(57)【要約】【解決手段】  燃料電池システム（５６）のための空気制御システム（２０）及び方法は、マニホルド（２８）と、空気を該マニホルド（２８）に供給する空気分配装置（２４）と、複数の燃料電池構成部品と、を備える。複数の流量コントローラ（ＦＣ（３２））は、マニホルド（２８）から燃料電池構成部品への空気流量を制御する。コントローラ（１００）は、ＦＣ（３２）及び空気分配装置（２４）と連通し、燃料電池システム（５６）の安定性に関連する第１の因子と、所定の空気流れに対する該空気分配装置（２４）の最小圧力及び最大圧力に基づく第２の因子と、に基づいてマニホルド圧力設定ポイントを発生する。第１及び第２の因子が合致したとき、コントローラ（１００）は、燃料電池システム（５６）の効率に関連する第３の因子に基づくマニホルド圧力設定ポイントを発生する。
2005524215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのための空気制御システムであって、
マニホルドと、
前記マニホルドに空気を供給する空気分配装置と、
複数の燃料電池構成部品と、
前記マニホルドから前記燃料電池構成部品への空気流量を制御する複数の流量コントローラ（ＦＣ）と、
前記流量コントローラ及び前記空気分配装置と連通するコントローラであって、燃料電池の安定性に関連する第１の因子と、所定の空気流量に対する前記空気分配装置の最小及び最大圧力に基づく第２の因子と、に基づいてマニホルド圧力設定ポイントを発生する、前記コントローラと、
を備える、空気制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、燃料電池システム効率に関連した第３の因子に基づいて前記マニホルド圧力設定ポイントを発生する、請求項１に記載の空気制御システム。
【請求項３】
前記コントローラは前記第１の因子を計算し、前記コントローラは、第１の構成部品の第１の流量コントローラの第１の流量信号を使用して第１のテーブルで第１の最小圧力差を検索し、該第１の最小圧力差を前記第１の構成部品に分配された空気の第１の圧力に加算して第１の最小圧力を発生する、請求項１に記載の空気制御システム。
【請求項４】
前記第１の圧力は、圧力センサーを使用して検知される、請求項３に記載の空気制御システム。
【請求項５】
前記第１の圧力は、システム入力を使用してモデル化されている、請求項３に記載の空気制御システム。
【請求項６】
前記コントローラは前記第１の因子を計算し、前記コントローラは、第２の構成部品の第２の流量コントローラの第２の流量信号を使用して第２のテーブルで第２の最小圧力差を検索し、該第２の最小圧力差を前記第２の構成部品に分配された空気の第２の圧力に加算して第２の最小圧力を発生する、請求項３に記載の空気制御システム。
【請求項７】
入力された値から第１の最大値を選択する第１の最大値選択回路を更に備え、前記第１及び第２の圧力最小値は、前記第１の最大値選択回路に入力される、請求項６に記載の空気制御システム。
【請求項８】
入力された値を総和する総和回路を更に備え、前記第１及び第２の流量信号は前記総和回路に入力される、請求項７に記載の空気制御システム。
【請求項９】
前記総和された流量信号に基づいて前記空気分配装置のための高い方の圧力限界値を発生する上側限界テーブルを更に備える、請求項８に記載の空気制御システム。
【請求項１０】
前記第１の最大値と前記上側圧力限界値のうち第１の最小値を選択する第１の最小値選択回路を更に備える、請求項９に記載の空気制御システム。
【請求項１１】
前記総和された流量信号に基づいて前記空気分配装置のための低い方の圧力限界値を発生する下側限界テーブルを更に備える、請求項１０に記載の空気制御システム。
【請求項１２】
入力された値から第２の最大値を選択する第２の最大値選択回路を更に備え、前記低い方の圧力限界値及び前記第１の最小値は、前記第２の最大値選択回路に入力される、請求項１１に記載の空気制御システム。
【請求項１３】
前記総和された流量信号に基づいて効率圧力値を提供する効率テーブルを更に備える、請求項１２に記載の空気制御システム。
【請求項１４】
前記効率圧力値及び前記第２の最大値に基づいて第３の最大値を選択する第３の最大値選択回路を更に備える、請求項１３に記載の空気制御システム。
【請求項１５】
前記総和された流量信号に基づいて低い方の圧力限界値を発生する下側限界テーブルを更に備える、請求項８に記載の空気制御システム。
【請求項１６】
入力された値から第２の最大値を選択する第２の最大値選択回路を更に備え、前記第１の最大値及び前記低い方の圧力限界値は、前記最大値選択回路に入力される、請求項１５に記載の空気制御システム。
【請求項１７】
前記総和された流量信号に基づいて上側圧力限界値を発生する上側限界テーブルと、
前記総和された流量信号に基づいて効率圧力値を発生する効率テーブルと、
を更に備える、請求項１６に記載の空気制御システム。
【請求項１８】
前記上側圧力限界値、前記第２の最大値及び前記総和された流量信号に基づいてマニホルド設定ポイント圧力を発生する解法回路を更に備える、請求項１７に記載の空気制御システム。
【請求項１９】
前記解法回路により発生された前記マニホルド設定ポイント圧力は、少なくとも１つの他のシステム効率因子にも基づいている、請求項１８に記載の空気制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えるシステムに係り、より詳しくは、燃料電池を備えるシステムのための空気制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両及び据付パワープラント等のシステムは、発電するため燃料電池システムを使用する。多数の燃料電池システムでは、幾つかの異なる構成要素が、制御された空気流量を要求し得る。例えばコンプレッサ等の空気分配装置は、典型的には、マニホルドに空気を供給する。流量コントローラ（ＦＣ）は、マニホルドの出力部に連結されている。空気分配装置は、燃料電池構成部品を供給するため使用される所望のマニホルド圧力を維持する。流量コントローラ（ＦＣ）は、燃料電池構成部品への空気流量を制御する。システムコントローラは、空気分配装置を制御するため使用される、マニホルド圧力設定ポイントを計算する。従来の燃料電池システムは、典型的に、所望の空気流量へと制御することにより空気分配装置を制御する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明に係る、燃料電池システムのための空気制御システム及び方法は、マニホルドと、空気を該マニホルドに供給する空気分配装置と、複数の燃料電池構成部品と、を備える。複数の流量コントローラ（ＦＣ）が、マニホルドから燃料電池構成部品への空気流量を制御する。コントローラは、ＦＣ及び空気分配装置と連通し、燃料電池システム安定性に関連する第１の因子と、所定の空気流れに対する該空気分配装置の最小圧力及び最大圧力に基づく第２の因子と、に基づいてマニホルド圧力設定ポイントを発生する。
【０００４】
他の特徴では、コントローラは、燃料電池システム効率に関連する第３の因子に基づくマニホルド圧力設定ポイントを発生する。コントローラが第１の因子を計算するとき、コントローラは、第１の構成部品の第１の流量コントローラの第１の流量信号を使用して第１のテーブルで第１の最小圧力差を検索し、該第１の最小圧力差を該第１の構成部品に分配された空気の第１の圧力に加算して第１の最小圧力を発生する。
【０００５】
更に他の特徴では、コントローラが第１の因子を計算するとき、コントローラは、第２の構成部品の第２の流量コントローラの第２の流量信号を使用して第２のテーブルで第２の最小圧力差を検索し、該第２の最小圧力差を該第２の構成部品に分配された空気の第２の圧力に加算して第２の最小圧力を発生する。
【０００６】
更に他の特徴では、第１の最大値選択回路は、入力された値から第１の最大値を選択する。第１及び第２の最小圧力は、第１の最大値選択回路に入力される。総和回路は、該回路に入力された値を総和する。第１及び第２の流量信号が総和回路に入力される。
【０００７】
なお他の特徴では、上側限界テーブルが総和された流量信号に基づいて空気分配回路のための高い方の圧力限界値を発生する。第１の最小値選択回路は、第１の最大値及び該上側圧力限界値のうち第１の最小値を選択する。下側限界テーブルが総和された流量信号に基づいて空気分配回路のための低い方の圧力限界値を発生する。第２の最大値選択回路は、該回路に入力された値から第２の最大値を選択する。低い方の圧力限界値及び第１の最小値は、第２の最大値選択回路に入力される。
【０００８】
更に他の特徴では、効率テーブルが総和された流量信号に基づいて効率圧力値を提供する。第３の最大値選択回路は、効率圧力値及び第２の最大値に基づいて第３の最大値を選択する。
【０００９】
本発明の用途の更なる領域は、次に与えられる詳細な説明から明らかとなろう。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、例示という目的のためだけに与えられたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１０】
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できるようになるであろう。
【実施例】
【００１１】
好ましい実施例の次の説明は、本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用法を限定することを意図したものではない。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使用される。
【００１２】
ここで、図１を参照すると、燃料電池システムのための空気サブシステム２０が示されている。空気分配装置２４は、マニホルド２８に空気を供給する。空気分配装置は、コントローラ、ブロワー、ターボチャージャー、プラズマ空気可動機、又は、空気を供給する他の任意の適切な装置であってもよい。１つ以上の流量コントローラ（ＦＣ）３２−１、３２−２、．．．３２−ｎが、マニホルド２８から燃料電池システムの構成部品への空気の流量を制御する。ＦＣ３２は、流量コントローラ、体積流量コントローラ、又は、他の任意種類の流量コントローラのいずれであってもよい。
【００１３】
例えば、第１のＦＣ３２−１は、燃焼器３６への空気流量を制御する。第２のＦＣ３２−２及び第３のＦＣ３２−３は、第１の反応器４０への空気流量を制御する。第４のＦＣ３２−４は、第２の反応器４４への空気流量を制御する。第５のＦＣ３２−５は、第３の反応器４８への空気流量を制御する。第６のＦＣ３２−６は、燃料電池スタック５６のアノード５５への空気流量を制御する。第７のＦＣ３２−７は、燃料電池スタック５６のアノード５７への空気流量を制御する。燃焼器３６の出力部は、燃料電池スタック５６のカソードへの出力部と統合化され、排気口６４へと至る。
【００１４】
ここで、図２を参照すると、第１の反応器４０は、４０’で示されるように、部分酸化器（ＰＯｘ）と蒸気改質器とを備える、自家熱反応器であってもよい。第２の反応器４４は、４４’で示されるように、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応器であってもよい。第３の反応器４８は、４８’で示されるように、優先酸化器（ＰｒＯｘ）であってもよい。当業者により理解することができるように、本発明は、一例としての燃料電池システムのための改善された空気制御システムを開示している。本発明は、特定の燃料電池と関連して図示されているが、当業者は、本発明の範囲から逸脱すること無く、本燃料電池システムを変更することができることを理解するであろう。
【００１５】
空気マニホルド圧力設定ポイントは、３つの因子を使用して本発明に従って決定される。これらの因子は、異なる優先権を持つことができる。第１の因子は、空気分配装置２４の物理的限界に関連する。空気分配装置２４は、損傷、又は、失速若しくはサージのような望ましくない作動状態を防止するため、空気分配装置２４の種類に特有な一定の境界内で作動するべきである。好ましい実施例では、ルックアップテーブル手段（ＬＵＴ）が、総合的な空気流量に基づいて可能となる最小及び最大のマニホルド圧力設定ポイントを決定する。
【００１６】
第２の因子は、システム安定性を維持することである。システム安定性は、ブランチ空気ＦＣ３２のための最小の圧力要求量を満足させることにより維持される。ブランチ空気ＦＣのための最小圧力要求量は、システム安定性に影響を及ぼす全てのブランチに対してルックアップテーブルを使用して参照されるのが好ましい。最小圧力の最大値は、システム安定性を維持するため要求される最小の空気マニホルド圧力設定ポイントとして使用される。
【００１７】
第３の因子は、システム効率に関する。システム効率は、損失を最小にするため空気分配装置２４を作動させることにより達成される。ここで図３を参照すると、空気分配装置２４の効率が、流量及び圧力比の関数として示されている。最適圧力比のＬＵＴは、システムが要求する総空気流量に対して基準化されている。その代わりに、最適圧力比をモデルベースとすることができる。当該モデルは、システムのトレードオフを考慮するのが好ましい。例えば、空気分配装置２４は、燃料電池がより高い圧力でより効率的に作動することができる一方で、より低い圧力でより効率的に作動することができる。システムのトレードオフは、コントローラ１００により決定することができる。好ましい実施例では、第１及び第２の因子が合致する限り、マニホルド圧力設定ポイントは、効率を最適化するため第１及び第２の因子により決定された基準値以内に調整することを可能にされる。
【００１８】
ここで、図４を参照すると、空気サブシステムのためのコントローラ１００が示されており、プロセッサ１０２と、メモリ１０４（読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、又は、他の任意の適切な電子格納手段）と、を備える。空気分配装置２４と、スタックコントローラ１０６と、マニホルド圧力センサー１０７と、ＦＣ３２と、が、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１０８に接続される。理解することができるように、コントローラ１００と、スタックコントローラ１０６とが、所望ならば単一のコントローラへと結合されていてもよい。その代わりに、追加のコントローラを用いてもよい。１つ以上のＬＵＴ１２０及びマニホルドモデル１２４を用いてもよい。設定ポイント決定モジュール１３０は、ＬＵＴ１２０及び／又はモデル１２４に基づいて空気マニホルド設定ポイントを発生する。
【００１９】
ここで、図５を参照すると、マニホルド圧力設定ポイントを計算するためのステップが全体として１４０で示されている。制御は、ステップ１４２で開始する。ステップ１４４では、要求された空気流量が決定される。ステップ１４８では、第１の因子は、要求された空気流量に対する最小及び最大の空気マニホルド圧力を選択することにより分析される。ステップ１５２では、第２の因子が、システム安定性に対する最小空気マニホルド圧力を決定することにより分析される。ステップ１５６では、コントローラ１００は、第１及び第２の因子が合致されるか否かを判定する。その判定が真である場合、制御は、ステップ１６０で持続し、効率（第３の因子）を最適化する。そうでないと判定された場合、制御は、ステップ１６２で第１の因子及び／又は第２の因子に基づいて作動する。制御は、ステップ１６０及び１６２からステップ１４４に戻って同様の処理を繰り返す。
【００２０】
ここで、図６及び図７を参照すると、第１及び第２の一例としての空気サブシステムマニホルド圧力設定ポイントを求める際の処理の流れが示されている。コントローラ１００は、空気流量ブランチ要求をチェックし、マニホルド圧力が空気分配装置の限界内にあることを確認し、最良の効率ポイントを提供するマニホルド圧力設定ポイントを選択する。この結果を達成するため多数の方法が存在する。例えば、図６は、テーブルに基づく最小／最大値論理を使用する。図７では、システムのトレードオフが複雑になるとき、繰り返し解法が使用される。
【００２１】
ここで、図６を参照すると、部分酸化器の圧力（実際の圧力又はモデル化された圧力のいずれか）が加算器２１０に入力される。部分酸化器と連係されたＦＣ３２のためのＦＣコマンド信号もＬＵＴ２１２に入力される。該ＬＵＴは、ΔＰを計算する。バルブ面積が、流量コマンド信号により制御される。ＦＣの流量は、バルブ面積と、ΔＰとの関数である。
【００２２】
ＬＵＴ２１２の出力は、加算器２１０に入力される。加算器２１０の出力は、部分酸化器ＦＣを満足させるためのマニホルド圧力の最小値である。加算器２３０及びＬＵＴ２３２は、燃料電池スタックＦＣを満足させるためのマニホルド圧力最小値を発生する。最大値選択回路２４０は、加算器２１０、２２０及び２３０からの最小圧力のうち、最大値を選択する。
【００２３】
ＦＣ３２からのコマンド信号は、加算器２５０に入力される。加算器２５０の出力は、ＬＵＴ２５２、２５４及び２５６に入力される。ＬＵＴ２５２は、総和された流量コマンド信号に基づいてマニホルド圧力のための上側限界値を選択する。上側限界値は、最小値選択回路２６０に入力される。最大値選択回路２４０の出力も、最小値選択回路２６０に入力される。
【００２４】
ＬＵＴ２５４は、総和された流量コマンド信号に基づいてマニホルド圧力のための下側限界値を選択する。下側限界値は、最大値選択回路２６４に入力される。最小値選択回路２６０の出力も、最大値選択回路２６４に入力される。ＬＵＴ２５６は、総和された流量コマンド信号に基づいて最適効率を提供する圧力設定ポイントを選択する。最適効率圧力設定ポイントは、最大値選択回路２６８に入力される。最大値選択回路２６４の出力も、最大値選択回路２６８に入力される。最大値選択回路２６８の出力は、所望のマニホルド圧力設定ポイントである。総和された流量コマンドはゼロと比較される。総和された流量コマンドが、比較回路２７０により、ゼロ以下であると判定された場合、所望のマニホルド圧力が乗算器２７２によりゼロに等しく設定される。この所望のマニホルド圧力設定ポイントは、空気分配装置２４を制御するため使用される。
【００２５】
ここで、図７を参照すると、解法回路２８０は、最大値選択回路２７８と、ＬＵＴ２５４と、総和された流量コマンドと、他のシステム効率因子２８２の出力を受け取る。解法回路２８０は、図７に示されるように、所望のマニホルド圧力設定ポイントを発生し、これは、乗算器２７２に出力される。所望のマニホルド圧力設定ポイントは、空気分配回路２４を制御するため使用される。
【００２６】
なお、流量ブランチの数は、燃料電池システム毎に変わり得る。図６及び図７は、３つのブランチ（ＰＯｘ空気、燃焼器空気、及び、スタックカソード空気）を示している。追加のブランチ又はより少ない数のブランチを用いることもできる。また、本発明は、任意数の因子又は３つの因子の組み合わせで作動することができる。例えば、最適化マップが、空気分配装置の限界以内で選択された場合、限界チェック工程を無くすことができる。
【００２７】
当業者は、本発明の幅広い教えを様々な形態で実行できるということを前述の記載から理解することができる。従って、本発明は、その特定の実施例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲をその特定例に限定するものではない。図面、明細書及び請求の範囲を研究するとき他の変更が可能となることが当業者には明らかとなるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、第１の実施例に係る燃料電池システムのための空気サブシステムの機能ブロック図である。
【図２】図２は、図１の空気サブ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、空気分配装置の効率を流量及び圧力比の関数として示したグラフである。
【図４】図４は、空気サブシステムのための一例としてのコントローラの機能ブロック図である。
【図５】図５は、空気マニホルド圧力設定ポイントを発生するためコントローラにより実行される各工程を示す。
【図６】図６は、空気制御システムのためのマニホルド圧力設定ポイントを発生するための第１の信号流れ図である。
【図７】図７は、空気制御システムのためのマニホルド圧力設定ポイントを発生するための第２の信号流れ図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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