JP2004234881A

JP2004234881A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2004234881A
Application number: JP2003018766A
Authority: JP
Inventors: Mikiya Shinohara; 幹弥篠原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP4155038B2

Abstract

【課題】腐食電流を解消し、同時に燃料電池の送電回路とアース間の絶縁状態を確実に監視可能とする。
【解決手段】燃料電池スタック２が収容されるスタックケース３に、冷却液４の流入口５及び流出口５を設け、絶縁材料で構成された冷却液配管７，８をこれら流入口５と流出口６に接続する。冷却液配管７，８の内部に、導電性材料により構成された網目状部材１６ａ，１６ｂを設け、配線１７を介してアース１８と電気的に接続する。配線１７の途中には、網目状部材１６ａ，１６ｂとアース１８との間を流れる電流を検出する電流検出手段１９を設ける。網目状部材１６ａ，１６ｂは、燃料電池１とは離間した位置に設置する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を冷却する冷却液配管を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、冷却液配管における短絡手段の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば固体高分子膜を電解質膜として使用する燃料電池は、７０〜８０℃の運転温度において最も高効率、高出力が得られる特性を有しており、燃料電池の運転温度を好適に維持するために、冷却液を用いて温度を調整することが行われている。この場合、冷却液は、燃料電池スタック内に設けられた冷却液流路を流れることになるので、燃料電池への流入口や流出口を流れる冷却液とアース電位の間に電位差が発生する。このような電位差が発生すると、燃料電池外部に接続される周辺装置に電流が流れ、周辺装置に腐食が発生する虞れがある。
【０００３】
このような腐食の発生を防止するためには、冷却液の絶縁性を維持する必要があり、通常、イオン交換フィルタ等により冷却液の電気伝導率が増加しないよう調整される。また、燃料電池の冷却液流入口および流出口に接続される配管は、絶縁材料により必要な長さを確保して構成される。
【０００４】
しかしながら、これらの構成を採用しても、ごく僅かな腐食電流が残存するため、燃料電池システムとして長期間の運転寿命が必要となる場合は、周辺装置の冷却液流路内にも絶縁性被膜を形成する等の対策が必要となり、コストの上昇を招く。
【０００５】
そこで、この僅かな腐食電流をも解消するため、燃料電池の冷却液流入口と流出口に網目部材を設け、冷却液を介して流れる電流を短絡する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この特許文献１記載の発明では、冷却媒体の流入管と流出管とに冷却媒体と接触する網目部材を取り付けると共に、網目部材間を導電ラインにより短絡している。さらに、各網目部材を導電ラインにより燃料電池の基準電極に接続すると共に導電ラインにより接地している。これにより冷却媒体は、流入管側と流出管側とで電位差を生ずることがなくなり、冷却媒体が電位差を持つことに起因して流入管や流出管に接続される他の機器の腐食を防止することができる。また、接地されていることから、燃料電池から外部への電位漏れも抑制することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１５５７６１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電出力を送電する配線や燃料電池に接続する負荷には、その送電系の絶縁性を監視する絶縁抵抗検出手段が設置されている。絶縁抵抗検出手段は、燃料電池の発電出力が送電される電気回路からアース電位への漏れ電流を検出しており、数ｍＡの漏れ電流を検出すると送電回路とアース間の絶縁が不完全であると判断して警報を出す。
【０００９】
しかしながら、例えば前記特許文献１に記載される燃料電池の冷却構造を採用した場合、冷却液の流入口と流出口に網目状部材を設けて電気的にアースに接続しているため、燃料電池スタックに近接してアース電極を設置したことになり、周辺装置へは電流が流れないものの、燃料電池スタックからは数ｍＡの電流が冷却液を介して流れてしまう。冷却液は、燃料電池の出力配線に接続される燃料電池スタックを流れているので、この電流を前記絶縁抵抗検出手段が検出してしまい、本来の目的である送電回路とアース間の絶縁状態を適切に監視できなくなるといった問題がある。
【００１０】
このような問題を回避するためには、冷却液に電流が流れない油剤を使用するか、電気伝導率を１μＳ／ｃｍ以下の超純水レベルに維持した水溶液を使用することが考えられるが、前者の油剤を使用した冷却液では比熱が小さく、燃料電池外部の放熱装置が大型になる問題があり、後者の水溶液では電気伝導率を維持する装置が大型化してしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、以上のような従来の問題に鑑みてなされたものであり、比熱が大きな水溶液系の冷却液を使用し、冷却液が小型のイオン交換フィルタで維持できる数μＳ／ｃｍ程度の電気伝導率である場合においても、絶縁抵抗検出手段の機能を損なわずに、冷却液を経由した周辺装置への電流漏れを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックを備えた燃料電池と、この燃料電池に接続されて冷却液を流入及び流出させる絶縁性の冷却液配管と、前記燃料電池の出力電流を送電する送電手段とアース電位との間の絶縁抵抗を監視する絶縁抵抗検出手段とを備えてなるものである。このような構成の燃料電池システムにおいて、前述の目的を達成するために、前記冷却液配管の前記燃料電池とは離間した位置に、冷却液とアース電位を電気的に短絡させる短絡手段が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の燃料電池システムでは、先ず、短絡手段を設けているので、冷却液を経由する燃料電池スタックからの電流がアースへと逃がされ、周辺装置の腐食が防止される。また、冷却液とアース電位を電気的に短絡させる短絡手段を、燃料電池に接続され冷却液を流入・流出させる絶縁性の冷却液配管内であって、燃料電池とは冷却液を介して隔離された位置に設けているので、例えば小型のイオン交換フィルタで維持できる数μＳ／ｃｍ程度の冷却液を使用しても、燃料電池スタックから冷却液を経由して流れる電流が従来の燃料電池の冷却構造（例えば特許文献１に記載される冷却構造）を採用した場合よりも少なくなり、絶縁抵抗検出手段へ与える影響が抑制される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、例えば比熱が大きな水溶液系の冷却液を使用し、冷却液が小型のイオン交換フィルタで維持できる数μＳ／ｃｍ程度の電気伝導率である場合においても、絶縁抵抗検出手段の機能を損なわずに、冷却液を経由した周辺装置への電流漏れを確実に防止することが可能である。したがって、冷却媒体が電位差を持つことに起因する腐食の問題を効果的に防止することができ、また、燃料電池の送電回路とアース間の絶縁状態を適切に監視することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明を適用した燃料電池システムにおける燃料電池の冷却構造の一例を示すものである。本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池１は、燃料電池スタック２と、この燃料電池スタック２を電気的に絶縁して内蔵するスタックケース３とから構成されている。
【００１７】
燃料電池スタック２は、水素が供給されるアノード極（燃料極）と酸素（空気）が供給されるカソード極（空気極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック２の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１９】
一方、スタックケース３には、冷却液４が流入する流入口５及び冷却液４を排出する流出口５が設けられるとともに、絶縁材料で構成された冷却液配管７，８がそれぞれスタックケース３の流入口５と流出口６に接続されている。したがって、冷却液４は、スタックケース３の流入口５から燃料電池スタック２内に入り、燃料電池スタック２内を循環してこれを冷却した後、スタックケース３の流出口６より排出されることになる。なお、前記冷却液配管７，８の先には、周辺装置９や周辺装置１０が接続されており、これら周辺装置９及び１０は、配線１１，１２を介してアース１３に電気的に接続されている。
【００２０】
また、スタックケース３は、配線１４を介してアース１５に電気的に接続されている。それとともに、冷却液配管７，８の内部には、導電性材料により構成された網目状部材１６ａ，１６ｂが設けられ、電気的な接続手段である配線１７を介してアース１８に電気的に接続されている。なお、配線１７の途中には、網目状部材１６ａ，１６ｂとアース１８間を流れる電流を検出する電流検出手段１９が設けられている。
【００２１】
さらに、燃料電池１の出力電力は、配線２０及び配線２１により変電装置や蓄電装置、あるいはモータ等の負荷２２に送電される。ここで、配線２０及び配線２１には、送電系の電気回路とアース２３間の絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出手段２４が配線２５を経由して設けられている。
【００２２】
以上の構成において、前記網目状部材１６ａ，１６ｂは、ステンレス鋼や、金メッキ等の耐食性と導電性を備えた表面処理を施した導電性材料で構成されることが好ましく、冷却液４の粘度を考慮して、流路抵抗が著しく増加しない程度の目の粗さとすることが望ましい。また、網目状部材１６ａ，１６ｂとアース１８を結ぶ配線１７の途中に電流検出手段１９が設けられるが、絶縁抵抗検出手段２４が送電回路とアース電位の間に漏れる数ｍＡ程度の電流を検出することにより絶縁不良を監視する原理を有するので、前記電流検出手段１９も数ｍＡレベルの電流を精度良く検出して絶縁抵抗検出手段２４の機能への影響を監視できるよう、１０〜５００ｍＡ程度の検出レンジを有することが望ましい。また、この検出電流を冷却液温度に基づいて換算することにより、冷却液４のイオン濃度を推定でき、イオン交換フィルタの寿命を監視することができる。
【００２３】
本実施形態の燃料電池の冷却構造においては、網目状部材１６ａ，１６ｂは、スタックケース３の冷却液流入口５、流出口６に設置されるのではなく、燃料電池１とは離間した位置に設置される。すなわち、燃料電池１とは冷却液を介した位置となる冷却液配管７，８内部に設置される。したがって、網目状部材１６ａ，１６ｂには、冷却液流入口５、流出口６に設置された場合のように、近接した燃料電池スタック２から直接電流が流れるのではなく、網目状部材１６ａ，１６ｂが設置された位置から冷却液流入口５、流出口６までの距離ｘ分の冷却液４が電気抵抗として作用する。そのため、網目状部材１６ａ，１６ｂに流れる電流を抑制することができ、絶縁抵抗検出手段２４に及ぼす影響を軽減できる。
【００２４】
前述の構成を有する燃料電池システムにおいて、絶縁抵抗検出手段２４の本来の目的である燃料電池１の送電系とアース２３間の絶縁抵抗の監視は、電流検出手段１９が検出する冷却液４を経由した電流値Ｉａと、前記絶縁抵抗検出手段２４にて検出される燃料電池スタック２とその送電系全体からアース電位への電流値Ｉｂを参照することにより行われる。すなわち、電流値Ｉｂには燃料電池スタック２から冷却液４、網目状部材１６ａ，１６ｂを経由してアース電位に流れる電流Ｉａが含まれており、両者の差（Ｉｂ−Ｉａ）を算出することにより、燃料電池１の送電回路からアース電位に漏れる電流を検出する。
【００２５】
ここで、網目状部材１６ａ，１６ｂは、燃料電池１に対して冷却液４の電気抵抗を介在させることができるよう、冷却液配管７，８の内部に設置されているが、燃料電池１との距離が近すぎると、冷却液４を経由する電流値Ｉａが送電系の絶縁抵抗を判断する電流値に対して大きくなる。その結果として、絶縁抵抗検出手段２４で検出される電流値Ｉｂの大部分がＩａ成分となり、電流値Ｉｂに対して電流値（Ｉｂ−Ｉａ）が小さくなり、送電系の絶縁抵抗を監視する電流値の検出精度が低くなる。
【００２６】
絶縁抵抗を監視する電流値は１〜２０ｍＡ程度の電流量を判断基準するので、少なくとも２０ｍＡの電流量が電流検出域の１０％以上となるように、絶縁抵抗検出手段２４の電流測定範囲を０〜２００ｍＡ以下に設定することが望ましく、冷却液４を経由してアースへ流れる電流値Ｉａも１８０ｍＡ以下となるように設定することが望ましい。そこで、網目状部材１６ａ、１６ｂが設置された位置から冷却液流入口５、流出口６までの距離ｘを以下のように設定することが望ましい。
【００２７】
例えば、冷却液配管７、８の内部断面積をＳ（ｍｍ^２）、冷却液４の電気伝導率をκ（ｍＳ／ｍ）、燃料電池スタック２から網目状部材１６ａ，１６ｂまでの部位の冷却液４に印加される最大電圧をＶｍａｘ（Ｖ）、網目状部材１６ａ，１６ｂと冷却液流入口５、流出口６との距離をｘ（ｍｍ）とすると、図１において距離ｘの部分の冷却液抵抗は、下記（２）式で表される。
【００２８】
【数２】

一方、網目状部材１６ａ，１６ｂは、配線１７によりアース電位に接続されているので、電流検出手段１９で検出される電流値Ｉｂ（ｍＡ）は、下記（３）式で表される。
【００２９】
【数３】

冷却液４の電気伝導率κは、小型のイオン交換フィルタを使用しても０．１〜０．５（ｍＳ／ｍ）に維持可能であるが、燃料電池システムが停止中は冷却液４が循環されないので、イオン交換フィルタも機能せず、冷却液４の電気伝導率は増加していく。したがって、燃料電池システムを起動させた直後は冷却液４の電気伝導率も上昇しており、そのような状況においても電流値Ｉａが１８０ｍＡを超えないよう、冷却液４の電気伝導率κが２（ｍＳ／ｍ）以下の条件で、Ｉａ＜１８０ｍＡとなるように距離ｘを設定することが望ましく、先の式（３）より、下記（４）式で表される範囲に設定することが好ましい。
【００３０】
【数４】

距離ｘは、上記の理由から長く設定した方が望ましいが、あまり長く設定すると冷却液配管７，８の長さを長くせざるを得なくなり、特にレイアウトスペースが限定される自動車の動力として応用する場合は望ましくない。網目状部材１６ａ，１６ｂがアース電位と接続されていれば、網目状部材１６ａ，１６ｂと周辺装置９，１０の距離を確保する必要は無いが、網目状部材１６ａ，１６ｂとアース電位が切断されたとしても、燃料電池１から周辺装置９，１０までの冷却液配管７，８の長さＬ（ｍｍ）を、冷却液４を経由して周辺装置９，１０へ流れる電流が１ｍＡ以下となるように設定しておけば、信頼性がより向上して好ましい。冷却液４の電気伝導率κは、小型のイオン交換フィルタで０．１〜０．５（ｍＳ／ｍ）に維持可能であるので、この範囲で式（３）におけるｘをＬと置いた場合のＩａが１ｍＡ以下となるような範囲であればよく、距離ｘは下記（５）式で表される長さ以下の設定とすることがレイアウト上好ましい。
【００３１】
【数５】

したがって、網目状部材１６ａ，１６ｂと冷却液流入口５、流出口６との距離ｘ（ｍｍ）は、式（４）及び式（５）で示される範囲とすることがより好ましい。すなわち、距離ｘ（ｍｍ）は、下記（６）式で示される範囲とすることが好ましい。
【００３２】
【数６】

具体的に、最大電圧Ｖｍａｘを自動車用に適用される燃料電池の最大電圧として一般的な５００Ｖ、冷却液配管７，８の内径を３５ｍｍと仮定すると、そのような燃料電池１の冷却構造においては、式（６）より、網目状部材１６ａ，１６ｂと冷却液流入口５、流出口６との距離ｘを、１０．７（ｍｍ）＜ｘ＜４８１（ｍｍ）なる範囲で設定することが望ましい。
【００３３】
以上説明してきたように、本実施形態の燃料電池の冷却構造においては、冷却液４と車体電位等のアース電位を電気的に短絡される網目状部材１６ａ，１６ｂを、燃料電池１に接続され冷却液４を流入・流出させる絶縁性の冷却液配管７，８内であって、燃料電池１とは冷却液４を介して隔離された位置に設けている。そして、燃料電池スタック２から冷却液４を経由して前記網目状部材１６ａ，１６ｂへ流れる電流を網目状部材１６ａ，１６ｂとアース１８間に設置した電流検出手段１９により検出し、燃料電池１の送電系に設置されている絶縁抵抗検出手段２４の電流値からこれを差し引いて、送電回路の絶縁抵抗を監視する構成としている。したがって、冷却液４の主要性能である比熱の大きな水溶液系冷却液を使用しても、小型イオン交換フィルタでその電気伝導率を維持できる範囲において、冷却液４を経由して網目状部材１６ａ，１６ｂに流れる電流に影響されずに燃料電池１の送電系の絶縁抵抗を監視でき、冷却系に接続される周辺部品（周辺装置９，１０）の腐食も長期間に亘り防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、冷却液４とアース電位を電気的に短絡する短絡手段を、導電性材料により構成された網目状部材１６ａ，１６ｂと、当該網目状部材１６ａ，１６ｂとアース電位を電気的に接続する配線１７と、前記配線１７を流れる電流を検出する電流検出手段１９により構成してあるので、冷却液配管７，８内の流動抵抗を上昇させることなく、冷却液４を経由する燃料電池スタック２からの電流を速やかにアースへ逃がして、周辺装置９，１０の腐食を防止できる。また、網目状部材１６ａ，１６ｂからアース１８へ流れる電流を検出する電流検出装置１９を備えているので、イオン交換フィルタが劣化して冷却液の電気伝導率が増加するのを監視することができる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、燃料電池１の出力電流を送電する送電手段とアース電位の間の絶縁抵抗を監視する際に、絶縁抵抗検出手段２４と前記電流検出手段１９の検出値を参照し、前記絶縁抵抗を監視するようにしているので、冷却液４を経由して燃料電池スタック２からアース１８に流れる電流に影響されず、本来の目的である送電回路の絶縁抵抗を的確に監視することができる。
【００３６】
さらにまた、前記網目状部材１６ａ，１６ｂは、燃料電池１の冷却液流入口５、流出口６からの距離ｘ（ｍｍ）が（６）式で規定される範囲となる位置に設置されているので、燃料電池１の冷却構造を大型化させることなく、送電回路の絶縁抵抗を精度良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムにおける燃料電池の冷却構造を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２燃料電池スタック
４冷却液
５流入口
６流出口
７，８冷却液配管
９，１０周辺装置
１６ａ，１６ｂ網目状部材
１９電流検出手段
２４絶縁抵抗検出手段

Claims

燃料電池スタックを備えた燃料電池と、この燃料電池に接続されて冷却液を流入及び流出させる絶縁性の冷却液配管と、前記燃料電池の出力電流を送電する送電手段とアース電位との間の絶縁抵抗を監視する絶縁抵抗検出手段とを備え、
前記冷却液配管の前記燃料電池とは離間した位置に、冷却液とアース電位を電気的に短絡させる短絡手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
前記短絡手段は、導電性材料により構成され前記冷却液配管内に配される網目状部材と、前記網目状部材とアース電位を電気的に接続する接続手段と、前記接続手段を流れる電流を検出する電流検出手段とから構成され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。
前記絶縁抵抗検出手段と前記電流検出手段の検出値を参照して前記送電手段とアース電位との間の絶縁抵抗を監視することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記冷却液配管の燃料電池への流入口近傍及び流出口近傍に、流入口あるいは流出口から所定の距離だけ離間してそれぞれ前記網目状部材が設置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記冷却液配管の燃料電池への流入口及び流出口とアース電位との間に印加される最大電圧をＶｍａｘ（Ｖ）とし、冷却液配管内部の断面積をＳ（ｍｍ^２）としたときに、前記網目状部材は、燃料電池への流入口及び流出口から下記（１）式で表される範囲の距離ｘ（ｍｍ）だけ離間して設置されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。