JP2005317387A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の生成水や冷却水に起因する燃料電池とアースとの絶縁性の低下を正確に且つ簡易に検知できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、負荷Ｈに接続された補助電源３が、スイッチ４及び放電抵抗５１，５２を介して燃料電池２に接続されたものである。これら放電抵抗５１，５２は、アースＥに接続されており、燃料電池２の電極とアースＥとは、その間に絶縁抵抗６が形成された状態と等価であって実質的に絶縁されている。また、燃料電池システム１には、燃料電池２及び補助電源３の各電圧を測定するための電圧計１１，１２並びに、燃料電池２とアースＥとの間の電圧を測定するための電圧計１３を有している。本システム１では、これらの電圧実測値と放電抵抗５１，５２の抵抗値とから絶縁抵抗６の抵抗値（絶縁抵抗値）が正確に且つ簡易に算出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

電気自動車や、燃料電池発電システム等においては、一般に、保守管理時に各種機器の絶縁抵抗を測定して、絶縁劣化の状況を監視することが行われている。このような絶縁抵抗の測定方法としては、例えば特許文献１に記載されている方法が挙げられる。この従来方法は、被測定物を直流接地することなくその絶縁抵抗の測定を実現することを企図したものである。具体的には、交流電源等によって発振維持可能にされたＬＣ共振回路を、その回路と直列に接続されたコンデンサを介して電気自動車等の被測定物に接続し、そのＬＣ共振回路の電圧を測定することによって、被測定物とアースとの間の絶縁抵抗が求められる。
特開平８−１６００８２号公報

ところで、燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムに備わる高電圧回路は、安全性を確保するために、通常、アースと絶縁されている。しかし、燃料電池の構造上、マニホールドを介して配管が接続された電極は、配管を流れる生成水や冷却水の導電率で決定される抵抗値にて、不可避的にそのアースと電気的に接続されることとなる。このような状況で、生成水の成分が変化したり冷却水が劣化したりして導電率が増大すると、その抵抗値が低下し、これにより燃料電池とアースとの絶縁性が悪化してしまう。

このような絶縁性の低下を検知すべく、上記従来の絶縁劣化検出方法を適用しようとしても、配管内を流れる生成水や冷却水の成分変化や劣化に起因する抵抗値の変化を正確に測定することは困難である。また、ＬＣ共振回路や交流電源等を備える複雑な発振装置を新たに追加する必要がある。さらに、特許文献１に記載されているように、被測定物である燃料電池とアース間の大地間静電容量の変動に追従して交流電源の周波数調整を行うといった操作も必要とされる。よって、コストの増大と制御操作の煩雑化を招いてしまう傾向にある。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の生成水や冷却水に起因する燃料電池とアースとの絶縁性の低下を、正確に且つ簡易に検知することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、その燃料電池に抵抗を介して電圧を印加するように設けられた電源と、燃料電池の電圧を測定する第１の電圧測定部と、電源の電圧を測定する第２の電圧測定部と、燃料電池とアースとの間の電圧を測定する第３の電圧測定部と、燃料電池の電圧、電源の電圧、及び燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、電極とアースとの間の抵抗値（すなわち絶縁抵抗の抵抗値）を算出する演算部とを備えるものである。

このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池に抵抗を介して電源が接続されると共に、燃料電池が絶縁抵抗を介してアースに接続されるような閉回路ループが構成される。これを等価回路で表すと、抵抗及び絶縁抵抗をそれぞれ流れる電流の関係、燃料電池の電圧と抵抗及び絶縁抵抗による降下電圧との関係、並びに、電源電圧と抵抗及び絶縁抵抗による降下電圧との関係を数式化することができる。そして、これら複数の数式を解くことにより、絶縁抵抗の抵抗値を、抵抗の抵抗値、並びに、電源電圧、燃料電池電圧、及び燃料電池／アース間電圧の関係式として表し得る。これらのうち、抵抗の抵抗値は既知であり、各電圧値は、それぞれ第１の電圧測定部、第２の電圧測定部、及び第３の電圧測定部で実測される。

よって、演算部において、上記の絶縁抵抗の抵抗値を表す関係式に、これらの既定値及び実測値を代入することにより、絶縁抵抗の抵抗値が算出される。したがって、複雑な発振装置等を用いることなく、絶縁抵抗の抵抗値を測定できるので、燃料電池とアースとの間の絶縁性の変化を正確且つ簡易に検知できる。

より具体的には、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と電源との接続線を開くように作動する開回路手段（スイッチ、ダイオード等）を備えており、例えば、燃料電池及び電源の両者の同極同士がその開回路手段を介して接続されており、その開回路手段が開放された状態で形成される閉回路ループにおいて電圧測定が行われるものであると好ましい。

また、算出された燃料電池とアースとの間の抵抗値（絶縁抵抗値）が予め設定された基準値未満であるときに、燃料電池システムが異常であると判定する判定部を備えると好適である。基準値としては、燃料電池とアース間の絶縁を十分に担保して有意な漏電を防止できる。

このような異常判定がなされれば、その判定に引き続き当該燃料電池システムを停止させるとか、そのような異常が生じたことを作業者、操作者、運転者等の作為者に対して通報するといった制御を行うことができる。こうすれば、絶縁抵抗の劣化に起因する漏電や感電といった不都合な事態を確実に回避できる。

また、演算部は、燃料電池の電圧が所定値以下まで低下した後に、燃料電池の電圧、電源の電圧、及び燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、燃料電池とアースとの間の抵抗値を算出するものであると好ましい。さらに、その所定値が電源の電圧であるとより好ましい。

また、本発明による燃料電池システムの運転方法は、本発明の燃料電池システムを有効に運転するための方法であり、すなわち、燃料電池と、その燃料電池に接続された電源とを備える燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池に抵抗を介して電圧を印加する電圧印加ステップと、燃料電池の電圧を測定する第１電圧測定ステップと、電源の電圧を測定する第２電圧測定ステップと、燃料電池とアースとの間の電圧を測定する第３電圧測定ステップと、燃料電池の電圧、電源の電圧、及び燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、燃料電池とアースとの間の抵抗値（絶縁抵抗値）を算出する演算ステップとを備える。

さらに、算出された燃料電池とアースとの間の抵抗値（絶縁抵抗値）が予め設定された基準値未満であるときに、燃料電池システムが異常であると判定する判定ステップを備えると好ましい。

またさらに、演算ステップに先立って、燃料電池の電圧を所定値以下まで低下させる電圧低下ステップを備えると好適であり、このとき、所定値を上記電源の電圧とするとより好ましい。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃料電池に抵抗を介して電圧を印加し、所定部位での電圧を実測することにより、燃料電池とアースとの絶縁抵抗を測定できるので、燃料電池の生成水や冷却水に起因する高電圧回路とアースとの絶縁性の低下や絶縁不良を正確にしかも簡易に検知することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。

図１は、本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示す回路ブロック図である。燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車等に搭載されたシステムであって、自動車等の負荷Ｈに接続された燃料電池２を備えており、高電圧回路を構成している。燃料電池２には、直流電源である補助電源３が、両者のカソード２ａ，３ａ間に設けられたスイッチ４を介して、且つ、互いに直列に接続された放電抵抗５１，５２を介して接続されている。すなわち、スイッチ４と補助電源３のカソード３ａとの間の部位と、燃料電池２及び補助電源３の両者のアノード２ｂ，３ｂ間の部位とを結ぶように放電抵抗５１，５２が接続されている。このような構成により、スイッチ４が設けられた接続線が開放された状態で、補助電源３からの電圧が放電抵抗５１，５２を介して燃料電池２に印加される。

放電抵抗５１，５２としては、高電圧回路に備わるコンデンサ（図示せず）に蓄積された電荷を放電するための抵抗を用いることができ、補助電源３の抵抗値に比して十分に大きな抵抗値を有することが望ましい。さらに、放電抵抗５１，５２が、例えば車体のアースＥ（接地電位；ボディアース）に接続されており、燃料電池２の電極とアースＥとは、その間に十分に大きな抵抗値を有する絶縁抵抗６が形成されたのと等価状態にあり、実質的に絶縁されている。

またさらに、燃料電池システム１は、燃料電池２及び補助電源３のそれぞれの電圧を測定するための電圧計１１（第１の電圧測定部）及び電圧計１２（第２の電圧測定部）を備えている。さらにまた、電圧計１３（第３の電圧測定部）が、燃料電池２のカソード２ａとスイッチ４との間の部位と、放電抵抗５１，５２間の部位とに接続されている。この電圧計１３により、燃料電池２とアースＥとの間の電圧、つまり絶縁抵抗６の両端における電圧（電位差）が測定される。

また、電圧計１１，１２，１３は、制御系等に設けられた演算部８に接続されており、各電圧計１１，１２，１３で取得された電圧値信号が演算部８へ出力され、絶縁抵抗６の抵抗値を求めるための演算が行われる。演算部８は、判定部９に接続されており、算出された絶縁抵抗６の抵抗値と予め設定された基準値との比較演算が行われ、その結果に基づいて絶縁不良発生等の異常の有無が判定される。

このように構成された燃料電池システム１を用い、本発明による燃料電池システムの運転方法を実施する手順の一例について説明する。まず、燃料電池２の運転を停止（負荷Ｈへの電流の引き出しを停止）し、スイッチ４を開放する。これにより、補助電源３から、放電抵抗５１，５２を介して燃料電池２に高電圧を印加する（電圧印加ステップ）。それから、各電圧計１１，１２，１３による電圧測定を継続的又は断続的に実施し、各電圧値信号を演算部８へ出力する（第１〜第３電圧測定ステップ）。

さらに、燃料電池２への燃料ガス（水素ガス）及び酸化剤ガス（空気）の供給を停止し、燃料電池２内の発電を停止させるようにする。これにより、燃料電池２内の電圧が低下していき、やがて、燃料電池２の電圧が補助電源３の電圧よりも小さくなる（電圧低下ステップ）。このような条件になった後、演算部８において、以下に例示するようにして絶縁抵抗６の抵抗値を算出する。

ここで、図２は、スイッチ４が開放されたときの燃料電池システム１における燃料電池２及び補助電源３を含む回路ループの等価回路図である。なお、同図に示す等価回路１０において、燃料電池２及び補助電源３の各電圧をそれぞれＶ_FC，Ｖ_Batとし、放電抵抗５１，５２の各抵抗値をそれぞれＲ_A，Ｒ_B、及び両者を流れる各電流値をそれぞれＩ₁，Ｉ₂とし、さらに、測定対象である絶縁抵抗６の抵抗値をＲ_X、それを流れる電流値をＩ₃、及びその両端間の電圧をＶ_LLCとする。

そうすると、等価回路１０では下記式（１）〜（３）で表される関係が満たされる。

式（１）及び式（２）より、Ｉ₂を消去して下記式（４）で表される関係が得られる。

また、式（１）及び式（３）より、Ｉ₂を消去して下記式（５）で表される関係が得られる。

さらに、式（４）に（Ｒ_A＋Ｒ_B）を乗じて、下記式（６）を得る。

またさらに、式（５）にＲ_Bを乗じて、下記式（７）を得る。

次に、式（６）から式（７）を減じ、さらに、Ｉ₃について解くと下記式（８）で表される関係が得られる。

ここで、絶縁抵抗６では、下記式（９）で表される関係が満たされる。

この式（９）に式（８）を代入して下記式（１０）で表される関係が得られる。

さらに、式（１０）において、Ｒ_AとＲ_Bが等しい（Ｒ_A＝Ｒ_B）とし、さらに、Ｒ_Xについて解くと下記式（１１）で表される関係が得られる。

この式（１１）に、既知の値であるＲ_A、並びにＶ_Bat、Ｖ_FC、及びＶ_LLCの各実測値を代入し、絶縁抵抗６の抵抗値Ｒ_Xが算出される（演算ステップ）。さらに、得られた抵抗値Ｒ_Xを判定部９へ出力する。判定部９では、入力された抵抗値Ｒ_Xと予め設定しておいた基準値Ｒ_thとの比較演算が行われ、抵抗値Ｒ_Xが基準値Ｒ_th未満である場合に、絶縁不良によるシステム異常が発生したと判定する（判定ステップ）。一方、抵抗値Ｒ_Xが基準値Ｒ_th以上である場合には、燃料電池２とアースＥとの絶縁は十分に担保されており、処理を終了する。或いは、電圧計１１，１２，１３による各電圧測定、演算部８における上述した絶縁抵抗６の抵抗値Ｒ_Xの算出、及び判定部９における基準値Ｒ_thとの比較演算を繰り返して、異常発生の検知を引き続き実施してもよい。

このように構成された燃料電池システム１及びその運転方法によれば、燃料電池２に放電抵抗５１，５２を介して補助電源３から所定の高電圧が印加され、そのときの燃料電池２、補助電源３、及び燃料電池２とアースＥとの間の各電圧Ｖ_FC，Ｖ_Bat，Ｖ_LLCが実測される。そして、それら実測値と放電抵抗５１，５２の抵抗値を用い、具体的には上記式（１１）で表される関係に基づいて、演算部８において絶縁抵抗６の抵抗値Ｒ_Xを算出することができる。

よって、従来のような複雑な発振装置等を設けることなく、正確且つ簡易に燃料電池２とアースＥとの間の絶縁抵抗値の変化（絶縁劣化）を検出できる。したがって、燃料電池システム１において、燃料電池２での生成水、冷却水の成分変化や劣化によって導電率が増大してしまい、万一これに起因して絶縁性が不都合に悪化したとしても、そのような異常発生の有無を正確且つ迅速に検知できる。したがって、漏電事故や感電事故を確実に抑止できると共に、システム異常の誤判定ひいては不要なシステム停止を防止できる。また、装置構成が複雑ではなく、且つ、絶縁抵抗値を簡便に算出できるので、操作性及び操作制御性を向上できると共に、コストの増大をも防止できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、スイッチ４の代わりに、他の開回路を形成できる部材、例えばダイオードを設けてもよい。また、燃料電池２内の電圧を低下させるのに、燃料電池２への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止すると共に、それらガスの供給配管内の残存ガスを燃料電池２の発電により消費させるようにしてもよく、或いは、ガス供給を停止しつつそれらの供給配管に不活性ガスを送気するようにしてもよい。

本発明による燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池に抵抗を介して電圧を印加し、所定部位の電圧測定結果に基づいて、燃料電池とアースとの間の絶縁抵抗値を測定できるので、生成水や冷却水に起因する絶縁性の低下を正確に且つ簡易に検知することが可能となる。よって、燃料電池自動車、発電設備等の燃料電池システムを備える機器、動機、設備等に広く利用することができる。

本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示す回路ブロック図 である。 スイッチ４が開放されたときの燃料電池システム１における燃料電池２及 び補助電源３を含む回路ループの等価回路図である。

符号の説明

Ｈ…負荷、１…燃料電池システム、２ａ，３ａ…カソード、２ｂ，３ｂ…アノード、２…燃料電池、３…補助電源（電源）、４…スイッチ、６…絶縁抵抗、８…演算部、９…判定部、１０…等価回路、１１…電圧計（第１の電圧測定部）、１２…電圧計（第２の電圧測定部）、１３…電圧計（第３の電圧測定部）、５１，５２…放電抵抗、Ｅ…アース。

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に抵抗を介して電圧を印加するように設けられた電源と、
   前記燃料電池の電圧を測定する第１の電圧測定部と、
   前記電源の電圧を測定する第２の電圧測定部と、
   前記燃料電池とアースとの間の電圧を測定する第３の電圧測定部と、
   前記燃料電池の電圧、前記電源の電圧、及び前記燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、該燃料電池と該アースとの間の抵抗値を算出する演算部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 算出された前記燃料電池と該アースとの間の抵抗値が予め設定された基準値未満であるときに、当該燃料電池システムが異常であると判定する判定部を備える、
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記演算部は、前記燃料電池の電圧が所定値以下まで低下した後に、該燃料電池の電圧、前記電源の電圧、及び前記燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、該燃料電池と該アースとの間の抵抗値を算出するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定値が前記電源の電圧である、
   請求項３記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池と、該燃料電池に接続された電源とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池に抵抗を介して電圧を印加する電圧印加ステップと、
   前記燃料電池の電圧を測定する第１電圧測定ステップと、
   前記電源の電圧を測定する第２電圧測定ステップと、
   前記燃料電池とアースとの間の電圧を測定する第３電圧測定ステップと、
   前記燃料電池の電圧、前記電源の電圧、及び前記燃料電池とアースとの間の電圧に基づいて、該燃料電池と該アースとの間の抵抗値を算出する演算ステップと、
   を備える燃料電池システムの運転方法。
6. 算出された前記燃料電池と該アースとの間の抵抗値が予め設定された基準値未満であるときに、当該燃料電池システムが異常であると判定する判定ステップを備える、
   請求項５記載の燃料電池システムの運転方法。
7. 前記演算ステップに先立って、前記燃料電池の電圧を所定値以下まで低下させる電圧低下ステップを備える、
   請求項５又は６に記載の燃料電池システムの運転方法。
8. 前記電圧低下ステップにおいては、前記所定値を前記電源の電圧とする、
   請求項７記載の燃料電池システムの運転方法。
   

Images