KR20120086655A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20120086655A
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지시스템은, 촉매를 포함하는 발전부와 발전부에 접하는 애노드측 비발전부와 발전부를 사이에 두고 발전부와는 반대측에 배치된 캐소드측 비발전부를 가지는 제 1의 발전 모듈과, 제 1의 발전 모듈에 인접하는 적어도 하나의 제 2의 발전 모듈과, 각 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정 회로와, 애노드측 비발전부와 캐소드측 비발전부 사이의 전압인 셀전압이 음압인 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정부에서, 애노드측 비발전부로부터 캐소드측 비발전부로 향하는 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 전류 제어부를 구비한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 가스와 산화제 가스를 반응시켜 발전하는 연료전지에 관한 것이다.
연료 가스와 산화제 가스를 반응시켜 발전하는 연료전지에서는, 운전 정지 후에서도, 잔류 연료 가스 및 잔류 산화제 가스에 의해 발전이 계속되어, 이른바 개방회로 전압(Open Circuit Voltage)이 발생한다. 이 개방회로 전압에 의해, 연료전지의 촉매층을 구성하는 카본의 부식이나 촉매 금속의 용출 등의 촉매 열화가 발생한다. 그래서, 개방회로 전압을 저하시키기 위하여 여러가지 제안이 이루어져 있다. 촉매 열화는, 연료전지가 음전압이 된 경우에도 일어날 수 있다. 예를 들면, 연료전지 스택을 구성하는 일부의 연료전지에서 연료 가스가 결핍된 경우, 이와 같은 연료전지에서 애노드 전위가 상승하기 때문에 음전압이 된다. 이 경우, 연료 가스가 결핍된 연료전지에서는, 다른 연료전지와 동일한 만큼의 전류를 흘리려고 하기 때문에, 촉매를 구성하는 카본의 산화가 발생할 염려가 있다.
연료전지가 음전압이 되어 카본 산화가 발생한 경우, 유효한 촉매면적이 감소하기 때문에, 발전 효율이 저하한다는 문제가 있었다. 그러나, 종래에는, 연료전지가 음전압이 된 경우에서의 촉매 열화를 억제하기 위하여 충분한 연구가 이루어져 있지 않은 것이 실정이었다.
본 발명은, 연료전지가 음전압이 된 경우에서의 촉매 열화를 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용예 1]
연료전지시스템에 있어서, 촉매를 포함하는 발전부와, 상기 발전부에 접하는 애노드측 비발전부와, 상기 발전부를 사이에 두고 상기 발전부와는 반대측에 배치된 캐소드측 비발전부를 가지는 제 1의 발전 모듈과, 상기 제 1의 발전 모듈에 인접하는 제 2의 발전 모듈과, 각 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정 회로와, 상기 애노드측 비발전부와 상기 캐소드측 비발전부 사이의 전압인 셀전압이 음압인 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정부에서, 상기 애노드측 비발전부로부터 상기 캐소드측 비발전부로 향하는 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 전류 제어부를 구비하는 연료전지시스템.
적용예 1의 연료전지시스템에서는, 제 1의 발전 모듈의 셀전압이 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 전류 조정 회로에서 상기 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키기 때문에, 인접하는 제 2의 발전 모듈에 대하여 전류 조정 회로를 거쳐 전자를 공급할 수 있다. 따라서, 제 1의 발전 모듈이 수소결핍 등의 경우에 있어서, 제 2의 발전 모듈에 전자를 공급하기 때문에, 제 1의 발전 모듈의 애노드에서 전자의 생성을 수반하는 화학반응의 발생을 억제할 수 있다. 그 때문에, 애노드에서의 카본 산화를 억제할 수 있어, 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다.
[적용예 2]
적용예 1에 기재된 연료전지시스템에 있어서, 상기 전류 제어부는, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서의 전류의 방향을 검출하는 전류방향 검출부를 가지고, 상기 전류방향 검출부가 검출하는 상기 전류의 방향에 의거하여, 상기 셀전압이 상기 제 1의 소정 전압 이하인지의 여부를 판정하는 연료전지시스템.
이와 같은 구성에 의하여, 연료 가스의 결핍 등에 기인하여, 발전 모듈에서 통상 발전 시의 화학반응이 일어나지 않고, 애노드에서 전자의 생성을 수반하는 화학반응이 일어날 수 있는 상태인지의 여부를 정확하게 판정할 수 있다.
[적용예 3]
적용예 1 또는 적용예 2에 기재된 연료전지시스템에 있어서, 상기 전류 제어부는, 상기 셀전압이, 상기 제 1의 소정 전압보다 높은 전압으로 상기 촉매의 용출이 생기는 제 2의 소정 전압보다 높은 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서 상기 제 1의 방향과는 반대방향인 제 2의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 연료전지시스템.
이와 같은 구성에 의하여, 제 1의 발전 모듈의 셀전압이 제 2의 소정 전압보다 높은 경우에, 통상 발전 시의 화학반응에 의해 생긴 전자를, 전류 조정 회로를 통하여 제 1 발전 모듈의 캐소드로부터 애노드에 공급할 수 있다. 따라서, 제 1의 발전 모듈의 기전압을 전류 조정 회로에서 열소비시킬 수 있기 때문에, 연료전지 스택이 OC(Open Circuit)상태인 경우에 있어서, 제 1의 발전 모듈의 셀전압을 저하시킬 수 있어, OC상태에서의 고전압에 기인하는 촉매의 용출을 억제할 수 있다.
[적용예 4]
적용예 1 내지 적용예 3의 어느 하나에 기재된 연료전지시스템에 있어서, 상기 전류 조정 회로 및 상기 전류 제어부는, 다이오드를 포함하는 연료전지시스템.
이와 같은 구성에 의해, 제 1의 소정 전압(의 절대값)이, 다이오드의 순방향강하 전압(의 절대값)보다 큰 경우에는, 제 1의 발전 모듈의 셀전압이 제 1의 소정 전압 이하인 경우에 전류 조정 회로에서 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키고, 셀전압이 제 1의 소정 전압보다 높은 경우에 전류 조정 회로에서 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다. 따라서, 셀전압이 제 1의 소정 전압 이하인지의 여부를 판정하기 위하여 특별한 기능부를 필요로 하지 않기 때문에, 전류 조정 회로 및 전류 제어부를 심플하게 구성할 수 있어, 연료전지시스템의 구축 비용의 상승을 억제할 수 있다.
[적용예 5]
적용예 4에 기재된 연료전지시스템에 있어서, 각 발전 모듈은, 1쌍의 세퍼레이터와, 상기 1쌍의 세퍼레이터에 끼워 유지된 막전극 접합체를 가지고, 상기 전류 조정 회로 및 상기 전류 제어부는, 상기 막전극 접합체의 주연부(周緣部)에 배치되고, 상기 1쌍의 세퍼레이터에 끼워 유지되어 있는 연료전지시스템.
이와 같은 구성에 의하여, 전류 조정 회로 및 전류 제어부를 발전 모듈의 내부에 배치할 수 있기 때문에, 연료전지 스택의 구성을 심플하게 할 수 있어, 연료전지시스템 전체의 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 막전극 접합체의 제조과정에서, 아울러 전류 조정 회로 및 전류 제어부를 생성할 수 있기 때문에, 연료전지 스택의 구축 순서를 심플하게 할 수 있다.
[적용예 6]
적용예 4 또는 적용예 5에 기재된 연료전지시스템에 있어서, 상기 다이오드는, 실리콘 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드인 연료전지시스템.
이와 같은 구성에 의하여, 순방향 강하 전압이 비교적 작은 다이오드를 사용할 수 있기 때문에, 발전 모듈간 전압이 음전압이 되고 나서 비교적 단기간 중에, 제 1의 방향의 전류를 증가시킬 수 있다. 따라서, 다른 다이오드를 사용하는 구성에 비하여, 촉매 열화를 더욱 억제할 수 있다. 특히, 실리콘 다이오드는, 역방향 전압의 내성이 높기 때문에, 제 1의 발전 모듈이 통상 발전을 행할 때에 제 2의 방향의 전류를 거의 흘리지 않을 수 있다. 따라서, 통상 발전 시에 있어서, 전류 조정 회로에 전류가 흘러 제 1의 발전 모듈의 기전력이 전류 조정 회로에서 열소비되어, 발전 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은, 여러가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들면, 전류의 제어 방법, 또는 전류의 제어를 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 연료전지시스템의 개략 구성을 나타내는 설명도,
도 2는 도 1에 나타내는 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도,
도 3은 단셀의 전압의 변화를 모식적으로 나타내는 설명도,
도 4는 제 1 실시예에서의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 흐름도,
도 5는 정상 시에 있어서의 가변저항에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도,
도 6은 수소 결핍 시에 있어서의 가변저항에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도,
도 7은 제 2 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도,
도 8은 제 2 실시예의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 설명도,
도 9는 제 3 실시예의 연료전지시스템의 개략적인 구성을 나타내는 설명도,
도 10은 제 3 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도,
도 11은 제 3 실시예의 정상 시에 있어서의 다이오드에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도,
도 12는 제 3 실시예의 수소 결핍 시에 있어서의 다이오드에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도,
도 13은 제 4 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도,
도 14는 제 4 실시예의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 설명도,
도 15는 제 5 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도,
도 16은 제 6 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세 구성을 나타내는 설명도이다.
A. 제 1 실시예 :
A. 시스템 구성 :
도 1은, 본 발명의 일 실시예로서의 연료전지시스템의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시예에서, 연료전지시스템(100)은, 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 전기자동차에 탑재되어 사용된다. 연료전지시스템(100)은, 연료전지 스택(10)과, 수소 탱크(61)와, 에어컴프레서(62)와, 차단밸브(71)와, 조압 밸브(72)와, 연료 가스 공급로(81)와, 연료 가스 배출로(82)와, 바이패스 유로(83)와, 순환용 펌프(63)와, 산화제 가스 공급로(84)와, 산화제 가스 배출로(85)와, 전류 조정부(30)와, 저항값 조정부(50)와, 제어 유닛(90)을 구비하고 있다.
연료전지 스택(10)은, 비교적 소형으로 발전 효율이 우수한 고체 고분자형 연료전지인 단셀(발전 모듈이라고도 한다)(20)이 복수 적층된 구성을 가지고, 연료 가스로서의 순수소와, 산화제 가스로서의 공기 중의 산소가, 각 전극에서 전기 화학반응을 일으킴으로써 기전력을 얻는 것이다.
수소 탱크(61)는, 고압 수소가스를 저장하고 있다. 수소 탱크(61)로서는, 예를 들면, 수소흡장합금을 내부에 구비하고, 수소흡장합금에 흡장시킴으로써 수소를 저장하는 탱크를 사용하여도 된다. 에어컴프레서(62)는, 산화제 가스 공급로(84)에 배치되어, 외부로부터 도입한 공기를 가압하여 연료전지 스택(10)에 공급한다.
차단밸브(71)는, 수소 탱크(61)의 도시 생략한 수소 가스 배출구에 배치되어 있어, 수소 가스의 공급 및 정지를 행한다. 조압 밸브(72)는, 연료 가스 공급로(81)에 배치되어 있어, 수소 탱크(61)로부터 배출된 고압 수소 가스를, 소정의 압력까지 저하시킨다.
연료 가스 공급로(81)는, 수소 탱크(61)와 연료전지 스택(10)을 연통하여, 수소 탱크(61)로부터 공급되는 수소 가스를 연료전지 스택(10)으로 유도하기 위한 유로이다. 연료 가스 배출로(82)는, 연료전지 스택(10)으로부터 잉여 수소 가스(애노드측 오프 가스)를 배출하기 위한 유로이다. 바이패스 유로(83)는, 연료 가스 공급로(81)와 연료 가스 배출로(82)를 연통하여, 통상 운전 시에는, 연료 가스 배출로(82)로부터 배출되는 잉여 수소 가스를 연료 가스 공급로(81)로 유도한다. 순환용 펌프(63)는, 바이패스 유로(83)에 배치되고, 연료 가스 배출로(82)로부터 연료 가스 공급로(81)로 잉여 수소 가스(애노드측 오프 가스)를 유통시킨다.
산화제 가스 공급로(84)는, 에어컴프레서(62)와 연료전지 스택(10)을 연통하여, 에어컴프레서(62)로부터 공급되는 압축공기를 연료전지 스택(10)으로 유도하기 위한 유로이다. 산화제 가스 배출로(85)는, 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 잉여 공기(캐소드측 오프 가스) 및 생성수를 외부(대기)로 배출하기 위한 유로이다.
전류 조정부(30)는, 각 단셀(20)과 접속되어 있다. 또, 전류 조정부(30)의 상세 구성에 대해서는 후술한다. 저항값 조정부(50)는, 전류 조정부(30)와 접속되어, 전류 조정부(30)가 가지는 도시 생략한 저항의 저항값을 조정한다.
제어 유닛(90)은, 순환용 펌프(63), 에어컴프레서(62), 차단밸브(71), 조압 밸브(72) 및 저항값 조정부(50)와 전기적으로 접속되어 있어, 이들 각 요소를 제어한다. 또, 제어 유닛(90)은, 전류 조정부(30)가 가지는 도시 생략한 전류센서와 접속되어 있어, 전류센서로부터 통지되는 전류값을 수신한다.
제어 유닛(90)은, CPU(Central Processing Unit)(91)와, ROM(Read Only Memory)(92)과, RAM(Random Access Memory)(93)을 구비하고 있다. ROM(92)에는, 연료전지시스템(100)을 제어하기 위한 도시 생략한 제어 프로그램이 저장되어 있고, CPU(91)는, RAM(93)을 이용하면서 이 제어 프로그램을 실행함으로써, 제어부(91a)로서 기능한다. 제어부(91a)는, 후술하는 전류 조정 처리를 실행한다.
도 2는, 도 1에 나타내는 단셀 및 전류 조정부의 상세 구성을 나타내는 설명도이다. 단셀(20)은, 막전극 접합체(25)와, 캐소드측 세퍼레이터(26c)와, 애노드측 세퍼레이터(26a)를 구비하고 있다. 막전극 접합체(25)는, 전해질막(21)과, 캐소드측 촉매층(22c)과, 캐소드측 가스 확산층(23c)과, 애노드측 촉매층(22a)과, 애노드측 가스 확산층(23a)을 구비하고 있다.
전해질막(21)은, 술폰산기를 포함하는 불소수지계 이온 교환막이고, Flemion(등록상표)이나 Aciplex(등록상표) 등을 사용할 수 있다. 또한, 전해질막(21)로서는, 술폰산기에 한정하지 않고, 인산기나 카본산기 등, 다른 이온 교환기를 포함하는 막을 사용할 수 있다.
캐소드측 촉매층(22c)은, 전해질막(21)에 접하여 배치되어 있다. 캐소드측 촉매층(22c)은, 촉매를 도전성 입자에 담지시킨 부재와, 프로톤 도전체인 아이오노머를 사용하여 구성되어 있다. 촉매로서는, 예를 들면, 백금이나, 백금과 루테늄이나 철 등의 금속과의 합금을 사용할 수 있다. 도전성 입자로서는, 예를 들면, 카본블랙 등의 탄소입자나, 탄소섬유 등을 사용할 수 있다. 아이오노머로서는, 술폰산기를 포함하는 불소수지를 채용할 수 있다.
캐소드측 가스 확산층(23c)은, 반응 가스인 공기를 확산하고, 또, 전기 화학반응 등에 의해 생긴 물을 배출하기 위하여 다공질부재에 의해 구성되어 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 카본 페이퍼나 카본 크로스 등의 카본 다공질체나, 금속 메시나 발포 금속 등의 금속 다공질체에 의해 구성되어 있다.
캐소드측 세퍼레이터(26c)는, 가스 불투과의 전도성부재, 예를 들면, 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질(緻密質) 카본이나, 프레스 성형한 금속판에 의하여 구성할 수 있다. 캐소드측 세퍼레이터(26c)는, 요철형상을 가지고 있고, 캐소드측 세퍼레이터(26c)와 캐소드측 가스 확산층(23c)이 접함으로써, 캐소드측 세퍼레이터(26c)와 캐소드측 가스 확산층(23c)의 사이에 산화제 가스 유로(27c)가 형성된다. 이 산화제 가스 유로(27c)는, 에어컴프레서(62)로부터 공급되는 공기를, 캐소드측 가스 확산층(23c)으로 유도함과 함께, 캐소드측 가스 확산층(23c)으로부터 배출되는 가스(잉여공기 및 수증기)를 단셀(20)의 외부로 배출한다.
애노드측의 구성은, 캐소드측의 구성과 동일하다. 즉, 애노드측 촉매층(22a)은, 캐소드측 촉매층(22c)과 동일한 구성을 가지고 있다. 또한, 애노드측 가스 확산층(23a)은 캐소드측 가스 확산층(23c)과, 애노드측 세퍼레이터(26a)는 캐소드측 세퍼레이터(26c)와, 각각 동일한 구성을 가지고 있다. 또, 애노드측 세퍼레이터(26a)와 애노드측 가스 확산층(23a)과의 사이에 형성된 연료 가스 유로(27a)는, 수소 탱크(61) 및 순환용 펌프(63)에 의해 공급되는 수소 가스를 애노드측 가스 확산층(23a)으로 유도함과 함께, 애노드측 가스 확산층(23a)으로 배출되는 가스(잉여수소 가스)를 단셀(20)의 외부로 배출한다.
전류 조정부(30)는, 각 단셀(20)과 병렬로 접속된 복수의 가변저항(31)과, 각 가변저항(31)에 직렬로 접속된 복수의 전류센서(32)를 구비하고 있다. 각 가변저항(31)의 저항값은, 저항값 조정부(50)에 의해 제어된다. 각 전류센서(32)는, 대응하는 가변저항(31)을 흐르는 전류값을 검출하여 제어 유닛(90)에 통지한다. 이 때, 제어 유닛(90)[제어부(91a)]은, 수신한 전류값의 부호(양 또는 음)에 의해, 가변저항(31)을 흐르는 전류의 방향을 검출할 수 있다.
전류 조정부(30)와 저항값 조정부(50)는, 구체적으로는, 이하와 같은 구성을 채용할 수 있다. 예를 들면, 가변저항(31)으로서, 복수의 저항값을 가지는 저항이고, 각각 단셀(20)과 병렬로 접속 가능한 저항을 채용하며, 저항값 조정부(50)로서, 각 저항에 직렬로 접속되는 스위치로 구성하고, 단셀(20)에 접속(병렬 접속) 시키는 저항의 수를 제어함으로써, 가변저항(31)의 저항값을 제어하는 구성을 채용할 수 있다.
상기한 단셀(20)은, 청구항에서의 발전 모듈에 상당한다. 또, 막전극 접합체(25)는 청구항에서의 발전부에, 애노드측 세퍼레이터(26a)는 청구항에서의 애노드측 비발전부에, 캐소드측 세퍼레이터(26c)는 청구항에서의 캐소드측 비발전부에, 가변저항(31)은 청구항에서의 전류 조정 회로에, 저항값 조정부(50), 전류센서(32)및 제어부(91a)는 청구항에서의 전류 제어부에, 전류센서(32)는 청구항에서의 전류방향 검출부에, 각각 상당한다. 또한, 막전극 접합체(25)에서의 전해질막(21), 애노드측 촉매층(22a) 및 캐소드측 촉매층(22c)이 청구항에서의 발전부에, 애노드측 세퍼레이터(26a), 캐소드측 세퍼레이터(26c), 애노드측 가스 확산층(23a), 및 캐소드측 가스 확산층(23c)이 청구항에서의 비발전부에, 각각 상당하는 구성도 채용할 수 있다.
도 3은, 단셀의 전압의 변화를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 3에서, 상단은 정상 시에서의 단셀(20)의 전압, 하단은 수소 결핍 시에서의 단셀(20)의 전압을 나타낸다.
도 3에서는, 설명의 편의상, 연료전지 스택(10)을, 3개가 적층된 단셀(20)(20a, 20b, 20c)로 나타내고 있다. 또, 각 단셀(20a, 20b, 20c)을, 전해질막과 캐소드와 애노드와 세퍼레이터로 나타내고 있다. 구체적으로는, 단셀(20a)을, 세퍼레이터(sO)의 일부와, 애노드(a1)와, 전해질막(m1)과, 캐소드(c1)와, 세퍼레이터(s1)의 일부로 나타내고 있다. 세퍼레이터(sO)는, 도 2에 나타내는 애노드측 세퍼레이터(26a) 및 캐소드측 세퍼레이터(26c)를 의미한다. 애노드(a1)는, 도 2에 나타내는 애노드측 가스 확산층(23a) 및 애노드측 촉매층(22a)을 의미한다. 전해질막(m1)은, 도 2에 나타내는 전해질막(21)을 의미한다. 캐소드(c1)는, 도 2에 나타내는 캐소드측 촉매층(22c) 및 캐소드측 가스 확산층(23c)을 의미한다. 세퍼레이터(s1)는, 도 2에 나타내는 애노드측 세퍼레이터(26a) 및 캐소드측 세퍼레이터(26c)를 의미한다.
마찬가지로, 단셀(20b)을, 세퍼레이터(s1)의 일부와, 애노드(a2)와, 전해질막(m2)과, 캐소드(c2)와, 세퍼레이터(s2)의 일부로 나타내고 있다. 또, 단셀(20c)을, 세퍼레이터(s2)의 일부와, 애노드(a3)와, 전해질막(m3)과, 캐소드(c3)와, 세퍼레이터(s3)의 일부로 나타내고 있다.
도 3 상단에 나타내는 바와 같이, 정상 시, 즉, 각 단셀(20a, 20b, 20c)에, 수소 가스 및 공기가 충분히 공급되고, 각 단셀(20a, 20b, 20c)에서 발전이 행하여지고 있는 경우, 애노드에서는 하기 수학식 1에 나타내는 반응이, 캐소드에서는 하기 수학식 2에 나타내는 반응이, 각각 일어난다. 이 때, 각 단셀(20a, 20b, 20c)의 전압[각 단셀의 세퍼레이터 사이의 전압 : 셀전압(Vc)]은, 대략 +1.0V로 되어 있다. 하기 수학식 1, 2의 반응은, 각 단셀(20a, 20b, 20c)의 전압이 0V보다 높은 경우에 일어날 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
셀전압(Vc)은, 하기 수학식 3에 나타내는 바와 같이 정해진다. 또한, 수학식 3에서, Vc는 셀전압을, Ec는 캐소드의 전위를, Ea는 애노드의 전위를, IR은, 단 셀의 저항(전해질막의 저항이나, 배선의 접촉저항 등)에 의한 전압 강하를, 각각 의미한다. 또한, 셀전압(Vc)은, 환언하면, 각 단셀 간의 전압을 의미한다. 예를 들면, 단셀(20b)의 셀전압(Vc)은, 단셀(20a)[캐소드(c1)]과 단셀(20c)[애노드(a3)] 사이의 전압을 의미한다.
Figure pct00003
단셀에 대한 수소 가스 공급량이, 발전에 필요한 양보다 적은 경우(수소 결핍 시)에는, 상기 수학식 (3)에서의 애노드 전위(Ea)가 상승하기 때문에, 셀전압(Vc)이 음전압이 될 수 있다. 수소 결핍은, 예를 들면, 전기화학반응에 의해 생긴 물(생성수)이 연료 가스 유로(27a)에 고이고, 이와 같은 생성수에 의해 연료 가스의 유통로에서의 압력 손실이 증대한 경우나, 빙점 하 환경 하에서, 애노드측 가스 확산층(23a) 등에 고인 생성수가 빙결되어 가스 확산성이 열화된 경우 등에 발생할 수 있다.
도 3 하단에서는, 단셀(20b)에서 수소결핍이 생기고, 셀전압(Vc)이 음전압으로 되어 있다. 이 때, 다른 단셀(20a, 20c)에서는 정상으로 발전이 행하여지고 있기 때문에, 단셀(20b)에서도, 전류를 발생시키려고 한다(즉, 전자의 주고받음을 행하려고 한다). 그러나, 수소 결핍 때문에, 단셀(20b)에서 상기 수학식 1, 2에 나타내는 반응은 생기지 않고, 애노드(a2)에서, 하기 수학식 4 및 하기 수학식 5에 나타내는 반응이 발생한다. 수학식 4의 반응은, 셀전압(Vc)이 대략 -0.8V 이하인 경우에 발생하고, 수학식 5의 반응은, 셀전압(Vc)이 대략 -1.5V 이하인 경우에 발생한다. 또한, 캐소드(c2)에서는, 하기 수학식 6에 나타내는 반응이 발생한다.
Figure pct00004
Figure pct00005
여기서, 수학식 5에 나타내는 반응은, 애노드(a2)를 구성하는 촉매에 포함되는 카본의 산화를 의미한다. 즉, 수소 결핍 시에는, 수학식 5에 나타내는 반응의 발생에 의해, 애노드(a2)에서 촉매가 열화될 염려가 있다. 본 실시예의 연료전지시스템(100)에서는, 후술하는 전류 조정 처리를 실행함으로써, 수소 결핍에 따르는 촉매 열화를 억제할 수 있다.
A2. 전류 조정 처리 :
도 4는, 제 1 실시예에서의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다. 연료전지시스템(100)에서는, 연료전지시스템(100)의 기동을 계기로 하여 전류 조정 처리가 개시된다. 먼저, 도 1에 나타내는 제어부(91a)는, 각 단셀(20)에 대하여, 전류센서(32)로부터 통지되는 전류값에 의거하여, 가변저항(31)에서의 전류의 방향이 소정의 제 1의 방향인지의 여부를 판정한다(단계 S105).
전류의 방향이 제 1의 방향이 아닌(즉, 제 1의 방향과 반대방향인 제 2의 방향인) 경우라고 판정한 경우에는, 제어부(91a)는, 이와 같은 단셀(20)에 대응하는 가변저항(31)의 저항값을, 저항값 조정부(50)를 제어하여 소정의 큰 값으로 설정하고(단계 S110), 단계 S105로 되돌아간다. 한편, 전류의 방향이 제 1의 방향이라고 판정한 경우에는, 제어부(91a)는, 이와 같은 단셀(20)에 대응하는 가변저항(31)의 저항값을, 저항값 조정부(50)를 제어하여 소정의 작은 값으로 설정하고(단계 S115), 단계 S105로 되돌아간다.
도 5는, 정상 시에서의 가변저항에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 6은, 수소 결핍 시에서의 가변저항에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 5, 도 6에서, 각 단셀(20a, 20b, 20c)은, 도 3에 나타내는 각 단셀(20a, 20b, 20c)과 동일하다. 도 5, 도 6에서는, 설명의 편의상, 단셀(20b)에 대응하는 가변저항(31)만 나타내고 있다.
정상 시[즉, 셀전압(Vc)이 0V 보다 높은 경우)에는, 각 단셀(20a, 20b, 20c)의 애노드(a2)에서는 상기 수학식 1에 나타내는 반응이 일어나고, 캐소드(c2)에서는 상기 수학식 2에 나타내는 반응이 일어난다. 이 경우, 도 5에 나타내는 바와 같이, 가변저항(31)을 흐르는 전자의 방향은, 세퍼레이터(s1)[단셀(20b)에서의 애노드측 세퍼레이터(26a)]로부터 세퍼레이터(s2)[단셀(20b)에서의 캐소드측 세퍼레이터(26c)]로 향하는 방향이 된다. 즉, 가변저항(31)에서의 전류의 방향은, 세퍼레이터(s2)[단셀(20b)에서의 캐소드측 세퍼레이터(26c)]로부터 세퍼레이터(s1)[단셀(20b)에서의 애노드측 세퍼레이터(26a)]로 향하는 방향이다. 본 실시예에서는, 이 방향[세퍼레이터(s2)로부터 세퍼레이터(s1)로 향하는 방향]을 제 2의 방향으로 하고, 반대방향[세퍼레이터(s1)로부터 세퍼레이터(s2)를 향하는 방향]을 제 1의 방향으로 설정하고 있다. 따라서, 정상 시에는, 가변저항(31)에서의 전류의 방향은 제 2의 방향이 되기 때문에, 단계 S110이 실행되고, 가변저항(31)의 저항값은 큰 값으로 설정된다. 이 경우, 가변저항(31)을 통과하는 제 2의 방향의 전류는 억제된다.
이와 같이 정상 시에 가변저항(31)의 저항값을 크게 하는 것은 이하의 이유에 의한다. 가변저항(31)에 흐르는 전류량이 클수록, 단셀(20)에서의 기전력 중, 가변저항(31)에서 열소비되는 전력량은 증가한다. 그 결과, 단셀(20)에서의 발전 효율은 더욱 저하하게 된다. 따라서, 연료전지시스템(100)에서는, 정상 시에는, 가변저항(31)의 저항값을 크게 하여 제 2의 방향의 전류량을 감소시킴으로써, 가변저항(31)에서 열소비되는 전력량을 저하시켜, 단셀(20)에서의 발전 효율을 향상시킨다.
이에 대하여 단셀(20b)에서의 수소결핍에 의해 단셀(20b)의 셀전압(Vc)이 저하하여 가서 음전압이 되고, 상기 수학식 1의 반응이 일어나지 않게 되면, 단셀(20b)의 애노드(a2)로부터 단셀(20a)의 캐소드(c1)에 전자가 공급되지 않게 된다. 이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 단셀(20a)의 캐소드(c1)에는, 단셀(20c)의 애노드(a3)에서 상기 수학식 1의 반응에 의해 발생한 전자가, 가변저항(31)을 거쳐 공급되게 된다. 따라서, 가변저항(31)에서의 전류의 흐름은, 제 1의 방향이 된다. 이 경우, 단계 S115가 실행되고, 가변저항(31)의 저항값은 작은 값으로 설정되어, 가변저항(31)을 통과하는 전류가 증가한다. 그 때문에, 단셀(20a)의 캐소드(c1)에 전자가 공급되기 때문에, 수소 결핍 상태의 단셀(20b)에서는, 상기 수학식 4, 5에 나타내는 반응이 발생하지 않아, 애노드(a2)의 촉매 열화가 억제된다.
또한, 상기한 바와 같이, 셀전압(Vc)이 0V 보다 높은 경우에는, 각 단셀(20)에서 상기 수학식 1, 2 반응이 일어나, 전류의 방향은 제 2의 방향이 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 0V가 청구항에서의 제 1의 소정 전압에 상당한다. 또, 단셀(20b)은 청구항에서의 제 1의 발전 모듈에, 단셀(20a)은 청구항에서의 제 2의 발전 모듈에, 단셀(20c)은 청구항에서의 제 3 발전 모듈에, 각각 상당한다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)에서는, 가변저항(31)에서의 전류의 방향이 제 1의 방향이 된 경우에[즉, 단셀(20)의 셀전압(Vc)이 음전압이 된 경우에], 이와 같은 단셀(20)과 병렬 접속된 가변저항(31)의 저항값을 저하시킴으로써 가변저항(31)에서의 전류값을 증가시키기 때문에, 이와 같은 단셀(20)에서의 카본 산화를 억제할 수 있다. 따라서, 단셀(20)이 음전압이 된 경우에서의 촉매 열화를 억제할 수 있다. 또, 셀전압(Vc)이 음전압이 아닌 경우에는, 가변저항(31)의 저항값을 증가시킴으로써, 가변저항(31)에서의 전류값을 감소시키기 때문에, 이와 같은 단셀(20)에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 가변저항(31)의 저항값을 전환할 때의 판단(단계 S105)에서, 가변저항(31)을 흐르는 전류의 방향에 의거하여 판단하기 때문에, 단셀(20b)에서 정상 시의 화학반응(상기 수학식 1, 2에 나타내는 반응)이 일어나지 않아, 애노드(a2)에서 전자의 생성을 수반하는 화학반응이 일어날 수 있는 상태인지의 여부를 정확하게 판정할 수 있다.
B. 제 2 실시예 :
도 7은, 제 2 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 제 2 실시예의 연료전지시스템은, 전류 조정부(30a)에서, 전류센서(32) 대신 전압 센서(33)를 구비하고 있는 점, 및 가변저항(31)의 저항값의 전환의 판단을 셀전압(Vc)에 의거하여 실행하는 점에서, 제 1 실시예의 연료전지시스템(10O)과 다르고, 다른 구성은, 제 1 실시예와 동일하다. 또한, 제 2 실시예의 단셀(20)은, 제 1 실시예와 동일하다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시예의 전류 조정부(30a)는, 각 단셀(20)에서, 단셀(20)과 병렬로 접속된 전압 센서(33)를 구비하고 있다. 전압 센서(33)는, 셀전압(Vc)을 측정하여, 제어 유닛(90)[제어부(91a)]에 통지한다.
도 8은, 제 2 실시예의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 설명도이다. 제어부(91a)는, 전압 센서(33)로부터 통지되는 셀전압(Vc)의 값에 의거하여, 셀전압(Vc)이 음전압인지의 여부를 판정한다(단계 S205). 셀전압(Vc)이 음전압이라고 판정한 경우(단계 S205 : YES), 제어부(91a)는, 상기한 단계 S115[가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정한다]를 실행하고, 단계 S205로 되돌아간다.
상기의 단계 S205에서, 셀전압(Vc)이 음전압이 아니라고 판정한 경우, 제어부(91a)는, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상인지의 여부를 판정한다(단계S210). 촉매 용출 전압(Vd)은, 예를 들면, 촉매가 백금(Pt)인 경우에는, 0.85V 이다. 촉매로서 백금을 사용한 경우에는, 셀전압(Vc)이 0.85V 이상이 된 경우에[예를 들면, 연료전지시스템(100)의 운전 정지 후의 OC(Open Circuit)상태의 경우에 ], 백금의 이온화가 발생하여 촉매가 열화된다. 또한, 촉매 용출 전압(Vd)은, 청구항에서의 제 2의 소정 전압에 상당한다.
셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd)보다 낮다고 판정한 경우(단계 S210 : NO)에는, 제어부(91a)는, 상기한 단계 S110[가변저항(31)의 저항값을 큰 값으로 설정한다]을 실행하고, 단계 S205로 되돌아간다. 이에 대하여, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd)보다 높다고 판정한 경우(단계 S210 : YES)에는, 상기한 단계 S115[가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정한다]를 실행하고, 단계 S205로 되돌아간다.
이상의 구성을 가지는 제 2 실시예의 연료전지시스템은, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)과 동일한 효과를 가진다. 아울러, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상이 된 경우에 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정하기 때문에, 가변저항(31)을 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 단셀(20)의 기전력을 가변저항(31)에서 더욱 많이 열소비시켜 단셀(20)의 전압을 저하시킬 수 있기 때문에, 애노드에서의 촉매의 용출을 억제할 수 있다.
C. 제 3 실시예 :
도 9는, 제 3 실시예의 연료전지시스템의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 제 3 실시예의 연료전지시스템(100a)은, 저항값 조정부(50) 및 제어부(91a)를 구비하고 있지 않은 점, 및 전류 조정부(30) 대신 전류 조정부(30b)를 구비하고 있는 점에서, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)과 다르고, 다른 구성은 제 1 실시예와 동일하다.
도 10은, 제 3 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 제 3 실시예의 전류 조정부(30b)는, 각 단셀(20)에서, 가변저항(31) 및 전류센서(32) 대신, 다이오드(40)를 구비하고 있는 점에서, 제 1 실시예의 전류 조정부(30)와 다르다. 또한, 제 3 실시예의 단셀(20)은, 제 1 실시예와 동일하다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 제 3 실시예의 전류 조정부(30b)는, 각 단셀(20)에서, 단셀(20)과 병렬로 접속된 다이오드(40)를 구비하고 있다. 다이오드(40)는, P측이 단셀(20)의 애노드측에 접속되고, N측이 단셀(20)의 캐소드측에 접속되어 배치되어 있다. 제 3 실시예에서는, 다이오드(40)로서, 실리콘 다이오드를 채용한다. 실리콘 다이오드는, 순방향 강하 전압(Vf)은, 대략 0.6V 이고, 또, 역방향 전압에 대한 내성이 큰 특성을 가지고 있다.
도 11은, 제 3 실시예의 정상 시에서의 다이오드에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 제 1 실시예에서는, 정상 시에는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 단셀(20b)의 애노드(a2)로부터 캐소드(c2)를 향하는 방향으로 전자가 흘러, 제 2의 방향의 전류가 발생하고 있었다. 그러나, 이 제 2의 방향의 전류는, 제 3 실시예에서는, 다이오드(40)에서의 역방향의 전류에 상당하기 때문에, 거의 발생할 수 없다. 또한, 도 11에 나타내는 상태는, 정상 시[즉, 셀전압(Vc)이 0V 이상인 경우]에 한정하지 않고, 단셀(20b)의 셀전압(Vc)이, -Vf(예를 들면, -0.6V)보다 큰 음전압의 경우에 일어날 수 있다.
도 12는, 제 3 실시예의 수소 결핍 시에서의 다이오드에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 12에 나타내는 상태는, 단셀(20b)에서 수소 결핍이 발생하고, 또한, 단셀(20b)의 셀전압(Vc)이 -Vf 이하인 경우에 일어날 수 있다.
단셀(20b)에서 수소 결핍이 발생하고, 또한, 단셀(20b)의 셀전압(Vc)이 -Vf보다 작은 음전압인 경우에는, 다이오드(40)에서 순방향의 전류가 발생한다. 즉, 제 1의 방향의 전류가 발생하게 된다. 따라서, 제 1 실시예의 도 6과 마찬가지로, 단셀(20a)의 캐소드(c1)에는, 단셀(20c)의 애노드(a3)에서 상기 수학식 1의 반응에 의해 발생한 전자가, 가변저항(31)을 거쳐 공급되기 때문에, 애노드(a2)의 촉매 열화가 억제된다.
또한, 상기한 바와 같이, 본 실시예에서는, 단셀(20)의 셀전압(Vc)이 -Vc 보다 큰 경우에는, 제 1의 방향 및 제 2의 방향의 어느 방향의 전류도 발생하지 않는다. 또, 단셀(20)의 셀전압(Vc)이 -Vc 이하인 경우에는, 제 1의 방향의 전류가 발생한다. 따라서, 본 실시예에서 전압(-Vf)이 청구항에서의 제 1의 소정 전압에 상당한다.
이상의 구성을 가지는 제 3 실시예의 연료전지시스템(100a)은, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)과 동일한 효과를 가진다. 아울러, 저항값 조정부(50) 및 제어부(91a)를 생략할 수 있고, 또한, 전류 조정부(30a)를 심플하게 구성할 수 있기 때문에, 연료전지시스템(10Oa)의 구축 비용의 상승을 억제할 수 있다.
D. 제 4 실시예 :
도 13은, 제 4 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 제 4 실시예의 연료전지시스템은, 전류 조정부(30c)에서, 전류센서(32) 대신 제 1 다이오드(40a)를 구비하고 있는 점과, 전류 조정부(30c)에서, 제 2 다이오드(40b) 및 전압 센서(34)를 구비하고 있는 점과, 가변저항(31)의 저항값의 전환의 판단을 셀전압(Vc)에 의거하여 실행하는 점에서, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)과 다르고, 다른 구성은, 제 1 실시예와 동일하다. 또한, 제 4 실시예의 단셀(20)은, 제 1 실시예와 동일하다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 제 4 실시예의 전류 조정부(30c)는, 각 단셀(20)에서, 가변저항(31)과 직렬로 접속된 제 1 다이오드(40a)를 구비하고 있다.제 1 다이오드(40a)는, P측이 가변저항(31)에 접속되고, N측이 단셀(20)의 애노드측에 접속되어 배치되어 있다. 또, 전류 조정부(30c)는, 각 단셀(20)에서, 단셀(20)과 병렬로 접속된 제 2 다이오드(40b)를 구비하고 있다. 제 2 다이오드(40b)는, P측이 단셀(20)의 애노드측에 접속되고, N측이 단셀(20)의 캐소드측에 접속되어 배치되어 있다. 제 1 다이오드(40a) 및 제 2 다이오드(40b)는, 모두 제 3 실시예와 마찬가지로 실리콘 다이오드를 채용한다. 또, 전류 조정부(30c)는, 각단셀(20)에서, 단셀(20)과 병렬로 접속된 전압 센서(34)를 구비하고 있다.
도 14는, 제 4 실시예의 전류 조정 처리의 순서를 나타내는 설명도이다. 제어부(91a)는, 전압 센서(34)로부터 통지되는 셀전압(Vc)의 값에 의거하여, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상인지의 여부를 판정한다(단계 S210). 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd)보다 낮다고 판정한 경우(단계 S210 : NO), 제어부(91a)는, 상기한 단계 S110[가변저항(31)의 저항값을 큰 값으로 설정한다]을 실행하고, 단계 S210으로 되돌아간다. 이에 대하여, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상이라고 판정한 경우(단계 S210 : YES), 제어부(91a)는, 상기한 단계 S115[가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정한다]를 실행하고, 단계 S210으로 되돌아간다.
상기 구성에 의하여, 수소 결핍 상태에서는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 다이오드(40b)의 순방향으로 전류가 흐름으로써, 각 단셀(20)의 애노드에서 촉매 열화가 억제된다. 한편, 정상 상태이고, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd)보다 낮은 경우에는, 가변저항(31)의 저항값이 큰 값으로 설정되기 때문에, 제 2 다이오드(40b)에 더하여, 제 1 다이오드(40a)에도 거의 전류가 흐르지 않는다. 이와 같은 구성에 의하여, 제 1 다이오드(40a) 및 제 2 다이오드(40b)에 전류가 흐름에 의한 발전 효율의 저하를 억제하고 있다. 또, 정상 상태이고, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상인 경우에는, 가변저항(31)의 저항값이 작은 값으로 설정되기 때문에, 제 2 다이오드(40b)에는 전류가 흐르지 않으나, 제 1 다이오드(40a)에는 전류가 흐르게 된다. 그 결과, 단셀(20)의 기전력을 가변저항(31)에서 더욱 많이 열소비시켜, 단셀(20)의 전압을 저하시킬 수 있기 때문에, 애노드에서의 촉매의 용출을 억제할 수 있다.
이상의 구성을 가지는 제 4 실시예의 연료전지시스템은, 제 1 실시예의 연료전지시스템(100)과 동일한 효과를 가진다. 아울러, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상이 된 경우에, 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정하기 때문에, 가변저항(31)을 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 단셀(20)의 기전력을 가변저항(31)에서 더욱 많이 열소비시켜, 단셀(20)의 전압을 저하시킬 수 있기 때문에, 애노드에서의 촉매의 용출을 억제할 수 있다. 또한, 셀전압(Vc)이 음전압이 되었는지의 여부의 판정 처리(단계 S205)를 생략할 수 있는 점 및 셀전압(Vc)이 음전압일 때에 가변저항(31)의 저항값을 전환하는 처리(단계 S115)를 생략할 수 있는 점에서, 제 2 실시예의 연료전지시스템에 비하여, 전류 조정 처리의 순서를 심플하게 할 수 있어, CPU(91)나 RAM(93) 등의 자원을 절약할 수 있다.
E. 제 5 실시예 :
도 15는, 제 5 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 제 5 실시예의 연료전지시스템은, 전류 조정부(30b)가 각 단셀(20)의 내부에 배치되어 있는 점에서, 도 9 내지 도 12에 나타내는 제 3 실시예의 연료전지시스템(100a)과 다르고, 다른 구성은 제 3 실시예와 동일하다.
제 3 실시예에서는, 전류 조정부(30)[다이오드(40)]는, 각 단셀의 외부에 배치되어 있었다. 이에 대하여 도 15에 나타내는 바와 같이, 제 5 실시예에서는, 전류 조정부(30c)[다이오드(40)]는 각 단셀(20) 내부에 배치되어 있다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 전류 조정부(30b)는, 막전극 접합체(25)의 외연부(外緣部)에 배치된 다이오드(40)만으로 구성되어 있다. 다이오드(40)는, P형 실리콘(40p) 및 N형 실리콘(40n)에 의해 구성되고, P형 실리콘(40p)이 애노드측 세퍼레이터(26a)에 접하며, N형 실리콘(40n)은 캐소드측 세퍼레이터(26c)에 접하도록 배치되어 있다. 이와 같은 구성은, 예를 들면, 막전극 접합체(25)의 외연부에 배치되는 수지 등으로 이루어지는 시일부재의 일부를, 다이오드(40)에 의해 구성함으로써 실현할 수 있다.
이상의 구성을 가지는 제 5 실시예의 연료전지시스템은, 제 3 실시예의 연료전지시스템(100a)과 동일한 효과를 가진다. 아울러, 전류 조정부(30b)[다이오드(40)]를 각 단셀(20)의 내부에 배치하기 때문에, 연료전지 스택(10)의 구성을 심플하게 할 수 있어, 연료전지시스템 전체의 소형화를 실현할 수 있다. 또, 전류 조정부(30b)를 막전극 접합체(25)의 주연부에 설치하기 때문에, 막전극 접합체(25)의 제조과정에서, 아울러 전류 조정부(30b)를 생성할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 구축 순서를 심플하게 할 수 있다.
F. 제 6 실시예 :
도 16은, 제 6 실시예에서의 단셀 및 전류 조정부의 상세구성을 나타내는 설명도이다. 제 6 실시예의 연료전지시스템은, 제 5 실시예와 마찬가지로 제 1 다이오드(40a) 및 제 2 다이오드(40b)가 각 단셀(20)의 내부에 배치되어 있는 점에서, 도 13, 도 14에 나타내는 제 4 실시예의 연료전지시스템과 다르고, 다른 구성은 제4 실시예와 동일하다.
제 4 실시예에서는, 제 1 다이오드(40a), 제 2 다이오드(40b) 및 가변저항(31)은, 각 단셀의 외부에 배치되어 있었다. 이에 대하여, 도 16에 나타내는 바와 같이, 제 6 실시예에서는, 제 1 다이오도(40a), 제 2 다이오드(40b) 및 가변저항(31)은 각 단셀(20) 내부에 배치되어 있다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 제 1 다이오드(40a)는, P형 실리콘(41p) 및 N형 실리콘(41n)에 의해 구성되고, N형 실리콘(41n)이 애노드측 세퍼레이터(26a)에 접하며, P형 실리콘(41p)은 가변저항(31)에 접하도록 배치되어 있다. 또, 가변저항(31)은 캐소드측 세퍼레이터(26c)에 접하도록 배치되어 있다.
제 2 다이오드(40b)는, P형 실리콘(42p) 및 N형 실리콘(42n)에 의해 구성되고, P형 실리콘(42P)은 애노드측 세퍼레이터(26a)에 접하며, N형 실리콘(42n)은 캐소드측 세퍼레이터(26c)에 접하도록 배치되어 있다.
제 6 실시예에서의 이와 같은 구성은, 제 5 실시예와 마찬가지로, 예를 들면, 막전극 접합체(25)의 외연부에 배치되는 수지 등으로 이루어지는 시일부재의 일부를, 제 1 다이오드(40a), 제 2 다이오드(40b) 및 가변저항(31)에 의해 구성함으로써 실현할 수 있다.
이상의 구성을 가지는 제 6 실시예의 연료전지시스템은, 제 4 실시예의 연료전지시스템과 동일한 효과를 가진다. 아울러, 제 1 다이오드(40a), 제 2 다이오드(40b) 및 가변저항(31)을 각 단셀(20)의 내부에 배치하기 때문에, 연료전지 스택의 구성을 심플하게 할 수 있어, 연료전지시스템 전체의 소형화를 실현할 수 있다. 또, 전류 조정부(30b)를 막전극 접합체(25)의 주연부에 설치하기 때문에, 막전극 접합체(25)의 제조과정에서, 아울러 전류 조정부(30b)를 생성할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 구축 순서를 심플하게 할 수 있다.
G. 변형예 :
또한, 상기 각 실시예에서의 구성요소 중의, 독립 청구항으로 청구된 요소 이외의 요소는, 부가적인 요소이고, 적당히 생략 가능하다. 또, 본 발명은 상기한 실시예나 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 형태에서 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면, 다음과 같은 변형도 가능하다.
G1. 변형예 1 :
제 3 내지 제 6 실시예에서 사용한 다이오드는, 실리콘 다이오드이었으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 게르마늄 다이오드나 쇼트키배리어 다이오드 등, 다른 다이오드를 채용할 수도 있다. 게르마늄 다이오드 및 쇼트키 배리어 다이오드를 채용한 경우, 순방향 강하 전압(Vf)를 낮게 억제할 수 있기 때문에, 단셀(20)의 셀전압(Vc)이 음전압이 되고 나서 비교적 단기간 중에, 제 1의 방향의 전류를 증가할 수 있기 때문에, 촉매 열화를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 쇼트키 배리어 다이오드를 채용하는 경우에, 세퍼레이터와 반도체를 접합하여 쇼트키 배리어 다이오드를 제작하여도 된다. 구체적으로는, 예를 들면, 스퍼터링법에 의해 세퍼레이터 위에 반도체를 형성하여 쇼트키 배리어 다이오드를 제작할 수 있다.
G2. 변형예 2 :
가변저항(31)의 저항값의 전환 판단을, 제 1 실시예에서는, 가변저항(31)에 서의 전류의 방향에만 의거하고, 제 2 실시예에서는, 셀전압(Vc)에만 의거하여, 각각 판단하고 있었다. 그러나, 본 발명은, 이들 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로부터 큰 값으로 전환하는 판단을, 가변저항(31)에서의 전류의 방향에 의거하여 판단하고, 큰 값으로부터 작은 값으로 전환하는 판단을, 셀전압(Vc)에 의거하여 판단할 수도 있다. 구체적으로는, 전류 조정 처리가 개시되면, 먼저, 셀전압(Vc)이 0V 이상인지의 여부를 판단하고, 셀전압(Vc)이 음전압인(0V보다 낮은) 경우에는, 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정한다. 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정한 후는, 가변저항(31)에서의 전류의 방향을 감시하고, 수소 결핍이 해소되어 전류의 방향이 제 2의 방향이 된 경우에, 가변저항(31)의 저항값을 큰 값으로 설정한다. 그리고, 셀전압(Vc)이 0V 이상인 경우에는, 셀전압(Vc)을 감시하고, 셀전압(Vc)이 촉매 용출 전압(Vd) 이상이 된 경우에, 가변저항(31)의 저항값을 큰 값으로부터 작은 값으로 전환하는 구성을 채용할 수도 있다.
G3. 변형예 3 :
제 2 실시예에서는, 전류 조정 처리의 단계 S205에서, 판단 기준이 되는 전압은 0V 이었으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, -0.8V나 -1.5V를 채용할 수도 있다. -0.8V나 -1.5V를 채용한 경우에는, 상기 수학식 4에 나타내는 반응은 발생하나, 수학식 5에 나타내는 반응의 발생은 억제할 수 있다. 따라서, 애노드에서의 카본 산화를 억제할 수 있기 때문에, 단셀(20)에서의 발전 효율의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 이들 구성에서는, -0.8V나 -1.5V가, 청구항에서의 제 1의 소정 전압에 상당한다.
G4. 변형예 4 :
각 실시예에서, 막전극 접합체(25)는, 애노드측 가스 확산층(23a) 및 캐소드측 가스 확산층(23c)을 포함하는, 이른바, MEGA(Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly)이었으나, 이것 대신, 애노드측 가스 확산층(23a) 및 캐소드측 가스 확산층(23c)을 포함하지 않는, 이른바, MEA(Membrane Electrode Assembly)를 채용할 수도 있다. 이와 같은 구성에서는, 이 MEA의 외측[애노드측 세퍼레이터(26a)측 및 캐소드측 세퍼레이터(26c)측]에, 애노드측 가스 확산층(23a) 및 캐소드측 가스 확산층(23c) 하는 구성을 채용할 수 있다.
G5. 변형예 5 :
제 1 실시예에서는, 가변저항(31)에서의 전류의 방향의 판단은, 제어부(91a)가 전류센서(32)로부터 통지되는 전류값에 의거하여 판단하고 있었으나, 이것 대신, 전류센서(32)가, 자신이 측정한 전류값에 의거하여 전류의 방향을 판단하는 구성을 채용할 수 있다. 이와 같은 구성에서는, 제어부(91a)는, 전류 센서(32)로부터 통지되는 전류의 방향에 의거하여, 단계 S105를 실행할 수 있다.
G6. 변형예 6 :
상기한 도 3, 도 5, 도 6을 사용한 설명에서는, 연료전지 스택(10)을 구성하는 단셀(20)의 수는 3개이었으나, 3개에 한정하지 않고, 2개 이상의 임의의 수의 단셀(20)에 의해, 연료전지 스택(10)을 구성할 수도 있다. 예를 들면, 도 3, 도 5, 도 6에서, 단셀(20c)을 생략하고, 2개의 단셀(20a, 20b)이 서로 접하는 구성을 채용할 수도 있다. 이 구성에서는, 단셀(20a)의 애노드(a1)에서 발생한 전자는, 세퍼레이터(sO) 및 부하(200)를 거쳐, 세퍼레이터(s2)[단셀(20b)에서의 캐소드측 세퍼레이터(26c)]에 공급된다. 그리고, 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 단셀(20b)에서 수소 결핍이 발생한 경우에 가변저항(31)의 저항값을 작은 값으로 설정함으로써, 세퍼레이터(s2)에 공급된 전자를, 가변저항(31) 및 세퍼레이터(s1)를 거쳐 단셀(20a)의 캐소드(c1)에 공급할 수 있다.
G7. 변형예 7 :
각 실시예에서는, 연료전지시스템은, 전기자동차에 탑재되어 사용되고 있었으나, 이것 대신, 하이브리드 자동차, 선박, 로봇 등의 각종 이동체에 적용할 수도 있다. 또, 연료전지 스택(10)을 정치형(定置型) 전원으로서 사용하여, 연료전지시스템을 빌딩이나 일반주택 등의 건물에 적용할 수도 있다.
G8. 변형예 8 :
각 실시예에서, 소프트웨어에 의해 실현되고 있던 구성의 일부를 하드웨어로 치환하도록 하여도 된다. 또, 이것과는 반대로, 하드웨어에 의해 실현되어 있던 구성의 일부를 소프트웨어로 치환하도록 하여도 된다.
10 : 연료전지 스택
20, 20a, 20b, 20c : 단셀 21 : 전해질막
22a : 애노드측 촉매층 22c : 캐소드측 촉매층
23a : 애노드측 가스 확산층 23c : 캐소드측 가스 확산층
25 : 막전극 접합체 26a : 애노드측 세퍼레이터
26c : 캐소드측 세퍼레이터 27a : 연료 가스 유로
27c : 산화제 가스 유로 30, 30a, 30b, 30c : 전류 조정부
31 : 가변저항 32 : 전류센서
33, 34 : 전압 센서 40 : 다이오드
40a : 제 1 다이오드 40b : 제 2 다이오드
50 : 저항값 조정부 61 : 수소탱크
62 : 에어컴프레서 63 : 순환용 펌프
71 : 차단밸브 72 : 조압 밸브
81 : 연료 가스 공급로 82 : 연료 가스 배출로
83 : 바이패스 유로 84 : 산화제 가스 공급로
85 : 산화제 가스 배출로 90 : 제어 유닛
91 : CPU 92 : ROM
93 : RAM 91a : 제어부
100, 100a : 연료 전지 시스템 a1, a2, a3 : 애노드
m1, m2, m3 : 전해질막 c1, c2, c3 : 캐소드
s1, s2, s3 : 세퍼레이터

Claims (9)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    촉매를 포함하는 발전부와, 상기 발전부에 접하는 애노드측 비발전부와, 상기 발전부를 사이에 두고 상기 발전부와는 반대측에 배치된 캐소드측 비발전부를 가지는 제 1의 발전 모듈과,
    상기 제 1의 발전 모듈에 인접하는 제 2의 발전 모듈과,
    각 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정 회로와,
    상기 애노드측 비발전부와 상기 캐소드측 비발전부 사이의 전압인 셀전압이 음압인 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정부에서, 상기 애노드측 비발전부로부터 상기 캐소드측 비발전부로 향하는 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 전류 제어부를 구비하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 제어부는, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서의 전류의 방향을 검출하는 전류방향 검출부를 가지고, 상기 전류방향 검출부가 검출하는 상기 전류의 방향에 의거하여, 상기 셀전압이 상기 제 1의 소정 전압 이하인지의 여부를 판정하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전류 제어부는, 상기 셀전압이, 상기 제 1의 소정 전압보다 높은 전압이며 상기 촉매의 용출이 생기는 제 2의 소정 전압보다 높은 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서 상기 제 1의 방향과는 반대방향인 제 2의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 조정 회로 및 상기 전류 제어부는, 다이오드를 포함하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    각 발전 모듈은, 1쌍의 세퍼레이터와, 상기 1쌍의 세퍼레이터에 끼워 유지된 막전극 접합체를 가지고,
    상기 전류 조정 회로 및 상기 전류 제어부는, 상기 막전극 접합체의 주연부에 배치되고, 상기 1쌍의 세퍼레이터에 끼워 유지되어 있는 연료전지시스템.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 다이오드는, 실리콘 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드인 연료전지시스템.
  7. 촉매를 포함하는 발전부와, 상기 발전부에 접하는 애노드측 비발전부와, 상기 발전부를 사이에 두고 상기 발전부와는 반대측에 배치된 캐소드측 비발전부를 가지는 제 1의 발전 모듈과, 상기 제 1의 발전 모듈에 인접하는 제 2의 발전 모듈과, 각 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정 회로를 구비하는 연료전지시스템에서의, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로를 흐르는 전류의 제어방법에 있어서,
    상기 애노드측 비발전부와 상기 캐소드측 비발전부 사이의 전압인 셀전압이 음압인 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서, 상기 애노드측 비발전부로부터 상기 캐소드측 비발전부로 향하는 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 공정을 구비하는 방법.
  8. 촉매를 포함하는 발전부와, 상기 발전부에 접하는 애노드측 비발전부와, 상기 발전부를 사이에 두고 상기 발전부와는 반대측에 배치된 캐소드측 비발전부를 가지는 제 1의 발전 모듈과, 상기 제 1의 발전 모듈에 인접하는 제 2의 발전 모듈과, 각 발전 모듈과 병렬로 접속된 전류 조정 회로를 구비하는 연료전지시스템에서의, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로를 흐르는 전류를 제어하기 위한 프로그램에 있어서,
    상기 애노드측 비발전부와 상기 캐소드측 비발전부 사이의 전압인 셀전압이 음압인 제 1의 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제 1의 발전 모듈과 병렬로 접속된 상기 전류 조정 회로에서, 상기 애노드측 비발전부로부터 상기 캐소드측 비발전부로 향하는 제 1의 방향으로 흐르는 전류를 증가시키는 기능을, 컴퓨터에 실현시키기 위한 프로그램.
  9. 제 8항에 기재된 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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