KR20120062932A - 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 정지 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템으로서, 제어부는, 당해 연료전지 시스템의 시스템 정지시의 정지 전처리로서, 제1 가스 공급 기구에 의해 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급시키고, 애노드와 캐소드에 잔류하는 가스 중, 적어도 연료가스의 분압의 차가 소정값 이하가 되는 제1의 경우에, 제1 가스 공급 기구에 제1 가스의 공급을 정지시킨다.

Description

연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 정지 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF STOPPING FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 정지 방법에 관한 것이다.
연료전지를 구비하는 연료전지 시스템은, 연료가스(예를 들면, 수소)와 산화제 가스(예를 들면, 공기)를 연료전지에 공급하여 전기 화학 반응에 의해 발전을 행한다. 연료전지 시스템의 시스템 정지시에는, 연료가스와 산화제 가스의 연료전지로의 공급이 정지된다. 종래, 시스템 정지 후에, 연료전지의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입됨과 함께, 당해 공기의 일부가 전해질막을 투과하여 애노드로 혼입됨으로써, 캐소드의 전극 전위가 상승하고, 캐소드를 구성하는 캐소드 구성 부재(예를 들면, 가스 확산층 등의 카본이나 촉매 담체로서 사용되는 카본)가 산화되는 경우가 있었다.
이러한 문제에 대하여, 연료전지 시스템의 시스템 정지시에, 수소를 공급함으로써, 캐소드에 수소를 충전하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
일본 특허공개 제2006-147250호 공보 일본 특허 제4028363호 공보 일본 특허공표 제2003-504807호 공보 일본 특허공개 제2006-66107호 공보
그러나, 캐소드에 수소를 충전하는 경우이어도, 시스템 정지 후로부터 시간이 경과함에 따라, 연료전지의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되고, 당해 공기가 추가로 연료전지의 전해질막을 투과하여 애노드로 혼입되는 경우가 있었다. 이것에 의해, 캐소드 구성 부재가 산화되는 경우가 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 연료전지 시스템의 시스템 정지 후에 캐소드 구성 부재가 산화되는 것을 억제하는 기술을 제공한다.
본 발명은, 상기 서술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 이하의 형태 또는 적용례로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용례 1] 연료전지 시스템으로서, 전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제1 연료전지와, 상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와, 당해 연료전지 시스템의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제어부는, 당해 연료전지 시스템의 시스템 정지시의 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키고, 상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 가스 중, 적어도 연료가스의 분압의 차가 소정값 이하가 되는 제1의 경우에, 상기 제1 가스 공급 기구에 상기 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템.
적용례 1의 연료전지 시스템에 의하면, 제1의 경우에, 제1 가스의 공급을 정지시키기 위하여, 시스템 정지 후에 있어서, 애노드와 캐소드(이하, 「양극(兩極)」이라고도 한다.) 사이의 연료가스의 분압차를 구동력으로 하는 연료가스의 전해질막의 투과를 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 연료전지의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 애노드 및 캐소드에 잔류하는 가스 성분이 연료가스뿐인 경우, 여기서 말하는 분압은, 전체 압력을 의미하는 것으로 한다.
[적용례 2] 연료전지 시스템으로서, 전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제1 연료전지와, 상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와, 당해 연료전지 시스템의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제어부는, 당해 연료전지 시스템의 시스템 정지시의 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키고, 상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 질소와 연료가스에 대하여, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 가스 성분마다의 분압의 차가 각각 소정값 이하가 되는 제2의 경우에, 상기 제1 가스 공급 기구에 상기 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템.
적용례 2의 연료전지 시스템에 의하면, 제2의 경우에, 제1 가스의 공급을 정지시키기 위하여, 시스템 정지 후에 있어서, 양극 사이에 있어서의 질소와 연료가스의 분압차를 각각 구동력으로 하는 질소와 연료가스의 전해질막의 투과를 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 더욱 저감할 수 있고, 연료전지의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템의 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 더욱 억제할 수 있다.
[적용례 3] 적용례 1 또는 적용례 2에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템을 더 구비하고, 상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 제1 연료전지에 소정의 전압을 인가하는 제1 전원부를 가지고,
상기 제어부는, 상기 정지 전처리로서, 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 산화제 가스의 상기 캐소드로의 공급을 정지시킨 후에, 상기 애노드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 연료가스의 상기 애노드로의 공급을 계속시킨 상태로, 상기 제1 전원부에 의해 상기 연료전지에 소정의 전압을 인가시킴으로써, 상기 제1 가스로서의 상기 연료가스를 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 공급시키는, 연료전지 시스템.
적용례 3의 연료전지 시스템에 의하면, 애노드에 공급된 수소를 전기화학적으로 캐소드에 공급하기 때문에, 전해질막을 거쳐서 캐소드 전역에 균일하게 제1 가스를 공급할 수 있다.
[적용례 4] 적용례 3에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 캐소드에 잔류하는 산소의 농도를 상기 정지 처리 전의 상태보다 저하시키는 제1 운전 모드를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키기 전에, 제1 운전 모드에 의해, 상기 캐소드에 잔류하는 산소의 농도를, 상기 정지 전처리를 개시하기 전보다 낮은 소정의 상태로 하는, 연료전지 시스템.
적용례 4의 연료전지 시스템에 의하면, 제1 가스 공급 기구에 의해 캐소드에 공급된 연료가스가, 캐소드 촉매 상에서 산소와 반응하여 연소하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
[적용례 5] 적용례 1 또는 적용례 2에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의한 상기 캐소드로의 상기 제1 가스의 공급은, 상기 제어부가 상기 제1 연료전지에 대하여, 통상 발전시에 상기 캐소드에 공급되는 산화제 가스의 화학량론비보다 작은 화학량론비에 의해 발전을 행하게 함으로써 행하는, 연료전지 시스템.
적용례 5의 연료전지 시스템에 의하면, 산화제 가스의 화학량론비를 통상 운전시보다 작은 상태로 하는 것만으로, 제1 가스를 캐소드에 용이하게 공급할 수 있다.
[적용례 6] 적용례 5에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 연료전지의 발전부의 온도에 관한 값을 검출하는 온도 검출부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 온도 검출부에 의거하는 상기 제1 연료전지의 발전부의 온도가 0℃보다 높은 경우에는, 상기 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 제1 가스를 상기 캐소드에 공급시키고, 상기 온도 검출부에 의거하는 상기 발전부의 온도가 0℃ 이하인 경우에는, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 제1 가스를 상기 캐소드에 공급시키지 않고 당해 연료전지 시스템을 정지시키는, 연료전지 시스템.
본 발명자들은, 연료전지의 발전부의 온도가 0℃ 이하인 조건 하에서, 통상 발전시보다 작은 산화제 가스의 화학량론비로 연료전지를 발전시키면, 캐소드를 구성하는 캐소드 촉매층의 성능이 저하되는 것을 발견하였다. 한편으로, 발전부의 온도가 0℃ 이하인 경우, 캐소드의 전극 전위가 상승한 경우에도 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 따라서, 적용례 6의 연료전지 시스템에 의하면, 발전부의 온도에 의해 캐소드에 제1 가스를 공급할지의 여부를 결정함으로써, 캐소드 촉매층의 성능의 저하를 억제함과 함께, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
[적용례 7] 적용례 1 내지 적용례 6 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 정지 전처리의 처리 중에 상기 캐소드로부터 배출되는 제1 배기가스 중 적어도 일부를 제1 가스로서 상기 캐소드에 다시 공급하는 제1 가스 순환 기구를 더 구비하는, 연료전지 시스템.
적용례 7의 연료전지 시스템에 의하면, 제1 가스를 유효하게 이용할 수 있다.
[적용례 8] 적용례 7에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 가스 순환 기구는, 상기 제1 배기가스로부터 연료가스를 분리하는 연료가스 분리 기구를 더 가지고, 상기 제1 가스 순환 기구에 의해 상기 캐소드에 공급되는 가스는, 상기 연료가스 분리 기구에 의해 분리된 연료가스인, 연료전지 시스템.
적용례 8의 연료전지 시스템에 의하면, 캐소드에 더욱 많은 연료가스를 공급할 수 있어, 캐소드의 연료가스의 분압을 효율적으로 상승시킬 수 있다.
[적용례 9] 적용례 8에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 연료가스 분리 기구는, 전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제2 연료전지와, 상기 제2 연료전지에 소정의 전압을 인가하는 제2 전원부를 더 가지고,
상기 제어부는, 상기 제2 전원부에 의해 상기 제2 연료전지에 소정의 전압을 인가시킴으로써, 상기 제2 연료전지에 의해 상기 제1 배기가스에 포함되는 연료가스를 분리시키는, 연료전지 시스템.
적용례 9의 연료전지 시스템에 의하면, 전기화학적인 처리에 의해 제1 배기가스로부터 연료가스를 효율적으로 분리할 수 있다.
[적용례 10] 적용례 1 또는 적용례 2에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 제1 가스를 상기 애노드에 공급하는 애노드 공급 기구를 더 가지고,
상기 제어부는, 상기 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해, 상기 캐소드에 더하여 상기 애노드에 대해서도 상기 제1 가스를 공급시키는, 연료전지 시스템.
적용례 10의 연료전지 시스템에 의하면, 캐소드와 애노드에 동일 조성의 제1 가스를 공급함으로써, 캐소드와 애노드의 잔류 가스의 분압차를 제1의 경우, 또는, 제2의 경우에 용이하게 도달시킬 수 있다.
[적용례 11] 적용례 10에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 애노드 및 상기 캐소드에 공급된 상기 제1 가스 중, 상기 캐소드 및 상기 애노드로부터 배출된 배기가스를 혼합하고, 다시 상기 제1 가스로서 상기 애노드 및 상기 캐소드에 공급하는 배기가스 순환 기구를 더 가지는, 연료전지 시스템.
적용례 11의 연료전지 시스템에 의하면, 제1 가스를 유효하게 이용할 수 있다.
[적용례 12] 적용례 11에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템을 더 구비하고,
상기 제1 가스는, 상기 제어부가 상기 애노드 급배기 시스템 및 상기 캐소드 급배기 시스템에 의한 연료가스 및 산화제 가스의 공급을 정지시킨 후에, 상기 애노드 급배기 시스템 및 상기 캐소드 급배기 시스템에 잔류하는 가스를 혼합시킨 혼합 가스인, 연료전지 시스템.
적용례 12의 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 급배기 시스템 및 캐소드 급배기 시스템에 잔류하는 가스를 제1 가스로서 사용함으로써, 통상 발전시에 사용하는 반응 가스와는 별도로, 새롭게 제1 가스를 준비할 필요가 없어진다.
[적용례 13] 적용례 12에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 캐소드의 전극 전위를 상기 정지 처리 전의 상태보다 저하시키는 전위 처리 기구를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해, 상기 애노드 및 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키기 전에, 상기 전위 처리 기구에 의해, 상기 캐소드의 전극 전위가 상기 정지 전처리를 행하기 전보다 낮은 소정의 상태가 되도록 처리시키는, 연료전지 시스템.
적용례 13의 연료전지 시스템에 의하면, 캐소드 급배기 시스템 및 애노드 급배기 시스템에 잔류하는 가스를 제1 가스로서 애노드와 캐소드에 순환시키는 경우에 생길 수 있는 캐소드의 이상 전위의 발생을 억제할 수 있다. 여기서, 「이상 전위」란, 통상 발전시보다 캐소드의 전극 전위가 상승하여, 캐소드 형성 부재의 산화가 진행될 수 있는 레벨까지 높아진 전극 전위를 말한다.
[적용례 14] 적용례 13에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 전위 처리 기구는, 상기 애노드 급배기 시스템에 잔류하는 애노드 잔류 가스를, 상기 캐소드에 공급하는 애노드 잔류 가스 공급 기구를 더 가지고,
상기 제어부는, 상기 애노드 잔류 가스 공급 기구에 의해, 상기 애노드 잔류 가스를 상기 캐소드에 공급시키고, 상기 캐소드에 잔류하는 산소를 상기 캐소드의 외부로 배출시킴으로써 상기 소정의 상태가 되도록 처리시키는, 연료전지 시스템.
적용례 14의 연료전지 시스템에 의하면, 캐소드에 잔류하는 산소를 캐소드로부터 배출시키기 위한 가스를 새롭게 준비할 필요가 없고, 애노드 잔류 가스를 유효하게 이용하여 전극 전위를 저하시킬 수 있다.
[적용례 15] 적용례 1 또는 적용례 2에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과, 상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템과, 상기 애노드 급배기 시스템의 가스의 압력을 조정하는 압력 조정부를 더 구비하고,
상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 애노드 가스 급배기 시스템과 상기 캐소드 가스 급배기 시스템을 연통시키는 바이배스 유로와, 상기 바이패스 유로에 설치된 제1 기구로서, 상기 파이패스 유로 중 상기 애노드 가스 급배기 시스템 측의 압력이 소정값 이상이 된 경우에 상기 바이배스 유로를 연통 상태로 하고, 상기 애노드 가스 급배기 시스템 측의 압력이 소정값 미만이 된 경우에 상기 바이패스 유로를 비연통 상태로 하는 제1 기구를 가지고,
상기 제1 가스 공급 기구에 의한 상기 캐소드로의 상기 제1 가스의 공급은, 상기 제어부가, 상기 애노드 가스 급배기 시스템에 의한 연료가스의 공급을 계속시킨 상태로, 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 캐소드로의 상기 산화제 가스의 공급을 정지시킴과 함께, 상기 압력 조정부에 의해 상기 연료가스 급배기 시스템이 소정값 이상의 압력이 되도록 설정시키고, 상기 바이패스 유로를 상기 연통 상태로 하여, 상기 제1 가스로서의 연료가스를 상기 바이패스 유로로부터 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 도입함으로써 행하는, 연료전지 시스템.
적용례 15의 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 가스 급배기 시스템의 압력을 상승시킴으로써 용이하게 제1 연료가스로서의 연료가스를 캐소드에 공급할 수 있다.
[적용례 16] 적용례 15에 기재된 연료전지 시스템으로서, 상기 제1 기구는 릴리프 밸브인, 연료전지 시스템.
적용례 15의 연료전지 시스템에 의하면, 정지 전처리시의 제어를 단순하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은, 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들면, 연료전지 시스템의 정지 방법, 그 정지 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기억된 기억 매체, 연료전지 시스템을 탑재한 차량 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 적용한 연료전지 시스템(100)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 2는 정지 전처리의 제1 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 정지 전처리의 제2 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 적용한 연료전지 시스템(100a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 5는 정지 전처리의 제3 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예를 적용한 연료전지 시스템(110)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 7은 정지 전처리의 제4 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 8는 캐소드 전극 전위마다의, 단셀 온도와 CO2 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예를 적용한 연료전지 시스템(110a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 10은 정지 전처리의 제5 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 11는 본 발명의 제5 실시예를 적용한 연료전지 시스템(120)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 12는 정지 전처리의 제6 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 13은 정지 전처리의 제7 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 14는 제1 변형예의 연료전지 시스템(120a)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 15는 정지 전처리의 제8 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시예를 적용한 연료전지 시스템(130)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 17은 정지 전처리의 제9 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 18은 제1 변형 양태의 연료전지 시스템(130a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 19는 정지 전처리의 제10 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 20은 정지 전처리의 제11 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 21은 제3 변형 양태를 적용한 연료전지 시스템(140)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다.
도 22는 정지 전처리의 제12 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
도 23은 정지 전처리의 제13 양태를 나타내는 플로우 차트이다.
A. 제1 실시예 :
A-1. 제1 실시예의 구성 :
도 1은, 본 발명의 제1 실시예를 적용한 연료전지 시스템(100)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 이 전기 자동차에 탑재되는 연료전지 시스템(100)은, 연료전지 스택(10)과, 연료가스 급배기 시스템(20)과, 산화제 가스 급배기 시스템(30)과, 냉각수계(40)와, 부하 접속부(45)와, 제어부(500)를 구비하고 있다. 또, 이 전기 자동차는, 연료전지 시스템(100) 외에, 인버터(400)와, 모터(410)와, 이차전지(200)와, DC/DC 컨버터(300)를 구비한다.
연료전지 스택(10)은, 비교적 소형으로 발전 효율이 우수한 고체 고분자형 연료전지 단셀이 복수 적층된 구성을 가진다. 상세하게는, 연료전지 스택(10)은, 연료가스, 산화제 가스, 냉각수의 유로를 가지는 세퍼레이터 및 한 쌍의 세퍼레이터로 끼워진 MEA(막-전극 접합체 : Membrane Electrode Assembly)로 구성되는 단셀을 복수 적층한 스택 구조로 되어 있다. MEA는 고체 고분자 전해질막(이하, 간단히 「전해질막」이라고도 부른다.)을 애노드(연료극) 및 캐소드(공기극)의 두 개의 전극으로 끼운 구조를 하고 있다.
연료전지 스택(10)은, 연료가스로서의 수소가 애노드에 공급되고, 산화제 가스로서의 공기가 캐소드에 공급된다. 이것에 의해, 수소와 공기 중의 산소가 각 전극에 있어서 전기 화학 반응을 일으킴으로써 발전을 행한다. 연료전지 스택(10)에 의해 발전된 전력은, 인버터(400)에 공급되고, 교류 전력으로 변환되어 차량 구동용의 모터(410)에 공급된다. 또, 이차전지(200)는, 연료전지 스택(10)의 발전 전력에 잉여가 있는 경우에는, 축전을 행하고, 발전 전력에 부족이 있는 경우에는, 인버터(400)로 방전을 행한다. 또한, 이차전지(200)는, 연료전지 스택(10)에 전압을 인가하기 위한 외부 전원으로서도 사용할 수 있다. 연료전지 스택(10)에는, 각 단셀의 전압을 검출하기 위한 복수의 전압 센서(VM1)가 설치되어 있다. 여기서, 연료전지 스택(10)이 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 연료전지」에 상당한다.
애노드는, 고분자 전해질막의 일방의 면 상에 애노드 촉매층과 애노드 가스 확산층이 이 순서로 배치되어 있다. 캐소드도 마찬가지로, 타방의 면 상에 캐소드 촉매층과 캐소드 가스 확산층이 이 순서로 배치되어 있다. 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은, 촉매를 담지한 재료로 형성되어 있다. 예를 들면, 촉매로서의 백금을 담지한 카본 블랙과, 고분자 전해질을 섞은 재료에 의해 형성할 수 있다. 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층은, 가스 투과성을 가짐과 함께 도전성이 양호한 재료로 형성된다. 이러한 재료로서는, 예를 들면, 카본 페이퍼나 카본 크로스를 사용하여 형성할 수 있다.
연료가스 급배기 시스템(20)은, 연료가스로서의 수소를 연료전지 스택(10)에 공급함과 함께, 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 배출 연료가스를 애노드로 재공급하는 기능 및 배출 연료가스를 연료전지 시스템(100)의 외부로 배출하는 기능을 가진다.
연료가스 급배기 시스템(20)은, 연료가스 공급원(연료가스 탱크)(21)과, 연료가스 공급 배관(22)과, 연료가스 순환 배관(24)과, 연료가스 배출 배관(28)을, 주로 구비한다. 연료가스 탱크(21)는, 고압의 연료가스를 저장하는 봄베이다. 연료가스 탱크(21)는, 차단 밸브(V1)를 구비한다. 연료가스 공급 배관(22)의 일단(一端)은, 연료가스 탱크(21)에 접속되고, 타단(他端)은 연료전지 스택(10)[상세하게는, 도시 생략한 연료전지 스택(10)의 연료가스 공급구]에 접속되어 있다. 연료전지 스택(10)의 연료가스 공급구는, 연료전지 스택(10) 내에 형성된 매니폴드(도시 생략)를 거쳐서 단셀 내의 연료가스 유로에 연통되어 있다.
연료가스 공급 배관(22)에는, 조압 밸브(V2)가 설치되어 있다. 제어부(500)로부터의 지시에 따라, 차단 밸브(V1)가 개폐됨으로써, 연료가스 탱크(21)는, 연료가스 공급 배관(22)으로의 연료가스의 방출 및 방출 정지를 행한다. 연료가스 탱크(21)로부터 연료가스 공급 배관(22)으로 방출된 연료가스는, 조압 밸브(V2)에 의해 소정 압력으로 조압되어서 연료전지 스택(10)으로 공급된다.
연료가스 순환 배관(24)의 일단은, 연료전지 스택(10)의 연료가스 배출구(도시 생략)에 접속되고, 그 타단은 연료가스 공급 배관(22)에 접속되어 있다. 연료가스 순환 배관(24)에는, 압력 센서(P1)와, 수소 농도계(D1)와, 기액 분리기(25)와, 연료가스 순환 펌프(26)가 설치되어 있다. 압력 센서(P1)는, 연료가스 순환 배관(24)의 내압을 검출한다. 수소 농도계(D1)는, 연료가스 순환 배관(24) 내에 존재하는 순환 가스 중의 수소 농도를 검출한다. 또, 본 실시예에서는, 압력 센서(P1)에 의해 검출한 내압을 연료전지 스택(10)의 애노드 내의 압력(이하, 「애노드 전체 압력」이라고도 부른다.)으로서 이용하고, 수소 농도계(D1)에 의해 검출한 수소 농도를 애노드 내의 수소 농도로서 이용하여, 후술하는 정지 전처리에 이용하고 있다. 애노드로부터 배출된 배출 연료가스는, 연료가스 순환 펌프(26)를 작동시킴으로써, 연료가스 공급 배관(22)에 도입되고, 다시 연료가스로서 연료전지 스택(10)의 전기 화학 반응에 이용된다. 기액 분리기(25)는, 연료 배기가스에 포함되는 여분의 수분을 제거하여, 공급용의 연료가스로서의 재생을 도모하고 있다.
연료가스 배출 배관(28)은, 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 배출 연료가스의 일부를 연료전지 시스템(100)의 외부로 배출하기 위하여 이용된다. 연료가스 배출 배관(28)의 일단은, 기액 분리기(25)에 접속되고, 타단은 후술하는 희석기(37)에 접속되어 있다. 연료가스 배출 배관(28)에는, 배기 밸브(V3)가 설치되어 있다. 배기 밸브(V3)는, 통상은 폐쇄되어 있지만, 소정의 타이밍으로 밸브 개방함으로써, 배출 연료가스를 희석기(37)에 도입한다. 또한, 희석기(37)에 도입된 배출 연료가스는, 배관(34) 및 머플러(38)를 통과하여 외부로 배출된다. 이와 같이 배출 연료가스의 일부를 연료전지 시스템(100)의 시스템 외부로 배출함으로써, 연료전지 스택(10)을 순환하는 배출 연료가스 중의 불순물(전해질막을 거쳐서 캐소드로부터 애노드로 이동한 공기 중의 질소 등)의 농도의 상승을 억제하고 있다. 또한, 후술하는 정지 전처리의 애노드의 가스 분압 또는 애노드 전체 압력을 조정하기 위하여 배기 밸브(V3)의 개폐가 행하여진다.
산화제 가스 급배기 시스템(30)은, 산화제 가스로서의 공기를 연료전지 스택(10)에 공급함과 함께, 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 배출 산화제 가스를 연료전지 시스템(100)의 외부로 배출하는 기능을 가진다.
산화제 가스 급배기 시스템(30)은, 산화제 가스 공급 배관(32)과, 산화제 가스 배출 배관(33)을 주로 구비한다. 산화제 가스 공급 배관(32)의 일단은, 연료전지 시스템(100)의 외부에 존재하는 대기에 개방되고, 타단은 연료전지 스택(10)[상세하게는, 도시 생략한 연료전지 스택(10)의 산화제 가스 공급구]에 접속되어 있다. 연료전지 스택(10)의 산화제 가스 공급구는, 연료전지 스택(10) 내에 형성된 매니폴드(도시 생략)를 거쳐서 단셀 내의 산화제 가스 유로에 연통되어 있다.
산화제 가스 공급 배관(32)에는, 에어컴프레서(36)가 설치되어 있다. 에어컴프레서(36)는, 에어클리너(도시 생략)로부터 산화제 가스 공급 배관(32)에 도입된 산화제 가스(공기)를 압축한다. 압축된 산화제 가스는 연료전지 스택(10)으로 공급된다.
산화제 가스 배출 배관(33)의 일단은, 연료전지 스택(10)의 산화제 가스 배출구(도시 생략)에 접속되고, 타단은 희석기(37)에 접속되어 있다. 산화제 가스 배출 배관(33)에는, 압력 센서(P2)와, 수소 농도계(D2)와, 밸브(V4)가 설치되어 있다. 압력 센서(P2)는, 산화제 가스 배출 배관(33)의 내압을 검출한다. 수소 농도계(D2)는, 산화제 가스 배출 배관(33) 내에 존재하는 배출 산화제 가스 중의 수소 농도를 검출한다. 또, 본 실시예에서는, 압력 센서(P2)에 의해 검출한 내압을 연료전지 스택(10)의 캐소드 내의 압력(이하, 「캐소드 전체 압력」이라고도 부른다.)으로서 이용하고, 수소 농도계(D2)에 의해 검출한 수소 농도를 캐소드 내의 수소 농도로서 이용함으로써, 후술하는 정지 전처리에 이용하고 있다. 캐소드로부터 배출된 배출 산화제 가스는, 산화제 가스 배출 배관(33)을 통과하여 희석기(37)에 도입된다.
희석기(37)는, 배출 산화제 가스와, 상기 서술한 소정의 타이밍으로 희석기(37)에 도입된 배출 연료가스를 혼합하여 혼합 배기가스로 한다. 이것에 의해, 혼합 가스 중의 수소를 희석하여, 수소 농도를 저감시킨다. 희석기(37)로부터 배출된 혼합 배기가스는, 배관(34)을 통과하여 머플러(38)에 도달하고, 머플러(38)로부터 연료전지 시스템(100)의 외부로 배출된다.
연료전지 스택(10)으로의 산화제 가스의 공급량은, 에어컴프레서(36)의 회전수와, 밸브(V4)의 개폐 상태를 제어부(500)에 의해 제어함으로써 조정할 수 있다.
냉각수계(40)는, 냉각 매체로서의 냉각수를 연료전지 스택(10)에 공급함으로써, 연료전지 스택(10)의 온도를 적정하게 유지하는 기능을 가진다. 냉각수계(40)는, 냉각수 배관(42)과 라디에이터(44)를 구비한다. 냉각수 배관(42)에는, 순환 펌프(46)와 온도 센서(T1)가 설치되어 있다. 냉각수는, 냉각수 배관(42)을 거쳐 순환 펌프(46)에 의해 연료전지 스택(10)과 라디에이터(44) 사이를 순환한다. 이것에 의해, 연료전지 스택(10)에서 전기 화학 반응에 수반하는 발열을 흡수하고, 라디에이터(44)에서 흡수한 열을 방열한다. 온도 센서(T1)는, 냉각수 배관(42)의 부분 중, 냉각수가 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 측 부근에 설치되어 있다. 온도 센서(T1)는, 냉각수의 온도를 검출한다. 이 검출된 냉각수의 온도는, 연료전지 스택(10)의 발전부의 온도로서 사용함으로써, 후술하는 정지 전처리에 이용하고 있다.
부하 접속부(45)는, 제어부(500)의 지시에 따라 스위치(SW1, SW2)의 ON, OFF를 제어함으로써 후술하는 이차전지(200), 인버터(400), 연료전지 스택(10)의 전기적 접속을 행하는 장치이다.
제어부(500)는, 각종 센서(610)로부터의 신호나 연료전지 스택(10)에 대한 부하 요구에 관한 정보가 입력되고, 각종 액추에이터(600)에 구동 신호를 출력하여, 연료전지 시스템(100)의 운전 전체를 제어한다. 제어부(500)는, 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 논리 회로로서 구성되어 있다. 제어부(500)는, CPU(502)와, ROM(504)과, RAM(506)과, 인터페이스(508)를 구비하고 있다. CPU(502)는, 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 소정의 연산 등을 실행한다. ROM(504)은, CPU(502)에서 각종 연산 처리를 실행하는데 필요한 제어 프로그램이나 제어 데이터 등을 저장한다. RAM(506)은, CPU(502)에서 각종 연산 처리를 행하는데 필요한 각종 데이터가 일시적으로 읽고 쓰여진다. 인터페이스(508)는, 각종 액추에이터(600)나 각종 센서(610)와 제어부(500)를 제어용 신호선을 거쳐서 접속되어 있다. 여기서, 각종 액추에이터(600)로서는, 구체적으로는, 차단 밸브(V1), 조압 밸브(V2), 연료가스 순환 펌프(26), 배기 밸브(V3), 밸브(V4), 에어컴프레서(36), 부하 접속부(45) 등을 들 수 있다. 또, 각종 센서(610)로서는, 구체적으로는, 압력 센서(P1, P2), 수소 농도계(D1, D2), 온도 센서(T1), 전압 센서(VM1) 등을 들 수 있다.
또, 제어부(500)는, 연료전지 시스템(100)의 운전뿐만 아니라, 전기 자동차의 운전 전체도 제어하는 것이고, DC/DC 컨버터(300)나 인버터(400)에 제어 신호를 출력하고 있다.
연료전지 스택(10)의 통상 발전시에는, 차단 밸브(V1), 조압 밸브(V2)가 개방 상태가 되어 수소가 애노드에 공급됨과 함께, 연료가스 순환 펌프(26)가 작동하고, 배출 연료가스가 연료가스 공급 배관(22)에 도입되어 재이용되고 있다. 또, 에어컴프레서(36)가 작동하고, 산화제 가스가 캐소드에 공급됨과 함께, 밸브(V4)가 개방 상태가 되어, 배출 산화제 가스가 외부로 배출된다. 또, 순환 펌프(46)가 작동하여, 냉각수가 연료전지 스택에 순환 공급되고 있다. 또, 통상 발전시에는, 부하 접속부(45)의 스위치(SW1, SW2)가 ON이 되어, 적어도 인버터(400)에 발전 전력이 공급된다. 여기서, 통상 발전시란, 소정량의 연료가스 및 산화제 가스가 연료전지 스택(10)에 공급됨으로써, 연료전지 스택(10)에 의해 정상적으로 발전이 행하여져서, 인버터(400) 등의 외부 부하에 전력을 공급하고 있는 상태를 가리킨다. 또, 시스템 정지시에는, 연료전지 스택의 발전이 정지되어, 연료전지 스택(10)으로의 연료가스, 산화제 가스의 공급이 정지됨과 함께, 냉각수의 순환이나 연료가스 순환 펌프(26)에 의한 배출 연료가스의 순환이 정지된다. 또한, 시스템 전체의 전원이 OFF가 된다. 또한, 「연료전지 스택의 발전 정지」란, 외부 부하로서의 이차전지(200) 및 인버터(400)와의 전기적 접속이 차단되어, 외부 부하로의 전력의 출력이 OFF가 된 상태를 말한다.
A-2. 제1 실시예의 정지 전처리 :
A-2-1. 정지 전처리의 제1 양태
도 2는, 제1 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제1 양태(이하, 「제1 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 사용자가, 차량을 정지하여 이그니션 스위치(이하, 「IG 스위치」라고도 한다.)를 OFF로 하였을 때에, IG 스위치 OFF 신호가 제어부(500)에 입력된다(단계 S100). 또한, 정지 전처리의 개시 전에는, 캐소드에는 주로 질소와 산소가 잔류하고, 애노드에는 주로 수소와 질소가 잔류하고 있다. 산화제 가스로서 공기를 사용한 경우, 통상 운전 정지 후에 캐소드에 잔류하는 가스 중의 질소와 산소의 몰분율은, 예를 들면, 질소가 약 0.8, 산소가 약 0.2가 되어, 산소보다 질소의 농도가 높고, 분압에 대해서도 산소 분압보다 질소 분압이 높은 상태에 있다. 또, 애노드에 잔류하는 가스 중의 질소와 수소의 몰분율은, 예를 들면, 질소가 약 0.2, 수소가 약 0.8이 되어, 질소보다 수소의 농도가 높고, 분압에 대해서도 질소 분압보다 수소 분압이 높은 상태에 있다. 본 명세서에 기재하는 다른 정지 전처리에 대해서도, 정지 전처리의 개시 전의 애노드 및 캐소드의 가스 농도 및 가스 분압은, 본 상태와 동일한 것으로 한다. 또한, 제1 정지 전처리에 있어서, 제어부(500)는, IG 스위치 OFF 신호가 입력되면, 부하 접속부(45)의 스위치(SW1)를 OFF로 하고, 인버터(400)와의 전기적 접속을 차단한다. 이 경우, SW2는 ON 상태로 유지되어 있다.
또, 단계 S100 후에, 제어부(500)는, 에어컴프레서(36)의 작동을 정지시킴으로써, 캐소드로의 산화제 가스의 공급을 정지시킨다(단계 S110). 또, 단계 S110에서는, 연료가스 탱크(21) 및 연료가스 순환 펌프(26)를 사용한 연료가스의 애노드로의 공급은 계속되고 있다. 단계 S110의 상태로 연료전지 스택(10)을 발전시킴으로써, 캐소드에 잔류하는 산화제 가스 중의 산소의 농도가 통상 발전시보다 저하된다. 또한, 이때 발전된 전력은, 이차전지(200)에 축전된다.
다음으로, 제어부(500)는, 전압 센서(VM1)로부터의 신호에 의거하여, 각 단셀의 전압이 모두 소정값 미만인지의 여부를 판단한다(단계 S120). 여기서, 소정값은, 캐소드에 잔류하는 산소 농도가 소정 농도(충분히 산소가 소비되었을 때의 농도) 이하가 될 때에 얻어지는 전압값을 설정한다. 예를 들면, 각 단셀 전압이 0.05V(통상 발전시의 각 단셀 전압은 약 0.7V)보다 작은지의 여부를 판단한다. 여기서, 연료가스의 공급을 계속시킨 상태로, 산화제 가스의 공급을 정지시켜서, 연료전지 스택(10)을 발전시키는 모드가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 운전 모드」에 상당한다. 또, 단계 S110 및 S120과 같이, 후술하는 가스 공급 공정 전에 캐소드의 산소의 농도를 저감시키는 공정을 「산소 저감 공정」이라고도 부른다.
또한, 본 실시예에 있어서, 전압값에 의해 소정의 조건이 충족되어 있는지의 여부의 판단을 행하는 경우, 복수 있는 단셀 중 어느 하나가 소정의 조건을 충족하는지의 여부를 판단해도 된다. 또, 복수 있는 단셀을 몇 개의 군으로 나누고, 각 군의 평균값에 의거하여, 소정의 조건을 충족시키는지의 여부를 판단해도 된다. 또, 복수 있는 단셀 중, 임의의 단셀의 전압값에 의거하여 소정의 조건을 충족하는지의 여부를 판단해도 된다. 또, 연료전지 스택 전체의 출력 전압값에 의거하여, 소정의 조건을 충족하는지의 여부를 판단해도 된다.
각 단셀 전압이 소정값 미만이 아니라고 판단한 경우(단계 S120 : NO)에는, 제어부(500)는, 제1 운전 모드를 계속시킨다. 한편, 제어부(500)는, 각 단셀 전압이 소정값 미만이라고 판단한 경우(단계 S120 : YES)에는, DC/DC 컨버터(300)를 제어하여, 이차전지(200)로부터 연료전지 스택(10)으로의 전압 인가를 개시시킨다(단계 S130). 구체적으로는, 수소의 전극 반응이 진행되는 정도의 전압을 연료전지 스택(10)에 인가하고, 캐소드로부터 이차전지(200)를 포함하는 외부 회로를 경유하여 애노드에 직류 전류를 흘려보낸다. 이것에 의해, 연료전지 스택(10)의 애노드에서는, 수소가 전리하여 수소 이온이 생성되고, 생성된 수소 이온은, 전해질막을 거쳐서 캐소드로 이동한다. 또, 캐소드에서는, 이차전지(200)로부터 캐소드에 공급된 전자와 수소 이온이 반응하여 수소가 생성된다. 이와 같이, 연료전지 스택(10)에 외부 전원으로부터 전압을 인가함으로써, 애노드의 수소가 캐소드로 이동하는 현상을, 「수소 펌핑 현상」이라고도 한다. 수소 펌핑 현상에 의해 캐소드에 공급된 수소에 의해, 캐소드에 잔류하고 있었던 질소는 연료전지 스택(10)의 외부[밸브(V4)보다 하류 측]로 배출된다. 이것에 의해, 캐소드의 질소 분압은 저하하고, 수소 분압은 상승한다. 여기서, 단계 S130과 같이, 캐소드에 수소를 포함하는 가스를 공급하는 공정을 「가스 공급 공정」이라고도 한다. 또한, 이차전지(200)와 DC/DC 컨버터(300)가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 전원부」에 상당한다. 또, 본 실시예에 있어서, 수소 펌핑 현상에 의해 수소를 캐소드에 공급하는 기구[이차전지(200), DC/DC 컨버터(300), 부하 접속부(45), 연료가스 공급 배관(22), 연료가스 탱크(21)]가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 공급 기구」에 상당한다.
단계 S130 후에, 제어부(500)는, 애노드 및 캐소드에 존재하는(잔류하는) 수소의 분압차가 소정값 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S140). 여기서, 애노드 및 캐소드의 분압 및 분압차는, 압력 센서(P1, P2)로부터 출력된 애노드, 캐소드의 전체 압력에 관한 신호와, 수소 농도계(D1, D2)로부터 출력된 애노드, 캐소드의 수소 농도에 관한 신호를 바탕으로, 제어부(500)가 산출한다.
수소의 분압차의 소정값은, 이하와 같이 하여 설정할 수 있다. 즉, 연료전지 시스템(100)이 정지한 후에, 다음에 연료전지 시스템(100)이 기동할 때까지의 사이(즉, 시스템이 정지하고 있는 사이)에, 분압차에 의해 양극 사이에서 수소가 이동하고, 캐소드의 전체 압력 변동이 생겨, 캐소드가 부압(負壓)이 됨으로써 연료전지 시스템(100)의 외부로부터 대기가 유입하는 것을 억제할 수 있게 설정한다. 이것은 연료전지 시스템(100)을 탑재한 차량의 종류나, 시스템 정지 기간 등을 고려하여, 정지 전처리의 개시 전의 분압차보다 작은 상태가 되는 범위로 설정 가능하다. 또, 예를 들면, 수소의 분압차의 소정값을, 0?30Kpa 중 어느 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 여기서, 단계 S140과 같이, 소정의 가스 성분의 양극 사이에 있어서의 분압차를 소정값 이하로 하는 공정을 「가스 압력차 저감 공정」이라고도 한다. 또한, 단계 S140을 단시간에 행하기 위하여, 가스 공급 공정 및 가스 압력차 저감 공정의 실행 중에 있어서, 제어부(500)는, 애노드의 수소 분압이 그다지 변동하지 않도록, 배기 밸브(V3)의 개폐나 조압 밸브(V2)에 의한 연료가스의 공급량 등을 제어하는 것이 바람직하다.
양극 사이의 수소의 분압차가 소정값 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S140 : NO)에는, 양극 사이의 수소의 분압차가 소정값 이하가 될 때까지 가스 공급 공정을 계속시킨다. 한편, 양극 사이의 수소의 분압차가 소정값 이하라고 판단한 경우(단계 S140 : YES)에는, 제어부(500)는, 밸브(V1, V2)를 폐쇄시킴과 함께, 순환 펌프(46) 및 연료가스 순환 펌프(26)의 작동을 정지시켜서, 연료가스의 공급?순환 및 냉각수의 순환을 정지시킨다(단계 S150). 또한, 제어부(500)는 이차전지(200)로부터 연료전지 스택(10)으로의 전압의 인가를 정지시켜서, 스위치(SW2)를 OFF로 하게 한다(단계 S160). 또한, 밸브(V4)를 폐쇄시킨다(단계 S170). 이것에 의해, 시스템 정지 전처리가 종료되어, 시스템이 정지한다. 또한, 단계 S150?단계 160은 순서를 불문하고 임의의 타이밍으로 실행 가능하다. 또, 단계 S150에 있어서, 연료가스 순환 펌프의 작동도 정지시켰지만, 이에 한정하지 않고 단계 S110 이후의 임의인 타이밍(예를 들면, 단계 S110을 행하는 타이밍)으로 작동 정지를 행할 수 있다. 또, 단계 S150에 있어서 실행하는 냉각수의 순환 정지는, 이 타이밍에 한하지 않고, 연료전지 스택(10)의 온도를 적정하게 유지하기 위하여, 임의의 타이밍으로 순환 개시 및 순환 정지를 행할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 시스템(100)의 정지시의 정지 전처리로서, 캐소드에 수소를 공급하고, 양극 사이의 수소의 분압차를 소정값 이하로 함으로써, 수소의 분압차를 구동력으로 하는 수소의 전해질막의 투과를 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감하고, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템(100)의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 억제하고, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재(예를 들면, 캐소드 가스 확산층이나 캐소드 촉매층을 구성하는 카본)의 산화를 억제할 수 있다.
또, 시스템 정지 후에, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 산화제 가스 배출 배관(33)에 설치한 밸브(V4)에 시일성이 높은 밸브(예를 들면, 차단 밸브)를 사용할 필요가 없다. 이 때문에, 연료전지 시스템의 비용 저감이 가능해진다. 예를 들면, 밸브(V4)로서, 배압 밸브나 버터플라이 밸브 등의 시일성이 낮은 밸브를 채용할 수 있다.
또, 캐소드로의 수소의 공급을 수소 펌핑 현상에 의해 행하는 점에서, 전해질막을 거쳐서 캐소드 전역에 균일하게 수소를 공급할 수 있다. 즉, 단셀의 캐소드 내에 있어서의 수소의 농도 불균일을 저감할 수 있다.
또한, 가스 공급 공정(단계 S130) 전에, 산소 저감 처리(단계 S110, S120)를 실행하고 있기 때문에, 캐소드에 수소가 공급된 경우에 캐소드 촉매 상에서 수소와 산소가 반응하고, 연소하는 것을 억제할 수 있고, 연료전지 스택(10)의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 단계 S170에 있어서, 밸브(V4)를 폐쇄시킴으로써, 연료전지 시스템(100)의 외부로부터의 공기의 확산에 의해, 캐소드에 공기가 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 캐소드 구성 부재의 산화를 더 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 제1 정지 전처리의 더욱 바람직한 양태로서, 이하의 양태를 들 수 있다. 단계 S140에 있어서, 제어부(500)가, 수소 분압을 산출하기 위한 신호(여기서는, 전체 압력과 수소 농도)에 의거하여 양극 사이에서의 수소의 분압을 산출한다. 또, 단계 S140에 있어서, 산출한 분압으로부터 제어부(500)는, 양극 사이에서의 수소의 분압차가 대략 제로가 되었는지의 여부를 판단한다. 즉, 양극 사이에서의 수소의 분압이 대략 동일해졌는지의 여부를 판단한다. 그리고, 제어부(500)는, 양극 사이에서의 수소의 분압차가 대략 제로가 된 경우에, 단계 150 이후의 처리를 실행한다. 이것에 의해, 수소의 분압차에 의한 수소의 전해질막의 투과를 방지할 수 있기 때문에, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 더욱 저감할 수 있다. 이 바람직한 양태는, 후술하는 다른 정지 전처리의 가스 압력차 저감 공정에도 동일하게 적용할 수 있다.
A-2-2. 정지 전처리의 제2 양태 :
도 3은, 제1 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제2 양태(이하, 「제2 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제1 정지 전처리와 다른 점은, 단계 S140 대신 단계 S140a를 행하는 점이고, 그 외의 공정은 제1 정지 전처리와 동일하다. 따라서, 제1 정지 전처리와 동일한 공정은, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 또, 제2 정지 전처리가 실행되고 있는 사이에는, 애노드와 캐소드의 전체 압력이 대략 동일해지도록(예를 들면, 대기압 정도), 연료가스 급배기 시스템(20)의 밸브(V1, V2, V3)의 동작이 제어되고 있다. 예를 들면, 가스 공급 공정에 의해 애노드 전체 압력이 대기압보다 높아지면, 배기 밸브(V3)를 개방시켜서, 애노드 전체 압력을 저하시키는 등의 제어가 행하여진다.
단계 S140a에서는, 제어부(500)는, 애노드 및 캐소드에 존재하는(잔류하는) 수소 및 질소의 성분마다의 분압차가 각각 소정값 이하인지의 여부를 판단한다. 여기서, 본 양태에서는, 가스 저감 처리의 실행 중에 양극에 잔류하는 가스는, 질소와 수소이기 때문에, 제어부(500)는, 전체 압력과 수소 농도에 관한 신호에 의거하여, 양극의 각각의 질소와 수소의 분압을 산출하고, 당해 산출한 값에 의거하여 분압차를 산출한다. 또한, 질소의 분압차는, 질소 농도계를 산화제 가스 배출 배관(33) 및 연료가스 순환 배관(24)에 설치함으로써 산출할 수도 있다.
여기서, 수소의 분압차의 소정값(이하, 「제1 소정값」이라고도 한다.)은, 제1 정지 전처리와 동일하게 설정할 수 있다. 또, 질소의 분압차의 소정값(이하, 「제2 소정값」이라고도 한다.)은, 양극 사이에서의 질소의 분압차를 구동력으로 하는 질소의 양극 사이의 이동을 억제 가능한 범위로 설정할 수 있다. 바꿔 말하면, 시스템 정지 기간에 캐소드의 전체 압력이 변동되고, 부압이 됨으로써 연료전지 시스템(100)의 외부로부터 대기가 유입되는 것을 억제할 수 있게 설정한다. 이것은, 수소의 분압차의 설정 방법과 마찬가지로, 연료전지 시스템(100)을 탑재한 차량의 종류나, 시스템 정지 기간 등을 고려하여, 정지 전처리의 개시 전의 분압차보다 작은 상태가 되는 범위로 설정 가능하다. 또, 예를 들면, 질소의 분압차의 소정값을, 0?30Kpa 중 어느 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 질소는 수소에 비해 전해질막에 대한 투과 계수가 작고, 투과하기 어려운 성질을 가진다. 이 성질을 고려하여, 질소의 분압차의 소정값은, 수소의 분압차의 소정값보다 큰 값을 설정해도 된다.
이와 같이, 제2 정지 전처리는, 양극 사이에서의 수소의 분압차에 더하여, 질소의 분압차도 소정값 이하가 되도록 처리를 실행하고 있다(단계 S140a). 따라서, 수소의 전해질막의 투과를 억제하는 것에 더하여, 질소의 분압차를 구동력으로 하는 질소의 전해질막의 투과도 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 더욱 저감할 수 있고, 캐소드가 부압이 되는 것을 더욱 억제할 수 있다. 이것에 의해, 연료전지 시스템(100)의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 더욱 억제함으로써, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 더욱 억제할 수 있다. 또, 제2 정지 전처리는, 상기 효과 이외에, 제1 정지 전처리와 동일한 효과를 가진다.
또한, 제2 정지 처리 전의 더욱 바람직한 양태로서, 이하의 양태를 들 수 있다. 단계 S140a에 있어서, 제어부(500)가, 수소 분압 및 질소 분압을 산출하기 위한 신호(여기서는, 전체 압력과 수소 농도)에 의거하여 양극 사이에서의 수소의 분압을 산출한다. 또, 단계 S140a에 있어서, 산출한 분압으로부터 제어부(500)는, 양극 사이에서의 수소 및 질소의 각각의 분압차가 대략 제로가 되었는지의 여부를 판단한다. 즉, 양극 사이에서의 수소 및 질소의 분압이 각각 대략 동일해졌는지의 여부를 판단한다. 그리고, 제어부(500)는, 양극 사이에서의 수소 및 질소의 분압차가 각각 대략 제로가 된 경우에, 단계 150 이후의 처리를 실행한다. 이것에 의해, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 더욱 저감할 수 있다. 이 바람직한 양태는, 후술하는 다른 정지 전처리의 가스 압력차 저감 공정에도 동일하게 적용할 수 있다.
A-3. 제1 실시예의 변형예 :
A-3-1. 제1 변형예 :
제1, 제2 정지 전처리에 있어서, 산소 저감 공정(단계 S110, S120)은 생략해도 된다. 이렇게 해도, 가스 압력차 저감 공정(단계 S140, S140a)을 구비함으로써, 시스템 정지 후의 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 억제할 수 있다.
또, 단계 S110에서는, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동을 계속시키고 있었지만, 작동을 정지시켜도 된다.
A-3-2. 제2 변형예 :
연료전지 시스템(100)의 구성(도 1)에 대하여, 산화제 가스 배출 배관(33)에는 밸브(V4)가 설치되어 있었지만, 설치하지 않아도 된다. 이렇게 해도, 캐소드의 부압 발생을 억제하고, 부압 발생에 의해 시스템의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
A-3-3. 제3 변형예 :
본 실시예에서는, 산화제 가스로서 공기를 사용했지만, 이 대신 순수한 산소를 사용해도 된다. 이렇게 하면, 정지 전처리에 있어서, 캐소드 및 애노드에 잔류하는 가스 성분에는 질소가 포함되지 않고, 수소만이 되어, 다른 가스 성분(예를 들면, 질소)의 분압차를 구동력으로 하는 캐소드의 전체 압력 변동을 고려할 필요가 없어진다. 이 경우, 제2 정지 전처리의 단계 S140a(도 3)에서는, 제1 정지 전처리의 단계 S140(도 2)과 마찬가지로, 양극 사이의 잔류 수소의 분압(즉, 양극 사이의 전체 압력)의 차가 소정값 이하인지의 여부를 판단하게 된다.
A-3-4. 제4 변형예 :
제1, 제2 정지 전처리에 있어서, 산소 저감 공정(단계 S110, S120)에서는, 전압을 지표로서 산소가 저감했는지 판단하고 있었지만, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 산화제 가스 배출 배관(33)(도 1)에 산소 농도계를 설치하고, 산소 농도계의 검출값이 소정값 이하인지의 여부를 바탕으로, 산소가 저감되었는지의 여부를 판단해도 된다.
B. 제2 실시예 :
B-1. 제2 실시예의 구성 :
도 4는, 본 발명의 제2 실시예를 적용한 연료전지 시스템(100a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제1 실시예와의 차이는, 제1 실시예의 구성에 더하여, 정지 전처리의 실행 중에 연료전지 스택(10)의 산화제 가스 배출구로부터 산화제 가스 배출 배관(33)에 배출되는 배기가스(이하, 「제1 배기가스」라고도 한다.)를 다시 제1 가스로서 캐소드에 공급하는 기구를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제1 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호로 나타냄과 함께 설명을 생략한다.
제2 실시예의 연료전지 시스템(100a)은, 제2 연료전지 스택(12)과, 외부 직류 전원(210)과, 부하 접속부(48)와, 배출 가스 반송 배관(52)과, 삼방 밸브(V5)를 더 구비한다. 제2 연료전지 스택(12)은, 연료전지 스택(10)과 주로 동일한 구성을 가지고 있다. 차이점으로서는, 산화제 가스를 공급하기 위한 캐소드 공급구를 구비하고 있지 않은 점이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제2 연료전지 스택(12)은, 발전 전력을 공급하기 위한 장치는 아니기 때문에, 단셀의 적층 매수는, 연료전지 스택(10)에 비해 적으면 된다. 여기서, 제2 연료전지 스택(12)과 외부 직류 전원(210)이 각각, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제2 연료전지」와 「제2 전원부」에 상당한다.
제2 연료전지 스택(12)은, 산화제 가스 배출 배관(33)을 흐르는 질소와 수소를 포함하는 제1 배기가스로부터 수소를 분리하기 위해 사용된다. 제2 연료전지 스택(12)에는 제2 연료전지 스택(12)의 애노드(이하, 「제2 애노드」라고 한다.)에 연통하는 배출 가스 공급구 및 배출 가스 배출구가 설치되어 있다. 또, 제2 연료전지 스택(12)의 캐소드(이하, 「제2 캐소드」라고 한다.)에 연통하는 분리 가스 배출구가 설치되어 있다. 배출 가스 공급구는, 산화제 가스 배출 배관(33)의 부분 중, 상류 측 부분인 상류 측 배관(33a)과 접속되어 있다. 또, 배출 가스 배출구는, 산화제 가스 배출 배관(33)의 부분 중, 하류 측 부분인 하류 측 배관(33b)과 접속되어 있다. 또, 제2 연료전지 스택(12)의 분리 가스 배출구는, 배출 가스 반송 배관(52)과 접속되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 상류 측 및 하류 측은, 통상 발전시에 있어서의 연료전지 시스템 안을 흐르는 반응 가스나 냉각 매체의 흐름 방향을 기준으로 하고 있다.
배출 가스 반송 배관(52)과 산화제 가스 공급 배관(32)의 접속부에는 삼방 밸브(V5)가 설치되어 있다. 제어부(500)가 삼방 밸브(V5)의 포트의 개폐를 제어함으로써, 배출 가스 반송 배관(52)이나 산화제 가스 공급 배관(32)의 연통 상태를 전환한다. 또한, 산화제 가스 공급 배관(32)의 부분 중, 삼방 밸브(V5)보다 상류 측 부분을 상류 측 배관(32a)이라고 하고, 삼방 밸브(V5)보다 하류 측을 하류 측 배관(32b)이라고 한다.
외부 직류 전원(210)은, 제2 연료전지 스택(12)에 전압을 인가하고, 제2 연료전지 스택(12) 내에서 수소 펌핑 현상을 발생시키기 위하여 사용된다. 이 외부 직류 전원(210)은, 예를 들면, 이차전지와 DC/DC 컨버터를 조합한 장치를 사용할 수 있다. 부하 접속부(48)는, 제어부(500)의 지시에 따라, 외부 직류 전원(210)과 제2 연료전지 스택(12)의 접속을 행하는 장치로서, 스위치(SW3)를 구비한다. 또한, 외부 직류 전원(210) 대신, 연료전지 스택(10)에 전압을 인가하는 이차전지(200) 및 DC/DC 컨버터(300)를 사용해도 된다.
B-2. 제2 실시예의 정지 전처리 :
도 5는, 제2 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제3 양태(이하, 「제3 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제2 정지 전처리(도 3)와 다른 점은, 가스 공급 공정에 있어서 산화제 가스 배출 배관(33)을 흐르는 제1 배기가스로부터 수소를 분리하고, 당해 수소를 제1 가스로서 캐소드에 다시 공급하고 있는 점이다. 그 외의 공정은, 제2 정지 전처리와 동일하기 때문에, 동일한 공정에 대해서는 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 또한, 제3 정지 전처리는, 제2 정지 전처리와 마찬가지로, 정지 전처리의 실행 중에는, 연료전지 스택(10)의 애노드와 캐소드의 전체 압력이 대략 동일해지도록(예를 들면, 대기압 정도), 밸브(V1, V2, V3)의 동작이 제어되고 있다.
단계 S130에 의해, 가스 공급 공정을 개시한 후에, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V5)의 포트의 개폐를 전환한다(단계 S132). 이것에 의해, 배출 가스 반송 배관(52)과 하류 측 배관(32b)을 연통시켜, 제1 가스 순환 경로를 형성시킨다(단계 S132). 이어서, 제어부(500)는, 부하 접속부(48)의 스위치(SW3)를 ON으로 함과 함께, 외부 직류 전원(210)을 제어하여, 외부 직류 전원(210)으로부터 제2 연료전지 스택(12)으로의 전압 인가를 개시시킨다(단계 S134). 이것에 의해, 산화제 가스 배출 배관(33)을 거쳐 제2 연료전지 스택(12)의 제2 애노드에 도입된 제1 배기가스의 가스 성분 중, 수소가 전기 화학 반응에 의해 제2 캐소드로 이동한다. 즉, 수소 펌핑 현상을 이용하여, 제1 배기가스로부터 수소를 분리하고 있다. 제2 캐소드로 이동한 수소는 배출 가스 반송 배관(52) 및 하류 측 배관(32b)을 거쳐서 다시 제1 가스로서 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급된다. 한편, 제1 배기가스의 수소 이외의 가스(주로 질소)는, 배관(33b, 34)을 거쳐 연료전지 시스템(100a)의 외부로 배출된다. 또한, 단계 S130?단계 S134는, 순서를 불문하고 임의의 타이밍으로 실행 가능하다. 여기서, 수소 펌핑 현상에 의해 제2 연료전지 스택(12)의 캐소드에 수소를 공급하고, 공급된 수소를 배출 가스 반송 배관(52) 및 하류 측 배관(32b)을 거쳐서 연료전지 스택(10)의 캐소드에 다시 공급하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 순환 기구」에 상당한다. 또, 제2 연료전지 스택(12)의 수소 펌핑 현상에 의해, 제1 배기가스로부터 수소를 분리하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「연료가스 분리 기구」에 상당한다.
단계 S134 후에, 제2 정지 전처리(도 3)와 마찬가지로, 단계 S140a?S160을 행한다. 단계 S160 후에, 제어부(500)는, 외부 직류 전원(210)으로부터 제2 연료전지 스택(12)으로의 전압의 인가를 정지시키고, 부하 접속부(48)의 SW3을 OFF로 한다(단계 S164). 이어서, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V5)의 포트의 개폐를 정지 처리 전의 상태로 되돌리고, 상류 측 배관(32a)과 하류 측 배관(32b)을 연통시킨다(단계 S166). 그리고, 단계 S170을 실행하여 정지 전처리가 종료된다. 또한, 단계 S150?단계 S164는 순서를 불문하고 임의의 타이밍으로 실행 가능하다.
이와 같이, 제3 정지 전처리는, 제1 배기가스로부터 수소를 분리하고, 다시, 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급하고 있는 점에서, 정지 전처리에 사용하는 수소를 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 캐소드에, 더욱 많은 수소를 공급할 수 있기 때문에, 더욱 단시간에 캐소드의 수소 분압을 상승시킴과 함께, 캐소드의 질소 분압을 저하시킬 수 있다. 따라서, 단계 S140a의 조건을 더욱 단시간에 충족시킬 수 있어, 정지 전처리의 동작 시간을 짧게 할 수 있다.
B-3 : 제2 실시예의 변형예 :
B-3-1 : 제1 변형예 :
단계 S140a 대신, 제1 정지 전처리와 마찬가지로, 단계 S140(도 2)을 실행해도 된다. 이렇게 해도, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감시킬 수 있다. 즉, 적어도, 소정의 분압차에 의한 전해질막의 투과 속도가 질소보다 빠른 수소의 분압차를 소정값 이하로 함으로써, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 캐소드의 부압 발생을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 연료전지 스택(10)의 외부로부터 캐소드에 공기가 혼입되는 것을 억제할 수 있다.
B-3-2 : 제2 변형예 :
제2 연료전지 스택(12), 부하 접속부(48), 외부 직류 전원(210)은 생략할 수 있다. 즉, 산화제 가스 배출 배관(33)으로부터 분기되고, 산화제 가스 공급 배관(32)에 접속되는 배출 가스 반송 배관(52)을 설치하는 것만으로도 된다. 이것에 의해, 단계 S134, S164(도 5)는 생략할 수 있다. 이렇게 해도, 수소를 포함하는 제1 배기가스를 캐소드에 다시 공급하기 때문에, 정지 전처리에 사용하는 수소를 유효하게 이용할 수 있다.
B-3-3. 제3 변형예 :
제2 실시예에 있어서도, 제1 실시예의 제1 변형예와 마찬가지로, 산소 저감 공정을 생략해도 된다. 또, 제1 실시예의 제1 변형예와 마찬가지로, 가스 공급 공정에 있어서의, 애노드로의 수소의 공급은, 연료가스 탱크(21)만으로부터 행해도 된다. 또, 제1 실시예의 제2 변형예와 마찬가지로, 밸브(V4)를 설치하지 않아도 된다. 또, 제1 실시예의 제3 변형예와 마찬가지로, 산화제 가스로서 순수한 산소를 공급해도 된다. 또, 제1 실시예의 제4 변형예와 마찬가지로, 산소 저감 공정에 있어서, 전압 대신 산소 농도계의 검출값을 판단의 지표로 해도 된다.
B-3-4. 제4 변형예 :
상기 제3 정지 전처리에서는, 제1 배기가스로부터 수소를 분리하는 방법으로서, 수소 펌핑 현상을 이용했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 수소 분리막을 설치하고, 당해 막에 의해 제1 배기가스로부터 수소를 분리해도 된다. 이렇게 함으로써, 수소 분리를 위해, 제2 연료전지 스택 등의 수소 펌핑 현상을 발생시키는 장치를 설치하지 않아도 된다.
C. 제3 실시예 :
C-1. 제3 실시예의 구성 :
도 6은, 본 발명의 제3 실시예를 적용한 연료전지 시스템(110)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제1 실시예와의 차이는, 산화제 가스 배출 배관(33)에 산소 농도계(D3)를 설치하고 있는 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제1 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다.
산소 농도계(D3)는, 산화제 가스 배출 배관(33) 내에 존재하는 산소의 농도를 검출한다. 또, 산소 농도계(D3)에 의해 검출한 산소 농도는, 후술하는 정지 전처리의 제어에 이용된다.
C-2. 제3 실시예의 정지 전처리 :
도 7은, 제3 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제4 양태(이하, 「제4 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제2 정지 전처리(도 2)와의 주된 차이는, 가스 공급 공정에 있어서의 가스의 공급 방법과 가스 공급 공정 전에 행하는 공정이다. 또, 제2 정지 전처리와 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명은 생략한다.
단계 S100 후에, 제어부(500)는, 발전부의 온도가 0℃보다 높은지의 여부를 판단한다(단계 S102). 본 실시예에서는, 온도 센서(T1)로부터 취득한 온도를 발전부의 온도로 간주하여 판단을 행하고 있다. 발전부의 온도가 0℃보다 높지 않은 경우(단계 S102 : NO), 즉, 발전부의 온도가 0℃ 이하인 경우에는, 제어부(500)는, 후술하는 가스 공급 공정 및 가스 압력차 저감 공정을 행하지 않고, 연료전지 스택(10)으로의 산화제 가스, 연료가스의 공급?순환 및 냉각수의 순환을 정지시키며(단계 S150a), 가장 마지막에 단계 S170을 실행한다.
한편, 발전부의 온도가 0℃보다 높은 경우에는(단계 S102 : YES), 산화제 가스의 화학량론비(본 명세서에서는, 「공기 화학량론비」라고도 한다.)를 통상 발전시보다 낮은 제2 상태로 설정하여 연료전지 스택(10)에 발전을 행하게 한다(단계 S104). 단계 S104를 실행함으로써 발생한 발전 전력은, 이차전지로 200으로 축전 하거나, 정지 전처리를 위한 전력으로서 소비할 수 있다. 연료전지 스택(10)에 공급하는 공기 화학량론비를 작게 함으로써, 애노드의 수소가 캐소드에 공급된다. 상세하게는, 애노드로부터 전해질막을 거쳐서 캐소드로 이동해 온 수소 이온이, 캐소드에서 산소가 부족했기 때문에 산소와 반응하지 못하고, 전자를 얻음으로써 수소가 된다. 또한, 공기 화학량론비란, 산소 잉여율을 가리키고, 수소와 과부족 없이 반응하기 위해 필요한 산소에 대하여, 공급되는 산소가 얼마만큼 잉여인지를 나타내는 값이다. 즉, 산소의 공급량을 W1, 공급된 수소를 과부족 없이 소비하기 위해 필요한 산소의 양을 W2라고 한 경우, 공기 화학량론비는, W1/W2로 나타내진다. 여기서, 본 실시예에 있어서, 공기 화학량론비를 작게 설정하여 발전을 행하게 하고, 애노드에 공급된 수소를 캐소드에 공급하는 기구[연료가스 탱크(21), 연료가스 공급 배관(22), 연료전지 스택(10), 산화제 가스 공급 배관(32), 에어컴프레서(36), 이차전지(200) 또는 인버터(400), 부하 접속부(45)]가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 공급 기구」에 상당한다.
공기 화학량론비는, 정지 전처리의 동작 상황에 따라, 통상 운전시의 공기 화학량론비보다 작아지는 범위로 적절하게 설정 및 변경 가능하다. 또한, 공기 화학량론비는, 0.8?1.05의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 1 정도로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 공기 화학량론비가 0.8보다 작으면 연료전지 스택(10)의 발전 전력이 너무 작아져서, 수소가 애노드로부터 캐소드로 이동하지 않을 가능성이 있기 때문이다. 또, 공기 화학량론비가 1.05보다 크면 캐소드에서의 산소가 부족 상태가 되지 않아, 캐소드에서 수소가 발생하지 않을 가능성이 있기 때문이다. 캐소드에서의 산소가 부족 상태가 되어 있는지의 여부는, 산소 농도계(D3)에 의해 제어부(500)로 보내진 산소 농도에 관한 신호를 바탕으로, 제어부(500)가 판단하여, 저효율 운전을 제어하고 있다. 또한, 통상 운전시의 공기 화학량론비는, 1.2?1.5의 범위로 설정되어 있다.
단계 S104의 다음으로, 양극 사이에서의 잔류 질소 및 잔류 수소의 분압차가 소정의 조건을 충족하는지의 여부를 판단한다(단계 S140a). 소정의 조건을 충족하지 않는다고 판단한 경우(단계 S140a)에는, 공기 화학량론비가 작은 제2 상태로의 발전을 계속시킨다. 이것에 의해, 캐소드의 수소 분압은 더욱 상승하고, 질소 분압은 더욱 저하한다. 캐소드의 수소 분압이 상승하고, 질소 분압이 저하함으로써, 양극 사이의 수소 분압의 차 및 질소 분압의 차가 각각 소정값 이하가 된다.
양극 사이에서의 잔류 질소 및 잔류 수소의 분압차가 소정의 조건을 충족시킨다고 판단한 경우(단계 S140a : YES)에는, 제어부(500)는, 산화제 가스, 연료가스의 공급 및 순환을 정지시킴과 함께, 냉각수의 순환을 정지시킨다(단계 S150a). 이어서, 제어부(500)는, 단계 170을 실행하여, 연료전지 시스템(110)의 시스템을 정지한다.
이와 같이, 가스 공급 공정은, 공기 화학량론비를 작게 함으로써 실행할 수 있기 때문에(단계 S104), 용이하게 캐소드로 수소를 공급할 수 있다. 또, 연료전지 스택(10)에 전압을 인가시키기 위한 외부 전원을 이용하지 않고, 캐소드에 수소를 공급할 수 있다. 또, 본 양태의 정지 전처리에 의해 발생한 전력은, 이차전지(200)에 축전하거나, 정지 전처리를 위한 전력으로서 소비하는 것이 가능하여, 발전 전력을 유효하게 이용할 수 있다. 또, 통상 운전시의 공기 화학량론비보다 작은 공기 화학량론비로 발전을 행하는 점에서, 통상 운전시에 퇴적한 캐소드 촉매층 표면의 산화물이 당해 표면으로부터 제거되어, 캐소드 촉매층의 성능을 회복시킬 수 있다. 또한, 제2 실시예와 마찬가지로, 양극 사이에서의 수소 및 질소의 각각의 분압차가 소정의 조건을 충족시키도록 처리하고 있다(단계 S140a). 따라서, 제2 실시예와 마찬가지로, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 더욱 저감할 수 있고, 캐소드 구성 부재의 산화를 더욱 억제할 수 있다.
여기서, 단계 S102의 처리를 실행하는 이유에 대하여 설명한다. 도 8은, 캐소드의 전극 전위마다의, 단셀(발전부)의 온도와 이산화탄소(CO2) 농도의 관계를 나타내는 그래프이다. CO2 농도는, 통상 운전시의 연료전지 스택으로부터 배출되는 배출 산화제 가스 중의 CO2 농도를 의미하고, 캐소드를 구성하는 캐소드 구성 부재의 산화의 발생 정도와 비례한다. 또한, 도 8은 실험적으로 구한 것이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 셀 온도가 0℃ 이하인 경우에는, 캐소드의 전극 전위의 값과 관계없이 CO2 농도는 매우 작다. 즉, 연료전지 스택에 있어서, 일반적으로 카본의 산화가 진행되기 시작하는 전극 전위 1.4V 이상이어도, 카본의 산화는 거의 발생하지 않고 있다. 이에 대하여, 셀 온도가 0℃보다 큰 경우에는, 캐소드의 전극 전위가 높아짐에 따라 CO2 농도가 커져 있다. 즉, 셀 온도가 0℃보다 큰 경우, 캐소드의 전극 전위가 상승하여 1.4V 이상이 되면, 카본의 산화의 발생 빈도가 커진다.
또, 본 발명자들은, 셀 온도가 0℃ 이하에서, 공기 화학량론비가 통상 발전시보다 작은 상태로 연료전지 스택을 발전시키면, 캐소드 촉매층의 성능이 저하되는 것을 발견하였다. 상세하게는, 캐소드 촉매층의 일부가 전해질막 상으로부터 박리되는 것을 발견하였다.
제4 정지 전처리에서는, 단계 S102에서 발전부의 온도가 0℃보다 큰 경우(단계 S102 : YES)에는, 가스 공급 공정 및 가스 압력차 저감 공정(단계 S104, 단계 S140a)을 실행하고 있다(도 7). 한편, 단계 102에서 발전부의 온도가 0℃ 이하인 경우(단계 S102 : NO)에는, 가스 공급 공정 및 가스 압력차 저감 공정을 행하지 않고, 시스템의 정지를 행하고 있다. 이것에 의해, 캐소드 촉매층의 성능 저하를 방지하면서, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
C-3. 제3 실시예의 변형예 :
C-3-1. 제1 변형예
단계 S102는 생략해도 된다. 이렇게 해도, 적어도 캐소드 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 이차전지(200) 및 DC/DC 컨버터(300)를 생략해도 된다. 이렇게 해도, 가스 공급 공정을 실행할 수 있다.
C-1-2. 제2 변형예 :
제3 실시예의 제1 변형예와 마찬가지로, 단계 S140a 대신, 단계 S140(도 2)을 실행해도 된다. 또, 제1 실시예의 제2 변형예와 마찬가지로, 산화제 가스 배출 배관(33)에는 밸브(V4)를 설치하지 않아도 된다. 또, 제1 실시예의 제3 변형예와 마찬가지로, 산화제 가스로서 순수한 산소를 사용해도 된다.
C-1-3 : 제3 변형예 :
단계 S104(도 7)에 있어서, 공기 화학량론비에 더하여, 연료가스의 화학량론비(이하, 「수소 화학량론비」라고도 한다.)도 통상 발전시보다 작은 상태로 하여 발전을 행하게 해도 된다. 이렇게 함으로써, 애노드의 질소 농도는 상승하고(즉 애노드의 질소 분압은 상승하고), 수소 농도는 저하하는(즉 수소 분압은 저하하는) 점에서, 단계 S140a의 조건을 더욱 단시간에 충족시킬 수 있다. 이것에 의해, 정지 전처리의 동작 시간을 짧게 할 수 있다. 수소 화학량론비는, 통상 발전시보다 작은 범위로 적절히 설정 및 변경 가능하다. 또한, 수소 화학량론비는, 1.0?1.2의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 1.0?1.05의 범위로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 본 실시예에서는, 통상 운전시의 수소 화학량론비는 1.2 정도로 설정되어 있다.
D. 제4 실시예 :
D-1. 제4 실시예의 구성 :
도 9는, 본 발명의 제4 실시예를 적용한 연료전지 시스템(110a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제3 실시예와의 차이는, 산화제 가스 배출 배관(33)으로 배출되는 배기가스를, 다시 제1 가스로서 캐소드에 공급하는 기구를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제3 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대하여 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다.
연료전지 시스템(110a)은, 배출 가스 반송 배관(60)을 구비하고 있다. 배출 가스 반송 배관(60)은, 배관(34)과 산화제 가스 공급 배관(32)에 접속되어 있다. 또, 배출 가스 반송 배관(60)에는, 밸브(V8)가 설치되어 있다. 연료전지 스택(10)의 통상 운전시에 있어서는, 밸브(V8)는 폐쇄되어 있다.
D-2. 제4 실시예의 정지 전처리 :
도 10은, 제4 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제5 양태(이하, 「제5 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제4 정지 전처리와의 차이는, 단계 S105, S168이 추가되었다는 점이고, 그 외의 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명은 생략한다.
단계 S104 후에, 제어부(500)는 밸브(V8)를 개방시킨다(단계 S105). 이것에 의해, 수소를 포함하는 제1 배기가스의 일부가 배관(34)으로부터 분기되고, 배출 가스 반송 배관(60)을 거쳐 산화제 가스 공급 배관(32)에 도입된다. 이 결과, 수소를 포함하는 제1 배기가스가 다시 제1 가스로서 캐소드에 공급된다. 또한, 단계 S104, S105는 순서를 불문하고 실행 가능하다.
단계 S140a가 YES인 경우에는, 단계 150a에 더하여, 추가로 제어부(500)는, 밸브(V8)를 폐쇄시킨다(단계 S168).
이와 같이, 제5 정지 전처리는, 수소를 포함하는 제1 배기가스를 캐소드에 다시 공급하기 위하여, 정지 전처리에 사용하는 수소를 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 제4 정지 전처리와 동일한 효과를 가진다.
D-3. 제4 실시예의 변형예 :
D-3-1. 제1 변형예 :
제3 실시예의 제1?제3 변형예를 채용할 수 있다.
D-3-2. 제2 변형예 :
배출 가스 반송 배관(60) 중의 제1 배기가스로부터 수소를 분리하고, 분리 후의 수소를 산화제 가스 공급 배관(32)으로 반송하는 기구를 설치해도 된다. 예를 들면, 제2 실시예에서 기재한 바와 같이, 제2 연료전지 스택(12), 부하 접속부(48), 외부 직류 전원(210)을 설치하고(도 4), 배출 가스 반송 배관(60) 중의 제1 배기가스로부터, 수소 펌핑 현상을 이용하여 수소를 분리하며, 다시 제1 가스로서 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급해도 된다. 이렇게 함으로써, 단계 S140a의 가스 압력차 저감 공정을 더욱 단시간에 행할 수 있다. 또, 수소 분리막에 의해 제1 배기가스로부터 수소를 분리해도 된다.
E. 제5 실시예 :
E-1. 제5 실시예의 구성 :
도 11은, 본 발명의 제5 실시예를 적용한 연료전지 시스템(120)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제1 실시예와의 차이는, 제1과 제2 바이패스 배관(74, 76)과, 삼방 밸브(V10, V12)를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제1 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 또한, 제5 실시예에서는, 냉각수계(40)(도 1)의 도시는 생략하고 있다.
제1 바이패스 배관(74)은, 연료가스 공급 배관(22)과 산화제 가스 공급 배관(32)에 접속되어 있다. 또, 산화제 가스 공급 배관(32)과 제1 바이패스 배관(74)의 접속부에는 삼방 밸브(V12)가 설치되어 있다. 여기서, 연료가스 공급 배관(22)의 부분 중, 삼방 밸브(V12)보다 상류 측 부분을 제1 배관(32c)이라고도 부르고, 삼방 밸브(V12)보다 하류 측 부분을 제2 배관(32d)이라고도 부른다.
제2 바이패스 배관(76)은, 연료가스 순환 배관(24)과 산화제 가스 배출 배관(33)에 접속되어 있다. 또, 산화제 가스 배출 배관(33)과 제2 바이패스 배관(76)의 접속부에는 삼방 밸브(V10)가 설치되어 있다. 여기서, 산화제 가스 배출 배관(33)의 부분 중, 삼방 밸브(V10)보다 상류 측 부분을 제3 배관(33c)이라고도 부르고, 삼방 밸브(V10)보다 하류 측 부분을 제4 배관(33d)이라고도 부른다. 제어부(500)가, 삼방 밸브(V10, V12)의 포트의 개폐를 제어함으로써, 배관의 연통 상태를 전환한다. 또한, 연료전지 스택(10)의 통상 발전시에 있어서는, 제1 바이패스 배관(74)과 산화제 가스 공급 배관(32), 및, 제2 바이패스 배관(76)과 산화제 가스 배출 배관(33)은 각각 연통하고 있지 않은 상태에 있다.
E-2. 제5 실시예의 정지 전처리 :
E-2-1. 정지 전처리의 제6 양태 :
도 12는, 제5 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제6 양태(이하, 「제6 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 단계 S200은, 제1 정지 전처리에 있어서의 단계 S100과 동일한 공정이다. 단계 S100에 있어서, 제어부(500)가 IG 스위치 OFF 신호를 수신하면, 제어부(500)는, 연료전지 스택(10)의 발전을 정지시킨다(단계 S210). 즉, 제어부(500)는, 부하 접속부(45)를 제어하고, 스위치(SW1, SW2)를 모두 OFF로 하여, 전력의 출력을 정지시킨다.
다음으로, 제어부(500)는, 산화제 가스, 연료가스의 공급을 정지시킴과 함께, 냉각수의 순환을 정지시킨다(단계 S220). 즉, 제어부(500)는, 밸브(V1, V2)를 폐쇄하고, 에어컴프레서(36) 및 순환 펌프의 작동을 정지시킨다. 또한, 단계 S210에 있어서의 「연료가스의 공급을 정지시킨다」란, 차단 밸브(V1), 조압 밸브(V2)를 폐쇄하여, 연료가스 탱크(21)로부터의 연료가스의 공급을 정지시키는 것을 의미하고, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동은 계속하고 있다. 또한, 단계 S210?S220은 순서를 불문하고 임의의 타이밍으로 실행 가능하다.
다음으로, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V10, V12)의 포트의 개폐를 전환한다(단계 S230). 즉, 제1 바이패스 배관(74)과 제2 배관(32d)을 연통 상태로 하고, 제1 배관(32c)과 제2 배관(32d)을 비연통 상태로 한다. 또, 제2 바이패스 배관(76)과 제3 배관(33c)을 연통 상태로 하고, 제3 배관(33c)과 제4 배관(33d)을 비연통 상태로 한다. 즉, 제1 가스를 애노드 및 캐소드로 순환 공급하기 위한 순환 공급 경로가 형성된다.
이것에 의해, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동에 의해, 연료가스 급배기 시스템(20), 산화제 가스 급배기 시스템(30)에 잔류하고 있는 연료가스 및 산화제 가스는 순환 및 교반되어, 제1 가스로서 애노드 및 캐소드에 공급된다(단계 S240).
다음으로, 제어부(500)는, 단계 S240의 개시 후, 소정 시간이 경과하였는지의 여부를 판단한다(단계 S250). 여기서 소정 시간은, 애노드, 캐소드, 연료가스 급배기 시스템(20), 산화제 가스 급배기 시스템(30)에 잔류하고 있는 가스의 농도 불균일이 저감되는 정도의 시간을 설정한다. 즉, 가스의 농도 불균일이 저감되어 있으면, 양극에 동일 조성으로 대략 동일 농도의 가스가 공급되고, 양극 사이의 가스 성분마다의 분압차가 소정값 이하(여기서는, 분압차는 대략 제로)가 되어 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 단계 S250은, 제2 정지 전처리(도 3)의 단계 S140a를 대신하는 공정인 것을 이해할 수 있고, 단계 S140a와 마찬가지로, 가스 압력차 저감 공정에 상당한다.
소정 시간이 경과하지 않았다고 판단한 경우(단계 S250 : NO)에는, 제어부(500)는, 연료가스 순환 펌프(26)에 의한 순환을 계속시킨다. 한편, 소정 시간이 경과했다고 판단한 경우(단계 S250 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동을 정지시킴으로써, 잔류 가스의 공급 및 순환을 정지시킨다(단계 S260). 다음으로, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V10, V12)의 포트의 개폐 상태를 정지 처리 전의 상태로 되돌리고, 제1 배관(32c)과 제2 배관(32d), 제3 배관(33c)과 제4 배관(33d)을 각각 연통 상태로 한다.
이와 같이, 제6 정지 전처리에서는, 농도 불균일을 저감시킨 동일 조성의 가스를, 제1 가스로서 캐소드 및 애노드에 공급함으로써, 특별한 제어를 행하지 않고 용이하게 캐소드 및 애노드의 가스 성분의 성분마다의 분압차를 각각 소정값 이하로 할 수 있다. 또, 제1 가스로서, 연료가스 급배기 시스템(20) 및 산화제 가스 급배기 시스템(30)에 잔류하는 가스를 사용함으로써, 정지 전처리에 사용하는 제1 가스의 양을 저감할 수 있다. 또한, 통상 발전시의 반응 가스와는 별도로, 정지 전처리를 위한 가스를 준비할 필요가 없어진다. 또, 다른 정지 전처리와 마찬가지로, 가스 압력차 저감 공정을 행함으로써, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 시스템 정지 후에, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 캐소드 출구 측에 시일성이 높은 기구를 설치할 필요가 없다. 이 때문에 비용 저감이 가능해진다.
여기서, 본 실시예에 있어서, 삼방 밸브(V10, V12)의 포트의 개폐를 전환하여, 제1 바이패스 배관(74)과 제2 배관(32d), 제2 바이패스 배관(76)과 제3 배관(33c)을 각각 연통 상태로 하고, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동에 의해, 연료가스 급배기 시스템(20) 및 산화제 가스 급배기 시스템(30)에 잔류하는 가스를 캐소드 및 애노드에 공급하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 공급 기구」에 상당한다. 또, 삼방 밸브(V10)의 포트의 개폐를 전환하여, 제2 바이패스 배관(76)과 제3 배관(33c)을 연통 상태로 하고, 애노드 및 캐소드로부터 배출되는 배출 가스를 혼합하여, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동에 의해 연료가스 공급 배관(22)으로 순환시키는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「배기가스 순환 기구」에 상당한다. 또, 삼방 밸브(V12)의 포트의 개폐를 전환하여, 제1 바이패스 배관(74)과 제2 배관(32d)을 연통 상태로 한 상태에서, 연료가스 공급 배관(22)으로부터 애노드에 제1 가스를 공급하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「애노드 공급 기구」에 상당한다.
E-2-2. 정지 전처리의 제7 양태 :
도 13은, 제5 실시예의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제7 양태(이하, 「제7 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제6 정지 전처리(도 12)와 다른 점은, 가스 공급 공정 전에, 캐소드의 전극 전위를 통상 발전시보다 저하시키는 「전위 저하 공정」을 실행하는 점이다. 그 외의 공정은 제6 정지 전처리와 동일한 공정이기 때문에, 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다.
단계 S200 후에, 제어부(500)는, 에어컴프레서(36)의 작동을 정지시킴으로써, 캐소드로의 산화제 가스의 공급을 정지시킨다(단계 S201). 다음으로, 제어부(500)는, DC/DC 컨버터(300)를 제어하여, 이차전지(200)로부터 연료전지 스택(10)으로의 전압 인가를 개시시킨다(단계 S203). 또한, 단계 S203에 있어서, 제어부(500)는 부하 접속부(45)를 제어하여 스위치(SW1)는 OFF가 되어 있다. 이것에 의해, 수소 펌핑 현상이 발생하고, 캐소드에 수소가 공급되어, 캐소드에 잔류하고 있었던 산소를 포함하는 가스가 제3, 제4 배관(33c, 33d) 및 배관(34)을 거쳐 시스템의 외부로 배출된다. 따라서, 캐소드의 가스가 수소로 치환됨으로써 캐소드의 전극 전위가 시스템 정지 전처리의 개시 전(즉, 통상 운전시)의 상태보다 저하된다. 여기서, 수소 펌핑 현상에 의해 캐소드로 수소를 공급하고, 캐소드의 전극 전위를 저하시키는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「전위 처리 기구」에 상당한다.
단계 S203 후에, 제어부(500)는, 각 단셀의 전압이 소정값보다 작은지의 여부를 판단한다(단계 S205). 이 소정값은, 후술하는 가스 공급 공정에 의해, 캐소드의 전극 전위가 카본 산화가 생기는 전극 전위(예를 들면, 1.4V 이상)에까지 상승하는 것을 방지할 수 있는 범위로 설정 가능하다. 본 양태의 경우, 소정값을 0.05V로 설정하고 있다.
각 단셀 전압이 0.05V 이상이라고 판단한 경우(단계 S205 : NO)에는, 단계 S205의 판단을 반복하여 행한다. 한편, 각 단셀 전압이 0.05V보다 작다고 판단한 경우(단계 S205 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 공급 및 냉각수의 순환을 정지시킴과 함께, 이차전지(200)로부터 연료전지 스택(10)으로의 전압의 인가를 정지시킨다(단계 S207, S209). 이 경우에 있어서, 「연료가스의 공급을 정지시킨다」란, 제6 정지 전처리와 마찬가지로, 연료가스 탱크(21)로부터의 연료가스의 공급을 정지시키는 것을 의미하고, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동은 계속하고 있다. 단계 S209 이후에는, 제6 정지 전처리와 마찬가지로, 단계 S230?단계 S270의 처리를 실행한다.
이와 같이, 가스 공급 공정 전에, 미리 캐소드의 전극 전위를 저하시킴으로써, 가스 공급 공정의 실행 중에 제1 가스에 포함되는 산소가 애노드에 공급됨으로써 생기는 캐소드의 이상 전위의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제7 정지 전처리는 제6 정지 전처리와 동일한 효과를 가진다.
E-3. 제5 실시예의 변형예 :
E-3-1. 제1 변형예 :
도 14는, 제1 변형예의 연료전지 시스템(120a)의 구성을 나타내는 도면이다.
제5 실시예와의 구성의 차이는, 연료가스 공급 배관(22)에 밸브(V14)를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제5 실시예와 동일한 구성이기 때문에 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 밸브(14)는, 연료가스 공급 배관(22) 중, 제1 바이패스 배관(74)이 접속되어 있는 지점보다 하류 측[연료전지 스택(10)에 가까운 측]에 설치되어 있다. 또한, 밸브(14)는 통상 운전시에는 개방되어 있다.
도 15는, 제1 변형예의 제어부(500)에 의해 실행되는 제1 변형예의 정지 전처리(이하, 「제8 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제7 정지 전처리와 다른 점은, 전위 저하 공정의 동작이다. 제6 또는 제7 정지 전처리와 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명은 생략한다. 또, 전위 저하 공정 후에 실행하는 가스 공급 공정, 가스 압력차 저감 공정에 대해서는, 제6 정지 전처리와 동일한 방법으로 행하기 때문에 설명은 생략한다(도 12).
단계 S200 후에, 제어부(500)는, 연료전지 스택(10)의 발전을 정지시킨다(단계 S201a). 다음으로, 제어부(500)는, 산화제 가스, 연료가스의 공급을 정지시킴과 함께, 냉각수의 순환을 정지시킨다(단계 S202a). 또한, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동은 계속하고 있다. 또, 단계 S201a, S202a는 제6 정지 전처리의 단계 S210, S220과 동일한 공정이다.
다음으로, 제어부(500)는, 밸브(14)를 폐쇄시킨다(단계 S203a). 다음으로, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V12)의 포트의 개폐를 전환하여, 제1 바이패스 배관(74)과 제2 배관(32d)을 연통시킨다(단계 S203b). 이것에 의해, 연료가스 순환 펌프의 작동에 의해, 연료가스 급배기 시스템(20)에 잔류하는 연료가스가 캐소드에 우선적으로 공급되고, 캐소드에 잔류하고 있었던 산소를 포함하는 가스가 제3, 제4 배관(33c, 33d) 및 배관(34)을 거쳐 시스템의 외부로 배출된다(단계 S203c). 여기서, 밸브(V14)를 폐쇄시켜서 캐소드로 연료가스 급배기 시스템(20)에 잔류하는 연료가스를 공급하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「애노드 잔류 가스 공급 기구」에 상당한다.
다음으로 제7 정지 전처리와 마찬가지로(도 13), 단계 S205를 실행하고, 단계 S205에서 설정된 조건을 충족시키지 않는다고 판단한 경우(단계 S205 : NO)에는, 잔류 가스의 캐소드로의 공급을 계속한다. 한편, 단계 S205에서 설정된 조건을 충족시킨다고 판단한 경우(단계 S205 : YES)에는, 제어부(500)는, 삼방 밸브(V10)의 포트의 개폐를 전환하여, 제3 배관(33c)과 제2 바이패스 배관(76)을 연통시킨다(단계 S209a). 이어서, 제어부(500)는, 밸브(V14)를 개방시킨다(단계 S210a). 이것에 의해, 연료가스 급배기 시스템(20) 및 산화제 가스 급배기 시스템(30)에 잔류하고 있는 가스가 혼합되고, 제1 가스로서 애노드 및 캐소드에 공급된다.
이와 같이, 제8 정지 전처리는, 밸브(V14)의 개폐를 제어함으로써 전위 저하 처리를 행할 수 있다. 따라서, 제7 정지 전처리와 같이 수소 펌핑 현상을 행하기 위한 외부 직류 전원 등이 불필요하여, 용이하게 전위 저하 공정을 실행할 수 있다. 또한, 제8 정지 전처리의 단계 S203b에 있어서, 추가로 삼방 밸브(V10)의 포트의 개폐를 전환하여, 제3 배관(33c)과 제2 바이패스 배관(76)을 연통시켜도 된다. 즉, 단계 S203c의 실행 중에, 캐소드에 잔류하고 있었던 산소를 포함하는 가스를 제2 바이패스 배관(76)을 거쳐 다시 캐소드에 공급해도 된다. 이렇게 해도, 산소는 캐소드 촉매 상에서 연소하여 캐소드의 전극 전위를 저하시킬 수 있다. 또, 캐소드에 잔류하고 있었던 산소를 포함하는 가스를 그 후의 가스 공급 공정에 유효하게 이용할 수 있다.
E-3-2. 제2 변형예 :
제7 및 제8 정지 전처리(도 13, 도 15)의 단계 S205에 있어서, 제어부(500)는, 각 단셀 전압이 소정값 이하인지의 여부를 판단하고 있었지만, 이 대신, 소정 시간이 경과하였는지의 여부를 판단해도 된다. 여기서 소정 시간은, 전위 저하 공정에 있어서 캐소드에 공급되는 단위시간당의 가스량과, 캐소드의 용적에 의거하여, 캐소드에 잔류하는 산소를 외부로 배출 가능한 시간을 설정할 수 있다.
또, 캐소드에 공급된 가스량을 산출하고, 당해 가스량이 소정값(예를 들면, 캐소드의 용적값) 이상인지의 여부로 판단해도 된다. 구체적으로는, 예를 들면, 제7 정지 전처리에 대하여, 수소 펌핑 현상에 사용한 전하량으로부터, 애노드로부터 캐소드로 이동한 수소량을 산출하고, 당해 수소량이 소정값 이상(예를 들면, 캐소드의 용적 이상)인지의 여부로, 제1 가스 공급 공정을 행할지의 여부를 결정할 수 있다.
또, 산화제 가스 배출 배관(33)에 설치한 수소 농도계(D2)(도 11)에 있어서, 수소를 검지하였는지의 여부를 판단해도 된다. 수소를 검지한 경우에는, 캐소드의 가스가 수소로 치환되고, 캐소드의 전극 전위가 소정값 이하로 저하되었다고 판단할 수 있다.
E-3-3. 제3 변형예 :
제5 실시예의 제6?제8 정지 전처리에서는, 가스 압력차 저감 공정에서 소정 시간 경과하였는지의 여부를 판단하고 있었지만(도 12의 단계 S250), 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1 정지 전처리의 단계 S140(도 2) 또는 제2 정지 전처리의 단계 S140a(도 3)와 마찬가지로, 소정의 가스 성분의 애노드 및 캐소드에 있어서의 분압차를 판단의 지표에 사용해도 된다.
E-3-4 : 제4 변형예 :
상기 실시예에서는, 연료가스 급배기 시스템(20) 및 산화제 가스 급배기 시스템(30)의 일부의 배관 및 기기[연료가스 탱크(21)나 연료가스 순환 펌프(26) 등]를 이용하여, 제1 가스를 양극에 공급하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니다, 즉, 연료가스를 포함하는 동일 조성의 가스를 저류(貯留)하는 탱크로부터, 양극에 각각 접속된 제1 가스 공급용 배관을 거쳐서, 양극에 당해 가스를 제1 가스로서 공급해도 된다. 또, 이때, 양극의 전체 압력이 대략 동일해지도록 설정한다. 이와 같이, 동일한 제1 가스 공급원으로부터 제1 가스를 양극에 공급해도, 양극의 가스 성분의 성분마다의 분압차를 각각 소정값 이하로 용이하게 도달시킬 수 있다. 즉, 가스 공급 공정에 있어서, 농도 불균일을 저감시킨 연료가스를 포함하는 가스를, 캐소드 및 애노드에 충전시킴으로써, 단시간에 가스 압력차 저감 공정에서의 소정의 조건을 충족시킬 수 있다.
F. 제6 실시예 :
F-1. 제6 실시예의 구성 :
도 16은, 본 발명의 제6 실시예를 적용한 연료전지 시스템(130)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제1 실시예와의 차이는, 제3 바이패스 배관(80), 릴리프 밸브(「안전 밸브」라고도 한다.)(V18) 및 애노드 출구 밸브(V16)를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제1 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 또한, 제6 실시예에서는, 냉각수계(40), 이차전지(200), DC/DC 컨버터(300), 부하 접속부(45), 인버터(400) 및 모터(410)(도 1)의 도시는 생략하고 있다.
제3 바이패스 배관(80)은, 연료가스 공급 배관(22)과 산화제 가스 공급 배관(32)에 접속되어 있다. 또, 제3 바이패스 배관(80)에는, 릴리프 밸브(V18)가 설치되어 있다. 애노드 출구 밸브(V16)는, 연료가스 순환 배관(24)의 부분으로서, 기액 분리기(25)보다 상류 측 부분에 설치되어 있다. 또한, 압력 센서(P1)와 수소 농도계(D1)는, 연료가스 순환 배관(24)의 부분 중, 애노드 출구 밸브(V16)보다 상류 측 부분에 설치되어 있다.
F-2. 정지 전처리의 제9 양태 :
도 17은, 제6 실시예의 제어부(50)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제9 양태(이하, 「제9 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제어부(500)에 IG 스위치 OFF 신호가 입력되면(단계 S400), 제어부(500)는, 연료전지 스택(10)의 발전을 정지시킨다(단계 S410). 이어서, 제어부(500)는, 산화제 가스의 공급을 정지함과 함께, 순환 펌프(26, 46)의 작동을 정지시키고, 연료가스 및 냉각수의 순환을 정지시킨다(단계 S420). 또한, 연료가스 탱크(21)에 의한 연료가스의 공급은 계속시키고 있다.
단계 S420 후에, 제어부(500)는, 애노드 출구 밸브(V16)를 폐쇄시킨다(단계 S430). 이것에 의해, 연료가스 공급 배관(22)의 압력이 상승하고, 압력이 소정값 이상이 되면, 릴리프 밸브(V18)가 개방되어, 제3 바이패스 배관(80)이 연통 상태가 된다. 이것에 의해, 연료가스 탱크(21)로부터 공급된 연료가스가 제1 가스로서, 제3 바이패스 배관(80)과 산화제 가스 배출 배관(33)을 거쳐 캐소드에 공급된다. 이 결과, 캐소드에 잔존하고 있었던 산소 및 질소는 시스템의 외부로 배출된다. 여기서, 제3 바이패스 배관(80)을 연통 상태로 하고, 연료가스를 캐소드에 공급하는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 공급 기구」에 상당한다. 또, 애노드 출구 밸브(V16)가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「압력 조정부」에 상당한다.
다음으로, 제어부(500)는, 캐소드가 수소로 치환되었는지의 여부를 판단한다(단계 S440). 예를 들면, 연료가스 탱크(21)의 수소 공급량과 캐소드 용적을 바탕으로, 릴리프 밸브(V18)가 개방되고 나서, 캐소드가 수소로 치환될 때까지의 시간을 미리 구해 두고, 당해 시간이 경과하였는지의 여부에 의해 판단한다.
캐소드가 수소로 치환되지 않았다고 판단한 경우(단계 S440 : NO)에는, 릴리프 밸브(V18)의 개방 상태를 유지시켜, 연료가스의 공급을 계속시킨다. 한편, 캐소드가 수소로 치환되었다고 판단한 경우(단계 S440 : YES)에는, 제어부(500)는, 배기 밸브(V3) 및 애노드 출구 밸브(V16)를 개방시킨다(단계 S450). 이것으로부터, 연료가스 공급 배관(22)의 압력은 저하되고, 릴리프 밸브(V18)가 폐쇄된다. 또, 애노드의 전체 압력이 대기압 정도까지 저하되어 감과 함께, 애노드가 수소로 치환되어 간다.
다음으로, 제어부(500)는, 애노드가 수소로 치환되었는지의 여부를 판단한다(단계 S460). 예를 들면, 연료가스 탱크(21)의 수소 공급량과 애노드 용적으로부터 애노드가 수소로 치환될 때까지의 시간을 미리 구해 두고, 당해 시간이 경과하였는지의 여부에 의해 판단한다.
애노드가 수소로 치환되지 않았다고 판단한 경우(단계 S460 : NO)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 공급을 계속시킨다. 한편, 애노드가 수소로 치환되었다고 판단한 경우(단계 S460 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 공급을 정지시킨다(단계 S470).
다음으로, 제어부(500)는, 애노드 및 캐소드의 전체 압력의 차가 소정값 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S480). 소정값 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S480 : NO)에는, S480의 판단을 반복하여 행한다. 이것에 의해, 시간의 경과에 수반하여, 애노드 전체 압력이, 대기압 정도로 저하된다. 한편, 소정값 이하라고 판단된 경우(단계 S480 : YES)에는, 제어부(500)는 배기 밸브(V3) 및 밸브(V4)를 폐쇄시킨다(단계 S490).
이와 같이, 제3 바이패스 배관(80) 및 릴리프 밸브(V18)를 설치하고, 연료가스 공급 배관(22)의 압력을 소정값 이상으로 상승시킴으로써, 용이하게 캐소드에 수소를 공급할 수 있다. 또, 릴리프 밸브(V18)는, 다른 밸브(예를 들면, 삼방 밸브)보다 제어를 용이하게 행할 수 있다는 점에서, 정지 전처리의 제어를 용이하게 행할 수 있다.
또, 제3 바이패스 배관(80) 및 릴리프 밸브(V18)을 설치함으로써, 통상 운전시에 있어서, 어떠한 이상(예를 들면, 물의 체류)에 의해 연료가스 급배기 시스템(20)[특히 연료가스 공급 배관(22)]의 압력이 급상승하는 것을 억제하고, 애노드와 캐소드의 압력차에 의해 전해질막의 형태가 변화되는 것을 방지할 수 있다.
또, 가스 압력차 저감 공정을 행함으로써, 캐소드의 전체 압력 변동의 폭을 저감할 수 있고, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 시스템 정지 후에, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 대기와 연통하는 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구 측에 시일성이 높은 기구를 설치할 필요가 없어, 비용 저감이 가능해진다. 또, 단계 S490에 있어서, 밸브(V4)를 폐쇄시킴으로써, 공기의 확산에 의해 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 방지할 수 있다.
F-3. 제6 실시예의 변형예 :
F-3-2. 제1 변형예 :
단계 S440 및 단계 S460에 있어서, 제어부(500)는, 소정 시간 경과하였는지의 여부를 판단하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 단계 S440에 있어서, 수소 농도계(D2)의 농도가 소정값 이상인지의 여부를 판단해도 된다. 또, 마찬가지로, 단계 S480에 있어서, 수소 농도계(D1)의 농도가 소정값 이상인지의 여부를 판단해도 된다.
F-3-2. 제2 변형예 :
단계 S430에 있어서, 추가로 조압 밸브(V2)를 조정하여, 연료가스 탱크(21)로부터의 수소 공급량을 증대시키고, 연료가스 공급 배관(22)의 압력을 상승시켜도 된다. 이렇게 하면, 더욱 단시간에 연료가스 공급 배관(22) 안을 소정값 이상의 압력으로 할 수 있다.
F-3-3. 제3 변형예 :
애노드 출구 밸브(V16)를 배기 밸브(V3)로 대용시켜도 된다. 즉, 애노드 출구 밸브(V16)는 생략 가능하다. 이 경우에 있어서, 단계 S430 및 단계 S450에 있어서의 애노드 출구 밸브(V16)의 개폐는, 배기 밸브(V3)의 개폐에 대용된다. 이렇게 해도, 제6 실시예와 동일한 효과를 가진다.
F-3-4. 제4 변형예 :
상기 실시예에 있어서, 이차전지(200) 및 DC/DC 컨버터(300)는 생략 가능하다. 이렇게 해도 가스 공급 공정을 실행할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시예, 실시 형태, 변형예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 양태로 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면, 다음과 같은 변형도 가능하다.
G. 기타 변형 양태 :
G-1. 제1 변형 양태 :
G-1-1. 제1 변형 양태의 구성
도 18은, 제1 변형 양태의 연료전지 시스템(130a)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제6 실시예(도 16)와의 차이는, 제3 바이패스 배관(80)의 장착 위치이다. 그 외의 구성에 대해서는, 제6 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙임과 함께, 설명을 생략한다.
제3 바이패스 배관(80)은 산화제 가스 배출 배관(33)과 연료가스 순환 배관(24)에 접속되어 있다. 상세하게는, 제3 바이패스 배관(80)의 일단은, 산화제 가스 배출 배관(33)의 부분 중, 밸브(V4)보다 상류 측 부분에 접속되고, 타단은, 연료가스 순환 배관(24)의 부분 중, 애노드 출구 밸브(V16)보다 상류 측 부분에 접속되어 있다. 또, 제3 바이패스 배관에는, 제6 실시예와 마찬가지로, 릴리프 밸브(V18)가 설치되어 있다.
G-1-2. 제1 변형 양태의 정지 전처리 :
도 19는, 제1 변형 양태의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제10 양태(이하, 「제10 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제9 정지 전처리와 다른 점은, 단계 S430 이후이다. 따라서, 제9 정지 전처리와 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다.
제어부(500)가 애노드 출구 밸브(V16)를 폐쇄시키면 (단계 S430), 연료가스 순환 배관(24)[상세하게는, 배관(24) 중, 애노드 출구 밸브(V16)보다 상류 측 부분]의 압력이 상승하고, 압력이 소정값 이상이 되면, 릴리프 밸브가 개방된다. 이것에 의해, 산화제 가스 배출 배관(33)에 수소를 충전시킨다(단계 S500). 또한, 산화제 가스 배출 배관(33)에 수소가 충전되었는지의 여부는, 수소 농도계(D2)의 수소 농도값이나, 산화제 가스 배출 배관(33)의 용적과 수소의 공급량으로부터 산출한 충전이 완료될 때까지의 시간에 의거하여 판단할 수 있다. 단계 S500 후에, 제어부(500)는 연료가스의 공급을 정지시킨다(단계 S510). 다음으로, 제어부(500)는, 배기 밸브(V3) 및 애노드 출구 밸브(V16)를 개방시키고(단계 S520), 연료가스 급배기 시스템(20)을 소정의 압력(예를 들면, 대기압 정도)으로 저하시킨다. 이어서, 제어부(500)는 배기 밸브(V3) 및 밸브(V4)를 폐쇄시킨다(단계 S530).
이와 같이, 제10 정지 전처리에서는, 산화제 가스 배출 배관(33)을 수소로 충전하고 있기 때문에, 시스템 정지 후에 캐소드에 부압이 발생한 경우이어도, 캐소드로의 산소의 혼입을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 애노드 출구 밸브(V16)를 배기 밸브(V3)에 대용할 수 있다. 즉, 애노드 출구 밸브(V16)를 설치하지 않아도 된다.
또한, 제1 변형 양태에 있어서, 밸브(V4)는 생략 가능하다. 이렇게 해도, 캐소드에 부압이 발생해도, 산화제 가스 배출 배관(33) 내에 충전된 수소가 캐소드에 혼입되고, 산소의 캐소드로의 혼입을 억제할 수 있다.
G-2. 제2 변형 양태 :
도 20은, 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)의 제어부에 의해 실행되는 정지 전처리의 제11 양태(이하, 「제11 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다.
사용자가, 차량을 정지하고, IG 스위치를 OFF 하였을 때에, IG 스위치 OFF 신호가 제어부(500)에 입력된다(단계 S600). 그러면, 제어부(500)는, 연료전지 스택(10)의 발전을 정지시키고(단계 S610), 반응 가스(연료가스, 산화제 가스)나 냉각수의 공급 및 순환을 정지시킨다(단계 S620).
다음으로, 제어부(500)는, 애노드 전체 압력이 제1 기준값 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S630). 제1 기준값은, 애노드로부터 캐소드로의 수소의 이동에 의해, 애노드의 수소가 정지 전처리의 실행 전보다 감소한 것을 판단할 수 있는 소정의 값을 설정할 수 있다. 본 양태의 경우, 제1 기준값은, 대기압보다 낮은, 90kPa 정도로 하였다.
제1 기준값 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S630 : NO)에는, 제어부(500)는, 발전을 정지하고 나서 소정 시간 경과하였는지의 여부를 판단한다(단계 S640). 소정 시간 경과하지 않았다고 판단한 경우(단계 S640 : NO)에는, 단계 S630을 반복하여 실행한다. 소정 시간 경과했다고 판단한 경우(단계 S640 : YES)에는, 밸브(V4)를 폐쇄시키고, 정지 전처리를 종료한다. 여기서, 소정 시간을 경과한 경우에 정지 전처리를 종료하는 것은, 이하의 이유에 의한다. 소정 시간 경과해도 단계 S630의 조건을 충족시키지 않는 경우에는, 애노드 전체 압력이 제1 기준값과 후술하는 제2 기준값 사이의 범위에 있고, 또한, 양극 사이의 수소의 분압차를 구동력으로 하는 애노드로부터 캐소드로의 수소의 이동이 거의 진행되지 않기 때문에 애노드 전체 압력이 거의 변동하지 않는다고 판단할 수 있기 때문이다. 즉, 소정 시간 경과해도 단계 S630의 조건을 충족시키지 않는 경우에는, 적어도 양극 사이의 수소의 분압차가 소정값 이하(여기서는, 대략 동일하다)가 되었다고 판단할 수 있다.
단계 S630에서 설정한 조건을 충족시킨다고 판단한 경우에는, 제어부(500)는, 연료가스의 애노드로의 재공급을 행한다(단계 S650). 이때, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동은 재개시킨다.
다음으로, 제어부(500)는, 애노드 전체 압력이 제2 기준값 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S660). 제2 기준값 이상이 아니라고 판단한 경우(단계 S660 : NO)에는, 연료가스의 재공급을 계속시킨다. 한편, 제2 기준값 이상이라고 판단한 경우(단계 S660 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 재공급을 정지시킨다(단계 S670). 또한, 단계 S670에서는, 연료가스 순환 펌프(26)에 의한 연료가스의 순환도 정지시킨다. 여기서, 제2 기준값은, 양극 사이의 전체 압력차에 의한 전해질막의 변형을 방지할 수 있는 범위로 설정 가능하고, 본 양태에서는, 캐소드 전체 압력(대기압 정도)과 마찬가지로, 대기압 정도로 설정하고 있다. 또, 단계 S660의 조건은 애노드 전체 압력 대신, 소정의 시간이 경과하였는지의 여부를 기준으로 해도 된다. 즉, 수소의 공급량과 애노드의 수소의 감소량을 바탕으로, 애노드에 감소분만큼의 수소가 공급되는 시간을 미리 산출하고, 당해 시간을 소정의 시간으로 설정할 수도 있다.
다음으로, 제어부(500)는, 양극에 잔류하는 수소 및 질소의 성분마다의 분압차가 각각 소정값 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S680). 여기서, 수소, 질소의 분압차의 소정값은, 제2 정지 전처리의 단계 S140a(도 3)와 동일한 기준을 채용하고 있다.
분압차가 소정의 조건을 충족시키지 않는다고 판단한 경우(단계 S680 : NO)에는, 제어부(500)는, 단계 S630의 판단을 행한다. 한편, 분압차가 소정의 조건을 충족시킨다고 판단한 경우(단계 S680 : YES)에는, 제어부(500)는, 밸브(V4)를 폐쇄시킨다(단계 S690). 여기서, 양극 사이의 수소의 분압차를 구동력으로 하여, 애노드의 수소를 캐소드에 공급시키는 기구가, 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 「제1 가스 공급 기구」에 상당한다.
이와 같이, 제11 정지 전처리는, 양극 사이에서의 수소 및 질소의 각각의 분압차를 저감시키는 점에서, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 캐소드가 부압이 되는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 제1 실시예와 마찬가지로, 산화제 가스 배출 배관(33)에 차단 밸브 등의 시일성이 높은 기구를 사용할 필요가 없다.
또, 본 양태에 있어서도, 밸브(V4)는 설치하지 않아도 된다. 이렇게 해도, 캐소드의 부압 발생을 억제하고, 부압 발생에 의해 시스템의 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 본 양태의 정지 전처리에서는 가스 공급 공정에서 수소 펌핑 현상을 이용하고 있지 않은 점에서, 연료전지 시스템(100)(도 1)의 이차전지(200) 및 DC/DC 컨버터(300)는 생략 가능하다.
G-3. 제3 변형 양태 :
G-3-1. 제3 변형 양태의 구성 :
도 21은, 제3 변형 양태를 적용한 연료전지 시스템(140)을 탑재하는 전기 자동차의 전체 구성도이다. 제1 실시예와의 차이는, 반송 배관(29)과 삼방 밸브(V20)와 밸브(V22)를 설치한 점이다. 그 외의 구성에 대해서는 제1 실시예와 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 또한, 연료전지 시스템(140)은, 이차전지(200), DC/DC 컨버터(300), 부하 접속부(45), 인버터(400), 및, 모터(410)의 도시는 생략하고 있다.
반송 배관(29)은, 희석기(37)와 연료가스 순환 배관(24)에 접속되어 있다. 반송 배관(29)과 연료가스 순환 배관(24)의 접속부에는, 삼방 밸브(V20)가 설치되어 있다. 또, 배관(34)에는, 밸브(V22)가 설치되어 있다. 또한, 연료가스 순환 배관(24)의 부분 중, 삼방 밸브(V20)보다 상류 측 부분을 상류 측 배관(24a)이라고도 부르고, 하류 측 부분을 하류 측 배관(24b)이라고도 부른다.
G-3-2. 정지 전처리의 제12 양태 :
도 22는, 제3 변형 양태의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제12 양태(이하, 「제12 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제11 정지 전처리와 다른 점은, 단계 S630 이후의 연료가스의 공급 및 순환 방법이다. 그 외의 공정은 제11 정지 전처리와 동일한 공정이기 때문에, 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께, 설명을 생략한다.
단계 S630의 조건을 충족시킨다고 판단한 경우(단계 S630 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 재공급을 행한다(단계 S650). 또, 제어부(500)는 밸브(V3)를 개방, 밸브(V22)를 폐쇄시킴과 함께, 삼방 밸브(V20)의 포트의 개폐를 전환하여, 반송 배관(29)과 하류 측 배관(24b)을 연통시킨다(단계 S652). 즉, 반송 배관(29)과 하류 측 배관(24b)에 의해, 연료가스 순환 경로를 형성시킨다. 다음으로, 제어부(500)는, 연료가스 순환 펌프(26)를 작동시켜서 연료가스의 재순환을 행한다(단계 S654). 또한, 단계 S650?S654는 순서를 불문하고, 임의의 타이밍으로 실행 가능하다.
단계 S660의 조건을 충족시킨다고 판단한 경우(단계 S660 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스의 재공급 및 재순환을 정지시킨다(단계 S670, S672). 또, 제어부(500)는, 밸브(V3)를 폐쇄, 밸브(V22)를 개방시킴과 함께, 삼방 밸브(V20)를 원래의 상태로 되돌림으로써, 상류 측 배관(24a)과 하류 측 배관(24b)을 연통 상태로 한다(단계 S674). 또한, 단계 S670?S674는 순서를 불문하고, 임의의 타이밍으로 실행 가능하다.
이와 같이, 제12 정지 전처리에서는, 연료가스의 재순환은, 희석기를 거쳐서 행하여지는 점에서, 가스를 더욱 한층 교반할 수 있다. 이것에 의해, 농도 불균일을 저감한 가스가 연료가스 공급 배관(22)을 거쳐 애노드에 공급된다. 따라서, 각 단셀의 애노드에 있어서 수소가 부분적으로 결핍된 수소 결핍 부위의 발생을 방지할 수 있고, 캐소드의 이상 전위의 발생을 더욱 억제할 수 있다. 또, 가스 압력차 저감 공정(단계 S680)을 실행함으로써, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감하고, 시스템 정지 후에 있어서 시스템 외부로부터 캐소드로 공기가 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
G-3-3. 정지 전처리의 제13 양태 :
도 23은, 제3 변형 양태의 제어부(500)에 의해 실행되는 정지 전처리의 제13 양태(이하, 「제13 정지 전처리」라고 한다.)를 나타내는 플로우 차트이다. 제12 정지 전처리와 다른 점은, 애노드 전체 압력이 제1 기준값 이하라고 판단되어, 연료가스가 재공급되기 전(단계 S630, S650)에, 애노드의 압력 손실을 저감시키는 압력 손실 저감 공정을 둔 점이다. 그 외의 공정은, 제12 정지 전처리와 동일한 공정이기 때문에, 동일한 공정에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 함께, 설명을 생략한다. 또, 애노드의 압력 손실을 측정하기 위하여, 연료전지 시스템(140)(도 21)에 있어서, 연료가스 공급 배관(22)의 부분 중, 연료전지 스택(10)의 연료가스 공급구 부근에는, 공급 측 압력 센서를 새롭게 설치한다. 그리고, 공급 측 압력 센서와 연료가스 배출 측에 설치한 압력 센서(P1)에 의거하여, 제어부(500)는, 애노드의 압력 손실을 산출한다. 또한, 본 양태의 압력 손실 저감 공정은, 제11 정지 전처리(도 1, 도 20)에도 적용할 수 있다.
단계 S620 후에, 제어부(500)는, 연료가스 순환 펌프(26)를 작동시킴과 함께, 펌프의 회전수를 통상 작동시보다 크게 하여, 연료가스 순환량을 증대시킨다(단계 S622). 다음으로, 제어부(500)는, 배기 밸브(V3)를 개방시킨다. 이것에 의해, 애노드에 체류하고 있었던 물이 연료가스 순환 배관(24), 연료가스 배출 배관(28)을 거쳐 외부로 배출되고, 애노드의 압력 손실이 저하된다.
다음으로, 제어부(500)는, 애노드의 압력 손실이 소정값 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S625). 여기서, 소정값은, 연료전지 스택의 발전을 정지시켰을 때(단계 S610)의 압력 손실보다 낮은 범위로 설정 가능하다. 또, 소정값을 연료전지 시스템의 통상 운전의 개시 전의 압력 손실(즉, 애노드에 물이 거의 체류하고 있지 않은 상태에서의 압력 손실)로 설정하는 것이 바람직하다. 애노드의 압력 손실이 소정값 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S625 : NO)에는, 제어부(500)는, 단계 S625의 판단을 반복하여 행한다. 한편, 애노드의 압력 손실이 소정값 이하라고 판단한 경우(단계 S625 : YES)에는, 제어부(500)는, 연료가스 순환 펌프(26)의 작동을 정지시켜, 연료가스의 순환을 정지시킨다(단계 S626). 그리고, 제어부(500)는, 배기 밸브(V3)를 폐쇄시킨다. 또한, 단계 S622, S624는 순서를 불문하고 실행 가능하다. 또, 단계 S626, S628도 순서를 불문하고 실행 가능하다.
이와 같이, 연료가스의 재공급을 개시시키기 전에, 압력 손실 저감 공정(단계 S622?S628)을 행함으로써, 연료가스 재공급을 실행할 때에, 각 단셀에 연료가스를 균일하게 공급할 수 있다. 이것에 의해, 각 단셀의 애노드에 있어서의 수소 결핍 부위의 발생을 더욱 억제할 수 있고, 캐소드의 이상 전위의 발생을 더욱 한층 억제할 수 있다. 또, 제12 정지 전처리와 마찬가지로, 시스템 정지 후에 있어서의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
또한, 제3 변형 양태의 연료전지 시스템(140)의 구성에 대하여(도 21), 반송 배관(29)의 일단은 희석기(37)와 접속되어 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 가스를 더욱 교반시키는 기구이면 다른 구성이어도 된다. 예를 들면, 반송 배관(29)의 일단을 머플러(38)에 접속시켜도 된다. 이렇게 해도, 가스를 충분히 교반할 수 있다. 또한, 반송 배관(29) 대신, 예를 들면, 연료가스 공급 배관(22)의 일부에, 직경이 큰 대경부를 설치하거나, 연료가스가 통과하는 연료전지 스택(140)의 애노드 매니폴드에 방해판을 형성해도 된다.
G-4. 제4 변형 양태 :
상기 실시예나 상기 변형 양태에서는, 연료전지 시스템은 차량에 탑재되어 있는 예를 나타냈지만, 차량에 탑재되는 경우에 한정되지 않고, 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예를 들면, 연료전지 시스템이, 가정용 코제너레이션 시스템에 사용되어도 된다. 그 경우, 예를 들면, 가정용 코제너레이션 시스템이, 연료전지 스택의 발전 정지 버튼을 구비하고, 사용자가, 발전 정지 버튼을 누른 경우에, 제어부(500)에 발전 정지 버튼 ON 신호가 입력되어, 제어부(500)가 제1?제13 중 어느 정지 전처리를 실행하도록 해도 된다.
G-5. 제5 변형 양태 :
상기 정지 전처리에서는, 가스 공급 공정에 있어서, 「수소 펌핑 현상」이나 「저(低)공기 화학량론비 운전」이나 「릴리프 밸브의 개폐」 등의 통상 운전시에 사용하는 애노드 급배기 시스템 및 캐소드 급배기 시스템의 일부를 이용하여, 애노드에 연료가스를 포함하는 가스를 공급하고 있었지만, 가스 공급 방법은 이것에 한정되지 않고, 다른 방법도 채용 가능하다. 예를 들면, 정지 전처리시에 캐소드로 수소를 포함하는 가스를 공급하기 위한 처리용 연료가스 탱크를 별도 설치하고, 당해 가스 탱크로부터 캐소드에 연료가스를 포함하는 가스(예를 들면, 수소 가스나, 수소와 질소의 혼합 가스)를 공급해도 된다. 이렇게 해도, 가스 압력차 저감 공정을 행함으로써, 시스템 정지 후의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다. 또, 정지 전처리로서, 수소를 포함하는 가스를 캐소드에 공급하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 정지 전처리로서, 메탄이나 질소 등의 불활성 가스로 캐소드 및 애노드를 치환하고, 양극에서의 가스의 성분마다의 분압차가 각각 소정값 이하가 되도록 설정해도 된다. 이렇게 해도, 시스템 정지 후에 있어서, 캐소드의 전체 압력의 변동 폭을 저감할 수 있고, 시스템 정지 후의 캐소드 구성 부재의 산화를 억제할 수 있다.
10 : 연료전지 스택 12 : 제2 연료전지 스택
20 : 연료가스 급배기 시스템 21 : 연료가스 탱크
22 : 연료가스 공급 배관 24 : 연료가스 순환 배관
24a : 상류 측 배관 24b : 하류 측 배관
25 : 기액 분리기 26 : 연료가스 순환 펌프
28 : 연료가스 배출 배관 29 : 반송 배관
30 : 산화제 가스 급배기 시스템 32 : 산화제 가스 공급 배관
32a : 상류 측 배관 32b : 하류 측 배관
32c : 제1 배관 32d : 제2 배관
33 : 산화제 가스 배출 배관 33a : 상류 측 배관
33b : 하류 측 배관 33c : 제3 배관
33d : 제4 배관 34 : 배관
36 : 에어컴프레서 37 : 희석기
38 : 머플러 40 : 냉각수계
42 : 냉각수 배관 44 : 라디에이터
45 : 부하 접속부 46 : 순환 펌프
48 : 부하 접속부 52, 60 : 배출 가스 반송 배관
74 : 제1 바이패스 배관 76 : 제2 바이패스 배관
80 : 제3 바이패스 배관 100 : 연료전지 시스템
100a : 연료전지 시스템
110, 110a, 120, 120a, 130, 130a, 140 : 연료전지 시스템
200 : 이차전지 210 : 외부 직류 전원
300 : DC/DC 컨버터 400 : 인버터
410 : 모터 500 : 제어부
502 : CPU 508 : 인터페이스
V1 : 차단 밸브 P1 : 압력 센서
D1 : 수소 농도계 T1 : 온도 센서
V2 : 조압 밸브 P2 : 압력 센서
D2 : 수소 농도계 V3 : 배기 밸브
D3 : 산소 농도계 V4 : 밸브
V5 : 삼방 밸브 V8 : 밸브
V10, V12, V20 : 삼방 밸브 V22 : 밸브
V14 : 밸브 V16 : 애노드 출구 밸브
V18 : 릴리프 밸브 VM1 : 전압 센서

Claims (18)

  1. 연료전지 시스템으로서,
    전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제1 연료전지와,
    상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와,
    당해 연료전지 시스템의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    당해 연료전지 시스템의 시스템 정지시의 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키고,
    상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 가스 중, 적어도 연료가스의 분압의 차가 소정값 이하가 되는 제1의 경우에, 상기 제1 가스 공급 기구에 상기 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템.
  2. 연료전지 시스템으로서,
    전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제1 연료전지와,
    상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와,
    당해 연료전지 시스템의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    당해 연료전지 시스템의 시스템 정지시의 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키고,
    상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 질소와 연료가스에 대하여, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 가스 성분마다의 분압의 차가 각각 소정값 이하가 되는 제2의 경우에, 상기 제1 가스 공급 기구에 상기 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템을 더 구비하고,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 제1 연료전지에 소정의 전압을 인가하는 제1 전원부를 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 정지 전처리로서, 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 산화제 가스의 상기 캐소드로의 공급을 정지시킨 후에,
    상기 애노드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 연료가스의 상기 애노드로의 공급을 계속시킨 상태로, 상기 제1 전원부에 의해 상기 연료전지에 소정의 전압을 인가시킴으로써, 상기 제1 가스로서의 상기 연료가스를 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 공급시키는, 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드에 잔류하는 산소의 농도를 상기 정지 처리 전의 상태보다 저하시키는 제1 운전 모드를 더 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키기 전에, 제1 운전 모드에 의해, 상기 캐소드에 잔류하는 산소의 농도를, 상기 정지 전처리를 개시하기 전보다 낮은 소정의 상태로 하는, 연료전지 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급 기구에 의한 상기 캐소드로의 상기 제1 가스의 공급은, 상기 제어부가 상기 제1 연료전지에 대하여, 통상 발전시에 상기 캐소드에 공급되는 산화제 가스의 화학량론비보다 작은 화학량론비에 의해 발전을 행하게 함으로써 행하는, 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연료전지의 발전부의 온도에 관한 값을 검출하는 온도 검출부를 더 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 온도 검출부에 의거하는 상기 제1 연료전지의 발전부의 온도가 0℃보다 높은 경우에는, 상기 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 제1 가스를 상기 캐소드에 공급시키고,
    상기 온도 검출부에 의거하는 상기 발전부의 온도가 0℃ 이하인 경우에는, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해 상기 제1 가스를 상기 캐소드에 공급시키지 않고 당해 연료전지 시스템을 정지시키는, 연료전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 정지 전처리의 처리 중에 상기 캐소드로부터 배출되는 제1 배기가스 중 적어도 일부를 제1 가스로서 상기 캐소드에 다시 공급하는 제1 가스 순환 기구를 더 구비하는, 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가스 순환 기구는,
    상기 제1 배기가스로부터 연료가스를 분리하는 연료가스 분리 기구를 더 가지고,
    상기 제1 가스 순환 기구에 의해 상기 캐소드에 공급되는 가스는,
    상기 연료가스 분리 기구에 의해 분리된 연료가스인, 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료가스 분리 기구는,
    전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 제2 연료전지와,
    상기 제2 연료전지에 소정의 전압을 인가하는 제2 전원부를 더 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전원부에 의해 상기 제2 연료전지에 소정의 전압을 인가시킴으로써, 상기 제2 연료전지에 의해 상기 제1 배기가스에 포함되는 연료가스를 분리시키는, 연료전지 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 제1 가스를 상기 애노드에 공급하는 애노드 공급 기구를 더 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 정지 전처리로서, 상기 제1 가스 공급 기구에 의해, 상기 캐소드에 더하여 상기 애노드에 대해서도 상기 제1 가스를 공급시키는, 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 애노드 및 상기 캐소드에 공급된 상기 제1 가스 중, 상기 캐소드 및 상기 애노드로부터 배출된 배기가스를 혼합하고, 다시 상기 제1 가스로서 상기 애노드 및 상기 캐소드에 공급하는 배기가스 순환 기구를 더 가지는, 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템을 더 구비하고,
    상기 제1 가스는,
    상기 제어부가 상기 애노드 급배기 시스템 및 상기 캐소드 급배기 시스템에 의한 연료가스 및 산화제 가스의 공급을 정지시킨 후에, 상기 애노드 급배기 시스템 및 상기 캐소드 급배기 시스템에 잔류하는 가스를 혼합시킨 혼합 가스인, 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐소드의 전극 전위를 상기 정지 처리 전의 상태보다 저하시키는 전위 처리 기구를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 가스 공급 기구에 의해, 상기 애노드 및 상기 캐소드에 상기 제1 가스를 공급시키기 전에, 상기 전위 처리 기구에 의해, 상기 캐소드의 전극 전위가 상기 정지 전처리를 행하기 전보다 낮은 소정의 상태가 되도록 처리시키는, 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전위 처리 기구는,
    상기 애노드 급배기 시스템에 잔류하는 애노드 잔류 가스를, 상기 캐소드에 공급하는 애노드 잔류 가스 공급 기구를 더 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 애노드 잔류 가스 공급 기구에 의해, 상기 애노드 잔류 가스를 상기 캐소드에 공급시키고, 상기 캐소드에 잔류하는 산소를 상기 캐소드의 외부로 배출시킴으로써 상기 소정의 상태가 되도록 처리시키는, 연료전지 시스템.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 애노드로의 연료가스의 공급 및 배출을 행하는 애노드 가스 급배기 시스템과,
    상기 제1 연료전지의 통상 발전시에, 상기 캐소드로의 산화제 가스의 공급 및 배출을 행하는 캐소드 가스 급배기 시스템과,
    상기 애노드 급배기 시스템의 가스의 압력을 조정하는 압력 조정부를 더 구비하고,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 애노드 가스 급배기 시스템과 상기 캐소드 가스 급배기 시스템을 연통시키는 바이배스 유로와,
    상기 바이패스 유로에 설치된 제1 기구로서, 상기 파이패스 유로 중 상기 애노드 가스 급배기 시스템 측의 압력이 소정값 이상이 된 경우에 상기 바이배스 유로를 연통 상태로 하고, 상기 애노드 가스 급배기 시스템 측의 압력이 소정값 미만이 된 경우에 상기 바이패스 유로를 비연통 상태로 하는 제1 기구를 가지고,
    상기 제1 가스 공급 기구에 의한 상기 캐소드로의 상기 제1 가스의 공급은, 상기 제어부가, 상기 애노드 가스 급배기 시스템에 의한 연료가스의 공급을 계속시킨 상태로, 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 의한 상기 캐소드로의 상기 산화제 가스의 공급을 정지시킴과 함께,
    상기 압력 조정부에 의해 상기 연료가스 급배기 시스템이 소정값 이상의 압력이 되도록 설정시키고, 상기 바이패스 유로를 상기 연통 상태로 하여, 상기 제1 가스로서의 연료가스를 상기 바이패스 유로로부터 상기 캐소드 가스 급배기 시스템에 도입함으로써 행하는, 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 기구는 릴리프 밸브인, 연료전지 시스템.
  17. 전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 연료전지를 구비한 연료전지 시스템을 정지하기 위한 방법에 있어서,
    상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하고,
    상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 가스 중, 적어도 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 연료가스의 분압의 차가 소정값 이하가 된 후에, 상기 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템의 정지 방법.
  18. 전해질막을 사이에 두고 애노드와 캐소드를 가지는 연료전지를 구비한 연료전지 시스템을 정지시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 캐소드에 연료가스를 포함하는 제1 가스를 공급하고,
    상기 애노드와 상기 캐소드에 잔류하는 질소와 연료가스의 각 가스 성분에 대하여, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 가스 성분마다의 분압차가, 각각 소정값 이하가 된 후에, 제1 가스의 공급을 정지시키는, 연료전지 시스템의 정지 방법.
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