KR102092516B1 - 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

전해질막을 끼움 지지하는 애노드 촉매와 캐소드 촉매를 갖는 막전극 접합체와, 애노드 촉매측의 유로와 캐소드 촉매측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터로 형성된 연료 전지 본체와, 연료 전지 본체에 연료 가스를 공급하는 연료 공급계와, 연료 전지 본체에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급계와, 시스템의 운전 상태에 따라서 이들 공급계를 제어하는 제어 장치와, 애노드 촉매의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복 장치를 구비한 연료 전지 시스템이다. 이 시스템에 있어서, 촉매 열화 회복 장치는, 복수의 촉매 열화 회복 수단과, 시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단과, 특정 운전 상태에 따라서 복수의 촉매 열화 회복 수단을 선택적으로 작동시키는 선택 수단을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템, 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
본 발명은, 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
애노드극에 수소를 함유하는 연료 가스(애노드 가스)를 공급하고, 캐소드극에 산소를 함유하는 산화제 가스(캐소드 가스)를 공급하여 발전을 행하는 연료 전지 시스템에 있어서, 애노드극의 촉매층에 일산화탄소(이하, 'CO'라고도 함)가 흡착하는, 소위 CO 피독이 발생하면, 전극 반응이 저해되어 발전 성능이 저하된다.
CO 피독을 해소하기 위한 처리(이하, '촉매 회복 처리'라고도 함)로서, 일본 특허공개 제2005-25985호 공보 및 일본 특허 제5008319호 공보에는, 애노드극에 공급하는 연료 가스에 산소를 함유시킴으로써, CO를 산화시켜 촉매층으로부터 이탈시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 애노드극의 촉매 회복 처리에 대해서는, 일본 특허 제3536645호 공보, 일본 특허 제4969955호 공보, 및 일본 특허 제5151035호 공보에도 관련된 기재가 있다.
그러나, 상기와 같이 연료 가스에 산소를 함유시킴에 따른 촉매 회복 처리에서는, 촉매층 상에서 수소와 산소가 반응함으로써 발생하는 반응열에 의해, 전해질막이 열화될 우려가 있다.
또한, 상기와 같이 연료 가스에 산소를 함유시킴에 따른 촉매 회복 처리에서는, 전극 촉매 상에서 수소와 산소가 반응함으로써 발생하는 반응열에 의해, 전해질막이 열화될 우려가 있다.
그래서 본 발명에서는, 전해질막의 열화를 억제하면서 촉매 회복 처리를 실행할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 어떤 형태에 따른 연료 전지 시스템 및 제어 방법은, 시스템의 특정 운전 상태를 검출하고, 막전극 접합체의 상태 혹은 가스의 유로의 적어도 한쪽의 상태를 제어하여 촉매 회복 처리를 실행하고, 또한 당해 촉매 회복 처리를 특정 운전 상태에 기초하여 선택적으로 작동할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
도 1은, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템을 구성하는 막전극 접합체의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 II-II선 단면도이다.
도 3은, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 주요 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는, CO 피독이 발생하지 않은 애노드 촉매에서의 반응을 나타내는 도면이다.
도 5는, CO 피독이 발생한 애노드 촉매에서의 반응을 나타내는 도면이다.
도 6은, CO 피독으로부터의 회복에 대한 종래의 사고 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, CO 피독으로부터의 회복에 대하여 새로운 지견을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 산소 분압과 CO 피독으로부터의 회복 속도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는, 전해질막의 산소 투과량과 촉매층의 유효 표면적 회복률과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 산화제 가스 중의 산소 분압과 전해질막 투과 산소 투과량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은, 전해질막 온도와 산소 투과 계수와의 관계, 및 전해질막 습윤도와 산소 투과 계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는, 스택 온도와 촉매 회복 처리 속도와의 관계, 스택 온도와 CO 산화 반응 속도와의 관계, 및 스택 온도와 전해질막 투과 산소량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은, 스택 내 상대 습도와 촉매 회복 처리 속도와의 관계, 및 스택 내 상대 온도와 전해질막 투과 산소량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 블록을 나타내는 도면이다.
도 15는, 촉매 회복 처리의 개요를 나타내는 흐름도이다.
도 16은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 1)이다.
도 17은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 2)이다.
도 18은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 3)이다.
도 19는, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 4)이다.
도 20은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 5)이다.
도 21은, 본원 발명에 따른 실시 형태인 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 21은 본원 발명에 따른 실시 형태인 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템은 전해질막을 끼움 지지하는 애노드 촉매와 캐소드 촉매를 갖는 막전극 접합체와 애노드 촉매측의 유로와 캐소드 촉매측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터로 형성된 연료 전지 본체를 구비하고, 연료 전지 본체의 캐소드측 유로에 연료 가스를 공급하는 연료 공급계와, 애노드측 유로에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급계를 구비하고, 시스템의 운전 상태에 따라서 이들 공급계를 제어 장치에 의해 제어하고 있다.
또한, 본원에 있어서는, 애노드 촉매의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복 장치를 구비하고, 어떠한 상태에 있어서도 촉매가 열화되는 것을 억제하고 있다.
당해 촉매 열화 회복 장치는, 캐소드 촉매측 유로로부터 애노드 촉매측 유로로 막전극 접합체를 투과하는 산소량을 증가시키는 투과 산소량 증가 수단을 포함하는 복수의 촉매 열화 회복 수단을 구비하고, 당해 복수의 촉매 열화 회복 수단(제1 촉매 열화 회복 수단, 제2 촉매 열화 회복 수단)을 시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단으로부터의 신호에 따라서 선택적으로 작동시키는 선택 수단에 의해 운전 상태에 따라서 최적으로 제어하고 있다.
기본적인 제어 로직은 촉매의 열화의 정도에 따라서 열화 회복의 정도를 조정하는 것이지만, 열화 검출 수단에 의한 명백한 열화가 보이는 전단계로서 열화의 징후가 드러난 경우에도 열화를 억제하는 작동을 행하고 있다.
즉 본 실시 형태에 있어서는, 초기 단계로서 전해질막이 건조하여 열화가 진행되었다고 판단하면, 막전극 접합체 상태 조정 수단(제1 촉매 열화 회복 수단)을 구동하고, 전해질막을 습윤시킴으로써 캐소드 촉매측 유로로부터 애노드 촉매측 유로로 막전극 접합체를 투과하는 산소량을 증가시키는 제어를 행하여, 열화 회복을 촉진하고 있다.
한편 전해질막이 습윤 상태인 것을 검출하면 공급 가스 상태 조정 수단(제2 촉매 열화 회복 수단)을 구동함으로써 애노드측과 캐소드측의 차압을 증대시키거나, 또는, 캐소드측의 유량을 증가시킴으로써 캐소드 촉매측 유로로부터 애노드 촉매측 유로로 막전극 접합체를 투과하는 산소량을 증가시켜, 열화 회복 기능을 강화하고 있다.
그리고, 촉매 열화 검출 수단에 의해 열화도가 소정 이상임을 검출하면 막전극 접합체 상태 조정 수단(막전극 접합체 상태 제어 수단)과 공급 가스 상태 조정 수단의 양쪽을 구동함으로써 열화 회복 기능을 더욱 강화하고 있다. 또한, 공급 가스 상태 조정 수단의 일 형태로서 유로 상태 제어 수단이 있으며, 유로 상태 제어 수단은, 애노드 촉매측의 유로와 캐소드 촉매측의 유로의 적어도 한쪽의 유로 상태를 제어한다.
이하, 더 상세히 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
[연료 전지의 구성]
도 1 및 도 2는, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)(도 3)을 구성하는 연료 전지(10)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
연료 전지(10)는, 막전극 접합체(MEA)(11)와, MEA(11)를 사이에 두도록 배치되는 애노드 세퍼레이터(12) 및 캐소드 세퍼레이터(13)를 구비한다.
MEA(11)은, 전해질막(111)과, 애노드 전극(112)과, 캐소드 전극(113)으로 구성되어 있다. MEA(11)은, 전해질막(111)의 한쪽 면측에 애노드 전극(112)을 갖고, 다른 쪽의 면측에 캐소드 전극(113)을 갖고 있다.
전해질막(111)은, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이다. 전해질막(111)은 습윤 상태에서 양호한 전기 전도성을 나타낸다.
애노드 전극(112)은, 촉매층(112A)과 가스 확산층(112B)을 구비한다. 촉매층(112A)은, 백금 또는 백금 등이 담지된 카본 블랙 입자에 의해 형성된 부재로서, 전해질막(111)과 접하도록 설치된다. 가스 확산층(112B)은, 촉매층(112A)의 외측에 배치된다. 가스 확산층(112B)은, 가스 확산성 및 도전성을 갖는 카본 클로스로 형성된 부재로서, 촉매층(112A) 및 애노드 세퍼레이터(12)와 접하도록 설치된다.
애노드 전극(112)과 마찬가지로, 캐소드 전극(113)도 촉매층(113A)과 가스 확산층(113B)을 구비한다. 촉매층(113A)은 전해질막(111)과 가스 확산층(113B)의 사이에 배치되고, 가스 확산층(113B)은 촉매층(113A)과 캐소드 세퍼레이터(13)의 사이에 배치된다.
애노드 세퍼레이터(12)는, 가스 확산층(112B)의 외측에 배치된다. 애노드 세퍼레이터(12)는, 애노드 전극(112)에 연료 가스(애노드 가스, 수소 가스)를 공급하기 위한 복수의 연료 가스 유로(121)를 구비한다. 연료 가스 유로(121)는, 홈형상 통로로서 형성되어 있다.
캐소드 세퍼레이터(13)는, 가스 확산층(113B)의 외측에 배치된다. 캐소드 세퍼레이터(13)는, 캐소드 전극(113)에 산화제 가스(캐소드 가스, 공기)를 공급하기 위한 복수의 산화제 가스 유로(131)를 구비한다. 산화제 가스 유로(131)는, 홈형상 통로로서 형성되어 있다.
이와 같은 연료 전지(10)를 전원으로서 사용하는 경우에는, 요구되는 전력에 따라서 여러 장의 연료 전지(10)를 적층한 연료 전지 스택(1)으로서 사용한다. 예를 들어, 연료 전지(10)를 자동차용 전원으로서 사용하는 경우에는, 요구되는 전력이 크므로, 연료 전지 스택(1)(도 3)은 수백 장의 연료 전지(10)를 적층하여 형성된다. 그리고, 연료 전지 스택(1)에 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 연료 전지 시스템(100)(도 3)을 구성하여, 요구에 따른 전력을 취출한다.
[연료 전지 시스템의 구성]
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다.
연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)(연료 전지 본체)과, 산화제 가스 급배 장치(2)(산화제 공급계)와, 연료 가스 급배 장치(3)(연료 공급계)와, 냉각수 순환 장치(4)(냉각수 순환계)와, 연소기(5)와, 컨트롤러(9)(발전 제어부(90), 촉매 열화 회복부(91)) 등을 구비하고, 연료 전지 스택(1)이 부하(7)에 접속된 것이다. 이 컨트롤러(9)를 연료 전지 스택(1)에 탑재함으로써, 연료 전지 스택(1)(연료 전지(10))의 촉매 열화를 회복 가능한 연료 전지 시스템(100)이 구축된다.
연료 전지 스택(1)은, 여러 장의 연료 전지(10)(단위 셀)를 적층한 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)은, 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 받아서 발전한다. 연료 전지 스택(1)은, 전력을 취출하는 출력 단자로서, 애노드 전극측 단자와, 캐소드 전극측 단자를 갖는다.
산화제 가스 급배 장치(2)는, 연료 전지 스택(1)에 산화제 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 산화제 오프 가스(캐소드 오프 가스)를 연소기(5)에 공급한다. 산화제 가스 급배 장치(2)는, 산화제 가스 공급 통로(21)와, 산화제 가스 바이패스 통로(22)와, 산화제 가스 배출 통로(23)를 구비한다.
산화제 가스 공급 통로(21)에는, 공기 유량계(26)와, 컴프레서(27)(유량 조정부)와, 압력 센서(51)가 배치된다. 산화제 가스 공급 통로(21)의 일단부는 연료 전지 스택(1)의 산화제 가스 입구부에 접속된다.
공기 유량계(26)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 산화제 가스의 유량을 검출한다.
컴프레서(27)는, 공기 유량계(26)보다도 하류측의 산화제 가스 공급 통로(21)에 배치된다. 컴프레서(27)는, 컨트롤러(9)에 의해 동작이 제어되고, 산화제 가스 공급 통로(21) 내의 산화제 가스를 압송하여 연료 전지 스택(1)에 공급한다.
압력 센서(51)는, 산화제 가스 바이패스 통로(22)와의 분기부보다도 하류측의 산화제 가스 공급 통로(21)에 배치된다. 압력 센서(51)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 산화제 가스의 압력을 검출한다. 압력 센서(51)에 의해 검출된 산화제 가스 압력은, 연료 전지 스택(1)의 산화제 가스 유로(131)(도 1, 도 2) 등을 포함하는 캐소드계 전체의 압력을 대표한다.
산화제 가스 배출 통로(23)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 산화제 오프 가스가 흐르는 통로이다. 산화제 오프 가스는, 산화제 가스나 전극 반응에 의해 발생한 수증기 등을 포함하는 혼합 가스이다. 산화제 가스 배출 통로(23)의 일단부는 연료 전지 스택(1)의 산화제 가스 출구부에 접속되고, 타단부는 연소기(5)의 입구부에 접속된다. 산화제 가스 배출 통로(23)에는, 산화제 오프 가스로부터 수증기를 분리하기 위한 워터 세퍼레이터(24)가 배치된다. 또한, 산화제 가스 배출 통로(23)의 워터 세퍼레이터(24)보다 하류측이며 연소기(5)의 상류측에는, 산화제 오프 가스의 유량을 조정하기 위한 공기 압력 조절 밸브(62)(압력 조정부)가 배치된다. 공기 압력 조절 밸브(62)는 산화제 오프 가스(산화제 가스)의 압력(배압)을 조정하는 밸브로 되어 있다.
산화제 가스 바이패스 통로(22)는, 산화제 가스 공급 통로(21)로부터 분기하여 산화제 가스 배출 통로(23)의 워터 세퍼레이터(24)의 상류측에 합류하는 통로이다. 즉, 산화제 가스 바이패스 통로(22)는, 산화제 가스를, 연료 전지 스택(1)을 통과시키지 않고 연소기(5)로 공급하기 위한 통로이다. 산화제 가스 바이패스 통로(22)에는, 바이패스 밸브(61)가 배치된다. 바이패스 밸브(61)는 컨트롤러(9)에 의해 개폐 제어되고, 산화제 가스 바이패스 통로(22)를 통과하는 산화제 가스의 유량을 조정하고, 결과적으로 연소기(5)측에 공급하는 산소량을 조정하고 있다.
다음으로, 연료 가스 급배 장치(3)에 대하여 설명한다.
연료 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)에 연료 가스(애노드 가스, 수소 가스)를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 연료 오프 가스(애노드 오프 가스)를 연소기(5)에 공급한다. 연료 가스 급배 장치(3)는, 수소 탱크(35)와, 연료 가스 공급 통로(31)와, 수소 공급 밸브(63)와, 수소 유량계(36)와, 연료 가스 배출 통로(32)와, 워터 세퍼레이터(38)와, 연료 가스 순환 통로(33)와, 수소 순환 펌프(37)와, 퍼지 밸브(64)(습도 조정부)를 구비한다.
수소 탱크(35)는, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 연료 가스를 고압 상태로 유지하여 저장하는 용기이다.
연료 가스 공급 통로(31)는, 수소 탱크(35)로부터 배출되는 연료 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하는 통로이다. 연료 가스 공급 통로(31)의 일단부는 수소 탱크(35)에 접속되고, 타단부는 연료 전지 스택(1)의 연료 가스 입구부에 접속된다.
수소 공급 밸브(63)는, 수소 탱크(35)보다도 하류의 연료 가스 공급 통로(31)에 배치된다. 수소 공급 밸브(63)는, 컨트롤러(9)에 의해 개폐 제어되고, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료 가스의 압력을 조정한다.
수소 유량계(36)는, 수소 공급 밸브(63)보다도 하류의 연료 가스 공급 통로(31)에 설치된다. 수소 유량계(36)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료 가스의 유량을 검출한다. 수소 유량계(36)에 의해 검출된 유량은, 연료 전지 스택(1)의 연료 가스 유로(121)(도 1, 도 2)를 포함하는 애노드계 전체의 유량을 대표한다. 또한, 수소 유량계(36)를 대신하여 수소 압력계를 배치해도 된다. 이 경우, 수소 압력계에 의해 검출된 압력은, 애노드계 전체의 압력을 대표한다.
연료 가스 배출 통로(32)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 연료 오프 가스를 흘리는 통로이다. 연료 가스 배출 통로(32)의 일단부는 연료 전지 스택(1)의 연료 가스 출구부에 접속되고, 타단부는 연소기(5)의 연료 가스 입구부에 접속된다. 연료 오프 가스에는, 전극 반응에서 사용되지 않은 연료 가스나, 산화제 가스 유로(131)(도 1, 도 2)로부터 연료 가스 유로(121)(도 1, 도 2)로 누설되어 온 질소 등의 불순물 가스나 수분 등이 포함된다.
연료 가스 배출 통로(32)에는, 연료 오프 가스로부터 수분을 분리하는 워터 세퍼레이터(38)가 배치된다. 워터 세퍼레이터(38)보다도 하류의 연료 가스 배출 통로(32)에는, 퍼지 밸브(64)가 설치된다. 퍼지 밸브(64)(습도 조정부)는, 컨트롤러(9)에 의해 개폐 제어되고, 연료 가스 배출 통로(32)로부터 연소기(5)로 공급되는 연료 오프 가스(연료 가스)의 유량을 조정한다. 퍼지 밸브(64)를 개방함으로써 연료 오프 가스와 함께 수분도 배출된다. 이로 인해, 퍼지 밸브(64)의 개방도를 크게 하여 연료 오프 가스의 배출량을 증가시킴으로써 MEA(11)에 접촉하는 연료 가스의 습도가 저하된다. 반대로, 퍼지 밸브(64)의 개방도를 작게 하여 연료 오프 가스의 배출량을 감소시킴으로써 MEA(11)에 접촉하는 연료 가스의 습도가 상승한다.
연료 가스 순환 통로(33)는, 워터 세퍼레이터(38)의 하류측에서 연료 가스 배출 통로(32)로부터 분기하고, 수소 유량계(36)보다 하류의 연료 가스 공급 통로(31)에 합류한다. 연료 가스 순환 통로(33)에는 수소 순환 펌프(37)가 배치된다. 수소 순환 펌프(37)는 컨트롤러(9)에 의해 동작이 제어된다.
다음으로, 냉각수 순환 장치(4)에 대하여 설명한다.
냉각수 순환 장치(4)는, 냉각수 배출 통로(41)와, 냉각수 펌프(45)와, 라디에이터(46)와, 냉각수 공급 통로(42)와, 수온 센서(54)(특정 운전 상태 검출 수단)와, 바이패스 통로(43)와, 바이패스 밸브(65)(온도 조정부)와, 가열용 통로(44)와, 바이패스 밸브(66)(온도 조정부)를 구비한다.
냉각수 배출 통로(41)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수를 통과하는 통로이다. 냉각수 배출 통로(41)의 일단부는 연료 전지 스택(1)의 냉각수 출구부에 접속되고, 타단부는 라디에이터(46)의 입구부에 접속된다.
냉각수 펌프(45)는, 냉각수 배출 통로(41)에 설치되어 있다. 냉각수 펌프(45)는, 컨트롤러(9)에 의해 동작이 제어되고, 냉각수의 순환량을 조정한다.
라디에이터(46)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 수열하여 온도 상승한 냉각수를, 대기와의 열교환에 의해 냉각하는 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는 대기와의 열교환에 의해 냉각수를 냉각하는 공랭식의 라디에이터(46)를 사용하지만, 냉각용 매체와의 열교환에 의해 냉각수를 냉각하는 액랭식의 라디에이터(46)를 사용해도 된다.
바이패스 통로(43)는, 냉각수 펌프(45)의 하류이면서 라디에이터(46)의 상류 냉각수 배출 통로(41)로부터 분기하여, 라디에이터(46)의 하류의 냉각수 공급 통로(42)에 합류한다. 바이패스 통로(43)와 냉각수 공급 통로(42)의 합류부에는 바이패스 밸브(65)가 설치된다.
바이패스 밸브(65)는, 컨트롤러(9)에 의해 개폐 제어되는 삼방 밸브이며, 라디에이터(46)를 통과하는 냉각수의 유량을 조정한다. 가열용 통로(44)는 냉각수 공급 통로(42)로부터 분기하고, 연소기(5)에 의한 냉각수에 대한 열교환이 가능한 경로이며, 냉각수 공급 통로(42)에 합류하는 것이다. 바이패스 밸브(66)는, 냉각수 공급 통로(42)와 가열용 통로(44)의 분기점에 설치된 삼방 밸브이다. 바이패스 밸브(66)는, 컨트롤러(9)에 의해 개폐 제어되고, 가열용 통로(44)를 통과하는 냉각수의 유량을 조정한다.
수온 센서(54)는, 냉각수 펌프(45)보다 상류의 냉각수 배출 통로(41)에 배치된다.
또한, 연료 전지 스택(1)에는, 전압 센서(52) 및 전류 센서(53)가 설치된다. 전압 센서(52)(열화 검출부)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압, 즉 애노드 전극측 단자와 캐소드 전극측 단자 사이의 단자 간 전압을 검출한다. 전압 센서(52)는, 연료 전지(10)의 1장마다의 전압을 검출하도록 구성되어도 되고, 연료 전지(10)의 여러 장마다의 전압을 검출하도록 구성되어도 된다.
전류 센서(53)는, 연료 전지 스택(1)과 부하(7)를 접속하는 회로에 설치되고, 연료 전지 스택(1)으로부터 취출되는 출력 전류를 검출한다.
임피던스 측정기(8)(특정 운전 상태 검출 수단, 습윤도 검출 수단)는, 전압 센서(52)와 마찬가지로, 애노드 전극측 단자와 캐소드 전극측 단자에 접속된다. 임피던스 측정기(8)는, 연료 전지 스택(1)에 교류 전압을 인가하여, 당해 교류 전류와 연료 전지 스택(1)으로부터 취출되는 교류 전류로부터 연료 전지 스택(1)의 내부의 임피던스를 계측하는 것이다.
연소기(5)는, 예를 들어 백금 촉매를 사용해서 산화제 가스 중의 산소와 애노드 오프 가스 중의 수소를 반응시켜 열을 얻기 위한 것이다.
컨트롤러(9)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러(9)를 복수의 마이크로컴퓨터로 구성하는 것도 가능하다. 컨트롤러(9)에는 타이머(55), 전압 센서(52), 임피던스 측정기(8), 수온 센서(54), 부하(7), 전류 센서(53), 압력 센서(51), 공기 유량계(26), 수소 유량계(36)로부터의 신호가 입력된다. 또한, 컨트롤러(9)는 컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62), 퍼지 밸브(64), 바이패스 밸브(65), 바이패스 밸브(66), 바이패스 밸브(61), 수소 공급 밸브(63), 수소 순환 펌프(37), 냉각수 펌프(45), 라디에이터(46), 연소기(5)로 제어 신호를 출력한다.
컨트롤러(9)(후술하는 선택부(94))는, 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 연료 전지 스택(1)의 소정의 임계값(고유의 정격 전압) 이상을 유지하고 있으면, 촉매층(112A)(도 1, 도 2)에서의 CO에 의한 피독은 없다고 판단한다. 한편, 컨트롤러(9)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 전압 강하(열화도)가 진행되어 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 소정의 임계값(고유의 정격 전압)보다도 낮아지면 CO에 의한 피독이 발생하였다고 판단할 수 있다. 또한, 정격 전압은 시간 경과에 관계없이 일정하게 할 수도 있지만, 촉매층(112A)의 피독에 의한 열화가 존재하지 않는 조건에서의 연료 전지 스택(1)의 경년열화에 수반하여 감소하는 출력 전압값으로 할 수도 있다.
또한, 컨트롤러(9)(후술하는 선택부(94))는, 임피던스 측정기(8)가 검출한 임피던스가 높아질수록 MEA(11)의 습윤도(함수량)가 감소하고, 반대로 낮아질수록 MEA(11)의 습윤도가 증가한다고 판단된다. 그리고, 임피던스가 소정의 임계값보다도 낮으면, 연료 전지(10)의 MEA(11)가 습윤 상태라고 판단하고, 소정의 임계값 이상이면 MEA(11)가 건조 상태라고 판단할 수 있다. 또한, 컨트롤러(9)(후술하는 선택부(94))는, 수온 센서(54)가 계측하는 온도에 의해 MEA(11)의 온도를 추정할 수 있다.
부하(7)는, 예를 들어 연료 전지 시스템(100)이 탑재된 차량을 구성하는 장치이며, DC-DC 컨버터, 모터(인버터), 배터리, 보조 기계류 등이다.
[피독의 메커니즘]
다음으로, 애노드 전극(112)의 촉매층(112A)에 담지되는 애노드 촉매(예를 들어 백금)의 일산화탄소(CO) 피독에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
애노드 촉매에 흡착하는 CO는, 연료 가스에 포함되어 있거나, 애노드 전극(112)로 생성되거나 하는 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, CO 피독이 발생하지 않은 상태, 즉 정상적인 상태에서는, 연료 가스에 함유되는 수소가 전극 반응(식 (1))을 일으킨다.
H2 → 2H+ + 2e- …(1)
그러나, 도 5에 도시한 바와 같이, 애노드 촉매에 CO 피독이 발생하면, 애노드 전극(112)에서의 전극 반응이 저해된다. 그 결과, 애노드 전극(112)의 전위가 상승하여 애노드 전극(112)과 캐소드 전극(113) 사이의 전위차가 감소하므로, 연료 전지(10)의 발전 성능이 저하된다.
이와 같은 CO 피독에 의한 성능 저하를 회피하기 위해서는, 애노드 촉매에 흡착한 CO를 제거하여, 애노드 촉매를 CO 피독으로부터 회복시킬 필요가 있다. CO 피독으로부터 회복시키는 촉매 회복 처리로서, 산소를 함유시킨 연료 가스를 애노드 촉매에 공급함으로써, 애노드 촉매에 흡착한 CO를 산화시켜 애노드 촉매로부터 탈리시키는 것이 종래부터 알려져 있다.
도 6은, 촉매 회복 처리에 대한 종래의 사고 방식을 설명하기 위한 도면이다.
종래에는, 산소 공급에 의해 CO 피독으로부터 회복하는 메커니즘에 대하여, 하기와 같이 생각되고 있었다.
연료 가스에 산소를 함유시켜 애노드 전극(112)에 공급하면, 상기 식 (1)의 전극 반응 외에, 식 (1)의 반응에서 발생한 전자를 소비하기 위해서 식 (2)의 반응이 일어나고, 애노드 전극의 전위가 상승한다.
O2 + 4H+ + 4e- → 2H20 … (2)
그리고, 식 (2)의 반응에 의해 애노드 전극(112)의 전위가 상승하면, 식 (3)의 반응에 의해 애노드 촉매에 흡착하고 있는 CO가 산화된다.
CO + H20 → 2H+ + 2e- + CO2 … (3)
이 식 (3)에 의한 CO의 산화 반응은, 애노드 전극(112)의 전위가 상승하고, 또한 애노드 촉매 상의 수소가 모두 소비되고 나서 일어난다고 생각되고 있었다. 이로 인해, 종래에는 CO의 산화 반응이 발생하는 전위까지 애노드 전극(112)의 전위를 상승시키는 데 충분한 양의 산소를 공급하고 있었다. 그러나, 전위를 상승시키기 위한 식 (2)의 반응은 발열 반응이기 때문에, 반응에 의해 발생한 열에 의해 전해질막(111)이 열화되어, 연료 전지(10)의 성능 저하를 초래하게 된다.
또한, 연료 가스에 산소를 함유시키면, 애노드 전극(112)측에 국부 전지가 형성되어, 애노드 전극(112)의 촉매층(112A)(도 1, 도 2)의 카본이 산화 부식하는 경우가 있다. 이러한 카본의 부식은 연료 전지(10)의 출력을 저하시키는 원인으로 된다.
이에 반하여, 본 발명의 발명자들은, 애노드 전극(112)의 전위가 낮은 상태에서도, 도 7에 도시한 바와 같이 CO와 산소가 직접 반응하고, CO가 애노드 촉매로부터 탈리한다는 사실을 알아내었다.
애노드 전극(112)의 전위를 상승시키지 않아도 촉매 회복 처리를 행하는 것이 가능하면, 촉매 열화의 원인으로 되는 발열을 억제하기 위해서, 연료 가스에 함유시키는 산소의 양을 저감할 수 있다. 그러나, 종래의 사고 방식에 기초하는 촉매 회복 처리에서는, 피독으로부터 회복시키는 데 필요한 산소량의 연료 가스량에 대한 비율은 수％ 이하로 적어, 함유시키는 산소량의 조정은 어려운 것이었다. 따라서, 함유시키는 산소량을 더 저감시키기 위해서는, 조정이 보다 어려운 것으로 된다. 즉, 연료 가스에 산소를 함유시키는 방법에서는, 촉매 회복 처리에 수반되는 애노드 전극(112)이나 연료 전지(10)의 성능 저하를 억제하는 것은 어려웠다.
그래서 본 실시 형태에서는, 애노드 전극(112)의 전위가 낮은 상태에서도 산소가 CO와 직접 반응하여 애노드 촉매로부터 탈리한다는 새로운 지견에 기초하여, 이하에 설명하는 촉매 회복 처리를 행한다.
[본 실시 형태의 피독 해소의 메커니즘]
도 8은, 상기의 새로운 지견의 근거로 되는 실험 결과를 나타내는 도면이다. 도 8의 종축은 애노드 촉매의 유효 표면적 비율, 횡축은 시간이다. 유효 표면적 비율은, 애노드 촉매로서의 백금의 표면적 중, 전극 반응에 기여하는 면적의 비율이다. 즉, CO가 흡착되지 않은 상태에서의 유효 표면적 비율이 100％이다. 유효 표면적 비율은, 예를 들어 연료 전지(10)의 전압에 기초하여 추정할 수 있다.
실험 수순은 다음과 같다. 우선, 유효 표면적 비율이 0％로 되도록 애노드 촉매를 CO 피독시킨다. 그리고, 애노드에는 수소, 캐소드에는 산소와 질소의 혼합 가스를 공급하고, 무발전(OCV)의 상태를 유지하여, 유효 표면적 비율의 변화를 모니터한다. 도 8에는, 캐소드측의 산소 분압이 상이한 2 패턴의 실험 결과를 나타내고 있다. 산소 분압은 PO2_high>PO2_low이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 실험 개시 시에는 0％였던 유효 표면적 비율이, 시간의 경과와 함께 서서히 증대하고 있다. 이러한 점에서, 캐소드측으로부터 애노드측으로 크로스 누설된 산소에 의해, CO가 산화되어 애노드 촉매로부터 이탈된다는 사실을 알 수 있다.
또한, 도 8로부터, 캐소드측의 산소 분압이 높은 쪽이 유효 표면적 비율의 증대 속도가 크다는 사실을 알 수 있다. 막의 투과 성능을 평가하는 지표로서, 식 (4)로 표시되는 투과 유속 F가 알려져 있다. 투과 유속 F가 클수록, 투과량이 많음을 의미한다.
투과 유속 F=산소 투과 계수 k×분압차 dP …(4)
산소의 투과 유속 F가 크다고 함은, 식 (4)에서의 산소 투과 계수 k, 및/혹은 분압차 dP가 크다고 하는 것이다. 따라서, 산소의 투과 유속 F가 클수록, 즉 크로스 누설되는 산소의 양이 많을수록, CO 피독으로부터 빠르게 회복할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 이것을 도면에 나타내면, 도 9와 같아진다. 도 9의 종축은 유효 표면적 회복률, 즉 CO 피독으로부터의 회복의 정도이며, 횡축은 전해질막(111)의 산소 투과량이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 전해질막(111)의 산소 투과량이 많아질수록, 유효 표면적 회복률은 커진다.
이와 같이, 캐소드측으로부터 애노드측으로 크로스 누설시킨 산소를 사용하는 촉매 회복 처리이면, 연료 가스에 산소를 함유시키는 경우에 비하여, 애노드 촉매 상에 있어서 수소와 산소가 반응할 확률이 낮다. 이로 인해, 수소와 산소의 반응에 의해 발생하는 열에 의한 전해질막(111)(MEA(11))의 열화를 억제할 수 있다.
도 10은, 산화제 가스 중의 산소 분압과 전해질막 투과 산소 투과량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 산화제 가스 중의 산소 분압(분압차 dP)을 증가시킬수록 산소 투과량은 거의 선형으로 증가한다.
도 11은, 전해질막 온도와 산소 투과 계수 k의 관계, 및 전해질막 습윤도와 산소 투과 계수 k의 관계를 나타내는 도면이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 전해질막(111)의 습윤도와 산소 투과 계수 k의 관계를 나타내는 곡선 (A)는, 습윤도의 증가에 따라서 단조롭게 증가하고 있다. 전해질막(111)의 온도와 산소 투과 계수 k의 관계를 나타내는 곡선 (B)도, 온도의 상승에 따라서 단조롭게 증가하고 있다. 곡선 (A)는, 습윤도가 낮은 단계에서는 그 기울기는 크지만, 습윤도가 높아질수록 그 기울기가 작아져서 포화해 간다. 한편, 곡선 (B)는, 온도가 낮은 단계로부터 높은 단계로 추이해 감에 따라 그 기울기는 작아지지만 포화하지는 않고, 대략 선형의 변화를 유지하고 있다.
도 11로부터, 산소 투과 계수 k를 증가시킬 때, 전해질막(111)(MEA(11))의 습윤도가 낮고, 또한 전해질막(111)의 온도가 낮은 경우에는, 전해질막(111)의 습윤도를 증가시키는 동작을 행하는 것이 효율적임을 알 수 있다. 한편, 전해질막(111)의 습윤도가 높은 경우에는, 그 이상 습윤도를 증가시켜도 산소 투과 계수 k를 증가시키는 것은 곤란하며, 전해질막(111)의 온도를 높이는 동작을 행하는 쪽이 효율적임을 알 수 있다.
도 12는, 스택 온도와 촉매 회복 처리 속도의 관계, 스택 온도와 CO 산화 반응 속도의 관계, 및 스택 온도와 전해질막 투과 산소량의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서, 스택 온도는 연료 전지 스택(1)의 전해질막(111)(MEA(11))의 온도에 대응한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 스택 온도와 CO 산화 반응 속도의 관계를 나타내는 곡선 (B), 및 스택 온도와 전해질막(111)의 투과 산소량과 관계를 나타내는 곡선 (C)는 단조롭게 증가해 간다. 그러나, 저온 영역에서는 그 기울기는 작고, 고온 영역이 되면 그 기울기가 커진다는 사실을 알 수 있다. 스택 온도와 촉매 회복 처리 속도의 관계를 나타내는 곡선 (A)는, 곡선 (B)와 곡선 (C)의 곱에 의해 표시되는 것이며, 곡선 (A)는, 곡선 (B) 및 곡선 (C)와 마찬가지의 경향을 나타내고 있다.
도 12의 곡선 (C)가 나타내는 투과 산소량과, 도 11의 곡선 (B)가 나타내는 산소 투과 계수 k의 경향은 서로 다르다. 이에 의해, 산소 투과 계수 k는 스택 온도의 상승과 함께 약간 포화하면서도 상승해 가는 성질인 한편, 산소가 투과 가능한 전해질막(111)의 유효 표면적은 어떤 온도를 경계로 스택 온도의 상승과 함께 비약적으로 상승해 가는 성질을 가진다는 사실을 알 수 있다.
또한, 전해질막(111)의 온도 상승과, 전해질막(111)의 습윤도의 증가는 동시에 행할 수 있지만, 도 12에 있어서 전해질막(111)의 습윤도를 증가시키면 곡선 (A) 내지 (C)는, 도 12의 종축 방향 상방으로 시프트해 간다.
도 10, 도 11, 도 12로부터, 전해질막(111)(MEA(11))에서의 산소의 투과량을 증가시킬 때에는, 예를 들어 이하의 (1) 내지 (4)와 같은 제어가 적합해진다.
(1) 전해질막(111)의 온도가 낮고, 또한 전해질막(111)의 습윤도가 낮을 때는, 전해질막의 습윤도를 증가시켜 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어, 및/혹은 산화제 가스의 압력·유량을 증가시켜 분압차 dP를 증가시키는 제어가 효율적이다.
(2) 전해질막(111)의 온도가 낮고, 또한 전해질막(111)의 습윤도가 높을 때는, 산화제 가스의 압력·유량을 증가시켜 분압차 dP를 증가시키는 제어가 효율적이다.
(3) 전해질막(111)의 온도가 높고, 또한 전해질막(111)의 습윤도가 낮을 때는, 전해질막(111)의 온도를 상승시켜 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어, 전해질막(111)의 습윤도를 증가시켜 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어, 산화제 가스의 압력·유량을 증가시켜 분압차 dP를 증가시키는 제어 중 적어도 어느 하나를 행하는 것이 효율적으로 된다.
(4) 전해질막(111)의 온도가 높고, 또한 전해질막(111)의 습윤도가 높을 때는, 전해질막(111)의 온도를 상승시켜 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어, 및/혹은 산화제 가스의 압력·유량을 증가시켜 분압차 dP를 증가시키는 제어가 효율적으로 된다.
단, 전해질막(111)의 온도가 소정의 임계값보다도 낮아졌을 때, 전해질막(111)의 습윤도가 소정의 임계값보다도 낮아졌을(건조 상태로 되었을) 때는, 전해질막(111)에서의 산소의 투과가 곤란해진다. 이 경우는, 전해질막(111)의 온도를 상승시키는 제어, 전해질막(111)의 습윤도를 증가시키는 제어를 각각 우선적으로 행한다.
본 실시 형태에 있어서, 분압차 dP를 증가시키기 위해서는, 전술한 바와 같이, 산화제 가스의 유량을 증가시키거나, 및/혹은 산화제 가스의 압력을 증가시키면 된다. 산화제 가스의 유량을 증가시키기 위해서는 컴프레서(27)의 출력을 증가시키면 된다. 또한, 산화제 가스의 압력을 증가시키기 위해서는, 컴프레서(27)의 출력을 증가시키거나, 및/혹은 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도를 저하시키면 된다. 단, 연소기(5)에는, 연료 가스(애노드 오프 가스)를 연소시키기 위해서 소정량의 산소가 필요하기 때문에, 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도를 일정값 이하로 할 수는 없다. 이 경우에는, 공기 압력 조절 밸브(62)가 아니라 컴프레서(27)의 출력을 높여서 산소의 분압차 dP를 증가시키는 제어를 행한다. 한편, 컴프레서(27)의 출력이 최대로 되어 있을 때에는, 컴프레서(27)에 의해 산화제 가스의 유량을 그 이상 증가할 수 없으므로, 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도를 저하시켜 산화제 가스의 압력(배압)을 증가시킴으로써 산소의 분압차 dP를 증가시킨다. 촉매 열화 회복 처리에 의해 캐소드측에서 투과한 산소는, MEA(11)로부터 분리되어 연료 가스에 혼합된다. 이로 인해, 연료 가스 중의 산소 분압이 상승하기 때문에, 그만큼, 분압차 dP가 감소한다. 그래서, 분압차 dP를 증가(회복)시키는 방법으로서는, 퍼지 밸브(64)를 개방하여, 산소를 포함하는 연료 가스(연료 오프 가스)를 배출하고, 연료 전지 스택(1)의 애노드측의 유로에 새로운 연료 가스를 수소 탱크(35)로부터 공급하면 된다.
산소 투과 계수 k를 증가시키기 위해서는, 전술한 바와 같이, 전해질막(111)(MEA(11))의 습윤도를 증가시키거나, 및/혹은 전해질막(111)의 온도를 높이면 된다. 전해질막(111)의 습윤도를 증가시키기 위해서는, 연료 가스의 습도를 높이면 되며, 이 경우, 퍼지 밸브(64)의 개방도를 저하시키면 된다.
도 13은, 스택 내 상대 습도와 촉매 회복 처리 속도의 관계, 및 스택 내 상대 온도와 전해질막 투과 산소량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 스택 내 상대 습도, 즉 연료 가스의 습도를 상승시키면 전해질막(111)을 투과하는 산소량 (A)가 증가하고, 촉매 회복의 처리 속도 (B)도 상승한다. 이에 의해, 연료 가스의 습도와 전해질막(111)(MEA(11))의 습윤도와의 사이에는 상관관계가 있다는 사실을 알 수 있다.
또한, 전해질막(111)의 온도를 높이기 위해서는, 냉각수의 온도를 높이면 된다. 이 경우, 바이패스 밸브(65)를 제어하여 라디에이터(46)에 대한 냉각수의 공급량을 저하시키거나, 또는 바이패스 밸브(66)를 제어하여 냉각수를 가열용 통로(44)에 유통시켜 연소기(5)에 의해 가열하는 냉각수의 공급량을 증가시키는 동작을 행할 수 있으면 된다.
따라서, 본 실시 형태의 컨트롤러(9)(후술하는 선택부(94))는, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태(냉각수 온도, MEA(11)의 습윤도 등)를 파악한다. 그리고, 산소의 투과량을 증가시키는 제어로서 어느 제어가 최적인지 판단하고, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 연료 전지 스택(1)이 발전하기 위해서 작동시키는 보조 기계(컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62), 퍼지 밸브(64), 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66)))의 제어 상태를 고려하면서 최적으로 되는 보조 기계를 선택적으로 제어한다.
[본 실시 형태의 제어 구성]
도 14는, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)(컨트롤러(9))의 제어 블록을 나타내는 도면이다. 도 14는, 도 2에 도시한 컨트롤러(9)를 보다 상세히 나타낸 도면으로 되어 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(9)는, 발전 제어부(90)(제어 장치), 촉매 열화 회복부(91)(촉매 열화 회복 장치), 가산기(98A), 감산기(98B), 감산기(98C), 가산기(98D)에 의해 구성되고, 본 실시 형태의 촉매 열화의 회복을 목적으로 하는 제어 방법을 실시하는 것이다. 또한, 발전 제어부(90), 및 촉매 열화 회복부(91)는, 컨트롤러(9)에 있어서 일체로 되어 있지만, 이들이 각각 별체의 장치로 되도록 구성해도 된다.
발전 제어부(90)는, 부하(7)로부터 입력되는 요구 신호에 따라서 연료 전지 시스템(100)이 발전하기 위한 신호를 출력하는 것이다. 발전 제어부(90)는, 전압 센서(52), 수온 센서(54), 전류 센서(53), 공기 유량계(26), 수소 유량계(36) 등으로부터 신호가 입력된다. 또한 발전 제어부(90)는, 컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62), 퍼지 밸브(64), 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66)), 바이패스 밸브(61), 수소 공급 밸브(63), 수소 순환 펌프(37), 냉각수 펌프(45), 라디에이터(46), 연소기(5)로 제어 신호를 출력하여, 이들의 보조 기계를 작동시키고 있다.
발전 제어부(90)는, 신호 x1에 기초하여 컴프레서(27)의 출력을 제어하고, 신호 x2에 기초하여 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도를 제어하고, 신호 x3에 기초하여 퍼지 밸브(64)의 개방도를 제어하고, 신호 x4에 기초하여 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 개방도의 제어를 행한다. 또한, 부하(7)로부터의 발전 요구가 없는 상태인 경우에는, 발전 제어부(90)는, 수소 공급 밸브(63), 수소 순환 펌프(37)의 구동을 일시적으로 정지하고, 신호 x1 내지 x4의 출력을 일시적으로 정지한다.
촉매 열화 회복부(91)(촉매 열화 회복 장치, 투과 산소량 증가 수단)는, 회복 제어부(92)(산화제 공급 수단), 선택부(94)(산화제 공급 제어 수단, 특정 운전 상태 검출 수단, 선택 수단), 전압 강하 속도 측정부(96)에 의해 구성된다. 회복 제어부(92)(회복 제어부(92A 내지 92D))는, 컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62), 퍼지 밸브(64), 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 발전 제어부(90)에 의한 제어 상태를 개별로 변경함으로써, 산화제 가스 중의 산소의 전해질막(111)에 투과량을 증가시켜 촉매층(112A)에 산소를 강제적으로 공급하는 것이다. 회복 제어부(92A 내지 92D)는, 제어 상태를 변경하기 위한 신호(z1, z2, z3, z4)를 각각 갖고 있으며, 예를 들어 후술하는 선택부(94)로부터 1(High)의 신호를 수신함으로써, 신호(z1, z2, z3, z4)를 각각 출력한다.
회복 제어부(92A)(공급 가스 상태 조정 수단, 제2 촉매 열화 회복 수단, 유로 상태 제어 수단, 제1 회복 제어부)는, 신호 z1을 구비하고, 신호 z1을 가산기(98A)로 출력한다. 가산기(98A)는, 발전 제어부(90)가 컴프레서(27)로 출력하는 신호 x1과 신호 z1을 가산한 신호(x1+z1)를 컴프레서(27)로 출력한다. 따라서, 신호 z1이 출력되어 있는 동안에는, 컴프레서(27)의 출력은 발전 제어부(90)가 설정하는 출력보다도 커진다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 산화제 가스의 유량(또는 압력)이 발전 제어부(90)에 의해 제어된 유량보다도 증가하게 된다.
회복 제어부(92B)(공급 가스 상태 조정 수단, 제2 촉매 열화 회복 수단, 유로 상태 제어 수단, 제2 회복 제어부)는, 신호 z2를 구비하고, 신호 z2를 감산기(98B)로 출력한다. 감산기(98B)는, 발전 제어부(90)가 공기 압력 조절 밸브(62)로 출력하는 신호 x2와 신호 z2의 차분(x2-z2)을 공기 압력 조절 밸브(62)로 출력한다. 따라서, 신호 z2가 출력되어 있는 동안에는, 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도는 발전 제어부(90)가 설정하는 개방도보다도 작아진다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 산화제 가스의 압력(또는 유량)이 발전 제어부(90)에 의해 제어된 압력보다도 증가하게 된다.
회복 제어부(92C)(막전극 접합체 상태 조정 수단, 제1 촉매 열화 회복 수단, 제3 회복 제어부)는, 신호 z3을 구비하고, 신호 z3을 감산기(98C)로 출력한다. 감산기(98C)는, 발전 제어부(90)가 퍼지 밸브(64)로 출력하는 신호 x3과 신호 z3의 차분(x3-z3)을 퍼지 밸브(64)로 출력한다. 따라서, 신호 z3이 출력되어 있는 동안에는, 퍼지 밸브(64)의 개방도는 발전 제어부(90)가 설정하는 개방도보다도 작아진다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 연료 가스(애노드 오프 가스)의 배출량을 발전 제어부(90)에 의해 제어된 배출량보다도 감소시키게 된다.
회복 제어부(92D)(막전극 접합체 상태 조정 수단, 제1 촉매 열화 회복 수단, 제4 회복 제어부)는, 신호 z4를 구비하고, 신호 z4를 가산기(98D)로 출력한다. 가산기(98D)는, 발전 제어부(90)가 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))로 출력하는 신호 x4와 신호 z4를 가산한 신호(x4+z4)를 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))로 출력한다. 따라서, 신호 z4가 출력되어 있는 동안에는, 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 개방도는 발전 제어부(90)가 설정하는 개방도보다도 커진다. 이에 의해, 냉각수의 온도가 상승하므로, 연료 전지 스택(1)의 MEA(11)의 온도가 발전 제어부(90)의 제어에 기초하는 MEA(11)의 온도보다도 상승하게 된다.
여기서, 촉매 열화 회복부(91)는, 회복 제어부(92A 내지 92D)를 사용해서 발전 제어부(90)가 설정한 컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62), 퍼지 밸브(64), 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 제어 상태를 변경하게 된다. 그러나, 회복 제어부(92A 내지 92D)에 의한 제어는, 모두 발전 제어부(90)에 의해 설정되는 연료 전지 스택(1)의 발전량을 저하시키는 것은 아니다. 따라서, 촉매 열화 회복부(91)는, 발전 제어부(90)에 의한 발전 제어에 거의 간섭하지 않고, 촉매층(112A)에 대한 촉매 회복 처리를 행할 수 있다.
선택부(94)는, 연료 전지 스택(1)의 피독에 의한 열화, 및 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 추정 혹은 검출에 의해 판단하여 회복 제어부(92A 내지 92D)의 회복 제어의 조합을 나타내는 제어 모드(y1, y2, y3, y4)를 선택하여 출력한다. 그리고, 회복 제어부(92)를 통하여, 촉매층(112A)(도 1, 도 2)에서의 CO의 피독을 해소하여 촉매 반응을 회복시키는 것이다. 여기서, y1 내지 y4는, 0(Low)이나 1(High) 중 어느 것의 신호로 되어 있으며, 본 실시 형태에서는 제어 모드는 24=16개 존재하게 된다.
선택부(94) 중, 신호 y1, 신호 y2를 출력하는 부분은, 회복 제어부(92) 중, 전해질막(111)의 캐소드측과 애노드측의 산소의 분압차 dP를 증가시키는 회복 제어부(92A, 92B)를 각각 선택 대상으로 한다. 또한, 신호 y3, 신호 y4를 출력하는 성분은, 회복 제어부(92) 중, 전해질막(111)에서의 산소 투과 계수 k를 증가시키는 회복 제어부(92C, 92D)를 각각 선택 대상으로 한다.
선택부(94)는 타이머(55), 전압 센서(52), 임피던스 측정기(8), 수온 센서(54)에 접속되어 있다. 또한, 선택부(94)에는, 발전 제어부(90)가 출력하는 신호 x1 내지 x4가 입력된다. 또한, 부하(7)로부터 발전 요구가 없는 경우에는, 발전 제어부(90)는, 수소 공급 밸브(63), 수소 순환 펌프(37)의 구동을 정지하고, 신호 x1 내지 x4의 출력을 정지하게 된다. 그러나, 회복 제어부(92)로부터 신호 z1 내지 z4가 입력된 경우에는, 신호 z1에 기초하여 컴프레서(27)에 의한 산화제 가스의 유량이 제어되고, 신호 z2에 기초하여 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도가 제어되고, 신호 z3에 기초하여 퍼지 밸브(64)의 개방도가 제어되고, 신호 z4에 기초하여 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 개방도가 제어된다.
연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압 이상을 유지하고 있는 동안, 선택부(94)는 제어 모드(y1, y2, y3, y4)=(0, 0, 0, 0)를 선택하여 신호 y1을 회복 제어부(92A), 신호 y2를 회복 제어부(92B), 신호 y3을 회복 제어부(92C), 신호 y4를 회복 제어부(92D)로 출력하고 있다. 이로 인해, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압 이상을 유지하고 있는 동안에는, 회복 제어부(92)로부터 신호 z1 내지 z4의 어느 것도 출력되는 일은 없다. 그러나, 전압 센서(52)가 검출하는 전압값이 정격 전압보다도 낮은 값이 되면, 임피던스 측정기(8)로부터 입력되는 임피던스(전해질막(111)의 습윤도), 및 수온 센서(54)로부터 입력되는 냉각수 온도(전해질막(111)의 온도)에 기초하여, 전해질막(111)을 통과하는 산소의 투과량을 증가시키기 위해서 최적으로 되는 제어 모드를 선택한다. 이때, 신호 y1 내지 y4 중 적어도 하나가 1(High)로 되고, 신호 z1 내지 z4 중 적어도 하나가 출력된다.
전압 강하 속도 측정부(96)에는, 전압 센서(52)로부터의 전압이 입력된다. 그리고 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 전압 강하가 소정의 속도 이상으로 진행되고 있는 경우에는, 전압 강하 속도 측정부(96)는 신호를 선택부(94)로 출력한다. 선택부(94)는, 전압 강하 속도 측정부(96)로부터 신호를 수신하면 촉매층(112A)의 피독이 급속하게 진행되고 있다고 판단하여, 제어 모드(y1, y2, y3, y4)=(1, 1, 1, 1)를 선택하여 각각 회복 제어부(92A 내지 92D)로 출력한다.
또한, 선택부(94)가 제어 모드를 선택할 때에는, 발전 제어부(90)가 설정하는 제어 상태, 즉 신호 x1 내지 x4가 고려된다. 예를 들어, 신호 x1에 의해 컴프레서(27)의 출력이 최대로 되어 있을 때는, 신호 y1은 1(High)로는 되지 않는다. 신호 x2에 의해 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도가 최소로 되어 있을 때는, 신호 y2는 1(High)로는 되지 않는다. 신호 x3에 의해 퍼지 밸브(64)의 개방도가 연소기(5)에서 필요한 산소를 공급할 수 있는 개방도의 최솟값으로 되어 있을 때는, 신호 y3은 1(High)로는 되지 않는다. 신호 x4에 의해 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 개방도가 최대로 되어 있을 때는, 신호 y4는 1(High)로는 되지 않는다.
그 후, 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 연료 전지 스택(1)의 정격 전압에 도달한 경우, 혹은 전압값의 상승이 멈춘 경우에는, 선택부(94)는, 촉매층(112A)에서의 피독은 해소되었다고 판단하여 제어 모드(y1, y2, y3, y4)=(0, 0, 0, 0)를 선택하여 각각 회복 제어부(92A 내지 92D)로 출력한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 제어 상태를 원상태로 돌릴 수 있다.
이 밖에 선택부(94)를 동작시키는 방법으로서는, 타이머(55)에 의해 소정 시간(소정 일수) 경과했을 때는 피독에 의한 열화가 발생하고 있는(발생하고 있지 않아도 되는) 것으로 간주하여 선택부(94)를 동작시키는 것도 가능하다. 이 경우, 선택부(94)는, 회복 제어부(92A 내지 92D)를 통한 반응 회복 처리를 소정 시간 행한 후에는, 촉매층(112A)의 피독이 해소되어 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압 이상으로 회복하였다고 간주한다. 그리고 선택부(94)는, 제어 모드(y1, y2, y3, y4)=(0, 0, 0, 0)를 선택하여 각각 회복 제어부(92A 내지 92D)로 출력할 수도 있다.
또한, 연료 가스의 적산 소비량이 소정량에 도달하면 피독에 의한 열화가 발생하고 있는(발생하고 있지 않아도 되는) 것으로 간주하여 선택부(94)를 동작시키는 방법도 있다. 이것은, 연료 가스 중의 CO 농도를 미리 가정해 두고, 소정량의 연료 가스가 소비되면, 함유하는 CO가 애노드 촉매에 흡착되었다고 추측할 수 있는 것에 기초한 방법이 있다.
연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 반드시 선택부(94)를 동작시키는 방법도 있다. 이것은, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에는, 애노드 촉매에 전회의 운전 중에 흡착된 CO가 남아있다고 간주하는(CO가 남아있지 않아도 되는) 방법이다. 이 경우, 전회의 운전 시간이나 전회의 운전 종료로부터 금회의 운전 개시까지의 시간에 따라서, 시스템 기동 후의 첫회 연산 시에 애노드 촉매가 피독에 의해 열화되어 있다고 판정할지 여부를 결정하도록 해도 된다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 적산 발전 전하량이 소정값에 도달하면 애노드 촉매가 피독에 의해 열화되어 있다고 판정하여 선택부(94)를 동작시키는 방법도 있다.
상기 설명에서는, 선택부(94)는, 임피던스 측정기(8)가 검출하는 임피던스, 수온 센서(54)가 검출하는 냉각수의 온도에 의해 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 판단하고 있다. 그러나, 이들을 사용하지 않고 추정에 의해 운전 상태를 판단하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 스택(1)의 임피던스 초기값, 냉각수의 온도 초기값, 선택부(94)에 입력되는 신호 x1 내지 x4의 크기, 신호 x1 내지 x4의 크기의 시간 방향의 미분값, 신호 x1 내지 x4의 크기의 시간 방향의 적분값 등에 의해 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스 및 냉각수의 온도를 추정하고, 추정된 운전 상태에 기초하여 신호 y1 내지 y4를 출력할 수 있다.
어느 쪽의 경우라도, 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 정격 전압 이상으로 회복했을 때, 또는 소정 시간이 경과하여 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압 이상으로 회복했다고 간주했을 때, 제어 모드(y1, y2, y3, y4)=(0, 0, 0, 0)를 선택하여 각각 회복 제어부(92A 내지 92D)로 출력할 수 있다.
[본 실시 형태의 제어 흐름]
도 15는, 촉매 회복 처리의 개요를 나타내는 흐름도이다.
스텝 S100에서, 컨트롤러(9)는 이그니션 스위치(IGN)가 ON인지 여부를 판정하고, ON의 경우에는 스텝 S200에서 발전 제어(발전량이 제로인 경우도 포함함)를 실행하고, OFF의 경우는 본 루틴을 종료한다.
스텝 S300에서, 컨트롤러(9)는 애노드 촉매가 CO 피독에 의해 열화하고 있는지 여부를 판정하고, 열화되어 있는 경우에는 스텝 S400의 처리를 실행하고, 열화 되지 않는 경우에는 본 루틴을 종료한다.
애노드 촉매가 열화되어 있는지 여부는, 전술한 바와 같이 전압 센서(52)가 검출하는 전압에 의해 직접적으로 취득(검출)해도 되고, 경과 시간, 연료 가스의 적산 소비량, 기동 시의 추정 상태에 의해, 간접적으로 취득(추정)해도 된다.
스텝 S400에서, 컨트롤러(9)는 촉매 회복 처리를 실행한다. 촉매 회복 처리는, 상기의 분압차 dP, 및/혹은 산소 투과 계수 k를 증가시켜, 캐소드측으로부터 애노드측으로 산소를 크로스 누설시키는 처리이다. 그 때, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 추정 또는 검출하고, 당해 운전 상태에 기초하여 보조 기계(컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62) 등)를 통한 촉매 회복 처리를 행한다.
스텝 S500에서, 컨트롤러(9)는 촉매 회복 처리를 종료할지 여부의 판정을 행한다. 촉매 회복 처리를 종료한다고 판정된 경우에는, 본 루틴을 종료하고, 그렇지 않은 경우에는 스텝 S400의 처리를 계속한다.
촉매 회복 처리(스텝 S400 등)의 상세에 대하여 설명한다. 도 16은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 1)이다. 도 16에 도시한 흐름은, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태에 따라서 산화제 가스의 압력, 산화제 가스의 유량, 냉각수의 온도, MEA(11)의 습윤도 중 어느 것을 제어하여 MEA(11)를 투과하는 산소량을 증가시키는 제어로 되어 있다.
스텝 S200의 다음, 스텝 S300의 예로 되는 스텝 S301A에서, 선택부(94)는 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 정격 전압보다도 낮은 값인지 여부를 판단하고, 정격 전압 이상이면 본 루틴을 종료한다. 스텝 S301A에 있어서, 전압 센서(52)가 검출하는 전압이 정격 전압보다도 낮은 값이면 스텝 S401B로 이행한다.
스텝 S401B에서, 선택부(94)는, 임피던스 측정기(8)로부터 입력되는 임피던스의 정보와, 수온 센서(54)로부터 입력되는 냉각수의 온도 정보로부터, 혹은 이들을 추정한 정보로부터, MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어 모드를 선택 할지 여부를 판단하고, "아니오"(부정)이면 스텝 S402로 이행하고, "예"(긍정)이면 스텝 S403으로 이행한다.
스텝 S402에서, 선택부(94)는, 분압차 dP를 증가시키는 제어 모드를 선택할 때, 우선 산화제 가스의 압력을 제어할지 여부를 판단한다. 그리고, 선택부(94)가 "예"(긍정)이라고 판단된 경우에는, 스텝 S404로서 선택부(94)는, 신호 y2가 1(High)로 되는 제어 모드를 선택하여 회복 제어부(92)(회복 제어부(92B))로 출력한다. 이에 의해, 공기 압력 조절 밸브(62)의 개방도는 (x2-z2)로 되어 발전 제어부(90)가 설정한 개방도(x2)보다도 작아지게 되어, 산화제 가스의 압력을 상승시킬 수 있다. 한편, 선택부(94)가 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S405로서 선택부(94)는, 신호 y1이 1(High)로 되는 제어 모드를 선택하여 회복 제어부(92)(회복 제어부(92A))로 출력한다. 이에 의해, 컴프레서(27)의 출력은 (x1+z1)로 되어 발전 제어부(90)에서 설정한 출력(x1)보다도 커지게 되어, 산화제 가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
스텝 S403에서, 선택부(94)는, 냉각수의 온도를 제어할지 여부를 판단한다. 그리고, 선택부(94)가 "예"(긍정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S406으로서 선택부(94)는 신호 y4가 1(High)로 되는 제어 모드를 선택하여 회복 제어부(92)(회복 제어부(92D))로 출력한다. 이에 의해, 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))의 개방도는 (x4+z4)로 되어 발전 제어부(90)가 설정한 개방도(x4)보다도 커지게 되어, 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다. 한편, 선택부(94)가 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S407로서 선택부(94)는, 신호 y3이 1(High)로 되는 제어 모드를 선택하여 회복 제어부(92)(회복 제어부(92C))로 출력한다. 이에 의해 퍼지 밸브(64)의 개방도는 (x3-z3)으로 되어 발전 제어부(90)가 설정한 개방도(x3)보다도 작아지게 되어, 연료 가스의 습도, 즉 MEA(11)의 습윤도를 증가시킬 수 있다.
스텝 S404 내지 S407 중 어느 것을 행한 다음, 스텝 S500의 예로 되는 스텝 S501A에서, 선택부(94)는 전압 센서(52)가 검출하는 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압 이상으로 회복하였는지 여부를 판단한다. 그리고, 선택부(94)가 "예"(긍정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S502에서 선택부(94)는, y1 내지 y4=0으로 되는 제어 모드를 선택하여 회복 제어부(92)로 출력한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 제어 상태를 원래의 상태, 즉 발전 제어부(90)가 설정한 제어 상태로 되돌릴 수 있고, 이에 의해 본 루틴을 종료한다. 한편, 선택부(94)가 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 전술한 스텝 S401B로 되돌아간다.
도 17은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 2)이다. 도 17의 흐름은, 냉각수의 온도가 어떤 임계값(산소가 MEA(11)를 투과할 수 있는 최저 온도에 대응)보다도 낮은 값인지 여부를 우선적으로 판단하는 흐름으로 되어 있다.
전술한 스텝 S301A의 다음, 스텝 S401C로서, 선택부(94)는, 수온 센서(54)가 나타내는 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상인지 여부를 판단한다. 그리고, 선택부(94)가 "예"(긍정)라고 판단된 경우, 즉 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상일 경우, 선택부(94)는, 스텝 S402의 다음, 스텝 S404 또는 스텝 S405를 실행한다. 한편, 선택부(94)가 "아니오"(부정)라고 판단된 경우, 즉 냉각수의 온도가 소정의 임계값보다도 낮은 온도인 경우, 선택부(94)는, 스텝 S407을 실행한다.
선택부(94)는, 스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S407 중 어느 것을 행한 다음, 스텝 S501A, 스텝 S502의 순서대로 실행하고, 이에 의해 본 루틴을 종료한다. 선택부(94)가 스텝 S501A에서 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S401C로 되돌아간다.
도 18은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 3)이다. 도 18의 흐름은, 냉각수의 온도가 있는 임계값(산소가 MEA(11)를 투과할 수 있는 최저 온도에 대응) 이상인지 여부를 우선적으로 판단하고, 그 후 MEA(11)가 건조 상태인지 여부를 판단하는 흐름으로 되어 있다.
스텝 S301A, 스텝 S401C의 순서로 실행한 다음, 선택부(94)가 스텝 S401C에 있어서 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 선택부(94)는 스텝 S406을 실행한다. 또한, 선택부(94)가 스텝 S401C에 있어서 "예"(긍정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S401D로서 선택부(94)는, 임피던스 측정기(8)로부터 입력되는 임피던스의 값에 의해, MEA(11)가 건조 상태(임피던스가 높은 상태)인지 여부를 판단한다.
스텝 S401D에 있어서, 선택부(94)가 "예"(긍정)라고 판단된 경우, 즉 MEA(11)가 건조 상태(임피던스가 높은 상태)라고 판단되었을 때는, 스텝 S407을 실행한다. 한편, 스텝 S401D에 있어서 "아니오"(부정)라고 판단된 경우, 즉 MEA(11)가 습윤 상태(임피던스가 낮은 상태)라고 판단했을 때는, 스텝 S402로 이행하고, 스텝 S404 또는 스텝 S405를 실행한다. 스텝 S404 내지 스텝 S407 중 어느 것을 행한 후, 스텝 S501A, 스텝 S502의 순서로 실행하여 본 루틴을 종료한다.
도 19는, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 4)이다. 도 19의 흐름은, 전압 센서(52)가 검출하는 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 전압 강하 속도가 소정의 임계값 이상인 경우, 촉매층(112A)의 피독이 급속하게 진행되고 있다고 판단하여 회복 제어부(92A 내지 92D)에 관한 회복 제어의 전부를 동시에 작동시키는 흐름으로 되어 있다.
스텝 S301A의 다음, 스텝 S401A에 있어서, 선택부(94)는, 전압 강하 속도 측정부(96)로부터 신호를 수신하였는지 여부에 따라, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 전압 강하 속도가 소정의 임계값 이상인지 여부를 판단한다. 선택부(94)가 스텝 S401A에 있어서 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 선택부(94)는 스텝 S401B를 실행하고, 스텝 S401B에 기초하여 스텝 S402 또는 스텝 S403을 실행한다. 스텝 S402를 실행한 경우에는, 스텝 S404 또는 스텝 S405를 실행하고, 스텝 S403을 실행한 경우에는, 스텝 S406 또는 스텝 S407을 실행한다.
한편, 선택부(94)가 스텝 S401A에 있어서 "예"(긍정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S406, 스텝 S407을 동시에 실행한다.
스텝 S406 내지 스텝 S407 중 어느 것을 실행한 다음, 또는 스텝 S406 내지 스텝 S407의 전부를 실행한 다음, 선택부(94)는 스텝 S501A, 스텝 S502를 실행하여 본 루틴을 종료한다. 선택부(94)가 스텝 S501A에서 "아니오"(부정)라고 판단된 경우에는, 스텝 S401A로 되돌아간다.
여기서, 선택부(94)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압보다도 낮아지면 피독이 발생하였다고 판단하고 있지만, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태에 기초하여 회복 제어부(92A 내지 92D) 중 어느 것을 상시 실행하도록 해도 된다. 또한, 이미 촉매층(112A)의 피독이 소정 이상으로 진행되고 있는 경우, 즉, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압이 정격 전압보다도 낮은 소정값보다도 낮아진 경우에, 선택부(94)는, 스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S406, 스텝 S407을 동시에 실행하도록 해도 된다.
도 20은, 촉매 회복 처리의 상세를 나타내는 흐름도(그의 5)이다. 도 20의 흐름은, 전압 센서(52)(열화 검출 수단)를 사용하지 않고 타이머(55)에 의해 선택부(94)가 제어 모드를 선택하는 흐름으로 되어 있다.
스텝 S200의 다음, 스텝 S300의 예로서 스텝 S301B에서, 선택부(94)는 타이머(55)로부터 입력되는 계시 정보에 의해 연료 전지 스택(1)이 발전하고 나서 소정 시간 경과하였는지 여부를 판단하고, 소정 시간 경과 전이면 본 루틴을 종료한다. 한편, 소정 시간 경과 후이면 스텝 S401B로 이행하고, 스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S406, 스텝 S407을 실행할 때까지 도 16에 도시한 흐름과 마찬가지의 스텝을 실행한다.
스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S406, 스텝 S407을 실행한 다음, 스텝 S500의 예가 되는 스텝 S501B에 있어서, 선택부(94)는 피독을 해소하기 위해서 필요로 하는 소정 시간을 경과하였는지 여부를 판단한다. 그리고 선택부(94)는, "예"(긍정)라고 판단된, 즉 당해 소정 시간을 경과했다고 판단된 경우에는, 촉매층(112A)의 피독은 해소된 것이라 간주하여, 스텝 S502로 이행하고, 본 루틴을 종료한다. 한편, 스텝 S501B에 있어서, "아니오"(부정)라고 판단된, 즉 당해 소정 시간은 아직 경과하지 않았다고 판단된 경우에는, 스텝 S401B로 되돌아간다.
도 16 내지 도 20에 도시한 흐름에서는, 스텝 S406 내지 스텝 S407 중 어느 것을 실행하는 경우 및 스텝 S406 내지 스텝 S407의 전부를 동시에 실행하는 경우에 대하여 설명하고 있다. 그러나, 제어 모드(y1, y2, y3, y4)의 모드 수(16개)에 따라서, 스텝 S406 내지 스텝 S407을 임의의 조합으로 행하는 것도 가능하다. 또한, 회복 제어부(92)는, 적어도 2 이상 있으면 되며, 본 실시 형태에서는 4개이지만, 4 이상이어도 된다. 제어 상태를 변경하는 보조 기계의 수가 N이면 회복 제어부(92)는 N개 있고, 모드수는 2N개로 된다.
[본 실시 형태의 효과]
본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 전해질막(111)을 끼움 지지하는 촉매층(112A)(애노드 촉매)과 촉매층(113A)(캐소드 촉매)을 갖는 MEA(11)와, 촉매층(112A) 측의 유로와 촉매층(113A) 측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터(애노드 세퍼레이터(12), 캐소드 세퍼레이터(13))로 형성된 연료 전지 스택(1)과, 연료 전지 스택(1)에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 급배 장치(3)와, 연료 전지 스택(1)에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 급배 장치(2)와, 시스템의 운전 상태에 따라서 이들 급배 장치를 제어하는 컨트롤러(9)와, 촉매층(112A)의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복부(91)를 구비한 연료 전지 시스템(100)이다. 이 시스템에 있어서, 촉매 열화 회복부(91)는, 복수의 촉매 열화 회복 수단(회복 제어부(92A 내지 92D))과, 시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단(선택부(94))과, 특정 운전 상태에 따라서 복수의 촉매 열화 회복 수단을 선택적으로 작동시키는 선택부(94)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 전해질막(111)의 열화를 억제하면서 촉매 회복 처리를 실행할 수 있는 연료 전지 시스템(100)으로 된다.
복수의 촉매 열화 회복 수단은, 촉매층(113A) 측의 유로로부터 촉매층(112A) 측의 유로에 MEA(11)를 투과하는 산소량을 증가시키는 투과 산소량 증가 수단(회복 제어부(92A 내지 92D))을 구비한 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 촉매층(112A) 의 외부에서의 산소의 수소의 반응을 저감하여 촉매층(112A)의 열에 의한 열화를 저감시킬 수 있다.
투과 산소량 증가 수단은, 연료 가스의 공급 상태 혹은 산화제 가스의 공급 상태를 제어하는 공급 가스 상태 조정 수단(회복 제어부(92A), 회복 제어부(92B))과, MEA(11)의 상태를 제어하는 막전극 접합체 상태 조정 수단(회복 제어부(92C), 회복 제어부(92D))을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시키는 방법을 복수 구비함으로써, 시스템 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.
선택부(94)는, 전해질막(111)의 건조/습윤 상태를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 전해질막(111)의 산소 투과 계수 k를 모니터할 수 있다.
선택부(94)는, 촉매층(112A)의 열화도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 열화를 검출하고 나서 촉매 열화 회복 처리를 하므로, 불필요한 열화 회복 처리를 회피하여 시스템의 에너지 소비를 삭감할 수 있다.
선택부(94), 연료 전지 스택(1)의 냉각수 온도로부터 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 간이한 방법으로 전해질막(111)의 산소 투과 계수 k를 추정할 수 있다.
선택부(94)는, 전해질막(111)의 건조/습윤 상태에 따라서 막전극 접합체 상태 조정 수단(회복 제어부(92C), 회복 제어부(92D)) 또는 공급 가스 상태 조정 수단(회복 제어부(92A), 회복 제어부(92B))의 한쪽을 선택적으로 구동하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 건조/습윤 상태에 따라서 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시키는 방법을 선택할 수 있다.
선택부(94)는, 전해질막(111)이 건조 상태인 것을 검출하면 막전극 접합체 상태 조정 수단(회복 제어부(92C), 회복 제어부(92D))을 구동하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 전해질막(111)의 산소 투과 계수 k를 확실하게 높임으로써, 촉매층(112A)을 피독으로부터 회복시킬 수 있다.
선택부(94)는, 전해질막(111)이 습윤 상태인 것을 검출하면, 공급 가스 상태 조정 수단(회복 제어부(92A), 회복 제어부(92B))을 구동하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 전해질막(111)에 대한 산화제의 공급량을 증가시킴으로써, 촉매층(112A)을 피독으로부터 회복시킬 수 있다.
선택부(94)는, 촉매 열화 검출 수단(전압 센서(52))에 의해 열화도가 소정 이상인 것을 검출하면, 막전극 접합체 상태 조정 수단(회복 제어부(92C), 회복 제어부(92D))과 공급 가스 상태 조정 수단(회복 제어부(92A), 회복 제어부(92B))의 양쪽을 구동하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 촉매층(112A)의 열화가 소정 이상으로 진행되고 있는 경우에는, 복수의 촉매 회복 처리를 실행하여, 촉매층(112A)을 피독하거나 효율적으로 회복시킬 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은, 촉매층(112A)(애노드 촉매)과 촉매층(113A)(캐소드 촉매)을 갖는 MEA(11)와, 촉매층(112A) 측의 유로와 촉매층(113A) 측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터(애노드 세퍼레이터(12), 캐소드 세퍼레이터(13))로 형성된 연료 전지 스택(1)(연료 전지(10))에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 양을 시스템의 운전 상태(부하(7)의 요구)에 따라서 제어함과 함께 촉매층(112A)의 열화를 회복시키기 위한 회복 제어를 행하는 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법이다. 이 제어 방법은, 시스템의 특정 운전 상태를 검출하는(또는 추정하는) 스텝(S401B)과, MEA(11)의 상태, 및/혹은 촉매층(112A) 측의 유로와 촉매층(113A) 측의 유로의 적어도 한쪽의 유로 상태를 변경하는 복수의 회복 제어(회복 제어부(92A 내지 92D))를 사용하여 산소를 MEA(11)에 투과시켜 촉매층(112A)에 강제적으로 공급할 때 특정 운전 상태에 기초하여, 회복 제어를 선택적으로 작동시키는 스텝(스텝 S404, 스텝 S405, 스텝 S406, 스텝 S407)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이것을 구현화하는 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 촉매층(112A)(애노드 촉매)과 촉매층(113A)(캐소드 촉매)을 갖는 MEA(11)와, 촉매층(112A) 측의 유로와 촉매층(113A) 측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터(애노드 세퍼레이터(12), 캐소드 세퍼레이터(13))로 형성된 연료 전지 스택(1)과, 연료 전지 스택(1)에 대해서 연료 가스를 공급하는 연료 가스 급배 장치(3)와, 연료 전지 스택(1)에 대해서 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 급배 장치(2)와, 시스템의 운전 상태에 따라서 이들 공급계를 제어하는 발전 제어부(90)와, 촉매층(112A)의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복부(91)를 구비한 연료 전지 시스템(100)이다. 이 시스템에 있어서, 촉매 열화 회복부(91)는, 촉매층(112A)에 산소(산화제)를 강제적으로 공급하는 회복 제어부(92)(산화제 공급 수단)와, 회복 제어부(92)를 제어하는 선택부(94)(산화제 공급 제어 수단)를 포함한다. 회복 제어부(92)는, MEA(11)의 상태를 제어하는 회복 제어부(92C), 회복 제어부(92D)(막전극 접합체 상태 조정 수단)와, 연료 가스의 공급 상태 혹은 산화제 가스의 공급 상태를 제어하는 회복 제어부(92A), 회복 제어부(92B)(공급 가스 상태 조정 수단)를 포함한다. 산화제 공급 제어 수단은, 시스템의 운전 상태(특정 운전 상태)를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단(선택부(94))과, 운전 상태에 따라서 회복 제어부(92)를 선택적으로 작동시키는 선택부(94)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 일산화탄소(CO)에 의해 피독된(촉매 반응이 열화된) 촉매층(112A)에는, MEA(11)의 캐소드측으로부터 투과한 산소가 도달한다. 그리고, CO는 당해 산소와의 화학 반응에 의해 이산화탄소로 변화하여 제거되고, 이에 의해 MEA(11)(촉매층(112A))의 촉매 반응을 회복시킬 수 있다. 따라서, 산소는 연료 가스 공급 통로(31) 등을 통해서 촉매층(112A)에 직접 공급되지 않으므로 MEA(11)의 애노드측에 있어서 국부 전지가 형성되지 않아, MEA(11)의 화학적인 부식을 저감시킬 수 있다. 또한, MEA(11)를 투과한 산소와 촉매층(112A)에 흡착한 CO의 반응이 지배적으로 되어, 수소의 연소가 억제되기 때문에, MEA(11)의 물리적인 열화도 저감시킬 수 있다.
연료 전지 시스템(100)을 구성하는 보조 기계(컴프레서(27), 공기 압력 조절 밸브(62) 등)의 제어 상태를 변화시킴으로써 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태에 의해 산소의 투과량을 효율적으로 증가시키는 데 최적으로 되는 보조 기계를 통한 회복 제어 및 그 조합이 상이하다. 그래서, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 판단한 다음에 산소의 투과량을 증가시키는 데 최적의 회복 제어를 선택한다. 이에 의해, MEA(11)에 있어서 전기 화학적으로 유효한 촉매 표면적을 효율적으로 증가시켜, MEA(11)에서의 촉매 반응의 회복, 혹은 촉매 반응의 열화 예방을 행할 수 있다.
회복 제어부(92)는, MEA(11)를 투과하는 산소(산화제)의 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, MEA(11)의 외부에서의 산소의 수소 반응을 저감하여 MEA(11)의 열에 의한 열화를 저감시킬 수 있다.
회복 제어부(92A, 92B)는, MEA(11)의 캐소드측과 애노드측의 산소(산화제)의 분압차 dP를 증가시킴으로써 MEA(11)를 투과하여 촉매층(112A)에 공급되는 산소의 공급량을 증가시키는 제어를 행한다. 또한, 회복 제어부(92C, 92D)는, MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시킴으로써 MEA(11)를 투과하여 촉매층(112A)에 공급되는 산소의 공급량을 증가시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태에 따라서 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시키는 방법을 선택할 수 있다.
공급 가스 상태 조정 수단(회복 제어부(92A), 회복 제어부(92D))은, 산화제 가스의 압력 혹은 유량의 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 간이한 방법으로, MEA(11)를 투과하는 산소(산화제)의 공급량을 제어할 수 있다.
산화제 가스 급배 장치(2)는, 산화제 가스의 유량을 조정하는 컴프레서(27)와, 산화제 가스의 압력을 조정하는 공기 압력 조절 밸브(62)를 구비한다. 공급 가스 상태 조정 수단은, 산화제 가스의 유량, 및/혹은 압력을 바꾸어 캐소드측과 애노드측의 산화제의 분압차 dP를 증가시키는 것이며, 컴프레서(27)를 제어하여 산화제 가스의 유량을 증가시키는 회복 제어부(92A)와, 공기 압력 조절 밸브(62)를 제어하여 산화제 가스의 압력을 증가시키는 회복 제어부(92B)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 기존의 장치에 있어서 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시키기 위해서 MEA(11)의 캐소드측과 애노드측의 사이에서의 산소의 분압차 dP를 증가시키는 제어가 가능해진다.
연료 전지 스택(1)에 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 장치(4)를 구비함과 함께, 냉각수 순환 장치(4)는 냉각수의 온도를 조정하는 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))를 구비한다. 연료 가스 급배 장치(3)는, 연료 가스의 습도를 조정하는 퍼지 밸브(64)를 구비한다. 그리고, 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 퍼지 밸브(64)를 제어하여 연료 가스의 습도를 상승시킴으로써 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 상승시키는 회복 제어부(92C)와, 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))를 제어하여 냉각수의 온도를 상승시킴으로써 산소 투과 계수 k를 상승시키는 회복 제어부(92D)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 기존의 장치에 있어서 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시키기 위해서 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어가 가능해진다.
선택부(94)는, 검출된 운전 상태에 기초하여, 회복 제어부(92A 내지 92D) 중 적어도 하나를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 검출하여, 기존의 장치에 있어서 MEA(11)에서의 산소의 투과량을 증가시킬 수 있다. 특히, MEA(11)의 캐소드측과 애노드측의 사이에서의 산소의 분압차 dP를 증가시키는 제어, MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시키는 제어 중 최적으로 되는 제어를 선택할 수 있다.
연료 전지 스택(1)에 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 장치(4)를 구비함과 함께, 냉각수 순환 장치(4)는 냉각수의 온도를 조정하는 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))를 구비한다. 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 바이패스 밸브(65)(또는 바이패스 밸브(66))를 제어하여 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 상승시키는 회복 제어부(92D)를 포함한다. 특정 운전 상태 검출 수단은, 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서(54)를 포함한다. 그리고, 선택부(94)는, 운전 상태로서, 냉각수의 온도가 소정의 임계값보다도 낮은 상태인 것을 검출했을 때, 회복 제어부(92D)를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 보조 기계 소비 전력을 억제하면서, MEA(11)의 온도를 상승시킴으로써 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시켜 피독 물질(CO)을 제거하여, MEA(11)에서의 촉매 반응을 회복시킬 수 있다.
연료 가스 급배 장치(3)는, 연료 가스의 습도를 조정하는 퍼지 밸브(64)를 구비한다. 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 퍼지 밸브(64)를 제어하여 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 상승시키는 회복 제어부(92C)를 포함한다. 특정 운전 상태 검출 수단은, 연료 전지 스택(1)을 순환하는 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서(54)와, MEA(11)의 습윤도를 검출하는 임피던스 측정기(8)를 포함한다. 그리고, 선택부(94)는, 운전 상태로서, 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상의 상태이며, 또한 MEA(11)가 건조 상태인 것을 검출했을 때, 회복 제어부(92C)를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 보조의 기계 소비 전력을 억제하면서, MEA(11)의 습윤도를 상승시킴으로써 MEA(11)의 산소 투과 계수 k를 증가시켜 피독 물질을 제거하여, MEA(11)에서의 촉매 반응을 회복시킬 수 있다.
특정 운전 상태 검출 수단(선택부(94))은, 연료 전지 스택(1)을 순환하는 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서(54)와, MEA(11)의 습윤도를 검출하는 습윤도 검출 수단(임피던스 측정기(8))을 포함한다. 선택부(94)는, 운전 상태로서, 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상의 상태이며, 또한 MEA(11)가 습윤 상태인 것을 검출했을 때, 유로 상태 제어 수단(회복 제어부(92A, 92B))을 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 보조 기계 소비 전력을 억제하면서, MEA(11)의 산소 분압차 dP를 증가시켜 피독 물질을 제거하여, MEA(11)에서의 촉매 반응을 급속하게 회복시킬 수 있다.
임피던스 측정기(8)는, MEA(11)의 임피던스를 계측하는 것이며, 선택부(94)는, 임피던스에 기초하여 MEA(11)의 습윤도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 간이한 방법으로 MEA(11)의 습윤도의 증감을 판단할 수 있다.
특정 운전 상태 검출 수단(선택부(94))은, MEA(11)의 열화 상태를 검출하는 열화 검출부(전압 센서(52))를 포함한다. 선택부(94)는, MEA(11)의 열화를 검출한 경우에, 회복 제어부(92)의 선택 동작을 행한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 열화를 검출하고 나서 회복 제어부(92)를 작동시키므로, 불필요한 열화 회복 처리를 회피하여 에너지 소비를 삭감할 수 있다.
열화 검출부는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 검지하는 전압 센서(52)이며, 선택부(94)는, 출력 전압이 소정의 임계값보다도 낮아졌을 때 MEA(11)가 열화되었다고 판단하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 간이한 구성으로 연료 전지 스택(1)의 촉매층(112A)의 열화를 검출할 수 있다.
선택부(94)는, 출력 전압의 전압 강하가 소정의 속도 이상일 때는, 회복 제어부(92)에서의 모든 제어를 실행하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 피독 열화의 속도에 따라서, MEA(11) 상에서의 피독 물질의 산화 제거의 강도를 선택할 수 있다. 또한 피독 열화가 작을 때는, 일부의 보조 기계만을 회복 제어용으로 작동시킴으로써, 에너지 소비를 최소한으로 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성으로 한정한다는 취지는 아니다.

Claims (26)

  1. 전해질막을 끼움 지지하는 애노드 촉매와 캐소드 촉매를 갖는 막전극 접합체와,
    상기 애노드 촉매측의 유로와 상기 캐소드 촉매측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터로 형성된 연료 전지 본체와,
    상기 연료 전지 본체에 연료 가스를 공급하는 연료 공급계와,
    상기 연료 전지 본체에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급계와,
    시스템의 운전 상태에 따라서 이들 공급계를 제어하는 제어 장치와,
    상기 애노드 촉매의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 촉매 열화 회복 장치는,
    복수의 촉매 열화 회복 수단과,
    시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단과,
    상기 특정 운전 상태에 따라서 상기 복수의 촉매 열화 회복 수단을 선택적으로 작동시키는 선택 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 열화 회복 수단은, 상기 캐소드 촉매측의 유로로부터 상기 애노드 촉매측의 유로로 상기 막전극 접합체를 투과하는 산소량을 증가시키는 투과 산소량 증가 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투과 산소량 증가 수단은,
    상기 연료 가스의 공급 상태 혹은 상기 산화제 가스의 공급 상태를 제어하는 공급 가스 상태 조정 수단과,
    상기 막전극 접합체의 상태를 제어하는 막전극 접합체 상태 조정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 전해질막의 건조/습윤 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 촉매의 열화도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 연료 전지 본체의 냉각수 온도로부터 상기 연료 전지 본체의 습윤 상태를 추정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 선택 수단은, 상기 전해질막의 건조/습윤 상태에 따라서 상기 막전극 접합체 상태 조정 수단 또는 상기 공급 가스 상태 조정 수단의 한쪽을 선택적으로 구동하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 선택 수단은, 상기 전해질막이 건조 상태인 것을 검출하면 상기 막전극 접합체 상태 조정 수단을 구동하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 선택 수단은, 상기 전해질막이 습윤 상태인 것을 검출하면, 상기 공급 가스 상태 조정 수단을 구동하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 선택 수단은, 촉매 열화 검출 수단에 의해 열화도가 소정 이상인 것을 검출하면, 상기 막전극 접합체 상태 조정 수단과 상기 공급 가스 상태 조정 수단의 양쪽을 구동하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  11. 애노드 촉매와 캐소드 촉매를 갖는 막전극 접합체와 애노드 촉매측의 유로와 캐소드 촉매측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터로 형성된 연료 전지 본체와,
    상기 연료 전지 본체에 연료 가스를 공급하는 연료 공급계와,
    상기 연료 전지 본체에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급계와,
    시스템의 운전 상태에 따라서 상기 연료 공급계, 상기 산화제 공급계를 제어하는 제어 장치와,
    상기 애노드 촉매의 열화를 회복시키는 촉매 열화 회복 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 촉매 열화 회복 장치는,
    상기 애노드 촉매에 산화제를 강제적으로 공급하는 산화제 공급 수단과,
    상기 산화제 공급 수단을 제어하는 산화제 공급 제어 수단을 포함하고,
    상기 산화제 공급 수단은,
    상기 막전극 접합체의 상태를 제어하는 막전극 접합체 상태 조정 수단과,
    상기 연료 가스의 공급 상태 혹은 상기 산화제 가스의 공급 상태를 제어하는 공급 가스 상태 조정 수단을 포함하고,
    상기 산화제 공급 제어 수단은,
    시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 특정 운전 상태 검출 수단과,
    상기 특정 운전 상태에 따라서 상기 산화제 공급 수단을 선택적으로 작동시키는 선택 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 산화제 공급 수단은, 상기 막전극 접합체를 투과하는 상기 산화제의 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 공급 가스 상태 조정 수단은, 상기 막전극 접합체의 캐소드측과 애노드측의 상기 산화제의 분압차를 증가시킴으로써 상기 막전극 접합체를 투과하여 상기 애노드 촉매에 공급되는 상기 산화제의 공급량을 증가시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 상기 막전극 접합체의 산소 투과 계수를 증가시킴으로써 상기 막전극 접합체를 투과하여 상기 애노드 촉매에 공급되는 상기 산화제의 공급량을 증가시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 공급 가스 상태 조정 수단은, 상기 산화제 가스의 압력 혹은 유량의 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 산화제 공급계는,
    상기 산화제 가스의 유량을 조정하는 유량 조정부와,
    상기 산화제 가스의 압력을 조정하는 압력 조정부
    를 구비하고,
    상기 공급 가스 상태 조정 수단은,
    상기 산화제 가스의 유량, 압력, 또는 유량과 압력을 바꾸어 캐소드측과 애노드측의 상기 산화제의 분압차를 증가시키는 것이며,
    상기 유량 조정부를 제어하여 상기 산화제 가스의 유량을 증가시키는 제1 회복 제어부와,
    상기 압력 조정부를 제어하여 상기 산화제 가스의 압력을 증가시키는 제2 회복 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체에 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환계를 구비함과 함께, 상기 냉각수 순환계는 상기 냉각수의 온도를 조정하는 온도 조정부를 구비하고,
    상기 연료 공급계는,
    상기 연료 가스의 습도를 조정하는 습도 조정부를 구비하고,
    상기 막전극 접합체 상태 조정 수단은,
    상기 습도 조정부를 제어하여 상기 연료 가스의 습도를 상승시킴으로써 상기 막전극 접합체의 산소 투과 계수를 상승시키는 제3 회복 제어부와,
    상기 온도 조정부를 제어하여 상기 냉각수의 온도를 상승시킴으로써 상기 산소 투과 계수를 상승시키는 제4 회복 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  18. 제11항, 제12항, 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택 수단은, 검출된 상기 특정 운전 상태에 기초하여, 상기 막전극 접합체 상태 조정 수단 및 상기 공급 가스 상태 조정 수단 중 적어도 하나를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체에 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환계를 구비함과 함께, 상기 냉각수 순환계는 상기 냉각수의 온도를 조정하는 온도 조정부를 구비하고,
    상기 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 상기 온도 조정부를 제어하여 상기 막전극 접합체의 산소 투과 계수를 상승시키는 회복 제어부를 포함하고,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서를 포함하고,
    상기 선택 수단은,
    상기 냉각수의 온도가 소정의 임계값보다도 낮은 상태인 것을 검출했을 때, 상기 회복 제어부를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 연료 공급계는,
    상기 연료 가스의 습도를 조정하는 습도 조정부를 구비하고,
    상기 막전극 접합체 상태 조정 수단은, 상기 습도 조정부를 제어하여 상기 막전극 접합체의 산소 투과 계수를 상승시키는 회복 제어부를 포함하고,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 연료 전지 본체를 순환하는 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서와, 상기 막전극 접합체의 습윤도를 검출하는 습윤도 검출 수단을 포함하고,
    상기 선택 수단은,
    상기 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상의 상태이며, 또한 상기 막전극 접합체가 건조 상태인 것을 검출했을 때, 상기 회복 제어부를 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 연료 전지 본체를 순환하는 냉각수의 온도를 검출하는 수온 센서와, 상기 막전극 접합체의 습윤도를 검출하는 습윤도 검출 수단을 포함하고,
    상기 선택 수단은,
    상기 냉각수의 온도가 소정의 임계값 이상의 상태이며, 또한 상기 막전극 접합체가 습윤 상태인 것을 검출했을 때, 상기 공급 가스 상태 조정 수단을 선택하여 작동시키는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 습윤도 검출 수단은, 상기 막전극 접합체의 임피던스를 계측하는 것이며,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 임피던스에 기초하여 상기 막전극 접합체의 습윤도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  23. 제11항, 제12항, 제15항 내지 제17항, 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 막전극 접합체의 열화도를 검출하는 열화 검출부를 포함하고,
    상기 선택 수단은, 상기 특정 운전 상태 검출 수단이 상기 막전극 접합체의 열화를 검출한 경우에, 상기 산화제 공급 수단의 선택 동작을 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 열화 검출부는, 상기 연료 전지 본체의 출력 전압을 검지하는 전압 센서이며,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 출력 전압이 소정의 임계값보다도 낮아졌을 때 상기 막전극 접합체가 열화되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 특정 운전 상태 검출 수단은, 상기 출력 전압의 전압 강하가 소정의 속도 이상일 때는, 상기 산화제 공급 수단에서의 모든 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  26. 애노드 촉매와 캐소드 촉매를 갖는 막전극 접합체와, 애노드 촉매측의 유로와 캐소드 촉매측의 유로를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터로 형성된 연료 전지 본체에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 양을 시스템의 운전 상태에 따라서 제어함과 함께 상기 애노드 촉매의 열화를 회복시키기 위한 회복 제어를 행하는 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서,
    시스템의 특정 운전 상태를 검출하는 스텝과,
    상기 막전극 접합체의 상태, 상기 애노드 촉매측의 유로와 상기 캐소드 촉매측의 유로의 적어도 한쪽의 유로 상태, 또는 상기 막전극 접합체의 상태 및 상기 애노드 촉매측의 유로와 상기 캐소드 촉매측의 유로의 적어도 한쪽의 유로 상태를 변경하는 복수의 상기 회복 제어를 사용해서 산화제를 상기 막전극 접합체에 투과시켜 상기 애노드 촉매에 강제적으로 공급할 때 상기 특정 운전 상태에 기초하여, 상기 회복 제어를 선택적으로 작동시키는 스텝
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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