JP2006269223A - 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御装置13及び制御方法であって、制御装置13は、燃料電池3の温度に応じて変化する燃料電池3の出力特性であって、基準となる出力特性を前記温度ごとに記憶する記憶部と、上記の基準となる出力特性と燃料電池3の実際の出力特性との関係を学習する出力特性学習部とを備える。
【選択図】図1
Description
記憶手段が、燃料電池の温度に応じて変化する燃料電池の出力特性であって、基準となる出力特性を前記温度ごとに記憶し、
出力特性学習手段が、上記の基準となる出力特性と燃料電池の実際の出力特性との関係を学習することである。
図1を参照して、本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの構成を説明する。燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタック3と、燃料電池スタック3へ燃料ガスの一例としての水素ガスを供給するための水素ガス系ラインと、燃料電池スタック3へ酸化剤ガスの一例としての空気を供給するための空気系ラインと、燃料電池スタック3の発電に伴う発熱を冷却するための冷却系ラインと、燃料電池スタック3から出力される電力を制御する電力制御装置24と、燃料電池システム全体を制御するコントローラ13とを備える。
アノード反応:H2→2H++2e− (1)
カソード反応:2H++2e−+(1/2)O2→H2O (2)
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
図4を参照して、図1の燃料電池システムの制御方法を説明する。図4のフローチャートは、図1のコントローラ13が燃料電池スタック3の出力特性を学習して、燃料電池システムのガス供給及び発電電力を制御する方法を示す。なお、図4のフローチャートは、所定時間周期(例えば10msec周期)で実行される。
△PMIV(k)=A(k)×PMIC+B(k) (3)
学習パラメータA、Bは、燃料電池スタック3の電流電圧特性の経時的な変化に対して、時々刻々と変化する特性を備える。また、燃料電池スタック3の実際の電圧には、電圧センサ18の分解能の影響により、計測誤差が含まれている。したがって、適応パラメータ推定アルゴリズムとして一般的に知られているRLS(逐次最小2乗法)を適用することが望ましい。RLSは、アダプティブコントロールの分野で使用されており、一般的な最小2乗法をリアルタイムで演算可能な形へ変形したものである。
w T(0)=[A(0),B(0)] (4)
P(0)=I/ε (5)
w(k)=[A(k),B(k)]T (6)
y(k)=PMIV(k) (7)
φT(k)=[PMIC(k)、1] (8)
e(k)=y(k)−φT(k)*w(k-1) (9)
k(k)=(P(k-1)*φ(k))/(λ+φT(k)*P(k-1)*φ(k)) (10)
w(k)=w(k-1)+k(k)*e(k) (11)
P(k)=(1/λ)*{P(k-1)−(P(k-1)*φ(k)*φT(k)*P(k-1))
/(λ+φT(k)*P(k-1)*φ(k))} (12)
ここで、Iは単位行列、λは忘却係数、εは小さな正定数を示し、最小2乗法においてλは1であり、重み付き最小2乗法において0<λ<1である。なお、RLS(逐次最小2乗法)については、「制御のためのシステム同定」(東京電機大学出版局)、「適応信号処理アルゴリズム」(培風館)、「応用カルマンフィルタ」(朝倉書店)などの文献において詳細な記載がある。
請求項1記載の制御装置及び請求項12の制御方法では、記憶部36が温度ごとの燃料電池スタック3の基準となる出力特性を記憶し、出力特性学習部35が基準となる出力特性と燃料電池スタック3の実際の出力特性との関係を学習する。このことにより、燃料電池スタック3の温度に応じた出力特性の変化を学習する必要がなくなる。これにより、燃料電池スタック3の温度が変化したことによって燃料電池スタック3の出力特性が変化した場合においても、燃料電池スタック3の出力特性を精度良く学習することが可能となる。
2…水素循環流路
3…燃料電池スタック(燃料電池)
4…水素パージ弁
6…コンプレッサ
7…空気供給流路
8…水素供給口温度センサ
9…水素供給口圧力センサ
11…空気排出流路
12…空気圧力制御弁
13…制御装置(コントローラ)
14…水素圧力制御弁
15…空気供給口圧力センサ
16…空気流量センサ
17…電流センサ
18…電圧センサ
21…タンク温度センサ
22…タンク圧力センサ
23…水素タンク
24…電力制御装置
28…冷却液温度センサ
29…冷却液循環ポンプ
30…熱交換器
35…出力特性学習部(出力特性学習手段)
36…記憶部(記憶手段)
37…表示装置
38…入力装置
39…出力装置
40…基準出力算出部(基準出力算出手段)
41…出力差学習部(出力差学習手段)
50…基準電圧算出部(基準電圧算出手段)
51…電圧差学習部(電圧差学習手段)
52…学習実施判定部(学習実施判定手段)
53…定常判定部(定常判定手段)
54…電流差判定部(電流差判定手段)
55…電流範囲判定部(電流範囲判定手段)
Claims (14)
- 水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御装置において、
燃料電池の温度に応じて変化する前記燃料電池の出力特性であって、基準となる出力特性を前記温度ごとに記憶する記憶手段と、
前記基準となる出力特性と前記燃料電池の実際の出力特性との関係を学習する出力特性学習手段、
とを有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 - 前記出力特性は、前記燃料電池から出力される電流、電圧及び電力のいずれか異なる2つの関係であり、
前記出力特性学習手段は、
前記燃料電池から出力される電流、電圧及び電力のいずれかから、前記基準となる出力特性を用いて、前記燃料電池の基準電流、基準電圧及び基準電力のいずれかを算出する基準出力算出手段と、
前記燃料電池から出力される電流、電圧及び電力のいずれかを入力とし、前記基準電流、基準電圧及び基準電力のいずれかと前記燃料電池から出力される電流、電圧及び電力のいずれかとの差、或いは比を出力とする入出力関係を学習する出力差学習手段
とを備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記出力特性は、前記燃料電池から出力される電流と電圧の関係を示す電流電圧特性であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の実際の電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の実際の電圧を検出する電圧検出手段とを有し、
基準出力算出手段は、前記燃料電池の運転状態から、前記基準となる電流電圧特性を用いて、前記燃料電池の基準電圧を算出する基準電圧算出手段であり、
前記出力差学習手段は、前記実際の電流を入力とし、前記基準電圧と前記実際の電圧との差を出力とする入出力関係を学習する電圧差学習手段である
ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記基準電圧算出手段は、前記実際の電流と前記燃料電池の温度から、前記基準電圧を算出する手段であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記電圧差学習手段は、前記実際の電流と、前記基準電圧と前記実際の電圧との差との関係を一次関数で近似することを特徴とする請求項4記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記出力特性学習手段は、前記燃料電池の運転状態が前記入出力関係を安定して学習することが可能な領域内である場合に限り、前記学習の実施を許可する学習実施判定手段を更に備え、
前記学習実施判定手段において許可された場合に限り、前記電圧差学習手段は前記学習を実施することを特徴とする請求項4記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記学習実施判定手段は、前記燃料電池の運転状態が定常状態である場合に限り、前記学習の実施を許可する定常判定手段を含むことを特徴とする請求項7記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記定常判定手段は、前記燃料電池の運転状態の分散値が所定値以下となった場合に、学習の実施を許可する手段であり、
前記運転状態とは、前記実際の電圧、前記実際の電流、燃料電池が出力する実際の電力、運転圧力、燃料ガスの利用率、酸化剤ガスの利用率のいずれか、或いは複数の組み合わせであることを特徴とする請求項8記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記学習実施判定手段は、前記実際の電流が、前記学習の実施を許可した時の前記実際の電流に対して、所定値以上の変化がない場合は学習の実施を禁止する電流差判定手段を含むことを特徴とする請求項7記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記学習実施判定手段は、前記実際の電流が第1の所定値以下、或いは、前記第1の所定値より大きい第2の所定値以上である場合には、前記学習の実施を禁止する電流範囲判定手段を含むことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システムの制御装置。
- 水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御方法において、
燃料電池の温度に応じて変化する前記燃料電池の出力特性であって、基準となる出力特性を前記温度ごとに記憶し、
前記基準となる出力特性と前記燃料電池の実際の出力特性との関係を学習する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 前記燃料電池の実際の電流を検出し、
前記燃料電池の実際の電圧を検出し、
前記基準となる出力特性と前記燃料電池の実際の出力特性との関係を学習することは、
前記実際の電流から、前記基準となる電流電圧特性を用いて、前記燃料電池の基準電圧を算出し、
前記実際の電流を入力とし、前記基準電圧と前記実際の電圧との差を出力とする入出力関係を学習する
ことであることを特徴とする請求項12記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記入出力関係を学習することは、前記実際の電流と、前記基準電圧と前記実際の電圧との差との関係を一次関数で近似することであることを特徴とする請求項13記載の燃料電池システムの制御方法。
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