JP7103116B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池発電システムを起動してから所定時間に達するまでは、切り替え手段を第１の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を水質浄化装置へ通水し、所定時間経過後は、切り替え手段を第２の分岐ライン側に切り替えて、燃料電池を出た電池冷却水を水タンクに戻すように構成した燃料電池発電システムは、従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９－１０４８１４号公報
このような構成によれば、燃料電池発電システムの起動時においては、電池冷却水の水質をすばやく浄化することができる。しかしながら、燃料電池発電システムを起動していない状態、即ち電池冷却水を循環させるポンプの停止状態が長期に亘る場合には、イオン性物質の溶出によって電池冷却水の導電率が増加し（絶縁抵抗が低下し）、燃料電池発電システムを起動させようとしたときに、「漏電」と判断されて起動できなくなる可能性がある。
そこで、本発明は、燃料電池を冷却する冷媒を循環させるポンプの停止状態が長期に亘っても、燃料電池の起動時に「漏電」と判断されることを抑制できる燃料電池システムを得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する循環経路と、前記循環経路に設けられ、前記燃料電池とは別に設けられたバッテリの電力で前記冷媒を循環させるポンプと、前記循環経路に設けられ、前記冷媒の熱を放熱する放熱器と、前記循環経路に、該循環経路よりも小径とされた流路によって前記燃料電池と並列に設けられ、前記冷媒の絶縁抵抗を回復させるイオン交換器と、前記放熱器よりも前記冷媒の循環方向下流側で、かつ前記ポンプよりも前記冷媒の循環方向上流側における前記循環経路に設けられ、前記冷媒の導電率を検出する検出器と、前記検出器及び前記ポンプと電気的に接続され、少なくとも前記ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ポンプが停止している状態で、かつ前記検出器で検出された前記冷媒の導電率から求められた前記冷媒の絶縁抵抗が特定値以下となったときには、前記冷媒が前記イオン交換器を通過するように、前記ポンプの駆動を開始する。
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を冷却する冷媒を循環させるポンプが停止している状態で、かつ検出器で検出された冷媒の導電率から求められた冷媒の絶縁抵抗が特定値以下となったときには、制御部が、ポンプの駆動を開始して、イオン交換器へ冷媒を流す。
したがって、ポンプの停止状態が長期に亘っても、冷媒の絶縁抵抗が速やかに回復され、燃料電池の起動時に「漏電」と判断されることが抑制される。
また、制御部は、燃料電池とは別に設けられたバッテリの電力で、ポンプの駆動を開始する。したがって、燃料電池が起動していなくても、冷媒の絶縁抵抗が速やかに回復される。
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記ポンプが停止してから所定の時間間隔で、前記冷媒の導電率を前記検出器で検出する。
請求項２に記載の発明によれば、制御部は、ポンプが停止してから所定の時間間隔で、冷媒の導電率を検出器で検出する。したがって、ポンプの停止状態が長期に亘っても、その導電率から求められた冷媒の絶縁抵抗が特定値以下となったことを速やかに検知することができる。よって、燃料電池の起動時に「漏電」と判断されることが抑制される。
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記検出器は、前記放熱器の近傍に配置されている。
請求項３に記載の発明によれば、検出器が、放熱器の近傍に配置されている。ここで、放熱器は、イオン性物質の溶出性が他の部位よりも高い。したがって、この検出器により、冷媒の最も高い導電率が検出される。つまり、その導電率から求められる冷媒の最も低い絶縁抵抗で特定値以下か否かが判断される。よって、燃料電池の起動時に「漏電」と判断されることがより一層抑制される。
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１～請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記特定値は、車両に設けられた漏電監視ユニットが監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の限界値よりも高い値である。
請求項４に記載の発明によれば、特定値が、車両に設けられた漏電監視ユニットが監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の限界値よりも高い値とされている。したがって、その限界値以下となったときに、ポンプの駆動を開始して、イオン交換器へ冷媒を流す場合に比べて、冷媒の絶縁抵抗がより速やかに（より短時間で）回復される。
以上のように、本発明によれば、燃料電池を冷却する冷媒を循環させるポンプの停止状態が長期に亘っても、燃料電池の起動時に「漏電」と判断されることを抑制することができる。
本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムを含む高電圧系の合成絶縁抵抗を監視する漏電監視ユニットを示すブロック図である。 （Ａ）従来における燃料電池システムを長期放置した後の絶縁抵抗（導電率）を示す説明図である。（Ｂ）本実施形態に係る燃料電池システムを長期放置した後の絶縁抵抗（導電率）を示す説明図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、主に車両（図示省略）に搭載される。また、以下において、冷媒の循環方向上流側を単に「上流側」と言い、循環方向下流側を単に「下流側」と言う場合がある。更に、本実施形態における「長期」とは、例えば２週間以上を指すものである。
図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素と酸素の化学反応によって発電する燃料電池（ＦＣスタック）２０と、燃料電池２０の内部を冷却する冷媒（冷却水）が循環する循環経路としての流路１２と、を備えている。流路１２には、冷媒を循環させるポンプ（ウォーターポンプ）２６が設けられている。
ポンプ２６は、いつでも（例えば車両の駐車時のように、燃料電池２０が起動していないときであっても）駆動できるように、低電圧で使用可能な構成になっている。つまり、ポンプ２６は、燃料電池２０とは別に車両に設けられたバッテリ４２で駆動できるようになっている。これは、ポンプ２６が高電圧でのみ使用可能な構成になっていると、燃料電池２０の起動が必要となってしまうからである。
具体的に言えば、例えば車両の長期放置による冷媒へのイオン性物質の溶出により、その冷媒の絶縁抵抗が、車両における高電圧系を起動できないほど低下してしまうと、燃料電池２０を起動できず、ポンプ２６を駆動できなくなるからである（燃料電池２０が起動されていた場合には、後述する制御部４０により、ポンプ２６の駆動が電気的に即時遮断されるからである）。
また、ポンプ２６よりも上流側における流路１２には、冷媒の熱を大気へ放熱する放熱器としてのラジエータ２２が設けられている。ラジエータ２２には、ラジエータ２２へ冷却風を引き込むためのファン２１が対向配置されている。そして、ラジエータ２２よりも上流側及び下流側における流路１２には、冷媒の熱を更に大気へ放熱する２台のサブラジエータ２４が直列的に設けられた流路１４の上流側端部及び下流側端部がそれぞれ接続されている。これにより、サブラジエータ２４がラジエータ２２と並列的に設けられるようになっている。
また、ラジエータ２２よりも下流側で、かつポンプ２６よりも上流側におけるラジエータ２２近傍の流路１２には、冷媒の導電率を検出する検出器（導電率計）３０が設けられている。そして、検出器３０よりも下流側で、かつポンプ２６よりも上流側における流路１２には、冷媒の温度を検出する温度センサー２８が設けられている。
更に、ポンプ２６よりも下流側で、燃料電池２０よりも上流側における流路１２と、燃料電池２０よりも下流側の流路１２とには、イオン交換器３２が設けられた流路１６の上流側端部と下流側端部とがそれぞれ接続されている。つまり、イオン交換器３２は、燃料電池２０及びラジエータ２２と並列的に設けられている。
そして、イオン交換器３２は、その内部を冷媒が通過することにより、冷媒の絶縁抵抗を回復させる（冷媒の導電率を低減させる）ように構成されている。なお、流路１６は、流路１２よりも小径とされており、ポンプ２６が駆動すると、流路１２を流れる冷媒の一部が流路１６へ流れ、イオン交換器３２の内部を通過するようになっている。
また、流路１６の上流側端部が接続された部位よりも下流側における流路１２と、流路１６の下流側端部が接続された部位よりも上流側における流路１２とには、インタークーラー３４が設けられた流路１８の上流側端部と下流側端部とがそれぞれ接続されている。つまり、インタークーラー３４も、燃料電池２０及びラジエータ２２と並列的に設けられている。
インタークーラー３４は、過給機（図示省略）の圧縮によって昇温した空気と熱交換して、その空気を冷却する熱交換器である。なお、流路１８は、流路１６と同様に、流路１２よりも小径とされており、ポンプ２６が駆動すると、流路１２を流れる冷媒の一部が流路１８へ流れ、インタークーラー３４の内部を通過するようになっている。
また、ラジエータ２２よりも上流側における流路１２には、電磁切換弁３８を介して、バイパス流路１３の上流側端部が接続されており、バイパス流路１３の下流側端部は、温度センサー２８よりも下流側で、かつポンプ２６よりも上流側における流路１２に接続されている。
そして、バイパス流路１３の下流側端部が接続された部位よりも下流側における流路１２とリザーバータンク３６とが第１分岐流路１５によって接続され、電磁切換弁３８よりも上流側における流路１２とリザーバータンク３６とが第２分岐流路１７によって接続されている。そして更に、ラジエータ２２とリザーバータンク３６とが第３分岐流路１９によって接続されている。
また、この燃料電池システム１０には、検出器３０及びポンプ２６と電気的に接続され、少なくともポンプ２６の駆動を制御する制御部４０が備えられている。そして、図２に示されるように、燃料電池２０の出力をアシストする高電圧バッテリ４４、燃料電池２０が発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー４６、燃料電池２０の出力を制御するパワーコントロールユニット４８、燃料電池システム１０（冷媒の絶縁抵抗）などを含む車両全体における高電圧系の合成絶縁抵抗が、漏電監視ユニット５０によって監視されている。
ここで、車両は、高電圧安全法規により、車両全体として１Ｖ（ボルト）当たり１００Ω以上の絶縁抵抗を確保しなければならないことが義務付けられている。そのため、燃料電池システム１０においては、燃料電池２０の最大電圧が、例えば７５０Ｖとされているときには、漏電監視ユニット５０により、その冷媒の絶縁抵抗が７５０Ｖ×１００Ω／Ｖ＝７５ｋΩを下回るか否かが監視されている。
つまり、冷媒の絶縁抵抗が７５ｋΩを下回っていた場合には、漏電監視ユニット５０により、「漏電」であるとユーザーへ告知され、かつ燃料電池２０が起動できないようになっている。なお、実際には、車両の帯電容量の影響によって公差があるため、漏電監視ユニット５０で監視する高電圧系の合成絶縁抵抗は、例えば７５ｋΩ～１４０ｋΩの範囲で監視されている。よって、以下においては、漏電監視ユニット５０で監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の限界値を１４０ｋΩとする。
以上のような構成とされた本実施形態に係る燃料電池システム１０において、次にその作用について説明する。
流路１２、１４、１６、１８では、ポンプ２６の駆動により冷媒が循環している。冷媒は、燃料電池２０を通過することにより、その燃料電池２０と熱交換される（燃料電池２０で加熱される）。そして、燃料電池２０と熱交換された（燃料電池２０で加熱された）冷媒は、ラジエータ２２及びサブラジエータ２４を通過することにより、ラジエータ２２及びサブラジエータ２４へ送風される走行風やラジエータ２２へファン２１によって引き込まれる冷却風と熱交換される。
すなわち、冷媒の熱がラジエータ２２及びサブラジエータ２４によって大気へ放熱され、その冷媒が冷却される。そして、冷却された冷媒は、再び燃料電池２０を通過し、その燃料電池２０と熱交換される（燃料電池２０で加熱される）。以下、これを繰り返すことにより、燃料電池２０が冷却され続ける。
ところで、冷媒には、ラジエータ２２などからイオン性物質が溶出される（特にラジエータ２２はイオン溶出性が高い）。そのため、冷媒の導電率が増加する。換言すれば、冷媒の絶縁抵抗が低下する。ここで、上記した通り、車両は、高電圧安全法規により、車両全体として１Ｖ（ボルト）当たり１００Ω以上の絶縁抵抗を確保しなければならないことが義務付けられている。
したがって、従来では、図３（Ａ）に示されるように、各部品を組み付けて車両として出荷した後の長期放置後に、漏電監視ユニット５０によって「漏電」と判断されないように、車両として組み付ける前のラジエータ２２を含む各部品を洗浄水（例えば温水）で洗浄して、各部品のイオン溶出性を改善するようにしていた。
すなわち、車両を長期放置した後でも、漏電監視ユニット５０が監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の公差を含む限界値である１４０ｋΩよりも高い絶縁抵抗が確保されるように、ラジエータ２２を含む各部品を洗浄水で洗浄し、イオン性物質を予め溶出させて除去するようにしていた。そのため、洗浄時間（１４０ｋΩよりも高い絶縁抵抗が確保されるようにするまでの洗浄時間）が掛かり、洗浄のためのコストが増加していた。
そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、イオン溶出性の高いラジエータ２２付近の流路１２に、冷媒の導電率を直接検出するための検出器３０を設けている。以下、その作用を具体的に説明する。
車両が長期放置されている場合には、当然ながらポンプ２６が駆動していないため、冷媒はイオン交換器３２を通過しない（イオン洗浄されない）。そのため、ラジエータ２２からイオン性物質が徐々に溶出することにより、そのラジエータ２２付近の流路１２に存在する冷媒の導電率が徐々に増加していく。すなわち、ラジエータ２２付近の流路１２に存在する冷媒の絶縁抵抗が徐々に低下していく。
したがって、車両が長期放置されている場合（ポンプ２６が長期に亘って駆動していない場合）には、燃料電池２０を起動させようとしたときに、漏電監視ユニット５０によって「漏電」と判断されてしまい、燃料電池２０を起動できない可能性が出てくる。よって、そのラジエータ２２付近の流路１２に存在する冷媒の導電率（最も高い導電率）を検出器３０で検出し、その検出された導電率から求めた冷媒の絶縁抵抗（最も低い絶縁抵抗）が特定値（例えば２００ｋΩ）以下か否かを検知している。
そして、図３（Ｂ）に示されるように、制御部４０は、ポンプ２６が長期に亘って停止している状態で、かつ検出器３０で検出された冷媒の導電率から求められた冷媒の絶縁抵抗が特定値（例えば２００ｋΩ）以下となったことを検知したときには、燃料電池２０が起動していなくても、燃料電池２０とは別に車両に設けられたバッテリ４２の電力により、自動的にポンプ２６の駆動を開始する。
これにより、冷媒がイオン交換器３２を通過するため（イオン洗浄されるため）、その冷媒中のイオンが除去され（導電率が低減され）、冷媒の絶縁抵抗が速やかに回復される。つまり、これにより、燃料電池２０の起動時に（燃料電池２０を起動させようとしたときに）、漏電監視ユニット５０によって「漏電」と判断される（ユーザーへ告知される）頻度を大幅に低減させることができる（少なくとも冷媒に起因して「漏電」と判断されることをより一層抑制又は防止することができる）。
また、これにより、車両として組み付ける前のラジエータ２２を含む各部品を、長期放置後でも漏電監視ユニット５０によって「漏電」と判断されない程度まで（１４０ｋΩよりも高い絶縁抵抗が確保されるまで）洗浄する必要がなくなる。したがって、その洗浄時間を短縮することができ、洗浄のためのコストを低減させることができる。
また、制御部４０は、ポンプ２６が停止してから（燃料電池２０が起動しなくなってから）、漏電監視ユニット５０が先に「漏電」であると検知することがないように、所定の時間間隔で（例えば数時間毎に）、かつバッテリ４２の電力により、冷媒の導電率を検出器３０で検出する。
したがって、ポンプ２６の停止状態が長期に亘っても、その導電率から求められた冷媒の絶縁抵抗が特定値（例えば２００ｋΩ）以下となったことを速やかに検知することができる。よって、燃料電池２０の起動時に（燃料電池２０を起動させようとしたときに）、漏電監視ユニット５０によって「漏電」と判断されることをより一層抑制又は防止することができる。なお、制御部４０は、燃料電池２０の起動後には、その燃料電池２０の電力によって、各部を制御するように構成されている。
また、ポンプ２６の駆動を開始するための基準となる絶縁抵抗の特定値は、漏電監視ユニット５０が監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の公差を含む限界値、即ち１４０ｋΩよりも高い値に設定されている。したがって、その限界値（１４０ｋΩ）以下となったときに、ポンプ２６の駆動を開始して、イオン交換器３２へ冷媒を流す場合に比べて、冷媒の絶縁抵抗がより速やかに（より短時間で）回復される。
また、漏電監視ユニット５０が監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の公差は、車両帯電等の外乱を受けるために車両毎に異なる。しかしながら、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、その公差を含む限界値（１４０ｋΩ）よりも高い特定値（例えば２００ｋΩ）を基準にしてポンプ２６の駆動を開始するため、そのような外乱を含む車両の帯電容量の影響、即ち上記公差を考慮しなくて済む利点がある。
以上、本実施形態に係る燃料電池システム１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、車両に適用される構成に限定されるものではない。
また、制御部４０は、所定の時間間隔で、冷媒の導電率を検出器３０で検出するだけの構成に限定されるものではなく、それに加え、例えば燃料電池２０の起動時毎に、冷媒の導電率を検出器３０で検出するように構成されていてもよい。
また、漏電監視ユニット５０が監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の限界値は、１４０ｋΩに限定されるものではなく、ポンプ２６の駆動を開始するための基準となる絶縁抵抗の特定値も、２００ｋΩに限定されるものではない。
また、イオン交換器３２は、燃料電池２０及びラジエータ２２と並列的に設けられる構成に限定されるものではなく、燃料電池２０及びラジエータ２２と直列的に設けられていてもよい。但し、イオン交換器３２が燃料電池２０及びラジエータ２２と直列的に設けられていると、冷媒を流すポンプ２６の圧力損失が高くなる。したがって、イオン交換器３２は、燃料電池２０及びラジエータ２２と並列的に設けられる方が好ましい。
１０ 燃料電池システム
１２ 流路（循環経路）
２０ 燃料電池
２２ ラジエータ（放熱器）
２６ ポンプ
３０ 検出器
３２ イオン交換器
４０ 制御部
４２ バッテリ
５０ 漏電監視ユニット

Claims (4)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する循環経路と、
    前記循環経路に設けられ、前記燃料電池とは別に設けられたバッテリの電力で前記冷媒を循環させるポンプと、
    前記循環経路に設けられ、前記冷媒の熱を放熱する放熱器と、
    前記循環経路に、該循環経路よりも小径とされた流路によって前記燃料電池と並列に設けられ、前記冷媒の絶縁抵抗を回復させるイオン交換器と、
    前記放熱器よりも前記冷媒の循環方向下流側で、かつ前記ポンプよりも前記冷媒の循環方向上流側における前記循環経路に設けられ、前記冷媒の導電率を検出する検出器と、
    前記検出器及び前記ポンプと電気的に接続され、少なくとも前記ポンプの駆動を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記ポンプが停止している状態で、かつ前記検出器で検出された前記冷媒の導電率から求められた前記冷媒の絶縁抵抗が特定値以下となったときには、前記冷媒が前記イオン交換器を通過するように、前記ポンプの駆動を開始する燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記ポンプが停止してから所定の時間間隔で、前記冷媒の導電率を前記検出器で検出する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記検出器は、前記放熱器の近傍に配置されている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記特定値は、車両に設けられた漏電監視ユニットが監視する高電圧系の合成絶縁抵抗の限界値よりも高い値である請求項１～請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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