JP6768220B2 - 燃料電池システムの検査方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムの検査方法に関わる。

燃料電池は、燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出される化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置として知られている。燃料電池を含む燃料電池システムを車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルを積層してなる燃料電池が用いられる。

燃料電池システムは、燃料電池の温度を制御する冷却系を有しており、冷却系は、主に、燃料電池の内部に冷却水を循環させる配管と、冷却水の温度を調節するラジエータとを有している。冷却系を構成する冷却部品（ラジエータ、冷却水ポンプ、バルブ、配管など）から冷却水中に金属イオンが溶出すると、冷却水の導電率が上昇する。冷却水の導電率の上昇は、漏電の原因になり得るため、冷却系にイオン交換器を設置して金属イオンを除去し、冷却水の導電率を低く抑えることが行われている。

特開２０１６−９５９３１号公報

この種の燃料電池システムでは、製造工程を簡素化するため、金属イオンを除去していない冷却部品を冷却系に用いる場合がある。この場合、予め金属イオンを除去した冷却部品を用いる場合と比較して、より多くの金属イオンが冷却部品から冷却水に溶出するため、冷却系と共にアースされる電気部品の短絡検査（例えば、絶縁抵抗の検査）は、冷却水の金属イオン除去を待って行う必要がある。イオン交換器に冷却水を通して金属イオンを除去するには１０分程度の時間がかかるため、短絡検査工程のタクトが長くなり、全体の製造時間が長くなるという課題があった。

そこで、本発明は、上述の問題を解決し、製造工程を簡素化しても短絡検査時間の増加を抑制することのできる燃料電池システムの検査方法を提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムの検査方法は、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷媒および冷媒中の金属イオンを除去するイオン交換器を有する冷却系と、冷却系と共にアースされる電気部品と、を備えた燃料電池システムの検査方法であって、イオン交換器に冷媒を通すと共に燃料電池システムの絶縁抵抗を求める工程と、イオン交換器に冷媒を通した時間に対する絶縁抵抗の変化の割合が所定の閾値未満である場合に、電気部品が短絡していると判断する工程と、を含む。

本発明の燃料電池システムの検査方法によれば、製造工程を簡素化することによる短絡検査時間の増加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の構成の概略を示す説明図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの検査方法を示すフローチャートである。 冷却部品の洗浄時間と燃料電池システムの絶縁抵抗との関係を示す説明図である。 燃料電池システムの各部品と絶縁抵抗との関係を示す説明図である。

以下、図１乃至図４を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１０は、主に、燃料電池２０、燃料ガス供給装置３０、酸化ガス供給装置４０、冷却装置（冷却系）５０、絶縁抵抗測定装置６０、及び制御装置７０を備えている。燃料電池２０は、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成されたアノード極と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード極と、アノード極及びカソード極を両側から挟み込む一対のセパレータとを備えている。

燃料ガス供給装置３０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０のアノード極に供給する。燃料ガス供給装置３０は、例えば、水素タンクである。酸化ガス供給装置４０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に供給する。酸化ガス供給装置４０は、例えば、エアコンプレッサである。

冷却装置５０は、配管５１、ラジエータ５２、バイパス配管５３、三方弁５４、冷却水ポンプ５５、温度センサ５６、及びイオン交換器５７を備えている。配管５１は、燃料電池２０の内部に冷却水（冷媒）を循環させる。ラジエータ５２は、燃料電池２０から配管５１を通じて排出される冷却水と外気との間で熱交換を行って冷却水を冷却する。バイパス配管５３は、燃料電池２０から排出される冷却水を、ラジエータ５３をバイパスして燃料電池２０に戻す。三方弁５４は、ラジエータ５３に流入する冷却水とバイパス配管５３に流入する冷却水との比率を調整する。冷却水ポンプ５５は、冷却水を循環させる電動ポンプである。温度センサ５６は、冷却水の温度を検出する。イオン交換器５７は冷却水に含まれている金属イオンを除去する。なお、冷却水として、例えば、純水又はグリコール系の不凍液が用いられる。

絶縁抵抗測定装置６０は、燃料電池システム１０の各部で測定された絶縁抵抗から燃料電池システム１０の絶縁抵抗を求める。絶縁抵抗測定装置６０が求めた絶縁抵抗は、制御装置７０に出力される。
燃料電池システム１０の各部の絶縁抵抗とは、図４に示すように、燃料電池システム１０が備えるＭＯＴや昇圧コンバータやＰＣＵなどの高電圧部品ａ１，ａ２，ａ３の各絶縁抵抗、冷却水ａ４の絶縁抵抗、燃料電池２０の周辺部品ａ５の絶縁抵抗、および電圧検出回路ａ６の絶縁抵抗であり、これら絶縁抵抗の並列合算値が燃料電池システム１０の絶縁抵抗となる。以下、単に絶縁抵抗というときは、燃料電池システム１０の絶縁抵抗を意味するものとする。

このように、絶縁抵抗は、冷却水の導電率との間で相関性を有しており、冷却水の導電率が高い程、絶縁抵抗が小さくなる一方で、高電圧部品が短絡しても絶縁抵抗は小さくなる。このため、絶縁抵抗が低下した場合には、その原因が冷却水の導電率上昇によるものなのか、高電圧部品の短絡によるものなのかを切り分ける必要がある。その切り分け方法については後述する。

制御装置７０は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池２０に要求される発電電力に応じて、燃料ガス供給装置３０から燃料電池２０に供給される燃料ガス供給量を制御するとともに、酸化ガス供給装置４０から燃料電池２０に供給される酸化ガス供給量を制御し、燃料電池２０の運転温度が目標温度に一致するように冷却装置５０を制御する。具体的には、制御装置７０は、温度センサ５６から出力される冷却水温度を基に、冷却水ポンプ５５及び三方弁５４を制御し、燃料電池２０の運転温度を目標温度に一致させる。

本実施形態の燃料電池システム１０において、冷却装置５０は、未洗浄のままの状態で、或いは簡易洗浄された状態で、燃料電池２０に組み付けられ、車体に搭載される。このため、配管５１に冷却水を注入すると、例えば数十［ｕＳ／ｃｍ］を超える金属イオンが短時間の間に冷却水に蓄積される。

冷却水に含まれている金属イオンの量は、冷却水をイオン交換器５７に通す時間の経過とともに次第に減少していくため、絶縁抵抗は、図３に示すように、洗浄時間の経過とともに次第に増加していく。図３における「他部品」とは、絶縁抵抗を求める際に考慮される高電圧部品、燃料電池２０の周辺部品、電圧検出回路などの部品のことであり、これらの部品のいずれかに短絡がある場合と短絡がない場合とでは、絶縁抵抗の値、および、冷却水をイオン交換器５７に通水している時間に対する絶縁抵抗の変化の割合（図３では、絶縁抵抗を示す直線の傾きを意味し、以下、絶縁抵抗の傾きと称する。）が異なる。

具体的には、「他部品」に短絡が無い場合の絶縁抵抗の値および傾きは、いずれも「他部品」に短絡が有る場合よりも大きい。したがって、絶縁抵抗の傾きと所定の閾値とを比較することによって、絶縁抵抗低下の原因が、短絡によるものなのか、冷却水の導電率上昇によるものなのかを短時間で切り分けることが可能となる。

その切り分け処理について、図２を参照しながら説明する。
制御装置７０は、絶縁抵抗測定装置６０から出力された絶縁抵抗が所定の閾値未満であるかを判定する（ステップ１０）。この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち、絶縁抵抗が所定の閾値未満である場合は、冷却水がイオン交換器５７に流れるよう三方弁５４を制御し、イオン交換器５７に通水する（ステップ２０）。一方、ステップ１０の判定結果が「ＮＯ」の場合、すわなち、絶縁抵抗が所定の閾値以上である場合は、切り分け処理を終了する。

次に、イオン交換器５７への通水開始後の経過時間と、同経過時間における絶縁抵抗の上昇値とから、絶縁抵抗の傾きを演算し（ステップ３０）、この絶縁抵抗の傾きが所定の閾値未満であるかを判定する（ステップ４０）。イオン交換器５７に通水しているにも関わらず、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合は、絶縁抵抗低下の原因が短絡にあると判断される（ステップ５０）。

一方、ステップ４０の判定結果が「ＮＯ」の場合は、絶縁抵抗低下の原因が冷却水への金属イオン溶出にあると判断され、絶縁抵抗が所定の閾値を超えるまで（ステップ１１０の判定結果が「ＹＥＳ」となるまで）、イオン交換器５７への通水が継続される（ステップ１００）。

このように、本実施形態によれば、絶縁抵抗と冷却水の導電率との間に認められる相関性を利用することにより、絶縁抵抗低下の原因が冷却水の導電率上昇によるものなのか、高電圧部品の短絡によるものなのかを短時間で切り分けることができる。よって、製造工程を簡素化するために金属イオンを除去していない冷却部品を冷却装置５０に用いた場合においても、短絡検査時間の増加を抑制することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…燃料ガス供給装置 ４０…酸化ガス供給装置 ５０…冷却装置（冷却系） ５１…配管 ５２…ラジエータ ５３…バイパス配管 ５４…三方弁 ５５…冷却水ポンプ ５６…温度センサ ５７…イオン交換器 ６０…絶縁抵抗測定装置 ７０…制御装置 ａ１、ａ２、ａ３…高電圧部品（電気部品）

Claims (1)

1. 燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷媒および前記冷媒中の金属イオンを除去するイオン交換器を有する冷却系と、前記冷却系と共にアースされる電気部品と、を備えた燃料電池システムの検査方法であって、
   前記イオン交換器に冷媒を通すと共に前記燃料電池システムの絶縁抵抗を求める工程と、
   前記イオン交換器に冷媒を通した時間に対する前記絶縁抵抗の変化の割合が所定の閾値未満である場合に、前記電気部品が短絡していると判断する工程と、を含む、燃料電池システムの検査方法。