JP2008059780A - Fuel cell system - Google Patents

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Shinya Sakaguchi
信也 坂口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of assuring safety at high voltage with a simple structure. <P>SOLUTION: The fuel cell system, equipped with a fuel cell 1 generating electric energy through an electrochemical reaction of oxygen and hydrogen and supplying power to a traveling motor 5, is provided with an electric conductivity sensor 49 detecting electric conductivity of cooling water cooling the fuel cell 1 by passing through inside the fuel cell 1, and a voltage limiting means 50 lowering an upper limit value of voltage supplied to the traveling motor 5 in accordance with an increment of electric conductivity when electric conductivity of the cooling water detected by the electric conductivity sensor 49 becomes a first threshold value or more. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶および航空機等の移動体用発電機に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to generators for moving bodies such as vehicles, ships, and aircraft.

燃料電池システムには通常、燃料電池内部に冷却水を循環させて燃料電池を冷却する冷却システムが設けられている。   The fuel cell system is usually provided with a cooling system that cools the fuel cell by circulating cooling water inside the fuel cell.

ところで、燃料電池システムを搭載した車両の絶縁抵抗は、燃料電池と電気的に接続されている要素の抵抗値から決定される。絶縁抵抗を決定する要素としては、燃料電池本体、走行用モータ、二次電池等の機器、燃料電池の発電に伴って発生する生成水、および燃料電池内を循環する冷却水等がある。ここで、冷却水の抵抗値は、冷却水の導電率に支配されている。そして、燃料電池は発電に伴い電位が発生するので、燃料電池内部を循環する冷却水の導電率が高いと、冷却水が帯電してしまい、冷却水経路において電荷が冷却水を通じ人体への通電が起こるという問題がある。   Incidentally, the insulation resistance of a vehicle equipped with a fuel cell system is determined from the resistance value of an element electrically connected to the fuel cell. Elements that determine the insulation resistance include devices such as a fuel cell main body, a traveling motor, and a secondary battery, generated water generated by power generation of the fuel cell, and cooling water circulating in the fuel cell. Here, the resistance value of the cooling water is governed by the conductivity of the cooling water. Since the fuel cell generates a potential with power generation, if the conductivity of the cooling water circulating inside the fuel cell is high, the cooling water is charged, and the electric charge is supplied to the human body through the cooling water in the cooling water path. There is a problem that happens.

したがって、通常は導電率の低い冷却水を用いているが、冷却水経路中のラジエータ、ポンプ、バルブ、配管等から導電性イオンが冷却水中に溶け出し、冷却水中の導電性イオンが増加する場合がある。また、冷却水として一般的に使用されている不凍液にはラジエータ等の腐食を防止する防錆剤が含まれており、この不凍液にもイオンが存在している。これらにより、冷却水の導電率が上昇してしまう。   Therefore, cooling water with low conductivity is usually used, but when conductive ions are melted into the cooling water from the radiator, pump, valve, piping, etc. in the cooling water path, the conductive ions in the cooling water increase. There is. Moreover, the antifreeze liquid generally used as cooling water contains a rust preventive agent for preventing corrosion of a radiator or the like, and ions are also present in this antifreeze liquid. As a result, the conductivity of the cooling water increases.

これに対し、冷却水経路中にイオン交換樹脂を設けることで、冷却水経路中の導電性イオンを除去し、車両の絶縁抵抗を確保する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２９８８８５号公報 On the other hand, a fuel cell system has been proposed in which ion exchange resin is provided in the cooling water path to remove conductive ions in the cooling water path and ensure the insulation resistance of the vehicle (for example, Patent Document 1). reference).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-289885

ところで、車両の絶縁抵抗は漏電時に流れる電流値で規定されており、一般的にΩ／Ｖという単位で表される。したがって、電圧１Ｖ当たりに対する抵抗値が規定されているため、走行用モータやインバータの小型化のために燃料電池のシステム電圧（走行用モータを駆動する電圧）を高電圧化すると、図５に示すように、絶縁抵抗値が低下してしまう。   Incidentally, the insulation resistance of a vehicle is defined by the value of a current that flows at the time of electric leakage, and is generally expressed in units of Ω / V. Therefore, since the resistance value per 1V is specified, when the system voltage of the fuel cell (voltage for driving the traveling motor) is increased to reduce the size of the traveling motor or inverter, it is shown in FIG. As a result, the insulation resistance value decreases.

ここで、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、イオン交換樹脂の性能が高いときには冷却水の導電率を低く維持できるが、イオン交換樹脂の性能が低下した場合や、冷却水経路のラジエータ等からイオンが過剰に溶出した場合には、冷却水中のイオンをすべて吸着することができなくなる。このため、冷却水の導電率が上昇し、これにより絶縁抵抗値が低下して下限閾値を下回ってしまう。   Here, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the conductivity of the cooling water can be kept low when the performance of the ion exchange resin is high. However, when the performance of the ion exchange resin is reduced, the radiator of the cooling water path is used. If ions elute excessively from the etc., it becomes impossible to adsorb all the ions in the cooling water. For this reason, the electrical conductivity of cooling water rises, and thereby the insulation resistance value falls and falls below the lower limit threshold value.

これに対して、イオン交換樹脂の量を増加する方法や、イオン交換樹脂の交換時期を早めることが考えられるが、システムの大型化、メンテナンス等で不利となる。   In contrast, it is conceivable to increase the amount of the ion exchange resin or to advance the replacement time of the ion exchange resin, but this is disadvantageous in increasing the size and maintenance of the system.

本発明は、上記点に鑑み、簡易な構成で高電圧時における安全性を確保することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of ensuring safety at a high voltage with a simple configuration in view of the above points.

上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させ、電力消費機器（５）に電力を供給する燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１）内を通過することで燃料電池（１）を冷却する冷却媒体の導電率を検出する導電率検出手段（４９）と、導電率検出手段（４９）により検出された冷却媒体の導電率が第１の閾値以上になった場合に、導電率が高くなるに応じて電力消費機器（５）に供給する電圧の上限値を低下させる電圧制限手段（５０）とを備えることを第１の特徴としている。   In order to achieve the above object, in the present invention, a fuel cell system including a fuel cell (1) that generates electric energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas and supplies power to a power consuming device (5). The conductivity detection means (49) for detecting the conductivity of the cooling medium that cools the fuel cell (1) by passing through the fuel cell (1) and the conductivity detection means (49). Voltage limiting means (50) for lowering the upper limit value of the voltage supplied to the power consuming device (5) when the conductivity of the cooling medium becomes equal to or higher than the first threshold. The first feature is to provide.

なお、第１の閾値は、例えば冷却媒体の導電率がこの値より高くなると、許容できるが警告すべきレベルにまで達しているという値に設定される。   Note that the first threshold value is set to a value that, when the conductivity of the cooling medium becomes higher than this value, for example, has reached an acceptable level but should be warned.

これにより、冷却媒体の導電率が上昇した場合でも、システム電圧の上限値を低下させることで、図５に示すように絶縁抵抗値を高くすることができるため、安全に走行を維持することができる。このとき、イオン交換樹脂の量を増加したり、イオン交換樹脂の交換時期を早める必要がないため、簡易な構成で高電圧時における安全性を確保することが可能となる。   As a result, even when the conductivity of the cooling medium increases, the insulation resistance value can be increased as shown in FIG. 5 by reducing the upper limit value of the system voltage, so that traveling can be maintained safely. it can. At this time, since it is not necessary to increase the amount of the ion exchange resin or to advance the replacement time of the ion exchange resin, it is possible to ensure safety at a high voltage with a simple configuration.

また、本発明では、導電率検出手段（４９）により検出された冷却媒体の導電率が第１の閾値以上になった場合、および、導電率が第１の閾値より高い第２の閾値以上になった場合の、少なくともいずれか一方の場合に、冷却媒体の導電率の上昇を示すダイアグコードを記憶する記憶手段（５０）を備えることを第２の特徴としている。   Moreover, in this invention, when the electrical conductivity of the cooling medium detected by the electrical conductivity detection means (49) becomes more than a 1st threshold value, and more than a 2nd threshold value whose electrical conductivity is higher than a 1st threshold value. In this case, a second feature is that a storage means (50) for storing a diagnostic code indicating an increase in the conductivity of the cooling medium is provided in at least one of the cases.

なお、第２の閾値は、例えば冷却水の導電率がこの値より高くなると、冷却水の導電率が許容できない範囲にまで上昇しているという値に設定される。   Note that the second threshold is set to a value that, for example, when the conductivity of the cooling water is higher than this value, the conductivity of the cooling water is increased to an unacceptable range.

これにより、修理工場等において作業者がダイアグコードを参照してイオン交換樹脂や冷却媒体の交換を行うことが可能となる。   Thereby, it becomes possible for an operator at a repair shop or the like to replace the ion exchange resin or the cooling medium with reference to the diagnosis code.

また、本発明では、冷却媒体の導電率の上昇を使用者に報知する報知手段（６）と、導電率検出手段（４９）により検出された冷却媒体の導電率が第１の閾値以上の場合に、報知手段（６）に報知を実行させる報知制御手段（５０）とを備えることを第３の特徴としている。   In the present invention, the notification means (6) for notifying the user of the increase in the conductivity of the cooling medium and the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detection means (49) is equal to or higher than the first threshold value. In addition, a third feature is that it includes notification control means (50) for causing the notification means (6) to perform notification.

これにより、使用者にイオン交換樹脂や冷却媒体の交換を行うタイミングを知らせることできるため、冷却媒体の導電率の上昇に早急に対応することが可能となる。   Thus, the user can be notified of the timing for exchanging the ion exchange resin and the cooling medium, and thus it is possible to quickly cope with the increase in the conductivity of the cooling medium.

また、冷却媒体の導電率の異常を使用者に報知する報知手段（６）と、導電率検出手段（４９）により検出された冷却媒体の導電率が第２の閾値以上の場合に、報知手段（６）に報知を実行させる報知制御手段（５０）とを設けることができる。   Also, a notification means (6) for notifying the user of an abnormality in the conductivity of the cooling medium, and a notification means when the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detection means (49) is greater than or equal to the second threshold value. (6) can be provided with notification control means (50) for executing notification.

また、導電率検出手段を、冷却媒体に微小電流を流して抵抗値を測定し、測定された抵抗値を導電率に換算することで冷却媒体の導電率を検出する導電率センサ（４９）にすることができる。   In addition, the conductivity detecting means is a conductivity sensor (49) for detecting the conductivity of the cooling medium by passing a minute current through the cooling medium and measuring the resistance value and converting the measured resistance value into the conductivity. can do.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した実施例である。     Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is an example in which the present invention is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。本実施形態では燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数積層されて構成されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of cells 100 serving as a basic unit are stacked.

燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素（空気）が本発明の酸化剤ガスに相当している。   In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electrical energy. Note that hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention, and oxygen (air) corresponds to the oxidant gas of the present invention.

アノード（水素極）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード（酸素極）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体 Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
そして、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１１と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。 Anode (hydrogen electrode) H 2 → 2H + + 2e −
Cathode (oxygen electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
Overall H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
A voltage sensor 11 that detects the output voltage of the fuel cell 1 and a current sensor 12 that detects the output current of the fuel cell 1 are provided.

図２（ａ）は燃料電池１の断面図であり、図２（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。図２（ａ）に示すように、各セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、拡散層１０３、セパレータ１０４、電極板１０５、絶縁板１０６、締結板１０７を備えている。電解質膜１０１の両外側には一対の触媒層１０２は配置され、触媒層１０２の外側には一対の拡散層１０３が配置されている。触媒層１０２と拡散層１０３は電極（水素極と酸素極）を構成している。   2A is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and FIG. 2B is a side view of the separator 104. FIG. As shown in FIG. 2A, each cell 100 includes an electrolyte membrane 101, a catalyst layer 102, a diffusion layer 103, a separator 104, an electrode plate 105, an insulating plate 106, and a fastening plate 107. A pair of catalyst layers 102 are disposed on both outer sides of the electrolyte membrane 101, and a pair of diffusion layers 103 are disposed on the outer sides of the catalyst layer 102. The catalyst layer 102 and the diffusion layer 103 constitute electrodes (hydrogen electrode and oxygen electrode).

拡散層１０３には、セパレータ１０４が配置されている。セパレータ１０４には、反応ガスが通過する溝状の反応ガス経路１０４ａ、１０４ｂと、冷却水が通過する冷却水経路１０４ｃが形成されている。水素極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として水素が通過する水素経路１０４ａが形成されており、空気極側に配置されたセパレータ１０４には、反応ガス経路として酸素（空気）が通過する空気経路１０４ｂが形成されている。   A separator 104 is disposed in the diffusion layer 103. The separator 104 is formed with groove-like reaction gas passages 104a and 104b through which reaction gas passes and a cooling water passage 104c through which cooling water passes. The separator 104 arranged on the hydrogen electrode side is formed with a hydrogen path 104a through which hydrogen passes as a reaction gas path. The separator 104 arranged on the air electrode side has oxygen (air) as a reaction gas path. A passing air path 104b is formed.

図２（ｂ）に示すように、セパレータ１０４には、空気経路１０４ｂに空気を流入出させるための空気入口部１０４ｄと空気出口部１０４ｅが形成されている。さらに、セパレータ１０４には、水素経路１０４ａに水素を流入出させるための水素入口部１０４ｆと水素出口部１０４ｇが設けられ、冷却水経路１０４ｃに冷却水を流入出させるための冷却水入口部１０４ｈと冷却水出口部１０４ｉが設けられている。そして、上記電気化学反応によって酸素極側で生成した水分は空気経路１０４ｂに滞留することとなる。   As shown in FIG. 2B, the separator 104 has an air inlet portion 104d and an air outlet portion 104e for allowing air to flow into and out of the air path 104b. Further, the separator 104 is provided with a hydrogen inlet portion 104f and a hydrogen outlet portion 104g for allowing hydrogen to flow into and out of the hydrogen passage 104a, and a cooling water inlet portion 104h for allowing cooling water to flow into and out of the cooling water passage 104c. A cooling water outlet 104i is provided. And the water | moisture content produced | generated on the oxygen electrode side by the said electrochemical reaction will stay in the air path 104b.

図１に戻り、燃料電池１と二次電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３への電力の流れをコントロールする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇降圧チョッパ回路で、燃料電池１で発生した電力を二次電池３に充電したり、走行用インバータ４に供給することができる装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。   Returning to FIG. 1, the fuel cell 1 and the secondary battery 3 are electrically connected via a DC-DC converter 2. The DC-DC converter 2 controls the flow of power from the fuel cell 1 to the secondary battery 3. The DC-DC converter 2 is a step-up / step-down chopper circuit, and is a device that can charge the secondary battery 3 with electric power generated in the fuel cell 1 or supply it to the traveling inverter 4. The DC-DC converter 2 can exchange power bidirectionally regardless of the magnitude of the voltage.

二次電池３は、燃料電池１から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものであり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いることができる。   The secondary battery 3 stores the electric energy supplied from the fuel cell 1 and supplies the stored electric energy to various electric loads. For example, a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery can be used.

ＤＣ−ＤＣコンバータ２と二次電池３の間に走行用インバータ４が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した燃料電池１からの電力あるいは二次電池３からの電力が走行用インバータ４へ供給される。   A traveling inverter 4 is connected between the DC-DC converter 2 and the secondary battery 3. Power from the fuel cell 1 or power from the secondary battery 3 via the DC-DC converter 2 is supplied to the traveling inverter 4.

走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させたりあるいは電力を回生させるためのインバータである。本実施形態の走行用インバータ４は３相インバータであり、３相の交流電力を走行用モータ５に供給し、走行用モータ５を回転させることで燃料電池車両を走行させる。   The traveling inverter 4 is an inverter for driving the traveling motor 5 or regenerating electric power. The traveling inverter 4 of the present embodiment is a three-phase inverter, and supplies the three-phase AC power to the traveling motor 5 and rotates the traveling motor 5 to cause the fuel cell vehicle to travel.

また、燃料電池１の発電時に余った電力を二次電池３に蓄えることができる。二次電池３は回生ブレーキなどによって回生された電力を蓄えることができるため、効率的な車両システムとすることができる。通常、二次電池３は最適な充電状態に充電されている。本実施形態では、二次電池３から走行用インバータ４に電力供給できるように構成されており、例えば急加速時などに急激に大きな電力が必要な場合に、燃料電池１からだけでなく二次電池３からも電力を引き出して走行用インバータ４に供給することで対応することができる。   Further, the surplus power during power generation by the fuel cell 1 can be stored in the secondary battery 3. Since the secondary battery 3 can store electric power regenerated by a regenerative brake or the like, an efficient vehicle system can be obtained. Usually, the secondary battery 3 is charged in an optimal charging state. In the present embodiment, power is supplied from the secondary battery 3 to the driving inverter 4. For example, when a large amount of power is required suddenly during sudden acceleration, the secondary battery 3 not only from the fuel cell 1 but also from the secondary battery 3. This can be dealt with by drawing electric power from the battery 3 and supplying it to the traveling inverter 4.

燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極（正極）側に供給される空気（酸素）が通過する空気供給流路２０ａと、燃料電池１の酸素極から排出される空気側排ガスが通過する空気排出流路２０ｂとが設けられている。また、燃料電池システムには、燃料電池１の水素極（負極）側に供給される水素が通過する水素供給経路３０ａと、燃料電池１の水素極側から排出される窒素、水蒸気（水）および未反応水素を含んだオフガスが通過する水素排出流路３０ｂとが設けられている。   In the fuel cell system, an air supply passage 20a through which air (oxygen) supplied to the oxygen electrode (positive electrode) side of the fuel cell 1 passes, and air-side exhaust gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell 1 pass through. An air discharge channel 20b is provided. The fuel cell system includes a hydrogen supply path 30a through which hydrogen supplied to the hydrogen electrode (negative electrode) side of the fuel cell 1 passes, nitrogen, water vapor (water) discharged from the hydrogen electrode side of the fuel cell 1, and A hydrogen discharge passage 30b through which off-gas containing unreacted hydrogen passes is provided.

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。   An air pump 21 for pressure-feeding air sucked from the atmosphere to the fuel cell 1 is provided at the most upstream part of the air supply channel 20a, and between the air pump 21 and the fuel cell 1 in the air supply channel 20a. Is provided with a humidifier 22 for humidifying the air. The air discharge channel 20b is provided with an air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of air in the fuel cell 1.

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク（燃料ガス供給装置）３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。   A high-pressure hydrogen tank (fuel gas supply device) 31 filled with hydrogen is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply flow path 30a, and between the high-pressure hydrogen tank 31 and the fuel cell 1 in the hydrogen supply flow path 30a. A hydrogen pressure regulating valve 32 for adjusting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 1 is provided.

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０ａ〜３０ｃ内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。水素排出流路３０ｂにおける水素循環流路３０ｃとの分岐点より下流側には、燃料電池１から排出されるオフガスを外部に排出させるパージバルブ３４が設けられている。燃料電池１の運転に伴って燃料電池１の水素極側に窒素等の不純物が蓄積され、燃料電池１から排出されるオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなる。このため、燃料電池１の運転中にパージバルブ３４を所定のタイミングで開放し、水素濃度が低くなったオフガスの一部をオフガス排出流路３０ｂから外部に放出する。また、水素排出流路３０ｂは、パージバルブ３４の下流側において、空気排出流路２０ｂに接続されている。   The hydrogen discharge passage 30b is provided with a branching hydrogen circulation passage 30c that is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32 in the hydrogen supply passage 30a and forms a closed loop. Then, hydrogen is circulated so that unreacted hydrogen is re-supplied to the fuel cell 1. The hydrogen circulation channel 30c is provided with a hydrogen pump 33 for circulating hydrogen in the hydrogen channels 30a to 30c. A purge valve 34 for discharging off-gas discharged from the fuel cell 1 to the outside is provided on the downstream side of the branch point of the hydrogen discharge channel 30b with the hydrogen circulation channel 30c. As the fuel cell 1 is operated, impurities such as nitrogen are accumulated on the hydrogen electrode side of the fuel cell 1, the impurity concentration in the off-gas discharged from the fuel cell 1 is increased, and the hydrogen concentration is decreased. For this reason, during operation of the fuel cell 1, the purge valve 34 is opened at a predetermined timing, and a part of the off gas having a low hydrogen concentration is discharged to the outside from the off gas discharge flow path 30b. Further, the hydrogen discharge channel 30 b is connected to the air discharge channel 20 b on the downstream side of the purge valve 34.

燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。   The fuel cell 1 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation to ensure power generation efficiency. For this reason, a cooling system for cooling the fuel cell 1 is provided. The cooling system is provided with a cooling water path 40 that circulates cooling water (cooling medium) in the fuel cell 1, a water pump 41 that circulates the cooling water, and a radiator 43 that includes a fan 42.

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ５２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出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４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度を間接的に検出することができる。   The cooling water path 40 is provided with a bypass path 44 for bypassing the cooling water to the radiator 52. A flow path switching valve 45 for adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the bypass path 44 is provided at the junction of the cooling water path 40 and the bypass path 44. Further, a temperature sensor 46 as a temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water flowing out from the fuel cell 1 is provided in the vicinity of the outlet side of the fuel cell 1 in the cooling water path 40. By detecting the coolant temperature with this temperature sensor 46, the temperature of the fuel cell 1 can be indirectly detected.

また、本実施形態の構成では、冷却水が直接燃料電池１内部と接するため、冷却水の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本実施形態では、冷却水経路４０にイオン吸着用経路４７を設け、イオン吸着用経路４７にイオン交換樹脂４８を配置している。   Further, in the configuration of the present embodiment, since the cooling water is in direct contact with the inside of the fuel cell 1, if the conductivity of the cooling water is large, an electric shock due to electric leakage or a decrease in the fuel cell system efficiency is caused. For this reason, in this embodiment, the ion adsorption path 47 is provided in the cooling water path 40, and the ion exchange resin 48 is arranged in the ion adsorption path 47.

イオン交換樹脂４８は、各部品より冷却水に溶出したイオンを吸着し、冷却水の導電率上昇を抑えることができる。ちなみにイオン吸着装置４８は、冷却水が流れる位置であれば、どこに設置してもよい。   The ion exchange resin 48 can adsorb ions eluted from each component into the cooling water and suppress an increase in the conductivity of the cooling water. Incidentally, the ion adsorption device 48 may be installed anywhere as long as the cooling water flows.

また、イオン吸着用経路４７には、冷却水の導電率を検出する導電率センサ（導電率検出手段）４９が設けられている。本実施形態では、導電率センサ４９は、冷却水に微小電流を流して抵抗値を測定し、測定された抵抗値を導電率に換算することで冷却水の導電率を検出するようになっている。   The ion adsorption path 47 is provided with a conductivity sensor (conductivity detection means) 49 for detecting the conductivity of the cooling water. In the present embodiment, the conductivity sensor 49 measures the resistance value by flowing a minute current through the cooling water, and detects the conductivity of the cooling water by converting the measured resistance value into the conductivity. Yes.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。そして、制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ１１からの電圧信号、電流センサ１２からの電流信号、温度センサ４６からの温度信号および導電率センサ４９からの導電率信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、走行用インバータ４、後述する警告ランプ６、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、パージバルブ３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 is configured by a known microcomputer provided with a CPU, ROM, RAM, I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM or the like. The control unit 50 receives a required power signal from various loads, a voltage signal from the voltage sensor 11, a current signal from the current sensor 12, a temperature signal from the temperature sensor 46, and a conductivity signal from the conductivity sensor 49. Entered. Further, based on the calculation result, the control unit 50 performs the DC-DC converter 2, the secondary battery 3, the traveling inverter 4, a warning lamp 6, which will be described later, the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure regulating valve 23, A control signal is output to the pressure valve 32, the hydrogen pump 33, the purge valve 34, the water pump 41, the flow path switching valve 45, and the like.

制御部５０は、冷却水の導電率が予め設定された第１の閾値以上になった場合に、走行用モータ５（走行用インバータ４）に供給される電圧、すなわち走行用モータ５を駆動する電圧（以下、システム電圧という）の上限値を制限するシステム電圧制限処理を行う。そして、制御部５０は、電圧制限処理によって決定されたシステム電圧の上限値をＤＣ−ＤＣコンバータ２に制御信号として出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御部５０からの制御信号に基づき出力側（二次側）の電圧（走行用インバータ４に出力する電圧）を変更するようになっている。ここで、第１の閾値は、冷却水の導電率がこの値より高くなると、許容できるが警告すべきレベルにまで達しているという値に設定されている。   The control unit 50 drives the voltage supplied to the traveling motor 5 (the traveling inverter 4), that is, the traveling motor 5 when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than a first threshold set in advance. A system voltage limiting process for limiting the upper limit value of the voltage (hereinafter referred to as the system voltage) is performed. Then, the control unit 50 outputs the upper limit value of the system voltage determined by the voltage limiting process to the DC-DC converter 2 as a control signal. The DC-DC converter 2 changes an output side (secondary side) voltage (voltage output to the traveling inverter 4) based on a control signal from the control unit 50. Here, the first threshold value is set to a value that, when the conductivity of the cooling water becomes higher than this value, has reached an acceptable but warning level.

燃料電池システムには、冷却水の導電率が上昇していることを運転者へ報知する警告ランプ６が設けられている。警告ランプ６は、制御部５０からの制御信号に応じて点灯を行うように構成されている。なお、警告ランプ６が本発明の報知手段に相当している。   The fuel cell system is provided with a warning lamp 6 that notifies the driver that the conductivity of the cooling water is increasing. The warning lamp 6 is configured to light up in response to a control signal from the control unit 50. The warning lamp 6 corresponds to the notification means of the present invention.

図３は、本実施形態における冷却水の導電率とシステム電圧の上限値との関係を示す特性図である。制御部５０のＲＯＭには、図３で示す冷却水の導電率とシステム電圧の上限値とが関連づけられたマップがあらかじめ記憶されている。図３に示すように、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合、冷却水の導電率が高くなるに応じてシステム電圧の上限値を低下させるようになっている。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the conductivity of the cooling water and the upper limit value of the system voltage in the present embodiment. The ROM of the control unit 50 stores in advance a map in which the conductivity of the cooling water shown in FIG. 3 is associated with the upper limit value of the system voltage. As shown in FIG. 3, when the conductivity of the cooling water becomes equal to or higher than the first threshold, the upper limit value of the system voltage is lowered as the conductivity of the cooling water increases.

次に、本実施形態の燃料電池システムのシステム電圧制限処理について図３および図４に基づいて説明する。図４は、制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行うシステム電圧制限処理を示すフローチャートである。   Next, the system voltage limiting process of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart showing a system voltage limiting process performed by the control unit 50 in accordance with a program stored in a ROM or the like.

まず、冷却水の導電率を検出し（ステップＳ１００）、検出された冷却水の導電率が第１の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この結果、冷却水の導電率が第１の閾値以上でない場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、冷却水の導電率に異常はないと診断し、ステップＳ１００に戻る。   First, the conductivity of the cooling water is detected (step S100), and it is determined whether or not the detected conductivity of the cooling water is equal to or higher than a first threshold value (step S110). As a result, when the conductivity of the cooling water is not equal to or higher than the first threshold (S110: NO), it is diagnosed that there is no abnormality in the conductivity of the cooling water, and the process returns to step S100.

一方、冷却水の導電率が第１の閾値以上である場合は（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、冷却水の導電率が許容できるが警告すべきレベルに達したと診断し、ＲＯＭから冷却水の導電率とシステム電圧の上限値とが関連づけられたマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された冷却水の導電率からシステム電圧の上限値を決定する（ステップＳ１２０）。さらに、冷却水の導電率が上昇した旨をダイアグコードとしてＲＡＭに記憶し（ステップＳ１３０）、警告ランプ６を点灯して冷却水の導電率が上昇した旨を使用者（ドライバー）に警告する（ステップＳ１４０）。   On the other hand, when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold (S110: YES), it is diagnosed that the conductivity of the cooling water is acceptable but has reached a level to be warned, and the conductivity of the cooling water from the ROM. And a map in which the upper limit value of the system voltage is associated, and the upper limit value of the system voltage is determined from the conductivity of the cooling water detected in step S100 (step S120). Further, the fact that the conductivity of the cooling water has increased is stored in the RAM as a diagnostic code (step S130), and the warning lamp 6 is turned on to warn the user (driver) that the conductivity of the cooling water has increased (step S130). Step S140).

続いて、冷却水の導電率が第１の閾値より高い第２の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、第２の閾値は、冷却水の導電率がこの値より高くなると、冷却水の導電率が許容できない範囲にまで上昇しているという値に設定されている。   Subsequently, it is determined whether or not the conductivity of the cooling water is equal to or higher than a second threshold value that is higher than the first threshold value (step S150). Here, the second threshold value is set to a value such that when the conductivity of the cooling water becomes higher than this value, the conductivity of the cooling water increases to an unacceptable range.

この結果、冷却水の導電率が第２の閾値以上でない場合は（Ｓ１５０：ＮＯ）、冷却水の導電率が許容できるが警告すべきレベルのままであると診断し、ステップＳ１２０に戻る。一方、冷却水の導電率が第２の閾値以上である場合は（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、冷却水の導電率が許容できない範囲にまで上昇したと診断し、冷却水の導電率が異常である旨をダイアグコードとしてＲＡＭに記憶する（ステップＳ１６０）。   As a result, when the conductivity of the cooling water is not equal to or higher than the second threshold value (S150: NO), it is diagnosed that the conductivity of the cooling water is acceptable but still at a level to be warned, and the process returns to step S120. On the other hand, when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the second threshold (S150: YES), it is diagnosed that the conductivity of the cooling water has risen to an unacceptable range, and the conductivity of the cooling water is abnormal. Is stored in the RAM as a diagnosis code (step S160).

以上説明したように、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合、すなわち冷却水の導電率が許容できるが警告すべきレベルに達した場合に、導電率が高くなるに応じてシステム電圧の上限値を低下させることで、冷却水の導電率が上昇し車両の絶縁抵抗が低下しても安全に走行を維持することができる。このとき、イオン交換樹脂４８の量を増加したり、イオン交換樹脂４８の交換時期を早める必要がないため、簡易な構成で高電圧時における安全性を確保することが可能となる。   As explained above, when the conductivity of the cooling water becomes equal to or higher than the first threshold, that is, when the conductivity of the cooling water is acceptable but reaches a level to be warned, the conductivity increases. By reducing the upper limit value of the system voltage, it is possible to safely travel even if the conductivity of the cooling water increases and the vehicle insulation resistance decreases. At this time, since it is not necessary to increase the amount of the ion exchange resin 48 or advance the replacement time of the ion exchange resin 48, it is possible to ensure safety at a high voltage with a simple configuration.

さらに、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合、すなわち冷却水の導電率が許容できるが警告すべきレベルに達した場合、および、冷却水の導電率が第２の閾値以上になった場合、すなわち冷却水の導電率が許容できない範囲にまで上昇した場合に、その旨を示すダイアグコードをそれぞれ記憶することで、修理工場等において作業者がダイアグコードを参照してイオン交換樹脂や冷却媒体の交換を行うことが可能となる。   Further, if the conductivity of the cooling water is greater than or equal to the first threshold, i.e., if the conductivity of the cooling water is acceptable but has reached a warning level, and the conductivity of the cooling water is greater than or equal to the second threshold. In other words, when the conductivity of the cooling water rises to an unacceptable range, each diag code indicating that fact is stored, so that an operator can perform ion exchange by referring to the diag code at a repair shop or the like. It is possible to exchange the resin and the cooling medium.

さらに、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合、すなわち冷却水の導電率が許容できるが警告すべきレベルに達した場合に警告ランプ６を点灯することで、ドライバーにイオン交換樹脂４８や冷却水を交換するタイミングを知らせることができるため、冷却水の導電率の上昇に早急に対応することが可能となる。   Further, when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold, that is, when the conductivity of the cooling water is acceptable but reaches a level that should be warned, the warning lamp 6 is turned on, so that the driver can perform ion exchange. Since the timing for exchanging the resin 48 and the cooling water can be notified, it is possible to quickly cope with an increase in the conductivity of the cooling water.

なお、本実施形態では、走行用モータ５が本発明の電力消費機器に相当し、記憶部５０のＲＡＭが本発明の記憶手段に相当し、ステップＳ１２０の処理を行う制御部５０が本発明の電圧制限手段に相当し、ステップＳ１４０の処理を行う制御部５０が本発明の報知制御手段に相当している。   In the present embodiment, the traveling motor 5 corresponds to the power consuming device of the present invention, the RAM of the storage unit 50 corresponds to the storage unit of the present invention, and the control unit 50 that performs the processing of step S120 of the present invention. The control unit 50 that corresponds to the voltage limiting unit and performs the process of step S140 corresponds to the notification control unit of the present invention.

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合および第２の閾値以上になった場合に、それぞれ異なるダイアグコードを記憶させていたが、これに限らず、少なくともいずれか一方の場合にダイアグコードを記憶させればよく、例えば冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合にのみダイアグコードを記憶させてもよい。 (Other embodiments)
In the above embodiment, when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold and when it is equal to or higher than the second threshold, different diag codes are stored. The diag code may be stored in at least one of the cases. For example, the diag code may be stored only when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold value.

また、上記実施形態では、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合に警告ランプ６を点灯させていたが、これに限らず、冷却水の導電率が第２の閾値以上になった場合に警告ランプ６を点灯させてもよい。また、冷却水の導電率が第１の閾値以上になった場合および第２の閾値以上になった場合に、それぞれ異なる警告ランプを点灯させてもよい。   In the above embodiment, the warning lamp 6 is turned on when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold. However, the present invention is not limited to this, and the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the second threshold. If this happens, the warning lamp 6 may be turned on. Further, different warning lamps may be turned on when the conductivity of the cooling water is equal to or higher than the first threshold and when it is equal to or higher than the second threshold.

また、上記実施形態では、報知手段として警告ランプ６を用いたが、これに限らず、ブザーやスピーカ等を用いることができる。   Moreover, in the said embodiment, although the warning lamp 6 was used as an alerting | reporting means, not only this but a buzzer, a speaker, etc. can be used.

また、上記実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を燃料電池１と走行用インバータ４との間に配置したが、二次電池３とインバータ４との間に新たにＤＣ−ＤＣコンバータを設けてもよい。   In the above embodiment, the DC-DC converter 2 is disposed between the fuel cell 1 and the traveling inverter 4. However, a new DC-DC converter may be provided between the secondary battery 3 and the inverter 4. Good.

また、上記実施形態では、導電率センサ４９を、冷却水に微小電流を流して抵抗値を測定し、その抵抗値を導電率に換算することで冷却水の導電率を検出する構成としたが、これに限らず、冷却水の導電率が検出できれば任意の構成にすることができる。   In the above embodiment, the conductivity sensor 49 is configured to detect the conductivity of the cooling water by measuring the resistance value by passing a minute current through the cooling water and converting the resistance value into the conductivity. However, the present invention is not limited to this, and any configuration can be adopted as long as the conductivity of the cooling water can be detected.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. （ａ）は燃料電池１の断面図であり、（ｂ）はセパレータ１０４の側面図である。(A) is a cross-sectional view of the fuel cell 1, and (b) is a side view of the separator 104. 冷却水の導電率とシステム電圧の上限値との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the electrical conductivity of a cooling water, and the upper limit of a system voltage. 制御部５０がＲＯＭ等に格納されたプログラムにしたがって行うシステム電圧制限処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the system voltage limiting process which the control part 50 performs according to the program stored in ROM etc. FIG. 抵抗値が一定の場合の、システム電圧と絶縁抵抗との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between a system voltage and an insulation resistance in case resistance value is constant.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、５…走行用モータ（電力消費機器）、６…警告ランプ（報知手段）、４９…導電率センサ（導電率検出手段）、５０…制御部（ＥＣＵ）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 5 ... Motor for driving | running | working (electric power consumption apparatus), 6 ... Warning lamp (notification means), 49 ... Conductivity sensor (conductivity detection means), 50 ... Control part (ECU).

Claims (5)

酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させ、電力消費機器（５）に電力を供給する燃料電池（１）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１）内を通過することで前記燃料電池（１）を冷却する冷却媒体の導電率を検出する導電率検出手段（４９）と、
前記導電率検出手段（４９）により検出された前記冷却媒体の導電率が第１の閾値以上になった場合に、前記導電率が高くなるに応じて前記電力消費機器（５）に供給する電圧の上限値を低下させる電圧制限手段（５０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell (1) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas and supplying electric power to a power consuming device (5),
Conductivity detecting means (49) for detecting the conductivity of a cooling medium that cools the fuel cell (1) by passing through the fuel cell (1);
When the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detecting means (49) is equal to or higher than a first threshold, the voltage supplied to the power consuming device (5) as the conductivity increases And a voltage limiting means (50) for lowering the upper limit value of the fuel cell system. 前記導電率検出手段（４９）により検出された前記冷却媒体の導電率が前記第１の閾値以上になった場合、および、前記導電率が前記第１の閾値より高い第２の閾値以上になった場合の、少なくともいずれか一方の場合に、前記冷却媒体の導電率の上昇を示すダイアグコードを記憶する記憶手段（５０）を備え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。 When the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detection means (49) is equal to or higher than the first threshold, and the conductivity is equal to or higher than a second threshold higher than the first threshold. The fuel cell system according to claim 1, further comprising storage means (50) for storing a diagnosis code indicating an increase in conductivity of the cooling medium in at least one of the cases. 前記冷却媒体の導電率の上昇を使用者に報知する報知手段（６）と、
前記導電率検出手段（４９）により検出された前記冷却媒体の導電率が前記第１の閾値以上の場合に、前記報知手段（６）に報知を実行させる報知制御手段（５０）とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 Informing means (6) for informing the user of an increase in the conductivity of the cooling medium;
And a notification control means (50) for causing the notification means (6) to perform a notification when the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detection means (49) is not less than the first threshold value. The fuel cell system according to claim 1, wherein: 前記冷却媒体の導電率の異常を使用者に報知する報知手段（６）と、
前記導電率検出手段（４９）により検出された前記冷却媒体の導電率が前記第２の閾値以上の場合に、前記報知手段（６）に報知を実行させる報知制御手段（５０）とを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。 Informing means (6) for notifying the user of an abnormality in the conductivity of the cooling medium;
A notification control means (50) for causing the notification means (6) to perform a notification when the conductivity of the cooling medium detected by the conductivity detection means (49) is greater than or equal to the second threshold value; The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein 前記導電率検出手段は、前記冷却媒体に微小電流を流して抵抗値を測定し、測定された前記抵抗値を導電率に換算することで前記冷却媒体の導電率を検出する導電率センサ（４９）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The conductivity detecting means measures a resistance value by passing a minute current through the cooling medium, and converts the measured resistance value into a conductivity to detect the conductivity of the cooling medium (49). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
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