JP2001229941A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2001229941A JP2000038403A JP2000038403A JP2001229941A JP 2001229941 A JP2001229941 A JP 2001229941A JP 2000038403 A JP2000038403 A JP 2000038403A JP 2000038403 A JP2000038403 A JP 2000038403A JP 2001229941 A JP2001229941 A JP 2001229941A
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勝 岡本
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勝憲 押上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 排改質ガス成分濃度推定器を採用することに
よって排改質ガスの成分濃度変化に伴う外乱の影響を抑
制した制御ができ、しかも排改質ガス成分濃度推定器の
ズレによって引き起こされる外乱の影響も抑制した制御
をすることにより、従来問題となっていた制御応答性能
の悪化を低減する。 【解決手段】 燃焼器温度制御器22の積分演算量が所定
の上下限値を越えた場合には排改質ガス成分濃度推定器
21にズレが生じていると判断して、排改質ガス成分濃度
推定器パラメータ修正量算出部C6でパラメータ修正量を
算出して排改質ガス成分濃度推定器21のパラメータを修
正する。これにより、排改質ガス成分濃度推定器のズレ
による制御応答性能の悪化を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に燃料電池システムは、メタノール
などの原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する
改質器と、改質器で生成された改質ガスと別途空気供給
装置から供給される空気中の酸素ガスとを反応させて発
電する燃料電池本体と、メタノールなどの原料を加熱し
て改質反応をさせるために必要な熱を改質器へ供給する
燃焼器を主な要素として構成される。
【０００３】燃料電池本体では全てのガスが反応するわ
けではなく、もとから余分にガスを供給している。この
ため余ったガスは排ガスとして燃料電池本体から排出さ
れ、燃焼器に導かれて燃焼させられる。この燃焼器にお
ける燃焼により発熱した熱は改質器に供給されるが、そ
の燃焼器の出口ガス温度を目標管理温度に制御するため
に、従来は燃焼器へ供給する空気の流量を制御していた
（たとえば、特開平８−２７３６８５号公報、特開平１
０−１０６６０７号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池システムの燃
焼器に供給される燃料の一つには、燃料電池システム自
体で生成した水素リッチな改質ガスを含む排ガス、すな
わち排改質ガスがある。この排改質ガスは燃料電池シス
テムの運転状態に依存してその成分（水素とＣＯ）の濃
度が変化する。この変化は燃焼器での発熱量を変化させ
るので、結果的に燃焼器出口温度を乱し、燃料電池シス
テム全体のバランスを崩してしまう。
【０００５】また排改質ガス濃度の変化は、燃焼器出口
ガス温度を目標値に一致するように制御する系にとって
は外乱となる。この外乱は燃焼器温度制御系を不安定に
する原因になるため、制御ゲインをある程度以上大きく
できなくする。しかし制御ゲインが大きくできなけれ
ば、すなわち応答性能が悪化することになる。
【０００６】ところが、従来の燃料電池システムにおけ
る制御では、このような改質ガスの成分濃度変化にとも
なう外乱の影響が考慮されていなかった。そのため制御
ゲインが大きくとれず、応答性能を犠牲しなければなら
ない問題点があった。
【０００７】ところで、排改質ガスの成分濃度はリアル
タイム計測が困難である。そのため、これをカバーする
ためには濃度推定器を持ち、その出力を反映して制御操
作量を算出する方法が考えられる。しかしなが、現実に
採用できる濃度推定器では、現実の成分濃度に対してズ
レを生じるを避けられない。このズレは非測定な外乱と
なる。
【０００８】通常、非測定外乱の影響による制御偏差を
取り除くためには、積分制御装置を取り付ける方法が考
えられる。しかし、この方法においても、制御応答性能
が悪化してしまう。なぜならば、濃度推定器のズレによ
る外乱の影響を打ち消そうとするために積分制御器の積
分項が大きくなり、これによって制御偏差は小さくなる
が、目標温度が変化した場合に目標温度に直ちに追従す
る応答性能を悪化させる原因になるからである。
【０００９】本発明は、このような技術的課題に鑑みて
なされたもので、排改質ガス成分濃度推定器を採用する
ことによって排改質ガスの成分濃度変化に伴う外乱の影
響を抑制した制御ができ、しかも排改質ガス成分濃度推
定器のズレによって引き起こされる外乱の影響も抑制し
た制御をすることにより、従来問題となっていた制御応
答性能の悪化を低減することができる燃料電池システム
を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池システ
ムは、積分器の積分量に応じて排改質ガス成分濃度推定
器のパラメータを更新するようにしたことを特徴とす
る。
【００１１】さらに具体的には、請求項１の発明は、燃
料を改質する改質器と、前記改質器へ熱を供給するため
の燃焼器と、空気供給装置と、前記改質器で改質された
改質ガスと前記空気供給装置から供給される空気中の酸
素とを反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料電
池本体で使用されて残った空気及び改質ガスである排空
気と排改質ガスとを前記燃焼器へ戻して燃焼させる排ガ
ス供給系とを備えた燃料電池システムにおいて、所定の
パラメータを用いた演算により前記燃料電池本体の排改
質ガス成分濃度を推定する排改質ガス成分濃度推定器
と、前記燃焼器の出口ガス温度を検出する燃焼器出口ガ
ス温度検出装置と、前記排改質ガス成分濃度推定器の出
力と前記燃焼器出口ガス温度検出装置の出力とに基づい
て、前記燃焼器の出口ガス温度を目標値に一致するよう
に制御する燃焼器温度制御器と、前記燃焼器温度制御器
で算出する制御操作量に基づいて、前記排改質ガス成分
濃度推定器のパラメータの修正の要否を判定をする排改
質ガス成分濃度推定器パラメータ修正判定部と、前記排
改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正判定部が前記パ
ラメータの修正が必要と判断した場合に前記パラメータ
の修正量を算出する排改質ガス成分濃度推定器パラメー
タ修正量算出部とを備えたものである。
【００１２】この請求項１の発明の燃料電池システムで
は、排改質ガス成分濃度推定器によって所定のパラメー
タを用いた演算により燃料電池本体の排改質ガス成分濃
度を推定する。そして、燃焼器温度制御器がこの排改質
ガス成分濃度推定器の出力と燃焼器出口ガス温度検出値
とに基づいて、燃焼器の出口ガス温度を目標値に一致す
るように制御する。この制御において、排改質ガス成分
濃度推定器パラメータ修正判定部が燃焼器温度制御器で
算出する制御操作量に基づいて、排改質ガス成分濃度推
定器のパラメータの修正の要否を判定し、当該パラメー
タの修正が必要と判断した場合には、排改質ガス成分濃
度推定器パラメータ修正量算出部が当該パラメータの修
正量を算出し、前記排改質ガス成分濃度推定器に与え
る。これにより、排改質ガス成分濃度推定器は修正され
たパラメータを用いて燃料電池本体の排改質ガス成分濃
度を推定する。
【００１３】請求項２の発明は、請求項１の燃料電池シ
ステムにおいて、前記排改質ガス成分濃度推定器パラメ
ータ修正判定部が前記目標温度と前記燃焼器出口ガス温
度検出装置の出力との温度偏差を積分し、当該積分演算
量が所定の上下限値を越えた場合に前記排改質ガス成分
濃度推定器にズレが生じていると判断するものである。
【００１４】この請求項２の発明の燃料電池システムで
は、排改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正判定部が
目標温度と燃焼器出口ガス温度検出値との温度偏差を積
分し、当該積分演算量が所定の上下限値を越えた場合に
排改質ガス成分濃度推定器にズレが生じていると判断
し、これによって排改質ガス成分濃度推定器パラメータ
修正器が排改質ガス成分濃度推定器が用いるパラメータ
を修正する。
【００１５】請求項３の発明は、請求項１又は２の燃料
電池システムにおいて、前記排改質ガス成分濃度推定器
が前記改質ガス流量検出装置の出力と、前記改質ガス温
度検出装置の出力と、前記圧力検出装置の出力と、前記
発電電力検出装置の出力とに基づいて、前記排改質ガス
の水素成分濃度を推定するものである。
【００１６】請求項４の発明は、請求項１又は２の燃料
電池システムにおいて、前記排改質ガス成分濃度推定器
が前記改質ガス流量検出装置の出力と、前記改質ガス温
度検出装置の出力と、前記圧力検出装置の出力と、前記
発電電力検出装置の出力とに基づいて、前記排改質ガス
のＣＯ成分濃度を推定するものである。
【００１７】請求項５の発明は、請求項１の燃料電池シ
ステムにおいて、前記燃焼器温度制御器が前記排改質ガ
ス成分濃度推定器の出力と前記燃焼器の出口ガス温度と
を関係づける関数によって制御ゲインを算出するもので
ある。
【００１８】
【発明の効果】本発明の燃料電池システムでは、積分項
が予め設定しておいた所定の上下限値を越えた場合に
は、排改質ガス成分濃度推定器にズレが生じていると判
断して濃度推定器のパラメータを修正し、こうして濃度
推定器のズレを修正することによって積分項が大きくな
るのを防ぎ、積分器の負担を減らして燃料電池システム
の応答性能の悪化を低滅することを基本原理としてい
る。
【００１９】一般に、燃料電池システムの燃焼器は排改
質ガスの成分濃度によってプロセスゲインが異なる特性
を持つ。そこで制御応答性能を最適にするためには排改
質ガスの濃度変化に応じて燃焼器温度制御器の制御ゲイ
ンを変化させる必要があり、そのためには、排改質ガス
の成分濃度を推定する必要がある。
【００２０】そこで本発明の燃料電池システムでは、排
改質ガス成分濃度推定器の出力に応じて燃焼器温度制御
器の制御ゲインを算出して制御応答性能の悪化を低減で
きるようにしたのである。
【００２１】さらに排改質ガス成分濃度推定器の濃度推
定値のズレが大きいままだと、燃焼器温度制御器の制御
偏差をゼロにしようとする積分演算項が大きな値になっ
てしまう。このことが温度目標値が変化したときに制御
応答性能を悪化させる原因になる。
【００２２】そこで本発明の燃料電池システムでは、燃
焼器温度制御器の積分演算量が所定の上下限値を越えた
場合には排改質ガス成分濃度推定器にズレが生じている
と判断して、排改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正
量算出部でパラメータ修正量を算出して排改質ガス成分
濃度推定器のパラメータを修正することにより、排改質
ガス成分濃度推定器のズレによる制御応答性能の悪化を
低減するのである。
【００２３】特に、請求項１の発明の燃料電池システム
によれば、排改質ガス成分濃度推定器の出力と燃焼器出
口ガス温度検出値とに基づいて、燃焼器出口ガス温度を
目標値に制御するため、燃焼器出口ガス温度を目標値に
制御する。そして燃焼器温度制御器で算出する制御操作
量に基づいて排改質ガス成分濃度推定器のパラメータの
修正の要否を判定し、パラメータの修正が必要と判断し
た場合にはパラメータ修正量を算出して排改質ガス成分
濃度推定器のパラメータを修正する。
【００２４】これにより、燃焼器に供給される排改質ガ
スの濃度が変化した場合に、燃焼器温度制御器において
燃焼器出口ガス温度が目標温度と偏差をゼロにしようと
算出する演算項の負担を低減することができ、この結果
として、目標温度が変わった場合に直ちに目標温度に追
従させることができ、燃焼器温度制御器の応答性能を向
上させることができ、ひいては燃料電池システムの応答
性能を向上させることができる。
【００２５】請求項２の発明の燃料電池システムによれ
ば、燃焼器温度制御器の積分演算量が所定の上下限値を
越えた場合に排改質ガス成分濃度推定器にズレが生じて
いると判断してパラメータを修正することができ、応答
性能を維持しつつ精度の良い制御ができる。
【００２６】請求項３の発明の燃料電池システムによれ
ば、排改質ガスの水素成分濃度をリアルタイムに推定す
ることができる。
【００２７】請求項４の発明の燃料電池システムによれ
ば、排改質ガスのＣＯ成分濃度をリアルタイムに推定す
ることができる。
【００２８】請求項５の発明の燃料電池システムによれ
ば、排改質ガス成分濃度推定器の出力と燃焼器出口ガス
温度と関連づける関数によって燃焼器温度制御器の制御
ゲインを算出することにより、演算負荷を軽減して応答
性能を向上させ、かつ制御精度も向上させることができ
る。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の
システム構成を示している。この実施の形態の燃料電池
システムは、燃料を改質する改質器１、改質器へ熱を供
給するための燃焼器２、空気供給装置３、改質器１で改
質された改質ガスと空気供給装置３から供給される空気
中の酸素とを反応させて発電する燃料電池本体４、この
燃料電池本体４で使用されて残った空気及び改質ガスで
ある排空気と排改質ガスとを燃焼器２へ戻して燃焼させ
る排ガス供給系５を備えている。改質器１は改質器蒸発
部１−１と改質器改質触媒部１−２から構成されてい
る。空気供給装置３は本実施の形態ではコンプレッサで
ある。燃料電池本体４の発電出力は負荷６に接続され
る。
【００３０】燃料電池システムはさらに、改質器１から
燃料電池本体４に供給される改質ガスの温度を検出する
改質ガス温度検出装置１１、燃料電池本体４に供給され
る改質ガスの流量を検出する改質ガス流量検出装置１
２、燃料電池本体４に供給される改質ガスの圧力を検出
する圧力検出装置１３、燃料電池本体４が出力する発電
電力を検出する発電電力検出装置１４、燃焼器２の出口
ガス温度を検出する燃焼器出口ガス温度検出装置１５、
空気供給装置３から燃料電池本体４に供給される空気の
流量を検出する空気流量検出装置１６、そして空気の圧
力を検出する空気圧力検出装置１７、そして発電電力検
出装置１４の出力と改質ガス流量検出装置１２の出力と
から排改質ガス量を算出する排改質ガス量算出器１８を
備えている。
【００３１】燃料電池システムはさらに、改質ガス温度
検出装置１１の出力、改質ガス圧力検出装置１３の出力
及び排改質ガス量算出器１８の出力を入力し、所定のパ
ラメータ記憶装置（図示せず）に登録されているパラメ
ータを用いた演算により燃料電池本体４の排改質ガス成
分濃度を推定する排改質ガス成分濃度推定器２１、この
排改質ガス成分濃度推定器２１の出力と燃焼器出口ガス
温度検出装置１５の出力とに基づいて、燃焼器２の出口
ガス温度を目標値に一致するように制御する燃焼器温度
制御器２２、この燃焼器温度制御器２２により制御され
る燃焼器燃料流量制御弁２３を備えている。
【００３２】さらにこの燃料電池システムは、改質器１
に対する燃料供給量の目標値を算出する目標流量算出器
２５、この目標値に一致するように水供給量、メタノー
ル供給量の制御量を求める流量制御器２６，２７、これ
らの流量制御器２６，２７によって水流量、メタノール
流量を制御する流量制御弁２８，２９、空気圧力検出装
置１７の出力により排空気圧力の制御量を演算する圧力
制御器３２、改質ガス流量検出装置１２の出力により排
改質ガス圧力の制御量を演算する圧力制御器３３、これ
らの圧力制御器３２，３３により排ガス供給系の圧力を
調整する圧力調整弁３４，３５、空気供給装置３を制御
する空気流量制御装置３６を備えている。
【００３３】以下、上記構成の燃料電池システムの動作
を説明する。改質器１の蒸発部１−１では、ここに供給
される燃料を燃焼器２から供給される熱を使って蒸発さ
せる。蒸発部１−１で蒸気となった燃料は改質触媒部１
−２へ導かれて改質される。この改質器１へ供給される
燃料には水とメタノールが使用され、それぞれ水タンク
４１、メタノールタンク４２から流量制御弁２８，２９
を通して改質器１へ供給される。目標流量算出器２５
は、燃料電池本体３で要求する電力を発電するのに必要
な水とメタノールの流量を算出する。この目標流量算出
器２５で算出した流量をそれぞれ水とメタノールの目標
流量として流量制御器２６，２７に入力する。
【００３４】流量制御器２６，２７ではそれぞれの目標
流量から流量制御弁２８，２９の目標開度を算出してそ
れぞれの弁開度を制御する。
【００３５】改質器１で改質生成された改質ガスは燃料
電池本体４へ導かれる。燃料電池本体４では空気供給装
置３から供給される空気中の酸素と改質ガス中の水素成
分を反応させて発電する。この燃料電池本体４で発電さ
れた電流はバッテリあるいはモータのような負荷６で消
費される。
【００３６】排改質ガス量算出器１８は、燃料電池本体
４で消費した水素量を燃料電池本体４で発電した電力量
から算出して、この算出値と改質ガス流量検出装置１２
の出力とから排改質ガス量を算出する。
【００３７】燃料電池本体４で消費されなかった改質ガ
スと空気は排ガスとして排出される。排ガスのうち、排
改質ガスは圧力調整弁３５を通して排出され、排空気は
圧力調整弁３４を通して排出される。
【００３８】圧力調整弁３５は改質器１から燃料電池本
体４までの改質ガス系の圧力を調整する役割がある。そ
してこの弁３５の開度は、改質ガス圧力検出装置１３の
出力と目標圧力を圧力制御器３３へ入力して弁開度を算
出し、目標圧力になるように圧力調整弁３５の弁開度を
制御する。
【００３９】圧力調整弁３４は空気供給装置３から燃料
電池本体４までの空気系の圧力を調整する役割がある。
そしてこの弁３４の開度は、空気系圧力検出装置１７の
出力と目標圧力を圧力制御器３２へ入力して弁開度を算
出し、目標圧力になるように圧力調整弁３４の弁開度を
制御する。
【００４０】空気流量制御装置３６は、燃料電池本体３
に供給する空気の流量を制御する役割があり、空気流量
検出装置１６の出力と目標空気流量を入力して、コンプ
レツサ回転数を算出し、目標流量になるように空気供給
装置３としてのコンプレッサの回転数を制御する。
【００４１】排空気と排改質ガスは排ガス供給系５を通
って燃焼器２へ戻され、燃焼される。この燃焼器２の燃
焼熱は改質器１における改質反応のために使われる。排
改質ガス成分濃度推定器２１は、改質ガス温度検出装置
１１の出力と改質ガス圧力検出装置１３の出力と排改質
ガス量算出器１８の出力を入力して、排改質ガスの水素
成分濃度とＣＯ成分濃度を推定演算する。
【００４２】なお、本実施の形態では排改質ガス流量算
出器１８の出力を使っているが、これに代えて、改質ガ
ス流量検出装置１２の出力と発電電力検出装置１４の出
力とを直接使って排改質ガスの成分濃度推定演算を行う
構成にしてもよい。
【００４３】燃焼器温度制御部２２は、燃焼器２の出口
温度を目標温度に制御する役割がある。そのため燃焼器
温度制御器２２は、排改質ガス成分濃度推定器２１の出
力と燃焼器出口ガス温度検出装置１５の出力と目標温度
を入力して制御操作量を算出する。この制御操作量は燃
焼器燃料流量制御弁２３に送られ、弁開度を制御する。
燃焼器燃料流量制御弁２３は空気供給装置３から供給さ
れる空気の流量を制御する。
【００４４】次に本発明の特徴をなす排改質ガス成分濃
度推定器２１について、詳しく説明する。排改質ガス成
分濃度推定器２１は、図２に示す水素成分濃度推定部２
１Ａと、図３に示すＣＯ成分濃度推定部２１Ｂとを備え
ている。
【００４５】図２に示すように水素成分濃度推定部２１
Ａは次のような演算を行う。改質ガス温度検出装置１１
の出力と加算器Ａ４の出力を掛け算器Ａ７に入力する。
加算器Ａ４では、パラメータ記憶装置Ａ１にあらかじめ
記憶させておいたパラメータを、パラメータ修正量（排
改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６の
出力）と加算して修正する。
【００４６】改質ガス流量検出装置１２の出力と加算器
Ａ５の出力を掛け算器Ａ８に入力する。加算器Ａ５で
は、パラメータ記憶装置Ａ２にあらかじめ記憶させてお
いたパラメータを、パラメータ修正量（排改質ガス成分
濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６の出力）と加算
して修正する。また発電電力検出装置１４の出力と加算
器Ａ６の出力を掛け算器Ａ９に入力する。加算器Ａ６で
は、パラメータ記憶装置Ａ３にあらかじめ記憶させてお
いたパラメータを、パラメータ修正量（排改質ガス成分
濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６の出力）と加算
して修正する。
【００４７】さらに改質ガス圧力検出装置１３の出力と
加算器Ａ１２の出力を掛け算器Ａ１３に入力する。加算
器Ａ１２では、パラメータ記憶装置Ａ１１にあらかじめ
記憶させておいたパラメータを、パラメータ修正量（排
改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６の
出力）と加算して修正する。そして掛け算器Ａ７、Ａ
８，Ａ９，Ａ１３の出力は加算器Ａ１０に入力され、こ
の加算器Ａ１０の出力が水素成分濃度の推定値として出
力される。
【００４８】なお、本実施の形態では、パラメータ記憶
装置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ１１にあらかじめ記憶させて
おくパラメータ値は、あらかじめラボ試験を繰り返して
導出されたものである。このラボ試験では、排改質ガス
を時系列にサンプリングしてガス分析装置で水素成分濃
度を測定する。このデータと別途データ記憶装置に記憶
させておいた改質ガス温度検出装置１１の出力と、排改
質ガス量算出器１８の出力（あるいは、これに使用する
改質ガス流量検出装置１２の出力及び発電電力検出装置
１４の出力）と、改質ガス圧力検出装置１３の出力から
水素成分濃度を推定する関数を作成する。この関数の作
成方法としては、一般には最小２乗法を使った回帰分析
による線形予測方法が知られているが、ニューラルネッ
トワークなどの非線形手法を使うこともできる。そして
本実施の形態では回帰分析での多重供線性の問題を解消
して高い予測精度が得られることが知られている部分最
小２乗法（ＰＬＳ：Ｐａｒｔｉａｌ Ｌｅａｓｔ Ｓｑ
ｕａｒｅｓ）を使った。
【００４９】同様にして図３に示すように排改質ガスの
ＣＯ成分濃度推定部２１Ｂは次のような演算を行う。改
質ガス温度検出装置１１の出力と加算器Ｂ４の出力を掛
け算器Ｂ７に入力する。加算器Ｂ４では、パラメータ記
憶装置Ｂ１にあらかじめ記憶させておいたパラメータ
を、パラメータ修正量（排改質ガス成分濃度推定器パラ
メータ修正量算出部Ｃ６の出力）と加算して修正する。
また改質ガス流量検出装置１２の出力と加算器Ｂ５の出
力を掛け算器Ｂ８に入力する。加算器Ｂ５では、パラメ
ータ記憶装置Ｂ１にあらかじめ記憶させておいたパラメ
ータを、パラメータ修正量（排改質ガス成分濃度推定器
パラメータ修正量算出部Ｃ６の出力）と加算して修正す
る。
【００５０】発電電力量検出装置１４の出力と加算器Ｂ
６の出力を掛け算器Ｂ９に入力する。加算器Ｂ６では、
パラメータ記憶装置Ｂ３にあらかじめ記憶させておいた
パラメータを、パラメータ修正量（排改質ガス成分濃度
推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６の出力）と加算して
修正する。さらに改質ガス圧力検出装置１３の出力と加
算器Ｂ１２の出力を掛け算器Ｂ１３に入力する。加算器
Ｂ１２では、パラメータ記憶装置Ｂ１１にあらかじめ記
憶させておいたパラメータを、パラメータ修正量（排改
質ガス成分濃度推定器パラメータ修正量算出部段Ｃ６の
出力）と加算して修正する。
【００５１】そして掛け算器Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，
Ｂ１２の出力は加算器Ｂ１０に入力され、この加算器Ｂ
１０の出力がＣＯ成分濃度の推定値として出力される。
なお、パラメータ記憶装置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ１１に
あらかじめ記憶させておくパラメータ値は、上記と同様
にあらかじめラボ試験を繰り返して導出されたものであ
る。
【００５２】次に燃焼器温度制御器２２の動作を図４に
基づいて説明する。燃焼器出口ガス温度検出装置１５の
出力と目標温度設定値Ｃ２を減算器Ｃ１に入力する。こ
こでは、（目標温度設定値Ｃ２−燃焼器出口ガス温度検
出装置１５の出力）を計算する。この出力は燃焼器目標
温度との偏差になる。
【００５３】減算器Ｃ１の出力は比例項演算器Ｃ３と積
分項演算器Ｃ４に入力される。ここでは、本装置がデジ
タル制御器構成のため、遅延器Ｃ９で１サンプル時間だ
け遅延させた減算器Ｃ１の出力も比例項演算器Ｃ３に入
力させる。
【００５４】比例項演算器Ｃ３では減算器Ｃ１の出力に
比例する制御操作量を算出する。このＣ３の動作は図５
に示してある。すなわち、排改質ガス成分濃度推定器２
１の出力を比例制御ゲイン算出器Ｄ１に入力して、あら
かじめ実験的に決定された関数ｆ１によって変換して制
御ゲインを算出する。この関数ｆ１は排改質ガス濃度と
燃焼器温度のプロセスゲインを関連づけるマップ関数と
して登録されている。
【００５５】減算器Ｄ２では、減算器Ｃ１の出力と１サ
ンプル時間だけ遅延させた遅延器Ｃ９の出力との差を演
算して、その結果を掛け算器Ｄ３に入力する。この掛け
算器Ｄ３では、比例制御ゲイン算出器Ｄ１の出力と減算
器Ｄ２の出力を掛け算して出力する。これが比例項演算
器Ｃ３の出力となる。
【００５６】図４における積分項演算器Ｃ４では減算器
Ｃ１の出力を積分する制御操作量を算出する。この積分
項演算部Ｃ４の動作は図６に示してある。すなわち、排
改質ガス成分濃度推定器２１の出力を積分制御ゲイン算
出器Ｅ１に入力して、あらかじめ実験的に決定された関
数ｆ２によって変換して制御ゲインを算出する。この関
数ｆ２も排改質ガス濃度と燃焼器温度のプロセスゲイン
を関連づけるマップ関数として登録されている。
【００５７】掛け算器Ｅ２では、積分制御ゲイン算出器
Ｅ１の出力と減算器Ｃ１の出力を掛け算して出力する。
これが積分項演算器Ｃ４の出力となる。
【００５８】図４に戻り、上記のようにして出力される
比例項演算器Ｃ３の出力と積分項演算器Ｃ４の出力は加
算器Ｃ７に入力される。加算器Ｃ７の出力と、遅延器Ｃ
１０で１サンプル時間遅延させた加算器Ｃ７の出力とが
次の加算器Ｃ１１に入力される。そして加算器Ｃ１１の
加算結果は非線形操作量算出部Ｃ８に入力され、非線形
制御操作量が算出され、燃焼器燃料流量制御弁２３に出
力されて、この弁開度が制御される。
【００５９】排改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正
判定部Ｃ５は、比例項演算器Ｃ３の出力が所定の小さな
値以下で、かつ積分項演算器Ｃ４の出力がゼロでなく、
かつ加算器Ｃ１１の出力が所定の上下限値を超えた場
合、これは積分演算量が所定の上下限値を越えた場合で
あるため、排改質ガス成分濃度推定器２１にズレが生じ
ていると判断する。
【００６０】排改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正
判定部Ｃ５の出力は排改質ガス成分濃度推定器パラメー
タ修正量算出部Ｃ６に送られ、ここでは燃焼器出口ガス
温度が目標値に近づく方向に濃度推定器２１のパラメー
タ修正量を算出する。このパラメータ修正量算出部Ｃ６
の出力は前に説明した排改質ガス成分濃度推定器２１に
入力されて、排改質ガス成分濃度推定器２１の初期パラ
メータ（図２のＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ１１，図３のＢ
１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ１１）を修正して記憶させる。
【００６１】たとえば加算器Ｃ１１の出力がプラスなら
ば、温度を下げようとする制御操作であることを意味す
る。なぜなら、本実施の形態では燃焼器２への空気流量
を制御するが、この空気流量を増加させると温度が下が
る特性を持つからである。したがって、加算器Ｃ１１の
出力がプラスならば温度が高めにズレているので、この
場合には、さらに温度が下がるように制御操作量を算出
するように排改質ガス成分濃度推定器２１のパラメータ
を修正するのである。
【００６２】なお、本実施の形態では所定の小さな変化
量だけパラメータが変化するようにした。そしてパラメ
ータを変化させて温度と制御操作量が期待する方向と逆
に変化した場合には、排ガス濃度推定器のパラメータを
変化させる方向を適宜反転させるようにした。
【００６３】上記の非線形操作量算出部Ｃ８は次のよう
にして非線形操作量を算出する。ここでは、燃焼器モデ
ルと排改質ガス成分濃度推定器２１の出力と燃焼器出口
ガス温度検出装置１５の出力を使って非線形制御操作量
を算出する。
【００６４】たとえば次のように計算する。燃焼器モデ
ルを、
【数１】ｄＴ／ｄｔ＝ｐ１（Ｔ）＊（排改質ガス成分濃
度推定器２１の水素成分出力（Ａ１３の出力））＋ｐ２
（Ｔ）＊（排改質ガス成分濃度推定器２１のＣＯ成分出
力（Ｂ１３の出力））＋ｐ３（Ｔ）＊（燃焼器２に入力
する空気流量）＋ｐ４（Ｔ）で表す。
【００６５】ただし、ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４は非線形
モデルパラメータである。そして、Ｔは燃焼器出口ガス
温度検出装置１５の出力である。
【００６６】この燃焼器モデルから非線形制御操作量は
次のように計算する。
【００６７】
【数２】ｕ＝（加算器Ｃ１１の出力）−ｂ１＊Ｔ−ｂ２
＊｛ｐ１（Ｔ）＊（Ａ１３の出力）＋（ｐ２（Ｔ）＊
（Ｂ１３の出力）＋ｐ４（Ｔ）／（ｂ１＊ｐ３
（Ｔ））｝ ここでｂ１、ｂ２は適当な調整パラメータである。また
Ｔは燃焼器出口ガス温度検出装置１５の出力である。
【００６８】以上の燃料電池システムの基本的な構成
は、図７に示すものである。これについて説明する。こ
の燃料電池システムは、燃料を改質する改質器１と、改
質器１へ熱を供給するための燃焼器２と、空気供給装置
３と、改質器１で改質された改質ガスと空気供給装置３
から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃
料電池本体４と、この燃料電池本体４で使用されて残っ
た空気及び改質ガスである排空気と排改質ガスとを燃焼
器２へ戻して燃焼させる排ガス供給系５とを備えさら
に、燃料電池本体４の排改質ガス成分濃度を推定する排
改質ガス成分濃度推定器２１と、この排改質ガス成分濃
度推定器２１の出力と燃焼器出口ガス温度検出装置１５
の出力とに基づいて、燃焼器２の出口ガス温度を目標値
に一致するように制御する燃焼器温度制御器２２と、こ
の燃焼器温度制御器２２で算出する制御操作量に基づい
て、排改質ガス成分濃度推定器２１のパラメータの修正
の要否を判定をする排改質ガス成分濃度推定器パラメー
タ修正判定部Ｃ５と、この排改質ガス成分濃度推定器パ
ラメータ修正判定部Ｃ５がパラメータの修正が必要と判
断した場合に、パラメータの修正量を算出する排改質ガ
ス成分濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６とを備え
た構成である。
【００６９】こうして、この実施の形態によれば、積分
項が予め設定しておいた所定の上下限値を越えた場合に
は、排改質ガス成分濃度推定器２１にズレが生じている
と判断して濃度推定器２１のパラメータを修正し、濃度
推定器２１のズレを修正することによって積分項が大き
くなるのを防ぎ、積分器の負担を減らして燃料電池シス
テムの応答性能の悪化を低滅することができる。
【００７０】また一般に、燃料電池システムの燃焼器２
は排改質ガスの成分濃度によってプロセスゲインが異な
る特性を持つ。そこで制御応答性能を最適にするために
は排改質ガスの濃度変化に応じて燃焼器温度制御器２２
の制御ゲインを変化させる必要があり、そのためには、
排改質ガスの成分濃度を推定する必要がある。そこで本
実施の形態では、排改質ガス成分濃度推定器２１の出力
に応じて燃焼器温度制御器２２の制御ゲインを算出して
制御応答性能の悪化を低減するようにしたのである。
【００７１】さらに排改質ガス成分濃度推定器２１の濃
度推定値のズレが大きいままだと、燃焼器温度制御器２
２の制御偏差をゼロにしようとする積分演算項が大きな
値になってしまい、このことが温度目標値が変化したと
きに制御応答性能を悪化させる原因になる。そこで本実
施の形態では、燃焼器温度制御器２２の積分演算量が所
定の上下限値を越えた場合には排改質ガス成分濃度推定
器２１にズレが生じていると判断して、排改質ガス成分
濃度推定器パラメータ修正量算出部Ｃ６でパラメータ修
正量を算出して排改質ガス成分濃度推定器２１のパラメ
ータを修正することにより、排改質ガス成分濃度推定器
２１のズレによる制御応答性能の悪化を低減するように
したのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のシステム構成を示
すブロック図。
【図２】上記の実施の形態における排改質ガス成分濃度
推定器の水素成分濃度演算部の構成を示すブロック図。
【図３】上記の実施の形態における排改質ガス成分濃度
推定器のＣＯ成分濃度演算部の構成を示すブロック図。
【図４】上記の実施の形態における燃焼器温度制御器の
構成を示すブロック図。
【図５】上記の実施の形態における燃焼器温度制御器内
の比例項演算部の構成を示すブロック図。
【図６】上記の実施の形態における燃焼器温度制御器内
の積分項演算部の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図。
【符号の説明】
１ 改質器 ２ 燃焼器 ３ 空気供給装置 ４ 燃料電池本体 ５ 排ガス供給系 ６ 負荷 １１ 改質ガス温度検出装置 １２ 改質ガス流量検出装置 １３ 圧力検出装置 １４ 発電電力検出装置 １５ 燃焼器出口ガス温度検出装置 １６ 空気流量検出装置 １７ 空気圧力検出装置１７ ２１ 排改質ガス成分濃度推定器 ２２ 燃焼器温度制御器 ２３ 燃焼器燃料流量制御弁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料を改質する改質器と、前記改質器へ
    熱を供給するための燃焼器と、空気供給装置と、前記改
    質器で改質された改質ガスと前記空気供給装置から供給
    される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池本
    体と、前記燃料電池本体で使用されて残った空気及び改
    質ガスである排空気と排改質ガスとを前記燃焼器へ戻し
    て燃焼させる排ガス供給系とを備えた燃料電池システム
    において、 所定のパラメータを用いた演算により前記燃料電池本体
    の排改質ガス成分濃度を推定する排改質ガス成分濃度推
    定器と、 前記燃焼器の出口ガス温度を検出する燃焼器出口ガス温
    度検出装置と、 前記排改質ガス成分濃度推定器の出力と前記燃焼器出口
    ガス温度検出装置の出力とに基づいて、前記燃焼器の出
    口ガス温度を目標値に一致するように制御する燃焼器温
    度制御器と、 前記燃焼器温度制御器で算出する制御操作量に基づい
    て、前記排改質ガス成分濃度推定器のパラメータの修正
    の要否を判定をする排改質ガス成分濃度推定器パラメー
    タ修正判定部と、 前記排改質ガス成分濃度推定器パラメータ修正判定部が
    前記パラメータの修正が必要と判断した場合に前記パラ
    メータの修正量を算出する排改質ガス成分濃度推定器パ
    ラメータ修正量算出部とを備えて成る燃料電池システ
    ム。
  2. 【請求項２】 前記排改質ガス成分濃度推定器パラメー
    タ修正判定部は、前記目標温度と前記燃焼器出口ガス温
    度検出装置の出力との温度偏差を積分し、当該積分演算
    量が所定の上下限値を越えた場合に前記排改質ガス成分
    濃度推定器のパラメータの修正が必要と判断することを
    特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 前記燃料電池本体に供給される改質ガス
    の温度を検出する改質ガス温度検出装置と、前記燃料電
    池本体に供給される改質ガスの流量を検出する改質ガス
    流量検出装置と、前記燃料電池本体が出力する発電電力
    を検出する発電電力検出装置と、前記燃料電池本体に供
    給される改質ガスの圧力を検出する圧力検出装置とを備
    え、 前記排改質ガス成分濃度推定器は、前記改質ガス流量検
    出装置の出力と前記改質ガス温度検出装置の出力と前記
    圧力検出装置の出力と前記発電電力検出装置の出力とに
    基づいて、前記排改質ガスの水素成分濃度を推定するこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システ
    ム。
  4. 【請求項４】 前記燃料電池本体に供給される改質ガス
    の温度を検出する改質ガス温度検出装置と、前記燃料電
    池本体に供給される改質ガスの流量を検出する改質ガス
    流量検出装置と、前記燃料電池本体が出力する発電電力
    を検出する発電電力検出装置と、前記燃料電池本体に供
    給される改質ガスの圧力を検出する圧力検出装置とを備
    え、 前記排改質ガス成分濃度推定器は、前記改質ガス流量検
    出装置の出力と前記改質ガス温度検出装置の出力と前記
    圧力検出装置の出力と前記発電電力検出装置の出力とに
    基づいて、前記排改質ガスのＣＯ成分濃度を推定するこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システ
    ム。
  5. 【請求項５】 前記燃焼器温度制御器は、前記排改質ガ
    ス成分濃度推定器の出力と前記燃焼器の出口ガス温度と
    を関係づける関数によって制御ゲインを算出することを
    特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
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