JP6946308B2 - 燃料電池コントローラ、燃料電池システム、および動作方法 - Google Patents

燃料電池コントローラ、燃料電池システム、および動作方法 Download PDF

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Description

この発明は、燃料電池システムの動作を制御するための燃料電池コントローラに関し、とくに、電力出力の過渡的変化を能動的に管理するための燃料電池コントローラに関する。この発明は、また、燃料電池システムの動作方法に関する。この発明は、また、上記コントローラを含む燃料電池システムに関する。
従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤を電気エネルギおよび反応生成物に変換する。慣用的なタイプの電気化学燃料電池は、膜電極アセンブリ(MEA)を有し、このMEAは、アノードとカソードとの間に高分子イオン(プロトン)伝達膜を含み、またガス拡散構造を含む。水素などの燃料と、空気からの酸素などの酸化剤とは、反応生成物として電気エネルギおよび水を生成するために、MEAのそれぞれの側面を通過する。別個のアノード流体流路およびカソード流体流路が配置された多数のこのような燃料電池を有するスタックが形成されてもよい。このようなスタックは、典型的には、ブロック形態であり、このブロックは、スタックのいずれかの端部で、エンドプレートによって一緒に保持された多数の個別の燃料電池プレートを有する。
効率的な操作のために、高分子イオン伝達膜が水和したままであることが重要である。また、スタックの温度を制御することも重要である。したがって、冷却剤が、冷却および/または水和のためにスタックに供給されてもよい。温度と冷却剤/水和流体の利用可能性とが、燃料電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。しかし、燃料電池システムの性能は、また、ビルドおよびアセンブリの欠陥であれ、くわえて発生した劣化であれ、燃料電池システムの材料の品質に依存する。したがって、スタックの動作に影響する可能性がある複数の問題がある。さらに、燃料電池が期待通りの性能を発揮しない場合、起こる電気化学反応は望ましくなく、表面、コーティングおよび/または膜の劣化を引き起こす可能性がある。
この発明の第1の態様によれば、出力端に電流を供給するように一緒に配置された複数の燃料電池を含む燃料電池システムの動作を制御するための燃料電池コントローラが提供され、この燃料電池コントローラは、燃料電池システムによって供給される電流の変化速度の上限を、燃料電池システムの燃料電池のうちの1つ、またはそれ以上の燃料電池の少なくとも1つの電気パラメータに基づいて動的に決定するように構成され、また、当該上限に従って、少なくとも電流出力の変動に関して燃料電池システムを制御する。
これは、燃料電池の電気的な健全性に基づく電流出力の制御は効果的な制御を実現できるという点から、有益である。
1または複数の実施例において、上記電気パラメータまたはその各々が、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限またはその各々を用いて上記上限を決定するように構成される。
1または複数の実施例において、上記コントローラが複数の電気パラメータに基づいて上記上限を動的に設定するように構成され、かつ、上記コントローラが、予め定められた基準に基づいて、上記上限として、上記候補上限のうちの1つを選択することにより上記上限を決定するように構成される。
1または複数の実施例において、上記少なくとも1つの電気パラメータは、
(i)上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの1つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧;
(ii)上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの少なくとも2つの燃料電池の平均電圧に基づく電圧;
(iii)上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの大多数の燃料電池の平均電圧に基づく電圧;
(iv)最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの1つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧;および
(v)上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値から、最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの1つの燃料電池の電圧を引いた電圧を有する逆スプレッド電圧
のうちの1つまたは複数を有する。
1または複数の実施例において、上記予め定められた基準は、上記候補上限のうちの最も小さいものを上記上限として選択する。
1または複数の実施例において、上記予め定められた関数は、正および負の上限を供給するように構成され、負の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、上記負の上限を上回ることなく上記電力出力を自動的に減少させ、他方、正の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、電流出力の変化が要求されるときに上記上限が強制されるようになす。
1または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも;
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの1つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し;
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧閾値を下回る、第1の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第1の領域と、上記最小電池電圧閾値を上回る、第2の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第2の領域とを有する。
1または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも;
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの1つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し;
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、最小電池電圧の増加に関連して、限界増加領域と、後続の限界減少領域とを有し、
上記限界増加領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を増加させ、
上記限界減少領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を減少させる。
1または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも;
上記複数の燃料電池の最も低い電圧を持つ、上記燃料電池システムの1つの燃料電池の電圧を有する、最小電池電圧を有し;
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、第2最小電池電圧VMCV2 および第3最小電池電圧閾値VMCV3の間の上記候補上限として供給される最大許容上限Lmaxを有し、上記第2の閾値および上記第3の閾値の間で、上記候補上限が上記最大許容上限より小さい値に設定される。
1または複数の実施例において、上記電気パラメータは、少なくとも;
最小の電圧を有する、上記燃料電池システムのうちの1つの燃料電池の電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧を有し;
上記コントローラは、予め定められた関数を使用して、上記最小電池電圧を、上記上限を決定するために使用される上記変化速度に関する候補上限にマッピングするように構成され、上記予め定められた関数は、スプレッド電圧閾値を下回る、第1の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第1の領域と、上記スプレッド電圧閾値を上回る、第2の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第2の領域とを有する。
1または複数の実施例において、上記コントローラは、上記燃料電池システムの上記電気出力の変化を監視し、上記出力に供給される電流の上記変化速度が予め定められた量内に近づき、上記上限に到達または上回ったことに応じて上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される電流の上記変化速度を減少させるように構成される。
1または複数の実施例において、上記コントローラは、上記出力の所望の電力出力を有する電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす。
1または複数の実施例において、上記コントローラはユーザから電力指示を受け取るためのユーザインターフェースを含む。
1または複数の実施例において、上記コントローラは、1つまたは複数の電気パラメータ動作限界が上回っている場合に復旧電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記復旧電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記電流出力の上記変化速度が上記上限を越えないようになす。
この発明の他の側面によれば、1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池と、先行する請求項のいずれかに従って上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される上記電流の変化速度について上限を供給するように構成されたコントローラとを有する燃料電池システムが供給される。
この発明の他の側面によれば、1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する方法において、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの1または複数の燃料電池の少なくとも1つの電気パラメータに基づいて決定することを特徴とする、上記方法が提供される。
この発明の他の側面によれば、 コンピュータプログラム、または命令を具備するコンピュータプログラム製品であって、プロセッサで実行されるときに、上記プロセッサが、信号を供給して、
上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する上限を、上記燃料電池システムの上記燃料電池のうちの1または複数の燃料電池の少なくとも1つの電気パラメータに基づいて決定し、
上記上限に応じて上記燃料電池システムの少なくとも上記電流出力の変化に関して上記燃料電池システムを制御することを特徴とするコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品が提供される。
以下の図面を参照して、この発明の実施例の詳細な説明が、単なる一例として、以下に続く。
燃料電池システムの模式図を示す。 例示的な燃料電池コントローラの模式図を示す。 燃料電池コントローラによって適用される第1の例示的な制御マップを示す。 燃料電池コントローラによって適用される第2の制御マップを示す。 例示的な方法を示すフローチャートを示す。 例示的な方法を実施するためのコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読媒体を示す図である。
これらの図は、この例では、複数のプロトン交換膜燃料電池2が積み重ねられた燃料電池スタックを含む燃料電池アセンブリを有する燃料電池システム1を示している。この例の燃料電池アセンブリは、蒸発冷却される燃料電池アセンブリを有する。アセンブリの燃料電池2は、アノード入口3を通る水素のような燃料の流れと、カソード入口4を通る空気のような酸化剤の流れを受け取るように構成される。アノード排気口5は、燃料の流通を可能にするために設けられる。カソード排気口6は、酸化剤の流通を可能にするために設けられている。この例では燃料電池スタックが示されているが、コントローラは平面燃料電池装置またはその他の燃料電池装置にも適用可能であることが理解されるであろう。
燃料電池コントローラ10は、燃料電池システムの動作を制御するために設けられている。コントローラ10は、また、電気センサなどの1つ以上のセンサ11(概略的に示す)を介して、燃料電池アセンブリ2の性能の1つまたは複数の測定値を受け取って良い。センサは、1つまたは複数の燃料電池または電池群からの電圧および/または電流を測定するための電圧計および/または電流計などの電気的特性測定センサを備えて良い。センサは、温度センサ、酸化剤/燃料流量センサ、酸化剤/燃料温度センサ、酸化剤/燃料ポンプ/圧縮機デューティセンサなどをさらに含んで良い。
燃料電池コントローラ10は、センサからの生の測定値を用いて燃料電池システム1を能動的に制御するように構成されている。制御は、電気出力を制御すること、燃料および/または酸化剤の流量を制御することによって、または、センサの測定に影響を与えることができる他の方法によって実行されて良い。したがって、コントローラ10は、燃料電池システム1の閉ループフィードバック制御を実行して良い。
図2は、コントローラ10の模式図を示す。コントローラ10は、燃料電池システムの燃料電池2のうちの1つまたはそれ以上の燃料電池の少なくとも1つの電気パラメータに基づいて、燃料電池システム1によって出力7に供給される電流の変化速度に関する上限20を能動的に決定するように構成される。この例では、上限20を決定するために2つの電気的パラメータ、すなわち、第1の電気的パラメータおよび第2の電気的パラメータが使用される。
コントローラ10は、21において、燃料電池システムを形成する複数の燃料電池2の平均電池電圧の実測値を受信するように構成される。実測値は、時間窓にわたる移動平均を含むような、平均および/または、フィルタ後の測定値を有して良い。コントローラは、燃料電池の各々から複数の電圧測定値を受け取り、平均値それ自体を決定してもよいことが理解されよう。
さらに、コントローラ10は、22において、最小電池電圧の実測値を受け取るように構成され、この実測値は、複数の燃料電池2の最も低い電圧を有する燃料電池システム1の燃料電池2の電圧を有する。実測値は、時間窓にわたって移動平均を含むような、平均および/または、フィルタ後の測定値を有して良い。コントローラは、燃料電池の各々から複数の電圧測定値を受け取り、最小電池電圧自体を決定することができることが理解されよう。
この実施例において、コントローラは平均燃料電池電圧および最小電池電圧を使用して平均電池電圧から最小電池電圧をマイナスした値を23において計算するように構成される。他の例では、異なる要素がコントローラに「最小−平均」の実測値を供給して良い。参照を容易にするため、計算された平均電池電圧から最小電池電圧を差し引いたものをスプレッド電圧と呼ぶ。
これらの2つの電気的パラメータの一方または両方の使用は、特に燃料電池システムの健康状態を示すことが判明しており、したがって、燃料電池システムの電流過渡変化を制御するのに有効であることが見出されている。この実施例では、上限を決定するために2つの電気的パラメータが使用されるが、他の実施例では、異なる、または、より多いまたはより少ない、電気的パラメータが使用されて良いであろう。
各電気的パラメータは、燃料電池システムによって出力端に供給される電流の変化速度に関する上限候補に、予め定められた関数24、25を使用するコントローラによって、関連付けられる。予め定められた関数24、25については、図4および図5を参照して以下でより詳細に検討される。
コントローラ10は、予め定められた関数24、25の出力26に基づいて能動的に上限を設定するように構成される。コントローラは、予め定められた基準に基づいて候補上限のうちの1つを選択することによって上限20を決定するように構成される。この例では、予め定められた基準は、最終的な上限として24、25から得られた候補上限のうちの低い方を選択することを有する。
この例では、予め定められた基準は24、25からの上限のうち低い方を選択することを含むが、予め定められた基準は、電気的パラメータまたは他のセンサに基づいて候補の上限のより高い方を選択すること、または、候補の上限の1つを選択することを含んで良い。例えば、寒い条件下では、選択を一方向に、暖かい条件下で異なる方向で行うことが好ましいことがあり、したがって選択は温度に基づいて良い。
さらに、コントローラ10は、この例では、候補上限の1つを最終的な上限として選択するように構成されているが、コントローラは、候補上限を組み合わせて上限を形成する関数を使用して良い。例えば、この関数は、候補上限の平均値を採用することを含んで良く、または、候補上限と組み合わせて過去の上限を使用して良い。
この例では、コントローラ10は、電力指示または電流設定点27を受け取るように示されている。次に、コントローラ10は、電流設定点27、出力7における現在の電流出力および上限20を使用して、28に示すように燃料電池システムを制御する。燃料電池システムの制御は、この例では、燃料電池システムを電流出力の変化速度の上限を超えることなく電流設定点に向かって移動させる制御信号29を出力することを含む。したがって、制御信号29は、現在の電流出力と現在の設定値との間に、上限に違反しない期間にわたって供給するための複数の中間電力指示を有して良い。これにより、電流過渡変化が効果的に管理される。
コントローラは、ユーザ入力から導出された電力指示27を受信するためのユーザインターフェースを含んで良い。燃料電池システムが車両の一部を形成する場合、ユーザインターフェースは車両制御装置の一部を形成して良い。
この例では、現在の設定点27が第2のコントローラ30から受信されるように示されている。第2のコントローラは、コントローラ10に対する異なるパラメータに基づいて現在の設定点を決定して良い。1つまたは複数の例では、コントローラ10は、燃料電池2の電気パラメータに基づいて(例えば、単独で、または、これを主として)制御を行って良く、他方、第2のコントローラは、燃料電池2を介して供給される流体の測定値に基づいて制御を行って良い。第2のコントローラ30は、電力指示または電流設定点を31で受信するように構成されている。この電流設定点は、ユーザによって定義されてもよく、またはさらに別のコントローラによって定義されてもよい。第2のコントローラ30は、燃料電池スタック2に供給される1つ以上の流体の量および/または流速および/または温度を少なくとも含むセンサデータをさらに受け取る。流体は、燃料流、酸化剤流および/または水和流体または冷却流体を含んで良い。したがって、第2のコントローラ30は、コントローラ10が動作する、センサデータ32および要求済み電流設定点31に基づいて、現在の設定点27を決定するように構成される。他の実施例では、第2のコントローラは、別の方法でコントローラ10と一体化されてもよいことが理解されよう。
図3は、測定された最小電池電圧を電流の変化速度の候補上限にマッピングするために、ステップ24でコントローラ10によって使用される予め定められた関数40を示す。
予め定められた関数40は、第1の最小電池電圧閾値VMCV1以下では、コントローラが、出力7における負の電流変化速度の上限を設定するように構成されることを示す。さらに、この予め定められた関数は、第1の最小電池電圧閾値VMCV1を超えると、コントローラが、出力7における電流の変化速度の正の値に上限を設定するように構成されていることを示す。この例では、第1閾値VMCV1は実質的に0.45Vである。
予め定められた関数は、第2の最小電池電圧閾値VMCV2と第3の最小電池電圧閾値VMCV3との間に提供される最大許容上限Lmaxをさらに備えてもよく、第2の閾値未満で第3の閾値を超える場合、上限はa最大許容上限を下回る値に設定される。この例では、最大許容上限Lmaxは実質的に100A/秒であるが、例えば50と150との間であってもよい。したがって、最小電池電圧が0.52〜0.7Vの間であれば、燃料電池システムは健全な動作ウインドウ内にあると考えられ、高い正の電流要求過渡変化を要求することができる。
第2の最小電池電圧閾値VMCV2は、電池の電気化学に関連する。第2の閾値は、第1の閾値より大きくてもよい。第3の最小電池電圧閾値は第2の閾値よりも大きい。第1の閾値では、上限は0A/秒に設定される。したがって、第1の閾値と第2の閾値との間で、コントローラは、最小電圧が増加すると上限が増加するように構成される(すなわち、限界増加領域)。従って、最小電池電圧が0.52〜0.45Vの範囲内にある場合、コントローラは、スタックが不完全であり、非常に高い電力過渡が要求されるべきでないと推定するので、正の過渡速度を比例的に制限する。第3の閾値より上では、コントローラは、最小電圧が増加するにつれて減少する上限(すなわち、限界減少領域)を提供するように構成されてもよい。この限界減少領域は、コントローラが現在の過渡状態を徐々に制限するので有利である。なぜなら、高い最小電池電圧では、スタックの健全性があまり確実でないことが分かっているからである。特に、非常に高い最小電池電圧値(すなわち、約0.8Vのような第3の最小電池電圧閾値を超える)では、スタックから最大の正の過渡電流を要求すべきではない。これにより、開回路電圧保護が提供される。これは、これらの状態では、スタックが開回路電圧またはその近くにあり、かなりの電流を供給しないため、その健全性および動作能力がはっきりとわからないことがあるからである。
予め定められた関数は、電池の電気化学に関連する最小電圧より低い第4の閾値VMCV4をさらに含んで良い。第4の閾値VMCV4は、第1の閾値VMCV1よりも小さく、
i)第4の閾値と第1の閾値との間で、測定された最小電池電圧が第1のレートで上限が増加し;
ii)第4の閾値以下では、測定された最小電池電圧が第1の速度とは異なる(かつ低くてもよい)第2の速度で上限が増加する。
第4の最小電池電圧閾値VMCV4は、実質的に0.4Vであってもよい。
第1から第4の閾値の任意の組み合わせまたはサブセットが提供されてもよいことは理解されよう。
図4は、測定されたスプレッド電圧を変化速度の候補上限にマッピングするために、ステップ25でコントローラ10によって使用される、予め定められた関数50を示す。
この予め定められた関数は、第1のスプレッド電圧閾値VSV1を含み、その下で、コントローラは、負である出力7における電流の変化速度の上限を設定するように構成される。さらに、第1のスプレッド電圧閾値VSV1を超えると、コントローラは、出力7における正の電流変化速度の上限を設定するように構成される。この例では、第1のスプレッド電圧閾値VSV1は実質的に−0.11Vである。
この予め定められた関数50は、スプレッド電圧が第2のスプレッド電圧閾値VSV2を上回っているときに提供される最大許容上限Lmaxをさらに含んで良い。第2のスプレッド電圧閾値よりも低い場合、上限は、許容される最大値よりも小さい値に設定される。この例では、最大許容上限Lmaxは実質的に100A/秒である。第2のスプレッド電圧閾値は実質的に−0.04Vである。
この予め定められた関数50は、スプレッド電圧が第3のスプレッド電圧閾値VSV3を下回るときに提供される最大許容負上限Lmax_negをさらに含んで良い。第3のスプレッド電圧閾値を超えると、上限は、許容される最大の負の上限よりも小さい値に設定される。この例では、最大許容負の上限Lmaxは実質的に−100A/秒であり、第3のスプレッド電圧閾値VSV3は実質的に−0.2Vである。
この予め定められた関数50は、第1のスプレッド電圧しきい値よりも大きい第4のスプレッド電圧しきい値VSV4を含んで良く、
i)第4のスプレッド電圧閾値を超えると、第1のレートでスプレッド電圧とともに上限が増加し;
ii)第4のスプレッド電圧閾値より下では、第1の速度とは異なる(かつ第1の速度よりも低くてもよい)第2の速度でのスプレッド電圧とともに上限が増加する。
第4のスプレッド電圧閾値VSV4は、実質的に−0.075Vであってもよい。
予め定められた関数50は、第1のスプレッド電圧しきい値よりも小さい第5のスプレッド電圧しきい値VSV5を含むことができ、
i)第5のスプレッド電圧閾値を超えると、上限は負であり、スプレッド電圧が第1の割合で増加し;
ii)第5のスプレッド閾値より下では、上限は負であり、第1のレートとは異なる(しかも、よい大きくてよい)第2のレートでスプレッド電圧とともに増加する。
第5のスプレッド電圧閾値VSV4は、実質的に−0.14Vであってもよい。
第1〜第5のスプレッド電圧閾値の任意の組合せ、またはサブセットが提供されてもよいことが理解されるであろう。
第1の最小電池電圧閾値(すなわち、最大許容変化速度ゼロの点)の周りの上限については、燃料電池システムがその領域で動作している間、電力の振動を排除するために、注意深い選択が重要である。オプションとして、予め定められた関数は、ゼロ電流過渡変化点のいずれかの側で正のレートではなく、より高い負のレートを適用するように構成して良い。
したがって、図2に戻って、コントローラ10は、上限を超えないように燃料電池システムの制御を行うことによって上限を強制することができる。コントローラは、電流出力を能動的に制御して、上限に応じて電力指示を満たすことができる。代替的には、電力指示を受信せずに、電流の変化速度が26で決定された上限を超える場合に介入するように作用してもよい。さらに、上で説明した上限は、電流出力が現在の出力が変化するレートを決定するために使用して良い。したがって、電力指示を受信すると、コントローラは、決定された上限で電流出力が変化するように燃料電池システムを制御して良い。
したがって、図2の例では、コントローラは、電力指令を受信し、燃料電池システム1を制御して、電力出力に応じて出力7に電流を供給し、電流出力の変化速度が上限を超えないようにする。しかし、他の例では、コントローラ10は、7での電気出力の変化を監視し、出力端に供給される電流の変化速度が所定値内に近づくか、または、28で計算した上限に達するかまたはそれを超えるかに応じて燃料電池システム1を制御して、出力において燃料電池システムによって供給される電流の変化速度を低減するように構成されて良い。
コントローラ10は、1つ以上の電気的パラメータ動作限界を超えた場合に復旧パワー指示を受信するように構成されてもよく、コントローラはさらに、燃料電池システム1を制御して、復旧パワー指示に応じて出力7に電流を供給して、電流出力の変化速度が上限を超えないように構成されて良い。電気パラメータ動作限界は、最小個別燃料電池電圧またはスプレッド電圧によって定義して良い。したがって、コントローラ10は、所定の電気的パラメータ(コントローラ10によって使用される電気的パラメータと同じまたは異なる必要もない)が所定の動作限界を超えないことを保証する、より大きなコントローラの一部を形成して良い。したがって、復旧パワー指示は、一般に、出力7での電流出力の減少を要求して良く、コントローラ10は、燃料電池システムを、要求パワー指示に移行させるように制御して良く、これには、予め定められた関数の一方または双方が負の上限を提供するときに負の上限が矯正されることがない。
この例では、復旧パワー指示は、26において負である上限の決定と協調して、発行される。したがって、コントローラ10が過渡変化電流の上限を決定し、その決定された上限が負である場合、コントローラは、復旧パワー指示に従ってパワー出力を減少させるように反応し、現在の電流出力から、負の上限を超えることなく復旧パワー指示によって決定された電流出力に移動するように構成されている。
一般に、予め定められた関数を使用する正および負の上限の決定は、コントローラが燃料電池システムが正しく動作していることを確実にするための便利な方法を提供する。従って、負の上限の決定に際し、コントローラは負の上限を越えることなく自動的に出力を低減し、正の上限の判定に際して、コントローラは電流出力の変更が要求されたときに上限を強制するように作用する。
図5は、コントローラ10の動作を示すフローチャートを示す。ステップ60は、燃料電池システムの1つ以上の燃料電池の少なくとも1つの電気的パラメータを決定することを含む。ステップ61は、燃料電池システムの1つまたは複数の燃料電池の少なくとも1つの電気的パラメータに基づいて、出力における燃料電池システムによって供給される電流の変化速度の上限を能動的に設定することを含む。
図6は、コンパクトディスク70の形態のコンピュータ可読媒体を示している。このコンピュータプログラムコードは、コントローラ10の一部を形成することができるプロセッサおよびメモリ上で実行されると、図5の方法を実行し、および/または、コントローラ10の関数を実現し、これは上述のとおりである。
コントローラ10は、電気パラメータを使用して、燃料電池システムの健全性の評価を行い、燃料電池システムによって電流の変化がどのように提供されるかを制御できるので、有利である。さらに、コントローラは、燃料電池システムが所定の動作エンベロープ(電気パラメータ動作限界を使用して)で動作することを保証する他のコントローラと組み合わされて良く、コントローラ10は、燃料電池システムの出力をその動作エンベロープの内部および外部において制御する。コントローラは、水分または冷却流体が凍結されるなど、燃料電池システムに依存する1つまたは複数の流体が冷間始動するときにも有利である。このような状況では、利用可能な水和流体の不足による低温システム状態およびその乾燥運転のために、システムの電気的挙動は予想される挙動から大きく外れる可能性がある。コントローラは、1つまたは複数の電気的パラメータを使用して電流出力トランジェントの上限を決定することができ、このような条件が有利である。
図3および図4は、予め定められた関数をグラフィカルマップとして示しているが、「予め定められた関数」という用語は、各測定されたパラメータがどのようにスタックの健全性および能力に変換されるかを決定し、この結果、電流過渡変化レートに関するどの上限が適切かを決定する計算または他のアルゴリズムを含む。
コントローラ10は、第2のコントローラ30のような反応物流体の流れベースのコントローラと並行して動作するように構成され、一体化するように構成されて良い。反応物流体流コントローラは、反応物の流れの測定値を使用して、電気出力を制御し、他方、本件のコントローラは電気パラメータを使用して出力電流の変化速度を制御する。
1 燃料電池システム
2 プロトン交換膜燃料電池
3 アノード入口
4 カソード入口
5 アノード排気口
6 カソード排気口
10 燃料電池コントローラ
11 センサ
30 第2のコントローラ

Claims (15)

  1. 1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する燃料電池コントローラにおいて、当該コントローラは:
    上記燃料電池システムの1つの燃料電池であって上記複数の燃料電池の中で最も小さな電圧を有する当該1つの燃料電池の電圧である最小電池電圧に基づいて、上記出力に上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する最大限界を、実時間で決定し
    上記最大限界に応じて、少なくとも上記出力に供給される上記電流の変化について上記燃料電池システムを制御するように構成され、
    上記最小電池電圧は、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される上記電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限を用いて上記最大限界を決定するように構成されることを特徴とする燃料電池コントローラ。
  2. 上記最大限界は、さらに、1または複数の他の電気パラメータに基づくものであり、かつ、上記コントローラが、予め定められた基準に基づいて、1つの候補上限を選択することにより上記最大限界を決定するように構成される請求項1記載の燃料電池コントローラ。
  3. 上記最大限界は、さらに、
    )上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの少なくとも2つの燃料電池の平均電圧に基づく電圧;
    ii)上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池のうちの大多数の燃料電池の平均電圧に基づく電圧;
    iii上記最小電池電圧から、上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値を引いた電圧を有するスプレッド電圧;および
    iv)上記燃料電池システムの上記複数の燃料電池の平均代表値から、上記最小電池電圧を引いた電圧を有する逆スプレッド電圧のうちの1つまたは複数に基づくものである、請求項1または2のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
  4. 上記予め定められた基準は、1つのより低い候補上限を選択することを有する請求項記載の燃料電池コントローラ。
  5. 上記予め定められた関数は、正および負の上限を供給するように構成され、負の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、上記負の上限を上回ることなく上記出力に供給される上記電流を自動的に減少させ、他方、正の上限を決定する際に、上記コントローラは、上記燃料電池システムを制御して、上記出力に供給される上記電流の変化が要求されるときに上記上限が強制されるようになす請求項記載の燃料電池コントローラ。
  6. 上記予め定められた関数は、最小電池電圧閾値を下回る、第1の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記上限が負である、上記第1の領域と、上記最小電池電圧閾値を上回る、第2の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される上記電流の上記変化速度に関する上記上限が正である、上記第2の領域とを有する、請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
  7. 上記予め定められた関数は、最小電池電圧の増加に関連して、限界増加領域と、後続の限界減少領域とを有し、
    上記限界増加領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を増加させ、
    上記限界減少領域は、最小電池電圧を増加させると上記候補上限を減少させる、請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
  8. 上記予め定められた関数は、第2最小電池電圧閾値 VMCV2 および第3最小電池電圧閾値VMCV3の間の上記候補上限として供給される最大許容上限Lmaxを有し、上記第2最小電池電圧閾値および上記第3最小電池電圧閾値の間で、上記候補上限が上記最大許容上限より小さい値に設定される、請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
  9. 上記予め定められた関数は、スプレッド電圧閾値を下回る、第1の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の上記変化速度に関する上記最大限界が負である、上記第1の領域と、上記スプレッド電圧閾値を上回る、第2の領域であって、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される上記電流の上記変化速度に関する上記最大限界が正である、上記第2の領域とを有する、請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池コントローラ。
  10. 上記コントローラは、上記出力の所望の電力出力を有する電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記出力に供給される上記電流の上記変化速度が上記最大限界を越えないようになす、請求項に記載の燃料電池コントローラ。
  11. 上記コントローラはユーザから電力指示を受け取るためのユーザインターフェースを含む請求項10記載の燃料電池コントローラ。
  12. 上記コントローラは、1つまたは複数の電気パラメータ動作限界が上回っている場合に復旧電力指示を受け取るように構成され、上記コントローラは、さらに、上記燃料電池システムを制御して、上記復旧電力指示に応じて上記電流を上記出力に供給し、上記出力に供給される上記電流の上記変化速度が上記最大限界を越えないようになす、請求項10に記載の燃料電池コントローラ。
  13. 1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池と、請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池コントローラとを有し、上記燃料電池コントローラが上記燃料電池システムを制御して上記出力に供給される上記電流の変化速度について上限を供給するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。
  14. 1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御する方法において、
    上記燃料電池システムの1つの燃料電池であって上記複数の燃料電池の中で最も小さな電圧を有する当該1つの燃料電池の電圧に基づいて、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する最大限界を、実時間で決定するステップと、
    上記最大限界に応じて、少なくとも上記出力に供給される上記電流の変化について上記燃料電池システムを制御するステップとを有し、
    上記電圧は、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限を用いて上記最大限界を決定するように構成されることを特徴とする、上記方法。
  15. 1つの出力に電流を供給するように一緒に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの動作を制御するための、コンピュータプログラム、または命令を具備するコンピュータプログラム製品であって、プロセッサで実行されるときに、
    上記燃料電池システムの1つの燃料電池であって上記複数の燃料電池の中で最も小さな電圧を有する当該1つの燃料電池の電圧である最小電池電圧に基づいて、上記燃料電池システムによって上記出力に供給される電流の変化速度に関する最大限界を、実時間で設定するステップであって、上記最小電池電圧は、上記出力において上記燃料電池システムによって供給される上記電流の変化速度に関する候補上限と、予め定められた関数によって関係づけられ、上記コントローラは上記候補上限を用いて上記最大限界を決定するように構成される上記ステップと、
    上記最大限界に応じて、少なくとも上記出力に供給される上記電流の変化に関して上記燃料電池システムを制御するステップとを実行させ、
    ことを特徴とするコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品。
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