JP2008117776A - 高温保護のためのｐｅｍ燃料電池のフィードバック型制御 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック高温動作期間に、フィードバックを用いて燃料電池スタックからの電流出力を制限するためのアルゴリズムを採用した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、スタックからの冷却液出口温度と所定温度値との間の差である誤差信号を受け取るＰＩＤコントローラを備える。アルゴリズムは冷却液出口温度が所定温度値よりも高いかどうかを検出し、高いならば、ＰＩＤコントローラの比例利得及び積分利得を設定する比例利得成分及び積分利得成分を計算する。比例利得成分、積分利得成分及び誤差信号に基づいて、アルゴリズムは許容される全電流を生成し、スタックから引き出される最大電流を設定する。スタックからの許容される電流の実際の電流からの立ち上がり又は立ち下がりは、円滑な遷移を提供するよう制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、燃料電池スタックの過熱を防止するサブシステムを採用した燃料電池システムに関するもので、特に、燃料電池の温度が所定値よりも高くなるのを防止するよう燃料電池スタックの出力電力を制限するアルゴリズムを採用した燃料電池システムに関する。

水素は、クリーンであって燃料電池に電気を効率的に生成するのに使用することができるので極めて魅力的である。水素燃料電池は、アノード、カソード、及びそれらの間の電解質を備える電気化学装置である。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素ガスはアノードで解離されて自由水素プロトンと電子を生成する。水素プロトンは電解質を通過してカソードに至る。水素プロトンはカソードの酸素及び電子と反応して水を生成する。アノードからの電子は電解質を通過できず、負荷を通るように送られて仕事をしてからカソードへ送られる。

プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両のための良く知られた燃料電池である。一般に、ＰＥＭＦＣは固体重合体電解質プロトン透過膜、例えばペルフルオロスルホン酸膜を備える。典型的には、アノード及びカソードは、炭素粒子によって支持され且つイオノマーと混合された、細分割された触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。触媒混合物は膜の両面に設けられる。アノード触媒混合物とカソード触媒混合物と膜との組み合わせによって、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が定義される。ＭＥＡは製造するのに比較的高価であり、効率的動作のための或る種の条件を必要とする。

典型的には、幾つかの燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを作り、所望の電力を生成する。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは２００個以上のスタックされた燃料電池を備える。燃料電池スタックは、コンプレッサによって強制的にスタックを通過させられるカソード入力ガス（典型的には空気流）を受け取る。酸素の全部がスタックで消費される訳ではなく、空気の一部は、スタック副産物として水を含むカソード排気ガスとして出力される。また、燃料電池スタックはスタックのアノード側へ流入するアノード水素入力ガスを受け取る。

燃料電池スタックは、スタックにおける若干のＭＥＡの間に位置する一連の双極性板を備え、双極性板及びＭＥＡは２枚の端板間に配置される。双極性板はスタックにおける隣接する燃料電池のアノード側面とカソード側面とを含む。アノード・ガス流チャンネルが双極性板のアノード側面に設けられ、アノード反応ガスがそれぞれのＭＥＡへ流れることができるようにする。カソードガス流チャンネルは双極性板のカソード側面に設けられ、カソード反応ガスがそれぞれのＭＥＡへ流れることができるようにする。双極性板と端板とはステンレススチール又は導電性複合材料のような導電性材料から作られる。端板は燃料電池によって生成された電気をスタックの外へ送る。

典型的には、燃料電池システムは、燃料電池スタックを所望の温度へ冷却するための熱サブシステムを備える。熱サブシステムはポンプを備えており、それによって冷却液を、スタック外の冷却ループと双極性板内に設けられた冷却液流チャンネルとを通るように送り出す。典型的には、スタックに存在する高温冷却液を放熱器が冷却してから、冷却液をスタックへ送り返す。

燃料電池スタックにおける種々の構成要素、例えば膜は、スタックの温度が或る材料遷移温度、例えば８５°Ｃより高くなると破損される可能性がある。したがって、典型的には、燃料電池システムは冷却液温度監視サブシステムを採用して、スタックから流出する冷却液の温度を監視し、スタックの温度が所定温度よりも高くならないようにする。高温外気環境においてスタックを長時間にわたって高負荷で動作させる等の種々の要因によって、スタックの温度は所定温度よりも高くなり得る。

現在の燃料電池設計においては、典型的には、冷却液温度は温度センサによってスタックから排出される冷却液において測定される。冷却液が流れているならば、センサはスタック過熱の信号を提供する。冷却液が、したがって燃料電池スタックが過熱状態になると、システムはスタック保護のためにスタック停止等の防護措置を講じる。しかし、スタックが過熱を検出しなかったり、誤りの過熱状態を検出して不要なシステム停止を行ったりする潜在的な故障モードが存在する。これらの潜在的な故障モードは、冷却液ポンプの故障、冷却液不足、冷却液流れ妨害、冷却液出口温度センサの故障を含む。システムが燃料電池スタックの過熱状態を検出しないならば、スタック膜は損傷されるようになる。しかし、システムが誤って過熱状態を検出し、システムを停止させるならば、システムの信頼性は低下する。

当該分野においては、過熱状態が検出された場合にスタックの出力電力を制限することが知られている。１つの応用においては、冷却液の温度に依存して最大スタック出力電流を与えるルックアップ・テーブルが採用される。例えば、スタックから出る冷却液の温度が８２°Ｃよりも高くなるならば、スタックの出力電流を、最大スタック電流よりも小さい１つの電流値に制限する。冷却液の温度が上昇し続けるならば、スタックの温度が膜を破損する温度を越えないようにするため、スタックの出力電流は更に制限される。冷却液の温度が最大の所望温度よりも低くなると、ルックアップ・テーブルはスタックからの最大利用可能電流をスタック最大電流に戻させる。電力要求が変わらなかったならば、冷却液サブシステムの温度拒否能力は拒否要求に合致することができず、冷却液の温度は所定値を再び越えることになる。この目的のためにルックアップ・テーブルを採用することにより、スタック電流限度の各変更は以前の変更からの段差であるから、車両ドライバによって感じることができる、１つの電流限度と他の電流限度との間の円滑な遷移を提供するものではない。また、このプロセスはスタック負荷、温度及びスタック相対湿度に振動を生み出すので、スタックの耐久性及び性能にとって不都合である。

本発明の教示にしたがって、スタック高温動作期間にフィードバックを用いて燃料電池スタックから出力される電流を制限するためのアルゴリズムを採用した燃料電池システムが開示される。該システムは、燃料電池スタックからの冷却液出力温度と所定の温度値との差である誤差信号を受け取るＰＩＤコントローラを備える。アルゴリズムは、燃料電池スタックからの冷却液出力温度が所定の温度値よりも高いかどうかを検出し、高ければ、ＰＩＤコントローラの比例利得と積分利得を設定する比例利得成分と積分利得成分とを計算する。比例利得成分、積分利得成分及び誤差信号に基づいて、アルゴリズムは、許容される全電流を生成し、燃料電池スタックからの最大電流引き出しを設定する。燃料電池スタックからの許容される電流の実際の電流からの立ち上がり又は立ち下がりは円滑な遷移を提供するよう制限される。

本発明の追加の特徴は、添付の図面と結合した以下の説明及び請求項から明らかになるであろう。

スタック温度に基づいてスタック出力電流を制限するための制御システムを採用した燃料電池システムに関する発明の実施の形態についての以下の記述は、本質的に単なる例示であり、発明、その応用又は使用を制限するものではない。

図１は、燃料電池スタック１２を備える燃料電池システム１０の概略ブロック図である。コンプレッサ１４はカソード入力ライン１６においてスタック１２のカソード側へ空気流を提供する。カソード排気ガスはカソード出力ライン１８においてスタック１２から出力される。水素供給源２０はアノード入力ライン２２において燃料電池スタック１２のアノード側へ水素流を提供する。アノード排気ガスはアノード出力ライン２４においてスタック１２から出力される。また、燃料電池システム１０は、当業者には良く理解されるように、燃料電池スタック１２の冷却液フローチャンネルと燃料電池スタック１２の外部の冷却液ループ２８とを通して冷却液を流すポンプ２６を備える。燃料電池スタック１２からの加熱された冷却液は放熱器３０へ送られ、燃料電池スタック１２へ送り返される前に温度を下げられる。放熱器３０は、当該分野において良く理解されているように、冷却を行うよう放熱器３０を通して冷却空気を送るファン（図示せず）を備えてもよい。温度センサ３２はスタック１２から出るときの冷却液の温度を測定する。また、システム１０は、冷却液を冷却することが望ましくない或る動作条件に対して放熱器３０を迂回させるための３方向弁７８を備える。

図２は、燃料電池スタック１２の外部の冷却液の温度が所定温度値よりも高くなった場合に、燃料電池スタック１２の温度によって電池膜が破損されないように、燃料電池スタック１２の電流出力を制限する制御システム３４の概略ブロック図である。制御システム３４は、以下で詳細に検討するように、冷却液の温度に基づいてスタック１２からの許容最大電流を決定する比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ３６を採用する。

冷却液センサ３２によって測定された冷却液の温度は線４０によりヒステリシス・コントローラ３８へ送られる。また、ヒステリシス・コントローラ３８は線４２により上限温度を受け取り、線４４によって下限温度を受け取る。１つの非制限的な実施の形態においては、上限温度は８２°Ｃであり、下限温度は８０°Ｃである。冷却液の温度が上限温度よりも高くなった場合には、コントローラ３８は線４６上で遅延回路４８に対してハイの信号を出力する。線４６上のハイの信号はコントロール・システム３４に対する動作可能化信号である。冷却液の温度が上限温度よりも高くなると、コントローラ３８からの出力は冷却液の温度が下限温度よりも低くなるまでハイの状態を保ち、冷却液の温度が下限温度よりも低くなると、コントローラ３８の出力は冷却液の温度が上限温度よりも高くなるまでローの状態を保つ。遅延回路４８は、温度が上限温度よりも高くなったときからコントロール・システム３４が実際にスタック１２の電流出力を制限するまで時間を遅らせるのに用いられる。多くの場合、遅延はゼロに設定され、その場合には遅延回路４８はパススルーとして動作する。

また、線４０上の温度センサ３２からの温度信号は誤差回路５０へ送られ、誤差回路５０は温度信号をブロック５２によって提供される所定温度値（例えば８０°Ｃ）から差し引いて誤差信号を生成する。温度値は下限温度と同じである必要はないが、典型的には同じ又はほぼ同じである。誤差信号はＰＩＤコントローラ３６へ送られ、コントローラ３６は、コントロール・システム３４が動作可能にされていると仮定して、スタック１２からの最大出力電流を選択的に制御することによって誤差信号をゼロ又はそれより低くすることを試みる。

バイアス・ブロック５４からバイアス値がＰＩＤコントローラ３６に印加される。バイアス値は、許容可能なスタック電流を低減させる基準となるスタック電流であり、典型的には、燃料電池スタック１２が生成することができる最大電流、例えば４５０アンペアである。所定の比例利得値Ｋｐがボックス５６からＰＩＤコントローラ３６に対して印加され、所定の積分利得値Ｋｉがボックス５８からＰＩＤコントローラ３６に対して印加される。ＰＩＤコントローラ３６の微分制御は使用されない。すなわち、微分利得値はゼロに設定される。非制限的な実施の形態においては、１つの特定の応用に対して、所定の比例利得値は５０であり、所定の積分利得値は３である。

バイアス・ブロック５４からのバイアス値は、誤差信号の値に依存してスタック１２の電流出力を低減するための開始点として用いられる。スタック１２から引き出すことができる電流の最大量はブロック６０において提供され、スタック１２から引き出すことができる電流の最小量はブロック６２において提供される。１つの非制限的な実施の形態においては、最大電流は４５０アンペアであり、最小電流は４０アンペアである。機能停止コマンドを機能停止ブロック６４から提供することができ、これによって、機能停止ブロック６４の出力がハイである限り、ＰＩＤコントローラ３６の出力を維持させる。こうした特徴が望ましい種々の動作状態が存在し得る。

遅延回路４８の出力はリセット回路６６に印加される。遅延回路４８の出力がハイからローへ移行すると、リセット回路６６は遅延回路４８からのハイの信号からローの信号への立ち下がりエッジでコントローラ３６にハイの信号を提供する。次いで、ＰＩＤコントローラ３６はその出力をブロック５４からのバイアス値へリセットし、積分利得項をゼロへリセットし、その全部のパラメータをリセットして今後のＰＩＤ制御を初期化する。

また、遅延回路４８の出力はブール代数回路６８の「ｉｆ」入力へも送られる。遅延回路４８の出力がローであるならば、制御システム３４は動作可能にされていないことを意味するので、回路６８はスタック１２からの最大可能電流を出力するが、最大可能電流はブロック７０からブール代数回路６８への「ｅｌｓｅ」入力により提供される。しかし、遅延回路４８の出力がハイであれば、回路６８はブール代数回路６８への「ｔｈｅｎ」入力を選択するが、この入力は、スタック１２の温度を下げるよう上記の入力に基づいてＰＩＤコントローラ３６によって計算される、スタック１２からの最大出力電流を設定するよう、ＰＩＤコントローラ３６によって提供される。スタック１２からの許容される最大電流は回路６８から速度リミッタ回路７２へ出力される。速度リミッタ回路７２は、スタック１２の電流出力が増えているか減っているかに拘わらず、該電流出力が変わることのできる速さを制限する。非制限的な例においては、立ち上がり電流速度、すなわち、スタック１２からの最大電流が増加し得る速度は、ブロック７４によって提供されるように３０アンペア／秒に制限され、立ち下がり電流速度、すなわち、スタック１２からの最大電流が減少し得る速度は、ブロック７６によって提供されるように−２００アンペア／秒に制限される。ブロック７４、７６の値は、別の燃料電池システムにおいては、異なる応用に対して選択され得る。

図３は、燃料電池スタック１２の温度を制御するための、上述の制御システム３４の動作を示す流れ図８０である。最初に、アルゴリズムは、ボックス８２において、センサ３２から冷却液出口温度を取得する。次いでアルゴリズムは、判定菱形８４において、冷却液出口温度が、制御システム３４を動作可能にする所定の温度値、例えば８２°Ｃよりも高いかどうかを決定する。判定菱形８４において冷却液出口温度が所定値よりも高くないならば、アルゴリズムはボックス８６において、スタック１２から利用可能な最大電流を、スタック１２が作ることができる最大電流に設定する。次いでアルゴリズムはボックス８８において、スタック電流が前述のように所定の限度よりも速く増加又は減少しないように、スタック電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を制限する。次いでアルゴリズムはボックス８２へ戻って、冷却液出口温度を取得する。

判定菱形８４において冷却液出口温度が８２°Ｃよりも高い場合には、アルゴリズムはボックス９０において、ＰＩＤコントローラ３６における積分利得成分をゼロにリセットする。前述のとおり、遅延回路４８の出力がローになった後、リセット回路６６はＰＩＤコントローラ３６をして積分利得成分をゼロにリセットさせる。しかし、制御システム３４が動作不可能にされているときか、動作可能にされているときかに拘わらず、温度に基づいてスタック１２から許容される全電流をＰＩＤコントローラ３６が計算しないうちに、積分利得成分をリセットすることが単に必要なだけである。

次いでアルゴリズムは、ボックス９２において、誤差信号ボックス５６で与誤差れる比例利得値Ｋｐとに基づいて比例利得成分Ｐを計算する。１つの非制限的な実施の形態においては、比例利得成分Ｐは８０°Ｃと冷却液温度Ｔとの差に５０アンペア／°Ｃを掛けたもの（すなわちＰ＝（８０−Ｔ）・５０Ａ／°Ｃ）として計算される。次いでアルゴリズムはブックス９４において、同じように誤差回路５０からの誤差信号とブロック５８からの積分利得値Ｋｉとに基づいて積分利得成分を計算する。１つの非制限的な実施の形態においては、積分利得成分Ｉは、８０°Ｃと冷却液温度Ｔとの差に毎秒３アンペア／°Ｃを掛けたものの積分（すなわちＰ＝∫（８０−Ｔ）・３Ａ／°Ｃ／秒）として計算される。次いでアルゴリズムはボックス９６において、スタック１２から許容される全電流を、ブロック５４からのバイアス値から比例利得成分と積分利得成分とを差し引いたもの（すなわち、４５０−Ｐ−Ｉ）として計算する。

次いでアルゴリズムはボックス９８において、スタック１２からの電流出力を、ブロック６０からの最大値とブロック６２からの最小値との間になるように、及び、速度リミッタ回路７２へ提供される、ブロック７４からの立ち上がり時間とブロック７６からの立ち下がり時間との間になるように制限する。次いでアルゴリズムは判定菱形１００において、冷却液温度が８０°Ｃよりも低いかどうか、すなわち、誤差信号がゼロであるか否かを決定し、低くなければボックス９２に戻って、判定菱形１００において温度が８０°Ｃより低くなったと判定されるまで、誤差信号に基づいて比例利得成分Ｐを計算する。アルゴリズムが電流制限ループを回るたび毎に、積分利得成分Ｉは増加する。次いでアルゴリズムはボックス８６において、スタック１２に対する最大電流を設定し、ボックス８２に戻ってスタック冷却液出口温度を取得する。

以上の記載は本発明の例示の実施の形態を開示し記述しているにすぎない。当業者であれば、こうした記載並びに添付の図面及び請求項から、請求項に定義された発明の精神及び範囲を逸脱することなく種々の変更、修正及び変形を行うことができることが容易に認識される。

燃料電池システムの一般的な概略ブロック図である。 本発明に係る、スタック温度に基づいて燃料電池スタックからの最大電流を設定するためのＰＩＤコントローラを含む制御システムの概略的なブロック図である。 図２に示す制御システムにおいて採用されたアルゴリズムの動作を示すフローチャート図である。

Claims (20)

1. 燃料電池スタックの温度に応答して該燃料電池スタックから出力される電流を制限するシステムであって、
   前記燃料電池スタックの温度を測定する温度センサと、
   前記燃料電池スタックの測定された温度と第１の所定温度値との間の差として誤差信号を生成する誤差回路と、
   前記誤差信号、バイアス値、比例利得値及び積分利得値に応答する比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラであって、前記誤差信号と前記比例利得値とに基づいて比例利得成分を計算し、前記誤差信号と前記積分利得値とに基づいて積分利得成分を計算すると共に、前記バイアス値、前記比例利得成分及び前記積分利得成分に基づいて前記燃料電池スタックからの許容される最大電流を提供するＰＩＤコントローラと、
   を具備するシステム。
2. 前記燃料電池スタックの測定された温度が第２の所定温度値よりも高くなり、前記第２の所定温度値とは異なる第３の所定温度値よりも高く留まるならば、前記ＰＩＤコントローラを動作可能にする動作可能化回路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の所定温度値が約８２°Ｃであり、前記第３の所定温度値が約８０°Ｃである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１の所定温度値と前記第３の所定温度値とが同じである、請求項２に記載のシステム。
5. 前記動作可能化回路が前記ＰＩＤコントローラを動作可能にした後の期間、前記ＰＩＤコントローラの動作可能化を遅延させる遅延回路を更に備える、請求項２に記載のシステム。
6. 前記燃料電池スタックからの許容される最大電流が変更される速度を制限する速度リミッタ回路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記燃料電池スタックからの許容される最大電流が、前記バイアス値から前記比例利得成分と前記積分利得成分との和を引いたものである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記比例利得成分が、前記第１の所定温度値と前記燃料電池スタックの温度との差に前記比例利得値を掛けたものであり、前記積分利得成分が、前記第１の所定温度値と前記燃料電池スタックの温度との差に前記積分利得値を掛けたものの積分値である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記比例利得値が５０であり、前記積分利得値が３である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記温度センサが前記燃料電池スタックを出るときの冷却液の温度を測定する、請求項１に記載のシステム。
11. 燃料電池スタックの温度に応答して前記燃料電池スタックから出力される電流を制限するシステムであって、
    燃料電池スタックを通るように冷却液を導く冷却液ループと、
    前記燃料電池スタックからの前記冷却液の温度を測定する温度センサと、
    前記燃料電池スタックの測定された温度が第１の所定温度値よりも高くなり、前記第１の所定温度値とは異なる第２の所定温度値よりも高く留まるならば、前記ＰＩＤコントローラを動作可能にする動作可能化回路と、
    前記燃料電池スタックの温度と第３の所定温度値との間の差として誤差信号を生成する誤差回路と、
    前記誤差信号、バイアス値、比例利得値及び積分利得値とに応答するＰＩＤコントローラであって、前記誤差信号と前記比例利得値とに基づいて比例利得成分を計算し、前記誤差信号と前記積分利得値とに基づいて積分利得成分を計算すると共に、前記バイアス値から前記比例利得成分と前記積分利得成分との和を差し引いた値として前記燃料電池スタックからの許容される最大電流を提供するＰＩＤコントローラと、
    前記燃料電池スタックからの許容される最大電流が変化する速度を制限する速度リミッタ回路と、
    を具備するシステム。
12. 前記第１の所定温度値が約８２°Ｃであり、前記第２の所定温度値及び前記第３の所定温度値が約８０°Ｃである。
13. 前記動作可能化回路が前記ＰＩＤコントローラを動作可能にした後の期間、前記ＰＩＤコントローラの動作可能化を遅延させる遅延回路を更に備える、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記比例利得成分が、前記第３の所定温度値と前記燃料電池スタックの温度との差に前記比例利得値を掛けたものであり、前記積分利得成分が、前記第３の所定温度値と前記燃料電池スタックの温度との差に前記積分利得値を掛けたものの積分値である、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記比例利得値が５０であり、前記積分利得値が３である、請求項１４に記載のシステム。
16. 燃料電池スタックの温度上昇につれて前記燃料電池スタックから出力される電流を制限することによって前記燃料電池スタックの過熱を防止するシステムであって、
    前記燃料電池スタックの温度を測定する温度センサと、
    前記燃料電池スタックの測定された温度と所定温度値との差として誤差信号を生成する誤差回路と、
    前記誤差信号に応答して、前記誤差信号の大きさに基づいて決定される、前記燃料電池スタックからの許容される最大電流を提供するコントローラと、
    を具備するシステム。
17. 前記温度センサが、前記燃料電池スタックから出るときの冷却液温度を測定する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記コントローラが比例・積分・微分コントローラである、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記比例・積分・微分コントローラが、バイアス値から比例利得成分と積分利得成分との和を差し引いたものとして前記最大電流を計算する、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記燃料電池スタックからの許容される最大電流が変化する速度を制限する速度リミッタ回路を更に備える、請求項１６に記載のシステム。

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