(57)【要約】【課題】高度な制御によって複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へと水素を供給する。【解決手段】各水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎ内の温度と水素圧力とを監視し、それらのデータに基いて供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎを制御する。その制御は、コントローラ４に記憶している制御データを用いて行う。その制御データは、燃料電池システム１００をモデル化したシミュレーション上の強化学習によって最適の状態遷移経路を見つけ出し、その状態遷移経路に記録された状態と行動とを基に作成しておく。【効果】最適の状態遷移経路に沿って複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へ水素を供給することが出来る。【選択図】図１
2007026683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金に水素を吸蔵する複数個の水素吸蔵合金タンクと、燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池への水素の供給と停止とを行うための供給／停止手段と、前記各水素吸蔵合金タンクを加熱するための加熱手段と、前記各水素吸蔵合金タンク内の温度を検出する温度センサと、前記各水素吸蔵合金タンク内の水素圧力を検出する圧力センサと、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサとを監視しそれらの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示する制御手段とを具備した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、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに次に指示すべき行動をそれぞれ設定した制御データを記憶する記憶手段を具備し、
前記制御データは、前記燃料電池システムをモデル化したシミュレーション上で前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示を与えてその結果の前記燃料電池と前記温度センサと前記圧力センサの状態を評価することを繰り返す強化学習によって状態遷移経路を見つけ出し、その状態遷移経路に記録された前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサの状態と次に前記供給／停止手段と前記加熱手段とに与えた指示とを基に作成されたものであり、
前記制御手段は、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサとを監視しそれらの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに次に指示すべき行動を前記制御データから読み出し前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示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、さらに詳しくは、高度な制御によって複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へと水素を供給することが出来る燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数個の水素吸蔵合金タンクを具備し、一部のタンクから燃料電池へ水素を供給し、供給圧力が下がったら残りのタンクから燃料電池へ水素を供給するようにタンクを切り替える燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
他方、複雑な挙動を示すプラントのシミュレーションを強化学習法を適用して行う強化学習法を用したプラントシミュレーション方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２９５９９６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の燃料電池システムでは、供給圧力のみに応じてタンクを切り替えているが、これでは最適の運転を行えない場合がある。例えば、次に水素を供給する予定のタンクが故障していても、該タンクからの供給を始めるまで故障が判らず、該タンクの加熱を無駄に続けてしまう、といった問題点がある。
そこで、本発明の目的は、高度な制御によって複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へと水素を供給することが出来る燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の観点では、本発明は、水素吸蔵合金に水素を吸蔵する複数個の水素吸蔵合金タンクと、燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池への水素の供給と停止とを行うための供給／停止手段と、前記各水素吸蔵合金タンクを加熱するための加熱手段と、前記各水素吸蔵合金タンク内の温度を検出する温度センサと、前記各水素吸蔵合金タンク内の水素圧力を検出する圧力センサと、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサとを監視しそれらの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示する制御手段とを具備したことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
上記第１の観点による燃料電池システムでは、各水素吸蔵合金タンク内の温度と水素圧力とを監視し、それらのデータに基いて供給／停止手段と加熱手段とを制御している。このため、高度な制御によって複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へと水素を供給することが出来る。例えば、次に水素を供給する予定のタンクが故障したら、加熱しても水素圧力が速やかに上がらないので故障が判り、該タンクからの供給を始める前に該タンクの加熱を打ち切ることが出来る。
【０００５】
第２の観点では、本発明は、上記第１の観点による燃料電池システムにおいて、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに次に指示すべき行動をそれぞれ設定した制御データを記憶する記憶手段を具備し、前記制御データは、前記燃料電池システムをモデル化したシミュレーション上で前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示を与えてその結果の前記燃料電池と前記温度センサと前記圧力センサの状態を評価することを繰り返す強化学習によって状態遷移経路を見つけ出し、その状態遷移経路に記録された前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサの状態と次に前記供給／停止手段と前記加熱手段とに与えた指示とを基に作成されたものであり、前記制御手段は、前記供給／停止手段と前記加熱手段と前記温度センサと前記圧力センサとを監視しそれらの状態に応じて前記供給／停止手段と前記加熱手段とに次に指示すべき行動を前記制御データから読み出し前記供給／停止手段と前記加熱手段とに指示することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
燃料電池システムの挙動は複雑であり、状態に応じた最適の行動を人間が想定するのは困難である。さらに、水素吸蔵合金タンクの数が例えば１００個とすると、温度センサの数も１００個、圧力センサの数も１００個となる。また、供給／停止手段が個々のタンクに設けた供給弁なら、供給弁の数も１００個になる。さらに、加熱手段が個々のタンクに設けた加熱弁なら、加熱弁の数も１００個になる。すなわち、状態数や行動数は膨大となり、状態に応じた最適の行動を人間が想定するのは全く困難になる。
そこで、上記第２の観点による燃料電池システムでは、燃料電池システムをモデル化したシミュレーション上の強化学習によって状態遷移経路を見つけ出し、その状態遷移経路に記録された状態と行動を基に制御データを作成し、その制御データを用いて制御を行う。これにより、状態に応じた最適の状態遷移経路に沿って複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へ水素を供給することが出来る。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の燃料電池システムによれば、高度な制御によって複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へと水素を供給することが出来る。また、状態に応じた最適の状態遷移経路に沿って複数の水素吸蔵合金タンクから燃料電池へ水素を供給することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【０００８】
図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００を示す構成説明図である。
この燃料電池システム１００は、水素吸蔵合金に水素を吸蔵するｎ（≧２）個の水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎと、燃料電池１と、水素吸蔵合金タンクＭＨ１〜ＭＨｎから燃料電池１への水素の供給と停止とを行うための水素配管２と、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎと水素配管２の間に介設された供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと、燃料電池１の排熱を利用して水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎを加熱するための熱交換器３と、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎと熱交換器３の間に介設された加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎと、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎ内の温度を検出する温度センサＴ１，…，Ｔｎと、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎ内の水素圧力を検出する圧力センサＰ１，…，Ｐｎと、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎと温度センサＴ１，…，Ｔｎと圧力センサＰ１，…，Ｐｎとを監視しそれらの現在の状態に応じて供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎとに次の行動を指示するコントローラ４とを具備している。
【０００９】
熱交換器３は、燃料電池１の排熱を熱交換媒体（水など）によって受け取る。また、加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎは、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎと熱交換器３の間で熱交換媒体を循環させたり、循環を停止したりする。
【００１０】
図２は、コントローラ４が記憶している制御データ５を示す概念図である。
この制御データ５は、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎと圧力センサＰ１，…，Ｐｎと温度センサＴ１，…，Ｔｎの現在値および圧力の変化速度Ｐ１’，…，Ｐｎ’と温度の変化速度Ｔ１’，…，Ｔｎ’からなる「現在の状態」と、それに応じた供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎの「次の行動」のリストの複数のセットからなっている。各セットには優先順位が付けられている。
なお、（圧力の変化速度Ｐｘ’）＝（現在の圧力Ｐｘ）−（１制御時刻前の圧力Ｐｘ）、（温度の変化速度Ｔｘ’）＝（現在の温度Ｔｘ）−（１制御時刻前の温度Ｔｘ）である。
【００１１】
図３は、コントローラ４が実行する水素供給制御処理の手順を示すフロー図である。
ステップＳ１では、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎおよび加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎを全て「閉」とする。すなわち、燃料電池１への水素の供給を停止し、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎの加熱を停止する。
【００１２】
ステップＳ２では、コントローラ４が内蔵する異常検出タイマーを「０」からスタートする。
【００１３】
ステップＳ３では、圧力センサＰ１，…，Ｐｎと温度センサＴ１，…，Ｔｎの現在値を読み込むと共に圧力の変化速度Ｐ１’，…，Ｐｎ’と温度の変化速度Ｔ１’，…，Ｔｎ’を算出する。
ステップＳ４では、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎと圧力センサＰ１，…，Ｐｎと温度センサＴ１，…，Ｔｎの現在値および圧力の変化速度Ｐ１’，…，Ｐｎ’と温度の変化速度Ｔ１’，…，Ｔｎ’からなる「現在の状態」が制御データ５に存在するか検索する。
ステップＳ５では、「現在の状態」が制御データ５に存在したならステップＳ６へ進み、存在しなかったらステップＳ７へ進む。
ステップＳ６では、「現在の状態」に応じた供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎの「次の行動」を制御データ５から読み出し、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎとに制御指令を送る。そして、ステップＳ２に戻る。
【００１４】
ステップＳ７では、異常検出タイマーがタイムアウトになったか判定し、タイムアウトでないならステップＳ８へ進み、タイムアウトになったらステップＳ９へ進む。
ステップＳ８では、水素圧力が最も高く且つ番号ｉが最も若い水素吸蔵合金タンクＭＨｉの加熱弁Ｈｉだけを「開」にする。そして、ステップＳ３に戻る。
【００１５】
ステップＳ９では、供給弁Ｖ１，…，Ｖｎおよび加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎを全て「閉」とする。すなわち、制御データ５に記述がない状態が続く異常事態なので、燃料電池１への水素の供給を停止し、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎの加熱を停止する。そして、処理を終了する。
【００１６】
図４は、燃料電池システム１００をモデル化したシミュレーション上の強化学習によって最適の状態遷移経路を見つけ出し、その状態遷移経路に記録された状態と行動を基に制御データ５を作成する制御データ作成装置２００を示す構成説明図である。
この制御データ作成装置２００は、燃料電池１をモデル化した燃料電池・シミュレータ２１と、水素吸蔵合金タンクＭＨ１，…，ＭＨｎと温度センサＴ１，…，Ｔｎと圧力センサＰ１，…，Ｐｎと供給弁Ｖ１，…，Ｖｎと加熱弁Ｈ１，…，Ｈｎとをモデル化した水素タンク・シミュレータ２２と、熱交換器３をモデル化した熱交換器・シミュレータ２３と、負荷をモデル化した負荷・シミュレータ２４と、各シミュレータに行動データを与えると共にそれによる状態遷移を評価し記録する状態遷移・評価部２５とを具備している。
なお、制御データ作成装置２００は、ハードウエア的にはコンピュータである。
【００１７】
図５は、制御データ作成装置２００による強化学習処理の手順を示すフロー図である。
ステップＰ１では、各シミュレータおよび弁の状態を初期化する。
ステップＰ２では、各シミュレータの動作をスタートする。
【００１８】
ステップＰ３では、圧力データ等を収集すると共に変化速度を算出し、「現在の状態」を得る。
ステップＰ４では、「現在の状態」が前と同じならステップＰ３に戻り、「現在の状態」が前と違うならステップＰ５へ進む。
【００１９】
ステップＰ５では、ランダムに行動データを生成して各シミュレータに与える。
ステップＰ６では、行動データを各シミュレータに与えた結果、燃料電池が停止しなければステップＰ７へ進み、燃料電池が停止したらステップＰ８へ進む。
【００２０】
ステップＰ７では、報酬に「０」を与え、行動評価関数を更新する。そして、ステップＰ３に戻る。
【００２１】
ステップＰ８では、報酬に負値を与え、行動評価関数を更新する。そして、ステップＰ１に戻る。
【００２２】
状態遷移・評価部２５は、十分な時間をかけて強化学習処理を行って状態遷移図を作成する。次に、状態遷移図の各状態とその状態において燃料電池の停止までの時間が最も長くなった次の行動を対応付け、制御データ５を作成する。なお、ある状態において燃料電池の停止までの時間が最も長くなる次の行動が複数あった場合は、それらの行動の一つを選択する。例えば、複数の次の行動の中で番号ｉが最も若い水素吸蔵合金タンクＭＨｉの加熱弁Ｈｉを「開」にする行動を選択する。この制御データ５をコントローラ４に記憶させればよい。
【００２３】
図６〜図８に、状態遷移図を例示する。
この状態遷移図は、説明の簡単のために、次の条件下で作成している。
（１）３台の水素吸蔵合金タンクＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３だけがある。
（２）状態遷移は、使用されて水素吸蔵合金タンクＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３が空になるか又は使用中に異常になるかを契機とする。空になるまでの時間は、使用中に異常になるまでの時間より長い。
（３）行動は、いずれか一台の水素吸蔵合金タンクに対応する弁を開にし、残りの水素吸蔵合金タンクに対応する弁を閉にする。
（４）四角のボックスは、状態Ｓａ〜ＳＥを表す。
（５）四角のボックスに書かれた番号は、次の行動で開にする水素吸蔵合金タンクの番号を表す。
（６）四角のボックスから出る矢印が状態遷移を表す。
（７）矢印の長さが、使用可能時間の長さを表す。
【００２４】
図９に、図６〜図８の状態遷移図から作成した制御データ５を例示する。
この制御データ５によれば、次のような制御が行われる。
（１）初期状態Ｓａでは、水素吸蔵合金タンクＭＨ１に対応する弁だけを開にする。
（１−１）正常なら水素吸蔵合金タンクＭＨ１が空になって状態Ｓｂになるので、水素吸蔵合金タンクＭＨ２に対応する弁だけを開にする。
（１−２）水素吸蔵合金タンクＭＨ１が異常なら状態Ｓｇになるので、水素吸蔵合金タンクＭＨ２に対応する弁だけを開にする。
（２）状態Ｓｂでは、水素吸蔵合金タンクＭＨ２に対応する弁だけを開にする。
（２−１）正常なら水素吸蔵合金タンクＭＨ２が空になって状態Ｓｃになるので、水素吸蔵合金タンクＭＨ３に対応する弁だけを開にする。
（２−２）水素吸蔵合金タンクＭＨ２が異常なら状態Ｓｄになるので、水素吸蔵合金タンクＭＨ３に対応する弁だけを開にする。
以下、同様である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、自動車や船舶に搭載する燃料電池システムとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムを示す構成説明図である。
【図２】実施例１に係る制御データを示す概念図である。
【図３】実施例１に係る水素供給制御処理の手順を示すフロー図である。
【図４】制御データ作成装置を示す構成説明図である。
【図５】強化学習処理の手順を示すフロー図である。
【図６】状態遷移図の例示図である。
【図７】図６の続きの状態遷移図である。
【図８】図７の続きの状態遷移図である。
【図９】図６〜図８の状態遷移図から作成した制御データの例示図である。
【符号の説明】
【００２７】
１                      燃料電池
２                      水素配管
３                      熱交換器
４                      コントローラ
１００                  燃料電池システム
Ｈ１，…，Ｈｎ          加熱弁
ＭＨ１，…，ＭＨｎ      水素吸蔵合金タンク
Ｐ１，…，Ｐｎ          圧力センサ
Ｔ１，…，Ｔｎ          温度センサ
Ｖ１，…，Ｖｎ          供給弁
【図１】
2007026683.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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