JP5076341B2 - 液体循環制御装置及び液体循環制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池システムの燃料電池を冷却する冷却系、燃料電池を加湿する加湿系での液体の循環制御を担う液体循環制御装置及び液体循環制御方法に関する。

近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、例えば車両の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば車両に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプのものが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子電解質膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池においては、水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子電解質膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子電解質膜を空気極に向かって移動することになる。

このような燃料電池システムは、燃料電池を通過するように配された冷却液供給配管内を冷却液を循環させることで、発電に伴う燃料電池の発熱を冷却する冷却系を備えている。燃料電池の温度は、発電性能に非常に大きな影響を与えるため発電による温度上昇を抑制し、燃料電池の温度を管理する冷却系の制御は、非常に重要となっている。この冷却系に異常が発生した場合、燃料電池から所望の出力を取り出せないなど様々な問題が発生してしまう。

そこで、燃料電池システムの冷却系の冷却液の圧力や流量などを検出することで、冷却系に発生した異常を検出し、異常状態を回避することができる手法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１８４４３５号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている手法のように冷却系の異常を検出する際に用いる冷却液の圧力は、車両に搭載された燃料電池システムなどでは、冷却液の流量が一定であっても走行による加速度（Ｇ）の影響を受けてしまう。したがって、この圧力に基づき異常状態を検出しようとすると誤診断してしまう可能性を残してしまうことになる。

また、勾配路など車両が傾くような状態の場合、冷却液の圧力を検出する圧力センサから冷却系において冷却液を貯蔵するリザーバタンクまで、高さによってかかるヘッド圧が変動してしまう。このような圧力の変動があると、冷却系が正常に機能しているにも拘わらず異常が発生したと誤診断したり、逆に冷却系に異常があるにも拘わらず正常であると誤診断したりする可能性がある。

このように冷却液の圧力や流量から冷却系に発生した異常を検出しようとすると、燃料電池システムを搭載した車両の状態といった外乱による影響により誤診断を誘因してしまう虞がある。このような誤診断を回避するためには、例えば、異常状態を診断する際の基準となる冷却液流量、下限圧力値といった閾値にマージンを持たせ、あらかじめ高めに設定する必要がある。

しかしながら、このように閾値を高めに設定してしまうと、冷却液を循環させる冷却液ポンプを高回転させる割合が高くなってしまうため、燃費、騒音抑制性能、耐久寿命などが低下してしまうといった問題がある。

また、純水を循環させることで燃料電池の高分子電解質膜に水分供給をし、高分子電解質膜のイオン輸送能力を低下させることなく良好なイオン伝導性を保つように水分管理を行う加湿系においても、異常状態であるかどうかの診断において、上述したような誤診断が発生してしまい同様の問題が発生することになる。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の発電に伴い要求される液体循環系の循環制御において誤診断をすることなく、液体循環系が正常に機能しない異常状態に陥った場合にのみ、確実に異常状態であることを判定することができる液体循環制御装置及び液体循環制御方法を提供することを目的とする。

本発明の液体循環制御装置は、供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する液体の循環流量が、該燃料電池の発電に伴って要求される循環流量となるように、液体循環系の循環制御を行うものであり、前記液体の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段によって検出される前記循環制御中の液体の圧力と所定の圧力診断閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段により、液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体の循環流量を増量させる循環流量増量手段と、前記循環流量増量手段による循環流量増量後において、前記圧力検出手段にて検出される液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体循環系の機能が低下したものと判定する異常状態判定手段と、を備えることにより上述の課題を解決する。

本発明の液体循環制御方法は、供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する液体の循環流量が、該燃料電池の発電に伴って要求される循環流量となるように、液体循環系の循環制御を行う液体循環制御方法であり、前記液体の圧力を検出する圧力検出工程と、前記圧力検出工程によって検出される前記循環制御中の前記液体の圧力と、所定の圧力診断閾値とを比較する比較工程と、前記比較工程により、液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体の循環流量を増量させる循環流量増量工程と、前記循環流量増量工程による循環流量増量後において、前記圧力検出工程にて検出される液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体循環系の機能が低下した異常状態であると判定する異常状態判定工程と、を備えることにより上述の課題を解決する。

本発明によれば、燃料電池の発電に伴い要求される液体循環系の循環制御において誤診断をすることなく、液体循環系が正常に機能しない異常状態に陥った場合にのみ、確実に異常状態であることを判定することを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１を用いて、本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明をする。

図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、発電により昇温した燃料電池スタック１を冷却液を循環させることで冷却する冷却系とを備えている。なお、この燃料電池システムは、当該燃料電池システムで発電した電力による走行する車両に搭載されているものとする。

また、図示しないが、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の燃料極であるアノードに水素を供給する水素ガス循環供給系と、燃料電池スタック１の酸化剤極であるカソードに酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気ガス供給系と、燃料電池スタック１からの出力を取り出し負荷へと供給する出力系とを備え、当該燃料電池システムの運転を統括的に制御するシステムコントローラによる制御により要求出力に応じた電力を負荷へと供給することができる。

燃料電池スタック１は、発電単位である単セルを複数積層することで構成され、アノードに燃料ガスとして供給される水素ガスと、カソードに供給される空気ガス中の酸素の化学反応により発電する。例えば、燃料電池スタック１は、電解質として高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などであり、単セルの構造が、高分子電解質膜の両側に触媒層をそれぞれ設け、燃料極、酸化剤極が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）として一体化されている。

冷却系は、冷却液を循環させる冷却液ポンプ２と、外気と冷却液との間で熱交換を行い、冷却液を所望の温度に冷やすラジエータ３、ラジエータファン４と、燃料電池スタック１を通過し、冷却液を供給する冷却液供給配管５と、冷却系の冷却液の循環制御を統括的に担う冷却系コントローラ３０とを備えている。また、冷却液供給配管５には、燃料電池スタック１の入口付近の冷却液圧力を検出する圧力センサ６と、燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度を検出する温度センサ７とを備えている。

また、図示しないが、冷却液供給配管５には、ラジエータ３に補給する冷却液を貯蔵するリザーバタンクが設けられている。

冷却系コントローラ３０は、冷却系を統括的に制御する制御手段である。冷却系コントローラ３０は、例えば、燃料電池システムを統括的に制御するシステムコントローラに組み込むようにしてもよいし、独立した専用の制御装置とするようにしてもよい。

冷却系コントローラ３０は、圧力センサ６、温度センサ７から検出された信号、当該燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出する車速センサ８から出力された信号、大気圧を検出する大気圧センサ９から出力された信号を読み込み、読み込んだ各種信号と、内部に保有する制御ロジック（プログラム）とに基づき、冷却系の冷却液循環制御を実行すると共に、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したかどうかの診断を実行する。

冷却系コントローラ３０は、主に、冷却液循環制御を担う冷却液循環制御処理部１０と冷却液循環制御の異常診断を実行する異常診断処理部２０とからなる。

［冷却液循環制御処理部１０の構成］
冷却液循環制御処理部１０は、冷却液基本流量制御部１１と、冷却液流量増量待ち時間設定部１２と、ポンプ最低回転数設定部１３と、冷却液流量増量部１４と、ポンプ回転数変化率設定部１５とを備えている。

冷却液基本流量制御部１１は、燃料電池スタック１の取出電力に応じて、燃料電池スタック１に循環させる冷却液流量を算出する。そして、冷却液基本流量制御部１１は、算出した冷却液流量とする冷却液ポンプ２の回転数であるポンプ基本回転数を算出する。

冷却液流量増量待ち時間設定部１２は、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度に応じて、冷却液を流量増量させるまでの待ち時間を設定する。

ポンプ最低回転数設定部１３は、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の車速に応じて、冷却液ポンプ２の最低回転数を決定する。そして、ポンプ最低回転数設定部１３は、この最低回転数で冷却液基本流量制御部１１で算出されたポンプ基本回転数の下限を制限する。

冷却液流量増量部１４は、圧力センサ６で検出される燃料電池スタック１の入口付近の冷却液圧力、大気圧センサ９で検出される大気圧、異常診断処理部２０が備える後述する圧力診断閾値設定部２２で設定された圧力診断閾値、冷却液流量増量待ち時間設定部１２で設定された流量増量させるまでの待ち時間に応じて、流量増量をするか否かを判断し、冷却液ポンプ２のポンプ目標回転数を算出する。

ポンプ回転数変化率設定部１５は、冷却液流量増量部１４で算出された冷却液ポンプ２のポンプ目標回転数に対して、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度に応じて回転数の変化率制限を行う。そして、ポンプ回転数変化率設定部１５は、変化率制限をしたポンプ目標回転数実行値で冷却液ポンプ２の回転数が制御されるように冷却液ポンプ２に対して指令を出力する。

[異常診断処理部２０の構成]
異常診断処理部２０は、診断時間設定部２１と、圧力診断閾値設定部２２と、冷却液循環異常診断部２３とを備えている。

診断時間設定部２１は、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度に応じて、当該異常診断処理部２０で実行される冷却液循環異常診断の診断時間を設定する。

圧力診断閾値設定部２２は、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の車速に応じて、当該異常診断処理部２０で実行される冷却液循環異常診断において用いられる圧力診断閾値を設定する。

冷却液循環異常診断部２３は、診断時間設定部２１で設定された診断時間、圧力診断閾値設定部２２で設定された圧力診断閾値、圧力センサ６で検出される燃料電池スタック１の入口付近の冷却液圧力、大気圧センサ９で検出される大気圧に応じて、冷却液の循環異常を診断する。

［冷却系コントローラ３０のよる冷却系の制御処理動作］
続いて、図４乃至図６に示すフローチャートを用いて、このような構成の冷却系コントローラ３０により実行される冷却系の冷却液循環制御処理動作、並びに冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したかどうかの診断処理動作について説明をする。この冷却系コントローラ３０による冷却系の制御処理動作について説明するにあたり、冷却液循環制御処理部１０と異常診断処理部２０とは、それぞれ図２、図３に示す機能を有しているとして説明をする。

（冷却液基本流量制御部１１、ポンプ最低回転数設定部１３の処理動作）
まず、図４に示すフローチャートを用いて、燃料電池システムの冷却系が正常である場合の冷却液基本流量制御部１１、ポンプ最低回転数設定部１３による冷却液ポンプ２の目標ポンプ回転数を算出する処理動作について説明をする。

まず、ステップＳ１において、冷却液基本流量制御部１１は、燃料電池スタック１を参照して取出（取り出し）電力Ｗ１の値を取得する。

ステップＳ２おいて、冷却液基本流量制御部１１は、ステップＳ１で取得した燃料電池スタック１の取出電力Ｗ１の大きさに応じて、冷却液基本流量Ｑ１を算出する。

例えば、図２に示すように、冷却液基本流量制御部１１は、取出電力と冷却液基本流量とを対応付けたマップデータＭ１をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ１を用いて取出電力Ｗ１から冷却液基本流量Ｑ１を算出することができる。図２に示すように、取出電流と冷却液基本流量とは、取出電力が大きくなるほど、冷却性能が要求されるため冷却液基本流量も大きくなるというような関係になっている。

ステップＳ３において、冷却液基本流量制御部１１は、ステップＳ１で算出した冷却液基本流量Ｑ１から、冷却液ポンプ２のポンプ基本回転数Ｒ２を算出する。

例えば、図２に示すように、冷却液基本流量制御部１１は、冷却液基本流量とポンプ基本回転数とを対応付けたマップデータＭ２をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ２を用いて冷却液基本流量Ｑ１からポンプ基本回転数Ｒ２を算出することができる。

ステップＳ４において、ポンプ最低回転数設定部１３は、車速センサ８を参照して、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の現在の車速ｖ１を取得する。

ステップＳ５において、ポンプ最低回転数設定部１３は、ステップＳ４で取得された車速ｖ１に応じた冷却液ポンプ２の最低回転数であるポンプ最低回転数Ｒ３を算出する。

このステップＳ５で算出されるポンプ最低回転数Ｒ３は、燃料電池スタック１から取り出す取出電力が低い時、後述の処理において圧力診断閾値設定部２２で算出される圧力診断閾値に対する冷却液圧力の余裕分に対応するものである。

このポンプ最低回転数Ｒ３を小さく設定しすぎると、外乱による影響を受けやすくなってしまうため、頻繁に冷却液の流量を増量させる必要が出てきてしまう。したがって、ポンプ最低回転数Ｒ３は、流量増量頻度と、燃費・騒音性能に応じてバランスよく決定する必要がある。

例えば、図２に示すように、ポンプ最低回転数設定部１３は、車速とポンプ最低回転数とを対応付けたマップデータＭ３をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ３を用いて車速ｖ１からポンプ最低回転数Ｒ３を算出することができる。図２に示すように、ポンプ最低回転数Ｒ３は、車速に応じて２５００［ｒｐｍ］、又は３５００［ｒｐｍ］のいずれかが選択されるようになっている。

ステップＳ６において、ポンプ最低回転数設定部１３は、ステップＳ３で算出したポンプ基本回転数Ｒ２と、ステップＳ５で算出したポンプ最低回転数Ｒ３とを比較し、高い方の値を選択して冷却液ポンプ２の目標ポンプ回転数とする。ポンプ最低回転数設定部１３における、このステップＳ６の処理は、図２においてセレクタＳＥＬ１によるセレクトハイの選択として機能的に示すことができる。

ポンプ最低回転数設定部１３は、ポンプ基本回転数Ｒ２がポンプ最低回転数Ｒ３よりも大きい場合、ステップＳ７へと処理を進め、ポンプ基本回転数Ｒ２がポンプ最低回転数Ｒ３以下の場合、ステップＳ８へと処理を進める。

ステップＳ７において、ポンプ最低回転数設定部１３は、セレクタＳＥＬ１でポンプ基本回転数Ｒ２が選択されたことに応じて、ポンプ基本回転数Ｒ２をポンプ目標回転数Ｒ１とし、冷却液流量増量部１４へ出力する。

ステップＳ８において、ポンプ最低回転数設定部１３は、セレクタＳＥＬ１でポンプ最低回転数Ｒ３が選択されたことに応じて、ポンプ最低回転数Ｒ３をポンプ目標回転数Ｒ１とし、冷却液流量増量部１４へ出力する。

（冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３の処理動作）
次に、図５に示すフローチャートを用いて、冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３を中心とした、冷却系の冷却液循環制御の異常診断処理、異常診断された際の流量増量処理について説明をする。

ステップＳ１１において、冷却液循環異常診断部２３は、圧力センサ６を参照して、圧力センサ６で検出される燃料電池スタック１の入口付近の冷却液圧力Ｐ０を取得する。この圧力センサ６で検出される冷却液圧力Ｐ０は、大気圧分も含んだ値となっている。

ステップＳ１２において、冷却液循環異常診断部２３は、大気圧センサ９を参照して、大気圧センサ９で検出される大気圧Ｐ１を取得する。

ステップＳ１３において、圧力診断閾値設定部２２は、車速センサ８を参照して、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の現在の車速ｖ１を取得する。

ステップＳ１４において、圧力診断閾値設定部２２は、ステップＳ１３で取得された車速ｖ１に応じた圧力診断閾値Ｐ２を算出する。

圧力診断閾値は、車両の発進時や停止付近での車速が遅い場合、逆にある程度速い場合、それぞれに対応する値が求まるように車速と関係付けられている。この圧力診断閾値は、冷却系を循環する冷却液の循環流量に対応した圧力に、外乱要素の圧力換算値を加算したものである。車速が遅い場合には、平坦路で停車状態にある車両の冷却液の循環流量に対応した圧力に、外乱要素として勾配路や圧力センサの精度などに応じた圧力変動分を考慮して求めればよい。一方、車速が速い場合には、外乱要素として加速度による圧力変動分をさらに考慮して求めることになる。

例えば、図３に示すように、圧力診断閾値設定部２２は、車速と圧力診断閾値とを対応付けたマップデータＭ４をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ４を用いて車速ｖ１から圧力診断閾値Ｐ２を算出することができる。図３に示すように、圧力診断閾値Ｐ２は、車速に応じて、１３［ｋｐａ］、又は２６［ｋｐａ］のいずれかが選択されるようになっている。

また、圧力診断閾値設定部２２は、車両発進時において、あらかじめ設定した所定の車速を超えてからの経過時間に応じて圧力診断閾値Ｐ２を高くするようにしてもよい。このように、経過時間に応じて圧力診断閾値Ｐ２を高くすると、冷却液ポンプ２の応答遅れを吸収することができるため、後述する冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したかどうかの診断において誤診断を防止することができる。

圧力診断閾値設定部２２は、算出した圧力診断閾値Ｐ２を冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３へと出力する。

ステップＳ１５において、冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３は、ステップＳ１４で算出した圧力診断閾値Ｐ２にステップＳ１２で取得した大気圧Ｐ１を加算して、大気圧分を考慮した圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を算出する。そして、この圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）とステップＳ１１で取得した現在の冷却液圧力Ｐ０との大小を比較し、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したかどうかを判定する。

冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３は、冷却液圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）よりも大きい場合（Ｐ０＞Ｐ１＋Ｐ２）、冷却系の冷却液循環制御は正常であるとしてステップＳ１６へと処理を進める。一方、冷却液圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）以下である場合（Ｐ０≦Ｐ１＋Ｐ２）、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生した可能性があるとしてステップＳ１７へと処理を進める。

冷却液流量増量部１４における、このステップＳ１５の処理は、図２においてスイッチＳＷ１による選択として機能的に示すことができる。

ステップＳ１６において、冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３は、冷却系の冷却液循環制御が正常であると判定したことに応じて、異常診断の判定フラグを正常であること示す“ゼロ（ｆｌａｇ＝０）”とし、診断経過時間を“ゼロ（Ｔ１＝０）”とする。このステップＳ１６の処理は、例えば、前回の処理ループにおけるステップＳ１５の診断処理により、冷却液圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を下回ったと判定され、その後冷却液循環流量の増量により圧力が回復、又は自然に圧力が回復した場合などに経由する処理である。

ステップＳ１７において、冷却液流量増量部１４、冷却液循環異常診断部２３は、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したと判定をしたことに応じて、異常診断の判定フラグを異常であることを示す“１（ｆｌａｇ＝１）”とし、冷却液圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）以下となってからの経過時間を診断経過時間としてカウントする。ここでの診断経過時間Ｔ１は、前回の判定時点における診断経過時間Ｔ１に、今回判定するまでに要した時間間隔Δｔを加算した時間（Ｔ１＝Ｔ１＋Δｔ）となっている。

ステップＳ１８において、冷却液流量増量待ち時間設定部１２、診断時間設定部２１はは、それぞれ温度センサ７を参照して、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度ｕ１を取得する。

ステップＳ１９において、冷却液流量増量待ち時間設定部１２は、ステップＳ１８で取得した冷却液温度ｕ１から、冷却液圧力Ｐ０が継続して圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）以下となった場合に、冷却液流量を増量することなく待ち続けることができる時間である冷却液流量増量待ち時間Ｔ２を算出する。

冷却液流量増量待ち時間設定部１２は、ステップＳ１８で取得した冷却液温度ｕ１から燃料電池スタック１内部の温度を推定し、この推定した燃料電池スタック１内部の温度が、燃料電池スタック１の耐熱温度となるまでどの程度の余裕があるのかを考慮して冷却液流量増量待ち時間Ｔ２を算出する。

例えば、図２に示すように、冷却液流量増量待ち時間設定部１２は、冷却液温度と冷却液増量待ち時間とを対応付けたマップデータＭ５をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ５を用いて冷却液温度ｕ１から冷却液流量増量待ち時間Ｔ２を算出することができる。

冷却液流量待ち時間設定部１２は、算出した冷却液流量増量待ち時間Ｔ２を冷却液流量増量部１４へと出力する。

ステップＳ２０において、診断時間設定部２１は、ステップＳ１８で取得した冷却液温度ｕ１から、燃料電池スタック１が冷却液の循環流量の低下を許容することができる診断時間Ｔ３を算出する。

診断時間設定部２１は、ステップＳ１８で取得した冷却液温度ｕ１から燃料電池スタック１内部の温度を推定し、この推定した燃料電池スタック１内部の温度が、燃料電池スタック１の耐熱温度となるまでどの程度の余裕があるのかを考慮して診断時間Ｔ３を算出する。ただし、上述した冷却液流量増量待ち時間Ｔ２と比較してＴ３＞Ｔ２となるように算出する。

例えば、図３に示すように、診断時間設定部２１は、冷却液温度と診断時間とを対応付けたマップデータＭ６をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ６を用いて冷却液温度ｕ１から診断時間Ｔ３を算出することができる。

診断時間設定部２１は、算出した診断時間Ｔ３を冷却液循環異常診断部２３へと出力する。

ステップＳ２１において、冷却液流量増量部１４は、ステップＳ１７でカウントが開始された診断経過時間Ｔ１と、ステップＳ１９で算出した冷却液流量増量待ち時間Ｔ２とを比較する。冷却液流量増量部１４は、診断経過時間Ｔ１が冷却液流量増量待ち時間Ｔ２よりも大きい場合、冷却液循環異常診断部２３による処理であるステップＳ２２へと移行させ、診断経過時間Ｔ１が冷却液流量増量待ち時間Ｔ２以下の場合、後述するポンプ回転数変化率設定部１５による処理へと進める。

ステップＳ２２において、冷却液循環異常診断部２３は、ステップＳ１７でカウントが開始された診断経過時間Ｔ１と、ステップＳ２０で算出した診断時間Ｔ３とを比較する。冷却液循環異常診断部２３は、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３よりも大きい場合、ステップＳ２３へと処理を進め、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３以下の場合、冷却液流量増量部１４による処理であるステップＳ２４へと移行させる。

ステップＳ２３において、冷却液循環異常診断部２３は、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３よりも大きいことに応じて、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したとして、システムを停止させるなどの循環異常対応処理へと処理を移行させる。循環異常対応処理は、例えば、警告音などを発することで異常が発生したことを報知したり、発電処理動作を停止させるといった処理である。

ステップＳ２４において、冷却液流量増量部１４は、流量増量時のポンプ回転数である
流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４を参照する。流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４は、あらかじめ設定された値であり、例えば、４５００［ｒｐｍ］などとする。

ステップＳ２５において、冷却液流量増量部１４は、ステップＳ２４で参照した流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４とポンプ目標回転数Ｒ１とを比較する。

冷却液流量増量部１４は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４がポンプ目標回転数Ｒ１よりも大きい場合、ステップＳ２６へと処理を進め、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４がポンプ目標回転数Ｒ１以下の場合、後述するポンプ回転数変化率設定部１５による処理へと進める。

このステップＳ２５の比較処理は、燃料電池スタック１から取り出す取り出し電力が大きく、要求される冷却能力が高い場合、つまり、あらかじめ設定されている流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４よりも、ポンプ目標回転数Ｒ１の方が大きい場合に、低い方の回転数である流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４へと切り替わってしまうことで、充分な冷却処理が実行できなくなることを回避するための処理である。

冷却液流量増量部１４における、このステップＳ２５の処理は、図２においてセレクタＳＥＬ２によるセレクトハイの選択として機能的に示すことができる。

ステップＳ２６において、冷却液流量増量部１４は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４を、ポンプ目標回転数Ｒ１とする。これにより、冷却液ポンプ２は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４とされたポンプ目標回転数Ｒ１で駆動されることになり、圧力が低下した冷却能力の低下に際し、冷却液の流量増量を図ることができる。このとき冷却液の流量増量は、所定の時間、例えば、５秒間などというように所定の時間だけ行うようにする。

（ポンプ回転数変化率設定部１５の処理）
続いて、図６に示すフローチャートを用いて、ポンプ回転数変化率設定部１５の処理動作について説明をする。

図５に示すフローチャートを用いて説明したように、冷却液ポンプ２のポンプ目標回転数Ｒ１が算出されると、実際に冷却液ポンプ２を駆動させるためのポンプ目標回転数実行値を算出する処理へと移行する。この処理は、ポンプ回転数変化率設定部１５によって実行される。

ステップＳ３１において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、現在のポンプ目標回転数実行値Ｒ０を参照し取得する。

ステップＳ３２において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、温度センサ７を参照して、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度ｕ１を取得する。

ステップＳ３３において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、ステップＳ３２で取得した冷却液温度ｕ１から、回転数を上げていく傾きを制限する回転数変化率制限値Ｈ１を算出する。

回転数変化率制限値Ｈ１は、燃料電池スタック１の冷却液の温度が高いほど高い値となるように算出される。上述した圧力診断閾値の設定手法では、冷却液の温度が高いほど、燃料電池スタック１から要求される冷却能力も高くなり、診断時間が短くなり、圧力診断閾値も高い設定となる。

この時に冷却液ポンプ２の回転数変化率制限値を低く設定してしまうと、冷却液ポンプ２が正常な状態でも流量増量によって圧力が回復する時間が診断時間に間に合わず、冷却液循環異常であると誤診断されてしまう可能性がある。そこで、温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の出口付近の冷却液温度ｕ１が高いほど、冷却液ポンプ２の回転数変化率制限値Ｈ１を引き上げ誤診断を防止する。

例えば、図２に示すように、ポンプ回転数変化率設定部１５は、冷却液温度と回転数変化率制限値とを対応付けたマップデータＭ７をあらかじめ取得し設定しておくことで、このマップデータＭ７を用いて冷却液温度ｕ１から回転数変化率制限値Ｈ１を算出することができる。

ステップＳ３４において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、ポンプ目標回転数Ｒ１と、ステップＳ３１で取得した現在のポンプ目標回転数実行値Ｒ０とを用いてポンプ回転数の変化率を算出し、回転数変化率制限値Ｈ１と比較をすることで、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅の大きさを判定する。

ポンプ回転数の変化率は、ポンプ目標回転数Ｒ１からポンプ目標回転数実行値Ｒ０を減算し、ステップＳ１７で用いた時間間隔Δｔで除算することで以下に示す（１）式のように求めることができる。

ポンプ回転数の変化率＝（Ｒ１−Ｒ０）／Δｔ ・ ・ ・（１）

次に、ポンプ回転数変化率設定部１５は、（１）式により算出されたポンプ回転数の変化率の絶対値と、ステップＳ３３で算出した変化率制限値Ｈ１とを比較する。ポンプ回転数変化率設定部１５は、ポンプ回転数の変化率の絶対値が、変化率制限値Ｈ１よりも大きい場合には、ステップＳ３５へと処理を進め、変化率制限値Ｈ１よりも小さい場合には、ステップＳ３６へと処理を進める。

ステップＳ３５において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅が、変化率制限値Ｈ１より大きな変化幅であったことに応じて、以下に示す（２）式のようにして、ポンプ回転数変化率幅（Ｈ１×Δｔ）でポンプ目標回転数実行値Ｒ０を増減させることで、新たなポンプ目標回転数Ｒ１を算出する。

Ｒ１＝Ｒ０＋（Ｒ１−Ｒ０）／｜Ｒ１−Ｒ０｜×Ｈ１×Δｔ ・ ・ ・（２）

ステップＳ３６において、ポンプ回転数変化率設定部１５は、ステップＳ３５を経由した場合、（２）式で算出されたポンプ目標回転数Ｒ１を、ポンプ目標回転数実行値Ｒ０とする。

また、ステップＳ３４において、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅が変化率制限値Ｈ１内での変化幅と判定された場合、ポンプ回転数変化率設定部１５は、ポンプ目標回転数Ｒ１をそのままポンプ目標回転数実行値Ｒ０とする。

ステップＳ３７において、ポンプ回転数変化率設定部１５で算出されたポンプ目標回転数実行値Ｒ０は、冷却液ポンプ２を制御する図示しないシステムコントローラなどに出力される。図示しないシステムコントローラは、このポンプ目標回転数実行値Ｒ０で規定される回転数となるように冷却液ポンプ２を駆動させる。

［具体的な制御処理動作］
続いて、図７、図８に示すタイミングチャートを用いて、上述した図４乃至図６に示すフローチャートに基づく制御処理を実行した例について説明をする。

図７に示すタイミングチャートでは、車両が減速した際の減速加速度の影響により冷却液の圧力が下がったため、冷却液流量を増量した際の制御処理に用いられる各パラメータの時間変化を示している。

図７（ａ）では、圧力センサ６で検出される冷却液圧力Ｐ０を、図７（ｂ）では、冷却液循環異常診断部２３による診断結果である診断フラグを、図７（ｃ）では、診断経過時間Ｔ１を、図７（ｄ）では、ポンプ目標回転数実行値Ｒ０を、図７（ｅ）では、車速ｖ１をそれぞれ示している。

図７（ａ）に示すように、時間ｔ０では、冷却液圧力Ｐ０は、大気圧Ｐ１を考慮した圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）より高く正常な状態を示している。冷却液圧力Ｐ０は、車両の減速開始と同時に減速加速度の影響で低下し始め、時間ｔ１のとき、圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を下回る。

これに応じて、図７（ｂ）に示すように、時間ｔ１において診断フラグを“０”から“１”へと立ち上げ、診断経過時間Ｔ１のカウントを開始する。このとき、診断経過時間Ｔ１がポンプ流量増量待ち時間Ｔ２に達するまで、図７（ｄ）に示すように、ポンプ目標回転数実行値Ｒ０を引き上げない。

次に、時間ｔ２を過ぎ、Ｔ１＞Ｔ２となったことに応じて、図７（ｄ）に示すようにポンプ目標回転数実行値Ｒ０の引き上げが開始される。これに応じた、冷却液の流量増量により、図７（ａ）に示すように、冷却液圧力Ｐ０が回復し始める。

そして、冷却液ポンプ２を含めた冷却液循環ライン、つまり冷却系に異常がなければ、図７（ａ）、（ｃ）に示すように、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３に達する前に、冷却液圧力Ｐ０が回復して圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を超えることになる。

図７に示す例では、時間ｔ３を境に圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を超えるので、図７（ｂ）に示すように診断フラグを“０”に戻し、図７（ｃ）に示すように診断経過時間Ｔ１も“０”とする。そして、図７（ｄ）に示すように、ポンプ目標回転数実行値Ｒ０も流量増量を停止するように制御される。

図７では、図７（ｅ）に示すように、車速ｖ１を“０”となるまで減速させた状態まで示している。この場合、車速ｖ１が、車両が停車する付近に近付いた時間ｔ５において、図７（ａ）に示すように、Ｐ２を下げるように切り替えることで圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を下げ、図７（ｄ）に示すようにポンプ目標回転数実行値Ｒ０も下げている。結果として、図７（ａ）に示すように、冷却液圧力Ｐ０も低下している。

一方、図８に示したタイミングチャートは、図７に示したタイミングチャートでは、時間ｔ３において、冷却液圧力Ｐ０が回復して圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を超えたの対し、冷却液圧力Ｐ０が診断時間Ｔ３を経過しても回復していない様子を示している。

このような場合、図８（ｃ）に示すように診断経過時間Ｔ１が、診断時間Ｔ３に達した時間ｔ４となったことに応じて、冷却液循環異常診断部２３は、冷却液循環ライン、つまり冷却系に異常が発生したと判定して、警告や発電停止といった循環異常対応処理へと移行する。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムは、図４乃至図６に示すフローチャートに示した制御処理を実行することにより、圧力センサ６によって検出される燃料電池スタック１の入口付近の冷却液圧力と、圧力診断閾値との比較結果に応じて、冷却系の冷却液循環制御に異常が発生したかどうかを判定して、異常が発生した場合には、循環異常対応処理を実行することができる。

このとき、冷却液圧力が低下したらすぐに異常が発生したと判定するのではなく、所定の診断時間Ｔ３までの間に、冷却液ポンプ２の回転数を所定時間だけ上げて冷却液の循環流量を増量し回復するかどうかを監視する。これにより、冷却液ポンプ２が稼働するかどうかを検証できると共に、冷却液圧力の回復がみられた場合には、勾配路などでの車両の傾きや加速度といった外乱により一時的に圧力が低下したと判断できるため、これらの外乱要素に応答することなく誤診断を防止することができる。

また、冷却液の循環流量を増量するために冷却液ポンプ２の回転数を上げる時間を所定の時間とすることで、消費電力の削減、冷却液ポンプ２の耐久性向上、冷却液ポンプ２の稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

さらに、診断時間Ｔ３の間に冷却液圧力の回復がみられた場合には、循環流量を増量する必要がないため、冷却液ポンプ２を停止させる。これにより、消費電力の削減、冷却液ポンプ２の耐久性向上、冷却液ポンプ２の稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

さらに、冷却液ポンプ２の回転数を上げて循環流量を増量するまでに、冷却液流量増量待ち時間Ｔ２を設け、低下した冷却液圧力が冷却液流量増量待ち時間Ｔ２の間に回復するかどうかを監視する。これにより、外乱要素などによる一時的な冷却液圧力の低下時には、この冷却液流量増量待ち時間Ｔ２の間に回復される可能性があるため、無駄に冷却液ポンプ２を稼働させる必要がなく、消費電力の削減、冷却液ポンプ２の耐久性向上、冷却液ポンプ２の稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

診断時間Ｔ３、冷却液流量増量待ち時間Ｔ２は、燃料電池スタック１の出口付近において温度センサ７により検出される冷却液温度に応じて、冷却液温度が低いほど長くなるように、冷却液温度が高いほど短くなるように設定されるため、燃料電池スタック１の耐熱性を考慮しながらも、異常状態となったかどうかを判定することができる。

さらに、温度センサ７で検出される冷却液温度が高いほど、または診断時間が短いほど、ポンプ目標回転数Ｒ１へとポンプ目標回転数実行値Ｒ０を変化させる変化率を制限する変化率制限値Ｈ１を高くすることで、冷却液ポンプ２の応答性を上げる。これにより、冷却系の異常状態を早急に判定したい状況での応答を高め、異常状態の判定処理の信頼性を確保することができる。また、状況に応じて冷却液ポンプ２の回転数制御がなされるため、消費電力の削減、冷却液ポンプ２の耐久性向上、冷却液ポンプ２の稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

また、当該燃料電池システムを車両に搭載した場合、車速に応じて、例えば、車速が遅い際には圧力診断閾値を低く設定し、車速が速くなるのに応じて圧力診断閾値を高く設定することで、外乱要素によって与えられる圧力変動の幅を考慮した最適な異常状態の判定処理を実行することができる。これにより、冷却液ポンプ２を効率的に稼働することができる。

また、車速が停車付近の所定の車速より速くなってからの経過時間に応じて、圧力診断閾値を高く設定することで、冷却液ポンプ２の駆動の応答遅れが吸収されるため誤診断を防止することができる。

さらに、車速が遅い際には、冷却液の循環流量の増量もそれほど必要がないため、冷却液ポンプ２の最低回転数を低く設定することで、異常状態を判定する際の精度を確保しながら、消費電力の削減、冷却液ポンプ２の耐久性向上、冷却液ポンプ２の稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

［第２の実施の形態］
続いて、図９を用いて、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムについて説明をする。図９に、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、基本的には、図１を用いて説明した本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムと同様の構成である。

したがって、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１以外に、図示しないが、燃料電池スタック１の燃料極であるアノードに水素を供給する水素ガス循環供給系と、燃料電池スタック１の酸化剤極であるカソードに酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気ガス供給系と、発電により昇温した燃料電池スタック１を冷却液を循環させることで冷却する冷却系と、燃料電池スタック１からの出力を取り出し負荷へと供給する出力系とを備え、当該燃料電池システムの運転を統括的に制御するシステムコントローラによる制御により要求出力に応じた電力を負荷へと供給することができる。

図９に示すように、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の高分子電解質膜に水分供給をし、高分子電解質膜のイオン輸送能力を低下させることなく良好なイオン伝導性を保つように水分管理を行う加湿系を備えている。本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、上述した冷却系と同様の制御処理をこのような加湿系にて実現するものである。

加湿系は、純水を循環させる純水ポンプ４１と、純水を貯蔵する純水タンク４２と、燃料電池スタック１に純水を供給する純水供給配管４３と、加湿系の純水の循環制御を統括的に担う加湿系コントローラ５０とを備えている。また、純水供給配管４３には、燃料電池スタック１の入口付近の純水圧力を検出する圧力センサ４４を備えている。

加湿系コントローラ５０は、加湿系を統括的に制御する制御手段である。加湿系コントローラ５０は、例えば、燃料電池システムを統括的に制御するシステムコントローラに組み込むようにしてもよいし、独立した専用の制御装置とするようにしてもよい。

加湿系コントローラ５０は、圧力センサ４４から検出された信号、当該燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出する車速センサ８から出力された信号、大気圧を検出する大気圧センサ９から出力された信号を読み込み、読み込んだ各種信号と、内部に保有する制御ロジック（プログラム）とに基づき、加湿系の純水循環制御を実行すると共に、加湿系の純水循環制御に異常が発生したかどうかの診断を実行する。

加湿系コントローラ５０は、主に、純水循環制御を担う純水循環制御処理部６０と純水循環制御の異常診断を実行する異常診断処理部７０とからなる。

［純水循環制御処理部６０の構成］
純水循環制御処理部６０は、純水基本流量制御部６１と、ポンプ最低回転数設定部６３と、純水流量増量部６４と、ポンプ回転数変化率設定部６５とを備えている。

純水基本流量制御部６１は、燃料電池スタック１の取出電力に応じて、燃料電池スタック１に循環させる純水流量を算出する。そして、純水基本流量制御部６１は、算出した純水流量とする純水ポンプ４１の回転数である基本ポンプ回転数を算出する。

ポンプ最低回転数設定部６３は、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の車速に応じて、純水ポンプ４１の最低回転数を決定する。そして、ポンプ最低回転数設定部６３は、この最低回転数で純水基本流量制御部６１で算出された基本ポンプ回転数の下限を制限する。

純水流量増量部６４は、圧力センサ４４で検出される燃料電池スタック１の入口付近の純水圧力、大気圧センサ９で検出される大気圧、異常診断処理部７０が備える後述する圧力診断閾値設定部７１で設定された圧力診断閾値に応じて、流量増量をするか否かを判断し、純水ポンプ４１の目標ポンプ回転数を算出する。

ポンプ回転数変化率設定部６５は、純水流量増量部６４で算出された純水ポンプ４１の目標ポンプ回転数に対して回転数の変化率制限を行う。そして、ポンプ回転数変化率設定部６５は、変化率制限をした目標ポンプ回転数実行値で純水ポンプ４１の回転数が制御されるように純水ポンプ４１に対して指令を出力する。

[異常診断処理部７０の構成]
異常診断処理部７０は、圧力診断閾値設定部７１と、純水循環異常診断部７２とを備えている。

圧力診断閾値設定部７１は、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の車速に応じて、当該異常診断処理部７０で実行される純水循環異常診断において用いられる圧力診断閾値を設定する。

純水循環異常診断部７２は、圧力診断閾値設定部７１で設定された圧力診断閾値、圧力センサ４４で検出される燃料電池スタック１の入口付近の純水圧力、大気圧センサ９で検出される大気圧に応じて、純水の循環異常を診断する。

［加湿系コントローラ５０のよる加湿系の制御処理動作］
続いて、図１０乃至図１２に示すフローチャートを用いて、このような構成の加湿系コントローラ５０により実行される加湿系の純水循環制御処理動作、並びに加湿系の純水循環制御に異常が発生したかどうかの診断処理動作について説明をする。

（純水基本流量制御部６１、ポンプ最低回転数設定部６３の処理動作）
まず、図１０に示すフローチャートを用いて、燃料電池システムの加湿系が正常である場合の純水基本流量制御部６１、ポンプ最低回転数設定部６３による純水ポンプ４１の目標ポンプ回転数を算出する処理動作について説明をする。

まず、ステップＳ４１において、純水基本流量制御部６１は、燃料電池スタック１を参照して取出（取り出し）電力Ｗ１の値を取得する。

ステップＳ４２おいて、純水基本流量制御部６１は、ステップＳ４１で取得した燃料電池スタック１の取出電力Ｗ１の大きさに応じて、純水基本流量Ｑ１を算出する。

ステップＳ４３において、純水基本流量制御部６１は、ステップＳ４１で算出した純水基本流量Ｑ１から、純水ポンプ４１のポンプ基本回転数Ｒ２を算出する。

ステップＳ４４において、ポンプ最低回転数設定部６３は、車速センサ８を参照して、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の現在の車速ｖ１を取得する。

ステップＳ４５において、ポンプ最低回転数設定部６３は、ステップＳ４４で取得された車速ｖ１に応じた純水ポンプ４１の最低回転数であるポンプ最低回転数Ｒ３を算出する。

このステップＳ４５で算出されるポンプ最低回転数Ｒ３は、燃料電池スタック１から取り出す取出電力が低い時、後述の処理において圧力診断閾値設定部７１で算出される圧力診断閾値に対する純水圧力の余裕分に対応するものである。

このポンプ最低回転数Ｒ３を小さく設定しすぎると、外乱による影響を受けやすくなってしまうため、頻繁に純水の流量を増量させる必要が出てきてしまう。したがって、ポンプ最低回転数Ｒ３は、流量増量頻度と、燃費・騒音性能に応じてバランスよく決定する必要がある。

ステップＳ４６において、ポンプ最低回転数設定部６３は、ステップＳ４３で算出したポンプ基本回転数Ｒ２と、ステップＳ４５で算出したポンプ最低回転数Ｒ３とを比較し、高い方の値を選択して純水ポンプ４１の目標ポンプ回転数とする。

ポンプ最低回転数設定部６３は、ポンプ基本回転数Ｒ２がポンプ最低回転数Ｒ３よりも大きい場合、ステップＳ４７へと処理を進め、ポンプ基本回転数Ｒ２がポンプ最低回転数Ｒ３以下の場合、ステップＳ４８へと処理を進める。

ステップＳ４７において、ポンプ最低回転数設定部６３は、ポンプ基本回転数Ｒ２をポンプ目標回転数Ｒ１とし、純水流量増量部６４へ出力する。

ステップＳ４８において、ポンプ最低回転数設定部６３は、ポンプ最低回転数Ｒ３をポンプ目標回転数Ｒ１とし、純水流量増量部６４へ出力する。

（純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２の処理動作）
次に、図１１に示すフローチャートを用いて、純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２を中心とした、加湿系の純水循環制御の異常診断処理、異常診断された際の流量増量処理について説明をする。

ステップＳ５１において、純水循環異常診断部７２は、圧力センサ４４を参照して、圧力センサ４４で検出される燃料電池スタック１の入口付近の純水圧力Ｐ０を取得する。この圧力センサ４４で検出される純水圧力Ｐ０は、大気圧分も含んだ値となっている。

ステップＳ５２において、純水循環異常診断部７２は、大気圧センサ９を参照して、大気圧センサ９で検出される大気圧Ｐ１を取得する。

ステップＳ５３において、圧力診断閾値設定部７１は、車速センサ８を参照して、車速センサ８で検出される燃料電池システムが搭載された車両の現在の車速ｖ１を取得する。

ステップＳ５４において、圧力診断閾値設定部７１は、ステップＳ５３で取得された車速ｖ１に応じた圧力診断閾値Ｐ２を算出する。

圧力診断閾値は、車両の発進時や停止付近での車速が遅い場合、逆にある程度速い場合、それぞれに対応する値が求まるように車速と関係付けられている。この圧力診断閾値は、加湿系を循環する純水の循環流量に対応した圧力に、外乱要素の圧力換算値を加算したものである。車速が遅い場合には、平坦路で停車状態にある車両の純水の循環流量に対応した圧力に、外乱要素として勾配路や圧力センサの精度などに応じた圧力変動分を考慮して求めればよい。一方、車速が速い場合には、外乱要素として加速度による圧力変動分をさらに考慮して求めることになる。

また、圧力診断閾値設定部７１は、車両発進時において、あらかじめ設定した所定の車速を超えてからの経過時間に応じて圧力診断閾値Ｐ２を高くするようにしてもよい。このように、経過時間に応じて圧力診断閾値Ｐ２を高くすると、純水ポンプ４１の応答遅れを吸収することができるため、後述する加湿系の純水循環制御に異常が発生したかどうかの診断において誤診断を防止することができる。

圧力診断閾値設定部７１は、算出した圧力診断閾値Ｐ２を純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２へと出力する。

ステップＳ５５において、純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２は、ステップＳ５４で算出した圧力診断閾値Ｐ２にステップＳ５２で取得した大気圧Ｐ１を加算して、大気圧分を考慮した圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を算出する。そして、この圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）とステップＳ５１で取得した現在の純水圧力Ｐ０との大小を比較し、加湿系の純水循環制御に異常が発生したかどうかを判定する。

純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２は、純水圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）よりも大きい場合（Ｐ０＞Ｐ１＋Ｐ２）、加湿系の純水循環制御は正常であるとしてステップＳ５６へと処理を進める。一方、純水圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）以下である場合（Ｐ０≦Ｐ１＋Ｐ２）、加湿系の純水循環制御に異常が発生した可能性があるとしてステップＳ５７へと処理を進める。

ステップＳ５６において、純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２は、加湿系の純水循環制御が正常であると判定したことに応じて、異常診断の判定フラグを正常であること示す“ゼロ（ｆｌａｇ＝０）”とし、診断経過時間を“ゼロ（Ｔ１＝０）”とする。このステップＳ５６の処理は、例えば、前回の処理ループにおけるステップＳ５５の診断処理により、純水圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）を下回ったと判定され、その後純水循環流量の増量により圧力が回復、又は自然に圧力が回復した場合などに経由する処理である。

ステップＳ５７において、純水流量増量部６４、純水循環異常診断部７２は、加湿系の純水循環制御に異常が発生したと判定をしたことに応じて、異常診断の判定フラグを異常であることを示す“１（ｆｌａｇ＝１）”とし、純水圧力Ｐ０が圧力診断閾値（Ｐ１＋Ｐ２）以下となってからの経過時間を診断経過時間としてカウントする。ここでの診断経過時間Ｔ１は、前回の判定時点における診断経過時間Ｔ１に、今回判定するまでに要した時間間隔Δｔを加算した時間（Ｔ１＝Ｔ１＋Δｔ）となっている。

ステップＳ５８において、純水循環異常診断部７２は、あらかじめ設定されている診断時間Ｔ３を参照し取得する。

ステップＳ５９において、純水循環異常診断部７２は、ステップＳ５７でカウントが開始された診断経過時間Ｔ１と、ステップＳ５８で取得した診断時間Ｔ３とを比較する。純水循環異常診断部７２は、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３よりも大きい場合、ステップＳ６０へと処理を進め、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３以下の場合、純水流量増量部６４による処理であるステップＳ６１へと移行させる。

ステップＳ６０において、純水循環異常診断部７２は、診断経過時間Ｔ１が診断時間Ｔ３よりも大きいことに応じて、加湿系の純水循環制御に異常が発生したとして、システムを停止させるなどの循環異常対応処理へと処理を移行させる。循環異常対応処理は、例えば、警告音などを発することで異常が発生したことを報知したり、発電処理動作を停止させるといった処理である。

ステップＳ６１において、純水流量増量部６４は、流量増量時のポンプ回転数である
流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４を参照する。流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４は、例えば、あらかじめ設定された値である。

ステップＳ６２において、純水流量増量部６４は、ステップＳ６１で参照した流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４とポンプ目標回転数Ｒ１とを比較する。

純水流量増量部６４は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４がポンプ目標回転数Ｒ１よりも大きい場合、ステップＳ６３へと処理を進め、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４がポンプ目標回転数Ｒ１以下の場合、後述するポンプ回転数変化率設定部６５による処理へと進める。

このステップＳ６２の比較処理は、燃料電池スタック１から取り出す取り出し電力が大きく、要求される加湿能力が高い場合、つまり、あらかじめ設定されている流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４よりも、ポンプ目標回転数Ｒ１の方が大きい場合に、低い方の回転数である流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４へと切り替わってしまうことで、充分な加湿処理が実行できなくなってしまうことを回避するための処理である。

ステップＳ６３において、純水流量増量部６４は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４を、ポンプ目標回転数Ｒ１とする。これにより、純水ポンプ４１は、流量増量ポンプ目標回転数Ｒ４とされたポンプ目標回転数Ｒ１で駆動されることになり、圧力が低下した加湿能力の低下に際し、純水の流量増量を図ることができる。このとき純水の流量増量は、所定の時間、例えば、５秒間などというように所定の時間だけ行うようにする。

（ポンプ回転数変化率設定部６５の処理）
続いて、図１２に示すフローチャートを用いて、ポンプ回転数変化率設定部６５の処理動作について説明をする。

図１１に示すフローチャートを用いて説明したように、純水ポンプ４１のポンプ目標回転数Ｒ１が算出されると、実際に純水ポンプ４１を駆動させるためのポンプ目標回転数実行値を算出する処理へと移行する。この処理は、ポンプ回転数変化率設定部６５によって実行される。

ステップＳ７１において、ポンプ回転数変化率設定部６５は、現在のポンプ目標回転数実行値Ｒ０を参照し取得する。

ステップＳ７２において、ポンプ回転数変化率設定部６５は、あらかじめ設定された回転数を上げていく傾きを制限する回転数変化率制限値Ｈ１を参照し取得する。

ステップＳ７３において、ポンプ回転数変化率設定部６５は、ポンプ目標回転数Ｒ１と、ステップＳ７１で取得した現在のポンプ目標回転数実行値Ｒ０とを用いてポンプ回転数の変化率を算出し、回転数変化率制限値Ｈ１と比較をすることで、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅の大きさを判定する。

ポンプ回転数の変化率は、ポンプ目標回転数Ｒ１からポンプ目標回転数実行値Ｒ０を減算し、ステップＳ５７で用いた時間間隔Δｔで除算することで以下に示す（３）式のように求めることができる。

ポンプ回転数の変化率＝（Ｒ１−Ｒ０）／Δｔ ・ ・ ・（３）

次に、ポンプ回転数変化率設定部６５は、（３）式により算出されたポンプ回転数の変化率の絶対値と、ステップＳ７２で取得した変化率制限値Ｈ１とを比較する。ポンプ回転数変化率設定部６５は、ポンプ回転数の変化率の絶対値が、変化率制限値Ｈ１よりも大きい場合には、ステップＳ７４へと処理を進め、変化率制限値Ｈ１よりも小さい場合には、ステップＳ７５へと処理を進める。

ステップＳ７４において、ポンプ回転数変化率設定部６５は、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅が、変化率制限値Ｈ１より大きな変化幅であったことに応じて、以下に示す（４）式のようにして、ポンプ回転数変化率幅（Ｈ１×Δｔ）でポンプ目標回転数実行値Ｒ０を増減させることで、新たなポンプ目標回転数Ｒ１を算出する。

Ｒ１＝Ｒ０＋（Ｒ１−Ｒ０）／｜Ｒ１−Ｒ０｜×Ｈ１×Δｔ ・ ・ ・（４）

ステップＳ７５において、ポンプ回転数変化率設定部６５は、ステップＳ７４を経由した場合、（４）式で算出されたポンプ目標回転数Ｒ１を、ポンプ目標回転数実行値Ｒ０とする。

また、ステップＳ７５において、ポンプ目標回転数Ｒ１とポンプ目標回転数実行値Ｒ０との変化幅が変化率制限値Ｈ１内での変化幅と判定された場合、ポンプ回転数変化率設定部６５は、ポンプ目標回転数Ｒ１をそのままポンプ目標回転数実行値Ｒ０とする。

ステップＳ７６において、ポンプ回転数変化率設定部６５で算出されたポンプ目標回転数実行値Ｒ０は、純水ポンプ４１を制御する図示しないシステムコントローラなどに出力される。図示しないシステムコントローラは、このポンプ目標回転数実行値Ｒ０で規定される回転数となるように純水ポンプ４１を駆動させる。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、図１０乃至図１２に示すフローチャートに示した制御処理を実行することにより、圧力センサ４４によって検出される燃料電池スタック１の入口付近の純水圧力と、圧力診断閾値との比較結果に応じて、加湿系の純水循環制御に異常が発生したかどうかを判定して、異常が発生した場合には、循環異常対応処理を実行することができる。

このとき、純水圧力が低下したらすぐに異常が発生したと判定するのではなく、所定の診断時間Ｔ３までの間に、純水ポンプ４１の回転数を所定時間だけ上げて純水の循環流量を増量し回復するかどうかを監視する。これにより、純水ポンプ４１が稼働するかどうかを検証できると共に、純水圧力の回復がみられた場合には、勾配路などでの車両の傾きや加速度といった外乱により一時的に圧力が低下したと判断できるため、これらの外乱要素に応答することなく誤診断を防止することができる。

また、純水の循環流量を増量するために純水ポンプ４１の回転数を上げる時間を所定の時間とすることで、消費電力の削減、純水ポンプ４１の耐久性向上、純水ポンプ４１稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

さらに、診断時間Ｔ３の間に純水圧力の回復がみられた場合には、循環流量を増量する必要がないため、純水ポンプ４１を停止させる。これにより、消費電力の削減、純水ポンプ４１の耐久性向上、純水ポンプ４１稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

また、当該燃料電池システムを車両に搭載した場合、車速に応じて、例えば、車速が遅い際には圧力診断閾値を低く設定し、車速が速くなるのに応じて圧力診断閾値を高く設定することで、外乱要素によって与えられる圧力変動の幅を考慮した最適な異常状態の判定処理を実行することができる。これにより、純水ポンプ４１を効率的に稼働することができる。

また、車速が停車付近の所定の車速より速くなってからの経過時間に応じて、圧力診断閾値を高く設定することで、純水ポンプ４１の駆動の応答遅れが吸収されるため誤診断を防止することができる。

さらに、車速が遅い際には、純水の循環流量の増量もそれほど必要がないため、純水ポンプ４１の最低回転数を低く設定することで、異常状態を判定する際の精度を確保しながら、消費電力の削減、純水ポンプ４１の耐久性向上、純水ポンプ４１稼働により発生する騒音の抑制を図ることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明するための図である。 前記燃料電池システムの冷却系コントローラが備える冷却液循環制御処理部の機能的な構成について示した図である。 前記燃料電池システムの冷却系コントローラが備える異常診断処理部の機能的な構成について示した図である。 冷却液基本流量制御部、ポンプ最低回転数設定部の処理動作について説明するためのフローチャートである。 冷却液流量増量部、冷却液循環異常診断部の処理動作について説明するためのフローチャートである。 ポンプ回転数変化率設定部の処理動作について説明するためのフローチャートである。 冷却液圧力の低下に伴い冷却系の循環制御処理を実行した際の制御例を示すタイミングチャートである。 冷却液圧力の低下に伴い冷却系の循環制御処理を実行した際の制御例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明するための図である。 純水基本流量制御部、ポンプ最低回転数設定部の処理動作について説明するためのフローチャートである。 純水流量増量部、純水循環異常診断部の処理動作について説明するためのフローチャートである。 ポンプ回転数変化率設定部の処理動作について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 冷却液ポンプ
６ 圧力センサ
７ 温度センサ
８ 車速センサ
９ 大気圧センサ
１０ 冷却液循環制御処理部
１１ 冷却液基本流量制御部
１２ 冷却液流量増量待ち時間設定部
１３ ポンプ最低回転数設定部
１４ 冷却液流量増量部
１５ ポンプ回転数変化率設定部
２０ 異常診断処理部
２１ 診断時間設定部
２２ 圧力診断閾値設定部
２３ 冷却液循環異常診断部
３０ 冷却系コントローラ
４１ 純水ポンプ
４４ 圧力センサ
５０ 加湿系コントローラ
６０ 純水循環制御処理部
６１ 純水基本流量制御部
６３ ポンプ最低回転数設定部
６４ 純水流量増量部
６５ ポンプ回転数変化率設定部
７０ 異常診断処理部
７１ 圧力診断閾値設定部
７２ 純水循環異常診断部

Claims (14)

1. 供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する液体の循環流量が、該燃料電池の発電に伴って要求される循環流量となるように、液体循環系の循環制御を行う液体循環制御装置であって、
   前記液体の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段によって検出される、前記循環制御中の前記液体の圧力と、所定の圧力診断閾値とを比較する比較手段と、
   前記比較手段により、液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体の循環流量を増量させる循環流量増量手段と、
   前記循環流量増量手段による循環流量増量後において、前記圧力検出手段にて検出される液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体循環系の機能が低下した異常状態であると判定する異常状態判定手段と、
   を備えることを特徴とする液体循環制御装置。
2. 前記循環流量増量手段は、液体の循環流量を所定の時間だけ増量させることを特徴とする請求項１記載の液体循環制御装置。
3. 前記循環流量増量手段は、液体の循環流量を増量させた後、前記比較手段による比較によって、前記圧力検出手段によって検出された液体の圧力が、前記圧力診断閾値を超えた場合に、液体の循環流量の増量を停止するよう制御すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体循環制御装置。
4. 前記比較手段による比較によって、前記圧力検出手段によって検出された液体の圧力が、所定の診断時間の間、継続して前記圧力診断閾値以下となった場合、
   前記異常状態判定手段は、前記液体循環系の機能が低下した異常状態であると判定すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体循環制御装置。
5. 前記燃料電池システムを車両に搭載した際、
   車速検出手段によって検出される車速に応じて、車速が遅いほど前記圧力診断閾値が小さくなるように設定する圧力診断閾値設定手段を備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液体循環制御装置。
6. 前記圧力診断閾値設定手段は、前記車速検出手段によって検出される車速が、停車付近の所定の車速以下となった場合に第１の圧力診断閾値を設定し、
   前記停車付近の所定の車速よりも速い車速になった場合に、前記第１の圧力診断閾値よりも高い第２の圧力診断閾値を設定すること
   を特徴とする請求項５記載の液体循環制御装置。
7. 前記圧力診断閾値設定手段は、前記車速検出手段によって検出される車速が、前記停車付近の所定の車速よりも速い車速になった場合、経過時間に応じて、前記第２の圧力診断閾値が高くなるよう設定すること
   を特徴とする請求項６記載の液体循環制御装置。
8. 前記循環流量増量手段を前記液体を前記循環制御系で循環させる液体循環ポンプとした場合、
   前記制御手段は、前記車速検出手段によって検出される車速に応じて、前記液体循環ポンプの最低回転数を設定すること
   を特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の液体循環制御装置。
9. 前記液体循環系を、供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を冷却液の循環により冷却する冷却液循環系とし、
   前記比較手段による比較によって、前記圧力検出手段によって検出された冷却液の圧力が、前記圧力診断閾値以下となった場合に、前記循環流量増量手段により冷却液の循環流量の増量が開始されるまでの待ち時間を設定する待ち時間設定手段を備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の液体循環制御装置。
10. 前記燃料電池を冷却した後の冷却液の温度を検出する第１の温度検出手段を備え、
    前記待ち時間設定手段は、前記第１の温度検出手段よって検出された冷却液の温度に応じて、前記待ち時間を設定すること
    を特徴とする請求項９記載の液体循環制御装置。
11. 前記液体循環系を、供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を冷却液の循環により冷却する冷却液循環系とし、
    前記燃料電池を冷却した後の冷却液の温度を検出する第２の温度検出手段を備え、
    前記異常状態判定手段は、前記第２の温度検出手段によって検出された冷却液の温度に応じて、前記診断時間を設定すること
    を特徴とする請求項４に記載の液体循環制御装置。
12. 前記液体循環系を、供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を冷却液の循環により冷却する冷却液循環系とし、
    前記循環流量増量手段を前記液体を前記循環制御系で循環させる液体循環ポンプとした場合、
    前記燃料電池を冷却した後の冷却液の温度を検出する第３の温度検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記液体循環ポンプにより、液体の循環流量を増量させる際、前記第３の温度検出手段によって検出された冷却液の温度が高いほど、又は前記異常状態判定手段によって設定された診断時間が短いほど、前記液体循環ポンプの回転数の上昇変化率を制限する回転数変化率制限値を高くすること
    を特徴とする請求項４又は請求項１１に記載の液体循環制御装置。
13. 前記液体循環系は、前記燃料電池内を加湿する純水を供給する加湿循環系であること
    を特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の液体循環制御装置。
14. 供給されるガスの化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する液体の循環流量が、該燃料電池の発電に伴って要求される循環流量となるように、液体循環系の循環制御を行う液体循環制御方法であって、
    前記液体の圧力を検出する圧力検出工程と、
    前記圧力検出工程によって検出される前記循環制御中の前記液体の圧力と、所定の圧力診断閾値とを比較する比較工程と、
    前記比較工程により、液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体の循環流量を増量させる循環流量増量工程と、
    前記循環流量増量工程による循環流量増量後において、前記圧力検出工程にて検出される液体の圧力が前記圧力診断閾値よりも小さいと判定された場合には、前記液体循環系の機能が低下した異常状態であると判定する異常状態判定工程と、
    を備えることを特徴とする液体循環制御方法。

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