(57)【要約】      （修正有）【課題】循環通路内の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下することを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタックに接続される循環通路４１と、循環通路４１内の冷却水を循環させる循環ポンプ４５と、循環通路４１に水量調整弁４６を介して接続されるリザーブタンク４７と、を備える。コントローラ５は循環通路４１内の冷却水圧力の測定手段（第１圧力センサ）５６の検出値を用いて、循環ポンプ４５の駆動中に循環通路４１内において冷却水量が不足する状態となるか否かを予測するステップと、水不足状態になると予測された場合に、リザーブタンク４７に蓄えられた冷却水を水量調整弁４６を通じて循環通路４１に流入させる流入処理を実行するステップとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続される循環通路と、
前記循環通路内の冷却水を循環させる循環ポンプと、
前記循環通路に弁部材を介して接続されるリザーブタンクとを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記循環通路内の冷却水の圧力を用いて、前記循環ポンプの駆動中に前記循環通路内において冷却水量が不足する状態となるか否かを予測する予測ステップと、
水不足状態になると予測された場合に、前記リザーブタンクに蓄えられた冷却水を前記弁部材を通じて前記循環通路に流入させる流入処理を実行する実行ステップと、
を備える燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記弁部材は、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が流入圧力以下になると前記リザーブタンクから前記循環通路への冷却水の流入を許容するように構成されており、
前記予測ステップでは、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記流入圧力よりも高く設定された第１基準圧力まで低下した場合に、水不足状態になると予測される、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記弁部材は、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が流入圧力以下になると前記リザーブタンクから前記循環通路への冷却水の流入を許容するように構成されており、
前記予測ステップでは、所定期間における前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力の低下量が基準低下量以上となった場合に、水不足状態になると予測される、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、水不足状態になると予測された場合、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記流入圧力以下となるように前記循環ポンプを制御し、前記リザーブタンクの冷却水を前記弁部材を通じて前記循環通路に流入させる、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理中に、前記燃料電池への負荷増大要求により前記循環ポンプの回転数を増大させる場合、前記循環ポンプの回転数の上昇率を制限する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理中に、前記燃料電池への負荷増大要求により前記循環ポンプの回転数を増大させる場合、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記流入圧力よりも低く設定された第２基準圧力まで低下したか否かを判定し、
前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記第２基準圧力まで低下した場合には、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力を増大させる、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理中に、前記燃料電池への負荷低減要求により前記循環ポンプの回転数を低下させる場合、前記循環ポンプの回転数を低下させた後に前記反応ガスの圧力を低下させる、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理の実行後、所定時間経過した時に、前記流入処理を終了する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理の実行後、前記循環ポンプの入口側と出口側の冷却水圧力の平均値が前記流入圧力よりも高く設定された停止圧力以上となった時に、前記流入処理を終了する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記実行ステップでは、前記流入処理の実行後、大気圧と前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力との差圧に基づいて算出される前記リザーブタンクから前記循環通路への冷却水流入量が基準流入量以上となった時に、前記流入処理を終了する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続される循環通路と、
前記循環通路内の冷却水を循環させる循環ポンプと、
前記循環通路に設けられ、冷却水の熱を放熱するラジエータと、
前記循環通路に弁部材を介して接続されるリザーブタンクと、
前記循環通路内の冷却水の圧力を用いて、前記循環ポンプの駆動中に前記循環通路内において冷却水量が不足する状態となるか否かを予測する予測部と、
前記予測手段により水不足状態になると予測された場合に、前記リザーブタンクに蓄えられた冷却水を前記弁部材を通じて前記循環通路に流入させる流入処理実行部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力を検出する圧力検出部をさらに備え、
前記弁部材は、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が流入圧力以下になると前記リザーブタンクから前記循環通路への冷却水の流入を許容するように構成されており、
前記予測部は、検出された前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記流入圧力よりも高く設定された第１基準圧力まで低下した場合に、水不足状態になると予測する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記流入処理実行部は、水不足状態になると予測された場合、前記循環ポンプの入口側の冷却水圧力が前記流入圧力以下となるように前記循環ポンプを制御し、前記リザーブタンクの冷却水を前記弁部材を通じて前記循環通路に流入させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記流入処理実行部による流入処理の実行後、所定時間経過した時に、当該流入処理を終了する終了処理実行部をさらに備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池に接続される循環通路と、循環通路内の冷却水を循環させる循環ポンプと、冷却水の熱を放熱するラジエータと、ラジエータにラジエータキャップを介して接続されるリザーブタンクと、を備える燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９０７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような燃料電池システムでは、ラジエータキャップを通じて、循環通路からリザーブタンクに冷却水を流出させたりリザーブタンクから循環通路に冷却水を流入させたりすることで、循環通路内の冷却水圧力及び水量が調整される。
【０００５】
しかしながら、このようなリザーブタンクを備える燃料電池システムであっても、燃料電池システムの運転状態によっては、循環ポンプの回転数を上昇させる際に当該循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下する可能性がある。循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下すると、循環ポンプにおいてキャビテーションが発生したり、ゴムや樹脂等の弾性部材で形成された循環通路が変形して冷却水の流れが阻害されたりするという問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、循環通路内の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下することを抑制可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によれば、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に接続される循環通路と、循環通路内の冷却水を循環させる循環ポンプと、循環通路に弁部材を介して接続されるリザーブタンクとを備える燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、循環通路内の冷却水の圧力を用いて循環ポンプの駆動中に循環通路内において冷却水量が不足する状態となるか否かを予測する予測ステップと、水不足状態になると予測された場合にリザーブタンクに蓄えられた冷却水を弁部材を通じて循環通路に流入させる流入処理を実行する実行ステップとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
この態様によれば、循環通路内が水不足状態となる前にリザーブタンクから循環通路に冷却水を供給しておくことができるので、その後の循環ポンプの駆動中にポンプ入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの縦断面図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの概略構成図である。
【図３Ａ】図３Ａは、加圧弁開弁時における水量調整弁の縦断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、負圧弁開弁時における水量調整弁の縦断面図である。
【図４】図４は、燃料電池システムのコントローラにより実行される循環ポンプ制御を示すフローチャートである。
【図５】図５は、燃料電池スタックの出力電流と循環ポンプの目標回転数とを関連付けたマップである。
【図６】図６は、コントローラにより実行される冷却水強制流入処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第１実施形態による燃料電池システムでの冷却水圧力の挙動を説明するためのタイムチャートである。
【図８】図８は、比較例による燃料電池システムでの冷却水圧力の挙動を説明するためのタイムチャートである。
【図９】図９は、冷却水強制流入処理の一変形例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、冷却水強制流入処理のその他の変形例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第２実施形態による燃料電池システムのコントローラにより実行される冷却水強制流入処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、第２実施形態による燃料電池システムでの冷却水の挙動を説明するためのタイムチャートである。
【図１３】図１３は、第３実施形態による燃料電池システムのコントローラにより実行される冷却水強制流入処理を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、第３実施形態による燃料電池システムでの冷却水の挙動を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。以下の説明において、正圧とは大気圧よりも高い圧力を意味し、負圧とは大気圧よりも低い圧力を意味する。
【００１１】
（第１実施形態）
燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とによって挟むことで構成される。燃料電池は、水素を含有するアノードガス（反応ガス）及び酸素を含有するカソードガス（反応ガス）の供給を受けて発電する。燃料電池のアノード電極及びカソード電極において進行する電極反応は以下の（１）及び（２）の通りである。（１）及び（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。
【００１２】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-         ・・・(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ ・・・(２)
図１は、第１実施形態による燃料電池システムを構成する燃料電池スタック１の縦断面図である。
【００１３】
図１に示す燃料電池スタック１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に用いられる燃料電池スタックである。但し、燃料電池スタック１は、自動車等での使用に限られず、各種電気機器の電源として使用されてもよい。
【００１４】
燃料電池スタック１は、単位セルとしての燃料電池１０を複数積層することにより構成される積層電池である。
【００１５】
燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
【００１６】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃと、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００１７】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード電極１１ｂは、触媒層とガス拡散層とを含む。触媒層は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。カソード電極１１ｃもアノード電極１１ｂと同様に、触媒層とガス拡散層とを含む。
【００１８】
アノードセパレータ１２は、アノード電極１１ｂに対して接するように配置される。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１ｂと接する面１２ａの反対側の面に、燃料電池１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１２２を有する。
【００１９】
カソードセパレータ１３も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。また、カソードセパレータ１３は、カソード電極１１ｃと接する面１３ａの反対側の面に冷却水流路１３２を有する。
【００２０】
隣接するアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とに設けられたそれぞれの冷却水流路１２２，１３２は、互いに向き合うように形成されており、これら冷却水流路１２２，１３２によって１つの冷却水流路１４が形成される。
【００２１】
図２は、第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００２２】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。
【００２３】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０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発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
【００２４】
アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノード圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。アノードガス給排装置２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一旦バッファタンク２６に蓄えた後、必要に応じてパージ通路２７から排出する。
【００２５】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。
【００２６】
アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出された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２２の一端部は高圧タンク２１に接続され、他端部は燃料電池スタック１のアノードガス入口孔１５に接続される。
【００２７】
アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１に供給する。アノード調圧弁２３は連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ５によって制御される。
【００２８】
アノード圧力センサ２４は、アノード調圧弁２３よりも下流のアノードガス供給通路２２に設けられる。アノード圧力センサ２４は、アノード調圧弁２３よりも下流のアノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。以下では、このアノード圧力センサ２４の検出値をアノード圧力といい、このアノード圧力を燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１を含むアノード系全体の圧力として代用する。
【００２９】
アノードガス排出通路２５の一端部は燃料電池スタック１のアノードガス出口孔１６に接続され、他端部はバッファタンク２６に接続される。アノードガス排出通路２５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素等の不純ガスと、の混合ガス（アノードオフガス）が排出される。
【００３０】
バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を通って流れてきたアノードオフガスを蓄える。
【００３１】
パージ通路２７の一端部はアノードガス排出通路２５に接続され、他端部は開口端として構成される。バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスは、アノードガス排出通路２５を一旦逆流した後、パージ通路２７を通って開口端からシステム外部へと排出される。
【００３２】
パージ弁２８は、パージ通路２７に設けられる。パージ弁２８は、コントローラ５によって開閉制御される電磁弁である。パージ弁２８を開くことで、バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスがパージ通路２７を通って外部へと排出される。
【００３３】
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、エアフローセンサ３４と、カソードコンプレッサ３５と、カソード圧力センサ３６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３７と、カソード調圧弁３８と、を備える。カソードガス給排装置３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部へと排出する。
【００３４】
カソードガス供給通路３１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３１の一端はフィルタ３３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口孔１７に接続される。
【００３５】
カソードガス排出通路３２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３２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口孔１８に接続され、他端は開口端として構成されている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００３６】
フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００３７】
エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ３５よりも上流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ３５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
【００３８】
カソードコンプレッサ３５は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３５は、フィルタ３３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３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００３９】
カソード圧力センサ３６は、カソードコンプレッサ３５とＷＲＤ３７との間のカソードガス供給通路３１に設けられる。カソード圧力センサ３６は、ＷＲＤ３７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ３６の検出値をカソード圧力という。
【００４０】
ＷＲＤ３７は、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路３１を流れるカソードガスを加湿する。
【００４１】
カソード調圧弁３８は、ＷＲＤ３７よりも下流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００４２】
スタック冷却装置４は、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、水量調整弁４６と、リザーブタンク４７と、水温センサ５５と、第１圧力センサ５６と、第２圧力センサ５７と、を備える。
【００４３】
循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れる通路である。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口孔１９に接続され、他端は冷却水出口孔２０に接続される。冷却水入口孔１９から燃料電池スタック１の内部に導入された冷却水は、各燃料電池１０の冷却水流路１４を流れた後、冷却水出口孔２０から排出される。
【００４４】
循環通路４１は、冷却水への金属イオンの溶出を防止して絶縁性を確保するため、ゴムや樹脂等の弾性部材により形成される。以下では、燃料電池スタック１の冷却水出口孔２０側を循環通路４１の上流として扱い、燃料電池スタック１の冷却水入口孔１９側を循環通路４１の下流として扱う。
【００４５】
ラジエータ４２は、循環通路４１に設けられ、通過する冷却水の熱を放熱する。したがって、冷却水がラジエータ４２を通過することにより、冷却水の温度は低下する。
【００４６】
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通路である。バイパス通路４３の一端はラジエータ４２よりも上流側の循環通路４１に接続され、他端はラジエータ４２よりも下流側に配置されたサーモスタット４４に接続される。バイパス通路４３も循環通路４１と同様に、ゴムや樹脂等の弾性部材により形成される。
【００４７】
サーモスタット４４は、ラジエータ４２よりも下流側の循環通路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開閉する開閉弁である。サーモスタット４４は、冷却水温度が所定の開弁温度よりも低いときは閉弁状態となり、バイパス通路４３を経由してきた冷却水を燃料電池スタック１に供給する。一方、サーモスタット４４は、冷却水温度が開弁温度以上になると開弁状態となり、ラジエータ４２を経由してきた冷却水を燃料電池スタック１に供給する。
【００４８】
なお、サーモスタット４４は、例えば開弁温度が６０［℃］程度となるように構成されている。燃料電池システム１００では、サーモスタット４４を採用しているが、サーモスタット４４の代わりに三方弁を採用してもよい。
【００４９】
循環ポンプ４５は、電動ポンプであって、サーモスタット４４よりも下流側の循環通路４１に設けられる。循環ポンプ４５は、循環通路４１内の冷却水を循環させる。循環ポンプ４５の吐出流量は、コントローラ５によって制御される循環ポンプの回転数に応じて連続的に変化する。
【００５０】
水温センサ５５は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔２０の近傍の循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。
【００５１】
第１圧力センサ５６は、循環ポンプ４５よりも上流側の循環通路４１に設けられ、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力（ポンプ入口圧力）を検出する圧力検出部である。これに対して、第２圧力センサ５７は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の循環通路４１に設けられ、循環ポンプ４５の出口側の冷却水圧力（ポンプ出口圧力）を検出する圧力検出部である。
【００５２】
水量調整弁４６は、サーモスタット４４と第１圧力センサ５６の間に位置する循環通路４１に設けられる。水量調整弁４６は、循環通路４１内の冷却水の圧力に応じて、循環通路４１内の冷却水量を調整する弁部材である。水量調整弁４６は、接続通路を介してリザーブタンク４７に接続されている。リザーブタンク４７は、冷却水を蓄える容器である。
【００５３】
図３Ａに示すように、水量調整弁４６は、加圧弁４６Ａと、加圧弁４６Ａを弁シートに向けて付勢する第１ばね４６Ｂと、加圧弁４６Ａに対して移動可能に設けられる負圧弁４６Ｃと、負圧弁４６Ｃを加圧弁４６Ａに向けて付勢する第２ばね４６Ｄと、を備える。
【００５４】
水量調整弁４６は、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が予め設定された流出圧力以上になると、負圧弁４６Ｃが閉弁した状態で加圧弁４６Ａが第１ばね４６Ｂのばね力に抗して開弁するように構成されている。このように加圧弁４６Ａが開弁すると、循環通路４１とリザーブタンク４７とが連通し、図３Ａの破線矢印に示すように循環通路４１内の冷却水がリザーブタンク４７へと流出する。
【００５５】
さらに、水量調整弁４６は、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が予め設定された流入圧力以下になると、加圧弁４６Ａが閉弁した状態で負圧弁４６Ｃが第２ばね４６Ｄのばね力に抗して開弁するように構成されている。このように負圧弁４６Ｃが開弁すると、循環通路４１とリザーブタンク４７とが連通し、図３Ｂの破線矢印に示すようにリザーブタンク４７内の冷却水が循環通路４１へと流入する。
【００５６】
上述の通り、水量調整弁４６は、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が所定の流出圧力以上になると循環通路４１からリザーブタンク４７への冷却水の流出を許容し、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が所定の流入圧力以下になるとリザーブタンク４７から循環通路４１への冷却水の流入を許容するように構成されている。このように、スタック冷却装置４では、水量調整弁４６及びリザーブタンク４７を用いて循環通路４１内の冷却水の水量及び圧力が調整される。
【００５７】
なお、本実施形態では、水量調整弁４６の流出圧力は、例えば標準大気圧よりも高い１４０ｋＰａに設定されている。また、水量調整弁４６の流入圧力は、例えば許容限界負圧よりも高く且つ標準大気圧よりも低い８０ｋＰａに設定されている。
【００５８】
図２に戻り、燃料電池システム１００を統括的に制御するコントローラ５について説明する。
【００５９】
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。
【００６０】
コントローラ５には、アノード圧力センサ２４、エアフローセンサ３４、カソード圧力センサ３６、水温センサ５５、第１圧力センサ５６及び第２圧力センサ５７の検出信号が入力される。また、コントローラ５には、燃料電池スタック１の出力電流（燃料電池スタック１にかかる負荷）を検出する電流センサ５１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ５２、大気圧を検出する大気圧センサ５３、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ５４等の燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種信号が入力される。
【００６１】
コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード調圧弁２３を開閉し、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧及び脈動下限圧の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノードガス流路１２１の内部の液水をアノードガス流路１２１の外部へ排出することができ、燃料電池スタック１の排水性能及び出力性能を向上させることができる。
【００６２】
また、コントローラ５は、燃料電池スタック１の出力電流に応じてスタック冷却装置４の循環ポンプ４５の回転数を制御する。燃料電池スタック１の出力電流が大きくなると、燃料電池スタック１での発熱量が増大するため、コントローラ５は、燃料電池スタック１の出力電流が増大するほど燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量が増えるように循環ポンプ４５の回転数を増加させる。
【００６３】
従来から、燃料電池システムでは、ラジエータキャップ等の水量調整弁を通じて、循環通路からリザーブタンクに冷却水を流出させたりリザーブタンクから循環通路に冷却水を流入させたりすることで、循環通路内の冷却水の圧力及び水量が調整される。
【００６４】
しかしながら、このようなリザーブタンクを備える燃料電池システムであっても、燃料電池システムの運転状態によっては、循環ポンプの回転数を上昇させる際に当該循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下する可能性がある。許容限界負圧は、上述した水量調整弁の流入圧力よりも低い圧力である。循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下すると、循環ポンプにおいてキャビテーションが発生したり、ゴムや樹脂等の弾性材料で形成された循環通路が変形して冷却水の流れが阻害されたりする。
【００６５】
本実施形態による燃料電池システム１００は、スタック冷却装置４の循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下することを抑制可能な循環ポンプ制御を実行するように構成されている。
【００６６】
図４は、燃料電池システム１００のコントローラ５により実行される循環ポンプ制御を示すフローチャートである。循環ポンプ制御は、燃料電池システム起動中に繰り返し実行される。以下で説明する各種制御のフローチャートでは、制御に矛盾が生じない範囲で、各処理の順番を変更したり、特定の処理を省略したりすることができる。
【００６７】
Ｓ１０１において、コントローラ５は、スタック冷却装置４の循環通路４１の冷却水のポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１よりも小さいか否かを判定する。なお、コントローラ５は、循環ポンプ４５が停止している場合や循環ポンプ４５がゼロに近い低回転数以下で動作している場合に、Ｓ１０１の処理を実行するように構成されてもよい。
【００６８】
ポンプ入口圧力Ｐｉは、第１圧力センサ５６の検出値に基づいて算出される圧力値である。第１基準圧力Ｐ１は、循環ポンプ４５の回転数を上昇させた場合に循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下してしまうおそれがあることを予測可能な値として予め設定されている。より具体的には、第１基準圧力Ｐ１は、水量調整弁４６の流出圧力ＰHよりも小さく、流入圧力ＰLよりも大きな値に設定される。
【００６９】
コントローラ５は、ポンプ入口圧力Ｐｉと第１基準圧力Ｐ１とを比較することで、循環ポンプ４５の駆動中に、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下してしまう状態となるか否か、つまり循環通路４１内における冷却水量が不足した状態となるか否かを予測する。このように、Ｓ１０１は予測ステップであり、コントローラ５は循環ポンプ４５の駆動中に循環通路４１内における冷却水量が不足した状態となるか否かを予測する予測部として機能する。
【００７０】
ポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１よりも小さい場合、コントローラ５は、循環通路４１内の冷却水量が不足した状態であってポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下するおそれがあると判断し、Ｓ１０５の冷却水強制流入処理を実行する。Ｓ１０５の冷却水強制流入処理は、リザーブタンク４７に蓄えられた冷却水を循環通路４１へ流入させるための処理である。Ｓ１０５は冷却水強制流入処理を実行する実行ステップであり、コントローラ５は水不足状態になると予測された場合にリザーブタンク４７に蓄えられた冷却水を循環通路４１へ流入させる流入処理実行部として機能する。冷却水強制流入処理については、図６を参照して後述する。
【００７１】
これに対して、ポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１以上である場合、コントローラ５は、循環通路４１内の冷却水量が十分な状態であってポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下するおそれはないと判断し、Ｓ１０２〜Ｓ１０４の通常時循環ポンプ制御を実行する。
【００７２】
Ｓ１０２では、コントローラ５は、電流センサ５１を用いて、燃料電池スタック１の出力電流を検出する。
【００７３】
Ｓ１０３では、コントローラ５は、Ｓ１０２で検出された出力電流に基づいて循環ポンプ４５の目標回転数を算出する。
【００７４】
循環ポンプ４５の目標回転数は、図５に例示するような燃料電池スタック１の出力電流と循環ポンプ４５の目標回転数とを関連付けたマップを参照することにより算出される。図５に示すように、燃料電池スタック１の出力電流が大きくなるほど、循環ポンプ４５の目標回転数は大きくなる。このように、通常時循環ポンプ制御においては、燃料電池スタック１の出力電流が大きくなって燃料電池スタック１での発熱量が増大する場合、循環ポンプ４５の目標回転数を大きくすることで、燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を増加させる。
【００７５】
図３のＳ１０３の処理後、Ｓ１０４において、コントローラ５はポンプ回転数がＳ１０３で決定された目標回転数となるように循環ポンプ４５を制御する。したがって、通常時循環ポンプ制御（Ｓ１０２〜Ｓ１０４）では、燃料電池スタック１の出力電流に応じて循環ポンプ４５が制御され、燃料電池スタック１の冷却が行われる。
【００７６】
図６を参照し、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下するおそれがあると予測された場合、つまり循環通路４１内の冷却水量が不足した状態になると予測された場合に実行される冷却水強制流入処理について説明する。
【００７７】
冷却水強制流入処理が実行されると、コントローラ５は、Ｓ２０１において循環ポンプの目標回転数を強制流入時回転数に設定する。強制流入時回転数は、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が水量調整弁４６の流入圧力となるように設定される回転数である。
【００７８】
Ｓ２０２では、コントローラ５はポンプ回転数がＳ２０１で決定された目標回転数（強制流入時回転数）となるように循環ポンプ４５を制御する。このように、コントローラ５は様々な条件において循環ポンプ４５を制御するポンプ制御部として機能する。
【００７９】
Ｓ２０２の制御を実行すると、ポンプ入口圧力が水量調整弁４６の流入圧力となり、水量調整弁４６の負圧弁４６Ｃ（図３（Ｂ）参照）が開弁し、リザーブタンク４７内の冷却水が循環通路４１へと流入する。このように本実施形態の燃料電池システム１００では、循環ポンプ４５を用いてポンプ入口圧力を水量調整弁４６の流入圧力まで低下させ、冷却水を強制的に循環通路４１内に供給することで、循環通路４１内の冷却水の水量を増加させることができる。
【００８０】
Ｓ２０３では、コントローラ５は、冷却水強制流入処理の開始後から所定時間経過したか否かを判定する。所定時間は、例えば数秒から数十秒であり、スタック冷却装置４の循環通路４１内の容積に応じて定められる。Ｓ２０３は冷却水強制流入処理を終了する終了処理実行ステップであり、コントローラ５は冷却水強制流入処理を終了する終了処理実行部として機能する。
【００８１】
コントローラ５は、冷却水強制流入処理を開始してからの時間をタイマにより検出し、検出された時間が所定時間よりも小さい場合にＳ２０１以降の処理を繰り返し実行する。一方、検出された時間が所定時間以上である場合には、コントローラ５は冷却水強制流入処理を終了する。このように、冷却水強制流入処理は、当該処理を開始してから所定時間を経過するまでの間継続される。
【００８２】
上述の通り、燃料電池スタック１では、循環通路４１内において水不足状態になると予測された場合に、リザーブタンク４７に蓄えられた冷却水を水量調整弁４６を通じて循環通路４１に強制的に流入させる。これにより、その後に循環ポンプ４５の回転数を急上昇させた場合等であっても、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力がスタック冷却装置４における許容限界負圧よりも低下してしまうことを防止できる。
【００８３】
なお、Ｓ２０１及びＳ２０２において、コントローラ５は、ポンプ回転数が強制流入時回転数になるように循環ポンプ４５を制御するように構成されているが、ポンプ入口圧力が水量調整弁４６の流入圧力となるように循環ポンプ４５をフィードバック制御するように構成されてもよい。また、冷却水強制流入処理では、ポンプ入口圧力が許容限界負圧を下回らない範囲で水量調整弁４６の流入圧力以下となるように、循環ポンプ４５を制御してもよい。
【００８４】
次に、図７及び図８を参照して、第１実施形態による燃料電池システム１００での冷却水圧力の挙動と、比較例による燃料電池システムでの冷却水圧力の挙動について説明する。
【００８５】
図７は、本実施形態による燃料電池システム１００での冷却水圧力の挙動を説明するためのタイムチャートである。図８は、比較例による燃料電池システムでの冷却水圧力の挙動を説明するためのタイムチャートである。図７及び図８は、走行時アイドルストップを実行した後に当該アイドルストップから復帰する場合について例示している。なお、比較例による燃料電池システムは、冷却水強制流入処理を実行せずに通常時循環ポンプ制御のみを実行するように構成されたシステムである。
【００８６】
まず、図８を参照して、比較例による燃料電池システムでの冷却水圧力の挙動について説明する。
【００８７】
比較例による燃料電池システムのスタック冷却装置では、燃料電池スタックの出力電流に応じて循環ポンプの回転数が調整され、時刻ｔ１２までは燃料電池スタックの出力上昇とともにポンプ回転数が増大する。燃料電池スタックを冷却することにより冷却水の温度は上昇し、温度上昇に伴う熱膨張により循環通路内の冷却水体積（冷却水量）は増加する。時刻ｔ１１までは冷却水体積の増大に伴ってポンプ入口圧力は上昇するが、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁の流出圧力ＰHに達すると、水量調整弁の加圧弁が開いて循環通路内の冷却水がリザーブタンクへと流出し、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間は冷却水の圧力及び体積（水量）が一定に保たれる。
【００８８】
時刻ｔ１２において燃料電池システムの走行時アイドルストップが実行されると、燃料電池スタックの出力電流はゼロとなり、これに伴ってポンプ回転数もゼロとなる。走行時アイドルストップ中においては車両自体は走行を続けているため、ラジエータ内の冷却水が冷却され、循環通路内の冷却水の温度は低下する。この冷却水温度の低下により循環通路内の冷却水体積は減少し、冷却水体積の減少に伴ってポンプ入口圧力Ｐｉも低下する。
【００８９】
時刻ｔ１３においてアイドルストップからの復帰処理が実行されると、燃料電池スタックの出力上昇に伴ってポンプ回転数が上昇する。ポンプ入口圧力及び循環通路内の冷却水体積がある程度低下した状態で循環ポンプが駆動されると、復帰処理開始後からポンプ入口圧力Ｐｉが低下する。時刻ｔ１４において、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁の流入圧力ＰLまで低下すると、リザーブタンク内の冷却水が循環通路に流入し始める。しかしながら、ポンプ回転数の上昇率が大きい場合等には、リザーブタンクからの冷却水の流入が間に合わず、時刻ｔ１５においてポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下してしまう。
【００９０】
このように、比較例による燃料電池システムでは、システム運転状態によっては、循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧ＰLMまで低下するおそれがある。循環ポンプの入口側の冷却水圧力が許容限界負圧ＰLMまで低下すると、循環ポンプにおいてキャビテーションが発生したり、ゴム等で形成された循環通路が変形して冷却水の流れが阻害されたりするため、燃料電池システムにおいてフェイル処理が実行されてしまう。
【００９１】
図７を参照して、第１実施形態による燃料電池システム１００での冷却水圧力の挙動について説明する。燃料電池システム１００は、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧ＰLMまで低下することを防止すべく、冷却水強制流入処理を実行する点において比較例の燃料電池システムと異なっている。
【００９２】
燃料電池システム１００のスタック冷却装置４では、通常時は燃料電池スタック１の出力電流に応じて循環ポンプ４５の回転数が調整され、時刻ｔ２までは燃料電池スタック１の出力上昇とともにポンプ回転数が増大する。燃料電池スタック１を冷却することにより冷却水の温度は上昇し、温度上昇に伴う熱膨張により循環通路４１内の冷却水体積も増加する。時刻ｔ１までは冷却水体積の増大に伴ってポンプ入口圧力Ｐｉは上昇するが、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流出圧力ＰHに達すると、水量調整弁４６の加圧弁４６Ａが開いて循環通路４１内の冷却水がリザーブタンク４７へと流出し、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は冷却水の圧力及び体積（水量）が一定に保たれる。
【００９３】
時刻ｔ２において燃料電池システム１００の走行時アイドルストップが実行されると、燃料電池スタック１の出力電流はゼロとなり、これに伴ってポンプ回転数もゼロとなる。走行時アイドルストップ中においては車両自体は走行を続けているため、ラジエータ４２内の冷却水が冷却され、循環通路４１内の冷却水の温度は低下する。この冷却水温度の低下により循環通路４１内の冷却水体積は減少し、冷却水体積の減少に伴ってポンプ入口圧力Ｐｉも低下する。
【００９４】
ポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１まで低下すると、コントローラ５は、循環通路４１内の冷却水量が不足した状態になると予測し、今後の循環ポンプ４５の駆動状態によってはポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下するおそれがあると判断して、冷却水強制流入処理を実行する。時刻ｔ３において冷却水強制流入処理が開始され、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流入圧力ＰLとなるように循環ポンプ４５が制御される。この制御により、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流入圧力ＰLまで低下し、時刻ｔ４においてリザーブタンク４７内の冷却水が循環通路４１に流入し始める。
【００９５】
冷却水強制流入処理の開始から所定時間が経過した時刻ｔ５において、冷却水強制流入処理が終了し、循環ポンプ４５は停止する。循環通路４１内にはリザーブタンク４７内の冷却水が強制的に注入されているため、時刻ｔ５におけるポンプ入口圧力Ｐｉは冷却水強制流入処理開始時（時刻ｔ３）における圧力よりも高くなる。
【００９６】
このようにポンプ入口側の冷却水圧力及び循環通路４１内の冷却水体積がある程度高い状態で、アイドルストップからの復帰処理が実行された場合には、時刻ｔ６で燃料電池スタック１の出力上昇に伴ってポンプ回転数が上昇しても、ポンプ入口圧力Ｐｉが大きく低下することがない。つまり、燃料電池システム１００のスタック冷却装置４では、循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が許容限界負圧ＰLMまで低下することがない。
【００９７】
上記した第１実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００９８】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１を冷却するスタック冷却装置４と、スタック冷却装置４の循環ポンプ４５等を制御するコントローラ５とを備える。燃料電池システム１００のコントローラ５は、循環通路４１内のポンプ入口側の冷却水圧力（冷却水量に関するパラメータ）を用いて循環ポンプ４５の駆動中に循環通路４１内において冷却水量が不足する状態となるか否かを予測し、水不足状態になると予測された場合にはリザーブタンク４７に蓄えられた冷却水を水量調整弁４６を通じて循環通路４１に流入させる冷却水強制流入処理を実行する。
【００９９】
このように循環通路４１内が水不足状態となる前にリザーブタンク４７から循環通路４１に冷却水を供給しておくことで、その後の循環ポンプ４５の駆動中にポンプ入口側の冷却水圧力が許容限界負圧まで低下してしまうことを抑制できる。これにより、循環ポンプ４５でのキャビテーションの発生やゴム製の循環通路４１の変形を抑制でき、燃料電池システム１００でのフェイル制御の実行を回避することができる。
【０１００】
また、燃料電池システム１００では、水不足の予測に用いる冷却水量に関するパラメータとしてポンプ入口側の冷却水圧力を採用しており、当該冷却水圧力は既存の圧力センサを用いて検出できる。したがって、燃料電池システム１００によれば、簡素な構成で、循環通路４１内の冷却水量の状態を予測することが可能となる。
【０１０１】
さらに、燃料電池システム１００では、コントローラ５は、冷却水強制流入処理の実行中は循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力が水量調整弁４６の流入圧力以下となるように循環ポンプ４５を制御する。このように循環ポンプ４５を制御することで、水量調整弁４６の負圧弁４６Ｃを開弁状態とし、リザーブタンク４７内の冷却水を確実に循環通路４１へと流入させることが可能となる。
【０１０２】
さらに、燃料電池システム１００では、コントローラ５は、冷却水強制流入処理を開始してから所定時間経過した時に冷却水強制流入処理を終了する。これにより、冷却水強制流入処理を無駄に実行し続けることを回避でき、燃料電池システム１００の効率的な制御を実現することが可能となる。
【０１０３】
なお、コントローラ５は、図６に示す冷却水強制流入処理を実行する代わりに、図９又は図１０に示す冷却水強制流入処理を実行してもよい。
【０１０４】
図９に示す冷却水強制流入処理では、コントローラ５（終了処理実行部）は、図６のＳ２０３の処理の代わりにＳ２０３Ａの処理を実行する。図９のＳ２０１及びＳ２０２の処理は、図６のＳ２０１及びＳ２０２の処理と同じ処理である。
【０１０５】
Ｓ２０３Ａでは、コントローラ５は、循環通路４１内の冷却水平均圧力Ｐａｖｅが流入処理停止圧力Ｐｓ以上か否かを判定する。流入処理停止圧力Ｐｓは、水量調整弁４６の流入圧力よりも高い圧力として設定される。なお、冷却水平均圧力Ｐａｖｅは、第１圧力センサ５６により検出される循環ポンプ４５の入口側の冷却水圧力と、第２圧力センサ５７により検出される循環ポンプ４５の出口側の冷却水圧力との平均値として算出される。
【０１０６】
冷却水強制流入処理中は、冷却水がリザーブタンク４７から循環通路４１へと供給され、循環通路４１内の冷却水流量が増加する。そのため、ポンプ入口圧力が一定に保たれた状態であってもポンプ出口圧力が増加することとなり、冷却水平均圧力が増加する。したがって、冷却水平均圧力を監視することにより、循環通路４１内に十分な量の冷却水が供給されたか否かを判断することができる。コントローラ５は、冷却水平均圧力Ｐａｖｅが流入処理停止圧力Ｐｓ以上である場合には冷却水強制流入処理により十分な冷却水が循環通路４１内に流入したと判断し、冷却水強制流入処理を終了する。一方、コントローラ５は、冷却水平均圧力Ｐａｖｅが流入処理停止圧力Ｐｓよりも小さい場合には冷却水強制流入処理を継続する。
【０１０７】
このようにコントローラ５が図９のＳ２０３Ａの処理を行うことにより、冷却水強制流入処理を無駄に実行し続けることを回避でき、燃料電池システム１００の効率的な制御を実現することが可能となる。
【０１０８】
次に、コントローラ５が図１０に示す冷却水強制流入処理を実行する場合について説明する。この場合には、コントローラ５（終了処理実行部）は、図６のＳ２０３の処理の代わりにＳ２０３Ｂの処理を実行する。図１０のＳ２０１及びＳ２０２の処理は、図６のＳ２０１及びＳ２０２の処理と同じ処理である。
【０１０９】
Ｓ２０３Ｂでは、コントローラ５は、冷却水強制流入処理中にリザーブタンク４７から循環通路４１へ流入した冷却水の流入量Ｖが基準流入量Ｖ０以上か否かを判定する。基準流入量Ｖ０は、循環通路４１内の冷却水量が十分な状態となったか否かを判定するための閾値であって、循環通路４１の容積や第１基準圧力等を考慮して予めの実験等により設定された値である。
【０１１０】
ここで、冷却水流入量Ｖは、大気圧Ｐａｍｂと冷却水強制流入処理中のポンプ入口圧力Ｐｉの偏差を下記（１）式により積分することで算出される。なお、大気圧Ｐａｍｂは大気圧センサ５３により検出され、冷却水強制流入処理中のポンプ入口圧力Ｐｉは第１圧力センサ５６により検出される。
【０１１１】
【数１】
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【０１１２】
コントローラ５は、冷却水流入量Ｖが基準流入量Ｖ０以上の場合には冷却水強制流入処理により十分な冷却水が循環通路４１内に流入したと判断し、冷却水強制流入処理を終了する。一方、コントローラ５は、冷却水流入量Ｖが基準流入量Ｖ０よりも小さい場合には冷却水強制流入処理を継続する。
【０１１３】
このようにコントローラ５が図１０のＳ２０３Ｂの処理を行うことにより、冷却水強制流入処理を無駄に実行し続けることを回避でき、燃料電池システム１００の効率的な制御を実現することが可能となる。
【０１１４】
（第２実施形態）
図１１を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【０１１５】
図１１は、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ５が実行する冷却水強制流入処理を示すフローチャートである。
【０１１６】
冷却水強制流入処理が実行されると、Ｓ３０１において、コントローラ５は、燃料電池スタック１への負荷（出力電流）の増大要求により循環ポンプ４５の回転数を増大させる必要があるか否かを判定する。この判定は、強制流入時回転数と、燃料電池スタック１に対する要求負荷に基づいて定まる循環ポンプ４５の目標回転数とを比較することにより行われる。コントローラ５は、燃料電池スタック１に対する要求負荷に基づいて定まる目標回転数が強制流入時回転数よりも大きい場合に、循環ポンプ４５の回転数を増大させる必要があると判定する。
【０１１７】
Ｓ３０１においてポンプ回転数を増大させる必要がないと判定された場合には、コントローラ５はＳ２０１以降の処理を実行する。一方、Ｓ３０１においてポンプ回転数を増大させる必要があると判定された場合には、コントローラ５はＳ３０２の処理を実行する。
【０１１８】
Ｓ３０２では、コントローラ５は、ポンプ回転数の上昇率を制限した状態で、ポンプ回転数が燃料電池スタック１への要求負荷に基づいて定まる目標回転数となるように循環ポンプ４５を制御する。そして、コントローラ５は、Ｓ３０２の処理後にＳ２０３の処理を実行する。Ｓ３０２の処理でのポンプ回転数の上昇率は、Ｓ１０３等の通常時ポンプ制御で定まるポンプ回転数の上昇率よりも低く設定される。
【０１１９】
冷却水強制流入処理中は、ポンプ入口圧力が水量調整弁４６の流入圧力以下に制御されている。そのため、この処理中に燃料電池スタック１の出力に伴って循環ポンプ４５の回転数が急に上昇すると、ポンプ入口圧力が許容限界負圧まで低下するおそれがある。しかしながら、燃料電池システム１００では、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタック１の出力が急激に増大するような状況であっても、循環ポンプ４５はポンプ回転数の上昇率が制限された状態で制御されるため、ポンプ回転数が急上昇することを回避できる。これにより、ポンプ回転数の急上昇に伴うポンプ入口圧力の低下を抑制することが可能となる。
【０１２０】
図１２を参照して、第２実施形態による燃料電池システム１００での冷却水圧力の挙動について説明する。
【０１２１】
時刻ｔ２１までは、燃料電池スタック１及び循環ポンプ４５が低出力状態で運転されている状況であり、スタック冷却装置４の冷却水は外気等により冷却されている。冷却水が冷却されて冷却水温度が低下すると、冷却水の体積が収縮し、循環ポンプ４５の入口側及び出口側の冷却水圧力Ｐｉ，Ｐｏが低下する。
【０１２２】
時刻ｔ２１においてポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１まで低下すると、コントローラ５は、冷却水体積の低下等に起因して水不足状態となると予測し、冷却水強制流入処理を実行する。冷却水強制流入処理に基づく循環ポンプ制御が実行されると、時刻ｔ２２においてポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流入圧力ＰLまで低下する。これにより、冷却水が水量調整弁４６を通じてリザーブタンク４７から循環通路４１に流入し、循環通路４１内の冷却水量が増加するとともにポンプ出口圧力Ｐｏが増加する。
【０１２３】
時刻ｔ２３において燃料電池スタック１に対する要求負荷が増大し、燃料電池スタック１の出力が増大すると、燃料電池スタック１の出力に応じて循環ポンプ４５の回転数が上昇する。コントローラ５は、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタック１に対する負荷増大要求によりポンプ回転数を増大させる必要がある場合には、実線で示すようにポンプ回転数の上昇率を通常時（破線）よりも制限した状態で循環ポンプ４５を制御する。そのため、冷却水強制流入処理中に循環ポンプ４５の回転数が急上昇することがなく、時刻ｔ２３以降においてポンプ入口圧力Ｐｉが破線で示すように許容限界負圧ＰLMまで低下してしまうことを防止できる。
【０１２４】
上記した第２実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１２５】
燃料電池システム１００のコントローラ５は、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタックに対する負荷増大要求により循環ポンプ４５の回転数を増大させる場合、燃料電池スタック出力に基づいて循環ポンプ４５を制御する通常時と比較して循環ポンプ４５の回転数の上昇率を制限する。これにより、冷却水強制流入処理中には循環ポンプ４５の回転数が急上昇することがなく、燃料電池スタックへの負荷増大要求によりポンプ回転数を増大させる場合であってもポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下することを防止できる。
【０１２６】
（第３実施形態）
図１３を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。図１３は、第３実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ５が実行する冷却水強制流入処理を示すフローチャートである。
【０１２７】
冷却水強制流入処理が実行されると、Ｓ３０１において、コントローラ５は、燃料電池スタック１に対する負荷（出力電流）の増大要求により循環ポンプ４５の回転数を増大させる必要があるか否かを判定する。
【０１２８】
Ｓ３０１において循環ポンプ４５の回転数を増大させる必要がないと判定された場合には、コントローラ５はＳ２０１以降の処理を実行する。一方、Ｓ３０１において循環ポンプ４５の回転数を増大させる必要があると判定された場合には、コントローラ５はＳ３０２の処理を実行する。
【０１２９】
Ｓ３０２では、コントローラ５は、ポンプ回転数の上昇率を制限した状態で、ポンプ回転数が燃料電池スタック１への要求負荷に基づいて定まる目標回転数となるように循環ポンプ４５を制御する。このように、コントローラ５はポンプ回転数の上昇率を制限する回転数制限部として機能する。
【０１３０】
Ｓ３０３では、コントローラ５は、第１圧力センサ５６により検出されるポンプ入口圧力Ｐｉが予め設定された第２基準圧力Ｐ２よりも小さい否かを判定する。第２基準圧力Ｐ２は、水量調整弁４６の流入圧力よりも低く、かつ許容限界負圧よりも高く設定されている。
【０１３１】
ポンプ入口圧力Ｐｉが第２基準圧力Ｐ２よりも小さい場合、コントローラ５は、循環ポンプ４５の駆動を継続するとポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下する可能性があると判断し、Ｓ３０４の処理を実行する。これに対して、ポンプ入口圧力Ｐｉが第２基準圧力Ｐ２以上である場合、コントローラ５は、循環ポンプ４５の駆動を継続してもポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下する可能性がないと判断し、Ｓ３０５の処理を実行する。
【０１３２】
Ｓ３０４では、コントローラ５は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を増大するアノード圧増大処理を実行する。このように、コントローラ５は様々な条件においてアノードガスやカソードガスの圧力を調整するガス圧力調整部として機能する。コントローラ５は、Ｓ３０４の処理実行後、Ｓ３０５の処理を実行する。
【０１３３】
アノード圧増大処理が実行されると、燃料電池スタック１（図１参照）において、アノードガス流路１２１内のアノード圧力が増大し、アノードセパレータ１２がカソードセパレータ側に押し込まれるように変形する。その結果、燃料電池スタック１内の冷却水流路１４の体積がアノード圧増大処理前よりも小さくなり、冷却水流路１４及び循環通路４１を含む冷却系全体の体積が減少する。このように冷却系全体の体積が小さくなると、循環ポンプ４５の回転数が同じでも、冷却系全体の体積が大きい場合と比較してポンプ入口側の冷却水圧力が増加する。したがって、ポンプ入口圧力Ｐｉが第２基準圧力Ｐ２よりも小さくなった時にアノード圧増大処理を実行して冷却系全体の体積を減少させることで、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下することを防止することができる。
【０１３４】
Ｓ３０５では、コントローラ５は、燃料電池スタック１に対する負荷（出力電流）の低減要求により循環ポンプ４５の回転数を低下させる必要があるか否かを判定する。この判定は、現時点のポンプ回転数と、燃料電池スタック１に対する要求負荷に基づいて定まる循環ポンプ４５の目標回転数とを比較することにより行われる。コントローラ５は、燃料電池スタック１に対する要求負荷に基づいて定まる目標回転数が現時点のポンプ回転数よりも小さい場合に、循環ポンプ４５の回転数を低下させる必要があると判定する。
【０１３５】
Ｓ３０５においてポンプ回転数を低下させる必要があると判定された場合には、コントローラ５はＳ３０６以降の処理を実行する。これに対して、Ｓ３０５において循環ポンプ４５の回転数を低下させる必要がないと判定された場合には、コントローラ５はＳ３０９の処理を実行する。
【０１３６】
Ｓ３０６では、コントローラ５は、循環ポンプ４５のポンプ回転数を低下させる処理を実行する。
【０１３７】
Ｓ３０７では、コントローラ５は、アノード圧増大処理が実行されているか否かを判定する。アノード圧増大処理が実行されているか否かは、例えば、アノード圧増大処理に関するフラグの有無を検出することにより判定することができる。
【０１３８】
アノード圧増大処理が実行されている場合には、コントローラ５はＳ３０８の処理を実行し、その後Ｓ３０９の処理を実行する。これに対して、アノード圧増大処理が実行されていない場合には、コントローラ５はＳ３０８の処理を実行せずにＳ３０９の処理を実行する。
【０１３９】
Ｓ３０８では、コントローラ５は、増大させていたアノード圧力を低下させる処理を実行する。コントローラ５は、Ｓ３０４のアノード圧増大処理により増大させていたアノード圧力を、燃料電池スタック１の出力電流に応じた圧力まで低下させる。
【０１４０】
Ｓ３０３及びＳ３０４に示すように、アノード圧増大処理は、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧に近い状態の時に実行される。そのため、ポンプ回転数を低下させる前にアノード圧力を低下させると、アノード圧力の低下に伴う冷却系の体積増加に起因して、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧まで低下してしまうおそれがある。したがって、アノード圧増大処理実行中に燃料電池スタック１の出力を低減させる場合、コントローラ５は、まず循環ポンプ４５の回転数を低下させ、その後にアノード圧力を低下させる。このようにアノード圧低下処理より先にポンプ回転数低下処理を実行することで、ポンプ入口圧力Ｐｉの大幅な低下を防止することが可能となる。
【０１４１】
Ｓ３０５でポンプ回転数を低下させる必要がないと判定された場合、Ｓ３０７でアノード圧増大処理が実行されていないと判定された場合、及びＳ３０８の処理が実行された場合、コントローラ５はＳ３０９の処理を実行する。Ｓ３０９では、コントローラ５は、冷却水強制流入処理を開始してから所定時間経過したか否かを判定する。
【０１４２】
コントローラ５は、冷却水強制流入処理を開始してからの時間をタイマにより検出し、検出された時間が所定時間よりも小さい場合にＳ３０３以降の処理を繰り返し実行する。一方、検出された時間が所定時間以上である場合には、コントローラ５は冷却水強制流入処理を終了する。
【０１４３】
図１４を参照して、第３実施形態による燃料電池システム１００での冷却水圧力の挙動について説明する。
【０１４４】
時刻ｔ３１までは、燃料電池スタック１及び循環ポンプ４５が低出力状態で運転されている状況であり、スタック冷却装置４の冷却水は外気等により冷却されている。冷却水が冷却されて冷却水温度が低下すると、冷却水の体積が収縮し、循環ポンプ４５の入口側及び出口側の冷却水圧力Ｐｉ，Ｐｏが低下する。
【０１４５】
時刻ｔ３１においてポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１まで低下すると、コントローラ５は、冷却水体積の低下等に起因して水不足状態となると予測し、冷却水強制流入処理を実行する。これにより、冷却水強制流入処理に基づく循環ポンプ制御が実行され、ポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流入圧力ＰLまで低下する。これにより、冷却水が水量調整弁４６を通じてリザーブタンク４７から循環通路４１に流入し、循環通路４１内の冷却水量が増加するとともにポンプ出口圧力Ｐｏが増加する。
【０１４６】
時刻ｔ３２において燃料電池スタック１に対する要求負荷が増大し、燃料電池スタック１の出力が増大すると、燃料電池スタック１の出力に応じて循環ポンプ４５の回転数が上昇する。コントローラ５は、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタック１に対する負荷の増大要求によりポンプ回転数を増大させる必要がある場合には、ポンプ回転数の上昇率を通常時よりも制限した状態で循環ポンプ４５を制御する。
【０１４７】
循環ポンプ４５の回転数の上昇に伴ってポンプ入口圧力Ｐｉが水量調整弁４６の流入圧力ＰLと許容限界負圧ＰLMとの間に設定された第２基準圧力Ｐ２まで低下すると、時刻ｔ３３において、コントローラ５は、燃料電池スタック１に供給されるアノード圧力Ｐａｎを増大させるアノード圧増大処理（図１３のＳ３０４）を実行する。アノード圧増大処理により、冷却水流路１４及び循環通路４１を含む冷却系全体の体積が減少するため、ポンプ入口圧力Ｐｉの低下が抑制される。その結果、循環ポンプ４５の回転数の上昇を継続しても、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下してしまうことを防止できる。
【０１４８】
時刻ｔ３４において燃料電池スタック１に対する要求負荷が減少し、燃料電池スタック１の出力が減少すると、コントローラ５は、まず循環ポンプ４５の回転数を低下させ（Ｓ図１３のＳ３０６）、その後の時刻ｔ３５においてアノード圧力Ｐａｎを低下させる（図１３のＳ３０８）。
【０１４９】
燃料電池スタック１の出力減少時に循環ポンプ４５の回転数を低下させる前にアノード圧力Ｐａｎを低下させると、アノード圧力の低下に伴う冷却系の体積増加に起因して、ポンプ入口圧力Ｐｉが破線のように許容限界負圧ＰLMまで低下する可能性がある。しかしながら、時刻ｔ３４で循環ポンプ４５の回転数を低下させ、時刻ｔ３５でアノード圧力Ｐａｎを低下させることで、ポンプ入口圧力Ｐｉがある程度上昇した段階でアノード圧力Ｐａｎを低下させることとなり、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下してしまうこと防止できる。
【０１５０】
コントローラ５は、ポンプ回転数の低下処理後、アノード圧力低下条件が成立した時に、アノード圧力Ｐａｎを低下させるように構成される。例えば、コントローラ５は、ポンプ回転数低下処理を開始してから所定時間経過した時に、アノード圧力低下条件が成立したと判定する。コントローラ５は、ポンプ回転数低下処理後にポンプ入口圧力Ｐｉが所定圧力値まで上昇した時にアノード圧力低下条件が成立したと判定するように構成されてもよい。
【０１５１】
上記した第３実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１５２】
燃料電池システム１００のコントローラ５は、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタック１に対する負荷増大要求により循環ポンプ４５の回転数を増大させる場合、ポンプ入口圧力Ｐｉが第２基準圧力Ｐ２まで低下した時に、燃料電池スタック１に供給されるアノード圧力Ｐａｎを増大させるアノード圧増大処理を実行する。これにより、冷却水流路１４及び循環通路４１を含む冷却系全体の体積が減少するため、ポンプ入口圧力Ｐｉの低下が抑制される。その結果、循環ポンプ４５の回転数の上昇を継続しても、ポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下してしまうことを防止できる。
【０１５３】
さらに、燃料電池システム１００のコントローラ５は、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタックに対する負荷減少要求により循環ポンプ４５の回転数を減少させる場合、循環ポンプ４５の回転数を低下させた後に、アノード圧力Ｐａｎを低下させる。このように先にポンプ回転数を低下させることで、アノード圧力Ｐａｎを低下させる前にポンプ入口圧力Ｐｉをある程度上昇させておくことができ、アノード圧力Ｐａｎの低下（冷却系体積の増大）に起因してポンプ入口圧力Ｐｉが許容限界負圧ＰLMまで低下してしまうことを防止できる。
【０１５４】
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。
【０１５５】
第１実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ５は、ポンプ入口圧力Ｐｉが第１基準圧力Ｐ１よりも小さい場合に冷却水強制流入処理を実行するように構成されている。コントローラ５は、所定期間におけるポンプ入口圧力Ｐｉの低下量を算出し、所定期間におけるポンプ入口圧力Ｐｉの低下量が基準低下量以上であるか否かに基づいて循環通路４１内の水不足状態を予測するように構成されてもよい。そして、コントローラ５は、所定期間におけるポンプ入口側圧力Ｐｉの低下量が基準低下量以上である場合に、冷却水強制流入処理を実行する。
【０１５６】
第２実施形態における図１１のフローチャート及び第３実施形態における図１３のフローチャートでは、Ｓ２０３及びＳ３０９の処理を図９のＳ２０３Ａ及び図１０のＳ２０３Ｂの処理と同様の処理としてもよい。
【０１５７】
図１３のＳ３０５に示すように、第３実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ５は、アノード圧力を上昇させ、冷却系の体積を減少させるように構成されている。コントローラ５は、カソード圧力のみを上昇させることにより、又はアノード圧力及びカソード圧力の両方を上昇させることにより、冷却系の体積を減少させるように構成されてもよい。なお、冷却水強制流入処理中に燃料電池スタック１の出力が低減する場合には、コントローラ５は、ポンプ回転数を低下させた後にアノードガス及びカソードガスの圧力を低下させる。
【符号の説明】
【０１５８】
１００  燃料電池システム
１      燃料電池スタック
２      アノードガス給排装置
３      カソードガス給排装置
４      スタック冷却装置
５      コントローラ
４１    循環通路
４２    ラジエータ
４３    バイパス通路
４４    サーモスタット
４５    循環ポンプ
４６    水量調整弁
４７    リザーブタンク
５１    電流センサ
５６    第１圧力センサ
５７    第２圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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