(57)【要約】【課題】燃料電池に利用されるダイアフラム式バルブの新しい制御技術を提供する。【解決手段】排気ガス圧力の目標値が急変する過渡応答期間（Ｔｓ〜Ｔｅの期間）内において、制御圧力を排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に設定するＰ２制御が実行される。そして、過渡応答期間以外の期間において、圧力計で計測される排気ガス圧力を被制御量とするＰ１制御が実行される。この際、Ｐ１制御において、安定性を重視したフィードバック制御を実行する。このため、過渡応答期間以外の期間において安定した制御が実現される一方、目標値が急激に変化する過渡応答期間内ではＰ２制御が実行されるため、高い応答性が実現される。【選択図】図３
2007048502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排気ガスが流れる排気流路と、
前記排気流路の開度を調整するダイアフラム式バルブと、
を有する燃料電池システムであって、
前記ダイアフラム式バルブは、
一方面から制御圧力が加えられて他方面から排気ガス圧力が加えられるダイアフラムを備え、制御圧力と排気ガス圧力との差圧に応じてダイアフラムを作動させて前記排気流路の開度を調整することにより、排気ガス圧力を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
排気ガス圧力の計測値と排気ガス圧力の目標値との差分に基づいてダイアフラムを作動させる第一制御と、前記制御圧力を排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に設定する第二制御と、を併用して前記排気流路の開度を調整することにより排気ガス圧力を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
排気ガス圧力の目標値が急変する過渡応答期間内で前記第二制御を実行し、過渡応答期間以外の期間で前記第一制御を実行する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第一制御として、排気ガス圧力の計測値と排気ガス圧力の目標値との差分に基づいたフィードバック制御を実行し、
前記第二制御として、制御圧力の計測値と制御圧力の目標圧力との差分に基づいたフィードバック制御を実行する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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、特に、燃料電池から排出される排気ガスを制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化しやすい水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池内で利用された燃料ガスや酸化ガスは、化学反応後に排気ガスとして燃料電池から排出される。このため、燃料電池には排気流路が接続され、排気ガスが排気流路を介して排出される。そして、排出される排気ガスの流量などを調整するために、排気流路にバルブを設ける技術が知られている。特許文献１から特許文献３には、排気流路に設けられるバルブとして、ダイアフラム式バルブを利用する技術が示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、パイロット圧を供給または供給停止することによってダイアフラムを作動させ、排気ガスを閉止または開放させる技術が示されている。
【０００４】
ちなみに、特許文献２には、ダイアフラム式バルブを利用して外気圧の変化を検知する技術が開示され、また、特許文献３には、排気流路に繋がれる処理流路のガス漏れ検査を良好に行うためのダイアフラム式バルブが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１８３７１３号公報
【特許文献２】特開２００４−６３３４２号公報
【特許文献３】特開２００４−１１９１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池において発電効率などを上げるためには、排気ガスの圧力（背圧）を目標値に適切に設定することが重要となる。その目標値は、例えば、燃料電池へ供給される燃料ガスや酸化ガスの流量の変化などに応じて定められるため、目標値が燃料電池の運転状況に応じて変化する場合がある。
【０００７】
変化する目標値に追従させる技術としてフィードバック制御が知られている。このため、排気流路に設けられたダイアフラム式バルブをフィードバック制御することにより、排気ガス圧力を目標値に追従させることができる。排気ガス圧力を目標値に適切に追従させるためには、応答性の高いフィードバック制御が望ましい。
【０００８】
ところが、燃料電池の排気流路には、燃料電池内における化学反応の結果生じた生成水も排水される。この生成水の影響により排気ガス圧力が変動する場合がある。例えば、排気流路内に生成水がある程度溜まった状態から、一気に排気流路外に排水されると、排水の前後において排気ガス圧力が急変する場合がある。このため、応答性の高いフィードバック制御を行うと、生成水などの影響による排気ガス圧力の急変にも過敏に応答してしまい、制御の安定性の面では好ましくない。一方、制御の安定性を考慮して応答性の低いフィードバック制御を行うと、目標値の変化への追従性の面で好ましくない。
【０００９】
このように、応答性を向上させると安定性が劣化し、安定性を向上させると応答性が劣化するという背反事情があり、単純なフィードバック制御のみにより制御の応答性と安定性を両立させることは困難であった。上述した特許文献１から特許文献３に記載された技術を利用しても、上記背反事情を避けることができない。
【００１０】
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、燃料電池に利用されるダイアフラム式バルブの新しい制御技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気ガスが流れる排気流路と、前記排気流路の開度を調整するダイアフラム式バルブと、を有する燃料電池システムであって、前記ダイアフラム式バルブは、一方面から制御圧力が加えられて他方面から排気ガス圧力が加えられるダイアフラムを備え、制御圧力と排気ガス圧力との差圧に応じてダイアフラムを作動させて前記排気流路の開度を調整することにより、排気ガス圧力を制御することを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、制御圧力と排気ガス圧力との差圧に応じてダイアフラムを作動させて排気流路の開度を調整することにより、比較的簡易に、排気ガス圧力を制御することができる。
【００１３】
望ましくは、排気ガス圧力の計測値と排気ガス圧力の目標値との差分に基づいてダイアフラムを作動させる第一制御と、前記制御圧力を排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に設定する第二制御と、を併用して前記排気流路の開度を調整することにより排気ガス圧力を制御する、ことを特徴とする。望ましくは、排気ガス圧力の目標値が急変する過渡応答期間内で前記第二制御を実行し、過渡応答期間以外の期間で前記第一制御を実行する、ことを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、過渡応答期間内において第二制御により高い応答性を実現させ、過渡応答期間以外の期間において第一制御により高い安定性を実現させることができる。
【００１５】
望ましくは、前記第一制御として、排気ガス圧力の計測値と排気ガス圧力の目標値との差分に基づいたフィードバック制御を実行し、前記第二制御として、制御圧力の計測値と制御圧力の目標圧力との差分に基づいたフィードバック制御を実行する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、燃料電池に利用されるダイアフラム式バルブの新しい制御技術が提供される。これにより、例えば、応答性の向上と安定性の向上を両立させたダイアフラム式バルブの制御が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１には、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成図である。図１の燃料電池システムは、燃料電池２００、排気流路３０およびダイアフラム式バルブ１００を有している。
【００１９】
燃料電池２００は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。つまり、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池２００内に供給され、燃料電池２００内の図示しない複数の電池セルにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギーが得られる。電池セルは、例えば、略長方形状の板状のセルであり、それら複数の板状の電池セルが積層されている。なお、各電池セルは、例えば円筒状のものであってもよい。
【００２０】
燃料電池２００内の各電池セルで利用された燃料ガスや酸化ガスは、化学反応後に排気ガス１１０として燃料電池から排出される。このため、燃料電池２００には排気流路３０が接続され、排気ガス１１０が排気流路３０を介して排出される。そして、排出される排気ガス１１０の圧力を調整するために、排気流路３０には、ダイアフラム式バルブ１００が設けられている。
【００２１】
ダイアフラム式バルブ１００は、一方面から制御圧力が加えられて他方面から排気ガス１１０の排気ガス圧力が加えられるダイアフラム１０を備えている。ダイアフラム１０は、例えば、薄い鉄板などで形成される。
【００２２】
図１において、ダイアフラム１０の下面には、排気ガス１１０の排気ガス圧力が加えられており、また、ダイアフラム１０の上面には、駆動ガス１２０から得られる制御圧力が加えられている。このため、制御圧力が排気ガス圧力よりも大きい場合には、ダイアフラム１０が図の下方に向かって変位し、一方、制御圧力が排気ガス圧力よりも小さい場合には、ダイアフラム１０が図の上方に向かって変位する。なお、図１において、ダイアフラム１０の左右の両端は固定されており、ダイアフラム１０の中央部分が上下に反り返るように変位する。もちろん、ダイアフラム１０の全体が上下に変位する構成を採用してもよい。
【００２３】
ダイアフラム１０が変位すると、ダイアフラム１０に接続されている弁２０も変位する。その結果、ダイアフラム１０の変位によって排気流路３０の開度が調整され、排気流路３０から排出口４０に流れる排気ガス１１０の流量や、排気流路３０内の排気ガス圧力が調整される。本実施形態では、ダイアフラム式バルブ１００によって排気流路３０内の排気ガス圧力が制御される。そこで、以下、図１に示した部分には図１の符号を付して、ダイアフラム式バルブ１００による排気ガス圧力の制御について説明する。
【００２４】
燃料電池２００の発電効率などを上げるためには、排気ガス１１０の圧力（背圧）を目標値に適切に設定することが重要となる。その目標値は、例えば、燃料電池２００へ供給される燃料ガスや酸化ガスの流量の変化などに応じて定められるため、目標値は、燃料電池２００の運転状況に応じて変化する。
【００２５】
被制御量を目標値に追従させる技術としてフィードバック制御が知られている。このため、ダイアフラム式バルブ１００をフィードバック制御することにより、排気ガス圧力を目標値に追従させることができる。
【００２６】
本実施形態では、圧力計７０で計測される排気ガス圧力（Ｐ１）を被制御量とし、予め設定されている圧力の目標値（設定値）に排気ガス圧力を追従させるフィードバック処理を実行することができる。
【００２７】
フィードバック処理として、制御部５０は、圧力計７０で計測される排気ガス圧力と目標値との差分に応じた駆動信号を圧力調整部６０へ出力する。圧力調整部６０は、制御部５０から供給される駆動信号に応じて、ダイアフラム１０の上面側へ供給する駆動ガス１２０の流量を調整する。その結果、駆動信号に応じた制御圧力がダイアフラム１０の上面に加えられる。前述したとおり、制御圧力の大きさによってダイアフラム１０が変位し、さらに、ダイアフラム１０に接続されている弁２０も変位することにより、排気流路３０の開度が調整され、排気流路３０から排出口４０に流れる排気ガス１１０の流量が変化し、排気流路３０内の排気ガス１１０の圧力も変化する。排気流路３０内の排気ガス１１０の圧力の変化は、圧力計７０で計測される。そして制御部５０は、計測された排気ガス圧力と目標値との差分に応じた駆動信号を圧力調整部６０へ出力する。こうしてフィードバック制御が実行される。
【００２８】
排気ガス圧力を目標値に適切に追従させるためには、応答性の高いフィードバック制御が望ましい。一方、突発的な外乱などの影響を考慮すると、応答性を犠牲にした安定性の高いフィードバック制御が望ましい。
【００２９】
図２は、応答性を重視したフィードバック制御と安定性を重視したフィードバック制御を比較するための図である。
【００３０】
図２（ａ）は、応答性を重視した場合の制御結果の模式図であり、横軸に時間が示されており縦軸に圧力が示されている。図２（ａ）において、破線で示される目標値は、時刻Ｔ１において急激に変化するステップ関数となっている。そして、目標値の変化に追従するようにフィードバック制御を行った結果として得られる排気ガス圧力の計測値が実線で示されている。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、応答性を重視した制御の場合、目標値の変動に対して計測値がほぼ遅延を伴わずに追従している。しかしながら、目標値が急激に変化する時刻Ｔ１の付近において計測値に大きなオーバーシュートが見られ、安定性の面では好ましくない。また、図示されていないが、応答性を重視したフィードバック制御を行うと、生成水などの影響による排気ガス圧力の急変にも過敏に応答してしまい、やはり、制御の安定性の面では好ましくない。
【００３２】
一方、図２（ｂ）は、安定性を重視した場合の制御結果の模式図であり、（ａ）と同様に、横軸に時間が示されており縦軸に圧力が示されている。また、破線で示される目標値は、（ａ）の場合と同じく、時刻Ｔ１において急激に変化するステップ関数となっている。そして、目標値の変化に追従するようにフィードバック制御を行った結果として得られる排気ガス圧力の計測値が実線で示されている。
【００３３】
図２（ｂ）に示すように、安定性を重視した制御の場合、（ａ）の場合のようなオーバーシュートは発生しない。しかしながら、目標値の急激な変化に対して、大きな遅延を伴って計測値が追従しており、応答性の面では好ましくない。
【００３４】
このように、応答性を向上させると安定性が劣化し、安定性を向上させると応答性が劣化するという背反事情がある。比例、積分、微分の各演算をベースとするフィードバック制御において、多段にＰＩＤ制御乗数を設けることにより、応答性の向上と安定性の向上を両立させることは不可能ではない。しかしながら、多段にＰＩＤ制御乗数を設けると制御が極端に複雑化してしまうなどの問題が発生する。そこで、本実施形態においては、以下に説明する手法によって、比較的簡易に応答性と安定性を両立させている。
【００３５】
本実施形態では、図１において、ダイアフラム１０の両面に加えられる制御圧力と排気ガス圧力が、ダイアフラム１０を挟んで制御バランスをとる特性を利用している。図１のダイアフラム式バルブ１００は、制御圧力が排気ガス圧力よりも大きい場合に、ダイアフラム１０が図の下方に向かって変位して弁２０が排気流路３０を閉じる方向に変位し、排気流路３０から排出口４０へ向かう排気ガス１１０の流れを塞き止める方向に作用するため、燃料電池２００側の排気ガス圧力が上昇する。
【００３６】
一方、制御圧力が排気ガス圧力よりも小さい場合には、ダイアフラム１０が図の上方に向かって変位して弁２０が排気流路３０を開ける方向に変位し、排気流路３０から排出口４０へ向かう排気ガス１１０の流れを促進する方向に作用するため、燃料電池２００側の排気ガス圧力が下降する。
【００３７】
つまり、制御圧力が排気ガス圧力よりも大きい場合に排気ガス圧力が上昇し、制御圧力が排気ガス圧力よりも小さい場合に排気ガス圧力が下降する。このため、ダイアフラム１０の両面に加えられる制御圧力と排気ガス圧力は、互いにほぼ等しくなるようにバランスをとる。ちなみに、ダイアフラム１０は、バネなどの駆動補助機構を介して上下に駆動する。このため、実際にはバネの弾性力などの影響が含まれた状態で、ダイアフラム１０の上下変位のバランスが保たれる。バネの弾性力などの影響が無視できる程度の場合には、制御圧力と排気ガス圧力が互いに等しくなるとみなすことができる。
【００３８】
そこで、本実施形態では、ダイアフラム１０の両面に加えられる制御圧力と排気ガス圧力が互いにほぼ等しくなる特性を利用し、排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に制御圧力を設定することにより、排気ガス圧力を目標値に追従させる制御を実行する。つまり、制御部５０は、目標圧力に対応した駆動信号を圧力調整部６０へ出力し、圧力調整部６０は、制御部５０から供給される駆動信号に応じて、ダイアフラム１０の上面側へ供給する駆動ガス１２０の流量を調整する。その結果、排気ガス圧力の目標値に等しい目標圧力がダイアフラム１０の上面に加えられ、排気ガス圧力が目標値に等しくなるようにバランス制御される。
【００３９】
なお、制御部５０が目標圧力に対応した駆動信号を圧力調整部６０へ出力する際に、圧力計８０で計測される制御圧力（Ｐ２）を被制御量とし、目標圧力に制御圧力を追従させるフィードバック処理を実行してもよい。つまり、制御部５０は、圧力計８０で計測される制御圧力と目標圧力との差分に応じた駆動信号を圧力調整部６０へ出力し、圧力調整部６０は、制御部５０から供給される駆動信号に応じて、ダイアフラム１０の上面側へ供給する駆動ガス１２０の流量を調整することにより、目標圧力に等しい制御圧力がダイアフラム１０の上面に加えられる。
【００４０】
このように、本実施形態においては、制御圧力を排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に設定する制御（Ｐ２制御）を実行する。さらに、本実施形態においては、圧力計７０で計測される排気ガス圧力（Ｐ１）を被制御量とする前述のフィードバック処理（Ｐ１制御）を併用してもよい。そして、本実施形態においては、排気ガス圧力の目標値が急変する過渡応答期間内でＰ２制御が実行され、過渡応答期間以外の期間でＰ１制御が実行される。
【００４１】
図３は、Ｐ１制御とＰ２制御を併用した制御を説明するための図であり、図３には、Ｐ１制御とＰ２制御を併用した場合の制御結果の模式図が示されている。図３では、図２と同様に、横軸に時間が示されており縦軸に圧力が示されている。また、破線で示される目標値は、図２の場合と同じく、時刻Ｔ１において急激に変化するステップ関数となっている。そして、目標値の変化に追従するように制御を行った結果として得られる排気ガス圧力の計測値が実線で示されている。
【００４２】
図３に示すように、本実施形態においては、排気ガス圧力の目標値が急変する過渡応答期間（Ｔｓ〜Ｔｅの期間）内でＰ２制御が実行され、過渡応答期間以外の期間でＰ１制御が実行される。つまり、Ｔｓ〜Ｔｅの過渡応答期間内において、制御圧力を排気ガス圧力の目標値に対応した目標圧力に設定するＰ２制御が実行され、そして、過渡応答期間以外の期間において、圧力計７０で計測される排気ガス圧力（Ｐ１）を被制御量とするＰ１制御が実行される。
【００４３】
この際、Ｐ１制御において、安定性を重視したフィードバック制御（図２（ｂ）参照）を実行する。このため、図３において過渡応答期間以外の期間において安定した制御が実現される。一方、目標値が急激に変化する過渡応答期間内ではＰ２制御が実行されるため、高い応答性を実現するとともに、単純なフィードバック制御に比べて、オーバーシュート（図２（ａ）参照）も小さくなる。
【００４４】
なお、図３における過渡応答期間（Ｔｓ〜Ｔｅの期間）は、燃料電池２００へ供給されるガス（燃料ガスや酸化ガス）の供給量の変化などに基づいて判断される。例えば、燃料電池２００へ供給されるガス供給量が大きく増加するタイミングを過渡応答期間の開始時刻Ｔｓとする。また、燃料電池２００の発電量が大きく増加するタイミングを過渡応答期間の開始時刻Ｔｓとしてもよい。
【００４５】
一方、例えば、ガス供給量の安定（ガス供給量が一定とみなせる状態）が所定時間維持された時点を過渡応答期間の終了時刻Ｔｅとする。また、圧力計７０で計測される排気ガス圧力（Ｐ１）と、圧力計８０で計測される制御圧力（Ｐ２）の二つの計測値が等しいとみなせる状態が所定時間維持された時点を過渡応答期間の終了時刻Ｔｅとしてもよい。
【００４６】
このように、本実施形態においてＰ１制御とＰ２制御を併用することにより、応答性の向上と安定性の向上を両立させることができる。しかも、応答性を重視したフィードバック制御（図２（ａ）参照）においては、生成水などの影響による排気ガス圧力の急変に過敏に応答してしまう問題があったのに対して、Ｐ１制御とＰ２制御を併用することにより、生成水などの影響による過敏な応答も回避される。また、多段にＰＩＤ制御乗数を設けると制御が極端に複雑化してしまうのに対し、Ｐ１制御とＰ２制御を併用することにより、比較的簡易に応答性の向上と安定性の向上を両立させることができる。
【００４７】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池２００の評価システムとして利用される。もちろん、本実施形態の燃料電池システムが車両などに搭載され、燃料電池２００を車両駆動用モータなどの発電源として利用してもよい。車両などに搭載される場合、図３における過渡応答期間（Ｔｓ〜Ｔｅの期間）を、アクセル操作量に応じて判断してもよい。例えば、アクセルが急激に踏み込まれたタイミングを過渡応答期間の開始時刻Ｔｓとし、アクセルの踏み込み量の安定（踏み込み量が一定とみなせる状態）が所定時間維持された時点を過渡応答期間の終了時刻Ｔｅと判断してもよい。
【００４８】
なお、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】応答性を重視したフィードバック制御と安定性を重視したフィードバック制御を比較するための図である。
【図３】Ｐ１制御とＰ２制御を併用した制御を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  ダイアフラム、２０  弁、３０  排気流路、４０  排出口、５０  制御部、６０  圧力調整部、７０，８０  圧力計、１００  ダイアフラム式バルブ、２００  燃料電池。
【図１】
2007048502.tif 000003
【図２】
2007048502.tif 000004
【図３】
2007048502.tif 000005