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JP2008146971A - Fuel cell system and mobile body equipped with fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and mobile body equipped with fuel cell system Download PDF

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JP2008146971A
JP2008146971A JP2006331572A JP2006331572A JP2008146971A JP 2008146971 A JP2008146971 A JP 2008146971A JP 2006331572 A JP2006331572 A JP 2006331572A JP 2006331572 A JP2006331572 A JP 2006331572A JP 2008146971 A JP2008146971 A JP 2008146971A
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JP
Japan
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fuel cell
gas pressure
oxidizing gas
water content
power
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Application number
JP2006331572A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Yumita
修 弓田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

【課題】電解質膜の含水量が低下した場合に、電解質膜の含水量の回復を図りつつ、燃料電池の発電状態を確保する。
【解決手段】燃料電池システムは、酸化ガス流路と、酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、燃料電池から負荷および燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、含水量判定部と、酸化ガス圧制御部と、酸化ガス圧上昇判断部とを備える。酸化ガス圧上昇判断部は、含水量判定部によって含水量が低下した状態であると判定されたときに、燃料電池補機の消費電力を確保した上で、燃料電池からの出力を過大にすることなく負荷に対する電力供給が可能であれば、酸化ガス圧を上昇可能であると判断する。酸化ガス圧制御部は、酸化ガス圧上昇判断部によって酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、酸化ガス圧を上昇させる。
【選択図】図３An object of the present invention is to ensure a power generation state of a fuel cell while recovering the water content of an electrolyte membrane when the water content of the electrolyte membrane is reduced.
A fuel cell system includes an oxidizing gas flow path, a fuel cell auxiliary device including an oxidizing gas supply unit, an output control unit for controlling power supply from the fuel cell to a load and the fuel cell auxiliary device, and water content. A determination unit, an oxidizing gas pressure control unit, and an oxidizing gas pressure increase determination unit are provided. The oxidant gas pressure increase determination unit secures the power consumption of the fuel cell auxiliary machine and increases the output from the fuel cell when the water content determination unit determines that the water content is in a reduced state. If it is possible to supply power to the load without any problem, it is determined that the oxidizing gas pressure can be increased. The oxidant gas pressure control unit increases the oxidant gas pressure when the oxidant gas pressure increase determination unit determines that the oxidant gas pressure can be increased.
[Selection] Figure 3

Description

この発明は、燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a moving body on which the fuel cell system is mounted.

固体高分子型燃料電池では、電解質膜の含水量が減少すると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して電池性能が低下する。このような不都合を抑制するために、電解質膜の含水量減少時における対策としては、カソード側におけるガス圧力を、より高める制御を行なう構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   In the polymer electrolyte fuel cell, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the proton conductivity in the electrolyte membrane decreases and the membrane resistance increases. As a result, the output voltage decreases and the battery performance decreases. In order to suppress such inconvenience, as a countermeasure when the water content of the electrolyte membrane is reduced, a configuration in which the gas pressure on the cathode side is further increased is proposed (see, for example, Patent Document 1).

燃料電池では、電気化学反応に伴ってカソードで水が生じるため、燃料電池から外部へと排出される水分のほとんどは、カソードオフガスと共に水蒸気として排出される。上記のようにカソード側におけるガス圧力を高めれば、カソード側流路において水が水蒸気ではなく液水として存在し易くなり、カソードオフガスと共に水蒸気として排出される水の量を抑えることができる。また、カソード側のガス流路の出口部においてカソード側のガス圧力を調節する背圧弁を設けて、カソード側におけるガス圧力を高める際に、この背圧弁を閉じ方向に制御する場合には、燃料電池からの水蒸気の排出量を物理的に抑制して、電解質膜の乾燥を抑えることができる。さらに、アノード側に対してカソード側のガス圧を相対的に高めることで、水が生成されるカソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動が促進され、結果的に電解質膜の含水量を増加させることができる。   In the fuel cell, water is generated at the cathode in accordance with the electrochemical reaction, so most of the water discharged from the fuel cell to the outside is discharged as water vapor together with the cathode offgas. If the gas pressure on the cathode side is increased as described above, water tends to exist as liquid water instead of water vapor in the cathode side flow path, and the amount of water discharged as water vapor together with the cathode off gas can be suppressed. Further, when a back pressure valve for adjusting the gas pressure on the cathode side is provided at the outlet of the gas flow path on the cathode side and the gas pressure on the cathode side is increased, the back pressure valve is controlled in the closing direction. The amount of water vapor discharged from the battery can be physically suppressed, and drying of the electrolyte membrane can be suppressed. Furthermore, by increasing the gas pressure on the cathode side relative to the anode side, the movement of water in the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side where water is generated is promoted, and as a result, the electrolyte membrane The water content can be increased.

特開２００２−１７５８２１号公報JP 2002-175821 A 特開２００６−１００１５２号公報JP 2006-100152 A 特開２００５−３０４１７９号公報JP 2005-304179 A 特開２００２−４２８３９号公報JP 2002-42839 A ＷＯ２００４／０９３２３０WO2004 / 093230

しかしながら、カソード側へのガス供給は、通常、ポンプやエアコンプレッサ等の補機を用いて空気を加圧供給することによって行なわれるため、カソード側のガス圧力を高めると、ポンプ等の消費電力、すなわち、補機損が増大することになる。このように、補機で消費される電力が増大すると、燃料電池が発電すべき電力量が増大して、膜含水量が減少している燃料電池において、不測の電圧降下などの不都合が生じる場合がある。   However, since the gas supply to the cathode side is normally performed by pressurizing and supplying air using an auxiliary machine such as a pump or an air compressor, when the gas pressure on the cathode side is increased, the power consumption of the pump or the like, That is, the auxiliary machine loss increases. As described above, when the power consumed by the auxiliary device increases, the amount of power to be generated by the fuel cell increases, and inconvenience such as unexpected voltage drop occurs in the fuel cell in which the moisture content of the membrane decreases. There is.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の含水量が低下した場合に、電解質膜の含水量の回復を図りつつ、燃料電池の発電状態を確保することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and ensures the power generation state of the fuel cell while recovering the moisture content of the electrolyte membrane when the moisture content of the electrolyte membrane is reduced. For the purpose.

上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備え、負荷に対して電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池内部に形成され、前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路と、
前記燃料電池から電力供給を受けて、前記燃料電池による発電を行なうために駆動される補機であって、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、
前記燃料電池から前記負荷および前記燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、
前記電解質膜における含水量を判定する含水量判定部と、
前記酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を調節する酸化ガス圧制御部と、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池からの出力を過大にすることなく前記負荷に対する電力供給が可能であれば、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断する酸化ガス圧上昇判断部と、
を備え、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させることを要旨とする。 To achieve the above object, the present invention is a fuel cell system comprising a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane and supplying power to a load,
An oxidizing gas flow path formed inside the fuel cell for supplying an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell;
A fuel cell comprising an oxidant gas supply unit that receives power supply from the fuel cell and is driven to generate power by the fuel cell and supplies the oxidant gas to the oxidant gas passage An auxiliary machine,
An output control unit for controlling power supply from the fuel cell to the load and the fuel cell auxiliary machine;
A water content determination unit for determining the water content in the electrolyte membrane;
An oxidizing gas pressure controller that adjusts an oxidizing gas pressure that is an internal pressure of the oxidizing gas flow path;
When the water content determination unit determines that the water content is in a lowered state, the power consumption of the fuel cell auxiliary machine for increasing the oxidizing gas pressure is secured, and then the fuel cell An oxidizing gas pressure increase determination unit that determines that the oxidizing gas pressure can be increased if power supply to the load is possible without excessively increasing the output of
With
The gist of the oxidizing gas pressure control unit is to increase the oxidizing gas pressure when the oxidizing gas pressure increase determining unit determines that the oxidizing gas pressure can be increased.

以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、電解質膜の含水量が低下したときには、補機が消費する必要な電力を確保した上で、酸化ガス圧を上昇させる。このように、補機が消費する必要な電力を確保しつつ酸化ガス圧を上昇させることで、支障なく酸化ガス圧を上昇させて、膜含水量の回復を図ることができる。さらに、酸化ガス圧を上昇させるための燃料電池補機の消費電力を確保した上で、燃料電池からの出力を過大にすることなく負荷に対する電力供給が可能となっているため、酸化ガス圧を上昇させても、燃料電池が発電すべき電力量が増大しすぎることがない。そのため、膜含水量が減少している燃料電池において、不測の電圧降下などの不都合が生じることがない。   According to the fuel cell system of the present invention configured as described above, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the oxidizing gas pressure is increased after securing the necessary power consumed by the auxiliary equipment. Thus, by increasing the oxidizing gas pressure while securing the necessary power consumed by the auxiliary machine, it is possible to increase the oxidizing gas pressure without hindrance and recover the membrane water content. Furthermore, it is possible to supply power to the load without making the output from the fuel cell excessive while securing the power consumption of the fuel cell auxiliary machine for increasing the oxidizing gas pressure. Even if it is raised, the amount of power that the fuel cell should generate does not increase too much. Therefore, inconveniences such as an unexpected voltage drop do not occur in the fuel cell in which the membrane water content is reduced.

本発明の燃料電池システムにおいて、
前記酸化ガス圧上昇判断部は、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池の現在の発電可能量の範囲内で、前記負荷に供給する最低限の電力として予め設定した最低必要出力を確保可能であるときに、前記酸化ガス圧を上昇可能と判断することとしても良い。このような構成とすれば、負荷に供給する電力として、最低必要出力を確保することができる。さらに、最低必要出力を確保する際に、燃料電池の発電量を特に制限すること無く、発電に伴って生じる水の量を抑えない発電が可能となる。したがって、発電に伴って生じる生成水を、膜含水量の回復に寄与させることができる。 In the fuel cell system of the present invention,
The oxidant gas pressure increase determination unit secures power consumption of the fuel cell auxiliary machine for increasing the oxidant gas pressure, and supplies the load to the load within the current power generation possible amount of the fuel cell. It is also possible to determine that the oxidizing gas pressure can be increased when the minimum required output preset as the minimum power to be achieved can be secured. With such a configuration, the minimum necessary output can be secured as the power supplied to the load. Furthermore, when securing the minimum required output, it is possible to perform power generation without restricting the amount of water generated by power generation without particularly limiting the power generation amount of the fuel cell. Therefore, the generated water that accompanies power generation can contribute to the recovery of the membrane water content.

このような本発明の燃料電池システムにおいて、前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部が、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断したときに、前記出力制御部は、前記燃料電池の現在の発電可能量と、前記酸化ガス圧を上昇させた場合の前記燃料電池補機の消費電力と、の差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、前記負荷に供給する電力を、前記負荷要求に対応する値に設定し、前記許容消費電力が、前記負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、前記負荷に供給する電力を、前記許容消費電力に設定することとしても良い。このような構成とすれば、燃料電池補機における消費電力を確保した上で、負荷に供給する電力を、可能な範囲で負荷要求に対応する値に設定することができる。   In such a fuel cell system of the present invention, the water content determination unit determines that the water content is in a lowered state, and the oxidation gas pressure increase determination unit can increase the oxidation gas pressure. When it is determined that the output control unit determines that there is an allowable power consumption that is a difference between the current power generation capacity of the fuel cell and the power consumption of the fuel cell auxiliary device when the oxidizing gas pressure is increased. If the power is greater than or equal to the power corresponding to the load request, the power supplied to the load is set to a value corresponding to the load request, and the allowable power consumption is greater than the power corresponding to the load request. When the power is small, the power supplied to the load may be set to the allowable power consumption. With such a configuration, it is possible to set the power supplied to the load to a value corresponding to the load request as much as possible while securing the power consumption in the fuel cell auxiliary machine.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇不能であると判断されたときには、前記酸化ガス圧制御部による前記酸化ガス圧の上昇を行なうことなく、前記出力制御部は、前記燃料電池の発電量を、現在の発電可能量よりも低く設定することとしても良い。このような構成とすれば、膜含水量が低下した燃料電池において、発電量が過大となることがない。そのため、燃料電池における不測の電圧降下などの不都合の発生を抑制することができる。   In the fuel cell system of the present invention, the water content determination unit determines that the water content is in a lowered state, and the oxidation gas pressure increase determination unit determines that the oxidation gas pressure cannot be increased. When this is done, the output control unit may set the power generation amount of the fuel cell to be lower than the current power generation possible amount without increasing the oxidation gas pressure by the oxidation gas pressure control unit. . With such a configuration, the power generation amount does not become excessive in the fuel cell having a reduced membrane water content. Therefore, the occurrence of inconvenience such as an unexpected voltage drop in the fuel cell can be suppressed.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧を上昇させる際に、前記酸化ガス圧を徐々に上昇させることとしても良い。酸化ガス圧を上昇させることによる膜含水量の回復は徐々に進行するものであり、酸化ガス圧を急激に上昇させたからと行って、膜含水量が急激に回復するものではない。また、酸化ガス圧を高くするほど、酸化ガス供給部における消費電力は増加して、システム全体のエネルギ効率は低下する。そのため、酸化ガス圧を徐々に上昇させることで、システム効率の低下の程度を抑えつつ、膜含水量の回復を効率良く図ることができる。   In the fuel cell system of the present invention, the oxidizing gas pressure control unit may gradually increase the oxidizing gas pressure when increasing the oxidizing gas pressure. The recovery of the membrane water content by increasing the oxidizing gas pressure proceeds gradually, and the membrane water content does not recover suddenly when the oxidizing gas pressure is rapidly increased. Further, as the oxidizing gas pressure is increased, the power consumption in the oxidizing gas supply unit is increased and the energy efficiency of the entire system is lowered. Therefore, by gradually increasing the oxidizing gas pressure, it is possible to efficiently recover the membrane water content while suppressing the degree of reduction in system efficiency.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した移動体などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a moving body equipped with a fuel cell system.

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両（電気自動車１５）に搭載されており、車両の駆動モータの動力源、すなわち、駆動用電源として用いられる。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。 A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of a fuel cell system 10 as a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 of this embodiment is mounted on a vehicle (electric vehicle 15), and is used as a power source of a drive motor of the vehicle, that is, a drive power source. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 22 that is a main body of power generation, a hydrogen tank 23 that stores hydrogen to be supplied to the fuel cell 22, and an air compressor 24 for supplying compressed air to the fuel cell 22. Yes. The fuel cell 22 is a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked.

水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２３に接続する水素供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料ガスとして燃料電池２２を構成する各単セルのアノードに供給される。なお、圧力調整弁６２は、図１では単一の弁として記載されているが、水素タンク２３から供給される高圧の水素ガスを、所望の圧力に減圧して燃料電池２２に供給できれば良く、必要な数の圧力調整弁を設ければ良い。   The hydrogen tank 23 is, for example, a hydrogen cylinder that stores high-pressure hydrogen. Or it is good also as a tank which stores hydrogen by providing a hydrogen storage alloy inside and making it store in a hydrogen storage alloy. The hydrogen gas stored in the hydrogen tank 23 is discharged to the hydrogen supply path 60 connected to the hydrogen tank 23, and then adjusted (depressurized) to a predetermined pressure by the pressure adjustment valve 62, so that the fuel cell 22 can be used as fuel gas. It is supplied to the anode of each unit cell that constitutes. Although the pressure regulating valve 62 is described as a single valve in FIG. 1, it is sufficient if the high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 23 can be reduced to a desired pressure and supplied to the fuel cell 22. A necessary number of pressure regulating valves may be provided.

燃料電池２２のアノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素は、水素供給路６０の一部とアノード排ガス路６３と燃料電池２２内の流路とから成る流路（以下、循環流路と呼ぶ）内を循環して再度電気化学反応に供される。電気化学反応による消費量に相当する水素は、圧力調整弁６２を介して水素タンク２３から循環流路へと補充され、循環流路内のガス圧は、所定の略一定値に保たれる。循環流路内でアノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には水素ポンプ６５が設けられている。また、水素供給路６０には、圧力調整弁６２の上流側に、シャットバルブ６１が設けられている。このシャットバルブ６１は、燃料電池の発電を停止する際には閉状態へと駆動され、水素タンク２３から燃料電池２２への水素ガス供給を遮断する。   The anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell 22 is guided to the anode exhaust gas path 63 and flows into the hydrogen supply path 60 again. Thus, the remaining hydrogen in the anode exhaust gas circulates in a flow path (hereinafter referred to as a circulation flow path) composed of a part of the hydrogen supply path 60, the anode exhaust gas path 63, and the flow path in the fuel cell 22. Then, it is again subjected to an electrochemical reaction. Hydrogen corresponding to consumption by the electrochemical reaction is replenished from the hydrogen tank 23 to the circulation channel via the pressure regulating valve 62, and the gas pressure in the circulation channel is kept at a predetermined substantially constant value. In order to circulate the anode exhaust gas in the circulation channel, a hydrogen pump 65 is provided in the anode exhaust gas channel 63. The hydrogen supply path 60 is provided with a shut valve 61 on the upstream side of the pressure adjustment valve 62. The shut valve 61 is driven to a closed state when power generation of the fuel cell is stopped, and shuts off the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 23 to the fuel cell 22.

さらに、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水の一部は、燃料電池２２の電解質膜を介してアノード側へと移動し、燃料ガス中に気化する。気液分離器２７は、このようなアノード排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて、アノード排ガスから水蒸気を除去する装置である。気液分離器２７には、バルブ２７ａが設けられており、このバルブ２７ａを開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水が、バルブ２７ａに接続する排ガス排出路６４を介して外部に排出される。なお、所定のタイミングでバルブ２７ａを開状態にすることで、凝縮水と共にアノード排ガスの一部も外部に排出しており、これにより、循環流路の不純物濃度（電解質膜を介してアノード側に移動した、酸化ガスである空気中の窒素等の濃度）の上昇を抑えている。   Further, a gas-liquid separator 27 is provided in the anode exhaust gas path 63. As the electrochemical reaction proceeds, water is generated at the cathode, but a part of the generated water moves to the anode side through the electrolyte membrane of the fuel cell 22 and is vaporized into the fuel gas. The gas-liquid separator 27 is a device that condenses the water vapor contained in the anode exhaust gas and removes the water vapor from the anode exhaust gas. The gas-liquid separator 27 is provided with a valve 27a. By opening the valve 27a, water condensed in the gas-liquid separator 27 is connected to the exhaust gas discharge path 64 connected to the valve 27a. It is discharged to the outside. In addition, by opening the valve 27a at a predetermined timing, a part of the anode exhaust gas is also discharged to the outside together with the condensed water, so that the impurity concentration in the circulation channel (to the anode side through the electrolyte membrane) The rise in the concentration of nitrogen, etc. in the air, which is the oxidizing gas that has moved.

ここで、排ガス排出路６４は、排ガス排出路６４よりも断面積が大きい容器である希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈するために設けられている。   Here, the exhaust gas discharge path 64 is connected to the diluter 26 which is a container having a larger cross-sectional area than the exhaust gas discharge path 64. The diluter 26 is provided to dilute the hydrogen in the anode exhaust gas with the cathode exhaust gas before discharging the anode exhaust gas to the outside.

エアコンプレッサ２４は、エアクリーナ２８を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、酸化ガス供給路６７を介して酸化ガスとして燃料電池２２のカソードに供給する。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、水蒸気透過性を有する膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路６８には、燃料電池２２との接続部の近傍に、燃料電池２２内の酸化ガスの流路におけるガス圧を調節するための背圧弁５０と、燃料電池２２内の酸化ガスの流路におけるガス圧を検出する圧力センサ５１と、が設けられている。本実施例の燃料電池２２では、エアコンプレッサ２４によって、発電量に対して大過剰である所定の流量の空気が供給されると共に、背圧弁５０の開度によって、燃料電池２２内の酸化ガス流路における酸化ガス圧が所定の値に調節されている。また、カソード排ガス路６８は、カソード排ガスを外部に導くのに先立って、既述した希釈器２６を経由しており、カソード排ガスは、希釈器２６において、排ガス排出路６４を介して流入するアノード排ガスと混合されてこれを希釈し、その後、外部に排出される。   The air compressor 24 pressurizes air taken from the outside via the air cleaner 28, and supplies this pressurized air as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 22 via the oxidizing gas supply path 67. The cathode exhaust gas discharged from the cathode is guided to the cathode exhaust gas path 68 and discharged to the outside. Here, the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 pass through the humidification module 25. In the humidification module 25, the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 are separated from each other by a water vapor permeable membrane, and the pressurized air supplied to the cathode is humidified using the cathode exhaust gas containing water vapor. ing. Further, in the cathode exhaust gas path 68, a back pressure valve 50 for adjusting the gas pressure in the flow path of the oxidizing gas in the fuel cell 22 and the oxidizing gas in the fuel cell 22 are disposed in the vicinity of the connection portion with the fuel cell 22. And a pressure sensor 51 for detecting a gas pressure in the flow path. In the fuel cell 22 of the present embodiment, the air compressor 24 supplies a predetermined flow rate of air that is largely excessive with respect to the power generation amount, and the oxidant gas flow in the fuel cell 22 depends on the opening of the back pressure valve 50. The oxidizing gas pressure in the passage is adjusted to a predetermined value. Further, the cathode exhaust gas path 68 passes through the diluter 26 described above prior to leading the cathode exhaust gas to the outside, and the cathode exhaust gas flows into the anode through the exhaust gas exhaust path 64 in the diluter 26. It is mixed with exhaust gas to dilute it and then discharged to the outside.

また、燃料電池２２は、その内部に、冷媒が循環する冷媒流路を備えている（図示せず）。燃料電池２２内部に形成される冷媒流路と、図示しないラジエータとの間で冷媒を循環させることによって、燃料電池２２の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。ここで、上記冷媒流路における燃料電池２２からの出口部近傍には、燃料電池２２の内部温度を検出するための温度センサとして、冷媒の出口温度を検出する温度センサ５２が設けられている。なお、燃料電池２２の内部温度を検出する温度センサとしては、冷媒の出口温度を検出するセンサ以外のセンサを設けても良く、例えば、燃料電池２２の温度を直接検出する熱電対としても良い。   In addition, the fuel cell 22 includes a refrigerant flow path (not shown) through which the refrigerant circulates. By circulating the refrigerant between the refrigerant flow path formed inside the fuel cell 22 and a radiator (not shown), the internal temperature of the fuel cell 22 is maintained within a predetermined temperature range. Here, a temperature sensor 52 for detecting the outlet temperature of the refrigerant is provided as a temperature sensor for detecting the internal temperature of the fuel cell 22 in the vicinity of the outlet from the fuel cell 22 in the refrigerant flow path. As a temperature sensor for detecting the internal temperature of the fuel cell 22, a sensor other than the sensor for detecting the refrigerant outlet temperature may be provided, for example, a thermocouple for directly detecting the temperature of the fuel cell 22.

さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ７４と、ＣＰＵ７４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ７５と、同じくＣＰＵ７４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ７６と、各種の信号を入出力する入出力ポート７８等を備える。この制御部７０は、燃料電池システム１０に設けた各種センサ（例えば、温度センサ５２や圧力センサ５１）の検出信号や、燃料電池２２に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１０が備えるエアコンプレッサ２４、水素ポンプ６５、バルブ２７ａ、あるいは背圧弁５０など、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。   Furthermore, the fuel cell system 10 includes a control unit 70 that controls the movement of each unit of the fuel cell system 10. The control unit 70 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer. Specifically, the CPU 74 executes predetermined calculations according to a preset control program, and controls necessary for executing various arithmetic processes by the CPU 74. A ROM 75 in which programs, control data, and the like are stored in advance, a RAM 76 in which various data necessary for performing various arithmetic processes in the CPU 74 are temporarily read and written, an input / output port 78 that inputs and outputs various signals, and the like Prepare. The control unit 70 acquires detection signals from various sensors (for example, the temperature sensor 52 and the pressure sensor 51) provided in the fuel cell system 10, information related to a load request for the fuel cell 22, and the like. Further, a drive signal is output to each part related to power generation of the fuel cell 22 such as the air compressor 24, the hydrogen pump 65, the valve 27a, or the back pressure valve 50 provided in the fuel cell system 10.

図２は、駆動用電源として燃料電池システム１０を搭載する電気自動車１５の構成の概略を表わすブロック図である。なお、図２では、燃料電池２２に係る電気的な接続状態を中心に表わしており、燃料電池２２におけるガスの給排に関わる流路等の記載は省略している。電気自動車１５は、燃料電池２２から電力を供給される負荷として、駆動インバータ３０を介して燃料電池システム１０に接続される駆動モータ３２と、補機４０とを備えている。これらの負荷と燃料電池２２との間には、配線４８が設けられており、この配線４８を介して、燃料電池２２と負荷との間で電力がやり取りされる。ここで、燃料電池２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して上記配線４８に接続されている。   FIG. 2 is a block diagram schematically showing the configuration of the electric vehicle 15 on which the fuel cell system 10 is mounted as a driving power source. In FIG. 2, the electrical connection state of the fuel cell 22 is mainly shown, and the description of the flow path and the like related to gas supply and discharge in the fuel cell 22 is omitted. The electric vehicle 15 includes a drive motor 32 connected to the fuel cell system 10 via a drive inverter 30 and an auxiliary device 40 as a load supplied with electric power from the fuel cell 22. A wiring 48 is provided between these loads and the fuel cell 22, and power is exchanged between the fuel cell 22 and the load via the wiring 48. Here, the fuel cell 22 is connected to the wiring 48 via the DC / DC converter 42.

ここで、補機４０は、エアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５、あるいは既述した冷媒流路に冷媒を循環させる冷却水ポンプなど、燃料電池２２が発電する際に駆動する必要のある燃料電池補機が含まれているため、図２では、燃料電池システム１０に含まれるものとして記載している。なお、補機４０のうち、駆動電圧がより低いバルブ類は、図示しない降圧ＤＣ／ＤＣコンバータによって降圧された電力が供給される。さらに、補機４０としては、燃料電池補機に含まれるものの他に、例えば電気自動車１５が備える空調装置（エアコン）やカーナビゲーションシステムといった車両補機が含まれる。   Here, the auxiliary machine 40 is a fuel cell auxiliary machine that needs to be driven when the fuel cell 22 generates power, such as the air compressor 24, the hydrogen pump 65, or the cooling water pump that circulates the refrigerant in the refrigerant flow path described above. 2 is included in FIG. 2 as being included in the fuel cell system 10. Note that, in the auxiliary machine 40, valves having a lower drive voltage are supplied with power that is stepped down by a step-down DC / DC converter (not shown). Further, the auxiliary machine 40 includes, in addition to those included in the fuel cell auxiliary machine, for example, a vehicle auxiliary machine such as an air conditioner (air conditioner) and a car navigation system provided in the electric vehicle 15.

駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えており、駆動インバータ３０を介して燃料電池システム１０から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記駆動モータ３２の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。   The drive motor 32 is a synchronous motor and includes a three-phase coil for forming a rotating magnetic field, and receives power supply from the fuel cell system 10 via the drive inverter 30. The drive inverter 30 is a transistor inverter provided with a transistor as a switching element corresponding to each phase of the drive motor 32. An output shaft 36 of the drive motor 32 is connected to a vehicle drive shaft 38 via a reduction gear 34.

ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、出力側の目標電圧値を設定することによって、燃料電池２２からの出力電圧を調節して燃料電池２２の発電量を制御する。   The DC / DC converter 42 controls the power generation amount of the fuel cell 22 by adjusting the output voltage from the fuel cell 22 by setting a target voltage value on the output side.

なお、制御部７０は、燃料電池システム１０が備えるものとして説明したが、本実施例の電気自動車１５では、制御部７０によって車両全体の制御が行なわれている。したがって、制御部７０は、補機４０やＤＣ／ＤＣコンバータ４２の他、駆動インバータ３０に対しても駆動信号を出力する。   Although the control unit 70 has been described as included in the fuel cell system 10, in the electric vehicle 15 of the present embodiment, the control unit 70 controls the entire vehicle. Therefore, the control unit 70 outputs a drive signal to the drive inverter 30 in addition to the auxiliary device 40 and the DC / DC converter 42.

Ｂ．膜含水量低下時における制御：
本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池が備える電解質膜の含水量が低下して電池性能が低下しつつあるときには、燃料電池システム１０からの最低限の出力、すなわち、最低限の車両出力は確保しつつ、カソードに供給する酸化ガス圧を上昇させる制御を行なうことを特徴としている。図３は、燃料電池システム１０が備える制御部７０のＣＰＵ７４において実行される膜含水量減少時処理ルーチンを表わすフローチャートであり、図４は、上記制御に関わる各部を表わす機能ブロック図である。図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンは、燃料電池２２の発電中に所定の間隔で繰り返し実行される。 B. Control when membrane water content is reduced:
The fuel cell system 10 of the present embodiment has a minimum output from the fuel cell system 10, that is, a minimum vehicle output, when the water content of the electrolyte membrane provided in the fuel cell decreases and the cell performance is decreasing. Is characterized in that control is performed to increase the pressure of the oxidizing gas supplied to the cathode while ensuring. FIG. 3 is a flowchart showing a membrane water content reduction processing routine executed by the CPU 74 of the control unit 70 provided in the fuel cell system 10, and FIG. 4 is a functional block diagram showing each part related to the control. The membrane water content reduction processing routine shown in FIG. 3 is repeatedly executed at predetermined intervals during power generation of the fuel cell 22.

本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ７４は、電解質膜の含水量が減少しているか否かを判定する（ステップＳ１００）。本実施例では、ステップＳ１００における膜含水量に係る判定は、電解質膜の膜抵抗に基づいて行なっている。   When this routine is started, the CPU 74 determines whether or not the water content of the electrolyte membrane is reduced (step S100). In the present embodiment, the determination relating to the membrane water content in step S100 is performed based on the membrane resistance of the electrolyte membrane.

ここで、燃料電池における内部抵抗としては、燃料電池の構成部材間における接触抵抗に起因するものと、燃料電池の各構成部材そのものが有する抵抗とがある。これら個々の抵抗を検出することは困難であるが、これらの抵抗の内、燃料電池の発電中に燃料電池の発電条件に応じて大きく変化し得るのは、含水量が変化することで値が変動する電解質膜の抵抗、すなわち膜抵抗である。そして、この膜抵抗は、電解質膜の含水量が低下して、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって値が上昇する。そのため、本実施例のステップＳ１００においては、電解質膜の含水量の低下に起因する膜抵抗の増大を、燃料電池２２の内部抵抗の増加として検出している。   Here, the internal resistance in the fuel cell includes a resistance caused by contact resistance between the constituent members of the fuel cell and a resistance possessed by each constituent member of the fuel cell itself. Although it is difficult to detect these individual resistances, the value of these resistances can vary greatly depending on the power generation conditions of the fuel cell during power generation of the fuel cell. Fluctuating electrolyte membrane resistance, ie membrane resistance. This membrane resistance increases as the water content of the electrolyte membrane decreases and the proton conductivity in the electrolyte membrane decreases. Therefore, in step S100 of the present embodiment, an increase in membrane resistance caused by a decrease in the water content of the electrolyte membrane is detected as an increase in internal resistance of the fuel cell 22.

燃料電池の内部抵抗は、交流インピーダンス法により求めた。すなわち、燃料電池２２に対して、比較的周波数の高い（例えば１０ｋＨｚ）微弱な交流定電流を印加し、出力電圧から、フィルタ（コンデンサ）を用いて上記交流電流に起因する交流成分を分離して、交流成分の電圧値である交流インピーダンスを、内部抵抗として求めた。ステップＳ１００では、上記のように求めた燃料電池の内部抵抗の値が所定の基準値以上になったときに、電解質膜の含水量が低下した状態であると判定している。このように、ステップＳ１００の処理を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、電解質膜における含水量を判定する図４に示す含水量判定部８０として機能する。   The internal resistance of the fuel cell was determined by the AC impedance method. That is, a weak AC constant current having a relatively high frequency (for example, 10 kHz) is applied to the fuel cell 22, and the AC component caused by the AC current is separated from the output voltage using a filter (capacitor). The AC impedance, which is the voltage value of the AC component, was determined as the internal resistance. In step S100, when the value of the internal resistance of the fuel cell obtained as described above becomes equal to or greater than a predetermined reference value, it is determined that the water content of the electrolyte membrane has been reduced. Thus, when performing the process of step S100, CPU74 of the control part 70 functions as the moisture content determination part 80 shown in FIG. 4 which determines the moisture content in an electrolyte membrane.

なお、ステップＳ１００において、内部抵抗に基づいて膜含水量を判定する際には、単一の基準値を設定しておくのではなく、さらに温度の影響を考慮して、燃料電池の温度によって、判定の基準となる値を変更しても良い。ステップＳ１００における膜含水量の判定は、電解質膜の含水量が低下して電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって、通常の発電制御を行なうことが困難となる程度に電池性能が低下しつつあるか否かを判定するものである。しかしながら、膜含水量が低下することによって、どの程度電池性能が低下するかは、燃料電池の温度の影響を受ける。燃料電池の温度が高い場合には、例えば、電解質膜のプロトン伝導性が上昇したり、電極が備える触媒の活性が上昇するため、内部抵抗の値が同じであっても、燃料電池の温度が高いほど電池性能が向上する。そのため、上記判定に用いる抵抗値の基準値は、燃料電池温度が高いほど、高い値を設定することができる。そこで、燃料電池の温度に応じた内部抵抗の基準値を予め設定し、マップとして制御部７０内に記憶することとしても良い。なお、この場合には、ステップＳ１００において、燃料電池の温度として、既述した温度センサ５２の検出信号を取得すればよい。   In step S100, when determining the water content of the membrane based on the internal resistance, it is not necessary to set a single reference value. You may change the value used as the standard of judgment. The determination of the water content of the membrane in step S100 is that the battery performance is reduced to such an extent that it is difficult to perform normal power generation control due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane and a decrease in proton conductivity in the electrolyte membrane. It is determined whether or not there is. However, the degree to which the cell performance decreases due to the decrease in the membrane water content is influenced by the temperature of the fuel cell. When the temperature of the fuel cell is high, for example, the proton conductivity of the electrolyte membrane is increased or the activity of the catalyst provided in the electrode is increased. Therefore, even if the internal resistance value is the same, the temperature of the fuel cell is The higher the battery performance, the better. Therefore, the reference value of the resistance value used for the determination can be set higher as the fuel cell temperature is higher. Therefore, a reference value of internal resistance corresponding to the temperature of the fuel cell may be set in advance and stored in the control unit 70 as a map. In this case, in step S100, the detection signal of the temperature sensor 52 described above may be acquired as the temperature of the fuel cell.

ステップＳ１００において、電解質膜の含水量が減少した状態であると判定されると、ＣＰＵ７４は、燃料電池システム１０からの最低必要出力、すなわち、電気自動車１５における最低必要出力を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、最低必要出力とは、電解質膜の含水量が低下して燃料電池システム１０から駆動モータ３２への出力を制限する制御を行なう際にも、車両に確保すべき最低限の出力として設定される値である。このような最低必要出力は、例えば、走行中の車両において、突然に出力制限を行なう場合において、安全性を担保可能となる走行を実現するために駆動モータ３２において確保すべきエネルギ量として設定される。追い越し加速を伴うような通常走行を車両が行なうために必要な出力が４０ｋＷであり、車両を退避場所へと移動させるための徐行運転を行なうために必要な出力が２０ｋＷである場合には、最低必要出力は、例えば３０ｋＷに設定することができる。ステップＳ１１０で設定するこのような最低必要出力は、予め定めて制御部７０内に記憶しておけばよい。   If it is determined in step S100 that the water content of the electrolyte membrane is reduced, the CPU 74 sets the minimum required output from the fuel cell system 10, that is, the minimum required output in the electric vehicle 15 (step S110). . Here, the minimum required output is set as the minimum output that should be ensured in the vehicle even when control is performed to limit the output from the fuel cell system 10 to the drive motor 32 due to a decrease in the water content of the electrolyte membrane. Is the value to be Such a minimum required output is set, for example, as an amount of energy to be secured in the drive motor 32 in order to realize traveling that can ensure safety when the output is suddenly limited in a traveling vehicle. The When the output required for the vehicle to perform normal driving with overtaking acceleration is 40 kW, and the output required for performing slow driving for moving the vehicle to the evacuation site is 20 kW, The required output can be set to 30 kW, for example. Such a minimum required output set in step S110 may be determined in advance and stored in the control unit 70.

次に、ＣＰＵ７４は、酸化ガスを供給するエアコンプレッサ２４における消費電力として許容できる最大量（エア系最大許容補機損）を算出する（ステップＳ１２０）。「エア系最大許容補機損」は、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」から、ステップＳ１１０で設定した「最低必要出力」と、「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」とを減じることによって求めることができる。このようにして、エア系最大許容補機損、すなわち、燃料電池２２からの出力を最大としたときに、車両が最低必要出力を出力する場合であっても、エアコンプレッサ２４のために確保することができるエネルギ量を求めることができる。   Next, the CPU 74 calculates the maximum amount (air system maximum allowable auxiliary machine loss) allowable as power consumption in the air compressor 24 that supplies the oxidizing gas (step S120). “Air system maximum allowable auxiliary machine loss” is “minimum required output” set in step S110 from “current maximum output that fuel cell 22 can output” and “current power consumption in auxiliary machines excluding air compressor 24”. "Can be obtained by subtracting". " In this way, even when the vehicle outputs the minimum required output when the air system maximum allowable auxiliary machinery loss, that is, when the output from the fuel cell 22 is maximized, it is secured for the air compressor 24. The amount of energy that can be obtained can be determined.

ここで、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」とは、現在の燃料電池２２の特性に基づいて求められる燃料電池２２からの出力電力の最大値をいう。一般に、燃料電池は、運転条件ごとに、出力電流値に応じて出力電圧値が一義的に定まる性質を有しており、出力電流値と出力電圧値との間には、一定の関係が成立する。このような、出力電流−出力電圧特性（出力特性）の一例を、図５（Ａ）に示す。また、このときの出力電流と出力電力との間の関係を、図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）に示すように、出力電流が大きくなるに従って出力電圧は次第に低下するため、図５（Ｂ）に示すように、出力電流と出力電圧との積として表わされる燃料電池からの出力電力は、運転条件毎に所定の最大値を示す。図５の出力特性を示す燃料電池では、出力電流がＩA、出力電圧がＶAのときに、出力電力が最大値ＷAになる。このような出力特性に影響する運転条件としては、例えば、燃料電池に供給されるガス量や、運転温度、あるいは電解質膜の含水量を挙げることができる。本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池２２に供給されるガス量は過剰量であるため、制御部７０は、燃料電池２２に関するその他の運転条件、例えば運転温度や膜含水量の異なる種々の運転条件のそれぞれについて、図５に示すような出力特性を記憶している。さらに、制御部７０は、上記種々の運転条件のそれぞれについて、出力電力の最大値を記憶している。燃料電池システム１０は、燃料電池２２の出力電流および出力電圧を検出するための図示しない電流センサおよび電圧センサを備えている。そのため、これらのセンサが検出した出力電流および出力電圧に基づいて、現在の燃料電池２２が、記憶した複数の出力特性のいずれに該当するものであるか（現在の運転ポイントが、図５（Ａ）のような出力特性のグラフのうちのいずれのグラフ上に位置するか）を知ることができる。上記したように、各々の出力特性毎に出力電力の最大値が記憶されているため、いずれの出力特性に該当するかが分かれば、現在の出力特性に対応する出力電力の最大値、すなわち、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」を知ることができる。 Here, “the maximum output that the current fuel cell 22 can output” refers to the maximum value of the output power from the fuel cell 22 that is obtained based on the current characteristics of the fuel cell 22. In general, fuel cells have the property that the output voltage value is uniquely determined according to the output current value for each operating condition, and a certain relationship is established between the output current value and the output voltage value. To do. An example of such output current-output voltage characteristics (output characteristics) is shown in FIG. In addition, the relationship between the output current and the output power at this time is shown in FIG. As shown in FIG. 5 (A), the output voltage gradually decreases as the output current increases. Therefore, as shown in FIG. 5 (B), the output from the fuel cell expressed as the product of the output current and the output voltage. The electric power indicates a predetermined maximum value for each operating condition. In the fuel cell having the output characteristics of FIG. 5, when the output current is I A and the output voltage is V A , the output power becomes the maximum value W A. Examples of operating conditions that affect the output characteristics include the amount of gas supplied to the fuel cell, the operating temperature, and the water content of the electrolyte membrane. In the fuel cell system 10 of the present embodiment, since the amount of gas supplied to the fuel cell 22 is excessive, the control unit 70 performs various other operation conditions related to the fuel cell 22, such as various operating temperatures and membrane water contents. For each of the operating conditions, output characteristics as shown in FIG. 5 are stored. Further, the control unit 70 stores the maximum value of the output power for each of the various operating conditions. The fuel cell system 10 includes a current sensor and a voltage sensor (not shown) for detecting the output current and output voltage of the fuel cell 22. Therefore, based on the output current and output voltage detected by these sensors, which of the plurality of output characteristics the current fuel cell 22 corresponds to (the current operating point is shown in FIG. It is possible to know which of the graphs of output characteristics such as As described above, since the maximum value of output power is stored for each output characteristic, if it is known which output characteristic corresponds, the maximum value of output power corresponding to the current output characteristic, that is, It is possible to know “the maximum output that the current fuel cell 22 can output”.

エアコンプレッサ２４を除く補機とは、既述した補機４０のうちの、エアコンプレッサ２４以外のものを指す。具体的には、水素ポンプ６５や却水ポンプ等の燃料電池補機、あるいは、車両補機である空調装置（エアコン）やカーナビゲーションシステムを挙げることができる。エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力を求めるには、例えば、補機における駆動量と消費電力との間に一定の関係がある場合には、上記した各補機毎に、駆動量と消費電力との関係を予めマップとして記憶しておけば良い。そして、各補機に出力されている駆動信号（例えば、冷却水ポンプの場合には設定された目標回転数）や各補機の駆動量の実測値（例えば、水素ポンプの場合には流量計により検出した水素流量）と、上記マップと、に基づいて各補機の消費電力を求め、求めた各補機の消費電力を合計すればよい。これにより、「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」を求めることができる。   An auxiliary machine excluding the air compressor 24 refers to an auxiliary machine 40 other than the air compressor 24 described above. Specific examples include fuel cell auxiliary equipment such as a hydrogen pump 65 and a water rejection pump, or an air conditioner (air conditioner) and a car navigation system that are vehicle auxiliary equipment. In order to obtain the current power consumption in the auxiliary machines excluding the air compressor 24, for example, when there is a certain relationship between the driving amount and the power consumption in the auxiliary machine, the driving amount is set for each auxiliary machine described above. The relationship between power consumption and power consumption may be stored in advance as a map. And the drive signal (for example, set target rotation speed in the case of a cooling water pump) output to each auxiliary machine and the actual measured value of the driving amount of each auxiliary machine (for example, a flow meter in the case of a hydrogen pump) The flow rate of hydrogen detected by the above) and the above map are used to determine the power consumption of each auxiliary machine, and the calculated power consumption of each auxiliary machine may be summed up. As a result, the “current power consumption in the auxiliary machine excluding the air compressor 24” can be obtained.

上記のようにして、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」と「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」とを求めることにより、ステップＳ１２０において、「エア系最大許容補機損」を算出することができる。このような「エア系最大許容補機損」は、燃料電池２２における発電量を最大にして、燃料電池２２からの出力電力によって、車両の最低必要出力と、エアコンプレッサ２４以外の補機における消費電力とを賄った場合に、エアコンプレッサ２４に供給することができる残余の電力がどれだけあるか、を表わすものである。   As described above, by obtaining “the maximum output that the current fuel cell 22 can output” and “the current power consumption of the auxiliary machine excluding the air compressor 24”, in step S120, “the maximum allowable air system auxiliary machine” Loss "can be calculated. Such “air system maximum allowable auxiliary machine loss” means that the power generation amount in the fuel cell 22 is maximized, the output power from the fuel cell 22 causes the minimum required output of the vehicle, and the consumption in auxiliary machines other than the air compressor 24. This indicates how much remaining power can be supplied to the air compressor 24 when the power is covered.

エア系最大許容補機損を算出すると、ＣＰＵ７４は、上記したエア系最大許容補機損に基づいて、燃料電池２２内部に形成された酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を上昇可能であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。具体的には、ステップＳ１２０で算出したエア系最大許容補機損と、エアコンプレッサ２４における現在の消費電力とを比較して、エア系最大許容補機損がエアコンプレッサ２４における現在の消費電力以上である場合には、酸化ガス圧を上昇可能と判断する。エアコンプレッサ２４における現在の消費電力は、例えば、エアコンプレッサ２４に対して電力供給する配線に電流計および電圧計を設けておき、両者の検出値を積算することにより算出可能である。このように、ステップＳ１３０の処理を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、酸化ガス圧を上昇可能であるか否かを判断する図４に示す酸化ガス圧上昇判断部８１として機能する。   When the air system maximum allowable auxiliary machine loss is calculated, the CPU 74 can increase the oxidizing gas pressure, which is the internal pressure of the oxidizing gas passage formed inside the fuel cell 22, based on the above-described air system maximum allowable auxiliary machine loss. Is determined (step S130). Specifically, the air system maximum allowable auxiliary machinery loss calculated in step S120 and the current power consumption in the air compressor 24 are compared, and the air system maximum allowable auxiliary machinery loss is equal to or greater than the current power consumption in the air compressor 24. If it is, it is determined that the oxidizing gas pressure can be increased. The current power consumption in the air compressor 24 can be calculated, for example, by providing an ammeter and a voltmeter in the wiring for supplying power to the air compressor 24 and integrating the detected values of both. Thus, when executing the processing of step S130, the CPU 74 of the control unit 70 functions as the oxidizing gas pressure increase determination unit 81 shown in FIG. 4 that determines whether or not the oxidizing gas pressure can be increased. .

ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能と判断すると、次に、ＣＰＵ７４は、目標酸化ガス圧を上昇させる（ステップＳ１４０）。既述したように、本実施例の燃料電池システム１０では、エアコンプレッサ２４によって所定流量の酸化ガスが燃料電池２２に対して供給されると共に、背圧弁５０の開度を所定の開度にすることによって、酸化ガス流路における酸化ガス圧が一定値に保たれている。そのため本実施例では、上記背圧弁５０の開度を調節することによって、酸化ガス圧を上昇させる制御を行なっている。ステップＳ１４０において行なわれる目標酸化ガス圧を上昇させるための制御は、具体的には、酸化ガス圧が、現在設定されている酸化ガス圧よりも例えば５ｋＰａ高くなるように、背圧弁５０の開度の目標値を大きく設定することによって行なわれる。   If it is determined in step S130 that the oxidizing gas pressure can be increased, the CPU 74 next increases the target oxidizing gas pressure (step S140). As described above, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the air compressor 24 supplies a predetermined flow of oxidizing gas to the fuel cell 22, and the back pressure valve 50 is set to a predetermined opening. Thus, the oxidizing gas pressure in the oxidizing gas flow path is maintained at a constant value. Therefore, in this embodiment, the control for increasing the oxidizing gas pressure is performed by adjusting the opening degree of the back pressure valve 50. Specifically, the control for increasing the target oxidizing gas pressure performed in step S140 is performed by opening the back pressure valve 50 so that the oxidizing gas pressure is, for example, 5 kPa higher than the currently set oxidizing gas pressure. This is done by setting a large target value.

ここで、酸化ガス圧を上昇させるために背圧弁５０の開度を変更する量は、酸化ガス圧の上昇前の酸化ガス圧と、酸化ガス圧の変更量とによって定まる。本実施例では、酸化ガス圧が取り得る値の範囲にわたって、その酸化ガス圧からさらに５ｋＰａだけ酸化ガス圧を上昇させるための背圧弁５０の開度を、マップとして予め制御部７０内に記憶している。ステップＳ１４０では、ＣＰＵ７４は、さらに圧力センサ５１の検出値を取得して、得られた酸化ガス圧の検出値に基づいて上記マップを参照して、酸化ガス圧を５ｋＰａ上昇させるための背圧弁５０開度の目標値を得る。   Here, the amount by which the opening of the back pressure valve 50 is changed in order to increase the oxidizing gas pressure is determined by the oxidizing gas pressure before the oxidizing gas pressure is increased and the changing amount of the oxidizing gas pressure. In this embodiment, the opening degree of the back pressure valve 50 for increasing the oxidizing gas pressure further by 5 kPa from the oxidizing gas pressure over the range of values that the oxidizing gas pressure can take is stored in advance in the control unit 70 as a map. ing. In step S140, the CPU 74 further obtains the detection value of the pressure sensor 51, refers to the map based on the obtained detection value of the oxidant gas pressure, and increases the oxidant gas pressure by 5 kPa. Get the target value of the opening.

その後、ＣＰＵ７４は、ステップＳ１４０で設定した目標酸化ガス圧となるように背圧弁５０を駆動する酸化ガス圧上昇制御を行なうと共に、駆動モータ３２への出力が制限される車両出力制限制御を行なって（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１５０の酸化ガス圧上昇制御としては、背圧弁５０の開度が、ステップＳ１４０で設定した値となるように背圧弁５０に対して駆動信号を出力する制御を行なう。なお、本実施例の酸化ガス圧上昇制御では、ＣＰＵ７４は、ステップＳ１５０において背圧弁５０に対して駆動信号を出力した後に、さらに圧力センサ５１の検出信号を取得して、背圧弁５０を駆動した後の実際の酸化ガス圧を検出している。そして、検出した酸化ガス圧と、ステップＳ１４０で設定した目標酸化ガス圧との間にずれがある場合には、フィードバック制御を行なって、酸化ガス圧が目標値と一致するように、背圧弁５０の開度を修正している。このように、ステップＳ１４０の処理、および、ステップＳ１５０の酸化ガス圧上昇制御を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、酸化ガス圧を調節する図４に示す酸化ガス圧制御部８２として機能する。   Thereafter, the CPU 74 performs oxidant gas pressure increase control for driving the back pressure valve 50 so as to achieve the target oxidant gas pressure set in step S140, and performs vehicle output restriction control for restricting the output to the drive motor 32. (Step S150), this routine is finished. As the oxidizing gas pressure increase control in step S150, control is performed to output a drive signal to the back pressure valve 50 so that the opening degree of the back pressure valve 50 becomes the value set in step S140. In the oxidizing gas pressure increase control of this embodiment, the CPU 74 outputs a drive signal to the back pressure valve 50 in step S150, and then obtains a detection signal of the pressure sensor 51 to drive the back pressure valve 50. The actual oxidant gas pressure is detected later. If there is a difference between the detected oxidizing gas pressure and the target oxidizing gas pressure set in step S140, the back pressure valve 50 is controlled so that the oxidizing gas pressure matches the target value by performing feedback control. The opening is corrected. As described above, when executing the process of step S140 and the oxidizing gas pressure increase control of step S150, the CPU 74 of the controller 70 adjusts the oxidizing gas pressure as the oxidizing gas pressure controller 82 shown in FIG. Function.

また、ステップＳ１５０の車両出力制限制御としては、駆動モータ３２に対して、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」から、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」を減じて得られる電力量である「許容消費電力」を最大量として、負荷要求に基づいて電力供給の制御が行なわれる。ここで、車両の駆動モータ３２における負荷要求は、車両の現在の車速とアクセル開度とに基づいて算出される。このようにして算出される負荷要求が、上記許容消費電力以下である場合には、ＣＰＵ７４は、駆動インバータ３０を介して駆動モータ３２に対して、負荷要求に応じたトルク指令値を出力する。このとき、燃料電池２２は、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」と、「負荷要求」とを加えた電力量を発電すれば良い。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、上記電力量が出力電力となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。上記のような制御を行なう場合には、車両性能（車両の加速性能）は、膜含水量が低下しておらず負荷要求に応じた加速を行なうことができる通常運転時と同じになる。ただし、酸化ガス圧を上昇させている場合には、エアコンプレッサ２４における回転数（酸化ガス流量）は変化していなくても、酸化ガス圧が上昇することによって、エアコンプレッサ２４における消費電力は増加する。そのため、したがって、燃料電池システム１０は、負荷要求に応じた加速を行なうものの、補機における消費電力が通常運転時よりも多く、システム全体としての効率が低下する「低効率運転」を行なうことになる。   Further, as the vehicle output restriction control in step S150, the “power consumption in all auxiliary machines including the air compressor 24” is subtracted from the “maximum output that the current fuel cell 22 can output” for the drive motor 32. The power supply is controlled based on the load request, with the “allowable power consumption” that is the amount of power obtained being the maximum amount. Here, the load request in the drive motor 32 of the vehicle is calculated based on the current vehicle speed and the accelerator opening of the vehicle. When the load request calculated in this way is equal to or less than the allowable power consumption, the CPU 74 outputs a torque command value corresponding to the load request to the drive motor 32 via the drive inverter 30. At this time, the fuel cell 22 may generate power by adding “power consumption in all auxiliary machines including the air compressor 24” and “load request”. Therefore, the CPU 74 outputs the output voltage when the power amount becomes the output power in the current output characteristics as shown in FIG. 5 to the DC / DC converter 42 as the target voltage. When performing the control as described above, the vehicle performance (vehicle acceleration performance) is the same as that during normal operation in which the membrane water content is not reduced and acceleration according to the load demand can be performed. However, when the oxidizing gas pressure is increased, even if the rotational speed (oxidizing gas flow rate) in the air compressor 24 is not changed, the power consumption in the air compressor 24 is increased by increasing the oxidizing gas pressure. To do. Therefore, although the fuel cell system 10 performs acceleration according to the load demand, the fuel cell system 10 performs “low-efficiency operation” in which the power consumption of the auxiliary machine is larger than that during normal operation and the efficiency of the entire system is reduced. Become.

また、ステップＳ１５０の車両出力制限制御を行なう際に、既述した負荷要求が、許容消費電力を上回る場合には、駆動モータ３２に供給される電力は、許容消費電力に制限される。具体的には、ＣＰＵ７４は、駆動モータ３２に対するトルク指令値を、負荷要求に基づく値ではなく、駆動モータ３２の消費電力が許容消費電力となる値に変更して、駆動モータ３２の制御を行なう。このとき燃料電池２２は、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」を発電すればよい。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、出力電力が最大となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。上記のような制御を行なう場合には、燃料電池システム１０は、負荷要求を満たすことなく、駆動モータ３２における消費電力が許容消費電力となる「制限運転」を行なうことになる。このように制限運転を行なう場合であっても、駆動モータ３２が消費できる電力量として、最低必要出力は確保されているため、車両は、ステップＳ１１０で設定した最低必要出力に応じた走行を行なうことができる。このように、ステップＳ１５０で、車両出力制限制御を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、燃料電池から負荷および燃料電池補機への電力供給を制御する図４に示す出力制御部８３として機能する。   Further, when performing the vehicle output restriction control in step S150, if the load request described above exceeds the allowable power consumption, the power supplied to the drive motor 32 is limited to the allowable power consumption. Specifically, the CPU 74 controls the drive motor 32 by changing the torque command value for the drive motor 32 to a value at which the power consumption of the drive motor 32 becomes the allowable power consumption instead of the value based on the load request. . At this time, the fuel cell 22 may generate “the maximum output that the current fuel cell 22 can output”. Therefore, the CPU 74 outputs the output voltage when the output power is maximum in the current output characteristics as shown in FIG. 5 to the DC / DC converter 42 as the target voltage. When performing the control as described above, the fuel cell system 10 performs “restricted operation” in which the power consumption in the drive motor 32 becomes the allowable power consumption without satisfying the load requirement. Even in such a limited operation, since the minimum required output is secured as the amount of power that can be consumed by the drive motor 32, the vehicle travels according to the minimum required output set in step S110. be able to. As described above, when the vehicle output restriction control is executed in step S150, the CPU 74 of the control unit 70 controls the power supply from the fuel cell to the load and the fuel cell auxiliary machine. The output control unit 83 shown in FIG. Function as.

このように、ステップＳ１００で膜含水量が低下していると判定されると共に、ステップＳ１３０で酸化ガス圧を上昇可能と判断されて、酸化ガス圧を上昇させる制御を行なうと、電解質膜の含水量を、次第に回復させることができる。これは、酸化ガス圧を上昇させることで、酸化ガス流路において水が気体ではなく液水として存在し易くなるため、気体の状態で酸化ガスと共に燃料電池２２外に排出される水の量を抑えることができるためである。また、酸化ガス圧を上昇させるために背圧弁５０の開度を小さくしているので、燃料電池２２からの水蒸気の排出量を物理的に抑えることができるためである。さらに、燃料ガス圧に対して酸化ガス圧を相対的に高めることにより、水が生成されるカソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動を促進することができ、結果的に電解質膜の含水量を増加させることができるためである。   As described above, when it is determined in step S100 that the water content of the membrane has decreased, and it is determined in step S130 that the oxidizing gas pressure can be increased, and control is performed to increase the oxidizing gas pressure, the content of the electrolyte membrane is increased. The amount of water can be gradually recovered. This is because by increasing the oxidant gas pressure, water tends to exist as liquid water instead of gas in the oxidant gas flow path, so the amount of water discharged out of the fuel cell 22 together with the oxidant gas in the gaseous state is reduced. This is because it can be suppressed. Moreover, since the opening degree of the back pressure valve 50 is reduced in order to increase the oxidizing gas pressure, the amount of water vapor discharged from the fuel cell 22 can be physically suppressed. Furthermore, by relatively increasing the oxidizing gas pressure with respect to the fuel gas pressure, it is possible to promote the movement of water in the electrolyte membrane from the cathode side where water is generated toward the anode side, resulting in the electrolyte. This is because the water content of the membrane can be increased.

ステップＳ１３０において、酸化ガス圧を上昇することができないと判断した場合には、ＣＰＵ７４の出力制御部８３は、燃料電池２２からの出力を制限する制御を行なって（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。酸化ガス圧を上昇させることができない場合とは、膜含水量が低下している状態であって、且つ、補機における消費電力量が既に多く、酸化ガス圧を上昇させつつ補機に対して必要な電力を供給すると、ステップＳ１１０で設定した最低必要出力を駆動モータ３２に供給できなくなる場合である。ステップＳ１６０においては、膜含水量が低下した現在の状態であっても、望ましくない不測の電圧降下を起こすことなく発電を継続できる程度にまで、燃料電池２２の発電量を減少させる。ステップＳ１６０では、このようにして燃料電池２２の発電量を減少させた場合に、補機における消費電力量を発電量から減じた残余の電力として、駆動モータ３２に供給する電力量が決定される。このように燃料電池２２の発電量を制限する場合には、酸化ガス圧の上昇は行なわない。なお、上記のように燃料電池２２の発電量を制限する場合には、発電量の減少に伴って燃料電池２２における発電時の発熱量も減少する。そのため、燃料電池２２の温度が低下することによって、電解質膜からガス中へと気化して燃料電池２２外へと持ち出される水の量が減り、電解質膜の含水量は次第に回復する。   If it is determined in step S130 that the oxidant gas pressure cannot be increased, the output control unit 83 of the CPU 74 performs control to limit the output from the fuel cell 22 (step S160), and ends this routine. To do. The case where the oxidant gas pressure cannot be increased is a state where the water content of the membrane has decreased, and the power consumption in the auxiliary machine is already large, and the oxidant gas pressure is increased with respect to the auxiliary machine. This is a case where the minimum necessary output set in step S110 cannot be supplied to the drive motor 32 when the necessary power is supplied. In step S160, the power generation amount of the fuel cell 22 is reduced to such an extent that power generation can be continued without causing an undesired unexpected voltage drop even in the current state in which the membrane water content has decreased. In step S160, when the power generation amount of the fuel cell 22 is reduced in this way, the power amount supplied to the drive motor 32 is determined as the remaining power obtained by subtracting the power consumption amount in the auxiliary machine from the power generation amount. . Thus, when the power generation amount of the fuel cell 22 is limited, the oxidizing gas pressure is not increased. Note that, when the power generation amount of the fuel cell 22 is limited as described above, the heat generation amount during power generation in the fuel cell 22 also decreases as the power generation amount decreases. Therefore, when the temperature of the fuel cell 22 is lowered, the amount of water vaporized from the electrolyte membrane into the gas and taken out of the fuel cell 22 is reduced, and the water content of the electrolyte membrane is gradually recovered.

なお、ステップＳ１００において膜含水量が低下した状態であると判断され、通常運転とは異なる制御を行なう場合には、通常運転とは行なう制御を行なっていることを、車両の運転者などに報知することが望ましい。特に、ステップＳ１５０において既述した「制限運転」を行なう場合や、ステップＳ１６０において燃料電池２２からの出力を制限する運転を行なう場合には、負荷要求通りの車両出力が得られず、運転者の意図する加速が行なわれない状態となる。そのため、運転者が走行に違和感を覚える可能性があるため、報知することが望ましい。報知は、たとえば、運転席の近傍に、駆動モータ３２への出力が制限された「制限運転」を行なっていることや、燃料電池からの出力を制限する運転を行なっていることを、認知可能となる表示を行なったり、音声により行なったりすれば良い。   If it is determined in step S100 that the water content of the membrane has been reduced and control different from normal operation is performed, the vehicle driver or the like is informed that control that is different from normal operation is being performed. It is desirable to do. In particular, when the “restricted operation” described in step S150 is performed or when the operation for limiting the output from the fuel cell 22 is performed in step S160, the vehicle output as requested by the load cannot be obtained, and the driver's The intended acceleration is not performed. Therefore, it is desirable to notify the driver because the driver may feel uncomfortable in traveling. The notification can recognize, for example, that a “restricted operation” in which the output to the drive motor 32 is restricted or an operation that restricts the output from the fuel cell is being performed in the vicinity of the driver's seat. May be displayed or by voice.

ステップＳ１００において、電解質膜の含水量が低下した状態ではないと判断した場合には、ＣＰＵ７４は、出力制御部８３において通常の制御を行なうこととして（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。通常の制御とは、負荷要求に応じた運転状態となるように、駆動モータ３２を駆動する制御である。具体的には、ＣＰＵ７４は、駆動インバータ３０を介して駆動モータ３２に対して、負荷要求に応じたトルク指令値を出力する。このとき、燃料電池２２は、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」と、「負荷要求」とを加えた電力量を発電すれば良い。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、上記電力量が出力電力となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。このとき、酸化ガス圧を上昇させるための特別な制御は行なわない。   If it is determined in step S100 that the water content of the electrolyte membrane is not reduced, the CPU 74 performs normal control in the output control unit 83 (step S170), and ends this routine. The normal control is control for driving the drive motor 32 so as to be in an operation state according to the load request. Specifically, the CPU 74 outputs a torque command value corresponding to the load request to the drive motor 32 via the drive inverter 30. At this time, the fuel cell 22 may generate power by adding “power consumption in all auxiliary machines including the air compressor 24” and “load request”. Therefore, the CPU 74 outputs the output voltage when the power amount becomes the output power in the current output characteristics as shown in FIG. 5 to the DC / DC converter 42 as the target voltage. At this time, no special control for increasing the oxidizing gas pressure is performed.

このように、図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンを繰り返し実行すれば、膜含水量が低下したときには、ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能であると判断される限り、また、エアコンプレッサ２４の能力の限度内において、酸化ガス圧を（実施例では５ｋＰａずつ）上昇させる制御が繰り返し行なわれる。酸化ガス圧を上昇させることによって膜含水量は次第に回復するため、このような制御を繰り返すことで、やがて、ステップＳ１００において膜含水量が低下していないと判断されるようになる。   As described above, when the membrane water content decrease processing routine shown in FIG. 3 is repeatedly executed, when the membrane water content is reduced, as long as it is determined in step S130 that the oxidizing gas pressure can be increased, the air compressor Within the limit of 24 capacities, the control for increasing the oxidizing gas pressure (in the embodiment by 5 kPa) is repeated. Since the membrane water content is gradually recovered by increasing the oxidizing gas pressure, it is determined that the membrane water content is not lowered in step S100 by repeating such control.

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜の含水量が低下したときには、補機が消費する必要な電力と、駆動モータ３２が消費する最低必要出力とを確保した上で、燃料電池２２の発電量は制限することなく、酸化ガス圧を上昇させる。このように、酸化ガス圧を上昇させることで、膜含水量の回復を図ることができる。また、このとき、燃料電池２２の発電量は、現在の発電可能量の範囲内で制限しないため、燃料電池２２内で発電に伴って生じる水の量が抑えられることがない。そのため、このような発電に伴う生成水も、膜含水量の回復に寄与させることができる。   According to the fuel cell system 10 of the present embodiment configured as described above, when the water content of the electrolyte membrane is reduced, the necessary power consumed by the auxiliary machine and the minimum necessary output consumed by the drive motor 32 are obtained. After securing, the oxidizing gas pressure is increased without limiting the power generation amount of the fuel cell 22. Thus, the membrane water content can be recovered by increasing the oxidizing gas pressure. At this time, the amount of power generated by the fuel cell 22 is not limited within the range of the current power generation possible amount, so that the amount of water generated in the fuel cell 22 due to power generation is not suppressed. Therefore, the generated water accompanying such power generation can also contribute to the recovery of the membrane water content.

また、本実施例によれば、膜含水量が低下して酸化ガス圧を上昇させる制御を行なう際に、補機が消費する必要な電力を確保した上で、駆動モータ３２が実際に消費する電力量を設定している。このように、補機が消費する必要な電力を確保しつつ酸化ガス圧を上昇させることで、酸化ガス圧に要する電力が不足することなく支障なく酸化ガス圧を上昇させて、膜含水量の回復を図ることができる。また、駆動モータ３２に供給する電力量が、発電可能量の範囲内で設定された燃料電池の発電量のうちの、燃料電池補機の消費電力を確保した残余の電力の範囲内で設定されるため、燃料電池２２における発電量が過大となることがない。そのため、膜含水量が減少している燃料電池２２において、不測の電圧降下などの不都合が生じることがない。   Further, according to the present embodiment, the drive motor 32 is actually consumed after securing the necessary power consumed by the auxiliary machine when performing control to increase the oxidizing gas pressure by lowering the membrane water content. The amount of power is set. In this way, by increasing the oxidizing gas pressure while securing the necessary power consumed by the auxiliary equipment, the oxidizing gas pressure can be increased without hindrance without a shortage of power required for the oxidizing gas pressure, and the water content of the membrane can be increased. Recovery can be achieved. Further, the amount of power supplied to the drive motor 32 is set within the range of the remaining power that secures the power consumption of the fuel cell auxiliary machine among the power generation amount of the fuel cell set within the range of the power generation possible amount. Therefore, the power generation amount in the fuel cell 22 does not become excessive. Therefore, in the fuel cell 22 in which the membrane water content is reduced, inconvenience such as an unexpected voltage drop does not occur.

さらに、本実施例では、ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能と判断されたときに、ステップＳ１５０において車両出力制限制御を行なう際には、燃料電池２２の発電可能量と燃料電池補機の消費電力との差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、駆動モータ３２に供給する電力を、負荷要求に対応する値に設定している。そのため、燃料電池システムが正常に動作し得る範囲で、運転者のアクセル操作などにより指示される負荷要求にできる限り応える車両出力を実現することができる。また、許容消費電力が、負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、駆動モータ３２に供給する電力を、許容消費電力に設定している。そのため、膜含水量の低下に起因する不測の電圧降下などの不都合の発生を抑制することができる。   Further, in this embodiment, when it is determined in step S130 that the oxidant gas pressure can be increased, the amount of power that can be generated by the fuel cell 22 and the consumption of the fuel cell auxiliary device are determined when the vehicle output restriction control is performed in step S150. If the allowable power consumption, which is the difference from the power, is equal to or greater than the power corresponding to the load request, the power supplied to the drive motor 32 is set to a value corresponding to the load request. Therefore, it is possible to realize a vehicle output that satisfies the load request instructed by the driver's accelerator operation or the like as long as the fuel cell system can operate normally. When the allowable power consumption is smaller than the power corresponding to the load request, the power supplied to the drive motor 32 is set to the allowable power consumption. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of inconvenience such as an unexpected voltage drop due to a decrease in the moisture content of the membrane.

このような制御を行なう際に、本実施例では、駆動モータ３２が消費できる電力量として最低必要出力が確保されている。具体的には、本実施例では、ステップＳ１１０において、走行中の車両に突然に出力制限を行なう場合であっても安全性を担保可能となる走行を実現するために駆動モータ３２において確保すべきエネルギ量として設定される値を、最低必要出力として設定している。そのため、車両の走行中に突然に膜含水量が低下しても、車両において上記した最低必要出力が確保されているため、安全に走行を続行し、その後、必要な待避行動を取ることができる。   When performing such control, in this embodiment, the minimum required output is secured as the amount of power that can be consumed by the drive motor 32. Specifically, in this embodiment, in step S110, the drive motor 32 should be secured in order to realize traveling that can ensure safety even when the output is suddenly limited to the traveling vehicle. The value set as the energy amount is set as the minimum required output. Therefore, even if the water content of the membrane suddenly drops while the vehicle is running, the above-mentioned minimum required output is secured in the vehicle, so that the vehicle can continue to run safely and then take the necessary evacuation action. .

なお、ステップＳ１１０において設定する最低必要出力は、上記のように走行時の安全性を確保するための余裕を持たせた値とすることが望ましいが、少なくとも、車両が移動可能となる最低限の出力以上の値を設定すればよい。これにより、燃料電池における膜含水量が低下して、燃料電池から充分な電力が得られない可能性があるときに、車両を退避させることが可能になる。   Note that the minimum required output set in step S110 is preferably a value with a margin for ensuring safety during traveling as described above, but at least the minimum required for the vehicle to move. A value greater than the output may be set. This makes it possible to retract the vehicle when the membrane water content in the fuel cell is reduced and there is a possibility that sufficient power cannot be obtained from the fuel cell.

なお、実施例では、酸化ガス圧を５ｋＰａずつ上昇させたが、酸化ガス圧の上昇の程度は異なる値としても良い。酸化ガス圧を上昇させることによる膜含水量の回復は、徐々に進行するものであり、また、酸化ガス圧を高くするほど、補機であるエアコンプレッサ２４における消費電力は増加して、システム全体のエネルギ効率は低下する。そのため、酸化ガス圧の上昇は、少しずつ徐々に行なって、システム効率の低下の程度を抑えつつ、膜含水量の回復を図ることができれば良い。   In the embodiment, the oxidizing gas pressure is increased by 5 kPa, but the degree of increase in the oxidizing gas pressure may be different. The recovery of the moisture content of the membrane by increasing the oxidizing gas pressure proceeds gradually, and the higher the oxidizing gas pressure, the more the power consumption in the air compressor 24, which is an auxiliary machine, and the entire system. The energy efficiency is reduced. Therefore, it is only necessary to gradually increase the oxidizing gas pressure to recover the membrane water content while suppressing the degree of reduction in system efficiency.

また、図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンを実行して、膜含水量低下時に酸化ガス圧を徐々に上昇させる際に、ステップＳ１５０において５ｋＰａずつ酸化ガス圧を上昇させる動作を、毎回は行なわないこととしても良い。例えば、一旦酸化ガス圧を上昇させると、所定の時間が経過するまでは、あるいは、図３の処理を所定回数実行するまでは、更なる酸化ガス圧の上昇は行なわないこととしても良い。ただし、燃料電池においては、酸化ガス圧を高くするほど、膜含水量を回復させる効果を高めることができる。そのため、酸化ガス圧を上昇させる際には、膜含水量の低下の程度に応じて、例えば、実施例のように燃料電池の内部抵抗によって膜含水量を判定する場合には、内部抵抗が大きいほど、酸化ガス圧を上昇させる程度を大きくしても良い。   In addition, when the membrane water content reduction processing routine shown in FIG. 3 is executed to gradually increase the oxidizing gas pressure when the membrane water content is reduced, the operation of increasing the oxidizing gas pressure by 5 kPa in step S150 is performed each time. It is also possible not to do it. For example, once the oxidizing gas pressure is increased, the oxidizing gas pressure may not be further increased until a predetermined time elapses or until the processing of FIG. 3 is performed a predetermined number of times. However, in the fuel cell, the higher the oxidizing gas pressure, the higher the effect of restoring the membrane water content. Therefore, when increasing the oxidizing gas pressure, the internal resistance is large when determining the membrane water content by the internal resistance of the fuel cell, for example, according to the degree of decrease in the membrane water content. The degree of increasing the oxidizing gas pressure may be increased.

また、実施例では、燃料電池２２に供給する酸化ガスの流量は、酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ２４の回転数を制御することによって所定の値に調節し、酸化ガス圧は、背圧弁５０の開度によって調節しているが、異なる構成としても良い。例えば、背圧弁５０の開度の調節に代えて、あるいは背圧弁５０の開度の調節に加えて、さらに、エアコンプレッサ２４における回転数など、酸化ガス供給部の駆動量を制御することによって、酸化ガス圧を調節しても良い。   Further, in the embodiment, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 22 is adjusted to a predetermined value by controlling the rotational speed of the air compressor 24 that is the oxidizing gas supply unit, and the oxidizing gas pressure is adjusted to the back pressure valve 50. Although it is adjusted according to the opening degree, it may be a different configuration. For example, instead of adjusting the opening of the back pressure valve 50 or in addition to adjusting the opening of the back pressure valve 50, by controlling the driving amount of the oxidizing gas supply unit such as the rotation speed in the air compressor 24, The oxidizing gas pressure may be adjusted.

実施例のステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で算出したエア系最大許容補機損と、エアコンプレッサ２４における現在の消費電力とを比較して、エア系最大許容補機損がエアコンプレッサ２４における現在の消費電力以上である場合には、酸化ガス圧を上昇可能と判断している。ここで、酸化ガス圧を上昇可能か否かの判断を行なうには、エア系最大許容補機損を、現在のエアコンプレッサ２４における消費電力と比較するのではなく、現在よりも酸化ガス圧を上昇させたときの仮想的なエアコンプレッサ２４における消費電力と比較する方が、厳密には正確であって、このような処理を行なっても良い。これにより、最低必要出力および補機における消費電力を確保する動作の精度を高めることができる。ただし、例えば、ステップＳ１１０で設定する最低必要出力を、余裕をもった大きめの値を設定しておくことにより、現在のエアコンプレッサ２４における消費電力の値を用いる場合にも、酸化ガス圧を上昇可能か否かの判断の精度を充分に確保することができる。   In step S130 of the embodiment, the air system maximum allowable auxiliary machinery loss calculated in step S120 and the current power consumption in the air compressor 24 are compared, and the air system maximum allowable auxiliary machinery loss is the current consumption in the air compressor 24. When the electric power is higher than the electric power, it is determined that the oxidizing gas pressure can be increased. Here, in order to determine whether or not the oxidant gas pressure can be increased, rather than comparing the air system maximum allowable auxiliary machinery loss with the current power consumption in the air compressor 24, the oxidant gas pressure is set to be higher than the present. Strictly speaking, it is more accurate to compare the power consumption in the virtual air compressor 24 when it is raised, and such processing may be performed. Thereby, the precision of the operation | movement which ensures the minimum required output and the power consumption in an auxiliary machine can be improved. However, for example, the minimum required output set in step S110 is set to a large value with a margin so that the oxidizing gas pressure is increased even when the current power consumption value in the air compressor 24 is used. Sufficient accuracy in determining whether or not it is possible can be ensured.

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｃ１．変形例１：
実施例では、図３のステップＳ１００において、電解質膜の膜抵抗に基づいて、膜含水量が減少しているか否かを判定しているが、異なる基準に基づいて行なっても良い。 C1. Modification 1:
In the embodiment, in step S100 of FIG. 3, it is determined whether or not the water content of the membrane is decreased based on the membrane resistance of the electrolyte membrane, but may be performed based on different criteria.

例えば、ステップＳ１００において、燃料電池２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。例えば、燃料電池２２の内部温度が、飽和蒸気圧が高くなることにより電解質膜の含水量が減少した状態になると考えられる温度、例えば９０℃以上であるとき、電解質膜の含水量が減少した状態であると判定することができる。このような構成とすれば、冷媒温度など、燃料電池２２の内部温度を反映する温度を検出するという簡便な方法により、電解質膜の含水量低下状態を容易に判断することができる。   For example, in step S100, the reduced water content of the electrolyte membrane may be determined based on the internal temperature of the fuel cell 22. For example, when the internal temperature of the fuel cell 22 is a temperature at which the water content of the electrolyte membrane is reduced due to an increase in the saturated vapor pressure, for example, 90 ° C. or higher, the water content of the electrolyte membrane is reduced. It can be determined that With such a configuration, the reduced water content of the electrolyte membrane can be easily determined by a simple method of detecting the temperature that reflects the internal temperature of the fuel cell 22 such as the refrigerant temperature.

Ｃ２．変形例２：
また、アノードに供給される燃料ガスにおける圧損（アノード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。すなわち、水素供給路６０およびアノード排ガス路６３のそれぞれに、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、両者の検出値の差であるアノード圧損を求める。そして、求めたアノード圧損が所定値よりも小さいときには、電解質膜の含水量低下状態と判定することができる。これは、膜含水量が少ないときには、燃料ガスの流路内においても液水が少ない状態となり、液水による酸化ガス流れの阻害が少なくなって圧損が小さくなるためである。ここで、アノード圧損は、燃料ガスの流路内における液水量の影響を受ける他、発電によって消費された水素量に依存する値となる。発電によって消費された水素量は、燃料電池２２の出力電流を検出する電流計を設けて、検出した出力電流の積算値に基づいて算出することができる。燃料電池システム１０の制御部７０においては、燃料電池に供給するガスの加湿状態を変化させつつ、出力電流の積算値（消費した水素量）に応じたアノード圧損を予め測定することによって、膜含水量が低下状態であるか否かを判断するための基準となるアノード圧損を予め定めたものを、マップとして記憶しておけばよい。上記電流計を用いて検出した出力電流の積算値とマップとに基づいてアノード圧損の基準値を求めると共に、この圧損の基準値と、圧力センサによるアノード圧損の検出値とを比較して、検出したアノード圧損が、基準値以下であるときには、電解質膜の含水量が低下状態であると判定できる。このような場合にも、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、簡易な方法により、電解質膜の含水量低下状態を判定することができる。 C2. Modification 2:
Moreover, it is good also as determining the moisture content fall state of an electrolyte membrane based on the pressure loss (anode pressure loss) in the fuel gas supplied to an anode. That is, each of the hydrogen supply path 60 and the anode exhaust gas path 63 is provided with a pressure sensor that detects the pressure of the fuel gas, and the anode pressure loss, which is the difference between the detected values, is obtained. When the obtained anode pressure loss is smaller than a predetermined value, it can be determined that the water content of the electrolyte membrane is reduced. This is because when the membrane water content is low, the liquid water is also low in the fuel gas flow path, and the inhibition of the oxidizing gas flow by the liquid water is reduced and the pressure loss is reduced. Here, the anode pressure loss is influenced by the amount of liquid water in the fuel gas flow path, and also has a value that depends on the amount of hydrogen consumed by power generation. The amount of hydrogen consumed by power generation can be calculated based on the integrated value of the detected output current by providing an ammeter that detects the output current of the fuel cell 22. The control unit 70 of the fuel cell system 10 measures the anode pressure loss according to the integrated value of the output current (the amount of consumed hydrogen) in advance while changing the humidification state of the gas supplied to the fuel cell, thereby including the membrane. What is necessary is just to memorize | store the thing which predetermined the anode pressure loss used as the reference | standard for judging whether the amount of water is a fall state as a map. A reference value for the anode pressure loss is obtained based on the integrated value of the output current detected using the ammeter and the map, and the reference value for the pressure loss is compared with the detected value for the anode pressure loss by the pressure sensor. When the anode pressure loss is not more than the reference value, it can be determined that the water content of the electrolyte membrane is in a lowered state. Even in such a case, it is not necessary to directly detect the membrane resistance, and the water content reduction state of the electrolyte membrane can be determined by a simple method.

なお、同様に、カソードに供給される酸化ガスにおける圧損（カソード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。すなわち、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８のそれぞれに、酸化ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、両者の検出値の差であるカソード圧損を求める。そして、求めたカソード圧損が所定値よりも小さいときには、電解質膜の含水量低下状態と判定することができる。ただし、この場合には、酸化ガス圧を上昇させた場合も含めて膜含水量の判定ができるように、膜含水量が低下状態であるか否かを判断するための基準となるカソード圧損のマップを、酸化ガス圧および酸化ガス流量の変化に対応して予め作製して、制御部７０に記憶しておく必要がある。酸化ガス流量は、酸化ガス供給路６７にガス流量計を設けても良く、また、推定値を用いても良い。酸化ガス流量は、例えば、酸化ガスとしてエアコンプレッサ２４によって吸入される空気の圧力と温度、およびエアコンプレッサ２４の回転数に基づいて推定することができる。   Similarly, the water content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the pressure loss (cathode pressure loss) in the oxidizing gas supplied to the cathode. That is, each of the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 is provided with a pressure sensor that detects the pressure of the oxidizing gas, and the cathode pressure loss, which is the difference between the detected values, is obtained. When the obtained cathode pressure loss is smaller than a predetermined value, it can be determined that the water content of the electrolyte membrane is low. However, in this case, the cathode pressure loss that is a reference for determining whether or not the membrane water content is in a reduced state so that the membrane water content can be determined including the case where the oxidizing gas pressure is increased. The map needs to be prepared in advance corresponding to changes in the oxidizing gas pressure and the oxidizing gas flow rate and stored in the control unit 70. For the oxidizing gas flow rate, a gas flow meter may be provided in the oxidizing gas supply path 67, or an estimated value may be used. The flow rate of the oxidizing gas can be estimated based on, for example, the pressure and temperature of the air sucked by the air compressor 24 as the oxidizing gas and the rotation speed of the air compressor 24.

Ｃ３．変形例３：
あるいは、燃料電池２２に供給する酸化ガスの加湿量や、発電に伴って燃料電池内で生じる生成水量や、排ガス中の水蒸気量（排水量）を算出して、燃料電池２２における水バランスを演算することにより、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。 C3. Modification 3:
Alternatively, the water balance in the fuel cell 22 is calculated by calculating the humidification amount of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 22, the amount of water generated in the fuel cell accompanying power generation, and the amount of water vapor (drainage) in the exhaust gas. Thus, the water content reduction state of the electrolyte membrane may be determined.

酸化ガスは、既述したように加湿モジュール２５においてカソード排ガスを用いて加湿されるが、この加湿モジュール２５における加湿効率は、加湿される酸化ガスの圧力や温度、あるいは加湿するカソード排ガスの圧力や湿度に応じて定まる値となる。そのため、酸化ガスの加湿量は、上記した加湿される酸化ガスの圧力や温度、あるいは加湿するカソード排ガスの圧力や湿度等のパラメータに応じて予め求めて、マップとして制御部７０に記憶しておくことができる。そのため、上記パラメータをセンサにより検出すると共に上記マップを参照することによって、酸化ガスの加湿量を求めることができる。   As described above, the oxidizing gas is humidified using the cathode exhaust gas in the humidifying module 25. The humidifying efficiency in the humidifying module 25 depends on the pressure and temperature of the oxidizing gas to be humidified or the pressure of the cathode exhaust gas to be humidified. The value is determined according to the humidity. Therefore, the humidification amount of the oxidizing gas is obtained in advance according to the above-described parameters such as the pressure and temperature of the humidified oxidizing gas or the pressure and humidity of the humidified cathode exhaust gas, and is stored in the control unit 70 as a map. be able to. Therefore, the humidification amount of the oxidizing gas can be obtained by detecting the parameter with a sensor and referring to the map.

発電に伴って生じる生成水量は、発電量に応じて理論的に算出することができる。そのため、燃料電池システム１０において燃料電池２２からの出力電流を検出する電流計を設けておき、この電流計の検出値に基づいて生成水量を算出すればよい。   The amount of generated water that accompanies power generation can be theoretically calculated according to the amount of power generation. Therefore, an ammeter for detecting the output current from the fuel cell 22 may be provided in the fuel cell system 10 and the amount of generated water may be calculated based on the detected value of the ammeter.

カソード排ガス中の水蒸気量は、カソード排ガス路６８において、ガス流量センサ、ガス温度センサ、およびガス圧力センサを設けて、カソード排ガスの流量と温度と圧力とを検出することにより、算出することができる。この場合には、カソード排ガス中の蒸気圧が飽和蒸気圧であるものとして算出することになる。なお、気液分離器２７のバルブ２７ａから排出される水分量は、電解質膜の含水量の変化に応じて変化することが少ないため、このような水分量は、上記排水量を算出する際に無視しているが、これらの水分量をさらに考慮して排水量を算出しても良い。   The amount of water vapor in the cathode exhaust gas can be calculated by providing a gas flow rate sensor, a gas temperature sensor, and a gas pressure sensor in the cathode exhaust gas path 68 and detecting the flow rate, temperature, and pressure of the cathode exhaust gas. . In this case, the calculation is performed assuming that the vapor pressure in the cathode exhaust gas is a saturated vapor pressure. It should be noted that the amount of water discharged from the valve 27a of the gas-liquid separator 27 rarely changes in accordance with the change in the water content of the electrolyte membrane, so that such water amount is ignored when calculating the amount of drainage. However, the amount of drainage may be calculated in consideration of these amounts of water.

このようにして酸化ガス加湿量、生成水量および排水量を算出すると、以下の（１）式が成り立つときに、電解質膜の含水量が低下状態であると判定することができる。   When the oxidizing gas humidification amount, the generated water amount, and the drainage amount are calculated in this manner, it is possible to determine that the water content of the electrolyte membrane is in a lowered state when the following expression (1) holds.

（排水量） ＞ （加湿量＋生成水量）×Ｃ …（１）   (Drainage amount)> (Humidification amount + Amount of generated water) × C (1)

なお、定数Ｃは、膜の含水量がどのくらい低下しても燃料電池が発電することができるのかという燃料電池の性能を表わす値であって、燃料電池毎に定めることができる値である。この定数Ｃは、１を超える値として設定することができる。定数Ｃが１よりも大きい場合には、上記（１）式より、燃料電池の内部の水分量が次第に減少して電解質膜の含水量が低下が進行し続けることになってしまうが、実際には、そのようなことにはならない。これは、上記「排水量」を算出する際に、カソード排ガス中の蒸気圧を飽和蒸気圧であるとして算出しているためである。燃料電池の温度がある程度低い場合には、カソード排ガス中の蒸気圧は飽和蒸気圧となるが、電解質膜が含水量低下状態となるような高温条件下では、カソード排ガスにおける蒸気圧は飽和蒸気圧に達しない。そのため、実際の排水量は、上記のように算出された排水量よりも少なくなるため、上記（１）式における定数Ｃは、１よりも大きな値が設定されることになる。以上のような構成とすれば、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、燃料電池システムの制御を行なうために通常設けるセンサである電流計、あるいはカソード排ガスの流量センサや温度センサや圧力センサ等の検出値を用いて、電解質膜の含水量低下状態を容易に判定することができる。   The constant C is a value representing the performance of the fuel cell, such as how much the water content of the membrane decreases, and how much the fuel cell can generate power, and is a value that can be determined for each fuel cell. This constant C can be set as a value exceeding 1. When the constant C is larger than 1, from the above formula (1), the water content in the fuel cell gradually decreases and the water content of the electrolyte membrane continues to decrease. Is not the case. This is because the vapor pressure in the cathode exhaust gas is calculated as the saturated vapor pressure when calculating the “drainage amount”. When the temperature of the fuel cell is low to some extent, the vapor pressure in the cathode exhaust gas becomes the saturated vapor pressure, but under high temperature conditions where the electrolyte membrane is in a state of reduced water content, the vapor pressure in the cathode exhaust gas is Not reach. For this reason, the actual amount of drainage is smaller than the amount of drainage calculated as described above, and the constant C in the above equation (1) is set to a value greater than 1. With the above configuration, it is not necessary to directly detect the membrane resistance, and an ammeter, which is a sensor usually provided for controlling the fuel cell system, a cathode exhaust gas flow sensor, a temperature sensor, a pressure sensor, etc. It is possible to easily determine the reduced water content of the electrolyte membrane using the detected value.

Ｃ４．変形例４：
また、排ガス（カソード排ガスあるいはアノード排ガス）の湿度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。例えば、カソード排ガスの湿度を用いる場合には、カソード排ガス路６８に、ガス露点計およびガス温度センサを設けて、カソード排ガスの湿度を求めればよい。燃料電池においては、温度が比較的低いときには、排ガスにおける水蒸気圧は飽和蒸気圧となっている。しかしながら、燃料電池の温度が上昇して、電解質膜が含水量低下状態となり得るときには、排ガス中の湿度は飽和蒸気圧よりも低下する。そこで、含水量低下状態を判定するための基準となる排ガス湿度を予め定めておき、この基準となる排ガス湿度よりも、検出値に基づいて求めた排ガス湿度が下回るとき、電解質膜が含水量低下状態であると判定することができる。このような場合にも、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、簡易な方法により、電解質膜の含水量低下状態を判定することができる。 C4. Modification 4:
Further, the moisture content reduction state of the electrolyte membrane may be determined based on the humidity of the exhaust gas (cathode exhaust gas or anode exhaust gas). For example, when the humidity of the cathode exhaust gas is used, a gas dew point meter and a gas temperature sensor may be provided in the cathode exhaust gas path 68 to determine the humidity of the cathode exhaust gas. In a fuel cell, when the temperature is relatively low, the water vapor pressure in the exhaust gas is a saturated vapor pressure. However, when the temperature of the fuel cell rises and the electrolyte membrane can be in a state of reduced water content, the humidity in the exhaust gas falls below the saturated vapor pressure. Therefore, an exhaust gas humidity serving as a reference for determining a moisture content lowering state is determined in advance, and when the exhaust gas humidity obtained based on the detected value is lower than the exhaust gas humidity serving as the reference, the electrolyte membrane has a reduced moisture content. It can be determined that it is in a state. Even in such a case, it is not necessary to directly detect the membrane resistance, and the water content reduction state of the electrolyte membrane can be determined by a simple method.

Ｃ５．変形例５：
また、燃料電池が発電する電力を用いて車両の駆動モータ３２を駆動する燃料電池システム１０において、電源として、さらに２次電池を設けることとしても良い。このように、２次電池を設ける場合には、燃料電池に加えて、さらに２次電池によって、駆動モータ３２や補機に対して電力を供給することが可能になる。また、２次電池を充電するためには、燃料電池を用いたり、あるいは、車両においてブレーキがかけられた際に駆動モータ３２を発電機として動作させて得られる回生電流を用いたりすることができる。このような場合には、２次電池の残存容量（ＳＯＣ）を検出し、２次電池によって補機動力を補えるか否かを考慮した上で、燃料電池の酸化ガス圧を上昇可能か否かの同様の判断を行なえば良い。 C5. Modification 5:
In the fuel cell system 10 that drives the drive motor 32 of the vehicle using the power generated by the fuel cell, a secondary battery may be further provided as a power source. As described above, when the secondary battery is provided, it is possible to supply electric power to the drive motor 32 and the auxiliary machine by the secondary battery in addition to the fuel cell. In order to charge the secondary battery, a fuel cell can be used, or a regenerative current obtained by operating the drive motor 32 as a generator when a brake is applied in the vehicle can be used. . In such a case, whether or not the oxidant gas pressure of the fuel cell can be increased after detecting the remaining capacity (SOC) of the secondary battery and considering whether or not the secondary battery can supplement auxiliary power. The same judgment may be made.

実施例の燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。It is a block diagram showing the schematic structure of the fuel cell system 10 of an Example. 燃料電池システム１０を搭載する車両の概略構成を表わすブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a vehicle on which a fuel cell system 10 is mounted. 膜含水量減少時処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a process routine at the time of film | membrane water content reduction | decrease. 膜含水量減少時処理の制御に関わる各部を表わす機能ブロック図である。It is a functional block diagram showing each part concerned with control of processing at the time of membrane water content reduction. 出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between an output current, an output voltage, or output electric power.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池システム
１５…電気自動車
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…気液分離器
２７ａ…バルブ
２８…エアクリーナ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…補機
４２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４８…配線
５０…背圧弁
５１…圧力センサ
５２…温度センサ
６０…水素供給路
６１…シャットバルブ
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
７４…ＣＰＵ
７５…ＲＯＭ
７６…ＲＡＭ
７８…入出力ポート DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 15 ... Electric vehicle 22 ... Fuel cell 23 ... Hydrogen tank 24 ... Air compressor 25 ... Humidification module 26 ... Diluter 27 ... Gas-liquid separator 27a ... Valve 28 ... Air cleaner 30 ... Drive inverter 32 ... Drive motor 34 ... Reduction gear 36 ... Output shaft 38 ... Vehicle drive shaft 40 ... Auxiliary machine 42 ... DC / DC converter 48 ... Wiring 50 ... Back pressure valve 51 ... Pressure sensor 52 ... Temperature sensor 60 ... Hydrogen supply path 61 ... Shut valve 62 ... Pressure adjustment Valve 63 ... Anode exhaust gas path 64 ... Exhaust gas exhaust path 65 ... Hydrogen pump 67 ... Oxidizing gas supply path 68 ... Cathode exhaust gas path 70 ... Control unit 74 ... CPU
75 ... ROM
76 ... RAM
78 ... I / O port

Claims (7)

固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備え、負荷に対して電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池内部に形成され、前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路と、
前記燃料電池から電力供給を受けて、前記燃料電池による発電を行なうために駆動される補機であって、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、
前記燃料電池から前記負荷および前記燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、
前記電解質膜における含水量を判定する含水量判定部と、
前記酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を調節する酸化ガス圧制御部と、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池からの出力を過大にすることなく前記負荷に対する電力供給が可能であれば、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断する酸化ガス圧上昇判断部と、
を備え、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させる
燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane and supplying power to a load,
An oxidizing gas flow path formed inside the fuel cell for supplying an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell;
A fuel cell comprising an oxidant gas supply unit that receives power supply from the fuel cell and is driven to generate power by the fuel cell and supplies the oxidant gas to the oxidant gas passage An auxiliary machine,
An output control unit for controlling power supply from the fuel cell to the load and the fuel cell auxiliary machine;
A water content determination unit for determining the water content in the electrolyte membrane;
An oxidizing gas pressure controller that adjusts an oxidizing gas pressure that is an internal pressure of the oxidizing gas flow path;
When the water content determination unit determines that the water content is in a lowered state, the power consumption of the fuel cell auxiliary machine for increasing the oxidizing gas pressure is secured, and then the fuel cell An oxidizing gas pressure increase determination unit that determines that the oxidizing gas pressure can be increased if power supply to the load is possible without excessively increasing the output of
With
The oxidant gas pressure control unit increases the oxidant gas pressure when the oxidant gas pressure increase determination unit determines that the oxidant gas pressure can be increased. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス圧上昇判断部は、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池の現在の発電可能量の範囲内で、前記負荷に供給する最低限の電力として予め設定した最低必要出力を確保可能であるときに、前記酸化ガス圧を上昇可能と判断する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The oxidant gas pressure increase determination unit secures power consumption of the fuel cell auxiliary machine for increasing the oxidant gas pressure, and supplies the load to the load within the current power generation possible amount of the fuel cell. A fuel cell system that determines that the oxidant gas pressure can be increased when a minimum required output preset as minimum electric power to be secured can be secured. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部が、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断したときに、前記出力制御部は、
前記燃料電池の現在の発電可能量と、前記酸化ガス圧を上昇させた場合の前記燃料電池補機の消費電力と、の差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、前記負荷に供給する電力を、前記負荷要求に対応する値に設定し、
前記許容消費電力が、前記負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、前記負荷に供給する電力を、前記許容消費電力に設定する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
When it is determined by the water content determination unit that the water content is in a lowered state, and the oxidant gas pressure increase determination unit determines that the oxidant gas pressure can be increased, the output control unit Is
The allowable power consumption, which is the difference between the current power generation capacity of the fuel cell and the power consumption of the fuel cell auxiliary device when the oxidizing gas pressure is increased, is equal to or greater than the power corresponding to the load request The power supplied to the load is set to a value corresponding to the load request,
When the allowable power consumption is smaller than the power corresponding to the load request, the power supplied to the load is set to the allowable power consumption. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇不能であると判断されたときには、前記酸化ガス圧制御部による前記酸化ガス圧の上昇を行なうことなく、前記出力制御部は、前記燃料電池の発電量を、現在の発電可能量よりも低く設定する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
When the water content determination unit determines that the water content is in a lowered state and the oxidizing gas pressure increase determination unit determines that the oxidizing gas pressure cannot be increased, the oxidizing gas pressure is determined. The output control unit sets the power generation amount of the fuel cell to be lower than the current power generation possible amount without increasing the oxidizing gas pressure by the control unit. 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧を上昇させる際に、前記酸化ガス圧を徐々に上昇させる
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The oxidant gas pressure control unit gradually increases the oxidant gas pressure when increasing the oxidant gas pressure. 電気エネルギを駆動エネルギとして用いる移動体であって、
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載する移動体。 A moving body that uses electrical energy as driving energy,
A moving body on which the fuel cell system according to claim 1 is mounted as a driving power source. 電気エネルギを駆動エネルギとして用いる移動体であって、
請求項２または３記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載し、
前記最低必要出力は、前記移動体の移動に要する最低限の出力である
移動体。 A moving body that uses electrical energy as driving energy,
The fuel cell system according to claim 2 or 3 is mounted as a driving power source,
The minimum required output is a minimum output required for movement of the mobile object.
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