JPS6282658A - 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置 - Google Patents

燃料電池発電プラント圧力流量制御装置

Info

Publication number
JPS6282658A
JPS6282658A JP60220443A JP22044385A JPS6282658A JP S6282658 A JPS6282658 A JP S6282658A JP 60220443 A JP60220443 A JP 60220443A JP 22044385 A JP22044385 A JP 22044385A JP S6282658 A JPS6282658 A JP S6282658A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
flow rate
control
pressure
fuel
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP60220443A
Other languages
English (en)
Inventor
Hirochika Mori
森 泰親
Takashi Shigemasa
隆 重政
Yasuo Takagi
康夫 高木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP60220443A priority Critical patent/JPS6282658A/ja
Publication of JPS6282658A publication Critical patent/JPS6282658A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04783Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104Regulation of differential pressures
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃・料電
池に供給する空気と燃料ガスの圧力と流量とを制御する
燃料電池発電プラント圧力流量制御装置に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
酸化剤として空気を、還元剤として水素を主成分とする
燃料ガスを使用する燃料電池(F、c、)例えばリン酸
型F、C,は、リン酸溶液を含む厚さ1顛以下の薄いマ
トリックス板の両面を空気と燃料ガスが流れる。このよ
うな構造を持つF、 C0では空気と燃料ガス間の圧力
差がマ) IJンクスの持つi+圧限界を越えるとマト
リックスを空気または燃料ガスが圧力の高い極から低い
極へ透過する。このクロスオーバーが起きると、燃料の
利用効率が低下する上に局所的に酸素と水素が直接反応
するので高温になる等の原因により、マトリックスの空
げきを満たしているリン酸溶液が飛んだり、触媒が劣化
するなど悪影響が大きい。
そこで、この空気と燃料の圧力差を小さく維持するため
に、従来のF、C,発電プラントでは第7図に示す圧力
流量制御系を設置していた。
第7図の圧力流量制御系において、空気系。
燃料系ともに燃料電池に供給する流会は、電流負荷より
算出する流量目標値と、流量検出器la、lbにより測
定された実流量の差に基づき、調節計2a 、 2bに
より流を調節弁3a。
3bを駆動して制御する。また、燃料電池4内の空気と
燃料間の圧力差は、差圧目標値と差圧検出器5の測定信
号に基づき調節計6により圧力調節弁7を駆動して制御
する。さらに、このような圧力流量制御系では、安定性
を考慮して一般にはPI動作で調節を行なう。
しかし、この上うなF、C’、の圧力流量制御系では、
流1調節弁3a、3bの開度の変化は流量を変えるのみ
でなく、F、C,4内の空気と燃料の圧力差B<も大き
く影響を及ぼす。また、逆に圧力1節弁7の開度変化は
、F、C,内の差圧を変化させるだけでなく、流量にも
大きな影響を与える。このため、圧力と流量の制御系が
互いに干渉しあい、速い制御を行なうことができなかっ
た。特にF、C,発電プラントでは素速い負荷応答を目
指しているのにもかかわらず、従来の圧力流量の制御方
式では、干渉のためゆるやかな流量変化しかできなかっ
たので、負荷もそれに応じてゆっくりした変更しかでき
なかった。
〔発明の目的〕
この発明は、上述した従来制御系の欠点を改良したもの
で、速い負荷変化に対し流量を追従させることができ、
がっカソード、アノード間の圧力差をその目標値(て保
っことができる燃料電池に供給する空気と燃料ガスの圧
力流量制御系を有する燃料電池発電プラント圧力R,量
制御装置を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
この目的を達成するために、本発明は燃料流量とカソー
ドとアノードのガス差圧を検知して、流量目標になるよ
うに燃料流量を差圧目標値になるように差圧をそれぞれ
互すに外乱を与えることなく、p、(:、上流と下流の
燃料ラインに設備された燃料流1調節弁と圧力調節弁を
用すて制御する圧力流量非干渉制御装置を設け、かつ空
気流量を流11]標仮になるようにF、C,上流側に設
備された空気流量調節弁を制御する空気流量イシリ御装
]了を設け、この11す脚装置の出力信号である空気系
流調弁制御信号を受け、空気系流調弁の操作によるカソ
ード空気圧力の変動によって生ずるアノード、カソード
間の是正変化をなくするために、燃料ラインの流調弁と
圧力調節デをカソード空気圧力の変化に合わせてアノー
ドの圧力も変わる↓うに予測的に調節するフィードフォ
ワード制御製画を設ける。さらに、上記制御系の制御定
数を負荷の大きさまたは空気と燃料ガスの流iK応じて
スケシー−リングするゲインスケジューラを設ける。
この制御系により負荷変化を行なう場合、ゲインスケジ
ューラにより制御定数を調整し、この制御定数を用いて
燃料系圧力流量非干渉制御装置は燃料流量とアノード、
カソード間の差圧を目標値となるように制御し、空気流
量制御装置は空気流量が目標値になるように制御する。
このとき、空気流量を制御することでカソード空気圧が
変化し、アノード、カソード間の差圧が変動するのをキ
ャンセルするように、フィードフォワード制御により燃
料系調節弁の修正動作を行をう。これにより9荷変化に
よるF、C。
内のアノード、カソード間の圧力差変動を抑制する。ま
た、上記圧力差の変動が小さいので負荷に応じて燃料と
空気の流量目標値((速やかに追従するようKできる。
〔発明の効果〕 以上の圧力流量制御系を有するF、C,発電プラントで
は、アノード(燃料ガス)とカソード(空気)間の圧力
差を大きな負荷変化時にも常に目標値近くに保つことが
できる。このため、クロスオーバーの危険が少なく、F
、C,の寿命を長くし、性能の劣化を防ぐことができる
また、負荷変化の速度を従来の発電プラントより著しく
速くすることができる。このため、従来に比べて負荷要
求に対し素速く応することができ、常時、需要に見合っ
た発電を行なうことができるため、燃料の利用効率を高
めることができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明に従って構成されるF、C,圧力流量制御
系の一実施例を図面に従って詳細に説明する。
第1図はこの発明に係る本実施例の概略構成図である。
燃料電池4に供給する空気流量は入口側の流量調節弁3
bで制御し、燃料流量とアノード、カソード間の圧力差
は流量調節弁3aおよび圧力調節弁7で制御する。これ
ら流量調節弁と圧力調節弁は圧力流量非干渉制御部f8
および空気流量制御装置9により駆動する。また、これ
らの制御部!の制御定数は電流負荷に応じてゲインスケ
ジューラ10により調整される0 空気流量制御装置9の一実施例を第2図((示す。電流
り荷に対する空気流量目c値はブロック1〕により算出
される。この空気流分目標値と検出器1bで測定した空
り1流量測定値を加算器12に入力し、空気流雪制御偏
差を演17部13に入力する。演算部13では制御偏差
信号に基づき、PI動作により空気系流調弁ff1ll
 Si1信号を演算し、調節弁3bをW、動させること
で空気流量が目標値になるように制御する。
第3図は圧力流量非干渉制御装置8の構成を表わしたも
ので、燃料流量目標値演算部14゜非干渉制御演算部1
5.フィードフォワード制御部16および加算器17よ
り成っている。電流負荷信号を入力とする燃料流量目標
値演算部14は燃料流量目標値を非干渉制御演算部15
に入力する。非干渉制御装置15では燃料流量目標値と
差圧目村値に流量と差圧が一致するように非干渉制御す
る。一方、空気流1制御装置9の出力信号である空気系
流調弁制御信号を入力し、この信号による調節弁3bの
動きがアノード、カソード間の圧力差に及ぼす干渉を打
消すための修正動作信号を演算するフィードフォワード
制御部16の出力信号を加算器17a。
17bで加算したのち燃料系圧力調節弁7と流量調節弁
3aの制御信号を出力する。
非干渉制御演算部15は、第4図に示すように、制御台
とそれらの目標値との制御偏差を演算する演算部18a
、18bと、偏差信号を基にPID アルゴリズムで演
算処理するPID 演算部19 a 〜19 dと、演
算部19aと19bの出力を、また演算部19cと1’
Jdの出力をそれぞれ加算する加算器20s、20bを
備え、加算器20aの出力を制御信号Uごとして、また
加算器20bの出力を制御信号u2′として出力する。
これらの制御信号はフィードフォワード制御部16の出
力信号で修正されたのち、燃料系圧力vNN節制制御信
号流調弁制御信号として用いられる。この際、PID 
 演算部19a〜19tlで用いるPID  アルゴリ
ズムの制御定数は圧力と流量が非干渉になるように決定
する。
この制御定数の算出法としては例えば計測自動制御学会
論文集(V、1.16 、Nnl 、 139P〜14
0P)に記述されている方法を用いる。
第”5図はフィードフォワード制御部16の一構成を表
わしたものであり、空気流量制御装置9の出力信号であ
る空気系流調弁制御信号を入力し、これに基づいてフィ
ードフォワード制御信号v14とvIを演算部21a、
21bで演算する。演算部zza、Zzbli流調弁3
bの変化が燃料系の流量変動と差圧変動になって現われ
る干渉をフィードフォワード的に補正するためのもので
あり、非干渉制御演算部15の出力信号u+” * u
t”  と加算器17a、17bで加算されたのち圧力
流量非干渉制御装置8の出力信号となる。
第6図は電流負荷に応じて、上記制御演算部の制御定数
を調整するゲインスケジューラ10の一構成例である。
負荷に応じて最適な制御定数をあらかじめゲインスケジ
ュール曲線にして求めておく。この曲線に基づいて負荷
信号を入力して燃料系制御定数と空気系制御定数を演算
部22で求める。ブロック23a、23bは急激な制御
定数変化を防ぐだめのもので、例えば三次遅れ系などで
実現しておく。これにより、たとえステップ状に電流負
荷が変化してもそれに対応して制御定数は過渡的に変わ
るのではなく、いくらかおだやかに現在値から最適値・
\と調整されることになり、制御定数の調整をスムーズ
に行なうことができる。
これにより、圧力と流量は安定に制御されることになる
。すなわち、フィードフォワード制御により補正しつつ
圧力流量非干渉制御を行なうことで、あたかも圧力と流
量が内部で全く干渉してないがごとく良好な制御を行な
うことができる。したがって、たとえば負荷に応じて流
量目標値が変化したときでもアノード(燃料ガス)とカ
ソード(空気)の差圧はほとんど乱されないで速やかに
流量をその目標値に追従させることが可能となる。
この制御装置と、従来例(第7図)の制御系の制御性能
を比べる。第8図(a)は負荷変化を示し、第8図(b
)はカソード、アノード間の圧力差を、第8図(c)は
燃料流量を示す。ここで曲線24.25は従来制御系の
応答で、曲線26゜27は本発明の実施例の応答である
。このように差圧変動を極めて小さくすることができる
とともに、追従性が良くなる。以上説明した如く本発明
による制御系はF、C,発電プラントの空気と燃料の圧
力差の変動を常時著しく抑制することができ、従って、
負荷追従性に優れ、かつクロスオーバーによる故障、性
能劣化の少ないF、C,発電プラントを提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図は
空気流量制御装置の構成図、第3図は燃料系の流量とア
ノード、カソード間の圧力差を制御する圧力流量非干渉
制御装置の構成図、第4図は上記制御装置の一部である
非干渉制御演算部の構成図、第5図はフィードフォワー
ド制御部の構成図、第6図は電流負荷に基づいて制御定
数を調整する一手段を表わす構成図、第7図は従来の圧
力流量制御系のブロック図、第8図は電流負荷をステッ
プ状に変えたときの制御系の応答図である。 1・・・流量検出器、2・・・調節計、3・・・調節弁
、4・・・燃料電池、5・・・差圧検出器、6・・・調
節計、8・・・圧力流量非干渉υ]御装置、9・・・空
気流量制御装置、10・・・ゲインスケジューラ、15
・・・非干渉制御演算部、16・・・フィードフォワー
ド制御部。 代理人 弁理士  則 近 ■ 重 囲       竹  花  喜久勇 第2図 第3図 第  5 図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 酸化剤として空気をカソードに還元剤として水素を主成
    分とする燃料ガスをアノードに供給され、かつ電解質を
    含浸させた薄いマトリックスをアノードとカソードがは
    さむ形状をなした燃料電池において、空気と燃料ガスの
    導入ラインにそれぞれ設けた流量調節弁と、燃料ガスの
    燃料電池からの排出ラインに設けた圧力調節弁と、空気
    系の流量目標値と流量信号に基づき空気流量調節弁を制
    御する空気流量制御装置と、燃料系の流量目標値と流量
    信号およびアノード、カソード間の差圧目標値と差圧信
    号を入力し、前記燃料ライン上に設けた調節弁の制御信
    号を出力する圧力流量非干渉制御装置と、前記空気流量
    制御装置の出力信号を受け取り、燃料系の調節弁への制
    御信号を補正するフィードフォワード制御装置と、これ
    らの制御装置の制御定数を、負荷信号または燃料流量信
    号に基づいて調整するゲインスケジューラとを具備して
    なることを特徴とする燃料電池発電プラント圧力流量制
    御装置。
JP60220443A 1985-10-04 1985-10-04 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置 Pending JPS6282658A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60220443A JPS6282658A (ja) 1985-10-04 1985-10-04 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60220443A JPS6282658A (ja) 1985-10-04 1985-10-04 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS6282658A true JPS6282658A (ja) 1987-04-16

Family

ID=16751190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60220443A Pending JPS6282658A (ja) 1985-10-04 1985-10-04 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS6282658A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6476674A (en) * 1987-09-16 1989-03-22 Toshiba Corp Pressure flow control device of fuel cell power generating system fuel system
WO2007069484A1 (ja) * 2005-12-15 2007-06-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム及び移動体

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6476674A (en) * 1987-09-16 1989-03-22 Toshiba Corp Pressure flow control device of fuel cell power generating system fuel system
WO2007069484A1 (ja) * 2005-12-15 2007-06-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム及び移動体

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. Feedforward-based decoupling control of air supply for vehicular fuel cell system: Methodology and experimental validation
CN114464848B (zh) 一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置
CN104089270B (zh) 一种发电机组锅炉负荷控制优化调整试验方法
JPS6282659A (ja) 燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置
CN117832554A (zh) 一种燃料电池阳极入堆压力控制方法
Xu et al. A decoupling control of air supply for the PEM fuel cell with slide mode-active disturbance rejection controller
JPH0572071B2 (ja)
JPS6282658A (ja) 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置
Ramos-Paja et al. Fuel cell MPPT for fuel consumption optimization
JP5585685B2 (ja) 燃料電池システム
JPS6260789B2 (ja)
JPS6039772A (ja) 燃料電池発電プラント圧力流量制御装置
Zeng et al. Research on air supply system control of PEMFC based on LQR control
CN116345487A (zh) 一种调频辅助服务市场水电站agc与一次调频协调控制方法
JPS6231954A (ja) 燃料電池
JPS6229868B2 (ja)
JPS60154471A (ja) 燃料電池の空気・燃料制御系
CN121460628B (en) Solid hydrogen storage fuel cell control method, medium and solid hydrogen storage fuel cell
JPH03108268A (ja) 燃料電池の反応ガス供給制御装置
US12612308B2 (en) Ozone generating apparatus
JPS62160667A (ja) 燃料電池発電システム
JPH0676846A (ja) 燃料電池発電装置の運転制御装置
Gouhail et al. Control of oxygen excess ratio in PEM fuel cell using parallel distributed compensation controller with fuzzy observer
JPS62160666A (ja) 燃料電池発電システム
JPS6091568A (ja) 燃料電池プラントの空気供給制御装置