KR20090096649A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20090096649A
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겐지 우마야하라
다다이치 마츠모토
후사키 이가라시
미치오 요시다
고타 마나베
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지시스템은, 연료전지에 대한 요구 전력이 소정값 미만일 때에 연료전지에 대한 산화가스 공급을 정지함과 동시에 연료전지의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로부터 환원전압(V3)까지 저하시킴으로써 촉매 활성화 처리를 실시한다. 산화가스 부족에 의하여 연료전지의 출력전압이 에어 블로우 전압(V4)까지 저하한 곳에서, 연료전지시스템은, 산화가스를 보급하고, 연료전지의 출력전압을 회복시킨다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 촉매 활성화 기능을 가지는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료를 전기화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써, 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이다. 연료전지 스택은, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 고분자 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 1쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 막 - 전극 어셈블리를 가진다. 1쌍의 전극의 각각은, 백금계의 금속 촉매를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막에 접하는 촉매층과, 촉매층의 표면에 형성되고, 통기성과 전자 도전성을 아울러 가지는 가스 확산층을 가진다.
이와 같은 종류의 연료전지시스템에서는, 셀 전압이 산화 전위(약 0.7 V∼1.0 V)가 되는 운전영역에서 전지운전을 계속하면, 촉매층의 백금 촉매 표면으로의 수산화물의 흡착에 의하여 활성화 과전압이 증대하기 때문에, 출력 특성이 저하하는 경우가 있다. 이와 같은 사정을 감안하여, 일본국 특개2005-346979호 공보에는, 연료전지 스택에 대한 공기공급을 정지함과 동시에, 연료전지 스택의 출력전압을 DC/DC 컨버터에 의해 강제적으로 저하시키고, 셀 전압을 환원전위(예를 들면 0.6 V 이하)까지 끌어내림으로써, 백금 촉매 표면에서 수산화물을 제거하여 촉매활 성을 회복하는 처리에 대하여 언급되어 있다. 상기 문헌에는, 촉매 활성화 처리에 의해 발생하는 잉여 전력을 보조 기계용 배터리에 충전하는 것에 대해서도 언급되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2005-346979호 공보
그러나, 연료전지시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 연료전지 차량에서는, 역행(力行) 주행 중에 연료전지 스택의 출력전압을 강제적으로 끌어내림으로써, 촉매 활성화 처리를 실시하면, 일시적으로 셀 전압이 저하하기 때문에, 고부하 요구 시에 있어서의 액셀러레이터 응답에 따른 출력을 얻을 수 없는 경우가 있고, 드라이버빌리티(조종성능)가 현저하게 저하할 염려가 있다.
또, 연료전지 스택에 대한 반응 가스 공급을 계속한 채의 상태에서, 촉매 활성화 처리를 실시하기 위하여 연료전지 스택의 출력전압을 강제적으로 저하시키면, 축전장치에 충전할 수 없을 정도의 과대한 잉여 전력이 촉매 활성화 처리 중에 발전되는 경우가 있다. 과충전에 의한 축전장치의 손상을 억제하기 위해서는, 촉매 활성화 처리 중에 발생하는 잉여 전력은, 가능한 한 적은 쪽이 바람직하다.
그래서, 본 발명은, 드라이버빌리티를 손상하지 않고, 또한 촉매 활성화 처리 중에 발생하는 잉여 전력이 적어지도록, 연료전지의 촉매 활성화 처리를 실시할 수 있는 연료전지시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료가스 및 산화가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지에 대한 요구 전력이 소정값 미만일 때에 연료전지에 대한 산화가스 공급을 정지함과 동시에 연료전지의 출력전압을 저하시킴으로써 촉매 활성화 처리를 실시하는 제어장치를 구비한다.
연료전지에 대한 발전요구가 소정의 문턱값 미만일 때에, 연료전지에 대한 산화가스 공급을 정지하여 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 드라이버빌리티를 손상하지 않고, 또한 촉매 활성화 처리 중에 발생하는 잉여 전력을 적게 할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 축전장치를 더 구비하고, 제어장치는, 축전장치에 충전 가능한 전력이 소정값 이하인 경우에는, 촉매 활성화 처리를 금지한다.
촉매 활성화 처리에 의해 발전되는 잉여 전력을 축전장치에 충전할 수 없는 경우에는, 촉매 활성화 처리를 금지함으로써, 축전장치의 손상을 회피할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템에 있어서, 제어장치는, 연료전지시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 차량의 주행속도가 소정값 이상일 때에 촉매 활성화 처리를 금지한다.
차량이 주행상태에 있을 때는, 촉매 활성화 처리를 금지함으로써, 셀 전압 저하에 따르는 드라이버빌리티의 저하를 억제할 수 있다. ·
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 배관 계통에 설치되는 복수의 차단밸브를 더 구비한다. 제어장치는, 복수의 차단밸브를 폐쇄함으로써 배관계통 내부에 폐쇄 공간을 형성하고, 폐쇄 공간 내부의 가스압 변동을 검출함으로써 가스 누설을 한창 검출하고 있을 때에 있어서의 촉매 활성화 처리를 금지한다.
가스 누설 검출 중에 있어서의 촉매 활성화 처리를 금지함으로써, 가스 누설 정밀도의 저하를 회피할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템에 있어서, 제어장치는, 연료전지의 출력성능이 저하하였을 때에, 촉매 활성화 처리를 실시한다.
촉매 활성화 처리가 필요할 때에 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있고, 촉매 활성화 처리를 반복하여 실시함에 의한 연료전지의 내구성 저하를 회피할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료전지의 출력전압을 제어하는 DC/DC 컨버터와, 연료전지가 발전한 전력을 충전하는 커패시터를 더 구비한다. 제어장치는, 연료전지에 대한 요구 전력이 소정값 미만인 경우에는, 연료전지의 출력단자를 DC/DC 컨버터에 접속하고, 연료전지의 출력전압을 DC/DC 컨버터에 의해 제어하는 한편으로, 연료전지에 대한 요구 전력이 소정값 이상인 경우에는, 연료전지의 출력단자를 커패시터에 접속하고, 연료전지가 발전한 전력을 커패시터에 충전한다.
도 1은 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 2는 연료전지 스택을 구성하는 셀의 분해사시도,
도 3은 연료전지시스템의 운전제어를 나타내는 타이밍 차트,
도 4는 촉매 활성화 처리의 실행조건의 개요를 나타내는 설명도,
도 5는 촉매 활성화 처리 중의 연료전지 스택의 출력전압의 변화를 나타내는 타이밍 차트,
도 6은 촉매 활성화 처리의 실행조건의 상세를 나타내는 설명도,
도 7은 셀 전압과 산화 피막의 흡착량과의 관계를 나타내는 그래프,
도 8은 산화 피막의 흡착량이 소정의 문턱값을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트,
도 9는 전회의 촉매 활성화 처리로부터 소정시간이 경과한 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 제 1 순서를 나타내는 플로우차트,
도 10은 전회의 촉매 활성화 처리로부터 소정시간이 경과한 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 제 2 순서를 나타내는 플로우차트,
도 11은 백금 촉매에 산화 피막이 흡착하는 것에 기인하는 연료전지 스택의 I-V 특성의 저하를 나타내는 설명도,
도 12는 연료전지 스택의 출력 특성의 저하량이 소정의 문턱값을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트,
도 13은 연료전지 스택의 과전압을 나타내는 설명도,
도 14는 연료전지 스택의 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트,
도 15는 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 16은 실시예 3에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시예에 대하여 설명한다. 동 일한 장치에서는 동일한 부호를 나타내는 것으로 하고, 중복되는 설명을 생략한다.
(실시예 1)
도 1은 실시예 1에 관한 연료전지시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것으로, 반응가스(연료가스, 산화가스)의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 산화가스로서의 공기를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화가스 공급계(30)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 시스템 전체를 통괄 제어하는 컨트롤러(60)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 식 (1)의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 식 (2)의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 식 (3)의 기전반응이 생긴다.
Figure 112009047703756-PCT00001
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압(FC 전압)을 검출하기 위한 전압센서(71), 출력전류(FC 전류)를 검출하기 위한 전류센서(72)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스 가 흐르는 산화가스 통로(33)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(34)를 가지고 있다. 산화가스 통로(33)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중에서 산화가스를 도입하는 에어컴프레서(32)와, 에어컴프레서(32)에 의해 가압되는 산화가스를 가습하기 위한 가습기(35)와, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급을 차단하기 위한 차단밸브(A1)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(34)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 산화 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단밸브(A2)와, 산화가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정밸브(A3)와, 산화가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(15)가 설치되어 있다.
연료가스 공급계(40)는, 연료가스 공급원(41)과, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료가스가 흐르는 연료가스 통로(43)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)로 귀환시키기 위한 순환통로(44)와, 순환통로(44) 내의 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)로 압송하는 순환펌프(45)와, 순환통로(44)에 분기 접속되는 배기 배수통로(46)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35 MPa 내지 70 MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단밸브(H1)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스 통로(43)로 연료가스가 유출된다. 연료가스는, 레귤레이터(H2)나 인젝터(42)에 의해 예를 들면, 200 kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치의 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
연료가스 통로(43)에는, 연료가스 공급원(41)으로부터의 연료가스의 공급을 차단 또는 허용하기 위한 차단밸브(H1)와, 연료가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(H2)와, 연료전지 스택(20)으로의 연료가스 공급량을 제어하는 인젝터(42)와, 연료전지 스택(20)으로의 연료가스 공급을 차단하기 위한 차단밸브(H3)와, 압력센서(74)가 설치되어 있다.
레귤레이터(H2)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조절하는 장치로서, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식의 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식의 감압밸브는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 조압실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다. 인젝터(42)의 상류측에 레귤레이터(H2)를 배치함으로써, 인젝터(42)의 상류측 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 인젝터(42)의 기계적 구조(밸브체, 박스체, 유로, 구동장치 등)의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또, 인젝터(42)의 상류측 압력을 저감시킬 수 있기때문에, 인젝터(42)의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 증대에 기인하여 인젝터(42)의 밸브체가 이동하기 어렵게 되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 인젝터(42)의 하류측 압력의 가변 압력 조절 폭을 넓힐 수 있음과 동시에, 인젝터(42)의 응답성의 저하를 억제할 수 있다.
인젝터(42)는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(42)는, 연료가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 보디와, 이 노즐 보디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
본 실시형태에서는, 인젝터(42)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자전류의 온/오프에 의하여 분사구멍의 개구면적을 2단계로 변환할 수 있다. 컨트롤러(60)로부터 출력되는 제어신호에 의해 인젝터(42)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기가 제어됨으로써, 연료가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다. 인젝터(42)는, 밸브(밸브체 및 밸브자리)를 전자구동력으로 직접 개폐 구동하는 것으로, 그 구동주기가 고응답의 영역까지 제어 가능하기 때문에, 높은 응답성을 가진다. 인젝터(42)는, 그 하류에 요구되는 가스유량을 공급하기 위하여, 인젝터(42)의 가스유로에 설치된 밸브체의 개구면적(개방도) 및 개방시간의 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측에 공급되는 가스유량(또는 수소 몰농도)을 조정한다.
순환통로(44)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 연료 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단밸브(H4)와, 순환통로(44)로부터 분기되는 배기 배수통로(46)가 접속되어 있다. 배기 배수통로(46)에는, 배기 배수밸브(H5)가 설치되어 있다. 배기 배수밸브(H5)는, 컨트롤러(60)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환통 로(44) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수밸브(H5)의 개방에 의하여 순환통로(44) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가고, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소농도를 올릴 수 있다.
배기 배수밸브(H5)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의해 희석된다. 순환펌프(45)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료전지 스택(20)으로 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기계류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류전력, 또는 회생 제동에 의해 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다. DC/DC 컨버터(51)의 이들 기능에 의하여 배터리(52)의 충방전이 제어된다. 또, DC/DC 컨버터(51)에 의한 전압변환 제어에 의하여 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다. 배터리(52)에는, SOC(State of charge)를 검출하기 위한 SOC 센서가 설치되어 있다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스 폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(60)로부터의 제어지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들면, 3상 교류모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기계류(55)는, 연료전지시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차량 탑재 보조 기계류(예를 들면, 에어컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
컨트롤러(60)는, CPU, ROM, RAM, 및 입출력 인터페이스를 구비하는 컴퓨터 시스템이고, 연료전지시스템(10)의 각 부를 제어한다. 예를 들면, 컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호(IG)를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속신호(VC) 등을 기초로, 시스템 전체의 요구 전력을 구한다. 시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조 기계 전력과의 합계값이다.
여기서, 보조 기계 전력에는, 차량 탑재 보조 기계류(가습기, 에어컴프레서, 수소펌프 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치, 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승자 공간 내에 설치되는 장치(공기조절장치, 조명기구, 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력전력의 배분을 결정하여, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표전력에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. 또한, 컨트롤러(60)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 토오크가 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압 지령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하고, 트랙션 모터(54)의 출력 토오크, 및 회전수를 제어한다.
도 2는 연료전지 스택(20)을 구성하는 셀(21)의 분해 사시도이다.
셀(21)은, 고분자 전해질막(22)과, 애노드극(23)과, 캐소드극(24)과, 세퍼레이터(26, 27)로 구성되어 있다. 애노드극(23) 및 캐소드극(24)은, 고분자 전해질막(22)을 양측으로부터 사이에 두고 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다. 가스불투과의 도전성부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 또한 양쪽으로부터 사이에 두면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)과의 사이에 각각 연료가스 및 산화가스의 유로를 형성한다. 세퍼레이터(26)에는, 단면 오목형상의 리브(26a)가 형성되어 있다. 리브(26a)에 애노드극(23)이 맞닿음으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐쇄되고, 연료가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는, 단면 오목형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 맞닿음으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐쇄되고, 산화가스 유로가 형성된다.
애노드극(23)은, 백금계의 금속 촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되어, 통기성과 전자 도전성을 아울러 가지는 가스 확산층(23b)을 가진다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은, 촉매층(24a)과 가스확산층(24b)을 가진다. 더욱 상세하게는, 촉매층(23a, 24a)은, 백금, 또는 백금과다른 금속으로 이루어지는 합금을 담지한 카본 분말을 적당한 유기용매에 분산시키고, 전해질 용액을 적량 첨가하여 페이스트화하고, 고분자 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소섬유로 이루어지는 실로 짠 카본 크로스, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의하여 형성되어 있다. 고분자 전해질막(22)은, 고체 고분자재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이며, 습윤상태에서 양호한 전기전도성을 발휘한다. 고분자 전해질막(22), 애노드극(23), 및 캐소드극(24)에 의해 막 - 전극 어셈블리(25)가 형성된다.
도 3은 연료전지시스템(10)의 운전제어를 나타내는 타이밍 차트이다.
연료전지시스템(10)은, 운전부하에 따라, 연료전지 스택(20)의 운전 모드를 변환함으로써 발전효율의 향상을 도모한다. 예를 들면, 연료전지시스템(10)은, 발전효율이 낮은 저부하 영역[발전요구가 소정값 미만이 되는 운전영역]에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 제로로 설정하여 운전 제어하고, 차량 주행에 요하는 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 배터리(52)로부터의 전력에 의해 조달한 다(이하, 제 1 운전 모드라 한다). 한편, 발전효율이 높은 고부하 영역(발전요구가 소정값 이상이 되는 운전영역)에서는, 액셀러레이터 개방도나 차속 등을 기초로 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 산출하여 운전 제어하고, 차량 주행에 요하는 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 연료전지 스택(20)에 의한 발전 전력만에 의하여 또는 연료전지 스택(20)에 의한 발전전력과 배터리(52)로부터의 전력에 의하여 조달한다(이하, 제 2 운전 모드라 한다.).
연료전지시스템(10)은, 운전 모드를 나타내는 제어 플래그를 일정 주기로 감시하고 있고, 제어 플래그가 온이 되면 제 1 운전 모드로 운전 제어하고, 제어 플래그가 오프가 되면 제 2 운전 모드로 운전 제어한다. 어느 운전 모드에서도, 통상 운전 시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 원칙으로서, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2) 사이의 운전범위로 제한된다.
사용 상한 전압(V1)으로서는, 연료전지 스택(20)의 촉매층(23a, 24a)에 포함되어 있는 백금 촉매가 용출하지 않을 정도의 전압 범위라는 조건을 만족하는 전압 인 것이 바람직하고, 또한, 그 조건에 더하여, 연료전지 스택(20)에 대한 반응 가스 공급을 정지한 상태에서 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하였을 때에, 연료전지 스택(20)이 발전하는 전력을 보조 기계류(55)에 의해 소비할 수 있을 정도의 전압 범위라는 조건을 만족하는 전압인 것이 바람직하다. 연료전지 스택(20)에서는, 특히 저밀도 전류 운전시나 아이들 운전 시와 같은 캐소드극(24)의 전위가 높게 유지되는 경우에, 촉매층(24a)의 백금 촉매가 용출될 가능성이 있다. 본 명세서에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전 압(V1) 이하로 제어하고, 연료전지 스택(20)의 내구성을 유지하는 것을 고전위 회피제어라 한다. 또 사용 상한 전압(V1)을 고전위 회피전압이라 부르는 경우가 있다. 본 실시형태에서는, 어느 운전 모드에서도, 원칙으로서, 고전위 회피제어가 실행된다. 사용 상한 전압(V1)은, 예를 들면 1개의 셀당 전압이 0.9 V 정도가 되 도록 설정하는 것이 적합하다.
사용 하한 전압(V2)으로서는, 셀 전압이 환원영역으로 저하하지 않을 정도의 전압범위라는 조건을 만족하는 전압인 것이 바람직하다. 연료전지 스택(20)을 산화영역에서 연속 운전을 계속하면, 촉매층(24a)에 포함되는 백금 촉매의 표면에 산화 피막이 형성됨으로써 백금 촉매의 유효면적이 감소한다. 그렇게 하면, 활성 전압이 증대하기 때문에, 연료전지 스택(20)의 I-V 특성이 저하한다. 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 산화 피막을 환원하고, 백금 촉매로부터 산화 피막을 제거 함으로써, I-V 특성을 회복시킬 수 있으나, 셀 전압을 산화영역과 환원영역의 사이에서 빈번하게 천이시키면, 연료전지 스택(20)의 내구성이 저하한다. 또, 셀 전압을 환원영역으로까지 내린 후에, 요구 부하의 증대에 따라 셀 전압을 산화영역까지 끌어올리면, 백금 촉매를 담지하는 카본이 산화되는 경우가 있다. 이와 같은 사정을 감안하여, 통상 운전시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 하한 전압(V2) 이상으로 제어함으로써, 연료전지 스택(20)의 내구성 저하를 억제할 수 있다. 사용 하한 전압(V2)은, 예를 들면 1개의 셀당에 전압이 0.8 V 정도가 되 도록 설정하는 것이 적합하다.
또한, 통상 운전시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 원칙으로 서, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2)의 사이로 제어되나, 시스템 운용의 필요 상, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1) 이상으로 제어하거나, 또는 사용 하한 전압(V2) 이하로 제어하는 경우가 있다. 예를 들면, 배터리(52)의 SOC가 소정 이상일 때, 가스 누설 검출을 실시할 때, 회생 제동에 의해 회생 전력을 회수할 때 등은, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 개방단 전압까지 끌어올려진다. 또, 촉매 활성화 처리를 실시할 때에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 사용 하한 전압(V2) 이하로 내려진다.
그런데, 제 1 운전 모드에서는, 컨트롤러(70)는, 발전 지령값을 제로로 설정하고, 연료전지 스택(20)으로의 반응 가스 공급을 정지함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값을 사용 상한 전압(V1)으로 설정한다(시각 t0∼t4). 반응 가스 공급을 정지한 후에 있어서도, 연료전지 스택(20) 내부에는, 미반응의 반응 가스가 잔류하고 있기 때문에, 연료전지 스택(20)은, 잠시 미량으로 발전한다.
시각 t0∼t2의 기간은, 잔류 반응 가스가 가지는 화학 에너지가 전기 에너지로 변환됨으로써, 미량 발전이 계속되고 있는 발전기간이다. 이 발전기간에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)을 유지할 수 있는 만큼의 에너지를 잔류 반응 가스가 가지고 있기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 사용 상한 전압(V1)을 계속해서 유지한다. 이 발전기간 중에 발전된 전력은, 보조 기계류(55)에서 소비되나, 보조 기계류(55)에서 소비할 수 없는 경우에는, 배터리(52)에 충전된다.
시각 t0∼t1의 기간에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 에너지가 보조 기계 류(55)의 소비용량을 넘어 있기 때문에, 발전 에너지의 일부가 배터리(52)에 충전되어 있다. 그런데, 잔류 반응 가스의 소비에 따라 연료전지 스택(20)으로부터 방출되는 발전 에너지는, 점차로 감소하여 가기 때문에, 시각 t1의 시점에서는, 연료전지 스택(20)으로부터 방출되는 발전 에너지와, 보조 기계류(55)의 소비 용량이 균형잡혀, 배터리(52)에 충전되는 전력은 제로가 된다. 그리고, 시각 t1∼시각 t2의 기간에서는, 연료전지 스택(20)으로부터 방출되는 발전 에너지에서는, 보조 기계류(55)의 소비전력을 조달할 수 없게 되기 때문에, 그 부족 전력을 보충하기 위하여, 배터리(52)로부터 보조 기계류(55)에 전력이 공급되게 된다.
시각 t2∼t4의 기간은, 잔류 반응 가스의 소비에 의하여 연료전지 스택(20)의 출력전압을 이미 사용 상한 전압(V1)으로 유지할 수 없게 되어, 발전정지에 이르는 발전 정지기간이다. 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하기 위하여 필요한 에너지를 잔류 반응 가스가 가지지 않게 되면, 발전정지에 이르고, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 점차로 내려간다. 이 발전 정지기간에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 에너지는 제로가 되기 때문에, 배터리(52)로부터 보조 기계류(55)에 공급되는 전력은 대략 일정해진다.
연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)까지 저하하는 시각 t3에서는, 산화가스 공급계(30)를 구동하고, 연료전지 스택(20)에 산화가스를 보급한다. 연료전지 스택(20)은, 산화가스의 보급을 받아 발전하기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 상승으로 바뀐다. 연료전지 스택(20)의 출력전압이 소정 전압(예를 들면, 360 V)까지 승압한 단계에서, 산화가스 보급을 종료한다. 이와 같 이, 발전 정지기간 중에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)까지 저하할 때마다 산화가스가 적절하게 보급되고, 출력전압이 사용 하한 전압(V2)을 하회하지 않도록 제어된다.
제 2 운전 모드에서는, 컨트롤러(70)는, 요구 부하에 따라 발전 지령값을 산출하고, 연료전지 스택(20)으로의 반응 가스 공급을 제어함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)를 거쳐 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다(시각 t4∼시각 t5). 이 때, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값은, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2) 사이의 운전범위로 제한된다.
도 4는 촉매 활성화 처리의 실행조건의 개요를 나타내는 설명도이다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 연료전지 차량이 정차 중에 있고, 또한 운전 모드가 제 1 운전 모드에 있을 때에는, 촉매 활성화 처리의 실시가 허가된다.
여기서, 촉매 활성화 처리의 상세에 대하여 설명한다. 연료전지 스택(20)에서는, 상기한 식 (1)에 나타내는 바와 같이, 애노드극(23)에서 생성된 수소 이온이 전해질막(22)을 투과하여 캐소드극(24)으로 이동한다. 캐소드극(24)으로 이동한 수소 이온은, 상기한 식 (2)에 나타내는 바와 같이, 캐소드극(24)에 공급되고 있는 산화가스 중의 산소와 전기화학반응을 일으켜, 산소의 환원반응을 일으키게 한다. 그 결과, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면을 산화 피막이 덮어 반응 저항(과전압)이 증대하고, 발전 효율(출력특성)이 저하한다. 촉매 활성화 처리는, 셀 전압을 환원전위까지 내림으로써, 산화 피막을 환원하고, 촉매 표면으로부터 산화 피막을 제거하는 처리이다. 더욱 상세하게는, 각 셀의 전압, 즉, 연료전지 스택의 출력전압을 강하시킴으로써, 출력전류를 증가시키고, 촉매층(24a)에서의 전기화학반응을 산화반응영역에서 환원반응영역으로 천이시켜 촉매 활성을 회복시킨다.
또, 연료전지 차량이 정차 중에 있고, 또한 운전 모드가 제 1 운전 모드에 있는 것은, 촉매 활성화 처리를 허가하기 위한 최저 조건이다. 촉매 활성화 처리의 실시가 허가되기 위해서는, 시스템 운용의 형편 상, 다른 조건도 가미하는 것이 바람직하다(상세에 대해서는 뒤에서 설명한다).
도 5는 촉매 활성화 처리 중의 연료전지 스택(20)의 출력전압의 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
상기한 바와 같이, 연료전지 차량이 정차 중이고, 또 운전 모드가 제 1 운전 모드에 있을 때에는, 촉매 활성화 처리가 실시된다. 촉매 활성화 처리에서는, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급을 계속한 채로, 산화가스 공급을 정지하고, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값을 사용 상한 전압(V1)으로부터 환원전압(V3)으로 직선적으로 점차 감소시킨다(시각 t10∼t11). 환원전압(V3)으로서는, 백금 촉매를 피복하는 산화 피막을 환원함으로써 산화 피막을 제거할 수 있는 전압 범위인 것이 필요하고, 예를 들면 1개의 셀당에 대하여 전압이 0.7 V 정도가 되도록 설정하는 것이 적합하다.
또한, 제 1 운전 모드에서는, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급을 정지함과 동시에 산화가스 공급도 정지하는 것이 원칙이나, 촉매 활성화 처리 중에서는, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급을 계속한 채로, 산화가스 공급만을 정지한다. 이것은, 연료가스 공급까지도 정지하면, 셀(21)이 전극(轉極)하여, 손 상을 받을 가능성이 있기 때문이다.
연료전지 스택(20)의 출력전압이 환원전압(V3)에 이르는 시각 t11 이후에서는, 컨트롤러(60)는, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값을 환원전압(V3)으로 유지한다. 그런데, 촉매 활성화 처리 중에 있어서의 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급은 정지되어 있기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 환원전압(V3)을 유지할 수 없게 되어, 마침내 발전 정지에 이른다. 그렇게 하면, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 점차로 강하하기 시작한다.
그리고, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 에어 블로우 전압(V4)까지 저하하는 시각 t12에서는, 컨트롤러(60)는, 에어컴프레서(33)를 재구동하고, 연료전지 스택(20)에 산화가스를 보급한다. 에어 블로우 전압(V4)으로서는, 셀 전압이 낮아져 지나치지 않을 정도의 전압 범위인 것이 필요하고, 예를 들면 1개의 셀당에 전압이 0.65 V 정도가 되도록 설정하는 것이 적합하다.
또한, 산화가스를 보급함으로써, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 상승으로 바뀌나, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 사용 상한 전압(V1)을 넘지 않도록, DC/DC 컨버터(51)에 의해 제한된다.
도 6은 촉매 활성화 처리의 실행조건의 상세를 나타내는 설명도이다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 촉매 활성 처리의 실시가 허가되기 위해서는, (A1) 차속이 VC1 이하일 것, (B1) 운전 모드가 제 1 운전 모드에 있을 것, (C1) 배터리(52)의 충전능력(Win)이 W1 이하일 것, (D1) 가스 누설 검출의 판정 중이 아닐 것, (E1) 에어컴프레서(33)가 정지하고 있을 것의 모든 조건이 만족되어 있는 것이 필요하다. 한편, 촉매 활성화 처리의 실시가 금지되기 위해서는, (A2) 차속이 VC2 이상일 것, (B2) 운전 모드가 제 1 운전 모드 이외일 것, (C2) 배터리(52)의 충전능력(Win)이 W2 이상일 것, (D2) 가스 누설 검출의 판정 중일 것, (E2) 에어컴프레서(33)가 작동 중일 것 중 어느 하나의 조건이 만족되는 것이 필요하다.
(차량 주행상태)
촉매 활성화 처리에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 환원전압(V3)까지 저하시키기 때문에, 이 상태에서 액셀러레이터 온하고, 운전 모드를 제 1 운전 모드로부터 제 2 운전 모드로 변환하는 경우를 상정하면, 셀 전압이 저하하고 있기 때문에, 고부하 요구 시에 있어서의 액셀러레이터 응답에 따른 출력을 얻을 수 없고, 드라이버빌리티가 현저하게 저하할 염려가 있다. 그래서, 촉매 활성화 처리를 실시하기 위해서는, 차량이 정차상태에 있을 것을 필요 조건으로 하고, 차량이 주행상태에 있을 때에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다. 더욱 상세하게는, 촉매 활성화 처리를 실시하기 위한 필요 조건으로서, 차속이 VC1(예를 들면, 0.5 km/h) 이하인 것을 조건으로 하고, 차속이 VC2(예를 들면, 3.0 km/h) 이상인 경우에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다.
(운전 모드)
촉매 활성화 처리의 실시가 허가되기 위해서는, 운전 모드가 제 1 운전 모드에 있는 것이 필요하고, 운전 모드가 제 1 운전 모드 이외의 모드(예를 들면, 제 2 운전 모드, 시스템 기동 중, 시스템 정지 중 등의 상태)에 있을 때에는, 촉매 활성 화 처리는 금지된다. 제 1 운전 모드에서는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급은 정지되어 있기 때문에, 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 강제적으로 내려도, 발전전력(잉여 전력)을 최소한으로 억제할 수 있다. 바꿔 말하면, 제 1 운전 모드 중에 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 배터리(52)에 대한 충전이 과충전이 되지 않도록 충전 제어하면서, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 환원전위까지 내릴 수 있다.
(배터리 충전 능력)
촉매 활성화 처리 중에 연료전지 스택(20)에서 발전되는 잉여 전력의 일부는 보조 기계류(55)에 의해 소비되나, 그 대부분은, 배터리(52)에 충전된다. 배터리(52)의 충전 능력이 저하되어 있으면, 그 잉여 전력을 충분히 충전할 수 없기 때문에, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다. 더욱 상세하게는, 촉매 활성화 처리를 실시하기 위한 조건으로서, 배터리(52)의 충전 능력이 W1(예를 들면, -6 kW) 이하인 것을 조건으로 하고, 충전 능력이 W2(예를 들면, -5 kW) 이상일 때에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다.
(가스 누설 판정)
차단밸브(H3, H4)를 폐쇄함으로써, 연료가스 배관계 내부에 폐쇄 공간을 형성하고, 그 폐쇄 공간 내부의 가스압 변동을 압력 센서(74)에 의하여 판독함으로써, 수소가스가 누설되고 있는지의 여부를 판정하기 위한 가스 누설 검출을 실시하고 있을 때에, 촉매 활성화 처리를 실시하면, 연료전지 스택(20)에 의한 연료가스의 소비에 의해 가스 누설 검출을 정확하게 실시할 수 없을 염려가 있다. 그래서, 가스 누설 검출을 실시하고 있지 않을 것을 촉매 활성화 처리의 필요 조건으로 하고, 가스 누설 판정을 실시하고 있을 때에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다.
(에어컴프레서)
에어컴프레서(33)가 한창 작동하고 있을 때에 촉매 활성화 처리를 실시하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 내리면, 연료전지 스택(20)에 의한 발전전력이 증대하여, 배터리(52)를 과충전할 염려가 있다. 그래서, 에어컴프레서(33)가 정지하고 있을 것을 촉매 활성화 처리의 필요 조건으로 하고, 에어컴프레서(33)가 작동하고 있을 때에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 금지한다.
또한, 촉매 활성화 처리를 실시하기 위한 조건은 일례를 나타내는 것으로, 본 발명은, 상기한 예에 한정되는 것은 아니다. 촉매 활성화 처리의 실시를 허가 또는 금지하기 위한 조건으로서, 다른 조건을 추가하여도 되고, 또는 상기한 조건의 내용을 적절하게 변경하여도 된다. 예를 들면 촉매 활성화 처리를 빈번하게 반복하면, 연료전지 스택(20)의 내구성이 저하하기 때문에, I-V 특성의 저하가 보이는 등의 이유에 의하여 촉매 활성화 처리가 필요하다고 판단될 때에만 촉매 활성화 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
도 7은 셀 전압과 산화 피막의 흡착량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
이 그래프에 나타내는 바와 같이, 셀 전압이 약 0.75 V 이상이 되는 산화영역에서는, 셀 전압이 높을수록, 백금 촉매에 흡착되는 산화 피막의 양이 많아진다. 또, 셀 전압이 산화영역에 체재하는 시간이 길어질수록, 산화 피막의 흡착량은 많 아진다. 한편, 셀 전압이 약 0.75 V 이하가 되는 환원영역에서는, 셀 전압이 낮을수록, 백금 촉매로부터 박리되는 산화 피막의 양은 많아진다. 또, 셀 전압이 환원영역에 체재하는 시간이 길어질수록 산화 피막의 박리량은 많아진다. 이 때문에, 상기 도면에 나타내는 그래프에 의거하여 산화영역에서는, 양의 시간 적분을 실시하고, 환원영역에서는, 음의 시간 적분을 실시함으로써, 백금 촉매에 흡착되어 있는 산화 피막의 양을 추정할 수 있다. 백금 촉매에 흡착되는 산화 피막의 양이 많아지면, 전기화학반응에 기여하는 백금 촉매의 유효면적이 감소하기 때문에, 전류밀도가 상승하여, 과전압의 증대를 야기한다. 산화 피막의 흡착량이 소정의 문턱값을 넘은 시점에서 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 상기한 0.75 V는 어디까지나 예시이며, 본 발명은 이 전압값에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 산화 피막의 흡착량이 소정의 문턱값을 넘을 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트이다.
컨트롤러(60)는, 전회의 촉매 활성화 처리가 실시된 시점으로부터의 경과시간에 의거하여 산화 피막의 흡착량을 시간 적분하고(단계 801), 흡착량이 소정의 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정한다(단계 802). 산화 피막의 흡착량이 소정의 문턱값을 넘어 있지 않을 경우에는(단계 802 : NO), 컨트롤러(60)는, 단계 801∼802를 반복하여 실행한다.
산화 피막의 흡착량이 소정의 문턱값을 넘었을 때에는(단계 802 ; YES), 컨 트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리의 실시를 허가하기 위한 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 만족되어 있는지의 여부를 판정한다(단계 803). 조건 (A1)∼(E1) 중 어느 하나라도 성립되어 있지 않을 때에는(단계 803 ; NO), 단계 801로 되돌아간다. 한편, 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 성립하고 있을 때에는(단계 803 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리를 실시한다(단계 804).
또, 촉매 활성화 처리를 한창 실시하고 있을 때에는, 셀 전압은 환원영역에 있기 때문에, 촉매 활성화 처리의 실시시간에 따라, 산화 피막의 흡착량은 음의 시간 적분이 실시된다(단계 801).
도 9는 전회의 촉매 활성화 처리로부터 소정 시간이 경과한 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 제 1 순서를 나타내는 플로우차트이다.
컨트롤러(60)는, 전회의 촉매 활성화 처리로부터의 경과시간이 소정시간을 넘었는지의 여부를 판정한다(단계 901). 전회의 촉매 활성화 처리로부터의 경과시간이 소정시간을 넘어 있지 않을 경우에는(단계 901 ; NO), 컨트롤러(60)는, 단계 901의 판정을 반복하여 실행한다.
전회의 촉매 활성 처리로부터의 경과 시간이 소정 시간을 넘어 있는 경우에는(단계 901 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리의 실시를 허가하기 위한 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 만족되어 있는지의 여부를 판정한다(단계 902). 조건 (A1)∼(E1)에서 어느 하나라도 성립되어 있지 않을 때에는(단계 902 : NO), 단계 901로 되돌아간다. 한편, 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 성립하고 있을 때에는(단계 902 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리를 실시하고(단계 903), 단계 901의 판정처리로 되돌아간다.
이와 같이, 전회의 촉매 활성화 처리로부터의 경과시간이 소정시간을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있다.
도 10은 전회의 촉매 활성화 처리로부터 소정시간이 경과한 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 제 2 순서를 나타내는 플로우차트이다.
컨트롤러(60)는, 전회의 촉매 활성화 처리로부터의 경과시간(또는 타이머 리세트되고 나서의 경과시간)이 소정 시간을 넘었는지의 여부를 판정한다(단계 1001). 전회의 촉매 활성 처리로부터의 경과시간(또는 타이머 리세트되고 나서의 경과시간이 소정 시간을 넘어 있지 않을 경우에는(단계 1001 ; NO), 컨트롤러(60)는, 단계 1001의 판정처리를 반복하여 실행한다.
전회의 촉매 활성 처리로부터의 경과시간이 소정 시간을 넘어 있는 경우에는(단계 1001 ; YES), 컨트롤러(60)는, 전회의 촉매 활성화 처리의 실시 후에 있어서, 셀 전압이 환원영역까지 강하하였는지의 여부를 판정한다(단계 1002).
셀 전압이 환원영역까지 강하한 경우가 있는 경우에는(단계 1002 ; YES), 컨트롤러(60)는, 전회의 촉매 활성화 처리로부터의 경과시간을 계측하는 타이머를 리세트한다(단계 1003).
셀 전압이 환원영역까지 강하한 경우가 없는 경우에는(단계 1002 ; NO), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리의 실시를 허가하기 위한 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 만족되어 있는지의 여부를 판정한다(단계 1004). 조건 (A1)∼(E1) 중 어느 하 나라도 성립되어 있지 않을 때에는(단계 1004 ; NO), 단계 1001로 되돌아간다. 한편, 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 성립되어 있을 때에는(단계 1004 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리를 실시하고(단계 1005), 단계 1001의 판정처리로 되돌아간다.
이와 같이, 전회의 촉매 활성화 처리가 실시되고 나서의 경과시간이 소정시간을 넘은 경우에도, 전회의 촉매 활성화 처리의 실시 후에 있어서 셀 전압이 환원영역까지 강하한 경우가 있는 경우에는, 촉매 활성화 처리의 실시를 생략함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있다.
도 11은 백금 촉매에 산화 피막이 흡착하는 것에 기인하는 연료전지 스택(20)의 I-V 특성의 저하를 나타내는 설명도이다.
연료 전지 스택(20)을 산화영역에서 연속 운전하면, 백금 촉매의 표면에 산화 피막이 형성되어 과전압이 증대하기 때문에, I-V 특성이 저하한다. 예를 들면, 이상상태에서의 운전 포인트를 OP(I, V)라 하면, 백금 촉매의 표면에 산화 피막이 형성된 상태에서의 운전 포인트는 OP'(I, V-AV)가 되고, 전류(I)를 연료전지 스택(20)으로부터 소인(掃引)한 때의 출력전압은 ΔV만큼 저하한다. 그래서, 연료전지 스택(20)의 출력 특성의 저하량(ΔV)이 소정의 문턱값을 넘은 시점에서 촉매 활성화 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
도 12는 연료전지 스택(20)의 출력 특성의 저하량이 소정의 문턱값을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트이다.
컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)의 출력 특성의 저하량(ΔV)이 소정의 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정한다(단계 1201). 저하량(ΔV)이 소정의 문턱값을 넘어 있지 않은 경우에는(단계 1201 ; NO), 컨트롤러(60)는, 단계 1201의 판정처리를 반복하여 실행한다.
저하량(ΔV)이 소정의 문턱값을 넘어 있는 경우에는(단계 1201 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리의 실시를 허가하기 위한 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 만족되어 있는지의 여부를 판정한다(단계 1202). 조건 (A1)∼(E1) 중 어느 하나라도 성립되어 있지 않을 때에는(단계 1202 ; NO), 단계 1201로 되돌아간다. 한편, 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 성립되어 있을 때에는(단계 1202 : YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리를 실시하고(단계 1203), 단계 1201의 판정처리로 되돌아간다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력 특성의 저하량(ΔV)이 소정의 문턱값을 넘은 시점에서 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있다.
도 13은 연료전지 스택(20)의 과전압을 나타내는 설명도이다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 과전압은, 활성화 과전압(
Figure 112009047703756-PCT00002
a), 농도 과전압(
Figure 112009047703756-PCT00003
c) 및 저항 과전압(
Figure 112009047703756-PCT00004
r)으로 이루어진다. 활성화 과전압이란, 기저(基底)상태에 있는 수소가스 및 산소가스의 각각을 활성화하기 위하여 소비되는 에너지이다. 농도 화전압이란, 전극 상에서의 반응에 의해 평형이 어긋나, 반응계, 생성계가 모두 농도 차를 일으키고, 확산 이동을 일으킬 때에 소비되는 에너지이다. 저 항 과전압이란, 고분자 전해질막(22), 애노드극(23), 캐소드극(24) 및 세퍼레이터(26, 27) 자신의 전기저항, 및 이것들의 접촉 저항을 총칭하는 것이다. 이들 각 과전압은, 식 (4)∼(6)에 의하여 연산할 수 있다.
Figure 112009047703756-PCT00005
여기서 a, b는 정수, R은 저항값, I는 전류 밀도, IL은 한계 전류 밀도이다.
연료전지 스택(20)을 산화영역에서 연속 운전하면, 백금 촉매의 표면에 산화 피막이 형성되고, 활성화 과전압이 증대하기 때문에, 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘은 시점에서 촉매 활성화 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
도 14는 연료전지 스택(20)의 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘은 것을 조건으로 하여 촉매 활성화 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우차트이다.
컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)의 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정한다(단계 1401). 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘어 있지 않을 경우에는(단계 1401 ; NO), 컨트롤러(60)는, 단계 1401의 판정처리를 반복하여 실행한다.
활성화 과전압이 소정의 문턱값을 초과하고 있는 경우에는(단계 1401 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리의 실시를 허가하기 위한 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 만족되어 있는지의 여부를 판정한다(단계 1402). 조건 (A1)∼(E1) 중 어느 하나라도 성립되어 있지 않을 때에는(단계 1402 : NO), 단계 1401로 되돌아간 다. 한편, 조건 (A1)∼(E1)의 모두가 성립되어 있을 때에는(단계 1402 ; YES), 컨트롤러(60)는, 촉매 활성화 처리를 실시하고(단계 1403), 단계 1401의 판정처리로 되돌아간다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)의 활성화 과전압이 소정의 문턱값을 넘은 시점에서 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 촉매 활성화 처리의 실시 회수를 필요 최소한으로 억제할 수 있다.
(실시예 2)
도 15는 실시예 2에 관한 연료전지시스템(11)의 시스템 구성을 나타낸다. 연료전지시스템(11)은, 주전원으로서의 연료전지 스택(20)에 병렬로 커패시터(57)를 접속하고, 연료전지 스택(20)이 발전하는 전력 또는 회생 제동시에 트랙션 모터(54)가 회수하는 회생 전력을 커패시터(57)에 충전하는 커패시터 시스템으로서 구성되어 있다. 급가속 등 파워가 필요하게 될 때에는, 커패시터(57)로부터 순간에 전력을 인출함으로써 출력 특성이 우수한 시스템 구성을 실현하고 있다.
DC/DC 컨버터(56)의 1차측은, 연료전지 스택(20)의 출력단자에 접속되어 있고, 그 2차측은, 커패시터(57) 및 트랙션 인버터(53)의 각각에 병렬로 접속되어 있다. 제 1 운전 모드로 운전 제어할 때에는, 컨트롤러(60)는, 릴레이(58)를 오프로 하고, DC/DC 컨버터(56)에 의해 연료전지 스택(20)의 출력전압을 제어한다. 그리고, 제 1 운전 모드로부터 제 2 운전 모드로 변환할 때는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 커패시터(57)의 전압보다 낮아지는 것을 조건으로 하여, 컨트롤러(60)는, 릴레이(58)를 온으로 하고, 연료전지 스택(20)과 커패시터(57)를 병렬로 접속한다.
또한, 실시예 2에 관한 연료전지시스템(11)에서의 촉매 활성화 처리는, 실시예1과 동일하다.
(실시예 3)
도 16은 실시예 3에 관한 연료전지시스템(12)의 시스템 구성을 나타낸다. 실시예 1에 관한 연료전지시스템(10)은, DC/DC 컨버터(51)와 트랙션 인버터(53)가 병렬로 연료전지 스택(20)에 접속되는 병렬 하이브리드 시스템으로서 구성되어 있는 것에 대하여, 실시예 3에 관한 연료전지시스템(12)은, 주전원으로서의 연료전지 스택(20)에 대하여 DC/DC 컨버터(51)와 트랙션 인버터(53)가 직렬로 접속되는 직렬 하이브리드 시스템으로서 구성되어 있는 점에서, 양자는 상위하다.
또한, 실시예 3에 관한 연료전지시스템(12)에서의 촉매 활성화 처리는, 실시예 1과 동일하다.
또한, 상기한 각 실시예에서는, 연료전지시스템(10)을 차량 탑재 전원 시스템으로서 사용하는 이용형태를 예시하였으나, 연료전지시스템(10)의 이용형태는, 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연료전지시스템(10)을 연료전지 차량 이외의 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)의 전력원으로서 탑재하여도 된다. 또, 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전설비(정치용 발전 시스템)로서 사용하여도 된다.
본 발명에 의하면, 연료전지에 대한 발전 요구가 소정의 문턱값 미만일 때에, 연료전지에 대한 산화가스 공급을 정지하여 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 드라이버빌리티를 손상시키지 않고, 또한 촉매 활성화 처리 중에 발생하는 잉여 전력을 적게 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 연료가스 및 산화가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 대한 요구 전력이 소정값 미만일 때에 상기 연료전지에 대한 산화가스 공급을 정지함과 동시에 상기 연료전지의 출력전압을 저하시킴으로써 촉매 활성화 처리를 실시하는 제어장치를 구비하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    축전장치를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 축전장치에 충전 가능한 전력이 소정값 이하인 경우에는, 촉매 활성화 처리를 금지하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 차량의 주행속도가 소정값 이상일 때에 촉매 활성화 처리를 금지하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 배관 계통에 설치되는 복수의 차단밸브를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 복수의 차단밸브를 폐쇄함으로써 상기 배관 계통 내 부에 폐쇄 공간을 형성하고, 상기 폐쇄 공간 내부의 가스압 변동을 검출함으로써 가스 누설을 한창 검출하고 있을 때에 있어서의 촉매 활성화 처리를 금지하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 출력 성능이 저하하였을 때에, 촉매 활성화 처리를 실시하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력전압을 제어하는 DC/DC 컨버터와,
    상기 연료전지가 발전한 전력을 충전하는 커패시터를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지에 대한 요구 전력이 상기 소정값 미만인 경우에는, 상기 연료전지의 출력단자를 상기 DC/DC 컨버터에 접속하고, 상기 연료전지의 출력전압을 상기 DC/DC 컨버터에 의해 제어하는 한편, 상기 연료전지에 대한 요구 전력이 상기 소정값 이상인 경우에는, 상기 연료전지의 출력단자를 상기 커패시터에 접속하고, 상기 연료전지가 발전한 전력을 상기 커패시터에 충전하는 연료전지시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120183873A1 (en) * 2009-09-25 2012-07-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US8859158B2 (en) 2010-12-01 2014-10-14 Hyundai Motor Company System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system by switching to battery power in response to idle stop condition
US9991534B2 (en) 2015-05-18 2018-06-05 Hyundai Motor Company Method and apparatus for recovering performance of fuel cell stack

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4577625B2 (ja) * 2007-12-20 2010-11-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2011096533A (ja) * 2009-10-30 2011-05-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US8647785B2 (en) * 2010-09-14 2014-02-11 GM Global Technology Operations LLC Dynamic voltage suppression in a fuel cell system
KR101189240B1 (ko) 2010-11-01 2012-10-09 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 활성화 장치
JP5966247B2 (ja) * 2011-03-01 2016-08-10 ソニー株式会社 電池パック、蓄電システム、電子機器、電動車両、電力システムおよび制御システム
JP5617696B2 (ja) * 2011-03-04 2014-11-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の触媒性能回復方法
JP5650025B2 (ja) * 2011-03-22 2015-01-07 シャープ株式会社 制御装置および燃料電池システム
JPWO2013128610A1 (ja) * 2012-03-01 2015-07-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN104137314A (zh) * 2012-03-01 2014-11-05 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CA2866010C (en) 2012-03-01 2017-04-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Predictive fuel cell system
DE112012006025B8 (de) * 2012-03-15 2022-07-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
JP5919945B2 (ja) * 2012-03-28 2016-05-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の触媒性能向上方法
DE112012006314B8 (de) * 2012-05-01 2021-09-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
JP5871756B2 (ja) * 2012-09-13 2016-03-01 日立造船株式会社 アルカリ形燃料電池の活性化方法
WO2014147662A1 (ja) 2013-03-21 2014-09-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP5808773B2 (ja) * 2013-05-30 2015-11-10 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
DE102013014954A1 (de) * 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
JP5880618B2 (ja) 2014-04-25 2016-03-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP6135643B2 (ja) * 2014-11-12 2017-05-31 トヨタ自動車株式会社 発電監視装置、燃料電池システムおよび発電監視方法
KR101703607B1 (ko) 2015-07-08 2017-02-22 현대자동차 주식회사 촉매 활성화 시동 장치 및 이를 이용한 촉매 활성화 시동 방법
KR101897329B1 (ko) * 2016-04-26 2018-09-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 공기압축기 제어방법 및 시스템
JP6579068B2 (ja) * 2016-09-16 2019-09-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の出力性能診断装置、燃料電池の出力性能診断システム、燃料電池の出力性能診断方法、及び燃料電池の出力性能診断プログラム
JP6508161B2 (ja) 2016-10-18 2019-05-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6597566B2 (ja) 2016-11-21 2019-10-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7057540B2 (ja) * 2017-03-02 2022-04-20 三菱自動車工業株式会社 燃料電池システム
CN110416579A (zh) * 2018-04-26 2019-11-05 武汉众宇动力系统科技有限公司 无人机燃料电池堆性能恢复系统及其恢复装置和恢复控制方法
KR20200126249A (ko) * 2019-04-29 2020-11-06 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그 연료전지 시스템의 스택모듈 교체방법
KR20200138475A (ko) 2019-05-29 2020-12-10 현대자동차주식회사 연료전지 회복 제어 시스템 및 방법
JP7172918B2 (ja) * 2019-09-04 2022-11-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
CN111546946B (zh) * 2020-05-13 2023-09-22 上海亿氢科技有限公司 一种改善燃料电池在轻负载时工作特性的方法
DE102020118747A1 (de) 2020-07-15 2022-01-20 Audi Aktiengesellschaft Dauerhaft bei hohen Lastpunkten betriebenes Brennstoffzellensystem
DE102020119374A1 (de) 2020-07-22 2022-01-27 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
CN112356678B (zh) * 2020-11-10 2022-04-19 长城汽车股份有限公司 滑行扭矩的获取方法、装置、存储介质及计算机程序
CN112421082A (zh) * 2020-11-19 2021-02-26 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种快速恢复车用燃料电池系统性能的方法
JP7472777B2 (ja) 2020-12-22 2024-04-23 トヨタ自動車株式会社 電力システム、サーバおよび電力需給の調整方法
AT525060B1 (de) * 2021-08-12 2022-12-15 Avl List Gmbh Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks
JP2023062256A (ja) * 2021-10-21 2023-05-08 ブラザー工業株式会社 燃料電池ユニット

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4686842B2 (ja) * 2000-11-01 2011-05-25 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池装置の制御方法
US6893757B2 (en) * 2001-01-26 2005-05-17 Kabushikikaisha Equos Research Fuel cell apparatus and method of controlling fuel cell apparatus
JP4438231B2 (ja) * 2001-01-26 2010-03-24 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法
KR100461272B1 (ko) * 2002-07-23 2004-12-10 현대자동차주식회사 연료 전지 하이브리드 차량의 전원 단속장치
JP4182732B2 (ja) 2002-11-22 2008-11-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、およびこれを搭載した移動体、および燃料電池システムの制御方法
US20040217732A1 (en) * 2003-04-29 2004-11-04 Ballard Power Systems Inc. Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supplies
JP4742501B2 (ja) * 2004-02-17 2011-08-10 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005257340A (ja) * 2004-03-09 2005-09-22 Toyota Motor Corp 高圧タンクシステムのガス漏れ検出装置
JP2005310623A (ja) * 2004-04-23 2005-11-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池電源装置の電源制御装置および制御方法
JP4605343B2 (ja) * 2004-05-31 2011-01-05 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池の再生制御装置
US7791216B2 (en) * 2004-11-01 2010-09-07 Ford Global Technologies, Llc Method and system for use with a vehicle electric storage system
JP4593311B2 (ja) 2005-02-24 2010-12-08 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム及びその停止方法
JP5151010B2 (ja) * 2005-04-05 2013-02-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び該燃料電池システムのガス漏れ検出方法
JP2006294447A (ja) * 2005-04-12 2006-10-26 Toyota Motor Corp 異常判定装置
JP4867214B2 (ja) * 2005-06-22 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4761162B2 (ja) 2007-03-07 2011-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120183873A1 (en) * 2009-09-25 2012-07-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US9269974B2 (en) * 2009-09-25 2016-02-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US8859158B2 (en) 2010-12-01 2014-10-14 Hyundai Motor Company System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system by switching to battery power in response to idle stop condition
US9991534B2 (en) 2015-05-18 2018-06-05 Hyundai Motor Company Method and apparatus for recovering performance of fuel cell stack

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