(57)【要約】【解決手段】  本制御システム及び方法は、燃料電池の出力を制御する。燃料電池スタックコントローラ（１２）は、出力要求信号を受け取り、第１の逆モデルを使用して、酸化体要求信号と、燃料要求信号と、を発生する。燃料分配コントローラ（２０）は、燃料要求信号を受け取り、第２の逆モデルを使用して燃料コマンドを発生し、第１のモデルを使用して、分配燃料信号を発生する。酸化体分配コントローラ（１６）は、酸化体要求信号を受け取り、第３の逆モデルを使用して酸化体コマンドを発生し、第２のモデルを使用して、分配酸化体信号を発生する。燃料電池スタックコントローラ（１２）は、第２のモデルから分配酸化体信号を受け取り、第１のモデルから分配燃料信号を受け取り、第３のモデルを使用して利用可能な電力信号を計算する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力を制御するための制御システムであって、
出力要求信号を受け取り、第１の逆モデルを使用して酸化体要求信号及び燃料要求信号を発生する、燃料電池スタックコントローラと、
前記燃料要求信号を受け取り、第２の逆モデルを使用して燃料コマンドを発生し、第１のモデルを使用して分配燃料信号を発生する、燃料分配コントローラと、
前記酸化体要求信号を受け取り、第３の逆モデルを使用して酸化体コマンドを発生し、第２のモデルを使用して分配酸化体信号を発生する、酸化体分配コントローラと、
を備え、
前記燃料電池スタックコントローラは、前記第２のモデルから前記分配酸化体信号を受け取り、前記第１のモデルから前記分配燃料信号を受け取り、第３のモデルを使用して利用可能な電力信号を計算する、制御システム。
【請求項２】
前記第１の逆モデルは、アノード／カソードスタック逆モデルであり、前記第２の逆モデルは、燃料分配逆モデルであり、前記第３の逆モデルは、酸化体分配逆モデルである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記第１のモデルは燃料分配モデルであり、前記第２のモデルは酸化体分配モデルであり、前記第３のモデルはアノード／カソードスタックモデルである、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記第２の逆モデルと連通する燃料アクチュエータと、前記第３の逆モデルと連通する酸化体アクチュエータと、を更に備える、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
前記第２のモデルからの前記酸化体分配信号と、前記第１のモデルからの前記燃料分配信号とは、前記第１の逆モデルに入力される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
前記燃料分配コントローラから前記燃料コマンドを受け取る燃料アクチュエータを更に備える、請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
前記酸化体分配コントローラから前記酸化体コマンドを受け取る酸化体アクチュエータを更に備える、請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記出力要求信号を送り、前記利用可能な電力信号を受け取る、システムコントローラを更に備える、請求項１に記載の制御システム。
【請求項９】
前記燃料電池の前記制御される出力は、電流である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記燃料電池の前記制御される出力は、電力である、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１１】
燃料電池の出力を制御するための方法であって、
第１の逆モデルを使用して、出力要求信号に基づいて酸化体要求信号と燃料要求信号と、を発生し、
第２の逆モデルを使用して、前記燃料要求信号に基づいて燃料コマンドを発生し、
第１のモデルを使用して、分配燃料信号を発生し、
第３の逆モデルを使用して、前記酸化体要求信号に基づいて酸化体コマンドを発生し、
第２のモデルを使用して、分配酸化体信号を発生し、
第３のモデルを使用して、前記第２のモデルからの前記分配酸化体信号と前記第１のモデルからの前記分配燃料信号とに基づいて利用可能な電力信号を計算する、各工程を備える、方法。
【請求項１２】
前記第１の逆モデルは、アノード／カソードスタック逆モデルであり、前記第２の逆モデルは、燃料分配逆モデルであり、前記第３の逆モデルは、酸化体分配逆モデルである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のモデルは、燃料分配モデルであり、前記第２のモデルは、酸化体分配モデルであり、前記第３のモデルは、アノード／カソードスタックモデルである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料コマンドを燃料アクチュエータに伝達し、
前記酸化体コマンド信号を酸化体アクチュエータに伝達する、各工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のモデルからの前記酸化体分配信号と、前記第１のモデルからの前記燃料分配信号とを、前記第１の逆モデルへの入力として使用する工程を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料分配コントローラから燃料アクチュエータへ前記燃料コマンドを伝達する工程を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化体分配コントローラから酸化体アクチュエータへ前記酸化体コマンドを伝達する工程を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
システムコントローラを使用して、前記第１の逆モデルに、前記出力要求信号を送出し、
前記第３のモデルを使用して、前記システムコントローラに前記利用可能な電力信号を送出する、各工程を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料電池の前記制御される出力は、電力である、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料電池の前記制御される出力は、電流である、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、より詳しくは燃料電池電力（又は電流）制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、車両及び据付電力プラント等のシステムに電力供給するため使用されている。しばしば、燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）が燃料電池の電力（又は電流）を制御するために使用される。本システムは、作動中に、負荷条件を満足させるため、ＦＣＰＭからの様々な電力（又は電流）レベルを要求する。例えば、車両内の負荷条件は、ドライバーがアクセルを踏んだとき増大し、車両が下り坂勾配で移動しているときは減少する。
【０００３】
本システムは、ＦＣＰＭの利用可能な電力（又は電流）出力を知っているのが好ましい。負荷が供給された燃料及び酸化体に対して非常に低い場合には、ＦＣＰＭは、スタックから非常に多くの燃料を通過させ、非効率的となり、下流の構成部品に損傷を与え得る。負荷が供給された燃料及び酸化体に対して非常に高い場合には、燃料電池スタックが損傷を受けかねない。
【０００４】
燃料電池のための閉ループ制御システムを設計することは、システム負荷（例えば車両負荷）及び燃料処理装置の両方についての知識が要求される。典型的には、閉ループ制御システムに関してかなりの較正及びチューニングが、効率的な作動を得るために要求される。避けられない設計変更が、システム又は燃料電池に対してなされるとき、閉ループ制御システムは、再較正され、再チューニングされなければならない。この再較正の要求は、燃料電池システムの順応性を減少させ、燃料電池システムのモジュール化をより困難にし、システム及び燃料電池の両方を一緒に設計することを要求する。
【０００５】
一つの従来の制御法のアプローチは、燃料及び酸化体の供給を燃料電池に指令し、燃料電池の出力を受け入れるように負荷を変化させるというものである。この制御アプローチは、燃料電池を組み込んだシステムの構成及び作動を非常に厳しく拘束する。例えば、このアプローチは、車両にとって受け入れ難いものであることが判った。燃料電池車の消費者側の受け入れに関して、燃料電池は、ドライバーの入力に対してより迅速により正確に応答しなければならない。この制御アプローチは、負荷が重要な問題とはならない構成部品及びサブシステムに対してより適したものである。
【０００６】
別の制御アプローチは、電流又は電力等の所望の燃料電池出力に基づいて閉ループ制御システムを用いる。燃料及び酸化体の入力は、所望の出力が達成されるまで修正される。別のアプローチは、燃料（例えば、Ｈ2、天然ガス、ガソリン、液体プロパン、メタノール等）及び酸化体（例えば、酸素又は空気）の供給を指令する。入力指令は、その結果として生じた電力出力に基づいて調整される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る制御システム及び方法は、燃料電池の出力を制御する。燃料電池スタックコントローラは、出力要求信号を受け取り、第１の逆モデルを使用して、酸化体要求信号と、燃料要求信号と、を発生する。燃料分配コントローラは、燃料要求信号を受け取り、第２の逆モデルを使用して燃料コマンドを発生し、第１のモデルを使用して、分配燃料信号を発生する。酸化体分配コントローラは、酸化体要求信号を受け取り、第３の逆モデルを使用して酸化体コマンドを発生し、第２のモデルを使用して、分配された酸化体の信号を発生する。燃料電池スタックコントローラは、第２のモデルから、分配酸化体信号を受け取り、第１のモデルから分配燃料信号を受け取り、第３のモデルを使用して、利用可能ま電力信号を計算する。
【０００８】
他の特徴では、第１の逆モデルは、アノード／カソードスタック逆モデルである。第２の逆モデルは、燃料分配逆モデルである。第３の逆モデルは、酸化体分配逆モデルである。第１のモデルは、燃料分配モデルである。第２のモデルは、酸化体分配モデルである。第３のモデルは、アノード／カソードスタックモデルである。
【０００９】
更に他の特徴では、酸化体分配信号及び燃料分配信号は、第１の逆モデルに入力される。燃料アクチュエータは、燃料分配コントローラから燃料コマンドを受け取る。酸化体アクチュエータは、酸化体分配コントローラから酸化体コマンドを受け取る。システムコントローラは、出力要求を送り、利用可能な電力信号を受け取る。燃料電池の制御された出力は、電力又は電流である。
【００１０】
本発明の応用可能な更なる領域は、以下で提供される詳細な説明から明らかとなろう。なお、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、例示の目的のためだけに示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。
【００１１】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【実施例】
【００１２】
好ましい実施例の次の説明は、本質上、単なる例示であり、本発明、その用途又は使用法を限定するものではない。明瞭にするという目的のため、同じ参照番号が、類似の構成要素を同定するため図面中で使用される。
【００１３】
本発明に係る燃料電池制御システムは、正確で順応性のあるモジュール式アプローチを使用して燃料電池電力モジュール（ＦＣＰＭ）への入力を制御する。本発明は、ＦＣＰＭを、燃料電池システムへの変更及び修正を要すること無く異なる用途又はシステムで使用することを可能にする。前述した記載において、電力及び電流は、交換可能に使用することができる。
【００１４】
ここで、図１を参照すると、本発明に係る燃料電池パワーモジュール（ＦＣＰＭ）１０が示されており、これは燃料電池スタックコントローラ１２と、酸化体分配コントローラ１６と、燃料分配コントローラ２０と、を備えている。システムコントローラ（図示せず）からの電力要求信号は、２２で指し示されたようにＦＣＰＭ１０に対して送出される。燃料電池スタックコントローラ１２は、要求信号２２を受け取り、２４及び２８で示されたように、燃料要求量及び酸化体要求量を決定する。燃料分配コントローラ２０及び酸化体分配コントローラ１６は、例えばＨ2等の燃料即ち改質物と、例えば空気又は酸素（Ｏ2）等の酸化体と、を分配することにより、応答する。燃料分配コントローラ２０と、酸化体分配コントローラ１６とは、３２及び３４で示されるように、分配された燃料及び酸化体の測定結果を各々出力する。
【００１５】
ここで、図２、図３及び図４を参照すると、ＦＣＰＭ１０が、更に詳細に示されている。燃料電池スタックコントローラ１２は、電流又は電力の要求信号２２に基づいて酸化体要求信号２４及び燃料要求信号２８を決定するアノード／カソードスタック逆モデル５０を備えている。ここで使用されるとき、モデルは、与えられた組の入力に基づいて出力を予測する。逆モデルは、与えられた組の出力に基づいて出力を予測する。アノード／カソードスタック逆モデル５０は、例えばＨ2タンクコントローラ、燃料処理装置コントローラ等の、燃料分配コントローラ２０に燃料要求信号２８を送る。アノード／カソードスタック逆モデル５０は、例えばコンプレッサ等、酸化体分配コントローラ１６に酸化体要求信号２４を送る。酸化体分配コントローラ１６は、酸化体分配逆モデル６０を使用して酸化体要求信号２４を処理して酸化体コマンド６４を発生する。該コマンドは１つ以上のアクチュエータ６６に出力される。燃料分配コントローラ２０は、燃料分配逆モデル７０を使用して燃料要求信号２８を処理して燃料コマンド７４を発生する。該コマンドは１つ以上のアクチュエータ７６に出力される。
【００１６】
酸化体分配コントローラ１６と連係されたアクチュエータ６６が酸化体コマンド６４を実施するとき、実際のデータ（例えば、温度、圧力、流量、及び／又は、他の作動パラメータ）が、１つ以上のセンサー８２を使用して酸化体分配コントローラ１６の酸化体分配モデル８０に入力される。酸化体分配モデル８０は、燃料電池スタックに分配される実際の酸化体分配値６４を計算する。例えば、ガスの輸送遅延、熱時間遅延、及び／又は、他の因子等のダイナミックスは、酸化体分配モデル８０に組み込まれる場合には、この情報内に本質的に含まれる。
【００１７】
燃料分配コントローラ２０と連係したアクチュエータ７６が燃料コマンドを実行するとき、実際のデータ（例えば、温度、圧力、流量及び／又は他の作動パラメータ）は、１つ以上のセンサー９２（センサー８２と同じであり得る）を使用して燃料分配コントローラ２０の燃料分配モデル９０に入力される。燃料分配モデル９０は、燃料電池スタックに分配された実際の燃料分配値３２を計算する。例えば、ガスの輸送遅延、熱時間遅延、及び／又は、他の因子等のダイナミックスは、燃料分配モデル９０に組み込まれる場合には、この情報内に本質的に含まれる。燃料及び酸化体の分配値３２、３４、及び／又は、センサー８２及び／又は９２からのセンサーデータは、アノード／カソードスタックモデル１００にフィードバックされ、利用可能な電力信号１０２が計算される。利用可能な電力信号１０２は、システムコントローラ１０４に送られる。
【００１８】
更なる改善点は、燃料電池スタックコントローラ１２のアノード／カソードスタック逆モデル５０に、燃料分配信号３２及び酸化体分配信号３４を提供することによりなすことができる。ここで、図５を参照すると、修正された燃料電池スタックコントローラ１２’が示される。修正されたアノード／カソードスタック逆モデル５０’は、１１０及び１１４で示されるように燃料分配値及び酸化体分配値を受け取り、それらは、燃料要求信号２８及び酸化体要求信号２４を計算するため使用される。
【００１９】
燃料電池スタックコントローラ１２は、例えばアノード空気抜き取り量等、要求された追加の制御量も計算する。例えば、ガスの輸送遅延、熱時間遅延、及び／又は、他の因子等のダイナミックスは、これらのモデルに組み込まれる場合には、この情報内に本質的に含まれる。
【００２０】
情報がモデルベースであり、実際のセンサー入力を利用するので、当該情報は、インターフェースを更に簡単にするため、状態の遷移／要求を決定するためにも使用される。例えば、車両コントローラは、ＦＣＰＭ１０の状態を知る必要はない。車両コントローラは、ＦＣＰＭ１０からの利用可能な電力信号を必要とするだけであるからである。
【００２１】
この制御法は、アノード及びカソードの流量を平衡させることによって、より効率的なＦＣＰＭ作動を可能とする。カソード側又はアノード側のいずれかが適切な量の流量を分配することができない場合、他方の側も同様に低下される。例えば、６０ｋＷシステムの触媒劣化が５５ｋＷ相当のアノード流量だけしか可能にしない場合、空気は、６０ｋＷレベルで流れることは可能とされない。減少したアノード流量は、スタック酸化体要求信号２４に報告され、酸化体の流量は、新たな５５ｋＷレベルに調整される。これは、空気コンプレッサの寄生的な損失を減少させる。同様に、減少した酸化体性能は、アノード及びカソードの両方を平衡させるためアノード流量を減少させる。
【００２２】
本発明を組み込んだシステムは、遙かに高いロバスト性を持つことになる。カソード又はアノードで問題が発生したとき停止させる代わりに、本システムは、調整を実行し、作働し続ける。本発明は、正確で、順応性のある、モジュール式のアプローチでＦＣＰＭ１０への入力を計画的に実行する。本発明は、システムコントローラ１０４とＦＣＰＭ１０との間のインターフェースに変更も修正も要すること無く、ＦＣＰＭ１０を、異なる用途で使用することを可能にする。当該インターフェースは、非常に簡単であり、モジュールの間で最小のインターフェースを取るだけで済む。このことは、モジュール式システム及びソフトウェアを用いたアプローチにとって非常に重要である。当該設計は、負荷に対して燃料電池電力の正しく高精度でより安全でより迅速な分配を提供する。燃料電池車の場合には、本発明は、改善された加速及びより制御された減速を可能にする。本発明は、燃料電池スタックが利用することができない過剰の酸化体又は過剰の燃料を回避することにより、改善されたシステム効率を提供する。
【００２３】
当業者は、本発明の幅広い教えを様々な形態で実行することができるということを前述した記述から理解することができる。従って、本発明は、その特定の例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲をその例に限定するものではない。他の変形例は、図面、明細書及び請求の範囲を研究したとき、当業者には明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池制御システムの機能ブロック図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池制御システムの更に詳細な機能ブロック図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックコントローラのためのアノード／カソードスタック逆モデルの機能ブロック図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックコントローラのためのアノード／カソードスタックモデルの機能ブロック図である。
【図５】図５は、代替の燃料電池スタックコントローラの機能ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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