JP4786892B2 - Fuel cell back pressure valve controller - Google Patents
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Description
本発明は、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燃料電池の背圧弁制御装置に関するものである。 The present invention relates to a back pressure valve control device for a fuel cell for controlling a back pressure caused by unreacted fuel and air discharged from the fuel cell.
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。 A fuel cell is a power generation device that converts a chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Among these types of fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer ion exchange membrane as an electrolyte has a high output density, a low operating temperature of about 70 ° C. to 90 ° C., a simple structure and an electrolyte. In addition, the fuel cell as a whole can be composed of a solid, and the polymer membrane is resistant to differential pressure. A high output density means that a compact and large output can be obtained, and a low temperature operation means that handling at the time of start-up becomes easy. It can be used in various fields such as automobiles, homes, and portables.
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。 By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, the control of the back pressure by the unreacted fuel discharged and the air is an important problem, and the back pressure control is performed on the exhaust fuel discharged from the polymer electrolyte fuel cell. In general, 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 ensure a predetermined power generation efficiency and to control the flow rate of the fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell. A predetermined output can be obtained.
この種の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、下記特許文献１に開示される燃料電池の制御装置が知られている。この特許文献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。
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。 However, in the fuel cell control device according to Patent Document 1 described above, the control of the back pressure is not suitably performed, and the pressure on the anode side with respect to the cathode side of the fuel cell cannot actually be maintained at a good value. There was a problem that a stable back pressure could not be secured.
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。 The inventors of the present application analyzed the cause as follows. That is, in Patent Document 1, both the feedforward control of the large flow rate valve and the feedback control of the small flow rate valve are performed by a map (table) system in which the opening degree of the valve is searched from two variables. That is, the opening degree of the valve is uniquely determined by the operating pressure and the flow rate of the off gas. However, the back pressure of the fuel cell to be adjusted by controlling the valve opening is not actually determined only by the operating pressure and the off-gas flow rate, but is also correlated with other physical property quantities indicating the operating state of the fuel cell. Therefore, if these other physical properties change, it is expected that the back pressure will also change.
そこで、本願発明者等は、上記知見に基づき、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（燃料の流量、燃料の圧力、負荷電流、燃料電池の運転温度、使用する燃料の密度）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 (背圧弁）に制御信号を与える背圧制御装置を既に出願（特願２００３−９１５６７）しているが、オーバーシュートを低減して、さらに短時間で背圧制御することができる安定性に優れた装置の提供が望まれていた。 Therefore, the inventors of the present application control the back pressure due to the unreacted fuel and air in the fuel cell based on the above knowledge, and therefore, not a simple map method, but a plurality of types of physical properties (corresponding to the back pressure) ( The back pressure that gives a control signal to the flow rate control means (back pressure valve) by calculating with a predetermined formula using the fuel flow rate, fuel pressure, load current, fuel cell operating temperature, fuel density to be used) Although a control device has already been filed (Japanese Patent Application No. 2003-91567), it has been desired to provide a device with excellent stability that can reduce overshoot and control back pressure in a shorter time.
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、応答時間が早く、オーバーシュートを低減し、短時間で系を安定させることができる安定性に優れた燃料電池の背圧弁制御装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and has a fast response time, reduced overshoot, and stable system that can stabilize the system in a short time. The object is to provide a device.
上記目的を達成するため、本発明に係る請求項１の発明に記載された燃料電池の背圧弁制御装置は、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燃料電池の背圧弁制御装置において、
前記燃料電池の排出口に接続され、外部の設定圧力によってバルブの開度が調整可能な機械式の背圧弁と、
前記背圧弁を閉止した状態で、目標圧力から演算された設定圧力をフィードフォワード分として前記背圧をフィードフォワード制御するとともに、前記燃料電池と前記背圧弁を結ぶ配管における実際の圧力であるプロセス圧力の変化がなく前記目標圧力に近い範囲を中心とする所定の±偏差量毎の設定圧力の操作量を前記フィードフォワード制御後に演算し、この演算された操作量で前記背圧弁のバルブの開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a back pressure valve control device for a fuel cell according to claim 1 of the present invention is a fuel cell for controlling the back pressure caused by unreacted fuel and air discharged from the fuel cell. In the back pressure valve control device,
A mechanical back pressure valve connected to the outlet of the fuel cell, the valve opening being adjustable by an external set pressure; and
With the back pressure valve closed, the back pressure is feed forward controlled using the set pressure calculated from the target pressure as a feed forward amount, and the process pressure is the actual pressure in the pipe connecting the fuel cell and the back pressure valve After the feedforward control, an operation amount of the set pressure for each predetermined ± deviation amount centered on a range close to the target pressure is calculated after the feedforward control, and the valve opening of the back pressure valve is calculated with the calculated operation amount. And a control unit for controlling.
本発明に係る請求項２の発明に記載された燃料電池の背圧弁制御装置は、請求項１記載の燃料電池の背圧弁制御装置において、
前記制御部は、前記フィードフォワード制御によって前記プロセス圧力が前記目標圧力に到達するまでの変化時間を演算し、該変化時間が経過する直前で前記操作量により前記背圧弁のバルブの開度を制御することを特徴とする。
A fuel cell back pressure valve control device according to
Wherein the control unit is configured to calculate the change in time to feed Accordingly the process pressure to the forward control to reach the target pressure, the opening of the valve of the back pressure valve by the operation amount immediately before the lapse of said change time It is characterized by controlling.
本発明の燃料電池の背圧弁制御装置によれば、従来のＰＩＤ制御等のフィードバック制御と比較して、応答時間が早く、オーバーシュートを低減し、短時間で系を安定させることができ、応答性・安定性の向上とともに、調整工数の短縮が図れる。 According to the back pressure valve control device for a fuel cell of the present invention, the response time is faster, the overshoot can be reduced, and the system can be stabilized in a short time compared to the conventional feedback control such as PID control. In addition to improving the stability and stability, the adjustment man-hours can be shortened.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る燃料電池の背圧弁制御装置の概略構成図、図２は同背圧弁制御装置に採用される背圧弁の一例を示す概略断面図、図３は背圧弁の動作時の操作信号（目標圧力）とプロセス圧力の関係を示す図、図４は同背圧弁制御装置によるプロセス圧力の変化と設定圧力の操作量の関係を示す模式図、図５は同背圧弁制御装置において圧力を一定として流量を変化させたときの試験結果の一例を示す図、図６は同背圧弁制御装置において流量を一定として圧力を変化させたときの試験結果の一例を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a back pressure valve control device for a fuel cell according to the present invention, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a back pressure valve employed in the back pressure valve control device, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the operation signal (target pressure) and the process pressure, FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the change in the process pressure by the back pressure valve control device and the operation amount of the set pressure, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of a test result when the flow rate is changed with a constant pressure, and FIG. 6 is a diagram showing an example of a test result when the pressure is changed with a constant flow rate in the same back pressure valve control apparatus.
なお、以下では、出力密度の高い固体高分子型燃料電池 (ＰＥＦＣ) を採用した場合の背圧弁制御装置を例にとって説明するが、固体高分子型燃料電池の他、例えばリン酸型燃料電池 (ＰＡＦＣ) 、溶融炭酸塩型燃料電池 (ＭＣＦＣ) 、固体酸化物型燃料電池 (ＳＯＦＣ) 、アルカリ型燃料電池 (ＡＦＣ) 、直接メタノール型燃料電池 (ＤＭＦＣ）などの燃料電池の背圧弁制御装置として用いることもできる。 In the following, a back pressure valve control device when a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) having a high output density is adopted will be described as an example. In addition to a polymer electrolyte fuel cell, for example, a phosphoric acid fuel cell ( PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), alkaline fuel cell (AFC), direct methanol fuel cell (DMFC), etc. You can also.
（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。
(1) Configuration of Solid Polymer Fuel Cell In FIG. 1, a solid polymer fuel cell 1 (hereinafter also simply referred to as fuel cell 1) according to this embodiment is 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 constitutes a structural unit, and is composed of a stack formed by stacking a plurality of these cells, for example, a hydrogen electrode supplied with hydrogen as a fuel, and an oxidation As an agent, for example, an air electrode supplied with air containing oxygen is provided. The air electrode and the fuel electrode are provided with
（２）背圧弁制御装置の構成
図１において、本例における燃料電池１の背圧弁制御装置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に接続された背圧弁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。
(2) Configuration of Back Pressure Valve Control Device In FIG. 1, the back pressure
（ａ）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。
(A) Fuel supply unit 3
First, the fuel supply unit 3 is a means for supplying a liquid fuel made of, for example, a mixed solution of methanol and water. Although not shown, a vapor generation unit that generates liquid vapor by evaporating the liquid fuel, a vapor generation unit Combustion part that generates combustion gas used for the evaporation of warm air and liquid fuel, reforming part that generates hydrogen-rich reformed fuel from fuel vapor, and selective oxidation of carbon monoxide in the reformed fuel A CO reduction unit to be removed and an auxiliary fuel supply unit are also included.
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。 The fuel supply unit 3 generates a vapor of a liquid fuel such as a mixed liquid obtained by mixing, for example, a fuel composed of an alcohol compound such as methanol or a hydrocarbon compound such as methane, ethane or gasoline and water at a predetermined ratio. Supply to the department. The steam generation unit includes, for example, a nozzle for supplying liquid fuel therein, and the liquid fuel sprayed from the nozzle is evaporated by the heat of the combustion gas supplied from the combustion unit.
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。 The combustion unit includes, for example, a nozzle for introducing an exhaust fuel containing unreacted hydrogen discharged from the fuel electrode of the fuel cell 1 and an exhaust oxidant containing unreacted oxygen discharged from the air electrode; And a combustion catalyst for maintaining the combustion state of the exhaust oxidant, and an electric heater as an ignition source, for example. And the combustion gas produced | generated by combustion of exhaust fuel and exhaust oxidant is supplied to a steam generation part. Further, the combustion unit is provided with an auxiliary fuel supply unit. By burning the auxiliary fuel supplied from the auxiliary fuel supply unit, the combustion unit is warmed up, and the liquid fuel is evaporated in the steam generation unit. The combustion gas that is used for is generated.
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、二酸化炭素、一酸化炭素を含む改質燃料が生成される。
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→３Ｈ2 ＋ＣＯ2 …（１）
ＣＨ3 ＯＨ＋１／２Ｏ2 →２Ｈ2 ＋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。
The reforming section includes, for example, a reforming catalyst, and the reforming catalyst generates a reformed fuel in which the hydrogen content is increased (hydrogen-rich) from the fuel vapor. For example, in the case of fuel vapor composed of a mixture of methanol and water, a reformed fuel containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide is generated by the following reaction formulas (1) to (3).
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)
CH 3 OH + 1 / 2O 2 → 2H 2 + CO 2 (2)
CH 3 OH → 2H 2 + CO (3)
Reaction formula (1) is a reforming reaction with methanol and water, and hydrogen as a fuel is generated. Reaction formula (2) is an oxidation reaction of methanol and replenishes the amount of heat required in reaction formula (1), which is an endothermic reaction. Reaction formula (3) is an inevitable decomposition reaction of methanol, and carbon monoxide is generated. This carbon monoxide is removed by a CO reduction unit in order to reduce the power generation efficiency by poisoning, for example, a Pt catalyst contained in the fuel cell 1 and shorten the life of the fuel cell 1.
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。
２ＣＯ＋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。
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 according to the following reaction formula (4).
2CO + O 2 → 2CO 2 (4)
Then, the reformed fuel in which the content of carbon monoxide is reduced is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 1.
（ｂ）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。
(B) Oxidant supply unit 4
Next, the oxidant supply unit 4 includes an air compressor (not shown), for example, and pressurizes air or the like containing oxygen as an oxidant based on a control signal from the control unit 7 so that the air of the fuel cell 1 Supply to the pole. In the fuel cell 1, hydrogen (fuel) and oxidant (oxygen) in the reformed fuel cause an electrochemical reaction to generate power.
（ｃ）背圧弁５
次に、背圧弁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、外部の設定圧力（パイロット圧力）に応じてバルブの開度が調整可能な機械式背圧弁で構成される。背圧弁５は、オペレータの手動操作、又は後述する制御部７の制御により駆動部としてのアクチュエータ８を介して開度が調整される。なお、駆動部としてのアクチュエータ８は、例えば空気圧、電磁（ソレノイド）、圧電素子（ピエゾスタック）等で構成することができる。そして、上記背圧弁５のバルブの開度を制御することにより、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。
(C)
Next, the
図２は手動操作によって開度が調整可能な背圧弁５（ＦＩＳＨＥＲ−ＲＯＳＥＭＯＵＮＴ社製：９５ ＬＤ−１）の一構成例を示している。図２に示す背圧弁５は、例えばステンレス、ニッケル−コバルト合金などからなるダイアフラム部（金属板）１１の屈曲により開閉を行うバルブで構成される。その概略構成について説明すると、背圧弁５は、一対の管体１２，１２に形成された流路１３に臨むようにして弁１４が配置されている。弁１４は、上部が可動中心軸１５を介してダイアフラム部１１の中心と連結されている。ダイアフラム部１１の上部には、付勢手段としてのコイルスプリング１６が介挿された筒体１７が設けられている。筒体１７は、外周部が一対の管体１２，１２に固定され、調整手段として外周部分にネジ１８ａが切られたボルト１８が上部に取り付けられている。この背圧弁５では、ネジ１８ａが切られたボルト１８を上下移動させることにより、コイルスプリング１６を介してダイアフラム部１１に加わる圧力が調整できるようになっている。
FIG. 2 shows a configuration example of a back pressure valve 5 (manufactured by FISHER-ROSEMOUNT: 95 LD-1) whose opening can be adjusted by manual operation. The
（ｄ）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２０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２１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２２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２３の間には電流検出器２４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と背圧弁５を結ぶ配管の中途には第２の圧力検出器２５ (背圧センサ）が設けられ、燃料電池１の背圧Ｐ２を測定することができる。
(D) Various detectors Next, a
（ｅ）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、背圧弁５における排出燃料の流量を制御している。このため、制御部７には、運転条件（例えば目標発電量、目標流量、目標圧力、設定圧力など）や各種検出器からの検出信号（流量検出器２０からの流量Ｑの検出信号、第１の圧力検出器２１からの燃料電池１の運転圧力Ｐ１の検出信号、温度検出器２２からの燃料電池１の運転温度Ｔの検出信号、電流検出器２４からの負荷電流Ｉの検出信号、第２の圧力検出器２５からの燃料電池１の背圧の検出信号）等が入力される。
(E) Control unit 7
Next, the control unit 7 controls the flow rate of the discharged fuel in the
制御部７は、上記入力に基づいて、例えば燃料噴射指令値を燃料供給部３に出力するとともに、発電電流指令値を直流交流変換装置６に出力して負荷２３に対する出力を制御している。また、制御部７は、予め決められた容積と、予め設定された目標流量とに基づいて、プロセス圧力（燃料電池１と背圧弁５を結ぶ配管における実際の圧力）が目標圧力に到達するまでに要する時間（目標値到達時間）や目標圧力を中心とする各プロセス（例えば図４に示す変化（１）〜（４），（１）’〜（４）’）の変化時間を演算して時間管理している。なお、図４の各プロセスのプロセス圧力の変化（（１）〜（４），（１）’〜（４）’）の変化量は適宜変えることができる。制御部７は、最初に目標圧力から演算された設定圧力（パイロット圧力）をフィードフォワード分として背圧をフィードフォワード制御し、その後、プロセス圧力が目標圧力に到達するまでの間は目標圧力とプロセス圧力との差（偏差）に基づいて背圧弁５に対する設定圧力の操作量を非線形で修正制御している。
Based on the above input, the control unit 7 outputs, for example, a fuel injection command value to the fuel supply unit 3 and outputs a generated current command value to the DC /
ここで、上記修正制御の内容について説明する。背圧を制御する場合、目標圧力に対する偏差量がプロセス圧力によって異なるため、本例では、制御部７が、例えば図４に示すように、目標圧力に近くプロセス圧力の変化がない範囲を中心として、所定の±偏差量を示す各プロセス（変化（１）〜（４），（１）’〜（４）’）における設定圧力の操作量（単位時間当りの変化量）を演算し、この演算した操作量によって背圧弁５の開度を制御している。具体的に、目標圧力に対して偏差量が大きい範囲のプロセス（例えば変化（４），（４）’）では設定圧力の操作量を大きくして背圧弁５の開度を制御し、目標圧力に対する偏差量が小さい範囲のプロセス（例えば変化（１），（１）’）では設定圧力の操作量を小さくして背圧弁５の開度を制御している。
Here, the content of the correction control will be described. When the back pressure is controlled, since the deviation amount with respect to the target pressure differs depending on the process pressure, in this example, as shown in FIG. 4, for example, the control unit 7 is centered on a range close to the target pressure and having no change in the process pressure. , The operation amount (change amount per unit time) of the set pressure in each process (change (1) to (4), (1) ′ to (4) ′) showing a predetermined ± deviation amount is calculated, and this calculation is performed. The opening degree of the
なお、背圧弁５のバルブを手動操作する場合は、制御部７が管理する時間（目標値到達時間、各プロセスの変化時間）における偏差量に基づき、オペレータが背圧弁５のバルブの開度を調整する。例えば図２に示す構成の背圧弁５を採用した場合には、ネジ１８ａが切られたボルト１８を回してダイアフラム部１１の圧力を可変し、バルブの開度を調整することができる。
When the valve of the
このように、本例の背圧弁制御装置２では、外部のパイロット圧力が設定できる背圧弁５を採用し、フィードフォワード制御と修正制御とからなる制御方式により、今までの不具合点を一気に解決している。
As described above, the back pressure
圧力制御を考える時、できるだけ早く昇圧するには、背圧弁５を閉止して目的の圧力（目標圧力）になるまで昇圧する。この場合、昇圧の割合はＰＶ＝圧力×「容積Ａ」＝流量（Ｑ１）×時間で示される。本例では、フィードフォワード制御と非線形（偏差量ゲイン可変）による修正制御とを組み合わせて背圧弁５の制御を行うことにより、制御性能の改善を実施した。
When considering pressure control, in order to increase the pressure as quickly as possible, the
ここで、背圧弁５としてのダイアフラム弁の特性は図３に示すような概略２種類の関数で示すことができる。本例の背圧弁制御装置２では、上記関数を予め検証して、制御部７が目標圧力から設定圧力（パイロット圧力）を演算している。
Here, the characteristics of the diaphragm valve as the
そして、目標圧力に対するプロセス圧力の偏差に従って設定圧力の操作量を非線形で制御しており、この操作量の非線形化で安定時間の短縮と制御安定性を達成している。同時に、この設定圧力の操作量を非線形で操作する制御に時間的要素を加えてプロセスの安定性をより一層強化している。すなわち、フィードフォワード制御後、目標値到達（プロセス圧力の偏差量が次のプロセスの偏差量まで到達するまでの時間）が経過する直前で目標圧力に対するプロセス圧力の差（偏差）に応じて設定圧力の操作量を演算し、この演算された操作量で背圧弁５の開度を制御（修正制御）し、最終的な目標圧力を得ている。
Then, the manipulated variable of the set pressure is controlled nonlinearly according to the deviation of the process pressure with respect to the target pressure, and the stabilization time is shortened and the control stability is achieved by making the manipulated variable nonlinear. At the same time, the process stability is further enhanced by adding a time factor to the control for operating the operation amount of the set pressure in a non-linear manner. That is, the set pressure is set according to the difference (deviation) of the process pressure with respect to the target pressure immediately after the target value has been reached (time until the deviation amount of the process pressure reaches the deviation amount of the next process) after the feedforward control. And the opening degree of the
次に、上記構成による背圧弁制御装置２の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（目標発電量）から燃料噴射量を算出し、この算出した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、この算出した発電電流指令を直流交流変換装置６等に出力し、燃料電池１から出力される発電電流を制御する。
Next, the operation of the back pressure
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、すなわち燃料電池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。 A target anode operating pressure (operating pressure of the fuel cell 1) is calculated based on the generated current command. The target anode operating pressure is a predetermined pressure loss set according to the reaction efficiency of the fuel cell 1, that is, the pressure of the reformed fuel supplied to the fuel cell 1 and the pressure of the exhausted fuel discharged from the fuel cell 1. This is a value related to the difference from (back pressure), and a predetermined target anode operating pressure is set for the generated current output from the fuel cell 1. Further, the flow rate of the discharged fuel, that is, the off gas, is calculated based on the fuel injection command and the generated current command.
そして、本例では、図３に示す背圧弁５に関する操作信号（目標圧力）とプロセス圧力との関係に基づき、目標圧力（目標アノード作動圧）から設定圧力（パイロット圧力）を演算する。そして、背圧弁５を設定圧力に調整した後、背圧弁５のバルブを全閉した状態で、上記演算で得た設定圧力をフィードフォワード分として背圧をフィードフォワード制御する。これにより、背圧弁５は、プロセス圧力と設定圧力のバランスで制御され、流量変動に対してバルブ自身の自己平衡性を有するので、目標到達時間に近づくに連れ、プロセス圧力が設定圧力に近づく。ところが、外乱の影響により背圧弁５がヒステリシスの特性を持つため、所定時間（目標値到達時間）が経過してもプロセス圧力が目標圧力に安定せず、修正が必要となる。
In this example, the set pressure (pilot pressure) is calculated from the target pressure (target anode operating pressure) based on the relationship between the operation signal (target pressure) related to the
そこで、本例では、プロセス圧力を目標圧力で安定させるための修正制御として、目標値到達時間の直前における偏差に応じて背圧弁５のバルブの開度を変えるための設定圧力の操作量を非線形で制御している。すなわち、フィードフォワード制御後、目標圧力に対するパイロット圧力の偏差量に従って設定圧力の操作量を演算し、この演算された操作量で背圧弁５のバルブの開度を調整している。
Therefore, in this example, as the correction control for stabilizing the process pressure at the target pressure, the operation amount of the set pressure for changing the opening of the
このように、本例の燃料電池の背圧弁制御装置では、制御ループの最短安定時間を目指して演算で算出された設定圧力（例えば図４の設定変化（１））をフィードフォワード分として出力し、その際にプロセスの変化時間を同時演算し、その時間（目標到達時間）が経過する直前で出力変更の修正制御を実施している。この制御方式の採用により、従来のＰＩＤ制御等のフィードバック制御と比較して、応答時間が早く、またオーバーシュートを低減し、系を短時間で安定させることができ、応答性・安定性の向上とともに装置導入後の調整工数の短縮に大きな効果を発揮した。具体的には、以下に示すような効果を奏する。
（１）従来に比べて装置導入後の調整工数を１／１０に短縮することができる。
（２）従来に比べて制御性の向上を図ることができる。具体的には、数リットル／ｍｉｎの低流量から数千リットル／ｍｉｎの大流量まで±５Ｋｐａの安定性を確保できた。
（３）従来（特願２００３−９１５６７の制御方式）に比べてオーバーシュートを１／３から１／５に低減し、格別の性能向上を図ることができる。
As described above, in the back pressure valve control device for the fuel cell of this example, the set pressure (for example, the set change (1) in FIG. 4) calculated by the calculation aiming at the shortest stabilization time of the control loop is output as the feedforward component. At that time, the process change time is simultaneously calculated, and output change correction control is performed immediately before the time (target arrival time) elapses. By adopting this control method, compared to conventional feedback control such as PID control, response time is faster, overshoot can be reduced, and the system can be stabilized in a short time, improving responsiveness and stability. At the same time, it showed a great effect in shortening the adjustment man-hours after the introduction of the equipment. Specifically, the following effects are exhibited.
(1) The adjustment man-hours after the introduction of the apparatus can be reduced to 1/10 compared to the conventional case.
(2) Controllability can be improved compared to the conventional case. Specifically, a stability of ± 5 Kpa could be secured from a low flow rate of several liters / min to a large flow rate of several thousand liters / min.
(3) The overshoot can be reduced from 1/3 to 1/5 as compared with the conventional method (the control method of Japanese Patent Application No. 2003-91567), and exceptional performance improvement can be achieved.
ここで、上記（２）の安定性に関して実験を試みたところ、図５に示すように、圧力（カソード背圧）の目標値を３０ＫＰａに設定し、流量を３０ｌ／ｍｉｎ→３００ｌ／ｍｉｎ→３０００ｌ／ｍｉｎ→４５００ｌ／ｍｉｎ→３０００ｌ／ｍｉｎ→３００ｌ／ｍｉｎ→３０ｌ／ｍｉｎとステップ状に変化させた場合、圧力（カソード背圧）を目標値３０ＫＰａに対して±３ＫＰａに安定させることができた。また、図６に示すように、流量の目標値を３０００ｌ／ｍｉｎに設定し、圧力（カソード背圧）を３０ＫＰａ→１００ＫＰａ→３００ＫＰａ→１００ＫＰａ→３０ＫＰａとステップ状に変化させた場合でも、流量を目標値３０００ｌ／ｍｉｎに対して低誤差で安定させることができた。 Here, when the experiment on the stability of (2) was tried, as shown in FIG. 5, the target value of the pressure (cathode back pressure) was set to 30 KPa, and the flow rate was 30 l / min → 300 l / min → 3000 l. / Min → 4500 l / min → 3000 l / min → 300 l / min → 30 l / min The pressure (cathode back pressure) was stabilized to ± 3 KPa with respect to the target value of 30 KPa. Further, as shown in FIG. 6, even when the target value of the flow rate is set to 3000 l / min and the pressure (cathode back pressure) is changed stepwise from 30 KPa → 100 KPa → 300 KPa → 100 KPa → 30 KPa. It was possible to stabilize with a low error with respect to a value of 3000 l / min.
ところで、上述した形態では、外部のパイロット圧力を設定することができる自己平衡性を有する機械式背圧弁を採用しているが、この機械式背圧弁と従来のダイアフラム弁を並列接続して大流量制御する場合でも本例の背圧弁制御装置を適用することができる。 By the way, in the above-described embodiment, a mechanical back pressure valve having self-balance that can set an external pilot pressure is adopted, but this mechanical back pressure valve and a conventional diaphragm valve are connected in parallel to provide a large flow rate. Even in the case of control, the back pressure valve control device of this example can be applied.
１ 燃料電池
１ａ 排出口
２ 背圧弁制御装置
３ 燃料供給部
４ 酸化剤供給部
５ 背圧弁
６ 直流交流変換装置
７ 制御部
１１ ダイアフラム部
１２ 管体
１３ 流路
１４ 弁
１５ 可動中心軸
１６ コイルスプリング（付勢手段）
１７ 筒体
１８ ボルト（調整手段）
１８ａ ネジ
２０ 流量検出器
２１ 第１の圧力検出器
２２ 温度検出器
２３ 負荷
２４ 電流検出器
２５ 第２の圧力検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
17
Claims (2)
前記燃料電池の排出口に接続され、外部の設定圧力によってバルブの開度が調整可能な機械式の背圧弁と、
前記背圧弁を閉止した状態で、目標圧力から演算された設定圧力をフィードフォワード分として前記背圧をフィードフォワード制御するとともに、前記燃料電池と前記背圧弁を結ぶ配管における実際の圧力であるプロセス圧力の変化がなく前記目標圧力に近い範囲を中心とする所定の±偏差量毎の設定圧力の操作量を前記フィードフォワード制御後に演算し、この演算された操作量で前記背圧弁のバルブの開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする燃料電池の背圧弁制御装置。 In the fuel cell back pressure valve control device for controlling the back pressure caused by unreacted fuel and air discharged from the fuel cell,
A mechanical back pressure valve connected to the outlet of the fuel cell, the valve opening being adjustable by an external set pressure; and
With the back pressure valve closed, the back pressure is feed forward controlled using the set pressure calculated from the target pressure as a feed forward amount, and the process pressure is the actual pressure in the pipe connecting the fuel cell and the back pressure valve After the feedforward control, an operation amount of the set pressure for each predetermined ± deviation amount centered on a range close to the target pressure is calculated after the feedforward control, and the valve opening of the back pressure valve is calculated with the calculated operation amount. And a control unit for controlling the fuel cell back pressure valve control device.
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