JP2003187834A - 燃料電池システムのための空気分配システム及びコントローラ - Google Patents
燃料電池システムのための空気分配システム及びコントローラInfo
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 １つの燃料電池サブシステムの誤差が他の燃
料電池サブシステムに空気配給の大きな誤差を引き起こ
さない燃料電池システム用の簡素な空気分配システムを
提供する。 【解決手段】 燃料電池１２のための空気流れ制御シス
テム１２０及び方法は、空気を蓄える貯蔵室（２２，４
０）に空気を供給するコンプレッサ３６を含む。燃料電
池サブシステム１４は、空気貯蔵室に接続される。燃料
電池サブシステム１４の各々は、空気流れコントローラ
１８及び流れセンサー１６を備える。センサー１２２
は、貯蔵室内の空気圧力を測定する。コントローラ１２
４は、最小要求空気圧力について燃料電池サブシステム
１４を監視する。コントローラ１２４は、最も高い最小
要求空気圧力を選択して、貯蔵室内でその最も高い最小
要求空気圧力を提供するようにコンプレッサ３６を制御
する。空気貯蔵室は、配管２２又はマニホルド４０、或
いは、その両方を含む。
料電池サブシステムに空気配給の大きな誤差を引き起こ
さない燃料電池システム用の簡素な空気分配システムを
提供する。 【解決手段】 燃料電池１２のための空気流れ制御シス
テム１２０及び方法は、空気を蓄える貯蔵室（２２，４
０）に空気を供給するコンプレッサ３６を含む。燃料電
池サブシステム１４は、空気貯蔵室に接続される。燃料
電池サブシステム１４の各々は、空気流れコントローラ
１８及び流れセンサー１６を備える。センサー１２２
は、貯蔵室内の空気圧力を測定する。コントローラ１２
４は、最小要求空気圧力について燃料電池サブシステム
１４を監視する。コントローラ１２４は、最も高い最小
要求空気圧力を選択して、貯蔵室内でその最も高い最小
要求空気圧力を提供するようにコンプレッサ３６を制御
する。空気貯蔵室は、配管２２又はマニホルド４０、或
いは、その両方を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に係り、
より詳しくは、燃料電池システムの空気分配方法に関す
る。
より詳しくは、燃料電池システムの空気分配方法に関す
る。
【０００２】
【従来技術】燃料電池システムは、幅広い用途の電源と
して次第に使用されてきている。燃料電池システムは、
内燃エンジンの代替として車両で使用するためにも提案
された。燃料電池は、バッテリーを充電するため、又
は、電気モーターを電力供給するために使用される電気
を発生する。固体ポリマー電解質式燃料電池は、アノー
ド及びカソードの間に挟まれた膜を含む。電気化学反応
により電気を生成するため、水素（Ｈ2）がアノードに
供給され、酸素（Ｏ2）がカソードに供給される。幾つ
かのシステムでは、水素の源が改質物であり、酸素（Ｏ
2）の源が空気である。
して次第に使用されてきている。燃料電池システムは、
内燃エンジンの代替として車両で使用するためにも提案
された。燃料電池は、バッテリーを充電するため、又
は、電気モーターを電力供給するために使用される電気
を発生する。固体ポリマー電解質式燃料電池は、アノー
ド及びカソードの間に挟まれた膜を含む。電気化学反応
により電気を生成するため、水素（Ｈ2）がアノードに
供給され、酸素（Ｏ2）がカソードに供給される。幾つ
かのシステムでは、水素の源が改質物であり、酸素（Ｏ
2）の源が空気である。
【０００３】前半部分の電池反応では、アノードでの水
素（Ｈ2）の分解により、陽子（Ｈ+）及び電子（ｅ-）
が発生する。該膜は、陽子伝達性で且つ誘電性である。
その結果として、陽子は膜を通して輸送され、その一方
で、電子は、膜を介して接続された電気的負荷（例えば
バッテリー又はモーター）を通って流れる。後半部分の
電池反応では、カソードにおいて酸素（Ｏ2）が陽子
（Ｈ+）と反応し、電子（ｅ-）が水を形成するため取り
上げられる。
素（Ｈ2）の分解により、陽子（Ｈ+）及び電子（ｅ-）
が発生する。該膜は、陽子伝達性で且つ誘電性である。
その結果として、陽子は膜を通して輸送され、その一方
で、電子は、膜を介して接続された電気的負荷（例えば
バッテリー又はモーター）を通って流れる。後半部分の
電池反応では、カソードにおいて酸素（Ｏ2）が陽子
（Ｈ+）と反応し、電子（ｅ-）が水を形成するため取り
上げられる。
【０００４】燃料電池システム内部には幾つかの燃料電
池サブシステムが存在しており、これは圧縮空気の別個
に制御された源を必要としている。例えば、これらの燃
料電池サブシステムは、燃焼器、部分酸化（ＰＯｘ）反
応器、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器、燃料電池スタッ
ク、及び／又は、他の燃料電池サブシステムを含んでい
る。燃料電池サブシステムは、典型的には、空気を提供
するため、流量コントローラ、流量センサー、及び、１
つ又はそれ以上のコンプレッサを用いている。
池サブシステムが存在しており、これは圧縮空気の別個
に制御された源を必要としている。例えば、これらの燃
料電池サブシステムは、燃焼器、部分酸化（ＰＯｘ）反
応器、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器、燃料電池スタッ
ク、及び／又は、他の燃料電池サブシステムを含んでい
る。燃料電池サブシステムは、典型的には、空気を提供
するため、流量コントローラ、流量センサー、及び、１
つ又はそれ以上のコンプレッサを用いている。
【０００５】２つ又はそれ以上の燃料電池サブシステム
が、制御された量の圧縮空気を必要とするとき、従来の
燃料電池システムの中には、各々のサブシステムのため
のコンプレッサを使用するものがある。各々のコンプレ
ッサは、典型的には、連係された燃料電池サブシステム
により必要とされる所望の空気流れに基づいて制御され
る。この制御方法は、制御の見地からは、正確であり、
且つ、比較的簡単であるが、コンプレッサの重複は、コ
スト、重量及びパッキングの見地からは望ましくない。
が、制御された量の圧縮空気を必要とするとき、従来の
燃料電池システムの中には、各々のサブシステムのため
のコンプレッサを使用するものがある。各々のコンプレ
ッサは、典型的には、連係された燃料電池サブシステム
により必要とされる所望の空気流れに基づいて制御され
る。この制御方法は、制御の見地からは、正確であり、
且つ、比較的簡単であるが、コンプレッサの重複は、コ
スト、重量及びパッキングの見地からは望ましくない。
【０００６】他の従来の燃料電池システムでは、単一の
コンプレッサが、燃料電池サブシステムの全てに空気を
供給している。コントローラは、燃料電池サブシステム
の全てのための流量要求量を総和する。コントローラ
は、総和された流量要求量を提供するようにコンプレッ
サを指令する。この燃料電池制御システムでは、典型的
には、オーバーフローバルブが、システム誤差に起因し
た過剰空気を抜き取るために必要とされる。この制御方
法の遷移応答性は、燃料電池サブシステムの間の有意な
結合度に起因して、本質的に妥協される。この制御シス
テムは、燃料電池システムの任意の変化に対して有意な
再作業も要求する。
コンプレッサが、燃料電池サブシステムの全てに空気を
供給している。コントローラは、燃料電池サブシステム
の全てのための流量要求量を総和する。コントローラ
は、総和された流量要求量を提供するようにコンプレッ
サを指令する。この燃料電池制御システムでは、典型的
には、オーバーフローバルブが、システム誤差に起因し
た過剰空気を抜き取るために必要とされる。この制御方
法の遷移応答性は、燃料電池サブシステムの間の有意な
結合度に起因して、本質的に妥協される。この制御シス
テムは、燃料電池システムの任意の変化に対して有意な
再作業も要求する。
【０００７】例えば、流量ベースの制御が使用され、５
つの燃料電池サブシステムが、１ｇ／秒の流れを要求し
たとき、コントローラは、流量率を総和し、５ｇ／秒を
提供しようとする。流量センサーの一つが不正確である
場合、燃料電池サブシステムの全てが被害を被る。燃料
電池サブシステムの一つが欠陥のある流量センサー又は
流量コントローラを有し、燃料電池サブシステムが実際
には１．５ｇ／秒を達成するが１ｇ／秒を要求している
場合、他の燃料電池サブシステムの各々は、空気が欠乏
する。その代わりに、欠陥のある燃料電池サブシステム
が２ｇ／秒を必要とするが１ｇ／秒しか得られない場合
には、他の燃料電池サブシステムの全ては、空気を過多
に受け取る。換言すれば、１つの燃料電池サブシステム
の誤差が、他の燃料電池サブシステムの全てに空気配給
の誤差をもたらす。
つの燃料電池サブシステムが、１ｇ／秒の流れを要求し
たとき、コントローラは、流量率を総和し、５ｇ／秒を
提供しようとする。流量センサーの一つが不正確である
場合、燃料電池サブシステムの全てが被害を被る。燃料
電池サブシステムの一つが欠陥のある流量センサー又は
流量コントローラを有し、燃料電池サブシステムが実際
には１．５ｇ／秒を達成するが１ｇ／秒を要求している
場合、他の燃料電池サブシステムの各々は、空気が欠乏
する。その代わりに、欠陥のある燃料電池サブシステム
が２ｇ／秒を必要とするが１ｇ／秒しか得られない場合
には、他の燃料電池サブシステムの全ては、空気を過多
に受け取る。換言すれば、１つの燃料電池サブシステム
の誤差が、他の燃料電池サブシステムの全てに空気配給
の誤差をもたらす。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る、燃料電池
のための空気流れ制御システム及び方法は、貯蔵室に空
気を供給するコンプレッサを含む。燃料電池サブシステ
ムは、空気貯蔵室に接続される。センサーは、貯蔵室内
の空気圧力を測定する。コントローラは、最小要求空気
圧力について燃料電池サブシステムを監視する。コント
ローラは、最も高い最小要求空気圧力を選択する。コン
トローラは、貯蔵室内でその最も高い最小要求空気圧力
を提供するようにコンプレッサを制御する。
のための空気流れ制御システム及び方法は、貯蔵室に空
気を供給するコンプレッサを含む。燃料電池サブシステ
ムは、空気貯蔵室に接続される。センサーは、貯蔵室内
の空気圧力を測定する。コントローラは、最小要求空気
圧力について燃料電池サブシステムを監視する。コント
ローラは、最も高い最小要求空気圧力を選択する。コン
トローラは、貯蔵室内でその最も高い最小要求空気圧力
を提供するようにコンプレッサを制御する。
【０００９】本発明の他の特徴では、空気貯蔵室は、配
管又はマニホルド、或いは、その両方を含む。燃料電池
サブシステムの各々は、流れコントローラ及び流れセン
サーを備える。コントローラは、最小要求空気圧力に関
して燃料電池サブシステムを周期的に監視する。流れコ
ントローラは、好ましくは、電子スロットルバルブを備
える。流れセンサーは、好ましくは、熱線風速計（hot
wire anemometer）又はワイヤ圧力計（wire manomete
r）を備える。
管又はマニホルド、或いは、その両方を含む。燃料電池
サブシステムの各々は、流れコントローラ及び流れセン
サーを備える。コントローラは、最小要求空気圧力に関
して燃料電池サブシステムを周期的に監視する。流れコ
ントローラは、好ましくは、電子スロットルバルブを備
える。流れセンサーは、好ましくは、熱線風速計（hot
wire anemometer）又はワイヤ圧力計（wire manomete
r）を備える。
【００１０】本発明の他の特徴では、燃料電池サブシス
テムは、燃焼器と、部分酸化（ＰＯｘ）反応器（部分酸
化改質器）と、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と、燃料電
池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃
料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択
される。
テムは、燃焼器と、部分酸化（ＰＯｘ）反応器（部分酸
化改質器）と、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と、燃料電
池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃
料電池スタックのアノード入口と、のグループから選択
される。
【００１１】本発明の応用可能性の更なる領域は、以下
に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説
明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示して
いるが、単なる例示の目的のためであり、本発明の範囲
を限定するものではない。
に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説
明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示して
いるが、単なる例示の目的のためであり、本発明の範囲
を限定するものではない。
【００１２】本発明は、次の詳細な説明及び添付図面を
参照してより完全に理解されるようになるであろう。
参照してより完全に理解されるようになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】好ましい実施形態の以下の説明
は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明及び
その用途又は使用法を限定するものではない。
は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明及び
その用途又は使用法を限定するものではない。
【００１４】ここで、図１を参照すると、燃料電池シス
テム１２のための空気配給システム１０が示されてい
る。燃料電池システム１２は、空気の制御された配給を
必要とする、複数の燃料電池サブシステム１４−１、１
４−２、．．．１４−ｎを備える。例えば、燃料電池サ
ブシステム１４−１は、空気流量センサー（MAF）１６
−１、空気流量コントローラ（MFC）１８−１及び燃焼
器２０を備えている。空気流量センサー１６−１は、配
管２２−１を通って流れる空気の流量を測定する。空気
流量コントローラ１８−１は、燃焼器２０に至る空気流
量を調整、制御する。認めることができるように、流量
コントローラ１８−１を、燃焼器２０又は他の燃料電池
サブシステムと連係された１つ又はそれ以上のコントロ
ーラに接続してもよい。
テム１２のための空気配給システム１０が示されてい
る。燃料電池システム１２は、空気の制御された配給を
必要とする、複数の燃料電池サブシステム１４−１、１
４−２、．．．１４−ｎを備える。例えば、燃料電池サ
ブシステム１４−１は、空気流量センサー（MAF）１６
−１、空気流量コントローラ（MFC）１８−１及び燃焼
器２０を備えている。空気流量センサー１６−１は、配
管２２−１を通って流れる空気の流量を測定する。空気
流量コントローラ１８−１は、燃焼器２０に至る空気流
量を調整、制御する。認めることができるように、流量
コントローラ１８−１を、燃焼器２０又は他の燃料電池
サブシステムと連係された１つ又はそれ以上のコントロ
ーラに接続してもよい。
【００１５】他の燃料電池サブシステム１４−２、１４
−３、．．．、１４−ｎは、同様に、他の燃料電池の構
成部品への空気流れを制御する。例えば、ＰＯｘ反応器
（部分酸化反応器）２４は、供給燃料を、（該燃料を二
酸化炭素及び水に完全酸化するというよりも）一酸化炭
素及び水素へと部分酸化する。空気及び燃料の流れは、
ＰＯｘ反応器２４内に注入される。燃料の蒸気改質を超
えるＰＯｘ反応の利点は、それが吸熱反応ではなく発熱
反応であるということである。このため、ＰＯｘ反応
は、それ自身の熱を発生させる。空気流量センサー１６
−２は、配管２２−２内の空気流れを検出する。空気流
量コントローラ１８−２は、ＰＯｘ反応器２４に配給さ
れた空気流れを調整、制御する。空気流量コントローラ
１８−２は、ＰＯｘ反応器２４又は他の燃料電池サブシ
ステムと連係された１つ又はそれ以上のコントローラと
接続されてもよい。
−３、．．．、１４−ｎは、同様に、他の燃料電池の構
成部品への空気流れを制御する。例えば、ＰＯｘ反応器
（部分酸化反応器）２４は、供給燃料を、（該燃料を二
酸化炭素及び水に完全酸化するというよりも）一酸化炭
素及び水素へと部分酸化する。空気及び燃料の流れは、
ＰＯｘ反応器２４内に注入される。燃料の蒸気改質を超
えるＰＯｘ反応の利点は、それが吸熱反応ではなく発熱
反応であるということである。このため、ＰＯｘ反応
は、それ自身の熱を発生させる。空気流量センサー１６
−２は、配管２２−２内の空気流れを検出する。空気流
量コントローラ１８−２は、ＰＯｘ反応器２４に配給さ
れた空気流れを調整、制御する。空気流量コントローラ
１８−２は、ＰＯｘ反応器２４又は他の燃料電池サブシ
ステムと連係された１つ又はそれ以上のコントローラと
接続されてもよい。
【００１６】同様に、空気流量センサー１６−３、１６
−４、１６−５、．．．、１６−ｎは、配管２２−３、
２２−４、２２−５、．．．、２２−ｎ内の空気流れを
検出する。流量コントローラ１８−３、１８−４、１８
−５、．．．．、１８−ｎは、優先酸化（ＰｒＯｘ）反
応器２６、燃料電池スタック３１のアノード入力部３
０、燃料電池スタック３１のカソード入力部３２、及
び、空気入力を必要とする他の任意の燃料電池サブシス
テムに配給される空気流れを調整、制御する。
−４、１６−５、．．．、１６−ｎは、配管２２−３、
２２−４、２２−５、．．．、２２−ｎ内の空気流れを
検出する。流量コントローラ１８−３、１８−４、１８
−５、．．．．、１８−ｎは、優先酸化（ＰｒＯｘ）反
応器２６、燃料電池スタック３１のアノード入力部３
０、燃料電池スタック３１のカソード入力部３２、及
び、空気入力を必要とする他の任意の燃料電池サブシス
テムに配給される空気流れを調整、制御する。
【００１７】空気は、典型的に、コンプレッサ３６によ
り供給される。クーラー３８は、コンプレッサ３６によ
り、マニホルド４０及び／又は配管２２に出力された空
気を冷却する。流量センサー（MAF）４２は、コンプレ
ッサ３６により生成された空気流れを検出する。空気流
れコントローラ５０は、空気流量センサー１６及び４２
と、流量コントローラ１８と、コンプレッサ３６と、に
接続される。空気流量コントローラ５０は、空気入力を
必要とする燃料電池サブシステム１４の各々の空気流れ
要求量を総和する。空気流れコントローラ５０は、燃料
電池サブシステム１４の総和された空気流れ要求量に合
致させるように、コンプレッサ３６の空気流量を調整、
制御する。
り供給される。クーラー３８は、コンプレッサ３６によ
り、マニホルド４０及び／又は配管２２に出力された空
気を冷却する。流量センサー（MAF）４２は、コンプレ
ッサ３６により生成された空気流れを検出する。空気流
れコントローラ５０は、空気流量センサー１６及び４２
と、流量コントローラ１８と、コンプレッサ３６と、に
接続される。空気流量コントローラ５０は、空気入力を
必要とする燃料電池サブシステム１４の各々の空気流れ
要求量を総和する。空気流れコントローラ５０は、燃料
電池サブシステム１４の総和された空気流れ要求量に合
致させるように、コンプレッサ３６の空気流量を調整、
制御する。
【００１８】ここで、図２を参照すると、流量ベースの
空気流れコントローラ５０の制御戦略が示されており、
全体として１００で示されている。第１、第２、及び、
第ｎの燃料電池サブシステムのための所望の流量率１０
２、１０４及び１０６は、コンプレッサ３６に対して目
標となる流量率１１２を発生させるため、総和器１１０
により総和される。空気流量コントローラ５０は、目標
となる流量率１１２を提供するため、コンプレッサ３６
を指令する。この制御システムでは、オーバーフローバ
ルブは、典型的には、システム誤差に起因して蓄積され
た過剰空気圧力を抜き取るため必要とされる。この制御
法の遷移的応答は、燃料電池サブシステムの間の連結に
起因して妥協される。換言すれば、１つの燃料電池サブ
システムの制御誤差は、燃料電池サブシステムの全てに
悪影響を及ぼす。この制御システムは、燃料電池サブシ
ステムにおける任意変化のため有意な再作業を必要とさ
れる。
空気流れコントローラ５０の制御戦略が示されており、
全体として１００で示されている。第１、第２、及び、
第ｎの燃料電池サブシステムのための所望の流量率１０
２、１０４及び１０６は、コンプレッサ３６に対して目
標となる流量率１１２を発生させるため、総和器１１０
により総和される。空気流量コントローラ５０は、目標
となる流量率１１２を提供するため、コンプレッサ３６
を指令する。この制御システムでは、オーバーフローバ
ルブは、典型的には、システム誤差に起因して蓄積され
た過剰空気圧力を抜き取るため必要とされる。この制御
法の遷移的応答は、燃料電池サブシステムの間の連結に
起因して妥協される。換言すれば、１つの燃料電池サブ
システムの制御誤差は、燃料電池サブシステムの全てに
悪影響を及ぼす。この制御システムは、燃料電池サブシ
ステムにおける任意変化のため有意な再作業を必要とさ
れる。
【００１９】ここで、図３を参照すると、圧力ベースの
空気流れ制御システム１２０が示されている。明瞭にす
るという目的のため、図１からの参照番号が、同じ構成
要素を同定する上で適切な場合に使用された。圧力ベー
スの空気流れ制御システム１２０は、マニホルド４０及
び／又は配管２２内の空気圧力を測定する圧力センサー
１２２を備える。空気流れコントローラ１２４は、燃料
電池サブシステム１４を周期的に調査し、燃料電池サブ
システム１４の各々により必要とされる最小の空気圧力
を要求する。燃料電池サブシステム１４は、最小の要求
された圧力を提供する。圧力が要求されない場合、燃料
電池サブシステム１４は、応答しないか、或いは、ゼロ
を用いて応答する。燃料電池サブシステム１４の１つ又
はそれ以上は、与えられた調査周期の間に圧力要求を持
っていなくてもよい。空気流れコントローラ１２４は、
燃料電池サブシステム１４により出力された、最小要求
圧力から最も高い最小圧力を選択する。空気流れコント
ローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４に対する最
も高い最小要求圧力を、引き続く調査周期まで維持する
ようにマニホルド４０及び／又は配管２２内の空気圧力
を制御する。
空気流れ制御システム１２０が示されている。明瞭にす
るという目的のため、図１からの参照番号が、同じ構成
要素を同定する上で適切な場合に使用された。圧力ベー
スの空気流れ制御システム１２０は、マニホルド４０及
び／又は配管２２内の空気圧力を測定する圧力センサー
１２２を備える。空気流れコントローラ１２４は、燃料
電池サブシステム１４を周期的に調査し、燃料電池サブ
システム１４の各々により必要とされる最小の空気圧力
を要求する。燃料電池サブシステム１４は、最小の要求
された圧力を提供する。圧力が要求されない場合、燃料
電池サブシステム１４は、応答しないか、或いは、ゼロ
を用いて応答する。燃料電池サブシステム１４の１つ又
はそれ以上は、与えられた調査周期の間に圧力要求を持
っていなくてもよい。空気流れコントローラ１２４は、
燃料電池サブシステム１４により出力された、最小要求
圧力から最も高い最小圧力を選択する。空気流れコント
ローラ１２４は、燃料電池サブシステム１４に対する最
も高い最小要求圧力を、引き続く調査周期まで維持する
ようにマニホルド４０及び／又は配管２２内の空気圧力
を制御する。
【００２０】ここで、図３を参照すると、圧力ベースの
空気流れシステム１２０内の空気流れコントローラ１２
４により用いられる制御戦略が更に詳細に示されてい
る。空気流れコントローラ１２４は、それらの最も高い
最小圧力を求めるため燃料電池サブシステム１４を調査
する。空気流れコントローラ１２４は、最も高い最小要
求圧力Ｐminを選択する。空気流れコントローラ１２４
は、マニホルド４０内で監視された圧力Ｐを、最も高い
最小要求圧力Ｐminと比較する。
空気流れシステム１２０内の空気流れコントローラ１２
４により用いられる制御戦略が更に詳細に示されてい
る。空気流れコントローラ１２４は、それらの最も高い
最小圧力を求めるため燃料電池サブシステム１４を調査
する。空気流れコントローラ１２４は、最も高い最小要
求圧力Ｐminを選択する。空気流れコントローラ１２４
は、マニホルド４０内で監視された圧力Ｐを、最も高い
最小要求圧力Ｐminと比較する。
【００２１】圧力センサー１２２により発生された実際
の圧力信号２０６は、総和器２０４の反転入力端子に入
力される。最も高い最小要求圧力Ｐmin２０２は、総和
器２０４の非反転入力端子に入力される。総和器２０４
の出力は、１つ又はそれ以上のゲインブロック２１０及
び２１２に入力される。ゲインブロック２１０は、シス
テム圧力ゲインを提供する。ゲインブロック２１２は、
他の要求された燃料電池システムのゲインを表してい
る。ゲインブロック２１２の出力が、総和器２１６に入
力される。実際の又は推定されたコンプレッサ流量率２
１８が総和器２１６に入力される。コンプレッサ流量率
２１８は、コンプレッサ３６の速度と、コンプレッサ３
６の入口及び出口圧力と、から推定することができる。
総和器２１６の出力２２０は、コンプレッサ３６の目標
流量率に等しい。
の圧力信号２０６は、総和器２０４の反転入力端子に入
力される。最も高い最小要求圧力Ｐmin２０２は、総和
器２０４の非反転入力端子に入力される。総和器２０４
の出力は、１つ又はそれ以上のゲインブロック２１０及
び２１２に入力される。ゲインブロック２１０は、シス
テム圧力ゲインを提供する。ゲインブロック２１２は、
他の要求された燃料電池システムのゲインを表してい
る。ゲインブロック２１２の出力が、総和器２１６に入
力される。実際の又は推定されたコンプレッサ流量率２
１８が総和器２１６に入力される。コンプレッサ流量率
２１８は、コンプレッサ３６の速度と、コンプレッサ３
６の入口及び出口圧力と、から推定することができる。
総和器２１６の出力２２０は、コンプレッサ３６の目標
流量率に等しい。
【００２２】ここで、図５を参照すると、圧力ベースの
空気流れ制御システム１２を制御するための工程が更に
詳細に示されており、全体として２５０で指し示されて
いる。当該制御は、工程２５２で開始する。工程２５３
では、空気流れコントローラ１２４と連係された調査タ
イマーがリセットされる。工程２５４では、空気流れコ
ントローラ１２４が、燃料電池サブシステム１４を、そ
れらの最小圧力要求に関して調査する。工程２５６で
は、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシス
テム１４により要求された最も高い最小圧力Ｐminを選
択する。工程２５８では、空気流れコントローラ１２４
が、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐを測
定する。工程２６２では、空気流れコントローラ１２４
は、調査タイマーがカウント終了したか否かを判定す
る。調査タイマーがカウント終了した場合、工程２５３
で制御が続行する。そうでない場合、工程２６６で制御
が続行する。工程２６６では、空気流れコントローラ
は、測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超え
たか否かを判定する。測定された圧力Ｐが最も高い最小
圧力Ｐminを超えた場合、工程２６２で制御が続行す
る。測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超え
ない場合、工程２７０で制御が続行する。工程２７０で
は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐがコ
ンプレッサ３６を使用して増加される。
空気流れ制御システム１２を制御するための工程が更に
詳細に示されており、全体として２５０で指し示されて
いる。当該制御は、工程２５２で開始する。工程２５３
では、空気流れコントローラ１２４と連係された調査タ
イマーがリセットされる。工程２５４では、空気流れコ
ントローラ１２４が、燃料電池サブシステム１４を、そ
れらの最小圧力要求に関して調査する。工程２５６で
は、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシス
テム１４により要求された最も高い最小圧力Ｐminを選
択する。工程２５８では、空気流れコントローラ１２４
が、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐを測
定する。工程２６２では、空気流れコントローラ１２４
は、調査タイマーがカウント終了したか否かを判定す
る。調査タイマーがカウント終了した場合、工程２５３
で制御が続行する。そうでない場合、工程２６６で制御
が続行する。工程２６６では、空気流れコントローラ
は、測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超え
たか否かを判定する。測定された圧力Ｐが最も高い最小
圧力Ｐminを超えた場合、工程２６２で制御が続行す
る。測定された圧力Ｐが最も高い最小圧力Ｐminを超え
ない場合、工程２７０で制御が続行する。工程２７０で
は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力Ｐがコ
ンプレッサ３６を使用して増加される。
【００２３】本発明では、燃料電池サブシステムの空気
流れ動力学が、マニホルド及び／又は配管２２内の圧力
に直接に比例しており、コンプレッサ３６の流量率には
直接には関係付けられていない。コンプレッサ３６の流
量率は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力の
変化率に影響を及ぼすことにより燃料電池サブシステム
１４の動力学に間接的に影響を及ぼしている。空気流れ
コントローラ１２４は、燃料電池サブシステムへの空気
流れの遙かに密接した遷移的制御を提供する。更に加え
て、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシス
テムの間の相互作用の結合度を、従来の空気流れコント
ローラよりも大幅に下げる。その結果として、下流側の
燃料電池サブシステムは、分布された態様でより効率的
に展開させることができる。
流れ動力学が、マニホルド及び／又は配管２２内の圧力
に直接に比例しており、コンプレッサ３６の流量率には
直接には関係付けられていない。コンプレッサ３６の流
量率は、マニホルド４０及び／又は配管２２内の圧力の
変化率に影響を及ぼすことにより燃料電池サブシステム
１４の動力学に間接的に影響を及ぼしている。空気流れ
コントローラ１２４は、燃料電池サブシステムへの空気
流れの遙かに密接した遷移的制御を提供する。更に加え
て、空気流れコントローラ１２４は、燃料電池サブシス
テムの間の相互作用の結合度を、従来の空気流れコント
ローラよりも大幅に下げる。その結果として、下流側の
燃料電池サブシステムは、分布された態様でより効率的
に展開させることができる。
【００２４】空気流れコントローラ１２４は、従来の空
気流れコントローラと比較して改善された乱れ排除機能
を有する。加えて、コンプレッサの空気流れを測定する
空気流量センサーを無くし、圧力ベースの制御戦略にお
ける圧力のより低い結合度に起因してコストを減少させ
ることができる。コンプレッサ３６の流量率は、コンプ
レッサ３６の速度と、入力及び出力の圧力とから推定す
ることができる。オーバーフローバルブ又は圧力レギュ
レータも無くすことができる。本発明に係る空気流れコ
ントローラは、多数の燃料電池サブシステムへの空気流
れを制御するため、単一のコンプレッサしか要求せず、
これにより、コスト、複雑さ、重量及びパッケージング
を改善する。空気流れコントローラは、燃料電池サブシ
ステムの分布された展開を支持し、燃料電池サブシステ
ムの結合度を低下させることにより展開プロセスを簡素
化し、モジュール化の可能性を増加させる。
気流れコントローラと比較して改善された乱れ排除機能
を有する。加えて、コンプレッサの空気流れを測定する
空気流量センサーを無くし、圧力ベースの制御戦略にお
ける圧力のより低い結合度に起因してコストを減少させ
ることができる。コンプレッサ３６の流量率は、コンプ
レッサ３６の速度と、入力及び出力の圧力とから推定す
ることができる。オーバーフローバルブ又は圧力レギュ
レータも無くすことができる。本発明に係る空気流れコ
ントローラは、多数の燃料電池サブシステムへの空気流
れを制御するため、単一のコンプレッサしか要求せず、
これにより、コスト、複雑さ、重量及びパッケージング
を改善する。空気流れコントローラは、燃料電池サブシ
ステムの分布された展開を支持し、燃料電池サブシステ
ムの結合度を低下させることにより展開プロセスを簡素
化し、モジュール化の可能性を増加させる。
【００２５】当業者ならば、本発明の幅広い教えを様々
な形態で実施することができるということを前記した説
明から理解することができる。このため、本発明は、そ
の特定の例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲
は、それに限定されるものではない。図面、詳細な説明
及び請求の範囲の研究に基づいて、当業者には、他の変
更が明らかであるからである。
な形態で実施することができるということを前記した説
明から理解することができる。このため、本発明は、そ
の特定の例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲
は、それに限定されるものではない。図面、詳細な説明
及び請求の範囲の研究に基づいて、当業者には、他の変
更が明らかであるからである。
【図１】図１は、従来技術に係る空気流制御システムを
示す概略ブロック図である。
示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、従来技術に係る、簡単化された空気流
量ベースの制御図である。
量ベースの制御図である。
【図３】図３は、本発明に係る空気流制御システムを示
す概略ブロック図である。
す概略ブロック図である。
【図４】図４は、本発明に係る、圧力ベースの空気流れ
制御図である。
制御図である。
【図５】図５は、本発明に係るコンプレッサを制御する
ための工程を示すフローチャートである。
ための工程を示すフローチャートである。
１０ 空気配給システム（従来技術）
１２ 燃料電池システム
１４−１、１４−２、．．．１４−ｎ 複数の燃料電
池サブシステム １６−１、１６−２、．．．１６−ｎ 空気流量セン
サー １８−１、１８−２、．．．１８−ｎ 空気流量コン
トローラ ２０ 燃焼器 ２２−１、２２−２、．．．２２−ｎ 配管 ２４ ＰＯｘ反応器 ２６ 優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器 ３０ アノード入力部 ３１ 燃料電池スタック ３２ カソード入力部 ３６ コンプレッサ ３８ クーラー ４０ マニホルド ４２ 流量センサー ５０ 空気流れコントローラ（従来技術） １００ 流量ベースの空気流れコントローラ５０の制
御戦略（従来技術） １１０ 総和器 １１２ 目標となる流量率 １２０ 圧力ベースの空気流れ制御システム（本発
明） １２２ 圧力センサー １２４ 空気流れコントローラ（本発明） ２０２ 最も高い最小要求圧力Ｐmin ２０４ 総和器 ２０６ 実際の圧力信号 ２１０、２１２ ゲインブロック ２１６ 総和器 ２１８ 実際の又は推定されたコンプレッサ流量率 ２２０ コンプレッサの目標流量率 ２５０ 圧力ベースの空気流れ制御システム１２を制
御するための各工程
池サブシステム １６−１、１６−２、．．．１６−ｎ 空気流量セン
サー １８−１、１８−２、．．．１８−ｎ 空気流量コン
トローラ ２０ 燃焼器 ２２−１、２２−２、．．．２２−ｎ 配管 ２４ ＰＯｘ反応器 ２６ 優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器 ３０ アノード入力部 ３１ 燃料電池スタック ３２ カソード入力部 ３６ コンプレッサ ３８ クーラー ４０ マニホルド ４２ 流量センサー ５０ 空気流れコントローラ（従来技術） １００ 流量ベースの空気流れコントローラ５０の制
御戦略（従来技術） １１０ 総和器 １１２ 目標となる流量率 １２０ 圧力ベースの空気流れ制御システム（本発
明） １２２ 圧力センサー １２４ 空気流れコントローラ（本発明） ２０２ 最も高い最小要求圧力Ｐmin ２０４ 総和器 ２０６ 実際の圧力信号 ２１０、２１２ ゲインブロック ２１６ 総和器 ２１８ 実際の又は推定されたコンプレッサ流量率 ２２０ コンプレッサの目標流量率 ２５０ 圧力ベースの空気流れ制御システム１２を制
御するための各工程
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１０月３０日（２００２．１０．
３０）
３０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ブルース・ジェイ・クリンジャーマン
アメリカ合衆国ニューヨーク州14522，パ
ルマイラ，ルート・21・ノース 1855
(72)発明者 スワミナーサン・ゴパルスワミー
アメリカ合衆国ミシガン州48105，アン・
アーバー，ダンウッディー・ロード 3252
(72)発明者 シャンカー・アケラ
アメリカ合衆国ミシガン州48187，キャン
トン，ハニーツリー・ブールバード
8633，ナンバー184
Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 KK02 KK22 MM04
Claims (28)
- 【請求項１】 燃料電池のための空気流れ制御システム
であって、 空気を供給するための空気供給手段と、 前記空気を蓄える体積部と、 前記体積部に接続された複数の燃料電池サブシステム
と、 前記体積部内の空気圧力を検出するためのセンサーと、 前記燃料電池サブシステムの各々についての最小に要求
された空気圧力を受け取るコントローラと、を含む、空
気流れ制御システム。 - 【請求項２】 前記コントローラは、最も高い最小要求
空気圧力を選択し、前記体積部内で該最も高い最小要求
空気圧力を提供するように、前記空気供給手段を制御す
る、請求項１に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項３】 前記空気供給手段はコンプレッサを含
む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項４】 前記体積部は配管を含む、請求項１に記
載の空気流れ制御システム。 - 【請求項５】 前記体積部はマニホルドを含む、請求項
１に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項６】 前記体積部は、配管に接続されたマニホ
ルドを含む、請求項１に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項７】 前記コントローラは、前記最小に要求さ
れた空気圧力に関して、前記燃料電池サブシステムの各
々を周期的に監視する、請求項１に記載の空気流れ制御
システム。 - 【請求項８】 前記燃料電池サブシステムは、流れコン
トローラと、流れセンサーと、を備える、請求項１に記
載の空気流れ制御システム。 - 【請求項９】 前記流れコントローラは、電子スロット
ルバルブを含み、前記流れセンサーは、熱線風速計を含
む、請求項８に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項１０】 前記燃料電池サブシステムは、燃焼器
と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池ス
タックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電
池スタックのアノード入口と、のグループから選択され
た構成部品を含む、請求項１に記載の空気流れ制御シス
テム。 - 【請求項１１】 各々の燃料電池サブシステムは、流れ
コントローラを含み、前記コントローラは、前記燃料電
池サブシステムの前記最小要求空気圧力に関して該流れ
コントローラを監視する、請求項１に記載の空気流れ制
御システム。 - 【請求項１２】 燃料電池内の燃料電池サブシステムへ
の空気流れを制御するための方法であって、 空気貯蔵室に空気を供給し、 複数の燃料電池サブシステムを前記空気貯蔵室に接続
し、 前記空気貯蔵室内の空気圧力を検出し、 前記燃料電池サブシステムの各々を最小要求空気に関し
て監視する、各工程を含む、方法。 - 【請求項１３】 最も高い最小要求空気圧力を選択し、 前記空気貯蔵室内で前記最も高い最小要求空気圧力を維
持する、各工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記空気がコンプレッサにより提供さ
れる、請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記空気貯蔵室は配管を含む、請求項
１２に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記空気貯蔵室はマニホルドを含む、
請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記空気貯蔵室は、配管に接続された
マニホルドを含む、請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１８】 前記最小要求空気圧力に関して前記燃
料電池サブシステムを周期的に監視する工程を更に含
む、請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１９】 前記燃料電池サブシステムは、流れコ
ントローラと、流れセンサーと、を含む、請求項１２に
記載の方法。 - 【請求項２０】 前記流れコントローラは、電子スロッ
トルバルブを含み、前記流れセンサーは、ワイヤ圧力計
を含む、請求項１９に記載の方法。 - 【請求項２１】 前記燃料電池サブシステムは、燃焼器
と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池ス
タックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電
池スタックのアノード入口と、のグループから選択され
た構成部品を含む、請求項１２に記載の方法。 - 【請求項２２】 燃料電池のための空気流れ制御システ
ムであって、 空気を供給するコンプレッサと、 前記空気を蓄える体積部と、 前記体積部に接続された複数の燃料電池サブシステムで
あって、該燃料電池サブシステムの各々は、流れコント
ローラと、流れセンサーとを備える、該複数の燃料電池
サブシステムと、 前記体積部内の空気圧力を検出するためのセンサーと、 前記燃料電池サブシステムについての最小に要求された
空気圧力に関して該燃料電池サブシステムの前記流れコ
ントローラを監視し、最も高い最小要求空気圧力を選択
し、前記体積部内で該最も高い最小要求空気圧力を提供
するように前記コンプレッサを制御する、コントローラ
と、を含む、空気流れ制御システム。 - 【請求項２３】 前記体積部は配管を含む、請求項２２
に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項２４】 前記体積部はマニホルドを含む、請求
項２２に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項２５】 前記体積部は、配管に接続されたマニ
ホルドを含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システ
ム。 - 【請求項２６】 前記コントローラは、前記燃料電池サ
ブシステムを周期的に監視する、請求項２２に記載の空
気流れ制御システム。 - 【請求項２７】 前記流れコントローラは、電子スロッ
トルバルブを含み、前記流れセンサーは、ワイヤ圧力計
を含む、請求項２２に記載の空気流れ制御システム。 - 【請求項２８】 前記燃料電池サブシステムは、燃焼器
と、部分酸化改質器と、優先酸化反応器と、燃料電池ス
タックと、燃料電池スタックのカソード入口と、燃料電
池スタックのアノード入口と、のグループから選択され
た構成部品を含む、請求項２２に記載の空気流れ制御シ
ステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/021727 | 2001-12-12 | ||
| US10/021,727 US6942937B2 (en) | 2001-12-12 | 2001-12-12 | Air distribution method and controller for a fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003187834A true JP2003187834A (ja) | 2003-07-04 |
| JP4033389B2 JP4033389B2 (ja) | 2008-01-16 |
Family
ID=21805803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002300892A Expired - Fee Related JP4033389B2 (ja) | 2001-12-12 | 2002-10-15 | 燃料電池システムのための空気分配システム及びコントローラ |
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| Country | Link |
|---|---|
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| DE (1) | DE10247541B4 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| DE10146943B4 (de) * | 2001-09-24 | 2017-05-24 | General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) | Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem |
| US6670064B2 (en) * | 2002-04-30 | 2003-12-30 | General Motors Corporation | Air supply pressure setpoint determination for a fuel cell power module |
| DE10233135A1 (de) * | 2002-07-20 | 2004-02-12 | Smc Pneumatik Gmbh | Einrichtung zum Reduzieren des Verbrauchs von gasförmigen Medien in druckgasbetriebenen Anlagen |
| CA2503356A1 (en) * | 2002-10-30 | 2004-05-21 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Method and system for controlling fluid flow in a fuel processing system |
| US7396604B2 (en) * | 2003-10-29 | 2008-07-08 | General Motors Corporation | Centrifugal compressor surge detection using a bi-directional MFM in a fuel cell system |
| US7323264B2 (en) * | 2004-05-27 | 2008-01-29 | Delphi Technologies, Inc. | Fuel cell system having integrated central control function |
| DE102007019361A1 (de) * | 2007-04-23 | 2008-10-30 | J. Eberspächer GmbH & Co. KG | Kalibrierverfahren für eine Brennstoffzellensteuerung |
| KR101303392B1 (ko) * | 2011-12-21 | 2013-09-04 | 주식회사 효성 | 연료전지 시스템의 기체연료 공급장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 |
| DE102021125879A1 (de) | 2021-05-10 | 2022-11-10 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Luftführungsmodul einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH09315801A (ja) * | 1996-03-26 | 1997-12-09 | Toyota Motor Corp | 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム |
| JP3956542B2 (ja) * | 1999-07-09 | 2007-08-08 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4575551B2 (ja) * | 2000-05-30 | 2010-11-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用ガス供給装置 |
| US6716546B2 (en) * | 2001-05-04 | 2004-04-06 | Ford Motor Company | System and method for supplying air to a fuel cell for use in a vehicle |
| US6916566B2 (en) * | 2001-10-17 | 2005-07-12 | Ford Motor Company | System and method for rapid preheating of an automotive fuel cell |
-
2001
- 2001-12-12 US US10/021,727 patent/US6942937B2/en not_active Expired - Lifetime
-
2002
- 2002-10-11 DE DE10247541.5A patent/DE10247541B4/de not_active Expired - Lifetime
- 2002-10-15 JP JP2002300892A patent/JP4033389B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-07-20 US US11/185,660 patent/US7348084B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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