JPS60154471A - 燃料電池の空気・燃料制御系 - Google Patents
燃料電池の空気・燃料制御系Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
゛本発明は、ガス系の圧力流量制御装置に係９、特に燃
料電池に供給する空気および燃料ガスの圧力と流量の制
御を行なうのに好適な燃料電池の空気・燃料制御系に関
する。
料電池に供給する空気および燃料ガスの圧力と流量の制
御を行なうのに好適な燃料電池の空気・燃料制御系に関
する。
一般に燃料電池は酸化剤としての酸素を含む空気と燃料
としての水素を含む水素富化ガスを電゛解質をはさんで
対面する多孔質の電極にそれぞれ接触させることにより
起電力を発生する如き構成となっている。仁の２つの電
極を外部負荷回路を通じて接続すると、この回路に電流
が流れ電池から電力をとり出すことができ名。上述の如
き燃料電池において、上記電解質は厚市１ｗａ以下の薄
い！トリックスに電解質、たとえばリン酸溶液を浸した
もの、または、粉体の電解質保持材と電解質を混合した
ペーストを、厚さ１箇以下にのばした層状のものであシ
、この電解質をはさんで対面する電極に接して流れる空
気と水素富化ガス間の圧力差により容易に、圧力の高い
極を流れるガスが電解質を横切勺低い極へ流れる、いわ
ゆるクロスオーバーが起こる。このクロスオーツ（は燃
料電池故障の重大要因であり、是非とも防ぐ必要のある
ものである。
としての水素を含む水素富化ガスを電゛解質をはさんで
対面する多孔質の電極にそれぞれ接触させることにより
起電力を発生する如き構成となっている。仁の２つの電
極を外部負荷回路を通じて接続すると、この回路に電流
が流れ電池から電力をとり出すことができ名。上述の如
き燃料電池において、上記電解質は厚市１ｗａ以下の薄
い！トリックスに電解質、たとえばリン酸溶液を浸した
もの、または、粉体の電解質保持材と電解質を混合した
ペーストを、厚さ１箇以下にのばした層状のものであシ
、この電解質をはさんで対面する電極に接して流れる空
気と水素富化ガス間の圧力差により容易に、圧力の高い
極を流れるガスが電解質を横切勺低い極へ流れる、いわ
ゆるクロスオーバーが起こる。このクロスオーツ（は燃
料電池故障の重大要因であり、是非とも防ぐ必要のある
ものである。
燃料電池電極上での空気と燃料ガスの圧力差を抑制しか
つ、燃料電池の燃料ガス利用効率を考慮しつつ、電池の
負荷に見合った燃料と空気流量を確保すべく、従来は第
１図に示す圧力流量制御系を設置していた。第１図に示
す圧力流量制御系に於いて、燃料電池に供給する空気と
燃料ガスの流欧は、流量目標値と、オリフィスｌａ、ｌ
ｂによシ測定された実流量を調節計２ａ、２ｂに入力し
演算し、燃料電池入口側流路に設けられた流量調節弁３
ａ。
つ、燃料電池の燃料ガス利用効率を考慮しつつ、電池の
負荷に見合った燃料と空気流量を確保すべく、従来は第
１図に示す圧力流量制御系を設置していた。第１図に示
す圧力流量制御系に於いて、燃料電池に供給する空気と
燃料ガスの流欧は、流量目標値と、オリフィスｌａ、ｌ
ｂによシ測定された実流量を調節計２ａ、２ｂに入力し
演算し、燃料電池入口側流路に設けられた流量調節弁３
ａ。
３ｂを駆動し、空気と燃料ガスの流量が目標値と一致す
るように制御する。一方、燃料電池内の圧力は、燃料電
池内の圧力測定値と、ＥＥ力目標値を、調節計２ｃ、２
ｄに入力し、演算を行ない、圧力が目標値に一致するよ
うに、燃料電池のガス流路下流１１（１１に設けられた
圧力調節弁３ｃ、３ｄを駆動する。
るように制御する。一方、燃料電池内の圧力は、燃料電
池内の圧力測定値と、ＥＥ力目標値を、調節計２ｃ、２
ｄに入力し、演算を行ない、圧力が目標値に一致するよ
うに、燃料電池のガス流路下流１１（１１に設けられた
圧力調節弁３ｃ、３ｄを駆動する。
また、この圧力流量制御系に用いられている調節計のア
ルゴリズムは第２図に示す如き構成が一般的である。こ
の図において示された調節計は、ＰＩ詞節計であり、流
量目標値と測定値を入力し、その偏差を計算し、この偏
差に対しＰＩ演算を行ない、制御弁を駆動するだめの信
号を出力する。このＰＩ演算において制御応答を特徴ず
けるものは、ゲインにと、積分定数ＴＩであシ、制御対
象の特性に応じて決めるべき定数である。
ルゴリズムは第２図に示す如き構成が一般的である。こ
の図において示された調節計は、ＰＩ詞節計であり、流
量目標値と測定値を入力し、その偏差を計算し、この偏
差に対しＰＩ演算を行ない、制御弁を駆動するだめの信
号を出力する。このＰＩ演算において制御応答を特徴ず
けるものは、ゲインにと、積分定数ＴＩであシ、制御対
象の特性に応じて決めるべき定数である。
一方、燃料電池の圧力流量応答に寄与する要素、たとえ
ば、制御弁や流路抵抗は、流量や弁開度によシ、弁開度
の微少変化に対する流量変化率が著しく変化する。故に
、調節計のゲインや積分定数を一定の定数とする従来の
制御系では、最も変化率の大きな流量、弁開度に対し、
ゲイン、積分定数を一計していた。この結果、ゲインや
積分定数は極めておとなしいものとなり、圧力流量制御
系の応答は、緩慢なものとなっていた。
ば、制御弁や流路抵抗は、流量や弁開度によシ、弁開度
の微少変化に対する流量変化率が著しく変化する。故に
、調節計のゲインや積分定数を一定の定数とする従来の
制御系では、最も変化率の大きな流量、弁開度に対し、
ゲイン、積分定数を一計していた。この結果、ゲインや
積分定数は極めておとなしいものとなり、圧力流量制御
系の応答は、緩慢なものとなっていた。
この発明は上記従来制御系の欠点を改良し、速い負荷応
答に対し圧力流量を追従させることができ、かつ、カソ
ード、アノード間の圧力差を小さく保つことができる燃
料電池本体の圧力流量制御系を提供することを目的とす
る。
答に対し圧力流量を追従させることができ、かつ、カソ
ード、アノード間の圧力差を小さく保つことができる燃
料電池本体の圧力流量制御系を提供することを目的とす
る。
本発明は、この目的を達するため罠、空気系と燃料系の
流量調節弁と圧力調節弁を設け、これらの調節弁を制御
するための調顯計を付設した燃料電池の圧力流量制御系
において、上記調節計に、渡欧と負荷または流量または
負荷を入力して、調節計の制御定数、たとえばゲインや
積分時定数を演算し出力する演算器と、この演算器で計
算した制御定数を用いて、流量や圧力の調節弁を制御す
る制御演算部を設ける。上記の制御定数演算部は、負荷
または空気と燃料流量から、線型化した圧力、流量特性
を推定し、この状態の制御対象を制御するのに最も好適
な制御パラメータを演算するものである。
流量調節弁と圧力調節弁を設け、これらの調節弁を制御
するための調顯計を付設した燃料電池の圧力流量制御系
において、上記調節計に、渡欧と負荷または流量または
負荷を入力して、調節計の制御定数、たとえばゲインや
積分時定数を演算し出力する演算器と、この演算器で計
算した制御定数を用いて、流量や圧力の調節弁を制御す
る制御演算部を設ける。上記の制御定数演算部は、負荷
または空気と燃料流量から、線型化した圧力、流量特性
を推定し、この状態の制御対象を制御するのに最も好適
な制御パラメータを演算するものである。
上述の演算部と制御演算部を有する調節計は。
流路抵抗や弁のリフトと流量間、またはリフトと圧力間
の非線型性に起因する、燃料電池の負荷変化や空気、燃
料流量の変化による最適な制御パラメータの変化を予測
し、常にいかなる負荷や流欧の場合にも、その状態の制
御対象に最も適した制御を行なうことができる。したが
って、外乱に対する抑１詭性が良くなり、応答時間が短
くなる。外乱に対する抑制性の改善により１例えば、負
荷変化による圧力変化を小さく抑制することができ、燃
料極と空気極間のガス圧力差を小さく保つことがで有る
。また、逆に、外部からの負荷要求に対してず速く応答
することができる。
の非線型性に起因する、燃料電池の負荷変化や空気、燃
料流量の変化による最適な制御パラメータの変化を予測
し、常にいかなる負荷や流欧の場合にも、その状態の制
御対象に最も適した制御を行なうことができる。したが
って、外乱に対する抑１詭性が良くなり、応答時間が短
くなる。外乱に対する抑制性の改善により１例えば、負
荷変化による圧力変化を小さく抑制することができ、燃
料極と空気極間のガス圧力差を小さく保つことがで有る
。また、逆に、外部からの負荷要求に対してず速く応答
することができる。
以下、本発明によって構成される、燃料電池の圧力流量
制御系の一実施例を図面に従って詳細に説明する。
制御系の一実施例を図面に従って詳細に説明する。
第３薗は、本発明に従って構成される調節計の構成図で
ある。この調節計は、流量信号と負荷信号、および流量
目標値を入力して、制御定数演算部で流量と負荷に応じ
た制御定数を演算し、フィルター１４で制御定数の変動
を緩和し、制御演算部６では請求めた制御定数を用いて
、弁を駆動するだめの制御信号を演算する。当然のこと
ながら、制御定数演算部７で行なわれる流量から制御定
数への演算は、燃料電池発電プラントの堅気系や燃料系
の機器配置や、各機器の大きさ、制御弁の特性により異
なる。本実施例では、第１図に示された燃料電池の圧力
流量制御系に対し、調節計として、第３図に示した本発
明に従って構成した調節計を適用した。寸だ制御アルゴ
リズムは、Ｐ−Ｉとした。制御系は、ｃｖ値が弁のＬｉ
ｆｔに対し、はぼｅｘｐ（や−Ｌｉｆｔ）で変化するイ
コールパーセント弁を使用した。この場合の制御定数と
負荷の関係を第４図に示す。第４図ａ、ｂは、圧力制御
弁３ｃ、３ｄを制御するためのゲイン（第４図−（ａ）
）と積分時定数（第４図−（ｂ））であり、第４図す、
ｃは流量側ｉ弁を制御するためのゲイン（第４図−（Ｃ
））と積分時定数（第４図−（ｄ））である。本実施例
においては、積分時定数は、流量の増大とともに小さく
する。一方ゲインについては、圧力調節弁では、流量と
ともに大きくシ、流量調節弁では、流量とともに多少、
大きくした方が良い。
ある。この調節計は、流量信号と負荷信号、および流量
目標値を入力して、制御定数演算部で流量と負荷に応じ
た制御定数を演算し、フィルター１４で制御定数の変動
を緩和し、制御演算部６では請求めた制御定数を用いて
、弁を駆動するだめの制御信号を演算する。当然のこと
ながら、制御定数演算部７で行なわれる流量から制御定
数への演算は、燃料電池発電プラントの堅気系や燃料系
の機器配置や、各機器の大きさ、制御弁の特性により異
なる。本実施例では、第１図に示された燃料電池の圧力
流量制御系に対し、調節計として、第３図に示した本発
明に従って構成した調節計を適用した。寸だ制御アルゴ
リズムは、Ｐ−Ｉとした。制御系は、ｃｖ値が弁のＬｉ
ｆｔに対し、はぼｅｘｐ（や−Ｌｉｆｔ）で変化するイ
コールパーセント弁を使用した。この場合の制御定数と
負荷の関係を第４図に示す。第４図ａ、ｂは、圧力制御
弁３ｃ、３ｄを制御するためのゲイン（第４図−（ａ）
）と積分時定数（第４図−（ｂ））であり、第４図す、
ｃは流量側ｉ弁を制御するためのゲイン（第４図−（Ｃ
））と積分時定数（第４図−（ｄ））である。本実施例
においては、積分時定数は、流量の増大とともに小さく
する。一方ゲインについては、圧力調節弁では、流量と
ともに大きくシ、流量調節弁では、流量とともに多少、
大きくした方が良い。
また、フィルター１４は、２次フィルターで、制御パラ
メータの急激な変化による制御の乱れを防ぐためのもの
である。
メータの急激な変化による制御の乱れを防ぐためのもの
である。
このように構成した、本発明による圧力流量制御系の、
外乱に対する抑制性や流量のステップ変化に対する応答
性を、第５図に示す。なお図はおいて実線Ｐは従来の制
御系による応答、点線Ｑは本発明により構成した制御系
の応答を示している。
外乱に対する抑制性や流量のステップ変化に対する応答
性を、第５図に示す。なお図はおいて実線Ｐは従来の制
御系による応答、点線Ｑは本発明により構成した制御系
の応答を示している。
第５図−（ａ）は、負荷をステップ状に変えた場合の空
気系圧力と燃料系圧力の差ΔＰの時間変化を示す。
気系圧力と燃料系圧力の差ΔＰの時間変化を示す。
従来の制御系では、Ｋｃは、流量の少ない場合に合わせ
て小さく、また積分時定数も大きく設定してあった。こ
のため、燃料電池の一般的な動作状態である定格負荷時
には、ゲインが小さすぎ、また積分時定数が大きすぎる
ため、負荷変動に伴なう圧力の動ようを十分抑制できな
かった。これに対し、本発明に従った本実施例では、定
格時での最適なゲインと積分時定数を用いて制御するこ
とができるので、圧力の動ようを抑制し、差圧を小さく
することができる。第５図−（ｂ）には、流量目標値の
ステップ変化に対する追従性を示す。このように、従来
は、ひかえ目なゲインと積分時定数を用いていたので、
ゆっくりした応答であったが、本発明による制御系では
、迅速な応答が可能である。
て小さく、また積分時定数も大きく設定してあった。こ
のため、燃料電池の一般的な動作状態である定格負荷時
には、ゲインが小さすぎ、また積分時定数が大きすぎる
ため、負荷変動に伴なう圧力の動ようを十分抑制できな
かった。これに対し、本発明に従った本実施例では、定
格時での最適なゲインと積分時定数を用いて制御するこ
とができるので、圧力の動ようを抑制し、差圧を小さく
することができる。第５図−（ｂ）には、流量目標値の
ステップ変化に対する追従性を示す。このように、従来
は、ひかえ目なゲインと積分時定数を用いていたので、
ゆっくりした応答であったが、本発明による制御系では
、迅速な応答が可能である。
以上述べたように、本発明にょシ構成される燃料電池の
圧力流風制御系は、負荷変動等の外乱に対する圧力や流
量の変動の抑制性がよく、また、目標値変化に対しても
迅速な応答を得ることができる。すなわち、外乱に対す
る抑制性の改善は、電池本体の故障の原因となるクロス
オーバを減らし、また、目標値に対する迅速な追従は１
発電プラント全体の負荷追従性を改善する。
圧力流風制御系は、負荷変動等の外乱に対する圧力や流
量の変動の抑制性がよく、また、目標値変化に対しても
迅速な応答を得ることができる。すなわち、外乱に対す
る抑制性の改善は、電池本体の故障の原因となるクロス
オーバを減らし、また、目標値に対する迅速な追従は１
発電プラント全体の負荷追従性を改善する。
上述の実施例において、制御定数演算を外部で行ない、
調節計に制御定数を指示することもできる。この構成を
第６図に示す。この実施例において、制御定数演算器８
は、各調節計３に対し、それぞれの流量信号１０に対し
制御定数９を出方する。
調節計に制御定数を指示することもできる。この構成を
第６図に示す。この実施例において、制御定数演算器８
は、各調節計３に対し、それぞれの流量信号１０に対し
制御定数９を出方する。
各調節計は、制御定数信号９にょシ送られて来る制御定
数を用いて、各々の担当する機器を制御する。
数を用いて、各々の担当する機器を制御する。
本実施例の如く制御定数演算部を１ケ所にまとめること
によ）、システム全体のコストを下げることができる。
によ）、システム全体のコストを下げることができる。
第１図は、従来の燃料電池圧力流量制御系の一例の構成
図、第２図は、従来の燃料電池圧力流量制御系に用いら
れてきたＰＩ調節計のブロック図。 第３図は、本発明に従って構成された燃料電池圧力流量
制御系の一実施例に用いる調節計の構成図。 第４図は、第３図に示した調節計の制御定数演算部への
流量入力に対する制御定数出方の関係図。 第５図は、本発明に従って構成された燃料電池圧力流量
制御系の一実施例と、従来例の負荷応答と流量目標値の
ステップ変化に対する流祉応答の比較図、第６図は、本
発明に従って構成された燃料電池圧力流量制御系の他の
実施例の調節計と制御定数演算部の構成図である。 １・・・流量オリフィス２・・・調節計３・・・調節弁
４・・・燃料電池 ５・・・圧力信号６・・・制御演算部 ７・・・制御定数演算部８・・・演算装置９・・・制御
定数信号１ｏ・・・流量信号１１・・・出力１２・・・
目標値 １３・・・測定値１４・・・フィルター代理人弁理士則
近憲佑（ほか１名） 第１図 第２図 第３図 り需−一一一優評一、−−Ｊ 第４図 第５図 第６図
図、第２図は、従来の燃料電池圧力流量制御系に用いら
れてきたＰＩ調節計のブロック図。 第３図は、本発明に従って構成された燃料電池圧力流量
制御系の一実施例に用いる調節計の構成図。 第４図は、第３図に示した調節計の制御定数演算部への
流量入力に対する制御定数出方の関係図。 第５図は、本発明に従って構成された燃料電池圧力流量
制御系の一実施例と、従来例の負荷応答と流量目標値の
ステップ変化に対する流祉応答の比較図、第６図は、本
発明に従って構成された燃料電池圧力流量制御系の他の
実施例の調節計と制御定数演算部の構成図である。 １・・・流量オリフィス２・・・調節計３・・・調節弁
４・・・燃料電池 ５・・・圧力信号６・・・制御演算部 ７・・・制御定数演算部８・・・演算装置９・・・制御
定数信号１ｏ・・・流量信号１１・・・出力１２・・・
目標値 １３・・・測定値１４・・・フィルター代理人弁理士則
近憲佑（ほか１名） 第１図 第２図 第３図 り需−一一一優評一、−−Ｊ 第４図 第５図 第６図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 酸化剤として空気をカソードに、還元剤として水素を主
成分とする燃料ガスをアノードに供給され、かつ、電解
質を含む薄い層が前記カソードとアノードにはさまれる
如き形状をなした燃料電池の空気と燃料ガスの導入ライ
ンもしくは排気ラインにそれぞれ流：１（調節弁と、こ
れを制御する調節計を有する燃料電池の供給空気と燃料
の制御系において、空気流量もしくは・負荷電流の少な
くとも１つを入力とし、空気流量調節計の制御定数を演
算する手段と、この制御定数を用いて空気流量を制御す
る手段と、燃料流量もしくは負荷電流の少なくとも１つ
を入力して、燃料流量調節計の制御”定数を演算する手
段と、この制御定数を用いて燃料流量を制御する手段履
を具備したことを特徴とｐ する燃料電池の空気燃料制御系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59009994A JPS60154471A (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 燃料電池の空気・燃料制御系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59009994A JPS60154471A (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 燃料電池の空気・燃料制御系 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60154471A true JPS60154471A (ja) | 1985-08-14 |
Family
ID=11735408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59009994A Pending JPS60154471A (ja) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | 燃料電池の空気・燃料制御系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60154471A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2871948A1 (fr) * | 2004-06-21 | 2005-12-23 | Renault Sas | Module de puissance pour moteur electrique de traction de vehicule automobile et procede de regulation d'un tel module de puissance |
| FR2917240A1 (fr) * | 2007-06-08 | 2008-12-12 | Renault Sas | Dispositif et procede de commande de l'alimentation en air d'un systeme de pile a combustible |
| JP2015050106A (ja) * | 2013-09-03 | 2015-03-16 | 三菱重工業株式会社 | 制御装置及び方法、それを備えた複合発電システム |
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1984
- 1984-01-25 JP JP59009994A patent/JPS60154471A/ja active Pending
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