(57)【要約】【目的】燃料電池の背圧を制御するため、背圧と相関する複数種類の物性量を変数とする演算式で流量バルブをフィードフォワード（ＦＦ）制御する。【構成】背圧制御装置は、燃料電池１に並列接続された大小流量バルブ８，９  と、背圧センサ１５と、第１及び第２の制御手段２１，２２  を有する。第１の制御手段２１は、背圧と相関関係にある複数の物性量を変数とする演算式を有し、燃料電池の運転条件と演算式に基づく演算結果から大流量バルブ８にＦＦ制御信号を与える。第２の制御手段２２は、背圧センサの検出結果に基づいて小流量バルブ９にＦＢ制御信号を与える。第１の制御手段のＦＦ制御によって制御範囲の基本部分を制御し、第２の制御手段のＦＢ制御によって微調整部分を制御する。ＦＢ制御に依存する割合が少ないので、ＰＩＤ  定数の感度を上げてハンチングが出ても影響が少なく、基本部分を予め定めた多変数の演算式で迅速に計算してＦＦ制御するので応答時間が短縮される。【選択図】図１
2004303444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御する固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
未反応の燃料と空気が排出される前記固体高分子型燃料電池の排出口に接続された流量制御手段と、
前記背圧を検出する背圧センサと、
前記固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有し、前記固体高分子型燃料電池の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える第１の制御手段と、
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。
【請求項２】
前記複数の物性量以外の他の物性量が、前記演算式に基づく制御に対する外乱となった場合に、当該他の物性量を変数として加えた新たな演算式を作る機能を前記第１の制御手段が有している請求項１記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。
【請求項３】
前記演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算した新たな演算式を作る機能を前記第１の制御手段が有している請求項１記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。
【請求項４】
前記背圧センサの検出結果に基づいて前記流量制御手段にフィードバック制御信号を与える第２の制御手段を有しており、
前記背圧の制御範囲を、前記第１の制御手段によってフィードフォワード制御される基本部分と、前記第２の制御手段によってフィードバック制御される微調整部分とに分け、
前記第１の制御手段のフィードフォワード制御によって前記基本部分の制御を達成した後に、前記第２の制御手段のフィードバック制御によって前記微調整部分の制御を達成することを特徴とする請求項１又は２又は３記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池に設けられ、固体高分子型燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御するための背圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素などの燃料と、空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置である。この種の燃料電池の中でも、電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池は、出力密度が高く、作動温度が約７０℃〜９０℃と低いこと、構造が単純で電解質を含めて燃料電池全体を固体で構成できること、高分子膜が差圧に強いことなどの特徴がある。そして、出力密度が高いことは、コンパクトで大きな出力が得られ、低温作動であることは、起動時などの取り扱いが容易になることを意味するので、上述した固体高分子型燃料電池は、例えば自動車用、家庭用、可搬用など様々な分野での利用が可能である。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池では、排出される未反応の燃料と空気による背圧の制御は重要な問題であり、固体高分子型燃料電池から排出される排出燃料等に対して背圧制御弁が設けられているのが一般的である。これにより、固体高分子型燃料電池のカソード側に対するアノード側の圧力を所定圧に設定して所定の発電効率を確保するとともに、固体高分子型燃料電池に供給される燃料の流量を制御することで所定の出力が得られるようになっている。
かかる背圧制御弁を備えた固体高分子型燃料電池の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３８６７１号公報
【０００５】
特許文献１に係る燃料電池の制御装置では、燃料電池の排出燃料を制御する小流量バルブと大流量バルブの２バルブが並列に配置・接続されている。制御部は、低流量域では大流量バルブを閉止し、作動圧とオフガスの流量から小流量バルブをフィードバック制御し、高流量域では、作動圧とオフガスの流量から大流量バルブをフィードフォワード制御し、併せて小流量バルブを同様にフィードバック制御して精度を向上させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に係る燃料電池の制御装置では、背圧の制御が好適に行なわれず、実際には燃料電池のカソード側に対するアノード側の圧力が良好な値に維持できず、所定の安定した背圧が確保できないという問題があった。
【０００７】
本願発明者等は、その原因を次のように分析した。すなわち、特許文献１では、大流量バルブのフィードフォワード制御も、小流量バルブのフィードバック制御も、共に２つの変数からバルブの開度を検索するマップ  （テーブル）方式によって行なっている。すなわち、作動圧とオフガスの流量によって一義的にバルブの開度を決定している。しかし、バルブの開度の制御によって調整すべき燃料電池の背圧は、実際には作動圧とオフガスの流量のみで決定できるものではなく、燃料電池の運転状態を示す他の物性量とも相関関係にあると考えられ、これら他の物性量が変化すれば背圧も変化してしまうと予想される。
【０００８】
そこで、本発明は、本願発明者等が見出した上記知見に基づいてなされたものであり、固体高分子型燃料電池において未反応の燃料と空気による背圧を制御するため、単なるマップ方式ではなく、前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を用いて所定の演算式で演算を行なうことにより流量制御手段  （背圧バルブ）に制御信号を与える背圧制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御する固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
未反応の燃料と空気が排出される前記固体高分子型燃料電池の排出口に接続された流量制御手段と、
前記背圧を検出する背圧センサと、
前記固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有し、前記固体高分子型燃料電池の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える第１の制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記複数の物性量以外の他の物性量が、前記演算式に基づく制御に対する外乱となった場合に、当該他の物性量を変数として加えた新たな演算式を作る機能を前記第１の制御手段が有していることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算した新たな演算式を作る機能を前記第１の制御手段が有していることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載された固体高分子型燃料電池の背圧制御装置は、請求項１又は２又は３記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置において、
前記背圧センサの検出結果に基づいて前記流量制御手段にフィードバック制御信号を与える第２の制御手段を有しており、
前記背圧の制御範囲を、前記第１の制御手段によってフィードフォワード制御される基本部分と、前記第２の制御手段によってフィードバック制御される微調整部分とに分け、
前記第１の制御手段のフィードフォワード制御によって前記基本部分の制御を達成した後に、前記第２の制御手段のフィードバック制御によって前記微調整部分の制御を達成することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池の背圧制御装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る固体高分子型燃料電池の背圧制御装置の実施の形態を示す図、図２は同背圧制御装置における制御の内容・機能を模式的に示す説明図である。
【００１５】
（１）  固体高分子型燃料電池の構成
図１において、本実施の形態による固体高分子型燃料電池１  （以下、単に燃料電池１とも呼ぶ）は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを構成単位とし、このセルを複数積層して構成したスタックから構成されて、燃料として例えば水素が供給される水素極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。そして、空気極及び燃料極には、供給された燃料及び酸化剤のうち、未反応の燃料及び酸化剤を外部へ排出するための排出口１ａが設けられており、各排出口１ａには大気に開放される配管が接続されている。
【００１６】
（２）  制御装置の構成
図１において、本実施の形態による燃料電池１の制御装置２は、燃料電池１へ燃料を供給する燃料供給部３と、燃料電池１へ空気等の酸化剤を供給する酸化剤供給部４と、未反応の燃料と空気が排出される燃料電池１の排出口１ａに接続された流量制御手段５と、燃料電池１が発電した直流を交流に変換して負荷に与える直流交流変換装置６と、制御部７とを有している。
【００１７】
▲１▼燃料供給部３
まず、燃料供給部３は、例えばメタノールと水の混合液等からなる液体燃料を供給する手段であり、図示はしないが、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸気発生部、蒸気発生部の暖気及び液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを生成する燃焼部、燃料蒸気から水素リッチな改質燃料を生成する改質部、改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ低減部、そして補助燃料供給部等も含む。
【００１８】
燃料供給部３は、例えばメタノール等のアルコール系化合物や、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化合物等からなる燃料と水とを、所定の比率で混合した混合液等の液体燃料を蒸気発生部へ供給する。蒸気発生部は、内部に液体燃料を供給するための例えばノズル等を備えており、このノズルから噴霧された液体燃料は燃焼部から供給された燃焼ガスの熱により蒸発させられる。
【００１９】
燃焼部は、例えば、燃料電池１の燃料極から排出された未反応水素を含む排出燃料と、空気極から排出された未反応酸素を含む排出酸化剤とを導入するためのノズルと、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼状態を持続するための燃焼用触媒と、着火源である例えば電気ヒータとを備えている。そして、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼により生成された燃焼ガスを蒸気発生部へ供給する。さらに、燃焼部には補助燃料供給部が備えられており、この補助燃料供給部から供給される補助燃料を燃焼させることによって、燃焼部を暖機すると共に、蒸気発生部にて液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを発生させる。
【００２０】
改質部は、例えば改質触媒を備えており、この改質触媒により燃料蒸気から水素の含有率が高められた（水素リッチな）改質燃料が生成される。例えばメタノールと水の混合液からなる燃料蒸気の場合には、下記反応式（１）〜（３）によって、水素、水、一酸化炭素を含む改質燃料が生成される。
ＣＨ３  ＯＨ＋２Ｏ２  →２Ｈ２  Ｏ＋ＣＯ２  …（２）
ＣＨ３  ＯＨ→２Ｈ２  ＋ＣＯ…（３）
反応式（１）は、メタノールと水による改質反応であり、燃料である水素が生成される。反応式（２）は、メタノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式（１）で必要とされる熱量を補給する。なお、反応式（３）は、不可避的に発生するメタノールの分解反応であり、一酸化炭素が生成される。この一酸化炭素は、燃料電池１内に含まれる、例えばＰｔ触媒等を被毒して発電効率を低下させると共に、燃料電池１の寿命を短くするため、ＣＯ低減部にて除去する。
【００２１】
ＣＯ低減部は、例えばＰｔやＲｕ等からなる選択酸化触媒を備えており、下記反応式（４）によって、改質燃料に含まれている一酸化炭素を選択的に酸化して除去する。
２ＣＯ２  ＋Ｏ２  →２ＣＯ２  …（４）
そして、一酸化炭素の含有量が低減された改質燃料は、燃料電池１の燃料極へ供給される。
【００２２】
▲２▼酸化剤供給部４
次に、酸化剤供給部４は、例えば図示しないエアーコンプレッサーを備えて構成され、制御部７からの制御信号に基づいて酸化剤としての酸素を含む空気等を加圧して、燃料電池１の空気極へ供給する。そして、燃料電池１では、改質燃料中の水素（燃料）と酸化剤（酸素）が電気化学反応を起こして発電が行われる。
【００２３】
▲３▼流量制御手段５
次に、流量制御手段５は、未反応の燃料と空気が排出される固体高分子型燃料電池１の排出口１ａに接続されており、本例では並列接続された小流量バルブ８および大流量バルブ９によって構成される。これらのバルブは電磁弁であり制御部７からの制御信号によって開度が制御され、これによって燃料電池１から排出された未反応の燃料ガス及び空気の圧力、すなわち燃料電池１の背圧を制御することができる。
【００２４】
両バルブ８，９は、例えばステッピングモータ等により駆動されて、所定開度のステップ状にバルブ開度を調整可能であり、例えば大流量バルブ９の１ステップ当たりのバルブ開度は、小流量バルブ８の最大バルブ開度よりも小さくなるように設定されている。そして、１ステップ当たりの弁開度が大きな粗調用圧力流量制御弁（つまり大流量バルブ９）はフィードフォワード制御し、１ステップ当たりの弁開度が小さな微調用圧力流量制御弁（つまり小流量バルブ８）は、例えばＰＩＤ制御等のようにフィードバック制御する。ここで、排出燃料の低流量域においては、大流量バルブ９は全閉状態とされ、小流量バルブ８のみで圧力流量特性が変更される。一方、排出燃料の高流量域においては、大流量バルブ９のフィードフォワード制御により圧力流量特性が相対的に大きく変更され、さらに、この大流量バルブ９による大きな変更を補正するようにして小流量バルブ８がフィードバック制御される。なお、本例では、大流量バルブ９を１つとしたが、２つ以上並列に設ければさらなる大流量に対応することができる。
【００２５】
▲４▼各種検出器
次に、燃料供給部３と燃料電池１を結ぶ配管の中途には流量検出器１０が設けられ、燃料の流量Ｑを測定することができる。燃料電池１には第１の圧力検出器１１が設けられ、燃料電池１の運転圧力Ｐ１を測定することができる。燃料電池１には温度検出器１２が設けられ、燃料電池１の運転温度Ｔを測定することができる。直流交流変換装置６と負荷１３の間には電流検出器１４が設けられ、負荷電流Ｉを測定することができる。さらに、燃料電池１と流量制御手段５を結ぶ配管の中途には第２の圧力検出器１５  （背圧センサ）が設けられ、燃料電池１の背圧を測定することができる。
【００２６】
▲５▼制御部７
次に、制御部７は、例えば電気自動車等の車両におけるアクセルペダルの操作等に基づく発電要求に応じて、排出燃料流量制御部７における排出燃料の流量を制御する。このため、制御部７には、ＣＯ低減部から燃料電池１に供給される燃料の圧力信号と、燃料電池１に供給される改質燃料の流量Ｑを検出する流量検出器１０からの信号と、燃料電池１から排出された排出燃料の圧力Ｐ２を検出する第２の圧力検出器１５からの信号と、燃料電池１にて発生した発電電流を検出する信号と、目標発電量の信号とが入力される。そして、制御部７から、例えば燃料噴射指令値が燃料供給部３へ出力され、発電電流指令値が、直流交流変換装置６に出力されて、負荷１３に対する出力制御に利用される。
【００２７】
制御部７は、流量制御手段５を制御するために第１の制御手段２１と第２の制御手段２２を有している。
第１の制御手段２１は、前記固体高分子型燃料電池１の運転状態を示すとともに前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする前記背圧の演算式を有しており、前記固体高分子型燃料電池１の運転条件と前記演算式に基づいて演算を実行し、該演算結果に基づいて前記流量制御手段５の大流量バルブ９にフィードフォワード制御信号を与えることができる。
【００２８】
本例では、前記背圧と相関関係にある複数種類の物性量とは、燃料の流量Ｑ、燃料の圧力Ｐ１，負荷電流Ｉ、燃料電池１の運転温度Ｔ、使用する燃料の密度Ｄである。使用する燃料の密度Ｄと、目標発電量等の運転条件は、制御部７に必要に応じて入力される。
【００２９】
これらの物性量を変数とする前記演算式は、本装置全体をマニュアルで運転し、あるいは前記各検出器から信号をとりながら各信号単独でＰＩＤ制御によって複数回の実運転を行い、それらの結果から制御対象である背圧と各物性量の間の相関係数を演算し、これによって背圧を導くように作り出したものである。一旦この演算式が得られれば、以後は装置各部に設けられた前記各検出器からの信号は必ずしも必要なく、与えられた運転条件から該演算式によって前記流量制御手段５の大流量バルブ９に与えるフィードフォワード制御信号を直ちに算出して制御に利用することができる。
【００３０】
背圧と相関関係がある前記演算式の変数である物性量の種類を多くとり、また相関係数を得るための実運転の回数が多いほど、さらに運転条件の異なる種々の場合をより多く含めれば、それだけ前記演算式は理想的なフィードフォワード制御を行えるものに近づく。しかし、実用上は１０個程度のデータの母集団で有用な演算式を作り出すことができる。
【００３１】
また、第１の制御手段２１は、前記複数の物性量以外の他の物性量が、前記演算式に基づく制御に対する外乱となった場合には、当該他の物性量を変数として加えた新たな演算式を作る機能を備えたソフトウエアを有している。
【００３２】
また、第１の制御手段２１は、前記演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算した新たな演算式を作る機能を備えたソフトウエアを有している。
【００３３】
すなわち、第１の制御手段２１が有する前記ソフトウエアは自己学習機能を有しており、種々のケースを自己学習し、多変数解析理論を応用して最適解を求めて最適な演算式を作ることができる。
【００３４】
第２の制御手段２２は、前記背圧センサ１５の検出結果に基づいて前記流量制御手段５の小流量バルブ８にフィードバック制御信号を与える。
【００３５】
図２に示すように、本例の制御部７においては、背圧の制御範囲を、第１の制御手段２１によってフィードフォワード制御される基本部分  （ベース部分Ｂ）と、第２の制御手段２２によってフィードバック制御される微調整部分（制御部分Ｃ）とに分けている。制御範囲全体から見て、ベース部分Ｂは制御部分Ｃよりも大きい。そして、第１の制御手段２１のフィードフォワード制御によって基本部分Ｂの制御を達成し、さらにこれに加えて第２の制御手段２２のフィードバック制御によって微調整部分（制御部分Ｃ）の制御を達成するように構成されている。
【００３６】
従来のＰＩＤ制御等のフィードバック制御では、応答時間が遅く、またオーバーシュートが起きる場合があり、系が安定するのに長い時間を要するという問題があった。しかし本例では、フィードフォワード制御とフィードバック制御のそれぞれについて負荷配分（決められた固定流量）を定め、フィードバック結果が出る前にベース流量として制御量の大部分（ベース部分Ｂ）をフィードフォワード制御で迅速に与える制御方式を採用している。本例によれば、フィードバック制御に依存する割合が少ないので、ＰＩＤ定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少なく、ベース流量分を予め定めた多変数の演算式で迅速に計算してフィードフォワード制御で与えるので目標達成までの時間が短いという利点がある。
以上説明したように、固体高分子型燃料電池の制御装置において、特に燃料電池の背圧を制御する背圧制御装置として機能するのは、流量制御手段５と、背圧センサ１５と、複数種類の物性量を変数とする背圧の演算式によって流量制御手５をフィードフォワード制御する第１の制御手段２１と、流量制御手段をフィードバック制御する第２の制御手段２２の組み合わせになる。
【００３７】
（３）  作用
本実施の形態における動作について説明する。
例えばアクセルペダルの操作量等に応じた目標発電電流値（つまり目標発電量）から燃料噴射量を算出して、この燃料噴射量を燃料噴射指令として、例えば燃料供給部３等へ出力する。また、燃料噴射指令から発電電流指令を算出して、直流交流変換装置６等に出力して、燃料電池１から出力される発電電流を制御する。
【００３８】
発電電流指令に基づいて目標アノード作動圧（燃料電池１の作動圧力）を算出する。なお、目標アノード作動圧は、燃料電池１の反応効率に応じて設定された所定の圧損、つまり燃料電池１に供給される改質燃料の圧力と、燃料電池１から排出された排出燃料の圧力  （背圧）との差に関する値であり、燃料電池１から出力される発電電流に対して所定の目標アノード作動圧が設定されている。また、燃料噴射指令及び発電電流指令に基づいて、排出燃料つまりオフガスの流量を算出する。
【００３９】
ここで、第１の制御手段２１は、前述した多数の物性量を変数とする予め定められた演算式に基づき、与えられた運転条件から、フィードフォワード制御による排出燃料流量制御部７の大流量バルブ９のバルブ開度を算出する。この時、本装置各部に設けられている各種検出器  （センサ）から実際の信号を取り入れて演算を行なう必要はなく、所与の運転条件と演算式から直ちに大流量バルブ９の操作量を算出でき、これをフィードフォワード制御で与えればベース部分Ｂについて速やかな制御を達成することができる。
【００４０】
また、第２の制御手段２２は、第２の圧力検出器１５  （背圧センサ）からの信号に基づいて燃料電池１の背圧を測定し、小流量バルブ８のバルブ開度に関するフィードバック係数を算出し、その開度をフィードバック制御する。
【００４１】
そして、排出燃料の低流量域においては、大流量バルブ９のバルブ開度としてゼロが出力され、小流量バルブ８のバルブ開度としてフィードバック制御により算出された値が出力される。
一方、排出燃料の高流量域においては、大流量バルブ９のフィードフォワード制御におけるバルブ開度及び、この大流量バルブ９のバルブ開度を補正するようにしてフィードバック制御により算出された小流量バルブ８のバルブ開度が、バルブ開度指令として出力される。
【００４２】
かかる制御方式の切り替え方法としては、例えば、予め用意しておいた過去の経験則に従って行なう方法や、圧力上下限警報を用いる方法を用いることができる。
【００４３】
次に、流量制御手段５の小流量バルブ８及び大流量バルブ９のバルブ開度を制御するため、制御部７において行なわれる信号等の処理手順等について具体的に説明する。先ず、第１段階において、目標となる運転条件が与えられると、第１の制御手段２１は、予め用意してある多変数の演算式から、流量制御手段５の大流量バルブ９のバルブ開度を演算する。
【００４４】
次に、第２段階において、上で演算された大流量バルブ９の開度が所定の閾値よりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり排出燃料の高流量域であると判定した場合には、小流量バルブ８の開度を所定開度、例えば最大開度の１／２の開度に設定する。第２の制御手段２２が、背圧の値からバルブ開度に関するフィードバック係数を算出し、小流量バルブ８のバルブ開度を、例えばＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。
【００４５】
一方、判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり排出燃料の低流量域であると判定した場合には、大流量バルブ９のバルブ開度を全閉とする。そして、「ＮＯ」の場合に述べたのと同様に、小流量バルブ８の開度のフィードバック制御量を定め、小流量バルブ８のバルブ開度を、例えばＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。
【００４６】
このように、流量制御手段５を通過する排出燃料の流量が所定流量に到達するまでの低流量域では、大流量バルブ９のバルブ開度は全閉とし、小流量バルブ８のバルブ開度をフィードバック制御によりステップ状に変更して、排出燃料の流量及び背圧つまり燃料電池１側における排出燃料の圧力を調整する。
【００４７】
一方、所定流量を超えた後の高流量域では、大流量バルブ９のバルブ開度をフィードフォワード制御によりステップ状に変更して、排出燃料の背圧を相対的に大きく変更するとともに、小流量バルブ８のバルブ開度を中間開度、例えば最大開度の１／２の開度に設定しておき、大流量バルブ９の１ステップ毎のバルブ開度の変化に応じて、小流量バルブ８のバルブ開度を微調整用としてフィードバック制御する。
【００４８】
そして、本例では、フィードフォワード制御とフィードバック制御のそれぞれについて負荷配分（決められた固定流量）を定め、フィードバック結果が出る前にベース流量として制御量の大部分（前記ベース部分Ｂ）をフィードフォワード制御で与え、しかもその制御量の演算が複数の物性量を変数として予め定められた演算式を用いた演算によるので、目標達成までの時間が非常に短い。また、フィードバック制御に依存する割合が少ない  （前記制御部分Ｃ）ので、ＰＩＤ定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少ない。
これによって、小流量から大流量に至る広い範囲において高い応答性を維持しつつ、高精度の背圧制御を行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１記載の固体高分子型燃料電池の背圧制御装置によれば、固体高分子型燃料電池の運転状態を示すとともに背圧と相関関係にある複数種類の物性量を変数とする背圧の演算式を有しており、運転条件と演算式に基づいて演算を実行して流量制御手段にフィードフォワード制御信号を与える構成とされているので、多数の物性量が複雑に相関して定まる燃料電池の背圧制御が精妙かつ迅速に行なわれ、所定の発電効率を確保し、所定の出力を得ることができるという効果がある。
【００５０】
請求項２又は３に記載された背圧制御装置によれば、演算式の変数以外の他の物性量が制御系に対する外乱となった場合に、これを自己学習して当該他の物性量を変数として取り込んだ新たな演算式を作り、また演算式に基づく制御が好適に行なわれた場合に、当該制御結果に基づいて前記演算式を再計算して一層好ましい新たな演算式を作る機能を有するので、燃料電池の運転において起こり得る種々のケースを自己学習することにより一層精妙な背圧制御を実現できるという効果がある。
【００５１】
請求項４に記載された背圧制御装置によれば、背圧の制御の基本部分を、前記第１の制御手段によってフィードフォワード制御により行い、これ以外の微調整部分を、前記第２の制御手段によってフィードバック制御で行なうので、制御量の大部分である基本部分については予め定めた多変数の演算式で計算するフィードフォワード制御で迅速に制御でき、フィードバック制御に依存する微調整部分の割合が少ないので、当該微調整部分についてはＰＩＤ定数の感度を上げて若干のハンチングが出ても全体に与える影響が少ない。このように、オーバーシュートが起こりにくく、目標達成までの時間が短く、制御系全体が迅速に安定化するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る背圧制御装置を設けた固体高分子型燃料電池の全体構成図である。
【図２】本発明に係る背圧制御装置の制御部における制御の内容・機能を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…固体高分子型燃料電池、１ａ…排出口、２…制御装置、３…燃料供給部、４…酸化剤供給部、５…流量制御手段、６…直流交流変換装置、７…制御部、８…小流量バルブ、９…大流量バルブ、１５…第２の圧力検出器、２１…第１の制御手段、２２…第２の制御手段。
【図１】
2004303444.tif 000003
【図２】
2004303444.tif 000004