JP6787720B2 - ラジエータ洗浄処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムのラジエータ洗浄処理方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池車両等の電動車両は、例えば、ＥＣＥ−Ｒ１００やＦＭＶＳＳ３０５等の電気安全に関する法規を満たす必要がある。このため、電動パワートレイン全体で、法規要求地絡抵抗を満たすことが求められている。従って、各デバイス（機器）の分担抵抗（各デバイスと燃料電池車両の接地電位であるシャーシＧＮＤとの間の地絡抵抗）の合計が、法規要求地絡抵抗を上回るように設定されている。

例えば、燃料電池スタックでは、高電圧系デバイスとして、ガス系、スタック外周系、冷却系等があり、それぞれ分担抵抗が設定されている。冷却系では、ラジエータ、冷媒ポンプ、補機デバイス等がシャーシＧＮＤに接地されている。このため、冷却系の地絡抵抗を分担抵抗以上に確保するために、冷媒導電率管理と、シャーシＧＮＤに接地しているデバイスまでの配管レイアウト（配管径や長さ等）とを適切に設定する必要がある。

この種の冷却系を有する設備として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む第１循環経路に冷媒を循環供給する第１冷媒系と、前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む第２循環経路に冷媒を循環供給する第２冷媒系とを備えている。そして、第１冷媒系及び第２冷媒系による冷媒循環を制御するにあたり、燃料電池の起動に際し、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行している。

第２冷媒系の第２循環経路を通過する全ての冷媒は、優先期間の当初から燃料電池の電池内冷媒流路を循環経由した後に、イオン交換器を繰り返し通過してイオンが除去されている。従って、燃料電池の電池内冷媒流路は、優先期間において速やかに低導電率とされた冷媒が循環するため、前記冷媒が介在することで発生する前記燃料電池の絶縁性低下を早期に高い実効性で回避できる、としている。

特開２０１４−１５７８３２号公報

ところで、燃料電池車両では、例えば、車両がユーザに引き渡される前に、特に高温環境下に長時間放置されると、冷媒導電率が上昇してしまう。すなわち、放置中（納車前放置期間）には、冷媒が流通しないため、イオン交換器によるイオン除去が行われず、冷媒導電率が上昇して冷媒系内での電気抵抗が低下するおそれがある。冷媒導電率の上昇は、特にラジエータや金属セパレータ等の金属部材と冷媒との接液により惹起されている。従って、長期放置等の最悪条件において、燃料電池スタックとシャーシＧＮＤとの間の地絡抵抗が減少し、所望の分担地絡抵抗を確保することができないおそれがある。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、燃料電池システムにおいて、車両を納車前に長期放置しても冷却系の法規要求を満足する所望の分担地絡抵抗を確保することが可能なラジエータ洗浄処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられた燃料電池と、前記冷媒を冷却するラジエータと、前記ラジエータの出口側から前記燃料電池の冷媒入口側へと前記冷媒を流通させる供給ラインと、前記燃料電池の冷媒出口側から前記ラジエータの入口側へと前記冷媒を流通させる排出ラインと、前記ラジエータをバイパスして前記排出ラインから前記供給ラインへと前記冷媒を流通させるラジエータバイパスラインと、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備えた車載用燃料電池システムのラジエータ洗浄処理方法であって、車両が停止した状態で、前記車両に搭載された前記燃料電池の発電を行うことにより前記冷媒の温度を上昇させるとともに、前記ラジエータに前記冷媒を流通させ、前記ラジエータから排出されたイオンを前記イオン交換器のみにより除去する洗浄処理を行い、前記洗浄処理は、前記車両に前記車載用燃料電池システムが搭載されるとともに前記車載用燃料電池システムへの前記冷媒の封入が完了してから一定時間以上経過した後であって、前記車両がユーザに引き渡される前である納車前放置期間に行われることを特徴とする。

上記のラジエータ洗浄処理方法において、前記納車前放置期間に行われる前記洗浄処理は、前記ラジエータバイパスラインを閉じた状態で行うことが好ましい。

上記のラジエータ洗浄処理方法において、前記納車前放置期間に行われる前記洗浄処理において、前記燃料電池の発電と並行して、前記燃料電池とは別の加温装置により前記冷媒を加温する暖機運転を行いながら、前記ラジエータ及び前記イオン交換器に前記冷媒を流通させることが好ましい。

上記のラジエータ洗浄処理方法において、前記車載用燃料電池システムは、前記冷媒が所定温度以上に昇温した際に前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように作動する切換弁を備えるとともに、前記燃料電池の暖機運転時には前記車両に搭載されたエアコン装置の暖房モードを前記加温装置として用いることにより前記冷媒を加温するように構成されており、前記燃料電池の暖機運転では、前記エアコン装置を暖房モードで運転させることが好ましい。

上記のラジエータ洗浄処理方法において、前記車載用燃料電池システムは、外部電源から電力供給を受けて動作指令に基づいて前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように作動可能な切換弁を備えるとともに、前記燃料電池の暖機運転時には前記車両に搭載されたエアコン装置の暖房モードを前記加温装置として用いることにより前記冷媒を加温するように構成されており、前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように前記切換弁を作動させた後に、前記燃料電池の発電及び暖機運転を行い、前記燃料電池の暖機運転では、前記エアコン装置を暖房モードで定格出力で運転させることが好ましい。

本発明のラジエータ洗浄処理方法によれば、燃料電池を始動する際、車両が停止した状態で、燃料電池の発電を行いながらラジエータに冷媒を流通させることにより、ラジエータ内のイオン（イオン残渣）を放出させる。そして、ラジエータから排出されたイオンを含む冷媒をイオン交換器に流通させ、イオン交換器にてイオンを除去する。これにより、冷却系内の冷媒の導電率を低下させることができる。従って、このような洗浄処理後においては、車両の納車前の長期放置により冷媒の導電率が上昇しても、所望の導電率許容値を超えることがなく、燃料電池システムの冷却系の所望の分担地絡抵抗を確実に確保することができる。

車載用燃料電池システムが適用される燃料電池車両の前方部分の概略説明図である。 前記車載用燃料電池システムの要部説明図である。 本発明の第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のタイムチャートである。 前記ラジエータ洗浄処理方法を実施しない場合の燃料電池システムの冷却系の地絡抵抗の挙動を説明する図である。 長期放置した場合の冷媒導電率について、本発明と比較例とを比較した説明図である。 本発明の第２実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のタイムチャートである。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る車載用燃料電池システム１０（以下、「燃料電池システム１０」という）は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両１２（以下、「車両１２」という）に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４を備え、前記燃料電池スタック１４は、燃料電池車両１２のモータルーム（フロントボックス）１６内に配置される。

モータルーム１６には、走行用モータ１８及びＰＤＵ（Power Drive Unit）２０が配設される。ＰＤＵ２０は、燃料電池車両１２全体のシステム管理を行うとともに、バッテリー（図示せず）及び燃料電池の直流電力を三相交流の電力に変換して走行用モータ１８に伝達する機能を有する。

燃料電池スタック１４は、上部に接して電圧制御ユニット（ＶＣＵ）（Voltage Control Unit）２２が載置され、これらがケーシング２３により一体に覆われる。電圧制御ユニット２２は、燃料電池スタック１４の出力を制御する機能を有しており、ケーシング２３の外部に配置されてもよい。

図２に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための燃料ガス流路３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための酸化剤ガス流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷媒を流通させるための冷媒流路４２が設けられる。

燃料電池スタック１４には、燃料ガス入口４４ａ、燃料ガス出口４４ｂ、酸化剤ガス入口４６ａ、酸化剤ガス出口４６ｂ、冷媒入口４８ａ及び冷媒出口４８ｂが設けられる。

燃料ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通した燃料ガス供給連通孔を介して、燃料ガス流路３８の供給側に連通する。燃料ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通した燃料ガス排出連通孔を介して、燃料ガス流路３８の排出側に連通する。燃料ガス入口４４ａには、燃料ガス供給配管４５ａが接続されており、図示しない燃料ガス供給装置からの燃料ガス（例えば、水素）が、燃料ガス供給配管４５ａを介して燃料電池スタック１４に供給される。燃料ガス出口４４ｂには、燃料ガス排出配管４５ｂが接続されており、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された燃料ガスが燃料電池スタック１４から排出される。

酸化剤ガス入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通した酸化剤ガス供給連通孔を介して、酸化剤ガス流路４０の供給側に連通する。酸化剤ガス出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通した酸化剤ガス排出連通孔を介して、酸化剤ガス流路４０の排出側に連通する。酸化剤ガス入口４６ａには、酸化剤ガス供給配管４７ａが接続されており、図示しない酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガス（例えば、空気）が、酸化剤ガス供給配管４７ａを介して燃料電池スタック１４に供給される。酸化剤ガス出口４６ｂには、酸化剤ガス排出配管４７ｂが接続されており、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスが燃料電池スタック１４から排出される。

冷媒入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通した冷媒供給連通孔を介して、冷媒流路４２の供給側に連通する。冷媒出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通した冷媒排出連通孔を介して、冷媒流路４２の排出側に連通する。

燃料電池システム１０の冷却系を構成する冷媒供給装置５０は、冷媒を冷却するラジエータ５２と、ラジエータ５２の出口側から燃料電池スタック１４の冷媒入口４８ａ側へと冷媒を流通させる供給配管５４ａ（供給ライン）と、燃料電池スタック１４の冷媒出口４８ｂ側からラジエータ５２の入口側へと冷媒を流通させる排出配管５４ｂ（排出ライン）とを備える。冷媒供給装置５０はさらに、ラジエータ５２をバイパスして排出配管５４ｂから供給配管５４ａへと冷媒を流通させるバイパス配管５６（ラジエータバイパスライン）と、冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器５８とを備える。なお、イオン交換器５８は、冷媒が流通するライン上に設けられていればよく、位置は限定されない。

供給配管５４ａの一端は、燃料電池スタック１４の冷媒入口４８ａに接続される。供給配管５４ａの他端は、ラジエータ５２の入口側に接続される。供給配管５４ａの途上には、冷媒循環用の冷媒ポンプ６０及び三方弁６２が配置される。

排出配管５４ｂの一端は、燃料電池スタック１４の冷媒出口４８ｂに接続される。排出配管５４ｂの他端は、ラジエータ５２の入口側に接続される。排出配管５４ｂの途上には、バイパス配管５６の一端が接続される。バイパス配管５６の他端は、三方弁６２（切換弁）に接続される。三方弁６２が開状態では、ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３が互いに連通しており、冷媒はラジエータ５２を流通するとともにバイパス配管５６を流通する。一方、三方弁６２が閉状態では、ポートＰ１とポートＰ２との連通及びポートＰ１とポートＰ３との連通がそれぞれ遮断されるとともに、ポートＰ２とポートＰ３が互いに連通しており、冷媒はラジエータ５２を流通せずバイパス配管５６を流通する。

なお、三方弁６２は、ポートＰ１とポートＰ２とを互いに連通させるとともにポートＰ２とポートＰ３との連通を遮断する切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させずに、ラジエータ５２に冷媒を流通させる状態）と、ポートＰ１とポートＰ２との連通を遮断するとともにポートＰ２とポートＰ３とを互いに連通させる切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させ、ラジエータ５２に冷媒を流通させない状態）とに作動するように構成されてもよい。

三方弁６２としては、例えば、所定温度でワックスが溶解することで自動的に開弁するワックス溶解式サーモ三方弁６２ａ、あるいは、冷媒の温度が所定温度以上になった際に電動で自動的に開弁する電動式三方弁６２ｂを採用し得る。また、三方弁６２としては、制御部からの開弁指令を受けて開弁する電動式三方弁６２ｃを採用してもよい。この場合、電動式三方弁６２ｃは、外部電源（１２Ｖ等）により通電して弁開指令を与えることで、強制的に開弁できるものが用いられる。

排出配管５４ｂには、第１接続ライン６４ａ及び第２接続ライン６４ｂを介して補機デバイス６６が接続される。補機デバイス６６には、エアコン装置６６ａが含まれる。

排出配管５４ｂの途上には三方弁６８が配置される。三方弁６８は、排出配管５４ｂにおけるバイパス配管５６との接続箇所よりも上流側に配置される。三方弁６８に第１接続ライン６４ａが接続される。排出配管５４ｂにおける第１接続ライン６４ａとの接続箇所よりも下流側であって、排出配管５４ｂにおけるバイパス配管５６との接続箇所よりも上流側に、第２接続ライン６４ｂが接続されている。補機デバイス６６に冷媒が不要なときは、三方弁６８を切り換えて、ラジエータ５２側に冷媒をバイパスする。

イオン交換器５８の入口側は、供給配管５４ａに接続される。イオン交換器５８の入口側は、供給配管５４ａにおける三方弁６２（供給配管５４ａとバイパス配管５６との接続）よりも下流側（具体的には、冷媒ポンプ６０よりも下流側）に接続される。イオン交換器５８の出口側は、排出配管５４ｂに接続される。イオン交換器５８の出口側は、排出配管５４ｂにおけるバイパス配管５６との接続箇所よりも上流側（具体的には、三方弁６８よりも上流側）に接続される。

ラジエータ５２、冷媒ポンプ６０及び補機デバイス６６は、燃料電池車両１２の接地電位であるシャーシＧＮＤ（図示せず）に電気的に接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作（通常運転）について、以下に説明する。

酸化剤ガス供給装置（図示せず）から、酸化剤ガス（例えば、空気）が、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口４６ａを介して、発電セル２４の積層方向に貫通した酸化剤ガス供給連通孔に供給される。一方、燃料ガス供給装置（図示せず）から、燃料ガス（例えば、水素ガス）が、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口４４ａを介して、発電セル２４の積層方向に貫通した燃料ガス供給連通孔に供給される。

このため、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔から第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路４０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４０に沿って流動し、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

一方、水素ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔から第１セパレータ２８の燃料ガス流路３８に供給される。水素ガスは、燃料ガス流路３８に沿って流動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、発電セル２４の積層方向に貫通した酸化剤ガス排出連通孔を介して、酸化剤ガス出口４６ｂから排出される。一方、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給されて一部が消費された燃料ガスは、発電セル２４の積層方向に貫通した燃料ガス排出連通孔を介して、燃料ガス出口４４ｂから排出される。

また、冷媒供給装置５０では、冷媒ポンプ６０の作用下に、供給配管５４ａに純水やエチレングリコール、オイル又はこれらの混合物等の冷媒が供給される。冷媒は、燃料電池スタック１４内で発電セル２４の積層方向に貫通した冷媒供給連通孔に供給される。冷媒供給連通孔に供給された冷媒は、互いに隣接する第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０間の冷媒流路４２に導入される。冷媒は、冷媒流路４２を流動することにより、電解質膜・電極構造体２６を冷却する。冷媒は、発電セル２４の積層方向に貫通した冷媒排出連通孔を介して、冷媒出口４８ｂから排出配管５４ｂに排出される。

冷媒は、ラジエータ５２に導入されて冷却される一方、一部が第１接続ライン６４ａを介して補機デバイス６６の温度調整を行う。また、冷媒の温度が比較的低温であれば、冷媒は、ラジエータ５２をバイパスしてバイパス配管５６を流通する。

冷媒供給装置５０では、燃料電池スタック１４が長期間放置された後、始動される際に、冷媒が燃料電池スタック１４をバイパスしてイオン交換器５８に供給される。このため、冷媒に混在するイオンが除去されて冷媒導電率を減少させることができる。

次に、本発明の第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法について、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイムチャートに沿って説明する。第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法は、燃料電池システム１０において、上述した三方弁６２として、ワックス溶解式サーモ三方弁６２ａが用いられている場合の洗浄方法である。なお、以下では、第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法のことを「洗浄処理運転」という場合がある。後述する第２及び第３実施形態についても同様である。

第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法は、燃料電池システム１０が搭載された車両１２の組立が完了するとともに冷媒が封入された後に（すなわち車両完成状態で）行う。このため、車両組立工場での車両１２の組立が完了するとともに燃料電池システム１０の冷却系に冷媒の封入が完了してから一定期間（一定時間）以上経過した後に、車両１２がユーザ（所有者）に引き渡される前（例えば、ディーラーの納車前点検時）に、車両停止状態で、ラジエータ洗浄処理を行う。上記の一定期間は、例えば、少なくとも１日であって、１日（２４時間）〜７日（１６８時間）であり、好ましくは、１日（２４時間）〜３日（７２時間）である。またこの一定期間は、イオンが溶出され、溶出量が十分に低下した状態となる期間（時間）である。そこで、ラジエータ洗浄処理方法では、まず、組立が完了し冷媒が封入された車両１２を一定期間以上放置する（図３のステップＳ１）。

次に、車両１２のイグニッションスイッチをオンすると、燃料電池システム１０が起動し、燃料電池スタック１４の発電が開始する（図３のステップＳ２）。なお、燃料電池スタック１４の発電開始直後は、ワックス溶解式サーモ三方弁６２ａは閉状態（ポートＰ２とポートＰ３だけが連通した状態）となっている。

次に、燃料電池スタック１４の暖機運転（加温装置による冷媒の加温）を開始するとともにこの暖機運転状態を一定時間（例えば、数分〜数十分程度）保持する（ステップＳ３）。この場合、具体的には、加温装置としてエアコン装置６６ａの暖房モードにより冷媒を加温し、冷媒を昇温させる。エアコン装置６６ａは、暖房モードの定格出力（最大出力）で運転することが好ましい。また、車両１２の窓は全開状態にしておくとよい。

燃料電池スタック１４の発電及び暖機運転により、冷媒の温度が規定温度まで上昇すると、三方弁６２（ワックス溶解式サーモ三方弁６２ａ）が自動的に開弁する（図３のステップＳ４）。これにより、冷媒は、ラジエータ５２内を通って、燃料電池スタック１４及びイオン交換器５８へと循環する。そして、三方弁６２が開弁した後も、燃料電池スタック１４の発電及び暖機運転をこのまま一定時間（数分から数十分程度）保持する（図３のステップＳ５）。

これにより、ラジエータ５２内で冷媒中へのイオンの溶出が促進されるとともに、ラジエータ５２から放出されたイオンを含む冷媒がイオン交換器５８を通ることで冷媒中のイオンが除去される。ステップＳ５では、冷媒が冷媒供給装置５０（冷却系）を循環流動し、ラジエータ５２からのイオンの溶出とイオン交換器５８でのイオンの除去が連続的に行われることで、ラジエータ５２内の残留イオン（イオン残渣）が低減し、冷媒導電率が低下する。

図４に示すように、燃料電池スタック１４の発電を開始した直後は、金属セパレータ、配管等の金属部材から溶出したイオンを含む冷媒が流動するため、冷却系の地絡抵抗は一旦低下する。しかし、冷却系内での冷媒の循環に伴ってイオン交換器５８により冷媒中のイオンが除去されるため、地絡抵抗は徐々に増加していく。また、ワックス溶解式サーモ三方弁６２ａを開弁した直後は、ラジエータ５２から溶出したイオンを含む冷媒が流動するめ、冷却系の地絡抵抗は再び一旦低下する。しかし、冷却系内での冷媒の循環に伴ってイオン交換器５８により冷媒中のイオンが除去されるため、地絡抵抗は再び徐々に増加していく。

ステップＳ５の暖機運転を一定時間保持したら、イグニッションスイッチをオフして燃料電池システム１０を停止させる（図３のステップＳ６）。第１実施形態のようにステップＳ１での放置日数が短い場合、図４に示すように、洗浄処理運転を行っている全ての過程で、燃料電池システム１０の冷却系の地絡抵抗が、分担地絡抵抗下限値を下回ることはない。ステップＳ５の暖機運転保持の時間設定は、予め定常発電時の冷却系分担地絡抵抗に回復するまでの時間を確認して設定されるとよい。

この場合、第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法では、車両１２が停止した状態で、燃料電池スタック１４の発電を行うことにより前記冷媒の温度を上昇させるとともに、ラジエータ５２に冷媒を流通させ、ラジエータ５２から排出されたイオンをイオン交換器５８により除去する。このため、冷却系内の冷媒導電率を低下させることができる。

ところで、第１実施形態と異なり、上述した洗浄処理運転を実施しない場合、車両１２を長期間（例えば、数週間以上）放置後、燃料電池システム１０を始動する際、図５に示すように冷却系の地絡抵抗が低下する。長期間放置後、このように燃料電池システム１０の冷却系の地絡抵抗が低下するのは、長期間放置中は冷媒が流通しないためにイオン交換器５８によるイオン除去が行われず、冷却系内で冷媒導電率が上昇するからである。具体的には、図５に示すように、冷却系の地絡抵抗が低下する第１の状況は、燃料電池システム１０の起動時であり、第２の状況は、発電に伴いラジエータ５２を介して冷媒の冷却が始まる三方弁６２の開弁時である。

冷媒導電率の悪化（上昇）は、主に、冷媒と、ラジエータ５２、配管、金属セパレータ等の金属部材との接液によって、金属部材からイオン（金属イオン）が冷媒に溶出することで引き起こされる。この場合、長期放置後においては、ラジエータ５２内の冷媒導電率が最も高く、冷媒中のイオンの主成分は、ラジエータ５２由来のイオンによって構成されている。なお、ラジエータ５２内のイオン源は、主に溶接フラックス残渣である。

従って、上述した洗浄処理運転を実施しない場合、特に上記第２の状況では、高導電率の冷媒がラジエータ５２から燃料電池スタック１４へ向けて放出されるため、図５のように、燃料電池スタック１４の冷媒入口４８ａと、シャーシＧＮＤに接地された冷媒ポンプ６０との間の地絡抵抗の大幅な低下が惹起される。

これに対し、第１実施形態では、上述したように、燃料電池スタック１４の発電を行いながらラジエータ５２に冷媒を流通させることにより、ラジエータ５２内のイオン（イオン残渣）を放出させる。そして、ラジエータ５２から排出されたイオンを含む冷媒をイオン交換器５８に流通させ、イオン交換器５８にてイオンを除去する。これにより、冷却系内の冷媒導電率を低下させることができる。

イオン源となる金属イオンの冷媒への溶出速度は、「イオン溶出源表面の溶出反応の反応速度定数」と、「イオン溶出源近傍の濃度勾配（拡散係数）」とで規定され、温度が高い程、加速されることが分かっている。また、冷媒導電率の上昇は、初期で早く、その後鈍化することが分かっている。これは、ラジエータ５２内のイオン溶出源の主成分である溶接フラックス残渣は有限であるとともに、イオン溶出源の絶対量が微量なため、溶出反応とともにイオン溶出源の表面の濃度が下がり、冷媒中のイオン濃度と釣り合って、濃度勾配による駆動力が低下するためである。

そこで、第１実施形態では、燃料電池スタック１４の発電を行いながらラジエータ５２に冷媒を流通させるため、冷媒は、燃料電池スタック１４の発電時の排熱によって昇温され、ラジエータ５２には昇温された冷媒が導入される。このため、ラジエータ５２内では冷媒中へのイオンの溶出が促進される。また、第１実施形態では、燃料電池スタック１４の発電と並行して、エアコン装置６６ａの暖房モードにより冷媒を加温（昇温）する暖機運転を行うため、ラジエータ５２内での冷媒中へのイオンの溶出が一層促進される。これにより、冷媒導電率を短時間で効率良く低下させることができる。

従って、第１実施形態によれば、洗浄処理運転後においては、図６に示すように、車両１２の長期放置により冷媒導電率が上昇しても、所望の導電率許容値を超えることがない（図６中の一点鎖線で示す「本発明」参照）。よって、燃料電池システム１０の冷却系の所望の分担地絡抵抗を確実に確保することができるという効果が得られる。すなわち、長期放置が発生する前の段階で、予め、ラジエータ５２内で冷媒導電率の上昇の原因物質であるイオンを冷媒中に積極的に溶出させるとともにイオン交換器５８でイオンを除去することで、その後に長期放置が生じても、冷媒導電率の上昇を効果的に抑えることが可能である。

なお、図６において、本発明（一点鎖線）については、車両完成（冷媒封入）から１日で第１実施形態に係る洗浄処理運転を実施した場合を示している。また、ハッチングを示した領域Ｓが、第１実施形態に係る洗浄処理運転を実施していない場合（破線で示す比較例）との対比における、第１実施形態による洗浄効果を示している。

また、第１実施形態によれば、ラジエータ５２の製造時における洗浄管理値の緩和と検査の簡略化が期待できる。さらに、ラジエータ５２の製造時の洗浄時間の短縮化により、洗浄処理能力の向上とコスト低減も期待できる。

なお、上述したように、三方弁６２は、ポートＰ１とポートＰ２とを互いに連通させるとともにポートＰ２とポートＰ３との連通を遮断する切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させずに、ラジエータ５２に冷媒を流通させる状態）と、ポートＰ１とポートＰ２との連通を遮断するとともにポートＰ２とポートＰ３とを互いに連通させる切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させ、ラジエータ５２に冷媒を流通させない状態）とに作動するように構成されてもよい。この場合、上記ステップＳ４において、三方弁６２は、ラジエータ５２に冷媒を流通させずにバイパス配管５６に冷媒を流通させる状態から、バイパス配管５６に冷媒を流通させずにラジエータ５２に冷媒を流通させる状態へと切り換わる。すなわち、バイパス配管５６を閉じた状態で、ラジエータ５２に冷媒を流通させてもよい。これにより、ラジエータ５２とバイパス配管５６の両方に冷媒を流通させる場合よりも、ラジエータ５２を流通する冷媒の流量が増えるため、ラジエータ５２内での冷媒中へのイオンの溶出を一層促進させることができる。また、ラジエータ５２内のイオン溶出成分が多い冷媒を積極的に排出させることで、洗浄処理運転時間を短縮することができる。後述する第２実施形態についても同様である。

次に、本発明の第２実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、第２実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法を示すタイムチャートは、第１実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法を示すタイムチャート（図４）と同じである。第２実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法は、燃料電池システム１０において、上述した三方弁６２として、冷媒の温度が所定温度以上になった際に電動で自動的に開弁する電動式三方弁６２ｂが用いられている場合の洗浄処理方法である。

第２実施形態におけるステップＳ１１〜Ｓ１３は、第１実施形態におけるステップＳ１〜Ｓ３と同様に行う。

そして、燃料電池スタック１４の発電及び暖機運転により、冷媒の温度が規定温度まで上昇すると、電動式三方弁６２ｂが自動的に開弁する（ステップＳ１４）。これにより、冷媒は、ラジエータ５２内を通って、燃料電池スタック１４及びイオン交換器５８へと循環する。そして、第１実施形態のステップＳ５及びステップＳ６と同様に、三方弁６２が開弁した後も、燃料電池スタック１４の発電及び暖機運転をこのまま一定時間（数分から数十分程度）保持し（ステップＳ１５）、イグニッションスイッチのオフにより燃料電池システム１０を停止する（ステップＳ１６）。

このように第２実施形態では、燃料電池の発電を行いながらラジエータ５２に冷媒を流通させることにより、ラジエータ５２内のイオン（イオン残渣）を放出させる。そして、ラジエータ５２から排出されたイオンを含む冷媒をイオン交換器５８に流通させ、イオン交換器５８にてイオンを除去する。これにより、第２実施形態では、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、本発明の第３実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法について、図８に示すフローチャート及び図９に示すタイムチャートに沿って説明する。第３実施形態に係るラジエータ洗浄処理方法は、燃料電池システム１０において、上述した三方弁６２として、外部電源（１２Ｖ等）により通電して弁開指令を与えることで強制的に開弁可能な電動式三方弁６２ｃが用いられている場合の洗浄処理方法である。

第３実施形態に係るステップＳ２１では、第１実施形態に係るステップＳ１と同様に、車両１２を一定期間放置する。

次に、電動式三方弁６２ｃを強制的に開弁させる（図８のステップＳ２２）。具体的には、電動式三方弁６２ｃのサービスコンセントに外部電源（１２Ｖ等）から電力を供給して、弁開指令を与えることで電動式三方弁６２ｃを強制的に開弁させる。電動式三方弁６２ｃの開弁によって、ポートＰ１とポートＰ２とが連通した状態になる。

次に、車両１２のイグニッションスイッチをオンすると、燃料電池システム１０が起動し、燃料電池スタック１４の発電が開始する（図８のステップＳ２３）。続けて、燃料電池スタック１４の暖機運転（加温装置による冷媒の加温）を開始するとともにこの暖機運転状態を一定時間（例えば、数分〜数十分程度）保持する（図８のステップＳ２４）。この場合、具体的には、加温装置としてエアコン装置６６ａの暖房モードにより冷媒を加温し、冷媒を昇温させる。エアコン装置６６ａは、暖房モードの定格出力（最大出力）で運転することが好ましい。また、車両１２の窓は全開状態にしておくとよい。

燃料電池スタック１４の発電及び暖機運転を行っている間（ステップＳ２４の実施中）、冷媒は、ラジエータ５２内を通って、燃料電池スタック１４及びイオン交換器５８へと循環する。これにより、ラジエータ５２内で冷媒中へのイオンの溶出が促進されるとともに、ラジエータ５２から放出されたイオンを含む冷媒がイオン交換器５８を通ることで冷媒中のイオンが除去される。すなわち、冷媒が冷媒供給装置５０（冷却系）を循環流動し、イオンの溶出とイオンの除去が連続的に行われることで、ラジエータ５２内の残留イオン（イオン残渣）が低減し、冷媒の導電率が低下する。

図９に示すように、燃料電池スタック１４の発電を開始した直後は、ラジエータ５２、金属セパレータ、配管等の金属部材からイオンが放出されるため、冷却系の地絡抵抗は一旦低下する。しかし、冷却系内での冷媒の循環に伴ってイオン交換器５８により冷媒中のイオンが除去されるため、地絡抵抗は徐々に増加していく。

ステップＳ２４の暖機運転を一定時間保持したら、イグニッションスイッチをオフして燃料電池システム１０を停止させる（図８のステップＳ２５）。第３実施形態のようにステップＳ２１での放置日数が短い場合、図９に示すように、洗浄処理を行っている全ての過程で、燃料電池システム１０の冷却系の地絡抵抗が、分担地絡抵抗下限値を下回ることはない。ステップＳ２４の暖機運転保持の時間設定は、予め定常発電時の冷却系分担地絡抵抗に回復するまでの時間を確認して設定されるとよい。

次に、電動式三方弁６２ｃを強制的に閉弁させる（図８のステップＳ２６）。具体的には、電動式三方弁６２ｃのサービスコンセントへの外部電源からの電力供給を停止して、電動式三方弁６２ｃをノマリーオフの状態（ポートＰ２とポートＰ３だけが連通している状態）に戻す。

このように第３実施形態では、燃料電池スタック１４の発電を行いながらラジエータ５２に冷媒を流通させることにより、ラジエータ５２内のイオン（イオン残渣）を放出させる。そして、ラジエータ５２から排出されたイオンを含む冷媒をイオン交換器５８に流通させ、イオン交換器５８にてイオンを除去する。これにより、第３実施形態では、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、第３実施形態では、燃料電池システム１０の起動前（発電前）に電動式三方弁６２ｃを強制開弁してから、燃料電池システム１０を起動して暖機運転によりラジエータ５２内のイオンの低減処理を行うため、第１及び第２実施形態と比較して、洗浄処理運転時間の短縮と、燃料ガス使用量の低減が可能である。

上述したように、三方弁６２は、ポートＰ１とポートＰ２とを互いに連通させるとともにポートＰ２とポートＰ３との連通を遮断する切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させずに、ラジエータ５２に冷媒を流通させる状態）と、ポートＰ１とポートＰ２との連通を遮断するとともにポートＰ２とポートＰ３とを互いに連通させる切換状態（バイパス配管５６に冷媒を流通させ、ラジエータ５２に冷媒を流通させない状態）とに作動するように構成されてもよい。この場合、上記ステップＳ２２では、電動式三方弁６２ｃを、ラジエータ５２に冷媒を流通させずにバイパス配管５６に冷媒を流通させる状態から、バイパス配管５６に冷媒を流通させずにラジエータ５２に冷媒を流通させる状態へと切り換える。すなわち、バイパス配管５６を閉じた状態で、ラジエータ５２に冷媒を流通させる。これにより、ラジエータ５２とバイパス配管５６の両方に冷媒を流通させる場合よりも、ラジエータ５２を流通する冷媒の流量が増えるため、ラジエータ５２内での冷媒中へのイオンの溶出を一層促進させることができる。

１０…車載用燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池スタック ５０…冷媒供給装置
５２…ラジエータ ５４ａ…供給配管
５４ｂ…排出配管 ５６…バイパス配管
５８…イオン交換器

Claims (5)

1. 冷媒を流通させる冷媒流路が設けられた燃料電池と、前記冷媒を冷却するラジエータと、前記ラジエータの出口側から前記燃料電池の冷媒入口側へと前記冷媒を流通させる供給ラインと、前記燃料電池の冷媒出口側から前記ラジエータの入口側へと前記冷媒を流通させる排出ラインと、前記ラジエータをバイパスして前記排出ラインから前記供給ラインへと前記冷媒を流通させるラジエータバイパスラインと、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備えた車載用燃料電池システムのラジエータ洗浄処理方法であって、
   車両が停止した状態で、前記車両に搭載された前記燃料電池の発電を行うことにより前記冷媒の温度を上昇させるとともに、前記ラジエータに前記冷媒を流通させ、前記ラジエータから排出されたイオンを前記イオン交換器のみにより除去する洗浄処理を行い、
   前記洗浄処理は、前記車両に前記車載用燃料電池システムが搭載されるとともに前記車載用燃料電池システムへの前記冷媒の封入が完了してから一定時間以上経過した後であって、前記車両がユーザに引き渡される前である納車前放置期間に行われる、
   ことを特徴とするラジエータ洗浄処理方法。
   
2. 請求項１記載のラジエータ洗浄処理方法において、
   前記納車前放置期間に行われる前記洗浄処理は、前記ラジエータバイパスラインを閉じた状態で行う、
   ことを特徴とするラジエータ洗浄処理方法。
   
3. 請求項１又は２に記載のラジエータ洗浄処理方法であって、
   前記納車前放置期間に行われる前記洗浄処理において、前記燃料電池の発電と並行して、前記燃料電池とは別の加温装置により前記冷媒を加温する暖機運転を行いながら、前記ラジエータ及び前記イオン交換器に前記冷媒を流通させる、
   ことを特徴とするラジエータ洗浄処理方法。
4. 請求項３記載のラジエータ洗浄処理方法であって、
   前記車載用燃料電池システムは、前記冷媒が所定温度以上に昇温した際に前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように作動する切換弁を備えるとともに、前記燃料電池の暖機運転時には前記車両に搭載されたエアコン装置の暖房モードを前記加温装置として用いることにより前記冷媒を加温するように構成されており、
   前記燃料電池の暖機運転では、前記エアコン装置を暖房モードで定格出力で運転させる、
   ことを特徴とするラジエータ洗浄処理方法。
5. 請求項３記載のラジエータ洗浄処理方法であって、
   前記車載用燃料電池システムは、外部電源から電力供給を受けて動作指令に基づいて前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように作動可能な切換弁を備えるとともに、前記燃料電池の暖機運転時には前記車両に搭載されたエアコン装置の暖房モードを前記加温装置として用いることにより前記冷媒を加温するように構成されており、
   前記ラジエータに前記冷媒を流通させるように前記切換弁を作動させた後に、前記燃料電池の発電及び暖機運転を行い、
   前記燃料電池の暖機運転では、前記エアコン装置を暖房モードで定格出力で運転させる、
   ことを特徴とするラジエータ洗浄処理方法。
   

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