(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
該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、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、前記絶縁抵抗測定部による絶縁抵抗検出時に前記高電位回避電圧閾値を変更するものであって、前記高電位化回避制御時に、前記燃料電池の電圧が前記高電位回避電圧閾値よりも低い所定の下限電圧閾値まで下がると酸化ガスを前記燃料電池に供給する電圧維持酸化ガスブロー作動を行うとともに、該電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔が前記絶縁抵抗検出時の絶縁抵抗検出可能時間よりも長くなるように前記高電位回避電圧閾値を上げる燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池内のクロスリークによる前記電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔の変動分を加味して前記高電位回避電圧閾値を変更する請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の絶縁抵抗を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化促進を抑制するために、所定の条件下において燃料電池の電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１０９５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方で、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し、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、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。
【０００５】
しかし、上記した燃料電池の出力電圧が高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御中は燃料電池の出力電圧が安定しないため、当該高電位化回避制御中に絶縁抵抗検出を行おうとしても、正確に絶縁抵抗を検出することができないことがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、高電位化回避制御中であっても正確に絶縁抵抗を検出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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該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、前記制御部は、前記燃料電池の電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、前記絶縁抵抗測定部による絶縁抵抗検出時に前記高電位回避電圧閾値を変更するものである。
【０００８】
かかる構成によれば、高電位回避電圧閾値を変更することで、高電位化回避制御の実施タイミングと絶縁抵抗の測定タイミングとの関係を調整することが可能になるので、正確に絶縁抵抗を検出することが可能となる。
【０００９】
より具体的には、前記制御部は、前記高電位化回避制御時に、前記燃料電池の電圧が前記高電位回避電圧閾値よりも低い所定の下限電圧閾値まで下がると酸化ガスを前記燃料電池に供給する電圧維持酸化ガスブロー作動を行うとともに、該電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔が前記絶縁抵抗検出時の絶縁抵抗検出可能時間よりも長くなるように前記高電位回避電圧閾値を上げる。
【００１０】
また、前記制御部は、前記燃料電池内のクロスリークによる前記電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔の変動分を加味して前記高電位回避電圧閾値を変更してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、高電位化回避制御中であっても正確に絶縁抵抗を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１４】
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ（蓄電部）２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）３０などから構成される。
【００１５】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００１６】
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２及び電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１７】
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
【００１８】
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１９】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００２０】
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００２２】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２３】
また、燃料電池４０につながる配線には、絶縁抵抗測定部９０が接続されている。絶縁抵抗測定部９０は、燃料電池４０と車体との間の絶縁抵抗を測定する。
【００２４】
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
【００２５】
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００２６】
本実施形態では、バッテリ２０の充電量が制限されている場合であっても、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を上昇させ、該ＤＣ／ＤＣコンバータでのエネルギー損失を増大させることで、確実に燃料電池４０の電圧が当該燃料電池４０の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを回避する。
【００２７】
次に、制御装置１０によって間欠的に実行される高電位化回避制御処理について説明する。
【００２８】
制御装置１０は、燃料電池４０に対する要求電力を算出する。要求電力としては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。そして、制御装置１０は、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定値としても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。
【００２９】
そして、制御装置１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する。具体的には、制御装置１０は、出力電圧と高電位化回避目標閾値電圧（以下、閾値電圧Ｖｔｈ）とを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。
この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。
【００３０】
制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、当該処理を終了する。
【００３１】
一方、制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。そして、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力をバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。
【００３２】
制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できると判断した場合には、余剰電力をバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。一方、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させることで余剰電力Ｐを吸収した後、処理を終了する。
【００３３】
図２は、通常発電モードでの高電位化回避制御の内容を示すタイミングチャートであり、同図のｔｄ１時点以降においては、燃料電池４０に反応ガスが供給されているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０への指令電圧（図２の破線Ｘｄ１）を閾値電圧Ｖｔｈとすることで、燃料電池４０の電圧（図２の実線Ｘｄ２）を閾値電圧Ｖｔｈにほぼ維持することができる。
【００３４】
一方、図３は、出力停止モードでの高電位化回避制御の内容を示すタイミングチャートであり、同図のｔｅ１時点以降においては、燃料電池４０への反応ガスの供給が停止しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０への指令電圧（図３の破線Ｘｅ１）を閾値電圧Ｖｔｈに維持しても、燃料電池４０の電圧（図３の実線Ｘｅ２）は閾値電圧Ｖｔｈを維持することができない。
このため、制御装置１０は、図３に示すように、燃料電池４０の電圧が閾値電圧Ｖｔｈよりも低い所定の電圧維持酸化ガスブロー電圧（下限電圧閾値）Ｖｂまで下がると（ｔｅ２，ｔｅ３時点）、酸化ガスを燃料電池４０に供給する電圧維持酸化ガスブロー作動を行い、これにより、燃料電池４０の電圧を上昇させて閾値電圧Ｖｔｈに復帰させることになる。
この電圧維持酸化ガスブロー作動では、エアコンプレッサを最低エア流量で駆動し、燃料ガスの循環ポンプを最低回転数で駆動し、燃料電池４０を冷却するための冷却水を循環させる冷却水ポンプを燃料電池４０の発電電力にしたがって駆動する。
【００３５】
なお、閾値電圧Ｖｔｈが低いほど、燃料電池４０の発電量が増え、単位時間内でのガス消費量が増加するので、電圧維持酸化ガスブロー作動の実行間隔ｔ（例えば図３のｔｅ２時点〜ｔｅ３時点）は短くなる。
絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗検出を精度良く行うには、燃料電池４０に大きな電圧変動があることは好ましくないところ、電圧維持酸化ガスブローを実施すると、電圧が変動するため、絶縁抵抗検出時における電圧維持酸化ガスブローによる電圧変動を抑制するには、電圧維持酸化ガスブローの実施回数を減らす、すなわち、電圧維持酸化ガスブロー作動の実行間隔ｔを長くする必要がある。
この実行間隔ｔを長くするには、単位時間内での酸化ガス消費量を少なくすればよい、すなわち、燃料電池４０の電圧を上げて発電量を減らせばよいので、本実施形態では、絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗検出が可能な状態にあるとき、例えば車両停車中の出力停止モードにあるときは、電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが絶縁抵抗検出制御時の絶縁抵抗検出可能時間Ｔよりも長くなるように閾値電圧Ｖｔｈを変更する。
【００３６】
つまり、閾値電圧Ｖｔｈを、図４（ａ）に示す絶縁抵抗検出を行わないときの値Ｖ１とすると、電圧維持酸化ガスブロー作動のｔｆ１，ｔｆ２時点の間隔ｔｖ１が絶縁抵抗検出可能時間Ｔよりも短くなり、高精度な絶縁抵抗検出ができなくなってしまう可能性が生じるので、かかる場合には、閾値電圧Ｖｔｈを、図４（ｂ）に示すように所定量嵩上げした値Ｖ２に上げる。
これにより、図４（ｂ）のｔｆ１’時点で示す一の電圧維持酸化ガスブロー作動によって、より高い閾値電圧Ｖｔｈまで電圧を上げることになり、その結果、図４（ｂ）のｔｆ２’時点で示す次に電圧が電圧維持酸化ガスブロー電圧に下がって電圧維持酸化ガスブロー作動が実行されるようになるまでの間隔ｔｖ２が、絶縁抵抗検出を行わないときの隣り合う電圧維持酸化ガスブロー作動のｔｆ１，ｔｆ２時点の間隔ｔｖ１よりも長くなる。
このようにして、電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが絶縁抵抗検出可能時間Ｔよりも長くなる状況を作る。
【００３７】
このとき、燃料電池４０内のクロスリーク量が多ければ、電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが短くなるため、このクロスリークによる電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔの変動分を加味して高電位回避電圧閾値を変更してもよい。つまり、クロスリーク量が多ければ、クロスリーク量が少ない場合と比べて閾値電圧Ｖｔｈを高くするように常時電圧を変える制御を追加する。
これにより、燃料電池４０が劣化して電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが小さくなっても、それを補正することができる。
【００３８】
なお、閾値電圧Ｖｔｈを上げるのではなく、電圧維持酸化ガスブロー電圧Ｖｂを下げることでも電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔを長くできる。この場合は、電圧維持酸化ガスブロー作動の頻度が減って燃費等の点では良いが、電圧維持酸化ガスブロー電圧Ｖｂを下げると、燃料電池４０に含まれる白金触媒が還元領域に入り、その表面が還元されてしまうことがある。
このような意図しない還元領域まで電圧維持酸化ガスブロー電圧を低下させることはできるだけ回避するのが良い。また、出力停止モードから通常運転モードへの復帰時の円滑な復帰のためにも、電圧維持酸化ガスブロー電圧Ｖｂを低下させることはできるだけ回避するのが良い。これらの理由から、本実施形態では、電圧維持酸化ガスブロー電圧Ｖｂを下げずに、閾値電圧Ｖｔｈを上げるようにしている。
【００３９】
上記のように、出力停止モードにおいて高電位化回避制御が実行されると、燃料電池４０への反応ガスの供給が停止しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０への指令電圧を閾値電圧Ｖｔｈとしても燃料電池４０の電圧が閾値電圧Ｖｔｈを維持できない。よって、所定の電圧維持酸化ガスブロー電圧Ｖｂまで下がると、酸化ガスを燃料電池４０に供給する電圧維持酸化ガスブロー作動を行うことになる。
この電圧維持酸化ガスブロー作動中に、絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗測定が行われると、測定値に誤差が生じてしまうが、上記の構成によれば、絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗測定時に閾値電圧Ｖｔｈが上げられており、電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが長くなっている（例えば、５０秒）ので、絶縁抵抗の測定中に電圧維持酸化ガスブロー作動が実行されることを防ぐことができる。
【００４０】
以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御装置１０は、燃料電池４０の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上になることを抑制する高電位化回避制御を行っている最中に絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗検出を行う際には、閾値電圧Ｖｔｈを変更する。つまり、高電位化回避制御時における電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔが絶縁抵抗検出制御時の絶縁抵抗検出可能時間Ｔよりも長くなるように閾値電圧Ｖｔｈを変更する。
このため、電圧維持酸化ガスブロー作動と、次の電圧維持酸化ガスブロー作動との間の時間に絶縁抵抗が検出可能となる。したがって、高電位化回避制御中であっても正確に絶縁抵抗を検出することができる。
【００４１】
また、燃料電池４０のクロスリークによる電圧維持酸化ガスブロー作動の間隔ｔの変動分を加味して閾値電圧Ｖｔｈを変更することになるため、より正確に絶縁抵抗を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示したシステム構成図である。
【図２】同燃料電池システムの通常発電モードでの高電位化回避制御を説明するタイムチャートである。
【図３】同燃料電池システムの出力停止モードでの高電位化回避制御を説明するタイムチャートである。
【図４】同燃料電池システムの高電位化回避制御中の絶縁抵抗検出タイミングを説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１０…制御装置（制御部）、１２…車体（外部導体）、４０…燃料電池、９０…絶縁抵抗測定部、１００…燃料電池システム。
【図２】
0004274278.tif 000002
【図３】
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【図４】
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【図１】
0004274278.tif 000005