JP2004342430A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムの停止中に、燃料電池内部で水が凍結するのを防止するために行なう保温運転の信頼性を高める。
【解決手段】燃料電池システムにおいて始動スイッチ５８から停止の指示が出力された後は、制御部４０の発電制御部４２は、第１温度センサ３１から燃料電池スタックの内部温度を示す温度を取得する。取得した温度が第１の基準温度以下であれば保温運転を開始する。保温運転開始後、取得した温度が、第１の基準温度よりも高い第２の基準温度以上となると、保温運転を停止する。このとき、異常判定部４４は、第１温度センサ３１における異常の有無を判定し、異常があるときには警告を発生する。
【選択図】 図２
【解決手段】燃料電池システムにおいて始動スイッチ５８から停止の指示が出力された後は、制御部４０の発電制御部４２は、第１温度センサ３１から燃料電池スタックの内部温度を示す温度を取得する。取得した温度が第１の基準温度以下であれば保温運転を開始する。保温運転開始後、取得した温度が、第１の基準温度よりも高い第２の基準温度以上となると、保温運転を停止する。このとき、異常判定部４４は、第１温度センサ３１における異常の有無を判定し、異常があるときには警告を発生する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの使用環境の温度が低下するときに、燃料電池内で水が凍結することに起因して不都合が発生するのを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池では、電気化学反応の進行に伴って水が生じる。また、燃料電池に供給する水素を生成するために水蒸気改質反応を利用する場合には、燃料電池に供給する水素含有ガス中には所定量の水蒸気が含まれることになる。そのため、燃料電池の内部温度が０℃以下になると、燃料電池内部で上記水が凍結してしまう可能性がある。例えば、環境温度が０℃以下であるときに燃料電池の発電を停止させると、燃料電池内部で水が凍結する場合がある。このようにガス流路内の水が凍結すると、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、次回燃料電池を起動したときに、ガスの供給が妨げられて、電気化学反応が充分進行しない状態となる可能性がある。そのため、例えば特許文献１では、燃料電池停止時に温度が低下したときには燃料電池の発電を行ない、凍結を防止する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０８号公報
【特許文献２】
特開平７−１６９４７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように燃料電池内の温度や外気温度に基づいて、システム停止中に燃料電池の発電を行なう場合に、検出する温度が正確でない場合には、凍結が起こる温度以下になっても発電（保温運転）が開始されなかったり、不必要に保温運転が行なわれる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの停止中に、燃料電池内部で水が凍結するのを防止するために行なう保温運転の信頼性を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、検出された前記電池動作温度が第１の基準値以下である場合には、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と、
前記温度検出部が前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記異常判定部が異常があると判定したときに、警告を発生する警告発生部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池システムによれば、燃料電池システム停止時に燃料電池内部温度が低下したときには保温運転を行なうことで電池内部で水が凍結するのを防止することができると共に、温度検出部が異常であると判断されるときには警告を発することで、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始してしまうのを防止することができる。誤った温度判断に基づいて保温運転を開始すると、凍結のおそれのないときに保温運転が開始されてシステム全体のエネルギ効率が低したり、燃料電池内部で水が凍結してから保温運転が開始されてしまうという不都合を生じる可能性がある。異常時に警告を発生することで、このような不都合を回避することが可能となる。
【０００８】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、温度検出部が異常であると判断されるときには警告を発することで、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止してしまうのを防止することができる。誤った温度判断に基づいて保温運転を停止すると、充分に燃料電池の内部温度が上昇したにもかかわらず保温運転が停止されないためにシステムのエネルギ効率が低下したり、充分に燃料電池温度が上昇する前に保温運転が停止されて水の凍結が起こるという不都合が生じる可能性がある。異常時に警告を発生することで、このような不都合を回避することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記温度検出部を複数備え、
前記異常判定部は、前記複数の温度検出部のそれぞれについて、異常の有無を判定し、
前記保温運転制御部は、前記複数の温度検出部のいずれかにおいて異常があると判定されたときには、異常がないと判定された他の前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記保温運転に関わる制御を行なうこととしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、複数の温度検出部を用い、いずれかの温度検出部で異常が検出されたときには、警告を行なうと共に残りの温度検出部を用いて保温運転の制御を行なうため、保温運転の動作の信頼性を高めることができる。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する複数の温度検出部と、
前記複数の温度検出部の各々について、前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記燃料電池システムの運転停止時にいずれかの前記温度検出部が異常であると前記異常判定部が判定したときには、異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、第１の基準値以下である場合に、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と
を備えることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第２の燃料電池システムによれば、いずれかの温度検出部が異常であるときには、複数の温度検出部のうちで異常無しと判定された温度検出部が検出した電池動作温度に基づいて保温運転を行なうため、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始してしまうのを防止して、保温運転を開始する動作の信頼性を高めることができる。
【００１４】
本発明の第２の燃料電池システムにおいて、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記異常判定部によって異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、複数の温度検出部のうちで異常無しと判定された温度検出部が検出した電池動作温度に基づいて保温運転を停止させるため、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止してしまうのを防止して、保温運転を開始する動作の信頼性を高めることができる。
【００１６】
本発明の第１あるいは第２の燃料電池システムにおいて、前記異常判定部は、前記温度検出部から、該温度検出部における断線あるいは短絡を示す信号が出力されたときに異常があると判定することとしても良い。このような構成とすれば、温度検出部における異常を容易に判断することができる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．動作：
Ｃ．効果：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例：
【００１９】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１５を搭載する電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【００２０】
燃料電池システム１５は、電気自動車１０の主電源であり、燃料電池スタック２０、水素供給装置２４、ブロワ２６、冷却装置３０を備えている。燃料電池スタック２０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いている。
【００２１】
水素供給装置２４は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック２０のアノードに供給する装置である。例えば、水素供給装置２４は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすれば良い。なお、電気化学反応に供されてアノードから排出された燃料排ガスは、水素供給装置２４と燃料電池スタック２０とを接続する流路に導いて、再び電気化学反応に供することができる（図示せず）。また、燃料電池スタック２０のカソードには、ブロワ２６が取り込んだ空気が、酸化ガスとして供給される。
【００２２】
冷却装置３０は、燃料電池スタック２０内部を通過するように形成された冷却水流路２８と、ラジエータ３６と、ポンプ３４とを備えている。ポンプ３４を駆動することで、冷却水流路２８内で冷却水を循環させることができる。燃料電池スタック２０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池スタック２０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ３６で冷却することによって、燃料電池スタック２０の動作温度を所定の範囲内に保つ。ラジエータ３６は、図示しない冷却ファンを備えており、この冷却ファンを駆動することで、ラジエータ３６における冷却水の冷却を促進することができる。なお、冷却水流路２８において、燃料電池スタック２０との接続部近傍であって、燃料電池スタック２０内から冷却水が排出される側には、第１温度センサ３１が設けられている。図１では、冷却水流路２８内を冷却水が循環する方向を矢印で示している。
【００２３】
電気自動車１０は、上記燃料電池システム１５の他に、補助電源としての２次電池５２を備えている。２次電池５２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して燃料電池スタック２０と並列に接続されている。インバータ５４は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ５６に供給し、モータ５６の回転数とトルクとを制御する。
【００２４】
制御部４０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１５をはじめとする電気自動車１０の各部の動きを制御している。すなわち、上記第１温度センサ３１の検出信号など、電気自動車１０に設けられた種々のセンサから信号を受信すると共に、ブロワ２６やポンプ３４、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ５０やインバータ５４など各部に駆動信号を出力する。さらに、電気自動車１０には、車両全体のシステムの始動と停止の指示を入力するための始動スイッチ５８が設けられており、制御部４０は、この始動スイッチ５８におけるオン・オフ信号（始動と停止の指示）を受信する。また、電気自動車１０には、温度センサに異常が生じたときに警告を発するための警告発生部５９が設けられており、制御部４０は、この警告発生部５９に対して制御信号を出力する。図１では、制御部４０が燃料電池システム１５を含む電気自動車１０全体の制御を行なうこととしたが、燃料電池システム１５に関わる制御部と、車両駆動に関わる制御部とをそれぞれ別体で設けることとしても良い。このような場合にも、これら２つの制御部の間で情報のやり取りがなされ、以下に示すような動作を行なうための制御が車両全体として行なわれればよい。
【００２５】
Ｂ．動作：
図２は、保温運転の要否および温度センサにおける異常の有無について判断する処理に関わる回路として、電気自動車１０が備える回路の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部４０は、保温運転制御部４２および異常判定部４４を備えている。また、図３は、電気自動車１０の制御部４０において実行される保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電気自動車１０において、始動スイッチ５８がオン状態からオフ状態となり燃料電池システム１５が停止されたときに、始動スイッチ５８が次回にオン状態となるまでの間、繰り返し実行される。
【００２６】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の保温運転制御部４２は、まず、第１温度センサ３１から冷却水温Ｔ１ を取得する（ステップＳ１００）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に保温運転制御部４２は、この冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、冷却水温Ｔ１ は、燃料電池スタック２０内の温度を反映している。また、第１の基準温度ＴＡ１とは、燃料電池スタック２０内で水が凍結する可能性がある場合に対応する冷却水温度であり、予め設定して制御部４０内に記憶されている。例えば、本実施例では、この第１の基準温度ＴＡ１は２℃に設定されている。ステップＳ１１０において、冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下ではないと判断したときには、保温運転制御部４２は、燃料電池スタック２０内で水が凍結することはないと判断してステップＳ１００に戻る。そして、ステップＳ１１０において検出した冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であるか否かを判断する動作を繰り返す。
【００２７】
ステップＳ１１０において、冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であると判断すると、保温運転制御部４２は、燃料電池システム１５の各部に駆動信号を出力して、保温運転を開始する（ステップＳ１２０）。具体的には、制御部４０は、水素供給装置２４およびブロワ２６を駆動して、燃料電池スタック２０に対して、燃料ガスである水素ガスおよび酸化ガスである空気の供給を開始させる。また、ポンプ３４を駆動して、冷却水流路２８内で冷却水の循環を開始させる。なお、この保温運転は、燃料電池スタック２０内の温度低下を防止するためのものであるため、保温運転を行なう際には、ラジエータ３６が備える図示しない冷却ファンは駆動されない。また、モータ５６を駆動する必要がないため、保温運転時における発電量は極めて低いレベルに保たれる。具体的には、燃料電池スタック２０の発電量は、水素供給装置２４やブロワ２６やポンプ３４などの燃料電池補機の消費電力量を賄うために要するレベルに抑えられる。ここで、燃料電池スタック２０に供給されたガス量に対して発電可能な電力量は、燃料電池スタック２０の内部温度によって変化するため、第１温度センサ３１が検出した冷却水温Ｔ１ に基づいて、保温運転時における上記燃料電池補機の駆動量を調節することとしても良い。さらに、燃料電池スタック２０の温度を上昇させるために、燃料電池スタック２０あるいは冷却水を加熱するヒータを設けて、保温運転中は、燃料電池スタック２０が発電した電力の一部を用いてこのヒータによる加熱を行なうこととしても良い。また、２次電池５２の残存容量が低下しているときには、保温運転時に２次電池５２の充電を同時に行なうこととしても良い。
【００２８】
保温運転を開始すると、保温運転制御部４２は、第１温度センサ３１から冷却水温度Ｔ１ を取得する（ステップＳ１３０）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に保温運転制御部４２は、この冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、第２の基準温度ＴＢ１とは、燃料電池スタック２０内の温度が充分に昇温したことを示す基準となる温度であり、予め設定して制御部４０内に記憶されている。例えば、本実施例では、この第２の基準温度ＴＢ１は７℃に設定されている。ステップＳ１４０において、冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１に達していないときには、燃料電池スタック２０内で水が凍結する可能性があると判断してステップＳ１３０に戻り、ステップＳ１４０において検出した冷却水温Ｔ１ と第２の基準温度ＴＢ１とを比較する動作を繰り返す。
【００２９】
ステップＳ１４０において、冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１以上であると判断すると、保温運転制御部４２は、保温運転を停止し（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。このような動作を繰り返すことで、始動スイッチ５８がオフ状態となった後にも、燃料電池スタック２０は、内部で水が凍結する可能性の無い温度範囲に保たれる。ここで、第２の基準温度ＴＢ１をあまり高く設定すると、保温運転を行なうことでシステム外部に放出される熱量が多くなってしまう。そのため、第１温度センサ３１の精度を考慮して、図３に示した保温運転の開始と停止の動作が良好に行なわれる範囲内で、第２の基準温度ＴＢ１は、できるだけ低く設定することが好ましい。例えば、本実施例では、第２の基準温度ＴＢ１は、第１の基準温度ＴＡ１よりも５℃高い温度に設定されている。
【００３０】
図４は、電気自動車１０の制御部４０において実行される異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、既述した保温運転制御処理ルーチンが行なわれているときに、この保温運転制御処理ルーチンとは別個に繰り返し実行される。
【００３１】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の異常判定部４４は、まず、第１温度センサ３１から冷却水温Ｔ１ を取得する（ステップＳ２００）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に異常判定部４４は、この冷却水温Ｔ１ が、上限値以上、あるいは下限値以下の値であるかどうかを判断する（ステップＳ２１０）。ここで、上記上限値および下限値とは、通常考えられる燃料電池システム１５の使用環境では第１温度センサ３１が示さない異常な値として、予め設定して制御部４０に記憶しておいた値である。本実施例では、一例として、上限値として約１２０℃、下限値として−３０℃が設定されている。冷却水温Ｔ１ が、上限値と下限値との間の値であるときには、第１温度センサ３１に異常はないものと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３２】
ステップＳ２１０において、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下の値であると判断されると、次に異常判定部４４は、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、予め設定した所定の時間以上連続して成立しているかどうかを判断する（ステップＳ２２０）。このステップＳ２２０における所定の時間とは、ノイズ等の影響を排除するためのものであり、例えば本実施例では１秒に設定している。冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、所定の時間以上連続して成立していない場合には、このような異常な値が検出されたのはノイズ等によるものであり第１温度センサ３１に異常はないものと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３３】
ステップＳ２２０において、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、所定の時間以上連続して成立していると判断すると、異常判定部４４は、第１温度センサ３１が異常であると判断して警告発生部５９に駆動信号を出力して（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。警告発生部５９は、警告を発することによって、第１温度センサ３１に異常が生じていることを電気自動車１０の使用者に知らせる。警告発生部５９としては、例えば、電気自動車１０に設けた表示画面や、音声発生手段や、警告灯とすることができる。表示画面に警告を表示したり、音声で警告を行なったり、警告灯を点灯させたりすることによって、異常を知らせる。音声や警告灯を用いる場合には、使用者が電気自動車１０から離れている場合であっても、警告に容易に気づくことができて好ましい。
【００３４】
Ｃ．効果：
以上のように構成された第１実施例の燃料電池システム１５によれば、システム停止時に燃料電池スタック２０の内部温度が低下したときには保温運転を行なうことで電池内部で水が凍結するのを防止することができると共に、第１温度センサ３１が異常であると判断されるときには警告を発することで、異常であることを使用者に知らせることができる。その結果、誤った温度判断に基づいて保温運転の開始及び停止の制御を継続してしまうのを防止することができる。すなわち、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始することにより、凍結のおそれのないときに保温運転を行なってシステム全体のエネルギ効率を低下させたり、燃料電池スタック２０内部で水が凍結してから保温運転を開始するという不都合を防止できる。また、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止することにより、充分に燃料電池スタック２０の温度が上昇したにもかかわらず保温運転を継続してシステムのエネルギ効率を低下させたり、充分に燃料電池スタック２０の温度が上昇する前に保温運転を停止して水の凍結を引き起こすという不都合を防止できる。
【００３５】
上記実施例では、第１温度センサ３１における異常の有無の判定は、第１温度センサ３１の出力信号から検出される冷却水温Ｔ１ に基づいて行なったが、第１温度センサ３１の出力信号そのものに基づくこととしても良い。第１温度センサ３１をサーミスタによって構成する場合には、印加電圧に対する出力電圧の値が、既述した温度の上限値や下限値に対応する値からはずれたときに、第１温度センサ３１が異常であると判断することができる。例えば、印加電圧０．５Ｖに対して、出力電圧が、温度の上限値１２０℃に対応する０．４９Ｖ以上の時、あるいは温度の下限値−３０℃に対応する０．０１Ｖ以下の時に、異常と判断する、というように基準値を定めることができる。このように、温度センサの出力電圧が通常の検出信号の範囲を超える大きな値となるときは、温度センサに接続する配線で短絡が起きていると考えられる。また、温度センサの出力電圧が通常の検出信号の範囲を超えて０Ｖに近い小さな値となる時には、温度センサに接続する配線で断線が起きていると考えられる。したがって、警告時には、表示画面等にこれら異常の種類をさらに示すこととしても良い。
【００３６】
上記第１実施例では、検出した冷却水温Ｔ１ を上限値および下限値と比較することにより、第１温度センサ３１において、主として断線や短絡等の異常を検出しているが、温度センサの異常としては、これ以外にも種々の異常が考えられる。図５は、第１実施例の変形例としての異常時判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。ここでは、第１実施例と同様の異常判定に加えて、さらに、第１温度センサ３１における信号処理過程の異常も検出可能としている。
【００３７】
図５の異常時判定処理ルーチンは、第１実施例と同様の電気自動車１０の制御部４０において、図４に示した処理に代えて、既述した保温運転制御処理ルーチンが行なわれているときにこの保温運転制御処理ルーチンとは別個に繰り返し実行される。
【００３８】
本ルーチンのステップＳ３００〜Ｓ３３０の処理は、図４に示した異常時判定処理ルーチンのステップＳ２００〜Ｓ２３０とそれぞれ同様の処理であり、検出した冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下であるときには、異常判定部４４は第１温度センサ３１が異常であると判断して警告を行なう。ここで、図５では、ステップＳ３１０で冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下ではないと判断したときに、さらに異常判定部４４は、この冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持しているか否かを判断する（ステップＳ３４０）。このステップＳ３４０における所定時間および一定温度の幅は、燃料電池システム１５を放置したときに通常であれば温度変化が生じると予測される時間および温度幅として、予め定めて制御部４０内に記憶しておいたものである。例えば、本実施例では、上記所定時間は１０分間、一定温度の幅は±１℃に設定されている。
【００３９】
ステップＳ３４０において、冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持しているときには、異常判定４４は第１温度センサ３１における信号処理過程に異常があるものと判断して、第１温度センサ３１が異常であることを警告し（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ３４０において、冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持していないには、第１温度センサ３１は異常でないと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００４０】
Ｄ．第２実施例：
図６は、第２実施例の燃料電池システム１１５を搭載する電気自動車１１０の構成の概略を現わすブロック図である。第２実施例の電気自動車１１０は、第１実施例の電気自動車１０と類似する構成を有しているため、共通する構成要素には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。第２実施例の燃料電池システム１１５は、冷却水流路２８において、第１温度センサ３１に加えて、燃料電池スタック２０に流入する冷却水温Ｔ２ を検出する第２温度センサ３２を備えている。第２温度センサ３２は、燃料電池スタック２０内に冷却水が流入する側の接続部近傍に設けられている。
【００４１】
図７は、第２実施例の電気自動車１１０の制御部４０において実行される異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図４に示した第１実施例の異常判定処理ルーチンに代えて、繰り返し実行される。
【００４２】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の異常判定部４４は、まず、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２から、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ を取得する（ステップＳ４００）。次に、異常判定部４４は、これら冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のそれぞれについて、図４のステップＳ２１０と同様に、予め定めた上限値以上あるいは下限値以下の値となっているか否かの判断を行なう（ステップＳ４１０）。ステップＳ４１０で参照する上限値及び下限値は、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のそれぞれについて、第１実施例と同様に、通常では検出されない異常な値の基準値として予め定めて制御部４０に記憶しておいたものである。ステップＳ４１０において、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のいずれも上限値と下限値の間の値であるときには、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２は異常でないと判断して、本ルーチンを終了する。
【００４３】
ステップＳ４１０において、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のいずれか一方の検出値が、上限値以上あるいは下限値以下であるときには、異常判定部４４は、図４のステップＳ２２０と同様に、異常な値を示す状態が、予め設定した所定の時間以上連続して成立しているかどうかを判断する（ステップＳ４２０）。異常な値を示す状態が、所定の時間以上連続して成立していない場合には、この異常な値が検出された温度センサに異常はないものと判断して、異常判定４４はそのまま本ルーチンを終了する。
【００４４】
ステップＳ４２０において、いずれかの温度センサにおいて、異常な値が検出される状態が所定の時間以上連続して成立していると判断したときには、異常判定部４４は、この異常な値を検出した温度センサが異常であると判断して警告発生部５９に制御信号を出力し（ステップＳ４３０）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ４３０において、いずれかの温度センサが異常であると判定したときには、異常判定部４４は、いずれの温度センサが異常であるかに関する情報を保温運転制御部４２に送出する。また、図７に示した異常判定の処理においても、図５に示した処理と同様に、信号処理過程の異常等をさらに考慮して異常判定を行なうこととしても良い。
【００４５】
図８は、第２実施例の電気自動車１１０の制御部４０において実行される保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図３に示した第１実施例の保温運転処理ルーチンに代えて、繰り返し実行される。
【００４６】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の保温運転制御部４２は、まず、第１温度センサ３１あるいは第２温度センサ３２において、異常が検出されたかどうかを判断する（ステップＳ５００）。この判断は、図７の異常判定処理ルーチンのステップＳ４３０において、いずれかのセンサが異常であるという情報が保温運転制御部４２に伝えられたか否かに基づいて行なわれる。
【００４７】
ステップＳ５００で、異常が検出されたと判断したときには、保温運転制御部４２は、その異常が、第１温度センサ３１の異常であるか否かを判断する（ステップＳ５１０）。第１温度センサ３１のではなく第２温度センサ３２の異常であると判断した場合には、保温運転制御部４２は、図３のステップＳ１００〜ステップＳ１５０と同様の処理であるステップＳ５２０〜ステップＳ５７０の処理を行なって、本ルーチンを終了する。すなわち、第１温度センサ３１が検出する冷却水温Ｔ１ に基づいて、保温運転の開始と停止の制御を行なう。
【００４８】
これに対して、ステップＳ５１０で第１温度センサ３１が異常であると判断したときには、保温運転制御部４２は、第２温度センサ３２が検出する冷却水温Ｔ２ に基づいて保温運転の開始と停止の制御を行ない（ステップＳ５８０〜ステップＳ６２０およびステップＳ５７０）、本ルーチンを終了する。これらの処理は、ステップＳ５２０〜ステップＳ５７０と同様の処理である。ここでは、冷却水温Ｔ１ に基づく判断のために定めた第１基準温度ＴＡ１および第２基準温度ＴＢ１に代えて、冷却水温Ｔ２ に基づく判断のために同様に定めた第１基準温度ＴＡ２および第２基準温度ＴＢ２に基づいて、判断を行なう。
【００４９】
ステップＳ５００において、いずれの温度センサでも異常が検出されなかった時には、いずれか一方の温度センサが検出した冷却水温に基づいて、保温運転の開始と停止の制御を行なう。本実施例では、両方の温度センサが正常であるときには、第１温度センサ３１が検出する冷却水温Ｔ１ に基づいて制御を行なっている（ステップＳ５２０〜ステップＳ５７０）。
【００５０】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム１１５によれば、複数の温度センサを用い、いずれかの温度センサにおいて異常が検出されたときには、警告を行なうと共に残りの温度センサを用いて保温運転の制御を行なうため、保温運転の動作の信頼性を高めることができる。すなわち、誤った温度判断に基づいて保温運転の開始や停止を行なうのを防止することができる。なお、第２実施例では、燃料電池スタック２０の内部温度を検出するために、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２を用いたが、３つ以上の温度センサを用いて同様の制御を行なうこととしても良い。
【００５１】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５２】
Ｅ１．変形例１：
第１および第２実施例では、冷却水温に基づいて保温運転の動作を制御しているが、スタック内部温度を直接検出しても良く、燃料電池スタック２０の内部温度を反映する値であれば種々の測定値を用いることができる。例えば、水素供給装置２４として、水素ガスを貯蔵する装置に代えて改質器を備える装置を用いることとすれば、改質器の内部温度や、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスの温度に基づいて判断することができる。
【００５３】
保温運転を行なうために燃料電池システムを起動しているときには、燃料電池スタックからの出力電流および出力電圧に基づいて燃料電池スタック内部の温度状態を判断することも可能である。燃料電池における出力電流に対する出力電圧の値は、燃料電池スタックの内部温度に応じて変化するという性質を有しているため、出力電流と出力電圧を検出することによって、燃料電池スタック内部が充分に昇温したか否かを判断することができる。
【００５４】
あるいは、燃料電池スタック２０の内部温度を反映する値の一つとして、外気温を検出することとしても良い。ここで、他の温度検出部に異常が生じて、外気温だけに基づいて保温運転の要否を判断する場合には、外気温の温度が所定値以下の状態が長く続くと、保温運転が必要以上に継続される可能性がある。そのため、このような場合には、所定の時間保温運転を行ない、その後所定の時間停止する処理を繰り返すこととしても良い。
【００５５】
Ｅ２．変形例２：
第１および第２実施例では、燃料電池スタック２０と２次電池５２とを負荷に対して平行に接続し、両方を電源として走行可能としたが、異なる構成としても良い。例えば、２次電池５２は、車両補機を駆動するためだけに用い、車両の駆動用電源としては燃料電池のみを用いる構成も可能である。システムの起動中には燃料電池が負荷に対して電力を供給し、システム停止時には燃料電池の動作が停止されるシステムであれば、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。
【００５６】
Ｅ３．変形例３：
また、既述した実施例では、燃料電池システムを電気自動車に搭載したが、燃料電池システムを定置型電源として用いる場合にも、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１５を搭載する電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】保温運転の要否および温度センサにおける異常の有無について判断する処理に関わる回路の構成を示すブロック図である。
【図３】保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】第１実施例の変形例としての異常時判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】燃料電池システム１１５を搭載する電気自動車１１０の構成の概略を現わすブロック図である。
【図７】異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】保温運転制御処理ルーチンを現わすフローチャートである。
【符号の説明】
１０，１１０…電気自動車
１５，１１５…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２４…水素供給装置
２６…ブロワ
２８…冷却水流路
３０…冷却装置
３１…第１温度センサ
３２…第２温度センサ
３４…ポンプ
３６…ラジエータ
４０…制御部
４２…保温運転制御部
４４…異常判定部
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…インバータ
５６…モータ
５８…始動スイッチ
５９…警告発生部
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの使用環境の温度が低下するときに、燃料電池内で水が凍結することに起因して不都合が発生するのを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に燃料電池では、電気化学反応の進行に伴って水が生じる。また、燃料電池に供給する水素を生成するために水蒸気改質反応を利用する場合には、燃料電池に供給する水素含有ガス中には所定量の水蒸気が含まれることになる。そのため、燃料電池の内部温度が０℃以下になると、燃料電池内部で上記水が凍結してしまう可能性がある。例えば、環境温度が０℃以下であるときに燃料電池の発電を停止させると、燃料電池内部で水が凍結する場合がある。このようにガス流路内の水が凍結すると、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、次回燃料電池を起動したときに、ガスの供給が妨げられて、電気化学反応が充分進行しない状態となる可能性がある。そのため、例えば特許文献１では、燃料電池停止時に温度が低下したときには燃料電池の発電を行ない、凍結を防止する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０８号公報
【特許文献２】
特開平７−１６９４７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように燃料電池内の温度や外気温度に基づいて、システム停止中に燃料電池の発電を行なう場合に、検出する温度が正確でない場合には、凍結が起こる温度以下になっても発電（保温運転）が開始されなかったり、不必要に保温運転が行なわれる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの停止中に、燃料電池内部で水が凍結するのを防止するために行なう保温運転の信頼性を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、検出された前記電池動作温度が第１の基準値以下である場合には、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と、
前記温度検出部が前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記異常判定部が異常があると判定したときに、警告を発生する警告発生部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池システムによれば、燃料電池システム停止時に燃料電池内部温度が低下したときには保温運転を行なうことで電池内部で水が凍結するのを防止することができると共に、温度検出部が異常であると判断されるときには警告を発することで、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始してしまうのを防止することができる。誤った温度判断に基づいて保温運転を開始すると、凍結のおそれのないときに保温運転が開始されてシステム全体のエネルギ効率が低したり、燃料電池内部で水が凍結してから保温運転が開始されてしまうという不都合を生じる可能性がある。異常時に警告を発生することで、このような不都合を回避することが可能となる。
【０００８】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、温度検出部が異常であると判断されるときには警告を発することで、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止してしまうのを防止することができる。誤った温度判断に基づいて保温運転を停止すると、充分に燃料電池の内部温度が上昇したにもかかわらず保温運転が停止されないためにシステムのエネルギ効率が低下したり、充分に燃料電池温度が上昇する前に保温運転が停止されて水の凍結が起こるという不都合が生じる可能性がある。異常時に警告を発生することで、このような不都合を回避することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記温度検出部を複数備え、
前記異常判定部は、前記複数の温度検出部のそれぞれについて、異常の有無を判定し、
前記保温運転制御部は、前記複数の温度検出部のいずれかにおいて異常があると判定されたときには、異常がないと判定された他の前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記保温運転に関わる制御を行なうこととしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、複数の温度検出部を用い、いずれかの温度検出部で異常が検出されたときには、警告を行なうと共に残りの温度検出部を用いて保温運転の制御を行なうため、保温運転の動作の信頼性を高めることができる。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する複数の温度検出部と、
前記複数の温度検出部の各々について、前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記燃料電池システムの運転停止時にいずれかの前記温度検出部が異常であると前記異常判定部が判定したときには、異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、第１の基準値以下である場合に、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と
を備えることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第２の燃料電池システムによれば、いずれかの温度検出部が異常であるときには、複数の温度検出部のうちで異常無しと判定された温度検出部が検出した電池動作温度に基づいて保温運転を行なうため、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始してしまうのを防止して、保温運転を開始する動作の信頼性を高めることができる。
【００１４】
本発明の第２の燃料電池システムにおいて、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記異常判定部によって異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、複数の温度検出部のうちで異常無しと判定された温度検出部が検出した電池動作温度に基づいて保温運転を停止させるため、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止してしまうのを防止して、保温運転を開始する動作の信頼性を高めることができる。
【００１６】
本発明の第１あるいは第２の燃料電池システムにおいて、前記異常判定部は、前記温度検出部から、該温度検出部における断線あるいは短絡を示す信号が出力されたときに異常があると判定することとしても良い。このような構成とすれば、温度検出部における異常を容易に判断することができる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．動作：
Ｃ．効果：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例：
【００１９】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１５を搭載する電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【００２０】
燃料電池システム１５は、電気自動車１０の主電源であり、燃料電池スタック２０、水素供給装置２４、ブロワ２６、冷却装置３０を備えている。燃料電池スタック２０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いている。
【００２１】
水素供給装置２４は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック２０のアノードに供給する装置である。例えば、水素供給装置２４は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすれば良い。なお、電気化学反応に供されてアノードから排出された燃料排ガスは、水素供給装置２４と燃料電池スタック２０とを接続する流路に導いて、再び電気化学反応に供することができる（図示せず）。また、燃料電池スタック２０のカソードには、ブロワ２６が取り込んだ空気が、酸化ガスとして供給される。
【００２２】
冷却装置３０は、燃料電池スタック２０内部を通過するように形成された冷却水流路２８と、ラジエータ３６と、ポンプ３４とを備えている。ポンプ３４を駆動することで、冷却水流路２８内で冷却水を循環させることができる。燃料電池スタック２０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池スタック２０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ３６で冷却することによって、燃料電池スタック２０の動作温度を所定の範囲内に保つ。ラジエータ３６は、図示しない冷却ファンを備えており、この冷却ファンを駆動することで、ラジエータ３６における冷却水の冷却を促進することができる。なお、冷却水流路２８において、燃料電池スタック２０との接続部近傍であって、燃料電池スタック２０内から冷却水が排出される側には、第１温度センサ３１が設けられている。図１では、冷却水流路２８内を冷却水が循環する方向を矢印で示している。
【００２３】
電気自動車１０は、上記燃料電池システム１５の他に、補助電源としての２次電池５２を備えている。２次電池５２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して燃料電池スタック２０と並列に接続されている。インバータ５４は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ５６に供給し、モータ５６の回転数とトルクとを制御する。
【００２４】
制御部４０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１５をはじめとする電気自動車１０の各部の動きを制御している。すなわち、上記第１温度センサ３１の検出信号など、電気自動車１０に設けられた種々のセンサから信号を受信すると共に、ブロワ２６やポンプ３４、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ５０やインバータ５４など各部に駆動信号を出力する。さらに、電気自動車１０には、車両全体のシステムの始動と停止の指示を入力するための始動スイッチ５８が設けられており、制御部４０は、この始動スイッチ５８におけるオン・オフ信号（始動と停止の指示）を受信する。また、電気自動車１０には、温度センサに異常が生じたときに警告を発するための警告発生部５９が設けられており、制御部４０は、この警告発生部５９に対して制御信号を出力する。図１では、制御部４０が燃料電池システム１５を含む電気自動車１０全体の制御を行なうこととしたが、燃料電池システム１５に関わる制御部と、車両駆動に関わる制御部とをそれぞれ別体で設けることとしても良い。このような場合にも、これら２つの制御部の間で情報のやり取りがなされ、以下に示すような動作を行なうための制御が車両全体として行なわれればよい。
【００２５】
Ｂ．動作：
図２は、保温運転の要否および温度センサにおける異常の有無について判断する処理に関わる回路として、電気自動車１０が備える回路の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部４０は、保温運転制御部４２および異常判定部４４を備えている。また、図３は、電気自動車１０の制御部４０において実行される保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電気自動車１０において、始動スイッチ５８がオン状態からオフ状態となり燃料電池システム１５が停止されたときに、始動スイッチ５８が次回にオン状態となるまでの間、繰り返し実行される。
【００２６】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の保温運転制御部４２は、まず、第１温度センサ３１から冷却水温Ｔ１ を取得する（ステップＳ１００）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に保温運転制御部４２は、この冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、冷却水温Ｔ１ は、燃料電池スタック２０内の温度を反映している。また、第１の基準温度ＴＡ１とは、燃料電池スタック２０内で水が凍結する可能性がある場合に対応する冷却水温度であり、予め設定して制御部４０内に記憶されている。例えば、本実施例では、この第１の基準温度ＴＡ１は２℃に設定されている。ステップＳ１１０において、冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下ではないと判断したときには、保温運転制御部４２は、燃料電池スタック２０内で水が凍結することはないと判断してステップＳ１００に戻る。そして、ステップＳ１１０において検出した冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であるか否かを判断する動作を繰り返す。
【００２７】
ステップＳ１１０において、冷却水温Ｔ１ が第１の基準温度ＴＡ１以下であると判断すると、保温運転制御部４２は、燃料電池システム１５の各部に駆動信号を出力して、保温運転を開始する（ステップＳ１２０）。具体的には、制御部４０は、水素供給装置２４およびブロワ２６を駆動して、燃料電池スタック２０に対して、燃料ガスである水素ガスおよび酸化ガスである空気の供給を開始させる。また、ポンプ３４を駆動して、冷却水流路２８内で冷却水の循環を開始させる。なお、この保温運転は、燃料電池スタック２０内の温度低下を防止するためのものであるため、保温運転を行なう際には、ラジエータ３６が備える図示しない冷却ファンは駆動されない。また、モータ５６を駆動する必要がないため、保温運転時における発電量は極めて低いレベルに保たれる。具体的には、燃料電池スタック２０の発電量は、水素供給装置２４やブロワ２６やポンプ３４などの燃料電池補機の消費電力量を賄うために要するレベルに抑えられる。ここで、燃料電池スタック２０に供給されたガス量に対して発電可能な電力量は、燃料電池スタック２０の内部温度によって変化するため、第１温度センサ３１が検出した冷却水温Ｔ１ に基づいて、保温運転時における上記燃料電池補機の駆動量を調節することとしても良い。さらに、燃料電池スタック２０の温度を上昇させるために、燃料電池スタック２０あるいは冷却水を加熱するヒータを設けて、保温運転中は、燃料電池スタック２０が発電した電力の一部を用いてこのヒータによる加熱を行なうこととしても良い。また、２次電池５２の残存容量が低下しているときには、保温運転時に２次電池５２の充電を同時に行なうこととしても良い。
【００２８】
保温運転を開始すると、保温運転制御部４２は、第１温度センサ３１から冷却水温度Ｔ１ を取得する（ステップＳ１３０）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に保温運転制御部４２は、この冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、第２の基準温度ＴＢ１とは、燃料電池スタック２０内の温度が充分に昇温したことを示す基準となる温度であり、予め設定して制御部４０内に記憶されている。例えば、本実施例では、この第２の基準温度ＴＢ１は７℃に設定されている。ステップＳ１４０において、冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１に達していないときには、燃料電池スタック２０内で水が凍結する可能性があると判断してステップＳ１３０に戻り、ステップＳ１４０において検出した冷却水温Ｔ１ と第２の基準温度ＴＢ１とを比較する動作を繰り返す。
【００２９】
ステップＳ１４０において、冷却水温Ｔ１ が第２の基準温度ＴＢ１以上であると判断すると、保温運転制御部４２は、保温運転を停止し（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。このような動作を繰り返すことで、始動スイッチ５８がオフ状態となった後にも、燃料電池スタック２０は、内部で水が凍結する可能性の無い温度範囲に保たれる。ここで、第２の基準温度ＴＢ１をあまり高く設定すると、保温運転を行なうことでシステム外部に放出される熱量が多くなってしまう。そのため、第１温度センサ３１の精度を考慮して、図３に示した保温運転の開始と停止の動作が良好に行なわれる範囲内で、第２の基準温度ＴＢ１は、できるだけ低く設定することが好ましい。例えば、本実施例では、第２の基準温度ＴＢ１は、第１の基準温度ＴＡ１よりも５℃高い温度に設定されている。
【００３０】
図４は、電気自動車１０の制御部４０において実行される異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、既述した保温運転制御処理ルーチンが行なわれているときに、この保温運転制御処理ルーチンとは別個に繰り返し実行される。
【００３１】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の異常判定部４４は、まず、第１温度センサ３１から冷却水温Ｔ１ を取得する（ステップＳ２００）。冷却水温Ｔ１ を取得すると、次に異常判定部４４は、この冷却水温Ｔ１ が、上限値以上、あるいは下限値以下の値であるかどうかを判断する（ステップＳ２１０）。ここで、上記上限値および下限値とは、通常考えられる燃料電池システム１５の使用環境では第１温度センサ３１が示さない異常な値として、予め設定して制御部４０に記憶しておいた値である。本実施例では、一例として、上限値として約１２０℃、下限値として−３０℃が設定されている。冷却水温Ｔ１ が、上限値と下限値との間の値であるときには、第１温度センサ３１に異常はないものと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３２】
ステップＳ２１０において、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下の値であると判断されると、次に異常判定部４４は、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、予め設定した所定の時間以上連続して成立しているかどうかを判断する（ステップＳ２２０）。このステップＳ２２０における所定の時間とは、ノイズ等の影響を排除するためのものであり、例えば本実施例では１秒に設定している。冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、所定の時間以上連続して成立していない場合には、このような異常な値が検出されたのはノイズ等によるものであり第１温度センサ３１に異常はないものと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３３】
ステップＳ２２０において、冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下となる状態が、所定の時間以上連続して成立していると判断すると、異常判定部４４は、第１温度センサ３１が異常であると判断して警告発生部５９に駆動信号を出力して（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。警告発生部５９は、警告を発することによって、第１温度センサ３１に異常が生じていることを電気自動車１０の使用者に知らせる。警告発生部５９としては、例えば、電気自動車１０に設けた表示画面や、音声発生手段や、警告灯とすることができる。表示画面に警告を表示したり、音声で警告を行なったり、警告灯を点灯させたりすることによって、異常を知らせる。音声や警告灯を用いる場合には、使用者が電気自動車１０から離れている場合であっても、警告に容易に気づくことができて好ましい。
【００３４】
Ｃ．効果：
以上のように構成された第１実施例の燃料電池システム１５によれば、システム停止時に燃料電池スタック２０の内部温度が低下したときには保温運転を行なうことで電池内部で水が凍結するのを防止することができると共に、第１温度センサ３１が異常であると判断されるときには警告を発することで、異常であることを使用者に知らせることができる。その結果、誤った温度判断に基づいて保温運転の開始及び停止の制御を継続してしまうのを防止することができる。すなわち、誤った温度判断に基づいて保温運転を開始することにより、凍結のおそれのないときに保温運転を行なってシステム全体のエネルギ効率を低下させたり、燃料電池スタック２０内部で水が凍結してから保温運転を開始するという不都合を防止できる。また、誤った温度判断に基づいて保温運転を停止することにより、充分に燃料電池スタック２０の温度が上昇したにもかかわらず保温運転を継続してシステムのエネルギ効率を低下させたり、充分に燃料電池スタック２０の温度が上昇する前に保温運転を停止して水の凍結を引き起こすという不都合を防止できる。
【００３５】
上記実施例では、第１温度センサ３１における異常の有無の判定は、第１温度センサ３１の出力信号から検出される冷却水温Ｔ１ に基づいて行なったが、第１温度センサ３１の出力信号そのものに基づくこととしても良い。第１温度センサ３１をサーミスタによって構成する場合には、印加電圧に対する出力電圧の値が、既述した温度の上限値や下限値に対応する値からはずれたときに、第１温度センサ３１が異常であると判断することができる。例えば、印加電圧０．５Ｖに対して、出力電圧が、温度の上限値１２０℃に対応する０．４９Ｖ以上の時、あるいは温度の下限値−３０℃に対応する０．０１Ｖ以下の時に、異常と判断する、というように基準値を定めることができる。このように、温度センサの出力電圧が通常の検出信号の範囲を超える大きな値となるときは、温度センサに接続する配線で短絡が起きていると考えられる。また、温度センサの出力電圧が通常の検出信号の範囲を超えて０Ｖに近い小さな値となる時には、温度センサに接続する配線で断線が起きていると考えられる。したがって、警告時には、表示画面等にこれら異常の種類をさらに示すこととしても良い。
【００３６】
上記第１実施例では、検出した冷却水温Ｔ１ を上限値および下限値と比較することにより、第１温度センサ３１において、主として断線や短絡等の異常を検出しているが、温度センサの異常としては、これ以外にも種々の異常が考えられる。図５は、第１実施例の変形例としての異常時判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。ここでは、第１実施例と同様の異常判定に加えて、さらに、第１温度センサ３１における信号処理過程の異常も検出可能としている。
【００３７】
図５の異常時判定処理ルーチンは、第１実施例と同様の電気自動車１０の制御部４０において、図４に示した処理に代えて、既述した保温運転制御処理ルーチンが行なわれているときにこの保温運転制御処理ルーチンとは別個に繰り返し実行される。
【００３８】
本ルーチンのステップＳ３００〜Ｓ３３０の処理は、図４に示した異常時判定処理ルーチンのステップＳ２００〜Ｓ２３０とそれぞれ同様の処理であり、検出した冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下であるときには、異常判定部４４は第１温度センサ３１が異常であると判断して警告を行なう。ここで、図５では、ステップＳ３１０で冷却水温Ｔ１ が上限値以上あるいは下限値以下ではないと判断したときに、さらに異常判定部４４は、この冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持しているか否かを判断する（ステップＳ３４０）。このステップＳ３４０における所定時間および一定温度の幅は、燃料電池システム１５を放置したときに通常であれば温度変化が生じると予測される時間および温度幅として、予め定めて制御部４０内に記憶しておいたものである。例えば、本実施例では、上記所定時間は１０分間、一定温度の幅は±１℃に設定されている。
【００３９】
ステップＳ３４０において、冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持しているときには、異常判定４４は第１温度センサ３１における信号処理過程に異常があるものと判断して、第１温度センサ３１が異常であることを警告し（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ３４０において、冷却水温Ｔ１ が所定時間以上一定温度を維持していないには、第１温度センサ３１は異常でないと判断して、そのまま本ルーチンを終了する。
【００４０】
Ｄ．第２実施例：
図６は、第２実施例の燃料電池システム１１５を搭載する電気自動車１１０の構成の概略を現わすブロック図である。第２実施例の電気自動車１１０は、第１実施例の電気自動車１０と類似する構成を有しているため、共通する構成要素には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。第２実施例の燃料電池システム１１５は、冷却水流路２８において、第１温度センサ３１に加えて、燃料電池スタック２０に流入する冷却水温Ｔ２ を検出する第２温度センサ３２を備えている。第２温度センサ３２は、燃料電池スタック２０内に冷却水が流入する側の接続部近傍に設けられている。
【００４１】
図７は、第２実施例の電気自動車１１０の制御部４０において実行される異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図４に示した第１実施例の異常判定処理ルーチンに代えて、繰り返し実行される。
【００４２】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の異常判定部４４は、まず、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２から、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ を取得する（ステップＳ４００）。次に、異常判定部４４は、これら冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のそれぞれについて、図４のステップＳ２１０と同様に、予め定めた上限値以上あるいは下限値以下の値となっているか否かの判断を行なう（ステップＳ４１０）。ステップＳ４１０で参照する上限値及び下限値は、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のそれぞれについて、第１実施例と同様に、通常では検出されない異常な値の基準値として予め定めて制御部４０に記憶しておいたものである。ステップＳ４１０において、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のいずれも上限値と下限値の間の値であるときには、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２は異常でないと判断して、本ルーチンを終了する。
【００４３】
ステップＳ４１０において、冷却水温Ｔ１ およびＴ２ のいずれか一方の検出値が、上限値以上あるいは下限値以下であるときには、異常判定部４４は、図４のステップＳ２２０と同様に、異常な値を示す状態が、予め設定した所定の時間以上連続して成立しているかどうかを判断する（ステップＳ４２０）。異常な値を示す状態が、所定の時間以上連続して成立していない場合には、この異常な値が検出された温度センサに異常はないものと判断して、異常判定４４はそのまま本ルーチンを終了する。
【００４４】
ステップＳ４２０において、いずれかの温度センサにおいて、異常な値が検出される状態が所定の時間以上連続して成立していると判断したときには、異常判定部４４は、この異常な値を検出した温度センサが異常であると判断して警告発生部５９に制御信号を出力し（ステップＳ４３０）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ４３０において、いずれかの温度センサが異常であると判定したときには、異常判定部４４は、いずれの温度センサが異常であるかに関する情報を保温運転制御部４２に送出する。また、図７に示した異常判定の処理においても、図５に示した処理と同様に、信号処理過程の異常等をさらに考慮して異常判定を行なうこととしても良い。
【００４５】
図８は、第２実施例の電気自動車１１０の制御部４０において実行される保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図３に示した第１実施例の保温運転処理ルーチンに代えて、繰り返し実行される。
【００４６】
本ルーチンが実行されると、制御部４０の保温運転制御部４２は、まず、第１温度センサ３１あるいは第２温度センサ３２において、異常が検出されたかどうかを判断する（ステップＳ５００）。この判断は、図７の異常判定処理ルーチンのステップＳ４３０において、いずれかのセンサが異常であるという情報が保温運転制御部４２に伝えられたか否かに基づいて行なわれる。
【００４７】
ステップＳ５００で、異常が検出されたと判断したときには、保温運転制御部４２は、その異常が、第１温度センサ３１の異常であるか否かを判断する（ステップＳ５１０）。第１温度センサ３１のではなく第２温度センサ３２の異常であると判断した場合には、保温運転制御部４２は、図３のステップＳ１００〜ステップＳ１５０と同様の処理であるステップＳ５２０〜ステップＳ５７０の処理を行なって、本ルーチンを終了する。すなわち、第１温度センサ３１が検出する冷却水温Ｔ１ に基づいて、保温運転の開始と停止の制御を行なう。
【００４８】
これに対して、ステップＳ５１０で第１温度センサ３１が異常であると判断したときには、保温運転制御部４２は、第２温度センサ３２が検出する冷却水温Ｔ２ に基づいて保温運転の開始と停止の制御を行ない（ステップＳ５８０〜ステップＳ６２０およびステップＳ５７０）、本ルーチンを終了する。これらの処理は、ステップＳ５２０〜ステップＳ５７０と同様の処理である。ここでは、冷却水温Ｔ１ に基づく判断のために定めた第１基準温度ＴＡ１および第２基準温度ＴＢ１に代えて、冷却水温Ｔ２ に基づく判断のために同様に定めた第１基準温度ＴＡ２および第２基準温度ＴＢ２に基づいて、判断を行なう。
【００４９】
ステップＳ５００において、いずれの温度センサでも異常が検出されなかった時には、いずれか一方の温度センサが検出した冷却水温に基づいて、保温運転の開始と停止の制御を行なう。本実施例では、両方の温度センサが正常であるときには、第１温度センサ３１が検出する冷却水温Ｔ１ に基づいて制御を行なっている（ステップＳ５２０〜ステップＳ５７０）。
【００５０】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム１１５によれば、複数の温度センサを用い、いずれかの温度センサにおいて異常が検出されたときには、警告を行なうと共に残りの温度センサを用いて保温運転の制御を行なうため、保温運転の動作の信頼性を高めることができる。すなわち、誤った温度判断に基づいて保温運転の開始や停止を行なうのを防止することができる。なお、第２実施例では、燃料電池スタック２０の内部温度を検出するために、第１温度センサ３１および第２温度センサ３２を用いたが、３つ以上の温度センサを用いて同様の制御を行なうこととしても良い。
【００５１】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５２】
Ｅ１．変形例１：
第１および第２実施例では、冷却水温に基づいて保温運転の動作を制御しているが、スタック内部温度を直接検出しても良く、燃料電池スタック２０の内部温度を反映する値であれば種々の測定値を用いることができる。例えば、水素供給装置２４として、水素ガスを貯蔵する装置に代えて改質器を備える装置を用いることとすれば、改質器の内部温度や、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスの温度に基づいて判断することができる。
【００５３】
保温運転を行なうために燃料電池システムを起動しているときには、燃料電池スタックからの出力電流および出力電圧に基づいて燃料電池スタック内部の温度状態を判断することも可能である。燃料電池における出力電流に対する出力電圧の値は、燃料電池スタックの内部温度に応じて変化するという性質を有しているため、出力電流と出力電圧を検出することによって、燃料電池スタック内部が充分に昇温したか否かを判断することができる。
【００５４】
あるいは、燃料電池スタック２０の内部温度を反映する値の一つとして、外気温を検出することとしても良い。ここで、他の温度検出部に異常が生じて、外気温だけに基づいて保温運転の要否を判断する場合には、外気温の温度が所定値以下の状態が長く続くと、保温運転が必要以上に継続される可能性がある。そのため、このような場合には、所定の時間保温運転を行ない、その後所定の時間停止する処理を繰り返すこととしても良い。
【００５５】
Ｅ２．変形例２：
第１および第２実施例では、燃料電池スタック２０と２次電池５２とを負荷に対して平行に接続し、両方を電源として走行可能としたが、異なる構成としても良い。例えば、２次電池５２は、車両補機を駆動するためだけに用い、車両の駆動用電源としては燃料電池のみを用いる構成も可能である。システムの起動中には燃料電池が負荷に対して電力を供給し、システム停止時には燃料電池の動作が停止されるシステムであれば、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。
【００５６】
Ｅ３．変形例３：
また、既述した実施例では、燃料電池システムを電気自動車に搭載したが、燃料電池システムを定置型電源として用いる場合にも、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１５を搭載する電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】保温運転の要否および温度センサにおける異常の有無について判断する処理に関わる回路の構成を示すブロック図である。
【図３】保温運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】第１実施例の変形例としての異常時判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】燃料電池システム１１５を搭載する電気自動車１１０の構成の概略を現わすブロック図である。
【図７】異常判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】保温運転制御処理ルーチンを現わすフローチャートである。
【符号の説明】
１０，１１０…電気自動車
１５，１１５…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２４…水素供給装置
２６…ブロワ
２８…冷却水流路
３０…冷却装置
３１…第１温度センサ
３２…第２温度センサ
３４…ポンプ
３６…ラジエータ
４０…制御部
４２…保温運転制御部
４４…異常判定部
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…インバータ
５６…モータ
５８…始動スイッチ
５９…警告発生部
Claims (8)
- 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、検出された前記電池動作温度が第１の基準値以下である場合には、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と、
前記温度検出部が前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記異常判定部が異常があると判定したときに、警告を発生する警告発生部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させる
燃料電池システム。 - 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記温度検出部を複数備え、
前記異常判定部は、前記複数の温度検出部のそれぞれについて、異常の有無を判定し、
前記保温運転制御部は、前記複数の温度検出部のいずれかにおいて異常があると判定されたときには、異常がないと判定された他の前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記保温運転に関わる制御を行なう
燃料電池システム。 - 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する複数の温度検出部と、
前記複数の温度検出部の各々について、前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する異常判定部と、
前記燃料電池システムの運転停止時にいずれかの前記温度検出部が異常であると前記異常判定部が判定したときには、異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、第１の基準値以下である場合に、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる保温運転制御部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記保温運転制御部は、前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記異常判定部によって異常無しと判定された前記温度検出部が検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させる
燃料電池システム。 - 請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記異常判定部は、前記温度検出部から、該温度検出部における断線あるいは短絡を示す信号が出力されたときに異常があると判定する
燃料電池システム。 - 燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
（ａ）前記燃料電池の内部温度を反映する温度である電池動作温度を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムの運転停止時に、前記（ａ）工程で検出した前記電池動作温度が第１の基準値以下である場合には、前記燃料電池を運転する保温運転を実行させる工程と、
（ｃ）前記（ａ）工程において前記電池動作温度を検出する動作における異常の有無を判定する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程において異常があると判定したときに、警告を発生する工程と、
を備える燃料電池システムの運転方法。 - 請求項７記載の燃料電池システムの運転方法であって、さらに、
（ｅ）前記（ｂ）工程により前記燃料電池が前記保温運転を実行中に、前記（ａ）工程で検出した前記電池動作温度が、前記第１の基準値を超える第２の基準値以上となったときには、前記保温運転を停止させる工程を備える
燃料電池システムの運転方法。
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