JP2006332002A

JP2006332002A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006332002A
Application number: JP2005157699A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Imamura; 朋範今村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP4984437B2

Abstract

【課題】暖機時における燃料電池の温度管理用の温度センサを用いることなく燃料電池の暖機を可能とし、且つ電力の浪費を抑える。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池を暖機するためのヒータと、自身の周囲の温度が燃料電池暖機開始時の温度より高い所定温度以上になるとオフとなり、ヒータへの通電を停止させるサーモスイッチと、暖機を行うかの判定，及び暖機時における燃料電池の温度の管理用の温度を検知する第１の温度センサと、第１の温度センサの異常を検出する異常検出手段と、第１の温度センサの異常が検出された場合に、第１の温度センサの代わりに暖機を行うかの判定に使用される温度を検知する第２の温度センサと、第２の温度センサの出力に基づいて暖機を行うかを判定する判定手段と、判定手段が暖機を行うと判定する場合に、ヒータへの電力供給を開始し、その後、サーモスイッチのオフを検知すると、電力供給を停止する制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータで燃料電池の暖機を行う燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムの分野では、燃料電池の温度を測定する温度センサを用意し、この温度センサの測定値に基づいて暖機を行う技術がある。例えば、特許文献１には、燃料電池のＧＤＬ部を加熱するヒータと、ＧＤＬ部の温度を測定する温度センサとを有し、温度センサで測定されるＧＤＬ温度が設定値より低い場合に、ヒータへの通電を開始し、その後、ＧＤＬ温度がヒータによる加熱を要しない状態になると、ヒータへの通電を停止する燃料電池装置が開示されている。
特開２００３−１６３０２０号公報特開２００２−１５７６１号公報特開２００３−２４９２５１号公報特開２００２−４２８４６号公報

上述した従来技術では、温度センサに異常が発生すると、暖機(ヒータによる加熱)を行うか否かの判定、及び暖機時における燃料電池の温度管理を実行できない状態となる。このため、燃料電池の暖機が完了して通常の発電制御が可能かどうか、過剰に昇温(加熱)がなされていないかどうか、などを確認することができない。従って、適正な暖機制御を実行することができなくなる。

本発明の目的は、温度管理用の温度センサを用いることなく燃料電池の暖機を可能とし、且つ電力の浪費を抑えることのできる技術を提供することである。

本発明は、上述した目的を達成するために以下の手段を採用する。

即ち、本発明は、燃料電池システムであって、
燃料電池を暖機するためのヒータと、
自身の周囲の温度が燃料電池暖機開始時の温度より高い所定温度以上になるとオフとなり、前記ヒータへの通電を停止させるサーモスイッチと、
前記燃料電池の暖機を行うかの判定，及び暖機時における前記燃料電池の温度の管理用の温度を検知する第１の温度センサと、
前記第１の温度センサの異常を検出する異常検出手段と、
前記第１の温度センサの異常が検出された場合に、前記第１の温度センサの代わりに前記燃料電池の暖機を行うかの判定に使用される温度を検知する第２の温度センサと、
前記第２の温度センサの出力に基づいて前記燃料電池の暖機を行うかを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機を行うと判定する場合に、前記ヒータへの電力供給を開始し、その後、前記サーモスイッチのオフを検知すると、前記電力供給を停止する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の温度センサに異常が生じた場合には、第２の温度センサで検知される温度に基づき暖機を行うかを判定し、暖機を行う場合には、サーモスイッチによりヒータへの通電を制御する。これによって、燃料電池の温度管理用の温度センサを用いる
ことなく燃料電池の暖機を行うことができる。また、本発明によれば、サーモスイッチによるヒータへの通電停止が検出されると、ヒータへの電力供給が停止される。これによって、その後にサーモスイッチがオンになっても、ヒータへの電力供給は行われないので、電力の浪費を抑えることができる。

また、本発明による燃料電池システムは、前記制御手段が、前記ヒータへ供給される電力を発する電源，前記ヒータ，及び前記サーモスイッチを直列に結ぶ回路上に設けられたスイッチを開閉する開閉制御手段と、前記ヒータを流れる電流値を検出する電流値検出手段と、を含み、
前記開閉制御手段は、前記判定手段が前記燃料電池の暖機を行うと判定する場合に、前記スイッチを閉じて前記電源からの電流が前記ヒータを流れるようにし、その後、前記電流値検出手段で検出される電流値が零となった場合に、前記サーモスイッチがオフであると判定して、前記スイッチを開く、ことを特徴とする。

前記電源には、燃料電池を適用しても良く、燃料電池以外の二次電池を適用しても良い。もっとも、燃料電池を電源とする場合には、スイッチを開いて暖機終了後に燃料電池からの電力がヒータに供給されるのを防止することにより、燃料電池により生じた電力が効率的に使用されるようにすることができる。

また、本発明による燃料電池システムは、前記所定温度が、前記燃料電池の暖機が終了したと認められる温度であることを特徴とする。このようにすれば、ヒータによる加熱を要しない状態において、ヒータへの電力供給を停止することができる。

また、本発明による燃料電池システムは、前記制御手段が、前記第１の温度センサの正常時に前記燃料電池の暖機が行われる場合には、前記サーモスイッチが作動しない状態にし、前記第１の温度センサの出力に応じて前記ヒータへの通電を制御することを特徴とする。

本発明において、暖機を行うためのヒータとして、第１の温度センサの正常時に使用されるヒータと、第１の温度センサの異常時に使用されるヒータとを個別に用意することができる。但し、上記構成を採用すれば、ヒータの共通化を図ることができ、燃料電池システムを構成する部品点数の減少を図ることができる。

本発明によれば、暖機時における燃料電池の温度管理用の温度センサを用いることなく燃料電池の暖機を可能とし、且つ電力の浪費を抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明の構成は実施形態の構成に限定されない。

〈燃料電池システムの構成例〉
図１は、燃料電池システムの実施形態を示す図である。この燃料電池システムは、移動体(例えば車両)に搭載される。図１に示す構成例では、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用されている。

燃料電池１は、少なくとも１つのセルからなる。セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとからなる。

燃料極は、拡散層と触媒層とを有している。燃料極には、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が燃料供給系により供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。

一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有している。空気極には、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応により水が生成される。

このような燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される負荷に対する電力として使用される。

図１において、燃料供給系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口は、水素源(例えば、高圧水素を貯留したタンク)２及び調圧弁３と配管４を介して接続されている。一方、燃料電池１に設けられた燃料出口には、配管５が接続されている。燃料電池１の内部には、燃料入口と燃料出口とを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路６が設けられている。

水素源２から送り出される高圧の水素ガス(燃料ガス)は、調圧弁３で調圧された後、配管４を通って燃料入口から燃料電池１に入り、燃料通路６を通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、燃料極を通過した水素ガスは、燃料オフガスとして燃料出口から配管５(燃料電池１の外部)へ排出される。

一方、図１において、酸化剤供給系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口は、配管７を介してエアコンプレッサ８に接続されている。また、燃料電池１に設けられた酸化剤出口には、配管９が接続されている。燃料電池１の内部には、酸化剤入口と酸化剤出口とを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１０が設けられている。

このような構成によれば、エアコンプレッサ８のモータによる駆動により、酸化剤ガスとしての空気が配管７を介して燃料電池１に供給される。空気は酸化剤入口から燃料電池１に入り、酸化剤通路１０を通過する際に、空気極にて電極反応に消費される。その後、空気極を通過した空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口から配管９(燃料電池１の外部)に排出される。

さらに、図１には、燃料電池１の冷却系が例示されている。図１において、燃料電池１には、冷却水入口(入口マニホールド)及び冷却水出口(出口マニホールド)が設けられており、冷却水入口と冷却水出口との間は、セルのセパレータに設けられた通水路を経由する冷却水通路１１で結ばれている。

冷却水入口は、配管１２を介して、冷却水を循環させる循環ポンプ(冷却水ポンプ)１３の出口に接続されている。一方、冷却水出口は、配管１４を介して冷却水を冷却するラジエータ(冷却器)１５の入口に接続されている。ラジエータ１５の出口は、配管１６を介して三方弁１７の第１入口に接続されている。三方弁１７の出口は、配管１８を介して循環ポンプ１３の入口に接続されている。

また、配管１４には、その途中から分岐するバイパス管１９の一端が接続されている。
バイパス管１９の他端は、三方弁１７の第２入口に接続されている。三方弁１７は、感温アクチュエータを含むサーモスタットを内蔵している。燃料電池１の温度が低い場合には、感温アクチュエータは未作動の状態にあり、三方弁１７の第１入口が閉じられ第２入口が開かれる。これによって、冷却水はバイパス管２６と燃料電池１との間を循環する。

その後、燃料電池１の発電による発熱によって冷却水の温度が上昇し、所定温度を上回ると、サーモスタットの感温アクチュエータが作動して、三方弁１７の第１入口が開かれるとともに第２入口が閉じられる。これによって、冷却水は燃料電池１とラジエータ１５との間を循環し、燃料電池１の冷却が図られる。このようにして、冷却水の温度制御を通じて、燃料電池１が運転(発電)に適した温度で維持される。

低温環境下(例えば、氷点下の環境下)で、燃料電池１による発電を行う場合には、燃料電池１の温度が通常の発電動作が可能な温度に昇温するまで、燃料電池１の暖機運転が行われる。

この実施形態では、通電により冷却水を加熱する電熱線ヒータ(図示せず)が配管１２に設けられている。燃料電池１の暖機時には、冷却水ポンプ１３から送出された冷却水は、電熱線ヒータで加熱された後、燃料電池１に供給される。冷却水が冷却水通路を通過するとき、冷却水の熱が燃料電池１に移動する。これによって、燃料電池１が加熱され、昇温が図られる。

電熱線ヒータに対する通電は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０により制御される。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ(中央演算処理装置)のようなプロセッサ，メモリ(ＲＯＭ、ＲＡＭ等)、入出力インタフェース等から構成されている。プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行することを通じて、電熱線ヒータの通電制御(冷却水の温度調整)等の様々な制御が行われる。

ＥＣＵ２０は、冷却水の温度に基づき、暖機を行うか否かの判定、及び暖機時における冷却水温度の管理(電熱線ヒータへの通電制御)を行う。ここに、配管１４の、燃料電池１との接続部分の近傍には、燃料電池１から排出された直後の冷却水の温度を検知する温度センサ２１(第１の温度センサに相当)が設けられている。

ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の出力を受け取って冷却水温度を測定する。このとき、冷却水温度が所定温度(低温判定温度)を下回っていれば、ＥＣＵ２０は、暖機を開始すべきと判定し、電熱線ヒータに対する通電を開始する。その後、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１を通じて得られる冷却水温度に応じて通電量を調整する。

そして、燃料電池１が通常の発電動作を実行可能な温度で冷却水温度が推移するようになると、ＥＣＵ２０は、暖機を終了させるべきと判定し、電熱線ヒータへの通電を停止する。このように、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の出力に依存して冷却水の温度管理(電熱線ヒータへの通電制御)を行い、燃料電池１を暖機する。

しかしながら、温度センサ２１の故障や、温度センサ２１に係る配線の断線又は短絡によって温度センサ２１の出力が異常になるおそれがある。温度センサ２１の出力が異常になると、ＥＣＵ２０は、暖機を行うか否かの判断、及び暖機時における冷却水温度の管理を適正に行うことができない。

〈燃料電池システムの温度センサ２１の異常時に係る構成〉
この問題に鑑み、本実施形態における燃料電池システムは、次のような構成を備えている。すなわち、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常を検出する異常検出手段として機能
する。ＥＣＵ２０が異常を検出する原理は次の通りである。

図２は、温度センサ２１の周囲の温度と、温度センサ２１の出力(センサ値)との関係を示すグラフである。図２に示すように、温度が上昇するにつれて、温度センサ２１のセンサ値は直線的に減少する。

ここで、温度センサ２１の正常なセンサ値と認められる範囲は予め決まっている。図２に示す例では、温度Ｔ１に対応するセンサ値Ｈと、温度Ｔ２に対応するセンサ値Ｈとの間が、正常なセンサ値の範囲である。センサ値Ｈより高いセンサ値、及びセンサ値Ｌより低いセンサ値は、それぞれ異常な値となる。

ＥＣＵ２０に含まれるメモリは、センサ値Ｈ及びＬを予め格納している。ＥＣＵ２０は、温度センサ２１のセンサ値を受け取ると、そのセンサ値がセンサ値ＬからＨまでの範囲に属しているか否かを判断する。センサ値が当該範囲に属していない場合(センサ値が異常である場合)、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１が異常であると判定する。このようにして、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常を検出する。

また、燃料電池システムは、温度センサ２４〜２７を備えている。温度センサ２４〜２７は、第１の温度センサたる温度センサ２１の異常時に、温度センサ２１の代わりに、燃料電池１の暖機を行うか否かを判定するための温度を検知する第２の温度センサとして使用される。

温度センサ２４は、外気温(例えば車外の気温)を検知する。温度センサ２５は、燃料電池１から排出された直後の燃料ガスの温度(配管５内の気温)を検知するように、配管５の燃料出口近傍に取り付けられている。温度センサ２６は、燃料電池１から排出された直後の酸化剤ガス(空気)の温度(配管９内の気温)を検知するように、配管９の酸化剤出口近傍に取り付けられている。温度センサ２７は、水素源(水素タンク)２の表面温度を検知するように、水素源２に取り付けられている。

各温度センサ２４〜２７の出力は、ＥＣＵ２０に与えられる。ＥＣＵ２０は、温度センサ２４〜２７の出力の少なくとも１つを用いて、燃料電池１の暖機を行うか否かを判定する判定手段として機能する。ＥＣＵ２０は、判定に使用する温度センサの出力から得られる温度と、予め設定された低温判定温度(設定値：予めメモリに格納されている)とを比較し、当該温度が低温判定温度よりも低い場合に、暖機を行うと判定する。

さらに、燃料電池システムは、温度センサ２０の異常時において、冷却水の加熱により燃料電池１を暖機するためのサーモスイッチ付きヒータ２８を備えている。サーモスイッチ付きヒータ２８(以下、単に「ヒータ２８」と表記)は、配管１２に取り付けられ、配管１２を流れる冷却水を加熱する。

図３は、ヒータ２８を含む回路構成の例を示す図である。図３において、ヒータ２８と、移動体(車両)に駆動力を供給する電動機(モータ)２９とが、電源たる燃料電池１に対して並列に接続されている。

具体的には、燃料電池１とモータ２９とで構成される直列回路(回路Ｃ１)における燃料電池１の両端に、リレースイッチ３０及びヒータ２８を含む直列回路の各端部が接続されている。これにより、燃料電池１，リレースイッチ３０及びヒータ２８が直列に接続された回路(回路Ｃ２)が形成されている。

燃料電池１のプラス端子から流れ出る電流ｉ１は、モータ２９側(回路Ｃ１)へ流れる電
流ｉ２と、ヒータ２８側(回路Ｃ２)へ流れる電流ｉ３とに分岐する。このように、燃料電池１で発電された電力の一部(電流ｉ３)が、ヒータ２８に供給される。

リレースイッチ３０は、燃料電池１のプラス端子とヒータ２８との間に設けられている。リレースイッチ３０は、ヒータ２８に対する電力の供給／供給停止を制御するためのスイッチとして使用される。リレースイッチ３０がオフになると、電流ｉ３の値は零になり、電流ｉ１がモータ２９へ向かって流れる(ｉ１＝ｉ２となる)。

ヒータ２８は、電熱線(ヒータコイル)３４と、サーモスイッチ３５とを有している。ヒータ２８は、電熱線３４が前段に配置されるようにリレースイッチ３０と燃料電池１のマイナス端子との間に挿入されている。

ヒータ２８は、配管１２(図１)内に設置される。電熱線３４は、通電により発熱し、その周囲を流れる冷却水を加熱する。サーモスイッチ３５は、例えば、バイメタルを含む接片を有する。接片は、サーモスイッチ２５の周囲を流れる冷却水に感温し、冷却水の温度に応じた接点との開閉動作(オン／オフ動作)を行う。

サーモスイッチ３５がオフになると、リレースイッチ３０がオンであっても、電流ｉ３の値が零となり、電熱線３４の通電(発熱)が停止される。サーモスイッチ３５は、周囲の温度が、暖機開始時の温度よりも高い、暖機を終了しても良いと認められる所定温度になると、接点を開く(オフとなる)ように構成されている。

リレースイッチ３０のオン／オフ動作は、ＥＣＵ２０によって制御される。ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常時における燃料電池１の暖機を制御する制御手段(リレースイッチ３０の開閉制御手段)として機能する。ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常が検知され、且つ燃料電池１の暖機を行うと判断した場合に、リレースイッチ３０をオンにする。

また、ＥＣＵ２０は、回路Ｃ２を流れる(ヒータ２８に通電される)電流値Ｉ３を検出する電流値検出手段として機能する。図３に示すように、回路Ｃ１及びＣ２には、電流ｉ１,ｉ２及びｉ３をそれぞれ測定する電流計３１,３２及び３３が設けられている。ＥＣＵ２０は、各電流計３１,３２及び３３で測定される電流値を受け取る。

ＥＣＵ２０は、リレースイッチ３０がオンのときに、電流計３３で測定された電流値ｉ３、又は電流計３１で測定された電流値ｉ１と電流計３２で測定された電流値ｉ２との差分の絶対値(ｉ１−ｉ２＝ｉ３)との一方を選択的に取得し、その電流値ｉ３が零か否かを判断する。このとき、サーモスイッチ３５がオフとなっていれば、回路Ｃ２が開いているので、電流値ｉ３は零となる。

ＥＣＵ２０は、リレースイッチ３０がオンのときに、電流値ｉ３が零であることを検出すると、リレースイッチ３０をオフにする。これによって、ヒータ２８側には電流が流れなくなり、燃料電池１の出力電流がモータ２９の駆動に消費されるようになる。このようにして、燃料電池１で発電された電力の効率的な利用が図られる。

〈異常検出処理〉
図４は、ＥＣＵ２０による温度センサ２１の異常検出処理の例を示すフローチャートである。この異常検出処理のルーチンは、例えば、燃料電池１の発電開始と同時に起動するように構成される。

異常検出処理が開始されると、最初に、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１からの出力(セ
ンサ値)Ｘを取得する(ステップＳ００１)。

次に、ＥＣＵ２０は、センサ値Ｘがセンサ値(下限値)Ｌ及びセンサ値(上限値)Ｈ(図２)の間に存在するか否かを判定する(ステップＳ００２)。即ち、ＥＣＵ２０は、メモリから値Ｌ及びＨを読み出して、センサ値Ｘと比較する。センサ値Ｘが下限値Ｌより低い場合、及びセンサ値Ｘが上限値Ｈより高い場合(Ｓ００２；ＮＯ)には、処理がステップＳ００３に進み、そうでない場合(Ｓ００２；ＹＥＳ)には、処理がステップＳ００１に戻る。

ステップＳ００３では、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常検知処理を行う。即ち、ＥＣＵ２１は、温度センサ２１の異常時処理ルーチンを起動させる。その後、ＥＣＵ２０は、当該異常検出処理を終了する。

〈異常時暖機処理〉
図５は、ＥＣＵ２０による温度センサ２１の異常時における暖機処理(異常時暖機処理)のルーチンの例を示すフローチャートである。図５には、第２の温度センサとして、外気温を検知する温度センサ２４のみが使用される場合が示されている。

なお、異常時処理ルーチンの実行時には、ＥＣＵ２０による制御によって、燃料電池１の発電が行われているものとする。即ち、調圧弁３が開弁されて燃料ガスが燃料電池１に供給されるとともに、エアコンプレッサ８が駆動して酸化剤ガスが燃料電池１に供給されている。

ＥＣＵ２０は、異常時暖機処理ルーチンの処理を開始すると、最初に、温度センサ２４からの出力に基づいて、外気温を測定する(ステップＳ１０１)。

次に、ＥＣＵ２０は、外気温が暖機を開始すべき低温判定温度より低いか否かを判定する(ステップＳ１０２)。外気温が低温判定温度よりも高い場合(Ｓ１０２；ＮＯ)には、ＥＣＵ２０は、当該ルーチンを終了させる。

これに対し、外気温が低温判定温度よりも低い場合(Ｓ１０２；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ２０は、暖機を行うと判断し、ヒータリレー(リレースイッチ３０)をオンにする(ステップＳ１０３)。これにより、燃料電池１からの電力がヒータ２８に供給される状態となる(電力供給が開始される)。

ステップＳ１０３にてリレースイッチ３０がオンにされた時点では、冷却水の温度は、サーモスイッチ３５をオフにする所定温度に達していない。このため、サーモスイッチ３５はオンとなっている。従って、電熱線３４に電流が流れ、電熱線３４が発熱して冷却水を加熱する。

続いて、ＥＣＵ２０は、冷却水ポンプ１３を所定回転数で回転させる(ステップＳ１０４)。これにより、配管１２内で加熱された冷却水が、燃料電池１に供給される。冷却水は、燃料電池１の冷却水通路を通過する際に燃料電池１に熱を与える。これによって、燃料電池１が暖機される。

続いて、ＥＣＵ２０は、電流計３１及び３２の組又は電流計３３を用いて、回路Ｃ２を流れる電流ｉ３(ヒータ電流ｉ３と称する)を測定する(ステップＳ１０５)。ＥＣＵ２０は、測定したヒータ電流ｉ３の値が零か否かを判定する(ステップＳ１０６)。

このとき、ヒータ電流ｉ３の値が零でなければ(Ｓ１０６；ＮＯ)、処理がステップＳ１０５に戻される。これに対し、ヒータ電流ｉ３の値が零であれば(Ｓ１０６；ＹＥＳ)、Ｅ
ＣＵ２０は、冷却水の温度が暖機を終了しても良い所定温度以上に上昇し、サーモスイッチ３５がオフとなっていると判定する(ステップＳ１０７)。

ＥＣＵ２０は、サーモスイッチ３５がオフであると判定すると、暖機を終了すると判定する(ステップＳ１０８)。そして、ＥＣＵ２０は、ヒータリレー(リレースイッチ３０)をオフにする(ステップＳ１０９)。これによって、サーモスイッチ３５が再びオンになっても、ヒータ２８側へ電流は流れない。従って、不要なヒータ２８への通電が防止され、電力が浪費されるのを抑えることができる。

ステップＳ１０９が終了すると、当該異常時暖機処理のルーチンが終了する。その後、ＥＣＵ２０は、通常の燃料電池１の発電制御に移行することができる。

〈実施形態の作用効果〉
本実施形態による燃料電池システムによれば、温度センサ２１に異常が発生した場合でも、暖機を行うか否かの判定を行うことができる。また、暖機時において、冷却水の温度センサによる温度管理を行うことなく、燃料電池１を暖機することができる。

すなわち、温度センサ２１の異常時における暖機において、冷却水温度が暖機を終了しても良い所定温度(例えば、燃料電池１の適正な暖機完了温度付近)に達すると、サーモスイッチ３５がオフになる。これによって、燃料電池１が過剰に昇温されるのを抑えることができる。また、電力がヒータ２８の発熱に浪費されるのを抑えることができる。

また、サーモスイッチ３５がオフになると、リレースイッチ３０がオフにされる。これによって、サーモスイッチ３５が再びオンになっても、ヒータ２８によって不要な加熱が行われるのを防止することができる。

〈実施形態の変形例〉
本実施形態では、温度センサ２１の異常時に、暖機を行うかを判断するための温度を検知する第２の温度センサとして、温度センサ２４〜２７が用意された例を示した。このような構成により、ＥＣＵ２０による暖機要否の判断に使用されない温度センサ(図５の例における温度センサ２５〜２７)は、暖機要否の判断に使用される温度センサ(図５の例における温度センサ２４)の出力異常時の予備として使用することができる。

但し、第２の温度センサは、一つあれば良く、例えば、温度センサ２４〜２７のうちの一つを残し、その他の温度センサは省略することができる。もちろん、複数の温度センサの出力を組み合わせて暖機が必要か否かを判定するように構成しても良い。

また、第２の温度センサは、燃料電池システムが低温環境下にあるかを判定するための温度を検知できれば良い。このため、温度センサ２４〜２６のように、気温を検知するものであっても良く、水温や油温のような燃料電池システム中の液温を検知するものであっても良い。また、温度センサ２７の設置位置は、水素タンクに限られず、燃料電池システムの適宜の位置に設置することが可能である。

また、本実施形態では、ヒータ電流ｉ３を検出する電流検出手段として、電流計３１及び３２の組と、及び電流計３３とが設置され、一方が他方の異常時における予備として使用可能な例を示した。但し、電流計３１及び３２の組と、電流計３３との一方のみを設け、他方を省略することができる。

また、サーモスイッチ３５は、バイメタルを用いたサーモスイッチの例を示したが、サーモスタットのような感温アクチュエータを含み、感温アクチュエータによってスイッチ
の接点が開閉されるものを適用しても良い。

また、本実施形態では、温度センサ２１を用いた通常の暖機制御用の電熱線ヒータと、温度センサ２１の異常時に使用されるサーモスイッチ付きヒータ２８とが用意された燃料電池システムについて説明した。このような構成に代えて、温度センサ２１の正常／異常に拘わらず、共通なヒータを用いて燃料電池１の暖機が行われるように構成することが可能である。

例えば、図６に示すように、ヒータ３４と燃料電池１のマイナス端子との間に、サーモスイッチ３５をバイパスする第１の電流路と、サーモスイッチ３５を経由する第２の電流路とを設ける。さらに、第１の電流路と第２の電流路との一方を選択する選択スイッチ３６を設ける。選択スイッチ３６は、接点Ａ及びＢの一方と選択的に接触する接片を有するリレースイッチであり、選択スイッチ３６の接点の選択動作(第１の電流路と第２の電流路との間の切替動作)は、ＥＣＵ２０によって制御される。

ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の正常時において、燃料電池１を暖機する場合には、リレースイッチ３０をオンにするとともに、選択スイッチ３６の接点Ａ(第１の電流路)を選択する(接片を接点Ａ側に倒す)。そして、リレースイッチ３０のオン／オフ制御(電熱線３４への通電制御)を温度センサ２１の出力に応じて行う。その後、温度センサ２１の出力が暖機を終了すべき温度で安定すると、ＥＣＵ２０は、リレースイッチ３０をオフにする。このようにして、温度センサ２１の正常時において、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の出力に基づき、暖機の開始及び終了判定、及び暖機時の細やかな温度管理(通電制御)を実行することができる。

一方、ＥＣＵ２０は、温度センサ２１の異常時に燃料電池１の暖機を行う場合には、リレースイッチ３０をオンにするとともに、選択スイッチ３６の接点Ｂ(第２の電流路)を選択する(接片を接点Ｂ側に倒す)。これによって、図５に示したような暖機時の温度管理(暖機の終了制御)を実行することができる。このような構成により、温度センサ２１の正常／異常時の双方において、電熱線３４を共通に用いることができる。これによって、部品点数の減少を図ることができる。

なお、上述した実施形態において、リレースイッチの代わりに半導体スイッチを適用することも考えられる。また、本実施形態で説明した燃料電池システムの構成は、移動体(車両)に搭載可能な種別であれば、ＰＥＦＣ以外の燃料電池にも適用が可能である。さらに、上記した実施形態では、ヒータ２８の電源として燃料電池１を使用する例を説明したが、電源として燃料電池１以外の二次電池を適用することも考えられる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図２は、図１に示した冷却水温度を検知する温度センサの温度と出力(センサ値)との関係を示すグラフである。図３は、図１に示したサーモスイッチ付きヒータに係る回路構成例を示す図である。図４は、温度センサの異常検出処理の例を示すフローチャートである。図５は、温度センサの異常時における暖機制御の例を示すフローチャートである。図６は、実施形態の変形例の説明図である。

符号の説明

１・・・燃料電池
２０・・・ＥＣＵ(制御手段)
２１・・・温度センサ(第１の温度センサ)
２４,２５,２６,２７・・・温度センサ(第２の温度センサ)
３０・・・リレースイッチ
２８・・・サーモスイッチ付きヒータ
３１,３２,３３・・・電流計
３４・・・電熱線(ヒータ)
３５・・・サーモスイッチ
３６・・・選択スイッチ

Claims

燃料電池を暖機するためのヒータと、
自身の周囲の温度が燃料電池暖機開始時の温度より高い所定温度以上になるとオフとなり、前記ヒータへの通電を停止させるサーモスイッチと、
前記燃料電池の暖機を行うかの判定，及び暖機時における前記燃料電池の温度の管理用の温度を検知する第１の温度センサと、
前記第１の温度センサの異常を検出する異常検出手段と、
前記第１の温度センサの異常が検出された場合に、前記第１の温度センサの代わりに前記燃料電池の暖機を行うかの判定に使用される温度を検知する第２の温度センサと、
前記第２の温度センサの出力に基づいて前記燃料電池の暖機を行うかを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機を行うと判定する場合に、前記ヒータへの電力供給を開始し、その後、前記サーモスイッチのオフを検知すると、前記電力供給を停止する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記ヒータへ供給される電力を発する電源，前記ヒータ，及び前記サーモスイッチを直列に結ぶ回路上に設けられたスイッチを開閉する開閉制御手段と、前記ヒータを流れる電流値を検出する電流値検出手段と、を含み、
前記開閉制御手段は、前記判定手段が前記燃料電池の暖機を行うと判定する場合に、前記スイッチを閉じて前記電源からの電流が前記ヒータを流れるようにし、その後、前記電流値検出手段で検出される電流値が零となった場合に、前記サーモスイッチがオフであると判定して、前記スイッチを開く、
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記所定温度は、前記燃料電池の暖機が終了したと認められる温度である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記第１の温度センサの正常時に前記燃料電池の暖機が行われる場合には、前記サーモスイッチが作動しない状態にし、前記第１の温度センサの出力に応じて前記ヒータへの通電を制御する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。