KR100973761B1

KR100973761B1 - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR100973761B1
Application number: KR20087012669A
Authority: KR
Inventors: 고타 마나베; 마사히로 시게
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2010-08-04
Also published as: CN101322272B; JP4905847B2; WO2007063783A1; JP2007149595A; US8288050B2; CN101322272A; US20090130509A1; DE112006003141T5; DE112006003141B4; KR20080056322A

Abstract

본 발명은 출력 전력의 요구를 충족시키면서, 피독된 전극 촉매의 기능이 회복될 수 있는 연료 전지 시스템이다. 전극 촉매가 피독된다고 제어 장치가 검출하는 경우, 제어 장치는 피독된 전극 촉매의 기능을 회복시키기 위해 충분한 목표 작동점을 도출하고, 출력 전력이 일정하게 유지되는 작동점의 시프트를 실현한다. 구체적으로, DC/DC 컨버터를 사용하여 FC 전압이 제어되고, 산화 가스 공급원으로부터 공급되는 산화 가스량이 조정되어, 그로 인해 FC 전류를 제어한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 다른 전원과 비교했을 때, 연료 전지의 기동에는 다양한 제한이 있다. 이러한 연료 전지의 발전 효율은 온도의 저하 및 전극 촉매의 피독에 기인하여 감소하고, 그러므로 원하는 전압/전류가 공급될 수 없어 경우에 따라서는 장치가 기동되지 않을 수 있다.

이러한 상황을 고려하여, 연료 전지가 시동될 때, 전극에 공급되는 애노드(anode) 연료(예를 들면, 연료 가스) 및 캐소드(cathode) 연료(예를 들면, 산화 가스) 중 적어도 하나가 부족 상태로 되고, 더 많은 열을 발생하도록 전극의 일부의 과전압이 증가되는 방법이 제안된다. 그 결과, 연료 전지의 온도는 상승하게 되고, 피독된 전극 촉매 등은 회복된다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공보 No. 2003-504807

그러나, 피독된 전극 촉매 및 연료 전지의 온도 저하에 기인하는 전지 특성의 열화는 시동시뿐만 아니라 통상의 작동 중에도 발생한다. 그러므로, 상술된 바와 같이 피독된 전극 촉매가 시동시에만 회복되는 경우, 통상의 작동 중에 발생되는 피독된 전극 촉매 등에 기인하여 전지 특성은 저하되고, 요구되는 전력은 출력될 수 없다. 또한, 상기의 구성에서는, 시동시에 요구되는 전력에 관계없이 피독된 전극 촉매 등을 회복시키는 작동이 실행되므로, 요구되는 전력에 따른 발전이 신속히 개시될 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술된 상황을 고려하여 개발되어 왔고, 그 목적은 출력 전력의 요구를 충족시키면서 피독된 전극 촉매의 기능 등이 회복될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

상술된 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 전해질 및 촉매를 구비하는 전극 및 세퍼레이터가 라미네이팅(laminating)되는 연료 전지 및 발전 요구에 따르는 전력을 출력하는 통상 작동점에서 연료 전지의 작동을 제어하는 작동 제어 수단을 포함하는 연료 전지 시스템이고, 상기 시스템은 전극의 촉매의 열화를 회복시키는 작동이 필요한지 여부를 판단하는 판단 수단을 더 포함하되, 판단 결과가 긍정적인 경우에, 상기 작동 제어 수단은 발전 요구에 따르는 전력을 출력하고 통상 작동점보다 더 큰 전력 손실을 가지는 저-효율 작동점에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 전극 촉매가 저하되는 경우에도, 출력 전력의 요구를 충족시키면서 피독된 전극 촉매의 기능이 회복될 수 있다. 여기에서, "전극 촉매의 열화"는 촉매의 기능이 물리적으로 또는 화학적으로 회복될 수 없는 열화, 및 적용되는 에너지로 인하여 촉매의 기능이 일시적으로 회복되는 열화(예를 들면, 촉매(귀금속)의 피독 및 그 응집(귀금속이 서로 가까워지는 현상))를 포함한다. 본 발명에 따르면, 회복 가능한 촉매 열화에 기인하여 저하된 촉매의 기능이 회복된다.

여기에서, 상술된 구성에 있어서, 판단 결과가 부정적인 경우, 작동 제어 수단은 발전 요구에 따르는 전력을 출력하는 통상 작동점에서 작동한다. 반면에, 판단 결과가 긍정적인 경우, 상기 수단은 발전 요구에 따르는 전력을 출력하고 통상 작동점보다 더 큰 전력 손실을 가지는 저-효율 작동점에서 작동할 수도 있다.

또한, 상기의 구성의 바람직한 측면에 있어서는, 작동 제어 수단이 통상 작동점에서 작동하고 판단 수단이 긍정적인 판단을 내리는 경우, 연료 전지의 출력 전력을 변경하지 않고 작동이 저-효율 작동점으로 전환된다.

또한, 바람직한 측면에 있어서, 작동 제어 수단은 연료 전지의 출력 전압을 제어하는 전압 변환 장치, 및 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 양을 조정하기 위한 조정 수단을 포함하되, 상기 전압 변환 장치는 연료 전지의 출력 전압을 제어하고 상기 조정 수단은 공급되는 반응 가스의 양을 조정하여, 연료 전지의 출력 전류를 제어함으로써, 연료 전지의 출력 전압을 변경하지 않고 작동이 저-효율 작동점으로 전환되는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직한 측면에 있어서, 상기 시스템은 연료 전지의 촉매가 피독되는지 여부를 검출하는 검출 수단, 및 촉매가 피독된다고 검출되는 경우에 전극의 촉매의 열화를 회복시키는 작동이 필요한지를 판단하는 판단 수단을 더 포함한다.

또한, 바람직한 측면에 있어서, 상기 검출 수단은 설정된 기준에 따른 전기 특성을 해당 시점에 있어서의 연료 전지의 전기 특성과 비교함으로써 촉매가 피독되는지 여부를 검출한다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 전해질 및 촉매를 구비하는 전극 및 세퍼레이터가 라미네이팅되는 연료 전지; 및 발전 요구에 따르는 전력을 출력하는 통상 작동점에서 연료 전지의 작동을 제어하기 위한 작동 제어 수단을 포함하는 연료 전지 시스템이고, 상기 시스템은 웜업(warm-up) 작동이 필요한지 여부를 판단하기 위한 판단 수단을 더 포함하되, 판단 결과가 긍정적인 경우에, 상기 작동 제어 수단은 발전 요구에 따르는 전력을 출력하고 통상 작동점보다 더 큰 전력 손실을 가지는 저-효율 작동점에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 피독된 전극 촉매의 기능이 회복되는 경우뿐만 아니라 연료 전지가 웜업되는 경우에도 적용 가능하다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 출력 전력의 요구를 충족시키면서 저하된 전극 촉매 등이 회복될 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 주요부의 구성을 도시하는 다이어그램이며;

도 2A는 실시예에 따른 출력 전력과 전력 손실 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이며;

도 2B는 실시예에 따른 출력 전력과 전력 손실 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이며;

도 3은 실시예에 따른 출력 전력의 변화를 도시하는 다이어그램이며;

도 4는 실시예에 따른 작동점의 시프트(shift) 처리를 도시하는 플로우차트 이며;

도 5A는 실시예에 따른 출력 전압의 변화를 도시하는 다이어그램이며;

도 5B는 실시예에 따른 출력 전압의 변화를 도시하는 다이어그램이며; 및

도 6은 수정예에 따른 연료 전지 시스템의 주요부의 구성을 도시하는 다이어그램이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다.

A. 본 실시예

도 1은 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 주요부의 구성을 도시하는 다이어그램이다. 본 실시예에서는, 연료 전지 하이브리드 차량(FCHV), 전기 자동차 및 하이브리드 자동차와 같은 차량에 연료 전지 시스템이 탑재된다고 가정하지만, 상기 시스템은 차량뿐만 아니라 다양한 이동체(예를 들어, 선박, 항공기, 로봇 등) 및 고정 전원에도 적용 가능하다.

연료 전지(40)는 공급되는 반응 가스(연료 가스 및 산화 가스)로부터 전력을 발생시키기 위한 수단이고, 고체 고분자형, 인산형 또는 용융 탄산염형과 같은 여러 형태의 연료 전지가 사용될 수 있다. 연료 전지(40)는, MEA 등을 포함하는 복수의 단일 전지가 직렬로 라미네이팅되는 스택 구조를 갖는다. 이 연료 전지(40)의 출력 전압(이하, "FC 전압"으로 지칭) 및 출력 전류(이하, "FC 전류"로 지칭)는 전압 센서(140) 및 전류 센서(150)에 의해 각각 검출된다. 수소 가스와 같은 연료 가스는 연료 가스 공급원(10)으로부터 연료 전지(40)의 연료 극(애노드)에 공급되는 반면, 공기와 같은 산화 가스는 산화 가스 공급원(70)으로부터 산화 극(캐소드)에 공급된다.

예를 들면, 연료 가스 공급원(10)은 수소 탱크, 다양한 밸브 등으로 구성되고, 연료 전지(40)에 공급되는 연료 가스의 양을 제어하기 위해 밸브 개도, ON/OFF 시간 등이 조정된다

예를 들면, 산화 가스 공급원(70)은 공기 압축기, 공기 압축기를 구동하는 모터, 인버터 등으로 구성되고, 연료 전지(40)에 공급되는 산화 가스의 양을 조정하기 위해 모터의 회전수 등이 조정된다.

배터리(60)는 충전/방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면, 니켈 수소 전지 등으로 구성된다. 물론, 배터리(60) 대신에, 2차 전지 이외의 충전/방전 가능한 축전기(예를 들면, 캐패시터)가 배치될 수도 있다. 이 배터리(60) 및 연료 전지(40)는 트랙션 모터를 위한 인버터(110)에 병렬로 연결되고, DC/DC 컨버터(130)는 배터리(60) 및 인버터(110) 사이에 제공된다.

예를 들어, 인버터(110)는 펄스 폭 변조 시스템의 PWM 인버터이고, 제어 장치(80)로부터 주어지는 제어 지령에 따라 연료 전지(40) 또는 배터리(60)로부터 출력되는 직류 전력을 3-상 교류 전력으로 변환하여, 트랙션 모터(115)에 전력을 공급한다. 트랙션 모터(115)는 휠(116L, 116R)을 구동하기 위한 모터이며, 이러한 모터의 회전수는 인버터(110)에 의해 제어된다.

예를 들면, DC/DC 컨버터(전압 변환 장치)(130)는 4개의 파워 트랜지스터 및 전용 드라이브 회로(모두 도시 안됨)로 구성되는 풀 브릿지(full bridge) 컨버터이 다. DC/DC 컨버터(130)는 배터리(60)로부터 입력되는 DC 전압을 승압 또는 강압하여 상기 전압을 연료 전지(40)로 출력하는 기능, 및 연료 전지(40) 등으로부터 입력되는 DC 전압을 승압 또는 강압하여 상기 전압을 배터리(60)로 출력하는 기능을 구비한다. DC/DC 컨버터(130)의 기능이 배터리(60)의 충전/방전을 실현한다.

차량 보조 기계 및 FC 보조 기계와 같은 보조 기계(120)는 배터리(60)와 DC/DC 컨버터(130) 사이에 연결된다. 배터리(60)는 이들 보조 기계(120)를 위한 전원이다. 상기 차량 보조 기계는 차량을 작동하는 동안 사용되는 다양한 전력 장치 등(조명 장치, 에어컨, 유압 펌프 등)이며, 상기 FC 보조 기계는 연료 전지(40)를 작동하는 동안 사용되는 다양한 전력 장치(연료 가스 및 산화 가스를 공급하기 위한 펌프 등)임을 유의한다.

제어 장치(80)는 CPU, ROM, RAM 등으로 구성되고, 연료 전지(40)의 온도를 검출하는 온도 센서(50), 배터리(60)의 충전 상태를 검출하는 SOC 센서, 가속 페달의 개도를 검출하는 가속 페달 센서 등으로부터 입력되는 센서 신호에 근거하여 시스템 부분이 중추적으로 제어된다.

또한, 제어 장치(80)는 다음의 방법에 의해서 연료 전지(40)의 전극 촉매가 피독되는지 여부를 검출하고, 피독된 전극 촉매의 특성을 회복시키기 위해 연료 전지(40)의 작동점을 전환하는 처리를 실행한다(후술됨).

예를 들면, 메모리(160)는, 연료 전지(40)의 초기 상태(예컨대, 제조된 전지의 출하시)의 전지 특성을 나타내는 초기 전지 특성 데이터 등이 저장되는 기록가능한 비휘발성의 메모리이다. 초기 전지 특성 데이터는 초기 상태의 연료 전지(40) 의 전압 및 전류 밀도 사이의 관계를 도시하는 2차원 맵이며, 상기 전류 밀도가 증가함에 따라 상기 전압은 낮아진다.

공지된 바와 같이, 연료 전지(40)의 전극 촉매가 피독되는 경우, 전지 특성은 저하된다. 동일한 전압에서, 피독 전의 전류 밀도(초기 전지 특성 데이터에 의해 표시되는 전류 밀도)와 비교했을 때, 피독 후의 전류 밀도는 감소한다. 본 실시예에 있어서는, 전압 센서(140) 및 전류 센서(150)에 의해 검출된 FC 전압 및 FC 전류가 상술된 특성을 이용하여 초기 전지 특성 데이터와 비교되어, 전극 촉매가 피독되는지 여부를 검출한다. 더욱 구체적으로, 전압 센서(140) 및 전류 센서(150)가 FC 전압 및 FC 전류를 검출하는 경우, 제어 장치(검출 수단)(80)는 검출 결과를 초기 전지 특성 데이터에서의 동일한 전압의 전류 밀도와 비교한다. 이러한 비교의 결과, 하기식 (1), (2)가 성립되는 경우, 전극 촉매가 피독된다고 판단된다. 반면에, 하기식 (1), (2)가 성립되지 않는 경우에, 전극 촉매가 피독되지 않는다고 판단된다.

Vfc = Vs ...(1), 및

Ifc < Is + α ...(2),

여기서 Vfc; FC 전압,

Ifc; FC 전류,

Is; 초기 전지 특성 데이터의 전류 밀도, 및

α; 기결정된 값.

상기 설명에서는, 초기 전지 특성 데이터를 사용하여 전극 촉매가 피독되는 지 여부가 검출되지만, 물론, 다른 방법에 의해 전극 촉매가 피독되는지 여부가 검출될 수도 있음을 유의한다. 예를 들면, 전극 촉매가 일산화탄소에 의해 피독되는 경우, 공지의 CO 농도 센서가 제공되고, CO 농도와 측정된 전압값 사이의 관계가 미리 조사되고 맵화되어, 검출된 CO 농도 등에 근거하여, 전극 촉매가 피독되는지 여부를 검출한다. 이하, 연료 전지(40)의 작동점이 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도 2A 및 2B는 상이한 작동점에서 연료 전지가 작동되는 때에 출력 전력과 전력 손실 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이다. 횡축은 FC 전류를 나타내고 종축은 FC 전압을 나타낸다. 또한, 도 2A 및 2B에 도시된 개방 회로 전압(OCV)은 어떤 전류도 연료 전지를 통과하지 않는 상태의 전압이다.

도 2A 및 2B에 도시된 전류 및 전압 특성(이하, "IV 특성"으로 지칭)을 얻을 수 있는 연료 전지(40)는 출력 전력에 대하여 전력 손실이 작은 작동점(Ifc1, Vfc1)에서 작동되는 것이 일반적이다(도 2A 참조). 그러나, 연료 전지(40)의 전극 촉매가 피독되는 경우, 연료 전지(40)의 내부 온도는 전극 촉매의 기능을 회복시키도록 상승될 필요가 있다. 그러므로, 본 실시예에서는, 연료 전지의 작동은, 필요 출력 전력을 확보하는 동안 큰 전력 손실을 가지는 작동점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트하고, 그로 인해 피독된 전극 촉매의 기능을 회복시킨다(도 2B 참조). 여기에서, 도 2A 및 2B에 도시된 작동점에서의 출력 전력(Pfc), 전력 손실(Ploss), 출력 전력(Pfc) 간의 관계 및 전력 손실(Ploss) 간의 관계는 다음과 같다.

<작동점(Ifc1, Vfc1)에 관한 경우>

Ifc1 * Vfc1 = Pfc1 ...(3)

Ifc1 * OCV - Pfc1 = Ploss1 ...(4)

<작동점(Ifc2, Vfc2)에 관한 경우>

Ifc2 * Vfc2 = Pfc2 ...(5)

Ifc2 * OCV - Pfc2 = Ploss2 ...(6)

<출력 전력 간의 관계 및 전력 손실 간의 관계>

Pfc1 = Pfc2 ...(7)

Ploss1 < Ploss2 ...(8)

도 3은 작동점이 시프트되면서 연료 전지가 작동되는 때에 출력 전력의 변화를 도시하는 다이어그램이다. 횡축은 FC 전류를 나타내고 종축은 FC 전압을 나타낸다. 도 3에서, 편의상, 연료 전지의 IV 특성이 직선(이하, "IV 라인"으로 지칭)으로 도시됨을 유의한다. IV 라인 상의 작동점(Ifc1, Vfc1), (Ifc2, Vfc2)은 도 2A 및 2B에 도시된 작동점(Ifc1, Vfc1), (Ifc2, Vfc2)에 대응한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연료 전지(40)의 출력 전력(Pfc)에 관하여, FC 전압(Vfc)이 감소함에 따라, 최대 출력 전력(Pfcmax)이 얻어지는 최대 출력 작동점(Ifcmax, Vfcmax)의 좌측에 도시되는 IV 라인 상의 작동점에서 출력 전력(Pfc)이 증가한다. 반면에, 최대 출력 작동점의 우측에 도시되는 IV 라인 상의 작동점에서는, FC 전압(Vfc)이 감소함에 따라 출력 전력(Pfc)이 감소한다.

상술된 바와 같이, FC 전압(Vfc)이 감소함에 따라, 전력 손실(Ploss)이 증가한다. 그러므로, 연료 전지(40)가 동일한 전력을 출력하도록 작동되는 경우에도, 최대 출력 작동점(예를 들어, 작동점(Ifc2, Vfc2))의 좌측에 도시되는 IV 라인 상의 작동점에서 연료 전지가 작동되는 경우와 비교했을 때, 최대 출력 작동점(예를 들어, 작동점(Ifc1, Vfc1))의 우측에 도시되는 IV 라인 상의 작동점에서 연료 전지가 작동되는 경우에 전력 손실(Ploss)이 크다. 그러므로, 이하의 설명에서는, FC 전압(Vfc)의 감소에 수반하여 출력 전력(Pfc)이 증가하는 IV 라인 상의 작동점이 통상 작동점으로서 정의되고, FC 전압(Vfc)의 감소에 수반하여 출력 전력(Pfc)이 감소하는 IV 라인 상의 작동점이 저-효율 작동점으로서 정의된다. 통상 작동점 및 저-효율 작동점은 다음과 같음을 유의한다.

<통상 작동점(Ifc, Vfc)에 관한 경우>

Ifc ≤ Ifcmax ...(9)

Vfcmax ≤ Vfc ...(10)

<저-효율 작동점(Ifc, Vfc)에 관한 경우>

Ifcmax ≤ Ifc ...(11)

Vfc ≤ Vfcmax ...(12)

다음에, 제어 장치(80)에 의해 실행되는 작동점 시프트 처리가 도 4 등을 참조하여 설명될 것이다.

도 4는 작동점의 시프트 처리를 도시하는 플로우차트이며, 도 5A 및 5B는 작동점이 시프트되는 때에 출력 전력의 변화를 도시하는 다이어그램이다. 이하의 설명에서는, 피독된 전극 촉매의 기능을 회복시키기 위해, 연료 전지(40)의 작동점이 통상 작동점(Ifc1, Vfc1)으로부터 저-효율 작동점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트되는 경 우를 가정한다(도 5A 및 5B 참조).

제어 장치(판단 수단)(80)는 촉매 열화를 회복시키는 작동이 필요한지 여부를 우선 판단한다(단계 S1). 구체적으로, 전극 촉매가 피독되는지 여부를 검출하기 위해, 전압 센서(140) 및 전류 센서(150)에 의해 검출된 FC 전압 및 FC 전류가 초기 전지 특성 데이터와 비교된다. 전극 촉매가 피독되지 않은 경우, 촉매 열화를 회복시키는 작동이 필요하지 않다고 판단된다. 반면에, 전극 촉매가 피독되는 경우, 촉매 열화를 회복시키는 작동이 필요하다고 판단된다.

전극 촉매가 피독되지 않은 경우, 제어 장치(작동 제어 수단)(80)는 시스템 요구(발전 요구)에 따르는 전력을 출력하는 통상 작동점에서 작동을 계속한다. 반면에, 전극 촉매가 피독되는 경우, 제어 장치(80)는 현재 시점에 있어서 작동점(이하, 통상 작동점(Ifc1, Vfc1))을 우선 확인한다(단계 S2).

다음에, 제어 장치(80)는 피독된 전극 촉매의 기능을 회복시키기 위해 연료 전지(40)의 작동점(목표 작동점)을 도출한다(단계 S3). 일례가 설명될 것이다. 예를 들면, 연료 전지가 통상 작동점(Ifc1, Vfc1)에서 작동되어 출력 전력(Pfc1)을 얻는 경우, 상기의 출력 전력과 동일한 출력 전력(Pfc2)(=Pfc1)을 얻을 수 있는 저-효율 작동점(Ifc2, Vfc2)이 목표 작동점으로서 도출된다. 피독된 전극 촉매에서, 연료 전지(40)의 전지 전압이 0.6 V 이하로 제어되고, 그로 인해 촉매 기능을 회복시키기 위한 촉매 환원 반응이 일어남을 유의한다. 그러므로, 이러한 조건을 만족시키는 작동점이 목표 작동점으로서 도출될 수 있다(상세는 후술될 것임).

목표 작동점이 도출되는 경우, 제어 장치(작동 제어 수단)(80)는 작동점의 시프트를 개시한다(단계 S4). 여기에서, 통상 작동점(Ifc1, Vfc1)으로부터 저-효율 작동점(Ifc2, Vfc2)으로 FC 전압만이 작동점을 시프트하도록 제어되는 경우, 도 5A에 도시된 바와 같이, 연료 전지(40)의 출력 전력은 IV 라인 l1의 작동점의 시프트에 따라서 크게 변동된다(전력선 Pl1 참조). 더 구체적으로, DC/DC 컨버터(130)를 사용하여 FC 전압만이 작동점을 시프트하도록 제어되는 경우, 시프트 처리에 있어서, 통상의 사용 환경하에서는 실행될 수 없을 것 같은 고-출력 작동(최대 출력 작동점에서의 작동)을 실행할 필요가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는, 통상 작동점(Ifc1, Vfc1)으로부터 저-효율 작동점(Ifc2, Vfc2)으로의 작동점의 시프트를 실현하기 위해 FC 전류가 FC 전압과 함께 제어되어, 출력 전력은 일정하게 유지된다(전력선 Pl2 참조). 구체적으로, DC/DC 컨버터(전압 변환 장치)(130)를 사용하여 FC 전압을 제어하고, 제어 장치(조정 수단)(80)가 산화 가스 공급원(70)으로부터 공급되는 산화 가스의 양을 조정(여기에서는, 산화 가스량을 줄이는 것)하여, FC 전류를 제어한다. 이러한 제어가 실행됨으로 인하여 연료 전지(40)의 IV 특성은 IV 라인 l1로부터 IV 라인 l2로 시프트하고, 작동점의 시프트에 관계없이 연료 전지(40)의 출력 전력은 일정하게 유지된다.

작동점이 시프트되는 경우, 제어 장치(80)는 타이머(도시 안됨) 등을 참조하여 작동점이 시프트된 이후 목표 설정 시간이 경과되었는지 여부를 판단한다(단계 S5). 여기에서, 목표 설정 시간은 전극 촉매의 기능을 회복시키는데 충분하고, 저-효율 작동점에서 작동이 개시된 이후 경과된 시간(예를 들어, 10 초)이며, 미리 실 험 등에 의해 얻을 수 있다. 목표 설정 시간이 경과되지 않았다고 판단하는 경우(단계 S5; NO), 제어 장치(80)는 단계 S5를 반복적으로 실행한다. 반면에, 목표 설정 시간이 경과되었다고 판단하는 경우(단계 S5; YES), 제어 장치(80)는 시프트된 작동점을 시프트되기 전의 작동점으로 복귀시키고(단계 S6), 그로 인해 처리를 종료한다.

상술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 따르면, 출력 전력의 요구를 충족시키면서 피독된 전극 촉매의 기능이 회복될 수 있다.

상술된 바와 같이, 피독된 전극 촉매에 관해서는, 촉매의 기능을 회복시키기 위해 연료 전지(40)의 전지 전압이 0.6 V 이하로 제어되어, 작동점이 다음과 같이 도출될 수 있다.

예를 들면, 연료 전지(40)가, 300개의 전지가 라미네이팅되고 요구되는 출력 전력이 1 KW인 스택 구조를 가지는 경우에, 전지 전압이 0.5 V(<0.6 V)로 설정된다면, 목표 작동점은 다음과 같다.

<목표 작동점(Ifc, Vfc)에 관한 경우>

Vfc = 300 * 0.5 = 150 V ...(13)

Ifc = 1000/150 = 6.7 A ...(14)

여기에서, 얻어진 목표 작동점이, 시프트되기 전의 IV 라인 상에 존재하지 않는 경우에도, IV 특성을 변화시키도록 FC 전류는 FC 전압과 함께 제어되므로, 얻어진 목표 작동점이 IV 라인 상에 위치될 수 있다.

B. 수정예

(1) 상술된 실시예에서는, FC 전류를 제어하기 위해 산화 가스 공급원(70)으로부터 공급되는 산화 가스량이 조정된다. 그러나, FC 전류를 제어하기 위해 연료 가스 공급원(10)으로부터 공급되는 연료 가스량이 조정될 수도 있다.

(2) 상술된 실시예에서는, 전극 촉매가 피독된다고 검출되는 경우, 연료 전지(40)의 작동점은 통상 작동점으로부터 저-효율 작동점으로 시프트되고, 그러나 작동점은 다음의 타이밍에서 시프트될 수도 있다.

예를 들면, 연료 전지는 시스템의 시동 동안에 저-효율 작동점에서 일단 작동될 수 있고, 그 후에 작동점은, 항상 촉매의 기능이 증가된 상태에서 시스템 작동을 실행하기 위해 통상 작동점으로 시프트 될 수도 있다. 요구되는 출력 전력이 기결정된 값 이하(예를 들면, 아이들(idle) 출력 등)인 경우, 작동점은 통상 작동점으로부터 저-효율 작동점으로 시프트될 수도 있다. 또한, 시스템이 정지한 후에, 다음 기동을 준비하는 작동 동안에, 저하된 촉매의 기능을 회복시키기 위해 작동이 저-효율 작동점에서 실행될 수도 있다.

(3) 상술된 실시예에서는, 피독된 전극 촉매의 기능을 회복시키기 위해 연료 전지(40)의 작동점은 통상 작동점으로부터 저-효율 작동점으로 시프트되도록 구성되고, 그러나 본 발명은 웜업 작동을 필요로 하는 여러 경우, 예컨대, 저온에서 기동시에 웜업 작동이 실행되는 경우, 시스템 작동의 정지 전에 웜업 작동이 급속히 실행되는 경우 등에 적용 가능하다.

일례가 설명될 것이다. 작동 스위치 등으로부터 시스템의 기동 지령을 수신하는 경우, 제어 장치(80)는 온도 센서(50) 등을 사용하여 연료 전지(40)의 내부 온도를 검출한다. 연료 전지(40)의 내부 온도가 기설정된 임계 온도보다 낮은 경우, 제어 장치(판단 수단)(80)는 웜업 작동이 필요하다고 판단하고, 도 4에 도시된 작동점의 시프트 처리가 실행된다. 그 후의 작동은 본 실시예의 작동과 유사하고, 따라서 그 설명은 생략된다. 온도 센서(50) 대신에 외부의 공기 온도를 검출하는 온도 센서, 냉각 기구(도시 안됨)를 통하여 흐르는 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서 등이 이용될 수도 있음을 유의한다.

(4) 상술된 실시예에서는, 연료 전지의 출력단에 트랙션 모터를 위한 인버터(110)가 연결되는 구성이 예로서 설명되었다. 그러나, 예를 들어, 도 6에서 도시된 바와 같이, 배터리(60)의 출력단이 트랙션 모터를 위한 인버터(110)에 연결될 수도 있다. 도 6에 도시된 연료 전지 시스템(100')에 있어서, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(100)의 구성요소와 대응하는 구성요소는 동일한 참조 부호로 표시되고, 그 상세한 설명은 생략됨을 유의한다. 또한, 본 발명의 상기의 실시예에서는, 연료 전지(40) 및 배터리(60)를 포함하는 하이브리드 전원 시스템이 일례로서 설명되었고, 그러나 본 발명은 연료 전지(40)만을 포함하는 전원 시스템에도 적용 가능하다.

Claims

전해질 및 촉매를 구비하는 전극 및 세퍼레이터가 라미네이팅(laminating)되는 연료 전지; 및

발전 요구에 따르는 전력을 출력하는 통상 작동점에서 상기 연료 전지의 작동을 제어하기 위한 작동 제어 수단이 제공되는 연료 전지 시스템에 있어서,

상기 시스템은:

상기 전극의 상기 촉매의 열화를 회복시키는 작동이 필요한지 여부를 판단하는 판단 수단을 포함하되,

판단 결과가 긍정적인 경우에, 상기 작동 제어 수단은 상기 발전 요구에 따르는 상기 전력을 출력하고 상기 통상 작동점보다 더 큰 전력 손실을 가지는 저-효율 작동점에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 작동 제어 수단이 상기 통상 작동점에서 작동하고 상기 판단 수단이 긍정적인 판단을 내리는 경우, 상기 연료 전지의 출력 전력을 변경하지 않고 상기 작동이 상기 저-효율 작동점으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제2항에 있어서,

상기 작동 제어 수단은 상기 연료 전지의 출력 전압을 제어하는 전압 변환 장치, 및 상기 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 양을 조정하기 위한 조정 수단을 포함하되,

상기 전압 변환 장치는 상기 연료 전지의 상기 출력 전압을 제어하고 상기 조정 수단은 공급되는 상기 반응 가스의 양을 조정하여, 상기 연료 전지의 출력 전류를 제어함으로써, 상기 연료 전지의 상기 출력 전압을 변경하지 않고 상기 작동이 상기 저-효율 작동점으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,

상기 판단 수단은 상기 연료 전지의 상기 촉매가 피독되는지 여부를 검출하고, 상기 촉매가 피독된다고 검출되는 경우에 상기 전극의 상기 촉매의 상기 열화를 회복시키는 상기 작동이 필요한지를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제4항에 있어서,

상기 판단 수단은, 설정된 기준에 따른 전기 특성을 해당 시점에 있어서의 상기 연료 전지의 전기 특성과 비교함으로써 상기 촉매가 피독되는지 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,

상기 판단 수단은, 상기 시스템의 시동시에, 상기 전극의 상기 촉매 열화를 회복시키는 상기 작동이 필요한지를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,

상기 판단 수단은, 상기 시스템의 요구 전력이 기결정된 값 이하인 경우, 상기 전극의 상기 촉매 열화를 회복시키는 상기 작동이 필요한지를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,

상기 판단 수단은, 상기 시스템의 정지시에, 상기 전극의 상기 촉매 열화를 회복시키는 상기 작동이 필요한지를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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