JP2006092855A - 燃料電池の背圧弁制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 背圧弁制御装置2は、燃料電池1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もので、背圧弁5と、制御部8を具備する。背圧弁5は、燃料電池1の排出口1a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とされる。
制御部8は、背圧弁5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背圧をフィードフォワード制御するとともに、フィードフォワード制御後の目標圧力に対するプロセス圧力の偏差量に応じた各プロセス毎の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のバルブの開度を制御する。
【選択図】 図1
Description
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、該フィードフォワード制御後の前記目標圧力に対するプロセス圧力の偏差量に応じた各プロセス毎の設定圧力の操作量を演算し、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。
前記制御部は、前記フィードフォワード制御によるプロセス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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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
Claims (2)
- 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、該フィードフォワード制御後の前記目標圧力に対するプロセス圧力の偏差量に応じた各プロセス毎の設定圧力の操作量を演算し、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。 - 前記制御部は、前記フィードフォワード制御によるプロセス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請求項1記載の燃料電池の背圧弁制御装置。
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JP2004275396A JP4786892B2 (ja) | 2004-09-22 | 2004-09-22 | 燃料電池の背圧弁制御装置 |
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DE102013221313B4 (de) * | 2012-10-25 | 2021-06-17 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) | Verfahren für eine verbesserte Kathodendrucksteuerung mithilfe eines Kapazitätsmodells |
DE102013221312B4 (de) | 2012-10-25 | 2022-03-10 | GM Global Technology Operations, LLC (n.d. Ges. d. Staates Delaware) | Kathodenströmungsteilungs-Steuerung und Drucksteuerung für ein Fahrzeug-Brennstoffzellen-Leistungsversorgungssystem, Steuergerät und Verfahren zum Steuern der Kathodenströmungsverteilung |
CN114914482A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-08-16 | 大洋电机燃料电池科技(中山)有限公司 | 自调节电子背压阀、燃料电池***及控制方法 |
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2004
- 2004-09-22 JP JP2004275396A patent/JP4786892B2/ja active Active
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CN114914482B (zh) * | 2022-06-28 | 2024-04-26 | 大洋电机燃料电池科技(中山)有限公司 | 自调节电子背压阀、燃料电池***及控制方法 |
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