端にカップリングするように接続され、当該下流端における電圧の電圧信号が入力される第２入力端、及び、
前記制御ユニットにカップリングするように接続され、前記上流端における電圧及び前記下流端における電圧の電圧信号を伝送する出力端を有する、請求項３に記載の燃料電池発電性能計測装置。
【請求項６】
前記差動電圧計測ユニットは差動増幅器を含む、請求項３に記載の燃料電池発電性能計測装置。
【請求項７】
前記制御ユニットに制御されるように前記制御ユニットと接続されている、電圧計測ユニット及び第２テストスイッチをさらに含み、
前記制御ユニットは、選択的に前記第２テストスイッチを導通させるように、第２制御信号を発信し、
前記第１テストスイッチ及び前記第２テストスイッチがいずれも導通しない時に、前記電圧計測ユニットは前記燃料電池の開回路電圧を計測する、請求項１または３に記載の燃料電池発電性能計測装置。
【請求項８】
定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するとともに、制御する方法であって、
請求項７に記載の燃料電池発電性能計測装置を準備する工程、
短絡動作を行う工程、
前記燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得するように計測を行う工程、及び
前記リアルタイム抵抗値に基づいて前記燃料電池の発電性能を評価する工程、を含む、燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法。
【請求項９】
前記燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得するように計測を行う工程は、
前記短絡動作の期間中に少なくとも三つの時点を選択して、当該時点における前記燃料電池のリアルタイム電流値を計測する工程をさらに含む、請求項８に記載の、燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法。
【請求項１０】
前記リアルタイム電流値に基づいて前記燃料電池の性能指標を評価する工程をさらに含む、請求項９に記載の、燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源供給システム（power supply system）及び計測装置（detection device）に関し、特に、電源供給システム、その燃料電池（fuel cell）の発電性能（power generation performance）の計測装置、及び当該燃料電池の制御方法（control method）に関する。
続きを表示（約 3,500 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電性能は、燃料供給の流量（fuel supply flow）、環境中の空気圧力（ambient air pressure）、温度（temperature）、湿度（humidity）、及び、各スタック自体の使用歴（usage history of each fuel cell stack）など、多くの要素による影響を受ける。車両や飛行輸送機への適用において、燃料電池の発電性能は安全にタスクを遂行するための重要な要素である。そのため、燃料電池の発電性能のモニタリングは、非常に重要であり、これによりタスクを遂行するためのエネルギー供給の余裕度（energy supply margin）を予測することができる。余裕度の予測は、燃料電池の制御動作やタスク変更の根拠として、燃料電池を応用するための重要な技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
中国特許第１０９７２６４５２Ｂ号（２０２０年１０月２７日）発明名称：「インピーダンスのスペクトルに基づいてプロトン交換膜型燃料電池の故障をオンライン診断する方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、制御ユニットによって燃料電池の内部抵抗（internal resistance）のリアルタイム抵抗値（real-time resistance value）を取得し、燃料電池の発電性能を調整し、これにより燃料電池の良好な動作状况（good operating condition）を維持することができる電源供給システム、その燃料電池の発電性能の計測装置、及び当該燃料電池の制御方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、定格出力電圧（rated output voltage）と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するための燃料電池発電性能計測装置を提供する。該計測装置は、テスト抵抗（test resistor）、第１テストスイッチ（first test switch）、電流計測ユニット（current detection unit）及び制御ユニット（control unit）を含む。制御ユニットは、第１制御信号（first control signal）を発信することにより選択的に前記第１テストスイッチを導通させるように、前記第１テストスイッチと前記電流計測ユニットとを制御する。第１テストスイッチが導通している場合、燃料電池、テスト抵抗、第１テストスイッチ及び電流計測ユニットはテスト回路（test loop）を形成し、電流計測ユニットはテスト回路を通るテスト電流（test current）を計測し、制御ユニットはテスト電流に基づいて燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得し、該リアルタイム抵抗値に基づいて燃料電池の発電性能が評価。燃料電池の出力電圧は定格出力電圧の１／２未満となり、及び／または、テスト抵抗の抵抗値は内部抵抗の所定の抵抗値より小さい。
【０００６】
本発明の一態様によれば、燃料電池の発電性能を計測するための燃料電池発電性能計測装置（fuel cell power generation performance detection device）を提供する。該燃料電子は、定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する。該燃料電池発電性能計測装置は、テスト抵抗、第１テストスイッチ、差動電圧計測ユニット（differential voltage detection unit）及び制御ユニットを含む。制御ユニットは、第１制御信号を発信することにより選択的に前記第１テストスイッチを導通させるように、前記第１テストスイッチと前記差動電圧計測ユニットとを制御する。前記第１テストスイッチが導通している場合、前記燃料電池、前記テスト抵抗及び前記第１テストスイッチはテスト回路を形成し、前記差動電圧計測ユニットは、前記テスト抵抗の上流端電圧（upstream end voltage）及び下流端電圧（downstream end voltage）をそれぞれ計測して前記テスト抵抗の差動電圧（differential voltage）を取得し、前記制御ユニットは前記差動電圧及び前記テスト抵抗の抵抗値に基づいて前記テスト回路のテスト電流を得て、前記テスト電流及び前記燃料電池の定格出力電圧に基づいて前記燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得し、該リアルタイム抵抗値に基づいて前記燃料電池の発電性能を評価する。前記燃料電池の出力電圧が前記定格出力電圧の１／２未満となり、及び／または、前記テスト抵抗の抵抗値が前記内部抵抗の所定の抵抗値より小さい。前記第１テストスイッチを制御し、テスト回路を形成し、回路電流を生成する動作は、以下に短絡動作（short-circuit operation）と略称し、短絡動作の期間に回路を通る電流は短絡電流（short-circuit current）とも称する。
【０００７】
本発明の一態様によれば、定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する燃料電池の発電性能を計測するとともに、制御する方法を提供し、該燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法は以下の工程を含む。燃料電池発電性能の計測装置を準備する。短絡動作を行う。燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値を取得するように計測を行う。燃料電池の内部抵抗のリアルタイム抵抗値に基づいて、該燃料電池の発電性能を評価する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、負荷装置（load device）に電力を供給するための電源供給システムを提供し、該電源供給システムは燃料電池及び燃料電池発電性能計測装置を含む。燃料電池は、負荷装置に電気的に接続され、且つ、定格出力電圧と、所定の抵抗値を有する内部抵抗とを有する。燃料電池発電性能計測装置は、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の発電性能を計測する。第２テストスイッチ（second test switch）は、電圧計測ユニットと負荷装置との間に位置する。第１テストスイッチが導通している場合、第２テストスイッチの非導通（turn off）が維持され、燃料電池からテスト電流が前記燃料電池発電性能計測装置へ出力される。第１テストスイッチが導通しない場合、第２テストスイッチの導通（turn on）が維持され、燃料電池から動作電流（operating current）が前記負荷装置へ出力される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の一実施例に係る燃料電池発電性能の計測装置の模式図である。
本発明の別の実施例に係る燃料電池発電性能の計測装置の模式図である。
本発明の一実施例に係る燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法の模式図である。
短絡動作の波形図である。
短絡アクティブ化動作の時間長さを調整する波形図である。
図５の短絡アクティブ化動作の時間長さを調整する一例の模式図である。
本発明の別の実施例に係る燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法の模式図である。
図７の短絡動作終了後に負荷時間の供給を遅延させる波形図である。
図７の燃料電池スタックの性能指標を評価するための回復参考電圧差値の波形図である。
本発明の一実施例に係る燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法の模式図である。
図１０のリアルタイム電流値の波形図である。
本発明の別の実施例に係る燃料電池発電性能に関する計測及び制御方法の模式図である。
図１２の短絡開始の瞬間の電流ピークの波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例の図面を参照しながら、本発明の実施例の技術案を明確かつ完全に説明するが、説明された実施例は本発明の一部の実施例であって、全ての実施例ではないことは明らかである。本発明の実施例に基づいて、当業者が自明である前提の下で得られた他のすべての実施例は、いずれも本発明の保護範囲に属する。以下の説明では、同一／類似の構成部品を同一／類似の符号で示す。
（【００１１】以降は省略されています）

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