(57)【要約】【課題】インバータ補機類の地絡を精度よく検出できる漏電検出器を提案する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ８０とを備える。漏電検出器４０は、燃料電池スタック１０の中間電位を検出する電圧センサ４１と、中間電位が閾値電圧以上であり且つ中間電位の周波数が閾値周波数以上であるときに漏電を判定する判定回路４２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える燃料電池システムの漏電を検出する漏電検出器であって、
前記燃料電池の中間電位を検出する検出手段と、
前記中間電位が閾値電圧以上であり且つ前記中間電位の周波数が閾値周波数以上であるときに漏電を判定する判定手段と、
を備える漏電検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の漏電検出器であって、
前記検出手段は、前記燃料電池の中間電位部に接続するキャパシタであって、前記インバータのスイッチング周波数以上の電圧信号を通過させる周波数特性を有するキャパシタを含む、漏電検出器。
【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の漏電を検出するための漏電検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。このような車載用の燃料電池は、数百セルを直列に接続することにより、３００Ｖ〜４００Ｖ程度の高電圧を発生するため、十分な漏電対策が必要となる。
【０００３】
この種の燃料電池には、水素と酸素との電気化学反応によって生じる発熱に起因する発電効率の低下を防ぐために、燃料電池内部を冷却水が循環している。例えば、冷却水は、燃料電池内部を貫通する金属配管を流れ、ラジエータを介して熱交換される。ところが、金属配管の経年劣化等により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、使用年数が長期化する程、冷却水の電気抵抗は低減し、漏洩電流が流れやすい状態になる。燃料電池と電気系統とを接続するケーブル等を絶縁したとしても、この冷却水によって漏電が発生する可能性が生じる。
【０００４】
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、例えば、特開２００４−５５３８４号公報には、漏電が発生した際に、冷却水を流れる漏洩電流によって、燃料電池の中間電位部に高電圧が発生することを利用して、こ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手法が開示されている。この他に、特開２００６−１００００５号公報には、燃料電池の中間電位部とグランドとの間の電気抵抗に基づいて閾値電圧を補正し、その中間電位部とグランドとの間の電圧がその閾値電圧を超えたときに漏電の発生を検出する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−５５３８４号公報
【特許文献２】特開２００６−１００００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術では、インバータ補機類が地絡しても、インバータのスイッチング動作により、燃料電池の中間電位が閾値電圧に達しないため、インバータ補機類の地絡を検出できない場合があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、インバータ補機類の地絡を精度よく検出することのできる漏電検出器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる漏電検出器は、燃料電池と、燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える燃料電池システムの漏電を検出する漏電検出器であって、燃料電池の中間電位を検出する検出手段と、中間電位が閾値電圧以上であり且つ中間電位の周波数が閾値周波数以上であるときに漏電を判定する判定手段とを備える。
【０００８】
燃料電池の中間電位が閾値電圧以上であり且つ中間電位の周波数が閾値周波数以上であるときに漏電を判定することにより、インバータ補機類の地絡を精度よく検出することができる。
【０００９】
ここで、検出手段は、燃料電池の中間電位部に接続するキャパシタであって、インバータのスイッチング周波数以上の電圧信号を通過させる周波数特性を有するキャパシタを含むものが好ましい。
【００１０】
かかる構成によれば、インバータ補機類の地絡の検出精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、インバータ補機類の地絡を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は燃料電池スタック１０の平面図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムであり、車両推進力を発生するトラクションモータや各種車載補機類などに電力を供給する。燃料電池スタック１０は、二つのセルスタック１６，１７によって構成される。それぞれのセルスタック１６，１７は、単セルとセパレータとを含むセル１５を複数直列に積み重ねて成る積層体である。単セルは、電解質の両面を燃料極及び空気極によって挟むサンドイッチ構造を有している。
【００１３】
それぞれのセルスタック１６，１７の両端部には、金属性材質から成る一対のエンドプレート２０，２１が配置されている。一対のエンドプレート２０，２１の間は、導電性の締め付け部材（図示せず）によって、セルスタック１６、１７の積層方向に締結されている。
【００１４】
燃料電池スタック１０内部には、セルスタック１６、１７との間で熱交換するための冷却水が循環している。この冷却水は、注入口３０から供給され、燃料電池スタック１０内部を貫通する冷却水路を流れて、排出口３２から排水され、ラジエータ等の冷却手段により冷却された後に、再び注入口３０から供給される。
【００１５】
それぞれのセルスタック１６、１７を構成するセル数は同数であり、それぞれ同じ電圧を発生するように構成されている。更にセルスタック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。具体的には、セルスタック１６は、図示左側が負極、図示右側が正極となるようにセル１５が積層されており、セルスタック１７は、図示左側が正極、図示右側が負極となるようにセル１５が積層されている。更にセルスタック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、所望の高電圧を出力する。
【００１６】
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と接触しているので、エンドプレート２１の電位は、燃料電池スタック１０の中間電位を有することになる。
【００１７】
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、二つのセルスタック１６，１７の境界の位置（燃料電池スタック１０の略中央部）にてスタック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の略中央位置に開口する孔を通過し、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。エンドプレート２０の電位は、負電極となる電極２３と、正電極となる電極２４との間の中間電位を有する。
【００１８】
燃料電池スタック１０に循環される冷却水は、燃料電池スタック１０内部でセル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及び排出口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、冷却水の電位は、エンドプレート２１の電位（燃料電池スタック１０の中間電位）にほぼ等しい。
【００１９】
漏電検出器１２は、エンドプレート２０に固定されている。漏電検出器１２と、エンドプレート２０の表面とは、配線２８を介して電気的に接続されている。一対のエンドプレート２０，２１の間は、導電性の締め付け部材によって接続されているので、一対のエンドプレート２０，２１の電位は、同電位である。
【００２０】
尚、燃料電池スタック１０は、電気的にグランドとして機能する車体ボディから絶縁されている。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１０に配管されているので、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。
【００２１】
図２は本実施形態に係わる燃料電池システム１００の電力系統の概略構成図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、漏電検出器４０、制御ユニット（ＥＣＵ）５０、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、二次電池７０、トラクションインバータ８０、及びトラクションモータ９０を備える。
【００２２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、二次電池７０から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ８０に出力する機能と、燃料電池スタック１０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ９０が回収した回生電力を降圧して二次電池７０に充電する機能とを有する電力変換手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のこれらの機能により、二次電池７０の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０による電圧変換制御により、燃料電池スタック１０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
【００２３】
二次電池７０は、燃料電池スタック１０から外部負荷（トラクションモータ９０又は補機類など）へ供給される電力の過不足を調整するために充放電制御される。二次電池７０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池７０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。
【００２４】
トラクションインバータ８０は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、制御ユニット５０からの制御指令に従って、燃料電池スタック１０又は二次電池７０から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ９０の回転トルクを制御する。トラクションモータ９０は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００２５】
制御ユニット５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、アクセルセンサ（図示せず）から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ（図示せず）から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。
【００２６】
システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００２７】
そして、制御ユニット５０は、燃料電池スタック１０と二次電池７０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック１０の発電量が目標電力に一致するように、燃料電池スタック１０への反応ガス供給を制御する。更に制御ユニット５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、燃料電池スタック１０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック１０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。制御ユニット５０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ８０に出力し、トラクションモータ９０の出力トルク、及び回転数を制御する。
【００２８】
漏電検出器４０は、燃料電池スタック１０の中間電位部に接続するキャパシタＣと、キャパシタＣに直列接続する抵抗ｒを通過する電圧信号を検出する電圧センサ４１と、燃料電池スタック１０の中間電位が閾値電圧以上であり且つ中間電位の周波数が閾値周波数以上であるときに漏電を判定する判定回路４２を備える。ここで、キャパシタＣは、トラクションインバータ８０のスイッチング周波数以上の電圧信号を通過させる周波数特性を有している。また、キャパシタＣ、抵抗ｒ、及び電圧センサ４１は、燃料電池スタック１０の中間電位を検出する検出手段として機能する。
【００２９】
上述の如く、燃料電池スタック１０の中間電位は、冷却水の電位に等しいので、冷却水の電位を検出することにより漏電判定を実施することができる。仮に、燃料電池スタック１０に漏電が発生すると、漏電箇所とグランドとの間を結ぶ回路が形成され、そこに漏電電流が流れる。燃料電池スタック２０の中間電位は、漏電電流と冷却水の抵抗値Ｒとの積に等しくなる。
【００３０】
さて、トラクションモータ９０が地絡すると、燃料電池スタック１０の中間電位は、トラクションインバータ８０のスイッチング周波数と同程度の周波数で交流的に変動する。電圧センサ４１は、トラクションモータ９０の地絡に起因する中間電位の交流的な電位変動を検出する。判定回路４２は、キャパシタＣを通過する電圧信号の中でその振幅が閾値電圧以上であり且つその周波数が閾値周波数以上であるものを検出すると、トラクションモータ９０に地絡が生じたものと判定し、制御ユニット５０に漏電検出を通知する。すると、制御ユニット５０は、リレーＬ１，Ｌ２を開き、燃料電池スタック１０を電力系統（ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、トラクションインバータ８０など）から切り離す。
【００３１】
尚、燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータとして、説明の便宜上、トラクションインバータ８０を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、燃料電池スタック１０に接続する各種のインバータについて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係わる燃料電池スタックの平面図である。
【図２】本実施形態に係わる燃料電池システムの電力系統の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…燃料電池スタック  ４０…漏電検出器  ４１…電圧センサ  ４２…判定回路  ５０…制御ユニット  ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ  ７０…二次電池  ８０…トラクションインバータ  ９０…トラクションモータ  １００…燃料電池システム
【図１】
2008293674.tif 000003
【図２】
2008293674.tif 000004