(57)【要約】【課題】燃料電池に中間電位電極を設定しなくても燃料電池システムにおける漏電を検出することができる燃料電池システムの漏電検出装置を提供する。【解決手段】漏電判定回路９は、電位差検出回路７で検出された燃料電池１の正電極とアースとの間の電位差Ｖが予め設定された電位差しきい値Ｖｔｈを超えたときに燃料電池１の負電極側で漏電が発生したと判定し、抵抗検出回路８で検出された燃料電池１の正電極とアースとの間の絶縁抵抗Ｒが予め冷却水の抵抗値Ｒｗ以下の値に設定された抵抗しきい値Ｒｔｈを下回ったときに燃料電池１の正電極側で漏電が発生したと判定する。漏電判定回路９は、漏電が発生したと判定した場合に、電力供給ラインＬ２上に配設されている開閉接点４を開いて、燃料電池１から各種電力消費部品への電力供給を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の一対の電極をそれぞれ対応する電力供給ラインに接続して電力の供給を行う燃料電池システムの漏電を検出する装置において、
前記一対の電極のうち一方の電極とアース間に接続され且つ所定の抵抗値を有する電気抵抗手段と、
前記一方の電極とアースとの間の電位差を検出する電位差検出回路と、
前記一方の電極とアースとの間の絶縁抵抗を検出する抵抗検出回路と、
前記電位差検出回路で検出された電位差が予め設定された電位差しきい値を超えたときに前記一対の電極のうち他方の電極側で漏電が発生したと判定し、前記抵抗検出回路で検出された絶縁抵抗が予め前記所定の抵抗値以下の値に設定された抵抗しきい値を下回ったときに前記一方の電極側で漏電が発生したと判定する漏電判定回路と
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの漏電検出装置。
【請求項２】
前記他方の電極に接続された前記電力供給ライン上に配設された開閉接点をさらに備え、
前記漏電判定回路は、漏電が発生したと判定した場合に前記開閉接点を開いて燃料電池からの電力の供給を遮断する請求項１に記載の燃料電池システムの漏電検出装置。
【請求項３】
前記電気抵抗手段は、燃料電池を冷却する冷却水からなる請求項１または２に記載の燃料電池システムの漏電検出装置。
【請求項４】
前記電気抵抗手段は、前記一方の電極とアースとの間に接続された抵抗装置からなる請求項１または２に記載の燃料電池システムの漏電検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの漏電検出装置に係り、特に燃料電池の一対の電極をそれぞれ対応する電力供給ラインに接続して電力の供給を行う燃料電池システムの漏電を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を駆動源として搭載する燃料電池型の車両が開発されている。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るが、車両搭載用のものは、多数のセルを直列接続することにより３００Ｖ以上もの高電圧を発生させるため、漏電対策が不可欠となる。
例えば、特許文献１には、燃料電池に中間電位電極を設定し、アースと中間電位電極との間の電位差を測定して漏電の検出を行う装置が提案されている。漏電が発生して漏電電流が流れると、アースと中間電位電極との間の電位差が上昇するので、この電位差の上昇を検出することにより漏電の発生が検知される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１００００５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池に中間電位電極を設定するためには、図５に示されるように、それぞれ複数のセルを直列に積み重ねた２つのセルスタックＳ１及びＳ２を、互いに極性が反対向きになるように２列に配置し、セルスタックＳ１及びＳ２の一端における端部電極をそれぞれこの燃料電池の正電極Ｐ及び負電極Ｎとし、セルスタックＳ１及びＳ２の他端における端部電極を互いに電気的に接続してここに中間電位電極Ｍを形成する必要がある。このため、燃料電池の構成部品数、体格、製作工数、コスト、質量等が増加してしまうという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、燃料電池に中間電位電極を設定しなくても燃料電池システムにおける漏電を検出することができる燃料電池システムの漏電検出装置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】
【０００５】
この発明に係る燃料電池システムの漏電検出装置は、燃料電池の一対の電極をそれぞれ対応する電力供給ラインに接続して電力の供給を行う燃料電池システムの漏電を検出する装置において、一対の電極のうち一方の電極とアース間に接続され且つ所定の抵抗値を有する電気抵抗手段と、一方の電極とアースとの間の電位差を検出する電位差検出回路と、一方の電極とアースとの間の絶縁抵抗を検出する抵抗検出回路と、電位差検出回路で検出された電位差が予め設定された電位差しきい値を超えたときに一対の電極のうち他方の電極側で漏電が発生したと判定し、抵抗検出回路で検出された絶縁抵抗が予め所定の抵抗値以下の値に設定された抵抗しきい値を下回ったときに一方の電極側で漏電が発生したと判定する漏電判定回路とを備えたものである。
【０００６】
他方の電極に接続された電力供給ライン上に配設された開閉接点をさらに備え、漏電が発生したと判定した場合に、漏電判定回路が開閉接点を開いて燃料電池からの電力の供給を遮断するように構成することもできる。
なお、電気抵抗手段として、燃料電池を冷却する冷却水、あるいは一方の電極とアースとの間に接続された抵抗装置を用いてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、燃料電池の一対の電極のうち一方の電極とアース間に所定の抵抗値を有する電気抵抗手段を接続し、一方の電極とアースとの間の電位差を検出すると共に一方の電極とアースとの間の絶縁抵抗を検出するので、検出された電位差及び絶縁抵抗をそれぞれ予め設定された電位差しきい値及び抵抗しきい値と比較することにより、燃料電池に中間電位電極を設定しなくても燃料電池システムにおける漏電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】
【０００８】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に実施の形態１に係る漏電検出装置が装備された車載用の燃料電池システムの構成を示す。燃料電池１は、複数のセルを互いに極性が同じ向きになるように１列に積み重ねた１つのセルスタックの両端に、導電性の金属からなるエンドプレート２及び３を配置したものであり、図５に示した燃料電池のような中間電位電極は設定されていない。セルスタックの一端が正電極に、他端が負電極に設定されるが、図１に示した実施の形態１においては、エンドプレート２が正電極に、エンドプレート３が負電極にそれぞれ電気的に接続されている。そして、燃料電池１の正電極と負電極にそれぞれ電力供給ラインＬ１及びＬ２を介して車両の駆動モータ、パワーステアリング装置、エアコンプレッサ、空調機器等の図示しない各種電力消費部品が接続されている。なお、燃料電池１の負電極に接続された電力供給ラインＬ２上に開閉接点４が配設されている。
【０００９】
燃料電池１には、各セルにおける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、冷却水が循環供給される。燃料電池１の一方のエンドプレート２に図示しない注入口と排出口が形成されており、これら注入口と排出口を互いに連通するようにセルスタック内に冷却水通路が形成されている。また、エンドプレート２の注入口と排出口の間には、配管を介してラジエータ５と図示しない循環ポンプとが接続されている。循環ポンプの駆動により、冷却水は、燃料電池１のエンドプレート２の注入口からセルスタック内に流れ込み、セルスタック内の冷却水通路を流れて排出口から流出した後、ラジエータ５で空冷され、再び燃料電池１へと循環される。
【００１０】
このとき、冷却水は、注入口及び排出口を通ることにより燃料電池１の正電極に接続されているエンドプレート２に接触すると共に、ラジエータ５あるいはその近傍でアースに電気的に接続されている。このため、燃料電池１の正電極は、冷却水を介してアースに電気的に接続されることとなる。すなわち、冷却水が、燃料電池１の正電極とアース間に接続された電気抵抗手段を構成している。図１には、冷却水の抵抗値Ｒｗが示されている。
【００１１】
燃料電池１の正電極とアースとの間に電位差測定用の抵抗装置６が接続され、この抵抗装置６に電位差検出回路７が接続されている。さらに、燃料電池１の正電極に抵抗検出回路８が接続されている。電位差検出回路７は、燃料電池１の正電極とアースとの間の電位差を検出するものであり、抵抗検出回路８は、燃料電池１の正電極とアースとの間の絶縁抵抗を検出するものである。これら電位差検出回路７及び抵抗検出回路８に漏電判定回路９が接続されている。
【００１２】
漏電判定回路９には、予め電位差しきい値Ｖｔｈ及び抵抗しきい値Ｒｔｈがそれぞれ設定されており、漏電判定回路９は、電位差検出回路７で検出された電位差Ｖが電位差しきい値Ｖｔｈを超えたときに燃料電池１の負電極側で漏電が発生したと判定し、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒが抵抗しきい値Ｒｔｈを下回ったときに燃料電池１の正電極側で漏電が発生したと判定する。さらに、漏電判定回路９は、漏電の判定結果に基づいて電力供給ラインＬ２上の開閉接点４の開閉制御を行う。
なお、電位差しきい値Ｖｔｈは、例えば、０よりわずかに大きい所定の値に設定され、抵抗しきい値Ｒｔｈは、冷却水の抵抗値Ｒｗよりわずかに小さい所定の値に設定されている。
【００１３】
次に、実施の形態１に係る漏電検出装置の動作について説明する。
まず、漏電が発生していない正常時には、漏電判定回路９により電力供給ラインＬ２上の開閉接点４が閉じられており、燃料電池１で発電された電力が電力供給ラインＬ１及びＬ２を介して車両の駆動モータ、パワーステアリング装置、エアコンプレッサ、空調機器等の各種電力消費部品へ供給される。なお、図示しない循環ポンプの駆動により、燃料電池１のセルスタックを冷却するための冷却水が燃料電池１とラジエータ５との間を循環している。
【００１４】
漏電の発生がないので、燃料電池１の正電極に接続されている抵抗装置６に漏電電流が流れることはなく、電位差検出回路７により検出される燃料電池１の正電極とアースとの間の電位差Ｖはほぼ０となる。
また、上述したように、燃料電池１の正電極が冷却水を介してアースに電気的に接続されているため、抵抗検出回路８は、燃料電池１の正電極とアースとの間の絶縁抵抗Ｒとして、冷却水の流れに沿った経路Ｃ１における絶縁抵抗を測定することとなり、冷却水の抵抗値Ｒｗを検出する。
【００１５】
このようにして電位差検出回路７で検出された電位差Ｖ及び抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒが漏電判定回路９に入力される。
漏電判定回路９は、まず、電位差検出回路７で検出された電位差Ｖと予め設定されている電位差しきい値Ｖｔｈとの比較を行う。このとき、電位差検出回路７で検出された電位差Ｖはほぼ０であるので、予め０よりわずかに大きい所定の値に設定されている電位差しきい値Ｖｔｈを超えることはなく、これにより、漏電判定回路９は、燃料電池１の負電極側で漏電は発生していないと判定する。
【００１６】
次に、漏電判定回路９は、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒと予め設定されている抵抗しきい値Ｒｔｈとの比較を行う。このとき、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒは冷却水の抵抗値Ｒｗに等しいので、予め冷却水の抵抗値Ｒｗよりわずかに小さい所定の値に設定されている抵抗しきい値Ｒｔｈを下回ることはなく、これにより、漏電判定回路９は、燃料電池１の正電極側においても漏電は発生していないと判定する。
燃料電池１の負電極側においても正電極側においても漏電が発生していないと判定した漏電判定回路９は、開閉接点４を閉じた状態に保持することにより、燃料電池１から各種電力消費部品への電力供給を可能とする。
【００１７】
ここで、図２に示されるように、燃料電池１の負電極に接続された電力供給ラインＬ２上の点Ａで漏電が発生し、この点Ａがアースと電気的に接続されたものとすると、アースから点Ａ、閉じた状態の開閉接点４、燃料電池１及び抵抗装置６を介してアースに至る経路Ｃ２に沿った閉回路が形成され、この閉回路を漏電電流が流れることとなる。その結果、抵抗装置６を流れる漏電電流により、抵抗装置６の抵抗値と漏電電流の電流値とで決定される大きさの電位差Ｖが燃料電池１の正電極とアースとの間に発生し、この電位差Ｖが電位差検出回路７で検出される。
【００１８】
抵抗装置６としては、わずかな漏電電流が流れても大きな電位差Ｖが生じるように、予め大きな抵抗値を有するものが使用されており、このとき漏電電流により生じた電位差Ｖは、予め０よりわずかに大きい所定の値に設定されている電位差しきい値Ｖｔｈよりも十分に大きいものとなる。
従って、漏電判定回路９は、電位差検出回路７で検出された電位差Ｖが電位差しきい値Ｖｔｈを超えていることから、燃料電池１の負電極側で漏電が発生したと判定し、開閉接点４を開いて、燃料電池１から各種電力消費部品への電力供給を遮断する。
なお、このとき、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒは、正常時と変わりなく、冷却水の抵抗値Ｒｗに等しいので、漏電判定回路９は、燃料電池１の正電極側においては漏電が発生していないと判定することができる。
【００１９】
次に、図３に示されるように、燃料電池１の正電極に接続された電力供給ラインＬ１上の点Ｂで漏電が発生し、この点Ｂがアースと電気的に接続されたものとすると、燃料電池１の正電極が、経路Ｃ３に沿って点Ｂを介しアースに電気的に接続されるため、燃料電池１の正電極とアースとの間にこの経路Ｃ３と冷却水の流れに沿った経路Ｃ１による並列回路が形成される。経路Ｃ１における絶縁抵抗は、上述したように、冷却水の抵抗値Ｒｗに等しいが、漏電の発生に起因して形成された経路Ｃ３における絶縁抵抗は、経路Ｃ１における絶縁抵抗よりはるかに小さいので、並列回路全体の絶縁抵抗は冷却水の抵抗値Ｒｗよりも小さくなる。その結果、抵抗検出回路８で検出される燃料電池１の正電極とアースとの間の絶縁抵抗Ｒは、予め冷却水の抵抗値Ｒｗよりわずかに小さい所定の値に設定されている抵抗しきい値Ｒｔｈよりも十分に小さいものとなる。
【００２０】
従って、漏電判定回路９は、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒが抵抗しきい値Ｒｔｈを下回っていることから、燃料電池１の正電極側で漏電が発生したと判定し、開閉接点４を開いて、燃料電池１から各種電力消費部品への電力供給を遮断する。
なお、このとき、電位差検出回路７で検出された電位差Ｖは、正常時と変わりなく、ほぼ０となっているので、漏電判定回路９は、燃料電池１の負電極側においては漏電が発生していないと判定することができる。
【００２１】
実施の形態２
図４に実施の形態２に係る漏電検出装置が装備された車載用の燃料電池システムの構成を示す。この実施の形態２は、図１に示した実施の形態１の装置において、燃料電池１を冷却するための冷却水により燃料電池１の正電極とアース間に接続された電気抵抗手段を構成する代わりに、燃料電池１の正電極とアースとの間に所定の抵抗値Ｒｄを有する抵抗装置１０を接続し、この抵抗装置１０によって電気抵抗手段を構成したものである。なお、漏電判定回路９に予め設定される抵抗しきい値Ｒｔｈとしては、抵抗装置１０の抵抗値Ｒｄよりわずかに小さい所定の値が選択される。
【００２２】
実施の形態２に係る漏電検出装置の動作は、上述した実施の形態１における動作と同様である。すなわち、抵抗検出回路８は、漏電が発生していない正常時には、燃料電池１の正電極とアースとの間の絶縁抵抗Ｒとして抵抗装置１０の抵抗値Ｒｄを検出し、燃料電池１の正電極に接続された電力供給ラインＬ１上で漏電が発生した場合には、抵抗装置１０の抵抗値Ｒｄよりも小さな絶縁抵抗Ｒを検出する。このため、漏電判定回路９は、抵抗検出回路８で検出された絶縁抵抗Ｒを予め設定された抵抗しきい値Ｒｔｈと比較することにより、電力供給ラインＬ１上における漏電発生の有無を検知することができる。
【００２３】
以上説明したように、中間電位電極が設定されていない燃料電池１に対して、燃料電池１の負電極側及び正電極側における漏電の発生をそれぞれ独立して検出することができ、漏電の発生を検出したときに燃料電池１からの電力供給を遮断することが可能となる。
燃料電池１に中間電位電極が存在しないので、開閉接点４は、冷却水を介してアースに接続されていない燃料電池１の負電極側の電力供給ラインＬ２上にのみ配設されていればよく、冷却水を介してアースに接続されている燃料電池１の正電極側の電力供給ラインＬ１上には設ける必要がない。
【００２４】
その結果、燃料電池の構成部品数、体格、製作工数、コスト、質量等の低減及び縮小を図ることができるだけでなく、燃料電池からの電力供給を遮断するための開閉接点の個数を低減することが可能となる。このため、この発明は、フォークリフトを始めとする産業車両、その他の一般車両等、燃料電池を駆動源として搭載する各種の車両に適用すると、効果的である。
【００２５】
なお、上記の実施の形態１及び２においては、燃料電池１の正電極が冷却水あるいは抵抗装置１０を介してアースに接続されていたが、燃料電池１の極性を逆にして、燃料電池１の負電極を冷却水あるいは抵抗装置１０を介してアースに接続することもできる。この場合にも、全く同様にして、電位差検出回路７により検出される燃料電池１の負電極とアースとの間の電位差及び抵抗検出回路８により検出される燃料電池１の負電極とアースとの間の絶縁抵抗に基づいて漏電判定回路９が漏電発生の有無を判定することが可能となる。
【００２６】
また、上記の実施の形態１及び２においては、漏電判定回路９に予め設定される抵抗しきい値Ｒｔｈとして、冷却水の抵抗値Ｒｗあるいは抵抗装置１０の抵抗値Ｒｄよりわずかに小さい所定の値が選択されたが、この抵抗しきい値Ｒｔｈは、冷却水の抵抗値Ｒｗ以下あるいは抵抗装置１０の抵抗値Ｒｄ以下の適当な値に設定することができる。冷却水あるいは抵抗装置１０を介してアースに接続されている燃料電池１の電極側で漏電が発生したときには、抵抗検出回路８により検出される絶縁抵抗の値が大幅に低下するので、この低下を判別することができるような抵抗しきい値Ｒｔｈであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る漏電検出装置が備えられた燃料電池システムの等価回路を示す図である。
【図２】実施の形態１において燃料電池の負電極側で漏電が発生した状態を示す図である。
【図３】実施の形態１において燃料電池の正電極側で漏電が発生した状態を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る漏電検出装置が備えられた燃料電池システムの等価回路を示す図である。
【図５】中間電位電極が設定された２列セルスタック型の燃料電池を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池、２，３  エンドプレート、４  開閉接点、５  ラジエータ、６，１０  抵抗装置、７  電位差検出回路、８  抵抗検出回路、９  漏電判定回路、Ｌ１，Ｌ２  電力供給ライン、Ｒｗ  冷却水の抵抗値，Ｒｄ  抵抗装置の抵抗値。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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