KR20220092778A

KR20220092778A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20220092778A
Application number: KR1020210142392A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 이토
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2022-07-04
Also published as: US11476483B2; US20220209266A1; CN114759226A; JP7327378B2; DE102021127987A1; JP2022102431A

Abstract

발전 재개 시에서의 출력의 응답성이 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
복수의 동일한 단셀이 적층되며 서로 직렬로 접속되어 부하 장치에 전력을 공급하는 제1 내지 제n(n≥2) 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛과, 상기 제1 내지 제n 연료 전지의 각각에 캐소드 가스를 독립적으로 공급하는 제1 내지 제n 공급계와, 상기 연료 전지 유닛과 상기 부하 장치를 전기적으로 접속 상태 또는 절단 상태로 전환 가능한 전환 장치와, 상기 연료 전지 유닛에 대한 요구 출력이 역치 이하인 경우에 상기 전환 장치를 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환하여, 상기 제1 내지 제n 공급계를 각각 제어함으로써 상기 제1 내지 제n 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제n 연료 전지의 상기 단셀의 적층 매수는, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수 이상이며, 상기 제어 장치는, 상기 절단 상태에 있어서, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 개방 전압인 제1 내지 제n-1 개방 전압과, 상기 연료 전지 유닛의 토탈의 개방 전압인 토탈 개방 전압을 취득하는 취득부와, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 하한값 이하로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 상승하도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제1 내지 제n-1 대유량으로 제어하고, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 상한값 이상으로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 저하되도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제1 내지 제n-1 대유량보다도 각각 작은 제1 내지 제n-1 소유량으로 제어하는 제어부를 구비하고 있는, 연료 전지 시스템.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

병렬 접속된 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛에 대한 요구 출력이 낮은 경우, 이들 복수의 연료 전지의 발전이 휴지되고, 요구 출력이 증대되면 복수의 연료 전지의 발전이 재개된다. 이와 같은 요구 출력에 대한 연료 전지의 발전 재개 시에서의 출력의 응답성을 확보하기 위해, 발전 휴지 상태에서도 각 연료 전지에 대한 반응 가스의 공급량을 조정하여 각 연료 전지의 개방 전압을 상한값 및 하한값 사이로 유지한다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제2020-061228호

복수의 연료 전지가 직렬로 접속되어 있는 경우에도, 요구 출력에 대한 연료 전지의 발전 재개 시에서의 출력의 응답성이 요구된다.

그래서, 발전 재개 시에서의 출력의 응답성이 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 복수의 동일한 단셀이 적층되며 서로 직렬로 접속되어 부하 장치에 전력을 공급하는 제1 내지 제n(n≥2) 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛과, 상기 제1 내지 제n 연료 전지의 각각에 캐소드 가스를 독립적으로 공급하는 제1 내지 제n 공급계와, 상기 연료 전지 유닛과 상기 부하 장치를 전기적으로 접속 상태 또는 절단 상태로 전환 가능한 전환 장치와, 상기 연료 전지 유닛에 대한 요구 출력이 역치 이하인 경우에 상기 전환 장치를 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환하여, 상기 제1 내지 제n 공급계를 각각 제어함으로써 상기 제1 내지 제n 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제n 연료 전지의 상기 단셀의 적층 매수는, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수 이상이며, 상기 제어 장치는, 상기 절단 상태에 있어서, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 개방 전압인 제1 내지 제n-1 개방 전압과, 상기 연료 전지 유닛의 토탈의 개방 전압인 토탈 개방 전압을 취득하는 취득부와, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 하한값 이하로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 상승하도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제1 내지 제n-1 대유량으로 제어하고, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 상한값 이상으로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 저하되도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제1 내지 제n-1 대유량보다도 각각 작은 제1 내지 제n-1 소유량으로 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 토탈 개방 전압이 제n 하한값 이하로 된 경우에는, 상기 토탈 개방 전압이 상승하도록 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제n 대유량으로 제어하고, 상기 토탈 개방 전압이 제n 상한값 이상으로 된 경우에는, 상기 토탈 개방 전압이 저하되도록 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 대유량보다도 작은 제n 소유량으로 제어하고, 상기 제n 하한값을 상기 연료 전지 유닛의 전체의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값은, 상기 제1 내지 제n-1 하한값의 각각을 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값보다 큰, 연료 전지 시스템에 의해 달성할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 전환 장치가 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환되고 나서 상기 토탈 개방 전압의 첫회의 상승 중에, 상기 토탈 개방 전압이 상기 제n 상한값이 되기 전에, 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 소유량으로 전환해도 된다.

상기 제어부는, 상기 전환 장치가 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환되고 나서 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압 중 하나의 개방 전압의 첫회의 저하 중에, 상기 하나의 개방 전압이 대응하는 하한값이 되기 전에, 상기 하나의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환해도 된다.

상기 제어부는, 상기 토탈 개방 전압이 상기 제n 하한값 이하로 된 경우이며, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압의 적어도 하나가 대응하는 상한값 및 하한값 사이의 소정값 이상인 경우에, 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 대유량으로 전환해도 된다.

상기 제1 내지 제n-1 개방 전압 중 어느 개방 전압이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제1 타이밍이라 하고, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압과 상기 토탈 개방 전압 중 2개의 개방 전압 중 한쪽이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제2 타이밍이라 하고, 상기 2개의 개방 전압 중 다른 쪽이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제3 타이밍이라 하고, 상기 제1 타이밍끼리의 시간 간격을 T라 하고, 상기 제2 타이밍과, 상기 제2 타이밍에 인접하고 있으며 상기 제2 타이밍 후의 상기 제3 타이밍의 시간 간격을 U라 하고, (1/2n)>(U/T)의 경우에는, 상기 제어부는, 상기 한쪽의 개방 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상기 한쪽의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환하고, (U/T)>(3/2n)의 경우에는, 상기 제어부는, 상기 다른 쪽의 개방 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상기 다른 쪽의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환해도 된다.

상기 제1 내지 제n 소유량의 각각을 상기 제1 내지 제n 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값은, 동일해도 된다.

상기 n=2여도 된다.

상기 n=3이어도 된다.

발전 재개 시에서의 출력의 응답성이 우수한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 차량에 탑재된 제1 실시예의 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 제1 실시예에서의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 3은 제1 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다.
도 4는 제1 실시예의 발전 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 제1 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 제1 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 제2 실시예에서의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 8은 제2 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다.
도 9는 제2 실시예에서의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 10은 제2 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 11은 제3 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 12는 제4 실시예에서의 개방 전압 제어의 설명도이다.
도 13은 제4 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 14는 제4 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 15는 제5 실시예의 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 16은 비교예의 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 17의 (A)는 제5 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이며, 도 17의 (B)는 비교예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다.
도 18은 제6 실시예의 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 19는 제7 실시예의 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.

[제1 실시예]

[연료 전지 시스템의 구성]

도 1은 차량에 탑재된 제1 실시예의 연료 전지 시스템(1)의 개략 구성도이다. 연료 전지 시스템(1)은, ECU(Electronic Control Unit)(3), 연료 전지(이하, FC라 칭함)(4-1 및 4-2), 이차 전지(이하, BAT라 칭함)(8), 캐소드 가스 공급계(10-1 및 10―2), 전력 제어계(30)를 포함한다. 또한, 연료 전지 시스템(1)은, FC(4-1 및 4-2)의 각각에 애노드 가스를 독립적으로 공급 가능한 도시하지 않은 애노드 가스 공급계, FC(4-1 및 4-2)의 각각에 냉각수를 순환시켜 냉각하는 도시하지 않은 냉각계를 포함한다. 또한, 차량에는, 액셀러레이터 개방도 센서(6)나 주행용의 모터(50), 모터(50)에 의해 구동되는 도시하지 않은 차륜이 마련되어 있다.

FC(4-1 및 4-2)의 각각은, 캐소드 가스와 애노드 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지이다. FC(4-1 및 4-2)는, 각각, 고체 고분자 전해질형 단셀을 복수 적층하고 있다. 제1 실시예에서의 FC(4-1 및 4-2)는, 동일한 단셀이 동일한 매수만큼 적층되어 있는, 동일한 연료 전지이다. 구체적으로는, FC(4-1 및 4-2)에는, 각각 100매의 단셀이 적층되어 있다. 또한, 동일한 단셀이란, 크기나 형상, 재질이 동일한 것을 의미한다. FC(4-1 및 4-2)는, 전기적으로 직렬 접속되어 있다. FC(4-1 및 4-2)는, 연료 전지 유닛의 일례이며, 각각 제1 및 제2 연료 전지의 일례이기도 하다.

캐소드 가스 공급계(10-1 및 10―2)는, 각각, 캐소드 가스로서 산소를 포함하는 공기를 FC(4-1 및 4-2)에 독립적으로 공급 가능한 제1 및 제2 공급계의 일례이다. 구체적으로는, 캐소드 가스 공급계(10-1 및 10-2)의 각각은, 공급관(11), 배출관(12), 바이패스관(13), 에어 클리너(14), 공기 압축기(15), 바이패스 밸브(16), 인터쿨러(17), 및 배압 밸브(18)를 포함한다. 캐소드 가스 공급계(10-1 및 10-2)는 동일한 구성이기 때문에, 이하에서는 주로 캐소드 가스 공급계(10-1)에 대하여 설명한다.

캐소드 가스 공급계(10-1)에 관하여, 공급관(11)은 FC(4-1)의 캐소드 입구 매니폴드에 접속되고, 배출관(12)은 FC(4-1)의 캐소드 출구 매니폴드에 접속되어 있다. 바이패스관(13)은, 공급관(11) 및 배출관(12)을 연통하고 있다. 바이패스 밸브(16)는, 공급관(11)과 바이패스관(13)의 접속 부분에 마련되어 있고, 공급관(11)과 바이패스관(13)의 연통 상태를 전환한다. 에어 클리너(14), 공기 압축기(15), 바이패스 밸브(16), 및 인터쿨러(17)는, 공급관(11) 상에 상류측으로부터 순서대로 배치되어 있다. 배압 밸브(18)는, 배출관(12) 상이며, 배출관(12)과 바이패스관(13)의 접속 부분보다도 상류측에 배치되어 있다. 에어 클리너(14)는, 필터에 의해 공기 중의 먼지 등의 이물을 제거한다. 공기 압축기(15)는, 에어 클리너(14)에 의해 이물이 제거된 공기를, 공급관(11)을 통해 FC(4-1)에 공급한다. FC(4-1)에 공급된 캐소드 가스는, FC(4-1)의 발전에 사용된 후, 배출관(12)을 통해 배출된다. 인터쿨러(17)는, FC(4-1)에 공급되는 캐소드 가스를 냉각한다. 배압 밸브(18)는, FC(4-1)의 캐소드측의 배압을 조정한다. 또한, 상술한 바와 같이 캐소드 가스 공급계(10-2)도 캐소드 가스 공급계(10-1)와 마찬가지로 구성되며, 캐소드 가스 공급계(10-2)의 공급관(11) 및 배출관(12)은 각각 FC(4-2)의 캐소드 입구 매니폴드 및 캐소드 출구 매니폴드에 접속되어 있다.

전력 제어계(30)는, 연료 전지 DC/DC 컨버터(이하, FDC라 칭함)(32), 모터(50)에 접속된 인버터(이하, INV라 칭함)(38)를 포함한다. FDC(32)는, FC(4-1 및 4-2)로부터의 직류 전력을 조정하여 INV(38)에 출력한다. BAT(8)는, 직류 전력을 INV(38)에 출력한다. FC(4-1 및 4-2)의 발전 전력은, 각각 BAT(8)에 축전 가능하다. INV(38)는, 입력된 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하여 모터(50)에 공급한다. 모터(50)는, 도시하지 않은 차륜을 구동하여 차량을 주행시킨다. FDC(32) 및 BAT(8)와, INV(38) 사이에는, 이들의 전기적으로 접속 상태 또는 절단 상태로 전환 가능한 전환 스위치(36)가 마련되어 있다. 또한, 전환 스위치(36)와 BAT(8) 사이에, BAT(8)로부터의 직류 전력을 조정하는 컨버터를 마련해도 된다.

FC(4-1 및 4-2)나 BAT(8)의 전력은, 부하 장치의 일례인 모터(50)에 공급 가능하다. 여기서 부하 장치는, 모터(50) 이외에, FC(4-1 및 4-2)용의 보조 기기와, 차량용의 보조 기기를 포함한다. FC(4-1 및 4-2)용의 보조 기기란, 상술한 캐소드 가스 공급계(10-1 및 10-2)의 각각의 공기 압축기(15), 바이패스 밸브(16), 배압 밸브(18)를 포함한다. 차량용의 보조 기기는, 예를 들어 공조 장치나, 조명 장치, 해저드 램프 등을 포함한다.

FC(4-1)에는, FC(4-1)의 전압을 검출하는 전압 센서 S1이 마련되어 있다. 또한, FC(4-1 및 4-2)의 합계 전압, 즉, 연료 전지 유닛 전체의 토탈의 전압을 검출하는 전압 센서 St가 마련되어 있다.

ECU(3)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory)을 포함한다. ECU(3)는, 액셀러레이터 개방도 센서(6), 공기 압축기(15), 바이패스 밸브(16), 배압 밸브(18), FDC(32), 전환 스위치(36), 전압 센서 S1 및 St가 전기적으로 접속되어 있다. ECU(3)는, 액셀러레이터 개방도 센서(6)의 검출값이나 상술한 차량용의 보조 기기 및 FC(4-1 및 4-2)용의 보조 기기의 구동 상태, BAT(8)의 축전 전력 등에 기초하여, FC(4-1 및 4-2) 전체에 대한 요구 출력 P를 산출한다. 또한, ECU(3)는, 요구 출력 P에 따라서, FC(4-1 및 4-2)용의 보조 기기 등을 제어하여, FC(4-1 및 4-2)의 합계의 발전 전력을 제어한다. 또한, 요구 출력 P는, FC(4-1 및 4-2)인 연료 전지 유닛 전체에 요구되는 출력이며, BAT(8) 등의 연료 전지 이외에 요구되는 출력은 포함하지 않는다.

[개방 전압]

ECU(3)는, FC(4-1)의 개방 전압, 및 FC(4-1 및 4-2)의 토탈의 개방 전압(이하, 토탈 개방 전압이라 칭함)을 제어하는 개방 전압 제어를 실행한다. 개방 전압 제어는, CPU, ROM, 및 RAM에 의해 기능적으로 실현되는 취득부 및 제어부에 의해 실행된다.

예를 들어 액셀러레이터 개방도가 저하되면, 요구 출력 P도 저하된다. 요구 출력 P가 후술하는 역치 Pα 이하로 되면, 전환 스위치(36)에 의해 FC(4-1 및 4-2)는 부하 장치로부터 전기적으로 절단되어, 차량은 아이들 운전 상태로 된다. 여기서, FC(4-1 및 4-2)가 부하 장치로부터 전기적으로 절단된 절단 상태에서는, FC(4-1 및 4-2)는 발전이 일시적으로 휴지된 발전 휴지 상태가 된다. 발전 휴지 상태에서는 FC(4-1 및 4-2)의 각 전류는 제로가 되고, 이 상태에서의 각 전압은 개방 전압이라 칭해진다. 이와 같은 아이들 운전 상태에서 액셀러레이터 개방도가 다시 증대되어 요구 출력이 역치를 상회하면, 전환 스위치(36)에 의해 FC(4-1 및 4-2)와 부하 장치가 전기적으로 접속되어, FC(4-1 및 4-2)는 통상 발전 상태로 복귀한다. 이에 의해, FC(4-1 및 4-2)의 발전 전력이 모터(50)에 공급되어, 차량은 주행 상태가 된다.

여기서, FC(4-1 및 4-2)가 부하 장치로부터 전기적으로 절단된 절단 상태에서는, 발전에 의해 산소 및 수소는 소비되지 않지만, 수소가 애노드극측으로부터 전해질막을 통해 캐소드극측으로 크로스 누설됨으로써, 캐소드극측에서 수소와 산소가 반응하여 물이 생성된다. 이에 의해, 캐소드극측에서의 산소 농도가 감소된다.

캐소드극측에서의 산소 농도가 감소됨으로써, 개방 전압이 저하된다. 개방 전압은, 그 후에 요구 출력 P가 증대된 경우에서의 FC(4-1 및 4-2)의 실제의 출력의 응답성을 고려하면, 절단 상태에 있어서도 높은 상태로 유지되는 것이 바람직하다. 개방 전압이 높은 것은 캐소드극측에서의 산소 농도가 높은 것을 나타내고, 캐소드극측에서 산소 농도가 높은 상태에서 요구 출력 P가 증대된 경우에는, FC(4-1 및 4-2)의 출력을 응답성 좋게 증대시킬 수 있기 때문이다. 그러나 개방 전압을 상시 높은 값으로 유지하면, FC(4-1 및 4-2)에 상시 대유량의 캐소드 가스를 공급할 필요가 있어, 소비 전력이 증대될 우려가 있다. 또한, FC(4-1 및 4-2)에 상시 대유량의 캐소드 가스를 공급하면, FC(4-1 및 4-2)의 캐소드극측의 압력이 과도하게 상승할 우려가 있다. 또한, FC(4-1 및 4-2)에 상시 대유량의 캐소드 가스를 공급하여 각각의 개방 전압이 소정값 이상으로까지 상승하면, FC(4-1 및 4-2)의 전극 촉매가 용출되어 발전 성능이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 개방 전압을 소정의 목표 범위 내로 유지하는 상술한 개방 전압 제어가 실행된다. 개방 전압 제어에서는, FC(4-1)의 전압 V1을 상한값 VH1과 하한값 VL1의 범위 내로 유지하고, FC(4-1 및 4-2)의 토탈의 개방 전압인 토탈 전압 Vt를 상한값 VHt와 하한값 VLt의 범위 내로 유지하도록, FC(4-1 및 4-2)에 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량이 증감되도록 제어된다. 상기 상한값 및 하한값에 의해 규정되는 전압 범위는, 소정의 마진을 포함하여 설정되어 있고, 이 범위로부터 벗어났을 때 바로 문제가 발생하는 범위는 아니다.

[제1 실시예의 개방 전압 제어에서의 전압 추이]

다음에, 도 2 및 도 3을 사용하여 제1 실시예의 개방 전압 제어에서의 전압 추이에 대하여 설명한다. 도 2는 제1 실시예에서의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다. 도 2에는, 요구 출력 P의 추이와, FC(4-1 및 4-2)의 각각과 부하 장치의 접속 상태, FC(4-1 및 4-2)의 각각으로 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q1 및 Q2의 추이, FC(4-1)의 전압 V1, FC(4-1 및 4-2)의 합계의 전압인 토탈 전압 Vt, 및 추정 전압 (Vt-V1)의 추이를 나타내고 있다. 추정 전압 (Vt-V1)은, 전압 센서에 의해 취득된 전압이 아니라, 전압 센서 S1 및 St에 의해 취득된 전압 V1 및 토탈 전압 Vt로부터 추정된, FC(4-2)의 전압이다.

도 3은 제1 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다. 도 3에는, 전압 V1, 추정 전압 (Vt-V1), 토탈 전압 Vt의 값의 일례를 나타내고 있다. 또한, 도 3에는, 부하 장치로부터 절단된 절단 상태에서의 FC(4-1)의 전압 V1의 상한값 VH1 및 하한값 VL1의 일례, 절단 상태에서의 토탈 전압 Vt의 상한값 VHt 및 하한값 VLt의 일례, 및 추정 전압 (Vt-V1)에서의 상한값 및 하한값의 일례를 나타내고 있다.

이하에 설명하는 개방 전압 제어 실행 중에서의 유량 Q1의 제어는, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 공기 압축기(15)의 회전 속도를 일정하게 유지하고, 또한 배압 밸브(18)의 개방도를 일정하게 유지하면서, 바이패스 밸브(16)의 개방도를 조정함으로써 실현된다. 유량 Q2의 제어도 마찬가지로 캐소드 가스 공급계(10-2)의 바이패스 밸브(16)의 개방도를 조정함으로써 실현된다. 단, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 유량 Q1의 제어는, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 배압 밸브(18) 및 바이패스 밸브(16)의 개방도를 일정하게 하면서 공기 압축기(15)의 회전 속도를 조정함으로써 실현해도 된다. 유량 Q2의 제어도 마찬가지로, 캐소드 가스 공급계(10-2)의 공기 압축기(15)의 회전 속도를 조정함으로써 실현해도 된다.

예를 들어 차량이 주행 상태에서 액셀러레이터 개방도가 점차 저하되면, 도 2에 도시한 바와 같이 시각 t0으로부터 요구 출력이 점차 저하된다. 요구 출력이 저하되면, 이것에 따라서 FC(4-1 및 4-2)의 각 출력이 저하되도록, 유량 Q1 및 Q2가 저하된다. 또한, FC(4-1 및 4-2)의 각 출력이 저하됨으로써, FC(4-1 및 4-2)의 각 전류는 저하되고, 전압 V1, 토탈 전압 Vt 및 추정 전압 (Vt-V1)은 상승한다.

예를 들어 액셀러레이터 개방도가 제로로 되면, 시각 t1에서 요구 출력 P가 역치 Pα 이하로 되어, 전환 스위치(36)를 절단 상태로 전환하는 것이 가능한 상태로 된다. 역치 Pα는, 미리 설정되어 있는 값이며, 요구 출력 P가 대략 제로인 것으로 간주할 수 있는지 여부를 판정하기 위한 역치이며, 환언하면 FC(4-1 및 4-2)에 대한 발전 요구가 없다고 간주할 수 있는지 여부를 판정하기 위한 역치이다. 시각 t1의 시점에서, 요구 출력 P는 충분히 작기 때문에, 전환 스위치(36)를 절단 상태로 전환해도 된다. 역치 Pα는, 대략 제로로 한정되지 않고, 예를 들어 차량의 주행 및 보조 기기의 가동을 위해 필요한 전력이 충분히 작아 BAT(8)만으로부터 전력을 공급할 수 있는 값으로 할 수 있다.

요구 출력 P가 역치 Pα 이하로 된 시각 t1로부터 소정의 미소 시간 경과하여 요구 출력 P가 대략 일정해진 시각 t2에서, 유량 Q1 및 Q2는 각각 미리 정해진 소유량 QL로 제어되고, 차량은 아이들 운전 상태로 이행한다. 소유량 QL은, 후술하는 대유량 QH보다도 작은 유량이다. 소유량 QL은 제로여도 된다. 유량 Q1 및 Q2가 각각 소유량 QL로 제어됨으로써, FC(4-1 및 4-2)에서의 캐소드극에서의 산소 농도가 저하되어, FC(4-1 및 4-2)의 IV 특성이 통상 발전 시에서의 IV 특성보다도 저하된다. 이 때문에, 시각 t2부터 전압 V1 및 토탈 전압 Vt는 저하되기 시작한다.

시각 t2로부터 소정 시간 경과한 시각 t3에서, 전환 스위치(36)는 절단 상태로 전환되고, FC(4-1 및 4-2)는 부하 장치로부터 절단되어 개방 전압 제어가 개시된다. 이에 의해, 전압 V1 및 토탈 전압 Vt는 즉시 상승하고, 도시는 하고 있지 않지만 FC(4-1 및 4-2)의 각 전류는 제로가 된다. FC(4-1 및 4-2)가 부하 장치로부터 절단된 상태에 있어서, 전압 V1은 FC(4-1)의 개방 전압에 상당하고, 토탈 전압 Vt는, FC(4-1 및 4-2)의 토탈의 개방 전압에 상당한다. 도 3에 도시한 바와 같이 시각 t3에서는, 전압 V1 및 추정 전압 (Vt-V1)은 각각 85V이며, 토탈 전압 Vt는 170V이다.

시각 t3으로부터는, 상술한 크로스 리크에 기인하여 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 저하된다. 즉, 소유량 QL은, 크로스 리크를 가미해도 개방 전압이 상승하지 않을 정도의 저유량으로 설정되어 있다. 크로스 리크에 기인하는 산소 농도의 저하 속도는, 연료 전지의 사용 환경이나 사용 시간에 의해 변화되는 것이며, 미리 상정하는 것이 곤란하기 때문이다.

시각 t4에서는, 토탈 전압 Vt는 155V이며, 전압 V1 및 추정 전압 (Vt-V1)은, 각각 77.5V이다. 여기서, 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt는 155V로 설정되어 있다. 이 때문에 시각 t4로 되면, FC(4-2)로의 캐소드 가스의 유량 Q2가 미리 정해진 대유량 QH로 제어되어, 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다. 대유량 QH는, 크로스 리크에 의한 산소 농도의 저하분을 가미해도 산소 농도가 상승할 정도의 유량으로 설정되어 있다.

시각 t4 내지 시각 t5까지는 토탈 전압 Vt는 상승하고, 시각 t5에서는 토탈 전압 Vt는 161V가 되고, 추정 전압 (Vt-V1)도 83.5V로까지 상승하지만, 전압 V1은 77.5V가 된다. 여기서, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 토탈 전압 Vt가 첫회의 상승 중인 경우에서의 상한값인 첫회 상한값 VHαt 이상으로 되면, 유량 Q2는 다시 소유량 QL로 제어된다. 첫회의 상한값 VHαt는, 상한값 VHt보다도 작고 하한값 VLt보다도 큰 값이며, 본 실시예에서는 161V로 설정되어 있다. 이 때문에, 시각 t5에서 유량 Q2는 소유량 QL로 전환되어, 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다. 또한, 도 2에서는 시각 t4로부터 시각 t5에 걸쳐 전압 V1이 저하되고 있지만, 실제로는 시각 t4 내지 시각 t5까지의 기간은 짧고, 이 기간에서 전압 V1은 대략 동일한 값을 취하며, 도 2에서는 이해를 용이하게 하기 위해 이 기간을 실제보다도 길게 나타내고 있다.

시각 t5 내지 시각 t6에서는, 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 모두 저하되고, 시각 t6에서는, 전압 V1은 75V이며, 토탈 전압 Vt는 156V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 81V가 된다. 여기서, 하한값 VL1은, 본 실시예에서는 75V로 설정되어 있기 때문에, 시각 t6에서 유량 Q1은 대유량 QH로 전환되어 전압 V1이 상승하기 시작하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 상승하기 시작한다. 또한, 시각 t6에서는, 토탈 전압 Vt는 156V이며, 하한값 VLt의 155V보다도 높은 값에 있기 때문에, 유량 Q2는 소유량 QL로 유지된다.

시각 t7에서는, 전압 V1은 85V가 되고, 토탈 전압 Vt는 166V가 되고, 추정 전압 (Vt-V1)은 81V가 된다. 여기서, 상한값 VH1은 본 실시예에서는 85V로 설정되어 있기 때문에, 시각 t7에서 유량 Q1은 소유량 QL로 전환되어 전압 V1은 저하되기 시작하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 저하되기 시작한다. 또한, 시각 t4 내지 시각 t5까지의 기간과 마찬가지로, 시각 t6 내지 시각 t7까지의 기간은 짧고, 이 기간에서 추정 전압 (Vt-V1)은 대략 동일한 값을 취한다.

시각 t8에서는, 토탈 전압 Vt는 155V이며, 전압 V1은 79.5V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 75.5V이다. 상술한 바와 같이 하한값 VLt는 155V로 되면, 유량 Q2는 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다.

시각 t9에서는, 토탈 전압 Vt는 165V이며, 전압 V1은 79.5V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 85.5V이다. 여기서, 상한값 VHt는 본 실시예에서는 165V로 설정되어 있기 때문에, 시각 t9에서 유량 Q2가 소유량 QL로 제어되어 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다. 또한, 시각 t6 내지 시각 t7까지의 기간과 마찬가지로, 시각 t8 내지 시각 t9까지의 기간은 짧고, 이 기간에서 전압 V1은 대략 동일한 값을 취한다.

마찬가지로, 시각 t10에서 전압 V1이 하한값 VL1로 되면, 유량 Q1이 대유량 QH로 전환되어 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다. 시각 t11에서 전압 V1이 상한값 VH1로 되면, 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되어 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다. 시각 t12에서 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt로 되면, 유량 Q2가 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt 및 추정 전압 (Vt-V1)이 상승하기 시작한다. 시각 t13에서 토탈 전압 Vt가 상한값 VHt로 되면, 유량 Q2가 소유량 QL로 전환되어 토탈 전압 Vt 및 추정 전압 (Vt-V1)이 저하되기 시작한다.

이와 같이 전압 V1 및 토탈 전압 Vt의 각각이 목표 범위 내에서 증감을 반복하도록 유량 Q1 및 Q2가 증감 제어된다. 여기서, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이, 전압 V1은 상한값 VH1과 하한값 VL1의 범위 내, 즉 85V 내지 75V의 범위 내로 유지되고, 토탈 전압 Vt의 상한값 VHt와 하한값 VLt의 범위 내, 즉 165V 내지 155V의 범위 내로, 원칙적으로 유지된다.

여기서, 단셀 1매당의 전압 V1의 상한값 VH1p 및 하한값 VL1p는, FC(4-1)의 단셀의 적층 매수는 100매이기 때문에, 상술한 85V 및 75V를 각각 100으로 제산함으로써, 각각 0.85V 및 0.75V로 산출된다. 또한, 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 상한값 VHtp 및 하한값 VLtp는, FC(4-1 및 4-2)의 단셀은 합계 200매이기 때문에, 상술한 165V 및 155V를 각각 200으로 제산함으로써, 각각 0.825V 및 0.775V로 산출할 수 있다. 이와 같이 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt에서의 단셀 1매당의 하한값 VLtp는 0.775V이며, 전압 V1의 하한값 VL1에서의 단셀 1매당의 하한값 VL1p의 0.75V보다도 높다.

토탈 전압 Vt의 하한값 VLt는, FC(4-1 및 4-2)의 발전 재개 시의 출력의 응답성을 확보하는 관점에서 정해져 있기 때문에, 상술한 바와 같이 비교적 높은 값으로 설정되어 있다. 이에 의해, FC(4-1 및 4-2)의 발전을 재개하였을 때의 FC(4-1 및 4-2)의 출력 응답성이 확보되어 있다.

또한, 시각 t4에서 나타낸 바와 같이, 전압 V1이 하한값 VL1에 도달하기 전에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt에 도달하여, 유량 Q1보다도 유량 Q2가 먼저 소유량 QL로부터 대유량 QH로 전환된다. 따라서, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍인 시각 t4와, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍인 시각 t6이 어긋나 있다. 여기서, 유량 Q1 및 Q2는 각각, 대유량 QH 또는 소유량 QL로 제어된다. 또한, 상술한 바와 같이 FC(4-1 및 4-2)는, 동일한 단셀이 동일한 매수만큼 적층되어 있기 때문에, 전압 V1의 상승 속도 및 저하 속도는, FC(4-2)의 개방 전압으로 추정할 수 있는 추정 전압 (Vt-V1)의 상승 속도 및 저하 속도와 대략 동일하다. 이 때문에, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍과, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍이 일단 어긋나면, 시각 t8, t10, 및 t12와 같이, 적어도 소정 기간은 양쪽 타이밍이 어긋난 상태가 유지된다.

여기서, 양쪽 타이밍이 일치하는 경우란, FC(4-1)의 전압 V1과 FC(4-2)의 전압의 양쪽 모두 낮은 것을 의미한다. 예를 들어, 이 상태에서 발전을 재개하면, 발전 재개 시의 출력의 응답성이 저하될 가능성이 있다. 이 때문에, 이와 같은 양쪽 타이밍이 일치하는 것을 고려하여, 발전 재개 시의 출력의 응답성을 확보하기 위해, 단셀 1매당의 전압 V1의 하한값 VL1p에 대해서도 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 하한값 VLtp와 동일한 값으로 설정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 상술한 방법에 의해 양쪽 타이밍을 어긋나게 함으로써, 하한값 VL1p를, 하한값 VLtp보다도 작은 값으로 설정할 수 있다. 이에 의해, 전압 V1이 유지되는 범위를 넓게 확보할 수 있고, 유량 Q1의 전환 빈도, 즉 본 실시예에서는 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 전환 빈도를 저감할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 공기 압축기(15)의 회전 속도를 증감함으로써 유량 Q1을 전환하는 경우에는, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 공기 압축기(15)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 시각 t5에서 나타낸 바와 같이 첫회 상한값 VHαt를 사용함으로써, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 교호로 또한 대략 균등하게 어긋나게 할 수 있다. 이것에 의해서도, 단셀 1매당의 전압 V1의 하한값 VL1p를, 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 하한값 VLtp보다도 작은 값으로 설정할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 전환 빈도를 저감할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다.

[제1 실시예의 발전 제어의 흐름도]

도 4는 제1 실시예의 발전 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 처음에 ECU(3)는, 요구 출력 P가 역치 Pα 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S1). ECU(3)는, 상술한 바와 같이 모터(50)나 보조 기기 등의 구동에 필요로 되는 전력에 기초하여 요구 출력 P를 산출한다. 예를 들어 액셀러레이터 개방도가 제로 이외의 값이며 차량이 주행 상태인 경우에는, 스텝 S1에서 "아니오"로 판정되고 본 제어는 종료된다.

예를 들어 액셀러레이터 개방도가 제로인 경우에는, 스텝 S1에서 "예"로 판정되고, ECU(3)는 유량 Q1 및 Qb를 각각 소유량 QL로 제어하여 소정의 시간 경과 후에 전환 스위치(36)를 절단 상태로 전환한다(스텝 S3). 이에 의해 FC(4-1 및 4-2)는 발전 휴지 상태가 되고, ECU(3)는 FC(4-1 및 4-2)의 각각에 대하여 개방 전압 제어를 실행한다(스텝 S5). 개방 전압 제어의 실행 중에는, ECU(3)는 요구 출력 P가 역치 Pα보다 커졌는지 여부를 판정한다(스텝 S7). 스텝 S7에서 "아니오"의 경우에는, 개방 전압 제어가 계속된다. 스텝 S7에서 "예"의 경우에는, ECU(3)는 FC(4-1 및 4-2)를 통상 발전 상태로 복귀시키는 복귀 제어를 실행한다(스텝 S9). 구체적으로는, ECU(3)는 전환 스위치(36)를 접속 상태로 전환하고, 요구 출력 P의 크기에 따라서 유량 Q1 및 Q2를 각각 대유량 QH보다도 큰 유량으로 제어한다.

[제1 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 5는 제1 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 처음에, ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 제어한다(스텝 S11). 다음에 ECU(3)는 전압 V1을 취득하여, 전압 V1이 하한값 VL1 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S13). 스텝 S13에서 "아니오" 경우, ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 유지한다(스텝 S11).

스텝 S13에서 "예"의 경우, 예를 들어 시각 t6 및 t10에서 나타낸 바와 같이 ECU(3)는 유량 Q1을 대유량 QH로 제어한다(스텝 S15). 다음에 ECU(3)는 전압 V1을 취득하여, 전압 V1이 상한값 VH1 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S17). 스텝 S17에서 "아니오"인 경우, ECU(3)는 유량 Q1을 대유량 QH로 유지한다(스텝 S15). 스텝 S17에서 "예"의 경우, 예를 들어 시각 t7 및 t11에서 나타낸 바와 같이, ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 전환한다(스텝 S11).

이와 같이, 유량 Q1이 대유량 QH 및 소유량 QL로 교호로 전환됨으로써, 전압 V1은 상한값 VH1과 하한값 VL1 사이로 유지된다. 스텝 S11, S13, S15, S17은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

[제1 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 6은 제1 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 처음에, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 제어한다(스텝 S21). 다음에 ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S23). 스텝 S23에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 유지한다.

스텝 S23에서 "예"의 경우, 예를 들어 시각 t4 및 t8에 나타낸 바와 같이 ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 제어한다(스텝 S25). 다음에 ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여, 토탈 전압 Vt는 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 첫회의 상승 중인지 여부를 판정한다(스텝 S26). 여기서 첫회의 상승 중이란, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서, 토탈 전압 Vt가 처음으로 하한값 VLt 이하로 되어 유량 Q2가 소유량 QL로부터 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승하고 있는 경우를 의미한다. 스텝 S26의 판단은, 예를 들어 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하로 되는 수를 카운트해 두고, 이 카운트값이 1이며 유량 Q2가 대유량 QH로 제어되고 있는 경우에는, 토탈 전압 Vt는 첫회의 상승 중이라고 판정한다.

스텝 S26에서 "예"의 경우, 즉 토탈 전압 Vt의 상승이 첫회인 경우, ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여 토탈 전압 Vt가 첫회 상한값 VHαt 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S27-1). 스텝 S27-1에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 유지한다(스텝 S25). 스텝 S27-1에서 "예"의 경우, 시각 t5에서 나타낸 바와 같이, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 전환한다(스텝 S21).

스텝 S26에서 "아니오"의 경우, 즉 토탈 전압 Vt의 상승이 2회째 이후인 경우, ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여 토탈 전압 Vt가 상한값 VHt 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S27). 스텝 S27에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 유지한다(스텝 S25). 스텝 S27에서 "예"의 경우, 시각 t9에서 나타낸 바와 같이, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 전환한다(스텝 S21).

이와 같이, 유량 Q2는 대유량 QH 및 소유량 QL로 교호로 전환됨으로써, 토탈 전압 Vt는 상한값 VHt와 하한값 VLt 사이에서 유지된다. 스텝 S21, S23, S25, S26, S27-1, S27은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

제1 실시예에서는, 첫회 상한값 VHαt를 사용한 스텝 S26 및 S27-1의 처리를 실행하지만, 본 처리는 반드시 필요한 것은 아니다. 제1 실시예에서는, 캐소드 가스 공급계(10-1 및 10-2)를 통합적으로 제어하는 ECU(3)를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 캐소드 가스 공급계(10-1)를 제어하는 ECU와, 캐소드 가스 공급계(10-2)를 제어하는 ECU를 개별로 마련해도 된다. 제1 실시예에서는, FC(4-1 및 4-2)의 각각의 단셀의 적층 매수는 100매이지만, 이것에 한정되지 않고 동일한 매수이면 된다. 또한, 상세하게는 후술하지만, FC(4-2)의 단셀의 적층 매수는 FC(4-1)의 적층 매수 이상이면 된다. 전압 센서 St에 의해 토탈 전압 Vt를 검출하였지만, 이것에 한정되지 않고, 전압 센서 St 대신에 FC(4-2)만의 전압을 검출하는 전압 센서를 마련하여, 이 전압 센서의 검출값과 전압 센서 S1의 검출값의 합계값을, 토탈 전압 Vt로서 사용해도 된다.

[제2 실시예]

제2 실시예에서는, 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(1)을 사용하고, ECU(3)가 실행하는 FC(4-1) 및 FC(4-2)의 개방 전압 제어가 제1 실시예와는 다르다. 도 7은 제2 실시예에서의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다. 도 8은 제2 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다. 제2 실시예에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 시각 t1에서 요구 출력 P가 역치 Pα 이하로 되고, 시각 t2에서 유량 Q1 및 Q2는 각각 소유량 QL로 제어되고, 시각 t3에서 전환 스위치(36)는 절단 상태로 전환된다. 시각 t3에서는, 도 8에 도시한 바와 같이 전압 V1 및 추정 전압 (Vt-V1)은 각각 85V이며, 토탈 전압 Vt는 170V이다.

시각 t4에서는, 전압 V1 및 추정 전압 (Vt-V1)은 각각 80V이며, 토탈 전압 Vt는 160V이다. 여기서, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 전압 V1이 첫회의 저하 중인 경우에서의 하한값인 첫회 하한값 VLα1 이하로 되면, 유량 Q1은 다시 대유량 QH로 제어된다. 첫회 하한값 VLαt는, 상한값 VH1보다도 작고 하한값 VL1보다도 큰 값이며, 본 실시예에서는 81V로 설정되어 있다. 이 때문에 시각 t4에서는 유량 Q1은 대유량 QH로 전환되어, 전압 V1이 상승하기 시작한다.

시각 t4 내지 시각 t5까지는 전압 V1은 상승하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 상승한다. 시각 t5에서는 전압 V1은 85V가 되고, 토탈 전압 Vt는 165V가 되지만, 추정 전압 (Vt-V1)도 81V인 상태 그대로이다. 상한값 VH1은 85V이기 때문에, 시각 t5에서 유량 Q1은 소유량 QL로 전환되어 전압 V1은 저하되기 시작하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 저하되기 시작한다. 또한, 시각 t4 내지 시각 t5까지의 기간은 짧기 때문에, 이 기간에서 추정 전압 (Vt-V1)은 대략 동일한 값을 취한다.

시각 t6에서는, 토탈 전압 Vt는 155V이며, 전압 V1은 79.5V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 75.5V이다. 하한값 VLt는 155V이기 때문에, 시각 t6에서 유량 Q2는 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다.

시각 t7에서는, 토탈 전압 Vt는 165V이며, 전압 V1은 79.5V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 85.5V이다. 상한값 VHt는 165V로 설정되어 있기 때문에, 시각 t7에서 유량 Q2가 소유량 QL로 제어되어 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다. 또한, 시각 t6 내지 시각 t7까지의 기간은 짧기 때문에, 이 기간에서 전압 V1은 대략 동일한 값을 취한다.

시각 t8에서는, 전압 V1은 75V이며, 토탈 전압 Vt는 156V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 81V가 된다. 여기서, 하한값 VL1은 75V이기 때문에, 시각 t8에서 유량 Q1은 대유량 QH로 전환되어 전압 V1이 상승하기 시작한다.

시각 t9에서는, 전압 V1은 85V이며, 토탈 전압 Vt는 166V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 81V가 된다. 여기서, 상한값 VH1은 85V이기 때문에, 시각 t9에서 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되어 전압 V1이 저하되기 시작한다.

시각 t10에서 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt로 되면, 유량 Q2가 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt 및 추정 전압 (Vt-V1)이 상승하기 시작한다. 시각 t11에서 토탈 전압 Vt가 상한값 VHt로 되면, 유량 Q2가 소유량 QL로 전환되어 토탈 전압 Vt 및 추정 전압 (Vt-V1)이 저하되기 시작한다. 시각 t12에서 전압 V1이 하한값 VL1로 되면, 유량 Q1이 대유량 QH로 전환되어 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다. 시각 t13에서 전압 V1이 상한값 VH1로 되면, 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되어 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다.

이와 같이 전압 V1 및 토탈 전압 Vt의 각각이 목표 범위 내에서 증감을 반복하도록 유량 Q1 및 Q2가 증감 제어된다. 제2 실시예에 있어서도 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt는, FC(4-1 및 4-2)의 발전 재개 시의 출력의 응답성을 확보하는 관점에서 정해져 있다. 또한, 시각 t4에서 나타낸 바와 같이 첫회 하한값 VLα1을 사용함으로써, 그 후의 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 교호로 또한 대략 균등하게 어긋나게 할 수 있다. 이것에 의해서도, 단셀 1매당의 전압 V1의 하한값 VL1p를, 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 하한값 VLtp보다도 작은 값으로 설정할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 전환 빈도를 저감할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다.

[제2 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 흐름도]

제2 실시예에서는, ECU(3)는 제1 실시예와 마찬가지로 도 4에 도시한 제어를 실행하기 때문에, FC(4-1)의 개방 전압 제어에 대하여 설명한다. 도 9는 제2 실시예에서의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 제어하고(스텝 S11), 전압 V1을 취득하여 전압 V1은 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 첫회의 저하 중인지 여부를 판정한다(스텝 S12). 여기서 첫회의 저하 중이란, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서, 처음으로 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되어 전압 V1이 저하되고 있는 경우를 의미한다. 스텝 S12의 판단은, 예를 들어 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 전압 V1이 처음으로 첫회 하한값 VLα1 이하가 되는 경우에는, 전압 V1은 첫회의 저하 중이라고 판정한다.

스텝 S12에서 "예"의 경우, 즉 전압 V1의 저하가 첫회인 경우, ECU(3)는 전압 V1을 취득하여 전압 V1이 첫회 하한값 VLα1 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S13-1). 스텝 S13-1에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 유지한다(스텝 S11). 스텝 S13-1에서 "예"의 경우, 시각 t4에서 나타낸 바와 같이, ECU(3)는 유량 Q1을 대유량 QH로 전환하고(스텝 S15), 그 후에 스텝 S17의 처리를 실행한다. 스텝 S12에서 "아니오"의 경우, 즉 전압 V1의 저하가 2회째 이후인 경우, ECU(3)는 제1 실시예와 마찬가지로, 스텝 S13, S15 및 S17의 처리를 실행한다.

이와 같이, 전압 V1은 상한값 VH1 및 하한값 VL1 사이에서 증감을 반복하도록 제어된다. 스텝 S11, S12, S13-1, S13, S15, S17은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

[제2 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 10은 제2 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 처음에, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 제어한다(스텝 S21). 다음에 ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S23). 스텝 S23에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 유지한다(스텝 S21).

스텝 S23에서 "예"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 제어한다(스텝 S25). 다음에 ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여, 토탈 전압 Vt가 상한값 VHt 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S27). 스텝 S27에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 유지한다(스텝 S25). 스텝 S27에서 "예"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 전환한다(스텝 S21).

이와 같이 하여 토탈 전압 Vt는 상한값 VHt 및 하한값 VLt 사이에서 증감을 반복하도록 제어된다. 스텝 S21, S23, S25, S27은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

[제3 실시예]

제3 실시예에서는, 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(1)을 사용하고, ECU(3)가 실행하는 FC(4-2)의 개방 전압 제어가 제1 실시예와는 다르다. 따라서, 도 4 및 도 5에 도시한 제1 실시예의 제어는, 제3 실시예에서도 행해진다.

[제3 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 11은 제3 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. ECU(3)는, 스텝 S21 및 S23의 처리를 실행한다. 스텝 S23에서 "예"의 경우, ECU(3)는 전압 V1을 취득하여 전압 V1이 기준값 Vβ1 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S24). 기준값 Vβ1은, 전압 V1의 상한값 VH1과 하한값 VL1 사이의 값이며, 예를 들어 상한값 VH1과 하한값 VL1의 중간의 값이다.

스텝 S24에서 "아니오"의 경우, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하여도, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 유지한다(스텝 S21). 스텝 S24에서 "예"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 전환하고(스텝 S25), 그 후에 스텝 S27의 처리가 실행된다. 즉, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하이며, 또한 전압 V1이 기준값 Vβ1 이상이라는 비교적 높은 값을 나타내고 있는 경우에 한하여, 유량 Q2가 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승한다. 전압 V1이 기준값 Vβ1 미만인 경우에는, 전압 V1이 하한값 VL1에 근접해 있다고 생각된다. 따라서, 이 타이밍에 유량 Q2를 대유량 QH로 전환하여 토탈 전압 Vt를 상승시키지 않아도, 직후에 전압 V1이 하한값 VL1에 도달하기 때문에, 유량 Q1을 대유량 QH로 전환함으로써 전압 V1이 상승하여 토탈 전압 Vt를 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 접근하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 전환 빈도를 저감할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다.

이와 같이 하여 토탈 전압 Vt는 상한값 VHt 및 하한값 VLt 사이에서 증감을 반복하도록 제어된다. 스텝 S21, S23, S24, S25, S27은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

[제4 실시예]

제4 실시예에서는, 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(1)을 사용하고, ECU(3)가 실행하는 FC(4-1) 및 FC(4-2)의 개방 전압 제어가 제1 실시예와는 다르다. 따라서, 도 4에 도시한 제1 실시예의 제어는, 제4 실시예에서도 행해진다.

[제4 실시예의 개방 전압 제어]

제4 실시예에서는, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 너무 가까운 경우 또는 너무 먼 경우에, ECU(3)는 전압 V1 및 토탈 전압 Vt 중 어느 한쪽을, 그 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상승시킨다. 도 12는 제4 실시예에서의 개방 전압 제어의 설명도이다. 도 12는 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 개방 전압 제어가 실행 중인 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 12에는, 전압 V1만을 나타내고, 토탈 전압 Vt에 대해서는 도시를 생략하고 있다.

시각 t21에서 전압 V1이 하한값 VL1이 되고, 그 후에 시각 t25에서 다시 전압 V1이 하한값 VL1이 된다. 여기서, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍끼리인 시각 t21부터 시각 t25까지의 시간 간격을 T라 한다. 시각 t21 및 t25는, 제1 타이밍의 일례이다. 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 이상적인 타이밍은, 시각 t21과 시각 t25 사이의 중간 시점인 시각 t23이다. 이 경우에는, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍 사이의 시간 간격을 항상 균등하게 할 수 있다. 여기서, 시각 t21로부터, 그 후에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍까지의 시간 간격을 U라 한다. 그렇게 하면, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 이상적인 타이밍은, (U/T)=(1/2)로 나타낼 수 있다. 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 시각 t21은 제2 타이밍의 일례이며, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍에 인접하여 그 후에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍은 제3 타이밍의 일례이다. 또한, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍은 제2 타이밍의 일례이며, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 시각 t25는 제3 타이밍의 일례라고도 해석할 수 있다.

여기서, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는, 상기 이상적인 타이밍으로부터 허용되는 어긋남양을, (1/4)로 하면, (1/4)≤(U/T)≤(3/4)을 충족하는 경우에는, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍은 허용 범위 내에 있음을 나타낸다. 따라서 제4 실시예에서는, ECU(3)는 상기 타이밍이 허용 범위 외로 된 경우에는, ECU(3)는 전압 V1 및 토탈 전압 Vt 중 어느 한쪽을, 그 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상승시킨다. 또한, ECU(3)는, 개방 전압 제어의 실행 중에는, 상시, 시간 간격 U 및 T를 취득하여 갱신한다. 또한, 상기에서는 허용되는 어긋남양을 (1/4)로 하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 (1/4)보다도 작은 (1/5)이나 (1/6) 등으로 적절히 설정해도 된다.

[제4 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 13은 제4 실시예의 FC(4-1)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. ECU(3)는 스텝 S11의 처리를 실행한다. 다음에 ECU(3)는, (1/4)>(U/T)가 성립하는지 여부를 판정한다(스텝 S12a). 스텝 S12a에서 "예"의 경우에는, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 너무 가깝다고 간주할 수 있다. 스텝 S12a에서 "아니오"의 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로 스텝 S13, S15, 및 S17의 처리가 실행된다.

스텝 S12a에서 "예"의 경우에는, ECU(3)는 전압 V1을 취득하여, 전압 V1이 수정용 하한값 VLβ1 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S13a). 수정용 하한값 VLβ1은, 하한값 VL1보다도 크고 상한값 VH1보다도 작은 값이며, 상술한 바와 같이 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 너무 가까운 경우에, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍을 수정하기 위한 값이다. 스텝 S13a에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q1을 소유량 QL로 유지한다(스텝 S11).

스텝 S13a에서 "예"의 경우, ECU(3)는 유량 Q1을 대유량 QH로 전환하고(스텝 S15), 스텝 S17의 처리를 실행한다. 이에 의해, 전압 V1이 저하 중에 하한값 VL1이 되기 전에 전압 V1은 상승한다. 이 때문에, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있다.

[제4 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 흐름도]

도 14는 제4 실시예의 FC(4-2)의 개방 전압 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 제어한다(스텝 S21). 다음에 ECU(3)는, (U/T)>(3/4)이 성립하는지 여부를 판정한다(스텝 S22a). 스텝 S22a에서 "예"의 경우에는, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 너무 이격되어 있다고 간주할 수 있다. 스텝 S22a에서 "아니오"의 경우에는, 제2 실시예와 마찬가지로 스텝 S23, S25, 및 S27이 실행된다.

스텝 S22a에서 "예"의 경우에는, ECU(3)는 토탈 전압 Vt를 취득하여, 토탈 전압 Vt가 수정용 하한값 VLβt 이하인지 여부를 판정한다(스텝 S23a). 수정용 하한값 VLβt는, 하한값 VLt보다도 크고 상한값 VHt보다도 작은 값이며, 상술한 바와 같이 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍이 너무 먼 경우에, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 수정하기 위한 값이다. 스텝 S23a에서 "아니오"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 소유량 QL로 유지한다(스텝 S21).

스텝 S23a에서 "예"의 경우, ECU(3)는 유량 Q2를 대유량 QH로 전환하고(스텝 S25), 그 후에 스텝 S27의 처리를 실행한다. 이에 의해, 토탈 전압 Vt가 저하 중에 하한값 VLt가 되기 전에 토탈 전압 Vt는 상승한다. 이 때문에, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있다.

이와 같이 하여 전압 V1 및 토탈 전압 Vt가 각각 하한값 VL1 및 하한값 VLt가 되는 타이밍의 간격을 균등하게 할 수 있다. 스텝 S11, S12a, 13, 13a, S15, S17, S21, S22a, S23, S23a, S25, S27은, 취득부 및 제어부가 실행하는 처리의 일례이다.

[제5 실시예와 비교예]

도 15는 제5 실시예의 연료 전지 시스템(1a)의 개략 구성도이다. 상술한 제1 실시예의 연료 전지 시스템(1)과 마찬가지의 구성에 대해서는 마찬가지의 번호를 붙임으로써 중복되는 설명을 생략한다. 연료 전지 시스템(1a)에서는 FC(4-2a), FC(4-2a)에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급계(10-2a), 및 전력 제어계(30a)를 포함한다. FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수는 200매이며, FC(4-1)의 단셀 적층 매수의 2배이다. 전압 센서 St는, FC(4-1 및 4-2a)의 전체의 전압을 검출하기 위해, 단셀 300매분의 전압을 검출한다. 전력 제어계(30a)의 FDC(32a)는, FC(4-1 및 4-2a)로부터의 직류 전력을 조정하여 INV(38)에 출력한다.

캐소드 가스 공급계(10-2a)는, FC(4-2a)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q2a를 조정하지만, 개방 전압 제어에 있어서는, 유량 Q2a는, 소유량 QL2a 또는 대유량 QH2a로 전환된다. 소유량 QL2a 및 대유량 QH2a는, 각각, 상술한 소유량 QL 및 대유량 QH의 2배의 값이다. FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수는, FC(4-1)나 제1 실시예의 FC(4-2)의 단셀의 적층 매수의 2배이기 때문에, 유량도 이것에 대응시키고 있다. 이에 의해, 유량 Q2a가 소유량 QL2a로 제어되고 있는 경우의 FC(4-2a)의 단셀 1매당의, FC(4-2a)의 추정 개방 전압에 상당하는 추정 전압 (Vt-V1)의 저하 속도는, 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되고 있는 경우의 FC(4-1)의 단셀 1매당의 전압 V1의 저하 속도와 대략 동일하다. 마찬가지로, 유량 Q2a가 대유량 QH2a로 제어되고 있는 경우의 FC(4-2a)의 단셀 1매당의, FC(4-2a)의 추정 개방 전압에 상당하는 추정 전압 (Vt-V1)의 상승 속도는, 유량 Q1이 대유량 QH로 제어되고 있는 경우의 FC(4-1)의 단셀 1매당의 전압 V1의 상승 속도와 대략 동일하다.

도 16은 비교예의 연료 전지 시스템(1x)의 개략 구성도이다. 비교예의 연료 전지 시스템(1x)에서는, FC(4-1x)에서의 단셀의 적층 매수는 200매이며, FC(4-2)의 단셀의 적층 매수의 2배이다. 비교예에서는 전압 센서 S1이 FC(4-1x)의 전압을 검출한다. 캐소드 가스 공급계(10-1x)는, FC(4-1x)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q1x를 조정하지만, 개방 전압 제어에 있어서는, 유량 Q1x는, 소유량 QL1x 또는 대유량 QH1x로 전환된다. 소유량 QL1x 및 대유량 QH1x는, 각각, 상술한 소유량 QL 및 대유량 QH의 2배의 값이다.

제5 실시예에서의 상한값 VHt 및 하한값 VLt는 각각 250V 및 230V이다. 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 상한값 VHtp 및 하한값 VLtp는, FC(4-1 및 4-2a)의 단셀의 적층 매수의 합계는 300매이기 때문에, 상술한 250V 및 230V를 각각 300으로 제산함으로써, 각각 약 0.833V 및 0.767V로 산출할 수 있다. 전압 V1의 상한값 VH1 및 하한값 VL1은 제1 실시예와 마찬가지로 각각 85V 및 75V이고, 단셀 1매당의 전압 V1의 상한값 VH1p 및 하한값 VL1p는 각각 0.85V 및 0.75V이다. 따라서, 제1 실시예와 마찬가지로 하한값 VLtp는, 하한값 VL1p보다도 높은 값으로 설정되어 있다.

비교예에 있어서도 제5 실시예와 마찬가지로, 상한값 VHt 및 하한값 VLt는 각각 250V 및 230V이며, 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 상한값 VHtp 및 하한값 VLtp는 각각 약 0.833V 및 0.767V이다. FC(4-1x)의 전압 V1의 상한값 VH1 및 하한값 VL1은, 각각 170V 및 150V이며, 단셀 1매당의 전압 V1의 상한값 VH1p 및 하한값 VL1p는, FC(4-1x)의 단셀의 적층 매수는 200매이기 때문에, 상술한 170V 및 150V를 각각 200으로 제산함으로써, 각각 0.85V 및 0.75V로 산출할 수 있다.

[제5 실시예에서의 각 전압값]

제5 실시예 및 비교예에서는, ECU(3)는, 도 4, 도 9, 도 10에 도시한 제어를 실행한다. 도 17의 (A)는, 제5 실시예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다. 시각 t3에서 전환 스위치(36)는 절단 상태로 전환되고, 전압 V1은 85V이며, 토탈 전압 Vt는 255V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 170V가 된다.

시각 t4에서는, 전압 V1은 80V이며, 토탈 전압 Vt는 240V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 160V이다. 여기서, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 전압 V1이 첫회의 저하 중인 경우에서의 하한값인 첫회 하한값 VLα1 이하로 되면, 유량 Q1은 다시 대유량 QH로 제어된다. 첫회 하한값 VLα1은, 제2 실시예와 달리 80V로 설정되어 있다. 이 때문에 시각 t4에서는 유량 Q1은 대유량 QH로 전환되어, 전압 V1이 상승하기 시작한다.

시각 t4 내지 시각 t5까지는 전압 V1은 상승하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 상승한다. 시각 t5에서는 전압 V1은 85V가 되고, 토탈 전압 Vt는 245V가 되지만, 추정 전압 (Vt-V1)은 160V 상태 그대로이다.

시각 t6에서는, 토탈 전압 Vt는 230V이며, 전압 V1은 80V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 150V이다. 하한값 VLt는 230V이기 때문에, 시각 t6에서 유량 Q2는 대유량 QHa로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다.

시각 t7에서는, 토탈 전압 Vt는 250V이며, 전압 V1은 80V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 170V이다. 상한값 VHt는 250V이기 때문에, 시각 t7에서 유량 Q2가 소유량 QLa로 제어되어 토탈 전압 Vt가 저하되기 시작한다.

시각 t8에서는, 전압 V1은 75V이며, 토탈 전압 Vt는 235V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 160V가 된다. 여기서, 하한값 VL1은 75V이기 때문에, 시각 t8에서 유량 Q1은 대유량 QH로 전환되어 전압 V1이 상승하기 시작한다.

시각 t9에서는, 전압 V1은 85V이며, 토탈 전압 Vt는 245V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 160V가 된다. 여기서, 상한값 VH1은 85V이기 때문에, 시각 t9에서 유량 Q1이 소유량 QL로 제어되어 전압 V1이 저하되기 시작한다.

이와 같이 전압 V1 및 토탈 전압 Vt의 각각이 목표 범위 내에서 증감을 반복하도록 유량 Q1 및 Q2a가 증감 제어된다. 제5 실시예에 있어서도 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt는, FC(4-1 및 4-2a)의 발전 재개 시의 출력의 응답성을 확보하는 관점에서 정해져 있다. 또한, 시각 t4에서 나타낸 바와 같이 첫회 하한값 VLα1을 사용함으로써, 그 후의 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 교호로 또한 균등하게 어긋나게 할 수 있다. 이것에 의해서도, 단셀 1매당의 전압 V1의 하한값 VL1p를, 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 하한값 VLtp보다도 작은 값으로 설정할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 전환 빈도를 저감할 수 있어, 캐소드 가스 공급계(10-1)의 바이패스 밸브(16)의 내구성의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 FC(4-2a)의 단셀 1매당의 추정 전압 (Vt-V1)의 저하 속도 및 상승 속도는, 각각 FC(4-1)의 단셀 1매당의 전압 V1의 저하 속도 및 상승 속도와 대략 동일하다. 또한, 상술한 바와 같이 FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수는 FC(4-1)의 2배이다. 이 때문에, 추정 전압 (Vt-V1)의 저하 속도 및 상승 속도는, 각각, 전압 V1의 저하 속도 및 상승 속도의 2배 빠르다. 이것에 대응하도록, 토탈 전압 Vt의 상한값 VHt 및 하한값 VLt의 차분은 20V이며, 전압 V1의 상한값 VH1 및 하한값 VL1의 차분인 10V의 2배이다. 즉, 전압 V1이 상한값 VH1로부터 하한값 VL1까지 저하되는 데 요하는 시간과, 토탈 전압 Vt가 상한값 VHt로부터 하한값 VLt까지 저하되는 데 요하는 시간은 거의 동일해진다. 따라서, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을 일단 적절하게 어긋나게 할 수 있으면, 그 이후 양쪽 타이밍이 어긋난 상태를 장기간 유지할 수 있다.

[비교예에서의 각 전압값]

도 17의 (B)는, 비교예에서의 각 전압값을 나타낸 표이다. 시각 t3에서 전환 스위치(36)는 절단 상태로 전환되고, 전압 V1은 170V이며, 토탈 전압 Vt는 255V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 85V가 된다.

시각 t4에서는, 전압 V1은 160V이며, 토탈 전압 Vt는 240V이고, 추정 전압 (Vt-V1)은 80V이다. 여기서, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 전압 V1이 첫회의 저하 중인 경우에서의 하한값인 첫회 하한값 VLα1 이하로 되면, 유량 Q1x는 다시 대유량 QH1x로 제어된다. 첫회 하한값 VLα1은, 160V로 설정되어 있다. 이 때문에 시각 t4에서는 유량 Q1x는 대유량 QH1x로 전환되어, 전압 V1이 상승하기 시작한다.

시각 t4 내지 시각 t5까지는 전압 V1은 상승하고, 이것에 수반하여 토탈 전압 Vt도 상승한다. 시각 t5에서는 전압 V1은 170V가 되고, 토탈 전압 Vt는 250V가 되지만, 추정 전압 (Vt-V1)은 80V인 상태 그대로이다.

시각 t6에서는, 토탈 전압 Vt는 230V이며, 전압 V1은 156.7V이지만, FC(4-2)의 추정 전압 (Vt-V1)은 73.3V로 낮은 값이 된다. 하한값 VLt는 230V이기 때문에, 시각 t6에서 유량 Q2는 대유량 QH로 전환되어 토탈 전압 Vt가 상승하기 시작한다.

시각 t6으로부터 토탈 전압 Vt가 상승하여, 시각 t7에서 토탈 전압 Vt는 250V가 되고, 추정 전압 (Vt-V1)은 93.3V가 되고, 전압 V1은 156.7V인 상태 그대로이다. 이와 같이, FC(4-2)의 개방 전압과 추정되는 추정 전압 (Vt-V1)은, 높은 값이 되어 전극 촉매가 용출되기 쉬워질 우려가 있다.

또한, 시각 t8에서는, 전압 V1은 150V이며, 토탈 전압 Vt는 230V이며, 추정 전압 (Vt-V1)은 80V가 된다. 시각 t8에서는, 전압 V1이 150V이기 때문에, 유량 Q1x가 대유량 QH1x로 전환되어 전압 V1 및 토탈 전압 Vt는 상승한다. 시각 t9에서는, 전압 V1은 170V가 되고, 토탈 전압 Vt는 250V가 되고, 추정 전압 (Vt-V1)은 80V인 상태 그대로이다.

이상과 같이 비교예에서는, 전압 V1에 기초하여 유량 Q1x가 제어되는 FC(4-1x)의 단셀의 적층 매수쪽이, 토탈 전압 Vt에 기초하여 유량 Q2가 제어되는 FC(4-2)보다 많기 때문에, 전압 V1의 변화에 의한 토탈 전압 Vt에 대한 영향이 커서, 토탈 전압 Vt에 기초하여 유량 Q2를 적절하게 제어하는 것이 곤란해진다. 제5 실시예에서는, 전압 V1에 기초하여 유량 Q1이 제어되는 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수보다도, 토탈 전압 Vt에 기초하여 유량 Q2가 제어되는 FC(4-2a)쪽이 많기 때문에, 전압 V1에 의한 토탈 전압 Vt에 대한 영향을 적게 하여, 토탈 전압 Vt에 기초하여 유량 Q2를 적절하게 제어하는 것이 가능해진다.

제5 실시예와 같이, 상한값 VHt와 하한값 VLt의 차분에 상당하는 토탈 전압 Vt의 진폭은, 상한값 VH1과 하한값 VL1의 차분에 상당하는 전압 V1의 진폭보다도 큰 것이 바람직하다. FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수는 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수보다도 많기 때문에 토탈 전압 Vt의 저하 속도는 전압 V1의 저하 속도보다도 빨라, 토탈 전압 Vt의 진폭이 전압 V1의 진폭 이하이면, 유량 Q2의 전환 빈도가 증대될 우려가 있기 때문이다. 또한, 상술하였지만, 비교예와 같이 FC(4-2)의 단셀의 적층 매수가 FC(4-1x)의 단셀의 적층 매수 미만인 경우에 토탈 전압 Vt의 상한값 VHt가 너무 높으면, FC(4-2)의 개방 전압에 상당하는 추정 전압 (Vt-V1)이 높아져, 전극 촉매가 용출되기 쉬워질 우려가 있다. 이 때문에, 제5 실시예와 같이 FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수가 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수보다 많은 쪽이 바람직하다.

제5 실시예에서는, FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수는 200매이지만, 이것에 한정되지 않고, FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수가 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수 이상이면 된다. 또한, 이 경우, FC(4-2a)에 공급되는 캐소드 가스의 소유량 QL2a를 FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수로 제산하여 얻어지는 단셀 1매당의 유량과, FC(4-1)에 공급되는 캐소드 가스의 소유량 QL을 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수로 제산하여 얻어지는 단셀 1매당의 유량이 거의 동일한 것이 바람직하다. 마찬가지로, FC(4-2a)에 공급되는 캐소드 가스의 대유량 QH2a를 FC(4-2a)의 단셀의 적층 매수로 제산하여 얻어지는 단셀 1매당의 유량과, FC(4-1)에 공급되는 캐소드 가스의 대유량 QH를 FC(4-1)의 단셀의 적층 매수로 제산하여 얻어지는 단셀 1매당의 유량이 거의 동일한 것이 바람직하다. 이에 의해, 전압 V1과 토탈 전압 Vt에 관하여, 단셀 1매당의 전압의 저하 속도를 거의 동일하게 제어할 수 있고, 마찬가지로 상승 속도도 거의 동일하게 제어할 수 있다.

제5 실시예에서는, ECU(3)는 FC(4-1)에 관하여 도 5의 제어를 실행하고, FC(4-2a)에 관하여 도 6 또는 도 11의 제어를 실행해도 된다. 또한 ECU(3)는, FC(4-1)에 관하여 도 9의 제어를 실행하고, FC(4-2a)에 관하여 도 12의 제어를 실행해도 된다. ECU(3)는, FC(4-1)에 관하여 도 13의 제어를 실행하고, FC(4-2a)에 대하여 도 14의 제어를 실행해도 된다.

[제6 실시예]

도 18은 제6 실시예의 연료 전지 시스템(1b)의 개략 구성도이다. 연료 전지 시스템(1b)은, FC(4-1, 4-2, 및 4-3) 및 캐소드 가스 공급계(10-1, 10-2, 및 10-3), 전력 제어계(30b)를 포함한다. FC(4-1, 4-2, 및 4-3)는 각각 동일한 단셀이 복수 적층되어 있고, 각 연료 전지의 단셀의 적층 매수는 동일하며 구체적으로는 100매이다. FC(4-1, 4-2, 및 4-3)는 연료 전지 유닛의 일례이다. 전압 센서 S2는, FC(4-2)의 전압 V2를 검출한다. 전압 센서 St는, FC(4-1, 4-2, 및 4-3)의 합계의 토탈 전압 Vt를 검출한다. 전력 제어계(30b)의 FDC(32b)는, FC(4-1, 4-2, 및 4-3)로부터의 직류 전력을 조정하여 INV(38)에 출력한다.

캐소드 가스 공급계(10-1, 10-2, 10-3)는, 각각 FC(4-1, 4-2, 및 4-3)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q1, Q2, 및 Q3을 제어한다. 구체적으로는, 개방 전압 제어에 있어서, 유량 Q1, Q2, 및 Q3은 각각 소유량 QL 또는 대유량 QH 중 어느 것으로 제어된다. 이 때문에, 개방 전압 제어에 있어서, FC(4-1)의 단셀 1매당의 전압 V1의 저하 속도, FC(4-2)의 단셀 1매당의 전압 V2의 저하 속도, 및 연료 전지 유닛 전체의 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 저하 속도는 대략 동일하고, 마찬가지로 상승 속도도 거의 동일해진다.

제1 실시예와 마찬가지로, 전압 V1의 상한값 VH1 및 하한값 VL1은 각각 85V 및 75V로 설정되어 있고, 전압 V2의 상한값 VH2 및 하한값 VL2도 각각 동일한 값으로 설정된다. 따라서 단셀 1매당의 전압 V1의 상한값 VH1p 및 하한값 VL1p는, 각각 0.85V 및 0.75V이며, 단셀 1매당의 전압 V2의 상한값 VH2p 및 하한값 VL2p와 동일한 값이다. 토탈 전압 Vt의 상한값 VHt 및 하한값 VLt는, 각각 245V 및 235V로 설정된다. 단셀 1매당의 토탈 전압 Vt의 상한값 VHtp 및 하한값 VLtp는, 각각 0.817V 및 0.783V이다. 이와 같이 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt에서의 단셀 1매당의 하한값 VLtp는 0.783V이며, 하한값 VL1p 및 하한값 VL2p의 각각보다도 높다. 이 때문에, FC(4-1, 4-2, 및 4-3)의 발전 재개 시에서의 출력의 응답성이 확보되어 있다. 또한, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍, 및 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍과 어긋나게 할 수 있다.

제6 실시예에서는, ECU(3)는 도 4에 도시한 제어를 실행하고, 전압 V1에 관해서는 도 5에 도시한 제어를 실행하고, 토탈 전압 Vt에 관해서는, 도 6의 제어에서의 유량 Q2를 FC(4-3)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q3으로 치환하여 제어한다. 전압 V2에 관해서는, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍이 일치하지 않도록, 전압 V2가 첫회의 저하 중에 하한값 VL2보다도 큰 첫회 하한값이 된 경우에 유량 Q2를 대유량 QH로 전환하고, 2회째 이후는 전압 V2가 하한값 VL2가 된 경우에 유량 Q2를 대유량 QH로 전환한다. 이와 같이 제어함으로써, 전압 V1, 전압 V2, 및 토탈 전압 Vt를 소정의 범위 내로 유지하도록 적절하게 증감 제어할 수 있다.

또한, 제6 실시예에서는, ECU(3)는 전압 V1에 관해서는 도 9의 제어를 실행하고, 토탈 전압 Vt에 관해서는, 도 10의 제어에서의 유량 Q2를 FC(4-3)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q3으로 치환하여 제어해도 된다. 전압 V2에 관해서는, 도 9에 도시한 전압 V1용의 첫회 하한값 VLα1과는 다른 값인 첫회 하한값을 사용함으로써, 전압 V1, 전압 V2 및 토탈 전압 Vt가 각각 하한값이 되는 타이밍을 어긋나게 해도 된다.

제6 실시예에서는, ECU(3)는, 토탈 전압 Vt에 관하여 도 11의 제어와 같이, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt 이하로 되고, 또한 전압 V1 및 V2 또는 전압 V1 및 V2 중 적어도 하나가 대응하는 목표 범위 내에서 비교적 높은 값에 있는 경우에, 토탈 전압 Vt가 상승하도록 대응하는 유량을 대유량 QH로 전환하도록 해도 된다.

제6 실시예에서는, ECU(3)는 도 13 및 도 14의 제어를 실행해도 된다. 예를 들어, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 초기의 단계에서, 전압 V1, 전압 V2, 토탈 전압 Vt의 순으로 각각 대응하는 하한값이 되도록 조정되어 있다고 가정한다. 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍끼리의 시간 간격을 T라 하고, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍의 시간 간격을 U1이라 한다. 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍의 시간 간격을 U2라 한다. 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍의 시간 간격을 U3이라 한다. 이 경우, 이상적인 타이밍은 (U1/T)=(U2/T)=(U3/T)=1/3이며, 타이밍의 허용 어긋남양을 (1/6)로 하면, 타이밍의 허용 범위는, (1/6)≤(U1/T)≤(3/6), (1/6)≤(U2/T)≤(3/6), (1/6)≤(U3/T)≤(3/6)이 된다.

ECU(3)는, (1/6)>(U1/T)의 경우에는, 전압 V1이 저하 중에 하한값 VL1이 되기 전에 전압 V1을 상승시키고, (U1/T)>(3/6)의 경우에는, 전압 V2가 저하 중에 하한값 VL2가 되기 전에 전압 V2를 상승시킨다. 이 경우, 시간 간격 T 및 U1에 관해서, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍은 제1 타이밍의 일례이며 또한 제2 타이밍의 일례이기도 하고, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍은 제3 타이밍의 일례이다. 또한, ECU(3)는, (1/6)>(U2/T)의 경우에는, 전압 V2가 저하 중에 하한값 VL2가 되기 전에 전압 V2를 상승시키고, (U2/T)>(3/6)의 경우에는, 토탈 전압 Vt가 저하 중에 하한값 VLt가 되기 전에 토탈 전압 Vt를 상승시킨다. 이와 같이 함으로써, 전압 V1, 전압 V2, 토탈 전압 Vt의 순으로 각각 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있다. 이 경우, 시간 간격 T 및 U2에 관하여, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍은 제1 타이밍의 일례이며, 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍은 제2 타이밍의 일례이고, 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍에 인접하여 그 후에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍은 제3 타이밍의 일례이다.

또한, 상술한 바와 같이 시간 간격 U1 및 U2에 관하여 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있으면, 필연적으로 시간 간격 U3에 관해서도 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있지만, ECU(3)는 이하와 같이 제어해도 된다. ECU(3)는, (1/6)>(U3/T)의 경우에는, 토탈 전압 Vt가 저하 중에 하한값 VLt가 되기 전에 토탈 전압 Vt를 상승시키고, (U3/T)>(3/6)의 경우에는, 전압 V1이 저하 중에 하한값 VL1이 되기 전에 전압 V1을 상승시켜도 된다. 이 경우, 시간 간격 T 및 U3에 관하여, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍은 제1 타이밍의 일례이며, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍은 제2 타이밍의 일례이고, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍에 인접하여 그 후에, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍은 제3 타이밍의 일례이다.

제6 실시예에서는, 캐소드 가스 공급계(10-1, 10-2, 및 10-3)를 통합적으로 제어하는 ECU(3)를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 캐소드 가스 공급계(10-1)를 제어하는 ECU와, 캐소드 가스 공급계(10-2)를 제어하는 ECU와, 캐소드 가스 공급계(10-3)를 제어하는 ECU를 개별로 마련해도 된다. 또한, FC(4-3)의 단셀의 적층 매수는, FC(4-1 및 4-2)의 각각의 단셀의 적층 매수 이상이면 된다. 또한, FC(4-1)와 FC(4-2)에서 단셀의 적층 매수가 달라도 된다. 어느 경우도, 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt에서의 단셀 1매당의 하한값 VLtp가, 단셀 1매당의 전압 V1의 하한값 VL1p, 및 단셀 1매당의 전압 V2의 하한값 VL2p보다도 높은 값이면 된다. 전압 센서 St에 의해 토탈 전압 Vt를 검출하였지만, 이것에 한정되지 않고, 전압 센서 St 대신에 FC(4-3)만의 전압을 검출하는 전압 센서를 마련하여, 이 전압 센서의 검출값과 전압 센서 S1 및 S2의 각각의 검출값의 합계값을, 토탈 전압 Vt로서 사용해도 된다.

[제7 실시예]

도 19는 제7 실시예의 연료 전지 시스템(1c)의 개략 구성도이다. 연료 전지 시스템(1c)은, FC(4-1, 4-2, … 및 4-n)를 포함하고, 즉 n개의 연료 전지를 구비하고 있다. FC(4-1 내지 4-n)는, 연료 전지 유닛의 일례이다. 마찬가지로, 연료 전지 시스템(1c)은, 캐소드 가스 공급계(10-1, 10-2, … 및 10-n)를 포함하고, 즉 n개의 캐소드 가스 공급계를 구비하고 있다. 전압 센서 S1, S2, … 및 S(n-1)은, 각각 FC(4-1)의 전압 V1, FC(4-2)의 전압 V2, … 및 FC4-(n-1)의 전압 V(n-1)을 검출한다. 제7 실시예에서는 n≥4이다. 또한, 도 19에 있어서는, FC(4-3 내지 4-(n-1))나, 캐소드 가스 공급계(10-3 내지 10-(n-1)), 전압 센서 S3 내지 S(n-1)에 관한 도시는 생략되어 있다.

FC(4-1 내지 4-n)의 각각은 동일한 단셀이 동일한 매수만큼 적층되어 있고, 구체적인 적층 매수는 100매이다. 전압 센서 St는, FC(4-1 내지 4-n)의 합계의 토탈 전압 Vt를 검출한다. 전력 제어계(30c)의 FDC(32c)는, FC(4-1 내지 4-n)로부터의 직류 전력을 조정하여 INV(38)에 출력한다.

캐소드 가스 공급계(10-1 내지 10-n)는, 각각 FC(4-1 내지 4-n)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Q1 내지 Qn을 제어한다. 구체적으로는, 개방 전압 제어에 있어서, 유량 Q1 내지 Qn은 각각 소유량 QL 또는 대유량 QH 중 어느 것으로 제어된다. 이 때문에, 개방 전압 제어에 있어서, 전압 V1 내지 V(n-1), 및 토탈 전압 Vt의 각각의 저하 속도는 대략 동일하고, 상승 속도도 거의 동일해진다.

개방 전압 제어 시에서의 토탈 전압 Vt의 하한값 VLt의 단셀 1매당의 전압은, 전압 V1 내지 V(n-1) 중 어느 하한값의 단셀 1매당의 전압보다도 높은 값이다. 상세하게는, FC(4-n)의 단셀의 1매당의 토탈 전압 V1의 하한값은, FC(4-1 내지 4-(n-1))의 각각의 단셀 1매당의 전압의 하한값보다도 높다. 이 때문에, FC(4-1 내지 4-n)의 발전 재개 시의 출력의 응답성이 확보되어 있다. 또한, 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍을, 다른 전압이 하한값이 되는 타이밍으로부터 어긋나게 할 수 있다.

제7 실시예에서는, ECU(3)는 도 4에 도시한 제어를 실행하고, 전압 V1에 관해서는 도 5에 도시한 제어를 실행하고, 토탈 전압 Vt에 관해서는 도 6의 제어에서의 유량 Q2를 FC(4-n)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Qn으로 치환하여 제어한다. 전압 V2 내지 V(n-1)에 관해서는, 전압 V1 내지 V(n-1)의 각각이 대응하는 하한값이 되는 타이밍이 일치하지 않도록, 전압 V2 내지 V(n-1)의 각각에 대하여, 첫회의 저하 중에 하한값이 되기 전에 상승시키고, 2회째 이후는 대응하는 하한값이 된 경우에 상승시켜도 되고, 첫회의 상승 중에 상한값이 되기 전에 저하시키고, 2회째 이후는 대응하는 상한값이 된 경우에 저하시켜도 된다. 이와 같이 제어함으로써, 전압 V1 내지 V(n-1), 및 토탈 전압 Vt를 소정의 범위 내로 유지하도록 적절하게 증감 제어할 수 있다.

또한, 제7 실시예에서는, ECU(3)는 전압 V1에 관해서는 도 9의 제어를 실행하고, 토탈 전압 Vt에 관해서는, 도 10의 제어에서의 유량 Q2를 FC(4-n)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 Qn으로 치환하여 제어한다. 전압 V2 내지 V(n-1)에 관해서는, 전압 V1 내지 V(n-1)의 각각이 대응하는 하한값이 되는 타이밍이 일치하지 않도록, 전압 V2 내지 V(n-1)의 각각에 대하여, 첫회의 저하 중에 하한값이 되기 전에 상승시키고, 2회째 이후는 대응하는 하한값이 된 경우에 상승시킨다. 이와 같이 제어함으로써, 전압 V1 내지 V(n-1), 및 토탈 전압 Vt를 소정의 범위 내로 유지하도록 적절하게 증감 제어할 수 있다.

제7 실시예에서는, ECU(3)는, 도 11의 제어와 같이, 토탈 전압 Vt가 대응하는 하한값 이하로 되고 또한 전압 V1 내지 V(n-1)이 각각 대응하는 하한값에 소정의 마진을 더한 값보다도 큰 경우에, 토탈 전압 Vt가 상승하도록 대응하는 유량을 대유량 QH로 전환하도록 해도 된다. 또한, 하한값에 소정의 마진을 더한 값이란, 미리 정해져 있는 상한값 및 하한값 사이의 중간값보다도 낮은 값이며, 예를 들어 상한값으로부터 하한값까지의 차분의 10분의 1 정도의 크기의 값을 마진으로 하여 하한값에 더한 값이다. 이 마진의 크기는, 연료 전지 시스템이 구비하는 연료 전지의 개수가 많을수록, 작은 값으로 하는 것이 바람직하다.

제7 실시예에서는, ECU(3)는 도 13 및 도 14의 제어를 실행해도 된다. 예를 들어, 전환 스위치(36)가 절단 상태로 전환되고 나서 초기의 단계에서, 전압 V1, V2, … V(n-1), 토탈 전압 Vt의 순으로 각각 대응하는 하한값이 되도록 조정되어 있다고 가정하고, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍끼리의 시간 간격을 T라 하고, 전압 V1이 하한값 VL1이 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍의 시간 간격을 U1이라 한다. 전압 V2가 하한값 VL2가 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 전압 V3이 하한값 VL3이 되는 타이밍의 시간 간격을 U2라 한다. 마찬가지로, V(n-1)이 대응하는 하한값이 되는 타이밍과 이 타이밍에 인접하여 그 후에 토탈 전압 Vt가 하한값 VLt가 되는 타이밍의 시간 간격을 U(n-1)이라 한다. 이 경우, 이상적인 타이밍은 (U1/T)=(U2/T)= … (U(n-1)/T)=1/n이다. 타이밍의 허용 어긋남양을 (1/2n)로 하면, 타이밍의 허용 범위는, (1/2n)≤(U1/T)≤(3/2n)이며, 다른 시간 간격 U2 내지 U(n-1)의 각각의 허용 범위도 마찬가지이다.

ECU(3)는, (1/2n)>(U1/T)의 경우에는, 전압 V1이 저하 중에 하한값 VL1이 되기 전에 전압 V1을 상승시키고, (U1/T)>(3/2n)의 경우에는, 전압 V2가 저하 중에 하한값 VL2가 되기 전에 전압 V2를 상승시킨다. 또한, ECU(3)는, (1/2n)>(U(n-1)/T)의 경우에는, V(n-1)이 저하 중에 대응하는 하한값이 되기 전에 V(n-1)을 상승시키고, (U(n-1)/T)>(3/2n)의 경우에는, 토탈 전압 Vt가 저하 중에 하한값 VLt가 되기 전에 토탈 전압 Vt를 상승시킨다. 이와 같이 함으로써, 전압 V1, V2 … 및 토탈 전압 Vt의 순으로 각각 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 이상적인 타이밍에 가깝게 할 수 있다.

제7 실시예에서는, 캐소드 가스 공급계(10-1 내지 10-n)를 통합적으로 제어하는 ECU(3)를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 캐소드 가스 공급계(10-1 내지 10-n)를 각각 제어하는 ECU를 개별로 마련해도 된다. 또한, FC(4-n)의 단셀의 적층 매수는, FC(4-1 내지 4-(n-1))의 각각의 단셀의 적층 매수 이상이면 된다. 또한, FC(4-1 내지 4-(n-1))에서 단셀의 적층 매수가 달라도 된다. 전압 센서 St에 의해 토탈 전압 Vt를 검출하였지만, 이것에 한정되지 않고, 전압 센서 St 대신에 FC(4-n)만의 전압을 검출하는 전압 센서를 마련하여, 이 전압 센서의 검출값과 전압 센서 S1 내지 S(n-1)의 각각의 검출값의 합계값을, 토탈 전압 Vt로서 사용해도 된다.

상술한 연료 전지 시스템은, 자가용차, 버스, 냉장차, 냉동차 등의 차량에 탑재되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 거치형 연료 전지 시스템이어도 된다. 또한, 차량은, 자동차뿐만 아니라, 이륜차, 철도 차량이나, 선박, 항공기 등이어도 된다. 또한, 차량은, 구동에 모터와 내연 기관을 병용 가능한 하이브리드 차량이어도 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.

1: 연료 전지 시스템
3: ECU(제어 장치)
4-1, 4-2: 연료 전지
10-1, 10-2: 캐소드 가스 공급계
36: 전환 스위치(전환 장치)

Claims

복수의 동일한 단셀이 적층되며 서로 직렬로 접속되어 부하 장치에 전력을 공급하는 제1 내지 제n(n≥2) 연료 전지를 포함하는 연료 전지 유닛과,
상기 제1 내지 제n 연료 전지의 각각에 캐소드 가스를 독립적으로 공급하는 제1 내지 제n 공급계와,
상기 연료 전지 유닛과 상기 부하 장치를 전기적으로 접속 상태 또는 절단 상태로 전환 가능한 전환 장치와,
상기 연료 전지 유닛에 대한 요구 출력이 역치 이하인 경우에 상기 전환 장치를 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환하여, 상기 제1 내지 제n 공급계를 각각 제어함으로써 상기 제1 내지 제n 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제n 연료 전지의 상기 단셀의 적층 매수는, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수 이상이며,
상기 제어 장치는,
상기 절단 상태에 있어서, 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 개방 전압인 제1 내지 제n-1 개방 전압과, 상기 연료 전지 유닛의 토탈의 개방 전압인 토탈 개방 전압을 취득하는 취득부와,
상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 하한값 이하로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 상승하도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제1 내지 제n-1 대유량으로 제어하고, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 제1 내지 제n-1 상한값 이상으로 된 경우에는, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압이 각각 저하되도록 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지로 각각 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제1 내지 제n-1 대유량보다도 각각 작은 제1 내지 제n-1 소유량으로 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제어부는, 상기 토탈 개방 전압이 제n 하한값 이하로 된 경우에는, 상기 토탈 개방 전압이 상승하도록 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 제n 대유량으로 제어하고, 상기 토탈 개방 전압이 제n 상한값 이상으로 된 경우에는, 상기 토탈 개방 전압이 저하되도록 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 대유량보다도 작은 제n 소유량으로 제어하고,
상기 제n 하한값을 상기 연료 전지 유닛의 전체의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값은, 상기 제1 내지 제n-1 하한값의 각각을 상기 제1 내지 제n-1 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값보다 큰, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 전환 장치가 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환되고 나서 상기 토탈 개방 전압의 첫회의 상승 중에, 상기 토탈 개방 전압이 상기 제n 상한값이 되기 전에, 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 소유량으로 전환하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 전환 장치가 상기 접속 상태로부터 상기 절단 상태로 전환되고 나서 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압 중 하나의 개방 전압의 첫회의 저하 중에, 상기 하나의 개방 전압이 대응하는 하한값이 되기 전에, 상기 하나의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 토탈 개방 전압이 상기 제n 하한값 이하로 된 경우이며, 상기 제1 내지 제n-1 개방 전압 중 적어도 하나가 대응하는 상한값 및 하한값 사이의 소정값 이상인 경우에, 상기 제n 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 상기 제n 대유량으로 전환하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제n-1 개방 전압 중 어느 개방 전압이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제1 타이밍이라 하고,
상기 제1 내지 제n-1 개방 전압과 상기 토탈 개방 전압 중 2개의 개방 전압 중 한쪽이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제2 타이밍이라 하고,
상기 2개의 개방 전압 중 다른 쪽이 대응하는 하한값이 되는 타이밍을 제3 타이밍이라 하고,
상기 제1 타이밍끼리의 시간 간격을 T라 하고,
상기 제2 타이밍과, 상기 제2 타이밍에 인접하고 있으며 상기 제2 타이밍 후의 상기 제3 타이밍의 시간 간격을 U라 하고,
(1/2n)>(U/T)의 경우에는, 상기 제어부는, 상기 한쪽의 개방 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상기 한쪽의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환하고, (U/T)>(3/2n)의 경우에는, 상기 제어부는, 상기 다른 쪽의 개방 전압의 저하 중이며 대응하는 하한값이 되기 전에 상기 다른 쪽의 개방 전압에 대응하는 연료 전지로 공급되는 캐소드 가스의 유량을 대응하는 대유량으로 전환하는, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 내지 제n 소유량의 각각을 상기 제1 내지 제n 연료 전지의 각각의 상기 단셀의 적층 매수로 제산한 값은 동일한, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 n=2인, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 n=3인, 연료 전지 시스템.