KR101923764B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 탑재 차량 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 탑재 차량에 사용되는 연료 전지 시스템은, 연료 전지(100)와, 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부(220)와, 상기 연료 전지로부터의 연료 배기 가스를 배출하는 연료 가스 배출부(230)와, 제어부(110)를 구비하고, 상기 연료 전지의 운전이 종료된 때, 상기 제어부는, (a) 상기 연료 전지의 연료 배기 가스를 배기하여 감압하는 배기 처리와, (b) 상기 배기 처리의 이후, 연료 전지에 연료 가스를 공급하여 상기 연료 전지 중의 연료 가스의 분압을 높이는 처리를 실행한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 탑재 차량{FUEL CELL SYSTEM AND VEHICLE EQUIPPED WITH FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 탑재 차량에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2013-145709에는, 연료 전지의 운전을 정지할 때에, 운전 정지 후의 연료 전지의 내부(캐소드)에 산화제 가스가 잔류하지 않도록, 연료 전지로부터 출력되는 전류의 증대와 저하를 주기적으로 반복해서 산화제 가스를 효율적으로 소비하는 기술이 기재되어 있다. 산화제 가스의 소비 시에는, 분류 밸브를 모두 바이패스측으로 할 뿐만 아니라, 압력 조절 밸브를 완전 개방으로 하고 있다.
완전히 소비되지 않은 산소는, 연료 전지의 운전 종료 후, 전해질막을 통하여 애노드로 이동한다. 한편, 애노드에는, 캐소드로부터 이동해 온 질소 등의 불순물이 포함되기 때문에, 수소 분압이 낮은 경우가 있다. 수소 분압이 낮은 경우, 애노드 내부에 있어서, 수소와 산소가 반응하여, 애노드의 전극의 면 내에서 기전력이 발생할 가능성이 있다. 또한, 촉매의 내구성이 저하될 가능성이 있다. 한편, 수소 분압을 높이기 위해 수소를 애노드에 공급하면, 캐소드에 투과하는 수소량이 증가하고, 차회 시동 시에 캐소드의 수소를 배기할 때에 있어서 배출물 중의 수소 농도가 높아진다. 또한, 애노드의 전체 압이 높아지기 때문에, 애노드에 수소를 분사할 때의 분사압이나 애노드의 내압의 면에서 불리하다.
본 발명의 형태에 의하면, 연료 전지 탑재 차량에 사용되는 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 탑재 차량에 사용되는 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부와, 상기 연료 전지로부터의 연료 배기 가스를 배출하는 연료 가스 배출부와, 제어부를 포함한다. 상기 연료 전지의 운전이 종료된 때, 상기 제어부는, (a) 상기 연료 전지의 연료 배기 가스를 배기하여 감압하는 배기 처리와, (b) 상기 배기 처리의 이후, 연료 전지에 연료 가스를 공급하여 상기 연료 전지 중의 연료 가스의 분압을 높이는 처리를 실행한다. 이 형태에 의하면, 연료 전지로부터 배기 가스를 배출함으로써 불순물을 포함하는 연료 배기 가스를 배기하고, 그 후 연료 가스를 공급하므로, 전체 압을 높이는 일 없이, 불순물의 분압을 낮추고, 연료 가스의 분압을 높일 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 연료 가스의 분압을 산출하고, 상기 연료 가스의 분압이 소정의 분압 이상으로 될 때까지, 상기 처리 (a)(b)를 반복해도 된다. 이 형태에 의하면, 애노드극에 있어서의 연료 가스의 분압을 소정의 분압까지 높일 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 처리 (a)가 행해진 후의 상기 연료 전지의 내부의 압력은, 대기압보다도 높아도 된다. 처리 (a) 이후의 연료 전지의 내부의 압력으로 하기 위해서는, 시간이 걸리고, 시간이 걸리면, 연료 전지 중의 연료 가스의 분압이, 대기에 있어서의 연료 가스의 분압과 평형이 이루어져 버리고, 연료 전지 중의 연료 가스의 분압이, 오히려 낮아져 버린다. 이 형태에 의하면, 단시간에 처리 (a)를 실행할 수 있으므로, 연료 가스와 불순물은, 연료 전지에 있어서의 연료 가스와 불순물의 분압의 비와 동일한 비율로 배출할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부와, 상기 연료 전지의 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 가스 배출부와, 상기 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급하지 않고 상기 산화제 가스 배출부에 배출하는 바이패스 관과, 상기 산화제 가스를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 관으로 분류하기 위한 분류 밸브와, 상기 산화제 가스 배출부와 상기 바이패스 관의 접속부와, 상기 연료 전지와의 사이에 설치된 압력 조절 밸브를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 처리 (a) 전에, (c) 상기 압력 조절 밸브를 폐쇄함과 함께, 상기 분류 밸브를 사용하여 상기 연료 전지에 상기 산화제 가스를 공급하지 않고 상기 연료 전지로부터 전류를 끌어냄으로써 상기 연료 전지 중의 산화제 가스를 소비하는 처리를 행해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드의 산화제 가스를 감소시킬 수 있으므로, 캐소드측 촉매층의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 산화제 가스의 애노드극에의 확산량이 적으므로, 애노드극의 전극의 면 내에서 기전력이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 처리 (c)를 상기 연료 전지의 전압이, 미리 정해진 전압 미만으로 될 때까지 실행해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드측 촉매층의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 산화제 가스의 애노드극에의 확산량이 적으므로, 애노드극의 전극의 면 내에서 기전력이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부와, 상기 연료 전지의 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 가스 배출부와, 상기 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급하지 않고 상기 산화제 가스 배출부에 배출하는 바이패스 관과, 상기 산화제 가스를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 관으로 분류하기 위한 분류 밸브를 구비하고, 상기 연료 가스 배출부와 상기 산화제 가스 배출부는 접속되어 있고, 상기 제어부는, 상기 처리 (a)를 행할 때에, 모든 산화제 가스가 상기 바이패스 관으로 흐르도록 상기 분류 밸브를 제어하고, 배출되는 연료 가스를 희석하여 대기에 배출해도 된다. 이 형태에 의하면, 처리 (a)를 행할 때에 배출되는 가스 중의 연료 가스의 농도를 낮게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 외에, 연료 전지 탑재 차량 등의 형태로 실현할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특성과, 이점과, 기술적 및 산업적인 의의는 동등한 부호가 동등한 요소를 나타내는 이하에 첨부하는 도면에 의해 설명된다.
도 1은 연료 전지를 탑재한 차량을 도시하는 설명도.
도 2는 연료 전지 탑재 차량(10)의 연료 전지 시스템을 도시하는 설명도.
도 3은 연료 전지를 모식적으로 도시하는 설명도.
도 4는 연료 전지 탑재 차량(10)의 스타터 스위치가 오프로 된 후의 처리 흐름도.
도 5는 애노드극에 있어서의 전체 압과 수소 분압의 변화의 일례를 나타내는 설명도.
도 1은 실시 형태의 연료 전지를 탑재한 차량을 도시하는 설명도이다. 연료 전지 탑재 차량(10)은 연료 전지(100)와, 제어부(110)[ECU(Electronic Control Unit)라고도 칭함]와, 스타터 스위치(115)와, 요구 출력 검지부(120)와, 2차 전지(130)와, 전력 분배 컨트롤러(140)와, 구동 모터(150)와, 드라이브 샤프트(160)와, 동력 분배 기어(170)와, 차륜(180)을 구비한다.
연료 전지(100)는 연료 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전력을 취출하기 위한 발전 장치이다. 제어부(110)는 요구 출력 검지부(120)로부터 취득한 요구 출력값에 기초하여, 연료 전지(100)와 2차 전지(130)의 동작을 제어한다. 요구 출력 검지부(120)는 연료 전지 탑재 차량(10)의 액셀러레이터(도시하지 않음)의 답입량을 검지하고, 그 답입량의 크기로부터, 운전자로부터의 요구 출력을 검지한다. 제어부(110)는 요구 출력으로부터, 연료 전지(100)에 요구하는 요구 전력량을 산출한다. 스타터 스위치(115)는 연료 전지 탑재 차량(10)의 기동, 정지를 전환하는 메인 스위치이다. 2차 전지(130)는 연료 전지 탑재 차량(10)의 기동 직후 등, 연료 전지(100)의 발전력이 작은 경우에, 연료 전지 탑재 차량을 움직이게 하기 위한 전력원으로서 사용된다. 2차 전지(130)로서, 예를 들어 니켈 수소 전지나, 리튬 이온 전지를 채용하는 것이 가능하다. 2차 전지(130)에의 충전은, 예를 들어 연료 전지(100)로부터 출력되는 전력을 사용하여 직접 충전하는 것이나, 연료 전지 탑재 차량(10)이 감속할 때에 연료 전지 탑재 차량(10)의 운동 에너지를 구동 모터(150)에 의해 회생하여 충전함으로써 행하는 것이 가능하다. 전력 분배 컨트롤러(140)는 제어부(110)로부터의 명령을 받아, 연료 전지(100)로부터 구동 모터(150)에의 끌어내는 전력량과, 2차 전지(130)로부터 구동 모터(150)에 끌어내는 전력량을 제어한다. 또한, 전력 분배 컨트롤러(140)는 연료 전지 탑재 차량(10)의 감속 시에는, 제어부(110)로부터의 명령을 받아, 구동 모터(150)에 의해 회생된 전력을 2차 전지(130)에 보낸다. 구동 모터(150)는 연료 전지 탑재 차량(10)을 움직이게 하기 위한 전동기로서 기능한다. 또한, 구동 모터(150)는 연료 전지 탑재 차량(10)이 감속할 때에는, 연료 전지 탑재 차량(10)의 운동 에너지를 전기 에너지로 회생하는 발전기로서 기능한다. 드라이브 샤프트(160)는 구동 모터(150)가 발하는 구동력을 동력 분배 기어(170)에 전달하기 위한 회전축이다. 동력 분배 기어(170)는 좌우의 차륜(180)으로 구동력을 분배한다.
도 2는 연료 전지 탑재 차량(10)의 연료 전지 시스템을 도시하는 설명도이다. 연료 전지 탑재 차량(10)은 연료 전지(100)와, 연료 가스 공급 회로(200)와, 산화제 가스 공급 회로(300)와, 배기 가스 회로(400)와, 냉각 회로(500)를 구비한다.
연료 가스 공급 회로(200)는 연료 가스 탱크(210)와, 연료 가스 공급관(220)과, 연료 가스 배기관(230)과, 연료 가스 환류관(240)과, 주요 정지 밸브(250)와, 레귤레이터(260)와, 기액 분리기(280)와, 수소 펌프(290)를 구비한다. 연료 가스 탱크(210)는 연료 가스를 저장한다. 본 실시 형태에서는, 연료 가스로서, 수소를 사용하고 있다. 연료 가스 탱크(210)와, 연료 전지(100)는, 연료 가스 공급관(220)으로 접속되어 있다. 연료 가스 공급관(220)이 본 발명의 연료 가스 공급부의 일례이다. 연료 가스 공급관(220) 상에는, 연료 가스 탱크(210)측으로부터, 주요 정지 밸브(250)와, 레귤레이터(260)가 설치되어 있다. 주요 정지 밸브(250)는 연료 가스 탱크(210)로부터의 연료 가스의 공급을 온 오프한다. 레귤레이터(260)는 연료 전지(100)에 공급되는 연료 가스의 압력을 조정하는 압력 조정부이다.
연료 가스 배기관(230)은 연료 전지(100)로부터의 연료 배기 가스를 배출한다. 연료 가스 배기관(230)은 본 발명의 연료 가스 배출부의 일례이다. 연료 가스 환류관(240)은 연료 가스 배기관(230)과, 연료 가스 공급관(220)에 접속되어 있다. 연료 가스 환류관(240)이 본 발명의 환류부의 일례이다. 연료 가스 배기관(230)과 연료 가스 환류관(240) 사이에는, 기액 분리기(280)가 설치되어 있다. 연료 배기 가스에는, 소비되지 않은 수소와, 연료 전지(100)를 통하여 이동해 온 질소 등의 불순물과, 물이 포함되어 있다. 기액 분리기(280)는 연료 배기 가스 중의 물과, 가스(수소와 질소 등의 불순물)를 분리한다. 또한, 연료 가스 환류관(240)에는, 수소 펌프(290)가 설치되어 있다. 연료 전지 시스템은, 연료 가스 환류관(240) 및 수소 펌프(290)를 사용하여 연료 배기 가스를 연료 전지(100)에 공급함으로써, 연료 배기 가스 중의 수소를 발전에 이용한다.
산화제 가스 공급 회로(300)는 에어 클리너(310)와, 공기 압축기(320)[「펌프(320)」라고도 칭함]와, 산화제 가스 공급관(330)[「산화제 가스 공급부(330)」라고도 칭함]과, 분류 밸브(340)와, 대기압 센서(350)와, 외기온 센서(360)와, 에어 플로우 미터(370)와, 공급 가스 온도 센서(380)와, 공급 가스 압력 센서(390)를 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지(100)는 산화제 가스로서, 공기(공기 중의 산소)를 사용한다. 에어 클리너(310)는 공기를 도입할 때에, 공기 중의 진애를 제거한다. 펌프(320)는 공기를 압축하고, 산화제 가스 공급관(330)을 통하여 공기를 연료 전지(100)에 보낸다. 분류 밸브(340)는 산화제 가스 바이패스 관(450)에 접속되고, 공기를 연료 전지(100)와, 산화제 가스 바이패스 관(450)으로 분류한다. 대기압 센서(350)는 대기압을 측정한다. 외기온 센서(360)는 도입하기 전의 공기의 온도를 취득한다. 에어 플로우 미터(370)는 도입한 공기의 유량을 측정한다. 이 유량은, 연료 전지(100)의 공급되는 공기의 양과 거의 동일하다. 또한, 공기의 유량은, 펌프(320)의 회전수에 의해 바뀐다. 공급 가스 온도 센서(380)는 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 온도를 측정하고, 공급 가스 압력 센서(390)는 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 압력을 측정한다.
배기 가스 회로(400)는 배기 가스관(410)과, 압력 조절 밸브(420)와, 연료 가스 배출관(430)과, 배기 배수 밸브(440)와, 산화제 가스 바이패스 관(450)과, 소음기(470)를 구비한다. 배기 가스관(410)은 연료 전지(100)의 산화제 배기 가스를 배출한다. 배기 가스관(410)에는, 압력 조절 밸브(420)가 설치되어 있다. 압력 조절 밸브(420)는 연료 전지(100) 중의 공기의 압력을 조정한다. 연료 가스 배출관(430)은 기액 분리기(280)와, 배기 가스관(410)을 접속하고 있다. 연료 가스 배출관(430) 상에는, 배기 배수 밸브(440)가 설치되어 있다. 제어부(110)(도 1)는 연료 배기 가스 중의 질소 농도가 높아지거나, 또는, 기액 분리기(280) 중의 물의 양이 많아졌을 때에는, 배기 배수 밸브(440)를 개방하여, 물과 가스를 배기한다. 가스는, 질소 등의 불순물과 수소를 포함한다. 본 실시 형태에서는, 연료 가스 배출관(430)은 배기 가스관(410)에 접속되어 있고, 배출되는 가스 중의 수소는, 산화제 배기 가스에 의해, 희석된다. 산화제 가스 바이패스 관(450)은 산화제 가스 공급관(330)과, 배기 가스관(410)을 접속한다. 산화제 가스 바이패스 관(450)과 산화제 가스 공급관(330)의 접속부에는, 분류 밸브(340)가 설치되어 있다. 제어부(110)(도 1)는 배기 배수 밸브(440)를 개방하여, 물과 가스(주로 질소)를 배기할 때에, 분류 밸브(340)를 개방하여 산화제 가스 바이패스 관(450)에 공기를 흐르게 하고, 수소를 희석한다. 또한, 제어부(110)는 수소를 포함하는 가스를 배출할 때에는, 분류 밸브(340)를 개방하여 산화제 가스 바이패스 관(450)에 공기를 흐르게 하고, 수소를 희석한다. 소음기(470)는 배기 가스관(410)의 하류부에 설치되어 있고, 배기음을 감소시킨다. 배기 가스관(410)은 본 발명의 산화제 가스 배출부와, 배기부의 일례이다.
냉각 회로(500)는 냉각수 공급관(510)과, 냉각수 배출관(515)과, 라디에이터 관(520)과, 워터 펌프(525)와, 라디에이터(530)와, 바이패스 관(540)과, 3방 밸브(545)를 구비한다. 냉각수 공급관(510)은 연료 전지(100)에 냉각수를 공급하기 위한 관이며, 냉각수 공급관(510)에는 워터 펌프(525)가 배치되어 있다. 냉각수 배출관(515)은 연료 전지(100)로부터 냉각수를 배출하기 위한 관이다. 냉각수 배출관(515)의 하류부는, 3방 밸브(545)를 통해, 라디에이터 관(520)과, 바이패스 관(540)에 접속되어 있다. 라디에이터 관(520)에는, 라디에이터(530)가 설치되어 있다. 라디에이터(530)에는, 라디에이터 팬(535)이 설치되어 있다. 라디에이터 팬(535)은 라디에이터(530)에 바람을 보내고, 라디에이터(530)로부터 방열을 촉진한다. 라디에이터 관(520)의 하류부와, 바이패스 관(540)의 하류부는, 냉각수 공급관(510)에 접속되어 있다.
도 3은 연료 전지를 모식적으로 도시하는 설명도이다. 연료 전지(100)는 전해질막(101)과, 캐소드측 촉매층(102)과, 애노드측 촉매층(103)과, 캐소드측 가스 유로(104)와, 애노드측 가스 유로(105)를 구비하고 있다. 캐소드측 촉매층(102)과 캐소드측 가스 유로(104)를 합하여 캐소드극이라고 칭하고, 애노드측 촉매층(103)과 애노드측 가스 유로(105)를 합하여 애노드극이라고 칭한다. 전해질막은, 프로톤 전도성을 갖는 전해질막이며, 예를 들어 퍼플루오로카본술폰산 폴리머와 같은 불소계 전해질 수지(이온 교환 수지)가 사용된다. 캐소드측 촉매층(102)과, 애노드측 촉매층(103)은 촉매(예를 들어 백금)를 담지한 카본을 갖고 있다. 캐소드측 가스 유로(104)는 캐소드측 촉매층(102)에 공기를 공급하기 위한 유로이며, 카본페이퍼로 형성된 가스 확산층과, 익스팬드 메탈과 같은 다공성의 부재를 갖고 있다. 애노드측 가스 유로(105)는 애노드측 촉매층(103)에 공기를 공급하기 위한 유로이며, 카본페이퍼로 형성된 가스 확산층과, 세퍼레이터(도시하지 않음)에 의해 형성된, 서펜타인 형상의 유로를 구비하고 있다.
도 3의 상측 도면은, 연료 전지(100)를 정지한 직후의 상태를 도시한다. 연료 전지 탑재 차량(10)의 스타터 스위치(115)가 꺼지고, 연료 전지 탑재 차량(10) 및 그 연료 전지 시스템의 운전이 종료되면, 연료 가스 공급 회로(200)(도 2)의 주요 정지 밸브(250)와 레귤레이터(260)가 폐쇄되고, 수소 펌프(290)도 정지된다. 그 결과, 연료 전지(100)의 애노드극에는, 수소가 공급되지 않게 되지만, 미반응의 수소가 잔류하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(100)의 산화제 가스로서 공기를 사용하고 있다. 그로 인해, 캐소드극에 공급된 공기 중의 질소는, 연료 전지(100)의 운전 중에 전해질막(101)을 통하여 애노드극으로 이동하고 있다. 그로 인해, 애노드극에는, 수소 외에 질소도 포함되어 있다. 또한, 질소의 분압이 높아졌을 때에는, 배기 배수 밸브(440)를 개방함으로써, 질소의 일부는 배출된다. 한편, 캐소드극에는, 공기(주로 산소와 질소)가 잔류하고 있다.
도 3의 하측 도면은 연료 전지(100)가 정지하고 나서 소정 시간(예를 들어 1주간에서 2주간) 경과한 후의 상태를 도시한다. 애노드극측에 잔류하는 수소는, 캐소드극측으로 확산되고, 캐소드극측에 잔류하는 산소나 질소는, 애노드극측으로 확산되어 있다. 애노드극이나 캐소드극에는, 촉매를 담지한 카본이 존재하고 있기 때문에, 동일한 면 내에서 이하의 2개의 반응이 일어난다.
H2→2H＋＋2e- …(1)
(1/2)O2＋2H＋＋2e-→H2O …(2)
따라서, 상기 반응을 억제하기 위해서는, 애노드극에 잔류하는 수소나, 캐소드극에 잔류하는 산소를 저감시키는 것이 바람직하다. 여기서, 애노드극에 잔류하는 수소를 저감시키면, 애노드측 촉매층(103)을 열화시킬 우려가 있다. 그로 인해, 애노드극에 어느 정도의 수소를 잔류시키고, 캐소드극에 잔류하는 산소를 소비시킨다. 또한, 산소를 소비시키면, 캐소드측 촉매층의 촉매의 산화도 억제할 수 있다고 하는 이점도 있다. 여기서, 애노드극에 잔류하는 수소는, 캐소드극으로 확산되기 쉽다. 그로 인해, 애노드극에 잔류하는 수소의 분압을 지나치게 크게 하면, 캐소드극측으로 확산되는 수소가 많아진다. 그 결과, 연료 전지(100)의 차회의 기동 시에 캐소드극으로부터 배출되는 수소의 농도가 지나치게 높아진다. 이러한 경우, 수소를 희석하기 위해 공기 압축기(320)의 회전수를 높이기 때문에, 연비나 노이즈 바이브레이션에 있어서, 불리해진다.
도 4는 연료 전지 탑재 차량(10)의 스타터 스위치가 오프로 된 후의 처리 흐름도이다. 제어부(110)는 스텝 S100에서, 스타터 스위치(115)가 오프로 된 것을 검지하면, 처리를 스텝 S110으로 이행한다. 스텝 S110에서는, 제어부(110)는 분류 밸브(340)의 연료 전지(100)측을 폐쇄하고, 압력 조절 밸브(420)를 폐쇄한다. 이에 의해, 연료 전지(100)에는, 공기가 공급되지 않게 된다. 또한, 분류 밸브(340)의 산화제 가스 바이패스 관(450)측의 밸브는 폐쇄되지 않으므로, 공기는, 산화제 가스 바이패스 관(450)으로 흐른다.
스텝 S120에서는, 제어부(110)가 연료 전지(100)로부터 전류를 끌어냄으로써, 연료 전지(100)의 발전을 행하게 한다. 이에 의해, 연료 전지(100)의 캐소드극의 잔류하는 산소를 감소시킨다. 스텝 S130에서는, 제어부(110)는 연료 전지(100)의 전압이 소정의 전압 V1(예를 들어 0.6V/셀) 미만으로 되었는지의 여부를 판단한다. 제어부(110)는 연료 전지(100)의 전압이 V1 미만으로 되면, 캐소드극의 산소가 충분히 소비되었다고 판단할 수 있고, 처리를 스텝 S140으로 이행한다. 또한, 캐소드극의 산소가 소비되면, 캐소드극의 전체 압은 낮아진다.
스텝 S140에서는, 제어부(110)는 수소를 공급하여, 애노드극의 압력(전체 압)을 소정의 제1 압력 P1(예를 들어 160㎪)까지 높인다. 제어부(110)는 다음 스텝 S150에서, 배기 배수 밸브(440)를 개방하여, 배기 처리를 행하고, 애노드극의 압력(전체 압)을 소정의 제2 압력 P2(예를 들어 120㎪)까지 감압한다. 이에 의해, 애노드극의 수소와 불순물(주로 질소)이 배출된다. 또한, 제2 압력[연료 전지(100)의 내부의 압력]은 대기압보다도 큰 것이 바람직하다. 스텝 S150의 배기 배수 밸브(440)를 개방하는 시간을 장시간으로 하면, 대기 중의 수소 분압과 애노드극의 수소 분압이 평형 상태로 되어 버리지만, 단시간의 배출이라면, 수소와 불순물(주로 질소)은 애노드극에 있어서의 수소와 불순물(주로 질소)의 분압의 비와 동일한 비율로 배출된다. 또한, 애노드극의 압력은, 대기압 이하로는 할 수 없고, 애노드극의 압력을 대기압과 동일하게 하기 위해서는, 시간이 걸리기 때문에, 상술한 바와 같이, 대기 중의 수소 분압과 애노드극의 수소 분압이 평형 상태로 되어 버리고, 수소 분압이 오히려 낮아져 버린다.
스텝 S160에서는, 제어부(110)는 수소를 공급하여, 애노드극의 압력(전체 압)을 소정의 제3 압력 P3(예를 들어 150㎪)까지 높인다. 스텝 S160의 처리에서는, 애노드극의 불순물의 분압은 변함없지만, 수소 분압은 높아진다. 스텝 S170에서는, 제어부(110)는 수소 분압이 소정의 제4 압력 P4(예를 들어 90㎪) 이상으로 되었는지의 여부를 판단한다. 수소 분압은, 스타터 스위치(115)가 오프로 된 때의 애노드극의 수소 분압과, 불순물의 분압과, 그 후의 스텝 S140, 150, 160에 있어서의 수소의 출입을, 전체 압의 변화를 사용하여 연산함으로써 산출할 수 있다. 제어부(110)는 스타터 스위치(115)가 오프로 된 때의 애노드극의 수소 분압을 제로로 해도 된다. 이 경우, 애노드극의 전체 압은, 불순물의 분압이다. 또한, 제어부(110)는 애노드극의 불순물의 분압을, 대기 중의 질소의 분압으로 해도 된다. 이 경우, 애노드극의 전체 압으로부터 대기 중의 질소의 분압(약 80㎪)을 뺀 압력이 수소의 분압이다. 스텝 S170에 있어서 수소 분압이 제4 압력 P4 이상으로 되어 있으면, 제어부(110)는 처리를 스텝 S180으로 이행하여, 주요 정지 밸브(250), 레귤레이터(260)를 멈추고, 펌프(320)를 정지한다. 또한, 제1 압력 P1∼제4 압력 P4는, 이하의 2개의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.
P1＞P3＞P2＞＞P4
P2＞대기압
또한, 제4 압력 P4의 크기는, 연료 전지(100)의 전해질막(101)의 수소의 투과성 및 차회의 재기동까지의 시간을 어느 정도로 설정할 것인지에 따라 다르다.
도 5는 애노드극에 있어서의 전체 압과 수소 분압의 변화의 일례를 나타내는 설명도이다. 본 실시 형태에서는, 도 4의 스텝 S130에서 연료 전지의 전압이 V1 미만으로 되면, 산화제 가스 중의 산소는 소비되고, 대부분 질소로 된다. 이 상태에서는, 캐소드극의 전체 압≒캐소드극의 질소 분압≒대기 중의 질소의 분압이며, 캐소드극의 질소와 애노드극의 질소의 분압은 평형이다. 애노드극의 불순물(주로 질소)의 분압은, 대기 중의 질소의 분압과 거의 동일한 약 80㎪이다. 수소의 분압은, 그때까지의 연료 전지(100)의 운전 상태에 따라 다르지만, 전체 압을 측정함으로써 산출 가능하다. 도 5에서는, 일례로서, 전체 압의 측정 결과가 100㎪로서 설명한다. 수소 분압은 20㎪이다. 스텝 S140에서, 수소가 공급되고, 전체 압이 160㎪(P1)로 된다. 이때, 불순물의 분압은 변함없지만, 수소의 분압이 커진다. 일례에서는, 수소의 분압, 불순물의 분압은, 각각, 80㎪로 된다. 스텝 S150에서, 불순물, 수소가 배기되고, 전체 압이 120㎪(P2)로 된다. 이 때, 배기 후의 수소의 분압과 불순물의 분압의 비는, 배기 전의 수소의 분압과 불순물의 분압의 비와 동일한 비(1:1)이다. 배기 후의 수소의 분압과 불순물의 분압은, 각각 60㎪로 된다. 스텝 S160에서는, 수소가 공급되는, 전체 압이 150㎪(P3)로 된다. 불순물의 분압은 변함없지만, 수소의 분압만이 30㎪ 높아진다. 이에 의해, 애노드극의 수소 분압을 90㎪(P4)로 할 수 있다.
애노드극에 잔류하는 수소는, 시간이 경과하면, 도 3에서 설명한 바와 같이, 캐소드극으로 확산된다. 여기서, 애노드극에 있어서의 수소 분압이 제4 압력 P4 이상이면, 2주일 정도 연료 전지가 기동되지 않는 경우에도, 애노드측 촉매층(103)의 촉매층이 열화되지 않는 정도의 수소 분압을 유지할 수 있다. 또한, 애노드극에 있어서의 수소 분압을, 제4 압력 P4를 크게 초과하는 분압으로 해 버리면, 캐소드극으로 확산되는 수소의 양이 많아지고, 연료 전지(100)의 재기동 시에 캐소드극으로부터 수소를 배출할 때에, 수소 농도가 지나치게 높아진다. 그로 인해, 펌프(320)를 고회전으로 하여 수소를 희석한다. 본 실시 형태와 같이, 수소의 분압이 제4 압력 P4를 초과하는 정도라면, 캐소드극으로 확산되는 수소의 양은 그다지 많지 않으므로, 희석하지 않아도 된다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 탑재 차량(10)의 스타터 스위치(115)가 오프로 된 때, 제어부(110)는 배기 배수 밸브(440)를 개방하여, 연료 전지의 애노드극의 배기 가스를 배기하고(스텝 S150), 연료 전지(100)에 공급되는 수소의 압력을 승압하여 연료 전지(100) 중의 수소의 분압을 높이므로(스텝 S160), 애노드극의 전체 압을 높이는 일 없이, 질소 등의 불순물의 분압을 낮추고, 수소의 분압을 높일 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제1 압력 P1∼제4 압력 P4의 구체적인 값은, 일례이다.
또한, 제어부(110)는 수소의 분압이 소정의 제4 압력 P4로 될 때까지 스텝 S150, S160을 반복하므로, 애노드극에 있어서의 수소의 분압을 소정의 제4 압력 P4까지 높일 수 있다.
제어부(110)는 스텝 S150, S160 전에, 공기를 공급하지 않고(스텝 S110) 연료 전지(100)로부터 전류를 끌어냄으로써 연료 전지 중의 산소를 소비시키므로(스텝 S120), 캐소드측 촉매층(102)의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 산소의 애노드극에의 확산량이 적으므로, 애노드극의 전극의 면 내에서 기전력이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 제어부(110)는 스텝 S150을 실행할 때에, 공기를 산화제 가스 바이패스 관(450)으로 흘리므로, 배출되는 가스 중의 수소를 희석할 수 있다.
제어부(110)는 스텝 S110에 있어서, 압력 조절 밸브(420)를 폐쇄함으로써, 배기 가스관(410)로부터 공기가 역류하여 연료 전지(100)에 공급되는 것을 억제하고 있다. 그러나, 제어부(110)는 압력 조절 밸브(420)를 폐쇄하지 않고, 스텝 S120에서, 연료 전지(100)로부터 전류를 끌어냄으로써, 연료 전지(100)의 발전을 행하게 해도 된다.
이상, 몇 가지의 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지 및 특허청구범위를 일탈하는 일 없이, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.

Claims (7)

  1. 연료 전지 탑재 차량에 사용되는 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료 전지(100)와,
    상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부(220)와,
    상기 연료 전지로부터의 연료 배기 가스를 배출하는 연료 가스 배출부(230)와,
    제어부(110)를 포함하고,
    상기 연료 전지의 운전이 종료된 때, 상기 제어부는,
    (a) 상기 연료 전지의 연료 배기 가스를 배기하여 감압하는 배기 처리와,
    (b) 상기 배기 처리의 이후, 연료 전지에 연료 가스를 공급하여 상기 연료 전지 중의 연료 가스의 분압을 높이는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 연료 가스의 분압을 산출하고, 상기 연료 가스의 분압이 소정의 분압 이상으로 될 때까지, 상기 처리 (a)(b)를 반복하고,
    상기 소정의 분압은 대기압보다 낮은 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리 (a)가 행해진 후의 상기 연료 전지의 내부의 압력은, 대기압보다도 높은, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연료 전지에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부(330)와,
    상기 연료 전지의 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 가스 배출부(410)와,
    상기 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급하지 않고 상기 산화제 가스 배출부에 배출하는 바이패스 관(450)과,
    상기 산화제 가스를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 관으로 분류하기 위한 분류 밸브(340)와,
    상기 산화제 가스 배출부와 상기 바이패스 관의 접속부와, 상기 연료 전지와의 사이에 설치된 압력 조절 밸브(420)를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 처리 (a) 전에, (c) 상기 압력 조절 밸브를 폐쇄함과 함께, 상기 분류 밸브를 사용하여 상기 연료 전지에 상기 산화제 가스를 공급하지 않고 상기 연료 전지로부터 전류를 흐르게 함으로써 상기 연료 전지 중의 산화제 가스를 소비하는 처리를 행하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 처리 (c)를 상기 연료 전지의 전압이, 미리 정해진 전압 미만으로 될 때까지 실행하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연료 전지에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부(330)와,
    상기 연료 전지의 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 가스 배출부(410)와,
    상기 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급하지 않고 상기 산화제 가스 배출부에 배출하는 바이패스 관(450)과,
    상기 산화제 가스를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 관으로 분류하기 위한 분류 밸브(340)를 더 포함하고,
    상기 연료 가스 배출부와 상기 산화제 가스 배출부는 접속되어 있고,
    상기 제어부는, 상기 처리 (a)를 행할 때에, 모든 산화제 가스가 상기 바이패스 관으로 흐르도록 상기 분류 밸브를 제어하고, 배출되는 연료 가스를 희석하여 대기에 배출하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 또는 제3항에 기재된 연료 전지 시스템을 구비하는, 연료 전지 탑재 차량.
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