JP2004303444A - Back pressure controller of solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池に設けられ、固体高分子型燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御するための背圧制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、水素などの燃料と、空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置である。この種の燃料電池の中でも、電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池は、出力密度が高く、作動温度が約70℃〜90℃と低いこと、構造が単純で電解質を含めて燃料電池全体を固体で構成できること、高分子膜が差圧に強いことなどの特徴がある。そして、出力密度が高いことは、コンパクトで大きな出力が得られ、低温作動であることは、起動時などの取り扱いが容易になることを意味するので、上述した固体高分子型燃料電池は、例えば自動車用、家庭用、可搬用など様々な分野での利用が可能である。
【0003】
ところで、固体高分子型燃料電池では、排出される未反応の燃料と空気による背圧の制御は重要な問題であり、固体高分子型燃料電池から排出される排出燃料等に対して背圧制御弁が設けられているのが一般的である。これにより、固体高分子型燃料電池のカソード側に対するアノード側の圧力を所定圧に設定して所定の発電効率を確保するとともに、固体高分子型燃料電池に供給される燃料の流量を制御することで所定の出力が得られるようになっている。
かかる背圧制御弁を備えた固体高分子型燃料電池の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−338671号公報
【0005】
特許文献1に係る燃料電池の制御装置では、燃料電池の排出燃料を制御する小流量バルブと大流量バルブの2バルブが並列に配置・接続されている。制御部は、低流量域では大流量バルブを閉止し、作動圧とオフガスの流量から小流量バルブをフィードバック制御し、高流量域では、作動圧とオフガスの流量から大流量バルブをフィードフォワード制御し、併せて小流量バルブを同様にフィードバック制御して精度を向上させている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献1に係る燃料電池の制御装置では、背圧の制御が好適に行なわれず、実際には燃料電池のカソード側に対するアノード側の圧力が良好な値に維持できず、所定の安定した背圧が確保できないという問題があった。
【0007】
本願発明者等は、その原因を次のように分析した。すなわち、特許文献1では、大流量バルブのフィードフォワード制御も、小流量バルブのフィードバック制御も、共に2つの変数からバルブの開度を検索するマップ (テーブル)方式によって行なっている。すなわち、作動圧とオフガスの流量によって一義的にバルブの開度を決定している。しかし、バルブの開度の制御によって調整すべき燃料電池の背圧は、実際には作動圧とオフガスの流量のみで決定できるものではなく、燃料電池の運転状態を示す他の物性量とも相関関係にあると考えられ、これら他の物性量が変化すれば背圧も変化してしまうと予想される。
【0008】
そこで、本発明は、本願発明者等が見出した上記知見に基づいてなされたものであり、固体高分子型燃料電池において未反応の燃料と空気による背圧を制御するため、単なるマップ方式ではなく、前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を用いて所定の演算式で演算を行なうことにより流量制御手段 (背圧バルブ)に制御信号を与える背圧制御装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御する固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
未反応の燃料と空気が排出される前記固体高分子型燃料電池の排出口に接続された流量制御手段と、
前記背圧を検出する背圧センサと、
前記固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有し、前記固体高分子型燃料電池の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える第1の制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【0010】
請求項2に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項1記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記複数の物性量以外の他の物性量が、前記演算式に基づく制御に対する外乱となった場合に、当該他の物性量を変数として加えた新たな演算式を作る機能を前記第1の制御手段が有していることを特徴としている。
【0011】
請求項3に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項1記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算した新たな演算式を作る機能を前記第1の制御手段が有していることを特徴としている。
【0012】
請求項4に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項1又は2又は3記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記背圧センサの検出結果に基づいて前記流量制御手段にフィードバック制御信号を与える第2の制御手段を有しており、
前記背圧の制御範囲を、前記第1の制御手段によってフィードフォワード制御される基本部分と、前記第2の制御手段によってフィードバック制御される微調整部分とに分け、
前記第1の制御手段のフィードフォワード制御によって前記基本部分の制御を達成した後に、前記第2の制御手段のフィードバック制御によって前記微調整部分の制御を達成することを特徴としている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池の背圧制御装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明に係る固体高分子型燃料電池の背圧制御装置の実施の形態を示す図、図2は同背圧制御装置における制御の内容・機能を模式的に示す説明図である。
【0015】
(1) 固体高分子型燃料電池の構成
図1において、本実施の形態による固体高分子型燃料電池1 (以下、単に燃料電池1とも呼ぶ)は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを構成単位とし、このセルを複数積層して構成したスタックから構成されて、燃料として例えば水素が供給される水素極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。そして、空気極及び燃料極には、供給された燃料及び酸化剤のうち、未反応の燃料及び酸化剤を外部へ排出するための排出口1aが設けられており、各排出口1aには大気に開放される配管が接続されている。
【0016】
(2) 制御装置の構成
図1において、本実施の形態による燃料電池1の制御装置2は、燃料電池1へ燃料を供給する燃料供給部3と、燃料電池1へ空気等の酸化剤を供給する酸化剤供給部4と、未反応の燃料と空気が排出される燃料電池1の排出口1aに接続された流量制御手段5と、燃料電池1が発電した直流を交流に変換して負荷に与える直流交流変換装置6と、制御部7とを有している。
【0017】
▲1▼燃料供給部3
まず、燃料供給部3は、例えばメタノールと水の混合液等からなる液体燃料を供給する手段であり、図示はしないが、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸気発生部、蒸気発生部の暖気及び液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを生成する燃焼部、燃料蒸気から水素リッチな改質燃料を生成する改質部、改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するCO低減部、そして補助燃料供給部等も含む。
【0018】
燃料供給部3は、例えばメタノール等のアルコール系化合物や、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化合物等からなる燃料と水とを、所定の比率で混合した混合液等の液体燃料を蒸気発生部へ供給する。蒸気発生部は、内部に液体燃料を供給するための例えばノズル等を備えており、このノズルから噴霧された液体燃料は燃焼部から供給された燃焼ガスの熱により蒸発させられる。
【0019】
燃焼部は、例えば、燃料電池1の燃料極から排出された未反応水素を含む排出燃料と、空気極から排出された未反応酸素を含む排出酸化剤とを導入するためのノズルと、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼状態を持続するための燃焼用触媒と、着火源である例えば電気ヒータとを備えている。そして、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼により生成された燃焼ガスを蒸気発生部へ供給する。さらに、燃焼部には補助燃料供給部が備えられており、この補助燃料供給部から供給される補助燃料を燃焼させることによって、燃焼部を暖機すると共に、蒸気発生部にて液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを発生させる。
【0020】
改質部は、例えば改質触媒を備えており、この改質触媒により燃料蒸気から水素の含有率が高められた(水素リッチな)改質燃料が生成される。例えばメタノールと水の混合液からなる燃料蒸気の場合には、下記反応式(1)〜(3)によって、水素、水、一酸化炭素を含む改質燃料が生成される。
CH3 OH+2O2 →2H2 O+CO2 …(2)
CH3 OH→2H2 +CO…(3)
反応式(1)は、メタノールと水による改質反応であり、燃料である水素が生成される。反応式(2)は、メタノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式(1)で必要とされる熱量を補給する。なお、反応式(3)は、不可避的に発生するメタノールの分解反応であり、一酸化炭素が生成される。この一酸化炭素は、燃料電池1内に含まれる、例えばPt触媒等を被毒して発電効率を低下させると共に、燃料電池1の寿命を短くするため、CO低減部にて除去する。
【0021】
CO低減部は、例えばPtやRu等からなる選択酸化触媒を備えており、下記反応式(4)によって、改質燃料に含まれている一酸化炭素を選択的に酸化して除去する。
2CO2 +O2 →2CO2 …(4)
そして、一酸化炭素の含有量が低減された改質燃料は、燃料電池1の燃料極へ供給される。
【0022】
▲2▼酸化剤供給部4
次に、酸化剤供給部4は、例えば図示しないエアーコンプレッサーを備えて構成され、制御部7からの制御信号に基づいて酸化剤としての酸素を含む空気等を加圧して、燃料電池1の空気極へ供給する。そして、燃料電池1では、改質燃料中の水素(燃料)と酸化剤(酸素)が電気化学反応を起こして発電が行われる。
【0023】
▲3▼流量制御手段5
次に、流量制御手段5は、未反応の燃料と空気が排出される固体高分子型燃料電池1の排出口1aに接続されており、本例では並列接続された小流量バルブ8および大流量バルブ9によって構成される。これらのバルブは電磁弁であり制御部7からの制御信号によって開度が制御され、これによって燃料電池1から排出された未反応の燃料ガス及び空気の圧力、すなわち燃料電池1の背圧を制御することができる。
【0024】
両バルブ8,9は、例えばステッピングモータ等により駆動されて、所定開度のステップ状にバルブ開度を調整可能であり、例えば大流量バルブ9の1ステップ当たりのバルブ開度は、小流量バルブ8の最大バルブ開度よりも小さくなるように設定されている。そして、1ステップ当たりの弁開度が大きな粗調用圧力流量制御弁(つまり大流量バルブ9)はフィードフォワード制御し、1ステップ当たりの弁開度が小さな微調用圧力流量制御弁(つまり小流量バルブ8)は、例えばPID制御等のようにフィードバック制御する。ここで、排出燃料の低流量域においては、大流量バルブ9は全閉状態とされ、小流量バルブ8のみで圧力流量特性が変更される。一方、排出燃料の高流量域においては、大流量バルブ9のフィードフォワード制御により圧力流量特性が相対的に大きく変更され、さらに、この大流量バルブ9による大きな変更を補正するようにして小流量バルブ8がフィードバック制御される。なお、本例では、大流量バルブ9を1つとしたが、2つ以上並列に設ければさらなる大流量に対応することができる。
【0025】
▲4▼各種検出器
次に、燃料供給部3と燃料電池1を結ぶ配管の中途には流量検出器10が設けられ、燃料の流量Qを測定することができる。燃料電池1には第1の圧力検出器11が設けられ、燃料電池1の運転圧力P1を測定することができる。燃料電池1には温度検出器12が設けられ、燃料電池1の運転温度Tを測定することができる。直流交流変換装置6と負荷13の間には電流検出器14が設けられ、負荷電流Iを測定することができる。さらに、燃料電池1と流量制御手段5を結ぶ配管の中途には第2の圧力検出器15 (背圧センサ)が設けられ、燃料電池1の背圧を測定することができる。
【0026】
▲5▼制御部7
次に、制御部7は、例えば電気自動車等の車両におけるアクセルペダルの操作等に基づく発電要求に応じて、排出燃料流量制御部7における排出燃料の流量を制御する。このため、制御部7には、CO低減部から燃料電池1に供給される燃料の圧力信号と、燃料電池1に供給される改質燃料の流量Qを検出する流量検出器10からの信号と、燃料電池1から排出された排出燃料の圧力P2を検出する第2の圧力検出器15からの信号と、燃料電池1にて発生した発電電流を検出する信号と、目標発電量の信号とが入力される。そして、制御部7から、例えば燃料噴射指令値が燃料供給部3へ出力され、発電電流指令値が、直流交流変換装置6に出力されて、負荷13に対する出力制御に利用される。
【0027】
制御部7は、流量制御手段5を制御するために第1の制御手段21と第2の制御手段22を有している。
第1の制御手段21は、前記固体高分子型燃料電池1の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有しており、前記固体高分子型燃料電池1の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段5の大流量バルブ9にフィードフォワード制御信号を与えることができる。
【0028】
本例では、前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量とは、燃料の流量Q、燃料の圧力P1,負荷電流I、燃料電池1の運転温度T、使用する燃料の密度Dである。使用する燃料の密度Dと、目標発電量等の運転条件は、制御部7に必要に応じて入力される。
【0029】
これらの物性量を変数とする前記演算式は、本装置全体をマニュアルで運転し、あるいは前記各検出器から信号をとりながら各信号単独でPID制御によって複数回の実運転を行い、それらの結果から制御対象である背圧と各物性量の間の相関係数を演算し、これによって背圧を導くように作り出したものである。一旦この演算式が得られれば、以後は装置各部に設けられた前記各検出器からの信号は必ずしも必要なく、与えられた運転条件から該演算式によって前記流量制御手段5の大流量バルブ9に与えるフィードフォワード制御信号を直ちに算出して制御に利用することができる。
【0030】
背圧と相関関係がある前記演算式の変数である物性量の種類を多くとり、また相関係数を得るための実運転の回数が多いほど、さらに運転条件の異なる種々の場合をより多く含めれば、それだけ前記演算式は理想的なフィードフォワード制御を行えるものに近づく。しかし、実用上は10個程度のデータの母集団で有用な演算式を作り出すことができる。
【0031】
また、第1の制御手段21は、前記複数の物性量以外の他の物性量が、前記演算式に基づく制御に対する外乱となった場合には、当該他の物性量を変数として加えた新たな演算式を作る機能を備えたソフトウエアを有している。
【0032】
また、第1の制御手段21は、前記演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算した新たな演算式を作る機能を備えたソフトウエアを有している。
【0033】
すなわち、第1の制御手段21が有する前記ソフトウエアは自己学習機能を有しており、種々のケースを自己学習し、多変数解析理論を応用して最適解を求めて最適な演算式を作ることができる。
【0034】
第2の制御手段22は、前記背圧センサ15の検出結果に基づいて前記流量制御手段5の小流量バルブ8にフィードバック制御信号を与える。
【0035】
図2に示すように、本例の制御部7においては、背圧の制御範囲を、第1の制御手段21によってフィードフォワード制御される基本部分 (ベース部分B)と、第2の制御手段22によってフィードバック制御される微調整部分(制御部分C)とに分けている。制御範囲全体から見て、ベース部分Bは制御部分Cよりも大きい。そして、第1の制御手段21のフィードフォワード制御によって基本部分Bの制御を達成し、さらにこれに加えて第2の制御手段22のフィードバック制御によって微調整部分(制御部分C)の制御を達成するように構成されている。
【0036】
従来のPID制御等のフィードバック制御では、応答時間が遅く、またオーバーシュートが起きる場合があり、系が安定するのに長い時間を要するという問題があった。しかし本例では、フィードフォワード制御とフィードバック制御のそれぞれについて負荷配分(決められた固定流量)を定め、フィードバック結果が出る前にベース流量として制御量の大部分(ベース部分B)をフィードフォワード制御で迅速に与える制御方式を採用している。本例によれば、フィードバック制御に依存する割合が少ないので、PID定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少なく、ベース流量分を予め定めた多変数の演算式で迅速に計算してフィードフォワード制御で与えるので目標達成までの時間が短いという利点がある。
以上説明したように、固体高分子型燃料電池の制御装置において、特に燃料電池の背圧を制御する背圧制御装置として機能するのは、流量制御手段5と、背圧センサ15と、複数種類の物性量を変数とする背圧の演算式によって流量制御手5をフィードフォワード制御する第1の制御手段21と、流量制御手段をフィードバック制御する第2の制御手段22の組み合わせになる。
【0037】
(3) 作用
本実施の形態における動作について説明する。
例えばアクセルペダルの操作量等に応じた目標発電電流値(つまり目標発電量)から燃料噴射量を算出して、この燃料噴射量を燃料噴射指令として、例えば燃料供給部3等へ出力する。また、燃料噴射指令から発電電流指令を算出して、直流交流変換装置6等に出力して、燃料電池1から出力される発電電流を制御する。
【0038】
発電電流指令に基づいて目標アノード作動圧(燃料電池1の作動圧力)を算出する。なお、目標アノード作動圧は、燃料電池1の反応効率に応じて設定された所定の圧損、つまり燃料電池1に供給される改質燃料の圧力と、燃料電池1から排出された排出燃料の圧力 (背圧)との差に関する値であり、燃料電池1から出力される発電電流に対して所定の目標アノード作動圧が設定されている。また、燃料噴射指令及び発電電流指令に基づいて、排出燃料つまりオフガスの流量を算出する。
【0039】
ここで、第1の制御手段21は、前述した多数の物性量を変数とする予め定められた演算式に基づき、与えられた運転条件から、フィードフォワード制御による排出燃料流量制御部7の大流量バルブ9のバルブ開度を算出する。この時、本装置各部に設けられている各種検出器 (センサ)から実際の信号を取り入れて演算を行なう必要はなく、所与の運転条件と演算式から直ちに大流量バルブ9の操作量を算出でき、これをフィードフォワード制御で与えればベース部分Bについて速やかな制御を達成することができる。
【0040】
また、第2の制御手段22は、第2の圧力検出器15 (背圧センサ)からの信号に基づいて燃料電池1の背圧を測定し、小流量バルブ8のバルブ開度に関するフィードバック係数を算出し、その開度をフィードバック制御する。
【0041】
そして、排出燃料の低流量域においては、大流量バルブ9のバルブ開度としてゼロが出力され、小流量バルブ8のバルブ開度としてフィードバック制御により算出された値が出力される。
一方、排出燃料の高流量域においては、大流量バルブ9のフィードフォワード制御におけるバルブ開度及び、この大流量バルブ9のバルブ開度を補正するようにしてフィードバック制御により算出された小流量バルブ8のバルブ開度が、バルブ開度指令として出力される。
【0042】
かかる制御方式の切り替え方法としては、例えば、予め用意しておいた過去の経験則に従って行なう方法や、圧力上下限警報を用いる方法を用いることができる。
【0043】
次に、流量制御手段5の小流量バルブ8及び大流量バルブ9のバルブ開度を制御するため、制御部7において行なわれる信号等の処理手順等について具体的に説明する。先ず、第1段階において、目標となる運転条件が与えられると、第1の制御手段21は、予め用意してある多変数の演算式から、流量制御手段5の大流量バルブ9のバルブ開度を演算する。
【0044】
次に、第2段階において、上で演算された大流量バルブ9の開度が所定の閾値よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合、つまり排出燃料の高流量域であると判定した場合には、小流量バルブ8の開度を所定開度、例えば最大開度の1/2の開度に設定する。第2の制御手段22が、背圧の値からバルブ開度に関するフィードバック係数を算出し、小流量バルブ8のバルブ開度を、例えばPID制御によりフィードバック制御する。
【0045】
一方、判定結果が「YES」の場合、つまり排出燃料の低流量域であると判定した場合には、大流量バルブ9のバルブ開度を全閉とする。そして、「NO」の場合に述べたのと同様に、小流量バルブ8の開度のフィードバック制御量を定め、小流量バルブ8のバルブ開度を、例えばPID制御によりフィードバック制御する。
【0046】
このように、流量制御手段5を通過する排出燃料の流量が所定流量に到達するまでの低流量域では、大流量バルブ9のバルブ開度は全閉とし、小流量バルブ8のバルブ開度をフィードバック制御によりステップ状に変更して、排出燃料の流量及び背圧つまり燃料電池1側における排出燃料の圧力を調整する。
【0047】
一方、所定流量を超えた後の高流量域では、大流量バルブ9のバルブ開度をフィードフォワード制御によりステップ状に変更して、排出燃料の背圧を相対的に大きく変更するとともに、小流量バルブ8のバルブ開度を中間開度、例えば最大開度の1/2の開度に設定しておき、大流量バルブ9の1ステップ毎のバルブ開度の変化に応じて、小流量バルブ8のバルブ開度を微調整用としてフィードバック制御する。
【0048】
そして、本例では、フィードフォワード制御とフィードバック制御のそれぞれについて負荷配分(決められた固定流量)を定め、フィードバック結果が出る前にベース流量として制御量の大部分(前記ベース部分B)をフィードフォワード制御で与え、しかもその制御量の演算が複数の物性量を変数として予め定められた演算式を用いた演算によるので、目標達成までの時間が非常に短い。また、フィードバック制御に依存する割合が少ない (前記制御部分C)ので、PID定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少ない。
これによって、小流量から大流量に至る広い範囲において高い応答性を維持しつつ、高精度の背圧制御を行うことができる。
【0049】
【発明の効果】
請求項1記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置によれば、固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする背圧の演算式を有しており、運転条件と演算式に基づいて演算を実行して流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える構成とされているので、多数の物性量が複雑に相関して定まる燃料電池の背圧制御が精妙かつ迅速に行なわれ、所定の発電効率を確保し、所定の出力を得ることができるという効果がある。
【0050】
請求項2又は3に記載された背圧制御装置によれば、演算式の変数以外の他の物性量が制御系に対する外乱となった場合に、これを自己学習して当該他の物性量を変数として取り込んだ新たな演算式を作り、また演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算して一層好ましい新たな演算式を作る機能を有するので、燃料電池の運転において起こり得る種々のケースを自己学習することにより一層精妙な背圧制御を実現できるという効果がある。
【0051】
請求項4に記載された背圧制御装置によれば、背圧の制御の基本部分を、前記第1の制御手段によってフィードフォワード制御により行い、これ以外の微調整部分を、前記第2の制御手段によってフィードバック制御で行なうので、制御量の大部分である基本部分については予め定めた多変数の演算式で計算するフィードフォワード制御で迅速に制御でき、フィードバック制御に依存する微調整部分の割合が少ないので、当該微調整部分についてはPID定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少ない。このように、オーバーシュートが起こりにくく、目標達成までの時間が短く、制御系全体が迅速に安定化するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る背圧制御装置を設けた固体高分子型燃料電池の全体構成図である。
【図2】本発明に係る背圧制御装置の制御部における制御の内容・機能を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
1…固体高分子型燃料電池、1a…排出口、2…制御装置、3…燃料供給部、4…酸化剤供給部、5…流量制御手段、6…直流交流変換装置、7…制御部、8…小流量バルブ、9…大流量バルブ、15…第2の圧力検出器、21…第1の制御手段、22…第2の制御手段。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is provided in a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode as an electrolyte, and is formed by unreacted fuel and air discharged from the polymer electrolyte fuel cell. The present invention relates to a back pressure control device for controlling pressure.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation device that converts a chemical energy of a fuel into an electric energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Among these types of fuel cells, a solid polymer type fuel cell using a polymer ion exchange membrane for the electrolyte has a high output density, a low operating temperature of about 70 ° C. to 90 ° C., a simple structure, and a simple electrolyte. It has the features that the entire fuel cell including the fuel cell can be made of a solid, and that the polymer membrane is resistant to a differential pressure. A high output density means that a large and compact output can be obtained, and a low-temperature operation means that handling at the time of startup and the like is easy. It can be used in various fields such as automobiles, homes, and portables.
[0003]
By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, the control of the back pressure by the unreacted fuel and the air discharged is an important problem. Typically, a valve is provided. Thereby, the pressure on the anode side with respect to the cathode side of the polymer electrolyte fuel cell is set to a predetermined pressure to secure a predetermined power generation efficiency, and the flow rate of fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell is controlled. , A predetermined output can be obtained.
Prior art document information related to the invention of the polymer electrolyte fuel cell having such a back pressure control valve is as follows.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-338671 A [0005]
In the control device for a fuel cell according to
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fuel cell control device according to
[0007]
The present inventors analyzed the cause as follows. That is, in
[0008]
Therefore, the present invention has been made based on the above findings found by the inventors of the present application, and in order to control the back pressure of unreacted fuel and air in a polymer electrolyte fuel cell, it is not a simple map method. It is an object of the present invention to provide a back pressure control device which gives a control signal to a flow rate control means (back pressure valve) by performing a calculation with a predetermined calculation formula using a plurality of types of physical quantities correlated with the back pressure. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to
Flow rate control means connected to an outlet of the polymer electrolyte fuel cell from which unreacted fuel and air are discharged,
A back pressure sensor for detecting the back pressure;
The operational condition of the polymer electrolyte fuel cell has an arithmetic expression of the back pressure, which indicates an operating state of the polymer electrolyte fuel cell and has a plurality of types of physical quantities correlated with the back pressure as variables. And a first control means for performing a calculation based on the calculation formula, and providing a feedforward control signal to the flow control means based on the calculation result;
It is characterized by having.
[0010]
The back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2 is the back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to
When the other physical quantities other than the plurality of physical quantities become disturbances to the control based on the arithmetic formula, the function of creating a new arithmetic formula in which the other physical quantities are added as variables is used in the first control. It is characterized by having the means.
[0011]
The back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3 is the back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to
When the control based on the arithmetic expression is suitably performed, the first control means has a function of creating a new arithmetic expression by recalculating the arithmetic expression based on the control result. And
[0012]
The back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 is the back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to
A second control unit that provides a feedback control signal to the flow control unit based on a detection result of the back pressure sensor,
The control range of the back pressure is divided into a basic part that is feed-forward controlled by the first control means and a fine adjustment part that is feedback-controlled by the second control means,
After the control of the basic part is achieved by the feedforward control of the first control means, the control of the fine adjustment part is achieved by the feedback control of the second control means.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the contents and functions of control in the back pressure control device.
[0015]
(1) Configuration of Polymer Electrolyte Fuel Cell In FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 1 (hereinafter, also simply referred to as a fuel cell 1) according to the present embodiment has a solid polymer ion exchange membrane or the like. A cell formed by sandwiching a molecular electrolyte membrane between an anode and a cathode from both sides is used as a structural unit, and is constituted by a stack formed by stacking a plurality of cells, and a hydrogen electrode to which, for example, hydrogen is supplied as a fuel, And an air electrode to which air containing, for example, oxygen is supplied as an agent. The air electrode and the fuel electrode are provided with
[0016]
(2) Configuration of Control Device In FIG. 1, the control device 2 of the
[0017]
(1) Fuel supply unit 3
First, the fuel supply unit 3 is a unit for supplying a liquid fuel composed of, for example, a mixed solution of methanol and water. Although not shown, a vapor generation unit that evaporates the liquid fuel to generate fuel vapor, a vapor generation unit A combustion unit that generates combustion gas used for evaporating warm air and liquid fuel, a reforming unit that generates hydrogen-rich reformed fuel from fuel vapor, and selectively oxidizes carbon monoxide in the reformed fuel. It also includes a CO reduction unit to be removed and an auxiliary fuel supply unit.
[0018]
The fuel supply unit 3 vapor-generates a liquid fuel such as a mixed liquid obtained by mixing a fuel composed of an alcohol-based compound such as methanol or a hydrocarbon-based compound such as methane, ethane or gasoline with water at a predetermined ratio. Supply to the department. The steam generating section includes, for example, a nozzle or the like for supplying liquid fuel to the inside, and the liquid fuel sprayed from the nozzle is evaporated by the heat of the combustion gas supplied from the combustion section.
[0019]
The combustion unit includes, for example, a nozzle for introducing discharged fuel containing unreacted hydrogen discharged from the fuel electrode of the
[0020]
The reforming unit includes, for example, a reforming catalyst, and the reforming catalyst generates a reformed fuel having an increased hydrogen content (hydrogen-rich) from fuel vapor. For example, in the case of fuel vapor composed of a mixture of methanol and water, a reformed fuel containing hydrogen, water, and carbon monoxide is generated by the following reaction formulas (1) to (3).
CH3OH + 2O2 → 2H2O + CO2 (2)
CH3OH → 2H2 + CO (3)
Reaction equation (1) is a reforming reaction using methanol and water, and hydrogen as fuel is generated. The reaction formula (2) is an oxidation reaction of methanol, and replenishes the amount of heat required in the reaction formula (1), which is an endothermic reaction. The reaction formula (3) is a decomposition reaction of methanol inevitably generated, and carbon monoxide is generated. This carbon monoxide is removed by the CO reduction unit in order to poison a Pt catalyst or the like contained in the
[0021]
The CO reduction unit includes a selective oxidation catalyst made of, for example, Pt or Ru, and selectively oxidizes and removes carbon monoxide contained in the reformed fuel by the following reaction formula (4).
2CO2 + O2 → 2CO2 ... (4)
Then, the reformed fuel having a reduced content of carbon monoxide is supplied to the fuel electrode of the
[0022]
(2) Oxidant supply unit 4
Next, the oxidizing agent supply unit 4 is provided with, for example, an air compressor (not shown), and pressurizes air or the like containing oxygen as an oxidizing agent based on a control signal from the
[0023]
(3) Flow control means 5
Next, the flow control means 5 is connected to the
[0024]
The two
[0025]
{Circle around (4)} Various detectors Next, a
[0026]
(5)
Next, the
[0027]
The
The first control means 21 has an arithmetic expression of the back pressure, which indicates an operating state of the polymer
[0028]
In this example, the plurality of types of physical quantities correlated with the back pressure are the fuel flow rate Q, the fuel pressure P1, the load current I, the operating temperature T of the
[0029]
The above arithmetic expressions using these physical quantities as variables can be performed by manually operating the entire apparatus or performing a plurality of actual operations by PID control using each signal alone while taking signals from the respective detectors. Calculates a correlation coefficient between the back pressure to be controlled and each physical property amount from, and thereby creates a back pressure. Once this arithmetic expression is obtained, the signals from the detectors provided in the various parts of the apparatus are not necessarily required thereafter, and the given operational condition is used to apply the arithmetic expression to the
[0030]
The greater the number of actual operations to obtain the correlation coefficient, the greater the number of types of physical quantities that are variables of the arithmetic expression having a correlation with the back pressure. The more the expression becomes, the closer to the one that can perform ideal feedforward control. However, in practice, a useful arithmetic expression can be created with a population of about 10 data.
[0031]
Further, when the other physical quantity other than the plurality of physical quantities becomes a disturbance to the control based on the arithmetic expression, the first control means 21 adds a new physical quantity as a variable. It has software with the function of creating arithmetic expressions.
[0032]
Further, the first control means 21 is a software having a function of creating a new arithmetic expression by recalculating the arithmetic expression based on the control result when the control based on the arithmetic expression is suitably performed. have.
[0033]
That is, the software of the first control means 21 has a self-learning function, self-learns various cases, finds an optimal solution by applying a multivariable analysis theory, and creates an optimal operation expression. be able to.
[0034]
The
[0035]
As shown in FIG. 2, in the
[0036]
Conventional feedback control such as PID control has a problem that response time is slow and overshoot may occur, so that it takes a long time for the system to stabilize. However, in this example, the load distribution (determined fixed flow rate) is determined for each of the feedforward control and the feedback control, and most of the control amount (base portion B) is determined by the feedforward control as the base flow rate before the feedback result is obtained. The control method which gives quick is adopted. According to this example, since the ratio depending on the feedback control is small, even if a slight hunting occurs by increasing the sensitivity of the PID constant, the influence on the whole is small, and the base flow rate is calculated by a predetermined multivariable arithmetic expression. Since the calculation is performed quickly and given by the feedforward control, there is an advantage that the time until the target is achieved is short.
As described above, in the control device of the polymer electrolyte fuel cell, the function of the back pressure control device that controls the back pressure of the fuel cell, in particular, is the flow control means 5, the
[0037]
(3) Operation The operation in the present embodiment will be described.
For example, a fuel injection amount is calculated from a target power generation current value (that is, a target power generation amount) corresponding to an accelerator pedal operation amount and the like, and this fuel injection amount is output as a fuel injection command to, for example, the fuel supply unit 3 or the like. In addition, a generated current command is calculated from the fuel injection command and output to the DC / AC converter 6 or the like to control the generated current output from the
[0038]
A target anode operating pressure (operating pressure of the fuel cell 1) is calculated based on the generated current command. Note that the target anode operating pressure is a predetermined pressure loss set according to the reaction efficiency of the
[0039]
Here, the first control means 21 determines the large flow rate of the discharged fuel flow
[0040]
The
[0041]
In the low flow rate range of the discharged fuel, zero is output as the valve opening of the
On the other hand, in the high flow rate range of the discharged fuel, the small
[0042]
As a method of switching the control method, for example, a method according to a past empirical rule prepared in advance or a method using a pressure upper / lower limit alarm can be used.
[0043]
Next, a processing procedure of signals and the like performed by the
[0044]
Next, in the second stage, it is determined whether or not the calculated opening degree of the
If the result of this determination is “NO”, that is, if it is determined that it is in the high flow rate range of the discharged fuel, the opening of the
[0045]
On the other hand, if the result of the determination is “YES”, that is, if it is determined that it is in the low flow rate range of the discharged fuel, the valve opening of the
[0046]
As described above, in the low flow rate region until the flow rate of the exhaust fuel passing through the flow rate control means 5 reaches the predetermined flow rate, the valve opening of the
[0047]
On the other hand, in the high flow rate region after exceeding the predetermined flow rate, the valve opening degree of the large
[0048]
In this example, the load distribution (determined fixed flow rate) is determined for each of the feedforward control and the feedback control, and the majority of the control amount (the base portion B) is set as the base flow rate before the feedback result is obtained. Since the control amount is given and the control amount is calculated by using a predetermined calculation formula using a plurality of physical quantities as variables, the time required to achieve the target is very short. Further, since the ratio depending on the feedback control is small (the control part C), even if a slight hunting occurs by increasing the sensitivity of the PID constant, the influence on the whole is small.
As a result, highly accurate back pressure control can be performed while maintaining high responsiveness in a wide range from a small flow rate to a large flow rate.
[0049]
【The invention's effect】
According to the back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, the back pressure indicating the operation state of the polymer electrolyte fuel cell and having a plurality of physical properties correlated with the back pressure as variables is used. And a feed-forward control signal is supplied to the flow control means based on the operating conditions and the calculation formula, so that a large number of physical properties are determined in a complicated correlation. There is an effect that the back pressure control of the fuel cell is performed precisely and quickly, a predetermined power generation efficiency is secured, and a predetermined output can be obtained.
[0050]
According to the back pressure control device described in claim 2 or 3, when another physical quantity other than the variable of the arithmetic expression becomes a disturbance to the control system, this is self-learned and the other physical property is calculated. A function for creating a new arithmetic expression captured as a variable and, when control based on the arithmetic expression is suitably performed, recalculating the arithmetic expression based on the control result to create a more preferable new arithmetic expression. Therefore, there is an effect that more sophisticated back pressure control can be realized by self-learning various cases that may occur in the operation of the fuel cell.
[0051]
According to the back pressure control device described in claim 4, the basic part of the back pressure control is performed by feedforward control by the first control means, and the other fine adjustment parts are controlled by the second control. Since the control is performed by means of feedback control, the basic part, which is a large part of the control amount, can be quickly controlled by feedforward control calculated by a predetermined multivariable arithmetic expression, and the ratio of the fine adjustment part dependent on feedback control is reduced. Since there is little, the sensitivity of the PID constant is increased in the fine adjustment portion, and even if a slight hunting occurs, the influence on the whole is small. As described above, there are advantages that overshoot hardly occurs, the time required to achieve the target is short, and the entire control system is quickly stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell provided with a back pressure control device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the contents and functions of control in a control unit of the back pressure control device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
未反応の燃料と空気が排出される前記固体高分子型燃料電池の排出口に接続された流量制御手段と、
前記背圧を検出する背圧センサと、
前記固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有し、前記固体高分子型燃料電池の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える第1の制御手段と、
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。Back pressure control of a polymer electrolyte fuel cell that controls the back pressure due to unreacted fuel and air discharged from the polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane between the fuel electrode and the air electrode In the device,
Flow rate control means connected to an outlet of the polymer electrolyte fuel cell from which unreacted fuel and air are discharged,
A back pressure sensor for detecting the back pressure;
The operational condition of the polymer electrolyte fuel cell has an arithmetic expression of the back pressure, which indicates an operating state of the polymer electrolyte fuel cell and has a plurality of types of physical quantities correlated with the back pressure as variables. And a first control means for performing a calculation based on the calculation expression and providing a feedforward control signal to the flow control means based on the calculation result;
A back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
前記背圧の制御範囲を、前記第1の制御手段によってフィードフォワード制御される基本部分と、前記第2の制御手段によってフィードバック制御される微調整部分とに分け、
前記第1の制御手段のフィードフォワード制御によって前記基本部分の制御を達成した後に、前記第2の制御手段のフィードバック制御によって前記微調整部分の制御を達成することを特徴とする請求項1又は2又は3記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。A second control unit that provides a feedback control signal to the flow control unit based on a detection result of the back pressure sensor,
The control range of the back pressure is divided into a basic part that is feed-forward controlled by the first control means and a fine adjustment part that is feedback-controlled by the second control means,
3. The control of the fine adjustment portion is achieved by feedback control of the second control device after achieving control of the basic portion by feedforward control of the first control device. 4. Or a back pressure control device for a polymer electrolyte fuel cell according to item 3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102013221312B4 (en) | 2012-10-25 | 2022-03-10 | GM Global Technology Operations, LLC (n.d. Ges. d. Staates Delaware) | Cathode flow sharing control and pressure control for a vehicle fuel cell power supply system, controller and method for controlling cathode flow sharing |
-
2003
- 2003-03-28 JP JP2003091567A patent/JP2004303444A/en active Pending
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