JP2016219413A - 燃料電池システム及びその制御の方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】動作制御によって燃料電池の劣化を少なくし燃料電池の寿命を延ばす燃料電池システム及びその制御の方法を提供する。
【解決手段】電力を提供するために負荷に結合された燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料と酸素を提供するために燃料電池スタックに結合されたガス供給システム及び制御システムを備える燃料電池システムである。制御システムは、負荷からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号を生成するフォワード制御器と、燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号に基づいて燃料電池スタックの動作制約に違反することを回避するための制御補正信号を生成する補正制御器を備える。制御システムは、所望の制御命令信号と制御補正信号に基づいて制御信号を生成し、その生成された制御信号に基づいてガス供給システムを制御して燃料電池スタックが安全動作限界内で動作することを確保する。
【選択図】図１
【解決手段】電力を提供するために負荷に結合された燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料と酸素を提供するために燃料電池スタックに結合されたガス供給システム及び制御システムを備える燃料電池システムである。制御システムは、負荷からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号を生成するフォワード制御器と、燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号に基づいて燃料電池スタックの動作制約に違反することを回避するための制御補正信号を生成する補正制御器を備える。制御システムは、所望の制御命令信号と制御補正信号に基づいて制御信号を生成し、その生成された制御信号に基づいてガス供給システムを制御して燃料電池スタックが安全動作限界内で動作することを確保する。
【選択図】図１
Description
本開示は、一般的には燃料電池の分野に関し、より詳細には燃料電池システム及びその燃料電池を制御するための方法に関する。
燃料電池は、水素など燃料と周囲の空気に含まれている酸素など酸化剤との間の電気化学反応を利用して、電力を生成する電気化学デバイスである。燃料電池は、低汚染、高効率及び高出力密度において有利である。したがって、燃料電池分野への開発や研究が、その利用の開拓のために精力的に行われている。さまざまな燃料電池が入手可能であるが、そのなかで、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が、低い動作温度、高速起動、及び単位重量及び体積に関して高い出力密度のために最も期待される燃料電池である。
しかし、燃料電池は長期間に亘って動作したとき時間の経過につれて劣化することが知られている。燃料電池の劣化は、電気接触不良、電解質プレートのクラック、コーティングの欠陥、材料の欠陥、リーク、内部抵抗の増大、膜のフラッディング又はドライイング等を含む。燃料電池の寿命に影響する要因は、形状設計、材料設計、プロセスフロー設計及び動作制御設計を含み得る。如何に動作制御によって燃料電池の劣化を少なくし燃料電池の寿命を延ばすかは、依然として難題である。
本発明の実施形態の一側面において、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電力を提供するために負荷に結合された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料と酸素を提供するために燃料電池スタックに結合されたガス供給システムと、制御システムとを備えている。制御システムは、負荷からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号を生成するフォワード制御器と、燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号に基づいて燃料電池スタックの動作制約に違反することを回避するための制御補正信号を生成する補正制御器とを備えている。制御システムは、所望の制御命令信号と制御補正信号に基づいて制御信号を生成し、その生成された制御信号に基づいてガス供給システムを制御して燃料電池スタックが安全動作限界内で動作することを確保する。
本発明の実施形態の他の側面において、燃料電池システムを制御する方法が提供される。この方法は、燃料電池システムが、電力を提供するために負荷に結合された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料と酸素を提供するために燃料電池スタックに結合されたガス供給システムを備え、燃料電池システムの負荷からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号を生成することと、燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号に基づいて燃料電池スタックの動作制約に違反することを回避するための制御補正信号を生成することと、所望の制御命令信号と制御補正信号に基づいて制御信号を生成することと、生成された制御信号に基づいてガス供給システムを制御して燃料電池スタックが安全動作限界内で動作することを確保することを含む。
以下の詳細な説明が、全図面を通して同様の符号は同様の部分を表す添付の図面を参照して読まれたときに、本開示のこれらの及び他の特徴、側面と利点は、よりよく理解されるであろう。
本開示の実施形態は、添付の図面を参照して以下に説明される。以下の説明では、よく知られた機能又は構成は、無用に詳細にして本開示をわかり難くすることを避けるため、詳細には説明しない。
特に規定しない限り、ここに用いられている技術的及び科学的用語は、本開示が属する分野の当業者により一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に用いられている用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」等は、如何なる順序、量又は重要性も意味するものではなく、ある要素を他の要素から区別するために用いられている。また、用語「ａ」及び「ａｎ」は、数量の限定を示すのではなく、参照されている項目の少なくとも１つの存在を示す。用語「又は（ｏｒ）」は、含み得るということであり、挙げられている項目の何れか又は全てを意味する。本明細書での「備える、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又は「持つ、有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語及びこれらの変形形態の使用は、それ以降に挙げられている項目及び追加の項目だけでなくそれらと同等のものも含むことを意味する。さらに、「基づいて（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」は、「少なくとも部分的には基づいて（ｂａｓｅｄ ａｔ ｌｅａｓｔ ｉｎ ｐａｒｔ ｏｎ）」を意味する。
図１は、本発明の一実施形態に従う燃料電池システムの概略構成図を示している。図１に示されているように、本発明の一実施形態に従う燃料電池システム１００は、電力を供給するために負荷２に結合された燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料及び酸素を供給するために燃料電池スタック１に結合されたガス供給システム３と、ガス供給システム３を制御するための制御システム４とを備えている。制御システム４は、フォワード制御器４１及び補正制御器４２を備えている。フォワード制御器４１は、負荷２からのコマンドＣLに基づいて所望の制御命令信号Ｓ１を生成するように構成されている。補正制御器４２は、燃料電池システム１００からの少なくとも１つの測定信号ＳMに基づいて制御補正信号Ｓ２を生成するように構成されている。制御補正信号Ｓ２は、燃料電池スタック１の動作制約に違反することを回避するように構成されている。制御システム４は、所望の制御命令信号Ｓ１及び制御補正信号Ｓ２に基づいて制御信号Ｓ３を生成し、生成された制御信号Ｓ３に基づいてガス供給システム３を制御して、本発明の燃料電池スタック１が安全動作限界内で動作することを確保するように構成されている。
本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の異なる動作制約に一様に効果的に対処し、安全境界での燃料電池スタック１の寿命に影響するいくつかの重要な変数を保持することができ、その結果、本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１が燃料電池システム１００の通常の動作を適える状態での安全動作限界で動作させられることを効果的に確保する。本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の寿命を延ばすことができ、簡単化された設計と低コストを備え得る。
燃料電池スタック１は、共に重ねられた一連の燃料電池を備える。燃料、通常水素と、空気、通常酸素が、燃料電池スタック１で反応させられる。燃料電池スタック１は、水素と酸素を水に変換して電気と熱を生成する。本発明の燃料電池スタック１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）等の高温燃料電池と、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等の低温燃料電池との双方に応用することが可能である。例えば、本発明の燃料電池システムが固体酸化物型燃料電池システムである場合、燃料電池スタックは、一連の固体酸化物型燃料電池を備える。固体酸化物型燃料電池のそれぞれは、アノード、カソード、アノードとカソードの間の固体電解質及び配線を有する。固体電解質は、最も一般的には、十分に高い温度で（一般的に、５００℃を超える）マイナス酸素イオンを伝えるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と呼ばれるセラミック材料である。
燃料電池スタック１の動作制約は、燃料電池スタック１の寿命に関連するユーザ指定の動作制約である。燃料電池スタック１の動作制約は、次の制約、すなわち、燃料電池スタック１の１つの燃料電池の電圧、燃料電池スタック１の抵抗、燃料電池スタック１のアノードガス圧力とカソードガス圧力との間の圧力差、燃料電池スタック１での最大温度差、燃料電池スタック１のカソードに供給された酸素と実際に消費された酸素との比である酸素過剰比、燃料電池スタック１のアノードに供給された上記燃料と実際に消費された燃料との比である燃料過剰比、燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の圧力と燃料電池スタック１のアノード入口ガス圧力との間の圧力差、上記周囲の圧力と燃料電池スタック１のカソード入口ガス圧力との間の圧力差、アノードとカソードとの間のクロスリーク、アノードと燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の環境との間のクロスリーク及びカソードと上記周囲の環境との間のクロスリークのうちの少なくとも１つを含み得る。しかし、本発明の燃料電池スタック１の動作制約は、上の制約に限定されるものではなく、本明細書に述べられていない他の制約も含み得る。
例えば、いくつかの実施形態では、燃料電池スタック１の１つの燃料電池の電圧は、約０．５５〜１．０Ｖの範囲に入り得る。燃料電池スタック１のアノードガス圧力とカソードガス圧力との間の圧力差は、約−４０Ｋｐａ〜４０Ｋｐａの範囲に入り得る。燃料電池スタック１の最大温度差は、約−４０Ｋｐａ〜４０Ｋｐａの範囲に入り得る。酸素過剰比は、２〜６の範囲に入り得る。燃料過剰比は、１．５〜６の範囲に入り得る。周囲の圧力と燃料電池スタック１のアノード入口ガス圧力との間の圧力差は、０Ｋｐａ〜４０Ｋｐａの範囲に入り得る。上記周囲の圧力と燃料電池スタック１のカソード入口ガス圧力との間の圧力差は、０Ｋｐａ〜４０Ｋｐａの範囲に入り得る。しかし、燃料電池スタック１の動作制約の数及び特定の値は、燃料電池スタック１の実際の動作条件に従ってユーザによって予め対応して調整することができることが理解される。
少なくとも１つの測定信号ＳMは、次の信号、すなわち、燃料電池スタック１の、アノード入口ガス圧力、アノード出口ガス圧力、カソード入口ガス圧力、カソード出口ガス圧力、アノード入口流量、アノード出口流量、カソード入口流量とカソード出口流量、燃料電池スタック１の１つ以上の温度測定、燃料電池スタック１の１つの燃料電池の電圧、燃料電池１の電流及び燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の温度、周囲の圧力と周囲の湿度のうちの少なくとも１つを含み得る。しかし、本発明の少なくとも１つの測定信号ＳMは、上の信号に限定されるものではなく、本明細書に述べられていない他の信号も含み得る。
引き続き図１を参照すると、本発明の燃料電池システム１００は、排出ガスを排出する、燃料電池スタック１に結合された排出ガス排出システム５をさらに備えている。反応物及び未反応のガスは排出ガスとして排出ガス排出システム５を通して排出される。排出ガス排出システム５は、燃料排出ガスを排出するためのアノード排出モジュール５１と空気排出ガスを排出するためのカソード排出モジュール５２を備えている。
図１を参照すると、一実施形態では、制御システム４は、合算器４３をさらに備えている。合算器４３は、所望の制御命令信号Ｓ１と制御補正信号Ｓ２を合算して制御信号Ｓ３を生成するように構成されている。しかし、合算器４３は、本発明の例として表されているのみで、実際には、本発明の制御システム４は、合算器４３を備えることに限定されるものではない。本発明の他の実施形態では、制御システム４は、選択器をさらに備える場合もある。例えば、選択器は、所望の制御命令信号Ｓ１と制御補正信号Ｓ２の最大なものを選択するように構成されてもよい。選択された最大なものは、制御信号Ｓ３とみなされる。あるいは、選択器はまた、所望の制御命令信号Ｓ１と制御補正信号Ｓ２の最小なものを選択するように構成されてもよい。選択された最小なものは、制御信号Ｓ３とみなされる。
気体供給システム３は、燃料流調整器３１と空気流調整器３２を備えている。燃料流調整器３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料流量を調整するように構成されている。空気流調整器３２は、燃料電池スタック１に供給される空気流量を調整するように構成されている。
図２は、本発明の制御システム４の概略構成図を表す。図２に示されているように、一実施形態では、所望の制御命令信号Ｓ１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２を含み、対応して、制御補正信号Ｓ２は、燃料流量補正信号Ｓ２１と空気流量補正信号Ｓ２２を含む。補正制御器４２は、燃料流量補正信号Ｓ２１を生成し、その生成された燃料流量補正信号Ｓ２１を所望の燃料流量命令信号Ｓ１１に加えて燃料流量信号Ｓ３１を得て、補正制御器４２は、空気流量補正信号Ｓ２２を生成し、その生成された空気流量補正信号Ｓ２２を所望の空気流量命令信号Ｓ１２に加えて空気流量信号Ｓ３２を得る。このように、制御信号Ｓ３は、燃料流量信号Ｓ３１と空気流量信号Ｓ３２を含む。
図２を参照する、この実施形態では、合算器４３は、第１の合算器４３１と第２の合算器４３２を備えている。第１の合算器４３１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と燃料流量補正信号Ｓ２１を合算して燃料流量信号Ｓ３１を生成する。第２の合算器４３２は、所望の空気流量命令信号Ｓ１２と空気流量補正信号Ｓ２２を合算して空気流量信号Ｓ３２を生成する。
一実施形態では、負荷２からのコマンドＣLは、電力コマンドＣLを含む。
図３は、本発明のフォワード制御器４１の概略構成図を表す。図３に示されているように、フォワード制御器４１は、スケジューラ４１１と変換器４１２を備えている。一実施形態では、スケジューラ４１１は、電力コマンドＣLに基づいてスケジュールされた電流信号ＳISを生成する。他の実施形態では、スケジューラ４１１は、電力コマンドＣLに基づいてさらに燃料電池スタック１からの電流測定ＳIに基づいてスケジュールされた電流信号ＳISを生成する。例として、スケジューラ４１１は、電流計算モジュール４１１１、補償モジュール４１１２及び第３の合算器４１１３を備えることもできる。電流計算モジュール４１１１は、電力コマンドＣLに基づいて電力コマンドＣLを満たす基準電流信号ＳIBを計算し、補償モジュール４１１２は、電流測定ＳIに基づいて補償電流信号ＳICを生成する。第３の合算器４１１３は、基準電流信号ＳIBと補償電流信号ＳICを合算して、スケジュールされた電流信号ＳISを生成する。変換器４１２は、化学量論比を掛けることによって、スケジュールされた電流信号ＳISを所望の制御命令信号Ｓ１に変換する。一実施形態では、所望の制御命令信号Ｓ１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２を含む。
図１と図２を参照すると、本発明の補正制御器４２は、モデル予測制御を用いて燃料電池スタック１の動作制約に対処する。補正制御器４２は、所望の制御命令信号Ｓ１が少なくとも１つの測定信号ＳMに基づいて燃料電池スタック１の動作制約に違反するかどうかを予測するように構成されている。所望の制御命令信号Ｓ１が燃料電池スタック１の動作制約に違反することが予測されるときに、本発明の補正制御器４２は、制御補正信号Ｓ２を生成し、生成された制御補正信号Ｓ２を所望の制御命令信号Ｓ１に加える。一実施形態では、制御補正信号Ｓ２は、燃料流量補正信号Ｓ２１と空気流量補正信号Ｓ２２を含む。燃料流量補正信号Ｓ２１は、生成されて所望の燃料流量命令信号Ｓ１１に加えられ、空気流量補正信号Ｓ２２は、生成されて所望の空気流量命令信号Ｓ１２に加えられる。
本発明の燃料電池システム１００は、以下のような有益な技術的効果を少なくとも有し得る。
本発明の燃料電池システム１００は、追加のハードウェア、プロセスフローや材料の変更の必要がないため、燃料電池の寿命を延ばすための低コストの解決を提供することができる。
本発明の燃料電池システム１００はまた、１つの枠組みでの複数の相互に作用する制約を取り扱うことができ、より少ない操作された変数（例えば、ただ２つのみの変数、燃料流量と空気流量）を取り扱うことができてより多くの制約に適う強力な制約操作能力を持ち得る一般的な燃料電池寿命制御の解決を提供することができる。
本発明の燃料電池システム１００は、低温度燃料電池から高温度燃料電池の範囲のより広い応用分野を持ち得る。
本発明の燃料電池システム１００は、操作が容易である。本発明の燃料電池システム１００は、２つの別個の制御モジュール、すなわち、明確に物理的意味において、別々に調整し障害処理手続きにかけることができる、フォワード制御器４１と補正制御器４２を備える。このように、深い制御の技術背景を持たない操作者もまた、本発明の燃料電池システム１００を使用することができる。
図４は、本発明の実施形態に従う燃料電池システム１００を制御する方法のフローチャートを表す。図１〜図３と共に図４に示されているように、本発明の実施形態に従う燃料電池システム１００を制御する方法は、以下のステップを含む。
ブロックＢ１で、所望の制御命令信号Ｓ１が、上の燃料電池システム１００の負荷２からのコマンド信号ＣLに基づいて生成される。この実施形態では、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２が、負荷２からのコマンドＣLに基づいて生成される。このように、所望の制御命令信号Ｓ１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２を含む。一実施形態では、負荷２からのコマンドＣLは、電力コマンドＣLを含むことがある。
負荷２からのコマンドＣLが電力コマンドＣLであるとき、ステップＢ１は、以下のようなステップをさらに含む。
ブロックＢ１１で、スケジュールされた電流信号ＳISが生成される。一実施形態では、スケジュールされた電流信号ＳISは、電力コマンドＣLに基づいて生成される。他の実施形態では、スケジュールされた電流信号ＳISは、電力コマンドＣLに基づいてさらに燃料電池スタック１からの電流測定ＳIに基づいて生成される。
図５は、図４の方法による燃料電池スタック１からの電力コマンドＣLと電流測定ＳIの双方に基づいてスケジュールされた電流信号ＳISを生成することにおけるステップを表すフローチャートである。図５に示されているように、ステップＢ１１は、以下のステップをさらに含む。
ブロックＢ１１１で、電力コマンドＣLに基づいて、電力コマンドＣLを満たす基準電流信号Ｓ1Bが、計算される。
ブロックＢ１１２で、補償電流信号ＳICが、電流測定ＳIに基づいて生成される。
ブロックＢ１１３で、基準電流信号ＳIBと補償電流信号ＳICが合算されて（加えられて）、スケジュールされた電流信号ＳISを生成する。
図４に戻り、ブロックＢ１２で、化学量論比を掛けることによって、スケジュールされた電流信号ＳISが、所望の制御命令信号Ｓ１に変換される。この実施形態では、スケジュールされた電流信号ＳISは、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２に変換される。
ブロックＢ２で、燃料電池スタック１の動作制約は、ユーザによって指定される。燃料電池スタック１の動作制約は、燃料電池スタック１の寿命に関連する。例えば、燃料電池スタック１の動作制約は、次の動作制約、すなわち、燃料電池スタック１の１つの燃料電池の電圧、燃料電池スタック１の抵抗、燃料電池スタック１のアノードガス圧力とカソードガス圧力との間の圧力差、燃料電池スタック１での最大温度差、燃料電池スタック１のカソードに供給された酸素と実際に消費された酸素の比である酸素過剰比、燃料電池スタック１のアノードに供給された燃料と実際に消費された燃料との比である燃料過剰比、燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の圧力と燃料電池スタック１のアノード入口ガス圧力との間の圧力差、上記周囲の圧力と燃料電池スタック１のカソード入口ガス圧力との間の圧力差、アノードとカソードとの間のクロスリーク、アノードと燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の環境との間のクロスリーク及びカソードと上記周囲の環境との間のクロスリークのうちの少なくとも１つを含み得るが、これに限定はされない。
ブロックＢ３で、予測モデルが、予め設定される。予測モデルは、燃料電池スタック１の挙動を記述するように構成されている。
ブロックＢ４で、所望の制御命令信号Ｓ１が、少なくとも１つの測定信号ＳMに基づいて予測モデルからの燃料電池スタック１の動作制約に違反するかどうかが予測される。この実施形態では、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２の何れか１つ又は双方が、少なくとも１つの測定信号ＳMに基づいて予測モデルからの燃料電池スタック１の動作制約に違反するかどうかが予測される。少なくとも１つの測定信号ＳMは、例えば、次の信号、すなわち、燃料電池スタック１の、アノード入口ガス圧力、アノード出口ガス圧力、カソード入口ガス圧力、カソード出口ガス圧力、アノード入口流量、アノード出口流量、カソード入口流量とカソード出口流量、燃料電池スタック１の１つ以上の温度測定、燃料電池スタック１の１つの燃料電池の電圧、燃料電池スタック１の電流及び燃料電池システム１００が置かれている所の周囲の温度、周囲の圧力と周囲の湿度のうちの少なくとも１つを含み得るが、これに限定はされない。予測された結果が「はい」の場合は、ステップは、ブロックＢ５に行く。
ブロックＢ５で、所望の制御命令信号Ｓ１が燃料電池スタック１の動作制約に違反することが予測されるときは、制御補正信号Ｓ２が生成されて所望の制御命令信号Ｓ１に加えられる。この実施形態では、制御補正信号Ｓ２は、燃料流量補正信号Ｓ２１と空気流量補正信号Ｓ２２を含む。
例えば、所望の制御命令信号Ｓ１の所望の燃料流量命令信号Ｓ１１が燃料電池スタック１の動作制約に違反することが予測されるときには、燃料流量補正信号Ｓ２１が生成されて所望の燃料流量命令信号Ｓ１１に加えられる。所望の制御命令信号Ｓ１の所望の空気流量命令信号Ｓ１２が燃料電池スタック１の動作制約に違反することが予測されるときには、空気流量補正信号Ｓ２２が生成されて所望の空気流量命令信号Ｓ１２に加えられる。所望の制御命令信号Ｓ１の所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２の双方が燃料電池スタック１の動作制約に違反することが予測されるときには、燃料流量補正信号Ｓ２１と空気流量補正信号Ｓ２２が、それぞれ生成されて、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と所望の空気流量命令信号Ｓ１２にそれぞれ加えられる。
ブロックＢ６で、制御信号Ｓ３が、所望の制御命令信号Ｓ１と制御補正信号Ｓ２に基づいて生成される。この実施形態では、制御信号Ｓ３は、燃料流量信号Ｓ３１と空気流量信号Ｓ３２を含む。特に、燃料流量信号Ｓ３１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と燃料流量補正信号Ｓ２１に基づいて生成され、空気流量信号Ｓ３２は、所望の空気流量命令信号Ｓ１２と空気流量補正信号Ｓ２２に基づいて生成される。
一実施形態では、制御信号Ｓ３は、所望の制御命令信号Ｓ１と制御補正信号Ｓ２を合算することによって生成される。詳細には、制御信号Ｓ３の燃料流量信号Ｓ３１は、所望の燃料流量命令信号Ｓ１１と燃料流量補正信号Ｓ２１を合算することによって生成され、制御信号Ｓ３の空気流量信号Ｓ３２は、所望の空気流量命令信号Ｓ１２と空気流量補正信号Ｓ２２を合算することによって生成される。
ブロックＢ７で、ガス供給システム３が、生成された制御信号Ｓ３に基づいて制御されて、燃料電池スタック１が安全動作限界内で動作させられることを確保する。生成された制御信号Ｓ３は、燃料流量信号Ｓ３１と空気流量信号Ｓ３２を含み、それで、燃料流量信号Ｓ３１と空気流量信号Ｓ３２は、ガス供給システム３の燃料流調整器３１と空気流調整器３２（図１参照）を、それぞれ制御するように構成されている。燃料流調整器３１は、燃料流量信号Ｓ３１に従って燃料電池スタック１に供給される燃料流量を調整することになり、空気流調整器３２は、空気流量信号Ｓ３２に従って、燃料電池スタック１に供給される空気流量を調整することになる。
本発明の燃料電池システム１００を制御する方法は、一様な方法で燃料電池スタック１の異なる動作制約に効果的に対処することができ、安全境界での燃料電池スタック１の寿命に影響するいくつかの重要な変数を保持することができるため、本発明の制御方法は、燃料電池スタック１が燃料電池システム１００の通常の動作を適える状態での安全動作限界で動作させられることを効果的に確保することができる。本発明の制御方法は、燃料電池スタック１の寿命を延ばし、燃料電池システム１００の設計を簡単化し、燃料電池システム１００のコストを削減することができる。
本発明の燃料電池システム１００を制御する方法は、上記で燃料電池システム１００で説明された効果と同様の有益な技術的効果を有する。
本開示は典型的な実施形態において例示し説明したが、本開示の趣旨から逸脱することなくさまざまな変形や置き換えをすることができるため、ここに示された細部に限定されることは意図されていない。したがって、本明細書に開示された本開示のさらなる改変や均等物が、単なる通常の実験を用いて当分野の当業者に想起され得、そのような改変や均等物全てが、以下の請求項で定義された開示の趣旨及び範囲内にあると考えられる。
１ 燃料電池スタック
２ 負荷
３ ガス供給システム
４ 制御システム
５ 排出ガス排出システム
３１ 燃料流調整器
３２ 空気流調整器
４１ フォワード制御器
４２ 補正制御器
４３ 合算器
５１ アノード排出モジュール
５２ カソード排出モジュール
１００ 燃料電池システム
４１１ スケジューラ
４１２ 変換器
４３１ 第１の合算器
４３２ 第２の合算器
４１１１ 電流計算モジュール
４１１２ 補償モジュール
４１１３ 第３の合算器
Ｓ１ 所望の制御命令信号
Ｓ２ 制御補正信号
Ｓ３ 制御信号
Ｓ１１ 所望の燃料流量命令信号
Ｓ１２ 所望の空気流量命令信号
Ｓ２１ 燃料流量補正信号
Ｓ２２ 空気流量補正信号
Ｓ３１ 燃料流量信号
Ｓ３２ 空気流量信号
ＳI 電流測定
ＳIB 基準電流信号
ＳIC 補償電流信号
ＳIS 電流信号
ＣL 電力コマンド
ＳM 測定信号
２ 負荷
３ ガス供給システム
４ 制御システム
５ 排出ガス排出システム
３１ 燃料流調整器
３２ 空気流調整器
４１ フォワード制御器
４２ 補正制御器
４３ 合算器
５１ アノード排出モジュール
５２ カソード排出モジュール
１００ 燃料電池システム
４１１ スケジューラ
４１２ 変換器
４３１ 第１の合算器
４３２ 第２の合算器
４１１１ 電流計算モジュール
４１１２ 補償モジュール
４１１３ 第３の合算器
Ｓ１ 所望の制御命令信号
Ｓ２ 制御補正信号
Ｓ３ 制御信号
Ｓ１１ 所望の燃料流量命令信号
Ｓ１２ 所望の空気流量命令信号
Ｓ２１ 燃料流量補正信号
Ｓ２２ 空気流量補正信号
Ｓ３１ 燃料流量信号
Ｓ３２ 空気流量信号
ＳI 電流測定
ＳIB 基準電流信号
ＳIC 補償電流信号
ＳIS 電流信号
ＣL 電力コマンド
ＳM 測定信号
Claims (20)
- 電力を提供するために負荷（２）に結合された燃料電池スタック（１）と、
前記燃料電池スタック（１）に燃料と酸素を提供するために前記燃料電池スタック（１）に結合されたガス供給システム（３）と、
前記負荷（２）からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号（Ｓ１）を生成するフォワード制御器（４１）、及び
前記燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号（ＳM）に基づいて前記燃料電池スタック（１）の動作制約に違反することを回避するための制御補正信号（Ｓ２）を生成する補正制御器を備えた制御システム（４）とを備え、
前記制御システム（４）が、前記所望の制御命令信号（Ｓ１）と前記制御補正信号（Ｓ２）に基づいて制御信号（Ｓ３）を生成し、前記生成された制御信号（Ｓ３）に基づいて前記ガス供給システム（３）を制御して前記燃料電池スタック（１）が安全動作限界内で動作することを確保する、燃料電池システム（１００）。 - 前記制御システム（４）が、前記所望の制御命令信号（Ｓ１）と前記制御補正信号（Ｓ２）を合算して前記制御信号（Ｓ３）を生成するための合算器（４３）をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記所望の制御命令信号（Ｓ１）が、所望の燃料流量命令信号（Ｓ１１）と所望の空気流量命令信号（Ｓ１２）を含み、前記制御補正信号（Ｓ２）が、燃料流量補正信号（Ｓ２１）と空気流量補正信号（Ｓ２２）を含み、前記制御信号（Ｓ３）が、燃料流量信号（Ｓ３１）と空気流量信号（Ｓ３２）を含み、
前記合算器（４３）が、
前記所望の燃料流量命令信号（Ｓ１１）と前記燃料流量補正信号（Ｓ２１）を合算して前記燃料流量信号（Ｓ３１）を生成するための第１の合算器（４３１）と、
前記所望の空気流量命令信号（Ｓ１２）と前記空気流量補正信号（Ｓ２２）を合算して前記空気流量信号（Ｓ３２）を生成するための第２の合算器（４３２）とを備えた請求項２記載の燃料電池システム。 - 前記負荷（２）からの前記コマンドが電力コマンド（ＣL）を含み、
前記フォワード制御器（４１）が、
前記電力コマンド（ＣL）に基づいてスケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成するためのスケジューラ（４１１）と、
化学量論比を掛けることによって、前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を前記所望の制御命令信号（Ｓ１）に変換するための変換器（４１２）とを備えた請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記スケジューラによって生成された前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）が、前記電力コマンド（ＣL）と前記燃料電池スタック（１）からの電流測定（ＳI）にさらに基づく請求項４記載の燃料電池システム。
- 前記スケジューラ（４１１）が、
前記電力コマンド（ＣL）を満たす基準電流信号（ＳIB）を計算するための電流計算モジュール（４１１１）と、
前記電流測定（ＳI）に基づいて補償電流信号（ＳIC）を生成するための補償モジュール（４１１２）と、
前記基準電流信号（ＳIB）と前記補償電流信号（ＳIC）を合算して前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成するための第３の合算器（４１１３）とを備えた請求項５記載の燃料電池システム。 - 前記補正制御器（４２）がモデル予測制御を用いて前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約に対処する請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記補正制御器（４２）が、前記所望の制御命令信号（Ｓ１）が前記少なくとも１つの測定信号（ＳM）に基づいて前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約に違反するかどうかを予測し、前記所望の制御命令信号（Ｓ１）が前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約に違反することが予測されるときに、前記制御補正信号（Ｓ２）を生成して前記生成された制御補正信号（Ｓ２）を前記所望の制御命令信号（Ｓ１）に加える請求項７に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約が、前記燃料電池スタック（１）の寿命と関連する、ユーザ指定の動作制約である請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約が、次の制約、すなわち、前記燃料電池スタック（１）の１つの燃料電池の電圧、前記燃料電池スタック（１）の抵抗、前記燃料電池スタック（１）のアノードガス圧力とカソードガス圧力との間の圧力差、前記燃料電池スタック（１）での最大温度差、前記燃料電池スタック（１）のカソードに供給された酸素と実際に消費された酸素の比である酸素過剰比、前記燃料電池スタック（１）のアノードに供給された前記燃料と実際に消費された燃料との比である燃料過剰比、前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の圧力と前記燃料電池スタック（１）のアノード入口ガス圧力との間の圧力差、前記周囲の圧力と前記燃料電池スタック（１）のカソード入口ガス圧力との間の圧力差、前記アノードと前記カソードとの間のクロスリーク、前記アノードと前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の環境との間のクロスリーク及び前記カソードと前記周囲の環境との間のクロスリークのうちの少なくとも１つを含む請求項９記載の燃料電池システム。
- 前記少なくとも１つの測定信号（ＳM）が、次の信号、すなわち、前記燃料電池スタック（１）の、アノード入口ガス圧力、アノード出口ガス圧力、カソード入口ガス圧力、カソード出口ガス圧力、アノード入口流量、アノード出口流量、カソード入口流量とカソード出口流量、前記燃料電池スタック（１）の１つ以上の温度測定、前記燃料電池スタック（１）の１つの燃料電池の電圧、前記燃料電池スタック（１）の電流及び前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の温度、周囲の圧力と周囲の湿度のうちの少なくとも１つを含む請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池システム（１００）が、固体酸化物型燃料電池システムであり、前記燃料電池スタックが、アノード、カソード、前記アノードと前記カソードとの間の固体電解質及び配線をそれぞれが備えた一連の固体酸化物燃料電池を備えた請求項１記載の燃料電池システム。
- 燃料電池システム（１００）を制御する方法であって、
前記燃料電池システム（１００）が、電力を提供するために負荷（２）に結合された燃料電池スタック（１）と、前記燃料電池スタック（１）に燃料と酸素を提供するために前記燃料電池スタック（１）に結合されたガス供給システム（３）を備え、前記燃料電池システム（１００）の前記負荷（２）からのコマンドに基づいて所望の制御命令信号（Ｓ１）を生成することと、
前記燃料電池システムからの少なくとも１つの測定信号（ＳM）に基づいて前記燃料電池スタック（１）の動作制約に違反することを回避するための制御補正信号（Ｓ２）を生成することと、
前記所望の制御命令信号（Ｓ１）と前記制御補正信号（Ｓ２）に基づいて制御信号（Ｓ３）を生成することと、
前記生成された制御信号（Ｓ３）に基づいて前記ガス供給システム（３）を制御して前記燃料電池スタック（１）が安全動作限界内で動作することを確保することを含む方法。 - 前記制御信号（Ｓ３）を生成することが前記所望の制御命令信号（Ｓ１）と前記制御補正信号（Ｓ２）を合算して前記制御信号（Ｓ３）を生成することを含む請求項１３記載の方法。
- 前記負荷からの前記コマンドが電力コマンド（ＣL）を含み、
前記所望の制御命令信号（Ｓ１）を生成することが、
前記電力コマンド（ＣL）に基づいてスケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成することと、
化学量論比を掛けることによって、前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を前記所望の制御命令信号（Ｓ１）に変換することを含む請求項１３記載の方法。 - 前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成することが、前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成することが前記電力コマンド（ＣL）と前記燃料電池スタック（１）からの電流測定（ＳI）にさらに基づくことを含む請求項１５記載の方法。
- 前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成することが、
前記電力コマンド（ＣL）を満たす基準電流信号（ＳIB）を計算することと、
前記電流測定（ＳI）に基づいて補償電流信号（ＳIC）を生成することと、
前記基準電流信号（ＳIB）と前記補償電流信号（ＳIC）を合算して前記スケジュールされた電流信号（ＳIS）を生成することを含む請求項１６記載の方法。 - 前記制御補正信号（Ｓ２）を生成することが、
前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約を予め指定することと、
前記燃料電池スタック（１）の挙動を記述する予測モデルを予め設定することと、
前記少なくとも１つの測定信号（ＳM）に基づいて前記所望の制御命令信号（Ｓ１）が前記予測モデルからの前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約に違反するかどうかを予測することと、
前記所望の制御命令信号（Ｓ１）が前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約に違反することが予測されるときに、前記制御補正信号（Ｓ２）を生成して前記生成された制御補正信号（Ｓ２）を前記所望の制御命令信号（Ｓ１）に加えることを含む請求項１３記載の方法。 - 前記燃料電池スタック（１）の前記動作制約が、次の制約、すなわち、前記燃料電池スタック（１）の１つの燃料電池の電圧、前記燃料電池スタック（１）の抵抗、前記燃料電池スタック（１）のアノードガス圧力とカソードガス圧力との間の圧力差、前記燃料電池スタック（１）での最大温度差、前記燃料電池スタック（１）のカソードに供給された酸素と実際に消費された酸素の比である酸素過剰比、前記燃料電池スタック（１）のアノードに供給された前記燃料と実際に消費された燃料との比である燃料過剰比、前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の圧力と前記燃料電池スタック（１）のアノード入口ガス圧力との間の圧力差、前記周囲の圧力と前記燃料電池スタック（１）のカソード入口ガス圧力との間の圧力差、前記アノードと前記カソードとの間のクロスリーク、前記アノードと前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の環境との間のクロスリーク及び前記カソードと前記周囲の環境との間のクロスリークのうちの少なくとも１つを含む請求項１３記載の方法。
- 前記少なくとも１つの測定信号（ＳM）が、次の信号、すなわち、前記燃料電池スタック（１）の、アノード入口ガス圧力、アノード出口ガス圧力、カソード入口ガス圧力、カソード出口ガス圧力、アノード入口流量、アノード出口流量、カソード入口流量とカソード出口流量、前記燃料電池スタック（１）の１つ以上の温度測定、前記燃料電池スタック（１）の１つの燃料電池の電圧、前記燃料電池の電流及び前記燃料電池システムが置かれている所の周囲の温度、周囲の圧力と周囲の湿度のうちの少なくとも１つを含む請求項１３記載の方法。
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