JP2008171770A

JP2008171770A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008171770A
Application number: JP2007006067A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Naganuma; 良明長沼; Hiroko Kimura; 裕子木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which noises due to driving of a hydrogen pump can be mitigated. <P>SOLUTION: A controlling part 80 decides a rotational frequency of a hydrogen pump 55 based on a bigger allowable rotational frequency of the hydrogen pump either of a hydrogen pump allowable rotational frequency decided by a detected output of a rotational frequency sensor 73 or of a hydrogen pump allowable rotational frequency decided from a rotational frequency sensor 99, and the hydrogen pump 55 is driven by the decided rotational frequency and noises and vibrations due to driving of the hydrogen pump 55 are masked by noises and vibrations due to a compressor 75 or a motor 94. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の掃気に用いる補機類を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including auxiliary machines used for scavenging a fuel cell.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。 An example of a fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell includes a stack configured by stacking a plurality of cells. The cell constituting the stack includes an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a solid polymer electrolyte membrane having a sulfone sun group as an ion exchange group is provided between the anode and the cathode. Intervene.

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。 A fuel gas containing a fuel gas (hydrogen gas or reformed hydrogen made by reforming hydrocarbons to be hydrogen rich) is supplied to the anode, and a gas containing oxygen as an oxidant (oxidant gas), for example, to the cathode. Air is supplied. By supplying the fuel gas to the anode, hydrogen contained in the fuel gas reacts with the catalyst of the catalyst layer constituting the anode, thereby generating hydrogen ions. The generated hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and cause an electrical reaction with oxygen at the cathode. Power generation is performed by this electrochemical reaction.

ところで、固体高分子型燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、システムの運転を停止すると、燃料電池の温度が下がり、高温多湿の状態にあった燃料電池内部の水分が凝結して結露したり、凍結したりすることがある。このため、システムの運転を停止するに際して、燃料電池の反応ガス流路から水を排出するための掃気が行われている。 By the way, in a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell as a power source, when the operation of the system is stopped, the temperature of the fuel cell decreases, and moisture inside the fuel cell that has been in a hot and humid state condenses and dew condensation occurs. Or it may freeze. For this reason, when the operation of the system is stopped, scavenging is performed to discharge water from the reaction gas flow path of the fuel cell.

例えば、掃気に用いる補機類として、コンプレッサと水素ポンプを用いる場合、排水に必要なエネルギーを最小限に抑制するために、外気温度に応じてコンプレッサと水素ポンプの回転数と処理時間を設定する。そして、設定した回転数でコンプレッサと水素ポンプを設定時間駆動し、コンプレッサの駆動に従った空気（酸化剤ガス）を燃料電池のカソードに供給するとともに、水素ポンプの駆動に従った水素ガス（燃料ガス）を燃料電池のアノードに供給し、燃料電池の反応ガス流路から水を排出することが行われている（特許文献１参照）。 For example, when compressors and hydrogen pumps are used as auxiliary equipment for scavenging, the rotation speed and processing time of the compressors and hydrogen pumps are set according to the outside air temperature in order to minimize the energy required for drainage. . Then, the compressor and the hydrogen pump are driven for a set time at the set number of revolutions, and air (oxidant gas) according to the drive of the compressor is supplied to the cathode of the fuel cell and hydrogen gas (fuel) according to the drive of the hydrogen pump is supplied. Gas) is supplied to the anode of the fuel cell, and water is discharged from the reaction gas flow path of the fuel cell (see Patent Document 1).

特開２００４−１９３１０２号公報JP 2004-193102 A

従来技術においては、外気温度に応じてコンプレッサと水素ポンプの回転数と処理時間を設定し、設定した回転数でコンプレッサと水素ポンプを設定時間駆動しているので、外気温度が低い程外気温度に応じてコンプレッサと水素ポンプの回転数と処理時間を設定し、設定した回転数でコンプレッサと水素ポンプを長時間駆動することで、燃料電池内の水を排出することができる。 In the prior art, the rotation speed and processing time of the compressor and hydrogen pump are set according to the outside air temperature, and the compressor and hydrogen pump are driven for the set time at the set rotation speed. Accordingly, the rotation speed and processing time of the compressor and the hydrogen pump are set, and the water in the fuel cell can be discharged by driving the compressor and the hydrogen pump for a long time at the set rotation speed.

しかし、コンプレッサと水素ポンプの回転数は外気温度によって設定され、両者の関係については何ら配慮されていないので、水素ポンプの駆動に伴う音が騒音となることが危惧される。また、燃料電池システムを搭載した自動車においては、走行用のトラクションモータの駆動に伴う音との関係でも、水素ポンプの駆動に伴う音が騒音となることがある。 However, since the rotation speeds of the compressor and the hydrogen pump are set according to the outside air temperature and no consideration is given to the relationship between the two, there is a concern that the sound accompanying the driving of the hydrogen pump may become noise. Further, in a vehicle equipped with a fuel cell system, the sound accompanying the driving of the hydrogen pump may be a noise even in relation to the sound accompanying the driving of the traction motor for traveling.

例えば、燃料電池搭載車が走行している場合には、アノード極に蓄積している水分を除去するため水素ポンプを駆動する必要があるが、トラクションモータやコンプレッサの駆動音を超えて回転させると、耳障りになる可能性がある。また、システムの停止時に掃気処理をする場合、コンプレッサやトラクションモータが動作していない状態であることが多く、比較的静かな運転状態となるため、水素ポンプの駆動が走行時以上に目立つ傾向にある。 For example, when a vehicle equipped with a fuel cell is running, it is necessary to drive the hydrogen pump in order to remove the water accumulated in the anode, but if it is rotated beyond the driving sound of the traction motor or compressor, , Could be annoying. Also, when scavenging processing is performed when the system is stopped, the compressor and traction motor are often not operating, and the operation is relatively quiet, so the drive of the hydrogen pump tends to be more noticeable than during driving. is there.

そこで、本発明は、掃気用駆動装置の駆動に伴う音を目立たなくすることを目的とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to make the sound accompanying the driving of the scavenging drive device inconspicuous.

前記課題を解決するために、本発明は、掃気用駆動装置を駆動して、燃料電池の掃気を行う燃料電池システムにおいて、掃気時における該駆動装置の駆動量を該駆動装置とは異なる他の駆動装置の駆動量に応じて制限してなる燃料電池システムを構成したものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell system that drives a scavenging drive device to scavenge a fuel cell. The drive amount of the drive device during scavenging is different from that of the drive device. The fuel cell system is configured to be limited according to the drive amount of the drive device.

係る構成によれば、掃気時における掃気用駆動装置の駆動量を、掃気用駆動装置とは異なる他の駆動装置の駆動量に応じて制限することで、掃気用駆動装置の駆動に伴う音が、他の駆動装置の駆動に伴う音にマスクされ、燃料電池の停止時における掃気用駆動装置の駆動に伴う音を目立たなくすることができる。 According to such a configuration, by limiting the drive amount of the scavenging drive device at the time of scavenging according to the drive amount of another drive device different from the scavenge drive device, the sound accompanying the drive of the scavenge drive device is generated. The sound accompanying the driving of the other driving device is masked, and the sound accompanying the driving of the scavenging driving device when the fuel cell is stopped can be made inconspicuous.

ここで、「掃気用駆動装置」は、燃料電池の含水量を低減させるべく動作する装置を含む概念であるが、例えば、掃気用駆動装置を水素ポンプとし、前記掃気用駆動装置の駆動量を該水素ポンプの回転数とすることができる。但し、掃気用駆動装置を、燃料電池に酸化剤ガスを圧送するコンプレッサとし、コンプレッサの回転数を制御対象とすることもできる。また、「掃気用駆動装置の駆動量」は「掃気用駆動装置」の種類によって定まり、典型的には、モータ系の駆動装置における回転数を意味するが、これに限定されるものではない。 Here, the “scavenging drive device” is a concept including a device that operates to reduce the water content of the fuel cell. For example, the scavenging drive device is a hydrogen pump, and the drive amount of the scavenging drive device is set as follows. The rotation speed of the hydrogen pump can be set. However, the scavenging drive device may be a compressor that pumps the oxidant gas to the fuel cell, and the rotation speed of the compressor may be controlled. The “drive amount of the scavenging drive device” is determined by the type of the “scavenging drive device”, and typically means the rotational speed of the motor system drive device, but is not limited thereto.

また、「他の駆動装置」は、燃料電池システムを動作させるための装置を含む概念であるが、例えば、他の駆動装置を、前記燃料電池に酸化剤ガスを圧送するコンプレッサまたは前記燃料電池の負荷となるモータの少なくともいずれか一方とし、前記他の駆動装置の駆動量を該コンプレッサまたは該モータの回転数とすることもできる。なお、コンプレッサを「掃気用駆動装置」とした場合、「他の駆動装置」として、水素ポンプまたは／およびモータとすることもできる。また、「他の駆動装置の駆動量」は「他の駆動装置」の種類によって定まり、典型的には、モータ系の駆動装置における回転数を意味するが、これに限定されるものではない。 In addition, the “other driving device” is a concept including a device for operating the fuel cell system. For example, the other driving device may be a compressor that pumps an oxidant gas to the fuel cell or the fuel cell. At least one of the motors serving as a load may be used, and the drive amount of the other drive device may be the rotational speed of the compressor or the motor. When the compressor is a “scavenging drive device”, the “other drive device” may be a hydrogen pump and / or a motor. The “driving amount of the other driving device” is determined by the type of “other driving device”, and typically means the rotational speed of the driving device of the motor system, but is not limited thereto.

燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。 In configuring the fuel cell system, the following elements can be added.

好適には、前記他の駆動装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、検出された前記他の駆動装置の駆動量を基に前記掃気用駆動装置の駆動量を制御する制御部とを備え、前記制御部は、検出された前記他の駆動装置の駆動量を基に掃気時における前記掃気用駆動装置の許容駆動量を決定し、決定した駆動量で前記掃気用駆動装置を制御する。 Preferably, drive amount detection means for detecting the drive amount of the other drive device, and a control unit for controlling the drive amount of the scavenging drive device based on the detected drive amount of the other drive device. The control unit determines an allowable drive amount of the scavenging drive device during scavenging based on the detected drive amount of the other drive device, and controls the scavenging drive device with the determined drive amount .

係る構成によれば、掃気時に、制御部により、駆動量検出手段の検出出力を基に掃気用駆動装置の許容駆動量を決定し、決定した駆動量で掃気用駆動装置を駆動することで、掃気用駆動装置の駆動に伴う音が、他の駆動装置の駆動に伴う音にマスクされ、燃料電池の停止時における駆動装置の駆動に伴う音を目立たなくすることができる。 According to such a configuration, at the time of scavenging, the control unit determines the allowable drive amount of the scavenging drive device based on the detection output of the drive amount detection unit, and drives the scavenge drive device with the determined drive amount. The sound accompanying the drive of the scavenging drive device is masked by the sound accompanying the drive of the other drive device, and the sound accompanying the drive of the drive device when the fuel cell is stopped can be made inconspicuous.

好適には、前記掃気用駆動装置とは、水素ポンプであり、前記他の駆動装置とは、燃料電池に酸化剤ガスを圧送するコンプレッサおよび燃料電池の負荷となるモータであり、該コンプレッサの回転数を検出する第１の回転数センサと、該モータの回転数を検出する第２の回転数センサと、前記第１の回転数センサと前記第２の回転数センサの検出出力を基に前記水素ポンプの回転数を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の回転数センサの検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数または前記第２の回転数センサの検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数のうち大きい方の水素ポンプ許容回転数を掃気時における前記水素ポンプの回転数に決定する。 Preferably, the scavenging drive device is a hydrogen pump, and the other drive device is a compressor that pumps oxidant gas to the fuel cell and a motor that is a load of the fuel cell, and the rotation of the compressor A first rotation number sensor for detecting the number of rotations, a second rotation number sensor for detecting the rotation number of the motor, and the detection outputs of the first rotation number sensor and the second rotation number sensor. A control unit that controls the rotation speed of the hydrogen pump, wherein the control unit is a hydrogen that is determined from a hydrogen pump allowable rotation speed determined from a detection output of the first rotation speed sensor or a detection output of the second rotation speed sensor. The larger hydrogen pump permissible rotational speed of the pump permissible rotational speed is determined as the rotational speed of the hydrogen pump during scavenging.

係る構成によれば、掃気時に、制御部により、第１の回転数センサの検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数または第２の回転数センサの検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数のうち大きい方の水素ポンプ許容回転数を、水素ポンプの回転数に決定し、決定した回転数で水素ポンプを駆動することで、水素ポンプの駆動に伴う音が、コンプレッサまたはモータの駆動に伴う音にマスクされ、燃料電池の停止時における水素ポンプの駆動に伴う音を目立たなくすることができる。 According to such a configuration, at the time of scavenging, the larger one of the allowable hydrogen pump rotational speed determined from the detection output of the first rotational speed sensor or the hydrogen pump allowable rotational speed determined from the detection output of the second rotational speed sensor by the control unit. By determining the permissible rotation speed of the hydrogen pump as the rotation speed of the hydrogen pump and driving the hydrogen pump at the determined rotation speed, the sound associated with the drive of the hydrogen pump is masked by the sound associated with the drive of the compressor or motor. In addition, it is possible to make the sound accompanying the driving of the hydrogen pump inconspicuous when the fuel cell is stopped.

本発明によれば、掃気用駆動装置の駆動に伴う騒音・振動を目立たなくすることができる。 According to the present invention, noise and vibration accompanying driving of the scavenging drive device can be made inconspicuous.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、燃料電池システムを搭載した自動車のシステム停止時に行う掃気処理において本発明を適用するものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
The first embodiment of the present invention applies the present invention in a scavenging process performed when the system of an automobile equipped with a fuel cell system is stopped.

図１は、本発明の一実施例を示す燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に冷却液を供給するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と燃料電池２０の出力電力を負荷装置に供給するための電力系統９とを備えて構成されている。 FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a fuel cell system 10 includes a coolant supply system 3 for supplying a coolant to the fuel cell 20, a fuel gas supply system 4 for supplying a fuel gas (hydrogen gas) to the fuel cell 20, An oxidant gas supply system 7 for supplying oxidant gas (air) to the fuel cell 20 and a power system 9 for supplying output power of the fuel cell 20 to the load device are configured.

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を多数積層した構造を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却液の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。 The fuel cell 20 is a membrane / electrode assembly in which an anode electrode 22 and a cathode electrode 23 are formed by screen printing or the like on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 21 made of a proton conductive ion exchange membrane or the like formed of a fluorine-based resin or the like. A structure in which many 24 are stacked is provided. Both surfaces of the membrane / electrode assembly 24 are sandwiched by separators (not shown) having flow paths for fuel gas, oxidant gas, and coolant, and grooves are formed between the separator and the anode electrode 22 and the cathode electrode 23, respectively. An anode gas channel 25 and a cathode gas channel 26 are formed. The anode electrode 22 is configured by providing a fuel electrode catalyst layer on a porous support layer, and the cathode electrode 23 is configured by providing an air electrode catalyst layer on the porous support layer. The catalyst layers of these electrodes are configured by adhering platinum particles, for example. The anode electrode 22 undergoes an oxidation reaction of the following formula (1), and the cathode electrode 23 undergoes a reduction reaction of the following formula (2). In the fuel cell 20 as a whole, an electromotive reaction of the following formula (3) occurs.

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１） H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)

（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２） (1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (2)

Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３） H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (3)

なお、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。 For convenience of explanation, the figure schematically shows the structure of a unit cell composed of the membrane / electrode assembly 24, the anode gas channel 25, and the cathode gas channel 26. A plurality of unit cells connected in series.

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。 The coolant supply system 3 of the fuel cell system 10 includes a cooling path 31 for circulating the coolant, a temperature sensor 32 for detecting the temperature of the coolant drained from the fuel cell 20, and a radiator for radiating the heat of the coolant to the outside. (Heat exchanger) 33, a valve 34 for adjusting the amount of coolant flowing into the radiator 33, a coolant pump 35 for pressurizing and circulating the coolant, and a temperature for detecting the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 20 A sensor 36 and the like are provided.

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。 The fuel gas supply system 4 of the fuel cell system 10 includes a fuel gas passage 40 for supplying fuel gas from the fuel gas supply device 42, for example, hydrogen gas, to the anode gas channel 25, and exhaust from the anode gas channel 25. A circulation flow path (circulation path) 51 for circulating the fuel off-gas to be circulated through the fuel gas flow path 40 is provided, and a fuel gas circulation system is constituted by these gas flow paths.

燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。 In the fuel gas passage 40, a shutoff valve (original valve) 43 that controls the outflow of fuel gas from the fuel gas supply device 42, a pressure sensor 44 that detects the pressure of the fuel gas, and a fuel gas pressure in the circulation path 51 are adjusted. A regulating valve 45 and a shutoff valve 46 for controlling the supply of fuel gas to the fuel cell 20 are installed.

燃料ガス供給装置４２は、例えば高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。 The fuel gas supply device 42 includes, for example, a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, a reformer, and the like. The circulation channel 51 includes a shut-off valve 52 that controls the supply of fuel off-gas from the fuel cell 20 to the circulation channel 51, a gas-liquid separator 53 and a discharge valve 54 that removes water contained in the fuel off-gas, and an anode gas channel 25. The hydrogen pump (circulation pump) 55 that compresses the fuel off-gas that has undergone pressure loss and raises the pressure to an appropriate gas pressure when returning to the fuel gas passage 40 when passing through the fuel gas, and the fuel gas in the fuel gas passage 40 Is provided with a backflow prevention valve 56 for preventing the backflow of the airflow toward the circulation channel 51 side. By driving the hydrogen pump 55 with a motor, the fuel off-gas generated by driving the hydrogen pump 55 merges with the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 42 in the fuel gas flow path 40 and then supplied to the fuel cell 20. Reused. The hydrogen pump 55 is provided with a rotation speed sensor 57 that detects the rotation speed of the hydrogen pump 55.

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６４を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。 Further, an exhaust passage 61 for branching out the fuel off-gas exhausted from the fuel cell 20 to the outside of the vehicle via a diluter (for example, a hydrogen concentration reducing device) 64 is branched and connected to the circulation passage 51. Yes. A purge valve 63 is installed in the exhaust passage 61, and is configured to perform exhaust control of the fuel off gas. By opening and closing the purge valve 63, it is possible to repeatedly circulate in the fuel cell 20, discharge the fuel off-gas having increased impurity concentration to the outside, and introduce new fuel gas to prevent the cell voltage from decreasing. . It is also possible to remove the water accumulated in the gas flow path by causing a pulsation in the internal pressure of the circulation flow path 51.

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（酸化剤ガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器７８、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー７９が設けられている。気液分離器７８から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー７９にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。 On the other hand, the oxidizing gas supply system 7 of the fuel cell system 10 includes an oxidizing gas passage 71 for supplying an oxidizing gas (oxidant gas) to the cathode gas channel 26 and a cathode off-gas exhausted from the cathode gas channel 26. A cathode off-gas passage 72 for exhausting is piped. An air cleaner 74 that takes in air from the atmosphere and an air compressor 75 that compresses the taken air and supplies the compressed air as an oxidant gas to the cathode gas channel 26 are set in the oxidizing gas channel 71. The air compressor 75 is provided with a rotation speed sensor 73 that detects the rotation speed of the air compressor 75. A humidifier 76 for exchanging humidity is provided between the oxidizing gas channel 71 and the cathode offgas channel 72. The cathode offgas passage 72 is provided with a pressure regulating valve 77 that adjusts the exhaust pressure of the cathode offgas passage 72, a gas-liquid separator 78 that removes moisture in the cathode offgas, and a muffler 79 that absorbs the exhaust sound of the cathode offgas. ing. The cathode off-gas discharged from the gas-liquid separator 78 is diverted. One of the cathode off-gas flows into the diluter 62 and is mixed and diluted with the fuel off-gas staying in the diluter 62. Is mixed with the gas diluted by the diluter 62 and discharged outside the vehicle.

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。 Further, the power system 9 of the fuel cell system 10 has a DC-DC converter 90 in which the output terminal of the battery 91 is connected to the primary side and the output terminal of the fuel cell 20 is connected to the secondary side, and a surplus as a secondary battery. A battery 91 that stores electric power, a battery computer 92 that monitors the charging state of the battery 91, an inverter 93 that supplies AC power to a load or driving vehicle 94 of the fuel cell 20, and various high voltages of the fuel cell system 10 An inverter 95 that supplies AC power to the auxiliary machine 96, a voltage sensor 97 that measures the output voltage of the fuel cell 20, and a current sensor 98 that measures the output current are connected.

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。 The DC-DC converter 90 converts the surplus power of the fuel cell 20 or the regenerative power generated by the braking operation to the vehicle travel motor 94 into a voltage and supplies the battery 91 for charging. Further, in order to compensate for the shortage of the generated power of the fuel cell 20 with respect to the required power of the vehicle travel motor 94, the DC-DC converter 90 converts the discharged power from the battery 91 to a secondary side after voltage conversion. .

インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。 Inverters 93 and 95 convert the direct current into a three-phase alternating current and output the three-phase alternating current to vehicle running motor 94 and high voltage auxiliary machine 96, respectively. The vehicle travel motor 94 is provided with a rotational speed sensor 99 that detects the rotational speed of the motor 94. The wheel 94 is mechanically coupled to the motor 94 via a differential, and the rotational force of the motor 94 can be converted into the driving force of the vehicle.

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統に重畳された交流信号に電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。 The voltage sensor 97 and the current sensor 98 are for measuring the AC impedance based on the phase and amplitude of the current with respect to the voltage in the AC signal superimposed on the power system. The AC impedance corresponds to the water content of the fuel cell 20.

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。
制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。 Further, the fuel cell system 10 is provided with a control unit 80 for controlling the power generation of the fuel cell 12.
The control unit 80 is constituted by a general-purpose computer including, for example, a CPU (Central Processing Unit), RAM, ROM, interface circuit, and the like. The temperature sensor 32, 36, the pressure sensor 44, and the rotation speed sensors 57, 73 are used. The sensor signals and signals from the voltage sensor 97, current sensor 98, and ignition switch 82 are taken in, and the motors are driven according to the battery operating state, for example, the power load, and the rotation speeds of the hydrogen pump 55 and the air compressor 75 are adjusted. In addition, various valve opening / closing controls or valve opening adjustments are performed.

特に、本実施形態において、制御部８０は、燃料電池２０の運転停止時に、掃気処理を行うに際して、掃気に用いる補機類として、水素ポンプ５５、エアコンプレッサ７５を選択し、水素ポンプ５５、エアコンプレッサ７５の回転数を制御するようになっている。 In particular, in the present embodiment, the control unit 80 selects the hydrogen pump 55 and the air compressor 75 as auxiliary machines used for scavenging when performing the scavenging process when the operation of the fuel cell 20 is stopped. The number of revolutions of the compressor 75 is controlled.

すなわち、制御部８０は、燃料電池２０の水収支（上記式（１）〜（３）で示すような電気化学作用により生成される水分と掃気により除去される水分とのバランスを示す）の観点から、燃料電池２０の含水量を判定するために、電圧センサ９７および電流センサ９８の計測値に基づいて電解質膜２１のインピーダンスを演算する。そして演算されたインピーダンスを基に電解質膜２１の含水量を推定し、この推定値（含水量）が燃料電池２０の動作に支障のない範囲にあるか否かを判定し、推定による含水量が許容量の範囲内にあり、かつエアコンプレッサ７５が動作状態にあることを条件に、掃気実行タイミングであるとして、掃気時における掃気用駆動装置、すなわち水素ポンプ５５の回転数を他の駆動装置、例えば、エアコンプレッサ７５の回転数に応じて制限するようになっている。 That is, the control unit 80 is a viewpoint of the water balance of the fuel cell 20 (indicating the balance between the water generated by the electrochemical action as shown in the above formulas (1) to (3) and the water removed by scavenging). Therefore, in order to determine the water content of the fuel cell 20, the impedance of the electrolyte membrane 21 is calculated based on the measured values of the voltage sensor 97 and the current sensor 98. Then, the water content of the electrolyte membrane 21 is estimated based on the calculated impedance, and it is determined whether or not this estimated value (water content) is within a range that does not hinder the operation of the fuel cell 20. Assuming that the scavenging execution timing is within the allowable range and the air compressor 75 is in an operating state, the scavenging drive device at the time of scavenging, that is, the rotational speed of the hydrogen pump 55 is changed to another drive device, For example, the restriction is made according to the rotational speed of the air compressor 75.

具体的には、制御部８０は、燃料電池２０の運転停止時に、掃気処理を行うに際して、回転数センサ７３の検出出力を基に、メモリに格納された情報を参照するために、図２に示すテーブルＴ１を検索し、回転数センサ７３の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数を、掃気時における水素ポンプ５５の回転数に決定し、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動することとしている。 Specifically, when the scavenging process is performed when the operation of the fuel cell 20 is stopped, the control unit 80 refers to the information stored in the memory based on the detection output of the rotation speed sensor 73 in FIG. The table T1 shown is searched, and the hydrogen pump allowable rotation speed corresponding to the detection output of the rotation speed sensor 73 is determined as the rotation speed of the hydrogen pump 55 during scavenging, and the hydrogen pump 55 is driven at the determined rotation speed. Yes.

（動作説明）
次に、システム停止時における掃気処理を図３のフローチャートに従って説明する。
まず、制御部８０は、イグニッションスイッチ８２がオフになったか否かを判定する（Ｓ１）。イグニッションスイッチ８２がオフになったときには（ＹＥＳ）、電圧センサ９７および電流センサ９８の計測値を取り込み電解質膜２１のインピーダンスを演算する（Ｓ２）。そして演算された電解質膜２１のインピーダンスを基に電解質膜２１の含水量を推定し、推定による含水量が許容量の範囲内か否かを判定する（Ｓ３）。 (Description of operation)
Next, the scavenging process when the system is stopped will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, the control unit 80 determines whether or not the ignition switch 82 is turned off (S1). When the ignition switch 82 is turned off (YES), the measured values of the voltage sensor 97 and the current sensor 98 are taken in and the impedance of the electrolyte membrane 21 is calculated (S2). Then, the water content of the electrolyte membrane 21 is estimated based on the calculated impedance of the electrolyte membrane 21, and it is determined whether or not the estimated water content is within the allowable range (S3).

推定による含水量が許容量の範囲から外れているときには（ＮＯ）、電解質膜２１の含水量が少な過ぎるまたは多過ぎるとして、このルーチンの処理を終了する。一方、推定による含水量が許容量の範囲内にあるときには（ＹＥＳ）、電解質膜２１の含水量が適切な状態にあるとして、制御部８０は、エアコンプレッサ７５が動作状態にあるか否かを判定する（Ｓ４）。そして、エアコンプレッサ７５が動作状態にないときには（ＮＯ）、このルーチンでの処理を終了し、エアコンプレッサ７５が動作状態にあるときには（ＹＥＳ）、掃気実行タイミングであるとして、燃料電池２０の運転停止に伴う掃気処理を実行する。 When the estimated water content is out of the allowable range (NO), the routine is terminated because the water content of the electrolyte membrane 21 is too small or too large. On the other hand, when the estimated water content is within the allowable range (YES), the control unit 80 determines whether the air compressor 75 is in an operating state, assuming that the water content of the electrolyte membrane 21 is in an appropriate state. Determine (S4). When the air compressor 75 is not in an operating state (NO), the processing in this routine is terminated. When the air compressor 75 is in an operating state (YES), the operation of the fuel cell 20 is stopped as the scavenging execution timing. The scavenging process is executed.

掃気処理として、制御部８０は、まず、元弁４３を閉じるとともに（Ｓ５）、回転数センサ５７、７３、９９の検出出力を取り込む（Ｓ６）。まず、回転数センサ７３の検出出力を基に、図２に示すテーブルＴ１を検索する（Ｓ７）。次いで、回転数センサ７３の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数を抽出する（Ｓ８）。例えば、エアコンプレッサ７５の回転数が２０００ｒｐｍのときには、エアコンプレッサ７５の回転数に対応した水素ポンプ許容回転数として、テーブルＴ１より２０００ｒｐｍを抽出する。 As the scavenging process, the control unit 80 first closes the main valve 43 (S5) and takes in the detection outputs of the rotation speed sensors 57, 73, and 99 (S6). First, the table T1 shown in FIG. 2 is searched based on the detection output of the rotation speed sensor 73 (S7). Next, the permissible rotation speed of the hydrogen pump corresponding to the detection output of the rotation speed sensor 73 is extracted (S8). For example, when the rotation speed of the air compressor 75 is 2000 rpm, 2000 rpm is extracted from the table T1 as the hydrogen pump allowable rotation speed corresponding to the rotation speed of the air compressor 75.

次に、制御部８０は、抽出した水素ポンプ許容回転数を、掃気時における水素ポンプ５５の回転数として決定し（Ｓ９）、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動し（Ｓ１０）、このルーチンでの処理を終了する。上記数値例では、抽出した水素ポンプ許容回転数である２０００ｒｐｍを、掃気時における水素ポンプ５５の回転数として決定することになる。 Next, the control unit 80 determines the extracted hydrogen pump allowable rotational speed as the rotational speed of the hydrogen pump 55 during scavenging (S9), and drives the hydrogen pump 55 at the determined rotational speed (S10). The process in is terminated. In the above numerical example, the extracted hydrogen pump allowable rotational speed of 2000 rpm is determined as the rotational speed of the hydrogen pump 55 during scavenging.

これにより、燃料電池２０の運転停止に伴う掃気時には、エアコンプレッサ７５が２０００ｒｐｍで回転し、水素ポンプ５５が２０００ｒｐｍで回転し、エアコンプレッサ７５の回転駆動に伴う酸化剤ガス（エア）が燃料電池２０に圧送されるとともに、水素ポンプ５５の駆動に伴う燃料ガス（水素ガス）が燃料電池２０に送給され、燃料電池２０内の水が燃料電池２０の外部に排出される。この際、水素ポンプ５５は、エアコンプレッサ７５と同じ回転数で回転駆動されるため、水素ポンプ５５の駆動に伴う音は、エアコンプレッサ７５の駆動に伴う音にマスクされ、水素ポンプ５５の駆動に伴う騒音や振動が目立たなくなり、ユーザに不快感を与えるのを防止できる。 Thereby, at the time of scavenging accompanying the shutdown of the fuel cell 20, the air compressor 75 rotates at 2000 rpm, the hydrogen pump 55 rotates at 2000 rpm, and the oxidant gas (air) accompanying the rotational drive of the air compressor 75 is the fuel cell 20. The fuel gas (hydrogen gas) accompanying the driving of the hydrogen pump 55 is supplied to the fuel cell 20, and the water in the fuel cell 20 is discharged to the outside of the fuel cell 20. At this time, since the hydrogen pump 55 is rotationally driven at the same rotational speed as the air compressor 75, the sound accompanying the driving of the hydrogen pump 55 is masked by the sound accompanying the driving of the air compressor 75, and the hydrogen pump 55 is driven. The accompanying noise and vibration become inconspicuous and it is possible to prevent the user from feeling uncomfortable.

本実施形態によれば、掃気時に、制御部８０により、回転数センサ７３の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数を、水素ポンプ５５の回転数に決定し、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動するようにしたため、水素ポンプ５５の駆動に伴う音が、コンプレッサ７５の駆動に伴う音にマスクされ、燃料電池２０の停止時における水素ポンプ５５の駆動に伴う騒音や振動を目立たなくすることができる。 According to this embodiment, at the time of scavenging, the control unit 80 determines the hydrogen pump allowable rotation speed determined from the detection output of the rotation speed sensor 73 as the rotation speed of the hydrogen pump 55, and the hydrogen pump 55 is operated at the determined rotation speed. Since it is driven, the sound accompanying the driving of the hydrogen pump 55 is masked by the sound accompanying the driving of the compressor 75, and the noise and vibration accompanying the driving of the hydrogen pump 55 when the fuel cell 20 is stopped may be inconspicuous. it can.

また、回転数センサ７３の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数に関する情報をテーブルＴ１に格納するに際しては、人間の耳において目立たない水素ポンプ５５の回転数を実験で求め、実験による値をマップ形式でテーブルＴ１に記憶することができる。 In addition, when storing information on the permissible rotation speed of the hydrogen pump determined from the detection output of the rotation speed sensor 73 in the table T1, the rotation speed of the hydrogen pump 55 that is inconspicuous in the human ear is experimentally obtained, and the experimental value is represented in a map format Can be stored in the table T1.

また、掃気時における水素ポンプ５５の回転数を決定するに際しては、水素ポンプ５５の許容回転数を演算によって求めることもできる。例えば、エアコンプレッサ７５の回転数に対応する騒音レベルを演算し、この演算により得られた騒音レベルよりも小さい騒音レベルに対応した水素ポンプ５５の回転数を演算により求め、この回転数を掃気時における水素ポンプ５５の許容回転数に決定することができる。 Further, when determining the rotation speed of the hydrogen pump 55 during scavenging, the allowable rotation speed of the hydrogen pump 55 can be obtained by calculation. For example, the noise level corresponding to the rotation speed of the air compressor 75 is calculated, the rotation speed of the hydrogen pump 55 corresponding to the noise level smaller than the noise level obtained by this calculation is obtained by calculation, and this rotation speed is calculated during scavenging. The allowable rotational speed of the hydrogen pump 55 can be determined.

（実施形態２）
上記実施形態１では、システム停止時という前提から、水素ポンプの回転数をエアコンプレッサのみの回転数に応じて制御していたが、本実施形態２では、車両走行時における掃気処理に本発明を適用するものであって、エアコンプレッサおよび車両走行用モータの駆動に伴う音の影響が大きい方の回転数に応じて水素ポンプの回転数を制御する例に関する。 (Embodiment 2)
In the first embodiment, the number of revolutions of the hydrogen pump is controlled according to the number of revolutions of only the air compressor from the premise that the system is stopped. However, in the second embodiment, the present invention is applied to the scavenging process when the vehicle is running. The present invention relates to an example in which the rotation speed of the hydrogen pump is controlled in accordance with the rotation speed that is more affected by the sound generated by driving the air compressor and the vehicle travel motor.

本実施形態２における構成は、上記実施形態１とほぼ同様である。
但し、上記実施形態１では、制御部８０は、システム停止時における掃気処理に本発明を適用していたため、水素ポンプ５５の回転数をエアコンプレッサ７５のみの回転数に応じて制御していたが、本実施形態２では、車両走行時の掃気処理に本発明を適用するため、水素ポンプ５５の回転数を他の駆動装置、例えば、エアコンプレッサ７５またはモータ９４の回転数に応じて制限するようになっている。走行時に相対的に大きな駆動音を発生させる車両走行用モータ９４の駆動状況も勘案する点で、上記実施形態１と異なっている。
The configuration in the second embodiment is substantially the same as that in the first embodiment.
However, in the first embodiment, the controller 80 controls the rotation speed of the hydrogen pump 55 according to the rotation speed of the air compressor 75 only because the present invention is applied to the scavenging process when the system is stopped. In the second embodiment, in order to apply the present invention to the scavenging process during traveling of the vehicle, the rotational speed of the hydrogen pump 55 is limited according to the rotational speed of another drive device, for example, the air compressor 75 or the motor 94. It has become. The present embodiment is different from the first embodiment in that the driving state of the vehicle driving motor 94 that generates a relatively loud driving sound during driving is also taken into consideration.

具体的には、制御部８０は、車両走行時に、燃料電池２０のアノード極２２における水分量を演算し、アノード極２２の水分量がしきい値を超えた場合に掃気処理が必要と判断する。そして、車両走行時における掃気処理として、アノード極２２から排水するために水素ポンプ５５を駆動する際に、回転数センサ（第１の回転数センサ）７３の検出出力と回転数センサ（第２の回転数センサ）９９の検出出力を基に、メモリに格納された情報を参照するために、実施形態１で用いた図２に示すテーブルＴ１と併せて、図４に示すテーブルＴ２を検索し、回転数センサ７３の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数または回転数センサ９９の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数のうち大きい方の水素ポンプ許容回転数を、掃気時における水素ポンプ５５の回転数に決定し、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動することとしている。 Specifically, the control unit 80 calculates the amount of water in the anode electrode 22 of the fuel cell 20 during traveling of the vehicle, and determines that the scavenging process is necessary when the amount of water in the anode electrode 22 exceeds a threshold value. . When the hydrogen pump 55 is driven to drain from the anode electrode 22 as a scavenging process when the vehicle is traveling, the detection output of the rotation speed sensor (first rotation speed sensor) 73 and the rotation speed sensor (second speed sensor) In order to refer to the information stored in the memory on the basis of the detection output of the rotational speed sensor 99, the table T2 shown in FIG. 4 is searched together with the table T1 shown in FIG. Of the hydrogen pump permissible rotational speed corresponding to the detection output of the rotational speed sensor 73 or the hydrogen pump permissible rotational speed corresponding to the detection output of the rotational speed sensor 99, the larger hydrogen pump permissible rotational speed is determined by the hydrogen pump 55 during scavenging. The rotational speed is determined, and the hydrogen pump 55 is driven at the determined rotational speed.

次に、本実施形態２における車両走行時における燃料電池システム１０の掃気処理を図５および図６のフローチャートに従って説明する。
まず、制御部８０は、燃料電池２０のアノード極２２の水分量を計算する（Ｓ２０）。アノード極２０の水分量推定には種々の方法を適用可能であるが、図６に示す演算手順はその一例である。 Next, the scavenging process of the fuel cell system 10 during traveling of the vehicle in the second embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
First, the control unit 80 calculates the moisture content of the anode electrode 22 of the fuel cell 20 (S20). Various methods can be applied to the estimation of the moisture content of the anode 20, and the calculation procedure shown in FIG. 6 is an example.

図６において、制御部８０は、掃気処理開始時において把握しているアノード極２２における水分量の初期値を入力する（Ｓ２１）。次いでステップ２２に移行し、制御部８０は、上記式（１）〜（３）によってカソード極２３側で生成された生成水量、および、カソードガスの循環によってカソード極２３から排水された水分量を求める。そして生成水量とカソード極２３から持ち去られた水分量との差分を演算する。この差分はカソード極２３に残留している水分量と推測される。アノード極２２の水分量はカソード極２３に残留している水分が電解質膜２１を介してアノード極２２に透過してくる水分量を推測できるので、制御部８０は、カソード極２３の残留水分量（＝生成水量−カソード極２３から持ち去られた水分量）に実験的に求めたカソード極２３の水分透過率を乗じて、アノード極２２の水分量を求める。 In FIG. 6, the control unit 80 inputs an initial value of the moisture amount in the anode electrode 22 that is grasped at the start of the scavenging process (S21). Next, the process proceeds to step 22 where the control unit 80 determines the amount of water generated on the cathode electrode 23 side by the above formulas (1) to (3) and the amount of water drained from the cathode electrode 23 by the circulation of the cathode gas. Ask. Then, the difference between the amount of generated water and the amount of water taken away from the cathode electrode 23 is calculated. This difference is presumed to be the amount of water remaining in the cathode electrode 23. Since the amount of water in the anode electrode 22 can be estimated from the amount of water remaining in the cathode electrode 23 permeating through the electrolyte membrane 21 to the anode electrode 22, the control unit 80 can determine the amount of water remaining in the cathode electrode 23. The amount of water in the anode electrode 22 is obtained by multiplying (= the amount of generated water−the amount of water removed from the cathode electrode 23) by the moisture permeability of the cathode electrode 23 obtained experimentally.

ここで、アノード極２２に残留している水分量は、カソード極２３から透過してきた水分量から、水素ポンプ５５の駆動によるカソードガスの循環によりアノード極２２から直接蒸発した水分量を除いた量となる。そこで、ステップ２３に移行し、制御部８０は、アノード極２２の水分量から水素ポンプ５５の駆動により持ち去られた水分量を減算し、現時点におけるアノード極２２の残留水分量を算出する。 Here, the amount of water remaining in the anode electrode 22 is an amount obtained by removing the amount of water directly evaporated from the anode electrode 22 by the circulation of the cathode gas by driving the hydrogen pump 55 from the amount of water transmitted from the cathode electrode 23. It becomes. Therefore, the process proceeds to step 23, where the control unit 80 subtracts the amount of water removed by driving the hydrogen pump 55 from the amount of water in the anode electrode 22, and calculates the remaining amount of moisture in the anode electrode 22 at the present time.

このアノード極２２に残留している水分量が所定のしきい値を超える場合に過剰な水分が残留しているものとして、アノード極２２のための掃気処理の必要性が生じる。そこで、ステップＳ２４に移行し、制御部８０は、ステップＳ２０によって演算されたアノード極２２の残留水分量が排水のための所定のしきい値を超えているか否かを判定する。その結果、アノード極２２の残留水分量がしきい値以下であれば（ＮＯ）、掃気処理は不要と判断し、制御部８０は、適当なインターバルをおいて、再びアノード極２２の残留水分量の監視を継続する（ステップＳ２０〜Ｓ２４）。 When the amount of moisture remaining in the anode electrode 22 exceeds a predetermined threshold value, it is assumed that excess moisture remains, and the scavenging process for the anode electrode 22 is required. Therefore, the process proceeds to step S24, and the control unit 80 determines whether or not the residual water content of the anode electrode 22 calculated in step S20 exceeds a predetermined threshold value for drainage. As a result, if the residual moisture content of the anode electrode 22 is equal to or less than the threshold value (NO), it is determined that the scavenging process is unnecessary, and the control unit 80 again determines the residual moisture content of the anode electrode 22 after an appropriate interval. Monitoring is continued (steps S20 to S24).

一方、ステップＳ２４において、アノード極２２の残留水分量がしきい値を超えていた場合（ＹＥＳ）、掃気処理が必要な状態と判断し、制御部８０は、アノード極２２の残留水分を水素ポンプ５５の駆動により除去する処理に移行する。このとき、本発明を適用し、制御部８０は、コンプレッサ７５の回転数と車両走行用モータ９４の回転数を考慮した上限の回転数で水素ポンプ５５を駆動するように処理する。 On the other hand, if the residual water content of the anode electrode 22 exceeds the threshold value in step S24 (YES), it is determined that the scavenging process is necessary, and the control unit 80 transfers the residual water content of the anode electrode 22 to the hydrogen pump. The process proceeds to the removal process by driving 55. At this time, the present invention is applied, and the control unit 80 performs processing so as to drive the hydrogen pump 55 at an upper limit number of rotations in consideration of the rotation number of the compressor 75 and the rotation number of the vehicle travel motor 94.

すなわち、ステップＳ２５において、制御部８０は、まず回転数センサ５７、７３、９９の検出出力を取り込む。次いで、ステップＳ２６に移行し、制御部８０は、回転数センサ７３および９９の検出出力を基に、図２に示すテーブルＴ１と、図４に示すテーブルＴ２とを検索する。次いで、ステップＳ２７に移行し、制御部８０は、回転数センサ７３の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数と回転数センサ９９の検出出力に対応した水素ポンプ許容回転数を抽出する。例えば、エアコンプレッサ７５の回転数が２０００ｒｐｍのときには、エアコンプレッサ７５の回転数に対応した水素ポンプ許容回転数として、テーブルＴ１より２０００ｒｐｍを抽出し、モータ９４の回転数が６０００ｒｐｍのときには、モータ９４の回転数に対応した水素ポンプ許容回転数として、テーブルＴ２より４０００ｒｐｍを抽出する。 That is, in step S25, the control unit 80 first takes in the detection outputs of the rotation speed sensors 57, 73, and 99. Next, the process proceeds to step S26, and the control unit 80 searches the table T1 shown in FIG. 2 and the table T2 shown in FIG. 4 based on the detection outputs of the rotation speed sensors 73 and 99. Next, the process proceeds to step S <b> 27, and the control unit 80 extracts the hydrogen pump allowable rotational speed corresponding to the detection output of the rotational speed sensor 73 and the hydrogen pump allowable rotational speed corresponding to the detection output of the rotational speed sensor 99. For example, when the rotation speed of the air compressor 75 is 2000 rpm, 2000 rpm is extracted from the table T1 as the hydrogen pump allowable rotation speed corresponding to the rotation speed of the air compressor 75, and when the rotation speed of the motor 94 is 6000 rpm, 4000 rpm is extracted from the table T2 as the allowable rotation speed of the hydrogen pump corresponding to the rotation speed.

次に、ステップＳ２８に移行し、制御部８０は、抽出した２つの水素ポンプ許容回転数を相互に比較し、２つの水素ポンプ許容回転数のうち大きい方の水素ポンプ許容回転数を、掃気時における水素ポンプ５５の回転数として決定する。すなわち、騒音レベルの高い方の駆動装置の駆動量に応じて、制御対象となる掃気用駆動装置の駆動量を決定するのである。次いで、ステップＳ２９に移行し、制御部８０は、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動し、このルーチンでの処理を終了する。例えば、上記数値例では、抽出した２つの水素ポンプ許容回転数２０００ｒｐｍと４０００ｒｐｍのうち大きい方の水素ポンプ許容回転数である４０００ｒｐｍを、掃気時における水素ポンプ５５の回転数として決定することになる。 Next, the process proceeds to step S28, where the control unit 80 compares the extracted two hydrogen pump permissible rotational speeds with each other, and determines the larger hydrogen pump permissible rotational speed of the two hydrogen pump permissible rotational speeds during scavenging. Is determined as the number of rotations of the hydrogen pump 55. That is, the drive amount of the scavenging drive device to be controlled is determined according to the drive amount of the drive device with the higher noise level. Next, the process proceeds to step S29, where the control unit 80 drives the hydrogen pump 55 at the determined rotational speed, and ends the processing in this routine. For example, in the above numerical example, 4000 rpm, which is the larger allowable hydrogen pump rotational speed of the extracted two hydrogen pump allowable rotational speeds 2000 rpm and 4000 rpm, is determined as the rotational speed of the hydrogen pump 55 during scavenging.

これにより、車両走行中における掃気時には、エアコンプレッサ７５が２０００ｒｐｍで回転し、モータ９４が４０００ｒｐｍで回転し、水素ポンプ５５が４０００ｒｐｍで回転し、エアコンプレッサ７５の回転駆動に伴う酸化剤ガス（エア）が燃料電池２０に圧送されるとともに、水素ポンプ５５の駆動に伴う燃料ガス（水素ガス）が燃料電池２０に送給され、燃料電池２０内のカソード極２２の残留水が燃料電池２０の外部に排出される。この際、水素ポンプ５５は、車両走行用モータ９４と同じ回転数で回転駆動されるため、水素ポンプ５５の駆動に伴う音は、モータ９４やエアコンプレッサ７５の駆動に伴う音にマスクされ、水素ポンプ５５の駆動に伴う騒音や振動が目立たなくなり、ユーザに不快感を与えるのを防止できる。 As a result, during scavenging while the vehicle is running, the air compressor 75 rotates at 2000 rpm, the motor 94 rotates at 4000 rpm, the hydrogen pump 55 rotates at 4000 rpm, and the oxidant gas (air) associated with the rotational drive of the air compressor 75. Is pumped to the fuel cell 20, and fuel gas (hydrogen gas) accompanying the driving of the hydrogen pump 55 is fed to the fuel cell 20, and the residual water at the cathode electrode 22 in the fuel cell 20 is outside the fuel cell 20. Discharged. At this time, since the hydrogen pump 55 is rotationally driven at the same rotational speed as the vehicle driving motor 94, the sound accompanying the driving of the hydrogen pump 55 is masked by the sound accompanying the driving of the motor 94 and the air compressor 75, Noise and vibration associated with the driving of the pump 55 are not noticeable, and it is possible to prevent the user from feeling uncomfortable.

本実施形態２によれば、車両走行時における掃気処理において、制御部８０により、回転数センサ７３の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数または回転数センサ９９の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数のうち大きい方の水素ポンプ許容回転数を、水素ポンプ５５の回転数に決定し、決定した回転数で水素ポンプ５５を駆動するようにしたため、水素ポンプ５５の駆動に伴う音が、コンプレッサ７５またはモータ９４の駆動に伴う音にマスクされ、燃料電池２０の停止時における水素ポンプ５５の駆動に伴う騒音や振動を目立たなくすることができる。 According to the second embodiment, in the scavenging process during traveling of the vehicle, the control unit 80 allows the hydrogen pump allowable rotation speed determined from the detection output of the rotation speed sensor 73 or the hydrogen pump allowable rotation speed determined from the detection output of the rotation speed sensor 99. Of these, the allowable rotation speed of the hydrogen pump is determined to be the rotation speed of the hydrogen pump 55, and the hydrogen pump 55 is driven at the determined rotation speed. It is masked by the sound accompanying the drive of the motor 94, and the noise and vibration accompanying the drive of the hydrogen pump 55 when the fuel cell 20 is stopped can be made inconspicuous.

また、上記実施形態１と同様に、回転数センサ７３の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数と回転数センサ９９の検出出力から定まる水素ポンプ許容回転数に関する情報をテーブルＴ１、Ｔ２に格納するに際しては、人間の耳において目立たない水素ポンプ５５の回転数を実験で求め、実験による値をマップ形式でテーブルＴ１、Ｔ２に記憶することができる。 Further, similarly to the first embodiment, when storing information on the allowable hydrogen pump speed determined from the detection output of the rotation speed sensor 73 and the allowable hydrogen pump speed determined from the detection output of the rotation speed sensor 99 in the tables T1 and T2. Can experimentally determine the rotational speed of the hydrogen pump 55 that is not conspicuous in the human ear, and store the experimental values in the tables T1 and T2 in a map format.

また、掃気時における水素ポンプ５５の回転数を決定するに際しては、水素ポンプ５５の許容回転数を演算によって求めることもできる。例えば、エアコンプレッサ７５やモータ９４の回転数に対応する騒音レベルを演算し、この演算により得られた騒音レベルよりも小さい騒音レベルに対応した水素ポンプ５５の回転数を演算により求め、この回転数を掃気時における水素ポンプ５５の許容回転数に決定することができる。 Further, when determining the rotation speed of the hydrogen pump 55 during scavenging, the allowable rotation speed of the hydrogen pump 55 can be obtained by calculation. For example, a noise level corresponding to the rotation speed of the air compressor 75 or the motor 94 is calculated, and the rotation speed of the hydrogen pump 55 corresponding to a noise level smaller than the noise level obtained by this calculation is obtained by calculation. Can be determined as the allowable rotational speed of the hydrogen pump 55 during scavenging.

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、騒音の抑制対象となる掃気用駆動装置を水素ポンプ５５とし、この水素ポンプ５５の駆動による騒音を他の駆動装置としてのエアコンプレッサ７５または車両走行用モータ９４のいずれかの駆動音に紛れさせていたが、騒音や振動の抑制対象を変更することが可能である。 (Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified and applied.
For example, in the above-described embodiment, the scavenging drive device that is subject to noise suppression is the hydrogen pump 55, and noise generated by driving the hydrogen pump 55 is either the air compressor 75 or the vehicle travel motor 94 as another drive device. However, it is possible to change the noise and vibration suppression targets.

具体的には、エアコンプレッサ７５を騒音の抑制対象となる掃気用駆動装置とし、水素ポンプ５５または車両走行用モータ９４のいずれか一方の駆動音に紛れさせるように構成することもできる。この場合、制御部８０のエアコンプレッサ７５の回転数決定用のテーブルは、水素ポンプ５５の検出回転数に対するエアコンプレッサ７５の許容回転数、車両走行用モータ９４の回転数に対するエアコンプレッサ７５の許容回転数を記憶させたものとなる。 Specifically, the air compressor 75 may be a scavenging drive device that is a noise suppression target, and may be configured to be mixed with the drive sound of either the hydrogen pump 55 or the vehicle travel motor 94. In this case, the table for determining the rotational speed of the air compressor 75 of the control unit 80 is the allowable rotational speed of the air compressor 75 with respect to the rotational speed detected by the hydrogen pump 55 and the allowable rotational speed of the air compressor 75 with respect to the rotational speed of the vehicle travel motor 94. The number is memorized.

また、上記実施形態２では、水素ポンプ５５の回転数を、エアコンプレッサ７５または車両走行用モータ９４のいずれか一方の回転数に応じて制御していたが、実施形態１にようにエアコンプレッサ７５または車両走行用モータ９４の一方のみの回転数に応じて制御してもよい。具体的には、車両走行用モータ９４の駆動に伴う音が大きいという前提が成り立つなら、車両走行用モータ９４の回転数のみに応じて水素ポンプ５５の回転数を制御してもよい。 In the second embodiment, the rotation speed of the hydrogen pump 55 is controlled according to the rotation speed of either the air compressor 75 or the vehicle travel motor 94. However, as in the first embodiment, the air compressor 75 is controlled. Or you may control according to the rotation speed of only one of the motor 94 for vehicle travel. Specifically, if it is assumed that the sound accompanying the driving of the vehicle travel motor 94 is loud, the rotation speed of the hydrogen pump 55 may be controlled according to only the rotation speed of the vehicle travel motor 94.

さらに、上記実施形態では、回転数の制御対象となる掃気用駆動装置を一つ（水素ポンプ５５）に限定していたが、掃気駆動装置を運転状態に応じて切り替えるように構成してもよい。例えば、水素ポンプ５５もエアコンプレッサ７５もともに燃料電池２０の含水量低減に影響を与える掃気用駆動装置といえるので、運転状況に応じて駆動の必要性が相対的に低い方の駆動装置の回転数（駆動量）を駆動の必要性が相対的に高い方の駆動装置の回転数（駆動量）に基づいて制御するように構成することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the scavenging drive device whose rotation speed is to be controlled is limited to one (hydrogen pump 55), but the scavenging drive device may be switched according to the operating state. . For example, since both the hydrogen pump 55 and the air compressor 75 can be said to be scavenging drive devices that affect the reduction of the water content of the fuel cell 20, the rotation of the drive device whose drive need is relatively low according to the operating conditions. The number (drive amount) can be controlled based on the number of rotations (drive amount) of the drive device having a relatively higher necessity for driving.

具体的には、水素ポンプ５５の駆動が必須の場合には、水素ポンプ５５の回転数に応じて定まるエアコンプレッサ７５の許容回転数を決定し、その許容回転数でエアコンプレッサ７５を駆動させる。逆に、エアコンプレッサ７５の駆動が必須の場合には、エアコンプレッサ７５の回転数に応じて定まる水素ポンプ５５の許容回転数を決定し、その許容回転数で水素ポンプ５５を駆動させる。 Specifically, when driving of the hydrogen pump 55 is essential, an allowable rotational speed of the air compressor 75 determined according to the rotational speed of the hydrogen pump 55 is determined, and the air compressor 75 is driven at the allowable rotational speed. Conversely, when it is essential to drive the air compressor 75, an allowable rotational speed of the hydrogen pump 55 determined according to the rotational speed of the air compressor 75 is determined, and the hydrogen pump 55 is driven at the allowable rotational speed.

本発明の一実施例を示す燃料電池システムのシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention. エアコンプレッサと水素ポンプ許容回転数との関係を示すテーブルの構成図である。It is a block diagram of the table which shows the relationship between an air compressor and hydrogen pump permissible rotation speed. 実施形態１における燃料電池システム停止時の掃気処理を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining a scavenging process when the fuel cell system is stopped in the first embodiment. モータと水素ポンプ許容回転数との関係を示すテーブルの構成図である。It is a block diagram of the table which shows the relationship between a motor and hydrogen pump permissible rotation speed. 実施形態２における車両走行時の掃気処理を説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining a scavenging process during vehicle travel according to a second embodiment. 車両走行時のカソード極残留水分量を演算する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which calculates the cathode pole residual water content at the time of vehicle travel.

Explanation of symbols

１０燃料電池システム、２０燃料電池、５５水素ポンプ、５７回転数センサ、７３回転数センサ（第１の回転数センサ）、７５エアコンプレッサ、９４車両走行用モータ、８０制御部、８２イグニッションスイッチ、９７電圧センサ、９８電流センサ、９９回転数センサ（第２の回転数センサ） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 20 Fuel cell, 55 Hydrogen pump, 57 Rotational speed sensor, 73 Rotational speed sensor (1st rotational speed sensor), 75 Air compressor, 94 Vehicle drive motor, 80 Control part, 82 Ignition switch, 97 Voltage sensor, 98 Current sensor, 99 Speed sensor (second speed sensor)

Claims

In a fuel cell system that drives a scavenging drive device to scavenge a fuel cell,
A fuel cell system, wherein a driving amount of the driving device during scavenging is limited according to a driving amount of another driving device different from the scavenging driving device.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The scavenging drive device is a hydrogen pump, and the drive amount of the scavenging drive device is the number of rotations of the hydrogen pump.

The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The other drive device is at least one of a compressor that pumps oxidant gas to the fuel cell and a motor that is a load of the fuel cell, and the drive amount of the other drive device is the compressor or A fuel cell system which is the number of rotations of the motor.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
Drive amount detection means for detecting the drive amount of the other drive device;
A controller that controls the drive amount of the scavenging drive device based on the detected drive amount of the other drive device;
The control unit determines an allowable driving amount of the scavenging driving device during scavenging based on the detected driving amount of the other driving device, and controls the scavenging driving device with the determined driving amount. A fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The scavenging drive device is a hydrogen pump,
The other driving device is a compressor that pumps an oxidant gas to the fuel cell and a motor that becomes a load of the fuel cell,
A first rotational speed sensor for detecting the rotational speed of the compressor;
A second rotational speed sensor for detecting the rotational speed of the motor;
A control unit for controlling the rotation speed of the hydrogen pump based on the detection output of the first rotation speed sensor and the second rotation speed sensor;
The control unit is configured to determine a hydrogen pump allowable rotation speed which is larger between a hydrogen pump allowable rotation speed determined from the detection output of the first rotation speed sensor or a hydrogen pump allowable rotation speed determined from the detection output of the second rotation speed sensor. Is determined as the rotation speed of the hydrogen pump during scavenging.