KR101677408B1

KR101677408B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR101677408B1
Application number: KR1020157025131A
Authority: KR
Inventors: 신지 조모리; 마사아키 마츠스에
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2016-11-17
Also published as: WO2014147662A1; DE112013006841B4; JP5920525B2; KR20150121060A; DE112013006841T5; US20150372329A1; JPWO2014147662A1; US9509004B2

Abstract

연료 전지 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은, 전극촉매로서 백금을 포함하는 촉매를 갖는 연료 전지와, 연료 전지의 셀 전압을 계측하는 셀 전압 계측부와, 연료 전지 시스템의 제어를 행하는 제어부를 구비하고, (a) 셀 전압 계측부는, 연료 전지의 미리 정해진 아이들링 상태에 있어서의 제1 셀 전압을 취득하고, (b) 연료 전지 차량이 주행 상태로부터 정지 상태로 천이했을 때, 제어부는, 연료 전지의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경하고, 셀 전압 계측부는, 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 취득하고, (c) 제어부는, 제1 셀 전압과 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 연료 전지의 셀 전압을 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하고, (d) 제어부는, 회복 처리 시간 동안, 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 저하시켜서 촉매의 회복 처리를 실행한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

고체 고분자형 연료 전지(이하, 단순히 「연료 전지」라고 함)는, 통상적으로 프로톤 전도성을 갖는 전해질막의 양면에 전극을 배치한 막 전극 접합체를 발전체로서 구비한다. 전극에는, 연료 전지 반응을 촉진시키기 위한 촉매가 담지되어 있다. 연료 전지 차량 등에 탑재되는 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지에 높은 전압에서의 운전을 계속시키면, 촉매의 표면에 산화 피막이 형성되고, 촉매 성능이 가역적으로 저하되어버릴 가능성이 있었다. 이러한 경우에, 연료 전지의 공기극 전위를 저하시킴으로써 촉매를 회복시키는 기술이 알려져 있다(하기 특허문헌 1 등).

일본 특허공개 제2010-027297호 공보

촉매 성능의 가역적 저하(이하 「성능 저하」라고 함)에는, 촉매의 표면에 산화 피막이 형성됨으로써 일어나는 성능 저하 외에, 산화 피막의 형성 이외의 성능 저하, 예를 들어 연료 전지의 전해질막에서 사용되고 있는 술폰산 중합체의 술폰산에 의한 피독(被毒)(이하, 「음이온 피독」이라고 함)에 의한 성능 저하도 존재한다. 장시간에 걸쳐 공기극 전위를 저하시킴으로써, 음이온 피독 등으로부터 촉매를 회복시킬 수 있음을 알게 되었다. 그러나, 공기극 전위를 저하시키면, 연료 전지의 전류가 증가하므로, 장시간에 걸쳐 공기극 전위를 저하시키는 경우에는, 연료 전지의 연비가 나빠진다는 문제가 있었다.

본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 차량에 사용되는 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 전극촉매로서 백금을 포함하는 촉매를 갖는 연료 전지와, 상기 연료 전지의 셀 전압을 계측하는 셀 전압 계측부와, 상기 연료 전지 시스템의 제어를 행하는 제어부를 구비하고, (a) 상기 셀 전압 계측부는, 상기 연료 전지의 미리 정해진 아이들링 상태에 있어서의 제1 셀 전압을 취득하고, (b) 상기 연료 전지 차량이 주행 상태로부터 정지 상태로 천이했을 때, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경하고, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 취득하고, (c) 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 상기 연료 전지의 셀 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하고, (d) 상기 제어부는, 상기 회복 처리 시간 동안, 상기 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 저하시켜서 상기 촉매의 회복 처리를 실행한다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 제1 셀 전압과 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 연료 전지의 셀 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하여, 회복 처리 시간 동안, 연료 전지의 셀 전압을 회복 처리 전압으로 저하시켜서 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 실행하므로, 연료 전지의 연비 악화를 억제하여, 효율적으로 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 실행하는 것이 가능하게 된다.

(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 (b)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 차량을 상기 아이들링 상태로 하기 전에 상기 연료 전지의 셀 전압을 0.6V 이하로 일단 저하시켜도 된다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 운전 상태를 아이들링 상태로 하기 전에 연료 전지의 셀 전압을 0.6V 이하로 일단 저하시킴으로써, 단시간에 회복 가능한 성능 저하는 회복된다. 따라서, 비교적 장시간의 회복 처리가 필요한 회복 처리에 대하여 보다 효율적인 회복 처리 전압과, 회복 처리 시간을 취득하여, 효율적으로 연료 전지의 촉매를 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 (a)에 있어서, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 연료 전지의 기동 후, 상기 연료 전지 차량이 주행 상태로 되기 전에, 상기 제어부가, 상기 연료 전지의 셀 전압을 일단 0.6V 이하로 저하시킨 후, 상기 연료 전지의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경한 후의 셀 전압을 상기 제1 셀 전압으로 하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제1 셀 전압은 연료 전지의 재기동 후의 최대 셀 전압으로 되므로, 그 최대 셀 전압으로 회복시키기 위한 것과의 차로부터 회복 처리 전압과, 회복 처리 시간을 취득하므로, 효율이 높은 회복 처리 전압과 회복 처리 시간을 설정하는 것이 가능하게 된다.

(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다, 상기 회복 처리 전압을 저하시켜도 된다. 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 연료 전지의 성능이 저하되어 있다고 생각된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 회복 처리 전압을 내림으로써, 성능 저하를 단기간에 회복시키는 것이 가능하게 된다. 즉, 연료 전지의 연비 악화를 억제하여, 효율적으로 연료 전지의 촉매를 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(5) 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다, 상기 회복 처리 시간을 길게 하여도 된다. 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 연료 전지가 성능이 저하되어 있다고 생각된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 회복 처리 시간을 길게 함으로써, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(6) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 또한, (e) 상기 회복 처리가 실행된 후, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 하여, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 다시 취득하고, (f) 상기 다시 취득된 제2 셀 전압과 상기 제1 셀 전압의 차가, 미리 정해진 범위보다도 큰 경우에는, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 다시 취득된 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 회복 처리 전압과, 상기 회복 처리 시간을 취득하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 촉매가 회복될 때까지, 회복 처리를 계속하는 것이 가능하게 된다.

(7) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 셀 전압과 상기 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압은, 상기 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압보다도 낮아도 된다. 전회의 회복 처리에 의해 연료 전지의 촉매를 충분히 회복시킬 수 없었던 경우에는, 회복 처리 전압이 충분히 낮지 않았다고 고려된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 회복 처리 전압을 종전보다도 낮게 함으로써 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(8) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 셀 전압과 상기 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간은, 상기 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간보다도 길어도 된다. 전회의 회복 처리에 의해 연료 전지의 촉매를 충분히 회복시킬 수 없었던 경우에는, 종전의 맵에서는 회복 처리 시간이 충분히 길지 않았다고 고려된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에서는, 회복 처리 시간을, 종전보다도 길게 하므로, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(9) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서,

상기 연료 전지의 습윤 상태를 검지하는 습윤 검지부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차와, 상기 습윤 상태에 기초하여, 상기 회복 처리 전압과 상기 회복 처리 시간을 취득하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 습윤 상태도 가미되어 회복 처리 전압과 회복 처리 시간이 취득되므로, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(10) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지의 온도를 취득하는 온도 취득부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 온도가 미리 정해진 제1 온도 이상이며, 또한 제2 온도 이하인 경우에 상기 회복 처리를 실행하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 온도가 미리 정해진 제1 온도 이상이며, 또한 제2 온도 이하인 경우에 회복 처리가 실행되므로, 효율적인 범위에서 회복 처리를 실행할 수 있어, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(11) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제3 온도에 있어서 상기 회복 처리 전압을 극소로 하고, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하고, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 효율적인 제3 온도에 있어서 회복 처리 전압을 극소로 하므로, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(12) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제4 온도에 있어서 상기 회복 처리 시간의 길이를 극대로 하고, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하고, 상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 효율적인 제4 온도에 있어서 회복 처리 시간을 극대로 하므로, 연료 전지를 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(13) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 차량의 시프트 포지션을 검지하는 시프트 포지션 검지부를 구비하고, 상기 시프트 포지션이, 주차 또는 중립일 때, 상기 제어부는, 상기 회복 처리 시간의 길이를 길게 하여도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 장시간의 아이들링 정차가 상정될 때 회복 처리 시간의 길이를 길게 하여, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(14) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 조정하는 가스 유량 조정부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시킴으로써 상기 회복 처리 전압을 저하시켜도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 캐소드 가스의 양을 감소시킴으로써, 발전량을 감소시켜서 연료 전지를 저전압으로 하므로, 연료 전지의 촉매를 보다 효율적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다.

(15) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급관과, 상기 연료 전지로부터 캐소드 배기 가스를 배출하는 캐소드 가스 배기관과, 상기 캐소드 가스 공급관에 설치된 바이패스 밸브와, 상기 바이패스 밸브와 상기 캐소드 가스 배기관을 접속하는 바이패스관을 구비하고, 상기 바이패스 밸브에 의해 상기 바이패스관으로 흘리는 캐소드 가스의 양이 증가됨으로써 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양이 감소되어도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 간단한 구성으로, 캐소드 가스의 양을 감소시키는 것이 가능하게 된다.

(16) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 차량에 사용되는 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. 상기 연료 전지 시스템은, 전극촉매로서 백금을 포함하는 촉매를 갖는 연료 전지를 갖고 있으며, 이 제어 방법은, (a) 상기 연료 전지의 미리 정해진 아이들링 상태에 있어서의 제1 전압을 취득하고, (b) 상기 연료 전지 차량이 주행 상태로부터 정지 상태로 천이했을 때, 상기 연료 전지의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경하고, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 취득하는 공정과, (c) 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 상기 연료 전지의 셀 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하는 공정과, (d) 상기 회복 처리 시간 동안, 상기 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 저하시켜서 상기 촉매의 회복 처리를 실행하는 공정을 구비한다. 이 형태의 연료 전지 시스템의 제어 방법에 의하면, 제1 셀 전압과 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 연료 전지의 촉매를 회복시킬 때의 회복 처리 전압과, 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간이 취득되고, 회복 처리 시간 동안, 연료 전지의 전압을 회복 처리 전압으로 저하시킬 수 있는 연료 전지 회복 처리가 실행되므로, 연료 전지의 연비 악화를 억제하여, 효율적으로 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 실행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은, 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 외에, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 연료 전지 차량 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예로서의 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은, 연료 전지의 촉매의 회복 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 연료 전지의 기동으로부터 연료 전지의 촉매의 회복 처리까지의 연료 전지의 전압 천이를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 회복 처리 시간과 연료 전지의 촉매 활성율과의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 회복 처리 전압과 촉매 활성과 연료 전지 내의 상대 습도와의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 제3 실시 형태의 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 8은, 연료 전지의 온도와 회복 처리 전압과의 관계를 나타내는 그래프의 일례이다.
도 9는, 연료 전지의 온도와 회복 처리 시간과의 관계를 나타내는 그래프의 일례이다.
도 10은, 제2 실시 형태의 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 연료 전지의 온도와 회복 처리 시간과의 관계를 나타내는 그래프의 일례다.
도 12는, 연료 전지에 대하여 회복 처리를 실행하는 경우의 회복 처리 시간과 연료 전지로부터 바이패스시키는 캐소드 가스의 양과의 관계를 나타내는 설명도이다.

제1 실시 형태:

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 차량 등에 탑재되고, 운전자로부터의 요구에 따라서, 구동력으로서 사용되는 전력을 출력한다. 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(10)와, 제어부(20)와, 캐소드 가스 공급부(30)와, 캐소드 가스 배출부(40)와, 애노드 가스 공급부(50)와, 애노드 가스 순환 배출부(60)와, 냉매 공급부(70)를 구비한다.

연료 전지(10)는, 반응 가스로서 수소(애노드 가스)와 공기(캐소드 가스)를 공급 받아서 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(10)는, 단위 셀이라고도 불리는 복수의 발전체(11)가 적층된 스택 구조를 갖는다. 각 발전체(11)는, 전해질막의 양면에 전극을 배치한 발전체인 막 전극 접합체(도시하지 않음)와, 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터(도시하지 않음)를 갖는다.

여기서, 전해질막은, 습윤 상태에서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자, 예를 들어 퍼플루오로 카본 술폰산 중합체의 박막에 의해 구성할 수 있다. 또한, 전극은, 발전 반응을 촉진시키기 위한 촉매가 담지된 도전성 입자에 의해 구성할 수 있다. 촉매로서는, 예를 들어 백금(Pt)을 채용할 수 있고, 도전성 입자로서는, 예를 들어 카본(C) 입자를 채용할 수 있다.

제어부(20)는, 중앙 처리 장치와 주기억 장치를 구비하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 제어부(20)는, 출력 전력의 요구를 받아, 그 요구에 따라서, 이하에 설명하는 각 구성부를 제어하고, 연료 전지(10)에 발전시킨다.

캐소드 가스 공급부(30)는, 캐소드 가스 배관(31)과, 공기 압축기(32)와, 에어플로우미터(33)와, 개폐 밸브(34)와, 가습부(35)와, 바이패스 밸브(36)를 구비한다. 캐소드 가스 배관(31)은, 연료 전지(10)의 캐소드측에 접속된 배관이다. 공기 압축기(32)는, 캐소드 가스 배관(31)을 통해 연료 전지(10)와 접속되어 있으며, 외기를 도입해서 압축한 공기를, 캐소드 가스로서 연료 전지(10)에 공급한다.

에어플로우미터(33)는, 공기 압축기(32)의 상류측에 있어서, 공기 압축기(32)가 도입하는 외기의 양을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 이 계측값에 기초하여, 공기 압축기(32)를 구동함으로써, 연료 전지(10)에 대한 공기의 공급량을 제어한다.

개폐 밸브(34)는, 공기 압축기(32)와 연료 전지(10)의 사이에 설치되어 있으며, 캐소드 가스 배관(31)에 있어서의 공기의 흐름에 따라서 개폐한다. 구체적으로는, 개폐 밸브(34)는, 통상적으로 폐쇄된 상태이며, 공기 압축기(32)로부터 소정의 압력을 갖는 공기가 캐소드 가스 배관(31)에 공급되었을 때 개방한다.

가습부(35)는, 공기 압축기(32)로부터 송출된 고압 공기를 가습한다. 제어부(20)는, 전해질막의 습윤 상태를 유지하여 양호한 프로톤 전도성을 얻기 위해서, 가습부(35)에 의해, 연료 전지(10)에 공급되는 공기의 가습량을 제어하고, 연료 전지(10) 내부의 습윤 상태를 조정한다. 또한, 가습부(35)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)과 접속되어 있으며, 배기 가스 중의 수분을 고압 공기의 가습에 사용한다.

캐소드 가스 배출부(40)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)과, 압력 조절 밸브(43)와, 압력 계측부(44)를 구비한다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 연료 전지(10)의 캐소드측에 접속된 배관이며, 캐소드 배기 가스를 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출한다. 압력 조절 밸브(43)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 캐소드측의 배압]을 조정한다. 압력 계측부(44)는, 압력 조절 밸브(43)의 상류측에 설치되어 있으며, 캐소드 배기 가스의 압력을 계측하고, 그 계측값을 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 압력 계측부(44)의 계측값에 기초하여 압력 조절 밸브(43)의 개방도를 조정한다.

바이패스 밸브(36)는, 공기 압축기(32)와 가습부(35)의 사이에 배치되어 있다. 바이패스 밸브(36)와, 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 캐소드 가스 바이패스관(37)에 의해 접속되어 있다. 바이패스 밸브(36)는, 연료 전지(10)의 통상 운전 시에는, 공기 압축기(32)로부터 송출된 고압 공기를, 가습부(35)로 흘리지만, 후술하는 바와 같이, 연료 전지(10)의 촉매 활성을 회복시키는 회복 운전을 실행하는 경우에는, 공기 압축기(32)로부터 송출된 고압 공기의 일부를, 캐소드 가스 바이패스관(37)을 경유하여 캐소드 배기 가스 배관(41)으로 흘린다.

애노드 가스 공급부(50)는, 애노드 가스 배관(51)과, 수소 탱크(52)와, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)를 구비한다. 수소 탱크(52)는, 애노드 가스 배관(51)을 통해 연료 전지(10)의 애노드와 접속되어 있으며, 탱크 내에 충전된 수소를 연료 전지(10)에 공급한다. 또한, 연료 전지 시스템(100)은, 수소 탱크(52)를 대신하여, 탄화수소계의 연료를 개질해서 수소를 생성하는 개질부를, 수소의 공급원으로서 구비하고 있는 것으로 하여도 된다.

개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)는, 애노드 가스 배관(51)에, 이 순서로, 상류측[수소 탱크(52)측]으로부터 설치되어 있다. 개폐 밸브(53)는, 제어부(20)로부터의 지령에 의해 개폐하고, 수소 탱크(52)로부터 수소 공급 장치(55)의 상류측으로의 수소의 유입을 제어한다. 레귤레이터(54)는, 수소 공급 장치(55)의 상류측에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이며, 그 개방도가 제어부(20)에 의해 제어되어 있다.

수소 공급 장치(55)는, 예를 들어 전자 구동식의 개폐 밸브인 인젝터에 의해 구성할 수 있다. 압력 계측부(56)는, 수소 공급 장치(55)의 하류측의 수소의 압력을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 압력 계측부(56)의 계측값에 기초하여, 수소 공급 장치(55)를 제어함으로써, 연료 전지(10)에 공급되는 수소량을 제어한다.

애노드 가스 순환 배출부(60)는, 애노드 배기 가스 배관(61)과, 기액 분리부(62)와, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 수소 순환용 펌프(64)와, 애노드 배수 배관(65)과, 배수 밸브(66)와, 압력 계측부(67)와, 애노드 배기 가스 배출 밸브(68)와, 애노드 배기 가스 배출관(69)을 구비한다. 애노드 배기 가스 배관(61)은, 연료 전지(10)의 애노드 출구와 기액 분리부(62)를 접속하는 배관이며, 발전 반응에 사용되는 적이 없는 미반응 가스(수소나 질소 등)를 포함하는 애노드 배기 가스를 기액 분리부(62)로 유도한다.

기액 분리부(62)는, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 애노드 배수 배관(65)에 접속되어 있다. 기액 분리부(62)는, 애노드 배기 가스에 포함되는 기체 성분과 수분을 분리하고, 기체 성분에 대해서는, 애노드 가스 순환 배관(63)으로 유도하고, 수분에 대해서는 애노드 배수 배관(65)으로 유도한다.

애노드 가스 순환 배관(63)은, 애노드 가스 배관(51)의 수소 공급 장치(55)보다 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 수소 순환용 펌프(64)가 설치되어 있으며, 이 수소 순환용 펌프(64)에 의해, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소는, 애노드 가스 배관(51)으로 송출된다. 이와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)에서는, 애노드 배기 가스에 포함되는 수소를 순환시켜서, 다시 연료 전지(10)에 공급함으로써, 수소의 이용 효율을 향상시키고 있다.

애노드 가스 순환 배관(63)은, 애노드 배기 가스 배출 밸브(68)와, 애노드 배기 가스 배출관(69)에 의해, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 접속되어 있다. 연료 전지(10)에서는, 막 전극 접합체의 한쪽 면에 캐소드 가스(공기)가 공급되고, 다른 쪽 면에 애노드 가스(수소)가 공급되어 반응이 실행된다. 여기서, 캐소드 가스 중에 포함되는 질소 등이, 막 전극 접합체를 통해서 애노드측으로 이동한다. 한편, 전술한 바와 같이, 애노드 가스는 순환되고 있다. 그 결과, 애노드 가스 중의 질소의 분압이 상승하고, 수소의 분압이 내려간다. 그로 인해, 정기적, 혹은, 수소의 분압이 내려갔을 때에는, 애노드 배기 가스 배출 밸브(68)가 개방되고, 질소를 포함하는 애노드 배기 가스는, 애노드 배기 가스 배출관(69)에 의해 대기로 배출된다. 또한, 애노드 배기 가스에는, 미반응된 수소가 포함되어 있기 때문에, 애노드 배기 가스 배출관(69)으로부터 직접 대기로 배출되는 것이 아니라, 캐소드 배기 가스 배관(41)으로 배출되고, 캐소드 배기 가스 배관(41)에서 캐소드 배기 가스에 의해 희석되어 대기로 배출된다.

애노드 배수 배관(65)은, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 수분을 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하기 위한 배관이다. 배수 밸브(66)는, 애노드 배수 배관(65)에 설치되어 있으며, 제어부(20)로부터의 지령에 따라서 개폐한다. 제어부(20)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 중에는, 통상적으로 배수 밸브(66)를 폐쇄해 두고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나, 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스의 배출 타이밍에 배수 밸브(66)를 개방한다.

애노드 가스 순환 배출부(60)의 압력 계측부(67)는, 애노드 배기 가스 배관(61)에 설치되어 있다. 압력 계측부(67)는, 연료 전지(10)의 수소 매니폴드의 출구 근방에 있어서, 애노드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 애노드측의 배압]을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다.

냉매 공급부(70)는, 냉매용 배관(71)과, 라디에이터(72)와, 삼방 밸브(73)와, 냉매 순환용 펌프(75)와, 2개의 냉매 온도계측부(76a, 76b)를 구비한다. 냉매용 배관(71)은, 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉매를 순환시키기 위한 배관이며, 상류측 배관(71a)과, 하류측 배관(71b)과, 바이패스 배관(71c)으로 구성된다.

상류측 배관(71a)은, 연료 전지(10)에 설치된 냉매용의 출구 매니폴드와 라디에이터(72)의 입구를 접속한다. 하류측 배관(71b)은, 연료 전지(10)에 설치된 냉매용의 입구 매니폴드와 라디에이터(72)의 출구를 접속한다. 바이패스 배관(71c)은, 일단부가, 삼방 밸브(73)를 통해 상류측 배관(71a)과 접속되고, 타단부가, 하류측 배관(71b)에 접속되어 있다. 제어부(20)는, 삼방 밸브(73)의 개폐를 제어함으로써, 바이패스 배관(71c)으로의 냉매의 유입량을 조정하여, 라디에이터(72)에의 냉매의 유입량을 제어한다.

라디에이터(72)는, 냉매용 배관(71)에 설치되어 있으며, 냉매용 배관(71)을 흐르는 냉매와 외기의 사이에서 열 교환시킴으로써, 냉매를 냉각한다. 냉매 순환용 펌프(75)는, 하류측 배관(71b)에 있어서, 바이패스 배관(71c)의 접속 개소보다 하류측[연료 전지(10)의 냉매 입구측]에 설치되어 있으며, 제어부(20)의 지령에 기초하여 구동한다.

2개의 냉매 온도계측부(76a, 76b)는 각각, 상류측 배관(71a)과, 하류측 배관(71b)에 설치되어 있으며, 각각의 계측값을 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 각 냉매 온도계측부(76a, 76b)의 각각의 계측값의 차로부터 연료 전지(10)의 운전 온도를 검출한다. 또한, 제어부(20)는, 검출한 연료 전지(10)의 운전 온도에 기초하여, 냉매 순환용 펌프(75)의 회전수를 제어하여, 연료 전지(10)의 운전 온도를 조정한다.

연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 차량의 차량 정보를 취득하기 위한, 외기온 센서(101), 차속 센서(102), 시프트 레버 센서(103)와, 액셀러레이터(104)를 더 구비한다. 액셀러레이터(104)는, 운전자로부터의 출력 요구를 검지하고, 제어부(20)로 전달한다. 외기온 센서(101)는, 연료 전지 차량 외부의 기온을 검출하고, 제어부(20)로 송신한다. 차속 센서(102)는, 연료 전지 차량의 현재의 속도를 검출하고, 제어부(20)로 송신한다. 시프트 레버 센서(103)는, 시프트 레버(도시하지 않음)의 포지션[예를 들어 P(주차), R(후진), N(중립), D(전진), B(전진 또는 회생 브레이크)의 어느 포지션]인지를 취득한다. 제어부(20)는, 이 센서로부터 얻어진 정보를 적절히, 연료 전지(10)의 출력 제어나 회복 운전 제어를 위해서 이용한다. 또한, 주차 브레이크 센서가 구비되어 있어도 된다.

도 2는, 연료 전지 시스템(100)의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다. 연료 전지 시스템(100)은, 이차 전지(81)와, DC/DC 컨버터(82)와, DC/AC 인버터(83)를 구비한다. 또한, 연료 전지 시스템(100)은, 셀 전압 계측부(91)와, 전류 계측부(92)와, 임피던스 계측부(93)와, SOC 검출부(94)를 구비한다.

연료 전지(10)는, 직류 배선 DCL을 통해 DC/AC 인버터(83)에 접속되어 있으며, DC/AC 인버터(83)는, 연료 전지 차량의 구동력원인 모터(200)에 접속되어 있다. 이차 전지(81)는, DC/DC 컨버터(82)를 통하여, 직류 배선 DCL에 접속되어 있다.

이차 전지(81)는, 연료 전지(10)와 함께 전력 공급원으로서 기능한다. 이차 전지(81)는, 예를 들어 리튬이온 전지로 구성할 수 있다. 제어부(20)는, DC/DC 컨버터(82)를 제어함으로써, 연료 전지(10)의 전류·전압과, 이차 전지(81)의 충방전을 제어하고, 직류 배선 DCL의 전압 레벨을 가변으로 조정한다.

이차 전지(81)에는, SOC 검출부(94)가 접속되어 있다. SOC 검출부(94)는, 이차 전지(81)의 충전 상태인 SOC(State of Charge)를 검출하고, 제어부(20)로 송신한다. 여기서, 이차 전지(81)의 SOC란, 이차 전지(81)의 충전 용량에 대한 이차 전지(81)의 충전 잔량(축전량)의 비율을 의미한다. SOC 검출부(94)는, 이차 전지(81)의 온도나 전력, 전류를 계측함으로써, 이차 전지(81)의 SOC를 검출한다.

제어부(20)는, SOC 검출부(94)의 검출값에 기초하여, 이차 전지(81)의 SOC가 소정의 범위 내에 수용되도록, 이차 전지(81)의 충방전을 제어한다. 구체적으로는, 제어부(20)는, SOC 검출부(94)로부터 취득한 이차 전지(81)의 SOC가 미리 설정된 하한값보다 낮은 경우에는, 연료 전지(10)의 출력하는 전력에 의해, 이차 전지(81)를 충전한다. 또한, 이차 전지(81)의 SOC가 미리 설정된 상한값보다 높은 경우에는, 이차 전지(81)로 방전시킨다.

DC/AC 인버터(83)는, 연료 전지(10)와 이차 전지(81)로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 모터(200)에 공급한다. 그리고, 모터(200)에 의해 회생 전력이 발생하는 경우에는, DC/AC 인버터(83)가, 그 회생 전력을 직류 전력으로 변환한다. 직류 전력으로 변환된 회생 전력은, DC/DC 컨버터(82)를 통해 이차 전지(81)에 축전된다.

셀 전압 계측부(91)는, 연료 전지(10)의 각 발전체(11)와 접속되어 있으며, 각 발전체(11)의 전압(셀 전압)을 계측한다. 셀 전압 계측부(91)는, 그 계측 결과를 제어부(20)로 송신한다. 또한, 셀 전압 계측부(91)는, 계측한 셀 전압 중, 가장 낮은 셀 전압만을 제어부(20)로 송신하는 것으로 하여도 된다.

전류 계측부(92)는, 직류 배선 DCL에 접속되어 있으며, 연료 전지(10)의 출력하는 전류값을 계측하고, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 셀 전압과 전류의 실측값과 목표값(제어값)의 사이에 차가 발생하고 있는 경우에는, 그 차가 수렴되도록, 그들 제어값을 수정하는, 소위 피드백 제어를 실행한다.

임피던스 계측부(93)는, 연료 전지(10)에 접속되어 있으며, 연료 전지(10)에 교류 전류를 인가함으로써, 연료 전지(10) 전체의 임피던스를 측정하고, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 임피던스 계측부(93)의 계측 결과에 기초하여, 연료 전지(10)의 전해질막의 습윤 상태를 관리한다. 개폐 스위치(95)는, 직류 배선 DCL에 설치되어 있으며, 제어부(20)의 지령에 기초하여, 연료 전지(10) 및 이차 전지(81)와, 모터(200) 사이의 전기적 접속을 제어한다. 또한, 제어부(20)는, 임피던스 계측부(93)가 임피던스 측정에 있어서 특정한 발전체(11)를 측정했을 때의 값을 사용하여도 된다.

연료 전지 차량이 운전되면, 연료 전지(10)의 발전 성능[연료 전지(10)의 촉매 활성]이 저하되는 것이 알려져 있다. 따라서, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 부하가 작은 아이들링 상태일 때, 연료 전지(10)에 대하여 연료 전지(10)의 발전 성능[연료 전지(10)의 촉매 활성]을 회복시키는 회복 운전을 실행시킨다. 여기서, 「아이들링 상태」란, 운전자에 의해, 연료 전지 차량의 액셀러레이터가 오프로 되어, 연료 전지 차량의 구동륜에 구동력이 공급되지 않았지만, 발전을 위한 가스 공급, 냉매 공급을 위한 전력과, 에어컨, 비상등, 헤드라이트 등의 액세서리 기기에 전력이 공급되어 있는 상태이며, 또한 연료 전지(10)의 셀 전압을 0.6V보다 높게 유지한 상태를 의미한다. 아이들링 상태로 되는 일례로서, 연료 전지 차량이 신호 대기에서 일시 정지하고 있는 상태, 혹은, 내리막길에서 운전자가 액셀러레이터를 밟지 않은 상태 등을 들 수 있다. 아이들링 상태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)에의 애노드 가스나 캐소드 가스의 공급량을, 통상 운전 시의 공급량보다도 저하시켜도 된다.

도 3은, 연료 전지의 촉매의 회복 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 4는, 연료 전지의 기동으로부터 연료 전지의 촉매의 회복 처리까지의 연료 전지의 전압 천이를 나타내는 그래프이다.

스텝 S100에서는, 제어부(20)는, 초기의 아이들링 상태에 있어서의 연료 전지(10)의 초기 셀 전압 V0을 취득한다. 연료 전지(10)가 기동된 후, 연료 전지 차량이 달리기 시작하기 전에, 제어부(20)는, 일단, 연료 전지(10)의 개개의 발전체(11)의 전압(이하 「셀 전압」이라고도 함)을 0.6V 이하로 내린 후, 다시 아이들링 상태로 하여 연료 전지(10)의 초기 셀 전압 V0(이하 「초기 셀 전압 V0」이라고 함)을 취득한다. 이 초기 셀 전압 V0은, 금회의 연료 전지(10)의 기동 후, 연료 전지(10)의 운전이 종료될 때까지의 동안에 있어서, 연료 전지(10)의 발전체(11)가 아이들링 상태에서 발생시키는 것이 가능한 최대의 전압이다.

또한, 연료 전지(10)는 복수의 발전체(11)를 포함하고 있다. 전술한 바와 같이, 셀 전압 계측부(91)는, 각 발전체(11)의 셀 전압을 계측한다. 본 실시 형태 및 이후의 실시 형태에 있어서, 셀 전압이라 하는 경우에는, 복수의 발전체(11)의 셀 전압의 평균값을 사용하여도 된다. 또한, 복수의 발전체(11) 중, 가장 전압이 낮은 발전체(11)의 셀 전압을 사용하여도 된다. 또한, 복수의 발전체(11) 중, 가장 전압이 높은 발전체(11)의 셀 전압을 사용하여도 된다.

연료 전지(10)는, 연속해서 사용되면, 촉매에 산화 피막이 형성되거나, 혹은, 촉매에 술폰산 이온 등의 음이온(anion)이 부착되는 음이온 피독 등에 의해 성능이 저하되어 간다. 연료 전지(10)의 기동 전에는 연료 전지(10)는, 전압을 발생시키지 않고, 저전압이라고 생각되기 때문에, 음이온 피독은 완화되어 있다. 또한, 산화 피막에 대해서는, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내림으로써, 용이하게 제거하는 것이 가능하다. 그 결과, 초기 셀 전압 V0은, 금회의 연료 전지(10)의 기동 후, 연료 전지(10)의 운전이 종료될 때까지의 동안에 있어서, 연료 전지(10)의 발전체(11)가 아이들링 상태에서 발생시키는 것이 가능한 최대의 전압으로 된다.

스텝 S105에서는, 운전자에 의한 통상 운전이 실행된다. 여기서, 통상 운전이란, 운전자가 액셀러레이터를 밟고, 다양한 속도로 연료 전지 차량을 운전하고 있는 상태를 의미한다. 이 스텝 S105에 있어서는, 운전자가 도로 상황에 기초하여 다양한 운전을 행하기 때문에, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압은, 운전 상태에 의존하여 크게 변동한다. 또한, 이 통상 운전 중에는, 서서히 촉매에 산화 피막이 형성되거나, 혹은, 음이온 피독이 진행되어 가고, 연료 전지(10)의 촉매가 성능이 저하되어 간다.

스텝 S110에서는, 운전자의 액셀러레이터(104)의 오프를 검지한다. 예를 들어 신호 대기에 의해, 연료 전지 차량이 정차하고, 운전자가 액셀러레이터로부터 발을 떼었을 때, 운전자의 액셀러레이터(104)의 오프가 검지된다.

스텝 S115에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)를 아이들링 상태에서 운전한다. 또한, 연료 전지(10)를 아이들링 상태에서 운전하는 것을 「아이들 운전」이라고도 한다. 스텝 S120에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리를 실행할지 여부를 판단한다. 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 기동 후, 일정 시간이 경과되어 있던 후의 아이들링 상태로 된 경우에 회복 처리를 실행하여도 된다. 또한, 정차 후의 아이들링 상태에 있어서의 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압에 기초하여, 회복 처리를 실행하여도 된다. 셀 전압이, 미리 정해진 전압보다 낮은 경우에는, 성능 저하되고 있기 때문에, 회복 처리를 행하는 것이 바람직하다. 정차 후의 아이들링 상태에 있어서의 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압에 기초하여, 회복 처리를 실행하는 경우에는, 제어부(20)는, 스텝 S120과, 후술하는 스텝 S125의 순서를 바꿔도 된다.

스텝 S125에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)를 아이들링 상태로 하여 연료 전지(10)의 발전체(11)의 회복 처리 직전의 셀 전압 V1(후술하는 V1a 또는 V1b)을 취득한다. 또한, 스텝 S100에서는, 제어부(20)는, 일단, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내리고, 다시 아이들링 상태로 하여 연료 전지(10)의 초기 셀 전압 V0을 취득하였지만, 스텝 S125에서는, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내리기 전의 셀 전압 V1a를 취득하여도 되며, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내리고, 다시 아이들링 상태로 하였을 때의 셀 전압 V1b를 취득하여도 된다. 셀 전압 V1b는, 셀 전압 V1a보다도 높다. 이 이유는, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내림으로써, 촉매로부터 산화 피막이 제거되고, 산화 피막에 기인하는 연료 전지(10)의 촉매 성능 저하가 회복되기 때문이다. 또한, 산화 피막은 단시간(0.1초 정도)으로 제거 가능한 점에서, 산화 피막이 제거된 상태에 있어서의 셀 전압 V1b를 사용한 쪽이 바람직하다. 또한, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 0.6V 이하로 내리는 것에 의한 셀 전압의 회복은, 일시적인 것이기 때문에, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압은, 시간의 경과와 함께 점차 저하된다.

스텝 S130에서는, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과, 전압 V1b의 전압차 ΔV1b를 사용하여, 연료 전지(10)에 대하여 촉매의 회복 처리를 실행할 때의 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압(회복 처리 전압 Vt1)과, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 회복 처리 전압으로 유지하는 시간(회복 처리 시간 t1)을 취득한다. 예를 들어, 전압차 ΔV1b와, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1의 관계는, 미리 맵에 등록되어 있으며, 제어부(20)는, 이 맵을 사용하여 전압차 ΔV1b로부터 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득하여도 된다. 또한, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1a의 전압차 ΔV1a를 사용하여, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득하여도 된다. 이 경우, 예를 들어 제어부(20)는, 산화 피막에 기인하는 연료 전지(10)의 성능 저하분(V1b-V1a)을 경험칙에 비추어 미리 상정해 두고, 전압차 ΔV1a로부터 이 성능 저하분을 빼서 맵을 적용하여도 되며, 전압차 ΔV1a와, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1의 관계를 별도의 맵에 등록해 두고, 이 별도의 맵을 사용하여, 전압차 ΔV1a로부터 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득하여도 된다.

또한, 도 4에서는, 회복 처리 전압 Vt1은 0.6V보다도 크게 도시되어 있지만, 도 4의 회복 처리 전압 Vt1은 일례이며, 맵에 의해, 회복 처리 전압 Vt1의 값으로서, 0.6V보다도 작은 값이 취득되어도 된다.

스텝 S135에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 회복 처리 전압 Vt1로 내리고, 회복 처리 시간 t1의 동안 유지함으로써, 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리를 실행한다. 회복 처리 전압 Vt1로 내리는 방법으로서는, 아이들링 상태 그대로 캐소드 가스나 애노드 가스의 연료 전지(10)에의 공급량을 바꾸지 않고, DC/DC 컨버터(82)(도 2)를 사용하여 연료 전지(10)로부터 대전류를 인입하고, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 내려도 된다. 또한, 제어부(20)는, 연료 전지(10)에의 캐소드 가스의 공급량을 저감시켜서 연료 전지(10)에 있어서의 발전 반응을 억제하고, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 내려도 된다.

스텝 S140에서는, 회복 처리 후의 연료 전지(10)의 아이들링 상태에 있어서의 셀 전압 V2a를 취득한다. 스텝 S145에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 촉매가 회복되었는지 여부를 판단한다. 예를 들어, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과, 회복 처리 후의 셀 전압 V2a의 전압차 ΔV2a가 미리 정해진 값 이하인 경우에는, 연료 전지(10)의 촉매가 회복되었다고 판단하여도 된다.

도 5는, 회복 처리 시간 t1과 연료 전지(10)의 촉매 활성율의 관계를 나타내는 설명도이다. 연료 전지(10)의 초기 셀 전압 V0이 측정되었을 때의 촉매 활성율을 100%로 하고, 그 후, 촉매 활성율을 60%까지 저하시켰다. 그리고, 회복 처리 전압 Vt1을 0.05V로 하여, 회복 처리 시간 t1과 연료 전지(10)의 촉매 활성율의 관계를 측정하고, 그래프로 하였다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 회복 처리 시간 t1의 대수와, 촉매 활성율의 사이에는, 거의 직선의 관계가 있으며, 회복 처리 시간 t1을 길게 하면, 촉매는 보다 회복됨을 알 수 있었다. 또한, 촉매 활성율을 100% 근처까지 회복시키기 위해서는, 회복 처리 시간 t1을 1000분으로 해야만 하는 것처럼 보이지만, 실제의 연료 전지 차량에서는, 예를 들어 신호 대기마다 촉매의 회복 처리를 실행하면, 촉매 활성율이 60%까지 저하되지 않아, 더욱 단시간에 촉매 활성율을 회복시키는 것이 가능하다.

도 3의 스텝 S150에서는, 제어부(20)는, 스텝 S140에서 취득한 셀 전압 V2a를 스텝 S125의 셀 전압 V1b로서 적용하고, 처리를 스텝 S130으로 이행한다. 또한, 제어부(20)는, 2회째 이후의 회복 처리 전압과 회복 처리 시간을 취득하는 경우에는, 맵을 변경하여도 된다. 즉, 1회째의 전압차 ΔV1b로부터 취득한 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1에서는, 회복 처리 전압 Vt1이 높았거나, 혹은, 회복 처리 시간 t1이 짧았다고 추정된다. 그로 인해, 제어부(20)는, 회복 처리 전압을 저전압측으로 이행시키거나, 혹은, 회복 처리 시간을 장시간 측으로 이후시킨 맵으로 갱신하고, 새로운 맵을 사용하여, 전압차 ΔV2a(전압차 ΔV2a=V0-V2a)로부터 2회째의 회복 처리 전압 Vt2와 회복 처리 시간 t2를 취득하여도 된다. 또한, 제어부(20)는, 맵을 갱신하지 않고, 종래의 맵을 사용하여도 된다. 이 경우, 2회째의 스텝 S130에서는, 제어부(20)는, 종래의 맵을 사용하여 회복 처리 전압과, 회복 처리 시간을 취득하고, 종래의 맵에 의한 회복 처리 전압을 저전압 측으로 보정하거나, 혹은, 종래의 맵에 의한 회복 처리 시간을 장시간 측으로 보정하여도 된다.

제어부(20)는, 2회째 이후의 회복 처리에 대해서도 마찬가지로 실행한다. 2회째 이후의 회복 처리 후의 연료 전지(10)의 아이들링 상태에 있어서의 셀 전압 V2b를 취득하고, 초기 셀 전압 V0과, 회복 처리 후의 셀 전압 V2b의 전압차 ΔV2b가 미리 정해진 값보다도 큰 경우에는, 마찬가지로 회복 처리를 반복하여도 된다.

도 6은, 회복 처리 전압과, 촉매 활성과, 연료 전지(10) 내의 상대 습도의 관계를 나타내는 설명도이다. 연료 전지(10) 내의 상대 습도가 90%일 때는, 회복 처리 전압이 0.4V보다도 낮으면 촉매 활성이 회복되기 쉽다고 할 수 있다. 또한, 연료 전지(10) 내의 상대 습도가 170%로, 연료 전지(10)의 막 전극 접합체가 액수(液水)로 채워지는 상태로 되면, 회복 처리 전압이 0.65V보다도 낮으면 촉매 활성이 회복되기 쉽다. 즉, 연료 전지(10)의 상대 습도가 높을수록 연료 전지(10)의 촉매 활성을 회복시키기 쉽다고 할 수 있다. 전체적으로 보면, 회복 처리 전압은, 0.4V보다도 낮은 것이 바람직하고, 0.2V보다도 낮으면 더 바람직하다.

연료 전지(10)를 회복시키는 경우에, 회복 처리 전압 Vt1을 낮게 하면, 전술한 바와 같이, 연료 전지(10)로부터 대전류를 끌어들여, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 저전압으로 한다. 연료 전지(10)의 애노드 가스의 소비량은, 전류량에 비례하기 때문에, 회복 처리 전압 Vt1을 낮게 할수록, 구동에 사용되지 않는 전력을 발생시키므로, 애노드 가스의 소비가 늘어서, 연료 전지 차량의 연비를 나쁘게 한다. 또한, 회복 처리 시간 t1이 길어지면, 애노드 가스의 소비가 증가된다. 본 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압 V1b(혹은 전압 V1a)를 취득하고, 초기 셀 전압 V0과의 차인 전압차 ΔV1b로부터 맵을 사용하여, 애노드 가스의 소비가 최소로 되는 최적의 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득하여, 연료 전지(10)의 회복 처리를 실행한다. 그 결과, 회복 처리에 있어서의 애노드 가스의 소비를 억제하고, 효율적으로 연료 전지(10)의 촉매를 회복시키는 것이 가능하게 된다.

제2 실시 형태:

제2 실시 형태의 장치 구성은, 제1 실시 형태의 장치 구성과 동일하지만, 그 제어 방법이 서로 다르다. 제2 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지의 온도 Ta(냉매의 온도)를 사용하여, 연료 전지의 온도 Ta가 일정한 범위 내에 있는 경우에 회복 처리를 실행함과 함께, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1b와, 연료 전지의 온도 Ta를 사용하여, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득한다.

도 7은, 제2 실시 형태의 연료 전지의 회복 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 7에서는, 도 3에서 도시된 제1 실시 형태의 연료 전지의 회복 처리의 흐름도의 각 스텝의 처리와 동일한 처리에 대해서는, 동일한 스텝 번호가 부여되어 있다.

스텝 S200에서는, 도 3에 도시한 스텝 S100, S105, S110의 처리가 실행된다. 그 후, 스텝 S115의 처리가 실행되는, 이들 S100, S105, S110, S115의 처리에 대해서는, 도 3에서 이미 설명하고 있기 때문에, 도 7의 설명에 있어서는, 설명을 생략한다. 이후, 도 3에 있어서 설명한 스텝과 동일한 스텝에 대해서는, 설명을 생략, 또는, 간단한 설명으로 한다.

스텝 S210에서는, 제어부(20)는, 연료 전지의 온도 Ta를 취득한다. 예를 들어, 제어부(20)는, 냉매 온도계측부(76a)(도 1)를 사용하여 연료 전지(10)로부터 나오는 냉매의 온도를 취득하고, 냉매의 온도로부터 연료 전지(10)의 온도를 추정 또는 산출하여도 된다. 또한, 제어부(20)는, 연료 전지(10)에 흐르는 전류와 전압을 사용하여, 연료 전지(10)의 임피던스를 취득하고, 임피던스로부터 연료 전지(10)의 온도를 추정 또는 산출하여도 된다. 제1 실시 형태의 도 3 스텝 S120에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 기동 후의 경과 시간이나, 정차 후의 아이들링 상태에 있어서의 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압에 기초하여, 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리를 실행할지 여부를 판단하였지만, 제2 실시 형태에서는, 이들 외에, 연료 전지(10)의 온도도 가미하여, 연료 전지(10)의 회복 처리를 실행할지 여부를 판단한다. 즉, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 미리 정해진 온도 범위(Tlow∼Thigh)에 들어 있는 경우에 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리를 실행한다. 연료 전지(10)의 온도 Ta가 임계값 Tlow보다 낮은 경우에는, 연료 전지(10) 내의 수분은 결로되고, 연료 전지 내는 수분 과다로 되어 있으며, 플러딩이 발생하는 경우가 있다. 한편, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 임계값 Thigh보다도 높은 경우에는, 연료 전지(10) 내의 수분이 증발하여, 연료 전지(10) 내는 건조되어 있기 때문에, 회복 처리에 의해 음이온 피독을 완화하기 어렵다. 따라서, 제어부(20)는, 연료 전지(10) 내가 적절하게 습윤하고 있는 경우에 회복 처리를 실행한다. 또한, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, Tlow보다 낮은 경우나, Thigh보다도 높은 경우에는, 제어부(20)는, 처리를 스텝 S250으로 이행하고, 연료 전지(10)의 온도 Ta를 조정하여도 된다. 구체적으로는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 임계값 Tlow보다 낮은 경우에는, 연료 전지(10)에의 냉매의 공급량을 저감시켜서 연료 전지(10)의 온도를 상승시킨다. 반대로, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 임계값 Thigh보다도 높은 경우에는, 연료 전지(10)에의 냉매의 공급량을 증가시켜서 연료 전지(10)의 온도를 하강시킨다. 또한, 제어부(20)는, 온도에 대하여, 냉매의 온도뿐만 아니라, 연료 전지 스택의 가장 온도가 높아지기 쉬운 발전체(11)의 셀 온도를 기준으로 하여도 된다. 예를 들어, 연료 전지 스택의 중앙 부근의 발전체(11)는, 온도가 높아지기 쉽고, 반대로 연료 전지 스택의 단부 부근의 발전체(11)는, 온도가 내려가기 쉽다.

스텝 S125에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 회복 처리 직전의 셀 전압 V1b를 취득한다. 스텝 S220에서는, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1b와의 전압차 ΔV1b와, 연료 전지(10)의 온도 Ta를 사용하여, 연료 전지(10)의 촉매에 대하여 회복 처리를 실행할 때의 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압(회복 처리 전압 Vt1)과, 연료 전지(10)를 회복 처리 전압으로 유지하는 시간(회복 처리 시간 t1)을 취득한다.

도 8은, 연료 전지의 온도 Ta와, 회복 처리 전압 Vt1의 관계를 나타내는 그래프의 일례이다. 여기에서는, 회복 처리 전압 Vt1은, 연료 전지(10)의 온도에 대한 값으로서 도시되어 있다. 또한, 2개의 그래프는, 각각, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1b와의 전압차 ΔV1b의 크기가 큰 경우와, 작은 경우를 나타내고 있다. 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 임계값 Tlow와 임계값 Thigh의 중간 온도일 때에는, 회복 처리 전압 Vt1을 극소로 하고, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 중간 온도로부터 높아져도, 낮아져도, 회복 처리 전압 Vt1을 높게 한다. 또한, 제어부(20)는, 전압차 ΔV1b가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 미리 취득된 맵에 따라서, 회복 처리 전압 Vt1을 낮게 한다. 또한, 회복 처리 전압 Vt1이 극소로 되는 온도는, 전압차 ΔV1b가 서로 다르면, 상이하여도 된다.

도 9는, 연료 전지의 온도 Ta와, 회복 처리 시간 t1과의 관계를 나타내는 그래프의 일례이다. 여기에서는, 회복 처리 시간 t1은, 연료 전지(10)의 온도에 대한 값으로서 나타내고 있다. 또한, 2개의 그래프는, 각각, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1b와의 전압차 ΔV1b의 크기가 큰 경우와, 작은 경우를 나타내고 있다. 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 임계값 Tlow와 임계값 Thigh와의 중간 온도일 때에는, 회복 처리 시간 t1을 극대로 하고, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 중간 온도로부터 높아져도, 낮아져도, 회복 처리 시간 t1을 짧게 한다. 또한, 제어부(20)는, 전압차 ΔV1b가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 미리 취득된 맵에 따라서, 회복 처리 시간 t1을 길게 한다. 또한, 회복 처리 시간 t1이 극소로 되는 온도는, 전압차 ΔV1b가 서로 다르면, 상이하여도 된다.

도 8의 스텝 S230에서는, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과 셀 전압 V1b와의 전압차 ΔV1b와, 연료 전지의 온도 Ta를 사용하여, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 산출한다. 다음의 스텝 S135, S140에서는, 제어부(20)는, 도 3에서 설명한 것과 마찬가지로 처리를 실행한다. 스텝 S145에서, 제어부(20)는, 촉매가 충분히 회복되지 않았다고 판단된 경우에는, 처리를 스텝 S240으로 이행하고, 연료 전지(10)의 온도 Ta를 취득한다. 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리의 사이에 연료 전지(10)의 온도가 변화되는 경우가 있을 수 있기 때문이다. 그 후, 제어부(20)는, 스텝 S150에서 마찬가지의 처리를 행한다.

이상, 제2 실시 형태에 의하면, 전압차 ΔV1b에 추가로 연료 전지(10)의 온도 Ta를 사용하여, 회복 처리 전압 Vt1과 회복 처리 시간 t1을 취득하고, 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리를 실행한다. 그로 인해, 제1 실시 형태보다도 더 섬세한 회복 처리가 가능하게 되어, 효율적인 연료 전지(10)의 촉매의 회복을 행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 제2 실시 형태에 있어서, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 미리 정해진 온도 범위(Tlow∼Thigh)에 들어 있는 경우에, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 회복 처리를 실행한다. 연료 전지(10)의 온도가 낮을수록, 연료 전지(10) 내의 수증기는 결로되고, 회복 처리에 의해 음이온 피독을 완화하기 쉬워진다. 따라서, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 미리 정해진 온도 범위(Tlow∼Thigh)에 들어 있는 경우에도, 연료 전지(10)에의 냉매 공급량을 많게 하여, 연료 전지(10)의 온도 Ta가, 임계값 Tlow에 근접하도록 하여도 된다.

제3 실시 형태:

제3 실시 형태의 장치 구성은, 제2 실시 형태의 장치 구성과 동일하지만, 그 제어 방법이 서로 다르다. 제2 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta가 소정의 범위 내가 되는 경우에 연료 전지(10)의 회복 처리를 실행한다. 제3 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 온도 Ta뿐만 아니라, 시프트 레버의 위치를 검출하여 회복 처리 시간을 변경한다. 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리는, 전술한 바와 같이, 정차 중의 아이들링 운전 중에 실행된다. 여기서, 정차 시간이 긴 경우에는, 회복 처리 시간 t1을 길게 설정하는 것이 가능하게 된다. 그런데, 운전자에 따라서는, 비교적 긴 신호대기 등에 있어서, 시프트 레버를 P(주차) 혹은 N(중립)으로 하는 경우가 있다. 또한, 주차 브레이크를 당기는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 제어부(20)는, 회복 처리 시간 t1을 길게 설정하여도 된다. 또한, 최근 들어 풋 브레이크 방식의 주차 브레이크도 있어, 이 경우 주차 브레이크를 「당기다」가 아니라 「밟다」로 표현해야 하지만, 본원에서는, 「당기다」로 표현한다.

도 10은, 제3 실시 형태의 연료 전지의 촉매의 회복 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 10에서는, 도 3에서 도시된 제1 실시 형태의 연료 전지의 촉매의 회복 처리의 흐름도, 혹은 도 7에서 도시된 제2 실시 형태의 연료 전지의 촉매의 회복 처리의 흐름도의 각 스텝의 처리와 동일한 처리에 대해서는, 동일한 스텝 번호를 부여하여 설명을 생략한다.

스텝 S200(S100, S105, S110), 스텝 S115의 처리는, 도 3, 도 7에 있어서의 설명에서 설명한 처리와 동일하다. 다음 스텝 S300에서는, 제어부(20)는, 시프트 레버의 포지션을 취득한다. 스텝 S210, S220, S125의 처리는, 도 7에 있어서의 설명에서 설명한 처리와 동일하다. 스텝 S310에서는, 제어부(20)는, 초기 셀 전압 V0과, 셀 전압 V1b와의 전압차 ΔV1b와, 연료 전지(10)의 온도 Ta와, 시프트 레버의 포지션을 사용하여, 연료 전지(10)의 촉매에 대하여 회복 처리를 실행할 때의 회복 처리 전압 Vt1과, 회복 처리 시간 t1을 취득한다.

도 11은, 연료 전지의 온도 Ta와, 회복 처리 시간 t1과의 관계를 나타내는 그래프의 일례이다. 도 11에서는, 시프트 레버의 포지션이 P, N인 경우의 그래프와, 시프트 레버의 포지션이 P, N 이외인 경우의 그래프를 나타내고 있다. 제어부(20)는, 시프트 레버의 포지션이 P, N인 경우에는, P, N 이외인 경우에 비하여, 회복 처리 시간 t1을 길게 한다. 또한, 시프트 레버의 포지션이 N인 경우에는, 제어부(20)는, 또한 주차 브레이크가 당겨지고 있는 경우에 회복 처리 시간 t1을 길게 하여도 된다. 또한, 제어부(20)는, 시프트 포지션에 따라 서로 다른 맵을 사용하여도 된다.

도 10의 스텝 S135 이후의 처리에 대해서는, 제2 실시 형태에서 설명한 처리와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

이상, 제3 실시 형태에 의하면, 시프트 레버의 포지션에 따라, 비교적 장시간의 정차, 즉, 비교적 장시간의 아이들 운전이 실행 가능하다고 상정되는 경우에, 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리 시간 t1을 길게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 제3 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 시프트 레버의 포지션에 따라 연료 전지(10)의 회복 처리 시간 t1을 길게 하였지만, 예를 들어 브레이크의 밟는 힘에 의해, 브레이크의 밟는 힘이 큰 경우에 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리 시간 t1을 길게 하여도 된다. 또한, 브레이크에 추가로 주차 브레이크가 당겨진 경우에 연료 전지(10)의 촉매의 회복 처리 시간 t1을 길게 하여도 된다.

제4 실시 형태:

제1 내지 제3의 실시 형태에서는, 연료 전지(10)의 회복 처리에 있어서, 제어부(20)는, DC/DC 컨버터(82)에 의해 인입되는 전류를 제어함으로써 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 저하시켜서 회복 처리를 실행한다. 이에 반하여, 제4 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 연료 전지(10)에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시킴으로써, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 저하시킨다. 즉, 제어부(20)는, 연료 전지(10)에의 캐소드 가스의 공급량을 저감시켜 연료 전지(10)에 있어서의 발전 반응을 억제하고, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 내려도 된다.

연료 전지(10)의 통상 운전에서는, 공기 압축기(32)로부터 송출된 고압 공기(캐소드 가스)는, 가습부(35)로 보내진다. 한편, 연료 전지(10)의 회복 처리에서는, 공기 압축기(32)로부터 송출된 캐소드 가스는, 바이패스 밸브(36)에 의해 2방향으로 분배되고, 캐소드 가스의 일부가 캐소드 가스 바이패스관(37)을 경유하여 캐소드 배기 가스 배관(41)으로 흘려지고, 캐소드 가스의 나머지는 가습부(35)를 경유해서 연료 전지(10)에 공급된다. 즉, 제어부(20)는, 바이패스 밸브(36)의 개폐를 제어하여, 연료 전지(10)에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시키고, 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압을 저하시켜서 회복 처리를 실행한다.

도 12는, 연료 전지(10)에 대하여 회복 처리를 실행하는 경우의 회복 처리 시간과, 연료 전지(10)로부터 바이패스시키는 캐소드 가스의 양과의 관계를 나타내는 설명도이다. 횡축은, 회복 처리 시간 t1이며, 종축은, 캐소드 가스 바이패스관(37)을 경유하여 캐소드 배기 가스 배관(41)으로 흘려지는 캐소드 가스의 양이다. 따라서, 도 12의 위로 갈수록 캐소드 가스의 바이패스량이 많아서， 연료 전지(10)에 공급되는 캐소드 가스의 양이 적다. 한편, 도 12의 아래로 갈수록 캐소드 가스의 바이패스량이 적어, 연료 전지(10)에 공급되는 캐소드 가스의 양이 많다.

도 12에는, 3개의 선이 그려져 있다. 횡축에 수평인 2개의 선 중, 상측의 선은, 연료 전지(10)의 출력 확보의 관점에서 정해져 있는 선이다. 아이들 운전 중이더라도, 연료 전지 차량은, 에어컨 등에 전력이 사용된다. 그로 인해, 연료 전지(10)는, 최저한의 전력을 출력한다. 따라서, 캐소드 가스의 바이패스량은, 이 선으로 나타나는 양보다도 적은 양이다. 또한, 외기온 등에 의해 에어컨 등에서 소비되는 전력은 상이하다. 따라서, 외기온에 의해, 이 선의 높이를 변경하여도 된다. 또한, 아이들링 중의 소비 전력에 기초하여, 이 선을 정하여도 된다.

횡축에 수평인 2개의 선 중, 하측의 선은, 배기 가스 중의 수소 농도로부터 정해진다. 본 실시 형태에서는, 미반응의 수소를 포함하는 애노드 배기 가스는, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 합류되어 배출된다. 여기서, 배기 가스 중의 수소 농도는 낮은 쪽이 바람직하다. 하측의 선은, 배기 가스 중의 수소 농도를 일정 이하로 억제하기 위해서 필요한 애노드 가스(공기)의 양으로부터 정해진다. 따라서, 캐소드 가스의 바이패스량은, 이 선으로 나타나는 양보다도 많은 양이다.

경사진 선은, 연료 전지(10)의 연비로부터 요구되는 선이다. 연료 전지(10)의 발전체(11)의 셀 전압이 내려가면, 연료 전지(10)의 특성으로부터 전류가 증가하여, 연료 소비량이 증가된다. 연료 소비면으로부터는, 제어부(20)는, 회복 처리 시간 t1이 긴 경우에는, 연료 전지의 전압을 내릴 수 없기 때문에, 회복 처리 시간 t1이 짧은 경우에 비하여, 연료 전지(10)로 흘리는 캐소드 가스의 양을 적게 한다 (바이패스량을 많게 함). 따라서, 캐소드 가스의 바이패스량은, 이 선보다도 좌하에서 나타나는 양이면 된다.

이상, 제4 실시 형태에 의하면, 제어부(20)는, 회복 처리 시간 t1과, 캐소드 가스의 바이패스량이, 이상의 3개의 선에 의해 규정되는 범위(도 12의 해칭이 들어간 범위)에 수용되도록 연료 전지(10)의 회복 처리를 실행함으로써, 연비를 악화시키지 않고, 전력 부족으로 되지 않아 효율적으로 회복 처리를 실행할 수 있다.

이상, 몇 가지 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하여 왔지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지와 청구범위를 일탈하지 않고, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.

10: 연료 전지
11: 발전체
20: 제어부
30: 캐소드 가스 공급부
31: 캐소드 가스 배관
32: 공기 압축기
33: 에어플로우미터
34: 개폐 밸브
35: 가습부
36: 바이패스 밸브
37: 캐소드 가스 바이패스관
40: 캐소드 가스 배출부
41: 캐소드 배기 가스 배관
43: 압력 조절 밸브
44: 압력 계측부
50: 애노드 가스 공급부
51: 애노드 가스 배관
52: 수소 탱크
53: 개폐 밸브
54: 레귤레이터
55: 수소 공급 장치
56: 압력 계측부
60: 애노드 가스 순환 배출부
61: 애노드 배기 가스 배관
62: 기액 분리부
63: 애노드 가스 순환 배관
64: 수소 순환용 펌프
65: 애노드 배수 배관
66: 배수 밸브
67: 압력 계측부
68: 애노드 배기 가스 배출 밸브
69: 애노드 배기 가스 배출관
70: 냉매 공급부
71: 냉매용 배관
71a: 상류측 배관
71b: 하류측 배관
71c: 바이패스 배관
72: 라디에이터
73: 삼방 밸브
75: 냉매 순환용 펌프
76a: 냉매 온도계측부
81: 이차 전지
91: 셀 전압 계측부
92: 전류 계측부
93: 임피던스 계측부
95: 개폐 스위치
100: 연료 전지 시스템
101: 외기온 센서
102: 차속 센서
103: 시프트 레버 센서
104: 액셀러레이터
200: 모터
DCL: 직류 배선
Ta: 온도
Tlow: 임계값
Thigh: 임계값
t1: 회복 처리 시간
t2: 회복 처리 시간
V0: 초기 전압
V1: 셀 전압
V1a: 셀 전압
V1b: 셀 전압
V2a: 셀 전압
V2b: 셀 전압
Vt1: 회복 처리 전압
Vt2: 회복 처리 전압
ΔV1a: 전압차
ΔV1b: 전압차
ΔV2a: 전압차
ΔV2b: 전압차

Claims

연료 전지 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템이며,
전극촉매로서 백금을 포함하는 촉매를 갖는 연료 전지와,
상기 연료 전지의 셀 전압을 계측하는 셀 전압 계측부와,
상기 연료 전지 시스템의 제어를 행하는 제어부
를 구비하고,
(a) 상기 셀 전압 계측부는, 상기 연료 전지 차량의 미리 정해진 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제1 셀 전압을 취득하고,
(b) 상기 연료 전지 차량이 주행 상태로부터 정지 상태로 천이했을 때, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경하고, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 취득하고,
(c) 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 상기 연료 전지의 셀 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하고,
(d) 상기 제어부는, 상기 회복 처리 시간 동안, 상기 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 저하시켜서 상기 촉매의 회복 처리를 실행하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 (b)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 차량을 상기 아이들링 상태로 하기 전에 상기 연료 전지의 셀 전압을 0.6V 이하로 일단 저하시키는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 (a)에 있어서, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 연료 전지의 기동 후, 상기 연료 전지 차량이 주행 상태가 되기 전에, 상기 제어부가, 상기 연료 전지의 셀 전압을 일단 0.6V 이하로 저하시킨 후, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경한 후의 셀 전압을 상기 제1 셀 전압으로 하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 상기 회복 처리 전압을 저하시키는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 상기 회복 처리 시간을 길게 하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 또한,
(e) 상기 회복 처리가 실행된 후, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 하여, 상기 셀 전압 계측부는, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 다시 취득하고,
(f) 상기 다시 취득된 제2 셀 전압과 상기 제1 셀 전압의 차가, 미리 정해진 범위보다도 큰 경우에는, 상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 다시 취득된 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 회복 처리 전압과, 상기 회복 처리 시간을 취득하는, 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압은, 상기 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압보다도 낮은, 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간은, 상기 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간보다도 긴, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료 전지의 습윤 상태를 검지하는 습윤 검지부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차와, 상기 습윤 상태에 기초하여, 상기 회복 처리 전압과 상기 회복 처리 시간을 취득하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료 전지의 온도를 취득하는 온도 취득부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 연료 전지의 온도가 미리 정해진 제1 온도 이상이며, 또한 제2 온도 이하인 경우에 상기 회복 처리를 실행하는, 연료 전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제3 온도에 있어서 상기 회복 처리 전압을 극소로 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하는, 연료 전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제4 온도에 있어서 상기 회복 처리 시간의 길이를 극대로 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료 전지 차량의 시프트 포지션을 검지하는 시프트 포지션 검지부를 더 구비하고,
상기 시프트 포지션이, 주차 또는 중립일 때, 상기 제어부는, 상기 회복 처리 시간의 길이를 길게 하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 조정하는 가스 유량 조정부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시킴으로써 상기 회복 처리 전압을 저하시키는, 연료 전지 시스템.
제14항에 있어서,
상기 연료 전지 시스템은,
상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급관과,
상기 연료 전지로부터 캐소드 배기 가스를 배출하는 캐소드 가스 배기관과,
상기 캐소드 가스 공급관에 설치된 바이패스 밸브와,
상기 바이패스 밸브와 상기 캐소드 가스 배기관을 접속하는 바이패스관
을 구비하고,
상기 바이패스 밸브에 의해 상기 바이패스관으로 흘리는 캐소드 가스의 양이 증가됨으로써 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양이 감소되는, 연료 전지 시스템.
연료 전지 차량에 탑재되고, 전극촉매로서 백금을 포함하는 촉매를 갖는 연료 전지를 갖는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
(a) 상기 연료 전지 차량의 미리 정해진 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제1 셀 전압을 취득하는 공정과,
(b) 상기 연료 전지 차량이 주행 상태로부터 정지 상태로 천이했을 때, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경하고, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 취득하는 공정과,
(c) 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 연료 전지의 촉매를 회복시키기 위한 회복 처리 전압과, 상기 연료 전지의 셀 전압을 상기 회복 처리 전압으로 유지하는 회복 처리 시간을 취득하는 공정과,
(d) 상기 회복 처리 시간 동안, 상기 연료 전지의 전압을 상기 회복 처리 전압으로 저하시켜서 상기 촉매의 회복 처리를 실행하는 공정
을 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항에 있어서,
상기 공정 (b)는, 상기 연료 전지 차량을 상기 아이들링 상태로 하기 전에 상기 연료 전지의 셀 전압을 0.6V 이하로 일단 저하시키는 공정을 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 공정 (a)는, 상기 연료 전지의 기동 후, 상기 연료 전지 차량이 주행 상태가 되기 전에, 상기 연료 전지의 셀 전압을 일단 0.6V 이하로 저하시킨 후, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 변경한 후의 셀 전압을 상기 제1 셀 전압으로 하는 공정을 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 상기 회복 처리 전압을 저하시키는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 미리 정해진 값과 비교해서 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차가 상기 미리 정해진 값일 때보다 상기 회복 처리 시간을 길게 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
(e) 상기 회복 처리가 실행된 후, 상기 연료 전지 차량의 운전 상태를 상기 아이들링 상태로 하여, 상기 아이들링 상태에 있어서의 상기 연료 전지의 제2 셀 전압을 다시 취득하는 공정과,
(f) 상기 다시 취득된 제2 셀 전압과 상기 제1 셀 전압의 차가, 미리 정해진 범위보다도 큰 경우에는, 상기 제1 셀 전압과 상기 다시 취득된 제2 셀 전압의 차를 이용하여, 상기 회복 처리 전압과, 상기 회복 처리 시간을 취득하는 공정
을 더 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제21항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 공정 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 공정 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 공정 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압은, 상기 공정 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 전압보다도 낮은, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제21항에 있어서,
상기 제1 셀 전압과 상기 공정 (b)에서 취득된 제2 셀 전압의 차와, 상기 제1 셀 전압과 상기 공정 (e)에서 취득된 제2 셀 전압의 차가 동일한 크기인 경우, 상기 공정 (f)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간은, 상기 공정 (c)에 있어서 취득되는 회복 처리 시간보다도 긴, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 연료 전지의 습윤 상태를 검지하는 공정과,
상기 제1 셀 전압과 상기 제2 셀 전압의 차와, 상기 습윤 상태에 기초하여, 상기 회복 처리 전압과 상기 회복 처리 시간을 취득하는 공정
을 더 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 연료 전지의 온도를 취득하는 공정과,
상기 연료 전지의 온도가 미리 정해진 제1 온도 이상이며, 또한 제2 온도 이하인 경우에 상기 회복 처리를 실행하는 공정
을 더 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제25항에 있어서,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제3 온도에 있어서 상기 회복 처리 전압을 극소로 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제3 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 전압을 크게 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제25항에 있어서,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 미리 정해진 제4 온도에 있어서 상기 회복 처리 시간의 길이를 극대로 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제1 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하고,
상기 연료 전지의 온도가 상기 제4 온도로부터 상기 제2 온도에 근접함에 따라서 상기 회복 처리 시간을 짧게 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 연료 전지 차량의 시프트 포지션을 검지하는 공정과,
상기 시프트 포지션이, 주차 또는 중립일 때, 상기 회복 처리 시간의 길이를 길게 하는 공정
을 더 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 조정하는 공정과,
상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시킴으로써 상기 회복 처리 전압을 저하시키는 공정
을 더 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
제29항에 있어서,
상기 연료 전지 시스템은,
상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급관과,
상기 연료 전지로부터 캐소드 배기 가스를 배출하는 캐소드 가스 배기관과,
상기 캐소드 가스 공급관에 설치된 바이패스 밸브와,
상기 바이패스 밸브와 상기 캐소드 가스 배기관을 접속하는 바이패스관
을 구비하고 있으며,
상기 바이패스 밸브에 의해 상기 바이패스관으로 흘리는 캐소드 가스의 양을 증가함으로써 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 양을 감소시키는 공정을 더 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.