(57)【要約】  燃料電池システムは、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、冷媒を循環させるポンプと、冷媒の熱を放出して冷媒を冷却する放熱部と、放熱部を迂回するように冷媒循環通路に接続されるバイパス通路と、放熱部を経由してきた低温冷媒と、放熱部を経由せずにバイパス通路を経由してきた高温冷媒と、が合流する合流部に設けられ、高温冷媒の温度が所定の開弁温度以上になると開いて高温冷媒に低温冷媒を合流させて、燃料電池に供給する開閉弁と、を備え、燃料電池の状態に応じてポンプの基本吐出流量を算出し、低温冷媒の温度が所定温度よりも低いときは、ポンプの吐出流量を基本吐出流量よりも増量させる。
2013031470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒を循環させるポンプと、
前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒の熱を放出して冷媒を冷却する放熱部と、
前記放熱部を迂回するように前記冷媒循環通路に接続されるバイパス通路と、
前記放熱部を経由してきた低温冷媒と、前記放熱部を経由せずに前記バイパス通路を経由してきた高温冷媒と、が合流する合流部に設けられ、前記高温冷媒の温度が所定の開弁温度以上になると開いて前記高温冷媒に前記低温冷媒を合流させて、前記燃料電池に供給する開閉弁と、
前記燃料電池の状態に応じて、前記ポンプの基本吐出流量を算出する基本吐出流量算出手段と、
前記低温冷媒の温度が所定温度よりも低いときは、前記ポンプの吐出流量を前記基本吐出流量よりも増量させる吐出流量増量手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記吐出流量増量手段は、
前記低温冷媒の温度が低いときほど、前記ポンプの吐出流量を前記基本吐出流量よりも増量させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記基本吐出流量が少ないときほど前記所定温度が高くなるように、前記基本吐出流量に基づいて前記所定温度を変化させる所定温度変化手段を備える、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定温度は、
前記ポンプの吐出流量を基本吐出流量に制御したときに、前記高温冷媒に前記低温冷媒を合流させると、前記開閉弁がハンチングする温度である、
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記吐出流量増量手段は、
前記開閉弁を経由して前記燃料電池に供給される冷媒の温度が、前記開閉弁の開弁温度よりも低い所定の増量開始温度になったときに、前記ポンプの吐出流量の増量を開始する、
請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記吐出流量増量手段は、
前記開閉弁を経由して前記燃料電池に供給される冷媒の温度が、前記開閉弁の閉弁温度よりも高い所定の増量終了温度になったときに、前記ポンプの吐出流量の増量を終了する、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ポンプの吐出流量を前記基本吐出流量よりも増量させるときは、前記燃料電池内のカソードガス通路の圧力を低下させるカソード圧低下手段を備える、
請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ポンプの吐出流量を前記基本吐出流量よりも増量させるときは、カソードガスの供給流量を増量させるカソード流量増量手段を備える、
請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２００６−３０２７３９Ａには、従来の燃料電池システムとして、電磁三方弁を用いて燃料電池スタックを冷却する冷却水の循環経路を切り替えるものが記載されている。
【発明の概要】
【０００３】
燃料電池システムの簡素化のために、電磁三方弁の代わりにサーモスタットを用いることが検討されている。しかしながら、電磁三方弁の代わりにサーモスタットを用いると、ラジエータを経由してきた冷却水の温度が低いときにサーモスタットが開かれると、サーモスタットの内部で冷却水の温度が急激に低下してサーモスタットが開閉を繰り返し、燃料電池スタックに供給される冷却水の温度が上下動するハンチングを起こすことがわかった。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、ハンチングの発生を抑制することを目的とする。
【０００５】
本発明のある態様によれば、燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、冷媒循環通路に設けられ、冷媒を循環させるポンプと、冷媒循環通路に設けられ、冷媒の熱を放出して冷媒を冷却する放熱部と、放熱部を迂回するように冷媒循環通路に接続されるバイパス通路と、放熱部を経由してきた低温冷媒と、放熱部を経由せずにバイパス通路を経由してきた高温冷媒と、が合流する合流部に設けられ、高温冷媒の温度が所定の開弁温度以上になると開いて高温冷媒に低温冷媒を合流させて、燃料電池に供給する開閉弁と、を備え、燃料電池の状態に応じて、ポンプの基本吐出流量を算出し、低温冷媒の温度が所定温度よりも低いときは、ポンプの吐出流量を基本吐出流量よりも増量させる燃料電池システムが提供される。
【０００６】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態による循環ポンプのポンプ流量制御について説明するフローチャートである。
【図３】図３は、スタック負荷に基づいて、目標スタック出口水温を算出するテーブルである。
【図４】図４は、スタック出口水温と目標スタック出口水温との差温に基づいて、基本ポンプ流量を算出するテーブルである。
【図５】図５は、基本ポンプ流量に基づいて、ハンチング発生ラジエータ出口水温を算出するテーブルである。
【図６】図６は、第１所定温度α及び第２所定温度βの設定方法について説明する図である。
【図７】図７は、ラジエータ出口水温に基づいて、ハンチング回避ポンプ流量を算出するテーブルである。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態による循環ポンプのポンプ流量制御について説明するフローチャートである。
【図９】図９は、カソード圧補正処理について説明するフローチャートである。
【図１０】図１０は、スタック負荷に基づいて、基本カソード圧を算出するテーブルである。
【図１１】図１１は、目標スタック出口水温と平均水温とに基づいて、カソード圧の補正値を算出するテーブルである。
【図１２】図１２は、本発明の第３実施形態による循環ポンプのポンプ流量制御について説明するフローチャートである。
【図１３】図１３は、カソードガス流量補正処理について説明するフローチャートである。
【図１４】図１４は、スタック負荷に基づいて、基本カソードガス流量を算出するテーブルである。
【図１５】図１５は、目標スタック出口水温と平均水温とに基づいて、カソードガス流量の補正値を算出するテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【０００９】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１０】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１１】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１５】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードガス排出通路２４と、カソード調圧弁２５と、エアフローセンサ２６と、圧力センサ２７と、を備える。
【００１６】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔１１に接続される。
【００１７】
フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００１８】
カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００１９】
カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔１２に接続され、他端が開口端となっている。
【００２０】
カソード調圧弁２５は、カソードガス排出通路２４に設けられる。カソード調圧弁２５は、コントローラ５によって開閉制御され、カソード調圧弁２５よりも上流側のカソードガスが流れる通路の圧力（以下「カソード圧」という。）を所望の圧力に調節する。
【００２１】
エアフローセンサ２６は、カソードコンプレッサ２３よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２１を流れるカソードガスの流量を検出する。
【００２２】
圧力センサ２７は、カソードガス入口孔１１の近傍のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ２７は、カソード圧を検出する。コントローラ５は、圧力センサ２７の検出値に基づいてカソード調圧弁２５の開度を調整し、カソード圧を所望の圧力に調節する。
【００２３】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
【００２４】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２５】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔１３に接続される。
【００２６】
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ５によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２７】
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔１４に接続され、他端がカソードガス排出通路２４に接続される。
【００２８】
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２４に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
【００２９】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、サーモスタット４４と、循環ポンプ４５と、ヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８と、を備える。
【００３０】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００３１】
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００３２】
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端がサーモスタット４４に接続される。
【００３３】
サーモスタット４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度に応じて自動的に開閉する開閉弁である。サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度が所定のサーモスタット開弁温度よりも低いときは閉じた状態となっており、バイパス通路４３を経由してきた相対的に高温な冷却水のみを燃料電池スタック１に供給する。一方、内部を流れる冷却水の温度がサーモスタット開弁温度以上になると徐々に開き始め、バイバス通路４２を経由してきた冷却水とラジエータ４３を経由してきた相対的に低温な冷却水とを内部で混合させて燃料電池スタックに供給する。このように、サーモスタット４４には、その開閉状態に関わらず、バイパス通路４３を経由してきた冷却水が流入する。
【００３４】
なお、サーモスタット４４の開度が所定以上のときには、バイパス通路４２からの冷却水の流入を遮断し、ラジエータ４３を経由してきた冷却水のみが燃料電池スタック１に供給されるように構成しても良い。また、サーモスタット開弁温度は、サーモスタット４４を構成するワックス材及びスプリングによって調整可能であり、燃料電池スタック１の特性に応じて適宜設定すれば良いものである。
【００３５】
循環ポンプ４５は、サーモスタット４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。循環ポンプ４５の吐出流量（以下「ポンプ流量」という。）は、コントローラ５によって制御される。
【００３６】
ヒータ４６は、サーモスタット４４と循環ポンプ４５との間の冷却水循環通路４１に設けられる。ヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。本実施形態ではヒート４６としてＰＴＣヒータを使用するが、これに限られるものではない。
【００３７】
第１水温センサ４７は、冷却水循環通路４１とバイパス通路４３との分岐点よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。スタック出口水温は、燃料電池スタックの温度（以下「スタック温度」という。）に相当するものである。
【００３８】
第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。本実施形態では、この第２水温センサ４８で検出したスタック入口水温を、サーモスタット４４の内部を流れる冷却水の温度として代用する。
【００３９】
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、前述した第１水温センサ４７及び第２水温センサ４８の他にも、外気温を検出する外気温センサ５１や、燃料電池スタック１にかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）としての燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ５２などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。本実施形態では、外気温センサ５１によって検出した外気温を、ラジエータ４２から排出された冷却水の温度（以下「ラジエータ出口水温」という。）として代用する。
【００４０】
ここで、本実施形態のようにサーモスタット４４を用いて冷却水の循環経路を切り替える場合、以下のような問題点が発生することが分かった。
【００４１】
燃料電池システム１００の始動時は、スタック出口水温は外気温と同等となっているのが通常である。そのため、燃料電池システム１００の始動後しばらくは、サーモスタット４４の内部を流れる冷却水の温度はサーモスタット開弁温度よりも低いので、バイパス通路４３を経由してきた冷却水のみが燃料電池スタック１に供給される。
【００４２】
その後、燃料電池スタック１との熱交換によって冷却水の温度が上昇し、スタック出口水温がサーモスタット開弁温度まで上昇すると、サーモスタット４４が開弁し、バイバス通路４３を経由してきた冷却水と、ラジエータ４２を経由してきた冷却水とが、サーモスタット４４内で混合されて燃料電池スタック１に供給される。
【００４３】
このとき、ラジエータ４２を経由してきた冷却水は、ラジエータ４２によって外気温と同等の温度まで冷却されている。そのため、特に外気温が０℃を下回るような低温環境下では、バイパス通路４３を経由してきた冷却水の温度（スタック出口水温）と、ラジエータ４２を経由してきた冷却水の温度（ラジエータ出口水温）と、の温度差が大きくなって、サーモスタット４４内で混合された冷却水の温度が急激に低下することがある。そうすると、サーモスタット４４が開閉を繰り返して燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度（スタック入口水温）が上下動するハンチングが起こるという問題が発生することが分かった。
【００４４】
そこで本実施形態では、ラジエータ出口水温に応じてハンチングが起こる可能性があるかを判断し、ハンチングが起こる可能性があるときには、スタック出口水温がサーモスタット開弁温度付近まで上昇した時点でポンプ流量を増加させる。これにより、バイパス通路４３を経由してきてサーモスタット４４に流入する冷却水の流量を増加させることができ、サーモスタット４４内を流れる冷却水の流速を上げることができる。その結果、サーモスタット４４が開かれてラジエータ４２を経由してきた冷却水が流入してきたときのサーモスタット４４内の冷却水温の急激な低下を抑制し、ハンチングを抑制することができる。
【００４５】
以下、図２から図７を参照して、この本実施形態による循環ポンプ流量制御について説明する。
【００４６】
図２は、本実施形態による循環ポンプのポンプ流量制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
【００４７】
ステップＳ１において、コントローラ５は、各種センサの検出信号読み込む。
【００４８】
ステップＳ２において、コントローラ５は、後述する図３のテーブルを参照し、スタック負荷、すなわち電流センサ５２で検出された出力電流に基づいて、スタック出口水温の目標値（以下「目標スタック出口水温」という。）を算出する。
【００４９】
ステップＳ３において、コントローラ５は、第１水温センサ４７で検出されたスタック出口水温と、目標スタック出口水温と、の差温を算出する。
【００５０】
ステップＳ４において、コントローラ５は、後述する図４のテーブルを参照し、スタック出口水温と目標スタック出口水温との差温に基づいて、ポンプ流量の基本値（以下「基本ポンプ流量」という。）を算出する。
【００５１】
ステップＳ５において、コントローラ５は、後述する図５のテーブルを参照し、基本ポンプ流量に基づいて、ハンチングが発生し始めるラジエータ出口水温（以下「ハンチング発生ラジエータ出口水温」という。）を算出する。ハンチング発生ラジエータ出口水温は、ポンプ流量を基本ポンプ流量に制御した場合に、ラジエータ出口水温がハンチング発生ラジエータ出口水温よりも低いと、サーモスタットが開いたときにハンチングが発生するおそれのある温度である。
【００５２】
ステップＳ６において、コントローラ５は、ラジエータ出口水温がハンチング発生ラジエータ出口水温以下か否かを判定する。コントローラ５は、ラジエータ出口水温はハンチング発生出口水温以下であれば、ステップＳ７の処理を行う。一方で、ラジエータ出口水温がハンチング発生ラジエータ出口水温よりも高ければ、ステップＳ８の処理を行う。
【００５３】
ステップＳ７において、コントローラ５は、サーモスタット４４内で混合された冷却水の温度、すなわちスタック入口水温が、所定範囲内に収まっているかを判定する。具体的には、スタック入口水温がサーモスタット開弁温度から第１所定温度αを引いた温度（以下「増量開始温度」という。）よりも高く、かつ、所定のサーモスタット閉弁温度に第２所定温度βを足した温度（以下「増量終了温度」という。）よりも低いかを判定する。第１所定温度α及び第２所定温度βの設定方法については、図６を参照して後述する。コントローラ５は、スタック入口水温が所定範囲内に収まっていなければステップＳ８の処理を行う。一方で、スタック入口水温が所定範囲内に収まっていればステップＳ１０の処理を行う。
【００５４】
ステップＳ８において、コントローラ５は、基本ポンプ流量を目標ポンプ流量として設定する。これは、ラジエータ出口水温がハンチング発生ラジエータ出口水温よりも高ければ、ポンプ流量を増量させなくてもハンチングが発生するおそれがないからである。また、増量開始温度よりも前にポンプ流量を増量させていたのでは、燃料電池システム１００のシステム効率及び暖機性能が悪化するからである。
【００５５】
ステップＳ９において、コントローラ５は、ポンプ流量が目標ポンプ流量となるように、循環ポンプを制御する。
【００５６】
ステップＳ１０において、コントローラ５は、後述する図７のテーブルを参照し、ラジエータ出口水温に基づいて、ハンチングが発生しないポンプ流量（以下「ハンチング回避ポンプ流量という。」）を算出する。
【００５７】
ステップＳ１１において、コントローラ５は、ハンチング回避ポンプ流量を目標ポンプ流量として設定し、ポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させる補正を行う。
【００５８】
図３は、スタック負荷に基づいて、目標スタック出口水温を算出するテーブルである。
【００５９】
図３に示すように、目標スタック出口水温は、基本的にサーモスタット開弁温度以上となるように設定され、スタック負荷が大きくなるにつれて大きくなるように設定される。
【００６０】
これは、スタック負荷が大きくなるほど燃料電池スタック１の内部で発生する生成水の量が多くなり、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池の電解質膜の含水率が増加する傾向となる。そこで、電解質膜の含水率が一定に保たれるように、スタック負荷が大きくなるほど目標スタック出口水温を高くしたのである。目標スタック出口水温を高くすることで、燃料電池スタック１の内部で発生する生成水のうち、水蒸気となってカソードオフガスとして排出される生成水の割合が増加するので、電解質膜の含水率を一定に保つことができる。
【００６１】
図４は、スタック出口水温と目標スタック出口水温との差温に基づいて、基本ポンプ流量を算出するテーブルである。
【００６２】
図４に示すように、スタック出口水温と目標スタック出口水温との差温が負の値のとき、すなわち、スタック出口水温が目標スタック出口水温よりも低いときは、スタック出口水温を上昇させる必要があるので、ポンプ流量は最低流量に設定される。一方で、スタック出口水温と目標スタック出口水温との差温が正の値のとき、すなわち、スタック出口水温が目標スタック出口水温より高いときは、スタック出口水温を低下させる必要があるので、差温が大きくなるほどポンプ流量が多くなるように設定される。
【００６３】
図５は、基本ポンプ流量に基づいて、ハンチング発生ラジエータ出口水温を算出するテーブルである。
【００６４】
図５に示すように、ハンチングが発生する境界線は、ラジエータ出口水温とポンプ流量とから実験等によって予め求めることができ、ラジエータ出口水温が低くなるほど、ハンチングを回避するために必要なポンプ流量は大きくなる。
【００６５】
図６は、第１所定温度α及び第２所定温度βの設定方法について説明する図であり、スタック入口温度と、サーモスタットの開弁量と、の関係を示したものである。
【００６６】
図６に示すように、サーモスタットの開弁量は、スタック入口温度が同じでも、全閉状態から全開状態に向かうときと、全開状態から全閉状態に向かうときと、で異なる開弁量となる。つまり、サーモスタットは、全閉状態から全開状態に向かうときの特性（以下「開弁特性」という。）と、全開状態から全閉状態に向かうときの特性（以下「閉弁特性」という。）と、が異なる。
【００６７】
そこで、本実施形態では、このサーモスタットの開弁特性及び閉弁特性を考慮して第１所定温度α及び第２所定温度βを設定し、所定範囲を決定している。
【００６８】
すなわち、第１所定温度αは、サーモスタットの開弁特性を考慮して、ポンプ流量の増量を開始する温度がサーモスタット開弁温度、すなわちサーモスタットが開き始める温度よりもやや低くなる温度となるように設定される。
【００６９】
一方、第２所定温度βは、サーモスタットの閉弁特性を考慮して、ポンプ流量の増量補正を終了してもスタック入口水温がサーモスタット閉弁温度まで戻らない温度となるように、サーモスタット閉弁温度及びサーモスタット開弁温度よりも高い温度に設定される。
【００７０】
図７は、ラジエータ出口水温に基づいて、ハンチング回避ポンプ流量を算出するテーブルである。
【００７１】
このテーブルは、図５のものと同様のテーブルであり、ラジエータ出口水温とポンプ流量とから実験等によって予め求められたハンチングが発生する境界線を用い、ラジエータ出口水温に基づいてハンチング回避ポンプ流量を算出するものである。
【００７２】
以上説明した本実施形態によれば、ラジエータ出口水温（外気温）が低く、サーモスタット４４が開弁されるとハンチングが起こる可能性があると判断されたときは、サーモスタット４４内の冷却水の温度（スタック入口温度）が増量開始温度よりも高くなった時点でポンプ流量を基本ポンプ流量に対して増量させることとした。増量開始温度は、サーモスタット開弁温度よりもやや低い温度である。
【００７３】
これにより、サーモスタット４４が開く直前になるとポンプ流量が増量されて、バイパス通路４３を経由してサーモスタット４４に流入する冷却水の流量を増加させることができる。その結果、サーモスタット４４内を流れる冷却水の流速が上がるので、サーモスタット４４が開かれてラジエータ４２を経由してきた冷却水が流入してきたときのサーモスタット４４内の冷却水温の急激な低下を抑制し、ハンチングを抑制することができる。
【００７４】
また、サーモスタット４４が開く直前になるまでポンプ流量を増量しないので、燃料電池システムのシステム効率及び暖機性能の悪化を抑制することができる。
【００７５】
また本実施形態によれば、ラジエータ出口水温がハンチング発生ラジエータ出口水温以下のときにハンチングが起こる可能性があると判断する。このとき、ハンチング発生ラジエータ出口水温を基本ポンプ流量に基づいて変動させることとした。これにより、ハンチングが起こる可能性があるかを精度良く判断することができ、無駄にポンプ流量を増量させることがない。そのため、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【００７６】
また本実施形態によれば、増量終了温度をサーモスタット４４の閉弁特性に応じて設定し、ポンプ流量の増量補正を終了してもスタック入口水温がサーモスタット閉弁温度まで戻らない温度となるように設定した。
【００７７】
これにより、ハンチングを確実に抑えることができるとともに、必要以上にポンプ流量が増量されることがないので、燃料電池システムの電費の悪化を抑制することができる。
【００７８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、循環ポンプ４５のポンプ流量を増量させるときに、カソード圧を低下させる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７９】
循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させると、スタック温度の上昇速度が低下するか、又はスタック温度が低下する。そのため、燃料電池スタック１の内部で発生する生成水のうち、水蒸気となってカソードオフガスとして排出される生成水の割合が低下し、電解質膜の含水率が増加する傾向となる。
【００８０】
そこで本実施形態では、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソード圧を低下させることで、水蒸気となってカソードオフガスとして排出される生成水の割合を増加させる。つまり、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソード圧を通常時よりも低下させることで通常時よりも電解質膜を乾燥させる運転状態とする。これにより、電解質膜の含水率を一定に保つことができる。
【００８１】
図８は、本実施形態による循環ポンプ４５のポンプ流量制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを燃料電池システムの運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
【００８２】
ステップＳ１からステップＳ１１までの処理は、第１実施形態と同様である。
【００８３】
ステップＳ２１において、コントローラ５は、カソード圧を補正するカソード圧補正処理を実施する。カソード圧補正処理については、図９から図１１を参照して後述する。
【００８４】
図９は、カソード圧補正処理について説明するフローチャートである。
【００８５】
ステップＳ２１１において、コントローラ５は、図１０のテーブルを参照し、スタック負荷に基づいて、カソード圧の基本値（以下「基本カソード圧」という。）を算出する。
【００８６】
ステップＳ２１２において、コントローラ５は、目標スタック出口水温（ステップＳ２）と、第１水温センサ４７で検出されたスタック出口水温と、の差温を算出する。
【００８７】
ステップＳ２１３において、コントローラ５は、図１１のテーブルを参照し、目標スタック出口水温とスタック出口水温との差温に基づいて、カソード圧の補正値を算出する。図１１に示すように、カソード圧の補正値は、目標スタック出口水温とスタック出口水温との差温が大きくなるほど小さくなるように設定される。このように設定するのは、目標スタック出口水温に対してスタック出口水温が低いときというのは、燃料電池スタック１の温度が相対的に低いときであり、差温が大きいときほど電解質膜の含水率が増加するためである。
【００８８】
ステップＳ２１４において、コントローラ５は、基本カソード圧とカソード圧の補正値を足して、目標カソード圧を算出する。
【００８９】
ステップＳ２１５において、コントローラ５は、カソード圧が目標カソード圧となるように、カソード調圧弁２５の開度を制御する。
【００９０】
以上説明した本実施形態によれば、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソード圧を低下させることとした。つまり、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させたときは、電解質膜の含水率が増加する傾向となるので、カソード圧を通常時よも低下させて電解質膜を乾燥させることとした。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、ポンプ流量を増量させてスタック温度が低下傾向にある場合においても、水蒸気となってカソードオフガスとして排出される生成水の割合が減少するのを抑制できるので、電解質膜の含水率を一定に保つことができる。
【００９１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、循環ポンプ４５のポンプ流量を増量させるときに、カソードガス流量を増加させる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００９２】
前述したように、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させると、燃料電池スタックの内部で発生する生成水のうち、水蒸気となってカソードオフガスとして排出される生成水の割合が低下するので、電解質膜の含水率が増加する傾向となる。
【００９３】
そこで本実施形態では、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソードガスの流量を増やすことで、燃料電池スタック１から排出される水蒸気の量を増加させる。つまり、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソードガス流量を通常時よりも増加させることで通常時よりも電解質膜を乾燥させる運転状態とする。これにより、電解質膜の含水率を一定に保つことができる。
【００９４】
図１２は、本実施形態による循環ポンプ４５のポンプ流量制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを燃料電池システムの運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
【００９５】
ステップＳ１からステップＳ１１までの処理は、第１実施形態と同様である。
【００９６】
ステップＳ３１において、コントローラ５は、カソードガスの流量を補正するカソード流量補正処理を実施する。カソード流量補正処理については、図１３から図１５を参照して後述する。
【００９７】
図１３は、カソード流量補正処理について説明するフローチャートである。
【００９８】
ステップＳ３１１において、コントローラ５は、図１４のテーブルを参照し、スタック負荷に基づいて、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量の基本値（以下「基本カソードガス流量」という。）を算出する。
【００９９】
ステップＳ３１２において、コントローラ５は、目標スタック出口水温（ステップＳ２）と、第１水温センサ４７で検出されたスタック出口水温と、の差温を算出する。
【０１００】
ステップＳ３１３において、コントローラ５は、図１５のテーブルを参照し、目標スタック出口水温とスタック出口水温との差温に基づいて、カソードガス流量の補正値を算出する。図１５に示すように、カソードガス流量の補正値は、目標スタック出口水温とスタック出口水温との差温が大きくなるほど大きくなるように設定される。
【０１０１】
ステップＳ３１４において、コントローラ５は、基本カソードガス流量からカソードガス流量の補正値を足して、目標カソードガス流量を算出する。
【０１０２】
ステップＳ３１５において、コントローラ５は、カソードガス流量が目標カソードガス流量となるように、カソードコンプレッサ２３の回転数を制御する。
【０１０３】
以上説明した本実施形態によれば、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときは、カソードガス流量を増加させることとした。つまり、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させたときは、電解質膜の含水率が増加する傾向となるので、カソードガス流量を通常時よも増加させて電解質膜を乾燥させることとした。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、ポンプ流量を増量させてスタック温度が低下傾向にある場合においても、燃料電池スタック１から排出される生成水の量を増加させることができるので、電解質膜の含水率を一定に保つことができる。
【０１０４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１０５】
例えば、循環ポンプ４５のポンプ流量を基本ポンプ流量よりも増量させるときに、カソード圧とカソードガス流量とを協調制御し、電解質膜の含水率を一定に保つようにしても良い。また、電解質膜の含水率を測定又は推定できるときは、第２実施形態における圧力の補正量及び第３実施形態における流量の補正量を、電解質膜の含水率に基づいて、含水率が高くなるほど大きくなるようにしても良い。
【０１０６】
また、上記各実施形態では、基本ポンプ流量に基づいてハンチング発生ラジエータ出口水温を変動させていたが、基本ポンプ流量が最低流量のときのハンチング発生ラジエータ温度を固定値として設定しても良い。
【０１０７】
また、上記第１実施形態では、検出した発電電流に基づいて、図３の目標出口水温を参照し、ポンプ流量を制御したが、これに代えて次のようにポンプ流量を制御しても良い。
【０１０８】
ます、燃料電池スタック１の目標内部抵抗（内部インピーダンス）を呼び出す。これは、零下起動や発電効率を考慮して実験等によって設定した１つの値でも良いし、電流やその他の条件応じて可変としても良い。次に、燃料電池スタック１の内部抵抗を検出する。そして、この目標内部抵抗と検出した内部抵抗とに基づいてポンプ流量を制御するようにしても良い。例えば、目標内部抵抗よりも検出値が大きければ、電解質膜の湿潤状態（含水率）が目標よりも乾燥側なので、湿潤（加湿）させるためにポンプ流量を増量して、燃料電池スタック１の温度を低下させる。
【０１０９】
また、上記第２実施形態及び第３実施形態では、目標スタック出口水温とスタック出口水温との差温に応じてカソード圧及びカソードガス流量の補正値を算出していたが、スタック出口水温とスタック入口水温の平均水温に応じて算出しても良い。
【０１１０】
本願は、２０１１年９月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−１９１８１４号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2013031470.tif 000003
【図２】
2013031470.tif 000004
【図３】
2013031470.tif 000005
【図４】
2013031470.tif 000006
【図５】
2013031470.tif 000007
【図６】
2013031470.tif 000008
【図７】
2013031470.tif 000009
【図８】
2013031470.tif 000010
【図９】
2013031470.tif 000011
【図１０】
2013031470.tif 000012
【図１１】
2013031470.tif 000013
【図１２】
2013031470.tif 000014
【図１３】
2013031470.tif 000015
【図１４】
2013031470.tif 000016
【図１５】
2013031470.tif 000017
【国際調査報告】
2013031470.tif 000018
2013031470.tif 000019
2013031470.tif 000020
2013031470.tif 000021