JP2008171770A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の水素ポンプの駆動に伴う音を目立たなくすること。
【解決手段】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を駆動し、水素ポンプ５５の駆動に伴う音や振動を、コンプレッサ７５またはモータ９４の駆動に伴う音や振動でマスクする。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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）。

特開２００４−１９３１０２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）

（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）

Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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）

Claims (5)

1. 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してなることを燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記掃気用駆動装置とは、水素ポンプであり、前記掃気用駆動装置の駆動量とは、該水素ポンプの回転数である、燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記他の駆動装置とは、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であり、前記他の駆動装置の駆動量とは、該コンプレッサまたは該モータの回転数である、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   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ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   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、
   該第１の回転数センサと該第２の回転数センサの検出出力を基に該水素ポンプの回転数を制御する制御部とを備え、
   該制御部は、該第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該第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ことを特徴とする燃料電池システム。

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