JP2006331918A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の絶縁抵抗の測定精度を高める。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００と外部導体との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部３４０と、燃料電池１００の発電状態を制御する制御部４００とを備えている。この絶縁抵抗測定部３４０は、制御部が燃料電池１００の出力電圧の変動が所定の許容範囲内となる略定常状態に燃料電池１００を維持している条件下において、絶縁抵抗の測定を実行する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池システムにおける燃料電池の絶縁抵抗を測定する技術に関する。

循環する冷却水により燃料電池を冷却する水冷式の燃料電池システムでは、冷却水に溶出するイオンにより時間とともに冷却水の導電率が上昇する。冷却水の導電率が高くなると、燃料電池で発生した電流が冷却水中を流れ、発生した電力を有効に取り出すことができなくなるおそれがある。また、冷却水中を流れる電流により冷却水が電気分解されると、冷却水流路中に気泡が発生し、発生した気泡によりセルから冷却水への熱伝達が妨げられて燃料電池の冷却が不十分となるおそれがある。そこで、従来、冷却水の導電率上昇に伴う種々の障害の発生を抑制するため、冷却水の導電率の上昇を燃料電池の絶縁抵抗として検出し、必要に応じて冷却水中のイオンを除去するイオン除去フィルタや冷却水等の交換することが行われている。

特開２００２−２７２０６号公報 特開２００２−３５２８２４号公報 特開平６−２２３８５９号公報 特開２００４−５５３８４号公報

しかしながら、燃料電池の絶縁抵抗を測定する際に燃料電池の出力電圧が変動すると、絶縁抵抗の測定結果に誤差が生じ、検出すべき冷却水の導電率の上昇が検出されない場合や、実際には導電率が上昇していない冷却水の導電率が上昇しているものとして検出される場合など、導電率上昇の誤検出が発生しうる。このような問題は、絶縁抵抗により冷却水の導電率上昇を検知する水冷式の燃料電池システムにおいて顕著であるが、一般に、絶縁抵抗を測定して漏電等の燃料電池システムの不具合を検出する燃料電池システムに共通する。

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、燃料電池の絶縁抵抗の測定精度を高めることを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池と外部導体との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、前記燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を備え、前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部が前記燃料電池の出力電圧の変動が所定の許容範囲内となる略定常状態に前記燃料電池を維持している条件下において前記絶縁抵抗の測定を行うことを特徴とする。

この構成によれば、絶縁抵抗の測定は、絶縁抵抗の測定誤差の原因となる出力電圧の変動が所定の許容範囲内となる略定常状態で行われる。そのため、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記制御部は、前記燃料電池の電流出力を停止する出力停止モードを有し、前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記出力停止モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。

この構成によれば、出力停止モードの実行により燃料電池を出力電圧が安定した略定常状態とすることができる。そのため、出力停止モードの実行中に絶縁抵抗の測定を行なうことにより、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記燃料電池システムは、さらに、蓄電装置を備えており、前記制御部は、前記負荷への供給電力の変動を前記蓄電装置の充放電により補償して前記燃料電池を前記略定常状態にする負荷変動補償モードを有し、前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記負荷変動補償モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。

この構成によれば、負荷変動補償モードの実行により燃料電池を出力電圧が安定した略定常状態とすることができる。そのため、負荷変動補償モードの実行中に絶縁抵抗の測定を行うことにより、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記制御部は、前記燃料電池の出力電流の範囲が前記燃料電池の出力可能な電流範囲のうち前記燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい所定の電流範囲となるように制御する出力電流設定モードを有し、前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記出力電流設定モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。

この構成によれば、出力電流設定モードの実行により、燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さくなるので、負荷変動により出力電流が変動しても出力電圧の変動が抑制される。そのため、絶縁抵抗測定値の誤差の原因となる出力電圧の変動が低減されるので、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記制御部は、前記燃料電池を前記出力停止モードの実行が維持される時間より短い所定の時間のみ前記出力停止モードの実行時と同一の状態にする検査モードと、前記検査モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が所定の限界値を超える場合に前記燃料電池を前記略定常状態に維持するために実行される前記出力停止モードとは異なる測定制御モードと、を有しており、前記絶縁抵抗測定部は、前記検査モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が前記所定の限界値を超える場合には、前記出力停止モードに替えて前記測定制御モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。

この構成によれば、出力停止モードの実行を維持することにより出力停止モードを終了する際の燃料電池の出力電圧の低下によって発生しうる燃料電池システムへの障害を抑制するとともに、出力停止モードとは異なる測定制御モードの実行中の略定常状態において絶縁抵抗の測定ができるので、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記制御部は、前記出力停止モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が所定の限界値を超える場合に前記出力停止モードの実行を中断して、前記燃料電池を前記略定常状態に維持するために前記出力停止モードとは異なる測定制御モードを実行し、前記絶縁抵抗測定部は、前記出力停止モードに替えて前記測定制御モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。

この構成によっても、出力停止モードの実行を維持することにより出力停止モードを終了する際の燃料電池の出力電圧の低下によって発生しうる燃料電池システムへの障害を抑制するとともに、出力停止モードとは異なる測定制御モード実行中の略定常状態において絶縁抵抗の測定ができるので、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記燃料電池システムは、さらに、蓄電装置を備えており、前記測定制御モードは、前記負荷への供給電力の変動を前記蓄電装置の充放電により補償して前記燃料電池を前記略定常状態にする負荷変動補償モードであるものとしてもよい。

この構成によれば、負荷変動補償モードの実行により燃料電池を出力電圧が安定した略定常状態とすることができる。そのため、負荷変動補償モードの実行中に絶縁抵抗の測定を行うことにより、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記測定制御モードは、前記燃料電池の出力電流の範囲が前記燃料電池の出力可能な電流範囲のうち前記燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい所定の電流範囲となるように制御する出力電流設定モードであるものとしてもよい。

この構成によれば、出力電流設定モードの実行により、燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さくなるので、負荷変動により出力電流が変動しても出力電圧の変動が抑制される。そのため、絶縁抵抗測定値の誤差の原因となる出力電圧の変動が低減されるので、燃料電池の絶縁抵抗測定精度をより高めることができる。

前記絶縁抵抗は、前記燃料電池の冷却水を介した前記燃料電池と前記外部導体との間の抵抗であるものとしてもよい。

この構成によれば、絶縁抵抗の低下を検出することにより、冷却水の導電率の上昇を検出することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムにおける絶縁抵抗の測定装置とその測定装置の制御装置および制御方法、その測定装置と制御装置および制御方法を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車１０の概略構成図である。この電気自動車１０は、燃料電池１００と、流体ユニット２００と、電力ユニット３００と、制御ユニット４００と、を備えている。燃料電池１００は、複数のセル１０２を積層することにより構成されている。これらの燃料電池１００と、流体ユニット２００と、電力ユニット３００と、制御ユニット４００とは、外部導体である電気自動車１０の車体１２に搭載されている。

流体ユニット２００は、酸化剤ガス供給部２１０と、カソードオフガス排出部２２０と、燃料ガス供給部２３０と、循環ポンプ２４０と、アノードオフガス排出部２５０と、冷却水循環部２６０と、を備えている。

酸化剤ガス供給部２１０は、空気ポンプ２１２を備えている。この空気ポンプ２１２は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１００で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管２１４を介して燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給された酸化剤ガスは、燃料電池１００を構成するセル１０２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費される。燃料電池反応により酸素濃度が低下した酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、燃料電池１００からカソードオフガス排出配管２２２を介してカソードオフガス排出部２２０に排出される。カソードオフガス排出部２２０は、燃料電池１００から排出されたカソードオフガスを大気中に放出する。

燃料ガス供給部２３０は、燃料ガスタンク２３２を備えている。この燃料ガスタンク２３２には、燃料ガスとして用いられる水素ガスが充填されている。燃料ガスタンク２３２に充填されている水素ガスは、燃料ガス供給部２３０に設けられた減圧装置（図示しない）により圧力が調整される。圧力が調整された水素ガスは、第１の燃料ガス供給配管２３４を介して第２の燃料ガス供給配管２３６に供給される。第２の燃料ガス供給配管２３６には、アノードオフガス（後述する）が供給され、水素ガスとアノードオフガスとが混合された燃料ガスが燃料電池１００に供給される。

燃料電池１００に供給された燃料ガスは、セル１０２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。燃料電池反応により水素濃度が低下した燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、第１のアノードオフガス排出配管２４２と第１の還流配管２４４とを介して循環ポンプ２４０に供給される。循環ポンプ２４０は、アノードオフガスを第２の還流配管２４６を介して第２の燃料ガス供給配管２３６に還流する。この循環ポンプ２４０によるアノードオフガスの還流により、燃料ガスは、第２の燃料ガス供給配管２３６と、燃料電池１００と、第１のアノードオフガス排出配管２４２と、第１の還流配管２４４と、循環ポンプ２４０と、第２の還流配管２４６と、の間で循環する。

アノードオフガス排出部２５０は、第２のアノードオフガス排出配管２５２を介して第１のアノードオフガス排出配管２４２に接続されている。アノードオフガス排出部２５０は、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合等、必要に応じてアノードオフガスを大気中に放出する。この際、アノードオフガス排出部２５０は、アノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させる不活性化処理を行う。

冷却水循環部２６０は、ラジエータ２６２と、冷却水ポンプ２６４と、を備えている。冷却水ポンプ２６４は、冷却水を燃料電池１００に供給する。燃料電池１００に供給された冷却水は、燃料電池１００内に設けられた冷却水流路を通過する際に、燃料電池反応で生じた熱をセル１０２から受け取る。熱を受け取って温度が上昇した冷却水は、ラジエータ２６２に供給される。ラジエータ２６２に供給された冷却水は、熱を大気中に放出することにより温度が低下する。ラジエータ２６２で熱を放出した冷却水が冷却水ポンプ２６４に供給されることにより、冷却水は冷却水循環部２６０と燃料電池１００との間を循環する。

なお、循環する冷却水には、冷却水の流路壁からイオンが溶出する。そのため、冷却水のイオン濃度は時間とともに増加して、冷却水の導電率が高くなる。冷却水は、燃料電池１００内の冷却水流路を流れる際、燃料電池１００を構成するセル１０２に接触する。セル１０２に接触する冷却水の導電率が高くなると、各セル１０２で発生した電流が冷却水中を流れるので、発生した電力を有効に取り出すことができなくなる。また、冷却水中を流れる電流により、冷却水が電気分解されると、燃料電池１００内の冷却水流路中に気泡が発生し、発生した気泡によりセル１０２で発生した熱の冷却水への伝達が妨げられて燃料電池１００の冷却が不十分となるおそれがある。

冷却水は、燃料電池１００のセル１０２と、ラジエータ２６２との双方に接触している。ラジエータ２６２は、通常、車体１２と電気的に接続されているため、冷却水の導電率が上昇すると、燃料電池１００と車体１２との間の絶縁抵抗が低下する。そこで、第１実施例では、燃料電池１００と車体１２との間の絶縁抵抗（以下、単に「絶縁抵抗」とも呼ぶ）の低下を検出して、冷却水の導電率の上昇を検知する。

電力ユニット３００は、直流電圧計３１２と、出力スイッチ３１４と、二次電池３２０と、高電圧負荷３３０と、絶縁抵抗測定部３４０と、を備えている。高電圧負荷３３０は、コンバータ３３２と、高圧補機３３４と、インバータ３３６と、を備えている。

燃料電池１００は、電力ユニット３００が備える２つの配線２０，２２に接続されている。２つの配線２０，２２の間には、燃料電池１００の出力電圧を測定するための直流電圧計３１２が接続されている。燃料電池１００に接続された配線２２は、出力スイッチ３１４を介して配線２４に接続されている。配線２０と配線２４との間には、二次電池３２０が接続されたコンバータ３３２と、高圧補機３３４と、インバータ３３６と、が互いに並列に接続されている。

二次電池３２０には、二次電池３２０の残存容量を検出するための残存容量モニタ３２２が設けられている。残存容量モニタ３２２としては、二次電池３２０における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータや、電圧センサを利用することができる。

コンバータ３３２は、二次電池３２０の電圧を変換して配線２２と配線２４との間の電圧Ｖｔを目標電圧に設定する。出力スイッチ３１４が接続されている状態（オン状態）では、コンバータ３３２が設定する２つの配線２２，２４間の設定電圧Ｖｔによって燃料電池１００の出力電流が調節される。なお、出力スイッチ３１４の接続状態と、燃料電池１００の出力電流の制御については後述する。

高圧補機３３４は、２つの配線２２，２４を介して供給される電力を、電圧変換することなくそのまま利用する。高圧補機３３４には、例えば、空気ポンプ２１２と循環ポンプ２４０と冷却水ポンプ２６４とをそれぞれ駆動するモータ（図示しない）や、電気自動車１０が備える空調装置（エアコン）が含まれる。

インバータ３３６は、２つの配線２２，２４を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換しモータ（図示しない）に供給する。モータは、インバータ３３６から供給される電力により、電気自動車１０の推進力を発生する。

なお、これらの高圧補機３３４とインバータ３３６は、燃料電池１００と、流体ユニット２００と、電力ユニット３００と、制御ユニット４００とからなる燃料電池システムの負荷となっている。

電力ユニット３００の配線２０には、絶縁抵抗測定部３４０が接続されている。絶縁抵抗測定部３４０は、燃料電池１００と車体１２との間の絶縁抵抗を測定する。なお、絶縁抵抗測定部３４０による絶縁抵抗の測定については後述する。

制御ユニット４００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット４００は、直流電圧計３１２や残存容量モニタ３２２の出力信号や、電気自動車１０の起動スイッチのオン・オフ信号や、電気自動車のシフト位置やアクセル開度等の操作信号等の各種の信号を取得する。これらの各種の信号に基づいて種々の制御処理を実行し、流体ユニット２００と電力ユニット３００とを構成する各機器に駆動信号を出力する。

また、制御ユニット４００は、絶縁抵抗測定部３４０が出力する絶縁抵抗測定値を取得する。取得した絶縁抵抗測定値が所定の絶縁抵抗下限値よりも小さくなった場合、冷却水の導電率が上昇したと判断する。冷却水の導電率が上昇したと判断された場合、制御ユニット４００は、例えば、電気自動車１０の表示パネル（図示しない）に冷却水の交換を促す警告表示を行う。

図２は、絶縁抵抗測定部３４０による燃料電池１００の絶縁抵抗測定の様子を示す説明図である。図２に示す回路は、図１に示す燃料電池１００と電力ユニット３００とで構成される回路と等価である。なお、図２では、燃料電池１００と電気自動車１０（図１）の車体１２との間の絶縁抵抗を単一の絶縁抵抗Ｒｘとして図示している。

絶縁抵抗測定部３４０は、交流電源３４２と、検出抵抗Ｒｓと、コンデンサＣｓと、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４４と、交流電圧計３４６と、を備えている。バンドパスフィルタ３４４は、交流電源３４２の発信周波数ｆｓを中心周波数とするバンドパスフィルタである。交流電圧計３４６に到達するノイズは、このバンドパスフィルタ３４４により低減される。

図２から分かるように、交流電源３４２の発信周波数ｆｓにおけるコンデンサＣｓのインピーダンスが十分小さく、燃料電池１００の出力電圧が変動しない場合、絶縁抵抗の抵抗値Ｒｘは、交流電源３４２の測定信号電圧Ｖｓと、交流電圧計３４６での検出電圧Ｖｍと、検出抵抗の抵抗値Ｒｓとを用いて以下の式（１）で求められる。

Ｒｘ＝Ｒｓ×Ｖｍ／（Ｖｓ−Ｖｍ） …（１）

検出抵抗の抵抗値Ｒｓと、交流電源３４２の測定信号電圧Ｖｓとは、予め設定された値となっている。そのため、絶縁抵抗の抵抗値Ｒｘは、交流電圧計３４６での検出電圧Ｖｍを用いて算出される。

燃料電池１００の出力電圧が変動すると、出力電圧の変動に応じて配線２０の電圧が変動する。配線２０の電圧変動が交流電源３４２の発信周波数ｆｓに近い周波数の交流成分（以下、単に「交流成分」とも呼ぶ）を含んでいる場合、配線２０の電圧の交流成分はバンドパスフィルタ３４４を通過して交流電圧計３４６に到達する。このように、配線２０の電圧の交流成分が交流電圧計３４６に印加されると検出電圧Ｖｍが変動し、算出される絶縁抵抗の抵抗値が実際の抵抗値Ｒｘとは異なった値となる。そのため、第１実施例では、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの変動が所定の許容範囲内となる略定常状態に燃料電池１００を維持した状態で絶縁抵抗の測定が行われる。なお、出力電圧Ｖ_FCの変動の所定の許容範囲は、出力電圧Ｖ_FCの交流成分による絶縁抵抗の測定誤差の発生が抑制されるように、絶縁抵抗測定部３４０の構成と検出する絶縁抵抗の値に応じて算出することができる。

図３は、第１実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャートである。この絶縁抵抗測定ルーチンは、例えば、電気自動車１０の運転中に所定の時間間隔で実行される。

図４は、第１実施例における燃料電池１００の運転状態の時間変化を示す説明図である。図４に示す各グラフの横軸は、それぞれ時間を表している。図４（ａ）のグラフの縦軸は、燃料電池１００の運転モードを表している。図４（ｂ）のグラフの縦軸は、燃料電池１００への酸化剤ガスと燃料ガス（以下、これらを併せて「反応ガス」と呼ぶ）の供給状態を表している。また、図４（ｃ）のグラフの縦軸は、出力スイッチ３１４（図１）の接続状態を表している。図４（ｄ）のグラフの実線は、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの時間変化の様子を示し、図４（ｄ）の破線は、コンバータ３３２（図１）が設定する２つの配線２２，２４（図１）間の設定電圧Ｖｔを示している。図４（ｅ）のグラフの縦軸は、燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCを表している。

図３のステップＳ１００において、制御ユニット４００は、燃料電池１００が出力電圧の安定する出力停止モード（後述する）で運転されているか否かを判断する。燃料電池１００の運転モードが出力停止モードでないと判断された場合、制御はステップＳ１００に戻される。そして、燃料電池１００の運転モードが出力停止モードとなるまでステップＳ１００が繰り返し実行される。

図４の例では、時刻ｔ₀以前において、燃料電池１００は通常運転モードで運転されている。図４（ｂ）に示すように、通常運転モードでは、燃料電池１００に反応ガスが供給されている。このとき、出力スイッチ３１４は、図４（ｂ）に示すように、燃料電池１００が発生する電力を高電圧負荷３３０（図１）に供給するためオン状態に維持されている。出力スイッチ３１４がオン状態となっているため、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCは、コンバータ３３２が設定する設定電圧Ｖｔに等しくなる。この設定電圧Ｖｔは、高電圧負荷３３０が要求する電力に応じて調整される。燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCは、図４（ｄ）および図４（ｅ）に示すように、出力電圧Ｖ_FCが高くなると減少し、出力電圧Ｖ_FCが低くなると増加する。

このように、燃料電池１００が通常運転モードの場合、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの変動により絶縁抵抗測定結果に誤差が生じるおそれがある。そのため、第１実施例では、燃料電池１００が出力停止モードとなるまで、図３のステップＳ１００が繰り返し実行され、燃料電池１００の絶縁抵抗の測定は実行されない。

次に、図４の例では、燃料電池１００の運転状態が時刻ｔ₀で通常運転モードから出力停止モードに切り替えられる。そして、時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までの期間、燃料電池１００の運転状態は出力停止モードに維持される。なお、出力停止モードでの燃料電池１００の運転は、例えば、二次電池３２０（図１）の残存容量が多く、高電圧負荷３３０の要求電力が少ない場合に行われる。この出力停止モードでの燃料電池１００の運転は、一般に、間欠運転とも呼ばれる。

出力停止モードでは、図４（ｂ）に示すように、燃料電池１００への反応ガスの供給を停止される。具体的には、制御ユニット４００は、空気ポンプ２１２（図１）と循環ポンプ２４０（図１）との駆動を停止するとともに、燃料ガス供給部２３０からの水素ガスの供給と、アノードオフガス排出部２５０から外部へのアノードオフガスの排出とを停止する。また、制御ユニット４００は、反応ガスの供給の停止とともに、出力スイッチ３１４をオフ状態にする。出力スイッチ３１４がオフ状態になると、燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCが０となるので、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCは開回路電圧ＯＣＶとなる。なお、燃料電池１００が出力停止モードで運転されている場合、コンバータ３３２は、電力ユニット３００での損失を抑制するように、設定電圧Ｖｔを例えば二次電池３２０の両端電圧に設定する。

図３のフローチャートに示すように、燃料電池１００が出力停止モードになると、制御は、ステップＳ１００からステップＳ１１０に移される。ステップＳ１１０では、制御ユニット４００が絶縁抵抗測定部３４０に絶縁抵抗の測定を開始する指示を与える。そして、絶縁抵抗の測定が終了すると、図３の絶縁抵抗測定ルーチンは終了する。

図４の例では、時刻ｔ_Sに絶縁抵抗の測定が開始される。絶縁抵抗の測定は、ノイズなどによる誤差の発生を抑制するため所定の時間Ｔ_M（例えば、３０秒）継続される。時刻ｔ_Sから時刻ｔ_E（ｔ_S＋Ｔ_M）の期間では、出力スイッチ３１４はオフ状態となっているので、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCはほぼ開回路電圧ＯＣＶに維持される。そのため、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの変動により絶縁抵抗の測定値に誤差が発生することを抑制できる。

図４の例では、時刻ｔ₁において、燃料電池１００の運転状態が出力停止モードから通常運転モードに切り替えられる。このとき、制御ユニット４００は、図４（ｂ）に示すように、燃料電池１００への反応ガスの供給を再開する。反応ガスの供給の再開とともに、制御ユニット４００は、出力スイッチ３１４をオン状態にする。出力スイッチ３１４がオン状態になると、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCは、コンバータ３３２が設定する設定電圧Ｖｔとなる。時刻ｔ₁以降においては、時刻ｔ₀以前と同様に、燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCは出力電圧Ｖ_FCの変化に応じて変化する。

このように、第１実施例では、燃料電池１００の絶縁抵抗の測定を燃料電池１００の運転状態が出力停止モードである期間に実行する。出力停止モードの期間では、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCがほぼ開回路電圧ＯＣＶとなる。そのため、燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの変動により、絶縁抵抗測定値に誤差が生じることを抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャートである。図５に示す第２実施例の絶縁抵抗測定ルーチンは、燃料電池１００が出力停止モードで運転可能か否かを判断するステップＳ２００と、出力停止モードとは異なる運転状態で絶縁抵抗を測定するステップＳ２１０〜Ｓ２５０とが付加されている点で、図３に示す第１実施例の絶縁抵抗測定ルーチンと異なっている。

ステップＳ２００では、制御ユニット４００は、燃料電池１００が出力停止モードで運転可能か否かを判断する。燃料電池１００が出力停止モードで運転可能と判断された場合、制御はステップＳ１００に移される。そして、第１実施例と同様に、出力停止モードで絶縁抵抗が測定される。一方、燃料電池１００が出力停止モードで運転可能でないと判断された場合、制御はステップＳ２１０に移される。

燃料電池１００が出力停止モードで運転可能か否かの判断は、所定の時間、燃料電池１００を出力停止モードの実行中と同一の条件で運転したとしたときの燃料電池１００の出力電圧Ｖ_FCの低下量が所定の限界値を超えるか否かによって判断される。出力電圧Ｖ_FCの低下量が所定の限界値を超える場合には、出力停止モードから通常運転モードへの切替の際に、燃料電池１００と流体ユニット２００と電力ユニット３００とのいずれかに障害を発生させるおそれがあるため、出力停止モードで運転できないものと判断される。出力停止モードで運転できない燃料電池としては、例えば、燃料電池１００の電解質膜が劣化してアノードからカソードへの水素の漏れ（クロスリーク）がある燃料電池がある。

図６は、クロスリークがある燃料電池を出力停止モードで運転した場合の状況を示す説明図である。図６は、図６（ｄ）の実線で示す出力電圧Ｖ_FCの時間変化が、図４（ｄ）の実線で示す出力電圧Ｖ_FCの時間変化と異なっている点で、図４と異なっている。他は、図４と同様である。

上述のように、出力停止モードでは、空気ポンプ２１２（図１）が停止されて燃料電池１００への酸化剤ガスの供給が停止する。酸化剤ガスの供給が停止すると、クロスリークによりアノードからカソードに漏れた水素は、電解質膜のカソード側に滞留する。電解質膜のカソード側に水素が滞留すると、電解質膜のカソード側での酸素濃度が低下し、燃料電池の出力電圧Ｖ_FCは開回路電圧ＯＣＶから低下する。

図６の例では、燃料電池の出力電圧Ｖ_FCは、通常運転モードから出力停止モードに切り替えられた時刻ｔ₀から徐々に低下する。そして、出力停止モードから通常運転モードに切り替えられる時刻ｔ₁では、出力電圧Ｖ_FCがコンバータ３３２が設定する設定電圧Ｖｔよりも低電圧になっている。このように出力電圧Ｖ_FCが設定電圧Ｖｔよりも低い状態で出力スイッチ３１４をオンに切り替えると燃料電池に逆電流が流れ、逆電流により燃料電池が破損する可能性がある。

そこで、第２実施例では、出力停止モードへの切替と同様に、反応ガスの供給を停止し、出力スイッチ３１４をオフにする検査モードを実行する。そして、検査モードの開始から所定の時間Ｔ経過した時点での出力電圧Ｖ_FCを、直流電圧計３１２（図１）を用いて測定する。検査モードの開始からの出力電圧Ｖ_FCの低下量である出力電圧Ｖ_FCと開回路電圧ＯＣＶとの差が所定の限界値δＶよりも大きい場合、燃料電池は出力停止モードでの運転ができないと判断される。検査モードの開始から所定の時間Ｔが経過した後、燃料電池は検査モードから通常運転モードに切り替えられる。なお、所定の時間Ｔと所定の限界値δＶとは、出力停止モードの可否の判定が可能であり、出力停止モードの可否の判定によって燃料電池などに障害を与えないような値を実験的に求めて適宜設定することができる。

図５のステップＳ２１０において、制御ユニット４００は、二次電池３２０（図１）の残存容量と高電圧負荷３３０（図１）の要求電力とをそれぞれ取得する。二次電池３２０の残存容量は、残存容量モニタ３２２の出力信号を読み取ることにより取得される。また、要求電力は、電気自動車１０のシフト位置やアクセル開度等の操作信号等から算出される。

ステップＳ２２０において、制御ユニット４００は、取得した二次電池３２０の残存容量と高電圧負荷３３０の要求電力とに基づいて、電気自動車１０の状態が二次電池３２０の充電が可能か否かを判断する。具体的には、二次電池３２０の残存容量が所定の残存容量閾値よりも小さく、かつ、高電圧負荷３３０の要求電力が所定の電力閾値よりも小さい場合に、充電が可能と判断される。二次電池３２０の充電が可能でないと判断された場合には、制御はステップＳ２１０に戻され、二次電池３２０が充電可能となるまでステップＳ２１０とＳ２２０とが繰り返し実行される。一方、二次電池３２０が充電可能であると判断された場合には、制御はステップＳ２３０に移される。

ステップＳ２３０において、制御ユニット４００は、二次電池３２０を充電する制御（充電制御）を開始する。具体的には、コンバータ３３２（図１）が設定する設定電圧Ｖｔを、高電圧負荷３３０の要求電力に応じて設定される目標電圧よりも低くすることにより燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCを大きくする。このように設定電圧Ｖｔを低くすることにより、高電圧負荷３３０が要求する電力を超える電力が燃料電池１００から出力され、その超過分が二次電池３２０の充電に使用される。

図７は、充電制御の開始前後における燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCと出力電圧Ｖ_FCとの関係を示す説明図である。充電可能な状態は高電圧負荷３３０の要求電力が所定の電力閾値よりも小さい状態であるので、充電制御の開始前の状態では、出力電流Ｉ_FCは低電流Ｉ₁となっている。このとき、高電圧負荷３３０の要求電力が変動し出力電流Ｉ_FCがΔＩ変動すると、出力電圧Ｖ_FCの変動量はΔＶ₁となる。

ここで充電制御を実行して、二次電池３２０を充電するための電流を取り出すと、出力電流Ｉ_FCは大きくなり電流値Ｉ₂まで到達する。この状態で出力電流Ｉ_FCがΔＩ変動すると、出力電圧Ｖ_FCの変動は充電制御前の変動量ΔＶ₁よりも小さいΔＶ₂となる。このように、充電制御の実行により出力電流Ｉ_FCを大きくすると、同じ出力電流の変動量ΔＩに対する出力電圧の変動量は、ΔＶ₁からΔＶ₂まで小さくなる。

図５のステップＳ２４０において、制御ユニット４００は、絶縁抵抗の測定を開始する。上述のように、出力電流Ｉ_FCの変動に対する出力電圧Ｖ_FCの変動が小さくなる。そのため、ステップＳ２３０における絶縁抵抗測定値の誤差は、充電制御を行わない状態での誤差よりも小さくなる。なお、ステップＳ２４０では、絶縁抵抗測定の完了まで充電制御を続行するため、二次電池３２０の充電の停止に使用される残存容量上限値を通常の状態よりも高くすることが好ましい。また、出力電流の変動量ΔＩを低減するため、高圧補機３３４（図１）に含まれる各機器のうち停止可能な機器の稼働を止めることが好ましい。

ステップＳ２５０において、制御ユニット４００は、充電制御の実行を終了する。充電制御の実行は、コンバータ３３２に設定する設定電圧Ｖｔを高電圧負荷３３０の要求電力に応じて設定される値とすることにより終了する。そして、ステップＳ２５０の後、絶縁抵抗測定ルーチンは終了する。

このように、第２実施例においても、燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCの変動に伴う出力電圧Ｖ_FCの変動が抑制される。そのため、出力電圧Ｖ_FCの変動により絶縁抵抗測定値に誤差が生じることを抑制することができる。

第２実施例は、燃料電池１００を出力停止モードで運転することが好ましくない場合においても、絶縁抵抗測定値の誤差を低減できる点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、絶縁抵抗を測定するための制御がより容易である点で第２実施例よりも好ましい。

なお、第２実施例では、充電制御が可能か否かの判断を二次電池３２０の残存容量と高電圧負荷３３０の要求電力との双方に基づいて判断しているが、充電制御が可能か否かの判断は、例えば、二次電池３２０の残存容量のみに基づいて判断することも可能である。この場合においても、充電制御を行うことにより、出力電流Ｉ_FCの変動に伴う出力電圧Ｖ_FCの変動を低減することができるので、絶縁抵抗測定値に誤差が生じることを抑制することができる。

また、第２実施例では、燃料電池１００が出力停止モードで運転可能な場合、出力停止モードでの運転中に絶縁抵抗を測定しているが、燃料電池１００が出力停止モードで運転可能か否かを判断することなく、常に充電制御を行って絶縁抵抗を測定するものとしてもよい。このようにしても、出力電流Ｉ_FCの変動に伴う出力電圧Ｖ_FCの変動が抑制されるので、出力電圧Ｖ_FCの変動により絶縁抵抗測定値に誤差が生じることを抑制することができる。

第２実施例では、出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい電流範囲に出力電流Ｉ_FCを設定するために、充電制御の実行により燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCを増加させているが、他の方法により、出力電流Ｉ_FCを増加させることも可能である。例えば、高圧補機３３４（図１）に含まれる各機器を稼働させ、高圧補機３３４の消費電力を大きくすることにより出力電流Ｉ_FCを増加させるものとしてもよい。このようにしても、出力電流Ｉ_FCを増加させ、出力電流Ｉ_FCの変化量に対する出力電圧Ｖ_FCの変化量が小さい電流範囲に出力電流Ｉ_FCを設定することができる。

なお、第２実施例では、出力停止モードの可否の判定を行なう検査モードを実行しているが、検査モードの実行を省略することもできる。この場合、出力停止モードの実行中に出力電圧Ｖ_FCを測定し、出力電圧Ｖ_FCと開回路電圧ＯＣＶとの差が所定の限界値よりも大きくなった場合には、出力停止モードの実行が中断される。そして、出力停止モードの実行の中断の後、充電制御を実行し絶縁抵抗の測定が行われる。

Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャートである。図８に示す第３実施例の絶縁抵抗測定ルーチンは、ステップＳ３００がステップＳ２００の前に付加されている点で、図５に示す第２実施例の絶縁抵抗測定ルーチンと異なっている。他の点は、第２実施例の絶縁抵抗測定ルーチンと同じである。

ステップＳ３００において、制御ユニット４００は、燃料電池１００の起動の後すでに絶縁抵抗を測定したか否かを判断する。絶縁抵抗が測定済みでない場合、制御はステップＳ２００に移され、第２実施例の絶縁抵抗測定ルーチンと同様に絶縁抵抗の測定が行われる。一方、絶縁抵抗が測定済みの場合、図８に示す絶縁抵抗測定ルーチンは、終了する。

具体的には、制御ユニット４００は、電気自動車１０の起動スイッチがオフからオンに切り替えられた際に絶縁抵抗測定済みのフラグをリセットする。そして、絶縁抵抗を測定する際に絶縁抵抗測定済みのフラグをセットする。ステップＳ３００では、絶縁抵抗測定済みのフラグがセットされている場合、絶縁抵抗測定済みと判断され絶縁抵抗測定ルーチンは終了する。

第３実施例では、電気自動車１０の起動から停止までの間（トリップ）に１回のみ絶縁抵抗の測定が行われる。一般に、冷却水の導電率は時間とともに徐々に上昇していくため、１トリップにつき１回の絶縁抵抗測定によっても、冷却水の導電率上昇による障害の発生を抑制することができる。

なお、第３実施例では、電気自動車１０の起動スイッチがオフからオンに切り替えられた際に絶縁抵抗測定済みのフラグをリセットしているが、絶縁抵抗測定済みのフラグは、例えば、所定の時間や所定の走行距離や所定の発電量毎にリセットするものとしてもよい。このようにしても、冷却水の導電率上昇による障害の発生を抑制することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記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。

Ｄ１．変形例１：
上記各実施例では、出力停止モードと充電制御とのいずれかを実行することにより燃料電池を略定常状態に維持して絶縁抵抗の測定を行っているが、一般に、絶縁抵抗の測定は、出力電圧Ｖ_FCの変動が所定の許容範囲内となる略定常状態であれば任意の状態でおこなうことができる。例えば、要求電力の変動を二次電池３２０からの電力で補償し、燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCの変動を抑制することによっても、略定常状態とすることができる。

Ｄ２．変形例２：
上記各実施例では、燃料電池１００とともに使用される二次電力源として二次電池３２０を使用しているが、二次電力源としては充・放電可能な任意の蓄電装置を用いることができる。蓄電装置としては、例えば、キャパシタを使用することが可能である。

Ｄ３．変形例３：
上記各実施例では、本発明の絶縁抵抗測定技術により燃料電池１００と電気自動車１０の車体１２との間の絶縁抵抗を測定しているが、本発明は、一般に、燃料電池１００の外部に設けられた導体（外部導体）と、燃料電池１００との間の絶縁抵抗測定に適用することができる。本発明は、例えば、ラジエータ２６２（図１）の金属部分と燃料電池１００との間の絶縁抵抗の測定に適用することも可能である。

Ｄ４．変形例４：
上記各実施例では、本発明の絶縁抵抗測定技術を水冷式の燃料電池システムに使用しているが、本発明の絶縁抵抗測定技術は、冷却水を使用しない燃料電池システムにて起用することもできる。この場合、燃料電池の絶縁抵抗の低下を検知することにより、燃料電池からの漏電を検出することができる。

本発明の一実施形態としての電気自動車１０の構成を示す説明図。 絶縁抵抗測定部３４０による燃料電池１００の絶縁抵抗測定の様子を示す説明図。 第１実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャート。 第１実施例における燃料電池１００の運転状態の時間変化を示す説明図。 第２実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャート。 クロスリークがある燃料電池を出力停止モードで運転した場合の状況を示す説明図。 充電制御の開始前後における燃料電池１００の出力電流Ｉ_FCと出力電圧Ｖ_FCとの関係を示す説明図。 第３実施例における燃料電池１００の絶縁抵抗測定ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１０…電気自動車
１２…車体
２０…配線
２２…配線
２４…配線
１００…燃料電池
１０２…セル
２００…流体ユニット
２１０…酸化剤ガス供給部
２１２…空気ポンプ
２１４…酸化剤ガス供給配管
２２０…カソードオフガス排出部
２２２…カソードオフガス排出配管
２３０…燃料ガス供給部
２３２…燃料ガスタンク
２３４…第１の燃料ガス供給配管
２３６…第２の燃料ガス供給配管
２４０…循環ポンプ
２４２…第１のアノードオフガス排出配管
２４４…第１の還流配管
２４６…第２の還流配管
２５０…アノードオフガス排出部
２５２…第２のアノードオフガス排出配管
２６０…冷却水循環部
２６２…ラジエータ
２６４…冷却水ポンプ
３００…電力ユニット
３１２…直流電圧計
３１４…出力スイッチ
３２０…二次電池
３２２…残存容量モニタ
３３０…高電圧負荷
３３２…コンバータ
３３４…高圧補機
３３６…インバータ
３４０…絶縁抵抗測定部
３４２…交流電源
３４４…バンドパスフィルタ
３４６…交流電圧計
４００…制御ユニット

Claims (9)

1. 負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池と外部導体との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、
   前記燃料電池の発電状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部が前記燃料電池の出力電圧の変動が所定の許容範囲内となる略定常状態に前記燃料電池を維持している条件下において前記絶縁抵抗の測定を行う、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池の電流出力を停止する出力停止モードを有し、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記出力停止モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定する、燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   蓄電装置を備えており、
   前記制御部は、前記負荷への供給電力の変動を前記蓄電装置の充放電により補償して前記燃料電池を前記略定常状態にする負荷変動補償モードを有し、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記負荷変動補償モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定する、燃料電池システム。
4. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池の出力電流の範囲が前記燃料電池の出力可能な電流範囲のうち前記燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい所定の電流範囲となるように制御する出力電流設定モードを有し、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記制御部による前記出力電流設定モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定する、燃料電池システム。
5. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池を前記出力停止モードの実行が維持される時間より短い所定の時間のみ前記出力停止モードの実行時と同一の状態にする検査モードと、
   前記検査モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が所定の限界値を超える場合に前記燃料電池を前記略定常状態に維持するために実行される前記出力停止モードとは異なる測定制御モードと、
   を有しており、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記検査モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が前記所定の限界値を超える場合には、前記出力停止モードに替えて前記測定制御モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定する、燃料電池システム。
6. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記出力停止モードを実行したときの前記燃料電池の出力電圧の低下量が所定の限界値を超える場合に前記出力停止モードの実行を中断して、前記燃料電池を前記略定常状態に維持するために前記出力停止モードとは異なる測定制御モードを実行し、
   前記絶縁抵抗測定部は、前記出力停止モードに替えて前記測定制御モードの実行中に前記絶縁抵抗を測定する、燃料電池システム。
7. 請求項５または６記載の燃料電池システムであって、さらに、
   蓄電装置を備えており、
   前記測定制御モードは、前記負荷への供給電力の変動を前記蓄電装置の充放電により補償して前記燃料電池を前記略定常状態にする負荷変動補償モードである、燃料電池システム。
8. 請求項５または６記載の燃料電池システムであって、
   前記測定制御モードは、前記燃料電池の出力電流の範囲が前記燃料電池の出力可能な電流範囲のうち前記燃料電池の出力電流の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい所定の電流範囲となるように制御する出力電流設定モードである、燃料電池システム。
9. 請求項１ないし８記載の燃料電池システムであって、
   前記絶縁抵抗は、前記燃料電池の冷却水を介した前記燃料電池と前記外部導体との間の抵抗である、燃料電池システム。

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