JP6462679B2 - 燃料電池パワーシステムにおいて空気流動を制御するための方法 - Google Patents

Description

[001]本出願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１３年６月２８日付けで出願された米国仮出願第６１／８４０，８６２号の利益を主張する。

[002]本発明の開示は、燃料電池パワーシステムに関する。いくつかの実施態様において、本明細書で説明される燃料電池パワーシステムは、燃料電池パワーシステムの１つまたはそれより多くの燃料電池への空気流動を制御するように設計された制御器を包含する。

[003]固定式の用途と自動車用用途の両方のためのクリーンで効率的な環境に配慮した動力源として、燃料電池パワーシステムが提唱されている。燃料電池パワーシステムは、発電するための１つまたはそれより多くの燃料電池を有する燃料スタックを包含し得る。具体的には、各燃料電池は、アノード（anode）区画にアノード、カソード（cathode）区画にカソード、およびアノードとカソードとの間の電荷の移動を可能にする電解質を包含し得る。いくつかの例において、アノードに燃料のフローが供給され、カソードに酸素含有ガス（例えば、空気）のフローが供給される。燃料は、アノードで触媒により分離されて、遊離のプロトンおよび電子を生成することができる。プロトンは、電解質を介してカソードに移動し、カソードで酸素および電子と反応して水を生成することができる。電子は、電気負荷回路を介してアノードからカソードに引き出され、電気を発生させることができる。

[004]典型的に、燃料電池スタックは、空気圧縮機によって提供される給気（charged air）から、カソードのために酸素を受け取る。所定の燃料電池パワーシステムにおいて、燃料電池スタックを通る空気の流速を制御して電気出力を変更するために、制御器が具備される場合がある。電気出力の調整が必要な場合、制御器は、空気圧縮機にコマンドシグナルを送って、燃料電池スタックを通過する空気の流速を変化させるように設計されていてもよい。また制御器は、燃料電池スタックにわたる圧力低下を測定して、燃料電池スタックにわたる測定された圧力低下と望ましい圧力低下との差を決定することによって空気の流速を測定することもできる。そこで制御器は、空気圧縮機の速度を調整することによって、測定された空気の流速と望ましい空気の流速とのいかなる差も最小化するように設計することができる。

[005]一部の環境において、制御器は、電気に対する需要の変動に応答して空気圧縮機の速度を迅速に調整することが求められる場合がある。動的応答は、実際の燃料電池スタックにわたる圧力低下を測定する圧力センサーからのシグナル中に不要なノイズを生じさせる可能性があり、これは次に空気圧縮機のモーターへのコマンドシグナルに影響を及ぼす可能性がある。このようなシグナルは、望ましくない音を発生させる空気圧縮機の過剰な高速作動（revving）を引き起こす可能性がある。さらにこのようなシグナルは、圧縮機の寿命を短くする原因になり得る。

[006]上述の状況を考慮して、本発明の開示は、燃料電池パワーシステムの１つまたはそれより多くの燃料電池への空気流動を制御するように設計された制御器を有する燃料電池パワーシステムを提供する。制御器は、圧縮機へのコマンドシグナルを調整することにより、空気圧縮機の全体的なノイズを低下させつつ迅速な動的応答を提供するように設計されていてもよい。

[007]本発明の開示の一形態は、燃料電池パワーシステムを対象とする。燃料電池パワーシステムは、発電するように設計された１つまたはそれより多くの燃料電池、および１つまたはそれより多くの燃料電池に圧縮空気を供給するように設計された圧縮機を包含していてもよい。燃料電池パワーシステムは、１つまたはそれより多くの燃料電池と関連付けられた１つまたはそれより多くのセンサーをさらに包含していてもよい。１つまたはそれより多くのセンサーは、１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる少なくとも１つの測定された空気流動のパラメーターを示すシグナルを生成するように設計されていてもよい。また燃料電池パワーシステムは、１つまたはそれより多くの燃料電池、圧縮機、および１つまたはそれより多くのセンサーと連通する制御器を包含していてもよい。制御器は、少なくとも１つの計算されたパラメーターに基づき１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる望ましい圧力低下を決定する、望ましい圧力低下に基づき圧縮機のための制御コマンドを決定する、およびフィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターとに基づき制御コマンドを調整するように設計されていてもよい。

[008]本発明の開示の他の形態は、燃料電池パワーシステムの１つまたはそれより多くの燃料電池において空気流動を制御するための方法を対象とする。本方法は、圧縮機からの加圧空気ストリームを１つまたはそれより多くの燃料電池に供給することを包含していてもよい。本方法は、少なくとも１つの計算されたパラメーターに基づき１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる望ましい圧力低下を決定すること、望ましい圧力低下に基づき圧縮機のための制御コマンドを決定すること、およびフィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターとに基づき制御コマンドを調整することをさらに包含していてもよい。

[009]以下の説明において、本発明の開示の追加の目的および利点を部分的に記載するが、その説明から上記目的および利点が部分的に明白になり、または本発明の開示を実施することにより上記目的および利点を学ぶこともできる。本発明の開示の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された要素および組合せによって理解され、達成されると予想される。

[010]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に例示的で説明的なものにすぎず、特許請求されたようなシステムおよび方法を限定しないと理解されるものとする。

[011]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、これらは本開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。

[012]図１は、例示的な開示された実施態様に係る燃料電池パワーシステムのブロック図である。 [013]図２は、例示的な開示された実施態様に係る燃料電池パワーシステムにおいて燃料電池スタックへの空気流動を制御する方法のフローチャートである。 [014]図３は、望ましい圧力低下と、電気負荷による要求の段階的変化に応答する測定された圧力低下とを比較するグラフである。 [015]図４は、電気負荷による要求に応じた段階的変化に応答した空気圧縮機のモーターのデューティサイクルを例示するグラフである。

[016]以下、本開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。

[017]図１は、例示的な燃料電池パワーシステム１０および関連する構成要素を例示する。例示的な燃料電池パワーシステム１０は、自動車、ポータブル、および工業用途のために発電するように設計されていてもよい。例示的な実施態様において、燃料電池パワーシステム１０の構成要素は、燃料電池スタック１２、空気圧縮機２４、および燃料供給源２６を包含する。

[018]燃料電池スタック１２は、１つまたはそれより多くの燃料電池を包含していてもよい。１つまたはそれより多くの燃料電池は、一般的に当技術分野で周知の方式で、直列しておよび／または並列して電気的に連結されていてもよい。図１に燃料電池スタック１２の概略図を示すが、ここで燃料電池スタック１２のアノード側は参照番号２２で示され、燃料電池スタック１２のカソード側は参照番号２０で示される。燃料電池スタック１２は、アノード入口１９、アノード出口２１、カソード入口３４、およびカソード出口４２をさらに包含する。

[019]図１で示されるように、アノード入口２１は、燃料供給源２６と流体連結しており、カソード入口３４は、圧縮機２４と流体連結している。圧縮機２４は、当技術分野で公知のあらゆる圧縮機であり得る。圧縮機２４は、ライン３２を介して燃料電池スタック１２のカソード入口３４に給気を供給するように設計される。空気は、大気から典型的にはフィルター（示されていない）を通して圧縮機２４に引き込むことができる。圧縮機２４は、カソード側２０に望ましい量の給気を提供するのに十分な速度で圧縮機２４を駆動させるために、モーター２８に電気的または機械的に連結されていてもよい。

[020]上記で説明したように、燃料電池スタック１２中で化学反応が起こり、電力を生産することができる。具体的には、アノード側２２に供給された燃料は、アノード側２２で触媒により分離されて、遊離のプロトンおよび電子を生成することができる。プロトンは、電解質（示されていない）を介してカソード側２０まで移動し、カソードで酸素および電子と反応して水を生成することができる。電子はアノードからカソードに引き出され、電流を電気負荷１４に出力することができる。過量の燃料は、アノード出口２１を介して燃料電池スタック１２から除去することができ、過量の空気は、カソード出口４２を介して燃料電池スタック１２から除去することができる。

[021]燃料電池パワーシステム１０は、圧縮機２４の速度を調節することにより燃料電池スタック１２を通る空気流動を制御するように共に設計された構成要素をさらに包含していてもよい。特定には、燃料電池パワーシステム１０は、燃料電池スタック１２と連通する１つまたはそれより多くのセンサーおよび制御器１８、１つまたはそれより多くのセンサー、および圧縮機２４を駆動させるモーター２８を包含していてもよい。１つまたはそれより多くのセンサーのそれぞれは、燃料電池パワーシステム１０と関連付けられた少なくとも１つの作動態様（operational aspect）を検出および／または測定するように設計されていてもよい。制御器１８は、燃料電池スタック１２および１つまたはそれより多くのセンサーからの入力に基づき、圧縮機２４の速度を変更することにより燃料電池スタックを通る空気流動を調節することができる。

[022]図１で示されるように、１つまたはそれより多くのセンサーは、カソード入口３４に隣接して配置されたカソード入口の空気圧センサー３６、およびカソード出口４２に隣接して配置されたカソード出口の空気圧センサー４４を包含する。カソード入口の圧力センサー３６およびカソード出口の圧力センサー４４は、それぞれ燃料電池スタック１２のカソード入口３４で空気圧を測定し、カソード出口４２で空気圧を測定するように設計された圧力トランスデューサーであってもよい。燃料電池スタック１２を通る空気流動を直接的または間接的に測定するために、他のセンサーを採用してもよいことが理解されよう。カソード入口の圧力センサー３６は、ライン４０を介して制御器１８と連通しており、カソード出口の圧力センサー４４は、ライン４８を介して制御器１８と連通している。これらのセンサーのそれぞれは、さらなる処理のためにライン４０および４８を介して制御器１８に向けられたシグナルを生成してもよい。

[023]制御器１８の例としては、例えば、燃料電池パワーシステム１０の多数の機能を制御することができる１つまたはそれより多くの一般的なマイクロプロセッサーを挙げることができる。制御器１８は、メモリー、副次的なストレージデバイス、プロセッサー（例えば、ＣＰＵ）、またはプログラムを実行して燃料電池パワーシステム１０の開示された機能を遂行するための他のあらゆる構成要素を包含していてもよい。例えば、電力供給のための電気回路、シグナル調整のための電気回路、データ収集のための電気回路、シグナル出力のための電気回路、シグナル増幅のための回路、および当技術分野において公知の他のタイプの電気回路などの様々な他の回路が制御器１８に連結されていてもよい。

[024]制御器１８は、圧縮機２４を始動させる、圧縮機２４をモニタリングする、および圧縮機２４の速度を調整するように設計されていてもよい。具体的には、制御器１８は、センサー３６、４４からの入力を受け取るように設計されていてもよい。加えて、制御器１８は、電気負荷１４を介して燃料電池スタック１２と連通していてもよい。制御器１８は、ライン１６を介して、電気負荷１４による電力要求を示すシグナルを受け取るように設計されていてもよい。電気負荷１４による要求の変動に応答して、制御器１８は、圧縮機２４のモーター２８にコマンドシグナルを送り、圧縮機２４の速度を調整するように設計されていてもよい。この方式で、制御器１８は、圧縮機２４の速度に基づき燃料電池スタックを通る空気流動を調節することができる。

[025]図２は、本開示に一致する空気流動を制御するための例示的な方法５０を例示する。図２のフローチャートで示されるように、本方法における第一の工程は、モーター２８に制御コマンドを送り（工程５２）、燃料電池スタック１２のカソード側２０に望ましい量の給気を提供するのに十分な速度に圧縮機２４を設定することを包含していてもよい。

[026]燃料電池スタック１２が発電するにつれて、制御器１８は、電気負荷からシグナルを連続的に受け取ることができる（工程５４）。電気負荷からのシグナルは、電気負荷１４により消費された電力を示すことができる。次いで制御器１８は、電気負荷１４により消費された電力に基づき、電流ドレイン値を計算することができる（工程５５）。電流ドレイン値は、メモリーに保存された１つまたはそれより多くの方程式を使用して計算してもよいし、および／または、例えば、メモリーに保存された１つまたはそれより多くのルックアップ表を用いて、燃料電池スタック１２の立体配置および燃料電池スタックの電圧を参照することによって決定してもよい。いくつかの実施態様において、電流ドレイン値は、例えば電流センサーによって直接測定できることも予期される。次いで制御器１８が、望ましい出力を生成するための燃料電池スタック１２にわたる望ましい圧力低下を決定してもよい（工程５６）。望ましい圧力低下は、燃料電池スタック１２にわたる望ましい空気の流速に対応していてもよい。望ましい出力は、電気負荷１４による電力要求に対応していてもよい。工程５５の場合と同様に、望ましい圧力低下の決定は、メモリーに保存された１つまたはそれより多くの方程式を使用してなされてもよいし、および／またはメモリーに保存された１つまたはそれより多くのルックアップ表を使用することによってなされてもよい。

[027]また制御器１８は、それぞれ入口の空気圧センサー３６および出口の空気圧センサー４４に基づき、カソード入口３４における実際の空気圧およびカソード出口４２における実際の空気圧を示すシグナルを受け取ることができる。次いで制御器１８は、受け取った入力に基づき、燃料電池スタック１２にわたる測定された圧力低下を決定することができる（工程５８）。測定された圧力低下は、燃料電池スタック１２にわたる実際の空気の流速に対応していてもよいことが理解されよう。制御器１８は、測定された圧力低下を望ましい圧力低下と比較することにより、望ましい圧力低下値と実際の圧力低下値との間に誤差があるかどうかを決定することができ（工程６０）、したがって、燃料電池スタック１２にわたる空気流動の変化を決定することができる。誤差は、例えば電気負荷１４による電力要求の変化を反映していてもよい。

[028]制御器１８は、開示された実施態様において、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative；比例積分微分）型の制御器であり、これは、制御コマンドシグナルを介してモーター２８の変位を変更する量を調整するのに様々なゲインパラメーターを利用する。一般的に、ＰＩＤ制御器は、フィードバックゲインパラメーターを決定し（工程６２）、これは、比例、積分、または微分動作からコンピューターで計算することができる。しかしながら、制御器１８は、モーター２８の変位を変更する量を調整するのに、様々なゲインパラメーターを利用するように設計された、あらゆる他の公知の制御器であってもよいことが理解されると予想される。例えば、所定の実施態様において、制御器１８は、フィードバック制御器であってもよいし、またはフィードバック制御ループに好適なあらゆる他の公知の制御器であってもよい。追加および／または代替の実施態様において、制御器１８は、フィードフォワード制御器またはフィードフォワード制御ループに好適なあらゆる他の公知の制御器を包含し得る。

[029]開示された出願において、フィードバックゲインパラメーターは、一般的に、望ましい圧力低下値と実際の圧力低下値との間で測定された誤差の量に基づき実行されると予想される変化の量に相当する。フィードバックゲインパラメーターの決定は、メモリーに保存された１つまたはそれより多くの方程式を使用してなされてもよい。制御器１８は、フィードバックゲインパラメーターに基づき、必要な空気の流速を反映するシグナルを生成することができる。

[030]制御器１８はさらに、フィードフォワードゲインパラメーターを決定することができる（工程６４）。フィードフォワードゲインパラメーターは、開示された出願において、望ましい圧力低下を達成するのに必要な圧縮機２４の最大速度のパーセンテージ（例えば、デューティ）に対応していてもよい。フィードフォワードゲインパラメーターは、望ましい圧力低下の規模に基づき決定することができる。制御器１８は、フィードフォワードゲインパラメーターに基づき必要な空気流動を反映するシグナルを生成するように設計されていてもよい。

[031]次いで制御器１８は、フィードバックゲインパラメーターに基づくシグナルと、フィードフォワードゲインパラメーターに基づくシグナルとを合計することができる。他の組み合わせる操作も同様に使用することができる。制御コマンドは、組み合わせたシグナルを反映するように調整されてもよい（工程６６）。調整された制御コマンドシグナルに基づきモーター２８の変位を変更することができ、続いてそれにより、圧縮機２４の速度を調整することができる（工程６８）。圧縮機２４に効果的に供給されたシグナルは、フィードバックゲインパラメーターに基づくシグナルとフィードフォワードゲインパラメーターに基づくシグナルとの組合せであることから、圧縮機２４は、安定な状態を保ち、例えば、従来技術のシステムの過剰なぶれ（winding）の特徴が生じないと予想される。図３および４は、この原理を反映する。

[032]図３は、電気負荷１４による要求の段階的変化に応答する望ましい圧力低下７０をプロットしたグラフである。ライン７２は、フィードバックゲインパラメーターのみに基づき調整された測定された圧力低下を反映しており、ライン７４は、フィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターとの組合せに基づき調整された測定された圧力低下を反映する。図３で示されるように、フィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターとの組合せに基づく空気の流速の調整は、フィードバックゲインパラメーターのみに基づき調整された測定された圧力低下と比較して、測定された圧力低下シグナル中のノイズをそれほど多く反映しない。

[033]図４は、フィードバックゲインパラメーターのみに基づく圧縮機２４のモーター２８へのコマンドシグナル、およびフィードバックおよびフィードフォワードゲインパラメーターの組合せに基づくモーター２８へのシグナルをプロットしている。図４で示されるように、フィードバックおよびフィードフォワードゲインパラメーターに基づくシグナルの組合せは安定しており、例えば、フィードバックゲインパラメーターのみに基づくモーター２８へのシグナル中に存在する過剰なぶれを生じない。

[034]本発明の他の実施態様は、本明細書の考察および本明細書で開示された本発明の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の真の範囲および本質は以下の特許請求の範囲で示されるものとする。

１０ 燃料電池パワーシステム
１２ 燃料電池スタック
１４ 電気負荷
１６ ライン
１８ 制御器
１９ アノード入口
２０ カソード側
２１ アノード出口
２２ アノード側
２４ 空気圧縮機
２６ 燃料供給源
２８ モーター
３２ ライン
３４ カソード入口
３６ カソード入口の空気圧センサー
４０ ライン
４２ カソード出口
４４ カソード出口の空気圧センサー
４８ ライン
５０ 方法
５２、５４、５５、５６、５５、５８、６０、６２、６４、６６、６８ 工程
７０ 圧力低下
７２、７４ ライン

Claims (20)

1. 電力を生成するように設計された１つまたはそれより多くの燃料電池；
   １つまたはそれより多くの燃料電池に圧縮空気を供給するように設計された圧縮機；
   １つまたはそれより多くの燃料電池と関連付けられ、さらに、１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる少なくとも１つの測定された空気流動のパラメーターを示すシグナルを生成するように設計された、１つまたはそれより多くのセンサー；および
   １つまたはそれより多くの燃料電池、圧縮機、および１つまたはそれより多くのセンサーと連通する制御器
   を含む燃料電池パワーシステムであって、該制御器は、
   少なくとも１つの計算されたパラメーターに基づき１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる望ましい圧力低下を決定する；
   望ましい圧力低下に基づき圧縮機のための制御コマンドを決定する；および
   フィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターの両方に同時に基づき制御コマンドを調整する
   ように設計されている、上記燃料電池パワーシステム。
2. 前記制御器が、前記望ましい圧力低下に基づき、前記フィードフォワードゲインパラメーターを決定するようにさらに設計されている、請求項１に記載の燃料電池パワーシステ
   ム。
3. 前記フィードフォワードゲインパラメーターが、前記望ましい圧力低下の規模に基づき計算される、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
4. 前記１つまたはそれより多くのセンサーが、前記１つまたはそれより多くの燃料電池のカソード入口における前記圧縮空気の圧力と、前記１つまたはそれより多くの燃料電池のカソード出口における前記圧縮空気の圧力とを測定するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
5. 前記１つまたはそれより多くのセンサーが、前記１つまたはそれより多くの燃料電池の前記カソード入口における前記圧力と、前記１つまたはそれより多くの燃料電池の前記カソード出口における前記圧力との差に基づき、前記１つまたはそれより多くの燃料電池にわたり流動する空気中で測定された圧力低下を決定するように設計されている、請求項４に記載の燃料電池パワーシステム。
6. 前記制御器が、前記測定された圧力低下と前記望ましい圧力低下との差に基づき、前記フィードバックゲインパラメーターを決定するようにさらに設計されている、請求項５に記載の燃料電池パワーシステム。
7. 前記１つまたはそれより多くのセンサーが、圧力トランスデューサーである、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
8. 前記少なくとも１つの計算されたパラメーターが、電気負荷への電流出力に近似した値である、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
9. 前記圧縮機が、前記制御コマンドに応答して調整可能な可変速度を有する、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
10. 前記制御コマンドが、空気圧縮機のモーターに向けられる、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
11. 前記１つまたはそれより多くの燃料電池のそれぞれが、アノードおよびカソードを包含しており、前記圧縮機が、前記１つまたはそれより多くの燃料電池のそれぞれのカソードに圧縮空気を提供するように設計されており、水素ガスが、前記１つまたはそれより多くの燃料電池のそれぞれのアノードに提供され、カソードの圧縮空気およびアノードの水素ガスが反応して、電気出力を発生させる、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
12. 燃料電池パワーシステムの１つまたはそれより多くの燃料電池において空気流動を制御するための方法であって、
    圧縮機からの加圧空気ストリームを１つまたはそれより多くの燃料電池に供給すること；
    少なくとも１つの計算されたパラメーターに基づき１つまたはそれより多くの燃料電池にわたる望ましい圧力低下を決定すること；
    望ましい圧力低下に基づき圧縮機のための制御コマンドを決定すること；および
    フィードバックゲインパラメーターとフィードフォワードゲインパラメーターの両方に同時に基づき制御コマンドを調整すること
    を含む、上記方法。
13. 前記１つまたはそれより多くの燃料電池にわたり流動する空気中で測定された圧力低下を検出することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記測定された圧力低下と前記望ましい圧力低下との差に基づき、前記フィードバックゲインパラメーターを決定することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記望ましい圧力低下に基づき、前記フィードフォワードゲインパラメーターを決定することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記フィードフォワードパラメーターが、前記望ましい圧力低下の規模に基づき計算される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記制御コマンドに応答して前記圧縮機の速度を調整することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
18. 前記燃料電池パワーシステムが電気負荷をさらに包含し、ここで少なくとも１つの前記パラメーターが、電気負荷への電流出力に近似した値である、請求項１２に記載の方法。
19. 前記カソードを通る空気流動を測定するための、１つまたはそれより多くのセンサーをさらに包含し、ここで前記制御器が、測定された空気流動に基づき前記フィードバックゲインパラメーターを決定するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池パワーシステム。
20. 前記カソードを通る空気流動を測定すること、および測定された空気流動に基づき前記フィードバックゲインパラメーターを決定することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。

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