KR20140144728A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20140144728A
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Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은, 연료전지의 출력 전압을 소정 전압까지 저하시킴으로써 촉매층의 성능 회복 처리를 실시하는 제어장치를 구비한다. 제어장치는, 연료전지의 발전 중에 촉매층에 형성되는 산화 피막이, 연료전지의 출력 전압을 제 1 피막 제거 전압까지 저하시킴으로써 제거할 수 있는 제 1 산화 피막 외에, 제 1 피막 제거 전압보다 낮은 제 2 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 2 산화 피막이 포함되어 있다고 판단한 경우에, 제 2 산화 피막의 양을 추정하여, 그 추정량이 소정량 A를 초과하고 있다고 판단했을 때는, 성능 회복 처리를 제 2 피막 제거 전압 이하의 설정 전압으로 실시한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 촉매 활성화 기능을 가지는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료를 전기 화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써, 산화 반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이다. 연료전지 스택은, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 고분자 전해질막의 양측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 협지(挾持)하여 이루어지는 막－전극 어셈블리를 가진다. 한 쌍의 전극의 각각은, 백금계의 금속 촉매를 담지(擔持)하는 카본 분말을 주성분으로 하여, 고분자 전해질막에 접하는 촉매층과, 촉매층의 표면에 형성되어, 통기성과 전자 도전성을 겸비하는 가스 확산층을 가진다.
이 종류의 연료전지 시스템에서는, 셀 전압이 산화 전압(약 0.7V∼1.0V)이 되는 운전 영역에서 전지 운전을 계속하면, 촉매층의 백금 촉매 표면에의 산화 피막 형성에 의해, 백금 촉매의 유효 면적이 감소하여, 촉매층의 성능 나아가서는 발전 성능이 저하되는 경우가 있다. 이와 같은 사정에 비추어 보아, 특허문헌 1에는, 백금 촉매가 산화되는 산화 영역에 있어서 연료전지의 운전이 계속되고 있는 것이 검지되면, 캐소드 전위를 환원 전압(예를 들면 0.6V 이하)까지 낮춤으로써, 백금 촉매 표면으로부터 산화 피막을 제거하여 발전 성능을 회복하는 처리(이하, 리프레시 처리라고 한다.)에 대해 언급되어 있다.
일본국 공개 특허 특개2010－040285호 공보
촉매층에 있어서의 산화 피막의 형성 및 제거에 관한 최근 연구의 결과, 산화 피막을 제거할 수 있는 환원 전압은 1단계뿐만 아니라, 2단계 또는 그 이상 존재한다는 것이 인지되어 왔다. 예를 들면, 2단계의 환원 전압이 존재하는 경우, 산화 피막에는, 연료전지 스택의 출력 전압을 특허문헌 1에 언급되어 있는 환원 전압(이하, 제 1 환원 전압이라고 한다.)까지 낮추면 제거할 수 있는 피막(이하, Ⅰ형 산화 피막이라고 한다.)과, 제 1 환원 전압보다 낮은 제 2 환원 전압까지 낮추지 않으면 제거할 수 없는 피막(이하, Ⅱ형 산화 피막이라고 한다.)이 혼재하고 있다.
특허문헌 1의 리프레시 처리에서는, 산화 피막을 제거할 수 있는 환원 전압(제 1 환원 전압)이 1단계밖에 상정되어 있지 않기 때문에, 이 상정되어 있는 제 1 환원 전압까지 연료전지 스택의 출력 전압을 일정 시간 낮춤으로써, Ⅰ형 산화 피막을 제거할 수는 있어도, Ⅱ형 산화 피막까지 제거할 수는 없다. 따라서, 발전 성능의 회복이 반드시 충분하지 않은 경우가 있다.
또, 특허문헌 1의 리프레시 처리에서는, 제 2 환원 전압까지 낮추지 않으면 제거할 수 없는 Ⅱ형 산화 피막이 점차 축적되어, 장기적으로는 발전 성능이 저하되어버린다는 과제가 있다. 특히, 본 발명의 발명자는, Ⅰ형 산화 피막보다 Ⅱ형 산화 피막 쪽이 촉매층의 성능 저하에 대한 영향이 큰 것을 발견하여, 리프레시 처리 후의 Ⅱ형 산화 피막의 존재 여부는 매우 중요하다고 생각하고 있다.
한편, 리프레시 처리는 촉매층의 성능 회복에 불가결하나, 리프레시 처리의 실시는, 백금의 산화 및 환원이 반복됨으로써 촉매층의 열화(보다 구체적으로는, 백금의 용출) 나아가서는 발전 성능의 저하를 초래하므로, 리프레시 처리의 실시 횟수는 극력 제어하는 것이 바람직하다.
그래서, 본 발명은, 촉매층의 성능 회복 처리의 효과와 횟수 삭감의 양립을 도모할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지 시스템은,
촉매층을 가지는 전극이 고분자 전해질막의 양면에 배치되어 이루어지는 막－전극 어셈블리를 포함하는 연료전지와,
상기 연료전지의 출력 전압을 소정 전압까지 저하시킴으로써 상기 촉매층의 성능 회복 처리를 실시하는 제어장치를 구비하고,
상기 제어장치는, 상기 연료전지의 발전 중에 상기 촉매층에 형성되는 산화 피막이, 상기 연료전지의 출력 전압을 제 1 피막 제거 전압까지 저하시킴으로써 제거할 수 있는 제 1 산화 피막 외에, 상기 연료전지의 출력 전압을 상기 제 1 피막 제거 전압보다 낮은 제 2 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 2 산화 피막이 포함되어 있는 경우에, 상기 제 2 산화 피막의 양, 상기 제 1 및 제 2 산화 피막의 총량, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량, 또는 상기 제 1 및 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량 중 적어도 하나를 추정하여, 그 추정량이 소정의 조건을 충족했을 때에만 상기 성능 회복 처리를 실시하는 것이고, 또한, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정하여 당해 성능 회복 처리를 실시하는 것이다.
상기 구성에 있어서, 상기 제 2 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 촉매층의 성능 저하에 대해 보다 영향이 큰 제 2 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과할 때까지는, 성능 회복 처리의 실시가 억제된다. 바꿔 말하면, 제 1 산화 피막이 소정량 형성될 때마다, 빈번히 성능 회복 처리를 실시한다는 제어가 회피된다. 따라서, 상기 구성에 의하면, 성능 회복 처리를 실시하는 것에 의한 모순을 해결하여, 촉매층의 열화를 억제하면서, 촉매층의 성능 회복을 도모하는 것이 가능해진다.
상기 구성에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막의 양이 소정량 A 이하이며, 또한, 상기 제 1 산화 피막과 상기 제 2 산화 피막의 총량이 소정량 B를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 제 1 산화 피막과 제 2 산화 피막의 양쪽을 고려한 소정량 B의 설정에 의해, 소정량 A만을 설정한 경우와 비교하여, 성능 회복 처리의 실시 필요 여부의 판단 정밀도를 한층 더 높일 수 있다.
또, 상기 구성에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량이 소정량 C를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 촉매층의 성능 저하에 대해 보다 영향이 큰 제 2 산화 피막에 의한 성능 저하량을 직접 추정함으로써, 산화 피막량을 추정하는 경우와 비교하여, 성능 회복 처리의 실시 필요 여부의 판단 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또, 상기 구성에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량이 소정량 C 이하이며, 또한, 상기 제 1 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량과 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 총량이 소정량 D를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 제 1 산화 피막과 제 2 산화 피막의 양쪽을 고려한 소정량 D의 설정에 의해, 소정량 C만을 설정한 경우와 비교하여, 성능 회복 처리의 실시 필요 여부의 판단 정밀도를 한층 더 높일 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 촉매층을 가지는 전극이 고분자 전해질막의 양면에 배치되어 이루어지는 막－전극 어셈블리를 포함하는 연료전지와,
상기 연료전지의 출력 전압을 소정 전압까지 저하시킴으로써 상기 촉매층의 성능 회복 처리를 실시하는 제어장치를 구비하고,
상기 제어장치는, 상기 연료전지의 발전 중에 상기 촉매층에 형성되는 산화 피막이, 상기 연료전지의 출력 전압을 제 1 피막 제거 전압까지 저하시킴으로써 제거할 수 있는 제 1 산화 피막 외에, 상기 연료전지의 출력 전압을 상기 제 1 피막 제거 전압보다 낮은 제 2 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 2 산화 피막이 포함되어 있는 경우에, 상기 제 2 산화 피막의 양 또는 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 추정량이 소정의 문턱값을 기준으로 한 조건을 충족했을 때는 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 상기 성능 회복 처리를 실시하고, 상기 제 1 산화 피막의 양 또는 상기 제 1 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 추정량이 상기 소정의 문턱값을 기준으로 한 조건을 충족해도 상기 성능 회복 처리를 실시하지 않는 구성이어도 된다.
본 발명에 의하면, 촉매층의 성능 회복 처리의 효과와 횟수 삭감의 양립을 도모할 수 있는 연료전지 시스템의 제공이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관련되는 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는, 연료전지 스택을 구성하는 셀의 분해 사시도이다.
도 3은, 연료전지 시스템의 운전시에 리프레시 처리를 실시하는 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는, 연료전지 시스템의 운전 제어 일례를 나타내는 타이밍 차이트이다.
도 5는, 도 4의 연료전지의 출력 전압의 변동에 대응하여 촉매층에 형성되는 산화 피막량이 증감하고 있는 것을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은, 연료전지 시스템의 다른 운전 제어 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7은, 도 6의 연료전지의 출력 전압의 변동에 대응하여 촉매층에 형성되는 산화 피막량이 증감하고 있는 것을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 8은, 연료전지 시스템의 또 다른 운전 제어 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 9는, 도 8의 연료전지의 출력 전압의 변동에 대응하여 촉매층에 형성되는 산화 피막량이 증감하고 있는 것을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 10은, 연료전지 스택의 출력 전류와 산화 피막 내에 있어서의 Ⅱ형 산화 피막의 함유 비율과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은, 연료전지 스택의 출력 전압이 일정값으로 유지된 경우에, 촉매층에 형성되는 산화 피막 중의 Ⅰ형 산화 피막∼Ⅲ형 산화 피막의 각 비율이 경과 시간과 함께 변화하는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는, 연료전지 스택의 출력 전압이 소정의 경계 전압에 상하로 걸친 횟수의 증가에 따라, 촉매층에 형성되는 산화 피막 중의 Ⅰ형 산화 피막 및 Ⅱ형 산화 피막의 각 비율이 변화하는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은, 연료전지 스택의 출력 전압이 일정값으로 유지된 경우에, 촉매층에 형성되는 산화 피막이 경과 시간과 함께 변화하는 것을 나타내는 도면으로서, 유지 전압이 높을수록, 산화 피막의 형성량이 많은 것을 나타내는 도면이다.
도 14는, 연료전지 스택의 출력 전압이 일정값으로 유지된 경우의 출력 전류(전류 밀도)와 산화 피막률(산화 피막량)의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관련되는 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관련되는 연료전지 시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지 시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차재(車載) 전원 시스템으로 기능하는 것으로, 반응 가스(연료 가스, 산화 가스)의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 산화 가스로서의 공기를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화 가스 공급계(30)와, 연료 가스로서의 수소 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료 가스 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 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에 있어서 (1)식의 산화 반응이 발생하고, 캐소드 극에 있어서 (2)식의 환원 반응이 발생한다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 발전 반응이 발생한다.
H2 → 2H＋＋2e－ …(1)
(1/2)O2＋2H＋＋2e－ → H2O …（2)
H2＋(1/2)O2 → H2O …（3)
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 두어 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다.
가스 불투과의 도전성 부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 추가로 양측으로부터 사이에 두면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)의 사이에 각각 연료 가스 및 산화 가스의 유로를 형성한다. 세퍼레이터(26)에는, 단면 오목 형상의 리브(26a)가 형성되어 있다.
리브(26a)에 애노드극(23)이 맞닿음으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐쇄되어, 연료 가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는 단면 오목 형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 맞닿음으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐쇄되어, 산화 가스 유로가 형성된다.
애노드극(23)은, 백금계의 금속 촉매(Pt, Pt－Fe, Pt－Cr, Pt－Ni, Pt－Ru등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되고, 통기성과 전자 도전성을 겸비하는 가스 확산층(23b)을 가진다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은 촉매층(24a)과 가스 확산층(24b)을 가진다.
보다 상세하게는, 촉매층(23a, 24a)은, 백금 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 합금을 담지한 카본가루를 적당한 유기 용매에 분산시키고, 전해질 용액을 적량 첨가하여 페이스트화하여, 고분자 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은 탄소 섬유로 이루어지는 실로 직성(織成)한 카본 크로스, 카본페이퍼, 또는 카본 펠트에 의해 형성되어 있다.
고분자 전해질막(22)은 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이고, 습윤상태에서 양호한 전기 전도성을 발휘한다. 고분자 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의해 막－전극 어셈블리(25)가 형성된다.
도 1로 돌아가서, 연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(FC 전압)을 검출하기 위한 전압 센서(71), 출력 전류(FC 전류)를 검출하기 위한 전류 센서(72)가 장착되어 있다.
산화 가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드 극에 공급되는 산화 가스가 흐르는 산화 가스 통로(33)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(34)를 가지고 있다. 산화 가스 통로(33)에는, 필터(31)를 통해 대기중으로부터 산화 가스를 받아들이는 에어 컴프레셔(32)와, 에어 컴프레셔(32)에 의해 가압되는 산화 가스를 가습하기 위한 가습기(35)와, 연료전지 스택(20)에의 산화 가스 공급을 차단하기 위한 차단 밸브(A1)가 설치되어 있다.
산화 오프 가스 통로(34)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 산화 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단 밸브(A2)와, 산화 가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(A3)와, 산화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(35)가 설치되어 있다.
연료 가스 공급계(40)는, 연료 가스 공급원(41)과, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료 가스가 흐르는 연료 가스 통로(43)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(43)에 귀환시키기 위한 순환 통로(44)와, 순환 통로(44) 내의 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(43)에 압송(壓送)하는 순환 펌프(45)와, 순환 통로(44)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(46)를 가지고 있다.
연료 가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되어, 고압(예를 들면, 35MPa 내지 70MPa)의 수소 가스를 저류한다. 차단 밸브(H1)를 열면, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 가스 통로(43)에 연료 가스가 유출된다. 연료 가스는, 레귤레이터(H2)나 인젝터(42)에 의해, 예를 들면, 200kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
순환 통로(44)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 연료 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단 밸브(H4)와, 순환 통로(44)로부터 분기되는 배기 배수 통로(46)가 접속되어 있다. 배기 배수 통로(46)에는 배기 배수 밸브(H5)가 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(H5)는, 컨트롤러(60)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환 통로(44) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다.
배기 배수 밸브(H5)를 통해 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의해 희석된다. 순환 펌프(45)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(축전장치)(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기계류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류 전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류 전력, 또는 회생 제동에 의해 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따른 부하 변동시의 에너지 버퍼로 기능한다. 배터리(52)로는 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 이차 전지 등의 이차 전지가 적합하다. 배터리(52)에는, 그 남은 용량인 SOC(State of charge)를 검출하기 위한 SOC 센서가 장착되어 있다.
트랙션 인버터(53)는 예를 들면, 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(60)로부터의 제어 지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는 예를 들면, 3상 교류 모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기계류(55)는, 연료전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나 이러한 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차재 보조 기계류(예를 들면, 에어 컴프레셔, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
컨트롤러(60)는 CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스를 구비하는 컴퓨터 시스템이고, 연료전지 시스템(10)의 각 부를 제어한다. 예를 들면, 컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동 신호(IG)를 수신하면, 연료전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀 센서로부터 출력되는 액셀 개도 신호(Acc)나, 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호(VC) 등을 기초로, 시스템 전체의 요구 전력을 구한다. 시스템 전체의 요구 전력은 차량 주행 전력과 보조 기계 전력의 합계값이다.
보조 기계 전력에는, 차재 보조 기계류(가습기, 에어 컴프레셔, 수소 펌프,및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어 장치, 조타 장치 및 현가(懸架) 장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승자 공간 내에 배치되는 장치(공조 장치, 조명 기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력 전력의 배분을 결정하고, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력에 일치하도록, 산화 가스 공급계(30) 및 연료 가스 공급계(40)를 제어함과 함께, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력 전류)를 제어한다.
연료전지 스택(20)에서는, 상술한 (1)식에 나타내는 바와 같이, 애노드극(23)에서 생성된 수소 이온이 전해질막(22)을 투과하여 캐소드극(24)으로 이동하고, 캐소드극(24)으로 이동한 수소 이온은, 상술한 (2)식에 나타내는 바와 같이, 캐소드극(24)에 공급되어 있는 산화 가스 중의 산소와 전기 화학 반응을 일으켜, 산소의 환원 반응을 발생시킨다. 그 결과, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면을 산화 피막이 덮어 유효 면적이 감소하여, 발전 효율(출력 특성)이 저하된다.
그래서, 컨트롤러(60)는, 소정의 실시 타이밍에 있어서, 셀 전압을 환원 전압(리프레시 전압)까지 소정 시간(리프레시 시간) 낮춤으로써, 산화 피막을 환원하여, 촉매 표면으로부터 산화 피막을 제거하는 리프레시 처리를 실시한다.
보다 상세하게는, 후술하는 도 4의 시간 t1, t2 및 t3, 도 6의 시간 t11 및 t12, 및 도 8의 t21의 타이밍에서 실시되어 있는 바와 같이, 각 셀의 전압, 즉, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 소정 시간 강하시킴으로써, 출력 전류를 증가시키고, 촉매층(24a)에 있어서의 전기 화학 반응을 산화 반응 영역으로부터 환원 반응 영역으로 천이시켜 촉매 활성을 회복시키는 것이다.
리프레시 처리는, 연료전지(20)의 발전 효율 저하의 억제에 불가결한 것이나, 연료전지(20)의 출력 전압을, 본래 설정해야 하는 전압보다 일시적이라고는 해도 상당히 낮은 전압으로 설정하여 제어하는 처리이다. 따라서, 리프레시 처리를 빈번에 실시하면, 촉매층(24a) 중의 백금의 산화 및 환원이 반복되게 되어, 백금의 용출을 초래해버린다.
그래서, 리프레시 처리의 실시는, 적시에 또한 필요 최소한의 횟수에 그칠 필요가 있다. 또한, 리프레시 처리의 효과는, 비록 리프레시 처리의 실시 횟수가 적어도, 촉매층(24a)의 성능을 필요 충분한 정도로까지 회복시킬 만큼의 것일 필요가 있다.
본 발명은, 이러한 요구를 양립시키기 위하여, 리프레시 처리의 필요 여부 및 내용(예를 들면, 리프레시 전압)을 결정함에 있어서 고정밀도로 추정해야 하는 추정량으로서, 산화 피막량 및 산화 피막에 의한 촉매층의 성능 저하량에 착안한 것으로, 구체적으로는, Ⅱ형 산화 피막의 양, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량, Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량, 및 Ⅰ형 산화 피막의 성능 저하량과 Ⅱ형 산화 피막의 성능 저하량의 총량에 착안한 것이다.
〈연료전지 시스템의 운전 제어 예〉
도 4, 6, 8은 각각 연료전지 시스템(10)의 운전 제어 예를 나타내는 타이밍 차트이다. 또한, 도 5, 7, 9는 각각 도 4, 6, 8의 운전 제어시에 촉매층(24a)의 표면에 형성되는 산화 피막량의 추이를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4, 6, 8에 나타내는 바와 같이, 연료전지 시스템(10)은, 운전 부하에 따라, 연료전지 스택(20)의 운전 모드를 전환함으로써 발전 효율의 향상을 도모한다.
예를 들면, 연료전지 시스템(10)은, 발전 효율이 높은 고부하 영역(발전 요구가 소정값 이상이 되는 운전 영역)에서는, 액셀 개도나 차속 등을 기초로 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 산출하여 운전 제어하고, 차량 주행에 필요로 하는 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 연료전지 스택(20)에 의한 발전 전력에 의해서만 또는 연료전지 스택(20)에 의한 발전 전력과 배터리(52)로부터의 전력에 의해 조달하는 부하 운전을 실시한다.
한편, 연료전지 시스템(10)은, 발전 효율이 낮은 저부하 영역(발전 요구가 소정값 미만이 되는 간헐 운전 실시 조건을 충족한 운전 영역)에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 제로로 설정하여 운전 제어하고, 차량 주행에 필요로 하는 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 배터리(52)로부터의 전력에 의해 조달하는 간헐 운전을 실시한다. 또한, 간헐 운전 중에 고부하 요구(출력 증가 요구)가 있을 때에 셀 전압이 낮으면, 드라이버빌리티가 악화되기 때문에, 간헐 운전 중의 셀 전압은 조금 높게 유지된다.
또, 연료전지 시스템(10)은, 기동 직후나 신호 대기시와 같은 주정차시, 바꿔 말하면, 시프트 레버가 P 레인지 또는 N 레인지에 있을 때나, D 레인지에 있어도 브레이크를 밟고 있어 차속이 제로로 되어 있을 때에는, 드라이버빌리티 확보에 필요한 발전 전압으로 연료전지 스택(20)에 발전을 행하게 하면서, 그 발전 전력을 배터리(52)에 충전하는 아이들 운전을 실시한다.
또한, 연료전지 시스템(10)은, 이그니션 스위치로부터 출력되는 운전 정지 신호(IGOFF)를 수신하면, 운전 정지 전에 소기(掃氣) 운전을 실시한다. 소기 운전이란, 연료전지(20)의 내부에 고인 물을 배출 및 건조시키는 것을 목적으로 하여 연료전지(20)의 운전 종료시에 실시되는 건조 처리이고, 예를 들면 연료전지(20)에의 연료 가스 공급을 차단한 상태에서 연료전지(20)에 산화 가스를 공급하여, 연료전지(20) 내의 수분을 산화 오프 가스 통로(34)를 통해 외부로 배출함으로써 실현된다.
다음에, 도 3의 플로우 차트를 참조하면서, 연료전지 시스템(10)의 운전 중에 소정의 리프레시 처리 실시 조건을 충족했을 때(예를 들면, 도 4의 시간 t1, t 2 및 t3, 도 6의 시간 t11 및 t12, 및 도 8의 t21의 타이밍)에 실시되는 리프레시 처리에 대하여, 필요에 따라 도 4 내지 도 9도 참조하면서 설명한다.
〈아이들 운전〉
예를 들면 아이들 운전은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)에 정전압 발전을 행하게 하는 것이고, 그때의 발전 전압은, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 산화 피막이 형성되는 전압이기 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 아이들 운전 중에는 시간 경과와 함께 산화 피막량이 증대한다.
《Ⅱ형 산화 피막량의 추정》
아이들 운전 중, 컨트롤러(60)는, 소정의 제어 주기로 리프레시 처리의 필요 여부 판정을 행한다(도 3의 단계 S1). 이 단계 S1에서는, 예를 들면, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 형성된 산화 피막 중, Ⅱ형 산화 피막의 양이 소정량 A 이상인지의 여부의 판정이 행하여진다.
이때, 컨트롤러(60)는, 예를 들면 도 10에 나타내는 맵을 참조함으로써 Ⅱ형 산화 피막의 양을 추정한다. 도 10의 맵은, 전회 실시한 리프레시 처리로부터의 경과 시간(가로축)과, 연료전지 스택(20)의 발전 전류(세로축)와, 산화 피막의 총량 및 내역(도 10 중의 실선과 파선)의 관계를 나타낸 것이고, 실험이나 시뮬레이션 결과에 의거하여 작성되어, 컨트롤러(60) 내의 메모리에 기억되어 있다.
도 10으로부터, 전회 실시한 리프레시 처리로부터의 경과 시간이 증대함에 따라, 연료전지 스택(20)의 발전 전류가 저하되는 것, 및, 산화 피막 중의 Ⅱ형 산화 피막(도 10에서는 「피막2」로 표기하고 있다.)이 증대함에 따라, 전회 실시한 리프레시 처리로부터의 경과 시간에 대한 연료전지 스택(20)의 발전 전류의 저하율, 바꿔 말하면, 촉매층(24a)의 성능 저하에의 영향이 증대하는 것이 이해된다.
이것은 또한, 산화 피막이 Ⅰ형 산화 피막(도 10에서는 피막1로 표기하고 있다.)만으로 구성되어 있는 경우보다, 산화 피막 중에 Ⅱ형 산화 피막을 포함하는 경우가 촉매층(24a)의 성능 저하에의 영향이 큰 것, 그리고, 산화 피막 중에 Ⅱ형 산화 피막이 포함되어 있는 경우에는, Ⅱ형 산화 피막의 함유 비율이 높으면 높을수록 촉매층(24a)의 성능 저하에의 영향이 커지는 것, 바꿔 말하면, 성능 저하량이 큰 것을 나타내고 있다.
또한, Ⅰ형 산화 피막, Ⅱ형 산화 피막 및 Ⅲ형 산화 피막은, 1의 산화 피막 중에 혼재될 수 있는 것으로, 예를 들면 도 11에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 일정한 산화 피막 형성 전압(산화 전압)으로 유지한 경우에, 그 유지 시간의 증대에 따른 산화 피막 중의 비율이 점차 변화하는 것이며, 또한, 각각의 환원 전압의 대소관계는 이하의 관계를 충족하는 것이다.
Ⅰ형 산화 피막(예를 들면, 0.65V∼0.9V)＞Ⅱ형 산화 피막(예를 들면, 0.4V∼0.6V)＞Ⅲ형 산화 피막(예를 들면, 0.05V∼0.4V)
또한, Ⅰ형 산화 피막, Ⅱ형 산화 피막 및 Ⅲ형 산화 피막은, 예를 들면 도 12에 나타내는 바와 같이(단, Ⅲ형 산화 피막에 대해서는 도시 생략), 연료전지 스택(20)의 출력 전압이 소정의 경계 전압(예를 들면, 0.8V)에 상하로 걸친 횟수(이하, 사이클수)의 증대에 따른 산화 피막 중의 비율이 점차 변화하는 것이기도 하다.
이상과 같이, 산화 피막을 제거할 수 있는 환원 전압은 1단계뿐만 아니라, 2단계 또는 그 이상 존재하므로, 리프레시 처리시의 리프레시 전압을 Ⅰ형 산화 피막밖에 제거할 수 없는 제 1 환원 전압까지만 낮추면, 실제로는 Ⅱ형 산화 피막 및 Ⅲ형 산화 피막이 제거되지 않고 남아버려, 촉매층(24a)의 성능 회복이 충분하지 않은 경우가 발생할 수 있다.
그래서, 본 실시형태에서는, 촉매층(24a)에 있어서의 Ⅱ형 산화 피막의 양을 도 10의 맵을 이용하여 추정하고, 그 추정 결과에 의거하여, 리프레시 처리의 필요 여부 판단(단계 S1) 및 리프레시 전압의 설정(단계 S3)을 행함으로써, 리프레시 처리에 의한 촉매층(24a)의 열화를 억제하면서, 리프레시 처리의 효과를 얻을 수 있도록 하고 있다.
컨트롤러(60)는, 단계 S1의 판정 결과가 「No」인 경우, 즉, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 형성된 Ⅱ형 산화 피막의 양이 소정의 문턱값인 소정량 A 이하인 경우에는, 단계 S3, S5의 처리를 스킵한다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 산화 피막이 Ⅰ형 산화 피막뿐인 경우나, Ⅱ형 산화 피막이 형성되어 있어도 그 양이 소정량 A 이하인 경우, 바꿔 말하면, 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하량이 낮은 경우에는, 리프레시 처리가 실시되는 일은 없다. 따라서, 리프레시 처리를 빈번하게 실시하는 것에 의한, 촉매층(24a)의 열화가 억제된다.
한편, 단계 S1의 판정 결과가 「Yes」인 경우, 즉, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 형성된 Ⅱ형 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과하고 있는 경우에는, 컨트롤러(60)는, Ⅱ형 산화 피막을 제거할 수 있는 제 2 환원 전압으로 리프레시 전압을 설정하고(단계 S3), 그 설정 전압까지 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 강하시킨 리프레시 처리를 소정의 리프레시 시간만큼 행한다(단계 S5).
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, Ⅱ형 산화 피막의 형성량이 소정량 A 이하인 경우에 리프레시 처리가 실시되는 일은 없으므로, Ⅰ형 산화 피막 및 그 형성량에만 착안하여 리프레시 처리의 필요 여부를 판단하여 실시하는 경우와 비교하여, 리프레시 처리가 빈번히 실시되는 것에 의한 촉매층(24a)의 열화가 억제된다.
또, 본 실시형태에 의하면, Ⅰ형 산화 피막보다 촉매층(24a)의 성능 저하에 대한 영향이 큰 Ⅱ형 산화 피막을 보다 확실에 제거할 수 있으므로, Ⅰ형 산화 피막 및 그 형성량에만 착안하여 리프레시 처리의 필요 여부를 판단하여 실시하는 경우와 비교하여, 리프레시 처리의 실시 횟수가 줄었다고 해도, 필요 충분한 리프레시 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제 2 환원 전압은, 촉매층(24a)이 놓여 있는 환경에 의해 변동하는 점에서, 단계 S3에서 설정하는 리프레시 전압은, 촉매층(24a)이나 연료전지 스택(20)의 분위기 환경(예를 들면, 상대 습도나 온도 등)에 따라 변경할 수 있도록 해두는 것이 바람직하다.
또, 상기 실시형태에서는, 도 3의 단계 S1에 있어서, 컨트롤러(60)가 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 형성된 Ⅱ형 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과하고 있는지의 여부를 판정하는 예에 대하여 설명하였으나, 단계 S1에서의 판정 내용은 그와 같은 예에 한정되는 것은 아니다. 이하, 다른 예에 대하여 설명한다.
《Ⅰ형 산화 피막 및 Ⅱ형 산화 피막의 총량의 추정》
예를 들면, 컨트롤러(60)는, 도 3의 단계 S1에 있어서, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량이 소정의 문턱값인 소정량 B(단, 소정량 A＜소정량 B)를 초과하고 있는지의 여부를 예를 들면 도 11 또는 도 12의 맵을 참조하여 판정하고, 그 판정 결과가 「Yes」인 경우에, 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행하도록 해도 된다.
이 예에서는, Ⅱ형 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과하고 있는 경우뿐만 아니라, 소정량 A 이하의 경우일지라도, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량이 소정량 B를 초과하고 있을 때는, 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하를 회복시킬 필요가 있다고 판단되어, 리프레시 처리가 행하여지게 된다.
이러한 경우에도, 리프레시 처리의 실시 횟수를 억제하면서, 리프레시 처리의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 소정량 A만으로 판단한 경우와 비교하여, 리프레시 처리의 실시 필요 여부의 판단 정밀도를 한층 더 높일 수 있다.
또한, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량이 소정량 B를 초과하고 있는지의 여부의 총량 판정을, 도 3의 단계 S1의 판정 결과가 「No」인 경우에 실시하도록 하여, 그 총량 판정 결과가 「Yes」인 경우는 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행하고, 총량 판정 결과가 「No」인 경우는 도 3의 단계 S3, S5의 처리를 스킵하도록 해도 된다.
《Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 추정》
또한, 컨트롤러(60)는, 도 3의 단계 S1에 있어서, Ⅱ형 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하량이 소정의 문턱값인 소정량 C를 초과하고 있는지의 여부를 예를 들면 도 10의 맵을 참조하여 판정하고, 그 판정 결과가 「Yes」인 경우에, 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행하도록 해도 된다.
이러한 경우에도, 리프레시 처리의 실시 횟수를 억제하면서, 리프레시 처리의 효과를 얻을 수 있다.
《Ⅰ형 산화 피막 및 Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 총량의 추정》
또한, 컨트롤러(60)는, 도 3의 단계 S1에 있어서, Ⅰ형 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하량과 Ⅱ형 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하량의 총량이 소정의 문턱값인 소정량 D(단, 소정량 C＜소정량 D)를 초과하고 있는지의 여부를 예를 들면 도 10의 맵을 참조하여 판정하고, 그 판정 결과가 「Yes」인 경우에, 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행하도록 해도 된다.
이 예에서는, Ⅱ형 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하량이 소정량 C를 초과하고 있는 경우뿐만 아니라, 소정량 C 이하의 경우일지라도, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 총량이 소정량 D를 초과하고 있을 때는, 산화 피막에 의한 촉매층(24a)의 성능 저하를 회복시킬 필요가 있다고 판단되어, 리프레시 처리가 행하여진다.
이러한 경우에도, 리프레시 처리의 실시 횟수를 억제하면서, 리프레시 처리의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 소정량 C만으로 판단한 경우와 비교하여, 리프레시 처리의 실시 필요 여부의 판단 정밀도를 한층 더 높일 수 있다.
또한, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 총량이 소정량 D를 초과하고 있는지의 여부의 총량 판정을, 도 3의 단계 S1의 판정 결과가 「No」인 경우에 실시하도록 하여, 그 총량 판정 결과가 「Yes」인 경우는 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행하고, 총량 판정 결과가 「No」인 경우는 도 3의 단계 S3, S5의 처리를 스킵하도록 해도 된다.
〈기타 운전 상태〉
상기 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)의 운전 상태가 아이들 운전 중일 때에 리프레시 처리의 필요 여부를 판정하는 예에 대하여 설명하였으나, 리프레시 처리의 필요 여부를 판정하는 타이밍은 그와 같은 운전 상태에 한정되는 것은 아니다. 이하, 다른 운전 상태의 예에 대하여 설명한다.
《간헐 운전》
간헐 운전은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)에 정전압 발전을 행하게 하는 것이고, 그때의 발전 전압은, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 산화 피막이 형성되는 전압이다. 따라서, 간헐 운전 중에는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 시간 경과와 함께 산화 피막량이 증대한다.
그래서, 간헐 운전 중에 있어서도, 컨트롤러(60)는, 도 3의 단계 S1과 동일한 리프레시 처리의 필요 여부 판정을 행하고, 그 판정 결과가 「Yes」인 경우, 즉, 리프레시 처리가 필요한 경우에, 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행한다.
또한, 리프레시 처리의 필요 여부 판정에 있어서는, 상기 아이들 운전시의 경우와 동일하게, Ⅱ형 산화 피막의 양, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량, Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량, 또는 Ⅰ형 산화 피막 및 Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 총량 중 어느 것을 이용하여 판정하는 것이 가능하다.
《소기 운전》
소기 운전도, 도 8에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)에 정전압 발전을 행하게 하는 것이고, 그때의 발전 전압은, 촉매층(24a)의 백금 촉매 표면에 산화 피막이 형성되는 전압이다. 따라서, 소기 운전 중에도, 도 9에 나타내는 바와 같이, 시간 경과와 함께 산화 피막량이 증대한다.
그러나, 컨트롤러(60)는, 소기 운전 중에는 도 3의 단계 S1과 동일한 리프레시 처리의 필요 여부 판정을 행하지 않고, 소기 운전의 계속 및 조기 운전 종료를 우선시킨다. 그리고, 소기 운전 종료시에, 도 3의 단계 S1과 동일한 리프레시 처리의 필요 여부 판정을 행하고, 그 판정 결과가 「Yes」인 경우, 즉, 리프레시 처리가 필요한 경우에, 도 3의 단계 S3 및 단계 S5의 리프레시 처리를 행한다.
또한, 리프레시 처리의 필요 여부 판정에 있어서는, 상기 아이들 운전시나 간헐 운전시의 경우와 동일하게, Ⅱ형 산화 피막의 양, Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량, Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량, 또는 Ⅰ형 산화 피막 및 Ⅱ형 산화 피막에 의한 성능 저하량의 총량 중 어느 것을 이용하여 판정하는 것이 가능하다.
산화 피막량(Ⅱ형 산화 피막의 양, 혹은 Ⅰ형 산화 피막과 Ⅱ형 산화 피막의 총량)의 추정 방법으로는, 이하에 예시하는 바와 같은 수단을 채용할 수도 있다.
(1) 연료전지(20)를 정전압 운전시키고 있을 때의 출력 전류의 시간 변화(도 10의 직선이나 파선의 기울기에 상당한다.)에 의거하여 산화 피막량을 추정한다. 이 경우, 정전압 운전시에 일정값으로 설정되는 전압마다, 출력 전류의 시간 변화(기울기)와 산화 피막량의 관계를 나타내는 맵을 예를 들면 컨트롤러(60) 내에 준비해 둔다.
(2) 연료전지(20)를 정전압 운전시키고 있을 때의 당해 정전압 운전의 계속 시간에 의거하여 산화 피막량을 추정한다(도 13 참조). 이 경우, 정전압 운전시에 일정값으로 설정되는 전압마다(도 13에서는 0.6V, 0.7V, 0.8V, 0.9V가 예시되어 있다.) 도 13에 나타내는 바와 같은 맵을 예를 들면 컨트롤러(60) 내에 준비해 둔다.
(3) 연료전지(20)의 출력 전압이 소정의 경계 전압에 상하로 걸친 횟수(사이클수)를 컨트롤러(60)로 계시(計時)해 두고, 그 횟수에 의거하여 산화 피막량을 추정한다(도 9 참조).
(4) 예를 들면 도 14에 나타내는 바와 같은 실험 결과에, Butler-Vollmer식에 산화 피막률의 개념을 추가한 이론식(수학식 1 참조)을 피팅시킨 식과, 연료전지(20)의 출력 전류(전류 밀도)로부터 산화 피막량을 추정한다. 또한, 산화 피막이 Ⅰ형 산화 피막뿐인 경우는 상수 n≒1이나, Ⅱ형 산화 피막의 비율이 증가하면 상수 n＞1이 되어, 그 비율이 증가함에 따라 상수 n도 커진다.
[수학식 1]
Figure pct00001
i : 전류 밀도
i0 : 교환 전류 밀도
n : 상수(fitting)
θ : 피막률
m : 상수(fitting)
β : 상수(고정)
F : 패러데이 상수
η : 과전압
R : 기체 상수
T : 온도
상술한 각 실시형태에 있어서, 단계 S5의 처리 후에 리프레시 처리의 효과를 확인하는 단계와, 리프레시 처리의 효과가 불충분한 경우에 실시하는 추가 처리로서, 리프레시 전압을 단계 S3에서 설정한 전압보다 낮은 전압으로 설정한 리프레시 처리를 실시하는 단계을 추가해도 된다.
즉, 본 발명의 제어장치는, 성능 회복 처리의 실시 후에 촉매층의 성능 회복량을 추정하고, 추정한 성능 회복량이 소정의 문턱값인 소정량 E(단, 소정량 E＜소정량 C) 이하인 경우에는, 설정 전압을 전회의 설정 전압보다 낮게 한 성능 회복 처리를 재실시하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 성능 회복 처리 후의 성능 회복이 불충분한 상태가 그대로 방치되는 것이 억제된다. 또한, 비록 연료전지의 출력 전압을 제 2 피막 제거 전압보다 낮은 제 3 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 3 산화 피막(Ⅲ형 산화 피막)이 존재한 경우에 있어서도, 그 제 3 산화 피막을 제거하는 것이 가능해진다.
상술한 각 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)을 차재 전원 시스템으로 이용하는 형태를 예시하였으나, 연료전지 시스템(10)의 이용 형태는, 이 예에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 연료전지 시스템(10)을 연료전지 차량 이외의 이동체(로보트, 선박, 항공기 등)의 전력원으로 탑재해도 된다. 또한, 본 실시형태에 관련되는 연료전지 시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전 설비(정치(定置)용 발전 시스템)로 이용해도 된다.
11 : 연료전지 시스템
12 : 연료전지
24a : 촉매층
25 : 막－전극 어셈블리
60 : 컨트롤러(제어장치)

Claims (6)

  1. 촉매층을 가지는 전극이 고분자 전해질막의 양면에 배치되어 이루어지는 막－전극 어셈블리를 포함하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 출력 전압을 소정 전압까지 저하시킴으로써 상기 촉매층의 성능 회복 처리를 실시하는 제어장치를 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 발전 중에 상기 촉매층에 형성되는 산화 피막이, 상기 연료전지의 출력 전압을 제 1 피막 제거 전압까지 저하시킴으로써 제거할 수 있는 제 1 산화 피막 외에, 상기 연료전지의 출력 전압을 상기 제 1 피막 제거 전압보다 낮은 제 2 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 2 산화 피막이 포함되어 있는 경우에, 상기 제 2 산화 피막의 양, 상기 제 1 및 제 2 산화 피막의 총량, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량, 또는 상기 제 1 및 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 적어도 하나를 추정하여, 그 추정량이 소정의 조건을 충족했을 때에만 상기 성능 회복 처리를 실시하는 것이고, 또한, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정하여 당해 성능 회복 처리를 실시하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막의 양이 소정량 A를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막의 양이 소정량 A 이하이며, 또한, 상기 제 1 산화 피막과 상기 제 2 산화 피막의 총량이 소정량 B를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량이 소정량 C를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량이 소정량 C 이하이며, 또한, 상기 제 1 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량과 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 총량이 소정량 D를 초과하고 있다고 판단한 경우에, 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 성능 회복 처리를 실시하는 연료전지 시스템.
  6. 촉매층을 가지는 전극이 고분자 전해질막의 양면에 배치되어 이루어지는 막－전극 어셈블리를 포함하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 출력 전압을 소정 전압까지 저하시킴으로써 상기 촉매층의 성능 회복 처리를 실시하는 제어장치를 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 발전 중에 상기 촉매층에 형성되는 산화 피막이, 상기 연료전지의 출력 전압을 제 1 피막 제거 전압까지 저하시킴으로써 제거할 수 있는 제 1 산화 피막 외에, 상기 연료전지의 출력 전압을 상기 제 1 피막 제거 전압보다 낮은 제 2 피막 제거 전압까지 저하시키지 않으면 제거할 수 없는 제 2 산화 피막이 포함되어 있는 경우에, 상기 제 2 산화 피막의 양 또는 상기 제 2 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 추정량이 소정의 문턱값을 기준으로 한 조건을 충족했을 때는 상기 소정 전압을 상기 제 2 피막 제거 전압 이하로 설정한 상기 성능 회복 처리를 실시하고, 상기 제 1 산화 피막의 양 또는 상기 제 1 산화 피막에 의한 상기 촉매층의 성능 저하량의 추정량이 상기 소정의 문턱값을 기준으로 한 조건을 충족해도 상기 성능 회복 처리를 실시하지 않는 연료전지 시스템.
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