JP6947735B2 - 燃料電池アセンブリ - Google Patents

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Description

本発明は、流体ラインにおける圧力が所定の判断基準に従うように該圧力を調整すべく使用される圧力調整器システムに関する。
本発明は、特に、燃料電池の排出ラインが、(電池により生成された水及び酸素の混合物を放出する役割を果たす)酸素回路の排出ラインであるか、(燃料電池により消費されない水素を放出する役割を果たす)水素回路の排出ラインであるかに関わらず、該ラインにおける圧力を調整する方法に関する。
本明細書において、“ライン”という語句は、バルブなどの如き流体の移送において使用される機器を可能的に含む流体導管を表している。
燃料電池、特にプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)、更に詳細には高温(HT)にて動作する燃料電池においては、電池が安定的に動作することを確実とするために、好適には水素回路及び酸素回路の両方において、燃料電池からの排出圧力を調整することが必要である。
通常、圧力は、連続的である調整器バルブにより調整される。斯かるバルブは、閉じ位置と開き位置との間において連続的である所定範囲の位置を占有し得る。上記調整器バルブは、圧力センサと組み合わされた調整器ユニットにより制御される。圧力センサにより測定された上記ライン中の圧力に関する情報の結果として、上記調整器ユニットは、ライン中の圧力が所望値にて安定化するように、上記バルブの開きの度合いを連続的に変化させる。
その解決策は、比較的に高価な調整器バルブであって、一定の場合には複雑である斯かるバルブの挙動関係の故に制御が困難であるという調整器バルブの使用を要する、という欠点がある。
他の解決策は、膨張器、放出バルブ、又は、実に流量調整器の如き油圧機械式の機器に基づくが、斯かる機器により実施される機能は通常、比較的に旧式のままであることから、最適からはほど遠い。
故に、本発明は、流体ラインにおける圧力が所定の判断基準に従うように、上記圧力を調整する圧力調整器システムであって、大きな信頼性を維持しながら、先行技術のシステムよりも簡素かつ安価であるというシステムを提案することを目的とする。
本発明の目的は、ライン内、又は、ラインの下流端部に(好適には、その下流端部に)配置されてオン/オフ・モードで制御可能であり、且つ、開き位置と閉じ位置との間で揺動するに適したバルブと、上記ラインに対して接続されると共に、上記ラインにおける圧力を測定する役割を果たす圧力センサと、開き/閉じ命令を用意すべく、且つ、それらを上記バルブに対して送信すべく構成された調整器ユニットであって、上記各命令は、上記測定された圧力の関数として決定されると共に、一定周波数にて上記バルブに対して開き期間を課し、各開き期間の持続時間は、上記ラインにおける上記圧力が所定の判断基準に従うように変調される、調整器ユニットと、を備える、圧力調整器システムにより達成される。
このシステムにおいては、各開き期間が閉じ期間により離間されることが容易に理解され得る。
上記圧力調整は、上記ラインにおける圧力が所定の判断基準に従うことを確実にすることを目的としている。通常、判断基準は、所望の圧力又は所望の圧力範囲により単に定義され、その場合に圧力は、該圧力が、連続的に上記所望圧力に等しいか、連続的に上記所望圧力範囲内に留まるように、上記ライン中で調整される。例示的にのみ、上記判断基準は、上記ラインにおける圧力に対し、時間の関数として、所望値もしくは値の範囲を定義し得る。
その主な流体流構成要素として、上記システムは、オン/オフ・モードで制御可能なバルブを有し、該バルブは概略的にはソレノイド・バルブである。好適には、斯かるバルブは、概略的に簡素であることから、高い信頼性及び低いコストを呈する。
好適には、上記制御可能バルブは、排出ライン内に配置されると共に、そのラインにおける圧力の調整に関与する唯一のバルブである。上記排出ラインは、圧力を調整する他の一切のバルブを有さない。特に、それは、圧力制限器の形態であるか圧力調整器の形態であるかに関わらず、上記制限器又は上記調整器の上流もしくは下流の圧力が所定値未満に留まることを確実にするための手段(特に機械的手段)を使用すべく構成された一切の圧力制限器及び/又は調整器バルブを有する必要がない。(但し、上記排出ラインは本来的に、通常動作において、該排出ラインにおける圧力の調整において当該圧力制限器が作用しない様に、所定値に定格設定された、圧力制限器を含み得る。)
上記制御可能バルブは、開き位置と閉じ位置との間を揺動するに適しており、すなわち、反復するように、且つ、比較的に速い速度で、1つの位置と他の位置との間で交互に切替わるに適している。
これらの往復運動又は揺動は、固定周波数にて実施される。
電子カード上で組み合わせることが比較的に容易である関数を使用することにより、上記調整器ユニットは、上記制御可能バルブを制御する役割を果たす。調整は、パルス幅変調(PWM)型である。斯かる制御は、電子カード上で実現され得る。上記調整は、上記バルブのデューティ比(その合計時間に対する開き時間の比)の値の関数として、制御を行い、すなわち、変更を行うことにより実施され得る。好適には、この調整のモードによれば、上記バルブが連続調整バルブでないとしても、該バルブを通る流れの実質的に連続的な調整を実施し得る。
上記調整器ユニットは、任意の公知の調整アルゴリズムもしくは技術を実施すべく構成され得る。たとえば、上記調整器ユニットは、比例・積分・微分(PID)型の調整を実施し得る。実施される上記調整は、選択的には更に複雑であり得ると共に、たとえば、それは、積分、進角/遅角、選択的フィルタ、低域通過フィルタ、又は、他の形式であり得る。
一実施例においては、上記バルブに対して送信すべく上記開き/閉じ命令を決定するために、上記調整器ユニットは、第1段階においては、測定済み圧力の関数として、(上記バルブを通る流体の流量のための)流量の命令を用意すべく構成される。この段階は、流量の関数として圧力を調整する任意の公知の方法により実施され得る。特に上述の方法(PID、進角/遅角、選択的フィルタ、及び/又は、低域通過フィルタ形式の調整)は、この段階の間において実施され得る。
この実施例において、上記調整器ユニットは、第2段階において、上記バルブに対する上述の開き/閉じ命令を、上記流量の関数として決定する様にも構成される。
パルス幅変調による調整によれば、上記バルブを通過する流体の流量を制御することが可能とされる。斯かる制御は、ラインにおける圧力を調整する上で十分かつ有効であることが確認されている。
但し、オン/オフ・モードで制御可能であり且つPWM型の命令により調整されるバルブの使用は、依然として、上記ラインにおいて生成される圧力変動に繋がり得る。
幾つかの実施例において、これらの変動は無視可能である。
但し、一定の状況において、これらの圧力変動は、実施される圧力調整を阻害することがある。そのときは、実施される調整を向上させるために、これらの阻害的な変動を考慮に入れることが適切である。
この目的のために、一実施例において、上記調整器ユニットは、上記一定周波数に等しい周波数の周波数成分が少なくとも40デシベル(dB)まで減衰されるように、フィルタリング済みの圧力値を提供すべく構成されたフィルタ・モジュールと、上記フィルタリング済みの圧力値の関数として、上記バルブに対する命令を決定すべく構成された調整器モジュールと、を含む。
好適には、上記圧力信号から、上記バルブの揺動周波数(上記“一定”周波数)に対応する周波数成分を除去することは、周期的に開閉される上記バルブにより誘起される阻害的な摂動の実質的に全てを、上記圧力信号から除去する作用がある。
上記調整器ユニットはまた、上記調整判断基準を更新する目的で可変である情報を獲得すべく構成された入力モジュールも含み得る。たとえば、上記入力モジュールは、上記ラインにおける圧力に対して所望される新たな値、又は、上記ラインにおいて容認可能である値の新たな範囲を獲得する役割を果たし得る。
本発明の圧力調整器システムの別の可能的な改良点は、上記システムに対し、上記ライン上に介設されたチャンバも備えたことに在る。その場合に上記チャンバは、周期的に開閉される上記バルブにより誘起される周期的な圧力変動の大きさを減少する役割を果たす減衰チャンバを形成する。
上記チャンバは好適には、上記バルブの近傍に配置される。
上記チャンバは、1つのみの流体取入オリフィス、及び、1つのみの流体吐出オリフィスを有し得るが、それは選択的には、他の流体交換オリフィスも含み得る。
一実施例において、上記圧力センサは、上記チャンバ内の圧力を測定すべく構成される。換言すると、上記流体の圧力に感応的である変換器であって、上記圧力センサの一部を形成する変換器は、上記チャンバ内(又は、その直近)に配置された圧力感知領域を呈する。
最後に、本発明は、第2に、当該燃料電池アセンブリが、燃料電池の少なくとも一本の排出ラインにおける圧力調整を提供する先行技術の燃料電池アセンブリよりも簡素かつ安価でありながらも非常に高信頼性のままである様に、圧力が所定の判断基準に従うように、燃料電池の排出ラインにおける圧力が調整されることを可能とする圧力調整器システムを有する、燃料電池アセンブリを提案することを目的とする。
この目的は、燃料電池と、上記燃料電池の水素もしくは酸素排出ラインと、上記に定義されると共に、上記燃料電池の上記排出ラインにおける圧力を調整すべく構成された調整器システムとを備える、燃料電池アセンブリにより達成される。
本発明はまた、燃料電池の排出圧力、特に、上記電池の酸素回路の排出ラインにおける、及び/又は、上記電池の水素回路の排出ラインにおける排出圧力を調整する、上記に定義された調整器システムの使用法も提供する。上記調整器システムが、両方の排出ラインにおける圧力を併せて調整するとき、排出ラインにおける圧力を調整するために上記にて想定された種々の特性の各々は、選択的に、両方の排出ラインに対して提供され得る。
本発明はまた、燃料電池と、上記燃料電池の排出ラインと、上記燃料電池の上記排出ラインにおける圧力が所定の調整判断基準に従うように上記圧力を調整すべく構成された調整器システムとを備える、燃料電池アセンブリも提供し、
上記調整器システムは、
上記排出ラインに対して接続されると共に、上記排出ラインにおける上記圧力を測定する役割を果たす圧力センサと、
上記排出ライン内に配置されてオン/オフ・モードで制御可能であり、且つ、開き位置と閉じ位置との間を揺動するに適したバルブと、
開き/閉じ命令を用意すべく、且つ、それらを上記バルブに対して送信すべく構成された調整器ユニットであって、上記各命令は、上記測定された圧力の関数として決定されると共に、一定周波数にて上記バルブに対して開き期間を課し、各開き期間の持続時間は、上記ラインにおける上記圧力が上記所定の判断基準に従うように変調される、調整器ユニットと、
を備える。
一実施例において、上記調整器ユニットは、上記一定周波数に等しい周波数の周波数成分が少なくとも40dBまで減衰されるように、フィルタリング済みの圧力値を供給すべく構成されたフィルタ・モジュールと、上記フィルタリング済みの圧力値の関数として、上記バルブに対する命令を決定すべく構成された調整器モジュールと、を備える。
一実施例において、上記燃料電池アセンブリは、上記排出ライン内に介設されたチャンバを更に備える。特に、上記圧力センサは、そのとき、上記チャンバ内の圧力を測定すべく構成され得る。
一実施例において、上記調整器ユニットは、第1段階においては、上記測定済み圧力の関数として流量の命令を用意し、且つ、第2段階においては、上記流量の関数として上記バルブに対する上記開き/閉じ命令を決定すべく構成される。
一実施例において、上記調整器システムは、上記燃料電池の酸素回路の排出ラインにおける、又は、上記燃料電池の水素回路の排出ラインにおける排出圧力を調整すべく構成される。
非限定的な例により示される実施例に関する以下の詳細な説明を読破すれば、本発明は良好に理解され得ると共に、その利点は更に良好に明らかとなろう。該説明は、添付図面を参照している。
本発明に係る燃料電池アセンブリの概略図である。 各段階において圧力調整器システムのバルブを漸進的に開く動作の間における図1の燃料電池アセンブリの圧力調整器システムの主な変数における変化をプロットした図である。
図1は、燃料電池アセンブリ1000を示す概略図である。
燃料電池アセンブリ1000は主として、燃料電池15を備える。
燃料電池15に対しては、酸素ライン12Aを介して酸素タンク10Aから酸素が、及び、水素ライン12Bを介して水素タンク10Bから水素が送給される。
酸素及び水素ライン12A及び12Bにおける流れは、特に、ライン12A及び12B内に介設された制御可能なソレノイド・バルブ14A及び14Bにより調整される。
燃料電池15の下流にて、一切の余剰の酸素及び燃料電池15により形成された水は(水−酸素)排出ライン16Aにより放出される一方、一切の余剰の水素は、水素排出ライン16Bにより放出される。
酸素ライン12A、酸素が流れる燃料電池15の部分、及び、排出ライン16Aは、酸素回路を構成する一方、水素ライン12B、水素が流れる燃料電池15の部分、及び、排出ライン16Bは、水素回路を構成する。
燃料電池アセンブリ1000は、本発明に従うと共にライン16A及び16Bにおける圧力を調整すべく構成された圧力調整器システム100も備える。
ライン16Bにおける圧力は、ライン16Aにおける圧力が調整されるのと実質的に同一となるように調整されることから、ライン16Aにおける圧力の調整のみが記述される。
この圧力を調整するために、圧力調整器システム100は、調整器ユニット50と、圧力センサ40Aを備えた減衰チャンバ30Aと、圧力調整器バルブ20Aと、絞り22Aとを備える。
減衰チャンバ30A、制御可能な圧力調整器バルブ20A、及び、絞り22Aは、燃料電池15の下流の排出ライン16Aにおいて、その順序で介設される。ライン16Bには、同じように、減衰チャンバ30B、制御可能な圧力調整器バルブ20B、及び、絞り22Bが介設される。
調整器システム100の主要機能の1つは、ライン16Aにおける圧力を調整することである。特に、燃料電池15が安定的に動作することを可能とするために、このライン中には、一定であり、又は、少なくとも規則的である圧力を維持することが必要である。故に、ライン16Aにおける圧力を調整すること、すなわち、この例においては、この圧力を所望値P0にて安定化させることが必要である。故に、本例においては、システム100が従わんとする所定の判断基準は、ライン16Aにおける圧力が、実質的に所望値P0に等しく留まることである。
バルブ20Aの上流にてライン16A内に介設された減衰チャンバ30Aは、一定の内部容積を有するチャンバである。このチャンバにより、バルブ20Aの実質的に周期的な揺動により引き起こされる圧力変動は、減衰される。
圧力センサ40Aは、バルブ20Aの上流におけるチャンバ30A内の圧力を測定すべく構成される。この目的のために、センサ40Aは、たとえば、圧力に対して感応的であって、チャンバ30A内に見出されるべき圧力感知表面44Aを呈するという、たとえば歪ゲージ・ブリッジ型の変換器42Aを含む。
センサ40Aにより規則的な頻度にて収集された圧力情報は、調整器ユニット50に対して送信される。
調整器ユニット50は、5つのモジュールを有する。
圧力信号調節モジュール51、フィルタ・モジュール52、設定点獲得モジュール53、調整器モジュール54、及び、出力信号調節モジュール55である。これらのモジュールは、アナログ・モジュール又はデジタル・モジュールであり得る。
圧力信号調節モジュール51は、圧力センサ40Aにより発せられた信号を入力として受信し、且つ、それを、フィルタ・モジュール52による使用に適した信号Pへと調節もしくは変換する電子モジュールである。
フィルタ・モジュール52は、調節モジュール51により調節された信号Pを入力として受信する電子モジュールである。それは、この信号を、バルブ20の揺動周波数(PWM制御サイクルの周波数)に等しい周波数における周波数成分が減衰されるように、フィルタリング済みの圧力値Hを供与するために、フィルタリングする。この減衰は、少なくとも40dBまでとされるべきであるが、それは、考察下にあるシステムの状況に依存し、特に、上記バルブの応答時間、容量の大きさ、センサの本来的なフィルタ…に依存して、他の任意の値を有し得る。
示された例において、フィルタ・モジュール52は、たとえば、以下の形態であり得る伝達関数を実施する。
Figure 0006947735
この式において、
ζは、一定の減衰パラメータであり、この例において、その値は0.707であり、且つ、
ωは、選択されたフィルタの、ラジアン/秒を単位とする角周波数を表す。フィルタ・モジュール52により提供される伝達関数Hは、角周波数ωにおいて変動する圧力成分を減少すべく選択される。
記述された実施例において、上記バルブは、30ヘルツ(Hz)の周波数における第1共振周波数を有することから、この角周波数ωは、ω=30・2π・f、すなわち、約188.5rad/sにより与えられる。
フィルタ・モジュール52により生成されたフィルタリング済みの圧力信号Hは、調整器モジュール54に対して送信される。
獲得モジュール又は設定点獲得モジュール53は、調整のための新たな値、すなわち、新たな設定点を、調整器ユニット50に対して送信する役割を果たす。たとえば、それは、ライン16Aにおける圧力Pが調整される圧力P0を変化させる役割を果たす。獲得モジュール53により必要とされる値は、調整器モジュール54に対して送信される。
調整器モジュール54は、フィルタリング済みの圧力信号Hに基づいて作用することで、(獲得モジュール53により送信された情報により可能的に更新された)意図された調整判断基準に従うように、バルブ20Aに対する命令を決定する。
第1段階において、上記調整器ユニットは、上記バルブの上流における圧力が、所定の判断基準に従い、特にこの例においては、圧力P0に等しいままであるように、フィルタ・モジュール52から受信したフィルタリング済みの圧力信号Hに基づき、上記バルブを通ることが所望される流量を決定する。
その後、第2段階において、上記調整器ユニットは、上記第1段階の間に決定された所望の流量に基づき、バルブ20Aのデューティ比Rを決定する。
最初の2つの段階は選択的に、単一動作において実施され得、斯かる状況下で、モジュール54は、上記バルブの上流の圧力が上記所定の判断基準に従う様に、フィルタ・モジュール52から受信されたフィルタリング済みの圧力信号Hの関数として、デューティ比Rに対する所望値を定義する。
デューティ比Rに対するこの所望値が一旦定義されたなら、モジュール54は第3段階において作用し、この値Rを、バルブ20Aの開き/閉じ期間を定義する1つの命令もしくは一連の命令Tへと変換する。開き期間の持続時間は、バルブ20Aのデューティ比Rが、上記第2処理段階により決定された値に等しい様に、変調される。
公知のように、この第3段階は、“交差的”であると称されるパルス幅変調の方法により実施され得る。この方法において、入力信号(この例においては、デューティ比Rに対する所望値を呈する信号)は、三角(鋸歯)信号と比較される。そのとき、バルブ20Aの開きの度合いを定義する上記出力信号は、上記入力信号が上記三角信号よりも大きいならば1に等しく、さもなければ、それは0に等しい。故に上記出力信号は、上記入力信号と上記三角信号との間の交差が在る毎に、状態が変化する。
次に、出力信号調節モジュール55は調整器モジュール54により生成された出力信号Tを受信すると共に、それは、バルブ20Aの命令チャネルに適した信号Sを獲得すべく、変換(電圧、電力などの変換)を実施する。
この信号Sは次にバルブ20Aに対して送信され、該バルブは、自身が受信した信号により指定される位置を採用する。
与えられた時的間隔に対し、図2は、調整器ユニット50により用意され且つバルブ20Aに対して送信された開き/閉じ命令の例を示している。
上段の曲線は、バルブ20Aのデューティ比Rにおける変化を、時間の関数として示している。
中段の曲線は、バルブ20Aの開きの度合いにおける変化を、時間の関数として示している。
下段の曲線は、ライン16A中の圧力Pにおける変化を、時間の関数として示している。
バルブ20Aは、開き位置と閉じ位置との間で揺動すべく設計されたバルブである。故に、その開きの度合いOは、バルブが閉じられたときの値0と、バルブが開かれたときの値1との間で変化する。
バルブ20Aは、自身に対して開き期間Oiを課す開き/閉じ命令を、一定の期間毎に(又は、一定の周波数にて)受信する。2つの開き期間Oiの間において、上記バルブは閉じられる(O=0)。
示された例において、一定期間の持続時間は、33.3ミリ秒(ms)の値Tに設定される。対応する周波数、すなわち1/Tは、30Hzに等しい。
記述された例において、開き期間の周波数は、開き命令周波数と考えられる。これらの命令は、時点T、2T、3T、4Tなどにおける一定周波数にて発せられる。但し、依然として本発明の範囲内に留まりながら、開き期間Oiの周波数は、バルブ20Aに対する開き/閉じ命令に依存して他の一定のパラメータにも基づき得ることは理解され得る。たとえば、開き期間の周波数は、開き期間の終了の時点(すなわち、閉じ命令の時点)から決定され得る。それはまた、開き期間Oiに対する中央時点に基づいても決定され得る。
開き期間Oiの持続時間は、上記ラインにおける圧力が、連続的に上記所望値と等しく、又は、実質的等しい様に、調整器ユニット50により変調される。
この目的のために、図2に示された時的間隔の間において上記調整器ユニットは、第1及び第2の上述の処理段階の間において、デューティ比Rが以下の如く変化することを決定すべく作用する。初期時点から時点t0まで、バルブ20は閉じられたままであり、時点t0から時点t1まで、上記バルブのデューティ比は0.25に等しいものであり、且つ、時点t1から、上記バルブのデューティ比は0.5とされる。
デューティ比Rに関するこの命令は、開き期間Oiの持続時間を調節することにより、開き期間命令Oiの形態で書き換えられ、先行期間t0の間において、上記バルブは閉じられたままとされ、そのときに開き期間の持続時間はゼロである。
時点t0から時点t1まで、3つの開き期間O1〜O3が在る。デューティ比が0.25に等しくあるべく、各開き期間の持続時間は、T/4である。
時点t1からの如く、デューティ比は0.5に等しくされる。そのとき、各開き期間の持続時間は、T/2になる。
本発明は特定実施例に関して記述されたが、各請求項により定義された発明の包括的範囲を越えることなく、それらの実施例に対して種々の改変及び変更が行われ得ることは明らかである。燃料電池により使用された酸化剤は、たとえば、酸素の代わりに空気であり得る。従って、上記説明及び図面は、制限的ではなく例示的な意味で解釈されるべきである。

Claims (6)

  1. 燃料電池(15)と、前記燃料電池の排出ライン(16A)と、前記燃料電池の前記排出ライン(16A)における圧力が所定の調整判断基準に従うように前記圧力を調整する圧力調整器システム(100)とを備える、燃料電池アセンブリ(1000)において、
    該圧力調整器システムは、
    前記排出ライン(16A)に配置されてオン/オフ・モードで制御可能であり、且つ、開き位置と閉じ位置との間を揺動するに適したバルブ(20A)と、
    前記排出ライン(16A)に対して接続されると共に、前記排出ラインにおける前記圧力を測定する役割を果たす圧力センサ(40A)と、
    開き/閉じ命令を用意すべく、且つ、それらを前記バルブ(20A)に対して送信すべく構成された調整器ユニット(50)であって、前記各命令は、前記測定された圧力の関数として決定されると共に、一定周波数にて前記バルブに対して開き期間(Oi)を課し、各開き期間の持続時間は、前記排出ラインにおける前記圧力が前記所定の調整判断基準に従うように変調される、調整器ユニット(50)と、を備える燃料電池アセンブリ(1000)。
  2. 前記調整器ユニット(50)は、
    前記一定周波数に等しい周波数の周波数成分が少なくとも40dBまで減衰されるように、フィルタリング済みの圧力値を供給すべく構成されたフィルタ・モジュール(52)と、
    前記フィルタリング済みの圧力値の関数として、前記バルブに対する命令を決定すべく構成された調整器モジュール(54)と、を備える、請求項1に記載の燃料電池アセンブリ(1000)。
  3. 前記排出ライン中に介設されたチャンバ(30A)を更に備える、請求項1又は2に記載の燃料電池アセンブリ(1000)。
  4. 前記圧力センサ(40A)は前記チャンバ(30A)内の圧力を測定すべく構成される、請求項3に記載の燃料電池アセンブリ(1000)。
  5. 前記調整器ユニット(50)は、第1段階においては、前記測定された圧力の関数として流量の命令を用意し、且つ、第2段階においては、前記流量の関数として前記バルブに対する前記開き/閉じ命令を決定すべく構成される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ(1000)。
  6. 前記圧力調整器システム(100)が、燃料電池(15)の酸素回路の前記排出ラインにおける排出圧力又は燃料電池(15)の水素回路の前記排出ラインにおける排出圧力を調整する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ(1000)。
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