(57)【要約】【課題】高純度水素ガスを供給可能とする。【解決手段】改質用原料から水素を含む改質ガスを発生させる改質反応器４と、改質反応器４から導入される改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器５と、燃料電池７の水素極側排出ガスの一部または全量を水素分離精製器５の二次側の水素リッチガスと合流させて再供給する水素循環流路８とを備える燃料電池システムにおいて、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス透過流量と一次側の改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を一定値以下にするように、改質用原料の供給量と水素分離精製器５の一次側の出口ガス圧力を制御する制御手段２３を備える。【選択図】図１
2006294630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用原料から水素を含む改質ガスを発生させる改質反応器と、
改質反応器から導入される改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器と、
水素分離精製器の二次側の水素リッチガスが水素極側に、空気圧縮機からの圧縮空気が空気極側に供給されて発電する燃料電池とを備え、
水素分離精製器の一次側の出口ガスの全量を空気と混合して燃焼器により燃焼させる一方、
燃料電池の水素極側排出ガスの一部または全量を水素分離精製器の二次側の水素リッチガスと合流させて再供給する水素循環流路を有する燃料電池システムにおいて、
前記水素分離精製器の二次側水素リッチガス透過流量と一次側の改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を一定値以下にするように、改質用原料の供給量と水素分離精製器の一次側の出口ガス圧力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、要求の発電電力量を満たしつつ、前記水素透過率を８０％以下にするように、制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素透過率は、二次側水素リッチガス透過流量を熱線吸収式水素流量計で、一次側の改質ガス中の水素ガス流量を原料供給量で計測して、求めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、２自由度制御にて改質用原料の供給量と水素分離精製器の一次側の出口ガス圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは原料を水素を含むガスに改質した改質ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、例えば特開昭６２−２９５４０２号、特開平７−３３０３０４号の例がある。また、燃料電池の水素極側の排出ガスの一部または全量を再循環する水素循環型燃料電池システムがある。
【特許文献１】特開昭６２−２９５４０２号
【特許文献２】特開平７−３３０３０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池を効率良く作動させるためには、高純度水素の供給が重要である。
【０００４】
従来の特開昭６２−２９５４０２号のものは、改質ガス中の水素を水素分離精製器（水素分離膜）を用いて分離しているが、水素循環型システムを採用した場合、水素分離精製器を透過する微量のＣＯガスが時間経過と共に蓄積して、燃料電池の電極触媒の被毒によってスタック出力の低下が認められる。これを防止するために、透過水素ガスのパージを必要としており、著しく燃料電池システムの効率を低下させている。
【０００５】
また、従来の特開平７−３３０３０４号のものは、水素分離精製器にＣＯをＣＯ以外のガスに転換するＣＯ転換反応器を付加しているが、これは、ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏの反応を利用しているため、ＣＯガス濃度の３倍の水素ガスを消費してしまい、かつＣＯ2、メタン等、水素以外の不純物の濃度が増加する。また、ＣＯ転換反応器の容積、温度維持等、装置が複雑になる。そのため、水素循環型システムを採用した場合、水素分離精製器の後流で透過水素濃度が減少する一方、総不純物濃度が増加するという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決して、高純度水素ガスを供給可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、改質用原料から水素を含む改質ガスを発生させる改質反応器と、改質反応器から導入される改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器と、水素分離精製器の二次側の水素リッチガスが水素極側に、空気圧縮機からの圧縮空気が空気極側に供給されて発電する燃料電池とを備え、水素分離精製器の一次側の出口ガスの全量を空気と混合して燃焼器により燃焼させる一方、燃料電池の水素極側排出ガスの一部または全量を水素分離精製器の二次側の水素リッチガスと合流させて再供給する水素循環流路を有する燃料電池システムにおいて、前記水素分離精製器の二次側水素リッチガス透過流量と一次側の改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を一定値以下にするように、改質用原料の供給量と水素分離精製器の一次側の出口ガス圧力を制御する制御手段を備える。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、要求の発電電力量を満たしつつ、前記水素透過率を８０％以下にするように、制御する。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記水素透過率は、二次側水素リッチガス透過流量を熱線吸収式水素流量計で、一次側の改質ガス中の水素ガス流量を原料供給量で計測して、求める。
【００１０】
第４の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、２自由度制御にて改質用原料の供給量と水素分離精製器の一次側の出口ガス圧力を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
水素分離精製器の二次側の水素以外の成分（例えばＣＯガス、ＣＯ2ガス、水蒸気、メタノールなど）濃度が変化する要因を調べた結果、二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率と二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度が比例すること、また、二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を一定値以下にすると、二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度が大きく低下することを確認した。
【００１２】
第１の発明では、原料供給量と水素分離精製器の一次側の出口ガス圧力を制御し、水素分離精製器の二次側水素リッチガス透過流量と一次側の改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を一定値以下にする燃料電池システムなので、燃料電池の負荷が変動してもＣＯガス検知器を用いずに、二次側水素リッチガス中のＣＯガス濃度を低減することができる。また同様にＣＯ2、水蒸気等、水素以外の不純物の濃度も減少し、水素純度を向上できる。
【００１３】
第２の発明では、部分負荷ほど燃料電池システムの効率が高く、低負荷ほど水素透過率が高くなる場合が多いが、水素透過率を８０％以下にする燃料電池システムなので、二次側水素リッチガス中のＣＯガス濃度が減少し、燃料電池のスタックパージの回数を大幅に減少でき、自動車のように部分負荷での運転頻度がもっとも多いものに効率良く適用できる。
【００１４】
第３の発明では、水素透過率の安価な検知方法を提供することができる。また、燃料電池の水素極側排出ガスの一部または全量を水素分離精製器の二次側の水素リッチガスと合流させて再供給する水素循環流路を有する燃料電池システムは水分等、不純物の濃度が低く、水素純度が高いため、熱線吸収式水素流量計の計測精度が高くかつ信頼性を高くすることができる。
【００１５】
第４の発明では、２自由度制御によって、燃料電池の負荷が減少した際に、二次側水素リッチガス透過流量を下げるため一次側出口ガスの圧力を下げると、急激な圧力減少のため原料供給システムの遅れが生じて過渡的に(水素透過率が安定化するまで一時的に)一次側出口ガスの排出流量が増加し、二次側水素リッチガス透過流量が過剰に減少するという問題、および逆に負荷が増加した際に、二次側水素リッチガス透過流量を上げるため一次側出口ガスの圧力を上げると、急激な圧力増加のため原料供給システムの遅れが生じて過渡的に(水素透過率が安定化するまで一時的に)一次側出口ガスの排出流量が減少し、二次側水素リッチガス透過流量が過剰に増加するという問題を解決でき、水素透過率を上下させた過渡の負荷変動の場合にも二次側水素リッチガス透過流量と水素透過率をバランスよく維持することができる。その結果、ＣＯ濃度を的確に低減でき、またスタックに的確に要求水素量を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、炭化水素系燃料（メタノール、エタノール、石油等）を用いる燃料電池システムの構成を示す。
【００１８】
燃料電池システムは、改質用原料として、炭化水素系燃料（以下、メタノールを例にする）と水を用い、燃料タンク１からのメタノールと水タンク２からの水を所定の割合（例えば、１：１．５）で混合蒸発させる蒸発器３と、蒸発させた原料を水素を含むガスに改質させる水蒸気改質反応器４と、水蒸気改質反応器４で改質された改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器５と、水素分離精製器５の二次側の水素リッチガスが水素極側に、空気圧縮機（例えば、コンプレッサまたはブロア）６からの圧縮空気が空気極側に導入される燃料電池７と、燃料電池７の水素極側排出ガスの一部または全量を水素分離精製器５の二次側の水素リッチガスと合流させて再循環する水素循環型システムの水素循環流路８と、水素分離精製器５の一次側の出口ガスの全量を空気と混合して燃焼させ、蒸発器３での原料の蒸発に必要な熱量をまかなう燃焼器９等を備える。
【００１９】
水素分離精製器５は、多孔質アルミナ基体管外表面上にＰｄ−Ａｇ合金からなる水素分離膜を成膜してなる水素分離体から構成され、改質ガス中の水素を選択的に透過させる。
【００２０】
空気圧縮機６からの圧縮空気を燃料電池７の空気極側に導く配管の途中には、クーラ１０、加湿器１１が配設される。
【００２１】
水素分離精製器５の二次側の水素リッチガスを燃料電池７の水素極側に導く配管の途中には、クーラ１２、加湿器１３が配設される。
【００２２】
水素循環流路８の途中には、燃料電池７の水素極側排出ガス中の水分を除去するコンデンサ１４と循環ポンプ１５が設けられ、循環ガスはエゼクタ１６を介して加湿器１３の入口側にて水素リッチガスと合流される。
【００２３】
燃料タンク１のメタノール、水タンク２の水は、それぞれ流量制御弁（例えばインジェクタ）１７,１８を介して蒸発器３に供給され、それぞれ流量は流量センサ１９,２０により検出される。
【００２４】
水素分離精製器５の一次側の出口ガスを燃焼器９に導く配管の途中には、一次側の出口ガスの圧力、流量を制御可能なバルブ２１（流量制御バルブを用いて良い）が介装される。
【００２５】
水素リッチガスのクーラ１２の出口側には、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス透過流量を計測する熱線吸収式水素流量計２２が介装される。
【００２６】
コントローラ２３は、燃料電池７に要求される発電電力量、熱線吸収式水素流量計２２の計測値および流量センサ１９,２０の検出値に基づき、要求される発電電力量を満たしつつ、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス透過流量と導入される一次側の改質ガス（水蒸気改質反応器４の出口改質ガス）中の水素ガス流量の比である水素透過率を８０％以下にするように、メタノールと水の供給量および水素分離精製器５の一次側出口ガス圧力を制御、即ち流量制御弁１７,１８およびバルブ２１を制御する。
【００２７】
このコントローラ２３の制御動作を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２８】
図２に示すように、ステップＳ１では、燃料電池７に要求される発電電力量に基づいて、蒸発器３に供給する燃料（メタノール）流量と水流量の目標値を算出する。
【００２９】
本例では、蒸発器３に供給する燃料流量と水流量の目標値と、燃料電池７に要求される発電電力量の関係を記述する関数を、予め収集しておいた実験データに基づいて作成して参照するようにしており、次のように表現する。
【００３０】
Ｗater-td(t)＝Ｆ１(Ｗ-td(t))
Ｆuel-td(t)＝Ｆ２(Ｗ-td(t))
ただし、Water-tdは水流量の目標値、Ｆuel-tdは燃料流量の目標値、Ｗ-tdは要求発電電力量、Ｆ１，Ｆ２はそれぞれ関数を表す。ｔは特に指定しない限り時刻を表すとする。
【００３１】
燃料流量と水流量の目標値は、水素分離精製器５の水素透過率８０％にて、要求の二次側水素リッチガス流量、つまり要求の発電電力量を得る値としている。
【００３２】
燃料流量と水流量の目標値の算出後、流量センサ１９,２０の検出値がそれぞれの目標値になるように流量制御弁１７,１８を制御する。
【００３３】
ステップＳ２では、蒸発器３に供給する燃料流量と水流量の目標値に基づいて、水蒸気改質反応器４の出口改質ガス流量を算出する。
【００３４】
本例では、これらの関係を記述する関数を、予め収集しておいた実験データに基づいて作成して参照するようにしており、次のように表現する。
【００３５】
Ｑo-h2(t)＝Ｆ３(Ｗater-td(t),Ｆuel-td(t))
ただし、Ｑo-h2は水蒸気改質反応器４の出口改質ガス流量、Ｆ３は関数を表す。
【００３６】
ステップＳ３では、水素分離精製器５を通過する二次側水素リッチガス流量の目標値を算出する。
【００３７】
本例では、二次側水素リッチガス流量は、ステップＳ２で算出した水蒸気改質反応器４の出口改質ガス流量（水素分離精製器５の一次側改質ガス流量）Ｑo-h2の所定の割合になるように設定する。この場合、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス透過流量と水蒸気改質反応器４の出口改質ガスつまり水素分離精製器５の一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率が８０％以下になるように設定する。
【００３８】
水素分離精製器５を通過する二次側水素リッチガス流量の目標値は次のように表現する。
【００３９】
Ｑ2-h2(t)＝ｋ＊Ｑo-h2(t)
ただし、Ｑ2-h2は水素分離精製器５を通過する二次側水素リッチガス流量の目標値、ｋは所定の水素透過率を表す。
【００４０】
ステップＳ４では、２自由度フィードバック制御で水素分離精製器５の一次側出口に取り付けてあるバルブ２１の開度を算出する。
【００４１】
フィードバック制御では、水素分離精製器５を通過した二次側水素リッチガス流量を測定している熱線吸収式水素流量計２２の出力がステップＳ３で算出した目標値Ｑ2-h2(t)になるように、流量計２２の出力と目標値Ｑ2-h2(t)の偏差に基づいて、水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度を算出して、バルブ２１の開度を変化させ、水素分離精製器５の一次側の圧力を変化させる。このように制御することで、水素分離精製器５を通過する二次側水素リッチガス流量を目標値に制御することができる。
【００４２】
しかしこのままでは、要求発電電力量の変化に応じて水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量の目標値を変化させた場合に、バルブ２１の開度変化が大きく、この急激で大きなバルブ開度変化は、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量にアンダーシュートあるいはオーバーシュートを生じさせることになる。言い換えれば、要求発電電力量の変化に応じて蒸発器３へ投入する原料を変化させても、その影響が水素分離精製器５に到達するまでに時間遅れがある。そのため、過渡的に水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量が過剰に減少あるいは増加する期間を生じて、所定の透過率を維持できない期間を生じることになり、このことは、水素分離精製器５の二次側水素リッチガスのＣＯ濃度を増加させてしまう。
【００４３】
そこで、本例では、２自由度制御入力を計算して、このような不具合を低減させる。この２自由度制御のブロック図を図３に示す。
【００４４】
２自由度制御では、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量の目標値Ｑ2-h2を要求の流量特性を得るための目標値フィルタＦ１に通過させる。
【００４５】
目標値フィルタＦ１を通過した新しい目標値と、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量を測定している熱線吸収式水素流量計２２の出力の偏差に基づいて、フィードバック制御器Ｃで水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度ｕ-fbを算出する。
【００４６】
さらに、目標値Ｑ2-h2を応答性を補償するための目標値フィルタＦ２を通過させて、水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度ｕ-ffを算出する。
【００４７】
２自由度制御によるバルブ２１の開度ｕ-2d(t)は、
ｕ-2d(t)＝ｕ-fb(t)＋ｕ-ff(t)
として算出する。
【００４８】
目標値フィルタＦ１は任意に設定するフィルタである。ここでは、フィルタＦ１の特性を任意に設定することで、バルブ２１の急激な開度変化を低減させることができる。
【００４９】
目標値フィルタＦ２はＦ１／Ｐｍである。Ｐｍは、バルブ２１の開度から水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量までの特性を表す伝達関数である。すなわち、次のように表す。
【００５０】
水素分離精製器二次側水素リッチガス流量＝Ｐｍ×バルブ開度
ステップＳ５では、フィードフォワード制御で水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度を算出する。
【００５１】
要求発電電力量の変化に応じて蒸発器３に供給する燃料流量と水流量を変化させた場合、この変化は遅れて到達するため、フィードバック制御器Ｃに対し外乱として作用し、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量の目標値への制御（Ｓ４）に影響を与える。最悪の場合に水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量にアンダーシュートあるいはオーバーシュートを生じさせることになり、水素分離精製器５の二次側水素リッチガスのＣＯ濃度を増加させてしまう。このようなことを防止するためには、ステップＳ４で算出した２自由度制御入力が、要求発電電力量の変化に応じて蒸発器３に供給する燃料流量と水流量を変化させたことによって生じる外乱に対して完全に分離されている必要がある。
【００５２】
このために、その外乱の補償を行うフィードフォワード制御入力（バルブ２１の開度）ｕ-fd1、ｕ-fd2を次のように算出する。
【００５３】
ｕ-fd1＝（−Ｇd1／Ｐｍ）×燃料流量＝Ｃd1×燃料流量
ｕ-fd2＝（−Ｇd2／Ｐｍ）×水流量＝Ｃd2×水流量
Ｇd1は、燃料流量から水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量までの特性を表す伝達関数である。すなわち次のように表す。
【００５４】
水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量＝Ｇd1×燃料流量
Ｇd2は、水流量から水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量までの特性を表す伝達関数である。すなわち次のように表す。
【００５５】
水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量＝Ｇd2×水流量
なお、本例のように燃料流量と水の流量の比を固定して変えない場合には、ｕ-fd1かｕ-fd2のどちらか一方が算出できれば十分なので、例えばｕ-fd1を算出した場合には、ｕ-fd2は算出する必要はないので算出しなくてもよい。ただしその場合、Ｇd1は燃料と水の混合液から二次側水素リッチガス流量までの伝達関数となる。
【００５６】
ステップＳ６では、ステップＳ４の２自由度制御入力と、ステップＳ５のフィードフォワード制御入力を加算して、最終的に出力するバルブ２１の開度ｕを算出する。
【００５７】
ｕ＝ｕ-2d＋ｕ-fd1＋ｕ-fd2
ステップＳ７では、ステップＳ６で算出したバルブ２１の開度ｕを駆動信号に変換してバルブ２１に出力する。
【００５８】
このように、燃料電池７の要求発電電力量を得つつ、水素分離精製器５の水素透過率を８０％以下にするように、燃料流量、水流量および水素分離精製器５の一次側出口ガス圧力（一次側圧力）を制御、即ち流量制御弁１７,１８およびバルブ２１を制御する。
【００５９】
図４、図５に、水素分離精製器５の一次側出口ガス圧力を０．２ＭＰａ〜０．８ＭＰａまで変化させ、二次側水素リッチガス圧力を０．１Ｍｐａ一定に保ち、熱線吸収式水素流量計２２で計測した二次側水素リッチガス透過流量、流量センサ１９,２０で検出された燃料流量、水流量を基に計算により求めた一次側改質ガス中の水素ガス流量から二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率と、二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度を測定した結果を示す。その実験結果より、二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率と二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度が比例することを見出した。また、二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を８０％以下にすると、二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度が１ｐｐｍ以下となった。
【００６０】
したがって、ＣＯ濃度を検出することなしに、熱線吸収式水素流量計２２で計測した二次側水素リッチガス透過流量、流量センサ１９,２０で検出された燃料流量、水流量を基に計算により求めた一次側改質ガス中の水素ガス流量から二次側水素リッチガス透過流量と一次側改質ガス中の水素ガス流量の比である水素透過率を８０％以下に、かつ要求の二次側水素リッチガス透過流量を維持するように燃料供給量と水供給量と一次側出口ガス圧力を制御することにより、要求の発電電力量を確保できると共に、透過水素ガス中のＣＯ濃度が減少し、燃料電池のスタックパージの回数は大幅に減少する。特に、低負荷において水素透過率を８０％以下に維持することによりＣＯ濃度が減少する効果が顕著であり、また水素透過率を８０％以下に保つことにより、透過水素ガス中のＣＯ2、水蒸気等、水素以外の不純物の濃度も減少し、水素純度を向上できる。
【００６１】
燃料電池システムは、部分負荷ほど効率が高く、低負荷ほど水素透過率が高くなる場合が多いが、水素透過率を８０％以下にするので、二次側水素リッチガス中のＣＯガス濃度が減少し、燃料電池のスタックパージの回数を大幅に減少でき、そのために自動車のように部分負荷での運転頻度がもっとも多いものに効率良く適用できる。
【００６２】
また、２自由度制御によって、燃料電池の負荷が減少した際に、二次側水素リッチガス透過流量を下げるため一次側出口ガスの圧力を下げると、急激な圧力減少のため原料供給システムの遅れが生じて過渡的に(水素透過率が安定化するまで一時的に)出口ガスの排出流量が増加し、二次側水素リッチガス透過流量が過剰に減少するという問題、および逆に負荷が増加した際に、二次側水素リッチガス透過流量を上げるため一次側出口ガスの圧力を上げると、急激な圧力増加のため原料供給システムの遅れが生じて過渡的に(水素透過率が安定化するまで一時的に)出口ガスの排出流量が減少し、二次側水素リッチガス透過流量が過剰に増加するという問題を解決でき、水素透過率を上下させた過渡の負荷変動の場合にも二次側水素リッチガス透過流量と水素透過率をバランスよく維持することができる。
【００６３】
ところで、燃料電池７の水素極側の圧力は、燃料電池７から取り出す電流を増加すると排水素量が減って低下し、逆に燃料電池７から取り出す電流を低下すると循環ポンプ１５があるため排水素量が増えて増加するのであるが、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量が変化すると、燃料電池７の水素極側の圧力に影響する。
【００６４】
逆に、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量が変化すると、燃料電池７の水素極側の圧力に影響が及び、さらにこの圧力の変化が二次側水素リッチガス流量に影響を及ぼし、二次側水素リッチガス流量を変化させる。このような干渉が生じると、二次側水素リッチガス流量も、水素極側の圧力もそれぞれの目標値になかなか到達せず、結果として二次側水素リッチガス中のＣＯ濃度を悪化させることになる。
【００６５】
そこで、このような影響を防止して、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量を所定の目標値に制御すると共に、燃料電池７の水素極側の圧力を所定の目標値に維持する例を説明する。
【００６６】
この場合、図１のように燃料電池７の水素極側の圧力を測定する圧力センサ３０を設けて、制御する対象を水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量と燃料電池７の水素極側の圧力、操作する対象を水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度、燃料電池７から取り出す電流として、コントローラ２３が前例と同様に２自由度制御とフィードフォワード制御を行うと共に非干渉化制御を追加する。
【００６７】
図６にそのフローチャートを示す。
【００６８】
図６において、ステップＳ１１、ステップＳ１２は図２のステップＳ１、ステップＳ２と同じである。
【００６９】
ステップＳ１３では、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量の目標値と、燃料電池７の水素極側の圧力の目標値を算出する。
【００７０】
ステップＳ１４では、２自由度フィードバック制御で水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度と、燃料電池７から取り出す電流値をそれぞれ算出する。
【００７１】
ステップＳ１５では、ステップＳ１４で算出したバルブ２１の開度を非干渉化変換する。
【００７２】
この制御ブロック図を図７に示す。
【００７３】
非干渉化変換は、次のように非干渉制御で算出する。
【００７４】
伝達関数行列を使って制御対象を表して、
【００７５】
【数１】
2006294630.tif 000003
【００７６】
とする。
【００７７】
ただし、Ｑは水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量。Ｐは燃料電池７の水素極側の圧力。ＣＶＸは水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度。ＩＣＴは燃料電池７から取り出す電流。Ｇ11は水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度から水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量までの伝達関数。Ｇ12は燃料電池７から取り出す電流から水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量までの伝達関数。Ｇ21は水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度から燃料電池７の水素極側の圧力までの伝達関数。Ｇ22は燃料電池７から取り出す電流から燃料電池７の水素極側の圧力までの伝達関数。
【００７８】
非干渉化制御入力を計算するために、これらをまとめて状態空間表現にして、
dＸ(t)/dｔ＝Ａ＊Ｘ(t)＋Ｂ＊Ｕ(t)
Ｙ＝Ｃ＊Ｘ(t)
とする。
【００７９】
ただし、Ｘは状態、Ａ、Ｂ、Ｃは伝達関数を状態空間表現に変換したときに導かれたモデルパラメータである。状態空間表現におけるｔは特に指定しない限り、時間を表すとする。Ｕは操作入力で、[ＣＶＸ  ＩＣＴ]tである（ｔは転置を表す）。Ｙは制御対象で、[Ｑ  Ｐ]tである（ｔは転置を表す）。
【００８０】
このように変換したモデルパラメータＡ、Ｂ、Ｃを使って非干渉化制御入力ｕ-decを次のように計算する。
【００８１】
【数２】
2006294630.tif 000004
【００８２】
ただし、Ｆ、Ｇは、非干渉制御で計算した制御ゲインパラメータ、ｕ_2d_gはステップＳ１４の２自由度制御によって算出した水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度、ｕ_2d_pは燃料電池７から取り出す電流値である。
【００８３】
ステップＳ１７では、最終的なバルブ２１の開度ｕ(t)を
ｕ(t)＝ｕ-dec1(t)
として算出する。燃料電池７から取り出す電流値はｕ-dec2(t)となる。
【００８４】
このように制御することで、水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量制御のために水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度を変化させても、その影響が燃料電池７の水素極側の圧力に影響が及ばないようにすることができる。また逆に、燃料電池７の水素極側の圧力制御のために水素分離精製器５の一次側出口のバルブ２１の開度と燃料電池７から取り出す電流を変化させても、その影響が水素分離精製器５の二次側水素リッチガス流量に及ばないようにすることができる。
【００８５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】制御動作を示すフローチャートである。
【図３】２自由度制御のブロック図である。
【図４】水素透過率とＣＯ濃度の関係を示す表図である。
【図５】水素透過率とＣＯ濃度の関係を示す特性図である。
【図６】非干渉化制御のフローチャートである。
【図７】非干渉化制御のブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１  燃料タンク
２  水タンク
３  蒸発器
４  水蒸気改質反応器
５  水素分離精製器
６  空気圧縮機
７  燃料電池
８  水素循環流路
９  燃焼器
１７,１８  流量制御弁
１９,２０  流量センサ
２１  バルブ
２２  熱線吸収式水素流量計
２３  コントローラ
３０  圧力センサ
【図１】
2006294630.tif 000005
【図２】
2006294630.tif 000006
【図３】
2006294630.tif 000007
【図４】
2006294630.tif 000008
【図５】
2006294630.tif 000009
【図６】
2006294630.tif 000010
【図７】
2006294630.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月2日(2006.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと空気とによって発電する燃料電池と、
前記水素ガスを前記燃料電池の水素極側へ導く配管と、
前記水素極から排出された排出水素ガスを前記水素極へ環流させる水素循環流路と、
前記水素循環流路の途中に設けられた循環ポンプと、
前記水素循環流路を流れる前記排出水素ガスと、前記水素ガスと、を合流させるエゼクタと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
燃料電池の水素極側の排出ガスの一部または全量を再循環する水素循環型燃料電池システムがある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
燃料電池を効率良く作動させることができなかった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、燃料電池を効率良く作動させることを目的とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は、水素ガスと空気とによって、発電する燃料電池と、水素ガスを燃料電池の水素極側へ導く配管と、水素極から排出された排出水素ガスを水素極へ環流させる水素循環流路と、水素循環流路の途中に設けられた循環ポンプと、水素循環流路を流れる排出水素ガスと、水素ガスと、を合流させるエゼクタと、を備えたことを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は、燃料電池を効率良く作動させることができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】