KR101383682B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지를 구비하는 연료전지 시스템은, 연료전지의 발전시에, 연료전지의 애노드에 대하여 수소를 함유하는 연료가스를 공급함과 함께, 연료전지의 캐소드에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는, 발전시 가스 공급부를 구비한다. 또한, 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급 정지 후에, 연료전지의 애노드 전위 상승의 상태를 나타내는 정보인 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 애노드 전위 상승 정보 취득부를 구비한다. 또한, 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 애노드가 구비하는 촉매 금속의 형태 변화의 정도를 도출하는 애노드 형태 변화량 도출부를 구비한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지의 성능이 경시적으로 변화되는 요인의 하나에, 전극에 있어서의 촉매의 형태 변화를 들 수 있다. 연료전지용 전극은, 일반적으로, 백금 등의 촉매 금속을 카본 입자 등의 담체 상에 분산 담지한, 촉매 담지 입자를 구비하고 있다. 전극 촉매의 형태 변화란, 예를 들면, 상기 담체 상에 분산 담지된 촉매 금속 미립자가 응집하여, 전극 전체로서 촉매 금속의 표면적이 감소하는 것을 말한다. 이와 같은 전극 촉매의 형태 변화 및 그 정도를 검출하는 방법의 하나로서, 종래, 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry) 특성에 의거하여, 전극 촉매의 유효 면적을 검출되는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본국 특개2008-218097호 공보 일본국 특개2009-140751호 공보 일본국 특개2009-259481호 공보 일본국 특개2010-80166호 공보
그러나, 순환 전압 전류법 특성을 이용하여 전극 촉매의 유효 면적을 검출하는 경우에는, 연료전지 시스템과 함께, 순환 전압 전류법의 측정을 위한 측정기를 설치할 필요가 있다. 또한, 연료전지에 있어서의 통상의 발전 및 정지 동작을 행하지 않을 때에, 순환 전압 전류법의 측정 기회를, 특별히 만들 필요가 있었다.
본 발명은, 상기한 종래의 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 전극 촉매의 형태 변화 및 그 정도의 검출을, 간편하게 행하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 간편하게 검출한 전극 촉매의 형태 변화의 정도를 이용하여, 연료전지의 발전 제어를 적정화하는 것이다.
본 발명은, 상기 서술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 이하의 형태 또는 적용예로서 실시하는 것이 가능하다.
[적용예 1]
연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료전지의 발전시에, 상기 연료전지 애노드에 대하여 수소를 함유하는 연료가스를 공급함과 함께, 상기 연료전지의 캐소드에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는, 발전시 가스 공급부와,
상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 연료가스 및 상기 산화가스의 공급 정지 후에, 상기 연료전지의 애노드 전위 상승의 상태를 나타내는 정보인 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 애노드 전위 상승 정보 취득부와,
상기 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 상기 애노드가 구비하는 촉매 금속의 형태 변화의 정도인 애노드 형태 변화량을 도출하는 애노드 형태 변화량 도출부를 구비하는 연료전지 시스템.
적용예 1에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 전위 상승 정보의 취득을 행하기 때문에, 애노드 전위를 직접 검출되는 경우보다 용이하게, 연료전지의 발전 정지에 수반하는 애노드 전위의 상승을 검출할 수 있다. 또, 상기와 같이 하여 도출한 애노드 전위 상승에 의거하여 애노드 형태 변화량을 도출하기 때문에, 애노드 형태 변화량을 직접 검출할 필요가 없어, 용이하고 또한 간편하게, 애노드 형태 변화량을 아는 것이 가능하게 된다.
[적용예 2]
적용예 1에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 전위 상승 정보 취득부가 취득하는 상기 애노드 전위 상승 정보는, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이, 1회 일어난 것을 나타내는 정보인 연료전지 시스템. 적용예 2에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 간편한 정보에 의거하여, 애노드 형태 변화량을 용이하게 도출할 수 있다.
[적용예 3]
청구항 2에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 전압을 취득하는 전압 취득부를 더 구비하고, 상기 연료전지의 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 전압 취득부가 취득한 전압의 변동 패턴에 의거하여 생성되는 정보인 연료전지 시스템. 적용예 3에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 전압을 검출한다는 간편한 구성에 의해, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 4]
적용예 3에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 전압의 변동 패턴은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 상기 전압 취득부가 취득한 전압이, 저하의 상태에서 상승으로 바뀌고, 그 후, 다시 저하로 바뀌는 패턴인 연료전지 시스템. 적용예 4에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 발전 정지 후의 연료전지의 전압이, 저하의 상태에서 상승으로 바뀌고, 그 후, 다시 저하로 바뀐 것을 검출함으로써, 용이하게, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 5]
적용예 2에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간을 취득하는 경과 시간 취득부를 더 구비하고, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 경과 시간 취득부가 취득한 상기 경과 시간이, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 정해지는 제1 기준 시간이 경과했을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템. 적용예 5에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간을 검출한다는 간편한 구성에 의해, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 6]
적용예 5에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 제1 기준 시간은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승하여 안정될 때까지 필요한 시간인 연료전지 시스템. 적용예 6에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을, 정밀하게 검출할 수 있다.
[적용예 7]
적용예 5에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 제1 기준 시간은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 진행되는 애노드 형태 변화의 반응이 정지될 때까지 필요한 시간인 연료전지 시스템. 적용예 7에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 검출하는 동작에 대한 신뢰성을, 더욱 높일 수 있다.
[적용예 8]
적용예 2에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 내의 애노드 상에 형성되는 상기 연료가스의 유로에 있어서의 산소 분압을 도출하는 산소 분압 도출부를 더 구비하고, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 산소 분압 도출부가 도출한 상기 산소 분압이, 미리 정한 기준 분압을 넘었을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템. 적용예 8에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을, 정밀하게 검출할 수 있다.
[적용예 9]
적용예 2에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 연료가스 및 상기 산화가스의 공급 정지를 수반하는 상기 연료전지의 발전 정지 처리가 실행되었을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템. 적용예 9에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 간편한 동작에 의해, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 10]
적용예 9에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 발전 정지 처리는, 상기 연료전지 내의 연료가스의 유로에 대하여 공기를 공급하는 에어 퍼지 처리인 연료전지 시스템. 적용예 10에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 간편한 동작에 의해, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 11]
적용예 2 내지 10 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을 기억하는 애노드 형태 변화량 기억부를 더 구비하고, 상기 애노드 형태 변화량 도출부는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양으로서 도출되는 값을, 전회(前回) 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하는 연료전지 시스템. 적용예 11에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 간편한 동작에 의해, 애노드 형태 변화량을 도출할 수 있다.
[적용예 12]
적용예 11에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 온도를 취득하는 연료전지 온도 취득부를 더 구비하고, 상기 애노드 형태 변화량 도출부는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양을, 상기 연료전지의 온도에 의거하여 도출하는 연료전지 시스템. 적용예 12에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 형태 변화량을 도출하는 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[적용예 13]
적용예 1에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 전위 상승 정보 취득부는, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승함에 의한 애노드 형태 변화가, 상기 연료전지의 재기동에 의해 중단되지 않고 진행되었다고 판단하는 경우에는, 제1 애노드 전위 상승 정보로서, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보를 취득하고, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승함에 의한 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 도중에, 상기 연료전지의 재기동이 이루어졌다고 판단하는 경우에는, 제2 애노드 전위 상승 정보로서, 상기 연료전지의 재기동까지 진행한 애노드 형태 변화량을 나타내는 값을 취득하는 연료전지 시스템. 적용예 13에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 발전 정지 후에 진행되는 애노드 형태 변화가, 연료전지의 재기동에 의해 중단되는 경우와 그렇지 않은 경우를 구별하여, 애노드 형태 변화량을 도출할 수 있다.
[적용예 14]
적용예 13에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 전위 상승 정보 취득부는, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 상기 연료전지의 재기동이 없는 상태에서, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 정해지는 제1 기준 시간이 경과했을 때에, 상기 제1 애노드 전위 상승 정보를 취득하고, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 상기 제1 기준 시간보다 빠른 타이밍으로 설정된 제2 기준 시간이 경과했을 때로서, 상기 제1 기준 시간이 경과하기 전에, 상기 연료전지 재기동이 이루어졌을 때에, 상기 연료전지의 재기동이 이루어진 시간에 관한 정보를, 상기 제2 애노드 전위 상승 정보로서 취득하는 연료전지 시스템. 적용예 14에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 시간의 경과를 판단 기준으로서 이용한다는 간편한 구성에 의해, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
[적용예 15]
적용예 13 또는 14에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을 기억하는 애노드 형태 변화량 기억부를 더 구비하고, 상기 애노드 형태 변화량 도출부는, 상기 제1 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양으로서 도출되는 값을, 전회 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하고, 상기 제2 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에는, 상기 제2 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 상기 연료전지가 발전 정지하고 나서 재기동할 때까지 진행한 애노드 형태 변화량을 도출하고, 도출한 애노드 형태 변화량을, 전회 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하는 연료전지 시스템. 적용예 15에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 형태 변화량을, 정밀하게 도출할 수 있다.
[적용예 16]
적용예 1 내지 15 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 발전 중에, 상기 연료전지를 구성하는 단셀로서, 수소 부족에 기인하는 부전압(負電壓)이 된 단셀을 검출함과 함께, 당해 부전압이 된 단셀의 발전 조건을 검지하는 부전압 단셀 검지부와, 상기 발전 조건에 의거하여, 상기 부전압이 된 단셀에 있어서의 애노드 형태 변화량을 도출하는 부전압시 애노드 형태 변화량 도출부와, 상기 부전압시 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을, 상기 단셀마다 적산하여, 수소 부족에 기인하는 부전압에 의해 진행된 애노드 형태 변화량인 발전시 애노드 형태 변화량을 도출하는 발전시 애노드 형태 변화량 도출부를 더 구비하는 연료전지 시스템. 적용예 16에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 발전 정지 후에 진행되는 애노드 형태 변화량에 더하여, 연료전지의 발전 중에 진행되는 애노드 형태 변화의 양을, 단셀마다 도출할 수 있다.
[적용예 17]
적용예 1 내지 16 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 발전시에, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하도록, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 애노드에 대한 상기 연료가스의 공급과 관련되는 연료가스 공급 제어를 변경하는 전압 저하 억제부를 더 구비하는 연료전지 시스템. 적용예 17에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 형태 변화가 진행되는 경우이어도, 연료전지 성능의 저하를 억제할 수 있다.
[적용예 18]
청구항 16에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 발전시에, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하도록, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 애노드에 대한 상기 연료가스의 공급과 관련되는 연료가스 공급 제어를 변경하는 전압 저하 억제부를 더 구비하고, 상기 전압 저하 억제부는, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량이 제1 기준값 이상인 경우에는, 상기 애노드 형태 변화량에 의거하여, 상기 연료가스 공급 제어를 변경하고, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량이 상기 제1 기준값 미만인 경우로서, 상기 발전시 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 발전시 애노드 형태 변화량이 제2 기준값을 넘는 단셀이 존재하는 경우에는, 상기 발전시 애노드 형태 변화량이 상기 제2 기준값을 넘는 단셀의 전압이 기준 전압보다 낮아졌을 때에, 상기 연료가스 공급 제어를 변경하는 연료전지 시스템. 적용예 18에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지를 구성하는 단셀 중에, 애노드 형태 변화가 진행됨으로써 전압 저하가 시작되고 있는 단셀이 존재하는 경우에는, 연료전지 전체의 전압이 저하하기 이전에, 전압 저하를 억제하는 제어를 행할 수 있다. 그 때문에, 연료전지의 성능 저하를 억제하는 동작의 신뢰성을 높일 수 있다.
[적용예 19]
적용예 17 또는 18에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 압력 상승을 행하는 연료전지 시스템. 적용예 19에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료가스의 압력을 상승시킴으로써, 연료전지의 전압 저하를 억제할 수 있다.
[적용예 20]
적용예 17 또는 18에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 유량 증가를 행하는 연료전지 시스템. 적용예 20에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료가스의 유량을 증가시킴으로써, 연료전지의 전압 저하를 억제할 수 있다.
[적용예 21]
적용예 17 또는 18에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 가습량 증가를 행하는 연료전지 시스템. 적용예 21에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료가스의 가습량을 증가시킴으로써, 연료전지의 전압 저하를 억제할 수 있다.
[적용예 22]
적용예 1 내지 21 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 출력 전압이, 상한 전압을 넘지 않도록, 상기 연료전지의 발전 상태를 제어하는 고전위 회피 제어부와, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 상기 애노드의 전위 상승량을 도출하는 애노드 전위 상승량 도출부와, 상기 상한 전압을 위하여 미리 설정된 기준 상한 전압으로부터, 상기 애노드 전위 상승량 도출부가 도출한 상기 애노드의 전위 상승량을 감산한 값을, 상기 상한 전압으로서 설정하는 상한 전압 설정부를 더 구비하는 연료전지 시스템. 적용예 22에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지의 캐소드가 바람직하지 않은 정도로 고전위가 되는 것을 억제할 수 있다.
[적용예 23]
적용예 1 내지 22 중 어느 하나에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 애노드에 대한 공급 수소량의 부족에 기인하여 상기 연료전지의 전압이 하한 전압 이하가 되었을 때에, 수소가 부족한 상태에서의 발전 계속을 회피하기 위한 수소 결핍 운전 회피 제어를 실행하는 수소 결핍 운전 회피 제어부와, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 상기 애노드의 전위 상승량을 도출하는 애노드 전위 상승량 도출부와, 상기 하한 전압을 위하여 미리 설정된 기준 하한 전압으로부터, 상기 애노드 전위 상승량 도출부가 도출한 상기 애노드의 전위 상승량을 감산한 값을, 상기 하한 전압으로서 설정하는 하한 전압 설정부를 더 구비하는 연료전지 시스템. 적용예 23에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 수소 결핍 운전 회피 제어를, 과잉으로 실행하는 것을 억제할 수 있다.
[적용예 24]
적용예 23에 기재된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 수소 결핍 운전 회피 제어부는, 상기 수소 결핍 운전 회피 제어로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 유량을 증가시키는 제어를 행하는 연료전지 시스템. 적용예 24에 기재된 연료전지 시스템에 의하면, 과잉의 수소 결핍 운전 회피 제어를 억제할 수 있음으로써, 연료가스의 유량을 증가시키는 것에 기인하는 연료전지 시스템에 있어서의 시스템 효율의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명은, 상기 이외의 여러가지 형태로 실현 가능하고, 예를 들면, 애노드 형태 변화량의 도출 방법이나, 연료전지의 출력 저하 억제 방법, 연료전지의 고전위 회피 제어 방법, 또는, 연료전지의 수소 결핍 운전 회피 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1은 연료전지 시스템(10)의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 단셀(70)을 나타내는 분해 사시도,
도 3은 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 전압 추이의 모습을 나타내는 설명도,
도 4는 연료전지 전압의 변화와 함께, 애노드 전위 변화의 모습을 나타낸 설명도,
도 5는 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계를 나타내는 설명도,
도 6은 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 7은 다른 온도에서 발전 정지할 때의 애노드 촉매 표면적을 구하는 방법의 설명도,
도 8은 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 9는 발전 정지 후의 전압 거동의 다른 패턴의 일례를 나타내는 설명도,
도 10은 발전 정지 후의 경과 시간과 애노드 상 산소 분압의 관계를 나타내는 설명도,
도 11은 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 12는 연료전지 시스템(110)의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 13은 연료전지 시스템(210)의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 14는 전기자동차(90)의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 15는 연료전지 출력과, 연료전지 효율 및 보조기기 동력의 관계를 나타내는 설명도,
도 16은 연료전지 출력과, 연료전지 시스템 효율의 관계를 나타내는 설명도,
도 17은 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 18은 경과 시간과 애노드 형태 변화 속도의 관계를 나타내는 설명도,
도 19는 연료전지 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계를 나타내는 설명도,
도 20은 발전시 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 21은 애노드 형태 변화의 정도와 연료전지의 성능 저하량의 관계를 나타내는 설명도,
도 22는 연료전지에 있어서의 IV 특성을 나타내는 설명도,
도 23은 형태 변화 영향 억제 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 24는 연료가스 압력 상승량과, 성능 향상량의 관계를 나타내는 설명도,
도 25는 형태 변화 영향 억제 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 26은 고전위 회피 제어 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 27은 고전위 회피 상한 전압 보정 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 28은 연료전지의 IV 특성, 및, 전류와 캐소드 전위의 관계를 나타내는 설명도,
도 29는 연료전지의 IV 특성, 및, 전류와 캐소드 전위의 관계를 나타내는 설명도,
도 30은 연료전지 전압 및 캐소드 전위의 변동 모습의 일례를 나타내는 설명도,
도 31은 연료전지 전압 및 캐소드 전위의 변동 모습의 일례를 나타내는 설명도,
도 32는 수소 결핍 운전 회피 제어 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트,
도 33은 수소 부족 회피 하한 전압 보정 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다.
A. 연료전지 시스템(10)의 전체 구성 :
도 1은, 본 발명의 제1 실시예로서의 연료전지 시스템(10)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 연료전지 시스템(10)은, 연료전지(15)와, 수소 탱크(20)와, 컴프레서(30)와, 수소 차단 밸브(40)와, 가변 조압(調壓) 밸브(42)와, 수소 순환 펌프(44)와, 퍼지 밸브(46)와, 부하 접속부(51)와, 전압센서(52)와, 냉매 순환 펌프(60)와, 라디에이터(61)와, 냉매 온도 센서(63)와, 제어부(50)를 구비하고 있다.
연료전지(15)는, 고체고분자형의 연료전지이고, 발전체로서의 단셀(70)을 복수 적층한 스택 구조를 가지고 있다. 도 2는, 연료전지(15)를 구성하는 단셀(70)을 나타내는 분해 사시도이다. 단셀(70)은, MEA(막-전극 접합체, Membrane Electrode Assembly)(71)와, 가스 확산층(72, 73)과, 가스 세퍼레이터(74, 75)를 구비하고 있다. 여기서, MEA(71)는, 전해질막과, 전해질막의 각각의 면에 형성된 전극인 애노드 및 캐소드에 의해 구성된다. 이 MEA(71)는, 가스 확산층(72, 73)에 의해 협지(挾持)되어 있고, MEA(71) 및 가스 확산층(72, 73)으로 이루어지는 샌드위치 구조는, 양측으로부터 가스 세퍼레이터(74, 75)에 의해 더 협지되어 있다[단, 가스 확산층(72)은, 가스 확산층(73)이 배치되는 면의 이면에 배치되기 때문에, 도 2에서는 도시 생략].
MEA(71)를 구성하는 전해질막은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막으로서, 습윤상태에서 양호한 전자 전도성을 나타낸다. 캐소드 및 애노드는, 전해질막 상에 형성된 층이고, 전기 화학 반응을 진행하는 촉매 금속(예를 들면, 백금)을 담지하는 카본 입자와, 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질을 구비하고 있다. 가스 확산층(72, 73)은, 가스 투과성 및 전자 전도성을 가지는 부재에 의해 구성되어 있고, 예를 들면, 발포 금속이나 금속 메시(mesh) 등의 금속제 부재나, 카본 크로스(carbon cloth)나 카본 페이퍼 등의 카본제 부재에 의해 형성할 수 있다.
가스 세퍼레이터(74, 75)는, 가스 불투과성인 도전성 부재, 예를 들면, 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질(緻密質) 카본 등의 카본제 부재나, 프레스 성형한 스테인리스강 등의 금속제 부재에 의해 형성되어 있다. 가스 세퍼레이터(74, 75)는, MEA(71)와의 사이에 형성되는 반응 가스(수소를 함유하는 연료가스 또는 산소를 함유하는 산화가스)의 유로의 벽면을 이루는 부재로서, 그 표면에는, 가스 유로를 형성하기 위한 요철 형상이 형성되어 있다. 표면에 홈(88)이 형성된 가스 세퍼레이터(74)과 MEA(71)의 사이에는, 산화가스의 유로인 셀 내 산화가스 유로가 형성된다. 또한, 표면에 홈(89)이 형성된 가스 세퍼레이터(75)와 MEA(71)의 사이에는, 연료가스의 유로인 셀 내 연료가스 유로가 형성된다. 단셀(70)을 조립할 때에는, MEA(71)의 외주(外周)에 시일부(도시 생략)를 배치하여, 단셀(70) 내의 가스 유로의 시일성을 확보하면서, 가스 세퍼레이터(74, 75) 사이를 접합한다.
여기서, 가스 세퍼레이터(74, 75)에서는, 셀 내 가스 유로를 형성하기 위한 홈(88, 89)이 설치된 면의 이면에 있어서, 오목부(87)가 형성되어 있다[단, 가스 세퍼레이터(74)의 이면에 형성되는 오목부(87)는 도시 생략]. 이들 오목부(87)는, 가스 세퍼레이터(74, 75) 상에 가스 확산층(72, 73)이 배치되는 영역 전체와 겹치는 범위에 걸쳐 형성되어 있고, 인접하는 단셀(70) 사이에서, 냉매의 유로인 셀 간 냉매 유로를 형성한다. 또한, 셀 간 냉매 유로는, 각 단셀(70) 사이에 설치하는 것이 아니라, 예를 들면, 단셀(70)을 소정수 적층 할 때마다 설치하는 것으로 하여도 된다.
가스 세퍼레이터(74, 75)는, 그 외주 가까이의 서로 대응하는 위치에, 복수의 구멍부를 구비하고 있다. 단셀(70)을 복수 적층하여 연료전지를 조립하면, 각 세퍼레이터가 대응하는 위치에 설치된 구멍부는, 서로 겹쳐져서, 가스 세퍼레이터의 적층방향으로 연료전지 내부를 관통하는 유로를 형성한다. 구체적으로는, 구멍부(83)는, 각 셀 내 산화가스 유로에 산화가스를 분배하는 산화가스 공급 매니폴드를 형성하고, 구멍부(84)는, 각 셀 내 산화가스 유로로부터 산화가스가 집합하는 산화가스 배출 매니폴드를 형성한다. 또한, 구멍부(85)는, 각 셀 내 연료가스 유로에 연료가스를 분배하는 연료가스 공급 매니폴드를 형성하고, 구멍부(86)는, 각 셀 내 연료가스 유로로부터 연료가스가 집합하는 연료가스 배출 매니폴드를 형성한다.
또한, 구멍부(81)는, 각 셀 간 냉매 유로에 냉매를 분배하는 냉매 공급 매니폴드를 형성하고, 구멍부(82)는, 각 셀 간 냉매 유로로부터 냉매가 집합하는 냉매 배출 매니폴드를 형성한다.
본 실시예의 연료전지(15)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 단셀(70)을 복수 적층하여 이루어지는 적층체의 양단(兩端)에, 출력 단자를 구비하는 집전판(터미널)(78), 절연판(인슐레이터)(77), 엔드플레이트(76)를 순차 배치함으로써 형성된다. 또한, 연료전지(15)는, 도시 생략한 유지부재[예를 들면, 쌍방의 엔드플레이트(76)에 볼트로 결합된 텐션플레이트]에 의해, 단셀(70)의 적층방향으로 체결압이 인가된 상태로 보유된다.
연료전지 시스템(10)이 구비하는 수소 탱크(20)는, 연료가스로서의 수소가스가 저장되는 저장장치이고, 수소 공급 유로(22)를 거쳐 연료전지(15)의 수소 공급 매니폴드에 접속되어 있다. 수소 공급 유로(22) 상에 있어서, 수소 탱크(20)로부터 가까운 순으로, 수소 차단 밸브(40)와, 가변 조압 밸브(42)가 설치되어 있다. 가변 조압 밸브(42)는, 수소 탱크(20)로부터 연료전지(15)로 공급되는 수소압(수소량)을 조정 가능한 조압 밸브이다. 또한, 수소 탱크(20)는, 고압의 수소가스를 저장하는 수소 봄베라고 하는 것 외에, 수소 흡장 합금을 구비하여 수소 흡장 합금에 수소를 흡장시킴으로써 수소를 축적하는 탱크라고 할 수도 있다.
연료전지(15)의 수소 배출 매니폴드에는, 수소 배출 유로(24)가 접속되어 있다. 이 수소 배출 유로(24)에는, 퍼지 밸브(46)가 설치되어 있다. 또한, 수소 공급 유로(22)와 수소 배출 유로(24)를 접속하여, 접속 유로(25)가 설치되어 있다. 접속 유로(25)는, 가변 조압 밸브(42)보다 하류측에서 수소 공급 유로(22)에 접속하고, 퍼지 밸브(46)보다 상류측에서 수소 배출 유로(24)에 접속하고 있다. 접속 유로(25)에는, 유로 안을 수소가 순환할 때의 구동력을 발생하는 수소 순환 펌프(44)가 설치되어 있다.
수소 탱크(20)로부터 수소 공급 유로(22)를 거쳐 공급되는 수소는, 연료전지(15)에서 전기 화학 반응에 제공되어, 수소 배출 유로(24)로 배출된다. 수소 배출 유로(24)로 배출된 수소는, 접속 유로(25)를 경유하여, 다시 수소 공급 유로(22)로 유도된다. 이와 같이, 연료전지 시스템(10)에 있어서 수소는, 수소 배출 유로(24)의 일부, 접속 유로(25), 수소 공급 유로(22)의 일부, 및, 연료전지(15) 내에 형성되는 연료가스의 유로(이들 유로를 합쳐, 수소 순환 유로라고 부른다)를 순환한다. 또한, 연료전지(15)의 발전시에는, 통상은 퍼지 밸브(46)는 밸브 폐쇄되어 있으나, 순환하는 수소 중의 불순물(질소나 수증기 등)이 증가하였을 때에는 퍼지 밸브(46)는 적절하게 밸브 개방되어, 이것에 의해, 불순물 농도가 증가한 수소가스의 일부가 시스템의 외부로 배출된다. 또한, 전기 화학 반응의 진행에 의한 수소의 소비나, 퍼지 밸브(46)의 밸브 개방에 의해, 수소 순환 유로 내의 수소량이 부족할 때에는, 가변 조압 밸브(42)를 거쳐 수소 탱크(20)로부터 수소 순환 유로로 수소가 보충된다.
컴프레서(30)는, 외부로부터 공기를 도입하여 압축하고, 산화가스로서 연료전지(15)에 공급하기 위한 장치이고, 공기 공급 유로(32)를 거쳐, 연료전지(15)의 산화가스 공급 매니폴드에 접속되어 있다. 또한, 연료전지(15)의 산화가스 배출 매니폴드에는, 공기 배출 유로(34)가 접속되어 있다. 컴프레서(30)로부터 공기 공급 유로(32)를 거쳐 공급되는 공기는, 연료전지(15)에서 전기 화학 반응에 제공되어, 공기 배출 유로(34)를 거쳐 연료전지(15)의 외부로 배출된다.
상기한 바와 같이, 연료전지(15)의 발전시에는, 수소 탱크(20), 가변 조압 밸브(42) 및 수소 순환 펌프(44)가, 연료전지(15)의 애노드에 대하여 연료가스를 공급하고, 컴프레서(30)가, 연료전지(15)의 캐소드에 대하여 산화가스를 공급한다. 그 때문에, 이들 각 부는, 전체로서, 연료전지의 발전시에 연료전지의 애노드에 연료가스를 공급함과 함께 캐소드에 산화가스를 공급하는, 발전시 가스 공급부로서 기능한다.
연료전지(15)의 각 집전판(78)에는, 배선(56)을 거쳐 부하(57)가 접속되어 있다. 부하(57)는, 예를 들면, 2차 전지나, 전력소비장치(모터 등)로 할 수 있다. 또한, 이 배선(56)에는, 연료전지(15)와 부하(57) 사이의 접속을 가능하게 하거나 끊는 스위치로서의 부하 접속부(51)가 설치되어 있다. 부하 접속부(51)는, 연료전지(15)의 발전시에는, 연료전지(15)와 부하(57)가 접속되도록 전환되고, 연료전지(15)의 발전 정지시에는, 연료전지(15)와 부하(57)의 접속이 차단되도록 전환할 수 있다.
전압센서(52)는, 연료전지(15) 연료전지 전압(Vf)을 검출할 수 있는 센서이다. 또한, 전압센서(52)는, 연료전지(15)를 구성하는 개개의 단셀(70)의 전압을 검출할 수도 있다.
라디에이터(61)는, 냉매 유로(62)에 설치되어, 냉매 유로(62) 안을 흐르는 냉매를 냉각한다. 냉매 유로(62)는, 연료전지(15)의 이미 서술한 냉매 공급 매니폴드 및 냉매 배출 매니폴드에 접속되어 있다. 또한, 냉매 유로에는 냉매 순환 펌프(60)가 설치되어 있고, 냉매 순환 펌프(60)를 구동함으로써, 라디에이터(61)와 연료전지(15)의 사이에서 냉매를 순환시켜서, 연료전지(15)의 내부 온도를 조절 가능하게 되어 있다. 냉매 유로(62)에 있어서, 연료전지(15)의 냉매 배출 매니폴드와의 접속부 근방에는, 냉매의 온도를 검출되기 위한 냉매 온도 센서(63)가 설치되어 있다.
제어부(50)는, 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 논리 회로로서 구성되고, 자세하게는, 미리 설정된 제어프로그램에 따라 소정의 연산 등을 실행하는 CPU와, CPU에서 각종 연산 처리를 실행하는 데 필요한 제어 프로그램이나 제어 데이터 등이 미리 저장된 ROM과, 마찬가지로 CPU에서 각종 연산 처리를 하는 데 필요한 각종 데이터가 일시적으로 읽고 쓰기 되는 RAM과, 각종 신호를 입출력하는 입출력 포트 등을 구비한다. 제어부(50)는, 컴프레서(30), 수소 차단 밸브(40), 가변 조압 밸브(42), 부하 접속부(51), 수소 순환 펌프(44), 퍼지 밸브(46), 냉매 순환 펌프(60) 등에 대하여 구동 신호를 출력한다. 또한, 전압센서(52)나 냉매 온도 센서(63) 등으로부터, 검출 신호를 취득한다. 또한, 제어부(50)는, 소정 기간의 시간을 계측 가능한 타이머 기능을 가지고 있다.
도 1에서는, 연료전지 시스템(10)은, 부하(57)에 대하여 전력 공급하는 전원으로서 연료전지(15)만을 기재하고 있으나, 연료전지 시스템(10)은, 또한, 도시 생략한 2차 전지를 전원으로서 구비하고 있다. 이 2차 전지는, 연료전지(15)와 함께, 또는 단독으로, 부하(57)인 모터 등의 전력소비장치에 대하여 전력 공급하는 것이 가능하다. 또한, 이 2차 전지는, 잔존 용량이 저하하였을 때에는 연료전지(15)에 의한 충전이 가능하여, 충전시에는 연료전지(15)에 있어서 부하(57)가 된다. 또한, 이 2차 전지는, 연료전지(15)가 발전을 정지한 후에는, 제어부(50)를 비롯한 연료전지 시스템(10)의 각 부에 대하여, 전력을 공급한다.
B. 발전 정지시에 있어서의 애노드의 전위 상승 :
연료전지 시스템(10)에서는, 그 기동시에 연료전지(15)의 발전을 개시할 때에는, 제어부(50)가, 발전 개시를 위한 처리를 실행한다. 구체적으로는, 제어부(50)는, 연료전지 시스템(10)의 기동 지시 신호를 수신하면, 부하 접속부(51)를 제어하여 연료전지(15)와 부하(57)를 접속시킨다. 또한, 제어부(50)는, 수소 차단 밸브(40)를 밸브 개방시킴과 함께, 가변 조압 밸브(42)를 조정하고, 부하 요구에 의거하여 컴프레서(30)를 구동 제어함과 함께, 수소 순환 펌프(44) 및 냉매 순환 펌프(60)를 구동시킨다. 이것에 의하여, 연료전지(15)에 대한 연료가스 및 산화가스의 공급이 개시된다. 그리고, 예를 들면, 부하(57)가 모터인 경우에는, 부하(57)에 대해서도, 부하(57)를 구동하기 위한 구동 신호를, 부하 요구에 따라 출력한다.
또한, 연료전지(15)의 발전시에는, 제어부(50)는 또한, 퍼지 밸브(46)의 밸브 개방 제어를 적절히 행한다.
이에 반해, 연료전지(15)의 발전 정지시, 예를 들면, 연료전지 시스템(10)이 시스템 정지 요구를 수신하였을 때에는, 제어부(50)는, 발전 정지 처리를 행한다. 구체적으로는, 제어부(50)는, 부하 접속부(51)를 구동하여, 연료전지(15)와 부하(57)의 접속을 차단한다. 또한, 제어부(50)는, 수소 차단 밸브(40)를 밸브 폐쇄시킴과 함께, 수소 순환 펌프(44) 및 컴프레서(30)를 구동 정지시킴으로써, 연료전지(15)로의 연료가스 및 산화가스의 공급을 정지시킨다. 또한, 발전 정지 중에는, 퍼지 밸브(46)는 밸브 폐쇄 상태로 유지된다. 이것에 의해, 셀 내 연료가스 유로와, 연료가스 매니폴드와, 수소 차단 밸브(40)에 일단(一端)이 폐색(閉塞)된 수소 공급 유로(22)와, 퍼지 밸브(46)에 일단이 폐색된 수소 배출 유로(24)와, 접속 유로(25)로 이루어지는 연료가스의 유로(이하, 애노드 측 유로라고 부른다)는, 수소가 봉입된 상태가 된다. 또한, 상기와 같이 컴프레서(30)가 정지되었을 때에는, 셀 내 산화가스 유로와, 산화가스 매니폴드와, 공기 배출 유로(34)와, 컴프레서(30)에 의해 일단이 폐색된 공기 공급 유로(32)로 이루어지는 산화가스의 유로(이하, 캐소드 측 유로라고 부른다)는, 공기가 채워진 상태가 된다. 또한, 냉매 순환 펌프(60)는, 시스템 정지시에 있어서 최종적으로는 구동 정지된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 발전 정지시에 연료전지 온도에 의거하는 제어를 행하는 경우에는, 발전 정지 후 당분간은, 냉매 순환 펌프(60)의 구동을 계속하여도 된다.
이하에, 연료전지(15)의 발전 정지 후에 있어서의 연료전지의 전압 상승 및 전극에 있어서의 전위 상승에 대하여 설명한다. 도 3은, 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 전압 추이의 모습을 나타내는 설명도이다. 도 3에서는, 가로축에, 연료전지의 발전 정지시[가스 공급의 정지 및 부하(57)와의 접속 차단을 행하였을 때]로부터의 경과 시간을 나타내고, 세로축에, 연료전지(15)의 전압을 나타내고 있다. 시스템 정지시에, 연료전지(15)로의 연료가스 및 산화가스의 공급을 정지하여 발전을 정지하였을 때에는, 이미 서술한 바와 같이, 애노드 측 유로 내에는 연료가스(수소)가 봉입되고, 캐소드 측 유로 내에는 산화가스(공기)가 채워진 상태가 된다. 이러한 상태에서 연료전지(15)와 부하(57)의 접속이 차단되면, 연료전지(15)의 전압은, 어느 정도 높은 값(정지 직후는 OCV에 대응하는 값)을 나타낸다. 그 후, 각 단셀(70) 내에 있어서는, 전해질막을 거쳐 애노드 측에서 캐소드 측으로 수소가 확산되고, 확산된 수소와 캐소드 측의 공기(산소)가 캐소드 상에서 반응하여, 셀 내 산화가스 유로 내의 산소가 소비된다. 또한, 전해질막을 거쳐 캐소드 측에서 애노드 측으로의 산소의 확산도 진행되고, 이것들에 의해 셀 내 산화가스 유로 내의 산소가 감소되어, 연료전지(15)의 전압은 강하하기 시작한다. 애노드 측 유로에 봉입되는 수소량이 충분히 많은 경우에는, 상기와 같은 캐소드 측 유로 내의 산소량의 감소와 함께 연료전지(15)의 전압이 저하하여, 곧, 안정된 저전압 상태(예를 들면, 대략 0V)가 된다.
상기와 같이 셀 내 산화가스 유로 내의 산소가 소비되면, 캐소드 측 유로 내의 압력이 저하함으로써, 공기 배출 유로(34)에 있어서의 대기 개방된 단부(端部)로부터, 외기(공기)가 캐소드 측 유로 내로 유입된다. 이와 같은 공기의 유입에 의해, 연료전지(15)의 전압이, 재상승을 시작한다. 구체적으로는, 상기와 같이 캐소드 측 유로로 공기가 유입되면, 전해질막을 거쳐 캐소드 측에서 애노드 측으로 공기가 확산됨으로써, 애노드 상에 있어서 부분적으로 수소 농도가 높은 영역과 낮은 영역이 생겨 내부 전지가 형성된다. 이와 같이 내부 전지가 형성되면, 캐소드의 전위가 상승하여, 연료전지 전압이 상승을 시작한다(도 3에 있어서의 시간 TA). 내부 전지가 형성되는 상태란, 외부의 회로를 전자가 흐르지 않고, MEA(71) 면 내의 영역마다 진행되는 반응의 사이에서, 전자의 주고받음이 행하여지는 상태를 말한다.
구체적으로는, MEA(71)에 있어서, 애노드 상의 수소 농도가 높은 영역에서는, 통상의 전지 반응과 동일한 반응(수소로부터 프로톤과 전자가 생기는 애노드의 반응이나, 산소와 프로톤과 전자로부터 물이 생기는 캐소드의 반응)이 진행된다. 이에 반해, 애노드 상의 수소 농도가 낮은 영역에서는, 캐소드에 있어서, 캐소드의 구성 요소, 특히 촉매 담지 담체(본 실시예에서는 카본 입자)의 산화가 진행된다. 그리고, 이것들의 반응의 사이에서 전자의 주고받음이 행하여진다. 그 결과, 촉매 담지 담체의 산화에 의해, 촉매 담지 담체의 입경이나 비표면적이 변화하여, 캐소드의 형태 변화가 진행된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 연료전지의 전압이 재상승한 후에는, 연료전지의 전압은 다시 강하한다. 이러한 전압 강하는, 상기와 같이 내부 전지가 되는 반응이 진행되고, 애노드 측 유로 내에 봉입되어 있었던 수소가 소비되어, 전극에 있어서의 반응이 그 이상 일어나지 않게 됨으로써 일어난다. 상기와 같이 수소가 소비되는 동안에도, 외부로부터 캐소드 측 유로 안으로의 공기의 유입은 계속되기 때문에, 곧, 애노드 측 유로 안도 캐소드 측 유로 안도, 수소를 함유하지 않는 동일한 가스 조성이 된다. 즉, 동일하게 공기로 채워진 상태가 된다. 쌍방의 가스 유로가 동일하게 공기로 채워진 상태가 되면, 연료전지(15)의 전압은, 다시 안정된 저전압 상태(예를 들면, 대략 0V)가 된다.
시스템 정지 후, 연료전지(15)의 전압이 재상승할 때에는, 상기와 같이 캐소드가 고전위가 되어 있으나, 애노드의 전위도 또한 상승하고 있다. 통상의 발전시에는, 애노드에는 수소가 공급되어 있기 때문에, 애노드 전위는 대략 0V가 되어 있다. 연료전지 전압은 캐소드 전위와 애노드 전위의 차이기 때문에, 연료전지 전압은 캐소드 전위와 같아 진다. 이에 반해, 가스 공급의 정지를 수반하는 발전 정지 후에는, 상기와 같이 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입함으로써, 애노드의 전위가 상승을 시작한다. 도 4는, 도 3에 나타낸 시스템 정지 후의 연료전지(15) 전압의 변화의 모습과 함께, 애노드 전위의 변화의 모습을 나타낸 설명도이다. 도 4에서는, 연료전지 전압의 변화의 모습을 실선으로 나타냄과 함께, 애노드 전위의 변화의 모습을 파선으로 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 캐소드 측 유로 내의 산소가 소비되어 연료전지(15)의 전압이 대략 0V로 저하할 때까지는, 애노드 측 유로 내에는 충분량의 수소가 존재하여 산소가 거의 존재하지 않기 때문에, 애노드 전위는 대략 0V가 되어 있다. 그 후, 연료전지(15)의 전압이 재상승할 때에는, 캐소드 측 유로 내로 외기(공기)가 유입되고, 유입된 공기 중의 산소가 전해질막을 거쳐 애노드 측으로 확산된다. 이와 같이, 셀 내 연료가스 유로 중에 있어서의 산소 농도가 상승함에 따라, 애노드 전위가 상승한다. 이미 서술한 바와 같이, 애노드 측 유로 및 캐소드 측 유로가 동일하게 공기로 채워져서, 연료전지(15)의 전압이 다시 안정된 저전압 상태(대략 0V)가 될 때에는, 애노드 전위는, 캐소드 전위와 동등한 고전위 상태가 되어 있다.
연료전지(15)의 전압이 다시 안정된 저전압 상태(대략 0V)가 된 후에는, 애노드 전위와 캐소드 전위가 동등한 고전위가 되는 상태가 계속된다. 그리고, 연료전지 시스템(10)이 차회(次回)에 기동되어, 연료전지(15)에 대하여 연료가스 및 산화가스의 공급이 개시되면, 즉, 셀 내 연료가스 유로에 대한 수소의 공급이 개시되면, 애노드 전위가 대략 0V로 저하함과 함께 연료전지(15)의 전압이 상승한다.
상기와 같이, 시스템 정지시에 연료전지(15)의 발전이 정지되어, 애노드 전위가 상승하면, 애노드에 있어서 전극 촉매의 형태 변화가 진행된다. 전극 전위가 어느 정도 고전위가 되면, 담체인 카본 입자 상에 담지된 촉매 금속이 용출되고, 또한, 전극 전위가 고전위와 저전위의 사이에서 변동되면, 촉매 금속은 용출과 석출을 반복한다. 이와 같이, 촉매 금속이 용출되거나 석출됨으로써, 전극 촉매의 형태 변화가 진행된다. 애노드에 있어서는, 주로, 상기한 발전 정지시의 고전위화에 의해, 형태 변화가 일어난다. 이와 같이, 애노드 전위가 고전위가 되어, 촉매 금속이 용출되면, 담체 상에 담지된 촉매 금속이 감소되거나, 또는 응집되어, 담체 상에 분산 담지된 촉매 금속 미립자의 표면적이 감소된다.
연료전지 시스템(10)의 정지시에는, 이미 서술한 바와 같이, 고전위가 된 애노드 전위는, 차회 기동시까지 그 고전위 상태가 유지된다. 그러나, 고전위화에 따라 전극 촉매의 형태 변화가 진행되면, 곧, 촉매 금속의 표면에 산화 피막이 형성됨으로써 촉매 금속의 용출이 정지하고, 형태 변화의 진행도 멈춘다. 그 때문에, 애노드 전위가 고전위가 되는 기간, 즉, 연료전지 시스템(10)이 정지한 후에 차회 기동할 때까지의 기간과 상관없이, 연료전지 시스템이 정지할 때마다, 애노드에 있어서의 형태 변화는, 어느 정해진 양만큼 진행된다.
또한, 연료전지 시스템(10)이 차회에 기동되어, 연료전지(15)에 대하여 연료가스의 공급이 개시되면, 애노드의 촉매 금속 표면에 형성된 산화 피막은 바로 환원되어서 소멸하고, 촉매 금속은, 촉매로서의 활성을 회복한다.
C. 발전 정지시에 있어서의 애노드 촉매의 형태 변화량의 도출의 개요 :
도 5는, 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급의 정지를 수반하는 연료전지의 발전 정지 횟수와, 애노드 촉매의 형태 변화의 정도, 구체적으로는, 애노드 촉매의 표면적(애노드 촉매로서 기능할 수 있는 유효 표면적)의 관계를 나타내는 설명도이다. 이미 서술한 바와 같이, 시스템 정지시에 애노드 전위가 고전위가 되면, 애노드의 촉매 금속 표면에 산화 피막이 형성될 때까지 형태 변화가 진행된다. 그 때문에, 형태 변화 개시시(연료전지의 발전 정지시)의 애노드 촉매 표면적마다, 그 후에 애노드 전위의 고전위화가 1회 일어남에 의한 애노드 촉매 표면적의 감소량을 정할 수 있다. 따라서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 연료전지의 발전 정지 횟수와, 애노드 촉매 표면적의 관계를 정할 수 있다.
도 6은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)에 있어서 실행되는 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지 시스템(10)의 기동시에 기동된다. 본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승 정보를 취득하였는지의 여부를 판단한다(단계 S100). 애노드 전위 상승 정보란, 애노드의 전위 상승의 상태를 나타내는 정보로서, 예를 들면, 상기한 바와 같이, 발전시 가스 공급부에 의한 가스 공급의 정지를 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여진 것을 나타내는 정보라고 할 수 있다. 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여진 것을 나타내는 정보의 취득과 관련된 구체적인 동작에 대해서는, 뒤에서 자세하게 설명한다. 단계 S100에서는, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 때까지, 이 판단을 반복 실행한다. 단계 S100에 있어서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승 정보 취득부로서 기능한다.
단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승 정보를 취득하였다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 취득한 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 애노드 형태 변화의 정도인 애노드 형태 변화량을 도출하고, 도출한 애노드 형태 변화량을 기억한다(단계 S100). 본 실시예에서는, 제어부(50) 내에, 도 5에 나타내는 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계를 나타내는 맵을 기억하고 있다. 또한, 제어부(50) 내에는, 그때까지 행한 발전 정지의 횟수, 및, 현재의 애노드 형태 변화량을 나타내는 값을 기억하고 있다. 현재의 애노드 형태 변화량을 나타내는 값이란, 구체적으로는, 현재의 애노드 촉매 표면적이다.
단계 S110에서는, 그때까지의 발전 정지의 횟수로서 기억한 횟수(예를 들면, n회)에, 1회를 더 가하여(n + 1회), 발전 정지 횟수의 기억을 갱신한다. 그리고, 제어부(50) 내에 기억해 둔 상기 맵에 의거하여, 발전 정지 횟수가 (n + 1)회인 때의 애노드 촉매 표면적을 도출한다. 도 5에서는, 발전 정지가 n회 행하여졌을 때의 애노드 촉매 표면적이 값 A이고, 또한 발전 정지가 1회 더 행하여짐으로써, 애노드 촉매 표면적이 값 B로 감소되는 모습이 나타나 있다. 단계 S110에 있어서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 형태 변화량 도출부로서 기능한다.
또한, 도 5에서는, 애노드 촉매 표면적은, 발전 정지 횟수에 따라 일의적으로 정해지도록 나타나 있으나, 실제로는, 발전 정지 횟수 이외의 환경 요인, 예를 들면, 발전 정지시의 연료전지(15)의 온도(애노드의 온도)의 영향을 받는다. 애노드가 고전위화할 때에 촉매 금속이 용출되는 반응은 화학 반응이기 때문에, 연료전지(15)의 온도가 높을수록, 발전 정지 1회당 애노드 형태 변화량은 많아지고, 연료전지(15)의 온도가 낮을수록, 발전 정지 1회당 애노드 형태 변화량은 적어진다. 어떤 특정한 온도 조건 하에 있어서의 발전 정지 1회당 애노드 촉매 표면적의 감소량에 대하여, 다른 온도 조건 하에서 발전 정지를 1회 행할 때의 애노드 촉매 표면적 감소량이 변화되는 정도(비율)는, 상기 다른 온도 조건마다, 미리 정할 수 있다. 즉, 도 5에 나타내는 특정한 온도 조건(기준 온도 조건) 하에 있어서의 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계를 나타내는 맵에 대하여, 상기 기준 온도와는 다른 온도마다, 발전 정지 1회당 애노드 촉매 면적 감소량이 변화되는 비율을, 미리 정하여 기억해 두면 된다. 상기 기준 온도 조건에 있어서의 발전 정지 1회당 애노드 촉매 표면적 감소량에 대하여, 상기 다른 온도마다 구한, 발전 정지 1회당 애노드 촉매 표면적 감소량이 변화되는 비율을, 이하, 온도 감도 계수라고 부른다.
도 7은, 제어부(50)에 기억한 맵에 대응하는 기준 온도와는 다른 온도에서 발전 정지할 때의, 애노드 촉매 표면적을 구하는 방법을 나타내는 설명도이다. 이미 서술한 바와 같이, 그때까지의 발전 정지 횟수가 n회일 때에, 상기 기준 온도 조건에서 (n + 1)회째의 발전 정지를 행하면, 애노드 촉매 표면적은 값 A에서 값 B로 감소된다. 도 5 및 도 7에서는, 이와 같은 애노드 촉매 표면적의 감소 모습을, 화살표 α로 나타내고 있다. 이에 반해, 상기 기준 온도 조건보다 높은 온도 조건에서 (n + 1)회째의 발전 정지를 행하면, 애노드 촉매 표면적은, 값 A에서, 값 B보다 작은 값 C로 감소된다. 도 7에서는, 이러한 애노드 촉매 표면적의 감소 모습을, 화살표 β로 나타내고 있다. 상기한 높은 온도 조건에서 (n + 1)회째의 발전 정지를 행할 때의 애노드 촉매 표면적의 감소량은, 기준 온도 조건에 있어서의 애노드 촉매 표면적의 변화량을 나타내는 화살표 α의 기울기에 대하여, 상기한 높은 온도 조건에 대응하는 온도 감도 계수를 곱함으로써 구할 수 있다. 화살표 α의 기울기에 대하여 온도 감도 계수를 곱함으로써, 상기한 높은 온도 조건에 있어서의 애노드 촉매 표면적의 변화량을 나타내는 화살표 β의 기울기가 구해지고, 변화 전의 애노드 촉매 표면적인 값 A와 화살표 β의 기울기로부터, (n + 1)회째의 발전 정지를 행하였을 때의 애노드 촉매 표면적인 값 C를 구할 수 있다.
상기와 같이, 발전 정지시의 연료전지의 온도에 의거하여, 애노드 형태 변화량을 보정하여 도출하는 경우에는, 단계 S110에 있어서, 제어부(50)는, 연료전지(15)의 온도를 더 취득하면 된다. 연료전지(15)의 온도는, 예를 들면, 연료전지(15)로부터 배출된 냉매의 온도를 검지하는 냉매 온도 센서(63)의 검출 신호로서 취득하면 된다. 또한, 연료전지(15)의 온도를 검출하는 정밀도를 향상시키기 위해서는, 연료전지(15)의 발전을 정지할 때에, 단계 S110의 동작이 종료할 때까지는, 냉매 순환 펌프(60)의 구동을 계속하는 것이 바람직하다. 또는, 연료전지(15)에 있어서, 연료전지(15) 내의 온도를 직접 검출하기 위한 온도 센서를 설치하고, 이 온도 센서의 검출 신호를 취득하는 것으로 하여도 된다. 어느 경우이어도, 연료전지 내의 온도를 나타내는 값을, 직접적, 또는 간접적으로, 검지할 수 있으면 된다.
또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제어부(50)에 기억한 기준 온도 조건에 있어서의 맵에 대하여 온도 감도 계수에 의거하는 보정을 행하여, (n + 1)회째의 발전 정지 후의 애노드 촉매 표면적으로서 구해진 값 C는, 기준 온도 조건 하에서는, m회째의 발전 정지 후의 애노드 촉매 표면적에 해당한다. 그 때문에, 이러한 경우에는, 제어부(50)는, (n + 1)회째의 발전 정지를 행한 후에, 그때까지 행한 발전 정지의 횟수(적산 정지 횟수)를, (n + 1)회가 아니라 m회로 보정하여 기억한다. 그리고, 차회, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 실행할 때에는, 단계 S110에 있어서, 애노드 촉매 표면적이 값 C인 상태에서, (m + 1)회째의 발전 정지를 행하는 것으로서, 필요에 따라 온도 감도 계수에 의거하는 보정을 행하면서, 애노드 촉매 표면적의 도출을 행한다.
단계 S110에 있어서, 애노드 형태 변화량의 도출 및 기억을 행하면, 제어부(50)의 CPU는, 금회의 발전 정지가, 연료전지 시스템(10)의 정지에 의한 것인지의 여부를 판단한다(단계 S120). 상기한 설명에서는, 연료전지 시스템(10)의 정지에 수반하는 연료전지(15)의 발전 정지시에 있어서의 애노드 전위 상승에 대하여 설명하였으나, 연료전지 시스템(10)의 정지시 이외이어도, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지(15)의 발전 정지가 행하여지는 경우가 있다. 단계 S120에 있어서, 시스템 정지시는 아니라고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S100으로 되돌아간다. 단계 S120에 있어서, 시스템 정지시라고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 본 루틴을 종료한다. 또한, 연료전지 시스템(10)의 정지시 이외의, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지(15)의 발전 정지에 대해서는, 뒤에서 자세하게 설명한다.
또한, 상기 실시예에서는, 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적)을 구하기 위하여, 도 7에 나타낸 맵을 제어부(50) 내에 기억하고, 단계 S110에 있어서 참조하는 것으로 하였으나, 다른 구성으로 하여도 된다. 예를 들면, 도 7에 나타내는 맵 대신, 도 7의 맵에 나타낸 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계를 나타내는 근사식을 미리 구하여, 제어부(50) 내에 기억하는 것으로 하여도 된다. 이 경우에는, 단계 S110에서는, 기억해 둔 적산 정지 횟수(n회)에, 1회를 더 가한 횟수(n + 1회)를, 상기 근사식에 대입하여, 애노드 촉매 표면적을 구하면 된다. 이 경우에도, 연료전지 온도가 기준 온도와는 다른 경우에는, 이미 서술한 온도 감도 계수를 이용하면 된다. 구체적으로는, 근사식으로부터 구해지는 적산 정지 횟수 n회째의 애노드 촉매 표면적과, 적산 정지 횟수 (n + 1)회째의 애노드 촉매 표면적의 차에, 온도 감도 계수를 곱하여, 얻어진 값을, 상기 적산 정지 횟수 n회째의 애노드 촉매 표면적에 가산함으로써, 적산 정지 횟수 (n + 1)회째에 있어서의 실제 애노드 촉매 표면적을 도출할 수 있다.
D. 시스템 정지시에 있어서의 애노드 전위 상승 정보의 취득 :
D-1. 연료전지의 전압에 의거하는 취득 :
제1 실시예의 연료전지 시스템(10)에서는, 도 6의 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작을, 연료전지(15)의 전압에 의거하여 행한다. 이미 서술한 바와 같이, 발전시 가스 공급부에 의한 가스 공급의 정지를 수반하는 연료전지의 발전 정지가 행하여지면, 연료전지 전압은, 일단 저하한 후에 재상승하고, 그 후 다시 저하한다. 그리고, 이와 같은 연료전지 전압의 변화 패턴에 대응하여, 애노드 전위는, 소정의 타이밍에서 상승한다. 구체적으로는, 애노드 전위는, 셀 내 연료가스 유로로 유입되는 산소량의 증가에 따라 상승하기 때문에, 연료전지 전압이 재상승할 즈음부터 상승을 시작해, 연료전지 전압이 재상승하여 최대값을 취할 즈음에, 상승한 상태로 안정된다(도 4 참조). 이와 같이, 연료전지 전압의 변화 패턴에 대하여, 일정한 타이밍에서 애노드 전위가 상승하기 때문에, 연료전지 전압을 검출함으로써, 연료전지의 발전 정지에 수반하는 애노드 전위 상승이 행하여졌다고 추정할 수 있다. 이하에, 연료전지 전압에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작을 상세히 설명한다.
도 8은, 제1 실시예의 연료전지 시스템(10)에 있어서, 제어부(50)의 CPU가 단계 S100에 있어서 실행하는 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 먼저, 부하 접속부(51)에 있어서 연료전지(15)와 부하(57)의 접속이 차단되어 있는지의 여부를 판단한다(단계 S200). 단계 S200에서는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 행하여 졌는지의 여부를 판단하기 위하여, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되어 있는지의 여부를 판단하고 있다.
단계 S200에서, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되어 있다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 단위 시간당 연료전지 전압의 변화량인 전압 변화량 ΔVFC를 도출한다(단계 S210). 구체적으로는, 제어부(50)는, 전압센서(52)로부터, 소정의 미소한 시간 간격 ΔT로, 연료전지(15)의 전압을 취득하여 RAM에 기억한다. 그리고, 금회 검출한 연료전지 전압으로부터, 전회 검출한 연료전지 전압을 감산함으로써, 상기 미소한 시간 간격의 사이의 전압 변화량을 산출한다. 그 후, 상기 미소한 시간 간격의 사이의 전압 변화량을, 전압의 검출 간격인 시간 ΔT로 나눔으로써, 단위 시간당 연료전지 전압의 변화량인 전압 변화량 ΔVFC를 산출한다.
전압 변화량 ΔVFC를 산출하면, 제어부(50)의 CPU는, 구한 전압 변화량 ΔVFC가, 제1 기준값 ΔVst1보다 큰지의 여부를 판단한다(단계 S220). 이 단계 S220은, 연료전지 전압이 끝까지 내려간 후에 상승으로 바뀌었는지의 여부를 판단하기 위한 단계이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속을 차단하여 연료전지의 발전을 정지하면, 연료전지 전압은 그 후 저하를 계속하고, 시간 TA를 경과한 후에 상승으로 바뀐다. 그 때문에, 제1 기준값 ΔVst1은, 정(正)의 값이고, 시간 TA를 경과하여 전압 변화가 상승으로 바뀐 것을 판단 가능한 값으로서 설정되어 있다.
단계 S220에 있어서, 전압 변화량 ΔVFC가 제1 기준값 ΔVst1 이하라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S210으로 되돌아간다. 그리고, 전압 변화량 ΔVFC의 도출과, 제1 기준값 ΔVst1과의 비교 동작을 반복한다.
단계 S220에 있어서, 전압 변화량 ΔVFC가 제1 기준값 ΔVst1보다 크다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 다시 단위 시간당 연료전지 전압의 변화량인 전압 변화량 ΔVFC를 도출한다(단계 S230). 이 단계 S230의 동작은, 단계 S210과 동일한 동작이다. 그 후, 제어부(50)의 CPU는, 도출한 전압 변화량 ΔVFC가, 제2 기준값 ΔVst2보다 작은지의 여부를 판단한다(단계 S240). 이 단계 S240은, 연료전지 전압이 끝까지 내려간 후에 상승으로 바뀌고, 그 후 다시 하강을 시작하였는지의 여부를 판단하기 위한 단계이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속을 차단하여 연료전지의 발전을 정지하면, 연료전지 전압은 저하 후에 재상승하고, 피크를 지나면 다시 하강한다. 그 때문에, 제2 기준값 ΔVst2는, 부(負)의 값이고, 연료전지 전압이 다시 하강으로 바뀐 것을 판단 가능한 값으로서 설정되어 있다.
단계 S240에 있어서, 전압 변화량 ΔVFC가 제2 기준값 ΔVst2 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S230으로 되돌아간다. 그리고, 전압 변화량 ΔVFC의 도출과, 제2 기준값 ΔVst2와의 비교 동작을 반복한다.
단계 S240에 있어서, 전압 변화량 ΔVFC가 제2 기준값 ΔVst2보다 작다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 1회 행하여졌다고 판단하여(단계 S250), 본 루틴을 종료한다. 이때, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴의 단계 S100에서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하였다고 판단한다.
또한, 도 8의 단계 S200에 있어서, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되지 않았다고 판단될 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 행하여지지 않았다고 판단하여(단계 S260), 본 루틴을 종료한다. 이때, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴의 단계 S100에서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승 정보를 취득하지 않았다고 판단한다.
D-2. 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하는 취득 :
도 6의 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 따르는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작의 다른 구체예로서, 연료전지(15)의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하는 방법을 들 수 있다. 이하에, 연료전지 시스템(10)에 있어서, 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작을, 제2 실시예로서 설명한다.
부하 접속부(51)에 있어서의 접속을 차단하면서 연료전지(15)의 발전을 정지할 때에, 발전 정지로부터, 애노드 전위가 상승하여 안정되기 시작할 때까지의 경과 시간을, 경과 시간 TB(도 4 참조)라고 하면, 이 경과 시간 TB는, 발전 정지 후, 셀 내 산화가스 유로 및 전해질막을 경유하여 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입되는 데 필요한 시간에 따라 정해진다. 이와 같은, 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입되어 애노드 전위가 상승할 때까지의 경과 시간 TB는, 발전 정지시에 애노드 측 유로 내에 봉입되는 수소량이나, 발전 정지시에 캐소드 측 유로 내에 잔류하는 산소량, 연료전지가 구비하는 촉매량, 셀 내 연료가스 유로 및 셀 내 산화가스 유로의 형상, 일단이 대기 개방된 공기 배출 유로(34)의 형상 등의 영향을 받아, 연료전지 시스템마다 대략 일정한 값을 취한다. 그 때문에, 연료전지의 발전 정지 후, 애노드 전위가 상승할 때까지의 경과 시간 TB는, 사용하는 연료전지 시스템마다 미리 구할 수 있다. 그 때문에, 단계 S100에 있어서, 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 경우에는, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속의 차단을 수반하는 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간을 계측하고, 당해 경과 시간이, 상기와 같이 미리 정하여 제어부(50) 내에 기억한 기준 경과 시간인 경과 시간 TB에 도달하였는지의 여부를 판단하면 된다. 구체적으로는, 단계 S100에 있어서 제어부(50)의 CPU는, 제어부(50) 내에 구비하는 타이머를 사용하여 발전 정지로부터의 경과 시간을 취득하고, 취득한 경과 시간을, 기억해 둔 기준 경과 시간 TB와 비교하면 된다. 발전 정지 후의 경과 시간이, 기준 경과 시간 TB에 도달하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하였다고 판단되면 된다.
실시예의 연료전지 시스템(10)에서는, 공기 배출 유로(34)의 일단은 대기 개방되어 있다. 그 때문에, 이미 서술한 바와 같이, 연료전지의 발전 정지 후에 셀 내 연료가스 유로 내에 잔류하는 산소가 수소와 반응하여 소비되면, 바로 공기 배출 유로(34)를 통한 외기의 침입이 시작되어, 연료전지 전압 및 애노드 전위의 상승이 시작된다. 이에 반해, 공기 배출 유로(34)에 밀봉 밸브를 설치하고, 연료전지의 발전 정지시에는 이 밀봉 밸브를 밸브 폐쇄하여, 캐소드 측 유로와 외부 사이의 공기의 유통을 억제하는 것으로 하여도 된다. 또한, 필요에 따라, 공기 공급 유로(32) 측[예를 들면, 컴프레서(30) 안]에도 동일한 밀봉 밸브를 설치하여, 발전 정지시에는 이 밀봉 밸브를 밸브 폐쇄하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 하면, 연료전지의 발전 정지 후에, 캐소드 측 유로 내에 봉입된 산소가 소비되어도, 외부로부터의 공기의 침입이 억제되어, 셀 내 산화가스 유로 및 전해질막을 거친 셀 내 연료가스 유로로의 산소의 유입이 매우 느려진다. 그 때문에, 연료전지의 발전을 정지한 후, 공기의 유입에 기인하는 연료전지 전압의 상승 및 애노드 전위의 상승에 필요한 경과 시간을, 매우 길게 하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 경우이어도, 밀봉 밸브의 밀봉 능력 등을 더 고려함으로써, 애노드 전위가 상승할 때까지의 기준 경과 시간 TB를 구할 수 있어, 발전 정지로부터의 경과 시간에 의거하는 애노드 전위 상승 정보의 취득이 가능하게 된다.
또한, 연료전지 시스템의 구성에 따라서는, 연료전지의 발전 정지 후의 전압 변동의 패턴이, 도 4에 나타내는 바와 같이, 하강에서 상승으로 바뀐 후에, 상승에서 하강으로 바뀐다는 2개의 변곡점을 가지는 패턴을 나타내지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 연료전지의 발전 정지시에 애노드 측 유로 내에 봉입하는 수소압이 비교적 낮은(봉입하는 수소량이 비교적 적은) 경우에는, 발전 정지 후, 캐소드 상에서 수소와 반응하는 것에 의한 산소의 소비 속도가 늦어진다. 이러한 경우에는, 캐소드 측 유로 내에 잔류하는 산소가 소비되는 사이에, 공기 배출 유로(34)를 통한 공기(산소)의 유입이 서서히 진행되고, 연료전지 전압이 충분히 저하하여 저전압 상태가 되기 전에 전압 저하가 둔화되거나, 또는, 저전압 상태가 되기 전에 약간의 전압 상승으로 변하여, 고전압 상태가 비교적 오래 계속되는 전압 거동을 나타내는 경우가 있다. 이와 같은 전압 거동의 일례를, 도 9에 나타낸다. 또한, 도 9에는, 발전 정지 후의 전압 거동이 이와 같은 패턴을 나타낼 때의, 애노드 전위 상승의 모습을 함께 나타낸다. 도 9와 같이 다른 전압 변동 패턴을 나타내는 연료전지 시스템이어도, 애노드 전위의 상승까지의 기준 경과 시간 TB를 동일하게 도출하여 기억해 두는 것이 가능하고, 발전 정지로부터의 경과 시간을, 상기 기준 경과 시간 TB와 비교함으로써, 단계 S100에 있어서의 애노드 전위 상승 정보의 취득이 가능하게 된다. 또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 전압 변동 패턴이 명확한 변곡점을 나타내지 않는 경우에는, 연료전지 전압을 검출하여, 예를 들면, 단위 시간당 전압 변화량에 의거하여 애노드 전위 상승을 검지하는 것은 곤란해질 가능성이 있으나, 경과 시간에 의거함으로써, 용이하고 정밀하게, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
또한, 연료전지의 발전 정지로부터 애노드 전위 상승까지에 필요한 기준 경과 시간 TB는, 이미 서술한 바와 같이 연료전지 시스템의 구성에 의해 정해지나, 또한, 발전 정지시의 연료전지의 온도의 영향도 받는다. 촉매 상에서 진행되는 화학반응의 속도는 온도의 영향을 받기 때문에, 온도가 변화되면, 캐소드 상에 있어서의 산소의 소비 속도 등이 변화되기 때문이다. 그 때문에, 연료전지 시스템의 사용 환경이 온도 변화하는 경우에는, 발전 정지 후에 애노드 전위 상승할 때까지의 기준 경과 시간 TB는, 발전 정지시의 연료전지 온도에 대응한 맵으로서 제어부(50) 내에 기억해 두는 것이 바람직하다. 그리고, 도 6의 단계 100에서는, 제어부(50)의 CPU는, 연료전지의 온도를 취득함과 함께 상기 맵을 참조함으로써, 금회 정지시에 애노드 전위 상승까지 필요한 기준 경과 시간 TB를 구하고, 실측한 경과 시간과의 비교를 행하면 된다. 연료전지의 온도는, 이미 서술한 바와 같이, 냉매 온도 센서(63)의 검출 신호나, 연료전지의 내부 온도를 검출되기 위해 별도 설치한 온도 센서의 검출 신호에 의해 취득하면 된다.
또한, 상기 설명에서는, 발전 정지로부터의 경과 시간에 의거하여, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 정보를 취득하기 위한 기준 경과 시간을, 애노드 전위가 상승하여 안정되기 시작할 때까지의 경과 시간 TB라고 하였으나, 다른 구성으로 하여도 된다. 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여, 발전 정지 1회 분의 애노드 형태 변화가 진행되었다고 판단 가능해지도록 미리 정한 기준 경과 시간이면 된다. 예를 들면, 연료전지의 발전 정지 후에, 연료전지 전압이 일단 저하하여 재상승하고, 연료전지 전압이 피크에 도달할 때까지 필요한 시간을, 기준 경과 시간으로서 설정해도 된다. 또는, 연료전지 전압이, 발전 정지 후에 재상승한 후에 다시 저하하여 대략 0이 될 때까지 필요한 시간을, 기준 경과 시간으로서 설정해도 된다.
또한, 발전 정지 후에, 애노드 형태 변화가 진행되어, 촉매 금속 표면이 산화 피막으로 덮여 애노드 형태 변화의 반응이 정지할 때까지 필요한 시간(도 4에 있어서, 기준 경과 시간 TC로 나타낸다)을, 기준 경과 시간으로서 설정해도 된다. 기준 경과 시간 TC도 또한, 연료전지 시스템마다 미리 도출할 수 있다. 구체적으로는, 발전 정지 후, 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적 저하량이나 애노드 촉매 금속의 용출량)을 경시적으로 측정함으로써, 애노드 형태 변화가 종료할 때까지 필요한 경과 시간으로서, 기준 경과 시간 TC를 도출하면 된다. 이와 같은 구성으로 하면, 발전 정지시의 애노드 전위 상승에 수반하는 1회 분의 애노드 형태 변화가 완료된 것을 검출하게 되기 때문에, 애노드 형태 변화량 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 애노드 전위가 상승을 시작할 때까지의 경과 시간뿐만 아니라, 촉매 금속 표면이 산화 피막으로 덮일 때까지의 경과 시간도, 온도의 영향을 받는다.그 때문에, 기준 경과 시간 TC에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 경우에도, 기준 경과 시간 TC는, 발전 정지시의 연료전지 온도에 대응한 맵으로서 기억해 두고, 발전 정지시의 온도를 더 참조하여, 단계 S100의 판단을 행하는 것으로 하면 된다.
D-3. 애노드 상의 산소 분압에 의거하는 취득 :
도 6의 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작의 또 다른 구체예로서, 연료전지(15)의 발전 정지 후의 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 분압에 의거하는 방법을 들 수 있다. 애노드 전위는, 애노드가 놓여진 환경 중의 산소 분압, 구체적으로는, 셀 내 연료가스 유로 중의 산소 분압에 의해 정해진다. 그 때문에, 셀 내 연료가스 유로 내의 산소 분압을 도출함으로써, 애노드 전위의 상승을 검출할 수 있다. 이하에, 셀 내 연료가스 유로 내의 산소 분압에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작을, 제3 실시예로서 설명한다.
제3 실시예의 연료전지 시스템은, 이미 서술한 연료전지 시스템(10)과 동일한 구성을 가지고 있으나, 또한, 도시 생략한 산소 농도 센서 및 압력센서를 가지고 있다. 산소 농도 센서는, 셀 내 연료가스 유로에 설치되어, 셀 내 연료가스 유로 내의 산소 농도를 검출한다. 압력센서는, 셀 내 연료가스 유로에 설치되어, 셀 내 연료가스 유로 내의 가스의 전체 압력을 검출한다. 상기와 같이 검출된 산소 농도와 가스의 전체 압력에 의거하여, 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 분압이 산출된다.
도 10은, 발전시 가스 공급부에 의한 가스의 공급 정지를 수반하는 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간과, 애노드 상 산소 분압의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 10에 나타낸 경과 시간에 대한 애노드 상 산소 분압의 변화의 거동은, 경과 시간에 대한 애노드 전위의 변화의 거동과 대략 일치한다. 그 때문에, 애노드 상 산소 분압을 도출함으로써, 애노드 전위의 상승을 검출할 수 있다.
도 11은, 제3 실시예의 연료전지 시스템(10)에 있어서, 제어부(50)의 CPU가 단계 S100에 있어서 실행하는 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 도 11에서는, 도 8과 공통되는 공정에는 동일한 공정 번호를 붙이고 있고, 공통되는 공정에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 먼저, 부하 접속부(51)에 있어서 연료전지(15)와 부하(57)의 접속이 차단되어 있는지의 여부를 판단한다(단계 S200). 단계 S200에서, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되어 있다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 상 산소 분압 Pao를 도출한다(단계 S310). 구체적으로는, 제어부(50)의 CPU는, 산소 농도 센서로부터 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 농도를 취득함과 함께, 압력센서로부터 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 가스의 전체 압력을 취득한다. 그리고, 제어부(50)의 CPU는, 측정한 산소 농도 및 가스의 전체 압력에 의거하여, 셀 내 연료가스 유로 내에서의 산소 분압인, 애노드 상 산소 분압 Pao를 도출한다.
애노드 상 산소 분압 Pao를 도출하면, 제어부(50)의 CPU는, 구한 애노드 상 산소 분압 Pao가, 기준 산소 분압 Pst보다 큰지의 여부를 판단한다(단계 S320). 기준 산소 분압 Pst는, 대응하는 애노드 전위가, 애노드 형태 변화를 일으키는 정도로 충분히 높아진 것을 판단하기 위한 값으로서, 미리 정하여 제어부(50) 내에 기억되어 있다.
단계 S320에 있어서, 애노드 상 산소 분압 Pao가 기준 산소 분압 Pst 이하라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S310으로 되돌아간다. 그리고, 애노드 상 산소 분압 Pao의 도출과, 기준 산소 분압 Pst의 비교 동작을 반복한다.
단계 S320에 있어서, 애노드 상 산소 분압 Pao가 기준 산소 분압 Pst보다 크다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 1회 행하여졌다고 판단하여(단계 S250), 본 루틴을 종료한다.
또한, 1개의 단셀에 있어서의 셀 내 연료가스 유로에 있어서도, 산소 농도는 균일하지 않다. 예를 들면, 산화가스 배출 매니폴드에 위치적으로 가까운 영역일수록, 산소 농도가 빨리 높아지기 때문에, 애노드면 내에 있어서 엄밀하게는 전위의 불균일이 생긴다. 또, 연료전지(15)를 구성하는 각각의 단셀끼리 비교하면, 예를 들면, 공기 배출 유로(34)에 가까운 단부의 단셀일수록, 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 농도는 빨리 높아진다. 그 때문에, 예를 들면, 연료전지(15)의 중간 정도에 배치된 단셀 내의, 셀 내 연료가스 유로의 중간 정도의 위치에 산소 농도 센서를 설치하면, 연료전지(15) 전체의 평균적인 애노드 상 산소 농도를 검출할 수 있다. 그리고, 이렇게 하여 검출한 애노드 상 산소 농도에 의거하여 도출한 평균적인 산소 분압을 이용하면, 연료전지(15) 전체의 평균적인 타이밍에서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다.
또한, 공기 배출 유로(34)와의 접속부에 가장 가까운 단부 셀의 셀 내 연료가스 유로에 있어서의, 산화가스 배출 매니폴드에 가까운 위치는, 연료전지(15) 전체의 셀 내 연료가스 유로 내에서, 산소 농도가 가장 빨리 높아지는 위치라고 할 수 있다. 그 때문에, 이러한 위치에 산소 농도 센서를 설치하여 검출한 산소 농도를 이용하면, 가장 빨리 애노드 전위의 상승을 검출할 수 있다. 그리고, 연료전지(15) 전체 중에서 가장 빨리 애노드 형태 변화가 진행되는 위치의 상태에 의거하여, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다. 또한, 연료전지(15) 전체의 평균적인 값으로서 애노드 상 산소 농도를 측정하고 싶은 경우에는, 연료전지(15)에 있어서, 공기 배출 유로(34)와의 접속부로부터의 거리가 다른 복수의 위치에 배치된 단셀 내의 각각에 산소 농도 센서를 설치하여, 각각의 센서의 검출 값의 평균을 구하는 것으로 하여도 된다.
또한, 애노드 상 산소 분압을 도출할 때에, 애노드 상 산소 농도를 직접적 또는 간접적으로 취득할 수 있으면, 셀 내 연료가스 유로에 설치한 산소 농도 센서를 사용하는 이외의 방법에 의해, 애노드 상 산소 농도를 취득해도 된다. 예를 들면, 셀 내 연료가스 유로에 존재할 수 있는 산소 이외의 가스의 농도를 검출하는 센서를 설치하여, 산소 이외의 가스 농도를 검출함으로써, 애노드 상 산소 농도를 도출해도 된다.
D-4. 발전 정지 처리의 실행에 의거하는 취득 :
도 6의 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작의 또 다른 구체예로서, 연료전지의 발전 정지시에 행하여지는 특정한 발전 정지 처리의 실행에 의거하는 방법을 들 수 있다. 이하에, 특정한 발전 정지 처리가 실행되는 횟수(특정한 발전 정지 처리가 실행되었다는 사실)에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 여러가지 동작에 대하여, 순차 설명한다.
D-4-1. 연료전지 시스템(10)에 있어서의 정지 처리 :
제4 실시예의 연료전지 시스템(10)에 있어서는, 제어부(50)의 CPU는, 시스템 정지의 지시를 취득하면, 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급을 정지하는 공정과, 부하 접속부(51)에 있어서 연료전지(15)와 부하(57)의 접속을 차단한다는 공정을 포함하는 발전 정지 처리를 실행한다. 따라서, 제4 실시예에서는, 도 6의 단계 S100에 있어서, 연료전지 시스템 정지에 수반하는 이들 일련의 발전 정지 처리가 행하여 졌는지의 여부를 판단한다. 그리고, 상기 일련의 발전 정지 처리가 행하여진 경우에는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득했다고 판단한다. 또한, 상기 일련의 처리가 행하여지지 않은 경우에는, 단계 S100에 있어서 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승 정보를 취득하지 않는다고 판단한다.
D-4-2. 연료전지 시스템(110)에 있어서의 정지 처리 :
연료전지 시스템의 구성에 따라서는, 연료전지 시스템의 발전 정지 처리는, 여러가지 양태를 취하는 것이 가능하다. 도 12는, 연료전지 시스템(10)과는 다른 발전 정지 처리를 실행하는 제5 실시예의 연료전지 시스템(110)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 연료전지 시스템(110)은, 발전 정지 처리와 관련되는 구성 이외는 연료전지 시스템(10)과 동일한 구성을 가지고 있다. 도 12에서는, 연료전지 시스템(10)과 공통되는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고 있고, 이하에서는, 발전 정지 처리와 관련되는 구성에 대해서만 설명한다.
연료전지 시스템(110)은, 공기 공급 유로(32)와 수소 공급 유로(22)를 접속하는 퍼지 유로(136)를 구비하고 있다. 이 퍼지 유로(136)는, 가변 조압 밸브(42)보다 하류의 위치에서 수소 공급 유로(22)와 접속하고 있다. 또한, 연료전지 시스템(110)에 있어서, 공기 공급 유로(32)에는, 퍼지 유로(136)와의 접속부보다 하류의 위치에 개폐 밸브(137)가 설치되어 있고, 퍼지 유로(136)에는 개폐 밸브(138)가 설치되어 있다. 상기 공기 공급 유로(32)에 설치된 개폐 밸브(137)는, 연료전지(15)의 발전시에는 밸브 개방되고, 시스템 정지시에는 밸브 폐쇄된다. 또한, 퍼지 유로(136)에 설치된 개폐 밸브(138)는, 후술하는 바와 같이, 연료전지(15)의 발전시에는 밸브 폐쇄되고, 시스템 정지시에는 일시적으로 밸브 개방된다.
연료전지 시스템(110)에서는, 제어부(50)의 CPU는, 시스템 정지의 지시를 취득하면, 발전 정지 처리로서, 발전시 가스 공급부에 의한 가스 공급을 정지하는 공정과, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속 차단의 공정과 함께, 애노드 측 유로를 공기로 퍼지하는(애노드 에어 퍼지) 공정을 행한다. 애노드 에어 퍼지 공정이란, 구체적으로는, 컴프레서(30)의 구동을 계속한 상태에서, 개폐 밸브(137)를 밸브 폐쇄함과 함께, 개폐 밸브(138)을 밸브 개방한다. 또한, 수소 배출 유로(24)의 퍼지 밸브(46)를 밸브 개방한다. 이것에 의해, 컴프레서(30)로부터 공급되는 공기는, 캐소드 측 유로로 공급되지 않고, 퍼지 유로(136)를 경유하여 애노드 측 유로로 유입된다. 이때, 퍼지 밸브(46)가 밸브 개방되어 있기 때문에, 컴프레서(30)로부터의 공기의 공급을 당분간 계속함으로써, 애노드 측 유로 내의 가스가, 공기로 치환된다. 상기 애노드 에어 퍼지 공정이 개시된 후, 애노드 측 유로 내를 공기로 치환하기 위한 시간으로서 설정된 시간이 경과하면, 제어부(50)의 CPU는, 컴프레서(30)를 정지하고, 개폐 밸브(138) 및 퍼지 밸브(46)를 밸브 폐쇄하여, 애노드 에어 퍼지 공정을 종료한다. 또한, 상기한 애노드 에어 퍼지 공정에서는, 컴프레서(30)의 구동이 계속되고 있으나, 캐소드 측 유로로의 공기의 공급은 정지되어 있고, 연료전지(15)의 발전도 정지되어 있다. 그 때문에, 애노드 에어 퍼지 공정에 있어서 애노드 측 유로로 공기를 공급하는 컴프레서(30)는, 「연료전지의 발전시에 연료전지 애노드 측에 연료가스를 공급함과 함께 캐소드에 산화가스를 공급하는 발전시 가스 공급부」를 구성하지 않는다.
상기와 같이 애노드 에어 퍼지를 행하면, 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 농도가 급격하게 상승하여, 애노드 전위가 상승한다. 그리고, 캐소드 측 유로도 애노드 측 유로도 공기로 채워져서, 캐소드도 애노드도 모두, 고전위의 상태로 안정된다. 이때, 캐소드 및 애노드에서는, 촉매 금속의 표면이 산화 피막으로 덮일 때까지 형태 변화가 진행된다.
따라서, 제5 실시예의 연료전지 시스템(110)에서는, 도 6의 단계 S100에 있어서, 연료전지 시스템의 정지시 처리로서의 이들 일련의 발전 정지 처리가 행하여 졌는지의 여부를 판단하면 된다. 그리고, 상기 일련의 발전 정지 처리가 행하여진 경우에는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 된다. 또한, 애노드 에어 퍼지를 수반하는 시스템 정지를 행하면, 바로 애노드 측 유로에 산소가 유입됨으로써, 연료전지의 발전 정지의 처리를 개시하고 나서, 연료전지의 발전 정지 1회 분의 애노드 형태 변화가 진행될 때까지의 시간이 짧아진다. 그러나, 애노드 에어 퍼지를 행하면, 애노드 상에 수소와 산소가 존재함으로써 내부 전지가 형성되는 기간을 매우 짧게 할 수 있어, 시스템 정지시에 있어서 캐소드 전위가 매우 높아지는 것을 억제 가능하게 된다.
D-4-3. 연료전지 시스템(210)에 있어서의 정지 처리 :
도 13은, 연료전지 시스템(10, 110)과는 다른 발전 정지 처리를 실행하는 제6 실시예의 연료전지 시스템(210)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 연료전지 시스템(210)은, 발전 정지 처리와 관련되는 구성 이외는 연료전지 시스템(10)과 동일한 구성을 가지고 있다. 도 13에서는, 연료전지 시스템(10)과 공통되는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고 있고, 이하에서는, 발전 정지 처리와 관련되는 구성에 대해서만 설명한다.
연료전지 시스템(210)은, 질소 탱크(239)를 구비함과 함께, 질소 탱크(239)와 수소 공급 유로(22)를 접속하는 퍼지 유로(236)를 구비하고 있다. 이 퍼지 유로(236)는, 가변 조압 밸브(42)보다 하류의 위치에서 수소 공급 유로(22)와 접속하고 있다. 또한, 퍼지 유로(236)에는, 질소 탱크(239)와의 접속부 근방에 있어서, 개폐 밸브(238)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(238)는, 연료전지(15)의 발전시에는 밸브 폐쇄되어 있고, 시스템 정지시에는 일시적으로 밸브 개방된다.
연료전지 시스템(210)에서는, 제어부(50)의 CPU는, 시스템 정지의 지시를 취득하면, 발전 정지 처리로서, 발전시 가스 공급부에 의한 가스 공급을 정지하는 공정과, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속 차단의 공정과 함께, 애노드 측 유로를 질소 가스로 퍼지하는(애노드 질소 퍼지) 공정을 행한다. 애노드 질소 퍼지 공정이란, 구체적으로는, 개폐 밸브(238)를 밸브 개방함과 함께, 퍼지 밸브(46)를 밸브 개방하여, 질소 탱크(239) 내의 질소를, 퍼지 유로(236)를 거쳐 애노드 측 유로로 공급하여, 애노드 측 유로 내의 가스를, 질소 가스로 치환하는 공정을 말한다. 상기 애노드 질소 퍼지 공정이 개시된 후, 애노드 측 유로 내를 질소 가스로 치환하기 위한 시간으로서 설정된 시간이 경과하면, 제어부(50)의 CPU는, 개폐 밸브(238) 및 퍼지 밸브(46)를 밸브 폐쇄하여, 애노드 질소 퍼지 공정을 종료한다.
상기와 같이 애노드 질소 퍼지를 행하면, 당분간은, 애노드 전위는 대략 0V의 상태를 유지한다. 이러한 발전 정지 상태에 있어서는, 전해질막을 거쳐, 셀 내 산화가스 유로와 셀 내 연료가스 유로의 사이에서, 농도 차에 따라 가스의 이동이 일어난다. 즉, 산소 농도가 높은 셀 내 산화가스 유로로부터, 셀 내 연료가스 유로로 산소가 이동한다. 또한, 질소 농도가 높은 셀 내 연료가스 유로로부터, 셀 내 산화가스 유로로 질소가 이동한다. 그리고, 최종적으로는, 셀 내 산화가스 유로도 셀 내 연료가스 유로도 모두, 거의 동일한 성분의 가스(공기)에 의해 채워진 상태가 된다. 이와 같이, 셀 내 연료가스 유로에 있어서의 산소 농도가 상승함에 따라 애노드 전위가 상승하고, 곧 애노드 전위는 고전위 상태로 안정된다. 그리고, 애노드에 있어서는, 촉매 금속의 표면이 산화 피막으로 덮일 때까지 형태 변화가 진행된다.
따라서, 제6 실시예의 연료전지 시스템(210)에서는, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 실행할 때에, 단계 S100에 있어서, 연료전지 시스템의 정지시 처리로서의 이들 일련의 발전 정지 처리가 행하여 졌는지의 여부를 판단하면 된다. 그리고, 상기 일련의 발전 정지 처리가 행하여진 경우에는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 된다. 이와 같은 애노드 질소 퍼지 공정을 수반하는 발전 정지 처리도 또한, 시스템 정지시에 있어서 캐소드 전위가 매우 높아지는 것을 억제하기 위한 시스템 정지 방법이다.
연료전지 시스템의 정지시에, 최종적으로 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입하는 발전 정지 처리를 실행하면, 발전 정지 처리로서, 제4 내지 제6 실시예와는 다른 처리를 행하여도 된다. 최종적으로 셀 내 연료가스 유로에 산소가 유입되어 애노드 전위가 상승하면, 이러한 발전 정지 처리가 행하여진 것을 판단함으로써, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 된다.
또한, 발전 정지 처리로서의 일련의 처리가 실제로 행하여졌는지의 여부를 판단하는 것이 아니라, 제어부(50)에 상기 발전 정지 처리를 행하게 하기 위한, 시스템 정지의 지시 입력이 있었는지의 여부를 판단해도 된다. 또는, 시스템 정지의 지시 입력을 받아, 제어부(50)가, 일련의 발전 정지 처리의 적어도 일부를 실행시키기 위한 구동 신호를 출력하였는지의 여부를 판단해도 된다. 이들 경우에는, 시스템 정지의 지시 입력이 있었을 때, 또는, 정지 처리의 일부를 실행시키기 위한 구동 신호를 제어부(50)가 출력하였을 때에, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 된다.
이상과 같이 구성된 제1 내지 제6 실시예의 연료전지 시스템에 의하면, 애노드 전위 상승 정보의 취득을 행하기 때문에, 애노드 전위를 직접 검출하지 않고, 연료전지의 발전 정지에 수반하는 애노드 전위의 상승이 있었던 것을 검출할 수 있다. 즉, 연료전지 전압의 변화의 모습이나, 연료전지의 발전 정지의 처리를 개시하고 나서의 경과 시간이나, 애노드 상의 수소 농도나, 시스템 정지시에 있어서의 발전 정지 처리의 실행 등을 검출함으로써, 애노드 전위를 직접 검출하지 않고, 연료전지의 발전 정지에 수반하는 애노드 전위의 상승을 검출할 수 있다. 이와 같이, 애노드 전위가 상승할 때와 일정한 관계를 나타내는 값으로서, 애노드 전위보다 용이하게, 또한, 간편하게 검출 가능한 값을 검출함으로써, 애노드 전위 상승을, 용이하게 추정할 수 있다.
또한, 제1 내지 제6 실시예의 연료전지 시스템에 의하면, 상기와 같이 하여 도출한 애노드 전위 상승에 의거하여 애노드 형태 변화량을 도출하기 때문에, 애노드 형태 변화량을 직접 검출할 필요가 없고, 용이하고 간편하게, 애노드 형태 변화량을 아는 것이 가능하게 된다. 즉, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지의 횟수와 애노드 형태 변화량의 관계에 의거하여 애노드 형태 변화량을 도출하기 때문에, 시스템 정지의 동작과 동시에 현재의 애노드 형태 변화량을 구할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 순환 전압 전류법 특성을 이용하여 전극 촉매 표면적을 측정하는 경우와 같이, 특별한 측정기를 준비할 필요가 없고, 또한, 전극 촉매 표면적을 측정하기 위한 특별한 기회를 만들 필요가 없다. 또한, 이와 같은 애노드 전위 상승 정보에 의거하는 애노드 형태 변화량의 도출은, 애노드 형태 변화를 수반하는 시스템 정지 때마다, 시스템 정지시의 처리와 함께 행하여지기 때문에, 항상, 현재의 애노드 형태 변화량을 파악하는 것이 가능하게 된다.
E. 시스템 가동 중에 있어서의 애노드 전위 상승 정보의 취득 :
이미 서술한 설명에서는, 시스템을 정지하기 위하여 연료전지의 발전을 정지할 때에, 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작에 대하여 설명하였으나, 연료전지 시스템의 가동 중에 연료전지의 발전을 정지할 때에도, 동일하게 애노드 전위 상승이 일어날 수 있다. 이하에, 시스템 가동 중의 발전 정지시에, 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 구성을, 제7 실시예로서 설명한다.
도 14는, 연료전지 시스템(10)을 탑재하는 제7 실시예의 전기자동차(90)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 단, 전기자동차(90)는, 연료전지 시스템(10) 대신, 제5 실시예의 연료전지 시스템(110)이나, 제6 실시예의 연료전지 시스템(210)을 구비하는 것으로 하여도 된다.
전기자동차(90)는, 구동용 전원으로서, 연료전지(15)와 함께, 2차 전지(91)를 구비하고 있다. 또한, 도 14에서는, 연료전지(15) 이외의 연료전지 시스템(10)의 구성 요소에 대해서는 기재를 생략하고 있다. 전기자동차(90)에는, 연료전지(15) 및 2차 전지(91)로부터 전력 공급을 받는 부하로서, 보조기기(94)와, 구동모터(95)에 접속되는 구동 인버터(93)를 구비하고 있다. 구동모터(95)의 출력축(98)에 출력되는 동력은, 차량 구동축(99)으로 전달된다. 보조기기(94)는, 컴프레서(30), 수소 순환 펌프(44), 냉매 순환 펌프(60) 등의 연료전지 보조기기나, 공조장치(에어컨디셔너) 등의 차량 보조기기를 포함한다. 연료전지(15) 및 2차 전지(91)와, 상기 각 부하와는, 배선(56)을 거쳐 서로 병렬로 접속되어 있다. 또한, 배선(56)에는, 연료전지(15)와의 접속을 가능하게 하거나 끊기 위한 부하 접속부(51)가 설치되어 있다. 또한, 2차 전지(91)는, DC/DC 컨버터(92)를 거쳐 배선(56)에 접속되어 있다. 본 실시예에서는, 제어부(50)에 의해 DC/DC 컨버터(92)의 출력 측의 목표 전압값을 설정함으로써, 배선(56)의 전압을 조절하여, 연료전지(15)의 발전량 및 2차 전지(91)의 충방전 상태를 제어 가능하게 되어 있다. 또한, DC/DC 컨버터(92)는, 2차 전지(91)와 배선(56)의 접속 상태를 제어하는 스위치로서의 역할도 하고 있어, 2차 전지(91)에 있어서 충방전을 행할 필요가 없을 때에는, 2차 전지(91)와 배선(56)의 접속을 절단한다.
상기와 같은 구성으로 함으로써, 전기자동차(90)에서는, 연료전지(15)와 2차 전지(91)의 적어도 일방으로부터, 상기 부하에 대하여 전력 공급이 가능하게 되어 있다. 또한, 연료전지(15)에 의한 2차 전지(91)의 충전도 가능하게 되어 있다. 또한, 전기자동차(90)의 제동시에는, 구동모터(95)를 발전기로서 동작시킴으로써, 2차 전지(91)의 충전이 가능하게 되어 있다. 또한, 도 14에서는, 전기자동차(90)의 각 부를 제어부(50)에 의해 제어하도록 되어 있으나, 연료전지 시스템(10) 내의 제어를 행하는 제어부와, 전기자동차(90)의 각 부를 제어하는 제어부는, 일체이어도 별체이어도 된다.
전기자동차(90)는, 운전 상태로서, 「발전 운전 모드」와 「간헐 운전 모드」와 「회생 운전 모드」를 취할 수 있다. 「발전 운전 모드」는, 부하 요구에 따른 전력의 적어도 일부를 연료전지(15)로부터 공급함으로써, 원하는 주행 상태를 실현하는 운전 상태이다. 「회생 운전 모드」는, 전기자동차(90)의 제동시에, 구동모터(95)를 발전기로서 동작시킴으로써, 2차 전지(91)를 충전하는 운전 상태이다. 「간헐 운전 모드」는, 연료전지(15)에 의한 전력 공급을 행하면, 연료전지 시스템(10)의 에너지 효율이 바람직하지 않은 정도로 저하되는 경우에, 연료전지(15)의 발전을 정지하여, 필요한 전력을 2차 전지(91)로부터 얻는 운전 상태이다.
이하에, 「간헐 운전 모드」에 대하여 더 설명한다. 도 15는, 연료전지(15)의 출력의 크기와, 연료전지(15)에 있어서의 에너지 효율 및 연료전지 보조기기가 필요로 하는 동력의 관계를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 16은, 연료전지(15)의 출력과, 연료전지 시스템(10) 전체의 효율과의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 연료전지(15)의 출력이 커질수록, 연료전지(15)에 있어서의 에너지 효율은 점차 저하된다. 또한, 연료전지(15)의 출력이 커질수록, 보조기기 동력, 즉 연료전지 보조기기를 구동하기 위하여 소비하는 에너지가 커진다. 여기서, 전기자동차(90)에 있어서는, 연료전지 보조기기의 소비 전력의 크기는, 구동모터(95)의 소비 전력의 크기에 비해 훨씬 작다. 그러나, 연료전지(15)의 출력이 작을 때에는, 발전에 의해 얻어지는 전력량에 비해, 발전을 위해 연료전지 보조기기가 소비하는 전력량의 비율이 커진다. 그 때문에, 도 15에 나타낸 연료전지 에너지 효율과 보조기기 동력에 의거하여, 연료전지 시스템(10) 전체의 에너지 효율(연료전지 시스템 효율)을 구하면, 도 16에 나타내는 바와 같이, 연료전지 시스템 효율은, 연료전지(15)의 출력이 소정의 값일 때에 가장 높아진다. 즉, 연료전지(15)의 출력이 작을 때에는, 연료전지 시스템 효율이 낮아진다. 본 실시예의 전기자동차(90)에서는, 연료전지 시스템 효율이 나빠지는 저부하시[연료전지(15)의 출력이 도 16에 나타내는 P0보다 작아져서, 연료전지 시스템 효율이 E0보다 낮아질 때]에는, 연료전지(15)를 정지하여 2차 전지(91)를 사용한다는 「간헐 운전 모드」를 채용함으로써, 연료전지 시스템 효율이 저하하는 것을 방지하고 있다.
상기와 같이, 「간헐 운전 모드」와 「회생 운전 모드」를 채용할 때에는, 연료전지(15)의 발전은 정지된다. 그리고, 「간헐 운전 모드」에 있어서는, 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급도 정지된다. 그 때문에, 연료전지 시스템(10)의 가동 중이어도, 「간헐 운전 모드」를 채용하고 있을 때에는, 시스템 정지시와 마찬가지로 애노드 전위 상승이 일어날 수 있다. 본 실시예에서는, 연료전지 시스템(10)이 가동 중인 「간헐 운전 모드」에 있어서도, 시스템 정지시와 동일하게 하여, 애노드 전위 상승 정보의 취득이 행하여진다. 또한, 「회생 운전 모드」에 있어서도 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급을 정지하는 경우에는, 「회생 운전 모드」 채용시에도 애노드 전위 상승 정보의 취득을 행하는 것으로 하여도 된다.
이미 서술한 바와 같이, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴은, 연료전지 시스템(10)이 기동된 후, 시스템이 정지될 때까지 계속해서 실행된다. 그리고, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S100에 있어서, 연료전지 시스템 가동 중의 연료전지 발전 정지시에도, 이미 서술한 어느 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 실행함으로써, 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다. 예를 들면, 도 8의 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 실행함으로써, 연료전지 전압에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득할 수 있다. 또한, 연료전지(15)의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득해도 되고, 도 11에 나타내는 바와 같이 애노드 상의 가스 농도에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득해도 된다.
단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하였다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 연료전지 시스템 가동 중이어도, 시스템 정지시와 마찬가지로, 단계 S110에 있어서의 애노드 형태 변화량의 도출·기억의 공정을 행한다. 즉, 기억해 둔 지금까지의 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적)과, 적산 발전 정지 횟수, 및 맵 등에 따라, 필요에 따라 온도에 의거하는 보정을 행하면서, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지를 더 1회 행한 후의 애노드 형태 변화량을 도출하여, 기억한다. 또한, 발전 정지 횟수를 갱신하여 기억한다. 이때, 애노드 형태 변화량에 대하여 온도에 의거하는 보정을 행하였을 때에는, 도출한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 적산 발전 정지 횟수를 보정하여 갱신한다.
연료전지 시스템 가동 중에, 상기와 같이 단계 S110에 있어서 애노드 형태 변화량을 도출·기억한 경우에는, 단계 S120에서는, 제어부(50)의 CPU는, 시스템 정지시는 아니라고 판단한다. 그 때문에, 그 후에는 다시 단계 S100으로 되돌아간다.
연료전지 시스템 가동 중에 있어서, 단계 S100에 있어서의 애노드 전위 상승 정보의 취득을, 「간헐 운전 모드」채용에 수반하는 발전 정지를 위한 일련의 처리가 행하여진 것에 의해 판단하는 것도 가능하다. 그러나, 「간헐 운전 모드」에서는 발전 정지 시간이 짧고, 애노드 전위 상승이 일어나지 않는 경우도 많다고 생각된다. 그 때문에, 최종적으로 애노드 전위 상승이 일어난 것을 확인 가능한 방법, 즉, 연료전지 전압이나 경과 시간이나 애노드 상 가스 농도 등에 의거하는 방법을 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 연료전지 시스템 가동 중에 연료전지의 발전 정지가 행하여져도, 단계 S100에서 애노드 전위 상승 정보를 취득했다고 판단될 때까지의 사이에, 연료전지(15)의 발전이 재개되는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우, 예를 들면, 도 8의 단계 S200∼S240의 처리를 실행 중에, 부하 접속부(51)가 접속되는 경우에는, 제어부(50)의 CPU는, 인터럽트 처리에 의해, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 행하여지지 않았다고 판단한다. 즉, 단계 S100에 있어서, 애노드 전위 상승 정보를 취득하지 않았다고 판단한다. 그리고, 그 후는, 다시 단계 S100에 있어서의 판단을 반복한다.
상기와 같이, 연료전지 시스템의 정지시에 한정되지 않고, 애노드 측 유로에 산소가 유입되는 연료전지의 발전 정지시이면, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지로서 검출하여, 애노드 형태 변화량을 도출함으로써, 애노드 형태 변화량 도출의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
연료전지 시스템 가동 중에 있어서의 발전 정지에 수반하는 애노드 전위 상승 정보의 취득은, 연료전지 시스템을 전기 자동차의 구동용 전원으로서 사용하는 경우 이외이어도 적용할 수 있다. 연료전지 시스템을 정지하지 않고 연료전지의 발전을 정지하는 운전 모드를 가지는 연료전지 시스템이면, 동일한 동작에 의해, 연료전지 시스템 가동 중에 있어서의 애노드 전위 상승 정보의 취득을 행할 수 있다.
F. 애노드 촉매의 형태 변화 진행 중의 발전 개시를 고려한 애노드 전위 상승 정보의 취득 :
연료전지 시스템의 정지시에 연료전지를 발전 정지하는 경우이어도, 시스템 가동 중에 연료전지를 발전 정지하는 경우이어도, 애노드 전위 상승에 수반하는 애노드 형태 변화가 진행되는 도중에, 연료전지의 발전이 재개되는 경우가 있다. 예를 들면, 연료전지 시스템에 대하여 시스템 정지의 지시가 이루어진 후, 짧은 시간의 경과 후에, 시스템 기동의 지시가 이루어지는 경우가 있다. 또는, 시스템 가동 중에 「간헐 운전 모드」에서의 운전이 개시된 후, 짧은 시간의 경과 후에 부하 요구가 증대하여, 「발전 운전 모드」로 운전 제어가 변경되는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 발전 정지 횟수 1회 분에 상당하는 애노드 형태 변화가 진행되지 않는다. 이하에, 이와 같은, 연료전지의 발전 정지에 수반하는 애노드 형태 변화가 진행되는 도중에 연료전지의 발전이 재개되는 경우를 고려한 애노드 전위 상승 정보의 취득 동작을, 제8 실시예로서 설명한다. 이하에서는, 연료전지 시스템(10)에 있어서 행하여지는 동작으로서, 연료전지(15)의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작에 대하여 설명하나, 연료전지 시스템(110, 210) 등, 다른 시스템이어도 동일한 처리를 행할 수 있다.
도 17은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU가, 도 6의 단계 S100에 있어서, 도 8의 처리 대신 실행되는 애노드 전위 상승 판단 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 도 17에서는, 도 8과 공통되는 공정에는 동일한 공정 번호를 붙이고, 공통되는 공정에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 먼저, 부하 접속부(51)에 있어서 연료전지(15)와 부하(57)의 접속이 차단되어 있는지의 여부를 판단한다(단계 S200). 이 부하 접속부(51)에 있어서의 접속의 차단은, 시스템 정지시에 행하여지는 동작이어도 되고, 시스템 가동시에 연료전지의 발전이 정지될 때의 동작이어도 된다. 단계 S200에서 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되어 있다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 연료전지(15)의 발전을 정지하고 나서의 경과 시간 Tpas를 취득하여, 경과 시간 Tpas가, 제1 기준 경과 시간 TB에 도달하였는지의 여부를 판단한다(단계 S405). 제1 기준 경과 시간 TB란, 이미 서술한 바와 같이, 애노드 전위가 상승하여 안정되기 시작할 때까지의 경과 시간으로서 정해진 값이다. 단계 S405에서는, 상기 제1 기준 경과 시간 TB를, 애노드 형태 변화가 진행되기 시작한 것을 판단하기 위한 기준 시간으로서 이용하고 있다.
단계 S405에서, 경과 시간 Tpas가 제1 기준 경과 시간 TB 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 다시 경과 시간 Tpas를 취득하여, 경과 시간 Tpas가, 제2 기준 경과 시간 TC에 도달하였는지의 여부를 판단한다(단계 S410). 제2 기준 경과 시간 TC란, 이미 서술한 바와 같이, 발전 정지 1회당 애노드 형태 변화가 종료할 때까지 필요한 경과 시간이다.
단계 S410에서, 경과 시간 Tpas가 제2 기준 경과 시간 TC 이상인 경우에는, 애노드 전위가 상승함에 의한 애노드 형태 변화가, 연료전지의 재기동에 의해 중단되지 않고 진행되었다고 판단할 수 있다. 그 때문에, 경과 시간 Tpas가 제2 기준 경과 시간 TC 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 1회 행하여졌다고 판단하여(단계 S250), 본 루틴을 종료한다. 이때, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴의 단계 S100에서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득했다고 판단한다. 이 경우, 도 6의 단계 S110에서는, 이미 서술한 바와 같이, 기억해 둔 지금까지의 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적)과, 적산 발전 정지 횟수 및 맵 등에 따라, 필요에 따라 온도에 의거하는 보정을 행하면서, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지를 더 1회 행한 후의 애노드 형태 변화량을 도출하여, 기억한다.
단계 S410에서, 경과 시간 Tpas가 제2 기준 경과 시간 TC 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 연료전지(15)를 발전 개시해야 할지 여부에 대하여 판단한다(단계 S420). 예를 들면, 단계 S200에 있어서의 부하 접속부(51)의 차단이, 시스템 정지에 수반하는 것이면, 단계 S420에 있어서 제어부(50)의 CPU는, 시스템 기동의 지시가 이루어졌는지의 여부에 의거하여, 기동의 지시가 이루어진 때에는 발전 개시해야 한다고 판단하면 된다. 또한, 단계 S200에 있어서의 부하 접속부(51)의 차단이, 시스템 가동 중에 행하여진 것이면, 단계 S420에 있어서 제어부(50)의 CPU는, 「간헐 운전 모드」 등으로부터 「발전 운전 모드」로 전환하는 판단을 행하였는지의 여부에 의거하여, 전환하는 판단을 행하였을 때에는 발전 개시해야 한다고 판단하면 된다.
단계 S420에 있어서, 연료전지(15)의 발전 개시를 해야 한다고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 발전 개시해야 한다고 판단하였을 때의 경과 시간 Tpas1을, 애노드 전위 상승 정보로서 취득하여(단계 S425), 본 루틴을 종료한다. 상기 경과 시간 Tpas1에 있어서 발전 개시를 해야 한다고 판단된 후에는, 연료전지(15)에서는, 발전의 개시를 위한 일련의 처리가 실행되어, 발전시 가스 공급부에 의한 연료가스 및 산화가스의 공급이 개시된다.
단계 S425에 있어서, 기준 경과 시간 TB로부터 기준 경과 시간 TC까지의 사이에 발전 개시해야 한다고 판단되었을 때의 경과 시간 Tpas1을, 애노드 전위 상승 정보로서 취득하면, 제어부(50)의 CPU는, 도 6의 단계 S110에서는, 상기 경과 시간 Tpas1에 의거하여, 금회의 발전 정지에 수반하는 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적의 감소량)을 도출한다. 그리고, 도출한 금회의 발전 정지에 수반하는 애노드 형태 변화량을, 기억해 둔 지금까지의 애노드 형태 변화량에 더하여, 적산값으로서의 애노드 형태 변화량을 도출하여, 기억한다.
경과 시간 Tpas1에 의거하는 애노드 형태 변화량의 도출에 대하여, 이하에 설명한다. 도 18은, 발전 정지로부터의 경과 시간과, 애노드 형태 변화를 일으키는 반응이 진행되는 속도의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 18에서는, 애노드 형태 변화 속도의 변화 모습과 함께, 경과 시간에 대응하는 애노드 전위의 변화 모습도 더불어 나타내고 있다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 애노드 전위가 상승을 시작하면, 애노드 형태 변화 속도는 0에서 점차 상승한다. 그리고, 애노드 형태 변화 속도는, 애노드 전위가 상승하여 안정되는 경과 시간 TB를 지난 후에 피크에 도달하고, 애노드의 촉매 금속 표면이 산화 피막으로 덮이는 경과 시간 TC에는, 대략 O으로 저하된다. 이와 같은, 발전 정지로부터의 경과 시간과 애노드 형태 변화 속도의 관계는, 연료전지마다 미리 정할 수 있다. 그 때문에, 금회의 발전 정지에 수반하는 애노드 형태 변화량 ΔCa(애노드 촉매 표면적의 감소량)는, 상기 경과 시간 Tpas1까지의 애노드 형태 변화 속도를 시간으로 적분함으로써, 도출할 수 있다. 도 18에서는, 경과 시간 Tpas1까지 진행한 애노드 형태 변화에 의한 애노드 촉매 표면적의 감소량 ΔCa를, 해치를 붙여 나타내고 있다.
여기서, 상기 발전 정지로부터의 경과 시간과 애노드 형태 변화 속도의 관계는, 발전 정지시의 연료전지 온도의 영향도 받는다. 그 때문에, 제어부(50)에서는, 실제로는, 발전 정지로부터의 경과 시간과, 발전 정지시의 연료전지 온도를 파라미터로서, 경과 시간 Tpas1까지의 애노드 형태 변화량 ΔCa를 도출 가능한 맵을 기억하고 있다. 그리고, 도 6의 단계 S110에서는, 단계 S425에서 취득한 경과 시간 Tpas1과, 발전 정지시의 온도에 의거하여, 상기 맵을 참조하여, 애노드 형태 변화량 ΔCa를 도출한다.
도 19는, 애노드 전위 상승을 수반하는 연료전지의 발전 정지 횟수와, 애노드 촉매의 형태 변화의 정도(애노드 촉매의 표면적)의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 19에서는, 도 7과 마찬가지로, 발전 정지 횟수가 n회일 때의 애노드 촉매 표면적이 값 A가 되는 모습과 함께, 애노드 촉매 표면적이, 값 A로부터, 상기 애노드 촉매 표면적 감소량 ΔCa만큼 감소된 값 D에 대응하는 발전 정지 횟수가, k회가 되는 모습이 나타나 있다. 단계 S110에서는, 상기한 애노드 촉매 표면적인 값 D가 도출·기억됨과 함께, 발전 정지 횟수를, (n + 1)회가 아니라 k회로서, 기억을 갱신한다.
단계 S420에 있어서, 연료전지(15)의 발전 개시를 해서는 안된다고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 다시 단계 S410으로 되돌아간다. 그리고, 경과 시간 Tpas를 취득하여, 경과 시간 Tpas가 제2 기준 경과 시간 TC에 도달하였는지의 여부의 판단을 반복한다.
단계 S405에 있어서, 경과 시간 Tpas가 제1 기준 경과 시간 TB 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 연료전지(15)를 발전 개시해야 하는지의 여부에 대하여 판단한다(단계 S415). 이 단계 S415에 있어서의 동작은, 이미 서술한 단계 S420과 동일한 동작이다.
단계 S415에서, 연료전지(15)의 발전 개시를 해야 한다고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 행하여지지 않았다고 판단하여(단계 S260), 본 루틴을 종료한다. 이때, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴의 단계 S100에서는, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승 정보를 취득하지 않았다고 판단한다.
단계 S415에서, 연료전지(15)의 발전 개시를 해서는 안된다고 판단하였을 때에는, 제어부(50)의 CPU는, 다시 단계 S405로 되돌아간다. 그리고, 경과 시간 Tpas를 취득하여, 경과 시간 Tpas가 제1 기준 경과 시간 TB에 도달하였는지의 여부의 판단을 반복한다.
또한, 단계 S200에 있어서, 부하 접속부(51)에 있어서의 접속이 차단되어 있지 않다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 행하여지지 않았다고 판단하여(단계 S260), 본 루틴을 종료한다.
이상과 같은 구성에서는, 경과 시간 Tpas가 제2 기준 시간 TC에 도달하면, 애노드 전위 상승을 수반하는 발전 정지가 1회 행하여졌다는 애노드 전위 상승 정보를 취득하고, 발전 정지 횟수에 의거하여, 발전 정지 후의 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적)을 도출한다. 그리고, 경과 시간 Tpas가 제1 기준 시간 TB와 제2 기준 시간 TC의 사이일 때에 발전 개시되면, 발전이 개시될 때의 경과 시간 Tpas1을, 애노드 전위 상승 정보로서 취득하고, 경과 시간 Tpas1에 의거하여, 금회의 발전 정지를 한 것에 의한 애노드 촉매 표면적 감소량을 도출하여, 발전 정지 후의 애노드 촉매 표면적을 구하고 있다. 그 때문에, 발전 정지의 횟수 만에 의거하여 애노드 형태 변화량을 도출하는 경우에 비해, 애노드 형태 변화량 도출의 정밀도를 높일 수 있다.
상기한 설명에서는, 애노드 형태 변화가 개시된 것을 판단하기 위한 제1 경과 시간으로서, 애노드 전위가 상승하여 안정되기 시작할 때까지의 경과 시간 TB를 이용하고 있으나, 다른 구성으로 하여도 된다. 예를 들면, 연료전지 전압이 일단 저하하고 재상승하여 피크에 도달할 때까지 필요한 시간에 의거하여, 제1 기준 경과 시간을 설정해도 된다. 또는, 경과 시간 TB보다 짧은 경과 시간으로서, 실제로 애노드 형태 변화가 개시되는 타이밍에 더 가까운 경과 시간(예를 들면, 실험적으로, 애노드 촉매의 용출이나 애노드 촉매 표면적의 저하의 개시 등, 애노드 형태 변화의 개시가 검출되는 경과 시간)을, 제1 기준 경과 시간으로서 이용하는 것으로 하여도 된다.
또한, 상기 설명에서는, 연료전지의 발전 정지시를 기산점으로 하는 경과 시간 Tpas에 의거하여, 애노드 형태 변화의 진행의 정도(개시나 종료 등)를 판단하고 있으나, 다른 구성으로 하여도 된다. 연료전지의 발전이 정지되고 나서, 셀 내 산화가스 유로 및 전해질막을 거쳐 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입될 때까지의 시간은, 실제로는, 발전 정지시의 환경 조건 등에 의해, 어느 정도의 오차를 발생시킬 수 있다. 그 때문에, 연료전지의 발전 정지로부터의 경과 시간 Tpas 대신, 예를 들면, 연료전지 전압이 하강에서 상승으로 바뀌는 이미 서술한 경과 시간 TA로부터의 경과 시간에 의거하여, 동일한 판단을 행하여도 된다. 애노드 전위가 상승하여 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 것을 판단 가능하여, 진행되고 있는 애노드 형태 변화의 정도를 도출 가능한 경과 시간을 이용하면, 동일한 처리를 행할 수 있다. 또는, 연료전지 전압에 의거하여, 금회의 발전 정지를 한 것에 의한 애노드 촉매 표면적 감소량을 도출하는 것도 가능하다. 발전 정지 후에 저하하고, 재상승하며, 그 후 다시 저하하는 연료전지 전압의 변동 패턴과, 애노드 촉매 표면적 감소량은, 일정한 대응 관계에 있다. 그 때문에, 연료전지 전압에 의거하여, 애노드 형태 변화의 진행 정도(개시나 종료, 또는 어느 정도 진행하였는지)를 판단하여, 동일한 처리를 행할 수 있다.
G. 발전시의 부전압 이력에 의한 애노드 촉매 형태 변화량의 도출 :
이미 서술한 설명에서는, 연료전지의 발전을 정지할 때에, 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 동작에 대하여 설명하였으나, 연료전지의 발전 중에도, 애노드 형태 변화는 일어날 수 있다. 이하에, 연료전지의 발전 중에 생기는 애노드 전위 상승을 더 고려하여, 애노드 형태 변화량을 도출하는 구성을, 제9 실시예로서 설명한다. 제9 실시예도, 연료전지 시스템(10)에 있어서의 동작으로서 설명하나, 연료전지 시스템(110, 210) 등, 다른 시스템이어도 동일한 처리를 행할 수 있다.
연료전지의 발전 중에는, 애노드 측 유로에는 수소가 공급되기 때문에, 애노드 전위는 0이 된다. 그러나, 예를 들면, 셀 내 연료가스 유로에서 물이 응축함으로써, 애노드에 공급되는 수소량이 부족하면, 수소 부족을 일으킨 단셀에 있어서, 애노드의 전위가 상승하여 연료전지 전압이 부전압이 되어, 애노드 형태 변화가 일어난다. 도 20은, 이러한 발전 중에 진행되는 애노드 형태 변화량을 도출하기 위한, 발전시 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지(15)의 발전 중에, 도 6에 나타내는 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴과 병행하여, 제어부(50)의 CPU에 있어서, 반복 실행된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 수소 결핍이 발생하여 부전압이 된 단셀이 존재하는지의 여부를 판단한다(단계 S130). 연료전지에 있어서는, 연료전지 내에 배치되는 단셀의 배치 장소에 의해, 응축수가 체류하기 쉽게 수소 결핍에 의한 부전압화가 일어나기 쉬운 단셀로 특정할 수 있는 경우가 있다. 본 실시예의 단계 S130에서는, 전압센서(52)에 의해 각각의 단셀의 전압을 검출함과 함께, 부전압인 것이 검출된 단셀이, 상기와 같이 미리 특정한 단셀에 해당하는지의 여부를 판단하고 있다. 그리고, 부전압 셀이 상기 미리 특정한 단셀에 해당하는 경우에, 당해 부전압 셀의 전압이 기준값 이하이면, 수소 결핍을 일으킨 단셀이 존재한다고 판단한다.
단계 S130에 있어서, 수소 결핍 셀이 존재한다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 수소 결핍이 검출된 단셀마다, 발전시 애노드 형태 변화량을 도출한다(단계 S140). 발전시 애노드 형태 변화량은, 도 5에 나타낸 발전 정지 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계와 같이, 수소 결핍 횟수와 애노드 촉매 표면적의 관계의 맵으로서 구할 수 있다. 또한, 발전시 애노드 형태 변화량은, 부전압이 된 단셀의 발전 조건, 구체적으로는, 전압, 전류, 온도, 부전압이 되어 있는 시간의 영향을 받는다. 이들 각 발전 조건의, 수소 결핍 횟수 1회에 대응하는 애노드 촉매 표면적 저하량에 대한 영향의 정도는, 전압마다, 전류마다, 온도마다, 시간마다, 수소 결핍 1회당 애노드 촉매 표면적 감소량을 변화시키는 비율로서, 이미 서술한 온도 감도 계수와 동일한 감도 계수로서 도출할 수 있다. 단계 S140에서는, 제어부(50)의 CPU는, 수소 결핍 횟수를 적산하고 있고, 상기 맵을 참조하여, 금회의 수소 결핍에 의한 애노드 형태 변화량을 도출한다. 또한, 부전압이 된 단셀마다, 발전 조건(전압, 전류, 온도, 부전압이 되어 있는 시간)을 검출함과 함께, 상기 각 감도 계수를 이용하여, 금회의 수소 결핍에 의한 애노드 형태 변화량을 보정함으로써, 최종적으로 발전시 애노드 형태 변화량을 도출한다.
단계 S140에서, 금회의 수소 결핍에 의한 발전시 애노드 형태 변화량을 도출하면, 제어부(50)의 CPU는, 부전압이 검출된 단셀마다, 발전시 애노드 형태 변화량을 적산하여 기억하고(단계 S150), 본 루틴을 종료한다. 이와 같이, 제어부(50)에 있어서는, 어느 단셀인가 하는 정보와 함께, 각각의 단셀에 있어서의 발전시 애노드 형태 변화량의 적산값이 기억된다. 발전 정지시에 있어서의 애노드 형태 변화량은, 연료전지(15)를 구성하는 어느 단셀에 있어서도 동일하게 진행되는 것으로서 추정된다. 이에 반해, 연료전지의 발전 중에 있어서의 애노드 형태 변화량은, 실제로 애노드 전위가 상승한 개개의 단셀에 대하여 도출된다.
단계 S130에 있어서, 수소 결핍 셀이 존재하지 않는다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 본 루틴을 종료한다.
이와 같은 구성으로 하면, 연료전지(15)의 발전 정지시뿐만 아니라, 연료전지(15)의 발전 중에 생기는 애노드 전위 상승에 기인하는 애노드 형태 변화량을 구할 수 있다. 그 때문에, 애노드의 고전위화에 기인하는 애노드 형태 변화량을, 더욱 정밀하게 추정하는 것이 가능하게 된다.
H. 애노드 촉매의 형태 변화량에 의거하는 제어의 변경 :
애노드 형태 변화가 진행되면, 통상의 발전시에 있어서의 연료전지의 출력 전압이 점차 저하하여, 연료전지의 성능이 저하된다. 이하에, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 성능 저하에 대하여 더 자세히 설명한다.
애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지 전압의 저하는, 애노드 형태 변화에 기인하여, 발전 중에는 본래 대략 0인 애노드 전위가 상승함으로써 생긴다. 애노드 형태 변화에 기인하여 애노드 전위가 상승하는 이유의 적어도 하나는, 이하와 같이 생각된다. 이미 서술한 바와 같이, 애노드가 형태 변화하였을 때에는, 애노드에 있어서, 담체 상에 분산 담지된 촉매 금속 미립자의 표면적이 감소하고 있다. 이와 같은 촉매 금속의 표면적의 감소는, 애노드 반응인 수소 산화 반응이 진행되는 곳의 감소를 초래하기 때문에, 과전압의 상승, 즉, 애노드 전위의 상승을 일으키는 것으로 생각된다. 그 결과, 연료전지의 전압 저하(연료전지의 성능 저하)가 일어난다.
도 21은, 애노드 형태 변화의 정도[연료전지(15)의 제조 당시와 비교한 애노드 촉매 표면적 저하량]와, 연료전지의 성능 저하량(특정한 발전 조건에 있어서의 전압 저하량)의 관계를 나타내는 설명도이다. 특정한 발전 조건에 있어서의 전압 저하량이란, 온도 조건이나 가스 공급 조건을 일정하게 정하여, 출력 전류가 특정한 값이 되도록 연료전지(15)를 발전시킨 경우에, 전압이 어느 정도 저하하는지를 나타낸다. 이와 같은 전압 저하량이 많을수록, 연료전지(15)에 있어서의 전류값과 전압값의 관계인 IV 특성이 저하하여, 전지 성능이 저하하게 된다. 도 22는, 연료전지에 있어서의 IV 특성을 나타내는 설명도이다. 도 22에 화살표로 나타내는 바와 같이, 애노드 촉매 표면적이 저하하여 애노드 전위가 상승하면, 연료전지 전압이 저하하여 전지 성능이 저하된다.
이와 같이, 애노드 형태 변화량이 증가하여, 연료전지의 전압이 저하할 때에는, 전압 저하량에 의거하여, 연료전지의 발전과 관련된 제어를 변경함으로써, 제어의 적정화를 더욱 도모하는 것이 가능하게 된다. 이하에, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지 전압의 저하량에 의거하여, 여러가지 제어를 변경하는 구성에 대하여 설명한다.
H-1. 전압 저하의 억제 :
도 21에 나타내는 바와 같이, 연료전지의 성능 저하(전압 저하)의 정도는, 애노드 촉매 표면적의 저하가 어느 정도 진행될 때까지는, 비교적 완만하게 증가한다. 그러나, 애노드 촉매 표면적의 저하가 어느 정도 진행되면, 애노드 촉매 표면적의 저하량에 대한 연료전지의 성능 저하의 정도가 점차 커진다. 연료전지의 전압이 저하하면, 예를 들면, 이미 서술한 바와 같이 연료전지의 전압에 의해 연료전지의 출력 전력을 제어하는 경우에는, 성능 저하 전과 동일한 제어를 행한 것으로는, 연료전지로부터 원하는 전력을 얻을 수 없게 된다. 그 때문에, 애노드 촉매 표면적의 저하량이 어느 정도 커졌을 때에는, 애노드 촉매 표면적 저하에 기인하는 전압 저하를 억제하도록, 연료전지 발전시의 출력 제어를 변경하여, 연료전지의 성능을 더욱 높게 유지하는 것이 바람직하다. 이하에, 애노드 촉매 표면적의 저하시에 행하는, 연료전지 전압을 더욱 높게 유지하기 위한 제어 변경과 관련되는 구성을, 제10 실시예로서 설명한다.
도 23은, 제10 실시예의 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU에 있어서 실행되는 형태 변화 영향 억제 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지(15)의 발전시에, 반복 실행된다. 또한, 연료전지 시스템(110 또는 210)에 있어서, 동일한 동작을 행하는 것으로 하여도 된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준값 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S500). 도 21에 나타내는 바와 같이, 애노드 촉매 표면적 저하량과 연료전지 전압 저하량은 일정한 관계에 있다. 그 때문에, 전압 저하량 ΔVd의 허용할 수 있는 한계값으로서 ΔVd1을 정함으로써, 허용할 수 있는 애노드 촉매 표면적 저하량의 한계값으로서의 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA를 설정할 수 있다(도 21 참조). 제어부(50)는, 이렇게 하여 정한 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA를 미리 기억하고 있다.
단계 S500에서는, 제어부(50)의 CPU는, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴에 의해 도출·기억된 최신의 애노드 형태 변화량을 판독한다. 그리고, 최신의 애노드 형태 변화량이, 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 이상인지의 여부를 판단한다. 도 6에 의거하는 애노드 형태 변화량의 도출은, 연료전지의 발전 정지시에 행하여지는 것이기 때문에, 단계 S500에서는, 최신의 애노드 형태 변화량으로서, 전회 연료전지(15)가 발전 정지되었을 때에 도출한 애노드 형태 변화량을 판독하게 된다.
또한, 도 6의 단계 S110에 있어서, 애노드 형태 변화량을 나타내는 값으로서 애노드 촉매 표면적을 도출·기억한 경우에는, 단계 S500에서는, 기억한 애노드 촉매 표면적에 의거하여, 제조 당시와 비교한 애노드 촉매 표면적 저하량을 도출하고, 상기 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA와 비교하면 된다. 또는, 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 대신, ΔVd1에 대응하는 기준 애노드 촉매 표면적을 설정하여, 단계 S500에 있어서의 판단에서 이용하여도 된다. 또는, 단계 S110에 있어서, 애노드 형태 변화량으로서, 애노드 촉매 표면적 저하량을 도출·기억해도 된다. 단계 S110에서 도출한 애노드 형태 변화의 진행의 정도에 따라, 전압 저하량이 허용 범위를 초과하였는지의 여부를 판단할 수 있으면 된다.
단계 S500에 있어서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경량을 결정한다(단계 S510). 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경은, 예를 들면, 연료가스 압력의 상승, 연료가스 유량의 증가(연료가스의 순환량의 증가), 연료가스로부터의 불순물(질소나 수증기 등) 배출량 증가, 또는, 연료가스의 가습량의 증가 등으로서 행하면 된다. 연료가스 압력을 상승시키기 위해서는, 수소 탱크(20)에서 연료전지(15)로 공급되는 수소압을 높이도록, 가변 조압 밸브(42)를 조절할 때의 목표 압력을 변경하면 된다. 연료가스 유량을 증가(연료가스의 순환량을 증가)시키기 위해서는, 수소 순환 펌프(44)의 구동량을 증가시키면 된다. 연료가스로부터의 불순물 배출량을 증가시키기 위해서는, 퍼지 밸브(46)의 밸브 개방 1회당 밸브 개방 시간을 길게 하거나, 또는, 밸브 개방 간격을 짧게 하는 등에 의해, 단위 시간당 밸브 개방 시간을 길게 하면 된다. 연료가스의 가습량의 증가는, 애노드 측 유로에 있어서, 연료가스를 가습하기 위한 도시 생략한 가습 장치를 설치하여, 당해 가습 장치에 의한 가습량을 증가시키면 된다. 이와 같은 제어 변경을 행함으로써, 연료전지(15)의 전압을 상승시킬 수 있다(IV 특성의 저하분의 적어도 일부를 회복시킬 수 있다). 또한, 연료전지 시스템(10)에서는, 이미 서술한 바와 같이 수소 순환 유로 내에서 연료가스를 순환시키기 때문에, 통상은, 애노드 측 유로에 가습 장치를 설치할 필요는 없다. 그 때문에, 가습량을 증가시키는 것에 의한 전압 저하 억제의 제어는, 연료가스를 순환 시키지 않고, 비교적 습도가 낮은 연료가스를 미리 가습하기 위한 가습 장치를 구비한 연료전지 시스템에 있어서 적용하는 것이 바람직하다.
도 24는, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경으로서, 연료가스 압력의 상승을 행하는 경우의, 연료가스 압력 상승량과, 성능 향상량(전압 회복량)의 관계를 나타내는 설명도이다. 제어부(50)는, 도 24에 나타내는 연료가스 압력 상승량과 성능 향상량의 관계를 나타내는 맵을, 미리 기억해 두면 된다. 또한, 제어부(50)는, 도 21에 나타낸 애노드 촉매 표면적 저하량과, 연료전지의 전압 저하량 ΔVd의 관계를 나타내는 맵도 기억해 두면 된다. 단계 S510에서는, 제어부(50)의 CPU는, 상기 맵을 참조하여, 도 21에 의거하여, 최근의 애노드 형태 변화량에 대응하는 전압 저하량 ΔVd를 도출함과 함께, 도 24에 의거하여, 도출한 전압 저하량 ΔVd를 회복하기 위하여 필요한 연료가스 압력 상승량을 도출하고, 제어의 변경량으로서 결정한다. 또한, 도 24에 나타내는 바와 같이, 연료가스 압력을 상승시키는 것에 의한 전압 상승량은, 연료가스 압력 상승량이 값 Pu에 도달하면 최대값 ΔVmax가 되고, 그 이상 연료가스 압력을 상승시켜도 전압 상승량이 증가하지 않게 된다. 그 때문에, 본 실시예에서는, 최신의 애노드 형태 변화량에 대응하여 구한 전압 저하량 ΔVd가, 상기 최대값 ΔVmax에 도달한 후에는, 연료가스 압력 상승량을, 값 Pu를 초과하여 결정하는 경우는 없다.
또한, 연료전지에 있어서는, 연료가스와 산화가스 내의 일방의 가스의 압력만이 높아지면, 전해질막의 각각의 면 상을 흐르는 가스의 압력차가 커짐으로써, 전해질막이 손상될 가능성이 생긴다. 그 때문에, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경으로서, 연료가스 압력의 상승을 행하는 경우에는, 연료가스 압력의 상승량에 따라, 산화가스 압력도 상승시키는 것이 바람직하다. 따라서, 단계 S510에서는, 연료가스 압력 상승량을 도출함과 함께, 도출한 연료가스 압력 상승량에 알맞도록, 산화가스 압력 상승량도 결정한다. 산화가스의 압력 상승은, 컴프레서(30)의 구동량을 증가시킴으로써 행할 수 있다.
도 24에서는, 연료가스 압력 상승량과 성능 향상량(전압 회복량)의 관계를 나타내었으나, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경으로서, 이미 서술한 다른 제어 변경을 행하는 경우에도, 제어 변경량과 성능 향상량의 관계는 동일해진다. 여기서, 상기한 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어 변경은, 통상은, 연료전지 시스템에 있어서의 에너지 효율의 저하를 일으킨다. 예를 들면, 상기 제어 변경으로서, 연료가스 압력의 상승을 행하는 경우에는, 컴프레서(30)의 구동량도 동시에 증가시킴으로써, 시스템 전체의 에너지 효율이 저하된다. 또한, 상기 제어 변경으로서, 연료가스 유량을 증가시키는 경우에는, 수소 순환 펌프(44)의 구동량을 증가시킴으로써, 시스템 전체의 에너지 효율이 저하된다. 또한, 상기 제어 변경으로서, 연료가스로부터의 불순물 배출량을 증가시키는 경우에는, 퍼지 밸브(46)를 밸브 개방함으로써, 불순물 배출과 동시에 수소도 배출되기 때문에, 시스템 전체의 에너지 효율(연료의 이용 효율)이 저하된다. 또한, 상기 제어 변경으로서, 연료가스의 가습량을 증가시키는 경우에는, 가습을 위해 에너지를 소비함으로써, 시스템 전체의 에너지 효율이 저하된다. 그 때문에, 도 21에 나타낸 전압 저하량 ΔVd의 허용할 수 있는 한계값으로서 ΔVd1은, 전압을 회복시키는 것에 의한 효과와, 전압 회복을 위해 생기는 에너지 효율의 저하에 의한 영향을 고려하여, 적절하게 설정하면 된다.
단계 S510에서, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경량을 결정하면, 제어부(50)의 CPU는, 결정한 제어의 변경량이 실현되도록, 각 부에 구동 신호를 출력하여(단계 S520), 본 루틴을 종료한다. 즉, 제어 변경의 내용에 따라, 가변 조압 밸브(42) 및 컴프레서(30)나, 수소 순환 펌프(44)나, 퍼지 밸브(46)나, 가습 장치에 대하여, 구동 신호를 출력한다. 예를 들면, 제어량의 변경을, 연료가스 압력 상승에 의해 행하는 경우에는, 단계 S510에서 결정한 연료가스 압력 상승량이 실현되도록, 가변 조압 밸브(42) 및 컴프레서(30)의 구동량을 변경한다. 또한, 단계 S500에서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 미만이라고 판단하였을 때에는, 성능 저하량이 허용범위 내라고 판단되기 때문에, 제어부(50)의 CPU는 본 루틴을 종료한다.
애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하를 억제하기 위한 제어의 변경은, 예시한 복수의 제어 변경 중 어느 하나를 행하는 것이 아니라, 복수의 제어 변경을 조합하여 행하여도 된다. 구체적으로는, 1개의 제어 변경(예를 들면, 연료가스 압력 상승)에 의해 성능 회복을 도모한 경우에, 전압 상승량이, 도 24에 나타낸 최대값 ΔVmax에 도달하면, 그 이상의 연료가스 압력 상승은 행하지 않고, 더 한층 연료전지의 성능 저하에 대응하기 위해서는, 다른 제어(예를 들면, 연료가스 유량 증가)를 행하는 것으로 하여도 된다. 또는, 복수 종류의 제어의 변경을, 동시에 조합하는 것으로 하여도 된다.
이상과 같은 구성으로 하면, 애노드 형태 변화량을 직접 검출하지 않고 간편하고 정밀하게 추정한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 발전시의 제어를 변경함으로써, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 애노드 전위 상승에 기인하는 애노드 형태 변화량은, 그 도출 방법에 따라서는, 연료전지(15) 전체 중의, 특히 애노드 형태 변화가 진행되기 쉬운 부분에 착안하여 도출하는 것이 가능하다. 예를 들면, 연료전지의 전압에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 경우에는, 연료전지 전체의 전압에 의거하는 것이 아니라, 셀 내 연료가스 유로로의 산소의 유입이 가장 빨라지는 장소에 배치된 단셀의 전압에 의거하여, 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 좋다. 또한, 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 경우에는, 판단에 이용하는 기준 경과 시간을, 셀 내 연료가스 유로로의 산소의 유입이 가장 빨라지는 장소에 배치된 단셀에 착안하여, 미리 설정하면 좋다. 또한, 애노드 상의 산소 농도에 의거하여 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 경우에는, 셀 내 연료가스 유로로의 산소의 유입이 가장 빨라지는 장소에 배치된 단셀 내의 셀 내 연료가스 유로에 있어서의, 가장 빨리 산소가 유입하기 시작하는 부분의 산소 농도에 의거하여, 애노드 전위 상승 정보를 취득하면 좋다. 이와 같이, 애노드 형태 변화가 진행되기 쉬운 부분에 착안하여 도출한 애노드 형태 변화량을 이용하여 상기 제어 변경을 행하면, 가장 성능 저하가 진행되기 쉬운 부분에 있어서의 성능 저하를 억제하여, 연료전지의 성능을 유지하는 것이 가능하게 된다.
H-2. 발전시 애노드 형태 변화를 고려한 출력 제어의 보정 :
도 23에서는, 도 6의 단계 S110에서 도출·기억된 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하는 제어를 행하였으나, 또한, 도 20에서 도출한 발전시 애노드 형태 변화량을 고려하여, 상기 전압 저하를 억제하는 제어를 행하는 것으로 하여도 된다. 이하에, 상기 발전시 애노드 형태 변화량을 고려하여 전압 저하를 억제하는 구성을, 제11 실시예로서 설명한다. 도 25는, 제어부(50)의 CPU에 있어서, 도 23의 형태 변화 영향 억제 처리 대신 실행되는, 형태 변화 영향 억제 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴에 있어서, 도 23과 공통되는 처리 공정에는, 동일한 참조 번호를 붙이고 있고, 이하에서는, 도 23과는 다른 처리에 대하여 설명한다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준값 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S500). 이 단계 S500에서는, 이미 서술한 바와 같이, 도 6의 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴에 의해 도출·기억된 최신의 애노드 형태 변화량을 판독하여, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 이상인지의 여부를 판단한다. 즉, 단계 S500에서는, 발전 정지시에 있어서의 애노드 전위 상승에 기인하는 애노드 형태 변화량으로서, 연료전지 전체를 대상으로 하여 추정된 애노드 촉매 표면적 저하량에 의거하여, 연료전지 전체의 전압 저하를 억제하기 위한 제어를 행해야 하는지의 여부를 판단한다.
단계 S500에서, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 특정 셀이 존재하는지의 여부를 판단한다(단계 S530). 구체적으로는, 제어부(50)의 CPU는, 도 20의 발전시 애노드 형태 변화량 도출 처리 루틴의 단계 S150에 있어서 발전시 애노드 형태 변화량을 적산하여 기억한 개개의 단셀에 대하여, 기억한 발전시 애노드 형태 변화량의 값과, 도 6의 단계 S110에 있어서 모든 단셀에서 동일하게 진행되고 있는 것으로서 도출한 발전 정지에 기인하는 애노드 형태 변화량의 값을 가산한다. 그리고, 얻어진 애노드 형태 변화량 합계 값이, 미리 정해진 기준 형태 변화량을 초과하고 있는지의 여부를 판단한다. 기준 형태 변화량이란, 애노드 형태 변화량이 이 이상 진행되면, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 허용할 수 없는 정도가 될 가능성이 있는 값으로서 미리 설정한 값이고, 예를 들면, 단계 S500에서 이용한 기준 애노드 촉매 표면적 저하량 SA와 동일한 값이라고 할 수 있다.
단계 S530에서, 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 특정 셀이 존재한다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 당해 애노드 형태 변화가 진행된 단셀의 전압이, 기준 전압 이하인지의 여부를 판단한다(단계 S540). 단계 S540에서 사용하는 기준 전압이란, 연료전지 내의 어느 단셀의 전압이 이 이상 저하되면, 연료전지 전체의 성능 저하를 일으킬 가능성이 있는 값으로서 미리 설정하여 제어부(50) 내에 기억한 값이다.
단계 S540에서, 애노드 형태 변화가 진행된 단셀의 전압이 기준 전압 이하라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 제어 변경을 행하도록, 각 부에 구동 신호를 출력하여(단계 S520), 본 루틴을 종료한다. 전압 저하를 억제하기 위한 제어 변경은, 예를 들면, 가변 조압 밸브(42) 및 컴프레서(30)의 구동량을 변경하여, 연료가스 압력을 상승시키면 된다. 또는, 수소 순환 펌프(44)나, 퍼지 밸브(46)의 구동량을 변경하여, 연료전지 유량을 증가시켜도 된다. 또는, 연료가스의 가습량을 증가시켜도 된다. 이때, 각 부의 구동량을 변경하는 정도는, 예를 들면, 단계 S530에서 구한 애노드 형태 변화량 합계 값에 의거하여 정할 수 있다. 또는, 미리 정한 일정량만 구동량을 변경하는 것으로 하여, 특정 셀의 전압 저하 상태가 해소될 때까지, 구동량의 변경량을 증가시켜도 된다.
단계 S540에 있어서, 애노드 형태 변화가 진행된 단셀의 전압이 기준 전압을 상회한다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 특별한 제어 변경은 불필요하다고 판단하여, 본 루틴을 종료한다. 또한, 단계 S530에서, 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 특정 셀이 존재하지 않는다고 판단되는 경우에도, 제어부(50)의 CPU는, 특별한 제어 변경은 불필요하다고 판단하여, 본 루틴을 종료한다.
이상과 같은 구성으로 하면, 특정한 단셀에 있어서, 발전 중에 애노드 전위 상승에 기인하는 애노드 형태 변화가 진행되어, 당해 특정한 단셀에 있어서 전압 저하가 생기는 경우이어도, 이와 같은 전압 저하를 억제하도록 제어 변경할 수 있다. 이것에 의해, 당해 특정한 단셀에 기인하는 연료전지 전체의 성능 저하를 억제할 수 있다. 연료전지에 있어서는, 단셀의 하나에 있어서 전압 저하가 발생하여도, 연료전지 전체로서는 충분한 출력이 가능하여, 연료전지 전체의 전류값이나 전압값이 바로 바람직하지 않은 값이 되는 일은 없다. 그러나, 전압 저하를 일으킨 단셀이 생긴 상태를 방치하면, 곧, 연료전지 전체의 출력 상태에 지장을 초래할 가능성이 있다. 상기와 같이, 발전시 애노드 형태 변화량을 이용하여, 발전시 애노드 형태 변화량의 값이 크고, 또한, 실제로 셀 전압이 저하하고 있는 단셀이 존재하는 경우에는, 연료전지 전체의 출력 상태에 이상이 없어도 전압 저하를 억제하는 제어를 행함으로써, 연료전지의 발전 상태를, 안정적으로 유지하는 것이 가능하게 된다.
H-3. 고전위 회피 처리의 상한 전압값의 보정 :
애노드 촉매 표면적이 저하하여, 연료전지 전압이 저하할 때에는, 이미 서술한 바와 같이, 발전시에 있어서의 애노드 전위가 0V보다 상승하고 있다. 그 때문에, 연료전지의 발전 중에, 연료전지 전압에 의거하는 운전 제어를 행하는 경우에는, 이와 같은 애노드 전위 상승을 고려하여, 제어에 이용하는 기준값을 보정하는 것이 바람직하다. 이하에, 애노드 전위 상승을 고려하여 고전위 회피 처리를 행하는 구성을, 제12 실시예로서 설명한다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 연료전지의 출력 전압은, 출력 전류가 작을수록 높아진다. 연료전지의 출력 전압이 높을 때란, 캐소드 전위가 높을 때이기 때문에, 연료전지의 출력 전압에 상한값을 설정하여 발전 제어를 행함으로써, 캐소드가 바람직하지 않은 정도의 고전위에 노출되는 것에 기인하는 캐소드 형태 변화를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 부하 요구가 작아져서, 부하 요구에 따른 전력을 연료전지로부터 출력하면 연료전지의 출력 전압이 상한값보다 커지는 경우에는, 상한값을 넘지 않도록 연료전지의 출력 전압을 설정하여, 부하 요구를 넘는 발전을 행하게 함으로써, 캐소드의 과잉적인 전위 상승을 억제할 수 있다.
이하에, 캐소드의 과잉적인 전위 상승을 억제하기 위하여 실행되는 고전위 회피 처리의 개요에 대하여 설명한다. 여기서는, 고전위 회피 처리의 동작의 일례로서, 도 1의 연료전지 시스템(10)을 탑재하는 도 14의 전기자동차(90)에 있어서 실행되는 고전위 회피 처리에 대하여 설명한다. 도 26은, 고전위 회피 제어 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU에 있어서, 연료전지(15)의 발전 중에, 반복 실행된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 부하 요구에 의거하여, 연료전지(15)에 요구되는 발전량을 결정한다(단계 S600). 부하 요구는, 예를 들면, 전기자동차(90)에 설치한 도시 생략한 차속 센서의 검출 신호나, 액셀러레이터 개도 센서의 검출 신호에 의거하여 도출되는 요구 구동 동력으로서 구할 수 있다. 또는, 요구 구동 동력에, 보조기기(94)가 요구하는 에너지를 더 가하여, 부하 요구를 도출해도 된다. 단계 S600에서는, 이와 같은 부하 요구를 충족시키기 위한 발전량으로서, 연료전지(15)의 요구 발전량이 결정된다.
연료전지(15)의 요구 발전량이 결정되면, 제어부(50)의 CPU는, 결정한 요구 발전량에 대응하는 연료전지(15)의 출력 전압 V1을 도출한다(단계 S610). 제어부(50)는, 도 22에 나타낸 IV 특성을 기억하고 있고, 단계 S610에서는, 이 IV 특성을 참조하여, 단계 S600에서 결정한 요구 발전량을 발전하기 위한 운전 포인트(출력 전류와 출력 전압의 조합)를 도출한다. 상기 출력 전압 V1은, 이와 같이 하여 구한 운전 포인트에 있어서의 출력 전압이다.
출력 전압 V1을 도출하면, 제어부(50)의 CPU는, 출력 전압 V1이, 상한 전압값 Vth1 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S620). 상한 전압값 Vth1이란, 캐소드 형태 변화가 일어날수록 캐소드 전위가 너무 높아지는 것을 피하기 위하여, 연료전지 전압의 상한값으로서 설정한 값이다. 단계 S620에 있어서, 출력 전압 V1이 상한 전압값 Vth1 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, DC/DC 컨버터(92)에 대한 전압 지령값을, 요구 발전량을 얻기 위한 전압 V1이 아니라, 전압 V1보다 낮은 상한 전압값 Vth1로 설정한다(단계 S630).
전압 지령값을 설정하면, 제어부(50)의 CPU는, 각 부에 구동 신호를 출력하여(단계 S650), 본 루틴을 종료한다. 구체적으로는, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S630에서 설정한 전압 지령값에 의거하여 DC/DC 컨버터(92)에 대하여 구동 신호를 출력함과 함께, 부하 요구에 따른 전력이 소비되도록, 구동 인버터(93)나 차량 보조기기에 대하여 구동 신호를 출력한다. 또한, 상한 전압값 Vth1에 대응하는 운전 포인트에서 연료전지(15)가 발전 가능해지도록, 연료전지 보조기기에 대하여 구동 신호를 출력한다. 이것에 의하여, 구동모터(95) 및 보조기기(94)는, 원하는 구동 상태가 된다. 또한, 이때, 단계 S630에서 전압 지령값을, 전압 V1보다 낮은 상한 전압값 Vth1로 설정한 것에 의해, 연료전지(15)에서는, 부하 요구에 의거하여 단계 S600에서 결정된 요구 발전량보다 많은 발전이 행하여진다. 요구 발전량보다 여분으로 발전된 전력은, 2차 전지(91)의 충전에 이용된다.
단계 S620에 있어서, 출력 전압 V1이 상한 전압값 Vth1 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, DC/DC 컨버터(92)에 대한 전압 지령값을, 요구 발전량을 얻기 위한 전압 V1로 설정한다(단계 S640). 전압 지령값을 설정하면, 제어부(50)의 CPU는, 각 부에 구동 신호를 출력하여(단계 S650), 본 루틴을 종료한다. 구체적으로는, 제어부(50)의 CPU는, 단계 S640에서 설정한 전압 지령값에 의거하여DC/DC 컨버터(92)에 대하여 구동 신호를 출력함과 함께, 부하 요구에 따른 전력이 소비되도록, 구동 인버터(93)나 차량 보조기기에 대하여 구동 신호를 출력한다. 또한, 전압 V1에 대응하는 운전 포인트에서 연료전지(15)가 발전 가능해지도록, 연료전지 보조기기에 대하여 구동 신호를 출력한다. 이것에 의하여, 구동모터(95) 및 보조기기(94)는, 원하는 구동 상태가 된다.
이와 같은 고전위 회피 제어를 행함으로써, 연료전지의 출력 전압을, 항상 상한 전압값 Vth1 이하로 억제할 수 있어, 캐소드 전위가 너무 높아지는 것에 기인하는 캐소드 형태 변화를 억제할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 고전위 회피 제어를 행할 때에, 또한, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승을 고려하여, 상한 전압값 Vth1의 보정을 행하고 있다.
도 27은, 제어부(50)의 CPU에서 실행되는 고전위 회피 상한 전압 보정 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU에 있어서, 연료전지(15)의 발전 중에, 도 26의 고전위 회피 제어 처리 루틴과 병행하여, 반복 실행된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준값 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S700). 이 단계 S700은, 도 23의 단계 S500과 동일한 공정이다. 이미 서술한 바와 같이, 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적 저하량)이 어느 정도 작은 동안에는, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하량(애노드 전위 상승량)도 작다. 그 때문에, 단계 S700에서는, 애노드 전위 상승량에 의거하는 보정이 필요할 만큼, 애노드 촉매 표면적 저하량이 커졌는지의 여부를 판단한다.
단계 S700에 있어서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준값 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 상기 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량에 의거하여, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 도출한다(단계 S710). 여기서, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승량 ΔVan은, 애노드 촉매 표면적 저하량에 따라 단일의 값으로 정해지는 것이 아니라, 연료전지(15)의 출력 전류에 의해서도 변화된다. 단계 S710에서는, 연료전지(15)가 정상상태에서 발전할 때의, 이미 서술한 상한 전압값 Vth1에 대응하는 출력 전류에 있어서의 애노드 전위 상승량을 구한다.
도 28, 29는, 연료전지의 IV 특성, 및, 전류와 캐소드 전위의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 28에서는, 애노드 형태 변화가 진행되기 전의, 전류와 캐소드 전위의 관계를 나타내고 있고, 도 29에서는, 애노드 형태 변화가 진행된 후의, 전류와 캐소드 전위의 관계를 나타내고 있다. 제어부(50)에는, 연료전지(15)의 출력 전압의 상한 전압값으로서의 기준 상한 전압값 Vmax이 기억되어 있다. 도 28에 나타내는 바와 같이, 연료전지에서는, 연료전지의 구성 부재 전체가 가지는 저항에 의한 전압 저하(저항 과전압)가 발생하기 때문에, 캐소드 전위는, 연료전지 전압에 대하여, 상기 저항에 의한 전압 저하분을 가산한 값이 된다. 상기 기준 상한 전압값 Vmax은, 캐소드가 형태 변화를 일으키지 않는 캐소드 전위 상한값 Vh에 의거하여, 상기 저항에 의한 전압 저하분을 고려하여, 캐소드 전위가 상기 캐소드 전위 상한값 Vh를 넘지 않는 값으로서, 정해져 있다.
또한, 제어부(50)에는, 기준 상한 전압값 Vmax와 함께, IV 특성에 있어서 기준 상한 전압값 Vmax에 대응하는 기준 출력 전류 Ist1이 기억되어 있다. 또한, 제어부(50)에는, 연료전지의 출력 전류가 기준 출력 전류 Ist1인 때의, 애노드 촉매 표면적 저하량과 애노드 전위 상승량의 관계를 나타내는 맵이 기억되어 있다. 이 애노드 촉매 표면적 저하량과 애노드 전위 상승량의 관계를 나타내는 맵은, 도 21에 나타낸 애노드 촉매 표면적 저하량과 성능 저하량(전압 저하량)의 관계를 나타내는 맵과 동일한 것이다. 단계 S710에서는, 이 맵을 참조하여, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량에 의거하여, 출력 전류가 기준 출력 전류 Ist1인 때의 애노드 전위 상승량 ΔVan을 도출한다.
애노드 전위 상승량을 도출하면, 제어부(50)의 CPU는, 이미 서술한 기준 상한 전압값 Vmax로부터, 단계 S710에서 도출한 애노드 전위 상승량 ΔVan을 감산하여, 상한 전압값 Vth1로 설정하고(단계 S720), 본 루틴을 종료한다. 단계 S700에 있어서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준값 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 기준 상한 전압값 Vmax를 상한 전압값 Vth1로 설정하고(단계 S730), 본 루틴을 종료한다. 단계 S720과 S730 중 어느 것에 있어서 상한 전압값 Vth1이 설정된 경우이어도, 도 26의 고전위 회피 제어 처리를 실행할 때에는, 도 27의 처리에서 설정된 최신의 상한 전압값 Vth1이 이용된다.
이러한 구성으로 하면, 애노드 형태 변화량에 기인하여 애노드 전위가 상승하고 있을 때에는, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 기준 상한 전압값 Vmax로부터 감산하여 상한 전압값 Vth1을 설정하기 때문에, 캐소드의 고전위화를 억제하는 동작의 신뢰성을 높일 수 있다. 도 30은, 애노드 형태 변화가 진행되고 있을 때에, 도 27의 단계 S720에서 설정한 전압값 Vth1을 이용하여, 도 26의 고전위 회피 제어 처리를 행하였을 때의, 연료전지 전압 및 캐소드 전위의 변동 모습의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 30에 있어서, 가로축은, 전기자동차(90)의 주행 거리를 나타낸다. 주행 거리 대신, 연료전지 시스템(10)을 기동하여 전기자동차(90)의 주행을 개시하고 나서의 경과 시간(운전 시간)으로 하여도 된다. 또한, 도 30에 있어서, 세로축은, 연료전지 전압의 변동을 나타내는 그래프에 대한 전압, 또는, 캐소드 전위의 변동을 나타내는 그래프에 대한 전위를 나타낸다.
도 30에 나타내는 바와 같이, 도 27의 단계 S720에서 설정한 상한 전압값 Vth1을 이용하여 고전위 회피 제어를 행하는 경우에는, 부하 요구의 변동에 수반하여 연료전지 전압이 변동해도, 연료전지 전압이 상한 전압값 Vth1을 넘지 않는다. 그 때문에, 애노드 전위가, 애노드 전위 상승량 ΔVan만큼 상승하고 있는 경우이어도, 캐소드 전위는, 캐소드 전위 상한값 Vh를 넘지 않는다. 도 29에 나타내는 바와 같이, 애노드 형태 변화가 진행되고 있을 때에는, 캐소드 전위는, 연료전지 전압에 대하여, 저항에 의한 전압 저하분에 더하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승분을 더 가산한 값이 된다. 상기와 같이, 기준 상한 전압값 Vmax로부터 애노드 전위 상승량 ΔVan을 감산하여, 상한 전압값 Vth1을 설정하고 있기 때문에, 캐소드 전위가 캐소드 전위 상한값 Vh를 초과하여 상승하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 캐소드의 고전위화에 기인하는 캐소드 형태 변화를 억제할 수 있다.
이에 반해, 도 31은, 애노드 형태 변화가 진행되었을 때에, 도 27의 고전위 회피 상한 전압 보정 처리를 행하지 않고, 항상 기준 상한 전압값 Vmax를 상한 전압값 Vth1로서 이용하여 도 26의 고전위 회피 제어 처리를 실행하였을 때의, 연료전지 전압 및 캐소드 전위의 변동 모습의 일례를 나타내는 설명도이다. 이와 같은 제어를 행하는 경우에는, 연료전지 전압은, 기준 상한 전압값 Vmax를 넘지 않는다. 그러나, 애노드 전위가, 애노드 전위 상승량 ΔVan만큼 상승하고 있기 때문에, 캐소드 전위는, (Vmax + ΔVan)이 되어, 캐소드가 형태 변화를 일으킬 때의 전위 Vh를 넘는 경우가 생긴다. 상기와 같이, 고전위 회피 제어 처리를 행할 때의 상한 전압값 Vth1을, 애노드 전위 상승량 ΔVan에 의거하여 보정함으로써, 애노드 형태 변화가 진행되어도, 캐소드에 있어서의 과잉적인 전위 상승을 억제하는 상태를 유지할 수 있다.
또한, 상기한 설명에서는, 부하 요구를 충족시키기 위한 전력을 모두 연료전지(15)에 의해 발전하는 것으로 하였으나, 다른 구성으로 하여도 된다. 예를 들면, 부하 요구를 충족시키기 위한 전력의 일부를, 2차 전지(91)를 이용하여 제공하는 것으로 하여도 된다. 이러한 경우이어도, 연료전지 전압을 상한 전압값 Vth1 이하로 억제하도록 발전 제어함으로써, 캐소드 전위 상승에 기인하는 캐소드 형태 변화를 억제할 수 있다. 이때, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 고려하여 상한 전압값 Vth1을 보정함으로써, 캐소드 전위의 과잉적인 상승을 억제하는 동작을 적정화할 수 있다.
H-4. 수소 결핍 운전 회피를 위한 하한 전압값의 보정 :
연료전지 전압에 의거하는 운전 제어의 다른 예로서, 셀 전압에 의거하는 수소 결핍 운전 회피 제어를 들 수 있다. 이미 서술한 바와 같이, 연료전지의 발전 중에는, 예를 들면, 셀 내 연료가스 유로에 있어서 응축수가 체류함으로써 애노드에 공급되는 수소량이 부족하면, 수소 부족을 일으킨 단셀이 부전압이 되어, 당해 수소 부족을 일으킨 단셀에 있어서 애노드 전위 상승 및 애노드 형태 변화가 일어난다. 그 때문에, 이와 같은 난점을 억제하기 위해서는, 수소 부족에 기인하는 전압 저하가 검출되었을 때에, 수소가 부족한 상태에서의 발전 계속을 회피하기 위한 수소 결핍 운전 회피 제어를 실행하면 된다. 이하에, 애노드 전위 상승을 고려하여 수소 결핍 운전 회피의 처리를 행하는 구성을, 제13 실시예로서 설명한다.
도 32는, 수소 결핍 운전 회피 제어 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다.
본 루틴은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU에 있어서, 연료전지(15)의 발전 중에, 반복 실행된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 전압센서(52)로부터, 연료전지(15)를 구성하는 개개의 단셀(70)의 전압을 취득한다(단계 S800). 그리고, 각 단셀(70) 중에, 전압이 하한 전압값 Vth2를 하회하는 단셀이 존재하는지의 여부를 판단한다(단계 S810). 하한 전압값 Vth2란, 단셀의 전압이 이 이상 저하하면, 수소 결핍 상태가 허용할 수 없을 정도로 진행되었다고 판단하기 위한 기준값으로서, 미리 설정한 부(負)의 값이다.
단계 S810에 있어서, 전압이 하한 전압값 Vth2를 하회하는 단셀이 존재한다고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 수소 부족 해소 처리를 실행하여(단계 S820), 본 루틴을 종료한다. 단계 S820에서 실행하는 수소 부족 해소 처리로서는, 예를 들면, 연료가스 유량을 증가시키는 처리를 들 수 있다. 연료가스 유량을 증가시키는 처리란, 구체적으로는, 예를 들면, 연료전지 시스템(10)에 있어서, 수소 순환 펌프(44)의 구동량을 증가시키는 처리를 행하면 된다. 또는, 퍼지 밸브(46)의 밸브 개방 1회당 밸브 개방 시간을 길게 하거나, 또는, 밸브 개방 간격을 짧게 하는 등에 의해, 단위 시간당 밸브 개방 시간을 길게 하는 처리를 행하면 된다. 이와 같은 처리를 행하여, 연료가스 유량을 증가시킴으로써, 셀 내 연료가스 유로에 체류하는 액체 상태의 물을 퍼지하고 제거하여, 수소 결핍 상태를 해소하는 것이 가능하게 된다.
단계 S810에 있어서, 전압이 하한 전압값 Vth2를 하회하는 단셀이 존재하지 않은 경우에는, 제어부(50)의 CPU는, 해소해야 할 수소 결핍 상태가 생기지 않았다고 판단하여, 본 루틴을 종료한다.
이와 같은 수소 결핍 운전 회피 제어를 행함으로써, 연료전지에 있어서 수소 결핍에 기인하는 전압 저하[전극(轉極)]이 일어나도, 바로 수소 결핍을 해소하는 처리를 실행하기 때문에, 수소 결핍에 의한 전극에 기인하는 연료전지 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다. 이러한 수소 결핍 운전 회피 제어를 행할 때에, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승을 고려하여, 하한 전압값 Vth2의 보정을 행하면, 수소 부족 해소 처리를 실행하는 것에 기인하는 시스템 효율의 저하를 억제할 수 있다.
도 33은, 본 실시예의 제어부(50)의 CPU에서 실행되는 수소 부족 회피 하한 전압 보정 처리 루틴을 나타내는 플로우 차트이다. 본 루틴은, 연료전지 시스템(10)의 제어부(50)의 CPU에 있어서, 연료전지(15)의 발전 중에, 도 32의 수소 결핍 운전 회피 제어 처리 루틴과 병행하여, 반복 실행된다.
본 루틴이 기동되면, 제어부(50)의 CPU는, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량이, 기준값 이상인지의 여부를 판단한다(단계 S900). 이 단계 S900은, 도 23의 단계 S500과 동일한 공정이다. 이미 서술한 바와 같이, 애노드 형태 변화량(애노드 촉매 표면적 저하량)이 어느 정도 작은 동안에는, 애노드 형태 변화에 기인하는 연료전지의 전압 저하량(애노드 전위 상승량)도 작다. 그 때문에, 단계 S900에서는, 애노드 전위 상승량에 의거하는 보정이 필요할 만큼, 애노드 촉매 표면적 저하량이 커졌는지의 여부를 판단한다.
단계 S900에 있어서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준값 이상이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 상기 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량에 의거하여, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 도출한다(단계 S910). 이미 서술한 바와 같이, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승량 ΔVan은, 애노드 촉매 표면적 저하량과 함께, 연료전지의 출력 전류에 의해 정해진다. 제어부(50)에 있어서는, 애노드 촉매 표면적 저하량과 연료전지의 전류를 파라미터로서 애노드 전위 상승량 ΔVan을 구하기 위한 맵이 기억되어 있고, 단계 S910에서는, 최신의 애노드 촉매 표면적 저하량과, 현재의 출력 전류값에 의거하여, 상기 맵을 참조하여, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 도출한다.
애노드 전위 상승량을 도출하면, 제어부(50)의 CPU는, 기준 하한 전압값 Vmin으로부터, 단계 S910에서 도출한 애노드 전위 상승량 ΔVan을 감산한 값을, 하한 전압값 Vth2로 설정하여(단계 S920), 본 루틴을 종료한다. 여기서, 기준 하한 전압값 Vmin이란, 애노드 형태 변화가 진행되지 않은 초기(제조 당시)의 연료전지에 있어서, 하한 전압값 Vth2, 즉, 수소 결핍 상태를 허용할 수 있는 범위인지의 여부를 판단하기 위한 값으로서, 미리 설정하여 제어부(50)에 기억한 부의 값이다.
단계 S900에 있어서, 최신의 애노드 형태 변화량이 기준값 미만이라고 판단하면, 제어부(50)의 CPU는, 기준 하한 전압값 Vmin을 하한 전압값 Vth2로 설정하여(단계 S930), 본 루틴을 종료한다. 단계 S920과 S930 중 어느 것에 있어서 하한 전압값 Vth2가 설정된 경우이어도, 도 32의 수소 결핍 회피 운전 회피 제어 처리를 실행할 때에는, 도 33의 처리에서 설정된 최신의 하한 전압값 Vth2가 이용된다.
이러한 구성으로 하면, 애노드 형태 변화량에 기인하여 애노드 전위가 상승하고 있을 때에는, 애노드 전위 상승량 ΔVan을 기준 하한 전압값 Vmin에서 감산하여 하한 전압값 Vth2를 설정하기 때문에, 수소 부족 상태에서 발전을 계속하는 것을 충분히 억제하면서, 수소 결핍 운전 회피의 제어에 기인하는 연료전지 시스템 효율의 저하를 억제할 수 있다. 애노드 형태 변화가 진행되고 있을 때에는, 애노드 전위가 상승함으로써, 수소 부족에 의해 연료전지가 부전압이 될 때에, 애노드 형태 변화 전과 수소 결핍 상태가 같은 정도이어도, 전압은, 애노드 전위 상승량 ΔVan만큼 낮아진다. 따라서, 하한 전압값 Vth2를, 기준 하한 전압값 Vmin에서 애노드 전위 상승량 ΔVan을 감산한 값으로 설정해도, 애노드 형태 변화 전에 판단의 기준으로 하고 있었던 수소 결핍 상태와 동등한 수소 결핍 상태에 도달하였을 때에, 수소 결핍 운전 회피 제어를 행할 수 있다.
또한, 애노드 형태 변화가 진행되었을 때에는, 하한 전압값 Vth2를, 더욱 낮게 보정함으로써, 수소 부족 해소 처리를 행하지 않는 기간을 더 길게 확보할 수 있어, 수소 부족 해소 처리를 행하는 것에 기인하는 연료전지 시스템 효율의 저하를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 수소 부족 해소 처리로서, 수소 순환 펌프(44)의 구동량을 증가시키는 처리를 행하는 경우에는, 수소 순환 펌프(44)가 소비하는 에너지가 증가함으로써, 연료전지 시스템에 있어서의 에너지 효율이 저하된다. 또한, 수소 부족 해소 처리로서, 퍼지 밸브(46)에 있어서의 단위 시간당 밸브 개방 시간을 길게 하는 처리를 행하는 경우에는, 시스템 외부로 배출되는 수소량이 증가함으로써, 연료전지 시스템에 있어서의 연료의 이용 효율이 저하된다. 따라서, 수소 부족 해소 처리의 타이밍을 늦춤으로써, 수소 부족 해소 처리를 행함에 의해 야기되는, 상기한 시스템 효율의 저하를 억제할 수 있다.
H-5. 제어 변경에 의한 효과 :
이상에서 설명한 바와 같이, 애노드 형태 변화량이 증가하여, 전지 성능이 저하(애노드 전위가 상승)하였을 때에, 애노드 형태 변화량에 의거하여 연료전지의 발전과 관련된 제어를 변경함으로써, 제어의 적정화를 더욱 도모할 수 있다. 또한, 애노드 형태 변화량이 증가하여, 연료전지의 성능 저하가 일어날 수 있는 경우이어도, 더 오래 연료전지 성능을 높은 상태로 유지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기와 같이, 애노드 형태 변화가 진행되어도 연료전지 성능을 더 오래 높은 상태로 유지할 수 있음으로써, 애노드가 구비하는 촉매 금속량을, 종래보다 삭감 가능하게 된다는 효과를 낸다.
연료전지에 있어서, 캐소드는, 시스템 정지시에 연료전지 내부에서 이미 서술한 내부 전지가 형성되는 것에 수반하는 고전위화가 일어나는 것 외에, 연료전지의 발전 중이어도, 저출력시에는 바람직하지 않은 정도로 고전위가 되는 경우도 있어, 캐소드의 고전위화에 기인하는 캐소드 형태 변화가 생기기 쉬웠다. 또한, 캐소드에 있어서의 전극 활물질인 산소는, 애노드에 있어서의 전극 활물질인 수소에 비해 반응 속도가 늦고, 또한, 산화가스로서 사용하는 공기 중에 있어서의 산소 농도가 비교적 낮기 때문에, 종래, 캐소드는, 충분한 촉매 금속을 구비하도록 함유하는 촉매 금속량이 설정되어 왔다.
이에 반해 애노드는, 산소보다 반응 속도가 빠른 수소를 전극 활물질로서 공급되어 있고, 또한, 연료가스 중의 수소 농도는 일반적으로 공기 중의 산소 농도보다 높다. 그 때문에, 애노드에서는, 연료전지 성능을 저하시키지 않고, 캐소드에 비해 촉매 금속량을 삭감할 수 있다. 그리고, 종래부터, 애노드에 있어서의 촉매 금속량은, 캐소드에 비해 일반적으로 억제되어 설정되어 왔다. 그러나, 종래는, 전극의 촉매 금속량을 설정할 때에는, 촉매 금속량을 더 많이 필요로 하는 캐소드에 있어서, 어느 정도 촉매 금속량을 억제할 수 있을지에 주의가 향해 있고, 캐소드보다 촉매 금속량이 적어도 되는 애노드에 있어서의 촉매 금속량에 대해서는, 충분한 검토가 되어 오지 않았다.
상기와 같이, 애노드에서는, 캐소드에 비해 촉매 금속량을 억제할 수 있으나, 연료전지를 널리 보급시키기 위한 코스트 다운을 더 행하기 위해서는, 애노드에 있어서의 촉매 금속량도, 전지 성능을 유지 가능한 범위에서, 충분히 억제하는 것이 바람직하다. 이미 서술한 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승이 일어나도, 애노드가 구비하는 촉매 금속량이 충분히 많으면, 연료전지의 성능이 실용상 문제가 될 정도로 저하할 때까지는, 매우 긴 기간을 필요로 한다고 생각된다. 그러나, 애노드에 있어서의 촉매 금속량을 삭감하려고 하면, 연료전지 시스템을 장기에 걸쳐서 사용하는 동안에, 애노드 형태 변화에 기인하는 애노드 전위 상승에 의한 성능 저하가 무시할 수 없는 것이 될 수 있다.
제10 내지 제13 실시예와 같이, 애노드 형태 변화가 어느 정도 진행되었을 때에는, 애노드 형태 변화의 정도에 따라 제어 변경함으로써, 애노드 형태 변화가 진행되어도, 더 오래 연료전지의 성능을 높은 상태로 유지할 수 있다. 그 때문에, 이러한 제어를 행하는 것으로 하면, 애노드에 있어서의 촉매 금속량을 삭감해도, 연료전지의 성능을 저하시키지 않고, 연료전지를 장기에 걸쳐 사용하는 것이 가능하게 된다.
I. 변형예 :
또한, 본 발명은 상기의 실시예나 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 양태에 있어서 실시하는 것이 가능하며, 예를 들면, 다음과 같은 변형도 가능하다.
I 1. 변형예 1 :
이미 서술한 실시예에서는, 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 금회의 발전 정지에 기인하여 진행한 애노드 형태 변화량을 도출하고, 금회 진행한 애노드 형태 변화량을, 기억해 둔 애노드 형태 변화량에 가산하여, 최신의 애노드 형태 변화량을 도출하고 있으나, 또한, 실측에 의해, 기억하고 있는 애노드 형태 변화량을 보정해도 된다. 예를 들면, 연료전지 시스템(10)을 탑재하는 전기자동차(90)의 점검시 등, 연료전지 시스템의 사용의 양태에 따른 적절한 타이밍에서, 예를 들면, 순환 전압 전류법 특성을 사용함으로써, 애노드 촉매 표면적을 실측할 수 있다. 이와 같이, 애노드 촉매 표면적을 실측하여, 실시예와 같이 추정에 의거하여 적산한 애노드 촉매 표면적을 보정하면, 장기에 걸쳐 연료전지 시스템을 사용하는 때의, 애노드 촉매 표면적 저하량에 의거하는 제어의 신뢰성을 높일 수 있다.
I 2. 변형예 2 :
실시예에서는, 연료전지(15)는, 고체고분자형 연료전지로 하였으나, 다른 종류의 연료전지로 하여도 된다. 연료전지의 발전 정지 후에, 셀 내 연료가스 유로로 산소가 유입하여, 애노드 전위 상승이 발생하는 연료전지이면, 본 발명을 적용함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.
10, 110, 210 : 연료전지 시스템 15 : 연료전지
20 : 수소 탱크 22 : 수소 공급 유로
24 : 수소 배출 유로 25 : 접속 유로
30 : 컴프레서 32 : 공기 공급 유로
34 : 공기 배출 유로 40 : 수소 차단 밸브
42 : 가변 조압 밸브 44 : 수소 순환 펌프
46 : 퍼지 밸브 50 : 제어부
51 : 부하 접속부 52 : 전압센서
56 : 배선 57 : 부하
60 : 냉매 순환 펌프 61 : 라디에이터
62 : 냉매 유로 63 : 냉매 온도 센서
70 : 단셀 71 : MEA
72, 73 : 가스 확산층 74, 75 : 가스 세퍼레이터
76 : 엔드 플레이트 78 : 집전판
81, 82, 83, 84, 85, 86 : 구멍부 87 : 오목부
88, 89 : 홈 90 : 전기자동차
92 : DC/DC 컨버터 93 : 구동 인버터
94 : 보조기기 95 : 구동 모터
98 : 출력축 99 : 차량 구동축
136 : 퍼지 유로 137, 138, 238 : 개폐 밸브
236 : 퍼지 유로 239 : 질소 탱크

Claims (24)

  1. 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료전지의 발전시에, 상기 연료전지 애노드에 대하여 수소를 함유하는 연료가스를 공급함과 함께, 상기 연료전지의 캐소드에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는, 발전시 가스 공급부와,
    상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 연료가스 및 상기 산화가스의 공급 정지 후에, 상기 연료전지의 애노드 전위 상승의 상태를 나타내는 정보인 애노드 전위 상승 정보로서, 상기 연료전지의 발전 정지 횟수에 관련된 정보를 포함하는 애노드 전위 상승 정보를 취득하는 애노드 전위 상승 정보 취득부와,
    상기 발전 정지 횟수에 관련된 정보와, 상기 애노드가 구비하는 촉매 금속의 형태 변화의 정도인 애노드 형태 변화량과의 관계를 미리 기억하는 제 1 기억부와,
    상기 발전 정지 횟수에 관련된 정보와 상기 제 1 기억부에 기억한 상기 관계를 참조하여 상기 애노드 형태 변화량을 도출하는 애노드 형태 변화량 도출부를 구비하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전위 상승 정보 취득부가 취득하는 상기 애노드 전위 상승 정보는, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이, 1회 일어난 것을 나타내는 정보인 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 전압을 취득하는 전압 취득부를 더 구비하고,
    상기 연료전지의 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 전압 취득부가 취득한 전압의 변동 패턴에 의거하여 생성되는 정보인 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압의 변동 패턴은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 상기 전압 취득부가 취득한 전압이, 저하의 상태에서 상승으로 바뀌고, 그 후, 다시 저하로 바뀌는 패턴인 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 정지 후의 경과 시간을 취득하는 경과 시간 취득부를 더 구비하고,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 경과 시간 취득부가 취득한 상기 경과 시간이, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 정해지는 제1 기준 시간이 경과했을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기준 시간은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승하여 안정될 때까지 필요한 시간인 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기준 시간은, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 진행되는 애노드 형태 변화의 반응이 정지될 때까지 필요한 시간인 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 내의 애노드 상에 형성되는 상기 연료가스의 유로에 있어서의 산소 분압을 도출하는 산소 분압 도출부를 더 구비하고,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 산소 분압 도출부가 도출한 상기 산소 분압이, 미리 정한 기준 분압을 넘었을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보는, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 연료가스 및 상기 산화가스의 공급 정지를 수반하는 상기 연료전지의 발전 정지 처리가 실행되었을 때에 생성되는 정보인 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발전 정지 처리는, 상기 연료전지 내의 연료가스의 유로에 대하여 공기를 공급하는 에어 퍼지 처리인 연료전지 시스템.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을 기억하는 애노드 형태 변화량 기억부를 더 구비하고,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양으로서 도출되는 값을, 전회(前回) 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도를 취득하는 연료전지 온도 취득부를 더 구비하고,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양을, 상기 연료전지의 온도에 의거하여 도출하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전위 상승 정보 취득부는,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승함에 의한 애노드 형태 변화가, 상기 연료전지의 재기동에 의해 중단되지 않고 진행되었다고 판단하는 경우에는, 제1 애노드 전위 상승 정보로서, 상기 연료전지의 발전 정지 후에 있어서의 애노드 전위 상승이 1회 일어난 것을 나타내는 정보를 취득하고,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 전위가 상승함에 의한 애노드 형태 변화가 진행되고 있는 도중에, 상기 연료전지의 재기동이 이루어졌다고 판단하는 경우에는, 제2 애노드 전위 상승 정보로서, 상기 연료전지의 재기동까지 진행한 애노드 형태 변화량을 나타내는 값을 취득하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 애노드 전위 상승 정보 취득부는,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에, 상기 연료전지의 재기동이 없는 상태에서, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 정해지는 제1 기준 시간이 경과했을 때에, 상기 제1 애노드 전위 상승 정보를 취득하고,
    상기 연료전지의 발전 정지 후에, 애노드 형태 변화의 진행 상태에 의거하여 상기 제1 기준 시간보다 빠른 타이밍으로 설정된 제2 기준 시간이 경과했을 때로서, 상기 제1 기준 시간이 경과하기 전에, 상기 연료전지 재기동이 이루어졌을 때에, 상기 연료전지의 재기동이 이루어진 시간에 관한 정보를, 상기 제2 애노드 전위 상승 정보로서 취득하는 연료전지 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을 기억하는 애노드 형태 변화량 기억부를 더 구비하고,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부는,
    상기 제1 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에는, 상기 연료전지의 발전 정지가 1회 행하여짐으로써, 애노드 전위 상승에 수반하여 진행되는 애노드 형태 변화의 양으로서 도출되는 값을, 전회 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하고,
    상기 제2 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에는, 상기 제2 애노드 전위 상승 정보에 의거하여, 상기 연료전지가 발전 정지하고 나서 재기동할 때까지 진행한 애노드 형태 변화량을 도출하고, 도출한 애노드 형태 변화량을, 전회 상기 애노드 전위 상승 정보를 취득하였을 때에 상기 애노드 형태 변화량 기억부에 기억한 상기 애노드 형태 변화량에 가산함으로써, 상기 애노드 형태 변화량을 도출하는 연료전지 시스템.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 중에, 상기 연료전지를 구성하는 단셀로서, 수소 부족에 기인하는 부전압이 된 단셀을 검출함과 함께, 당해 부전압이 된 단셀의 발전 조건을 검지하는 부전압 단셀 검지부와,
    상기 발전 조건에 의거하여, 상기 부전압이 된 단셀에 있어서의 애노드 형태 변화량을 도출하는 부전압시 애노드 형태 변화량 도출부와,
    상기 부전압시 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량을, 상기 단셀마다 적산하여, 수소 부족에 기인하는 부전압에 의해 진행된 애노드 형태 변화량인 발전시의 애노드 형태 변화량을 도출하는 발전시의 애노드 형태 변화량 도출부를 더 구비하는 연료전지 시스템.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전시에, 상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하도록, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 애노드에 대한 상기 연료가스의 공급과 관련되는 연료가스 공급 제어를 변경하는 전압 저하 억제부를 더 구비하는 연료전지 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전시에, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하도록, 상기 발전시 가스 공급부에 의한 상기 애노드에 대한 상기 연료가스의 공급과 관련되는 연료가스 공급 제어를 변경하는 전압 저하 억제부를 더 구비하고,
    상기 전압 저하 억제부는,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량이 제1 기준값 이상인 경우에는, 상기 애노드 형태 변화량에 의거하여, 상기 연료가스 공급 제어를 변경하고,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 애노드 형태 변화량이 상기 제1 기준값 미만인 경우로서, 상기 발전시 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 상기 발전시 애노드 형태 변화량이 제2 기준값을 넘는 단셀이 존재하는 경우에는, 상기 발전시 애노드 형태 변화량이 상기 제2 기준값을 넘는 단셀의 전압이 기준 전압보다 낮아졌을 때에, 상기 연료가스 공급 제어를 변경하는 연료전지 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 압력 상승을 행하는 연료전지 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 유량 증가를 행하는 연료전지 시스템.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 전압 저하 억제부는, 애노드 형태 변화에 기인하는 전압 저하를 억제하기 위한 상기 연료가스 공급 제어의 변경으로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 가습량 증가를 행하는 연료전지 시스템.
  22. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력 전압이, 상한 전압을 넘지 않도록, 상기 연료전지의 발전 상태를 제어하는 고전위 회피 제어부와,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 상기 애노드의 전위 상승량을 도출하는 애노드 전위 상승량 도출부와,
    상기 상한 전압을 위하여 미리 설정된 기준 상한 전압으로부터, 상기 애노드 전위 상승량 도출부가 도출한 상기 애노드의 전위 상승량을 감산한 값을, 상기 상한 전압으로서 설정하는 상한 전압 설정부를 더 구비하는 연료전지 시스템.
  23. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드에 대한 공급 수소량의 부족에 기인하여 상기 연료전지의 전압이 하한 전압 이하가 되었을 때에, 수소가 부족한 상태에서의 발전 계속을 회피하기 위한 수소 결핍 운전 회피 제어를 실행하는 수소 결핍 운전 회피 제어부와,
    상기 애노드 형태 변화량 도출부가 도출한 애노드 형태 변화량에 의거하여, 애노드 형태 변화에 기인하는 상기 애노드의 전위 상승량을 도출하는 애노드 전위 상승량 도출부와,
    상기 하한 전압을 위하여 미리 설정된 기준 하한 전압으로부터, 상기 애노드 전위 상승량 도출부가 도출한 상기 애노드의 전위 상승량을 감산한 값을, 상기 하한 전압으로서 설정하는 하한 전압 설정부를 더 구비하는 연료전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 수소 결핍 운전 회피 제어부는, 상기 수소 결핍 운전 회피 제어로서, 상기 애노드에 공급하는 상기 연료가스의 유량을 증가시키는 제어를 행하는 연료전지 시스템.

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