JP2001338669A - 燃料電池システムおよび改質器の温度制御方法 - Google Patents
燃料電池システムおよび改質器の温度制御方法Info
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Abstract
答性が良好な燃料電池システムを提供する。 【解決手段】酸化剤供給手段51から供給される酸化剤
の総流量、改質器52へ供給される酸化剤流量、燃料電
池本体54のアノード側圧力および燃料電池本体のカソ
ード側圧力の制御要因を非干渉制御するとともに、一酸
化炭素除去手段57への酸化剤流量を酸化剤の総流量に
対して外乱補償する。
Description
および改質器の温度制御方法に関し、特に改質器の温度
制御の応答性が良好な燃料電池システムおよび応答性に
優れた改質器の温度制御方法に関する。
の炭化水素原料を改質反応させて水素濃度の高い改質ガ
スを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガス
と、これとは別にコンプレッサなどの空気供給装置から
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、メタノールなどの炭化水素原料を加熱し
て蒸発させるための熱を原料蒸発部へ供給する燃焼器
と、が主な構成要素とされる。そして、原料蒸発部にて
蒸発した原燃料は、改質器内部に設けられた改質反応を
行う触媒に導かれ、これにより水素濃度の高い改質ガス
が生成される。
は、水素濃度の高い改質ガスを生成する水蒸気改質反応
(吸熱反応)と、この水蒸気改質反応に必要な熱量を賄
うための部分酸化反応(発熱反応)との両方の反応が進
行するが、このとき、改質反応全体の温度を高くするた
めには、発熱反応である部分酸化反応を促進させる。す
なわち、改質器内部の触媒において、改質ガスを生成す
る水蒸気改質反応が占める割合を相対的に小さくする。
には、吸熱反応である水蒸気改質反応を促進させて部分
酸化反応が改質器内部の触媒上で占める割合を相対的に
小さくする。
上で占める割合は、改質器に供給する酸化剤の量によっ
て変化させることができる。酸化剤は、改質器とは別に
設けられた空気供給装置から供給される空気中の酸素ガ
スが一般的に使用されるため、この空気の流量を制御す
ることで改質器の温度を制御することができる。
センサにより測定した改質器の温度が目標とする温度に
なるように、空気供給装置の操作量を算出して、空気供
給装置を制御するものが、たとえば特開平7−2968
34号公報にて報告されている。
ためのバルブを設け、温度センサにより測定した改質器
の温度が目標とする温度になるように、バルブ開度を制
御するものが、たとえば特開平11−130403号公
報にて報告されている。
は圧力をかけて運転されるため、上述した従来の制御方
法では、改質器へ流入する空気流量が目標空気流量に到
達するまでに時間がかかり、改質器の温度制御の応答性
が悪いという問題がある。
れた圧力調整バルブによって制御されるが、空気供給装
置あるいは空気流量調整バルブの開度を調整して空気の
流量を増減させると、改質器内部の圧力も変化すること
になる。これを受けて改質器内部の圧力を一定に保つた
めに、圧力調整バルブを再調整する必要が生じ、さらに
このことでまた改質器内部の圧力が変化するので、改質
器へ流入する空気流量を再び変化させる必要が生じる。
つまり、こうした制御が延々と繰り返されるため、改質
器へ流入する空気流量が目標空気流量に到達するまでに
時間がかかり、改質器の温度制御応答が遅いという問題
が生じる。
生成された改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が高い
と燃料電池本体の触媒が被毒することから、改質器と燃
料電池本体との間に選択酸化反応により一酸化炭素を除
去する一酸化炭素除去器も設けられているが、上述した
空気供給装置はこの一酸化炭素除去器へも空気を供給し
ているので、空気流量を制御する場合には改質器だけで
なく燃料電池システム全体の影響も考慮しなければなら
ない。
慮しながら改質器への空気流量を素早く目標値に追従さ
せて改質器の温度制御応答性能を向上させる方法とし
て、燃料電池システム全体の複数の圧力と流量とを非干
渉化して制御する方法が考えられる。
圧力と流量とを非干渉化の対象とすると、非干渉化制御
ゲイン行列が大きくなり過ぎ、その結果、演算時間が著
しく長くなるという問題がある。このことは、実際のリ
アルタイムマイコンでは制御が実行できないことを意味
する。
鑑みてなされたものであり、制御演算時間が短縮でき改
質器の温度制御の応答性が良好な燃料電池システムおよ
び応答性に優れた改質器の温度制御方法を提供すること
を目的とする。
るために、本発明の第1の観点によれば、燃料電池本体
と、前記燃料電池本体に改質ガスを供給する改質器と、
前記燃料電池本体および前記改質器の間に設けられ前記
改質器により生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去
する一酸化炭素除去手段と、前記燃料電池本体、前記改
質器および前記一酸化炭素除去手段に酸化剤を供給する
酸化剤供給手段とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の負荷電力の要求値に基づいて、前記
酸化剤供給手段から供給される総酸化剤量の目標値、前
記酸化剤供給手段から前記改質器へ供給される酸化剤流
量の目標値、前記酸化剤供給手段から前記一酸化炭素除
去手段へ供給される酸化剤流量の目標値、前記燃料電池
本体のアノード側入口圧力の目標値および前記燃料電池
本体のカソード側入口圧力の目標値を算出する目標値算
出手段と、酸化剤の総流量、改質器へ供給される酸化剤
流量、アノード側圧力およびカソード側圧力の実際の値
が、前記目標値算出手段で算出されたそれぞれの目標値
になるように、これら酸化剤の総流量、改質器へ供給さ
れる酸化剤流量、アノード側圧力およびカソード側圧力
を制御する第1の制御手段と、前記第1の制御手段で算
出されたそれぞれの操作量で制御した場合に、その影響
が、酸化剤の総流量、改質器へ供給される酸化剤流量、
アノード側圧力およびカソード側圧力に対して互いに干
渉しないように、それぞれの操作量を非干渉化した操作
量に変換する非干渉制御手段と、前記一酸化炭素除去手
段へ供給される実際の酸化剤流量が前記目標値算出手段
で算出された目標値になるように、一酸化炭素除去手段
へ供給される酸化剤流量を制御する第2の制御手段と、
前記一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤流量に応じ
て総酸化剤流量をフィードフォワード補償する外乱補償
手段と、を有することを特徴とする燃料電池システムが
提供される(請求項1参照)。
料電池システムに供給する酸化剤供給手段と、前記酸化
剤供給手段より供給される酸化剤を改質器へ供給する第
1の酸化剤供給系と、前記酸化剤供給手段より供給され
る酸化剤を燃料電池本体のカソード側へ供給する第2の
酸化剤供給系と、原燃料を蒸発させた原料ガスを前記改
質器へ供給する原料ガス供給手段と、前記原料ガス供給
手段より供給される原料ガスを内部に設けられた触媒層
で改質反応させて水素含有改質ガスを生成し、前記酸化
剤供給手段より供給される酸化剤を内部に設けられた触
媒層で部分酸化反応させて前記改質反応に必要な熱量を
得る改質器と、前記改質器の後段に設けられた一酸化炭
素除去手段と、前記酸化剤供給手段より前記一酸化炭素
除去手段に酸化剤を供給する第3の酸化剤供給系と、前
記一酸化炭素除去手段を通過した改質ガスがアノード側
に供給され、前記酸化剤供給手段からの酸化剤がカソー
ド側に供給されて、発電する燃料電池本体と、前記燃料
電池本体のアノード側出口の排改質ガス系に設けられ、
アノード側の圧力を調整するアノード側圧力調整用バル
ブと、前記燃料電池本体のカソード側出口の排酸化剤系
に設けられ、カソード側の圧力を調整するカソード側圧
力調整用バルブと、前記第1の酸化剤供給系の酸化剤流
量を調整する流量調整用バルブと、前記第3の酸化剤供
給系の酸化剤流量を調整する流量調整用バルブと、を有
する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の負
荷電力の要求値に基づいて、前記酸化剤供給手段から供
給される酸化剤の総流量の目標値、前記酸化剤供給手段
から前記改質器へ供給される酸化剤流量の目標値、前記
酸化剤供給手段から前記一酸化炭素除去手段へ供給され
る酸化剤流量の目標値、前記燃料電池本体のアノード側
入口圧力の目標値および前記燃料電池本体のカソード側
入口圧力の目標値を算出する目標値算出手段と、前記酸
化剤供給手段から供給される酸化剤の総流量を検出する
酸化剤総流量検出手段と、前記改質器へ供給される酸化
剤流量を検出する改質器酸化剤流量検出手段と、前記燃
料電池本体のアノード側入口の圧力を検出するアノード
側圧力検出手段と、前記燃料電池本体のカソード側入口
の圧力を検出するカソード側圧力検出手段と、これら酸
化剤総流量検出手段、改質器酸化剤流量検出手段、アノ
ード側圧力検出手段およびカソード側圧力検出手段によ
り検出された実際の検出値が、前記目標値算出手段で算
出されたそれぞれの目標値になるように、前記酸化剤供
給手段、前記第1の酸化剤供給系の流量調整用バルブ、
アノード側圧力調整用バルブおよび前記カソード側圧力
調整用バルブをそれぞれ制御する第1の制御手段と、前
記第1の制御手段で算出されたそれぞれの操作量で、前
記酸化剤供給手段、前記第1の酸化剤供給系の流量調整
用バルブ、アノード側圧力調整用バルブおよび前記カソ
ード側圧力調整用バルブをそれぞれ制御した場合におい
て、その影響が、酸化剤の総流量、改質器へ供給される
酸化剤流量、アノード側圧力およびカソード側圧力に対
して互いに干渉しないように、非干渉化した酸化剤供給
手段の操作量と、第1の酸化剤供給系の流量調整用バル
ブの操作量と、アノード側圧力調整用バルブの操作量
と、カソード側圧力調整用バルブの操作量とのそれぞれ
に変換する非干渉制御手段と、前記一酸化炭素除去手段
へ供給される実際の酸化剤流量が前記目標値算出手段で
算出された目標値になるように、前記第3の酸化剤供給
系の流量調整用バルブを制御する第2の制御手段と、前
記一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤流量に応じて
酸化剤の総流量をフィードフォワード補償する外乱補償
手段と、を有することを特徴とする燃料電池システムが
提供される(請求項2参照)。
第2の観点によれば、酸化剤供給手段から供給される酸
化剤の総流量、改質器へ供給される酸化剤流量、燃料電
池本体のアノード側圧力および燃料電池本体のカソード
側圧力の制御要因を非干渉制御するとともに、一酸化炭
素除去手段への酸化剤流量を酸化剤の総流量に対して外
乱補償することを特徴とする改質器の温度制御方法は提
供される(請求項4参照)。
温度制御方法では、非干渉化の対象として、1酸化剤供
給手段から供給される酸化剤の総流量、2改質器へ供給
される酸化剤流量、3燃料電池本体のアノード側圧力、
4燃料電池本体のカソード側圧力、という4つの制御要
因を選択し、これら4つを非干渉制御するとともに、一
酸化炭素除去手段への酸化剤流量の変化の影響が改質器
へ及ぶ前に、この一酸化炭素除去手段への酸化剤流量を
酸化剤の総流量に対して外乱補償する。ちなみに、燃料
電池本体のカソード側へ供給される酸化剤流量は、酸化
剤供給手段から供給される酸化剤の総流量と改質器へ供
給される酸化剤流量とを制御すれば、自動的に制御する
ことができる。
ことで、非干渉化制御ゲイン行列の大きさを小さくで
き、さらに外乱補償器をシンプルに構成することができ
る。この結果、マイクロコンピュータでの演算時間が著
しく短縮できるので、改質器への酸化剤流量を目標値へ
素早く追従させて改質器温度制御応答を向上させること
ができる。
いが、前記外乱補償手段は、前記一酸化炭素除去手段へ
供給される実際の酸化剤流量と前記目標値算出手段によ
り算出された目標値との差に応じて外乱補償することが
より好ましい(請求項3参照)。
目標値と実際に一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤
の流量の差分を補正流量として算出し、これで外乱補償
することで、燃料電池システムが安定運転できるように
算出された目標値とのズレを修正しながら制御できるの
で、燃料電池システムを安定に制御することができる。
なお、一酸化炭素除去手段に供給される酸化剤の流量
は、燃料電池システムの運転状態に応じて酸化剤流量を
算出する関数でも良いし、酸化剤流量を検出するセンサ
でも良い。
ば、非干渉化対象を4つに限定することで、燃料電池シ
ステムの全ての圧力と流量とを非干渉化制御するのに比
較して、非干渉化制御ゲイン行列の大きさを小さくで
き、さらに外乱補償器をシンプルに構成することができ
る。この結果、マイクロコンピュータでの演算時間が著
しく短縮できるので、改質器への酸化剤流量を目標値へ
素早く追従させて改質器温度制御応答を向上させること
ができる。
ば、一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤の目標値と
実際に一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤の流量の
差分を補正流量として算出し、これで外乱補償すること
で、燃料電池システムが安定運転できるように算出され
た目標値とのズレを修正しながら制御できるので、燃料
電池システムを安定に制御することができる。
基づいて説明する。図1は本発明の燃料電池システムを
示すブロック図(クレーム対応図)、図2は本発明の燃
料電池システムの第1実施形態を示すブロック図、図3
は本発明の第1実施形態に係る制御手段の制御内容を説
明するためのブロック図、図4は本発明に係る一酸化炭
素除去手段で要求される空気流量を算出する関数を示す
グラフである。以下では、図1に示す上位概念の構成
と、図2に示す下位概念の構成とを対比しながら説明す
る。
示すように酸化剤を燃料電池システムに供給する酸化剤
供給手段51(図2において空気供給装置4)と、この
酸化剤供給手段51より供給される酸化剤を改質器52
(図2において改質器1,2)へ供給する第1の酸化剤
供給系53と、酸化剤供給手段51より供給される酸化
剤を燃料電池本体54(図2において燃料電池本体3)
のカソード側へ供給する第2の酸化剤供給系55と、原
燃料を蒸発させた原料ガスを改質器52へ供給する原料
ガス供給手段56(図2において流量制御弁11,1
2、水原料タンク15、メタノール原料タンク16、流
量制御器17,18)と、原料ガス供給手段56より供
給される原料ガスを内部に設けられた触媒層で改質反応
させて水素含有改質ガスを生成し、また酸化剤供給手段
51より供給される酸化剤を内部に設けられた触媒層で
部分酸化反応させて改質反応に必要な熱量を得る改質器
52と、改質器52にて生成された改質ガスに含まれた
一酸化炭素を選択酸化反応させることで除去する一酸化
炭素除去手段57(図2において一酸化炭素除去装置2
4)と、一酸化炭素除去手段57を通過した改質ガスが
アノード側に供給されるとともに酸化剤供給手段51か
らの酸化剤がカソード側に供給されて、発電する燃料電
池本体54と、燃料電池本体54のアノード側出口の排
改質ガス系58に設けられ、アノード側の圧力を調整す
るアノード側圧力調整用バルブ60(図2においてアノ
ード圧力調整弁7)と、燃料電池本体54のカソード側
出口の排酸化剤系59に設けられ、カソード側の圧力を
調整するカソード側圧力調整用バルブ61(図2におい
てカソード圧力調整弁6)とを有する。
て改質ガスを生成する蒸発部1と改質触媒部2とを含
み、蒸発部1では、当該蒸発部1に供給された原料を燃
焼器8から供給される熱を使って蒸発させる。この蒸発
部1で蒸気となった原料は改質器の改質触媒部2へ導か
れて改質される。本実施形態では、蒸発部1と改質触媒
部2を合わせて改質器と称する。
発させた原料と、空気供給装置4からの空気中の酸素と
を反応させて、発熱反応である部分酸化反応と、水素濃
度の高い改質ガスを生成する水蒸気改質反応を行う。こ
の改質器はいわゆるオートサーマル型改質器であって、
部分酸化反応による発熱の一部または全部は、水蒸気改
質反応の吸熱分を賄うために使われる。
ルとが使用され、それぞれ流量制弁11,12を通して
改質器の蒸発部1へ供給される。水の流量は流量制御弁
11で調整され、原料となる水は水原料タンク15から
供給される。同様にメタノール流量は流量制御弁12で
調整され、原料であるメタノールはメタノール原料タン
ク16から供給される。目標値算出器30は、燃料電池
本体3に対して要求される電力から必要なメタノールと
水の流量をそれぞれ算出する装置であり、ここで算出さ
れた水とメタノールの流量はそれぞれ水とメタノールの
目標流量として流量制御器17,18に入力される。そ
して、流量制御器17,18ではそれぞれの目標流量か
ら流量制御弁11,12の目標開度を算出し、それぞれ
の弁開度を制御する。
ガス中には燃料電池本体3の触媒を被毒させる一酸化炭
素が含まれていることもあるため、これを一酸化炭素除
去装置24に導くとともに、選択酸化反応のための空気
を空気供給装置4から流量制御弁25を介して当該一酸
化炭素除去装置24へ導く。このときの空気量は、空気
流量制御手段13から流量制御弁25への制御信号によ
り制御されるが、燃料電池本体3の負荷電力の要求値に
応じて一酸化炭素除去装置24への目標空気流量の目標
値を目標値算出器30にて算出し、空気流量制御手段1
3にて、負荷電力の要求値と目標値算出器30の出力値
とから流量制御弁25の目標開度を算出する。そして、
この目標開度と弁開度検出装置29の出力値との間に偏
差が生じないように、流量制御弁25の開度を制御す
る。なお、一酸化炭素除去装置24の入口に空気流量を
計測するセンサがある場合には、このセンサ出力と一酸
化炭素除去装置24への目標空気流量との間に偏差が生
じないように流量制御弁25の開度を制御するようにし
ても良い。
リッチな改質ガスは、燃料電池本体3のアノードへ導か
れる。また、燃料電池3のカソードには空気供給装置4
から空気中の酸素が供給され、この酸素成分とアノード
に供給された改質ガス中の水素成分とが反応することに
より発電する。なお、本実施形態の空気供給装置4はコ
ンプレッサである。
6で消費されるが、燃料電池本体3で消費されなかった
改質ガスと空気とはそれぞれ排ガスとして排出される。
すなわち、排改質ガスはアノード圧力調整弁7を通して
排出され、排空気はカソード圧力調整弁6を通して排出
される。このアノード圧力調整弁7は、改質器1,2か
ら燃料電池本体3までの改質ガス系の圧力を調整する機
能を有する。このアノード圧力調整弁7の開度は、燃料
電池システムの制御手段5の出力によって制御される。
気供給装置4から燃料電池本体3までの空気系の圧力を
調整する機能を有する。このカソード圧力調整弁6の開
度も、燃料電池システムの制御手段5の出力によって制
御される。
は、排ガス供給系27を通って燃焼器8で燃焼され、こ
の燃焼器8で生じた燃焼熱は改質器の蒸発部1で利用さ
れる。図2において「14」は燃焼器8の出口温度を目
標温度に制御する燃焼器温度制御器であり、燃焼器出口
ガス温度検出装置19の出力が目標温度となるように空
気供給装置4を制御して排空気から燃焼器8へ送られる
空気流量を調整する。
器で、燃料電池システムに要求される電力量に応じて、
燃料電池システム全体の温度、流量、圧力の目標値を算
出する。
形態の制御系を説明する。図2において「A1」は改質
器1,2へ流入する空気流量を制御するフィードバック
制御手段であり、改質器1,2の入口に設けられた空気
流量検出装置28の出力が、目標値算出器30で算出さ
れた目標流量になるように、改質器1,2の入口に設け
られた流量調整弁23の開度操作量を算出する。
圧力を制御するフィードバック制御手段であり、燃料電
池本体3のアノード側入口の圧力検出装置20の出力
が、目標値算出器30で算出された目標圧力になるよう
に、燃料電池本体3の出口側に設けられた圧力調整弁7
の開度操作量を算出する。
圧力を制御するフィードバック制御手段であり、燃料電
池本体3のカソード側入口の圧力検出装置22の出力
が、目標値算出器30で算出された目標圧力になるよう
に、燃料電池本体3の出口側に設けられた圧力調整弁6
の開度操作量を算出する。
総空気流量を制御するフィードバック制御手段であり、
空気供給装置4の出口に設けられた空気流量検出装置2
1の出力が、目標値算出器30で算出された目標流量に
なるように、空気供給装置4の操作量を算出する。本実
施形態は空気供給装置はコンプレッサであるので、A4
はコンプレッサの回転数の操作量を算出する。
したA1,A2,A3,A4で算出したそれぞれの出力
を非干渉化する機能を有する。たとえば、A1の制御手
段は、改質器1,2へ流れる空気流量を制御対象とし、
改質器1,2の入口に設けられた流量調整弁23の開度
を操作する。このとき、流量調整弁23の開度操作の影
響が改質器1,2に流れる空気流量にのみに影響するよ
うにして、他の制御対象であるアノード圧力、カソード
圧力および総空気流量に影響を及ぼさないようにする。
すなわち、見かけ上、流量調整弁23の開度操作から改
質器1,2に流れる空気流量までの関係が1対1になる
ようにしている。
A3,A4で算出したそれぞれのアクチュエータの操作
量を非干渉化制御ゲインで交換して、互いに干渉のない
新しい操作量に変換する。このような非干渉化制御ゲイ
ンは、現代制御理論を適用することで得ることができ
る。
される空気流量の変化の影響を補償する外乱補償器であ
り、本例では総空気流量に対して外乱補償を行う。すな
わち、外乱補償手段A6の出力とA4の出力とは、加算
器A5にて加算される。外乱補償手段A6において、流
量制御弁25の開度は、流量制御弁25の開度検出装置
29の出力と、燃料電池本体3のアノード圧力検出装置
20の出力と、カソード圧力検出装置22の出力とに基
づいて、目標値算出手段30で算出された一酸化炭素除
去装置24へ供給する空気流量の目標値と、一酸化炭素
除去装置24で必要とされる補正空気流量を算出する。
償できるように、総空気流量に対して外乱補償が実行さ
れる。このようにすることで、一酸化炭素除去装置24
へ供給される空気量の変化の影響が、改質器に流れる空
気流量、燃料電池本体3のアノード側圧力およびカソー
ド側圧力に影響する前に、その影響を除去することがで
きる。
化炭素除去装置24で必要とされる補正空気流量を算出
する場合、たとえば図4に示すような特性関数を用いて
次のように算出する。すなわち、流量制御弁25の開度
検出装置29の出力と、カソード圧力検出装置22の出
力および燃料電池本体3のアノード圧力検出装置20の
出力の差を決めて、一酸化炭素除去装置24へ流入して
いる空気流量を算出する。そして、この空気流量が目標
値算出器30で算出された目標空気流量の目標値と差が
ある場合には、その差を空気流量補正値として算出す
る。
一酸化炭素除去装置24で必要とされる補正空気流量を
次のような時系列モデル関数を使っても良い。
値 u:一酸化炭素除去装置の入口に設けられた空気流量調
整弁の開度 a、b:パラメータ y(t−k):kサンプル時間前の空気流量の予測値 u(t−k):kサンプル時間前の空気流量調整弁開度
データ このような形式のモデルは、実験データにシステム固定
理論を適用すれば得ることができる。一酸化炭素除去装
置24へ流入している空気流量の予測値と、目標値算出
器30で算出された空気流量の目標値との間に差がある
場合には、その差を空気流量補正値として算出する。
ブロック図、図6は本実施形態に係る制御手段の制御内
容を説明するためのブロック図であり、第1実施形態で
は、一酸化炭素除去装置24の入口の空気流量を測定す
るセンサがない場合の例を示したが、本例では、一酸化
炭素除去装置24の入口の空気流量を測定するセンサ1
0がある場合の例を示す。
装置24の入口の空気流量を測定するセンサであり、そ
の他の構成は第1実施形態と同じである。
作を図6で説明すると、外乱補償手段A10には一酸化
炭素除去装置24の入口の空気流量を測定するセンサ1
0の出力が入力される。そして、この空気流量センサ1
0の出力と、目標値算出器30で算出された目標空気流
量の目標値に差がある場合には、その差を空気流量補正
値として算出する。その他は上述した第1実施形態と同
じである。
目的で、燃料電池本体3のカソード極側にパージ用空気
を供給する場合があり、このような場合にも本発明は適
用できる。図7は本発明の燃料電池システムの第3実施
形態を示すブロック図、図8は本実施形態に係る制御手
段の制御内容を説明するためのブロック図である。
31と、パージ用空気の流量調整バルブ31の開度を検
出するバルブ開度検出装置32が付加されている。その
他の構成は上述した第1実施形態と同じである。
は、パージ用空気流量調整バルブ31を開いて、燃料電
池本体3のカソード極側にパージ空気を送り込むが、こ
のとき、図8に示すようにパージ空気用の外乱補償手段
A8を新しく構成して、上述した第1実施形態と同様
に、総空気流量のフィードバック制御器A4に外乱補償
する。この外乱補償手段A8では、パージ用空気流量調
整バルブ31の開度を検出するバルブ開度検出装置32
の出力信号と、燃料電池本体3のカソード圧力検出装置
22の出力およびアノード圧力検出装置20の出力を用
いて、第1実施形態と同様にしてパージ用空気流量を算
出する。この流量と目標値算出器30で算出されたパー
ジ用空気流量の目標値との間に差がある場合には、その
差をパージ空気流量補正値として算出して外乱補償を行
う。
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
(クレーム対応図)である。
すブロック図である。
容を説明するためのブロック図である。
空気流量を算出する関数を示すグラフである。
すブロック図である。
容を説明するためのブロック図である。
すブロック図である。
容を説明するためのブロック図である。
Claims (4)
- 【請求項1】燃料電池本体と、前記燃料電池本体に改質
ガスを供給する改質器と、前記燃料電池本体および前記
改質器の間に設けられ前記改質器により生成された改質
ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去手段と、
前記燃料電池本体、前記改質器および前記一酸化炭素除
去手段に酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを有する燃
料電池システムにおいて、 前記燃料電池本体の負荷電力の要求値に基づいて、前記
酸化剤供給手段から供給される総酸化剤量の目標値、前
記酸化剤供給手段から前記改質器へ供給される酸化剤流
量の目標値、前記酸化剤供給手段から前記一酸化炭素除
去手段へ供給される酸化剤流量の目標値、前記燃料電池
本体のアノード側入口圧力の目標値および前記燃料電池
本体のカソード側入口圧力の目標値を算出する目標値算
出手段と、 酸化剤の総流量、改質器へ供給される酸化剤流量、アノ
ード側圧力およびカソード側圧力の実際の値が、前記目
標値算出手段で算出されたそれぞれの目標値になるよう
に、これら酸化剤の総流量、改質器へ供給される酸化剤
流量、アノード側圧力およびカソード側圧力を制御する
第1の制御手段と、 前記第1の制御手段で算出されたそれぞれの操作量で制
御した場合に、その影響が、酸化剤の総流量、改質器へ
供給される酸化剤流量、アノード側圧力およびカソード
側圧力に対して互いに干渉しないように、それぞれの操
作量を非干渉化した操作量に変換する非干渉制御手段
と、 前記一酸化炭素除去手段へ供給される実際の酸化剤流量
が前記目標値算出手段で算出された目標値になるよう
に、一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤流量を制御
する第2の制御手段と、 前記一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤流量に応じ
て総酸化剤流量をフィードフォワード補償する外乱補償
手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項2】酸化剤を燃料電池システムに供給する酸化
剤供給手段と、 前記酸化剤供給手段より供給される酸化剤を改質器へ供
給する第1の酸化剤供給系と、 前記酸化剤供給手段より供給される酸化剤を燃料電池本
体のカソード側へ供給する第2の酸化剤供給系と、 原燃料を蒸発させた原料ガスを前記改質器へ供給する原
料ガス供給手段と、前記原料ガス供給手段より供給され
る原料ガスを内部に設けられた触媒層で改質反応させて
水素含有改質ガスを生成し、前記酸化剤供給手段より供
給される酸化剤を内部に設けられた触媒層で部分酸化反
応させて前記改質反応に必要な熱量を得る改質器と、 前記改質器の後段に設けられた一酸化炭素除去手段と、 前記酸化剤供給手段より前記一酸化炭素除去手段に酸化
剤を供給する第3の酸化剤供給系と、 前記一酸化炭素除去手段を通過した改質ガスがアノード
側に供給され、前記酸化剤供給手段からの酸化剤がカソ
ード側に供給されて、発電する燃料電池本体と、 前記燃料電池本体のアノード側出口の排改質ガス系に設
けられ、アノード側の圧力を調整するアノード側圧力調
整用バルブと、 前記燃料電池本体のカソード側出口の排酸化剤系に設け
られ、カソード側の圧力を調整するカソード側圧力調整
用バルブと、 前記第1の酸化剤供給系の酸化剤流量を調整する流量調
整用バルブと、 前記第3の酸化剤供給系の酸化剤流量を調整する流量調
整用バルブと、を有する燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池本体の負荷電力の要求値に基づいて、前記
酸化剤供給手段から供給される酸化剤の総流量の目標
値、前記酸化剤供給手段から前記改質器へ供給される酸
化剤流量の目標値、前記酸化剤供給手段から前記一酸化
炭素除去手段へ供給される酸化剤流量の目標値、前記燃
料電池本体のアノード側入口圧力の目標値および前記燃
料電池本体のカソード側入口圧力の目標値を算出する目
標値算出手段と、 前記酸化剤供給手段から供給される酸化剤の総流量を検
出する酸化剤総流量検出手段と、 前記改質器へ供給される酸化剤流量を検出する改質器酸
化剤流量検出手段と、 前記燃料電池本体のアノード側入口の圧力を検出するア
ノード側圧力検出手段と、 前記燃料電池本体のカソード側入口の圧力を検出するカ
ソード側圧力検出手段と、 これら酸化剤総流量検出手段、改質器酸化剤流量検出手
段、アノード側圧力検出手段およびカソード側圧力検出
手段により検出された実際の検出値が、前記目標値算出
手段で算出されたそれぞれの目標値になるように、前記
酸化剤供給手段、前記第1の酸化剤供給系の流量調整用
バルブ、アノード側圧力調整用バルブおよび前記カソー
ド側圧力調整用バルブをそれぞれ制御する第1の制御手
段と、 前記第1の制御手段で算出されたそれぞれの操作量で、
前記酸化剤供給手段、前記第1の酸化剤供給系の流量調
整用バルブ、アノード側圧力調整用バルブおよび前記カ
ソード側圧力調整用バルブをそれぞれ制御した場合にお
いて、その影響が、酸化剤の総流量、改質器へ供給され
る酸化剤流量、アノード側圧力およびカソード側圧力に
対して互いに干渉しないように、非干渉化した酸化剤供
給手段の操作量と、第1の酸化剤供給系の流量調整用バ
ルブの操作量と、アノード側圧力調整用バルブの操作量
と、カソード側圧力調整用バルブの操作量とのそれぞれ
に変換する非干渉制御手段と、 前記一酸化炭素除去手段へ供給される実際の酸化剤流量
が前記目標値算出手段で算出された目標値になるよう
に、前記第3の酸化剤供給系の流量調整用バルブを制御
する第2の制御手段と、 前記一酸化炭素除去手段へ供給される酸化剤流量に応じ
て酸化剤の総流量をフィードフォワード補償する外乱補
償手段と、を有することを特徴とする燃料電池システ
ム。 - 【請求項3】前記外乱補償手段は、前記一酸化炭素除去
手段へ供給される実際の酸化剤流量と前記目標値算出手
段により算出された目標値との差に応じて外乱補償する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項4】酸化剤供給手段から供給される酸化剤の総
流量、改質器へ供給される酸化剤流量、燃料電池本体の
アノード側圧力および燃料電池本体のカソード側圧力の
制御要因を非干渉制御するとともに、一酸化炭素除去手
段への酸化剤流量を酸化剤の総流量に対して外乱補償す
ることを特徴とする改質器の温度制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000159590A JP3985427B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池システムおよび改質器の温度制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000159590A JP3985427B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池システムおよび改質器の温度制御方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001338669A true JP2001338669A (ja) | 2001-12-07 |
JP3985427B2 JP3985427B2 (ja) | 2007-10-03 |
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ID=18663891
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000159590A Expired - Lifetime JP3985427B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 燃料電池システムおよび改質器の温度制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3985427B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004026596A (ja) * | 2002-06-27 | 2004-01-29 | Nippon Soken Inc | 燃料改質装置 |
JP2005524215A (ja) * | 2002-04-30 | 2005-08-11 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 燃料電池パワーモジュールのための空気供給圧力設定ポイントの決定 |
JP2008047299A (ja) * | 2006-08-10 | 2008-02-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2012216420A (ja) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池システム |
-
2000
- 2000-05-30 JP JP2000159590A patent/JP3985427B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JP2005524215A (ja) * | 2002-04-30 | 2005-08-11 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | 燃料電池パワーモジュールのための空気供給圧力設定ポイントの決定 |
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