(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池における漏電を正確に検知する漏電検出装置を提供する。【解決手段】燃料電池の漏電検出装置において、燃料電池の冷却水にかかる電圧を検出する電圧検出手段５５と、上記電圧検出手段５５により検出された電圧が電圧閾値以上であるときに漏電が生じていると検出する漏電検出手段１２と、上記燃料電池の冷却水の抵抗値を検出する抵抗値検出手段５６と、上記抵抗値検出手段により検出された抵抗値が大きいほど上記電圧閾値が大きくなるように上記電圧閾値を補正する補正手段とを備えた。【選択図】  図２
2006100005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷却水にかかる電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が電圧閾値以上であるときに漏電が生じていると検出する漏電検出手段と、
前記燃料電池の冷却水の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、
前記抵抗値検出手段により検出された抵抗値が大きいほど前記電圧閾値が大きくなるように前記電圧閾値を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の漏電検出装置。
【請求項２】
前記抵抗値検出手段は、
前記燃料電池の発電前に前記抵抗値を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の漏電検出装置。
【請求項３】
前記補正手段は、
前記抵抗値検出手段により検出された抵抗値と所定の漏電電流値とから前記電圧閾値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の漏電検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の漏電検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素の化学反応を利用して発電を行うものであり、車両などの次世代エネルギ源として期待されている。このような車載用の燃料電池は、セルと呼ばれる発電部の直列接続により、３００Ｖ〜４００Ｖといった高電圧を発電するため、車載するにあたり、漏電対策が重要である。この漏電対策として、燃料電池から引き出される高電圧系の端子及び入出力ケーブルを絶縁すること等がなされている。
【０００３】
また、燃料電池には、水素と酸素の化学反応時の発熱による発電効率の低下を防ぐために、冷却水が使用され、この冷却水が燃料電池内を循環している。冷却水は、金属配管を通り、例えばラジエータと燃料電池間でやりとりされるが、次第に金属配管から金属イオン等が溶け出し、冷却水中の電気伝導率が高くなる。つまり、冷却水は使われるうちに、電気抵抗が減り、電流が流れやすい状態となってしまうのである。これにより、例え燃料電池からの出力ケーブル等を絶縁していたとしても、この冷却水などによって漏電が発生する可能性がでてくる。
【０００４】
このような冷却水による燃料電池の漏電を検知するための手法として、漏電が発生した際に、冷却水の漏れ電流に伴い、燃料電池中間電位部に高電圧が生ずることを利用して、この燃料電池の中間電位部の電圧を測定することにより漏電を検知することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
その他、燃料電池スタックの冷却水電圧を電圧計を用いて測定することにより、冷却液の漏れ電流を検知する手法（特許文献２参照）、また、燃料電池の発電部とその側面に設置されたマニホールドとの間に絶縁不良が生じてリーク電流を検出する手法（特許文献３参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−０５５３８４号公報
【特許文献２】特開２００２−２１６８２５号公報
【特許文献３】特開平４−３０１３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の技術では、燃料電池冷却水の電気伝導率の変化により、燃料電池中間電位部とグランド間の抵抗値が変化すると、同じ電圧値を検出したとしても、実際の漏れ電流値が異なることになる。つまり、上記従来の技術では、冷却水が劣化し、抵抗値が低くなってくると、漏れ電流がより大きくならなければ検知できない。逆に、冷却水交換直後などでは冷却水の抵抗値が高くなり、微小な漏電電流においても異常が検知されてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池における漏電を正確に検知する漏電検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明は、燃料電池の漏電検出装置において、燃料電池の冷却水にかかる電圧を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段により検出された電圧が電圧閾値以上であるときに漏電が生じてい
ると検出する漏電検出手段と、上記燃料電池の冷却水の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、上記抵抗値検出手段により検出された抵抗値が大きいほど上記電圧閾値が大きくなるように上記電圧閾値を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池の漏電検出装置は、抵抗値検出手段により検出された抵抗値から電圧閾値を補正し、電圧検出手段により検出された電圧が上記電圧閾値以上であるときに漏電が生じていると検出する。
【００１０】
このような構成とすることで、冷却水の劣化具合による冷却水の抵抗値の変化に応じた電圧閾値による漏電検出が可能となる。
【００１１】
また、上記燃料電池の漏電検出装置において、上記抵抗値検出手段が、上記燃料電池が発電する前に燃料電池の冷却水の抵抗値を検出するようにしてもよい。
【００１２】
これにより、燃料電池が発電する高電圧に左右されることなく、抵抗値検出手段は、正確な冷却水の抵抗値を検出することができる。
【００１３】
また、上記燃料電池の漏電検出装置において、上記補正手段が、上記抵抗値検出手段により検出された抵抗値と所定の漏電電流値とから上記電圧閾値を算出するようにしてもよい。
【００１４】
これにより、所定の漏電電流値を閾値とした漏電検出が可能となり、正確な漏電検出が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池における漏電を正確に検知する漏電検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池の漏電検出装置について説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１７】
〔実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池及び燃料電池の漏電検出装置（以降、燃料電池モジュールと記す）の模式的な平面図（車両に搭載された燃料電池を車両上方から見た図）である。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１１、漏電検出器１２、及び電子制御ユニット（図２参照）（以下、ＥＣＵとする）を有している。
【００１８】
燃料電池スタック１１は、本発明の燃料電池に相当し、並列の２つのセルスタック１６、及び１７から構成される。セルスタック１６及び１７は、それぞれ単セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）含むセル１５を複数直列（図で示す左右方向）に積み重ねた積層体である。また、単セルは、電解質を、燃料極、空気極の２枚の電極で挟んだサンドイッチ構造を採る。
【００１９】
セルスタック１６、１７の端部（図で示す左右端部）には、金属のエンドプレート２０，２１が配置されている。両エンドプレート２０，２１の間は、導電性の金属で形成された締め付け部材（図示せず）によって、セルスタック１６、１７が積層方向に押圧され、固定されている。
【００２０】
燃料電池スタック１１には、セルスタック１６、１７が発生する熱を除去するための冷却水が供給される。この冷却水は、例えば、燃料電池スタック１１の注入口３０と排出口３２とによって配管されるラジエータ（図示せず）により空冷され、冷却水ポンプ（図示せず）などにより循環される。冷却水は注入口３０から燃料電池スタック１１内に流れ込み、スタック内を循環し、セルにより発生された熱を奪い、排出口３２から流れ出て、再びラジエータへ戻される。
【００２１】
セルスタック１６、１７は互いに同数のセル１５からなり、それぞれ同じ電圧を発生するよう構成される。また、セルスタック１６、１７を構成するセル１５は、それぞれ互いに極性が反対向きになるように積層される。本実施形態では、セルスタック１６は、図において左側が負極、右側が正極となるようセル１５が積層されており、セルスタック１７は、図において左側が正極、右側が負極となるよう積層されている。また、セルスタック１６、１７のエンドプレート２１側の端部は互いに電気的に接続される。このような構成を採ることにより、セルスタック１６、１７は電気的に直列に接続され、所望の高電圧が得られる。以降、例示により各部にかかる電圧を説明する際にはこの値を使用する。
【００２２】
また、セルスタック１６、１７のエンドプレート２１側の端部にあるそれぞれのセルの電極は、エンドプレート２１と接触している。よって、エンドプレート２１は、燃料電池スタック１１の中間電位を有することになる。
【００２３】
また、セルスタック１６，１７のエンドプレート２０側の端部には、セルスタック１６，１７の端部電極２３，２４が積層される。本実施形態では、セルスタック１６に積層される電極２３は負電極となり、セルスタック１７に積層される電極２４は正電極となる。電極２３，２４は、セルスタック１６，１７との境界の位置（すなわち、燃料電池スタック１１の車両前後方向についての中央部）にてスタックの積層方向に曲げられたＬ字形状を有する。電極２３，２４のスタック積層方向を向いた部分は、エンドプレート２０の車両前後方向中央位置に開けられた穴を通ってエンドプレート２０から車両側方に向けて突出され、端子２６として用いられる。また、エンドプレート２１近傍は負電極となる電極２３と正電極となる電極２４の中間電位（以降、中間電位とする）を有することになる。
【００２４】
燃料電池スタック１１に循環される冷却水は、燃料電池スタック１１内でセル１５の電極に接しながら循環するため、その電極の電位の影響を受ける。本実施形態では、エンドプレート２１に注入口３０および排出口３２を設けており、このエンドプレート２１はセル１５の電極と接しているため、冷却水は、エンドプレート２１近傍の電位を有することとなる。そして、上記の例により、冷却水もエンドプレート２１近傍の中間電位を有することになる。
【００２５】
漏電検出器１２は、エンドプレート２０に固着されている。漏電検出器１２からは配線２８が出ており、この配線２８の端部は、エンドプレート２０に固着されている。なお、前述したように、両エンドプレート２０，２１の間は、導電性の金属によって形成される締め付け部材によって接続されていることから、エンドプレート２０も、他方側のエンドプレート２１と同じ電位を有することになる。
【００２６】
なお、燃料電池スタック１１は、アースとなる車体から絶縁されている。また、冷却水排出口３２及び注入口３０は、絶縁性のパイプにより燃料電池スタック１１に配管されている。すなわち、排出口３２及び注入口３０とエンドプレート２１との間は絶縁されている。このような構成を採ることから、漏電電流は冷却水の抵抗値が大きく関連してくるのである。
【００２７】
図２は、燃料電池モジュール１０の電気的な構成を示す等価回路図である。図２を用い
て、各部位の機能について以下に説明する。
【００２８】
漏電検出器１２は、燃料電池スタック１１の中間電位５１（エンドプレート２０）と接続され、この中間電位５１を内部の電圧検出回路５５と、抵抗検出回路５６とに引き込んでいる。また、漏電検出器１２は、電圧検出回路５５と抵抗検出回路５６の出力端子を、ＥＣＵ５４の入力ポート（図示せず）に接続する。すなわち、ＥＣＵ５４は、漏電検出器１２によって、燃料電池スタック１１の中間電位５１と等価な電位を有する冷却水の電圧を検出していることになる。
【００２９】
このような構成により、漏電検出器１２は、燃料電池スタック１１へ送られる冷却水の電圧（以降、冷却水電圧とする）を検出し、漏電の発生を検知する。
【００３０】
ここで、当該燃料電池モジュール１０において漏電が発生した場合の電気的な流れについて説明する。例えば、燃料電池スタック１１の負側の電極２３に漏電が発生した場合について説明する。この場合には、電極２３と冷却水（図の抵抗５８で示され、以降、冷却水５８とする）との間に電流が流れる。つまり、燃料電池スタック１１の負側の電極２３と冷却水５８とを結ぶ回路が成立し、そこに漏れ電流が流れる。
【００３１】
このような漏電の発生を検知するために、漏電検出器１２の内部回路である電圧検出回路５５は、中間電位５１を引き込み、中間電位５１の電圧を測定する。電圧検出回路５５は、検出した電圧をＥＣＵ５４に通知する。電圧検出回路５５は、本発明の電圧検出手段に相当する。
【００３２】
一方、漏電検出器１２の内部回路である抵抗検出回路５６は、冷却水の抵抗５８を測定するための回路であり、冷却水抵抗値検出リレー６０（以降、リレー６０とする）を介して、中間電位５１を引き込む。抵抗検出回路５６は、内部電圧部を備え、この電圧を使用することにより、正確な冷却水の抵抗５８の抵抗値を測定する。そして、抵抗検出回路５６は、測定した抵抗５８の抵抗値をＥＣＵ５４に通知する。抵抗検出回路５６は、本発明の抵抗値検出手段に相当する。リレー６０は、ＥＣＵ５４によって制御され、抵抗値検出を開始する際に閉じられる（ＯＮ状態とされる）。
【００３３】
ＥＣＵ５４は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース等を備え、このＣＰＵによって、メモリに記憶される制御プログラムを実行することで、漏電検出制御、及び冷却水抵抗値検出制御を行う。以下に、ＥＣＵ５４の上記２つの制御について説明する。
【００３４】
<冷却水抵抗値検出制御>
ＥＣＵ５４は、定期的に、冷却水抵抗５８の抵抗値を測定する。これは、漏電検出には、冷却水電圧（中間電位５１の電圧）が使用され、この冷却水電圧が冷却水抵抗５８に比例するためである。そして、ＥＣＵ５４は、この測定された抵抗値から、漏電検出制御で利用される冷却水電圧閾値（中間電位５１の電圧閾値でもあり、本発明の電圧閾値に相当し、以降、電圧閾値とする）を算出する。この電圧閾値は、冷却水抵抗値が大きいほど、大きくなるように算出される。なお、この電圧閾値は、冷却水への漏れ電流が予め定められた所定の電流閾値以下となるよう、冷却水抵抗値との関係から算出されるようにしてもよい。この算出には、例えば、オームの法則に基づく（電圧）＝（電流）ｘ（抵抗）の式が使用される。ここで使用される所定の漏れ電流閾値は、ＥＣＵ５４内のメモリに記憶されるようにしてもよい。
【００３５】
また、ＥＣＵ５４が定期的に冷却水抵抗を測定するのは、冷却水がラジエータと燃料電池スタック１１間でやりとりされるうちに、冷却水が流れる金属配管から金属イオンが溶け出すなどし、冷却水中の電気伝導率が高くなるためである。つまり、冷却水は使われる
うちに、電気抵抗が減り、電流が流れやすい状態となる。このように、冷却水抵抗を定期的に測定することにより、その都度適切な電圧閾値を算出することが可能となり、結果として適切な漏電検出制御を行うことが可能となる。ＥＣＵ５４における上記冷却水抵抗値検出制御を行う制御部が、本発明の補正手段に相当する。
【００３６】
（冷却水抵抗値検出における動作フローの説明）
図３は、ＥＣＵ５４に関する冷却水抵抗値検出制御を示すフローチャートである。ＥＣＵ５４は、定期的に当該冷却水抵抗値検出制御を行う。ＥＣＵ５４は、当該冷却水抵抗値検出制御が起動されると、冷却水抵抗値検出リレー６０を閉じる（Ｓ９１４）。リレー６０が閉じられると、漏電検出器１２の抵抗検出回路５６によって、冷却水抵抗値が測定される。そして、その測定された抵抗値がＥＣＵ５４に通知される（Ｓ９１５）。ＥＣＵ５４は、この抵抗値を利用して、電圧閾値を算出する（Ｓ９１６）。そして、この電圧閾値がＥＣＵ５４内のメモリに記憶される（Ｓ９１７）。
【００３７】
<漏電検出制御>
ＥＣＵ５４は、燃料電池モジュール１０による漏電の発生を検出する。そして、ＥＣＵ５４は、漏電を検出すると、燃料電池リレー６１及び６２（以降、リレー６１及び６２とする）を開く（ＯＦＦ状態とする）ことで、漏電状態を回避する。ＥＣＵ５４は、電圧検出回路５５から通知されてきた測定電圧と、自メモリに記憶されている電圧閾値とを比較することにより、漏電の検出を行う。ＥＣＵ５４における上記漏電検出制御を行う制御部が、本発明の漏電検出手段に相当する。
【００３８】
（漏電検出における動作フローの説明）
図４は、ＥＣＵ５４に関する漏電検出制御を示すフローチャートである。
【００３９】
電圧検出回路５５は、常に又は周期的に、中間電位５１とグランド間の電位差を測定しており、測定された電圧が常に又は周期的にＥＣＵ５４に通知される（Ｓ９１１）。ＥＣＵ５４は、電圧検出回路５５より電圧が通知されると、メモリ内に記憶されている電圧閾値とこの通知された測定電圧とを比較する（Ｓ９１２）。比較した結果、測定電圧が閾値以上である場合には（Ｓ９１２：ＹＥＳ）、燃料電池リレー６１及び６２を開く（ＯＦＦ状態とする）。比較した結果、比較した結果、測定電圧が閾値より小さければ、ＥＣＵ５４は、測定電圧の通知待ち状態となる。
【００４０】
〈実施形態の作用効果〉
以上述べたように、本発明の実施形態の燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に流れる冷却水の電圧を検出する電圧検出回路５５と、燃料電池スタック１１に流れる冷却水の抵抗値を検出する抵抗検出回路５６と、これらの回路を制御するＥＣＵ５４とから構成される。そして、ＥＣＵ５４は、抵抗検出回路５６により検出された抵抗値から電圧閾値を算出し、電圧検出回路５５により検出された電圧が電圧閾値以上であるときに漏電が生じていると検出し、燃料電池リレー６０及び６１を開く。
【００４１】
これにより、劣化具合による冷却水の電気伝導率の変化に応じた電圧閾値を算出し、この閾値による漏電検出が可能となる。すなわち、動作状況に応じた漏電検出レベルを保つことができる。
【００４２】
〈変形例〉
本発明の上記実施形態では、燃料電池スタック１１の中間電位５１を抵抗検出回路５６に引き込み、冷却水の抵抗５８の抵抗値を検出しているが、高電圧回路（燃料電池スタック１１）全体の絶縁抵抗を測定するようにしてもよい。
【００４３】
これにより、燃料電池モジュール１０を搭載する車両などにおいて、全ての部位の抵抗の合計抵抗値を測定することができる。従って、この抵抗値から電圧閾値を決定し、この電圧閾値を使った、正確な漏電検出を行うことができる。
【００４４】
また、本発明の実施形態では、冷却水抵抗値検出制御は定期的に起動されているが、燃料電池が発電する前に、当該抵抗値を検出するようにしてもよい。すなわち、ＥＣＵ５４は、燃料電池リレー６１及び６２を閉じる前に、冷却水抵抗値検出リレー６０を閉じることで、当該抵抗値を検出するようにすることもできる。
【００４５】
これにより、燃料電池スタック１１が発生する高電圧に振られることなく、抵抗検出回路５６の内部電圧のみにより、正確な冷却水抵抗値が得られるようになる。
【００４６】
また、本発明の実施形態では、冷却水抵抗値検出制御及び漏電検出制御は、漏電検出器１２とは別に設置されているＥＣＵ５４によって行われているが、漏電検出器１２の内部にＥＣＵを設け、そのＥＣＵによって上記制御を行うようにしてもよい。さらに、上記制御をマイクロコンピュータであるＥＣＵ５４によって行っているが、デジタル回路、またはアナログ回路によって実現してもよい。
【００４７】
以上述べた各構成は、必要に応じて可能な限り組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池及び燃料電池の漏電検出装置を示す図である。
【図２】燃料電池モジュールの電気的な構成を示す等価回路を示す図である。
【図３】冷却水抵抗値検出における動作を示すフローチャートである。
【図４】漏電検出における動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池モジュール
１１…燃料電池スタック
１５…セル
１６、１７…セルスタック
２０、２１…エンドプレート
２３、２４…電極
２６…端子
１２…漏電検出器
２８…配線
３０…注入口
３２…排出口
５１…中間電位
５４…ＥＣＵ
５５…電圧検出回路
５６…抵抗検出回路
５８…冷却水抵抗
６０…冷却水抵抗値検出リレー
６１、６２…燃料電池リレー
【図１】
2006100005.tif 000003
【図２】
2006100005.tif 000004
【図３】
2006100005.tif 000005
【図４】
2006100005.tif 000006