JP2007157587A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007157587A JP2007157587A JP2005353711A JP2005353711A JP2007157587A JP 2007157587 A JP2007157587 A JP 2007157587A JP 2005353711 A JP2005353711 A JP 2005353711A JP 2005353711 A JP2005353711 A JP 2005353711A JP 2007157587 A JP2007157587 A JP 2007157587A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- fuel cell
- hydrogen
- reaction gas
- target
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system including a pressure regulating valve that adjusts the pressure of fuel gas supplied to the fuel cell.
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。 The fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. When a reactive gas is supplied to each electrode, an electrochemical reaction occurs between the electrodes to generate an electromotive force. Specifically, the reaction occurs when hydrogen (fuel gas) is in contact with the anode and oxygen (oxidant gas) is in contact with the cathode.
一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクなどから供給される水素を燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。この場合、電解質膜の破損を防止するために、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧が所定値以下となるように制御する必要がある。 In general, in a fuel cell system, hydrogen supplied from a high-pressure hydrogen tank or the like is supplied to the anode of the fuel cell, while air taken in from outside air by a compressor is supplied to the cathode. In this case, in order to prevent breakage of the electrolyte membrane, it is necessary to control so that the differential pressure between the pressure on the anode side and the pressure on the cathode side becomes a predetermined value or less.
そこで、燃料電池の発電量に応じて燃料ガスおよび酸化剤ガスの各目標圧を算出し、アノードおよびカソードの各圧力が目標圧となるように制御するとともに、目標圧の変化に対して応答の遅い方の圧力変化に、応答の速い方の圧力変化が一致するように、応答が速い方の目標圧の補正を行う燃料電池の制御装置が開示されている（特許文献１参照）。この装置によれば、アノードとカソードの圧力差を一定に保持できるとされる。 Therefore, the target pressures of the fuel gas and the oxidant gas are calculated according to the power generation amount of the fuel cell, and controlled so that the anode and cathode pressures become the target pressure, and the response to the change in the target pressure. There has been disclosed a fuel cell control device that corrects a target pressure with a faster response so that a pressure change with a faster response matches a pressure change with a slower response (see Patent Document 1). According to this apparatus, the pressure difference between the anode and the cathode can be kept constant.
一般に、燃料ガスは、調圧弁によって調圧された後に、燃料電池のアノードに供給される。調圧弁の内部は、ダイヤフラムを介して背圧室と調圧室に分かれており、ダイヤフラムを調圧室の側に付勢する弾性バネおよび背圧室の圧力による付勢力と、調圧室の圧力とのバランスを利用して、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力が一定となるようにしている。 In general, the fuel gas is regulated by a pressure regulating valve and then supplied to the anode of the fuel cell. The inside of the pressure regulating valve is divided into a back pressure chamber and a pressure regulating chamber through a diaphragm. The elastic spring that biases the diaphragm toward the pressure regulating chamber and the biasing force due to the pressure of the back pressure chamber and the pressure regulating chamber Using the balance with the pressure, the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is made constant.
背圧室の圧力は、その下流側の流路に設けられた排出弁の開閉によって調整される。また、この場合、排出弁の弁開度の指令にはＰＩ制御が用いられる。 The pressure in the back pressure chamber is adjusted by opening and closing a discharge valve provided in the downstream flow path. In this case, PI control is used for commanding the valve opening of the discharge valve.
ところで、燃料電池が起動する際、アノードに供給する燃料ガスの目標圧は高い値に設定される。そして、燃料電池が通常運転に移行すると、目標圧は、発電量に応じた値に速やかに変化する。このとき、燃料電池の発電量が小さいと、実圧より低い値に目標圧が変化する。一方、水素の消費量は少ないので実圧の低下が緩やかとなる結果、目標圧に対して実圧が高い状態が続く。 By the way, when the fuel cell is started, the target pressure of the fuel gas supplied to the anode is set to a high value. Then, when the fuel cell shifts to normal operation, the target pressure quickly changes to a value corresponding to the amount of power generation. At this time, if the power generation amount of the fuel cell is small, the target pressure changes to a value lower than the actual pressure. On the other hand, since the consumption amount of hydrogen is small, the actual pressure decreases gradually, and as a result, the actual pressure continues to be higher than the target pressure.
こうした場合、従来の燃料電池システムでは、圧力偏差（実圧と目標圧との差）が高い状態が長く続くために、ＰＩ制御における積分項が次第に大きくなり、排出弁に対しては弁開度が大きくなるよう指令が働く。しかしながら、このような状況下で燃料電池の発電量が急増すると、発電量に応じて目標圧が高い値に変化する一方で、水素が大量に消費されることによって実圧は低下してしまう。この場合、排出弁の弁開度は直には適正値とならないので、目標圧に対して実圧がアンダーシュートしてしまうという問題があった。 In such a case, in the conventional fuel cell system, since the state where the pressure deviation (difference between the actual pressure and the target pressure) is high continues for a long time, the integral term in the PI control gradually increases, and the valve opening degree for the discharge valve The command works so that becomes larger. However, if the power generation amount of the fuel cell rapidly increases under such a situation, the target pressure changes to a high value according to the power generation amount, while the actual pressure decreases due to a large amount of hydrogen being consumed. In this case, since the valve opening of the discharge valve does not directly become an appropriate value, there is a problem that the actual pressure undershoots the target pressure.
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、積分項の影響によって、反応ガスの実圧が目標圧に対してアンダーシュートするのを防ぐことのできる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing the actual pressure of the reaction gas from undershooting the target pressure due to the influence of the integral term.
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に供給される反応ガスの目標圧を設定する手段と、反応ガスの供給量を調整する手段と、反応ガスの実圧を測定し、目標圧と実圧との差が小さくなるように、少なくとも比例動作と積分動作を含むフィードバック制御によって、供給量を調整する手段の操作量を制御する手段と、燃料電池が消費する反応ガスの消費速度を推定する手段と、実圧が目標圧に対して所定値より大きく、且つ、消費速度が所定値よりも遅い場合に、積分動作による積分項を小さく補正する手段とを有することを特徴とするものである。 The fuel cell system of the present invention measures a fuel cell, a means for setting a target pressure of a reaction gas supplied to the fuel cell, a means for adjusting a supply amount of the reaction gas, and an actual pressure of the reaction gas, Means for controlling the operation amount of the means for adjusting the supply amount by feedback control including at least a proportional action and an integral action so that the difference between the target pressure and the actual pressure is small, and consumption of the reaction gas consumed by the fuel cell And a means for estimating the speed, and a means for correcting the integral term by the integral operation to be small when the actual pressure is greater than a predetermined value with respect to the target pressure and the consumption speed is slower than the predetermined value. To do.
本発明において、反応ガスの消費速度は燃料電池の発電量から推定することができる。 In the present invention, the consumption rate of the reaction gas can be estimated from the power generation amount of the fuel cell.
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された排出ガスの圧力を検出する手段をさらに有し、排出ガスの圧力と燃料電池の圧損とから反応ガスの実圧を推定するものとすることができる。 The fuel cell system of the present invention further includes means for detecting the pressure of the exhaust gas discharged from the fuel cell, and estimates the actual pressure of the reaction gas from the pressure of the exhaust gas and the pressure loss of the fuel cell. can do.
本発明の燃料電池システムによれば、目標圧と実圧との偏差が所定値よりも大きく、且つ、消費速度が所定値よりも遅い場合に、積分動作による積分項を小さく補正する手段を有するので、供給量を調整する手段の操作量が、反応ガスの圧力を低下させる側に無駄に大きくならないようにすることができる。したがって、反応ガスの消費量が急増したときに、燃料電池内で反応ガスが欠乏する、すなわち反応ガスの実圧が目標圧よりアンダーシュートするのを防止できる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the deviation between the target pressure and the actual pressure is larger than a predetermined value and the consumption speed is slower than the predetermined value, there is means for correcting the integral term due to the integral operation to be small. Therefore, the operation amount of the means for adjusting the supply amount can be prevented from becoming unnecessarily large on the side of reducing the pressure of the reaction gas. Therefore, when the consumption amount of the reaction gas increases rapidly, it is possible to prevent the reaction gas from being deficient in the fuel cell, that is, to prevent the actual pressure of the reaction gas from undershooting the target pressure.
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。 FIG. 1 is an example of a configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment. In addition, this fuel cell system is applicable to various uses, such as a vehicle-mounted type and a stationary type.
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に外気から取り込んだ空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、水素調圧弁７から背圧用の空気を排出する空気排出弁８と、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池２に供給する循環ポンプ９とを有する。
As shown in FIG. 1, the
尚、本実施の形態においては、タンクに貯蔵された圧縮酸素を燃料電池２に供給してもよい。
In the present embodiment, compressed oxygen stored in a tank may be supplied to the
また、アノードに供給する水素源としては、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。この場合、炭化水素系化合物としては、メタンを主成分とする天然ガス、メタノールなどのアルコールまたはガソリンなどが用いられる。そして、使用する炭化水素系化合物の種類に応じて、改質反応に適した触媒や温度が選択される。これにより、水素、二酸化炭素および水を含む水素リッチな改質ガスが生成される。 In addition, as a hydrogen source supplied to the anode, a reformed gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound can be used. In this case, as the hydrocarbon compound, natural gas mainly composed of methane, alcohol such as methanol, gasoline, or the like is used. A catalyst and temperature suitable for the reforming reaction are selected according to the type of hydrocarbon compound used. As a result, a hydrogen-rich reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and water is generated.
燃料電池２は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル（図示せず）が積層された構造を有している。また、各セルは、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造となっている。
The
燃料電池２のカソードには、コンプレッサ３によって外気から取り込まれた空気が供給される。そして、燃料電池２内での電気化学反応によって、空気中から所定量の酸素が消費された後、残りのガスがカソードオフガスとして排出される。
Air taken in from the outside air by the
加湿器４は、燃料電池２から排出されたカソードオフガス中の水分を回収するとともに、燃料電池２に供給される空気を加湿する役割を果たしている。これにより、燃料電池２内の電解質膜の含水状態を適切に管理して、電解質膜を正常に機能させることが可能となる。但し、本発明においては、加湿器４はなくてもよく、カソードオフガスを循環させることによって燃料電池２に供給される空気を加湿してもよい。
The
一方、燃料電池２のアノードには、水素タンク６に貯蔵された水素が、水素調圧弁７によって調圧された後に供給される。
On the other hand, the hydrogen stored in the hydrogen tank 6 is supplied to the anode of the
水素調圧弁７は、ダイヤフラム７０によって、内部が背圧室７１と調圧室７２とに分割された構造を有している。また、背圧室７１の内部には、ダイヤフラム７０を調圧室７２の側に付勢する弾性バネ７３が設けられている。ここで、背圧室７１には、コンプレッサ３によって外気から取り込まれた空気が流入する。一方、調圧室７２には、水素タンク６から供給された水素が流入する。そして、弾性バネ７３および背圧室７１の圧力による付勢力と、調圧室７２に流入する水素の圧力とのバランスを利用して、燃料電池２に供給する水素の圧力が一定になるようにしている。
The hydrogen
尚、背圧室７１内の圧力は、背圧室７１に流入する空気の流量によって決定される。したがって、背圧室７１内の圧力を高くするには、空気排出弁８の弁開度を小さくして、背圧室７１に流入する空気の流量が小さくなるようにすればよい。反対に、背圧室７１内の圧力を低くするには、空気排出弁８の弁開度を大きくして、背圧室７１に流入する空気の流量が大きくなるようにすればよい。すなわち、空気排出弁８の開閉によって、背圧室７１内の圧力を制御することができる。
Note that the pressure in the
以上のようにして調圧された後、燃料電池２のアノードに供給された水素は、電気化学反応によって所定量が消費される。そして、燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、循環ポンプ９によって再び燃料電池２に供給される。
After the pressure is adjusted as described above, a predetermined amount of hydrogen supplied to the anode of the
次に、図２および図３を用いて、図１の燃料電池システムの動作方法について説明する。 Next, an operation method of the fuel cell system of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
まず、水素調圧弁７の上流側における水素の圧力（水素の一次圧）Ｐ１、水素とアノードオフガスとの合流点より下流側におけるガスの圧力（水素の二次圧）Ｐ２、および、燃料電池２に供給される空気の圧力（空気の一次圧）Ｐ３をそれぞれ圧力センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを用いて測定する。また、燃料電池２の電流値Ｉを電流計１５によって測定する（ステップ１）。測定したこれらのデータは、図１の制御装置１６に送られた後、制御装置１６で以下のステップ２〜６が行われる。
First, the hydrogen pressure (primary hydrogen pressure) P 1 on the upstream side of the hydrogen
圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１、水素の流量および背圧室の圧力に依存する。したがって、圧力Ｐ１と水素の流量を一定にした状態で、圧力Ｐ２を目標圧とするには、背圧室の圧力を目標圧に調整することが必要となる。ここで、背圧室の目標圧の算出方法は、燃料電池が起動時および運転時のいずれの状態であるかによって異なる。したがって、ステップ２では、運転モードが起動時であるか否かを判定する。
The pressure P 2 depends on the pressure P 1 , the flow rate of hydrogen, and the pressure in the back pressure chamber. Accordingly, in a state where the flow rate of the pressure P 1 and hydrogen constant, to the pressure P 2 to the target pressure, it is necessary to adjust the pressure in the back pressure chamber to the target pressure. Here, the calculation method of the target pressure of the back pressure chamber differs depending on whether the fuel cell is in a starting state or an operating state. Therefore, in
燃料電池の起動時は、発電していない状態であり、水素の流量はゼロである。したがって、背圧室の目標圧は、圧力Ｐ１と、圧力Ｐ２の目標値とから算出された値となる（ステップ３）。一方、燃料電池の運転時においては、水素の流量と圧力Ｐ２の目標値は、電流値Ｉから算出される。したがって、背圧室の目標圧は、圧力Ｐ１および電流値Ｉから算出された値となる（ステップ３’）。 When the fuel cell is started, no power is generated, and the flow rate of hydrogen is zero. Therefore, the target pressure of the back pressure chamber is a pressure P 1, the value calculated from the target value of the pressure P 2 (step 3). On the other hand, during the operation of the fuel cell, the target value of the hydrogen flow rate and the pressure P 2 is calculated from the current value I. Therefore, the target pressure of the back pressure chamber becomes a value calculated from the pressure P 1 and the current value I (step 3 ').
ところで、背圧室の実圧力は、圧力Ｐ３と、上述した空気排出弁８の弁開度とによって変化する。それ故、圧力Ｐ３を一定にした状態で背圧室の圧力を目標圧とするには、空気排出弁８の弁開度を調節することが必要となる。空気排出弁８の弁開度は、圧力Ｐ３および背圧室の目標圧から算出される（ステップ４）。ここで、算出された弁開度はフィードフォワード項である。
However, the actual pressure in the back pressure chamber, the pressure P 3, varies with the valve opening of the
次に、ＰＩ制御によってフィードバック項を求める（ステップ５）。 Next, a feedback term is obtained by PI control (step 5).
まず、圧力Ｐ２の実測値（Ｐ２１）と目標値（Ｐ２０）との偏差（Ｐ２１−Ｐ２０）に、予め定められた比例ゲインを乗ずることによって比例項を算出する。また、この偏差の積分値に、予め定められた積分ゲインを乗ずることによって積分項を算出する。得られた比例項と積分項の和がフィードバック項である。 First, a proportional term is calculated by multiplying a deviation (P 21 -P 20 ) between a measured value (P 21 ) of the pressure P 2 and a target value (P 20 ) by a predetermined proportional gain. The integral term is calculated by multiplying the integral value of the deviation by a predetermined integral gain. The sum of the obtained proportional term and integral term is the feedback term.
そして、フィードフォワード項にフィードバック項を足して得られた値を、空気排出弁の弁開度の指令値とする（ステップ６）。かかる指令値にしたがって、制御装置（図示せず）により空気排出弁８の弁開度が制御される。
Then, a value obtained by adding the feedback term to the feedforward term is set as a command value for the valve opening of the air discharge valve (step 6). The valve opening degree of the
以上のステップ１〜６を繰り返すことによって、圧力Ｐ２を目標圧に調整することができるので、アノードとカソードの差圧を一定に保つことが可能となる。 By repeating steps 1-6 above, it is possible to adjust the pressure P 2 in the target pressure, it is possible to keep the anode and cathode of the differential pressure constant.
図４は、本実施の形態における燃料電池システムの他の例である。尚、図４において、図１と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。 FIG. 4 shows another example of the fuel cell system according to the present embodiment. In FIG. 4, the parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same.
図１の例では、循環ポンプ９を用いてアノードオフガスの循環を行っていた。これに対して、図４では、エジェクタ１２によってアノードオフガスの循環を行う。また、図４において、燃料電池２のから排出されたアノードオフガスは、バルブ１４を開くことによって燃料電池システム１１の外部に排出される。
In the example of FIG. 1, the anode off-gas is circulated using the circulation pump 9. On the other hand, in FIG. 4, the anode off gas is circulated by the
図４の燃料電池システム１１では、水素調圧弁７の上流側における水素の圧力（水素の一次圧）Ｐ１、水素調圧弁７とエジェクタ１０の間のガスの圧力（水素の二次圧）Ｐ２、および、燃料電池２に供給される空気の圧力（空気の二次圧）Ｐ３をそれぞれ圧力センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃを用いて測定する。測定したこれらのデータは、制御装置１６に送られる。そして、図１の燃料電池システム１と同様にして、制御装置１６により空気排出弁８の弁開度が制御される。
In the
尚、図１の例では、燃料電池２の上流側に圧力センサ１０ｃを設けることによって空気の圧力Ｐ３を測定していた。図４の例でも、同様の位置に圧力センサを設けることができるが、図に示すように、燃料電池２の下流側にある圧力センサ１３ｃを利用することもできる。図４においては、圧力Ｐ３は、燃料電池の下流側における空気の圧力Ｐ４と、コンプレッサの回転数とから推定される。具体的には、圧力Ｐ４の値は、圧力センサ１３ｃによって測定される。また、コンプレッサ３の回転数を計測することによって求めた空気の流量より、燃料電池２における圧損を求めることができる。そして、得られた圧損と圧力Ｐ４とから、圧力Ｐ３が算出される。
In the example of FIG. 1, the air pressure P 3 is measured by providing the
一方、水素の圧力Ｐ２についても同様に考えることができる。すなわち、アノードオフガスの圧力Ｐ５と、水素の流量とから圧力Ｐ２を推定することができる。具体的には、燃料電池の下流側に圧力センサを設け、この圧力センサによって圧力Ｐ５を測定する。また、水素の流量より燃料電池における圧損を求める。そして、得られた圧損と圧力Ｐ５とから圧力Ｐ２を算出することができる。 On the other hand, it can be considered as well for the pressure P 2 of hydrogen. That is, it can be estimated that the pressure P 5 of the anode off-gas, the pressure P 2 and a flow rate of hydrogen. Specifically, the pressure sensor provided downstream of the fuel cell, measuring the pressure P 5 by the pressure sensor. Further, the pressure loss in the fuel cell is obtained from the flow rate of hydrogen. Then, it is possible to calculate the pressure P 2 from the resulting pressure drop and the pressure P 5 Prefecture.
本発明は、燃料電池に供給するガスの実圧が目標圧よりも所定値以上大きくて、且つ、燃料電池の発電量が所定値以下である場合に、ＰＩ制御における積分項が小さくなるよう制御することを特徴としている。以下、本発明の特徴について、図１および図３を用いてさらに詳細に説明する。 In the present invention, when the actual pressure of the gas supplied to the fuel cell is larger than the target pressure by a predetermined value or more and the power generation amount of the fuel cell is less than the predetermined value, the integral term in the PI control is controlled to be small. It is characterized by doing. Hereinafter, the features of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
図３で、圧力Ｐ２の実圧が目標圧より高いにもかかわらず、燃料電池での水素の消費量が少ない場合について考える。尚、酸素の消費量が少ない場合にも同様に考えることができる。 In Figure 3, even though the actual pressure of the pressure P 2 is higher than the target pressure, consider the case a small consumption of hydrogen in fuel cells. The same can be considered when the amount of oxygen consumption is small.
例えば、燃料電池が起動する際には、アノードに水素を充填するため、圧力Ｐ２の目標値が高く設定される。次いで、燃料電池が通常の運転状態に移行すると、目標値は発電量に応じた値に設定される。このとき、燃料電池の発電量が小さいと、目標圧に対して実圧が高い状態となる。そして、発電量に応じて水素の消費量が少なくなるので、実圧はなかなか低下せず、目標圧に対して実圧が高い状態が続く。また、発電量が大きい状態から小さい状態へ移行した場合にも、上記と同様に、実圧が目標圧より高い状態が続く。こうした状態は、燃料電池の発電量の減少に連動して目標圧は速やかに変化するのに対し、実圧は、発電量の減少による水素消費量の減少に伴って緩やかに変化していくことによる。 For example, when the fuel cell is started, in order to fill the hydrogen to the anode, a target value of the pressure P 2 is set high. Next, when the fuel cell shifts to a normal operation state, the target value is set to a value corresponding to the amount of power generation. At this time, if the power generation amount of the fuel cell is small, the actual pressure is higher than the target pressure. And since the consumption of hydrogen decreases according to the amount of power generation, the actual pressure does not decrease easily and the actual pressure continues to be higher than the target pressure. Also, when the amount of power generation is shifted from a large state to a small state, the state where the actual pressure is higher than the target pressure continues as described above. In such a state, the target pressure changes rapidly in conjunction with a decrease in the amount of power generated by the fuel cell, whereas the actual pressure changes gradually as the hydrogen consumption decreases due to the decrease in the amount of power generated. by.
そして、圧力Ｐ２の実圧が目標圧より高い状態で、上述したステップ１〜６を繰り返すと、ステップ５における圧力偏差の積分値が次第に大きくなる結果、積分項も大きくなり、空気排出弁の弁開度が大きくなっていく。このような状態で燃料電池の発電量が急増すると、それに応じて目標圧が高く設定される一方で、水素が大量に消費されることによって実圧は低下する。しかしながら、空気排出弁の弁開度は直には適正値とならないので、圧力Ｐ２は、目標圧よりアンダーシュートした状態となってしまう。
The actual pressure in the pressure P 2 is at a higher than the target pressure, repeating the
そこで、本発明においては、圧力Ｐ２の目標圧に対して実圧の調整が困難な場合を検出し、圧力偏差の積分値の増加速度が小さくなるように制御する。これにより、空気排出弁の弁開度が無駄に大きくなるのを防いで、圧力Ｐ２の実圧がアンダーシュートするのを抑制することができる。すなわち、実圧と目標圧との差を小さくすることができるので、例えば、燃料電池の発電量を急に大きくしたい場合の応答性を向上させることが可能となる。 Therefore, in the present invention, the detection of a adjustment of the actual pressure is difficult for the target pressure of the pressure P 2, and controls so that the increasing rate of the integrated value of the pressure deviation becomes small. Thus, prevents the valve opening of the air discharge valve is unnecessarily large, the actual pressure of the pressure P 2 can be prevented from undershooting. That is, since the difference between the actual pressure and the target pressure can be reduced, for example, it is possible to improve the responsiveness when it is desired to suddenly increase the power generation amount of the fuel cell.
本発明における圧力偏差の積分値は、次のようにして算出することができる。 The integrated value of the pressure deviation in the present invention can be calculated as follows.
まず、圧力Ｐ２の目標圧に対して実圧の調整が困難な場合を検出する。具体的には、圧力偏差と発電量の閾値（ｘ，ｙ）を予め定めておき、図５に示すように、圧力偏差がｘより大きく、且つ、燃料電池の電流値がｙより小さいか否かを判定する（ステップ２１）。 First, adjustment of the actual pressure to detect be difficult for the target pressure of the pressure P 2. Specifically, threshold values (x, y) of pressure deviation and power generation amount are determined in advance, and as shown in FIG. 5, whether the pressure deviation is larger than x and the current value of the fuel cell is smaller than y. Is determined (step 21).
図２のステップ１〜６までをｎ回（ｎは１より大きい整数）繰り返したときの圧力偏差の積分値は、式（１）によって表される。
The integrated value of the pressure deviation when the
（ｎ回目までの圧力偏差の積分値）
＝α×（ｎ回目の圧力偏差）＋｛（ｎ−１）回目までの圧力偏差の積分値｝・・（１）
(Integrated value of pressure deviation up to n times)
= Α × (nth pressure deviation) + {integral value of pressure deviation up to (n−1) th time} (1)
本発明では、ステップ２１での判定の結果によって、式（１）の係数αを決定する。 In the present invention, the coefficient α in Expression (1) is determined based on the result of determination in step 21.
具体的には、圧力偏差がｘより小さい、または、燃料電池の電流値がｙより大きいときには、圧力Ｐ２の目標圧に対して実圧の調整が困難な場合には該当しないと判断し、係数αを例えば１と決定する（ステップ２２）。 Specifically, the pressure deviation is less than x, or when the current value of the fuel cell is greater than y, it is determined that not applicable if it is difficult adjustment of the actual pressure to the target pressure of the pressure P 2, The coefficient α is determined to be 1, for example (step 22).
一方、圧力偏差がｘより大きく、且つ、燃料電池の電流値がｙより小さいときには、圧力Ｐ２の目標圧に対して実圧の調整が困難な場合であると判断し、係数αを１より小さい所定の値に決定する（ステップ２２’）。 On the other hand, the pressure deviation is greater than x, and, when the current value of the fuel cell is less than y, it is determined that the when the adjustment of the actual pressure is difficult for the target pressure of the pressure P 2, from the coefficients alpha 1 A small predetermined value is determined (step 22 ').
次いで、決定したαの値を用いて、圧力偏差の積分値を算出する（ステップ２３）。 Next, an integrated value of the pressure deviation is calculated using the determined value of α (step 23).
以上のステップ２１〜２３によれば、目標圧に対する実圧の調整が困難な場合に、圧力偏差の積分値の増加速度を小さくすることができる。したがって、積分項を小さくすることができるので、空気排出弁の弁開度が無駄に大きくなるのを防いで、発電量が急増した場合に、圧力Ｐ２の実圧がアンダーシュートするのを抑制することが可能となる。 According to the above steps 21 to 23, when the adjustment of the actual pressure with respect to the target pressure is difficult, the increasing speed of the integrated value of the pressure deviation can be reduced. Therefore, suppression it is possible to reduce the integral term, prevents the valve opening of the air discharge valve is unnecessarily large, when the power generation amount increased rapidly, that the actual pressure in the pressure P 2 is undershoot It becomes possible to do.
図６（ａ）〜（ｄ）は、圧力偏差の積分値の算出方法を示す一例である。この例は、燃料電池が起動時から通常の運転時に移行した場合であって、燃料電池の発電量が小さい場合に該当する。 FIGS. 6A to 6D are examples illustrating a method for calculating the integrated value of the pressure deviation. This example corresponds to a case where the fuel cell has shifted from startup to normal operation and the amount of power generated by the fuel cell is small.
図６（ａ）は、燃料電池の電流値の変化を示す図である。時間ｔ０で起動し、時間ｔ２で通常の運転に移行するものとする。このとき、時間ｔ２における電流値ｙ′は、閾値ｙより小さい値となっている。したがって、発電量が小さく水素の消費量が少ない状態であることが分かる。 FIG. 6A is a diagram showing changes in the current value of the fuel cell. Start at time t 0, it is assumed that transition to the normal operation at time t 2. At this time, the current value y ′ at time t 2 is smaller than the threshold value y. Therefore, it can be seen that the amount of power generation is small and the consumption of hydrogen is small.
図６（ｂ）は、水素の実圧と目標圧の変化を示す図である。目標圧は、起動時には、圧力Ｐに設定される。一方、実圧は、時間ｔ０から次第に上昇し、時間ｔ１で起動時における目標圧Ｐに達する。その後、時間ｔ２で通常の運転に移行して目標圧はＰ′に低下する。このとき、実圧と目標圧との偏差は、閾値ｘより大きくなっているものとする。 FIG. 6B is a diagram showing changes in the actual hydrogen pressure and the target pressure. The target pressure is set to the pressure P at startup. Meanwhile, actual pressure rises gradually from a time t 0, reaches the target pressure P at the time of activation at time t 1. Thereafter, the target pressure shifts to the normal operation at time t 2 is reduced to P '. At this time, the deviation between the actual pressure and the target pressure is assumed to be larger than the threshold value x.
図６（ｃ）は、式（１）における係数αの変化を示す図である。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、時間ｔ２では、圧力偏差は閾値ｘより大きく、且つ、燃料電池の電流値ｙ′は閾値ｙより小さい。したがって、時間ｔ２において、燃料電池システムは、目標圧に対して実圧の調整が困難な状態となっている。そこで、図６（ｃ）に示すように、時間ｔ０から時間ｔ２までは１であった係数αの値を、１より小さい適当な値に変更する。これにより、図６（ｄ）に示すように、圧力偏差の積分値の増加速度を小さくすることができるので、積分値が過剰に大きくなることによって、実圧が目標圧よりもアンダーシュートするのを抑制できる。 FIG. 6C is a diagram illustrating a change in the coefficient α in the equation (1). As shown in FIG. 6 (a) and (b), at time t 2, the pressure deviation is greater than the threshold value x, and, the fuel cell current value y 'is less than the threshold value y. Thus, at time t 2, the fuel cell system, the adjustment of the actual pressure is a difficult state to the target pressure. Therefore, as shown in FIG. 6C, the value of the coefficient α that was 1 from time t 0 to time t 2 is changed to an appropriate value smaller than 1. As a result, as shown in FIG. 6 (d), the rate of increase in the integrated value of the pressure deviation can be reduced, so that the actual value undershoots below the target pressure when the integrated value becomes excessively large. Can be suppressed.
図７（ａ）〜（ｄ）は、圧力偏差の積分値の算出方法を示す他の例である。この例は、発電量が大きい状態から小さい状態へ移行した場合であって、水素の目標圧が高い値から低い値に変化した場合に該当する。 FIGS. 7A to 7D are other examples showing a method for calculating the integrated value of the pressure deviation. This example corresponds to a case where the power generation amount is shifted from a large state to a small state, and the target hydrogen pressure is changed from a high value to a low value.
図７（ａ）は、燃料電池の電流値の変化を示す図である。電流値は時間ｔ０から次第に低下し、時間ｔ１における電流値ｙ′は閾値ｙより小さい値となっている。したがって、時間ｔ１では、発電量が小さく水素の消費量が少ない状態であることが分かる。 FIG. 7A is a diagram showing changes in the current value of the fuel cell. The current value gradually decreases from time t 0, and the current value y ′ at time t 1 is smaller than the threshold value y. Therefore, it can be seen that at time t 1 , the amount of power generation is small and the consumption of hydrogen is small.
図７（ｂ）は、水素の実圧と目標圧の変化を示す図である。時間ｔ０で目標圧が低下すると実圧も低下するが、実圧の低下速度は遅いので、時間ｔ１での実圧と目標圧との偏差は、閾値ｘより大きくなっているものとする。 FIG. 7B is a diagram showing changes in the actual hydrogen pressure and the target pressure. When the target pressure decreases at time t 0 , the actual pressure also decreases. However, since the decrease speed of the actual pressure is slow, the deviation between the actual pressure and the target pressure at time t 1 is greater than the threshold value x. .
図７（ｃ）は、式（１）における係数αの変化を示す図である。図７（ａ）および（ｂ）に示すように、時間ｔ１では、圧力偏差は閾値ｘより大きく、且つ、燃料電池の電流値ｙ′は閾値ｙより小さい。したがって、時間ｔ１において、燃料電池システムは、目標圧に対して実圧の調整が困難な状態となっている。そこで、図７（ｃ）に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１までは１であった係数αの値を、１より小さい適当な値に変更する。これにより、図７（ｄ）に示すように、圧力偏差の積分値の増加速度を小さくすることができるので、積分値が過剰に大きくなることによって、実圧が目標圧よりもアンダーシュートするのを抑制できる。 FIG. 7C is a diagram showing a change in the coefficient α in the equation (1). As shown in FIG. 7 (a) and (b), at time t 1, the pressure deviation is greater than the threshold value x, and, the fuel cell current value y 'is less than the threshold value y. Thus, at time t 1, the fuel cell system, the adjustment of the actual pressure is a difficult state to the target pressure. Therefore, as shown in FIG. 7C, the value of the coefficient α, which was 1 from time t 0 to time t 1 , is changed to an appropriate value smaller than 1. As a result, as shown in FIG. 7 (d), the rate of increase of the integrated value of the pressure deviation can be reduced, so that the integrated value becomes excessively large, causing the actual pressure to undershoot more than the target pressure. Can be suppressed.
以上述べたように、本発明によれば、目標圧と実圧との偏差が所定値よりも大きく、且つ、消費速度が所定値よりも遅い場合に、積分動作による積分項を小さく補正する手段を有するので、供給量を調整する手段の操作量が、反応ガスの圧力を低下させる側に無駄に大きくならないようにすることができる。したがって、反応ガスの消費量が急増したときに、反応ガスの実圧が目標圧よりアンダーシュートするのを防ぐことができる。 As described above, according to the present invention, when the deviation between the target pressure and the actual pressure is larger than a predetermined value and the consumption speed is slower than the predetermined value, the means for correcting the integral term due to the integral operation to be small. Therefore, the operation amount of the means for adjusting the supply amount can be prevented from becoming unnecessarily large on the side of reducing the pressure of the reaction gas. Therefore, it is possible to prevent the actual pressure of the reaction gas from undershooting below the target pressure when the consumption amount of the reaction gas increases rapidly.
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、本発明においては、圧力偏差の積分値の増加速度を制御するのに代えて、積分ゲインを小さくすることもできる。この場合にも積分項を小さくすることができるので、上記と同様の効果が得られる。 For example, in the present invention, instead of controlling the increasing speed of the integrated value of the pressure deviation, the integral gain can be reduced. Also in this case, since the integral term can be reduced, the same effect as described above can be obtained.
また、上記実施の形態では、圧力偏差がｘより大きく、且つ、燃料電池の電流値がｙより小さいか否かを判定する例について述べた。しかし、本発明は、圧力Ｐ２の実圧の低下が遅いか否かを判定して積分項の値を変化させればよいので、例えば、圧力偏差の大きさの時間変化を測定し、実圧の低下速度が所定値以下となったときに積分項が小さくなるようにしてもよい。この場合には、電流値の変化を判定材料とする必要はなくなる。 Moreover, in the said embodiment, the example which determines whether a pressure deviation is larger than x and the electric current value of a fuel cell is smaller than y was described. However, since the present invention may be changed the value of the determination to the integral term whether reduction of the actual pressure in the pressure P 2 is slow, for example, by measuring the time variation of the magnitude of the pressure difference, the actual The integral term may be reduced when the pressure decrease rate becomes a predetermined value or less. In this case, it is not necessary to use a change in the current value as a determination material.
さらに、上記実施の形態では、水素の消費量を燃料電池の発電量との関係でのみ述べた。しかし、水素は、燃料電池から排出されたガスを燃料電池システムの外部に排出する操作においても消費され、このような操作を行っている場合には実圧の低下が速くなる。したがって、発電量だけでなく、かかる操作の有無も含めて水素の消費量を判断するのが望ましい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the hydrogen consumption is described only in relation to the power generation amount of the fuel cell. However, hydrogen is also consumed in the operation of discharging the gas discharged from the fuel cell to the outside of the fuel cell system. When such an operation is performed, the actual pressure is rapidly reduced. Therefore, it is desirable to determine not only the amount of power generation but also the amount of hydrogen consumption including the presence or absence of such operations.
１，１１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４ 加湿器
５ 空気調圧弁
６ 水素タンク
７ 水素調圧弁
８ 空気排出弁
９ 循環ポンプ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１３ 圧力センサ
１２ エジェクタ
１４ バルブ
１５ 電流計
１６ 制御装置
７０ ダイヤフラム
７１ 背圧室
７２ 調圧室
７３ 弾性バネ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池に供給される反応ガスの目標圧を設定する手段と、
前記反応ガスの供給量を調整する手段と、
前記反応ガスの実圧を測定し、前記目標圧と該実圧との差が小さくなるように、少なくとも比例動作と積分動作を含むフィードバック制御によって、前記供給量を調整する手段の操作量を制御する手段と、
前記燃料電池が消費する前記反応ガスの消費速度を推定する手段と、
前記実圧が前記目標圧に対して所定値より大きく、且つ、前記消費速度が所定値よりも遅い場合に、前記積分動作による積分項を小さく補正する手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
Means for setting a target pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell;
Means for adjusting the supply amount of the reaction gas;
The actual pressure of the reaction gas is measured, and the operation amount of the means for adjusting the supply amount is controlled by feedback control including at least a proportional operation and an integral operation so that the difference between the target pressure and the actual pressure is reduced. Means to
Means for estimating a consumption rate of the reaction gas consumed by the fuel cell;
And means for correcting the integral term by the integral operation to be small when the actual pressure is greater than a predetermined value with respect to the target pressure and the consumption speed is slower than the predetermined value. system.
前記排出ガスの圧力と前記燃料電池の圧損とから前記反応ガスの実圧を推定する請求項１または２に記載の燃料電池システム。 Means for detecting the pressure of the exhaust gas discharged from the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein an actual pressure of the reaction gas is estimated from a pressure of the exhaust gas and a pressure loss of the fuel cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005353711A JP2007157587A (en) | 2005-12-07 | 2005-12-07 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005353711A JP2007157587A (en) | 2005-12-07 | 2005-12-07 | Fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007157587A true JP2007157587A (en) | 2007-06-21 |
Family
ID=38241675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005353711A Withdrawn JP2007157587A (en) | 2005-12-07 | 2005-12-07 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2007157587A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100988815B1 (en) | 2008-11-27 | 2010-10-20 | 금오공과대학교 산학협력단 | Operating method in fuel cell system |
| WO2011028242A2 (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Ardica Technologies, Inc. | A controller for fuel cell operation |
| US8741004B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-06-03 | Intelligent Energy Limited | Cartridge for controlled production of hydrogen |
| US8795926B2 (en) | 2005-08-11 | 2014-08-05 | Intelligent Energy Limited | Pump assembly for a fuel cell system |
| US8808410B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-08-19 | Intelligent Energy Limited | Hydrogen generator and product conditioning method |
| US8940458B2 (en) | 2010-10-20 | 2015-01-27 | Intelligent Energy Limited | Fuel supply for a fuel cell |
| US9169976B2 (en) | 2011-11-21 | 2015-10-27 | Ardica Technologies, Inc. | Method of manufacture of a metal hydride fuel supply |
-
2005
- 2005-12-07 JP JP2005353711A patent/JP2007157587A/en not_active Withdrawn
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8795926B2 (en) | 2005-08-11 | 2014-08-05 | Intelligent Energy Limited | Pump assembly for a fuel cell system |
| US9515336B2 (en) | 2005-08-11 | 2016-12-06 | Intelligent Energy Limited | Diaphragm pump for a fuel cell system |
| US9034531B2 (en) | 2008-01-29 | 2015-05-19 | Ardica Technologies, Inc. | Controller for fuel cell operation |
| KR100988815B1 (en) | 2008-11-27 | 2010-10-20 | 금오공과대학교 산학협력단 | Operating method in fuel cell system |
| US9403679B2 (en) | 2009-07-23 | 2016-08-02 | Intelligent Energy Limited | Hydrogen generator and product conditioning method |
| US8808410B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-08-19 | Intelligent Energy Limited | Hydrogen generator and product conditioning method |
| US8741004B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-06-03 | Intelligent Energy Limited | Cartridge for controlled production of hydrogen |
| US9409772B2 (en) | 2009-07-23 | 2016-08-09 | Intelligent Energy Limited | Cartridge for controlled production of hydrogen |
| WO2011028242A3 (en) * | 2009-08-26 | 2011-06-23 | Ardica Technologies, Inc. | A controller for fuel cell operation |
| WO2011028242A2 (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Ardica Technologies, Inc. | A controller for fuel cell operation |
| US8940458B2 (en) | 2010-10-20 | 2015-01-27 | Intelligent Energy Limited | Fuel supply for a fuel cell |
| US9774051B2 (en) | 2010-10-20 | 2017-09-26 | Intelligent Energy Limited | Fuel supply for a fuel cell |
| US9169976B2 (en) | 2011-11-21 | 2015-10-27 | Ardica Technologies, Inc. | Method of manufacture of a metal hydride fuel supply |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4868251B2 (en) | Fuel cell system, anode gas generation amount estimation device, and anode gas generation amount estimation method | |
| JP5217147B2 (en) | Fuel cell system and method for adjusting water content of membrane | |
| US8211581B2 (en) | Control apparatus and control method for fuel cell | |
| JP2007157587A (en) | Fuel cell system | |
| WO2009016985A1 (en) | Fuel cell system and its control method | |
| US8080342B2 (en) | Fuel cell system | |
| US9147900B2 (en) | Fuel cell apparatus and fuel cell system | |
| EP2132819B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007048519A (en) | Fuel cell system | |
| JP5186794B2 (en) | Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system | |
| JP5239201B2 (en) | Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system | |
| WO2013129553A1 (en) | Fuel cell system and control method for fuel cell system | |
| JP2006079891A (en) | Fuel cell system | |
| JP2009117066A (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell system | |
| JP5304863B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5224080B2 (en) | Fuel cell system and off-gas purge method | |
| JP4982977B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP4372523B2 (en) | Fuel cell control device | |
| JP2006310046A (en) | Hydrogen circulation amount control device and hydrogen circulation amount control method for fuel cell | |
| JP2009021025A (en) | Fuel cell system and mobile unit | |
| JP2006351336A (en) | Operation method of fuel cell, and fuel cell system | |
| JP5034191B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP3943007B2 (en) | Oxidant pressure control method for fuel cell system | |
| JP5392592B2 (en) | Fuel cell system and impurity concentration estimation method | |
| JP5273032B2 (en) | Fuel cell control device and fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090303 |