JP2013191377A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水循環通路の耐久性を向上させる。
【解決手段】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、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、冷媒を循環させる循環ポンプと、内部に冷媒を貯蔵するとともに、内部が大気圧に保持されたリザーバタンクと、循環ポンプの吸い込み側の冷媒循環通路に設けられ、冷媒循環通路内の圧力が所定負圧以下となったときに開いて、リザーバタンク内の冷媒を冷媒循環通路内に供給する開閉弁と、リザーバタンクと開閉弁とを接続する連通路と、循環ポンプを駆動して冷媒の循環を開始するときに、循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させる循環ポンプ制御手段（Ｓ５）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムは、サーモスタットと循環ポンプの吸入ポートとの間に、一端がリザーバタンクに接続される大気圧設定配管の他端を接続していた。そして、大気圧設定配管にキャップを設けていた（特許文献１参照）。

特開２００９−２５９４６７号公報

燃料電池システムでは、燃料電池内部の活電部に近い部分に冷却水が流れるため、冷却水の導電率が比較的高い状態であっても絶縁抵抗を確保しやすくする必要がある。そのため、燃料電池と冷却系部品との間を絶縁材料の配管で接続することが望ましい。また、組み付け時の寸法公差吸収の観点で、本部位の配管は弾性体であることがのぞましく、利用できるのは弾性体で絶縁体であるゴムホースなどに限られている。

燃料電池システムの始動時においては、ヒータによる発熱を大きくすることで冷却水の温度を早期に上昇させ、燃料電池の暖機を促進させたい。

しかしながら、ヒータが冷却水に与える熱量を大きくする場合、冷却水の循環流量を大きくしなければ、局部沸騰の可能性がある。そこで、システム暖機時には、局部沸騰しない程度に大きな流量の冷却水を循環させる必要がある。

ところで、循環ポンプが停止した状態から局部沸騰を考慮した流量にするために循環ポンプの回転速度を一気に上昇させてしまうと、次のような不都合が生じる可能性があることが発明者らによって知見された。

暖機後であれば、循環ポンプによる冷却水の循環を開始して、循環によって循環ポンプの吸入ポート側の冷却水が不足してもリザーバタンクからの冷却水の供給により、冷却水が不足することは無い。しかしながら、低温からの始動であれば、冷却水の粘性が高いこともあって、リザーバタンクからの冷却水の供給が間に合わず、循環ポンプの吸入ポート側の冷却水循環通路が負圧となって、冷却水循環通路の耐久性が低下する可能性がある。特に循環ポンプの吸入ポート側の冷却水循環通路をゴムホースなどの弾性材料で形成した場合は、冷却水循環通路の収縮変形量が大きくなって、耐久性の低下が大きくなる可能性がある。

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、冷却水循環通路の耐久性低下を抑制することを目的とする。

本発明は、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る。そして、その燃料電池システムが、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、冷媒を循環させる循環ポンプと、内部に冷媒を貯蔵するとともに、内部が大気圧に保持されたリザーバタンクと、循環ポンプの吸い込み側の冷媒循環通路に設けられ、冷媒循環通路内の圧力が所定負圧以下となったときに開いて、リザーバタンク内の冷媒を冷媒循環通路内に供給する開閉弁と、リザーバタンクと開閉弁とを接続する連通路と、循環ポンプを駆動して冷媒の循環を開始するときに、循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させる循環ポンプ制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、循環ポンプを駆動して冷媒の循環を開始するときに、循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させるので、冷却水循環通路の負圧が過大となるのを抑制することができる。よって、冷却水循環通路の耐久性低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態による循環ポンプの回転速度制御について説明するフローチャートである。 外気温とカウントタイマとに基づいて循環ポンプの目標回転速度を算出するテーブルである。 本発明の一実施形態による循環ポンプの回転速度制御の動作を説明するタイムチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。なお、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。

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。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

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。

このような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。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック２は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２にアノードガス及びカソードガスのそれぞれを供給するガス供給装置については、本発明の主要部ではないので、発明の理解を容易にするため図示を省略した。

冷却装置３は、冷却水循環通路３１と、ラジエータ３２と、バイパス通路３３と、ヒータ３４と、サーモスタット３５と、循環ポンプ３６と、リザーバタンク３７と、第１キャップ３８と、第２キャップ３９と、温度センサ４０と、第１圧力センサ４１と、第２圧力センサ４２と、を備える。

冷却水循環通路３１は、燃料電池スタック２を冷却する冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路３１は、燃料電池スタック２の冷却水入口孔２１と冷却水出口孔２２とに接続される。冷却水循環通路３１は、燃料電池内部と冷却系部品との絶縁性を確保するため、燃料電池スタック２との接続部をゴムホースで形成している。また、その他の部位も、部品組み付け時の寸法公差を吸収しやすくするため、ゴムホースが多用されている。以下では便宜上、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２２側を冷却水循環通路３１の上流として扱い、燃料電池スタック２の冷却水入口孔２１側を冷却水循環通路３１の下流として扱う。

ラジエータ３２は、冷却水循環通路３１に設けられる。ラジエータ３２は、通過する冷却水の温度を下げる。

バイパス通路３３は、ラジエータ３２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３１に接続され、他端がサーモスタット３５に接続される。バイパス通路３３も冷却水循環通路３１と同様に、ゴムホースで形成される部位が存在する。

ヒータ３４は、バイパス通路３３に設けられる。ヒータ３４は、燃料電池スタック２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タ３４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。

サーモスタット３５は、ラジエータ３２よりも下流側の冷却水循環通路３１に設けられる。サーモスタット３５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３５は、内部を流れる冷却水の温度が所定のサーモ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３３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開弁温度以上になると徐々に開き始め、バイバス通路３３を経由してきた冷却水とラジエータ３２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。なお、本実施形態ではサーモ開弁温度が６０［℃］程度となるように、サーモスタット３５を構成するワックス材及びスプリングを調整している。

循環ポンプ３６は、電動ポンプであって、サーモスタット３５よりも下流側の冷却水循環通路３１に設けられる。循環ポンプ３６は、冷却水循環通路３１の冷却水を循環させる。循環ポンプ３６の吐出流量は、コントローラ４によって制御される循環ポンプの回転速度に応じて連続的に変化する。

リザーバタンク３７は、冷却水を蓄えるタンクである。リザーバタンク３７には、外気と連通する大気解放口３７１が設けられており、これによりリザーバタンク３７内の圧力が大気圧に保持される。

第１キャップ３８は、ラジエータ３２とサーモスタット３５との間の冷却水循環通路３１に設けられると共に、第１サブ通路３８１によってリザーバタンク３７と接続される。第１キャップ３８の内部には、加圧弁と負圧弁とが設けられる。加圧弁及び負圧弁はそれぞれ圧力感応式の開閉弁であって、冷却水循環通路３１内の圧力に応じて開閉する。第１キャップ３８としては、いわゆるラジエータキャップを用いることができる。

ラジエータ３２とサーモスタット３５との間の冷却水循環通路３１内の圧力が、所定の第１規定圧力以下の正圧のときは、加圧弁及び負圧弁はそれぞれ閉じられた状態となっている。この状態のときは、第１キャップ３８によって冷却水循環通路３１の気密が保たれ、冷却水の熱膨張によって冷却水循環通路３１内の圧力が上昇する。これにより、冷却水の沸点を大気圧下よりも上昇させて、ラジエータ３２の冷却効率を高めている。

冷却水の温度が上昇してラジエータ３２とサーモスタット３５との間の冷却水循環通路３１内の圧力が第１規定圧力よりも高くなったときは、加圧弁が開いた状態となる。この状態になると、膨張した冷却水循環通路３１内の冷却水の一部が第１サブ通路３８１を介してリザーバタンク３７に戻される。これにより、冷却水循環通路３１内の圧力が第１規定圧力に調整される。

一方で、冷却水の温度が低下すると、冷却水の熱収縮によって冷却水循環通路３１内の圧力が低下する。そして、冷却水循環通路３１内の圧力が所定の第２規定圧力よりも低い
負圧になると、負圧弁が開いた状態となる。この状態になると、リザーバタンク３７内に貯蔵された冷却水の一部が第１サブ通路３８１を介して冷却水循環通路３１内に吸い戻される。これにより、冷却水循環通路３１内の圧力が大気圧に調整されると共に、冷却水循環通路３１を循環する冷却水量が一定に保たれる。

第２キャップ３９は、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に設けられると共に、第２サブ通路３９１によってリザーバタンク３７と接続される。第２キャップ３９は、第１キャップ３８と同じ構造のキャップである。このように、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けた理由については後述する。

温度センサ４０は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２２の近傍の冷却水循環通路３１に設けられ、燃料電池スタック２から排出された冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）Ｔｓを検出する。

第１圧力センサ４１は、第２キャップ３９と循環ポンプとの間の冷却水循環通路３１に設けられ、循環ポンプの吸入口近傍の冷却水循環通路３１内の圧力（以下「ポンプ入口圧」という。）を検出する。

第２圧力センサ４２は、循環ポンプと燃料電池スタックとの間の冷却水循環通路３１に設けられ、循環ポンプの吐出口近傍の冷却水循環通路３１内の圧力（以下「ポンプ出口圧」という。）を検出する。

コントローラ４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４には、前述した温度センサ４０、第１圧力センサ４１及び第２圧力センサ４２の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４３や循環ポンプの回転速度を検出する回転速度センサ４４、外気温を検出する外気温センサ４５などの燃料電池システム１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４５によって検出した外気温を、リザーバタンク３７内の冷却水の温度として代用する。

以下、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けた理由について説明する。

燃料電池システム１が起動されて循環ポンプ３６が駆動されると、循環ポンプ３６の吐出ポート側、すなわち燃料電池スタック２や、循環ポンプ３６と燃料電池スタック２とを接続する冷却水循環通路３１内の圧力が上昇する。その結果、弾性材料で形成されている部位が加圧によって膨張し、冷却系としての流路容積が増加する。一方、冷却水は非圧縮性流体であり、圧力によって体積が変化しないため、循環ポンプ３６の吸入ポート側、すなわち、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内が一時的に負圧となる。サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１の一部はゴムホースで形成されているため、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内が負圧になると、ゴムホースが収縮変形する。

ゴムホースの収縮変形量が大きいと、ゴムホース自体の耐久性が低下するとともに、収縮変形したゴムホース部分を流れる冷却水の流量が低下するので、冷却水循環通路３１を循環する冷却水の循環流量も低下する。燃料電池システム１の起動時は、燃料電池スタックの暖機を促進するためにヒータ３４を起動するが、冷却水の循環流量が低下すると、その分ヒータ３４を通過する冷却水の流量が低下するので、暖機性能が低下する。

したがって、燃料電池システム１の起動時は、ゴムホースの収縮変形量を所定量に抑えつつ、早期に循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力を大気圧近傍まで上昇させ、冷却水の循環流量を確保した上でヒータ３４を駆動したい。

そこで、本実施形態では、まず早期に循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力を大気圧近傍まで上昇させるために、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けたのである。

サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けることで、循環ポンプ３６が駆動されて循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力が第２規定圧力よりも低くなると、第２キャップ３９の負圧弁が開いた状態となる。これにより、リザーバタンク３７内に貯蔵された冷却水の一部を、第２サブ通路３９１を介して直接循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻すことができるので、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力を早期に大気圧近傍まで上昇させることができる。

このように、リザーバタンク３７内の冷却水が循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻されると、その吸い戻された冷却水の分だけ冷却水循環通路３１内の圧力は上昇する。

しかしながら、循環ポンプ３６の回転速度の上昇速度が速すぎると、循環ポンプ３６の吐出ポート付近の圧力上昇代が大きくなり、流路の膨張代が大きくなる。すると、リザーブタンク３７から吸い込む流量を増やさなければならなくなり、ポンプ入口圧の低下が過大となって、ゴムホースの収縮変形量が所定量を超えてしまう。

一方で、リザーバタンク３７内の冷却水を循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻すためには、少なくともポンプ入口圧が第２規定圧力よりも低くなるように、循環ポンプ３６の回転速度を制御する必要がある。

そこで本実施形態では、ゴムホースの収縮変形量を所定量に抑えるため、ポンプ入口圧が、第２規定圧力よりも低い所定の許容負圧に保持されるように、循環ポンプ３６の回転速度を所定の変化率で徐々に上昇させることとした。許容負圧は、ゴムホースの収縮変形量が所定量となる圧力である。

以下、この本実施形態による循環ポンプ３６の回転速度制御について説明する。

図２は、本実施形態による循環ポンプ３６の回転速度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４は、燃料電池システム１が起動されと、本ルーチンを所定の演算周期Δｔ（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ４は、前述した各種センサの検出値を読み込む。

ステップＳ２において、コントローラ４は、暖機終了フラグが１に設定されているか否かを判定する。暖機終了フラグは、燃料電池スタック２の暖機が終了したと判定されたときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。コントローラ４は、暖機終了フラグが０であれば、ステップＳ３の処理を行う。一方で、暖機終了フラグが１であればステップＳ１５の処理を行う。

ステップＳ３において、コントローラ４は、暖機準備終了フラグが１に設定されているか否かを判定する。暖機準備終了フラグは、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが最大回転速度Ｎｍａｘ以上になって、ヒータ３４を駆動する準備が完了したときに１に設定されるフラグである。暖機準備終了フラグの初期値は０に設定される。コントローラは、暖機準備終了フラグが０であれば、ステップＳ４の処理を行う。一方で、暖機準備終了フラグが１であればステップＳ１０の処理を行う。

ステップＳ４において、コントローラ４は、後述する図３のテーブルを参照し、外気温Ｔａと、燃料電池システム１が起動されてからの経過時間をカウントするカウントタイマｔと、に基づいて、循環ポンプ３６の目標回転速度Ｎｔを算出する。

ステップＳ５において、コントローラ４は、循環ポンプ３６の回転速度Ｎと目標回転速度Ｎｔとに応じたフィードバック制御を実施して、循環ポンプ３６の回転速度Ｎを目標回転速度Ｎｔに制御する。

ステップＳ６において、コントローラ４は、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが循環ポンプ３６の最大回転速度Ｎｍａｘ以上か否かを判定する。コントローラ４は、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが最大回転速度Ｎｍａｘ未満であればステップＳ７の処理を行う。一方で、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが最大回転速度Ｎｍａｘ以上であればステップＳ８の処理を行う。

ステップＳ７において、コントローラ４は、カウントタイマｔの今回値に演算周期Δｔを加算して、カウントタイマｔの値を更新する。カウントタイマｔの初期値は０に設定される。

ステップＳ８において、コントローラ４は、カウントタイマｔの値を０に更新する。

ステップＳ９において、コントローラ４は、暖機準備終了フラグを１に設定する。

ステップＳ１０において、コントローラ４は、循環ポンプ３６の目標回転速度Ｎｔを最大回転速度Ｎｍａｘに設定し、循環ポンプ３６の回転速度Ｎを最大回転速度Ｎｍａｘに維持する。

ステップＳ１１において、コントローラ４は、ヒータ３４を駆動する。

ステップＳ１２において、コントローラ４は、スタック温度Ｔｓが６０℃以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、スタック温度Ｔｓが６０℃未満であれば、今回の処理を終了する。一方で、スタック温度Ｔｓが６０℃以上であれば、ステップＳ１３の処理を行う。

ステップＳ１３において、コントローラ４は、暖機終了フラグを１に設定する。暖機終了フラグは、燃料電池システムの停止時に０に戻される。

ステップＳ１４において、コントローラ４は、暖機準備終了フラグを０に設定する。

ステップＳ１５において、コントローラ４は、循環ポンプ３６の通常制御を実施する。具体的には、燃料電池スタック２を構成する各燃料電池の電解質膜の含水量（湿潤度）が、燃料電池システム１の運転状態に応じた適切な量となるように、例えば燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）に基づいて、循環ポンプ３６の回転速度Ｎを制御する。燃料電池スタック２の内部高周波抵抗は、公知の交流インピーダンス法によって検出することができる。

図３は、外気温Ｔａとカウントタイマｔとに基づいて、循環ポンプ３６の目標回転速度Ｎｔを算出するテーブルである。

図３に示すように、循環ポンプ３６の目標回転速度Ｎｔは、燃料電池システム１が起動されてからの経過時間（カウントタイマｔ）が大きくなるほど高くなるように設定される。このように、循環ポンプ３６の回転速度を所定の変化率で徐々に上昇させることで、リザーバタンク３７から冷却水循環通路３１に吸い戻される冷却水の流量と、循環ポンプ３６の吐出側の部品の容積変化量とのバランスをとって、ポンプ入口圧を許容負圧に保持することができる。

また、本実施形態では、外気温が低いときほど、循環ポンプ３６の回転速度の上昇速度を遅くなるようにした。以下、この理由について説明する。

第２サブ通路３９１を介してリザーバタンク３７から循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻される冷却水の流量は、冷却水の粘度や第２サブ通路３９１の通路断面積等によって定まる第２サブ通路３９１の圧力損失特性に応じて変化する。具体的には、リザーバタンク３７内の冷却水の温度が低く、冷却水の粘度が高くなるほど、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻される冷却水の流量が低下する。

ここで、燃料電池システム１の始動時におけるリザーバタンク３７内の冷却水の温度は、外気温相当と考えることができる。したがって、外気温が低いときほど循環ポンプ３６の回転速度の上昇速度が遅くなるようにすることで、ポンプ入口圧を確実に許容負圧に保持することができる。

図４は、本実施形態による循環ポンプ３６の回転速度制御の動作を説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で、燃料電池システム１が起動されると、外気温Ｔａとカウントタイマｔとに基づいて循環ポンプ３６の目標回転速度Ｎｔが算出され、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが目標回転速度Ｎｔとなるように循環ポンプ３６がフィードバック制御される。

その結果、循環ポンプ３６が所定の変化率で徐々に上昇させられ（図４（Ａ））、ポンプ入口圧が許容負圧に保持される（図４（Ｂ））。

時刻ｔ２で、循環ポンプ３６の回転速度Ｎが最大回転速度Ｎｍａｘに到達すると、循環ポンプ３６の回転速度Ｎを最大回転速度Ｎｍａｘに保持したまま、ヒータ３４が駆動され、燃料電池スタック２の暖機が行われる。また、ポンプ入口圧が、許容負圧から徐々に大気圧へと上昇していく。

以上説明した本実施形態によれば、循環ポンプ３６の吸入ポートに接続される冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設け、循環ポンプ３６を駆動して冷却水の循環を開始するときに、循環ポンプ３６の回転速度を所定の変化率で徐々に上昇させることとした。

これにより、循環ポンプ３６を駆動して冷却水の循環を開始するときに、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力が過大に低下するのを抑制できるので、冷却水循環通路３１の耐久性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、ポンプ入口圧が許容負圧に保持されるように、循環ポンプ３６の回転速度の変化率を設定したので、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路をゴムホース等の弾性材料で形成した場合には、ゴムホースの収縮変形量を所定量に抑えることができる。

これにより、ゴムホースの耐久性の低下を抑制できると共に、ゴムホース部分を流れる冷却水の流量の低下を抑制できるので、冷却水循環通路３１を循環する冷却水の循環流量の低下を抑制できる。したがって、燃料電池システムの起動時において、ヒータ３４を通過する冷却水の流量が低下するのを抑制できるので、暖機性能の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態では、第２サブ通路３９１の圧力損失特性を考慮して、循環ポンプ３６の回転速度の変化率を設定した。具体的には、リザーバタンク３７内の冷却水の温度（外気温）は低いときほど、循環ポンプ３６の回転速度の上昇速度が遅くなるように、変化率を設定した。

第２サブ通路３９１を介してリザーバタンク３７から冷却水循環通路３１に吸い戻される冷却水の流量は、第２サブ通路３９１の圧力損失特性に応じて変化するが、これを考慮して循環ポンプ３６の回転速度の変化率を設定することで、より確実にポンプ入口圧を許容負圧に保持することができる。

また、本実施形態では、ラジエータ３２とサーモスタット３５との間の冷却水循環通路３１に第１キャップ３８を設けた上で、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けた。これにより、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１が起動されて循環ポンプ３６が駆動されると、循環ポンプ３６の吸入ポート側、すなわち、循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内が一時的に負圧となる。燃料電池システム１の起動時は、通常、冷却水循環通路３１内の冷却水の温度がサーモ開弁温度よりも低いので、サーモスタット３５のラジエータ３２側の流路は閉じた状態となっている。

そのため、第１キャップ３８部の圧力は、循環ポンプ３６の吸入ポート部圧力に対し低くなる。具体的には、バイパス流路３３、及びこの流路に設置されたヒータ３４やサーモスタット３５の圧力損失分だけ、循環ポンプ３６の吸入ポート部の圧力が低下する。結果、第１キャップ３８の負圧弁が開弁して大気圧に戻るまで系内に冷却水を供給しても、循環ポンプ３６の吸入ポート部は前述の圧力損失分、負圧になった状態を継続することとなり、ポンプ入口圧を許容負圧に保持することができない。

そこで本実施形態では、サーモスタット３５と循環ポンプ３６との間の冷却水循環通路３１に第２キャップ３９を設けたのである。

これにより、循環ポンプ３６が駆動されて循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内の圧力が第２規定圧力より低くなると、第２キャップ３９の負圧弁が開くので、リザーバタンク３７内に貯蔵された冷却水の一部が、第２サブ通路３９１を介して直接循環ポンプ３６の上流側の冷却水循環通路３１内に吸い戻され、ポンプ入口圧を許容負圧に保持することができる。

その結果、ゴムホースの収縮変形量を所定量に抑えることができ、ゴムホースの耐久性の低下を抑制できると共に、ゴムホース部分を流れる冷却水の流量の低下を抑制できるので、冷却水循環通路３１を循環する冷却水の循環流量の低下を抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
３１ 冷却水循環通路（冷媒循環通路）
３２ ラジエータ（放熱器）
３３ バイパス通路
３５ サーモスタット（流量調整弁）
３６ 循環ポンプ
３７ リザーバタンク
３８ 第１キャップ（圧力調整弁）
３９ 第２キャップ（開閉弁）
３９１ 第２サブ通路（連通路）
Ｓ５ 循環ポンプ制御手段

Claims (6)

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、冷媒を循環させる循環ポンプと、
   内部に冷媒を貯蔵するとともに、内部が大気圧に保持されたリザーバタンクと、
   前記循環ポンプの吸い込み側の前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒循環通路内の圧力が所定負圧以下となったときに開いて、前記リザーバタンク内の冷媒を前記冷媒循環通路内に供給する開閉弁と、
   前記リザーバタンクと前記開閉弁とを接続する連通路と、
   前記循環ポンプを駆動して冷媒の循環を開始するときに、前記循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させる循環ポンプ制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環ポンプ制御手段は、
   前記連通路の圧力損失特性に応じて変化する冷媒の供給流量を考慮して、前記循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環ポンプ制御手段は、
   前記リザーバタンク内の冷媒の温度が低いときほど、前記循環ポンプの回転速度の上昇速度を遅くする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環ポンプ制御手段は、
   前記循環ポンプの吸い込み側の前記冷媒循環通路内の圧力が、前記所定負圧よりも低い所定の許容負圧を下回らないように、前記循環ポンプの回転速度を徐々に上昇させる、
   ことを特徴とする請求項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。
5. 前記循環ポンプの吸い込み側の前記冷媒循環通路は、弾性材料で形成される、
   ことを特徴とする請求項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。
6. 前記循環ポンプよりも上流側の前記冷媒循環通路に設けられ、通過する冷媒の温度を低下させる放熱器と、
   前記放熱器をバイパスするように、前記放熱器よりも上流側の前記冷媒循環通路と、前記循環ポンプよりも上流側の前記冷媒循環通路と、に接続されるバイパス通路と、
   前記循環ポンプよりも上流側の前記冷媒循環通路と、前記バイパス通路と、の接続部に設けられ、前記バイパス通路を流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
   前記リザーバタンクに接続されると共に、前記ラジエータと前記流量調整弁との間の前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒循環通路内の圧力に応じて開閉して前記冷媒循環通路内の圧力を所定範囲内に調整する圧力調整弁と、
   を備え、
   前記開閉弁は、前記流量調整弁と前記循環ポンプとの間の前記冷媒循環通路に設けられる、
   ことを特徴とする請求項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。

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