(57)【要約】【課題】  電力負荷の急増時に付加的な燃料と空気を燃料電池に印加する負荷追従アルゴリズムを用いて所望の電力を提供すること【手段】  負荷追従アルゴリズムを採用した燃料電池型発電システム１０は、負荷要求を満たすよう燃料電池１２から引き出される電流を測定する。負荷追従アルゴリズムはこの測定された電流を用いて燃料と空気の適正量を識別し、負荷要求が急増したとき、付加的な燃料と空気を燃料電池１２に提供する。燃料電池１２からの電流が負荷要求の変化に応じて変動すると、負荷追従アルゴリズムは燃料電池１２に印加される燃料と空気の量を増減させて付加的な燃料と空気を実質的に一定に保つ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム負荷に印加される電力を制御するための燃料電池配電システムであって、
燃料入力と空気入力とに応答して引き出し電流を生成する燃料電池と、
前記引き出し電流に応答する電力調整モジュールであって、前記引き出し電流を調整し、調整された電流を前記システム負荷に印加する電力調整モジュールと、
前記燃料電池から引き出される電流を測定して、測定された引き出し電流を表す燃料電池信号を生成する燃料電池センサと、
前記燃料電池信号に応答する燃料電池コントローラであって、前記燃料電池からの利用可能な出力電力を設定し且つ前記燃料電池に印加される指令信号を決定する負荷追従アルゴリズムを動作させ、前記負荷追従アルゴリズムが、システム負荷の変動に応じて前記燃料電池が前記引き出し電流よりも大きい追加の電流を迅速に生成することができるよう燃料入力と空気入力とのバッファを提供する燃料電池コントローラと、
を具備する燃料電池配電システム。
【請求項２】
前記燃料電池コントローラが前記燃料電池信号のノイズを除去するフィルタを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記フィルタが、前記燃料電池信号の変動の除去を制限する一次遅延フィルタである、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記フィルタがカルマン・フィルタ、バターワース・フィルタ及びノッチ・フィルタからなる群から選択される、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記負荷追従アルゴリズムが所定数のサンプル期間において前記燃料電池信号を平均化する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記の平均化された燃料電池信号がバッファ信号と組み合わされて付加的な燃料入力と空気入力とを提供する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料電池コントローラが、前記燃料入力と前記空気入力とが前記燃料電池に印加される率を制限する率リミッタを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
更に電池と電池電流センサ又は電池モジュールとを備え、
前記電池が前記システム負荷に対する電池電流を提供し、
前記電池電流センサ又は前記電池モジュールが前記電池電流を測定し、
前記電池電流センサが、測定された電池電流を表す電池電流信号を生成する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記燃料電池コントローラが前記電池電流に応答するものであり、
前記燃料電池コントローラが、前記電池電流センサが所定期間にわたって連続的に所定の電池電流を測定したならば、利用可能な出力電力を増加する、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
更に電池と電池電圧センサとを備え、
前記電池がシステム負荷に対する電池電圧を提供し、
前記電池電圧センサが電池電圧を測定し、
前記電池電圧センサが測定された電池電圧を表す電池電圧信号を生成する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池コントローラが前記電池電圧信号に応答し、
前記燃料電池コントローラが電池電圧ドリフトを測定し、前記電池に印加される充電電流を決定する、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
車輌に電力を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
システム負荷に印加される電力を制御するための燃料電池配電システムであって、
燃料入力と空気入力とに応答して引き出し電流を生成する燃料電池と、
前記引き出し電流に応答して、前記引き出し電流を調整し且つ調整された電流を前記システム負荷に印加する電力調整モジュールと、
前記燃料電池からの前記引き出し電流を測定し、測定された引き出し電流を表す燃料電池信号を生成する燃料電池センサと、
前記燃料電池信号に応答する燃料電池コントローラであって、前記燃料電池から利用可能な出力電力を設定し且つ前記燃料電池に印加される指令信号を決定する負荷追従アルゴリズムを動作させる燃料電池コントローラと、
を具備し、
前記負荷追従アルゴリズムが、前記システム負荷からの変動に応答して前記引き大電流よりも大きい追加の電流を前記燃料電池が迅速に生成することができるよう前記燃料電池への燃料入力と空気入力とのバッファを提供し、
前記燃料電池コントローラが、前記燃料電池信号におけるノイズを除去し、前記燃料電池信号の変動の除去を制限する一次遅延フィルタを備え、
前記負荷追従アルゴリズムが、フィルタリングされた燃料電池信号を所定数のサンプル期間において平均化し、
平均化された燃料電池信号がバッファ信号を組み合わされて付加的な燃料入力と空気入力とを提供するシステム。
【請求項１４】
前記フィルタが、カルマン・フィルタ、バターワース・フィルタ及びノッチ・フィルタからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記燃料電池コントローラが、燃料入力と空気入力とが前記燃料電池に印加される率を制限するためのリミッタを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
更に電池と電池電流センサとを備え、
前記電池が前記システム負荷に対する電池電流を提供し、
前記電池電流センサが前記電池電流を測定し、
前記電池電流センサが、測定された電池電流を表す電池電流信号を生成し、
前記燃料電池コントローラが、前記電池電流信号に応答して、前記電池電流センサが所定の期間にわたって所定の電池電流を連続的に測定したならば、利用可能な出力電力を増加する、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
更に電池と電池電圧センサとを備え、
前記電池が前記システム負荷に対して電池電圧を提供し、
前記電池電圧センサが前記電池電圧を測定し、
前記電池電圧センサが、測定された電池電圧を表す電池電圧信号を生成し、
前記燃料電池コントローラが、前記電池電圧信号に応答して、電池電圧ドリフトを監視し、前記電池に印加される充電電流を決定する、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
燃料電池から負荷へ電力を分配する方法であって、
前記燃料電池に燃料を印加するステップと、
前記燃料電池に空気を印加するステップと、
前記燃料電池から電流を引き出して電力調整モジュールに加えるステップと、
前記電力調整モジュールにおいて引き出し電流を調整するステップと、
調整された引き出し電流を前記負荷に印加するステップと、
前記燃料電池からの引き出し電流を測定するステップと、
前記燃料電池への燃料と空気及び前記燃料電池からの利用可能な出力電力を設定する指令信号を提供するステップと、
を備え、
前記指令信号が、前記負荷からの要求の増加に応答して前記燃料電池が迅速に追加の出力電力を生成することができるよう、所定の付加的な燃料と空気を提供する方法。
【請求項１９】
更に、一次遅延フィルタによって、測定された引き出し電流をフィルタリングするステップを含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
所定のサンプル期間にわたって、測定された引き出し電流を平均化するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
電池からの電池電流を測定するステップと、
測定した電池電流が所定の期間にわたって所定量よりも連続的に大きいならば、利用可能な出力電力を増加させるステップと、
を更に備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
電池と電池電圧センサとからの電池電圧を測定するステップと、
電池電圧ドリフトを監視するステップと、
を更に備える、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、一般に、負荷追従アルゴリズムを採用した燃料電池型システムに関係し、一層詳細には、負荷追従アルゴリズムを採用した燃料電池型システムであって、燃料電池から引き出される電流を測定する電流センサを具備しており、燃料電池に印加される燃料と空気を負荷追従アルゴリズムで制御し、電力需要の急増を満たすために所定量の付加的な燃料と空気を燃料電池に供給する燃料電池型システムに関する。
【従来技術】
【０００２】
水素は、クリーンであり、燃料電池において効率的に電気を生成するために使用することができるので、極めて魅力的な燃料である。自動車産業は水素燃料電池の車両用動力源としての開発において、かなりのリソースを費やしている。こうした車輌は一層効率的であり、内燃機関を採用する今日の車輌よりも少ない量の排出物を生成する。また、水素燃料電池は、分散発電と呼ばれる静止電力のためのクリーンで効率的なエネルギ供給源でもあり得る。
【０００３】
水素燃料電池はアノードとカソードとそれらの間の電解質とを有する電気化学的デバイスである。アノードは燃料として水素ガスを受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素ガスはアノードにおいて分離されて自由水素陽子と電子を生成する。水素陽子は電解質を通過してカソードに至り、そこで酸素及び電子と反応して水を生成する。アノードにおいて分離された電子は電解質を通過できないため、負荷へ進んで仕事をしてからカソードへ送られる。
【０００４】
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は公知の良く知られた燃料電池である。一般に、ＰＥＭＦＣはペルフルオロスルホン酸膜のような固体ポリマ電解質プロトン伝導膜を備えている。典型的には、アノード及びカソードは、炭素粒子によって支持され且つアイオノマと混合された、微細に分割された触媒粒子（通常は白金）を有する。アノード、カソード及び膜の組み合わせによって膜電極組み立て体（ＭＥＡ）が規定される。MEAは比較的製造コストがかかり、効率的な動作のための或る種の条件が必要である。これらの条件の中には、適切な水分管理及び加湿、並びに一酸化炭素（ＣＯ）のような触媒汚染成分が含まれる。
【０００５】
典型的には、電力生成のために燃料電池を採用するシステムは、特定の応用のための所望の電力要件を提供するよう調整された直流（ＤＣ）又は交流（ＡＣ）を生成する燃料電池分散発電（ＦＣＤＧ）システムを含む。ＦＣＤＧシステムは特定の時点でのシステム負荷からの需要に基づく電力量を提供する。自動車の応用の場合、車速を増大させるため、車輌の運転手が動力ペダルを押すと、燃料電池からの一層多くの出力電力が要求される。電力要求は車輌のパワートレインに対してなされる。車速を増すための追加の電力は、生成され且つ燃料電池から利用可能になるまで提供されない。こうして、運転手が動力ペダルを押した時間から所望の電力量が燃料電池から供給されるまでに或る時間がかかる。時には、この期間は５００ミリ秒のオーダーになる。
【０００６】
家庭用発電の応用のような他の応用においては、ＦＣＤＧシステムは燃料電池から全所要電力を直ちに引き出すが、ことによると、そのときの燃料と空気から燃料電池が提供することができるよりも多くの電力を引き出すことがある。例えば、ユーザーがスイッチを入れて、追加の電力需要がほぼ瞬間的に必要となる電気器具を始動させたとする。こうしたことが起こると、燃料電池からの電力の引き出しは、そのときに燃料電池が供給することができるよりも多くの電流を引き出そうとすることによって燃料電池を損傷し得る。したがって、公知のＦＣＤＧシステムは、電池のような追加の電力源を燃料電池と並列に採用して、電力要求がなされたときと燃料電池が追加の電力を発電し始めるときとの間の過渡時間の期間において追加電力要求を満たす。
【０００７】
ＦＣＤＧシステムは、負荷がＦＣＤＧシステムに接続され又は該システムから切り離されるときに負荷を満足させるよう、ほぼ瞬間的に所望の出力電力量を調整し且つ提供する負荷追従アルゴリズムを採用することができる。これを行うために、負荷追従アルゴリズムは電池と燃料電池という２つの電力源を管理し、負荷の変化によって燃料電池に課される障害を拒否し且つ管理する。
【０００８】
図１は、ＦＣＤＧシステム１０の一般的な概略図である。システム１０は、上記の原理に基づいて出力電力を生成する燃料電池１２を備える。また、システム１０は、始動期間と燃料電池１２が或る分散発電（ＤＧ）負荷２４を動作させるに足る追加の電力を提供していない場合とに追加の電力を提供する蓄電池１４を備える。更に、システム１０は、燃料電池１２からのＤＣ電力を種々の電圧レベルへ変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、燃料電池１２からのＤＣ電力を負荷２４のためのＡＣ電力へ変換するＤＣ／ＡＣインバータとを備える電力調整モジュール１８を有する。
【０００９】
燃料電池１２は、入力される燃料と空気に依存して、可変のＤＣ電力を電力調整モジュール１８へ出力ライン１６上で提供する。同様に、蓄電池１４は電力調整モジュール１８へライン２０上で例えば６０キロワットのＤＣ電力を提供する。電力調整モジュール１８はＤＣ電力を異なるＤＣ電力及びＡＣ電力へ調整する適宜の回路を有する。ＡＣ電力はライン２２に提供され、特定の用途に依存して種々のＤＧ負荷２４を動作させる。ＤＧ負荷２４は任意の時間にオン、オフされ得るので、燃料電池１２から多くの又は少ない電力を引き出すことができる。
【００１０】
電力調整モジュール１８は、燃料電池１２における或る装置のための調整されたＤＣ電力、例えば、カソード入力空気を提供するシステム・コンプレッサのための３８０ボルトをライン２６に提供する。また、電力調整モジュール１８は、調整されたＤＣ電力をライン２６よりも低い電圧レベル（例えば１２及び／又は１４ボルト）で燃料電池１２へのライン２８に提供して他の燃料電池の要素、例えば低電力付属要素を動作させる。更に、電力調整モジュール１８は、燃料電池１２がＤＧ負荷２４によって必要とされるよりも多くの電力を提供している期間に蓄電池１４を充電するよう、ライン３０にＤＣ電力を提供する。
【００１１】
システム１０を動作させる制御システムに対して或る規制が課される。特に、燃料電池１２からライン１６へ引き出される電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌは、燃料電池スタックから利用可能な電流Ｉ＿ｍａｘＦＣを越えてはならない。また、燃料電池１２からの電流の変化率はガス流動の結果として制限される。試験では、耐久性とシステム要素が全体としてガス流動を規定する。本明細書に関しては、ガス流動は
[数１]
ｄ（Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌ）／ｄｔ  ≦  ２５（アンペア／秒）        （１）
に制限される。
【００１２】
更に、蓄電池出力電圧は６２ボルトと７０ボルトとの間に維持されねばならない。充電期間の電池電流は電池ボイルオフを回避するよう制限されなければならない。即ち、Ｉ＿ｂａｔｔ≧電池へ入る１０アンペアである。また、燃料電池電圧は、その分極曲線の何パーセント以内かに維持されねばならない。これらのパラメータが燃料電池を回復不能な損傷から守るために破られた場合、システムは燃料電池の診断によって停止される。
【００１３】
上記のように、ＦＣＤＧシステム１０は、一次負荷、コンプレッサ負荷及び低電力付属負荷と発燃料電池１２による発電機との電力バランスを取るために負荷追従アルゴリズム又は負荷平衡アルゴリズムを採用することができる。ライン１６、２０、２２、２６、２８、３０上の電力を適宜のセンサによって正確に測定することができ、電力調整モジュール１８の効率を正確に知り得るならば、電力バランスを
【００１４】
【数２】
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【００１５】
として表すことができる。式（２）において、Ｐcmpはライン２６上のコンプレッサ電力、Ｐancはライン２８上の補助電力、Ｐloadはライン２２上の交流負荷、Ｐfuelcellはライン１６上に燃料電池１２によって提供される電力、Ｐbattはライン２０上に蓄電池１４から提供される電力、ηは電力調整モジュール１８の全効率である。
【００１６】
したがって、効率ηが分かっており、電流センサ及び電圧センサによって全電力がＦＣＤＧシステムにおいて測定されるならば、Ｐfuelcellは計算可能である。しかし、電力測定値のうちのいずれかが過小評価されると、電力要求により、或る期間にわたって蓄電池１４が消耗され得る。一方、センサが電力要求を過大評価すると、システム１０は非効率的に動作する。ここで検討するように電流を正確に測定することができることに加えて、こうした手法は、少なくとも１０個の電圧・電流センサとシステム１０の全動作範囲にわたる完全に開発された効率マップとを必要とする。つまり、こうした技術は故障に対して耐性がなく、高価であり且つ非効率的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
燃料電池化学量論すなわちラムダは、燃料電池から特定の出力電流を生成するのに必要な燃料と空気の量を規定する。特に、アノード化学量論とも呼ばれる燃料ラムダは、燃料電池スタックに供給される水素のモル／秒を燃料電池スタックで消費される水素のモル／秒で割った値である。同様に、酸素ラムダは燃料電池スタックに供給される酸素のモル／秒を燃料電池スタックで消費される酸素のモル／秒で割った値である。燃料電池スタックが完全に動作しているならば、燃料ラムダと酸素ラムダは１である。しかし、燃料と酸素はスタックにおいて全部の触媒に均一に到達するものとは限らないので、特定の出力電流を提供するには一層多くの燃料と酸素が必要になり、したがって、燃料ラムダと酸素ラムダは必ず１より大きい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の教示にしたがって、所望の出力電力を燃料電池からオンデマンドで提供する負荷追従アルゴリズムを採用した燃料電池発電システムが開示される。この燃料電池発電システムは、システム負荷要求を満たすために使用される、燃料電池から引き出される電流を測定する引き出し電流センサを備える。負荷追従アルゴリズムは、負荷要求を満たすため、測定された引き出し電流を用いて、燃料電池に印加される燃料と空気の適正な量を識別し、次いで、付加的な燃料と空気のバッファを燃料電池スタック内に設ける。したがって、負荷要求が急増したとき、燃料電池は追加の出力電力を迅速に生成することができる。燃料電池から引き出される電流が負荷要求の変動に応じて変化すると、負荷追従アルゴリズムは、付加的な燃料と空気のバッファが実質的に一定に維持されるよう、燃料電池に印加される燃料と空気の量を増減させる。この付加的な燃料と空気は消費されず、燃料電池スタックから排出される。効率のために、付加的な燃料と空気を、排出する代わりに、或る機構によって燃料電池スタックへ戻すよう循環させてもよい。
【００１９】
一つの実施の形態においては、負荷追従アルゴリズムは、測定された引き出し電流を一次遅延フィルタによってフィルタリングし、センサからのノイズは除去するがシステム負荷の変動は除去されないようにする。フィルタリングされた引き出し電流は変換手段によって所定数のサンプル期間にわたって平均化され、負荷要求の急速な変動がシステム・コンポーネントの動作を妨げないようにする。平均化された引き出し電流はバッファ電流と加算され、付加的な燃料と空気を生じる指令電流設定点を生成する。指令信号は燃料電池スタックに印加され、特定のシステム負荷に対する所望量の電流を生成する。
【００２０】
本発明の更なる利点及び特徴は、添付の図面を考慮して以下の説明と特許請求の範囲と読むとき明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
負荷追従アルゴリズムを採用した燃料電池型発電システムに関する本発明の実施の形態についての以下の検討は、本質的に例示であって、本発明やその応用、利用を何ら制限するものではない。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池型発電システム４０の概略ブロック図である。システム４０は、特定の負荷を駆動するための出力電流を提供する燃料電池スタックを有する燃料電池モジュール４２を備える。また、システム４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとを備える電力調整モジュール１８と同じ電力調整モジュール４４を有する。この設計においては、システム電池は電力調整モジュール４４に設けられており、電力増が要求される期間に燃料電池モジュール４２が立ち上がってしまう前にシステム４０が供給するよう求められる追加の電力を提供する。電池は応用によっては不要である。
【００２３】
電力調整モジュール４４はシステム４０が駆動している種々の交流負荷５０に印加される交流電力を出力ライン４８に提供する。一つの実施の形態においては、システム４０は車両を駆動するための電力を提供するために車両に採用される。しかし、当業者であれば理解するように、システム４０は家庭用発電システムや事業用発電システムのような任意の適宜の燃料電池システムにおいて採用され得る。
【００２４】
本発明によると、システム４０は、負荷５０の要求を満たすよう電力調整モジュール４４によって燃料電池からライン５２上に引き出されている引き出し電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌを測定する電流センサ５４を備える。電流センサ５４は測定された引き出し電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌを表す信号を燃料電池コントローラ５６に与える。燃料電池コントローラ５６は燃料電池モジュール４２から引き出すのに利用し得る最大引き出し電流Ｉ＿ｍａｘＦＣを決定する。また、燃料電池コントローラ５６は、後述する負荷追従アルゴリズムに基づいて或る量の電力を生成するよう燃料電池モジュール４２に命令する指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣをライン５８上で燃料電池モジュール４２に与える。換言すると、指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣは、その時点での負荷５０の電力要求に部分的に基づいて燃料電池モジュール４２に与えられなければならない燃料と空気の量を決定する。電力調整モジュール４４は蓄電池の充電が必要であるかどうかを考慮して燃料と空気を決定する。後述するように、負荷５０からの要求の変動を満足するよう、指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣは付加的な燃料と空気のバッファを燃料電池モジュール４２に印加させる。
【００２５】
また、燃料電池コントローラ５６はライン６０を介して電力調整モジュール４４へ電流引き出し信号Ｉ＿ｄｒａｗを提供する。この場合、燃料電池コントローラ５６は電流引き出し信号Ｉ＿ｄｒａｗを最大引き出し電流Ｉ＿ｍａｘＦＣに設定する。こうして、電力調整モジュール４４には、燃料電池モジュール４２がそのとき生成することができる限り多くの電流を燃料電池モジュール４２から引き出すことができることだけが分かり、また、電力調整モジュール４４は負荷５０によって要求された追加の電力を蓄電池から引き出すことを知る。
【００２６】
本発明によると、負荷追従アルゴリズムは、システム４０の燃料電池ラムダに対する負荷要求に合致するよう燃料と空気の適正な量を識別するために、測定された引き出し電流を使用する。更に、負荷追従アルゴリズムは、負荷５０からの要求が突然増加した場合に付加的な利用可能な出力電流のバッファを提供するよう、燃料電池モジュール４２に印加される付加的な燃料と空気の所要量を決定する。換言すると、本発明の負荷追従アルゴリズムは、負荷５０からの電力要求を満たすのに必要な追加の量の燃料と空気を燃料電池モジュール４２に与えるので、燃料電池モジュール４２は負荷５０からの要求に応じて追加の出力電力を迅速に提供することができる。付加的な燃料と空気は、燃料と酸素ラムダの一部であっても、酸素と燃料ラムダに加えられるものであってもよい。付加的な燃料と空気は未使用の燃料と空気として燃料電池モジュール４２から排出され、又は、設計によっては燃料電池モジュール４２の入力へ戻される。
【００２７】
図３は、横軸に時間を取り、縦軸に電流を取って、負荷追従アルゴリズムの動作をグラフ表示した図である。線６４は任意の特定の時点で負荷５０を満足させるために電力調整モジュール４４によって引き出される電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌを表している。線６６は、燃料電池モジュール４２が燃料と空気との入力に基づいて任意の時点で生成することができる電流を表す。ここから明らかなように、負荷５０からの変動（スパイク）がほぼ瞬間的に与えられるよう、線６６は常に線６４よりも上にある。負荷の要求が増減すると、燃料電池モジュール４２から利用することができる電流も増減する。
【００２８】
図４は、本発明に係る負荷追従アルゴリズムの動作を示すブロック図である。電流センサ５４からの測定された引き出し電流は、電流センサ５４からの信号に含まれるノイズは除去するが変動の結果としての測定された引き出し電流に含まれる変化は除去しない一次遅延フィルタ７０に印加される。こうして、フィルタ７０は、センサ・ノイズの結果として入力された燃料と空気の変化を防止するので、電流センサの揺れは燃料電池モジュール４２への入力された燃料と空気の流れに伝えられず、システム４０の不要な脈動が回避される。フィルタ７０はセンサ・ノイズを低減するよう校正される必要があるが、負荷追従アルゴリズムはシステム性能のニーズを満たすように十分迅速に変動に反応することができる。フィルタ７０は上記の目的に適する任意のフィルタであってよく、例えば、カルマン・フィルタ、バターワース・フィルタ、ノッチ・フィルタ等である。
【００２９】
フィルタ７０からのフィルタリングされた電流信号は変換手段７２に印加される。更に、サンプラ７４からのサンプル信号が変換手段７２に印加される。変換手段７２は、或る数のサンプルにわたってのフィルタリングされた電流信号の平均を生成する。この場合、各サンプル期間毎に、最も新しいサンプルが最も古いサンプルに置き換わる。変換手段７２は引き出し信号Ｉ＿ｄｒａｗの大きな変化がシステム４０の動作を妨害するのを防止し、燃料と空気の所望のバッファを超過するのを防止する。サンプル数は燃料電池システム４０と負荷５０との特定のパラメータ、例えば、典型的な負荷変動や燃料電池システムの動力学に基づく校正によって決定される。一つの実施の形態においては、サンプルは１０秒ごとに生成され、平均化されるサンプル数は２０である。
【００３０】
変換手段７２からの平均化された電流信号は加算器７６に印加される。更に、バッファ７８からのバッファ電流信号が加算器７６に印加される。上記の変動に対処するように燃料電池モジュール４２に付加的な燃料と空気の流れを与えるために、バッファ電流信号は所定量の電流を変換手段７２からの平均化された電流信号に加算する。バッファのサイズは、引き出し信号Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌの予期せぬ変化、弁アクチュエータの速度、システム脈動の大きさ等の特定のシステムのための校正によって決定される。
【００３１】
加算器７６からの加算された信号は、燃料電池モジュール４２に入力される燃料と空気の増加率又は減少率を規定する率リミッタ８０に印加される。これが望ましいのは、入力される燃料と空気の変動を燃料電池モジュール４２の動的能力に合わせるからである。換言すると、この率はコンプレッサの速度、弁アクチュエータの速度、パイプの太さ等に基づいて決められる。率リミッタ８０の出力は燃料電池モジュール４２に印加される指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣである。
【００３２】
上記の通り、制御ループは引き出し信号Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌが最大引き出し電流Ｉ＿ｍａｘＦＣよりも小さく維持されるのを保証する。しかし、センサ５４に重大なノイズがある場合には、最大引き出し電流Ｉ＿ｍａｘＦＣの方が引き出し電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌよりも小さいことがある。この状況においては、電池がシステム４０の一部であるならば、負荷要求を満たすよう電池電流が使用される。しかし、上記の状況が検出されず、燃料電池モジュール４２の出力が増加されないならば、電池は最終的には消耗される。本発明によると、この状況は、電池電流Ｉ＿ｂａｔｔを感知して電池電流Ｉ＿ｂａｔｔを表す信号を燃料電池コントローラ５６に与える電流センサ８２を設けることによって防止される。電池電流Ｉ＿ｂａｔｔが所定のパラメータに基づいて永続的に正であるならば、電池電力が連続的に使用されており、負荷追従アルゴリズムは引き出し電流Ｉ＿ｆｕｅｌｃｅｌｌが最大引き出し電流Ｉ＿ｍａｘＦＣよりも小さくなるのを妨げない。これが生じると、指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣが立ち上げられて電池が消耗されないよう保証する。
【００３３】
また、電池電圧は時間と共にドリフトする。電池電圧のドリフトに対処するために、システム４０は、電池の電圧を測定する電圧センサ８４を備える。感知された電池電圧は電流引き出し信号Ｉ＿ｄｒａｗを制御するために燃料電池コントローラ５６に印加される。燃料電池コントローラ５６は測定された電池電圧と電圧設定点とを比較して電圧ドリフトを決定する。測定された電池電圧は電池の充電電流を所定値、例えば１０アンペアよりも小さく保つ。燃料電池コントローラ５６は電池を充電するために指令Ｉ＿ｒｅｑＦＣを増加することができる。しかし、この増加は充電電流が１０アンペアを越えないよう制限される。
【００３４】
以上の記載は本発明の例示的な実施の形態を開示し且つ説明する。こうした説明及び添付の図面から当業者であれば認識するように、特許請求の範囲に規定される発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更、修正及びバリエーションが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池型発電システムの代表的な概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る負荷追従アルゴリズムを採用する燃料電池型発電システムを示す図である。
【図３】横軸を時間に取り、縦軸を電流にとったグラフであって、本発明の負荷追従アルゴリズムの動作を示す図である。
【図４】図２に示すシステムの負荷追従アルゴリズムによって実行される動作ステップを示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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