JP4558683B2 - 燃料電池システム用燃料供給装置の流量補正方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システム用燃料供給装置の制御方法に関し、より詳しくは燃料ポンプの回転速度測定に基づいたデータで電流量を調節し、燃料流量の加減制御が現れるようにした燃料供給装置の流量補正方法に関するものである。

公知のように、燃料電池はメタノールのように燃料に含まれている水素と、別途に供給される酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
このような燃料電池において、近来開発されている高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ:ＰＥＭＦＣ、以下、便宜上ＰＥＭＦＣとする）は、他の燃料電池に比べて出力特性が優れており、作動温度が低く、同時に速い始動及び応答特性を有し、自動車のような移動用電源を始めて、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。

ＰＥＭＦＣは、基本的にシステムを構成するためにスタック、改質装置等を備える。スタックは、水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池の本体を形成し、改質装置は、燃料を改質して水素を発生させ、この水素をスタックに供給する。

一方、ＰＥＭＦＣと異なる方式の燃料電池システムとしては、燃料を直接スタックに供給し、この燃料と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ:ＤＭＦＣ、以下、ＤＭＦＣとする）方式を採用することができる。このようなＤＭＦＣ方式を採用した燃料電池システムは、ＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムと異なり、改質装置を必要としない。
前述したような燃料電池システムは、燃料を改質装置またはスタックに供給するための燃料ポンプを備えるが、この燃料ポンプは動力機関で駆動され圧力作用を起こすことで燃料を圧送する機能を果たす。

この燃料ポンプによって供給される燃料は、必要に応じて加減調節する必要がある。つまり、燃料ポンプを通って移送される燃料の流量制御には、燃料ポンプに加えられる電力量を変化させて出力が加減されるようにすることで燃料の供給量を変化させる方法と、流量計と、これを制御する制御器を燃料ポンプに併設して、供給される燃料の流量を流量計がチェックして伝送する信号を制御器が演算処理し、その値によって燃料ポンプを制御する方法が広く知られている。

前者の方法は装置構成上、低コストで製造できるという利点はあるが、精密度の高い流量制御は期待することができない。反対に、後者は精密度の高い流量制御を行うことができるが、別途に流量計と制御器を備えなければならないため、製造費用が高く、装置の体積が大きくなる。したがって、低コストで精密な流量制御が実現できる装置が要望されている。

そこで、本発明は前記問題点を考慮したもので、その目的は、流量計と制御器に依存せず、ポンプを通って供給される燃料流量の精密な制御を行うことができる燃料電池システム用燃料供給装置の流量補正方法を提供することにある。

本発明の実施形態による燃料電池システム用燃料供給装置の流量を制御する方法は、燃料を改質し水素を発生させる改質装置または前記燃料と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックに前記燃料を供給するように、燃料ポンプ、回転数測定器、マイコン及び電力変換器を含み、前記燃料ポンプの実際の回転数を測定する段階と、この実際の回転数と前記燃料ポンプの基準回転数とを比較する段階と、この比較値によって前記燃料ポンプの駆動電圧を調整する段階を備える。

前記マイコンは次の段階、つまり、（ａ）基準流量に対応する基準電圧を前記燃料ポンプに印加して、この燃料ポンプの実際の回転数を測定する段階と、（ｂ）前記基準流量に対応する基準回転数と前記実際の回転数との差を測定する段階と、（ｃ）前記回転数差を前記基準電圧とともに演算して、前記燃料ポンプの実際の供給流量を計測する段階と、（ｄ）前記実際の供給流量を前記基準流量と比較演算して、前記燃料ポンプに必要な補正流量を演算する段階と、そして（ｅ）前記回転数差と補正流量に基づいて補正出力を演算し、この補正出力に対応する補正電圧を前記燃料ポンプに提供する段階を行う流量制御プログラムを有することができる。

本発明によれば、流量計と流量制御器に依存せず、マイコンにメモリされる制御プログラムの演算処理でポンプに印加される電圧を変動させ、アウトレット側に排出される燃料の流量が加減調節できるので、簡単な構造と低コストで精密度の高い燃料供給装置を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する物が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様で相異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限られない。

図１は本発明の実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。
図面に示されているように、燃料電池システム１１０は燃料を改質し水素を発生させ、この水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用している。

このような燃料電池システム１１０における前記燃料とは、メタノール、エタンオールまたは天然ガスなどのように液状または気体状態からなる燃料を意味する。しかし、本実施形態で説明する燃料はメタノールのような液状の燃料を意味する。
なお、燃料電池システム１１０は水素と反応する酸素として別途の貯蔵手段に貯蔵されている酸素ガスを用いてもよく、酸素を含有している空気を用いてもよい。しかし、以下では後者の例を説明する。

前述したように燃料電池システム１１０は水素と酸素との反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１１１と、燃料の改質反応によって、この燃料から水素を発生させ、この水素をスタック１１１に供給する改質装置１１３と、この改質装置１１３に燃料を供給する燃料供給装置１１５と、スタック１１１に空気を供給する空気供給装置１１８とを含んで成る。

前記でスタック１１１は改質装置１１３から供給される水素と、空気供給装置１１８から供給される空気中の酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池で構成される。
このようなスタック１１１は、前記電気エネルギーを発生させる最小単位の電気発生部１１２を備えるが、この電気発生部１１２は膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ-Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:ＭＥＡ）を中心に置いて、その両面にセパレータ（当業界では‘二極式プレート’とも言う）を密着配置して構成できる。

従って、本実施形態では、前記のような最小単位の電気発生部１１２を複数備え、これらを連続的に配置することによって、電気発生部１１２の集合体構造によるスタック１１１を形成することができる。このようなスタック１１１の構成は通常の高分子電解質型燃料電池のスタック構成からなることができるので、本明細書でその詳しい説明は省略する。
改質装置１１３は熱エネルギーによる改質触媒反応、例えば、水蒸気改質反応、部分酸化または自熱反応などの触媒反応によって、前記燃料から水素ガスを発生させる通常の改質装置の構造からなる。

前記改質装置１１３に燃料を供給する燃料供給装置１１５は、燃料を貯蔵する燃料タンク１１６と、この燃料タンク１１６に連結設置されて前記燃料を排出させる燃料ポンプ２とを含む。
なお、前記スタック１１１に空気を供給するための空気供給装置１１８は、空気を吸入して、この空気をスタック１１１の電気発生部１１２に圧送する通常構造の空気ポンプ１１９を含む。

一方、本発明による燃料電池システムは、燃料を直接スタックに供給して、この燃料と酸素の電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ:Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式と同様な直接酸化型燃料電池方式で構成されてもよい。

また、他の一方で、本発明による燃料電池システムは、燃料供給装置及び空気供給装置によって燃料と酸素をスタックに供給して、前記電気エネルギーを発生させるアクティブ型燃料電池方式で構成されてもよい。この場合、前記燃料電池システムは、前記高分子電解質型燃料電池方式とは異なって、図１に仮想線で示した改質装置を必要とせず、燃料供給装置の燃料タンクとスタックがパイプライン等を通って直接的に連結設置され得る。

前記のように構成される燃料電池システム１１０に適用可能な本発明の実施形態による燃料供給装置の流量補正方法は、図２及び図３に示したように、燃料ポンプ２、回転数測定器４、マイコン６及び電力変換器８を備えた燃料の流量供給制御装置に適用することができる。この時、前記マイコン６には後述する流量制御プログラム１０がメモリされる。

本発明の実施形態において、流量制御は燃料ポンプ２のインレット（ｉｎｌｅｔ）１２に吸引されて、アウットレット（ｏｕｔｌｅｔ）１４に排出される燃料の逆圧力（Ｐ_Ｂ）を検出して行われる。

前記マイコン６にメモリされた流量制御プログラム１０には、基準基準流量Ｑ_０下で電圧Ｖの関数値で示される基準電圧Ｖ_０と、基準流量Ｑ_０下で回転数ｒｐｍの関数値で示される燃料ポンプ２の基準回転数ｒｐｍ_０が算出できる下記式１、２が内装されている。
（式１）
Ｖ_０=ｆ_v（Ｑ_０）
（式２）
ｒｐｍ_０=ｆ_ｒｐｍ（Ｑ_０）
前記式１、２は、実質的に燃料ポンプ２のモータ回転数と、この燃料ポンプ２を稼動させるための電力変換器８の電力量を多様に変化させて稼動し、その結果得られた燃料供給量の実験データを基づいて設定入力される。

なお、マイコン６にメモリされた流量制御プログラム１０は、図４及び図５に示したように下記の流れによって動作する。
流量制御プログラム１０によって、マイコン６は回転数測定段階２０で基準流量Ｑ_０に対応する基準電圧Ｖ_０を燃料ポンプ２に印加し、その実際の回転数ｒｐｍを測定する。

一般に逆圧力Ｐ_Ｂは安定的でないため激しく揺れ、その影響で燃料ポンプ２の回転数もやはり不安定になるので、測定の正確性のために前記実際の回転数ｒｐｍの測定を数回、少なくとも３回以上行って得られる値の平均値を算出して適用する。
基準電圧Ｖ_０の印加状態で燃料ポンプ２の実際の回転数ｒｐｍの測定が終われば、出力測定段階４０へ進めて、前記逆圧力Ｐ_Ｂの大きさによって出力を演算し測定する。

即ち、逆圧力は基準流量Ｑ_０に対応する燃料ポンプ２の基準回転数ｒｐｍ_０から、調整後に測定された燃料ポンプ２の実際の回転数ｒｐｍを減算して算出される値、つまり、これら回転数の差△ｒｐｍから現在ポンプ２に加えられる逆圧力Ｐ_Ｂの大きさを算出することができる。

さらに具体的に、前記回転数差が△ｒｐｍ=０である時、燃料ポンプ２には所望する量の燃料が供給されていることであり、これを基準逆圧力Ｐ_Ｂが燃料ポンプ２に加えられていると表現することができる。
前記回転数差△ｒｐｍ<０であれば、燃料ポンプ２には基準流量Ｑ_０より多量の燃料が供給されていることであり、これは基準逆圧力Ｐ_Ｂより低い逆圧力が燃料ポンプ２に加えられていると表現することができる。

前記回転数差△ｒｐｍ＞０であれば、燃料ポンプ２には基準流量Ｑ_０より少量の燃料が供給されていることであり、これはキジュンは基準逆圧力Ｐ_Ｂより低い逆圧力が燃料ポンプ２に加えられていると表現することができる。
前記のように算出された回転数差△ｒｐｍは既に設定入力された基準電圧Ｖ_０とともに下記の現在供給流量計算段階６０で、下記式３に代入されて燃料ポンプ２の実際の供給流量Ｑ_Ｃとして演算処理される。
（式３）
Ｑ_Ｃ=ｆ_Ｑ（△ｒｐｍ、Ｖ_０）

前記のように、実際の供給流量Ｑ_Ｃの演算が終了されれば、次に、流量補正段階８０へ進め、前記現在供給流量計算段階６０で演算された燃料ポンプ２の実際の供給流量Ｑ_Ｃを、既に設定入力された基準流量Ｑ_０と比較演算して、現在供給流量Ｑ_Ｃの不足、或いは過剰の可否を示す補正流量Ｑ_Ａが得られる。
この時の補正流量Ｑ_Ａは下記式４によって算出される。
（式４）
Ｑ_Ａ=Ｑ_０+（Ｑ_０-Ｑ_Ｃ）

また、前記のように補正流量Ｑ_Ａの演算が終われば、次に燃料ポンプ２に対する出力補正段階１００を進める。この出力補正段階１００は、前記回転数差△ｒｐｍと補正流量Ｑ_Ａに基づいて補正電圧Ｖ_Ａを演算することで行われ、燃料ポンプ２の補正電圧Ｖ_Ａは下記式５で算出される。
（式５）
Ｖ_Ａ=ｆ_ｖ（△ｒｐｍ、Ｑ_Ａ）
前記式５は、式４を再整理したり、式３の構成に採用されたデータから構成することができる。

回転数測定段階２０と出力補正段階１００に与えられる時間は同一にすることが好ましいが、必ず同一である必要はなく、時間を異なって与える場合は、前記式４の偏差量（Ｑ_０-Ｑ_Ｃ）に補正値（回転数測定時間/出力補正時間）を乗算しなければならない。
前記のような流量補正プログラム１０の動作サイクルは、一定な時間間隔で繰り返して実施される。

本発明が適用された燃料供給装置は、実際に上述したデータ値に基づいて、図３に示したように制御系統を通じて電気的に制御することができる。
マイコン６における出力信号は、電力変換器８に入力されて、この電力変換器８の出力端を通って出力される電圧値が変化するように、電力変換器８がマイコン６によって制御される。

電圧変換器８は基本的に電流制御器８ａとコンバータ８ｂを含み、ここから出力される信号はフィードバックされて精密な制御が行われるように構成する。
また、電力変換器８における出力電圧で燃料ポンプ２が作動し、この燃料ポンプ２の回転数は回転数測定器４によって常に計測され、マイコン６にその計測値が入力される。

このような構成の本発明によれば、燃料ポンプ２の出力と燃料の流量が相関関係を有していることにより、図５に示したように均一な流量が供給されるように持続的に制御される。
つまり、図４における段階２０、４０、６０を回転数測定区間、段階８０、１００を出力補正区間とすれば、ポンプ２の動作中に周期的に前記回転数測定/出力補正を繰り返して実施し、上述した式による演算値で燃料ポンプ２に認可される電圧を変動させて、実際に排出される燃料の流量を加減制御することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明に適用される燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。 本発明に適用される燃料流量供給制御装置の構成を示した概略図である。 本発明に適用される燃料流量供給制御装置の制御系統を示した概略図である。 本発明の流量補正方法による制御流れを説明する流れ図である。 本発明の流量補正方法による燃料ポンプの出力と流量変化の関係を示したタイムチャートである。

符号の説明

２ 燃料ポンプ
４ 回転数測定器
６ マイコン
８ 電力変換器
８ａ 電流制御機器
１０ 流量制御プログラム
１２ インレット
１４ アウットレット
２０ 回転数測定段階
６０ 現在供給流量計算段階
８０ 流量補正段階
１００ 出力補正段階
１１０ 燃料電池システム
１１１ スタック
１１２ 電気発生部
１１３ 改質装置
１１５ 燃料供給装置
１１６ 燃料タンク
１１８ 空気供給装置
１１９ 空気ポンプ
Ｐ_Ｂ 逆圧力
ｒｐｍ 実際の回転数
△ｒｐｍ 回転数の差
Ｑ_０ 基準流量
Ｑ_Ａ 補正流量
Ｑ_Ｃ 実際の供給流量
Ｖ_０ 基準電圧
Ｖ_Ａ 補正電圧

Claims (5)

1. 燃料を改質し水素を発生させる改質装置、または、前記燃料と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック、に対して前記燃料を供給するように、燃料ポンプ、回転数測定器、マイコン及び前記燃料ポンプに駆動電力を供給する電力変換器を備えた燃料電池システム用燃料供給装置の流量を補正する方法であって、
   前記燃料ポンプの実際の回転数を測定する段階と、
   該実際の回転数と前記燃料ポンプの基準回転数とを比較する段階と、
   この比較値によって、前記燃料ポンプの駆動電圧を調整する段階とを備え、
   前記マイコンは、次の段階を行う流量制御プログラムを有することを特徴とする方法。
   （ａ）基準流量に対応する基準電圧を前記燃料ポンプに印加して、この燃料ポンプの実際の回転数を測定する段階と、
   （ｂ）前記基準流量に対応する基準回転数と前記実際の回転数との差を算出する段階と、
   （ｃ）前記回転数の差を前記基準電圧とともに演算して、前記燃料ポンプの実際の供給流量を演算処理する段階と、
   （ｄ）前記実際の供給流量を前記基準流量に比較演算して、前記燃料ポンプに必要な補正流量を演算する段階と、
   （ｅ）前記回転数差と補正流量に基づいて補正出力を演算し、この補正出力に対応する補正電圧を前記燃料ポンプに提供する段階。
2. 前記マイコンは、下記式１，２が内蔵された流量制御プログラムを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   （式１）Ｖ_０＝ｆ_ｖ（Ｑ_０）
   （式２）ｒｐｍ_０＝ｆ_ｒｐｍ（Ｑ_０）
   前記式１，２において、Ｖ_０は基準電圧、Ｑ_０は基準流量、ｒｐｍ_０はポンプの基準回転数である。
3. 前記（ｃ）段階は、
   下記式３によって実際の供給流量を演算処理することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   （式３）
   Ｑ_Ｃ＝ｆ_Ｑ（△ｒｐｍ、Ｖ_０）
   前記式３において、Ｑ_Ｃは実際の供給流量、Ｖ_０は基準電圧、△ｒｐｍは前記回転数の差である。
4. 前記（ｄ）段階は、
   下記式４で前記補正流量を演算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   （式４）
   Ｑ_Ａ＝Ｑ_０＋（Ｑ_０−Ｑ_Ｃ）
   前記式４において、Ｑ_Ａは補正流量、Ｑ_０は基準流量、Ｑ_Ｃは実際の供給流量である。
5. 前記（ｅ）段階は、
   下記（式５）によって前記補正電圧を演算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   （式５）
   Ｖ_Ａ＝ｆ_ｖ（△ｒｐｍ、Ｑ_Ａ）
   前記式５において、Ｖ_Ａは補正出力、Ｑ_Ｃは実際の供給流量である。

Images