KR20200079419A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20200079419A
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도모히코 가네코
마사유키 이토
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템(1)은, 연료 전지(4)와, 공급 장치(10)와, 상기 연료 전지(4)의 출력 전압을 목표값까지 저하시킴으로써 상기 연료 전지(4)의 발전 성능을 회복시키는 회복 처리를 실행하도록 구성된 제어 장치(3)를 구비한다. 상기 제어 장치(3)는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있는 경우에, 상기 연료 전지(4)의 발전이 휴지된 상태에서 캐소드 가스의 유량이 제어됨으로써 상기 연료 전지(4)의 개방 전압이 상기 목표값보다 높은 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 연료 전지(4)의 발전을 재개하여, 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값을 아이들 운전 상태에서의 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값인 아이들 전류값 미만으로 제어하면서 상기 회복 처리를 실행한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지의 전압을 소정의 목표값까지 저하시킴으로써, 연료 전지의 발전 성능을 회복하는 회복 처리가 실행되는 경우가 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2008-130402호 참조).
상기한 바와 같이 연료 전지의 전압을 목표값까지 저하시키는 과정에서는, 연료 전지는 발전과 발열이 계속되므로, 발전량과 발열량이 증대된다. 이 때문에, 잉여 전력이 증대되어, 연료 전지가 고온화되는 경우도 있다.
본 발명은, 발전량 및 발열량을 저감하면서 연료 전지의 발전 성능을 회복하는 회복 처리를 실행할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하고, 상기 연료 전지에 공급되는 상기 캐소드 가스의 유량을 조정하도록 구성된 공급 장치와, 상기 연료 전지의 출력 전압을 목표값까지 저하시킴으로써 상기 연료 전지의 발전 성능을 회복시키는 회복 처리를 실행하도록 구성된 제어 장치를 구비한다. 상기 제어 장치는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있는 경우에, 상기 연료 전지의 발전이 휴지된 상태에서 상기 캐소드 가스의 유량이 제어됨으로써 상기 연료 전지의 개방 전압이 상기 목표값보다 높은 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 연료 전지의 발전을 재개하여, 상기 연료 전지의 출력 전류값을 아이들 운전 상태에서의 상기 연료 전지의 출력 전류값인 아이들 전류값 미만으로 제어하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 개방 전압이 역치 이하로 저하되었을 때에 발전을 재개하여 회복 처리를 실행하므로, 적은 발전량 및 발열량으로 출력 전압을 목표값까지 저하시킬 수 있다. 또한, 연료 전지의 출력 전류값을 아이들 전류값 미만으로 제어하여 회복 처리를 실행하므로, 적은 발전량 및 발열량으로 출력 전압을 목표값까지 저하시킬 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 역치에 대응한 상기 연료 전지의 전류-전압 특성에 의해 정해지는, 상기 목표값에 대응한 상기 연료 전지의 출력 전류값은, 상기 아이들 전류값 미만이어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지의 발전을 재개하여 상기 연료 전지의 출력 전류값을 상기 아이들 전류값 미만이 되는 범위에서 일단 증대시키고, 그 후에 저하시킴으로써 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 캐소드 가스의 유량을 상기 개방 전압이 저하되는 캐소드 가스의 유량 이하로 제한하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 캐소드 가스의 유량을 제로로 하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지로의 요구 출력이 소정값 이하인 경우에는, 상기 연료 전지의 발전을 휴지하여 상기 캐소드 가스의 유량을 증감 제어함으로써 상기 개방 전압을 목표 범위 내로 수렴시키는 간헐 운전을 실행하고, 상기 역치는, 상기 목표 범위 이내에 포함되고, 상기 제어 장치는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 간헐 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 간헐 운전을 정지하여 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지로의 요구 출력이 소정값 이하인 경우에는, 상기 연료 전지의 발전을 휴지하여 상기 캐소드 가스의 유량을 증감 제어함으로써 상기 개방 전압을 목표 범위 내로 수렴시키는 간헐 운전을 실행하고, 상기 역치는, 상기 목표 범위의 하한값 미만이고, 상기 제어 장치는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 간헐 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 하한값까지 저하되어도, 상기 개방 전압이 상승하도록 상기 캐소드 가스의 유량을 증대시키지 않고 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 간헐 운전을 정지하여 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 차량에 탑재되어 있고, 상기 공급 장치는, 상기 연료 전지에 상기 캐소드 가스를 공급하도록 구성된 컴프레서와, 상기 컴프레서로부터의 상기 캐소드 가스가 상기 연료 전지에 공급되는 공급 상태로부터, 상기 캐소드 가스가 상기 연료 전지에 공급되지 않고 상기 연료 전지를 우회하여 상기 연료 전지의 외부로 배출되는 우회 상태로 전환 가능한 전환 기구를 포함하고, 상기 제어 장치는, 차량에 탑재된 발전기의 회생 전력량이 소정값 이상인 경우에, 상기 발전기의 회생 전력을 상기 컴프레서의 구동에 의해 소비하면서 상기 연료 전지의 발전을 휴지하여 상기 공급 상태로부터 상기 우회 상태로 전환하는 회생 운전을 실행하고, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 회생 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때에 상기 회생 운전을 계속하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되어도 된다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 발전량 및 발열량을 저감하면서 연료 전지의 발전 성능을 회복하는 회복 처리를 실행할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소를 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술된다.
도 1은 차량에 탑재된 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 연료 전지의 IV 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 비교예에서의 회복 처리의 설명도이다.
도 3b는 비교예에서의 회복 처리의 설명도이다.
도 3c는 비교예에서의 회복 처리의 설명도이다.
도 3d는 비교예에서의 회복 처리의 설명도이다.
도 4a는 본 실시예의 회복 처리의 설명도이다.
도 4b는 본 실시예의 회복 처리의 설명도이다.
도 5는 본 실시예의 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 간헐 운전 중에 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다.
도 7은 회생 운전 중에 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다.
도 8a는 제1 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 8b는 제1 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 9는 간헐 운전 중에 제1 변형예의 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다.
도 10a는 제2 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 10b는 제2 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 10c는 제2 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 10d는 제2 변형예의 회복 처리의 설명도이다.
도 11은 간헐 운전 중에 제2 변형예의 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다.
[연료 전지 시스템의 구성]
도 1은, 차량에 탑재된 연료 전지 시스템(1)의 구성도이다. 연료 전지 시스템(1)은, ECU(Electronic Control Unit)(3), 연료 전지(이하, FC라고 칭함)(4), 이차 전지(이하, BAT라고 칭함)(8), 캐소드 가스 공급계(10), 애노드 가스 공급계(20), 전력 제어계(30) 및 냉각계(40)를 포함한다. 또한, 연료 전지 시스템(1)은, FC(4)에 냉각수를 순환시켜 냉각하는 도시하지 않은 냉각계를 포함한다. 또한, 차량에는, 주행용 모터(50)나, 차륜(5), 액셀러레이터 개방도 센서(6)를 구비하고 있다. FC(4)는, 캐소드 가스와 애노드 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지이며, 고체 고분자 전해질형의 단셀을 복수 적층하여 구성되어 있다.
캐소드 가스 공급계(10)(공급 장치)는, 캐소드 가스로서 산소를 포함하는 공기를 FC(4)에 공급하고, 공급관(11), 배출관(12), 바이패스관(13), 에어 컴프레서(14)(컴프레서), 바이패스 밸브(15), 인터쿨러(16), 및 배압 밸브(17)를 포함한다. 공급관(11)은, FC(4)의 캐소드 입구 매니폴드에 접속되어 있다. 배출관(12)은, FC(4)의 캐소드 출구 매니폴드에 접속되어 있다. 바이패스관(13)은, 공급관(11) 및 배출관(12)을 연통하고 있다. 바이패스 밸브(15)는, 공급관(11)과 바이패스관(13)의 접속 부분에 마련되어 있다. 바이패스 밸브(15)는, 공급관(11)과 바이패스관(13)의 연통 상태를 전환한다. 에어 컴프레서(14), 바이패스 밸브(15), 및 인터쿨러(16)는, 공급관(11) 상에 상류측으로부터 차례로 배치되어 있다. 배압 밸브(17)는, 배출관(12) 상이며, 배출관(12)과 바이패스관(13)의 접속 부분보다 상류측에 배치되어 있다. 에어 컴프레서(14)는, 캐소드 가스로서 산소를 포함하는 공기를, 공급관(11)을 통해 FC(4)에 공급한다. FC(4)에 공급된 캐소드 가스는, 배출관(12)을 통해 배출된다. 인터쿨러(16)는, FC(4)에 공급되는 캐소드 가스를 냉각한다. 배압 밸브(17)는, FC(4)의 캐소드 측의 배압을 조정한다. 에어 컴프레서(14), 바이패스 밸브(15), 및 배압 밸브(17)의 구동은, ECU(3)에 의해 제어된다.
또한, FC(4)의 통상 발전 시에는, 바이패스 밸브(15) 및 배압 밸브(17)의 개방도를 조정함으로써, 에어 컴프레서(14)로부터의 캐소드 가스가 FC(4)에 공급되는 공급 상태로 제어된다. 공급 상태에서는, 바이패스 밸브(15)는, 적어도 공급관(11)의 바이패스 밸브(15)보다 상류측과 하류측을 연통하고, 배압 밸브(17)는 적어도 배출관(12)을 완전 폐쇄 이외의 개방된 상태로 조정한다. 또한, 상세하게는 후술하지만, FC(4)의 발전이 휴지된 상태에서는, 바이패스 밸브(15) 및 배압 밸브(17)에 의해, FC(4)에 캐소드 가스가 공급되지 않고 FC(4)를 우회하여 외부로 배출되는 우회 상태로 제어된다. 우회 상태에서는, 배압 밸브(17)는 배출관(12)을 완전 폐쇄로 하고, 바이패스 밸브(15)는 공급관(11)의 바이패스 밸브(15)보다 상류측과 하류측을 차단하면서, 바이패스 밸브(15)보다 상류측의 공급관(11)과 바이패스관(13)을 연통한다. 이와 같이, 바이패스 밸브(15)는, 공급 상태로부터 우회 상태로 전환 가능한 전환 기구의 일례이다.
애노드 가스 공급계(20)는, 애노드 가스로서 수소 가스를 FC(4)에 공급하고, 탱크(20T), 공급관(21), 배출관(22), 순환관(23), 탱크 밸브(24), 압력 조절 밸브(25), 인젝터(이하, INJ라고 칭함)(26), 기액 분리기(27), 배수 밸브(28), 및 수소 순환 펌프(이하, HP라고 칭함)(29)를 포함한다. 탱크(20T)와 FC(4)의 애노드 입구 매니폴드는, 공급관(21)에 의해 접속되어 있다. 탱크(20T)에는, 애노드 가스인 수소 가스가 저류되어 있다. 배출관(22)은, FC(4)의 애노드 출구 매니폴드에 접속되어 있다. 순환관(23)은, 기액 분리기(27)와 공급관(21)을 연통하고 있다. 탱크 밸브(24), 압력 조절 밸브(25) 및 INJ(26)는, 공급관(21)의 상류측으로부터 차례로 배치되어 있다. 탱크 밸브(24)가 개방된 상태에서, 압력 조절 밸브(25)의 개방도가 조정되어, INJ(26)가 애노드 가스를 분사한다. 이에 의해, FC(4)에 애노드 가스가 공급된다. 배출관(22)에는, 기액 분리기(27) 및 배수 밸브(28)가, 상류측으로부터 차례로 배치되어 있다. 기액 분리기(27)는, FC(4)로부터 배출된 애노드 가스로부터 수분을 분리하여 저류한다. 기액 분리기(27)에 저류된 물은, 배수 밸브(28)가 개방됨으로써, 배출관(22)을 통해 연료 전지 시스템(1)의 외부로 배출된다. 순환관(23)은, 애노드 가스를 FC(4)에 환류시키기 위한 배관이며, 상류측의 단부가 기액 분리기(27)에 접속되고, HP(29)가 배치되어 있다. FC(4)로부터 배출된 애노드 가스는, HP(29)에 의해 적절하게 가압되어, 공급관(21)으로 유도된다. 탱크 밸브(24), 압력 조절 밸브(25) 및 INJ(26), 배수 밸브(28) 및 HP(29)의 구동은, ECU(3)에 의해 제어된다.
전력 제어계(30)는, FC(4)의 방전 및 BAT(8)의 충방전을 제어한다. 전력 제어계(30)는, 연료 전지 DC/DC 컨버터(이하, FDC라고 칭함)(32), 배터리 DC/DC 컨버터(이하, BDC라고 칭함)(34), 모터 인버터(이하, MINV라고 칭함)(38), 보조 기기 인버터(이하, AINV라고 칭함)(39)를 포함한다. FDC(32)는, ECU(3)로부터 송신되는 요구 전류값에 기초하여 FC(4)에 의한 출력 전류를 제어함과 함께, FC(4)로부터의 직류 전력을 조정하여 MINV(38)나 AINV(39)에 출력한다. BDC(34)는, BAT(8)로부터의 직류 전력을 조정하여 MINV(38)나 AINV(39)에 출력한다. FC(4)의 발전 전력은, BAT(8)에 축전 가능하다. MINV(38)는, 입력된 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하여 모터(50)에 공급한다. 모터(50)는, 차륜(5)을 구동하여 차량을 주행시킨다. 또한, 모터(50)는, 차량의 감속 시나 강판 시에는, 차륜(5)으로부터 입력되는 운동 에너지에 기초하여 발전하는 발전기로서 기능한다. FC(4) 및 BAT(8)의 전력은, AINV(39)를 통해 모터(50) 이외의 부하 장치에 공급 가능하다. 여기서 부하 장치는, 모터(50) 외에도, FC(4)용 보조 기기와, 차량용 보조 기기를 포함한다. FC(4)용 보조 기기라 함은, 상술한 에어 컴프레서(14), 바이패스 밸브(15), 배압 밸브(17), 탱크 밸브(24), 압력 조절 밸브(25), INJ(26), 배수 밸브(28), HP(29)를 포함한다. 차량용 보조 기기는, 예를 들어 공조 설비나, 조명 장치, 해저드 램프 등을 포함한다.
냉각계(40)는, 냉각수를 소정의 경로를 거쳐 순환시킴으로써 FC(4)를 냉각하고, 공급관(41), 배출관(42), 바이패스관(43), 라디에이터(44), 바이패스 밸브(45), 및 워터 펌프(이하, WP라고 칭함)(46)를 포함한다. 공급관(41)은, FC(4)의 냉각수 입구 매니폴드에 접속되어 있다. 배출관(42)은, FC(4)의 냉각수 출구 매니폴드에 접속되어 있다. 바이패스관(43)은 공급관(41) 및 배출관(42)을 연통하고 있다. 바이패스 밸브(45)는, 공급관(41)과 바이패스관(43)의 접속 부분에 마련되어 있다. 바이패스 밸브(45)는 공급관(41)과 바이패스관(43)의 연통 상태를 전환한다. 라디에이터(44)는, 공급관(41)과 배출관(42)에 접속되어 있다. 바이패스 밸브(45) 및 WP(46)는, 공급관(41) 상에 상류측으로부터 차례로 배치되어 있다. WP(46)는, 냉매로서의 냉각수를, 공급관(41) 및 배출관(42)을 통해 FC(4)와 라디에이터(44) 사이에서 순환시킨다. 라디에이터(44)는, FC(4)로부터 배출된 냉각수를 외기와 열 교환함으로써 냉각한다. 바이패스 밸브(45) 및 WP(46)의 구동은, ECU(3)에 의해 제어된다.
ECU(3)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory)을 포함한다. ECU(3)는, 액셀러레이터 개방도 센서(6), 이그니션 스위치(7), 에어 컴프레서(14), 바이패스 밸브(15 및 45), 배압 밸브(17), 탱크 밸브(24), 압력 조절 밸브(25), INJ(26), 배수 밸브(28), HP(29), FDC(32), BDC(34), 및 WP(46)가 전기적으로 접속되어 있다. ECU(3)는, 액셀러레이터 개방도 센서(6)의 검출값이나 상술한 차량용 보조 기기 및 FC(4)용 보조 기기의 구동 상태, BAT(8)의 축전 전력 등에 기초하여, FC(4)로의 요구 출력, 즉 FC(4)가 출력하는 것을 요구하는 전력량을 산출한다. 또한, ECU(3)는, FC(4)로의 요구 출력에 따른 FC(4)의 목표 전류값을 산출하고, FC(4)의 출력 전류값이 목표 전류값이 되도록, 에어 컴프레서(14)나 INJ(26)에 의해 FC(4)에 공급되는 캐소드 가스 및 애노드 가스의 유량을 제어하면서 FDC(32)를 제어한다. 또한, ECU(3)는, 후술하는 회복 처리를 실행하는 제어 장치의 일례이다.
또한, ECU(3)는, FC(4)로의 요구 출력에 따라서, FC(4)의 발전을 휴지 또는 재개시킨다. FC(4)의 발전 휴지는, ECU(3)가 목표 전류값을 제로로 설정하여 FC(4)로부터 스위프되는 전류값을 제로가 되도록 FDC(32)를 제어함으로써, 또는 FDC(32) 내부에 마련된 스위치에 의해 FC(4)와 부하 장치의 전기적인 접속을 차단함으로써 실현된다. 또한, FC(4)의 발전 재개는, ECU(3)가 목표 전류값을 제로보다 큰 값으로 설정하여 FC(4)로부터 스위프되는 전류값을 제로보다 큰 값이 되도록FDC(32)를 제어함으로써, 또는 FDC(32) 내부에 마련된 스위치에 의해 FC(4)와 부하 장치를 전기적으로 접속함으로써 실현된다. 또한, ECU(3)는, 이하에 설명하는 간헐 운전 및 회생 운전을 실행한다.
[간헐 운전]
ECU(3)는, FC(4)로의 요구 출력이 미리 정해진 소정값 이하가 된 경우에는, FC(4)의 발전을 일시적으로 휴지하여 FC(4)의 개방 전압을 목표 범위 내로 유지하는 간헐 운전을 실행한다. FC(4)로의 요구 출력이 소정값 이하가 되는 경우라 함은, 예를 들어 차량이 정차 중이며, 차량용 보조 기기가 요구하는 전력량도 작은 경우이다. 간헐 운전에서는, 구체적으로는, 일단 애노드 가스가 FC(4)에 충분히 공급되고 나서 애노드 가스의 공급이 정지되고, FC(4)의 캐소드극에서의 산소 농도가 통상 발전 시보다 낮아지도록 FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량이 조정된다. 이 상태에서는, 소위 크로스 리크에 의해 FC(4)의 캐소드극의 산소 농도가 시간 경과와 함께 서서히 저하되어, FC(4)의 개방 전압도 서서히 저하된다. 크로스 리크라 함은, 수소가 애노드극 측으로부터 전해질막을 통해 캐소드극 측으로 투과하는 현상이며, 이에 의해 캐소드극 측에서 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되고, 캐소드극 측에서의 산소 농도가 저하된다. 캐소드극 측에서의 산소 농도가 저하되면, FC(4)의 개방 전압은 저하된다. 개방 전압이 목표 범위의 하한값 이하가 되면, FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량이 증대되고, FC(4)의 캐소드극에서의 산소 농도가 상승하여 개방 전압도 상승한다. 개방 전압이 목표 범위의 상한값 이상이 되면, FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량이 다시 감소되어, FC(4)의 개방 전압은 저하된다.
이상과 같이, FC(4)로의 캐소드 가스의 유량이 증감을 반복하여 전환됨으로써, FC(4)의 개방 전압은 목표 범위 내에 수렴된다. 이와 같이 FC(4)의 개방 전압의 크기는, FC(4) 내의 캐소드극에서의 산소 농도의 높이에 비례한다. 이 때문에, 발전이 휴지된 상태에서 개방 전압을 목표 범위 내로 유지함으로써, FC(4) 내에서의 캐소드극에서의 산소 농도를 소정 범위 내로 유지할 수 있어, 요구 출력이 소정값 이상까지 증대되어 FC(4)의 발전을 재개할 때, 즉시 FC(4)의 출력을 증대시킬 수 있다.
또한, 개방 전압이 목표 범위의 상한값 이상이 된 경우의 캐소드 가스의 목표 유량은, 크로스 리크를 가미해도 개방 전압이 증대되지 않을 정도의 저유량으로 설정된다. 크로스 리크에 기인하는 산소 농도의 저하 속도는, FC(4)의 사용 환경이나 사용 시간에 의해 변화되는 것이며, 미리 상정하는 것이 곤란하기 때문이다. 또한, 개방 전압이 목표 범위의 하한값 이하가 된 경우의 캐소드 가스의 목표 유량은, 크로스 리크에 의한 산소 농도의 저하분을 가미해도 개방 전압이 증대될 정도의 유량으로 설정되어 있다. 본 실시예에서는, 개방 전압이 목표 범위의 상한값 이상이 된 경우에 설정되는 캐소드 가스의 목표 유량은 제로이지만, 이것에 한정되지 않고, 개방 전압이 저하되는 유량이면 된다.
캐소드 가스의 유량의 전환은, 상술한 바와 같이 바이패스 밸브(15) 및 배압 밸브(17)의 개방도를 조정함으로써 제어된다. 예를 들어, 캐소드 가스의 유량을 제로로 전환하는 경우에는, 에어 컴프레서(14)의 회전 속도를 최저 회전 속도로 회전을 계속한 상태에서, 연통 상태를 상술한 우회 상태로 제어된다. 또한, 캐소드 가스의 유량을 증대시키는 경우에는, 배압 밸브(17)가 배출관(12)을 개방하여, 바이패스 밸브(15)에 의해 바이패스 밸브(15)보다 공급관(11)의 상류측과 하류측을 연통시킨다. 또한, 캐소드 가스의 유량 제어는, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 FC(4)로 캐소드 가스가 공급될 수 있는 공급 상태에서, 에어 컴프레서(14)의 구동을 정지시킴으로써 FC(4)로의 캐소드 가스의 유량을 제로로 제어해도 된다. 또한, 간헐 운전 중에는, 애노드 가스는, FC(4) 내에 충분히 충전된 상태에서 그 공급이 정지되어 있다.
[회생 운전]
ECU(3)는, 차량의 감속 시나 강판 시에는, 모터(50)는 발전기로서 운전하여 차량에 대한 제동력을 얻음과 함께, 발생한 회생 전력의 적어도 일부를 BAT(8)에 충전한다. 여기서, 회생 전력이 소정값 이상인 경우에는, ECU(3)는, FC(4)의 발전은 일시적으로 휴지함과 함께 FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제한한 상태에서, 회생 전력의 적어도 일부를 에어 컴프레서(14)의 구동에 의해 소비하는, 회생 운전을 실행한다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이 바이패스 밸브(15) 및 배압 밸브(17)의 개방도를 제어하여 캐소드 가스가 FC(4)에 공급되지 않고 외부로 배출되도록 하면서, 에어 컴프레서(14)의 회전 속도를 최대 회전 속도로 설정한다. 이에 의해, 잉여 전력을 에어 컴프레서(14)에 의해 소비하여, BAT(8)에 충전되는 회생 전력이 지나치게 큰 것에 수반되는 BAT(8)의 과충전을 방지할 수 있다. 또한, 회생 운전의 실행 중에 있어서도, FC(4)의 발전이 휴지되어 캐소드 가스는 공급되지 않으므로, 상술한 크로스 리크에 의해 개방 전압은 서서히 저하된다.
[회복 처리]
ECU(3)는, 촉매의 성능이 저하되는 것에 의한 FC(4)의 발전 성능의 저하로부터 회복시키기 위한 회복 처리를 실행 가능하다. 회복 처리는, ECU(3)의 CPU, ROM, RAM에 의해 기능적으로 실현된다. 회복 처리는, FC(4)의 전압을, FC(4)의 전극 촉매에 환원 반응이 발생하는 전압값인 목표값까지 저하시킴으로써, FC(4)의 촉매가 부착된 피독물이나 산화 피막을 제거하여 FC(4)의 발전 성능을 회복시키는 처리이다. 상세하게는 후술하지만, 회복 처리에서는, FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량이 제한되면서 FC(4)의 전압이 목표값까지 저하된다.
[IV 특성]
ECU(3)는, FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제어함으로써, FC(4)의 전류-전압 특성(이하, IV 특성이라고 칭함)을 변경할 수 있다. 상세하게는, FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 변경함으로써 캐소드 이론 공연비를 변경할 수 있고, 이 결과, FC(4)의 IV 특성을 변경할 수 있다. 「이론 공연비」는, 요구되는 발전량에 기초하는 이론상의 반응 가스양에 대한 공급되는 반응 가스양의 비를 나타낸다. 통상 발전 상태에서는, 캐소드 이론 공연비 및 애노드 이론 공연비는 모두 충분히 높은 상태가 되도록 캐소드 가스 및 애노드 가스의 유량이 조정되어, 높은 효율로 발전이 이루어진다. 애노드 가스의 유량은, 소위 수소 부족이 발생하지 않도록, 캐소드 이론 공연비의 크기에 관계없이 애노드 이론 공연비가 충분히 높은 상태로 유지되도록 제어되어 있다.
도 2는, FC(4)의 IV 곡선 C1∼C4를 나타낸 그래프이다. IV 곡선 C1∼C4의 순으로, 애노드 이론 공연비가 충분히 높은 상태에서 캐소드 이론 공연비만을 저하시킨 경우의 IV 곡선을 나타내고 있고, 발전 효율은 이 순서로 저하되어 있다. IV 곡선 C1은, 캐소드 이론 공연비가 충분히 높은 상태에서의 IV 곡선이며, 통상 발전 상태에서의 FC(4)의 IV 특성을 나타내고 있다. 또한, 도 2에는, 동작점 D1∼D4 및 E1∼E4, 이론 기전압 E0, 목표값 α, 역치 β, 아이들 전류값 A1, 및 전류값 A4를 나타내고 있다. 또한, 도시한 FC(4)의 동작점의 이행은, ECU(3)가, 수소 부족이 되지 않을 정도로 FC(4)에 공급되는 애노드 가스의 유량을 제어하면서 캐소드 가스의 유량을 제어하고, 또한 FC(4)로부터의 스위프 전류값이 목표 전류값에 도달하도록 FDC(32)를 제어함으로써 실현된다.
동작점 D1∼D4는, 각각 IV 곡선 C1∼C4 상의 동작점이다. FC(4)의 이론 기전압 E0은, 단셀의 이론 기전압에 FC(4)의 단셀의 적층 매수를 승산함으로써 얻어진다. 동작점 E1∼E4는, IV 곡선 C1∼C4 상에서 전류가 제로가 되는 경우의 동작점이다. 목표값 α는, 상술한 회복 처리의 목표값이다. 역치 β는, 동작점 E4에서의 개방 전압값이며, 목표값 α보다 높은 값이다. 역치 β는, 통상 발전 상태에서의 IV 특성을 나타내는 IV 곡선 C1 상의 동작점 E1에서의 개방 전압값보다 작은 값이다. 역치 β는, 예를 들어 0.6V에 FC(4)의 단셀의 적층 매수를 승산하여 얻어지는 값으로 설정된다. 아이들 전류값 A1은, FC(4)가 아이들 운전 상태에서의 출력 전류값이다. 전류값 A4는, IV 곡선 C4 상에서 전압이 목표값 α가 되는 경우의 전류값이다. 전류값 A4는 아이들 전류값 A1보다 작은 값이다.
또한, 아이들 운전 상태라 함은, 예를 들어 차량이 일시 정지 중이며, FC(4)가, FC(4)의 발전을 계속하는 데 최저한 필요해지는 FC(4)용의 보조 기기에 소비되는 전력 상당분만을 발전시키고 있는 상태이다. 동작점 D1은, 아이들 운전 상태에서의 IV 곡선 C1 상에서의 동작점을 나타내고 있다. 동작점 D4는, 전압이 목표값 α가 되는 경우의 IV 곡선 C4 상에서의 동작점을 나타내고 있다. 동작점 D2 및 D3에 대해서는 후술한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, FC(4)의 출력 전류가 증대될수록 출력 전압은 저하된다. 여기서, FC(4)의 발전량은, FC(4)의 출력 전류값에 출력 전압값을 승산하여 얻을 수 있고, 일반적으로 출력 전류가 증대될수록 발전량도 증대된다. 예를 들어 IV 곡선 C1로 나타내는 바와 같이 FC(4)의 발전 효율이 높은 경우에, FC(4)의 출력 전압을 회복 처리의 목표값 α까지 저하시키기 위해서는, FC(4)의 출력 전류를 크게 증대시킬 필요가 있고, 즉, FC(4)의 출력 전력을 크게 증대시킬 필요가 있다. 그러나 예를 들어, C4로 나타내는 바와 같이 FC(4)의 발전 효율이 낮은 경우에 FC(4)의 출력 전압을 목표값 α까지 저하시키기 위해서는, FC(4)의 출력 전류는 작아도 되며, 즉, FC(4)의 출력 전력을 크게 증대시킬 필요는 없다. 이 때문에, 예를 들어 FC(4)에 대한 요구 출력이 작은 경우에 발전 효율을 저하시키면서 회복 처리를 실행함으로써, 회복 처리의 실행에 수반되는 FC(4)의 발전량의 증대를 억제할 수 있어, 잉여 전력의 증대나 FC(4)의 고온화 등을 방지할 수 있다. 이하에 설명하는 비교예에서는, FC(4)의 발전 효율을 저하시키면서, 동작점 D1, D2, D3, D4의 순으로 이행함으로써 회복 처리가 실행된다.
[비교예에서의 회복 처리]
도 3a, 도 3b, 도 3c와 도 3d는, 비교예에서의 회복 처리의 설명도이다. 비교예의 회복 처리에서는, 아이들 운전 상태에 있는 동작점 D1로부터, FC(4)의 발전을 계속하면서 캐소드 가스의 유량을 저하시킴으로써 캐소드 이론 공연비를 저하시키고, 동작점 D2, D3, D4의 순으로 이행한다. 스위프하는 전류값은, 아이들 전류값 A1로부터 전류값 A4로 서서히 저하시키고 있다. 도 3a∼도 3d의 각각은, 동작점 D1∼D4에서의 FC(4)의 발전량 H1 및 발열량 H2를 나타내고 있다. 동작점 D1에서의 발전량 H1은, 동작점 D1에서의 아이들 전류값 A1과 전압값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D1에서의 발열량 H2는, 이론 기전압 E0으로부터 동작점 D1에서의 전압값을 감산한 값에, 동작점 D1에서의 전류값을 승산하여 얻을 수 있다. 마찬가지로, 동작점 D2에서의 발전량 H1은, 동작점 D2에서의 전류값과 전압값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D2에서의 발열량 H2는, 이론 기전압 E0으로부터 동작점 D2에서의 전압값을 감산한 값에, 동작점 D2에서의 전류값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D3에서의 발전량 H1은, 동작점 D3에서의 전류값과 전압값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D3에서의 발열량 H2는, 이론 기전압 E0으로부터 동작점 D3에서의 전압값을 감산한 값에, 동작점 D3에서의 전류값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D4에서의 발전량 H1은, 동작점 D4에서의 전류값과 전압값을 승산하여 얻을 수 있다. 동작점 D4에서의 발열량 H2는, 이론 기전압 E0으로부터 동작점 D4에서의 전압값을 감산한 값에, 동작점 D4에서의 전류값을 승산하여 얻을 수 있다.
비교예의 회복 처리에서는, 동작점 D1로부터 동작점 D4로 이행하는 과정에서 FC(4)가 항시 발전하고 있으므로, 항시 발전량 H1 및 발열량 H2가 발생하고 있다. 이 때문에, 비교예의 회복 처리에 있어서도, 더 한층의 잉여 전력의 저감이나 FC(4)의 고온화를 억제할 것이 요망된다.
[본 실시예의 회복 처리]
도 4a 및 도 4b는, 본 실시예의 회복 처리의 설명도이다. 본 실시예에서는, FC(4)의 발전이 휴지된 상태인 동작점 E1로부터, FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제어함으로써 IV 특성을 저하시켜, 동작점 E4에서 발전을 재개하여 동작점 D4로 이행한다. 동작점 E1로부터 동작점 E4로의 이행은, FC(4)의 발전이 휴지된 상태에서 캐소드 가스의 유량을 저감함으로써 발생하는 상술한 크로스 리크에 의해 실현할 수 있다. 여기서, FC(4)의 발전이 휴지된 상태에서는, 당연히 발전량 H1 및 발열량 H2는 발생하지 않는다. 도 4b에 나타내는 바와 같이, FC(4)의 개방 전압이 동작점 E4에서의 역치 β 이하가 되면, FC(4)의 발전이 재개되어 동작점 E4로부터 동작점 D4로 이행한다. 본 실시예의 회복 처리에서는, 동작점 D4에서는 발전량 H1 및 발열량 H2가 발생한다. 본 실시예에 있어서도, 회복 처리의 실행에 수반되는 발전 전력은, BAT(8)에 충전된다.
여기서, 동작점 D4에서의 출력 전류값 A4는, 아이들 전류값 A1 미만이다. 즉, 역치 β에 대응한 IV 곡선 C4에 의해 정해지는, 목표값 α에 대응한 FC(4)의 출력 전류값 A4는, 아이들 전류값 A1 미만이다. 역치 β는, 개방 전압이 역치 β가 된 시점에서 FC(4)의 발전을 재개한 경우, 캐소드 가스의 유량이 증대되지 않는 한, 출력 전압값이 목표값 α에 도달하기 전에 출력 전류값이 아이들 전류값 A1 이상으로는 되지 않도록, 미리 실험 결과에 의해 정해져 있다.
이와 같이 본 실시예에서는, FC(4)의 발전이 휴지된 상태에서 개방 전압이 역치 β 이하까지 저하되고 나서 회복 처리가 실행되므로, 비교예와 같이 발전을 계속한 채 회복 처리가 실행되는 경우보다, 발전량 H1 및 발열량 H2가 저감되어 있다. 발전량 H1이 적으므로, 회복 처리의 실행에 수반되는 잉여 전력을 저감할 수 있고, BAT(8)가 잉여 전력을 충전함으로써 과충전이 되는 것도 억제할 수 있다. 또한 발열량 H2도 적으므로, FC(4)의 고온화를 억제할 수 있다. 특히 차량이 정차 중인 경우에는 라디에이터(44)에 주행풍은 충돌하지 않아 FC(4)의 냉각수의 온도를 충분히 저하시킬 수는 없지만, 이러한 경우에도 FC(4)의 고온화가 억제된다.
[ECU(3)가 실행하는 제어]
다음으로, ECU(3)가 실행하는 제어에 대해 구체적으로 설명한다. 도 5는, 본 실시예의 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 이 제어는, 반복 실행된다. 먼저, ECU(3)는, 회복 처리의 실행 요구(이하, 회복 요구라고 칭함)가 있는지 여부를 판정한다(스텝 S1). 예를 들어, FC(4)의 소정의 전류 밀도에 있어서의 전압값이 역치 미만인 경우나, 전회의 회복 처리의 실행으로부터의 경과 시간이 소정 시간 이상인 경우, 전회의 회복 처리의 실행으로부터의 FC(4)의 운전 시간이 소정 시간 이상인 경우, 전회의 회복 처리의 실행으로부터의 차량의 주행 거리가 소정의 거리 이상인 경우 중 적어도 하나를 만족시키는 경우에, 회복 요구가 있다고 판단된다. 스텝 S1에서 "아니요"인 경우에는, 본 제어는 종료된다.
스텝 S1에서 "예"인 경우, ECU(3)는 간헐 운전 중인지 여부를 판정한다(스텝 S3). 스텝 S3에서 "예"인 경우, ECU(3)는 회생 운전 중인지 여부를 판정한다(스텝 S5). 스텝 S3에서 "아니요"인 경우, 회복 처리는 실행되지 않고 본 제어를 종료한다. 스텝 S5에서 "아니요"인 경우, 회복 처리는 실행되지 않고 본 제어를 종료한다.
스텝 S3에서 "예", 또한 스텝 S5에서 "예"인 경우, ECU(3)는 FC(4)의 개방 전압이 역치 β 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S7). 역치 β는, 미리 실험에 의해 취득되어 ECU(3)의 ROM에 기억되어 있다. 스텝 S7에서 "아니요"인 경우에는, 본 제어는 종료된다. 스텝 S7에서 "예"인 경우, ECU(3)는 회복 처리를 실행한다(스텝 S9). 구체적으로는, 상술한 방법에 의해 FC(4)의 발전이 재개되어, FC(4)의 스위프 전류값은 전류값 A4로 제어된다. FC(4)의 전압이 목표값 α 이하로 됨으로써, FC(4)의 발전 성능이 회복된다. 또한, 회복 처리의 완료 후에는, ECU(3)는, 요구되는 운전 상태에 따라서, FC(4)의 발전 상태를 제어한다.
또한, 스텝 S3 및 S5는, 모두 FC(4)의 발전이 휴지 중인지 여부를 판정하기 위한 처리이다. 따라서, 간헐 운전이나 회생 운전 이외에 FC(4)의 발전이 휴지되는 상태로 제어될 수 있는 경우에는, 스텝 S3 및 S5 대신에, FC(4)의 발전이 휴지 중인지 여부를 판정해도 된다.
[간헐 운전 중에 실행되는 회복 처리]
도 6은, 간헐 운전 중에 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다. 도 6에는, FC(4)로의 요구 출력, 간헐 운전의 실행 상태, FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량, FC(4)의 전압 및 전류, 회복 처리의 실행 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 6에는, 간헐 운전에 의한 개방 전압의 목표 범위의 상한값 V1 및 하한값 V2를 나타내고 있다.
FC(4)가 발전 상태에서 FC(4)로의 요구 출력이 저하되기 시작하면, ECU(3)는 FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 서서히 저감하고, FC(4)의 출력 전력이 저하되도록 FC(4)의 출력 전류는 저하되고 출력 전압은 상승한다. FC(4)로의 요구 출력이 미리 정해진 소정값 P 이하가 되면, 통상 운전으로부터 간헐 운전으로 전환된다(시각 t1).
여기서, 상술한 역치 β는, 상한값 V1보다 작고 하한값 V2보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 회복 요구가 있는 경우에는, 개방 전압이 하한값 V2까지 저하되기 전에 역치 β 이하가 되어, 간헐 운전이 일시적으로 중지되어 회복 처리가 실행된다(시각 t2). 회복 처리가 실행되면, 간헐 운전 시에 제어되어 있던 캐소드 가스의 유량을 제로로 제한한 채, FC(4)의 발전이 재개되어 FC(4)의 스위프 전류값이 전류값 A4로 제어되고, 출력 전압은 목표값 α 이하까지 저하된다. 출력 전압이 목표값 α가 되면, 스위프되는 전류값은 다시 제로로 제어되어 회복 처리는 완료된다(시각 t3). 또한, 회복 처리의 완료 후에 요구 출력이 소정값 P보다 커지면, 캐소드 가스의 유량이 증대되어 FC(4)의 발전이 재개된다.
도 6의 예에서는, 회복 처리의 완료 후에 전류값이 제로로 제어되어도 개방 전압은 상승하지 않는 경우를 나타내고 있다. 이 이유는, 회복 처리의 실행, 즉 발전의 재개에 의해 FC(4) 내의 산소가 소비되어 산소 농도가 저하되고, 회복 처리 완료 후에는 회복 처리 개시 직전보다 산소 농도가 낮게 되어 있고, 개방 전압도 상승하지 않기 때문이다. 또한, 회복 요구가 없는 경우의 간헐 운전 중에는, 개방 전압과 역치 β의 대소 관계에 관계없이, 개방 전압은 상한값 V1 및 하한값 V2 사이에서 유지된다.
[회생 운전 중에 실행되는 회복 처리]
도 7은, 회생 운전 중에 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다. 도 7에는, 차속, 회생 발전량, 회생 운전의 실행 상태, FC(4)로 공급되는 캐소드 가스의 유량, FC(4)의 전압 및 전류, 회복 처리의 실행 상태를 나타내고 있다.
예를 들어, 강판 시에 차속이 상승하여 모터(50)의 회생 발전량이 상승하기 시작하여, 도시는 하지 않았지만 FC(4)로의 요구 출력도 저하되어 FC(4)에 공급되는 캐소드 가스의 유량도 서서히 저감되고, FC(4)의 출력 전류는 저하되고 출력 전압은 상승한다. 회생 발전량이, BAT(8)가 충전 가능한 충전 한계값 L보다 소정의 마진분만큼 작은 역치 G를 상회하면, 통상 운전으로부터 회생 운전으로 전환된다(시각 t11). 회생 운전으로 전환되면, 상술한 바와 같이, 바이패스 밸브(15) 및 배압 밸브(17)에 의해 캐소드 가스가 FC(4)에 공급되지 않는 상태로 전환되고, 또한 모터(50)의 회생 전력에 의해 에어 컴프레서(14)를 구동한다. 이에 의해, 회생 전력을 소비할 수 있어, 회생 전력이 BAT(8)의 충전 한계값 L을 초과하여 충전되는 것이 억제된다. 또한, 에어 컴프레서(14)로부터의 캐소드 가스는 FC(4)에 공급되지 않고 외부로 배출된다. 이 때문에, 개방 전압은 서서히 저하되어 역치 β 이하로 되어 회복 처리가 실행된다(시각 t12). 그 후에, 개방 전압이 목표값 α 이하로 되면 회복 처리는 완료된다(시각 t13). 이와 같이 회생 운전이 계속되면서 회복 처리가 실행된다.
[제1 변형예의 회복 처리]
다음으로, 회복 처리의 복수의 변형예에 대해 설명한다. 도 8a 및 도 8b는, 제1 변형예의 회복 처리의 설명도이다. 도 8a 및 도 8b에는, IV 곡선 C5, 동작점 E5 및 D5, 역치 βa, 및 출력 전류값 A5를 나타내고 있다. IV 곡선 C5는, IV 곡선 C4보다 더욱 발전 효율이 저하된 IV 곡선이다. 동작점 E5는, 출력 전류값이 제로인 경우의 IV 곡선 C5 상의 동작점을 나타내고 있다. 동작점 D5는, 출력 전압이 목표값 α가 되는 경우의 IV 곡선 C5 상의 동작점을 나타내고 있다. 출력 전류값 A5는, IV 곡선 C5에 기초하여 정해지는, 출력 전압이 목표값 α인 경우의 출력 전류값이다. 역치 βa는, 동작점 E5에서의 개방 전압값이며, 상술한 역치 β보다 작은 값이다. 제1 변형예에서는, 동작점 E1로부터 E5로 이행하여, 개방 전압이 역치 βa 이하로 저하되고 나서, 발전이 재개되어 동작점 D5로 이행하여 회복 처리가 실행된다. 이 때문에, 본 실시예보다 제1 변형예의 쪽이, 발전량 H1 및 발열량 H2를 저감할 수 있다.
도 9는, 간헐 운전 중에 제1 변형예의 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다. 역치 βa는, 간헐 운전 시에서의 개방 전압의 목표 범위의 하한값 V2 미만으로 설정되어 있다. 회복 요구가 있는 경우에는, 개방 전압이 하한값 V2 이하로 되어도 캐소드 가스의 유량은 증대되지 않고, 개방 전압이 역치 βa 이하로 된 경우에 회복 처리가 실행된다(시각 t2a). 즉, 캐소드극의 산소 농도가 충분히 저하되고 나서 FC(4)의 발전이 재개되어 회복 처리가 실행된다. 이 때문에, 발전이 재개되고 나서 단기간에 FC(4)의 출력 전압이 목표값 α 이하까지 저하되어, 회복 처리는 단기간에 완료된다(시각 t3a).
또한, 역치 βa는 하한값 V2 이하이므로, 하한값 V2를 더 높은 값으로 설정해도 된다. 하한값 V2를 더 높은 값으로 설정함으로써, 회복 요구가 없는 경우에는, 개방 전압을 비교적 높은 값으로 유지할 수 있다. 이 때문에, 통상 발전의 재개 시에, FC(4)의 출력의 응답성을 확보할 수 있다.
제1 변형예에 있어서는, 동작점 E1로부터 동작점 E5까지 개방 전압이 충분히 저하된 후에 회복 처리가 실행된다. 이에 비해 상술한 본 실시예에서는, 도 3a∼도 3d에 나타낸 바와 같이, 동작점 E1로부터 동작점 E4까지 개방 전압이 저하된 후에 회복 처리가 실행된다. 이 때문에, 제1 변형예의 쪽이, 본 실시예보다 발전량 H1 및 발열량 H2를 저감할 수 있지만, FC(4)의 발전이 재개될 때까지 시간을 요하고, 즉 회복 처리가 실행될 때까지 시간을 요한다. 이 때문에, 발전량 H1 및 발열량 H2의 저감 효과와, 회복 처리가 실행될 때까지의 기간을 비교 고려하여, 회복 처리를 실행하기 위한 역치를 적절하게 정하는 것이 바람직하다. 또한, 도 9에서는, 지면의 제약상, 도 6과 비교하여 간헐 운전에 의한 개방 전압의 저하 속도가 크게 나타나 있지만, 실제로는 대략 동일하다.
[제2 변형예의 회복 처리]
다음으로, 제2 변형예의 회복 처리에 대해 설명한다. 도 10a, 도 10b, 도 10c와 도 10d는, 제2 변형예의 회복 처리의 설명도이다. 제2 변형예에서는, 역치 βb는, 상술한 역치 β보다 큰 값으로 설정되어 있고, 동작점 E2에서의 개방 전압과 동일한 값으로 설정되어 있다. 제2 변형예에서는, 동작점 E1, E2, D2, D3, D4의 순으로 이행한다. 동작점 E2로부터 동작점 D2로의 이행은, FC(4)의 발전을 재개하여 FC(4)로의 스위프 전류를 아이들 전류값 A1 미만의 범위에서 일단 증대시킴으로써 실현할 수 있다. 동작점 D2로부터 동작점 D4로의 이행은, FC(4)로의 스위프 전류를 서서히 저하시킴으로써 실현할 수 있다. 제2 변형예에 있어서도, FC(4)의 발전이 휴지된 상태에서 IV 특성을 저하시키므로, 도 3a∼도 3d에 나타낸 비교예보다, 발전량 H1 및 발열량 H2를 저감할 수 있다.
도 11은, 간헐 운전 중에 제2 변형예의 회복 처리가 실행되는 경우의 타이밍 차트이다. 역치 βb는, 간헐 운전의 상한값 V1보다 작고 하한값 V2보다 큰 점에서는, 상술한 역치 β와 동일하지만, 역치 βb는, 상한값 V1에 더 가까운 값이다. 이 때문에, 간헐 운전이 실행되고 나서 단기간에 FC(4)의 발전이 재개되어 회복 처리가 실행되고(시각 t2b), 출력 전압을 목표값 α까지 저하시킬 수 있다(시각 t3b).
도 4a 및 도 4b에 나타낸 본 실시예와 제2 변형예를 비교하면, 본 실시예의 쪽이 발전량 H1 및 발열량 H2를 저감할 수 있다. 그러나 캐소드 가스의 유량이 동일한 조건하에서 제한되어 있는 경우에는, 제2 변형예에서 동작점 E1로부터 동작점 D4로의 이행에 요하는 시간은, 본 실시예에서의 회복 처리에서 동작점 E1로부터 동작점 D4로의 이행에 요하는 시간보다 짧다. 예를 들어, 도 11에 나타낸 시각 t1로부터 시각 t3b까지의 기간은, 도 6에 나타낸 시각 t1로부터 시각 t3까지의 기간보다 짧다. 본 실시예 및 제2 변형예 모두 동작점 E1로부터 동작점 E2로의 이행의 기간은 동일하고, 본 실시예의 동작점 E4로부터 동작점 D4로의 이행의 기간과 제2 변형예에서의 동작점 E2로부터 동작점 D2로의 이행의 기간도 거의 동일하다고 생각할 수 있다. 그러나 제2 변형예에서의 동작점 D2로부터 동작점 D4로의 전압의 저하는, FC(4)의 발전에 의한 캐소드 가스 중의 산소의 소비에 의해 실현된다. 이에 비해, 본 실시예에서의 동작점 E2로부터 동작점 E4로의 개방 전압의 저하는, 크로스 리크에 의한 산소의 소비에 의해 실현된다. 여기서, 일반적으로 발전에 의한 산소의 소비 속도의 쪽이, 크로스 리크에 의한 산소의 소비 속도보다 빠르다. 따라서, 제2 변형예에서는, 본 실시예보다 발전량 H1 및 발열량 H2의 저감의 효과는 작지만, 본 실시예보다 회복 처리가 완료될 때까지의 시간을 단축화할 수 있다. 따라서, 발전량 H1 및 발열량 H2의 저감의 효과와, 회복 처리가 완료될 때까지의 기간을 비교 고려하여, 회복 처리를 실행하기 위한 역치를 적절하게 정하는 것이 바람직하다.
[본 실시예, 제1 변형예, 및 제2 변형예의 회복 처리의 전환에 대해]
상황에 따라서, 실행되는 본 실시예, 제1 변형예, 및 제2 변형예의 회복 처리를 전환해도 된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 회복 처리의 실행에 수반되는 FC(4)의 발전 전력은 BAT(8)에 충전되지만, BAT(8)의 충전 잔량이 소정값 미만인 경우에는, 본 실시예의 회복 처리를 실행하고, 소정값 이상인 경우에는 제1 변형예의 회복 처리를 실행해도 된다. 이와 같이, BAT(8)의 충전 잔량이 비교적 큰 경우에, 제1 변형예의 회복 처리를 실행함으로써, 회복 처리에 수반되는 발전량을 더 저감하여, BAT(8)의 과충전을 방지해도 된다.
또한, 회복 요구가 있는 상태에서 개방 전압이 역치 β 이하에 이르기 전에 FC(4)로의 요구 출력이 소정값 P 이상으로 증대되어 통상 발전이 재개되어, 회복 처리가 실행되지 않는 경우가 일어날 수 있다. 이러한 사태가 반복하여 발생한 경우에는, 역치 β보다 큰 역치 βb를 사용하는 제2 변형예의 회복 처리를 실행해도 된다. 이에 의해, 회복 처리의 실행의 기회를 확보할 수 있다. 구체적으로는, 회복 요구가 있는 상태에서 회복 처리가 실행되지 않고 간헐 운전과 회생 운전이 실행된 횟수를 카운트해 두고, 이 카운트값이 소정값 미만인 경우에는 역치 β를 사용하고, 소정값 이상인 경우에는 역치 βb를 사용해도 된다. 또한, 회복 요구가 있는 상태에서 회복 처리가 실행되어 있지 않은 시간을 계측해 두고, 계측 시간이 소정 시간 미만인 경우에는, 역치 β를 사용하고, 소정 시간 이상인 경우에는 역치 βb를 사용해도 된다.
또한, 회생 운전 중에는 역치 βa를 사용하고, 간헐 운전 중에는 역치 β 또는 βb를 사용해도 된다. 회생 운전 중에는, FC(4)의 발전에 수반되는 잉여 전력의 저감이 요망되는 바, 발전량이 적은 본 실시예의 회복 처리를 실행함으로써 잉여 전력을 저감할 수 있기 때문이다. 또한, 간헐 운전 중에는, 운전자의 운전 조작에 따라서는 개방 전압이 역치 βa 이하에 이르기 전에 FC(4)로의 요구 출력이 소정값 P 이상까지 증대되어 통상 발전이 재개되어, 회복 처리의 실행의 기회를 확보할 수 없는 경우도 있을 수 있기 때문이다.
[기타]
본 실시예에서는, 간헐 운전 중 및 회생 운전 중 어느 경우에도 회복 처리가 실행될 수 있지만, 어느 한쪽의 경우에만 회복 처리가 실행되어 있어도 된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 시스템(1)에 있어서,
    연료 전지(4)와,
    상기 연료 전지(4)에 캐소드 가스를 공급하고, 상기 연료 전지(4)에 공급되는 상기 캐소드 가스의 유량을 조정하도록 구성된 공급 장치(10)와,
    상기 연료 전지(4)의 출력 전압을 목표값(α)까지 저하시킴으로써 상기 연료 전지(4)의 발전 성능을 회복시키는 회복 처리를 실행하도록 구성된 제어 장치(3)를 포함하고,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있는 경우에, 상기 연료 전지(4)의 발전이 휴지된 상태에서 상기 캐소드 가스의 유량이 제어됨으로써 상기 연료 전지(4)의 개방 전압이 상기 목표값보다 높은 역치(β) 이하로 저하되었을 때, 상기 연료 전지(4)의 발전을 재개하여, 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값을 아이들 운전 상태에서의 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값인 아이들 전류값(A1) 미만으로 제어하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역치에 대응한 상기 연료 전지(4)의 전류-전압 특성에 의해 정해지는, 상기 목표값에 대응한 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값(A4)은, 상기 아이들 전류값(A1) 미만인, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 연료 전지(4)의 발전을 재개하여 상기 연료 전지(4)의 출력 전류값을 상기 아이들 전류값 미만이 되는 범위에서 일단 증대시키고, 그 후에 저하시킴으로써 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 캐소드 가스의 유량을 상기 개방 전압이 저하되는 캐소드 가스의 유량 이하로 제한하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 캐소드 가스의 유량을 제로로 하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 연료 전지(4)로의 요구 출력이 소정값 이하인 경우에는, 상기 연료 전지(4)의 발전을 휴지하여 상기 캐소드 가스의 유량을 증감 제어함으로써 상기 개방 전압을 목표 범위 내로 수렴시키는 간헐 운전을 실행하도록 구성되고,
    상기 역치는, 상기 목표 범위 이내에 포함되고,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 간헐 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 간헐 운전을 정지하여 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 연료 전지(4)로의 요구 출력이 소정값 이하인 경우에는, 상기 연료 전지(4)의 발전을 휴지하여 상기 캐소드 가스의 유량을 증감 제어함으로써 상기 개방 전압을 목표 범위 내로 수렴시키는 간헐 운전을 실행하도록 구성되고,
    상기 역치는, 상기 목표 범위의 하한값(V2) 미만이고,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 간헐 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 하한값까지 저하되어도, 상기 개방 전압이 상승하도록 상기 캐소드 가스의 유량을 증대시키지 않고 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때, 상기 간헐 운전을 정지하여 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템(1)은, 차량에 탑재되어 있고,
    상기 공급 장치(10)는,
    상기 연료 전지(4)에 상기 캐소드 가스를 공급하도록 구성된 컴프레서(14)와,
    상기 컴프레서(14)로부터의 상기 캐소드 가스가 상기 연료 전지(4)에 공급되는 공급 상태로부터, 상기 캐소드 가스가 상기 연료 전지(4)에 공급되지 않고 상기 연료 전지(4)를 우회하여 상기 연료 전지(4)의 외부로 배출되는 우회 상태로 전환 가능한 전환 기구(15)를 포함하고,
    상기 제어 장치(3)는, 상기 차량에 탑재된 발전기의 회생 전력량이 소정값 이상인 경우에, 상기 발전기의 회생 전력을 상기 컴프레서(14)의 구동에 의해 소비하면서 상기 연료 전지(4)의 발전을 휴지하여 상기 공급 상태로부터 상기 우회 상태로 전환하는 회생 운전을 실행하고, 상기 회복 처리의 실행 요구가 있어 상기 회생 운전 중인 경우에는, 상기 개방 전압이 상기 역치 이하로 저하되었을 때에 상기 회생 운전을 계속하면서 상기 회복 처리를 실행하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
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