WO2006126740A1

WO2006126740A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2006126740A1
Application number: PCT/JP2006/311037
Authority: WO
Inventors: Mitsuru Kimata
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2006-11-30
Also published as: DE112006001348B4; US20100003563A1; DE112006001348T5; KR20080011442A; CN100566000C; KR100962690B1; US8735011B2; DE112006001348B8; JP4725191B2; JP2006331868A; CN101180757A

Abstract

燃料電池１０と熱交換を行う熱媒体を加熱する加熱手段１６を備え、前記加熱手段１６によって加熱された熱媒体によって燃料電池１０を暖機させる燃料電池システムであって、前記加熱手段１６に流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段１７と、前記流量検出手段１７によって検出された熱媒体の流量に基づいて前記加熱手段１６を制御する加熱制御手段２０を備える。これにより、熱媒体を加熱して燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、熱媒体の過度な加熱を防止できる燃料電池システムを提供する。

Description

明細書

燃料電池システム技術分野

本発明は、電気化学反応にて電気工ネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。背景技術 ― 燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させて、電気工ネルギを得るものである。前記燃料電池システムは、発電可能な動作温度が定まっているため、起動時等、燃料電池が発電可能な温度に達していない場合には燃料電池を加熱昇温（暖機）させ'て、素早く発電可能な温度に暖機する構成を備えたものがある。また、燃料電池システムは、その温度が高すぎると発電効率が低下するため、燃料電池の温度が高すぎる場合には、外気と熱交換するラジェ一タ等の熱交換手段を用いて熱媒体を冷却して、この熱媒体を介して燃料電池を冷却する構成を備えている。

従来の燃料電池システムとして、燃料を燃焼させるヒ一タによって加熱された熱媒体と、前記ヒータの燃焼排気とを利用して、燃料電池を暖機させるものが開示されている（例えば、日本国特許公開公報 2 0 0 1 - 1 5 5 7 5 3号参照）。この燃料電池システムによれば、燃焼式ヒータの起動直後であって熱媒体の温度が低レ、ときであっても、加熱した熱媒体と燃焼排気とを用いて速やかに燃料電池を暖機させることができる。

また、従来の燃料電池システムとして、燃料電池から排出される排水素を燃焼する水素燃焼器の熱を利用して熱媒体を加熱して、この熱媒体によって燃料電池を暖機させる燃料電池システムにおいて、前記水素燃焼器と熱媒体との熱交換部の下流側に中間熱交換手段を設け、この中間熱交換手段に熱媒体を循環させて、当該中間熱交換手段を介して水素燃焼器の熱を放熱するものがある（例えば、日本国特許公開公報 2 0 0 4 - 2 3 5 0 7 5号参照）。この燃料電池システムによれば、前記中間熱交換器を介して水素燃焼器の熱を放熱することができ、水素燃焼器と熱的に接触している熱媒体の加熱を抑えることができる。従って、燃料電池を冷却する熱媒体の過度な温度上昇を防止することができる。

上記の文献に加えて、日本国特許公開公報平 6— 3 0 4 0 8 7号、日本国特許公開公報平 1— 1 6 9 2 6 9号、日本国特許公開公報特開 2 0 0 3— 2 4 9 2 5 1号にも、燃料電池システムに関連する技術が開示されている。発明の開示

従来の燃料電池システムは、燃料電池の温度を電子制御装置（E C U) に入力して、 E C Uが燃料電池の温度に基づいて予め設定されたプログラムに従って、前記ヒータ、熱媒体の循環経路等を制御している。従って、前記 E C Uが正常に作動している場合には、過度に熱媒体が加熱されればヒータが停止され、又は熱媒体が冷却されるように熱媒体を循環させるため、熱媒体は過度に加熱されない。しかし、 E C Uが正常に作動していない場合には、前記ヒータが適切に停止されず、又は熱媒体が冷却されるように循環されず、冷却水が過度に加熱されるおそれがある。特に、前記ヒータに熟媒体が流れていない状態では、加熱対象である熱媒体が循環せずにヒータに留まるため、熱媒体が急激に加熱され、熱媒体が沸騰するおそれがあった。

また、従来の燃料電池システムは、前記ヒータを通過して加熱された熱媒体の温度を検出する温度センサを備え、この熱媒体の温度に基づいてヒータの停止を行うが、加熱された熱媒体が温度センサに到達するまでに一定のタイムラグが生じる場合、ヒータの停止が遅くなり、更に過度に熱媒が加熱されるおそれがあつた。

本発明は、前記種々の問題に鑑み、熱媒体を加熱して燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、熱媒体の過度な加熱を防止できる燃料電池システムを提供することを技術的課題とする。

本発明は、電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池と熱交換を行う熱媒体が循環する熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、前記熱媒体循環路上に設けられ、前記熱媒体を冷却する熱交換手段と、前記熱媒体循環路上の熱交換手段をバイパスさせて熱媒体を循環させる熱交換手段バイパス路と、前記温度検出手段によつて検出された燃料電池の温度に基づいて熱交換手段バイパス路と熱媒体循環路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する熱媒体流量制御手段と、前記熱交換手段バイパス路上に設けられ、前記熱媒体を加熱する加熱手段と、前記熱交換手段パイパス路を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムは、温度検出手段によつて検出された燃料電池の温度に基づいて、熱媒体循環路と熱交換手段バイパス路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する。前記熱媒体循環路と熱交換手段バィパス路とを流れる熱媒体は、前記熱交換手段及ぴ加熱手段によって、それぞれ冷却及び加熱される。本発明に係る燃料電池システムは、冷却及ぴ加熱された熱媒体を用いて、燃料電池を冷却及び加熱する。

前記熱媒体の流量の制御は、燃料電池が発電可能な温度に達してなく燃料電池を暖機させる場合、前記加熱手段が設けられた熱交換手段バイパス路のみに熱媒体を流す、即ち加熱手段のみに熱媒体を流し、熱交換手段に熱媒体を流さない制御、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を多くする制御、前記熱交換手段を流れる熱媒体の流量を少なくする制御等を例示できる。このように熱媒体の流量を制御することにより、加熱された熱媒体によつて燃料電池を暖機させることができる。

一方、燃料電池の温度が高い場合における熱媒体の流量の制御は、前記熱交換手段のみに熱媒体を流し、前記加熱手段に流さない制御、前記熱交換手段を流れる熱媒体の流量を多くする制御、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を少なくする制御等を例示できる。このように熱媒体の流量を制御することにより、冷却された熱媒体によつて燃料電池の温度を低下させることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、検出された流量に基づいて加熱手段を制御する加熱制御手段とを備えており、加熱手段を流れる熱媒体の流量に基づいて加熱手段を制御することができる。従って、加熱手段に適度な流量の熱媒体が流れているときのみ加熱手段を作動させたり、加熱手段に流れている流量に基づいて、熱媒体が過度に加熱されないように加熱手段を制御することができる。このように、加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出して、その流量に基づいて加熱手段を制御することにより、熱媒体の過度な加熱を防ぐことができ、熱媒体の沸騰等を防止して、燃料電池システムの故障を抑制することが可能となる。

また、前記加熱制御手段は、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、加熱手段の起動及び停止を制御することを特徴とすることが望ましい。これにより、加熱制御手段は、流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて熱媒体の過度な加熱を防止するように加熱手段を制御する。この加熱手段の制御は、検出された熱媒体の流量に基づいて加熱手段を起動又は停止する構成、流量に基づいて加熱手段の加熱量を増減させる構成等を例示でき、種々の構成とすることができる。

しかし、本発明に係る加熱制御手段は、熱媒体を沸騰しない温度以下に保つことが出来れば良く、微小な温度制御までは必ずしも必要ではない。従って、加熱制御手段は、出来る限り簡易な構成が望ましく、熱媒体の流量に基づいて加熱手段を起動および停止する構成がより適している。前記構成により、加熱制御手段の制御をより簡易なものにすることができ、誤作動の防止、低コスト化を図ることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記流量検出手段が、前記加熱手段に流入する熱媒体と加熱手段から流出する熱媒体との圧力差によって、前記熱交換手段パイパス路を流れる熱媒体の流量を検出することが望ましい。

前記加熱手段に熱媒体が流れている状態では、加熱手段が抵抗となるため、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体とは、熱交換手段バィパス路における圧力が異なる。一方、前記加熱手段に熱媒体が流れていない状態、若しくは流れていてもその流量が微量な状態では、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体とは、熱交換手段バイパス路における圧力が異ならないか、若しくは圧力差が微少となる。

従って、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体の圧力差を検出することにより、加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出することができる。また、圧力差を検出する前記構成は、流量計等を用いて流量を検出する構成と比較して簡易なものである。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。

第 2図は、本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける処理を示すフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

<実施例 1 >

図 1は、本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池 1 0と、燃料である水素を供給する水素供給装置

(図示せず）と、空気供給装置（図示せず）と、加熱及び冷却システムと、電子制御装置（E C U) 2 0とを備えている。

前記燃料電池 1 0は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気工ネルギを得るものである。本実施の形態に係る燃料電池 1 0は、燃料電池を電源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。

前記燃料電池 1 0には、水素供給装置より水素が供給され、空気供給装置から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。水素供給装置としては、例えば、改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができ、空気供給装置としては、例えば、断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。前記燃料電池 1 0は、発電における化学反応により発電中は水分と熱が発生して、その温度が上昇する。しかし、前記燃料電池 1 0は、発電効率のために発電中一定温度以下であることが望ましく、熱媒体を用いて燃料電池 1 0で発生した熱を放出するための冷却システムを備えている。前記冷却システムは、熱媒体としての冷却水を燃料電池 1 0に循環させるための冷却水循環路 1 1と、冷却水を冷却するための熱交換手段としてのラジェ一タ 1 2と、前記冷却水の循環される流量を調整する熱媒体ポンプとしての冷却水ポンプ 1 3と、燃料電池 1◦を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ 1 4と、を備えている。燃料電池 1 0を通過して加熱された冷却水は、冷却水循環路 1 1を通ってラジェ一タ 1 2を通過し、このラジェ一タ 1 2 において外気と熱交換され、冷却される。この冷却された冷却水は、再び燃料電池 1 0を通過し、燃料電池 1 0と熱交換して、加熱された状態で燃料電池 1 0から流出する。

また、燃料電池システムは、前記冷却システムと一体ィ匕して設けられた加熱システムを備えている。この加熱システムは、低温起動時等、燃料電池 1 0が発電温度に達していない際に、燃料電池 1 0を加熱昇温（暖機）させるシステムである。

前記加熱システムは、前記冷却水循環路 1 1と連通し、前記冷却水がラジェ一タ 1 2をバイパスするための熱交換手段バイパス路としてのラジェ一タバイパス路 1 5と、前記ラジェ一タバイパス路 1 5上に設けられ、冷却水を加熱する加熱手段としてのヒータ 1 6と、前記ヒータ 1 6を通過する冷却水の流量を検出する流量検出手段としての差圧センサ 1 7と、を備えている。前記ヒータ 1 6は、熱媒体である冷却水を加熱することができるものであればよく、電気ヒータ、あるいは燃焼式ヒータを用いることができる。

前記差圧センサ 1 7は、前記ラジェ一タバイパス路 1 5において、ヒータ 1 6 に流入する冷却水とヒータ 1 6から流出する冷却水との圧力差を検出する。冷却水がヒータ 1 6を通過していればヒータ 1 6が抵抗となり、ヒータ 1 6の流入前と流出後とでは、冷却水の圧力に差が生じる。差圧センサ 1 7は、前記圧力差を検出することによりヒータ 1 6を通過する冷却水の流量（以下、ヒータ通過流量 F hとする）を検出する。尚、ヒータ通過流量 F hの検出に際しては、上記差圧センサ 1 7に代えて、冷却水の流量を直接検出する流量センサや、圧力変化以外の物理量の変化、例えば冷却水の温度変化等に基づいた間接的な検出方法を利用してもよレ、。燃料電池システムの低温起動時等、燃料電池 1 0を暖機させる際には、冷却水をラジェ一タバイパス路 1 5に循環させる。前記ラジェ一タバイパス路 1 5上に設けられたヒータ 1 6によって冷却水を加熱して、この加熱された冷却水を燃料電池 1 0に通過させて、燃料電池 1 0を暖機する。前記冷却水循環路 1 1とラジエータバイパス路 1 5の合流部分には、三方弁 1 8が設けられており、この三方弁 1 8によって、冷却水循環路 1 1とラジェ一タバイパス路 1 5のうちいずれか一方に冷却水を循環させることができる。

前記電子制御装置（E C U) 2 0は、温度センサ 1 4によって検出された燃料電池 1 0の温度（以下、燃料電池温度 T f cとする）及びヒータ通過流量 F hが入力されるように構成されている。 E C U 2 0は、燃料電池温度 T f cとヒータ通過流量 F hに基づいて予め設定されたプログラムに従って、前記ヒータ 1 6、三方弁 1 8、冷却水ポンプ 1 3を制御しており、本発明に係る熱媒体流量制御手段と加熱制御手段の機能を備えている。

次に、上記構成の燃料電池システムにおける燃料電池温度制御を図 2に示すフ口一チャートに基づいて説明する。図 2のフローチャートによる燃料電池温度制御は、前記 E C U 2 0によって実行される。尚、燃料電池温度制御は、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

まず、前記燃料電池温度 T f cを算出して（ステップ 1 ) 、この燃料電池温度 T f cが所定温度 T 1未満であるかを判定する（ステップ 2 ) 。燃料電池温度 T f cは、温度センサ 1 4によって検出される燃料電池 1 0から流出した直後の冷却水の温度に基づいて算出する。前記所定温度 T 1は、燃料電池 1 0にて発電を行うことができる最低温度に対して、所定の余裕を加味した温度であり、この所定温度 T 1以下では、燃料電池 1 0は発電処理を行わない。ステップ 2の判定を行うことにより、燃料電池 1 0が発電可能な状態であるか否かを判定することができる。

前記ステップ 2の判定の結果、燃料電池温度 T f cが所定温度 T 1未満の場合には、燃料電池 1 0が発電不可能な状態であり、燃料電池 1 0を発電可能な状態にするため、燃料電池 1 0を暖機させる暖機処理を行う。

暖機処理を行う際は、前記三方弁 1 8によって冷却水の循環路を制御する（ステツプ 3 ) 。具体的には、ラジェータ 1 2が配置された冷却水循環路 1 1ではなく、ヒータ 1 6が配置されたラジェ一タバイパス路 1 5に冷却水が流れるように三方弁 1 8を制御する。前記ラジェ一タバイパス路 1 5に冷却水を流すことにより、ラジェ一タバイパス路 1 5に設けられたヒータ 1 6によって冷却水を加熱し、この加熱された冷却水によって燃料電池 1 0を暖機させることができる。前記燃料電池温度 T f cに基づいて、ヒータ 1 6の加熱量及び循環させる冷却水の流量を決定する（ステップ 4 ) 。前記ヒータ 1 6の加熱量は、燃料電池温度 T f cと、それに基づく冷却水の加熱量に基づいて算出する。具体的には、燃料電池温度 T f cが低い場合には、燃料電池 1 0を加熱する多くの熱量が必要であるため、ヒータ 1 6の加熱量を多くして、冷却水の流量を多くする。

前記ステップ 4で決定された冷却水の流量に基づいて、冷却水ポンプ 1 3を制御して（ステップ 5 ) 、冷却水の流量を調整する。これにより、燃料電池 1 0に所定流量の冷却水を循環させることができる。冷却水の流量を調整した後、前記ヒータ通過流量 F hを検出する（ステップ 6 ) 。このヒータ通過流量 F hの検出は、前記ヒータ 1 6の流入側と流出側の冷却水の圧力差を検出する差圧センサ 1 7によって行う。冷却水がヒータ 1 6を通過すると、ヒータ 1 6が抵抗となり、流入前と流出後とで冷却水の圧力に差が生じる。冷却水の流量が多くなれば、その分圧力差も大きくなる。このように、差圧センサ 1 7によって検出された圧力差に基づいて、ヒータ通過流量 F hを算出する。

ヒータ通過流量 F hを算出した後、ヒータ通過流量 F hが所定流量 F 1以上であるかを判定する（ステップ 7 ) 。前記所定流量 F 1とは、ステップ 4で算出されたヒータ 1 6の加熱量に基づいて決定される値であり、ヒータ 1 6が作動した際に冷却水が過度に加熱されない、即ち冷却水が沸騰しない流量である。ヒータ 1 6を通過する流量が少ない状態でヒータ 1 6が作動すると、冷却水は急激に温度上昇して、冷却水が局部的に沸騰するおそれがあるためである。また、前記 E C U 2 0の故障、三方弁 1 8の制御故障等により、ラジェ一タバイパス路 1 5に冷却水が流れていない状態でヒータ 1 6が作動すると、冷却水が沸騰して燃料電池システムの故障等を招くおそれもある。従って、前記所定流量 F 1は、ヒータ 1 6によって加熱されても冷却水が沸騰しない流量であればよく、ヒータ 1 6の加熱能力、ヒータ 16の通過抵抗等に基づいて定めることが望ましい。

前記ステップ 7の判定の結果、ヒータ通過流量 F hが所定流量 F 1以上である場合には、ヒータ 16を通過する冷却水の流量が十分であると判断して、ヒータ 16による加熱処理を行う。

前記加熱処理は、ヒータ 16が作動しているか否かを判定して（ステップ 8) 、ヒータ 16が作動している場合には、上記ステップ 4で決定したヒータ 16の加熱量に基づいて、ヒータ 16の加熱量を制御する（ステップ 10) 。一方、ヒ —タ 16が作動していない場合には、ヒータ 16を起動して（ステップ 9) 、ヒータ 16の加熱量を制御する（ステップ 10) 。

また、ステップ 7の判定の結果、ヒータ通過流量 F hが所定流量 F 1未満である場合には、ヒータ 16を通過する冷却水の流量が十分でないため、ヒータ 16 による加熱処理を行わない。ヒータ 16による冷却水の過度な加熱を防ぐためである。ヒータ 16による加熱処理を行わない場合には、ヒータ 16が作動しているかを判定して（ステップ 1 1) 、作動している場合には、ヒータ 16を停止する（ステップ 12) 。ヒータ 16を停止した後、又はヒータ 16が停止していた場合には、ステップ 4において決定された冷却水の流量に近づけるように、再び冷却水ポンプ 13を制御して（ステップ 5) 、冷却水の流量を調整した後、再度ヒータ通過流量 F hを検出する（ステップ 6) 。その後の処理は上記と同様である。 .

また、前記ステップ 2において、燃料電池温度 T f cが所定温度 T1以上であると判定した場合には、燃料電池温度 T f cが所定温度 T 2未満であるかを判定する（ステップ 14) 。この所定温度 T2は、燃料電池 10の発電効率のために、燃料電池 10の温度をそれ以下に維持することが望ましい温度であり、燃料電池の種類等に応じて適宜に設定する。

燃料電池温度 T f cが所定温度 T 2以上と判定された場合は、燃料電池 10の発電効率の低下を防止するため、前記冷却水を用いて燃料電池 10の冷却処理を行う。この冷却処理は、まず、前記ヒータ 16が作動しているか否かを判定する (ステップ 15) 。判定の結果、ヒータ 16が作動している場合には、ヒータ 1 6を停止する（ステップ 16) 。前述の暖機処理によりヒータ 16が作動している場合があるが、燃料電池温度 T f cが所定温度 T 2以上であり、これ以上暖機処理する必要がないためである。

前記ヒータ 1 6を停止した後、又はステップ 1 5の判定の結果、ヒータ 1 6が作動してない場合には、水素と酸素の供給を開始する（ステップ 1 7 ) 。水素と酸素を供給することにより、燃料電池 1 0によって発電処理が行われる。

次いで、前記三方弁 1 8を制御して、冷却水の循環路を調整する（ステップ 1 8 ) 。具体的には、ヒータ 1 6が配置されたラジェ一タバイパス路 1 5ではなく、ラジェ一タ ₁ 2が配置された冷却水循環路 1 1に冷却水が流れるように三方弁 1 8を制御する。前記冷却水循環路 1 1に冷却水を循環させることにより、ラジエータ 1 2に冷却水が流れる。ラジェータ 1 2によって冷却水と外気との熱交換が行われ、ラジェ一タ 1 2を通過した冷却水は冷却された状態で燃料電池 1 0を通過するため、燃料電池 1 0を冷却することができる。

前記三方弁 1 8を制御した後、燃料電池温度 T f cに基づいて循環させる冷却水の流量を決定する（ステップ 1 9 ) 。前記冷却水の流量は、冷却すべき燃料電池温度 T f cに基づいて算出される。具体的には、燃料電池温度 T f cが高い場合には、燃料電池 1 0を冷却する多くの熱量が必要であるため、冷却水の流量を多くする。このようにして決定された冷却水の流量に基づいて、冷却水ポンプ 1 3を制御して（ステップ 2 0 ) 、冷却水の流量を調整する。

次いで、前記ステップ 1 4において、燃料電池温度 T f cが所定温度 T 2未満であると判定された場合の処理について説明する。燃料電池温度 T f cが所定温度 T 2未満と判定された場合は、燃料電池 1 0は、発電可能な所定温度 T 1以上であり、かつ発電効率が低下する下限である所定温度 T 2未満であるため、発電処理に適している温度といえる。

従って、水素、酸素の供給を開始して（ステップ 2 1 ) 、発電処理を行う。以下、前記暖機処理と同様に、冷却水の循環路の制御（ステップ 3 ) 等を行い、燃料電池温度 Τ ί cを適した温度に保ちつつ、上記の処理を行う。

以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池温度 T f cに基づいて、燃料電池 1 0を加熱昇温させる暖機処理、および燃料電池 1 0を冷却する冷却処理を行うことができる。また、前記暖機処理は、ヒータ 1 6 によって冷却水を加熱して、この加熱した冷.却水を燃料電池 1 0に通過させることにより行うが、ヒータ通過流量 F hに基づいてヒータ 1 6を制御するため、ヒ —タ 1 6による冷却水の過度な加熱を防止でき、冷却水の沸騰及びそれに伴う燃料電池システムの故障等を未然に防ぐことが可能となる。

<実施例 2〉

上記の実施例 1においては、三方弁 1 8による熱媒体である冷却水の流れは、温度センサ 1 4によって検出される燃料電池 1 0から流出した直後の冷却水の温度に基づいて算出される燃料電池温度 T f cに基づいて制御される。即ち、燃料電池温度 T f cにより燃料電池 1 0を暖機処理する必要があると判定されると、 E C U 2 0からの指令によって三方弁 1 8が、冷却水がラジェ一タバイパス通路 1 5に流れるように制御される。また、燃料電池温度 T f cにより燃料電池 1 0 を冷却処理する必要があると判定されると、 E C U 2 0からの指令によって三方弁 1 8力冷却水がラジェータ 1 2に流れるように制御される。

ここで、上記のように三方弁 1 8が、燃料電池温度 T f cに基づいて積極的に制御されなくても、図 2に示した燃料電池温度制御、特にヒータ 1 6に流れ込む冷却水流量（ヒータ通過流量 F h ) に基づく該ヒータ 1 6の制御は有用である。例えば、三方弁 1 8に代えて、冷却水循環路 1 1を流れる冷却水の温度に能動的に反応して冷却水の流路を切り替える温度感応ロータリバルブを用いることで、上記のような冷却水の流れの切替が E C U 2 0からの指令が無くとも達成されるそして、このような場合においても、上記燃料電池温度制御におけるヒータ通過流量 F hに基づくヒータ 1 6の処理（特に S 6〜S 1 0の処理）は適用可能である。その結果、ヒータ 1 6による冷却水の過度な加熱を防止でき、冷却水の沸騰及びそれに伴う燃料電池システムの故障等を未然に防ぐことが可能となる。尚、このヒータ通過流量 F hに基づくヒータ 1 6の処理は、ヒータ 1 6ゃラジェ一タ 1 2への冷却水の流量を制御する三方弁 1 8や上記温度感応ロータリバルブ等の制御弁が設けられていない燃料電池システムでも有用である。このような燃料電池システムでは、ラジェ一タ 1 2の冷却能力（例えば、冷却用のファンの回転数）やヒータ 1 6の加熱能力（例えば、電気ヒータである場合は、それへの投入電力）を制御することで、上述した燃料電池の暖機処理や冷却処理が実行され得る。このような場合においても、冷却水流量は冷却水ポンプ 1 3によって調整されるためヒータ 1 6に流れ込む冷却水流量が少なくなる可能性が存在し、従つて、ヒータ通過流量 F hに基づくヒータ 1 6の処理を行うことで、ヒータ 1 6 による冷却水の過度な加熱を防止できる。産業上の利用可能性

以上より、熱媒体を加熱して燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、熱媒体を加熱する加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出して、この流量に基づいて加熱手段を制御するため、熱媒体の過度な加熱を防止することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、

前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、

前記燃料電池と熱交換を行う熱媒体が循環する熱媒体循環路と、

前記熱媒体循環路に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、

前記熱媒体循環路上に設けられ、前記熱媒体を冷却する熱交換手段と、前記熱媒体循環路上の熱交換手段をバイパスさせて熱媒体を循環させる熱交換手段バイパス路と、

前記温度検出手段によつて検出された燃料電池の温度に基づいて、前記熱交換手段バイパス路と熱媒体循環路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する熱媒体流量制御手段と、

前記熱交換手段バイパス路上に設けられ、前記熱媒体を加熱する加熱手段と、前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、前記流量検出手段によつて検出された熱媒体の流量に基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、

を備えることを特徴とする燃料電池システム。

2 . 前記熱媒体流量制御手段は、

前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度が第一所定温度より低いとき、前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量が、前記熱交換手段が設けられた前記熱媒体循環路を流れる熱媒体の流量より多くなるように制御し前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度が第二所定温度以上であるとき、前記熱交換手段が設けられた前記熱媒体循環路を流れる熱媒体の流量が、前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量より多くなるように制御する

ことを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池と熱交換を行う熱媒体が循環する熱媒体循環路と、

前記熱媒体循環路に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、

前記熱交換手段バイパス路上に設けられ、前記熱媒体を加熱する加熱手段と、前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、

を備えることを特徴とする燃料電池システム。

4 . 前記加熱制御手段は、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、加熱手段の起動及び停止を制御することを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れかに記載の燃料電池システム。

5 . 前記流量検出手段は、前記加熱手段に流入する熱媒体と加熱手段から流出する熱媒体との圧力差によって、前記熱交換手段パイパス路を流れる熱媒体の流量を検出することを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れかに記載の燃料電池システム。

6 . 前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量が所定流量より少ないとき、前記加熱制御手段は、前記加熱手段が該熱媒体の加熱処理を行わないように該加熱手段を制御することを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れかに記載の燃料電池システム。

7 . 前記熱媒体流量制御手段は、三方弁であって、該三方弁は、前記温度検出手段によつて検出された燃料電池の温度に基づいて、前記熱媒体循環路と前記熱交換手段バイパス路のうち何れか一方に前記熱媒体を流すことを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池システム。

8 . 前記熱媒体ポンプは、前記熱媒体循環路を流れる前記熱媒体の流量を調整することが可能であるポンプであって、該ポンプは、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度に基づいて該流量を調整することを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池システム。

9 . 前記熱交換手段は、ラジェータであって、該ラジェ一タは、そこを流れる熱媒体を外気と熱交換とさせることで該熱媒体の冷却を行うことを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れかに記載の燃料電池システム。

1 0 . 前記加熱手段は、電気ヒータ又は燃焼式ヒータであることを特徴とする請求項 1から請求項 3の何れかに記載の燃料電池システム。