JP2022122497A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池ユニットを有する燃料電池システムにおいて、各々の燃料電池ユニットによる発電電力を適切に制御し得る技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池ユニットと、複数の燃料電池ユニットの動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、複数の燃料電池ユニットが発電すべき総電力の要求値を、複数の燃料電池ユニットの各々に割り当てて、複数の燃料電池ユニットの各々に与える指令値を決定する第１の処理と、総電力の要求値が所定時間に亘って一定となるときに、複数の燃料電池ユニットのうちの少なくとも二つの発電電力が変化するように、総電力の要求値を複数の燃料電池ユニットの各々に再度割り当てて、指令値を更新する第２の処理とを実行する。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に、燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、複数の燃料電池ユニットと、それらの動作を制御する制御装置とを備える。

特開２０２０－０８７６７３号公報

上記のような燃料電池システムでは、複数の燃料電池ユニットが発電すべき総電力の要求値が、各々の燃料電池ユニットに割り当てられ、各々の燃料電池ユニットは、割り当てられた発電電力を出力するように制御される。このような構成であると、総電力の要求値が長時間に亘って一定に維持されたときに、各々の燃料電池ユニットも一定の発電電力を出力し続ける。燃料電池ユニットの構造上（特に、燃料電池スタックの構造上）、燃料電池ユニットが一定の発電電力を出力し続けると、燃料電池スタックにおいて局所的な乾燥又は排水不良が発生することがある。このような燃料電池スタックにおける局所的な乾燥又は排水不良は、燃料電池スタックにおける発電効率の低下や、燃料電池スタックの局所的な劣化を招くおそれがある。

上記の実情を鑑み、本明細書は、複数の燃料電池ユニットを有する燃料電池システムにおいて、各々の燃料電池ユニットによる発電電力を適切に制御し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに具現化される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池ユニットと、複数の燃料電池ユニットの動作を制御する制御装置とを備える。前記制御装置は、前記複数の燃料電池ユニットが発電すべき総電力の要求値を、前記複数の燃料電池ユニットの各々に割り当てて、前記複数の燃料電池ユニットの各々に与える指令値を決定する第１の処理と、前記総電力の要求値が所定時間に亘って一定となるときに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの少なくとも二つの発電電力が変化するように、前記総電力の要求値を前記複数の燃料電池ユニットの各々に再度割り当てて、前記指令値を更新する第２の処理とを実行する。

上記した燃料電池システムでは、複数の燃料電池ユニットが発電すべき総電力の要求値に基づいて、各々の燃料電池ユニットに発電すべき電力が割り当てられることで、各々の燃料電池ユニットに対する指令値が決定される。そして、総電力の要求値が所定時間に亘って一定となるときは、少なくとも二つの燃料電池ユニットの発電電力の指令値が変化するように、各々の燃料電池ユニットに割り当てた発電電力の指令値を更新する。このような構成によると、総電力の要求値が長時間に亘って一定に維持されたときでも、各々の燃料電池ユニットが一定の発電電力を出力し続けることを避けることができる。これにより、燃料電池ユニット（例えば、燃料電池スタック）における発電効率の低下や、局所的な劣化を回避又は抑制することができる。

実施例のＦＣシステム１０の概略構成を示す図。 ＦＣシステム１０における第１の発電動作の一例を示すフローチャート。 図２の第１の発電動作における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 ＦＣシステム１０における第２の発電動作の一例を示すフローチャート。 図４の第２の発電動作における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 図４の第２の発電動作における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 第２の発電動作の変形例における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 第２の発電動作の変形例における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 第２の発電動作の変形例における各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを示す図。 ＦＣシステム１０における第３の発電動作の一例を示すフローチャート。 ＦＣシステム１０における第３の発電動作の一例を示すフローチャート。 ＦＣシステム１０における第３の発電動作の一例を示すフローチャート。

本技術の一実施形態において、第２の処理は、複数の燃料電池ユニットのうちの一つの発電電力が増加するとともに、複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、指令値を更新する処理を含んでもよい。このような構成によると、一つの燃料電池ユニットについて発電電力を大きく増加させる一方で、他の燃料電池ユニットについては発電電力の低下を抑制することができる。発電電力の指令値が増加した燃料電池ユニットでは、酸化ガス（例えば、酸素ガスを含む空気）及び燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給量が増加する。このような酸化ガス及び燃料ガスの供給量の増加は、当該燃料電池ユニットにおける局所的な排水不良を解消することが期待される。一方、当該燃料電池ユニットの発電電力が増加すると、そのユニット内で生成される水の量が増加する。これにより、当該燃料電池ユニットにおける局所的な乾燥を解消することが期待される。これに対して、他の燃料電池ユニットについては、発電電力が均等に抑制されることになるので、一部の燃料電池ユニットの動作が無用に制限されることがない。従って、例えば燃料電池ユニットにおける発電効率の低下を抑制しつつ、燃料電池ユニット（特に、燃料電池スタック）の局所的な劣化を回避又は抑制することができる。

あるいは、本技術の他の実施形態において、第２の処理は、複数の燃料電池ユニットのうちの二つ以上の発電電力が増加するとともに、複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、指令値を更新する処理を含んでもよい。このように、発電電力を増加させる燃料電池ユニットの数や、それに応じて発電電力を抑制する燃料電池ユニットの数は、特に限定されない。

本技術の一実施形態において、第２の処理は、複数の燃料電池ユニットのうちの一つの発電電力が減少するとともに、複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、指令値を更新する処理を含んでもよい。あるいは、本技術の他の実施形態において、第２の処理は、複数の燃料電池ユニットのうちの二つ以上の発電電力が減少するとともに、複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、指令値を更新する処理を含んでもよい。このような構成によっても、総電力の要求値が所定時間を超える長時間に亘って一定に維持されたときでも、各々の燃料電池ユニットが出力する発電電力を変化させることができる。

本技術の一実施形態において、所定時間は、２４時間であってもよい。このような構成によると、各々の燃料電池ユニットが、２４時間を超える長時間に亘って一定の発電電力を出力し続けることを禁止することができる。あるいは、本技術の他の実施形態において、所定時間は、１時間であってもよい。このような構成によると、各々の燃料電池ユニットが一定の発電電力を出力し続ける時間をより短くすることができる。

本技術の一実施形態において、複数の燃料電池ユニットの各々は、少なくとも一つの燃料電池スタックと、制御装置からの指令値に基づいて、燃料電池スタックの発電電力を制御するユニット制御装置とを備えていてもよい。このような構成によると、前述した制御装置は、各々の燃料電池ユニットに設けられたユニット制御装置を用いて、本技術に係る各種の処理を実行することができる。

図面を参照して、実施例の燃料電池システム（以下、ＦＣ（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）システム）１０について説明する。ＦＣシステム１０は、燃料電池車両（例えば、自動車、バス、トラック、電車）や定置用燃料電池装置等に搭載され、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。なお、ＦＣシステム１０は、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機）に搭載されてもよい。

図１に示すように、ＦＣシステム１０は、複数の燃料電池ユニット（以下、ＦＣユニット）ＦＣＵを備える。ここでは、説明の便宜上、ＦＣシステム１０が備えるＦＣユニットＦＣＵの数をＮとする（Ｎは２以上の整数である）。即ち、複数のＦＣユニットＦＣＵには、第１ＦＣユニットＦＣＵ１から第ＮＦＣユニットＦＣＵＮまでが含まれる。なお、ＦＣシステム１０が備える複数のＦＣユニットＦＣＵの数（即ち、Ｎ）は、特に限定されず、ＦＣシステム１０への要求電力に応じて、適宜変更することができる。

図１に示すように、ＦＣシステム１０は、システム制御装置１２と、バッテリ１４とをさらに備える。システム制御装置１２は、複数のＦＣユニットＦＣＵ及びバッテリ１４の動作を制御する制御装置である。バッテリ１４は、例えばリチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリであって、複数の二次電池を内蔵している。システム制御装置１２は、各々のＦＣユニットＦＣＵと通信可能に接続されており、上記したように、各々のＦＣユニットＦＣＵの動作を制御する。例えば、システム制御装置１２は、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値に基づいて、各々のＦＣユニットＦＣＵに発電すべき電力を割り当てる。ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値とは、複数のＦＣユニットＦＣＵが発電すべき総電力の要求値を意味し、例えば外部の装置又はユーザからＦＣシステム１０に与えられる。システム制御装置１２は、バッテリ１４と通信可能に接続されており、上記したように、バッテリ１４の動作を制御する。バッテリ１４は、各々のＦＣユニットＦＣＵと電気的に接続されており、各々のＦＣユニットＦＣＵに電力を供給可能に構成されている。なお、この場合、必要に応じて、バッテリ１４と各々のＦＣユニットＦＣＵとの間に、電力を昇圧又は降圧するコンバータが設けられてもよい。

図１に示すように、各々のＦＣユニットＦＣＵは、燃料電池ユニット制御装置（以下、ＦＣユニット制御装置）１６と、燃料電池スタック(以下、ＦＣスタック）１８と、コンプレッサ２０と、水素供給弁２２とを備える。ＦＣユニット制御装置１６は、システム制御装置１２と通信可能に接続されており、システム制御装置１２からの指示に基づいて、ＦＣスタック１８と、コンプレッサ２０と、水素供給弁２２との動作を制御する。このように、各々のＦＣユニットＦＣＵにおける動作は、対応するＦＣユニット制御装置１６によって制御される。なお、各々のＦＣユニットＦＣＵに、ＦＣユニット制御装置１６は必ずしも必要とされない。例えば、システム制御装置１２は、ＦＣユニット制御装置１６を介することなく、各ＦＣユニットＦＣＵの構成要素の各々を直接的に制御してもよい。

ＦＣスタック１８は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルが積層された構造を有する。上記したように、ＦＣユニット制御装置１６は、システム制御装置１２からの指示に基づいて、ＦＣスタック１８の動作を制御する。例えば、ＦＣユニット制御装置１６は、ＦＣスタック１８による発電の開始、又は発電の休止を制御する。特に限定されないが、ＦＣユニット制御装置１６は、システム制御装置１２から与えられる発電電力の指令値に基づいて、ＦＣスタック１８による発電電力を制御する。

コンプレッサ２０は、外部から取り入れた空気を圧縮して、ＦＣスタック１８へ供給する。一方、水素供給弁２２は、ＦＣシステム１０に接続された水素タンク２４とＦＣスタック１８との間に設けられている。上記したように、ＦＣユニット制御装置１６は、システム制御装置１２からの指示に基づいて、コンプレッサ２０及び水素供給弁２２の動作を制御する。例えば、ＦＣユニット制御装置１６は、コンプレッサ２０を制御して、酸素ガスを含む空気をＦＣスタック１８に供給する。同様に、ＦＣユニット制御装置１６は、水素供給弁２２を制御して、水素タンク２４からＦＣスタック１８に供給される水素ガス量を調整する。このようなコンプレッサ２０及び水素供給弁２２の動作に必要な電力は、バッテリ１４から供給されてもよいし、自己又は他のＦＣユニットＦＣＵから供給されてもよい。なお、コンプレッサ２０は、各々のＦＣユニットＦＣＵへ空気を供給する機器の一例である。また、水素ガスは燃料ガスの一例であり、空気は酸化ガスの一例である。

次に、本実施例のＦＣシステム１０における発電動作について説明する。ＦＣシステム１０の発電動作は、主に、システム制御装置１２と、各々のＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６とによって実行される。以下に説明するように、本実施例のＦＣシステム１０は、例えばＦＣシステム１０の状態に応じて、いくつかの発電動作を選択的に実行することができる。説明の便宜上、ここではＦＣシステム１０が備えるＦＣユニットＦＣＵの数を４とし、その四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４が発電すべき総電力の要求値Ａを２００ｋＷとする。但し、これらの数値は一例であり、本技術の適用範囲を限定するものではない。

先ず、図２、図３を参照して、ＦＣシステム１０が実行可能な第１の発電動作について説明する。第１の発電動作では、従来技術と同じく、複数のＦＣユニットＦＣＵに対する総電力の要求値Ａが、各々のＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てられる。この点において、第１の発電動作は、後述する他の発電動作との関係において、比較例として解釈することができる。

第１の発電動作は、図２に示す一連の処理に沿って実行される。図２に示すように、システム制御装置１２は、始動操作を検知すると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、ステップＳ１２以降の処理へ移行する。ここで、始動操作とは、例えば、ユーザがＦＣシステム１０のメインスイッチをオンすることをいう。一方、始動操作が検知されない場合には（ステップＳ１０でＮＯ）、システム制御装置１２は、ステップＳ１０へ再び戻る。即ち、始動操作が検知されない場合には、システム制御装置１２により、ステップＳ１０の処理が繰り返される。

ステップＳ１２では、システム制御装置１２が、第１ＦＣユニットＦＣＵ１から第４ＦＣユニットＦＣＵ４までの各々に設けられたＦＣユニット制御装置１６に、始動指令を与える。始動指令を受けたＦＣユニット制御装置１６の各々は、対応するＦＣユニットＦＣＵを始動させるための処理を開始する。詳しくは、コンプレッサ２０は作動を開始し、外部から取り入れた空気を圧縮してＦＣスタック１８に供給する。このとき、同様に、水素供給弁２２も制御され、ＦＣスタック１８に供給する水素ガス量を調整する。これにより、各ＦＣユニットＦＣＵでは、コンプレッサ２０から供給された空気と、水素タンク２４から供給された水素ガスとを用いて、発電が開始される。

ステップＳ１４では、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０の外部、又は他の制御装置（不図示）等から、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４が発電すべき総電力の要求値Ａを受け取る。続いて、ステップＳ１６では、システム制御装置１２が、総電力の要求値Ａを、各ＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てることで、各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐ（図３参照）を決定する。上記のように、発電すべき総電力の要求値Ａは２００ｋＷであるため、各ＦＣユニットＦＣＵへの発電電力の指令値Ｐは、いずれも５０ｋＷとなる。

ステップＳ１８では、システム制御装置１２が、ステップＳ１６で決定した指令値Ｐを、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６に与える。ステップＳ２０では、発電電力の指令値Ｐを受け取ったＦＣユニット制御装置１６が、当該指令値Ｐに従い、ＦＣスタック１８の発電を制御する。ここでは各ＦＣユニットＦＣＵへの発電電力の指令値Ｐが５０ｋＷであることから、各ＦＣユニットＦＣＵにおいて、ＦＣスタック１８の発電電力が５０ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。

以上のように、図２に示す第１の発電動作では、システム制御装置１２が、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４に対する総電力の要求値Ａを、各ＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てる。このような構成であると、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａに応じて、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐは一義に定まる。この場合、総電力の要求値Ａが長時間に亘って一定に維持されたときに、各ＦＣユニットＦＣＵも一定（即ち、指令値Ｐ）の発電電力を出力し続ける。しかしながら、ＦＣスタック１８の構造上、各ＦＣユニットＦＣＵが一定の発電電力を出力し続けると、ＦＣスタック１８において局所的な乾燥又は排水不良が発生することがある。このようなＦＣスタック１８における局所的な乾燥又は排水不良は、ＦＣスタック１８における発電効率の低下や、燃料電池スタックの局所的な劣化を招くおそれがある。

上記に関して、本実施例のＦＣシステム１０は、図４、図５に示す第２の発電動作をさらに実行することができる。第２の発電動作は、本技術が適用されたものであって、例えば総電力の要求値Ａが長時間に亘って一定となることが予期されるときに、第１の発電動作に代えて実行される。あるいは、第２の発電動作は、総電力の要求値Ａが長時間に亘って一定であることが検出されたときに、実行されてもよい。他の実施形態として、ＦＣシステム１０は、例えばユーザや外部装置の指示に応じて、第１の発電動作と第２の発電動作とを選択的に実行してもよい。

第２の発電動作は、図４に示す一連の処理に沿って実行される。なお、図４に示すステップＳ２２からステップＳ２６までの処理は、図２に示すステップＳ１０からステップＳ１４までの処理と同様である。図４に示すように、システム制御装置１２は、始動操作を検知すると（ステップＳ２２でＹＥＳ）、ステップＳ２４以降の処理へ移行する。一方、始動操作が検知されない場合には、システム制御装置１２は、ステップＳ２２へ再び戻り、始動操作を検知するまで、ステップＳ２２の処理を繰り返す。ステップＳ２４では、システム制御装置１２が、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６に、始動指令を与え、ＦＣユニット制御装置１６は、各ＦＣユニットＦＣＵを始動させるための処理を開始する。ステップＳ２６では、システム制御装置１２に対して、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４が発電すべき総電力の要求値Ａ（即ち、２００ｋＷ）が与えられる。

ステップＳ２８において、システム制御装置１２は、所定時間に亘って総電力の要求値Ａが一定となることが予期されるときに、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐを、所定時間毎に更新するための動作計画（以下、更新計画という）を決定する。そして、システム制御装置１２は、決定した更新計画に基づいてステップＳ３０以降の処理を実行して、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐを、所定時間毎に更新していく。なお、所定時間に亘って総電力の要求値Ａが一定となるのか否かについては、システム制御装置１２によって判断されてもよいし、外部の装置やユーザからシステム制御装置１２へ教示されてもよい。一例ではあるが、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａが、所定時間を超える時系列データによって与えられる場合、システム制御装置１２は、当該時系列データに基づいて、更新計画を決定するのか否かを判断してもよい。

ステップＳ３０では、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、各ＦＣユニットＦＣＵへ割り当てることで、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐを決定する。このとき、一例ではあるが、総電力の要求値Ａは、各ＦＣユニットＦＣＵに対して不均等に割り当てられる。例えば、図４、図５に示すように、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に対する指令値Ｐは、８０ｋＷに設定されてもよく、第２ＦＣユニットＦＣＵ２から第４ＦＣユニットＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、４０ｋＷに設定されてもよい。即ち、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に対する指令値Ｐは、総電力の要求値Ａを均等に割り当てたときの指令値Ｐである５０ｋＷよりも大きく、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、５０ｋＷより小さくてもよい。なお、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、４０ｋＷといった共通の値に限られず、互いに異なる値に設定されてもよい。

ステップＳ３２では、システム制御装置１２が、ステップＳ３０で決定した指令値Ｐを、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６に与える。ステップＳ３４では、発電電力の指令値Ｐを受け取ったＦＣユニット制御装置１６が、当該指令値Ｐに従い、対応するＦＣスタック１８の発電を制御する。ここでは、上記のように、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に対する指令値Ｐが８０ｋＷであるから、第１ＦＣユニットＦＣＵ１において、ＦＣスタック１８の発電電力が８０ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。同様に、第２ＦＣユニットＦＣＵ２から第４ＦＣユニットＦＣＵ４においても各ＦＣスタック１８の発電電力が４０ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。なお、ステップＳ３０からステップＳ３２までの処理が、本技術における第１の処理の一例である。

ステップＳ３６では、ステップＳ３４の処理から、即ち、各ＦＣユニットＦＣＵが発電を開始してから所定時間を超えた場合に、システム制御装置１２がステップＳ３８に移行する。言い換えると、各ＦＣユニットＦＣＵが、一定の指令値Ｐに基づく発電を所定時間に亘って継続した場合に、システム制御装置１２が、ステップＳ３６からステップＳ３８に移行する。当該所定時間は、ステップＳ２８で更新計画が決定される際に、規定されたものである。この場合、特に限定されないが、当該所定時間は２４時間であってもよいし、１時間であってもよい。

ステップＳ３８では、システム制御装置１２が、各ＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐ（即ち、ステップＳ３０で決定した指令値Ｐ）のうち、少なくとも二つのＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐが変化するように、各ＦＣユニットＦＣＵに割り当てた発電電力の指令値Ｐを更新する。例えば、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４に対する指令値Ｐのうち、第１ＦＣユニットＦＣＵ１及び第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐが変化する。この場合、図４、図６に示すように、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐは、８０ｋＷに更新され、他の三つのＦＣユニットＦＣＵ１、ＦＣＵ３－ＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、４０ｋＷに更新される。即ち、ステップＳ３８では、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐは、ステップＳ３０で決定された４０ｋＷから、８０ｋＷへ増加する。これに対して、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に対する指令値Ｐは、ステップＳ３０で決定された８０ｋＷから、４０ｋＷへ減少する。第３ＦＣユニットＦＣＵ３及び第４ＦＣユニットＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、ステップＳ３０と同様、４０ｋＷとして維持される。なお、第１ＦＣユニットＦＣＵ１と、第３ＦＣユニットＦＣＵ３と、第４ＦＣユニットＦＣＵ４に対する指令値Ｐは、４０ｋＷといった共通の値に限られず、互いに異なるように更新されてもよい。

ステップＳ４０及びステップＳ４２は、上記で説明したステップＳ３２及びステップＳ３４の処理と同様である。詳しくは、ステップＳ４０では、システム制御装置１２が、ステップＳ３８で更新した指令値Ｐを、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６に与える。ステップＳ４２では、更新済みの指令値Ｐを受け取ったＦＣユニット制御装置１６が、当該指令値Ｐに従い、対応するＦＣスタック１８の発電を制御する。ここでは、上記のように、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐが８０ｋＷであるから、第２ＦＣユニットＦＣＵ２において、ＦＣスタック１８の発電電力が８０ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。同様に、他の三つのＦＣユニットＦＣＵ１、ＦＣＵ３－ＦＣＵ４においても各ＦＣスタック１８の発電電力が４０ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。なお、ステップＳ２８及びステップＳ３６からステップＳ４０までの処理が、本技術における第２の処理の一例である。

ステップＳ４２以降では、図示省略するが、システム制御装置１２が、ステップＳ３６からステップＳ４２の処理を繰り返す。本実施例においては、ステップＳ４２において各ＦＣユニットＦＣＵが一定（即ち、指令値Ｐ）の発電電力を出力し続ける時間が、所定時間を超えると、システム制御装置１２により、当該指令値Ｐが更新される。この場合、例えば、当該指令値Ｐは、第３ＦＣユニットＦＣＵ３に対して８０ｋＷに更新され、他の三つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ２、ＦＣＵ４に対して４０ｋＷに更新される。その後、システム制御装置１２により与えられた指令値Ｐに従い、各ＦＣユニット制御装置１６が対応するＦＣスタック１８の発電を制御する。さらに、各ＦＣユニットＦＣＵが一定（即ち、指令値Ｐ）の発電電力を出力し続ける時間が、所定時間を再び超えると、システム制御装置１２により、当該指令値Ｐが更新される。この場合、当該指令値Ｐは、第４ＦＣユニットＦＣＵ４に対して８０ｋＷに更新され、他の三つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ３に対して４０ｋＷに更新される。その後、同様にして、システム制御装置１２により与えられた指令値Ｐに従い、各ＦＣユニット制御装置１６が対応するＦＣスタック１８の発電を制御する。なお、上記のステップＳ４２以降の処理も、本技術における第２の処理の一例である。

以上のように、本実施例のＦＣシステム１０が実行する第２の発電動作には、第１の処理と第２の処理とが含まれる。第１の処理では、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４に対する総電力の要求値Ａに基づいて、各々のＦＣユニットＦＣＵに発電すべき電力が割り当てられることで、各々の燃料電池ユニットに対する指令値Ｐが決定される。そして、第２の処理では、総電力の要求値Ａが所定時間に亘って一定となるときは、少なくとも二つのＦＣユニットＦＣＵの発電電力の指令値Ｐが変化するように、各々のＦＣユニットＦＣＵに割り当てた発電電力の指令値Ｐを更新する。即ち、各ＦＣユニットＦＣＵが一定（即ち、指令値Ｐ）の発電電力を出力し続ける時間が、所定時間を超える度に、システム制御装置１２により、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐが更新される。従って、総電力の要求値Ａが所定時間を超える長時間に亘って一定に維持されたときでも、各ＦＣユニットＦＣＵが所定時間を超えて、一定の発電電力（即ち、指令値Ｐ）を出力し続けることを避けることができる。これにより、例えば、ＦＣスタック１８といったＦＣユニットＦＣＵにおける発電効率の低下や、局所的な劣化を回避又は抑制することができる。

これに加えて、本実施例における第２の処理では、図４－図６に示すように、一つのＦＣユニットＦＣＵの発電電力が増加するとともに、他の三つのＦＣユニットＦＣＵの発電電力が均等となるように、指令値Ｐを更新する。この場合、システム制御装置１２は、指令値Ｐが８０ｋＷとなるＦＣユニットＦＣＵを一つずつ順番に選択する。同時に、システム制御装置１２は、他のＦＣユニットＦＣＵに対して、要求値Ａである２００ｋＷの残部（即ち、１２０ｋＷ）を均等に割り当てることで、他のＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを４０ｋＷと設定する。従って、一つのＦＣユニットＦＣＵについて発電電力を大きく増加させる一方で、他の三つのＦＣユニットＦＣＵについては発電電力の低下を抑制することができる。

特に限定されないが、一つのＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐは、他のＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐよりも有意に大きい方が好ましい。例えば、本実施例では、一つのＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐである８０ｋＷは、他のＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐである４０ｋＷの２倍である。なお、一つのＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐは、必ずしも他のＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐの２倍である必要はない。特に限定されないが、一つのＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐは、他のＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐと比較して、例えば、＋２５％であってもよい。これにより、総電力の要求値Ａが一定に維持される場合でも、各々のＦＣユニットＦＣＵでは、指令値Ｐに２５％幅の変動が周期的に現れる。指令値Ｐに２５％程度の変動を与えることができれば、ＦＣスタック１８における局所的な乾燥又は排水不良を有意に抑制することができる。

図７－図９を参照して、本実施例のＦＣシステム１０が実行する第２の処理の三つの変形例について説明する。説明の便宜上、ここではＦＣシステム１０が備えるＦＣユニットＦＣＵの数を８とする。但し、これらの数値は一例であり、本技術の適用範囲を限定するものではない。図７に示すように、本技術の他の実施形態では、第２の処理には、二つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ２の発電電力が増加するとともに、他の六つのＦＣユニットＦＣＵ３－ＦＣＵ８の発電電力が均等となるように、指令値Ｐを更新する処理が含まれる。ここでは、図４－図６と同様に、各ＦＣユニットＦＣＵが一定（即ち、指令値Ｐ）の発電電力を出力し続ける時間が、所定時間を超える度に、システム制御装置１２により、各ＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力の指令値Ｐが更新される。この場合、システム制御装置１２は、発電電力を増加させる二つのＦＣユニットＦＣＵを順番に選択するとともに、他の六つのＦＣユニットＦＣＵの発電電力が均等になるように指令値Ｐを更新する。従って、本変形例においても、総電力の要求値Ａが所定時間を超える長時間に亘って一定に維持されたときでも、各ＦＣユニットＦＣＵが所定時間を超えて、一定の発電電力を出力し続けることを避けることができる。

本技術の他の実施形態では、図８に示すように、第２の処理には、一つのＦＣユニットＦＣＵ１の発電電力が減少するとともに、他の七つのＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ８の発電電力が均等となるように、指令値Ｐを更新する処理が含まれる。また、本技術の他の実施形態では、図９に示すように、第２の処理には、二つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ２の発電電力が減少するとともに、他の六つのＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ８の発電電力が均等となるように、指令値Ｐを更新する処理が含まれる。なお、図７及び図９に示した各変形例について、発電電力が増加又は減少するＦＣユニットＦＣＵの発電電力は、必ずしも均等である必要はなく、互いに異なっていてもよい。また、図７及び図９に示した各変形例について、発電電力が増加又は減少するＦＣユニットＦＣＵの数は、必ずしも二つである必要はなく、二つ以上であってもよい。さらに、図７－図９に示した各変形例について、他のＦＣユニットＦＣＵに対する発電電力は、必ずしも均等である必要はなく、互いに異なるように指令値Ｐが設定されてもよい。

上記に加えて、本実施例のＦＣシステム１０は、複数のＦＣユニットＦＣＵの一部に異常が生じたときでも、下記する第３の発電動作を実行することによって、ＦＣシステム１０による電力供給を継続することができる。以下の説明から理解されるように、第３の発電動作では、総電力の要求値Ａを複数のＦＣユニットＦＣＵへ割り当てるときに、異常が生じているＦＣユニットＦＣＵを排除して、あるいは、その割り当てを制限して、各ＦＣユニットＦＣＵへの指令値Ｐが決定される。なお、説明の便宜上、ここではＦＣシステム１０が備えるＦＣユニットＦＣＵの数を４とし、その四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４が発電すべき総電力の要求値Ａを２００ｋＷとする。但し、これらの数値は一例であり、本技術の適用範囲を限定するものではない。

第３の発電動作は、図１０に示す一連の処理に沿って実行される。なお、図１０に示すステップＳ４４からステップＳ４８までの処理は、図２に示すステップＳ１０からステップＳ１４までの処理と同様であるため、説明は割愛する。ステップＳ５０では、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６の一部から、システム制御装置１２に対して、当該ＦＣユニットＦＣＵの異常（例えば、故障）を伝えるための信号が送信される。例えば、第１ＦＣユニットＦＣＵ１の故障を示す故障信号は、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に設けられたＦＣユニット制御装置１６から、システム制御装置１２へ送信される。なお、各ＦＣユニットＦＣＵの異常は、故障に限定されず、例えば、点検のために、一部のＦＣユニットＦＣＵにおける発電を一時的に停止すること等も含む。

ステップＳ５２では、ステップＳ５０で与えられた故障信号に基づいて、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、各ＦＣユニットＦＣＵへ割り当てることで、各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを決定する。詳しくは、システム制御装置１２は、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、故障が発生している第１ＦＣユニットＦＣＵ１を排除して、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４へ均等に割り当てる。ここでは、上記のように、ＦＣシステム１０が発電すべき総電力の要求値Ａは２００ｋＷであるため、第１ＦＣユニットＦＣＵ１への発電電力の指令値Ｐは、０ｋＷとなり、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４への発電電力の指令値Ｐは、いずれも６７ｋＷ（＝２００ｋＷ／３ｕｎｉｔｓ）となる。

ステップＳ５４では、システム制御装置１２が、ステップＳ１６で決定した指令値Ｐを、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６に与える。ステップＳ５６では、発電電力の指令値Ｐを受け取ったＦＣユニット制御装置１６が、当該指令値Ｐに従い、ＦＣスタック１８の発電を制御する。ここでは、上記のように、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に対する指令値Ｐが０ｋＷであるから、第１ＦＣユニットＦＣＵ１での発電は行われない。これに対して、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４への発電電力の指令値Ｐが、いずれも６７ｋＷであることから、各ＦＣユニットＦＣＵにおいて、ＦＣスタック１８の発電電力が６７ｋＷとなるように、ＦＣスタック１８の動作が制御される。ステップＳ５４及びステップＳ５６は、図４のステップＳ３２及びステップＳ３４と同様であるため、説明は割愛する。

以上のように、図１０に示す第３の発電動作では、システム制御装置１２が、四つのＦＣユニットＦＣＵ１－ＦＣＵ４に対する総電力の要求値Ａを、故障が発生しているＦＣユニットＦＣＵ以外のＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てる。このような構成によると、
複数のＦＣユニットＦＣＵの一部に故障といった異常が生じたときでも、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを満足させて電力供給を継続することができる。

本技術の他の実施形態では、第３の発電動作は、図１１に示す一連の処理に沿って実行される。本変形例における第３の発電動作は、例えば、一つのＦＣユニットＦＣＵに故障が発生しているとともに、他の一つのＦＣユニットＦＣＵについて発電電力が制限されている場合に実行される。なお、図１１に示すステップＳ５８からステップＳ６２までの処理は、図２に示すステップＳ１０からステップＳ１４までの処理と同様であるため、説明は割愛する。

ステップＳ６４では、図１０のステップＳ５０と同様に、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６の一部から、システム制御装置１２に対して、当該ＦＣユニットＦＣＵの故障や出力制限といった、異常を伝えるための信号が送信される。例えば、第１ＦＣユニットＦＣＵ１の故障を示す故障信号は、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に設けられたＦＣユニット制御装置１６から、システム制御装置１２へ送信される。さらに、第２ＦＣユニットＦＣＵ２の発電電力が制限されていることを示す出力制限信号も、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に設けられたＦＣユニット制御装置１６から、システム制御装置１２へ送信される。第２ＦＣユニットＦＣＵ２の出力制限信号には、当該ＦＣユニットＦＣＵでの発電可能な出力の上限値（即ち、制限値）の情報が含まれる。第２ＦＣユニットＦＣＵ２の制限値は、例えば、４０ｋＷである。

ステップＳ６６では、ステップＳ６４で与えられた故障信号及び出力制限信号に基づいて、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、各ＦＣユニットＦＣＵへ割り当てることで、各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを決定する。詳しくは、システム制御装置１２は、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、故障が発生している第１ＦＣユニットＦＣＵ１を排除して、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４に割り当てる。さらに、システム制御装置１２は、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐを、出力の制限値（即ち、４０ｋＷ）とするとともに、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａである２００ｋＷの残部（即ち、１６０ｋＷ）を均等に割り当てることで、他のＦＣユニットＦＣＵ３－ＦＣＵ４の指令値Ｐを８０ｋＷと設定する。ステップＳ６８及びステップＳ７０は、図４のステップＳ３２及びステップＳ３４と同様であるため、説明は割愛する。

以上のように、図１１に示す第３の発電動作では、図１０に示す第３の発電動作と同様、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、故障しているＦＣユニットＦＣＵを排除したＦＣユニットＦＣＵに割り当てる。これに加えて、図１１に示す第３の発電動作では、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを、出力が制限されているＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐを、当該制限値としたうえで、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａの残部を、他のＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てる。このような構成によると、複数のＦＣユニットＦＣＵの一部に故障や出力制限といった、異常が生じたときでも、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａを満足させて電力供給を継続することができる。

本技術の他の実施形態では、第３の発電動作は、図１２に示す一連の処理に沿って実行される。本変形例における第３の発電動作は、例えば、一つのＦＣユニットＦＣＵに故障が発生しているとともに、他の一つのＦＣユニットＦＣＵについて発電電力が比較的に大きく制限されている場合に実行される。なお、図１２に示すステップＳ７２からステップＳ７６までの処理は、図２に示すステップＳ１０からステップＳ１４までの処理と同様であるため、説明は割愛する。

ステップＳ７８では、図１０のステップＳ５０と同様に、各ＦＣユニットＦＣＵに設けられたＦＣユニット制御装置１６の一部から、システム制御装置１２に対して、当該ＦＣユニットＦＣＵの故障や出力制限といった、異常を伝えるための信号が送信される。例えば、第１ＦＣユニットＦＣＵ１の故障を示す故障信号は、第１ＦＣユニットＦＣＵ１に設けられたＦＣユニット制御装置１６から、システム制御装置１２へ送信される。さらに、第２ＦＣユニットＦＣＵ２の発電電力が制限されていることを示す出力制限信号も、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に設けられたＦＣユニット制御装置１６から、システム制御装置１２へ送信される。第２ＦＣユニットＦＣＵ２の出力制限信号には、当該ＦＣユニットＦＣＵでの発電可能な出力の上限値（即ち、出力制限値）の情報が含まれる。第２ＦＣユニットＦＣＵ２の出力制限値は、例えば、２０ｋＷである。

ステップＳ８０では、システム制御装置１２は、ステップＳ７８で与えられた故障信号及び出力制限信号に基づいて、ＦＣシステム１０が発電すべき総電力の要求値Ａを満足する発電を実行できないと判断した場合には、ＦＣシステム１０から発電可能な出力の上限値（即ち、出力制限値）Ｂを決定する。そして、システム制御装置１２は、ステップＳ７６で総電力の要求値Ａを送るＦＣシステム１０の外部、又は他の制御装置（不図示）等に、当該出力制限値Ｂを通知する。例えば、第３ＦＣユニットＦＣＵ３及び第４ＦＣユニットＦＣＵ４の出力上限値が８０ｋＷであると、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂは、１８０ｋＷとなる。

ステップＳ８２では、ステップＳ６４で与えられた故障信号及び出力制限信号に基づいて、システム制御装置１２が、ステップＳ８０で決定したＦＣシステム１０の出力制限値Ｂ（即ち、１８０ｋＷ）を、各ＦＣユニットＦＣＵへ割り当てることで、各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐを決定する。詳しくは、システム制御装置１２は、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂを、故障が発生している第１ＦＣユニットＦＣＵ１を排除して、他のＦＣユニットＦＣＵ２－ＦＣＵ４に割り当てる。さらに、システム制御装置１２は、第２ＦＣユニットＦＣＵ２に対する指令値Ｐを、当該ＦＣユニットの出力の制限値（即ち、２０ｋＷ）とするとともに、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂ（即ち、１８０ｋＷ）の残部（即ち、１６０ｋＷ）を均等に割り当てることで、他のＦＣユニットＦＣＵ３－ＦＣＵ４の指令値Ｐを８０ｋＷと設定する。ステップＳ８４及びステップＳ８６は、図４のステップＳ３２及びステップＳ３４と同様であるため、説明は割愛する。

以上のように、図１２に示す第３の発電動作では、システム制御装置１２によって、各ＦＣユニットＦＣＵの指令値Ｐが決定される前に、ＦＣシステム１０からの出力制限値Ｂが決定される。その後、システム制御装置１２が、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂを、故障しているＦＣユニットＦＣＵを排除し、かつ、出力が制限されているＦＣユニットＦＣＵに対する指令値Ｐを、当該制限値としたうえで、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂの残部を、他のＦＣユニットＦＣＵへ均等に割り当てる。本変形例のように、複数のＦＣユニットＦＣＵの一部に故障や出力制限といった、異常が生じたときには、ＦＣシステム１０に対する総電力の要求値Ａに代えて、ＦＣシステム１０の出力制限値Ｂを、各ＦＣユニットに割り当ててもよい。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。

１０ ：ＦＣシステム
１２ ：システム制御装置
１４ ：バッテリ
１６ ：ＦＣユニット制御装置
１８ ：ＦＣスタック
２０ ：コンプレッサ
２２ ：水素供給弁
２４ ：水素タンク
Ａ ：要求値
Ｂ ：出力制限値
ＦＣＵ１ ：第１ＦＣユニット
ＦＣＵ２ ：第２ＦＣユニット
ＦＣＵ３ ：第３ＦＣユニット
ＦＣＵ４ ：第４ＦＣユニット
ＦＣＵＮ ：第ＮＦＣユニット
Ｐ ：指令値

Claims (8)

1. 複数の燃料電池ユニットと、
   前記複数の燃料電池ユニットの動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記複数の燃料電池ユニットが発電すべき総電力の要求値を、前記複数の燃料電池ユニットの各々に割り当てて、前記複数の燃料電池ユニットの各々に与える指令値を決定する第１の処理と、
   前記総電力の要求値が所定時間に亘って一定となるときに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの少なくとも二つの発電電力が変化するように、前記総電力の要求値を前記複数の燃料電池ユニットの各々に再度割り当てて、前記指令値を更新する第２の処理と、を実行する、
   燃料電池システム。
2. 前記第２の処理は、
   前記複数の燃料電池ユニットのうちの一つの発電電力が増加するとともに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、前記指令値を更新する処理を含む、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２の処理は、
   前記複数の燃料電池ユニットのうちの二つ以上の発電電力が増加するとともに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、前記指令値を更新する処理を含む、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第２の処理は、
   前記複数の燃料電池ユニットのうちの一つの発電電力が減少するとともに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、前記指令値を更新する処理を含む、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２の処理は、
   前記複数の燃料電池ユニットのうちの二つ以上の発電電力が減少するとともに、前記複数の燃料電池ユニットのうちの残部の発電電力が均等となるように、前記指令値を更新する処理を含む、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記所定時間は、２４時間である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記所定時間は、１時間である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記複数の燃料電池ユニットの各々は、
   少なくとも一つの燃料電池スタックと、
   前記制御装置からの前記指令値に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を制御するユニット制御装置と、を備える、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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