KR20160053775A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 터보 압축기의 소비 전력량을 적게 유지함과 함께 터보 압축기의 서징을 저지하면서, 연료 전지 스택의 드라이 업을 확실하게 해소하는 것이다. 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에는 회복 제어를 행한다. 회복 제어에서는, 캐소드 압력이 상승 캐소드 압력으로 되도록 캐소드 압력 제어 밸브(47)가 제어되고, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량이 증대 공기 유량으로 설정되고, 연료 전지 스택에 공급되는 공기 유량이 요구 공기 유량으로 유지되도록 바이패스 제어 밸브(41b)가 제어된다. 또한, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기의 소비 전력량을 최소로 하는 상승 캐소드 압력 및 증대 공기 유량의 조합이 연료 전지 스택의 요구 공기 유량에 기초하여 설정된다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택 내에 형성된 산화제 가스 통로의 입구에 연결된 산화제 가스 공급관과, 산화제 가스 공급관 내에 배치되고, 산화제 가스를 공급하기 위한 터보 압축기와, 터보 압축기 하류의 산화제 가스 공급관으로부터 분기된 바이패스관과, 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양 및 바이패스관 내로 유입되는 산화제 가스의 양을 제어하는 바이패스 제어 밸브와, 산화제 가스 통로의 출구에 연결된 캐소드 오프 가스 통로와, 캐소드 오프 가스 통로 내에 배치되고, 산화제 가스 통로 내의 압력인 캐소드 압력을 제어하기 위한 캐소드 압력 제어 밸브를 구비한 연료 전지 시스템이 공지이다.
일반적으로, 터보 압축기의 압력비 및 산화제 가스 토출량에 의해 정해지는 터보 압축기의 동작점이 속할 수 있는 영역 중, 압력비가 낮고 또한 산화제 가스 토출량이 많은 측에 터보 압축기에 서징이 발생하지 않는 비서지 영역이 구획됨과 함께, 압력비가 높고 또한 산화제 가스 토출량이 적은 측에 터보 압축기에 서징이 발생할 수 있는 서지 영역이 구획되어 있다. 즉, 서지 영역 내에 속하는 동작점을 갖고 터보 압축기를 작동시키면, 터보 압축기에 서징이 발생할 우려가 있다.
따라서, 터보 압축기의 요구 동작점이 서지 영역 내에 속할 때에는, 터보 압축기의 동작점이 비서지 영역 내에 속하도록, 터보 압축기의 산화제 가스 토출량을 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량보다도 과잉분만큼 많은 증대 산화제 가스량으로 설정하고, 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 과잉분이 바이패스관 내로 유입됨으로써 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 요구 산화제 가스량으로 유지되도록 바이패스 제어 밸브를 제어하는, 연료 전지 시스템이 공지이다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 이와 같이 하면, 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 요구 산화제 가스량으로 유지되면서, 터보 압축기에 서징이 발생하는 것이 저지된다.
한편, 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있는지를 여부를 판별하고, 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에, 캐소드 압력이 상승 캐소드 압력까지 상승되도록 캐소드 압력 제어 밸브의 개방도를 작게 하는, 연료 전지 시스템도 공지이다. 캐소드 압력이 상승되면, 산화제 가스 통로 내에서 응축되는 수분량이 많아진다. 또한, 캐소드 압력을 상승시키기 위해 캐소드 압력 제어 밸브의 개방도가 작아지면, 연료 전지 스택 내의 산화제 가스 통로로부터 유출되는 캐소드 오프 가스량이 적어지므로, 캐소드 오프 가스에 동반되어 연료 전지 스택 밖으로 유출되는 수분량이 감소한다. 그 결과, 산화제 가스 통로의 습윤 정도가 높아지고, 드라이 업이 해소된다. 이 경우, 상승 캐소드압이 높으면 높을수록, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 시간이 짧아진다.
일본 특허 공개 제2009-123550호 공보
특허문헌 1에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서도, 드라이 업을 해소하기 위해 캐소드 압력을 상승시키는 상술한 기술을 사용하는 것이 가능하다. 그런데, 캐소드 압력이 높아지면, 터보 압축기의 압력비도 높아진다. 따라서, 터보 압축기의 산화제 가스 토출량을 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량으로 유지한 채로 캐소드 압력이 높아지면, 터보 압축기의 동작점이 서지 영역 내로 이행할 우려가 있다. 이 점, 특허문헌 1에 기재된 연료 전지 시스템에서는, 터보 압축기의 동작점이 비서지 영역 내에 속하도록, 터보 압축기의 산화제 가스 토출량 또는 과잉분이 설정된다고 생각된다. 즉, 드라이 업이 해소되도록 캐소드 압력이 상승 캐소드 압력까지 상승되고, 터보 압축기의 동작점이 비서지 영역 내에 속하도록 터보 압축기의 산화제 가스 토출량이 증대 산화제 가스량까지 증대된다.
그러나, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 상승 캐소드 압력과, 터보 압축기의 동작점을 비서지 영역 내에 유지하는 데에 필요한 증대 산화제 가스량의 조합은 복수 존재한다. 따라서, 이들 복수의 조합 중에서 최적의 조합을 결정할 필요가 있다. 특허문헌 1은 이 점에 대해 개시도 시사조차도 하고 있지 않다.
본 발명에 따르면, 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택 내에 형성된 산화제 가스 통로의 입구에 연결된 산화제 가스 공급관과, 상기 산화제 가스 공급관 내에 배치되고, 산화제 가스를 공급하기 위한 터보 압축기와, 상기 터보 압축기 하류의 상기 산화제 가스 공급관으로부터 분기된 바이패스관과, 상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양 및 상기 바이패스관 내로 유입되는 산화제 가스의 양을 제어하는 바이패스 제어 밸브와, 상기 산화제 가스 통로의 출구에 연결된 캐소드 오프 가스관과, 상기 캐소드 오프 가스관 내에 배치되고, 상기 산화제 가스 통로 내의 압력인 캐소드 압력을 제어하기 위한 캐소드 압력 제어 밸브와, 상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있는지의 여부를 판별하고, 상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별된 때에는 통상 제어를 행하고, 상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에는 상기 드라이 업을 해소하기 위한 회복 제어를 행하는, 제어기를 구비하고, 상기 터보 압축기의 압력비 및 산화제 가스 토출량에 의해 정해지는 상기 터보 압축기의 동작점이 속할 수 있는 영역 중, 압력비가 낮고 또한 산화제 가스 토출량이 많은 측에 상기 터보 압축기에 서징이 발생하지 않는 비서지 영역이 구획됨과 함께, 압력비가 높고 또한 산화제 가스 토출량이 적은 측에 상기 터보 압축기에 서징이 발생할 수 있는 서지 영역이 구획되어 있고, 상기 통상 제어에 있어서, 상기 캐소드 압력이 미리 정해진 베이스 캐소드 압력으로 되도록 상기 캐소드 압력 제어 밸브가 제어되고, 상기 터보 압축기의 산화제 가스 토출량이 상기 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량으로 설정되고, 또한 상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스의 전량이 상기 연료 전지 스택에 공급됨으로써 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 상기 요구 산화제 가스량으로 되도록 상기 바이패스 제어 밸브가 제어되고, 상기 베이스 캐소드 압력 및 상기 요구 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 비서지 영역 내에 속하고 있고, 상기 회복 제어에 있어서, 상기 캐소드 압력이 상기 베이스 캐소드 압력보다도 높은 상승 캐소드 압력으로 되도록 상기 캐소드 압력 제어 밸브가 제어되고, 상기 터보 압축기의 산화제 가스 토출량이 상기 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량보다도 과잉분만큼 많은 증대 산화제 가스량으로 설정되고, 또한 상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 상기 과잉분이 상기 바이패스관 내로 유입됨으로써 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 상기 요구 산화제 가스량으로 유지되도록 상기 바이패스 제어 밸브가 제어되고, 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 요구 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 서지 영역 내에 속함과 함께, 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 증대 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 비서지 영역 내에 속하고 있고, 상기 회복 제어에 있어서, 또한 상기 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 상기 터보 압축기의 소비 전력량을 최소로 하는 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 증대 산화제 가스량의 조합이 상기 연료 전지 스택의 상기 요구 산화제 가스량에 기초하여 설정되는, 연료 전지 시스템이 제공된다.
터보 압축기의 소비 전력량을 적게 유지함과 함께 터보 압축기의 서징을 저지하면서, 연료 전지 스택의 드라이 업을 확실하게 해소할 수 있다.
도 1은 연료 전지 시스템의 전체도.
도 2는 터보 압축기의 서지 영역 및 비서지 영역을 설명하는 선도.
도 3은 회복 제어를 설명하는 선도.
도 4는 본 발명에 의한 실시예를 설명하는 타임차트.
도 5는 복수의 조합 (PCI, qAI)를 설명하는 선도.
도 6은 조합 (PCI, qAI)의 맵을 나타내는 도면.
도 7은 시스템 제어를 실행하는 루틴을 나타내는 흐름도.
도 8은 통상 제어를 실행하는 루틴을 나타내는 흐름도.
도 9는 회복 제어를 실행하는 루틴을 나타내는 흐름도.
도 10은 조합 (PCI, qAI)의 다른 실시예의 맵을 나타내는 도면.
도 11은 조합 (PCI, qAI)의 또 다른 실시예의 맵을 나타내는 도면.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(A)은 연료 전지 스택(10)을 구비한다. 연료 전지 스택(10)은 적층 방향 LS를 따라 서로 적층된 복수의 연료 전지 단셀(10a)을 구비한다. 각 연료 전지 단셀(10a)은 막전극 접합체(20)를 포함한다. 막전극 접합체(20)는 막 형상의 전해질과, 전해질의 일측에 형성된 애노드극과, 전해질의 타측에 형성된 캐소드극을 구비한다.
연료 전지 단셀(10a)의 애노드극 및 캐소드극은 각각 직렬로 전기적으로 접속되고, 적층 방향 LS에 관해 가장 외측의 애노드극 및 캐소드극은 연료 전지 스택(10)의 전극을 구성한다. 연료 전지 스택(10)의 전극은 DC/DC 컨버터(11)를 통해 인버터(12)에 전기적으로 접속되고, 인버터(12)는 모터 제너레이터(13)에 전기적으로 접속된다. 또한, 연료 전지 시스템(A)은 축전기(14)를 구비하고 있고, 이 축전기(14)는 DC/DC 컨버터(15)를 통해 상술한 인버터(12)에 전기적으로 접속된다. DC/DC 컨버터(11)는 연료 전지 스택(10)으로부터의 전압을 높여 인버터(12)에 보내기 위한 것이고, 인버터(12)는 DC/DC 컨버터(11) 또는 축전기(14)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하기 위한 것이다. DC/DC 컨버터(15)는 연료 전지 스택(10) 또는 모터 제너레이터(13)로부터 축전기(14)로의 전압을 낮게 하고, 또는 축전기(14)로부터 모터 제너레이터(13)로의 전압을 높게 하기 위한 것이다. 또한, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는 축전기(14)는 배터리로 구성된다.
또한, 각 연료 전지 단셀(10a) 내에는, 애노드극에 연료 가스로서의 수소 가스를 공급하기 위한 수소 가스 유통로(30a)와, 캐소드극에 산화제 가스로서의 공기를 공급하는 공기 유통로(40a)가 각각 형성되고, 서로 인접하는 2개의 연료 전지 단셀(10a)끼리간에는 연료 전지 단셀(10a)에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 유통로(도시 생략)가 형성된다. 복수의 연료 전지 단셀(10a)의 수소 가스 유통로(30a), 공기 유통로(40a) 및 냉각수 유통로를 각각 병렬로 접속함으로써, 연료 전지 스택(10) 내에 수소 가스 통로(30), 공기 통로(40) 및 냉각수 통로(도시 생략)가 각각 형성된다. 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 수소 가스 통로(30), 공기 통로(40) 및 냉각수 통로의 입구 및 출구는 각각, 연료 전지 스택(10)의 적층 방향 LS 일단부에 배치된다.
도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 수소 가스 유통로(30a)의 입구 및 공기 유통로(40a)의 출구가 적층 방향 LS의 축선의 일측에 배치되고, 수소 가스 유통로(30a)의 출구 및 공기 유통로(40a)의 입구가 적층 방향 LS의 축선의 타측에 배치된다. 따라서, 수소 가스 유통로(30a) 내를 흐르는 수소 가스의 방향과, 공기 유통로(40a) 내를 흐르는 공기의 방향이 서로 거의 역방향으로 되어 있다. 즉, 연료 전지 스택(10)은 향류식의 연료 전지 스택으로 구성된다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 수소 가스 유통로(30a)의 입구 및 출구와, 공기 유통로(40a)의 입구 및 출구가 각각 인접 배치되고, 따라서 수소 가스 유통로(30a) 내를 흐르는 수소 가스의 방향과, 공기 유통로(40a) 내를 흐르는 공기의 방향이 서로 거의 동일한 방향으로 되어 있다. 즉, 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 연료 전지 스택(10)은 병류식의 연료 전지 스택으로 구성된다.
수소 가스 통로(30)의 입구에는 수소 가스 공급관(31)이 연결되고, 수소 가스 공급관(31)은 수소 가스원, 예를 들어 수소 탱크(32)에 연결된다. 수소 가스 공급관(31) 내에는 상류측으로부터 순서대로, 전자기식의 차단 밸브(33)와, 수소 가스 공급관(31) 내의 압력을 조정하는 레귤레이터(34)와, 수소 가스원(32)으로부터의 수소 가스를 연료 전지 스택(10)에 공급하기 위한 수소 가스 공급기(35)가 배치된다. 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는 수소 가스 공급기(35)는 전자기식의 수소 가스 공급 밸브로 구성된다. 이 수소 가스 공급 밸브는 니들 밸브를 구비하고 있고, 따라서 수소 가스는 수소 가스 공급 밸브로부터 간헐적으로 공급된다. 한편, 수소 가스 통로(30)의 출구에는 버퍼 탱크(36)를 통해 퍼지 관(37)이 연결된다. 퍼지 관(37) 내에는 전자기식의 퍼지 제어 밸브(38)가 배치된다. 차단 밸브(33) 및 수소 가스 공급 밸브(35)가 개방되면, 수소 탱크(32) 내의 수소 가스가 수소 가스 공급관(31)을 통해 연료 전지 스택(10) 내의 수소 가스 통로(30) 내에 공급된다. 이때 수소 가스 통로(30)로부터 유출되는 가스, 즉 애노드 오프 가스는 버퍼 탱크(36) 내로 유입되고, 버퍼 탱크(36) 내에 축적된다. 퍼지 제어 밸브(38)는 통상은 폐쇄되어 있고, 주기적으로 단시간에 걸쳐 개방된다. 퍼지 제어 밸브(38)가 개방되면, 버퍼 탱크(36) 내의 애노드 오프 가스가 퍼지 관(37)을 통해 대기에 배출되고, 즉 퍼지 처리가 행해진다.
도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 퍼지 관(37)의 출구는 대기에 연통되어 있다. 즉, 수소 가스 통로(30)의 출구는 수소 가스 공급관(31)에 연통되지 않고, 따라서 수소 가스 공급관(31)으로부터 분리되어 있다. 이것은, 수소 가스 통로(30)의 출구로부터 유출되는 애노드 오프 가스가 수소 가스 공급관(31)으로 복귀되지 않는다고 하는 것을 의미하고 있다. 바꾸어 말하면, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)은 수소 가스 비순환식이다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 수소 가스 통로(30)의 출구가 수소 가스 복귀관을 통해, 예를 들어 레귤레이터(34)와 수소 가스 공급 밸브(35) 사이의 수소 가스 공급관(31)에 연결된다. 수소 가스 복귀관 내에는 상류측으로부터 순서대로 기액 분리기와, 기액 분리기에 의해 분리된 수소 가스를 수소 가스 공급관(31)에 보내는 수소 가스 복귀 펌프가 배치된다. 이 경우, 수소 가스를 포함하는 애노드 오프 가스가 수소 가스 복귀관을 통해 수소 가스 공급관(31)으로 복귀된다. 그 결과, 수소 가스원(32)으로부터의 수소 가스와 수소 가스 복귀관으로부터의 수소 가스의 혼합체가 수소 가스 공급 밸브(35)로부터 연료 전지 스택(10)으로 공급된다. 즉, 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 연료 전지 시스템(A)은 수소 가스 순환식이다. 이 도시하지 않은 다른 실시예와의 비교에 있어서, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 수소 가스 복귀관, 수소 가스 복귀 펌프 등이 생략되어 있다고 하는 것이 된다. 그 결과, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 구성이 간소화되어, 비용이 저감되고, 수소 가스 복귀관 등을 위한 공간을 필요로 하지 않는다.
또한, 공기 통로(40)의 입구에는 공기 공급관(41)이 연결되고, 공기 공급관(41)은 공기원, 예를 들어 대기(42)에 연결된다. 공기 공급관(41) 내에는 상류측으로부터 순서대로 가스 클리너(43)와, 공기를 압송하는 터보 압축기(44)와, 터보 압축기(44)로부터 연료 전지 스택(10)으로 보내지는 공기를 냉각하기 위한 인터쿨러(45)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 터보 압축기(44)는 원심식 또는 축류식의 터보 압축기로 구성된다. 한편, 공기 통로(40)의 출구에는 캐소드 오프 가스관(46)이 연결된다. 터보 압축기(44)가 구동되면, 공기가 공기 공급관(41)을 통해 연료 전지 스택(10) 내의 공기 통로(40) 내에 공급된다. 이때 공기 통로(40)로부터 유출되는 가스, 즉 캐소드 오프 가스는 캐소드 오프 가스관(46) 내로 유입된다. 캐소드 오프 가스관(46) 내에는 상류측으로부터 순서대로, 공기 통로(40) 내의 압력인 캐소드 압력을 제어하기 위한 전자기식의 캐소드 압력 제어 밸브(47)와, 희석기(48)가 배치된다. 이 희석기(48)에는 상술한 퍼지 관(37)이 연결된다. 그 결과, 퍼지 관(37)으로부터의 퍼지 가스 중의 수소 가스가 캐소드 오프 가스에 의해 희석된다. 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 또한 인터쿨러(45) 하류의 공기 공급관(41)으로부터 분기되어 캐소드 압력 제어 밸브(47) 하류의 캐소드 오프 가스관(46)에 이르는 바이패스관(41a)과, 터보 압축기(44)로부터 토출된 공기 중 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 양 및 바이패스관(41a) 내로 유입되는 공기의 양을 제어하는 바이패스 제어 밸브(41b)가 설치된다.
상술한 연료 전지 스택(10) 내의 냉각수 통로의 입구에는 냉각수 공급관(도시 생략)의 일단부가 연결되고, 냉각수 통로의 출구에는 냉각수 공급관의 타단부가 연결된다. 냉각수 공급관 내에는 냉각수를 압송하는 냉각수 펌프와, 라디에이터가 배치된다. 냉각수 펌프가 구동되면, 냉각수 펌프로부터 토출된 냉각수는 냉각수 공급관을 통해 연료 전지 스택(10) 내의 냉각수 통로 내로 유입되고, 계속해서 냉각수 통로를 통하여 냉각수 공급관 내로 유입되고, 라디에이터를 통해 냉각수 펌프로 복귀된다.
전자 제어 유닛(60)은 디지털 컴퓨터를 포함하고, 쌍방향성 버스(61)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(62), RAM(랜덤 액세스 메모리)(63), CPU(마이크로프로세서)(64), 입력 포트(65) 및 출력 포트(66)를 구비한다. 연료 전지 스택(10)에는, 연료 전지 스택(10)의 출력 전압 및 출력 전류를 각각 검출하는 전압계(16v) 및 전류계(16i)가 설치된다. 또한, 터보 압축기(44)와 바이패스 제어 밸브(41b) 사이의 공기 공급관(41)에는 터보 압축기(44)로부터의 공기 토출 유량(qATC)을 검출하는 유량 센서(70)가 설치되고, 바이패스관(41a)에는 바이패스관(41a) 내로 보내진 공기 유량을 검출하는 유량 센서(71)가 설치된다. 또한, 캐소드 압력 제어 밸브(47) 상류의 캐소드 오프 가스관(46)에는 캐소드 압력을 검출하기 위한 압력 센서(72)가 설치된다. 또한, 연료 전지 스택(10)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(73)와, 연료 전지 스택(10)의 임피던스를 검출하는 임피던스 센서(74)가 설치된다. 전압계(16v), 전류계(16i), 유량 센서(70, 71), 압력 센서(72), 온도 센서(73) 및 임피던스 센서(74)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(67)를 통해 입력 포트(65)에 각각 입력된다. 한편, 출력 포트(66)는 대응하는 구동 회로(68)를 통해 DC/DC 컨버터(11), 인버터(12), 모터 제너레이터(13), DC/DC 컨버터(15), 차단 밸브(33), 레귤레이터(34), 수소 가스 공급 밸브(35), 퍼지 제어 밸브(38), 바이패스 제어 밸브(41b), 터보 압축기(44) 및 캐소드 압력 제어 밸브(47)에 전기적으로 접속된다.
연료 전지 스택(10)을 기동해야 할 때, 즉 연료 전지 스택(10)에서의 발전해야 할 때에는 차단 밸브(33) 및 수소 가스 공급 밸브(35)가 개방되고, 수소 가스가 연료 전지 스택(10)에 공급된다. 또한, 터보 압축기(44)가 구동되고, 공기가 연료 전지 스택(10)에 공급된다. 그 결과, 연료 전지 스택(10)에 있어서 전기 화학 반응(H2→2H＋＋2e-, (1/2)O2＋2H＋＋2e-→H2O)이 일어나고, 전기 에너지가 발생된다. 이 발생된 전기 에너지는 모터 제너레이터(13)에 보내진다. 그 결과, 모터 제너레이터(13)가 차량 구동용의 전기 모터로서 작동되고, 차량이 구동된다. 한편, 예를 들어 차량 제동 시에는 모터 제너레이터(13)가 회생 장치로서 작동하고, 이때 회생된 전기 에너지는 축전기(14)에 축적된다.
도 2에는, 터보 압축기(44)의 압력비(PR) 및 공기 토출 유량(qATC)에 의해 정해지는 터보 압축기(44)의 동작점이 속할 수 있는 영역에 획정되는 서지 영역(SR) 및 비서지(NSR) 영역이 나타난다. 여기서, 터보 압축기(44)의 압력비(PR)는 터보 압축기(44)의 입구에 있어서의 압력에 대한 터보 압축기(44)의 출구에 있어서의 압력의 비이다. 터보 압축기(44)의 입구에 있어서의 압력은 대기압이라고 생각할 수 있고, 터보 압축기(44)의 출구에 있어서의 압력은 연료 전지 스택(10)의 공기 통로(40) 내의 압력, 즉 캐소드 압력이라고 생각할 수 있다. 따라서, 압력비(PR)는 캐소드 압력에 따라 정해지게 된다. 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 서지 영역(SR)은 압력비(PR)가 높고 또한 공기 토출 유량(qATC)이 적은 측에 획정되고, 비서지 영역(NSR)은 압력비(PR)가 낮고 또한 공기 토출 유량(qATC)이 많은 측에 획정된다. 터보 압축기(44)의 동작점이 서지 영역(SR) 내에 속하면, 터보 압축기(44)로부터 실제로 토출되는 공기 유량(qATC) 및 터보 압축기(44)의 출구에 있어서의 압력이 각각 크게 진동하는, 소위 서징이 터보 압축기(44)에 발생할 수 있다. 이에 대해, 터보 압축기(44)의 동작점이 비서지 영역(NSR) 내에 속할 때에는, 터보 압축기(44)에 서징이 발생하지 않는다.
또한, 서지 영역(SR)과 비서지 영역(NSR)의 경계를 한계 압력비(PRL)라고 칭하면, 한계 압력비(PRL)는 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 많아짐에 따라 높아지고, 압력비(PR)가 한계 압력비(PRL)보다도 높은 동작점 영역에 서지 영역(SR)이 획정되고, 압력비(PR)가 한계 압력비(PRL) 이하의 동작점 영역에 비서지 영역(NSR)이 획정된다고 하는 견해도 할 수 있다.
그런데, 연료 전지 스택(10), 특히 막전극 접합체(20)의 습윤 정도가 과도하게 낮아지면, 프로톤 도전성이 저하되고 막 저항 또는 촉매층 저항이 증가함으로써 연료 전지 스택(10)의 발전 성능이 저하되는, 소위 드라이 업이 발생한다.
따라서 본 발명에 의한 실시예에서는, 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있는지의 여부가 판별되고, 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별된 때에는 통상 제어가 행해지고, 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에는 드라이 업을 해소하기 위한 회복 제어가 행해진다. 그 결과, 연료 전지 스택(10)의 발전 성능이 높게 유지된다.
이어서, 먼저 통상 제어에 대해 설명한다. 통상 제어에서는, 캐소드 압력(PC)이 미리 정해진 베이스 캐소드 압력(PCB)으로 되도록 캐소드 압력 제어 밸브(47)가 제어된다. 또한, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 연료 전지 스택(10)의 요구 공기 유량(qARS)으로 설정된다. 여기서, 요구 공기 유량(qARS)은 연료 전지 스택(10)의 부하, 즉 연료 전지 스택(10)에서 발생해야 하는 전력의 양에 따라 설정된다. 또한, 터보 압축기(44)로부터 토출된 공기의 전량이 연료 전지 스택(10)에 공급됨으로써 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 유량이 요구 공기 유량(qARS)으로 되도록 바이패스 제어 밸브(41b)가 제어된다. 즉, 바이패스관(41a) 내로 보내지는 공기 유량(qAB)이 제로로 설정된다. 이 경우, 베이스 캐소드 압력(PCB) 및 요구 공기 유량(qARS)에 기초한 터보 압축기(44)의 동작점은 비서지 영역(NSR) 내에 속해 있다.
이어서, 회복 제어에 대해 설명한다. 회복 제어에서는, 캐소드 압력(PC)이 베이스 캐소드 압력(PCB)보다도 높은 상승 캐소드 압력(PCI)으로 되도록 캐소드 압력 제어 밸브(47)의 개방도가 작아진다. 또한, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 연료 전지 스택(10)의 요구 공기 유량(qARS)보다도 과잉분(qAEX)만큼 많은 증대 공기 유량(qAI)으로 설정된다. 또한, 터보 압축기(44)로부터 토출된 공기 중 과잉분(qAEX)이 바이패스관(41a) 내로 유입됨으로써 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 유량이 요구 공기 유량(qARS)에 유지되도록 바이패스 제어 밸브(41b)가 제어된다. 즉, 바이패스관(41a) 내에 보내지는 공기 유량(qAB)이 과잉분(qAEX)으로 설정된다. 이 경우, 상승 캐소드 압력(PCI) 및 요구 공기 유량(qARS)에 기초한 터보 압축기(44)의 동작점은 서지 영역(SR) 내에 속하고 있고, 상승 캐소드 압력(PCI) 및 증대 공기 유량(qAI)에 기초한 터보 압축기(44)의 동작점은 비서지 영역(NSR) 내에 속해 있다.
즉, 캐소드 압력(PC)이 베이스 캐소드 압력(PCB)일 때의 터보 압축기(44)의 압력비(PR)를 베이스 압력비(PRB)라고 칭하면, 통상 제어 시에 있어서의 터보 압축기(44)의 동작점은 도 3에 있어서 점 X로 나타내어진다. 또한, 캐소드 압력(PC)이 상승 캐소드 압력(PCI)일 때의 터보 압축기(44)의 압력비(PR)를 상승 압력비(PRI)라고 칭하면, 상승 캐소드 압력(PCI) 및 요구 공기 유량(qARS)에 기초한 터보 압축기(44)의 동작점은 도 3에 있어서 점 Y로 나타내어진다. 또한, 상승 캐소드 압력(PCI) 및 증대 공기 유량(qAI)에 기초한 터보 압축기(44)의 동작점, 즉 회복 제어 시에 있어서의 터보 압축기(44)의 동작점은 도 3에 있어서 Z로 나타내어진다.
회복 제어에 있어서, 캐소드 압력(PC)이 상승되면, 공기 통로(40) 내에서 응축되는 수분량이 많아진다. 또한, 캐소드 압력(PC)을 상승시키기 위해 캐소드 압력 제어 밸브(47)의 개방도가 작아지면, 공기 통로(40)로부터 유출되는 캐소드 오프 가스량이 적어지므로, 캐소드 오프 가스에 동반되어 연료 전지 스택(10) 밖으로 유출되는 수분량이 감소한다. 그 결과, 공기 통로(40) 또는 연료 전지 스택(10)의 습윤 정도가 높아져, 드라이 업이 해소된다. 바꾸어 말하면, 드라이 업이 해소되도록, 캐소드 압력(PC)이 상승 캐소드 압력(PCI)까지 상승된다.
그런데, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 요구 공기 유량(qARS)에 유지된 채 캐소드 압력(PC)이 상승되면, 터보 압축기(44)의 동작점 Y가 서지 영역(SR) 내에 속하게 된다. 따라서, 본 발명에 의한 실시예의 회복 제어에서는, 터보 압축기(44)의 동작점 Z가 비서지 영역(NSR) 내에 속하도록, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 증대 공기 유량(qAI)까지 증대된다. 따라서, 터보 압축기(44)의 동작점이 비서지 영역(NSR) 내에 유지된다.
또한, 본 발명에 의한 실시예에서는, 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 회복 제어 시에 있어서의 터보 압축기(44)의 동작점 Z가 한계 압력비(PRL) 상에 있는 바와 같이 증대 공기 유량(qAI) 또는 과잉분(qAEX)이 설정된다. 바꾸어 말하면, 증대 공기 유량(qAI) 또는 과잉분(qAEX)은, 터보 압축기(44)의 동작점 Z가 비서지 영역(NSR) 내에 속하도록 하기 위한 최소량으로 설정되어 있다.
연료 전지 스택(10)의 습윤 정도가 낮아짐에 따라 연료 전지 스택(10)의 임피던스는 높아진다. 본 발명에 의한 실시예에서는, 연료 전지 스택(10)의 임피던스가 미리 정해진 상한값 이하일 때에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별되고, 연료 전지 스택(10)의 임피던스가 상한값을 초과하면 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된다. 또한, 회복 제어 중에 연료 전지 스택(10)의 임피던스가 상한값보다도 낮게 설정된 설정값보다도 높을 때에는 드라이 업이 아직 해소되어 있지 않다고 판별되고, 연료 전지 스택(10)의 임피던스가 설정값까지 저하된 때에 드라이 업이 해소되었다고 판별된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(10)의 임피던스(RS)가 상한값(RSU)보다도 낮을 때에는, 회복 제어는 행해지지 않고, 즉 통상 제어가 행해진다. 시간 t1에 있어서 임피던스(RS)가 상한값(RSU)을 초과하면, 통상 제어가 정지되고, 회복 제어가 개시된다. 회복 제어가 행해지면, 연료 전지 스택(10)의 습윤 정도가 증대되고, 따라서 임피던스(RS)가 저하된다. 계속해서, 시간 t2에 있어서 임피던스(RS)가 미리 정해진 설정값(RSL)(＜RSU)에 도달하면, 회복 제어가 종료되고, 통상 제어가 재개된다.
도시하지 않은 다른 실시예에서는, 연료 전지 스택(10)의 출력 전압이 미리 정해진 임계 전압보다도 낮고 또한 연료 전지 스택(10)의 임피던스(RS)가 상한값을 초과하고 있을 때에 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별되고, 연료 전지 스택(10)의 출력 전압이 임계 전압보다도 높거나, 또는, 연료 전지 스택(10)의 출력 전압이 임계 전압보다도 낮아도 연료 전지 스택(10)의 임피던스가 상한값을 초과하고 있지 않을 때에 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별된다.
상술한 바와 같이, 회복 제어에서는, 드라이 업이 해소되도록 캐소드 압력(PC)이 상승 캐소드 압력(PCI)까지 상승되고, 터보 압축기(44)의 동작점 Z가 비서지 영역(NSR) 내에 속하도록 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qATC)이 증대 공기 유량(qAI)까지 증대된다. 바꾸어 말하면, 회복 제어가 행해질 때에는, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 상승 캐소드 압력(PCI)과, 터보 압축기(44)의 동작점 Z를 비서지 영역(NSR) 내에 유지하는 데에 필요한 증대 공기 유량(qAI)의 조합 (PCI, qAI)가 결정된다. 그런데, 하나의 요구 공기 유량(qARS)에 대해 회복 제어를 위한 조합 (PCI, qAI)는 복수 존재한다. 즉, 캐소드 압력(PC)이 PC1, PC2, PC3일 때의 터보 압축기(44)의 압력비(PR)를 각각 PR1, PR2, PR3으로 하면, 도 5에는, 요구 공기 유량이 qARS일 때에 조합 (PCI, qAI)가 각각 (PCI1, qAI1), (PCI2, qAI2), (PCI3, qAI3)으로 설정된 때의 터보 압축기(44)의 동작점이 각각 Z1, Z2, Z3으로 나타내어져 있다. 따라서, 이들 복수의 조합 (PCI, qAI) 중에서 최적의 조합 (PCI, qAI)를 결정할 필요가 있다.
이 점, 예를 들어 회복 제어를 완료하는 데에 필요한, 즉 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 저감시키기 위해, 조합 (PCI, qAI)를 낮은 상승 캐소드 압력(PCI) 및 적은 증대 공기 유량(qAI)의 조합으로 결정하는 것이 생각된다. 그런데, 상승 캐소드 압력(PCI)이 낮아지면, 드라이 업을 해소하는 데에 필요로 하는 시간이 길어진다. 또한, 공기 토출 유량이 적을 때에는 공기 토출 유량이 많을 때에 비해, 터보 압축기(44)의 효율은 낮아진다. 따라서, 조합 (PCI, qAI)를 낮은 상승 캐소드 압력(PCI) 및 적은 증대 공기 유량(qAI)의 조합으로 결정하면 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 저감시킬 수 있다고는, 단순히 말할 수는 없는 것이다. 마찬가지로, 조합 (PCI, qAI)를 높은 상승 캐소드 압력(PCI) 및 많은 증대 공기 유량(qAI)의 조합으로 결정해도, 터보 압축기(44)의 소비 전력량이 증대한다고는 할 수 없다.
따라서 본 발명에 의한 실시예에서는, 회복 제어를 위한 복수의 조합 (PCI, qAI) 중 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 최소로 하는 조합 (PCI, qAI)가 미리 실험에 의해 구해지고, 요구 공기 유량(qARS)의 함수로서 도 6에 나타내어지는 맵의 형태로 미리 ROM(62) 내에 기억되어 있다. 그리고 나서, 회복 제어를 행해야 할 때에는, 도 6의 맵을 사용하여, 요구 공기 유량(qARS)에 기초하여 조합 (PCI, qAI)가 결정된다. 그 결과, 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 최소로 하고, 서징을 저지하면서, 드라이 업을 해소할 수 있다. 이와 같은 사고 방식은 종래의 연료 전지 시스템에는 존재하고 있지 않다.
또한, 캐소드 오프 가스관(46)과 공기 공급관(41)을, 수분을 투과 가능한 막을 통해 연통하고, 그것에 의해, 공기 공급관(41) 내를 흐르는 공기를 캐소드 오프 가스에 의해 가습하도록 하는, 소위 가습식의 연료 전지 시스템도 알려져 있다. 이에 대해, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는, 공기 공급관(41) 내를 흐르는 공기는 캐소드 오프 가스에 의해 가습되지 않는다. 즉, 도 1에 도시되는 연료 전지 시스템(A)은 비가습식의 연료 전지 시스템이다. 비가습식의 연료 전지 시스템에서는, 가습식의 연료 전지 시스템에 비해, 드라이 업이 발생하기 쉬운 경우도 있다. 그러나, 본 발명에 의한 실시예에서는, 상술한 회복 제어에 의해 드라이 업이 빠르게 해소된다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예의 시스템 제어를 실행하는 루틴을 나타내고 있다. 이 루틴은 미리 정해진 설정 시간마다의 인터럽트에 의해 실행된다.
도 7을 참조하면, 스텝 100에서는 연료 전지 스택(10)의 요구 공기 유량(qARS)이, 예를 들어 액셀러레이터 페달의 답입량에 기초하여 산출된다. 계속되는 스텝 101에서는 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있는지의 여부가 판별된다. 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별된 때에는 스텝 102로 진행되고, 상술한 통상 제어를 실행하기 위한 통상 제어 루틴이 실행된다. 이 루틴은 도 8에 나타내어져 있다. 이에 대해, 연료 전지 스택(10)에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에는 계속해서 스텝 103으로 진행되고, 상술한 회복 제어를 실행하기 위한 회복 제어 루틴이 실행된다. 이 루틴은 도 9에 나타내어져 있다.
통상 제어 루틴을 나타내는 도 8을 참조하면, 스텝 200에서는 캐소드 압력(PC)이 베이스 캐소드 압력(PCB)으로 되도록 캐소드 압력 제어 밸브(47)의 개방도가 제어된다. 계속되는 스텝 201에서는 공기 토출 유량(qATC)이 요구 공기 유량(qARS)으로 되도록 터보 압축기(44)가 제어된다. 계속되는 스텝 202에서는 바이패스관(41a) 내를 흐르는 공기 유량(qAB)이 제로로 되도록 바이패스 제어 밸브(41b)가 제어된다.
회복 제어 루틴을 나타내는 도 9를 참조하면, 스텝 300에서는 상승 캐소드 압력(PCI) 및 증대 공기 유량(qAI)이 결정된다. 계속되는 스텝 301에서는 캐소드 압력(PC)이 상승 캐소드 압력(PCI)으로 되도록 캐소드 압력 제어 밸브(47)의 개방도가 제어된다. 계속되는 스텝 302에서는 공기 토출 유량(qATC)이 증대 공기 유량(qAI)으로 되도록 터보 압축기(44)가 제어된다. 계속되는 스텝 303에서는 과잉분(qAEX)이 산출된다(qAEX＝qAI-qARS). 계속되는 스텝 304에서는 바이패스관(41a) 내를 흐르는 공기 유량(qAB)이 과잉분(qAEX)으로 되도록 바이패스 제어 밸브(41b)가 제어된다. 계속되는 스텝 305에서는 드라이 업이 해소되었는지의 여부가 판별된다. 드라이 업이 해소되어 있지 않다고 판별된 때에는 스텝 300으로 복귀된다. 드라이 업이 해소되었다고 판별된 때에는 처리 사이클을 종료한다.
본 발명에 의한 실시예에서는, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 증대 공기 유량(qAI) 또는 과잉분(qAEX)은, 터보 압축기(44)의 동작점 Z가 비서지 영역(NSR) 내에 속하도록 하기 위한 최소량으로 설정되어 있다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 증대 공기 유량(qAI) 또는 과잉분(qAEX)은 이 최소량보다도 많은 양으로 설정된다. 즉, 예를 들어 증대 공기 유량(qAI)은 상술한 최소량보다도 일정 값 또는 일정 비율만큼 많은 양으로 설정된다. 이 경우에도, 회복 제어를 위한 조합 (PCI, qAI) 중 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 최소로 하는 조합 (PCI, qAI)가 구해진다.
이어서, 조합 (PCI, qAI)의 다른 실시예를 설명한다. 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량은, 연료 전지 스택(10)의 온도인 스택 온도(TS)에도 의존한다. 즉, 예를 들어 스택 온도(TS)가 낮으면, 공기 통로(40) 내에 있어서의 수분의 응축이 발생하기 쉽고, 따라서 드라이 업을 해소하는 데에 필요로 하는 시간이 짧아진다.
따라서, 조합 (PCI, qAI)의 다른 실시예에서는, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 최소로 하는 조합 (PCI, qAI)가 요구 공기 유량(qARS) 및 스택 온도(TS)의 함수로서 도 10에 나타내어지는 맵의 형태로 미리 ROM(62) 내에 기억되어 있다. 회복 제어를 행해야 할 때에는, 도 10의 맵을 사용하여, 요구 공기 유량(qARS) 및 스택 온도(TS)에 기초하여 조합 (PCI, qAI)가 결정된다. 이와 같이 하면, 조합 (PCI, qAI)를 보다 적절하게 결정할 수 있다.
조합 (PCI, qAI)의 또 다른 실시예를 설명한다. 회복 제어에서는, 터보 압축기(44)의 공기 토출 유량(qAI)이 증대되므로, 터보 압축기(44)의 소음 및 진동이 과도하게 커질 우려가 있다. 또한, 바이패스 제어 밸브(41b) 및 바이패스관(41a)을 통해 공기가 흐르므로, 이때 과도하게 큰 바람 잡음이 발생할 우려도 있다. 즉, 회복 제어를 행하면, 연료 전지 시스템(A)의 소음 및 진동이 과도하게 커질 우려가 있다.
따라서, 조합 (PCI, qAI)의 또 다른 실시예에서는, 연료 전지 시스템(A)의 소음 및 진동의 레벨이 미리 정해진 허용 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 터보 압축기(44)의 소비 전력량이 최소로 되도록, 조합 (PCI, qAI)가 설정된다. 그 결과, 연료 전지 시스템(A)의 소음 및 진동을 허용 레벨 이하로 유지하면서, 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 터보 압축기(44)의 소비 전력량을 가능한 한 적게 할 수 있다.
조합 (PCI, qAI)의 또 다른 실시예에서도, 조합 (PCI, qAI)는 요구 공기 유량(qARS) 및 스택 온도(TS)의 함수로서 도 11에 도시되는 맵의 형태로 미리 ROM(62) 내에 기억되어 있다.
또한, 상술한 허용 레벨은, 일례에서는 일정값으로 설정되고, 다른 예에서는 전동 차량의 주행 속도가 높아짐에 따라 높아지도록 설정된다.
A : 연료 전지 시스템
10 : 연료 전지 스택
40 : 공기 통로
41 : 공기 공급관
41a : 바이패스관
41b : 바이패스 제어 밸브
44 : 터보 압축기
46 : 캐소드 오프 가스관
47 : 캐소드 압력 제어 밸브

Claims (5)

  1. 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 스택과,
    상기 연료 전지 스택 내에 형성된 산화제 가스 통로의 입구에 연결된 산화제 가스 공급관과,
    상기 산화제 가스 공급관 내에 배치되고, 산화제 가스를 공급하기 위한 터보 압축기와,
    상기 터보 압축기 하류의 상기 산화제 가스 공급관으로부터 분기된 바이패스관과,
    상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양 및 상기 바이패스관 내로 유입되는 산화제 가스의 양을 제어하는 바이패스 제어 밸브와,
    상기 산화제 가스 통로의 출구에 연결된 캐소드 오프 가스관과,
    상기 캐소드 오프 가스관 내에 배치되고, 상기 산화제 가스 통로 내의 압력인 캐소드 압력을 제어하기 위한 캐소드 압력 제어 밸브와,
    상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있는지의 여부를 판별하고,
    상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있지 않다고 판별된 때에는 통상 제어를 행하고, 상기 연료 전지 스택에 드라이 업이 발생하고 있다고 판별된 때에는 상기 드라이 업을 해소하기 위한 회복 제어를 행하는, 제어기를 구비하고,
    상기 터보 압축기의 압력비 및 산화제 가스 토출량에 의해 정해지는 상기 터보 압축기의 동작점이 속할 수 있는 영역 중, 압력비가 낮고 또한 산화제 가스 토출량이 많은 측에 상기 터보 압축기에 서징이 발생하지 않는 비서지 영역이 구획됨과 함께, 압력비가 높고 또한 산화제 가스 토출량이 적은 측에 상기 터보 압축기에 서징이 발생할 수 있는 서지 영역이 구획되어 있고,
    상기 통상 제어에 있어서, 상기 캐소드 압력이 미리 정해진 베이스 캐소드 압력으로 되도록 상기 캐소드 압력 제어 밸브가 제어되고, 상기 터보 압축기의 산화제 가스 토출량이 상기 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량으로 설정되고, 또한 상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스의 전량이 상기 연료 전지 스택에 공급됨으로써 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 상기 요구 산화제 가스량으로 되도록 상기 바이패스 제어 밸브가 제어되고, 상기 베이스 캐소드 압력 및 상기 요구 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 비서지 영역 내에 속하고 있고,
    상기 회복 제어에 있어서, 상기 캐소드 압력이 상기 베이스 캐소드 압력보다도 높은 상승 캐소드 압력으로 되도록 상기 캐소드 압력 제어 밸브가 제어되고, 상기 터보 압축기의 산화제 가스 토출량이 상기 연료 전지 스택의 요구 산화제 가스량보다도 과잉분만큼 많은 증대 산화제 가스량으로 설정되고, 또한 상기 터보 압축기로부터 토출된 산화제 가스 중 상기 과잉분이 상기 바이패스관 내로 유입됨으로써 상기 연료 전지 스택에 공급되는 산화제 가스의 양이 상기 요구 산화제 가스량으로 유지되도록 상기 바이패스 제어 밸브가 제어되고, 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 요구 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 서지 영역 내에 속함과 함께, 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 증대 산화제 가스량에 기초한 상기 터보 압축기의 동작점이 상기 비서지 영역 내에 속하고 있고,
    상기 회복 제어에 있어서, 또한 상기 드라이 업을 해소하는 데에 필요한 상기 터보 압축기의 소비 전력량을 최소로 하는 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 증대 산화제 가스량의 조합이 상기 연료 전지 스택의 상기 요구 산화제 가스량에 기초하여 설정되는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회복 제어에 있어서, 상기 터보 압축기의 소비 전력량을 최소로 하는 상기 상승 캐소드 압력 및 상기 증대 산화제 가스량의 조합이 상기 연료 전지 스택의 상기 요구 산화제 가스량 및 온도에 기초하여 설정되는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회복 제어에 있어서, 상기 연료 전지 시스템의 소음 및 진동의 레벨이 미리 정해진 허용 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 상기 터보 압축기의 소비 전력량이 최소로 되도록, 상기 조합이 설정되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이 연료 가스 비순환식인, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이 산화제 가스 비가습식인, 연료 전지 시스템.
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