JP7452515B2 - 燃料電池の燃料ガス供給システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
図1を参照して、燃料電池システム1について説明する。燃料電池システム1は、例えば、燃料電池自動車に搭載される。燃料電池システム1は、燃料電池スタック2、燃料ガス供給システム3、空気供給システム4、を備えている。
本明細書の燃料ガス供給システム3の制御方法では、一つの状態量の制御を一つのシステム部品の操作量で実現するという「シングルインプット-シングルアウトプット構造」を、互いに独立するように複数備えることを特徴としている。そして本明細書の技術では、シングルインプット-シングルアウトプット構造で制御する状態量を決定するために、燃料ガス供給システム3で満たすべき必要要件を3つ特定した。そして、3つの必要要件を用いて、3つの状態量および3つの操作量を特定した。これにより、3つのシングルインプット-シングルアウトプット構造を用いて、燃料ガス供給システム3を制御することが可能となった。以下に具体的に説明する。
図2のタイムチャートを参照して、ECU100によって制御される燃料ガス供給システム3の動作例について説明する。図2では、時刻t1までの第1期間P1では、通常負荷状態である。時刻t1からt2までの第2期間P2では、例えばユーザによって操作されるアクセル開度が大きくなることで、高負荷状態である。時刻t2以降の第3期間P3では、通常負荷状態に戻っている。
従来の燃料ガス供給システムでは、複数の状態量の制御を複数のシステム部品の操作量で実現するという、「マルチインプット-マルチアウトプット構造」が用いられていた。この場合、燃料ガス供給システムの一部の特性変更(例:バルブ・ポンプ等の駆動部品の変更、配管形状変更、など)が発生すると、燃料ガス供給システム全体のモデルを見直す必要がある。そのため、例えば、乗用車用の燃料ガス供給システムを、他用途(例:バス、トラック、電車、船舶、定置発電機など)に適用する際に、燃料ガス供給システムの試作機を作成し、システム全体の適合評価を行う必要があった。開発工数や開発期間が増大したり、開発コストが上昇する問題があった。
本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
インジェクタ20、排気排水弁58、ポンプ54の制御は、フィードバック制御に限られず、様々な制御方法を用いることができる。例えば、フィードフォワード制御、モデル予測制御(MPC)など各種の制御方法を用いてもよいし、複数の制御方法を組み合わせてもよい。
Claims (7)
- 燃料電池の燃料ガス供給システムであって、
燃料電池スタックの燃料ガス入口に供給路を介して接続されているインジェクタであって、燃料ガスを供給する前記インジェクタと、
前記供給路の圧力である入口圧力を取得する入口圧力取得部と、
前記燃料電池スタックの燃料ガス出口に排出路を介して接続されている排出弁と、
前記排出路における燃料オフガスの水素分圧を取得する水素分圧取得部と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックに対する要求負荷に基づいて、前記水素分圧に対応する第1上限値及び第1下限値を特定し、
前記インジェクタが駆動している状態において、前記水素分圧が前記第1上限値以上となる場合に、前記インジェクタの駆動を停止させ、
前記インジェクタが停止している状態において、前記水素分圧が前記第1下限値以下となる場合に、前記インジェクタの駆動を開始させるように構成されており、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックに対する要求負荷に基づいて、前記入口圧力に対応する第2上限値及び第2下限値を特定し、
前記排出弁が閉弁している状態において、前記入口圧力が前記第2上限値以上となる場合に、前記排出弁を開弁させ、
前記排出弁が開弁している状態において、前記入口圧力が前記第2下限値以下となる場合に、前記排出弁を閉弁させるように構成されている、
燃料電池の燃料ガス供給システム。 - 前記排出路と前記供給路とを接続している循環路と、
前記循環路上に配置されており、前記燃料オフガスを前記供給路へ送出するポンプと、
前記ポンプの入口における入口水素濃度を取得する入口水素濃度取得部と、
前記ポンプの吐出流量を取得する流量取得部と、
をさらに備えており、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックに対する要求負荷に基づいて、前記ポンプから吐出される水素の目標流量値を特定し、
前記入口水素濃度および前記吐出流量に基づいて、前記ポンプから吐出される水素の現在流量値を算出し、
前記現在流量値が前記目標流量値に近づくように前記ポンプを制御するように構成されている、
請求項1に記載の燃料電池の燃料ガス供給システム。 - 前記制御部は、前記目標流量値と前記現在流量値との偏差を低減させるように前記ポンプの回転数をフィードバック制御する、請求項2に記載の燃料電池の燃料ガス供給システム。
- 前記排出路に設けられており、前記燃料オフガスに含まれている液水を分離して貯留する気液分離器をさらに備えており、
前記制御部は、前記気液分離器に貯留される前記液水が所定量に到達することに応じて、前記排出弁を開弁して前記液水を外部へ排出する、請求項1~3の何れか1項に記載の燃料電池の燃料ガス供給システム。 - 前記水素分圧に応じた前記インジェクタの制御の第1のフィードバックゲインを演算する第1の学習モデルを有する第1の機械学習部を備え、
前記第1の機械学習部は、前記インジェクタの操作量と前記水素分圧の変動量との相関を教師データとして前記第1の学習モデルを更新し、
前記制御部は、前記第1の学習モデルによって決定された前記第1のフィードバックゲインに基づいて前記インジェクタを制御する、請求項1~4の何れか1項に記載の燃料電池の燃料ガス供給システム。 - 前記入口圧力に応じた前記排出弁の制御の第2のフィードバックゲインを演算する第2の学習モデルを有する第2の機械学習部を備え、
前記第2の機械学習部は、前記排出弁の操作量と前記入口圧力の変動量との相関を教師データとして前記第2の学習モデルを更新し、
前記制御部は、前記第2の学習モデルによって決定された前記第2のフィードバックゲインに基づいて前記排出弁を制御する、請求項1~5の何れか1項に記載の燃料電池の燃料ガス供給システム。 - 燃料電池スタックの燃料ガス入口に供給路を介して接続されているインジェクタであって、燃料ガスを供給する前記インジェクタと、
前記供給路の圧力である入口圧力を取得する入口圧力取得部と、
前記燃料電池スタックの燃料ガス出口に排出路を介して接続されている排出弁と、
前記排出路における燃料オフガスの水素分圧を取得する水素分圧取得部と、
を備える燃料電池の燃料ガス供給システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに対する要求負荷に基づいて、前記水素分圧に対応する第1上限値及び第1下限値を特定し、
前記インジェクタが駆動している状態において、前記水素分圧が前記第1上限値以上となる場合に、前記インジェクタの駆動を停止させ、
前記インジェクタが停止している状態において、前記水素分圧が前記第1下限値以下となる場合に、前記インジェクタの駆動を開始させ、
前記燃料電池スタックに対する要求負荷に基づいて、前記入口圧力に対応する第2上限値及び第2下限値を特定し、
前記排出弁が閉弁している状態において、前記入口圧力が前記第2上限値以上となる場合に、前記排出弁を開弁させ、
前記排出弁が開弁している状態において、前記入口圧力が前記第2下限値以下となる場合に、前記排出弁を閉弁させる、
燃料電池の燃料ガス供給システムの制御方法。
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