JP4853004B2

JP4853004B2 - 燃料電池車

Info

Publication number: JP4853004B2
Application number: JP2005354812A
Authority: JP
Inventors: 哲也山崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2007157631A

Description

本発明は、燃料電池を使用したシステム、特に、このシステムにおける漏電検出についての技術に関する。

燃料電池で発電した電力を、電気部品（装置）に供給する燃料電池システムにおいては、漏電の有無を検出して、安全を確保することが望ましい。

下記特許文献１には、燃料電池車等の漏電を検出する技術が開示されている。ここでは、燃料電池の中間電位がグラウンド接続され、この接続経路を流れる漏電電流に基づいて、漏電の検出を行っている。

特開２００４−５５３８４号公報

漏電の発生箇所の検査や修理を行うためには、漏電箇所を特定することが必要となる。しかし、上記特許文献１の技術は、漏電箇所を特定するものではない。また、燃料電池システムを搭載した燃料電池車では、漏電が発生した場合に、直ちに走行を禁止したのでは、修理工場への自力走行などができず不便である。つまり、安全性を確保できるのであれば、燃料電池システムの運転を継続可能とすることが望ましいと言える。

本発明の目的は、燃料電池システムにおいて漏電箇所を特定する新たな技術を確立することにある。

本発明の目的は、燃料電池システムに漏電が発生した場合に、安全性を確認できる範囲で、その運転を実施できるようにすることにある。

本発明の燃料電池車は、燃料電池システムであって、電力を発電する燃料電池と、燃料電池により発電された電力が供給される複数の電気部品と、この複数の電気部品のいずれかにおいて漏電が発生したことを、その漏電に伴う漏電電流に基づいて検出する漏電検出器と、漏電検出器が漏電を検出した場合に、この漏電検出器を利用して、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する特定手段と、を含む燃料電池システムと、この燃料電池システムを搭載した車両と、前記燃料電池により発電された電力を用いて車両を駆動する駆動機構と、特定手段により漏電部分として特定された電気部品が、車両の走行に不可欠である不可欠部品でない場合に、その電気部品を燃料電池から電気的に切り離した状態で車両を走行させる一方、漏電部分として特定された電気部品が不可欠部品である場合に、車両の走行を禁止する走行設定手段とを備える。

燃料電池は、アノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば酸素）を化学反応させ、その過程で電力を取り出すことで、発電を行う装置である。燃料電池で発電した電力は、複数の電気部品、つまり電気を使用する装置に供給され、その動作に使用される。電気部品は、もちろん比較的低電圧で動作するものであってもよい。しかし、漏電対策の有用性を考慮すると、比較的高電圧で動作する高電圧部品を対象とすることが一層適当であると言える。比較的高電圧とは、漏電時の安全性の観点からすると、少なくとも５０Ｖ程度以上の電圧をいい、典型的には１００Ｖ程度以上の電圧をいう。すなわち、例えば車両に通常搭載される補機電源系（１２ＶバッテリとＤＣ／ＤＣコンバータ等により構成される）の電圧はここでの対象外である。また、燃料電池の出力を基準とする観点からは、燃料電池の出力電圧が直接印可される電気部品、昇圧されて印可される電気部品、あるいは、それほど低圧化されずに（例えば、出力電圧の５０％以上、少なくとも、出力電圧の２０％以上）印可される電気部品などを高電圧部品と呼ぶこともできよう。

漏電検出器は、漏電電流に基づいて、電気部品の漏電を検出する装置である。つまり、漏電電流の検出、あるいは、漏電電流に付随する電圧や磁界の変化といった電磁気的現象の検出に基づいて、漏電を検出する。また、この漏電検出器は、電気部品毎に専用に設けられるのではなく、複数の電気部品を対象として、そのいずれかの部分で漏電が発生したことを監視しうるものである。燃料電池システム内には、典型的には一つの漏電検出器が設けられるが、二つ以上設けられてもよい。なお、漏電とは、本来流れるべきでない箇所への通電をいう。通電の具体例としては、回路にかけられた水を通じて電流が漏れる例、絶縁部材の劣化によって絶縁が破れ電流が漏れる例、あるいは、電気部品が異常に高電圧化して絶縁が破れ電流が漏れる例などを挙げることができる。

特定手段は、漏電検出器が漏電を検出した場合に、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する。複数の電気部品におけるいずれの部分であるかを特定するとは、例えば、漏電を現に発生させた一又は二以上の電気部品を特定すること、漏電を現に発生させた一又は二以上の電気部品におけるさらに細部の箇所を特定すること、漏電を現に発生させた電気部品と発生させていない電気部品とを含み全体として漏電発生箇所を含む電気部品群を特定すること、上記電気部品群におけるさらに細部の箇所を特定すること、などを例示することができる。特定手段による漏電部位の特定にあたっては、漏電検出器が利用される。その利用は様々に行うことが可能であり、例えば、漏電検出器が漏電を検出した際の漏電電流について、その電流、電圧、磁場などの値や時間変化情報などを取得し、各電気部品に関して予め行われ記録された漏電テスト結果と比較したり、各電気部品の漏電時刻における動作異常の情報と比較したりする例が考えられる。また、最初に漏電検出器が漏電を検出した後で、電気部品に対する電力供給量を制限（停止や減少）して再度漏電検出器に漏電検出を行わせ、その結果を解析することも有効であろう。

この構成によれば、漏電検出器が漏電を検出した場合に、この漏電検出器が検出対象とする電気部品よりも狭い範囲で、漏電部位を特定することが可能となる。これにより、漏電の検査や修理が容易化できる利点が生じる。また、漏電箇所がシステムにとってどの程度深刻であるかの判断や、漏電箇所の切り離しも可能となる。特定された漏電箇所の情報は、必要に応じて、メモリに記憶したり、ユーザに伝達したりすればよい。

なお、特定手段による処理は、漏電を検出した際に、直ちに実施するようにしてもよいが、緊急を要しないような場合には適当なタイミングを待ってから実施するようにしてもよい。特に、特定手段による処理が、通常の燃料電池システムの運転を不可能なものとする場合には、システム状態を、通常運転モードではなく、特定手段による処理を行うための特定処理モードに設定する必要がある。したがって、例えば、許容範囲の微少な漏電電流が検出されているに過ぎないような場合には、燃料電池システムの停止直前や、次回起動時などに特定処理モードに移行するようにしても良いであろう。

本発明の燃料電池車の一態様においては、複数の電気部品の一部を電力の供給線から切り離す切離手段を備え、特定手段は、切離手段による切り離しを行った場合に漏電検出器が漏電を検出するか否かに基づいて、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する。切離手段は、例えば、電磁リレーや半導体スイッチなどによって実現することができる。また、本発明の燃料電池車の一態様においては、切離手段は、各電気部品をそれぞれ電力の供給線から切り離す機能を備え、特定手段は、切離手段による切り離しを行った場合に漏電検出器が漏電を検出するか否かに基づいて、いずれの電気部品において漏電が発生したかを特定する。

本発明の燃料電池車の一態様においては、燃料電池は、その中間電位が抵抗を介してグラウンドに接続され、漏電検出器は、この抵抗に流れる漏電電流に基づいて、複数の電気部品のいずれかとグラウンドとの間で漏電が発生したことを検出する。一般に、燃料電池においては、低電圧の電力を発電する多数のセルが直列接続され、これにより高電圧の電力が得られる。中間電位とは、直列接続されたあるセル間で得られる電位であり、燃料電池の正端子の電位よりも低く負端子の電位よりも高い。中間電位としては、正端子の電位と負端子の電位の中間値またその近傍値（正端子と負端子の電圧幅を１００％として、例えば、中間値の前後各１０％程度以内）の電位が用いられると、正端子及び負端子の両方と大きな電位差が確保できるので特に望ましい。しかし、中間電位として、中間値から大きくずれた電位を採用した場合にも、少なくとも一方の端子と大きな電位差を確保できるので十分に実用的なものとなる。

本発明の燃料電池車の一態様においては、燃料電池は、その中間電位が抵抗を介してグラウンドに接続され、漏電検出器は、この抵抗に流れる漏電電流に基づいて、複数の電気部品のいずれかとグラウンドとの間で漏電が発生したことを検出し、特定手段は、漏電電流の極性に基づいて、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する。つまり、漏電の際に抵抗に流れる漏電電流の向きに基づいて、正端子側の回路で漏電が発生したか、負端子側の回路で漏電が発生したかなどの情報を特定することができる。

本発明の燃料電池車によれば、燃料電池車において漏電が発生した場合であっても、安全性を確認できる範囲で、その走行が可能となる。走行に不可欠ではない場合の例としては、２系統以上用意された電気部品、走行に使用しない電気部品、走行に使用しないと性能低下を招くものの走行自体は可能である電気部品などが挙げられる。なお、電気部品を切り離した場合には、必要に応じて、その電気部品が使用できない旨をユーザ（ドライバ）に伝達すればよい。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池車１０の構成の概略を示す図である。燃料電池車１０は、車体１２及び車輪１４を含む車両に、燃料電池システムを搭載したものである。図においては、車両走行用の一般的な部品等は省略し、本実施の形態に特徴的な構成要素を中心に記している。

燃料電池車１０には、主たる構成要素として、燃料電池２０、空調機４０、エアコンプレッサ５０、パワステ機構６０、２次電池８０、漏電検出器１００、及び制御部１１０が含まれている。

燃料電池２０は、水素と酸素を供給され、この化学反応を利用して小電圧の電力を取り出すセルを多数備えている。これらのセルは直列に積層されて二つのスタック２２，２４を形成し、さらに両スタック２２，２４は直列接続されている。これにより、負側のスタック２２から引き出された負極端子２６と、正側のスタック２４から引き出された正極端子２８からは、約４００Ｖの高圧の電力が得られる。両スタック２２，２４の間には、その電位（中間電位と呼ばれる）を出力するための端子３０が設けられている。また、負極端子２６と正極端子２８からは、負線路３２及び正線路３４がそれぞれ引き出されている。この負線路３２及び正線路３４は、車両走行用のモータをはじめとする各種高電圧部品に電力を供給する。

空調機４０、エアコンプレッサ５０、パワステ機構６０は、負線路３２及び正線路３４から電力供給を受ける高電圧部品である。車両には、この他にも様々な高電圧部品が搭載されるが、ここではその代表例として、上記三つの高電圧部品を図示している。空調機４０は、燃料電池車１０の室内の空調を行う装置である。空調機４０では、接続と切離が可能に構成されたリレー４２を介して、正線路３４に正引込線４４が接続され、負線路３２に負引込線４６が接続されている。正引込線４４と負引込線４６は、空調機４０の電気回路を構成する線路であり、これにより、空調機４０には燃料電池２０により発電された高電圧の電力が供給される。

エアコンプレッサ５０は、空気を圧縮して燃料電池２０のカソードに供給する装置である。エアコンプレッサ５０に対しても、同様に、リレー５２を介して正引込線５４及び負引込線５６が正線路３４と負線路３２にそれぞれ接続され、電力の供給が行われる。また、パワステ機構６０は、燃料電池車１０のステアリングに与えられるドライバの回転力を増幅して、車輪１４の操舵を行う装置である。パワステ機構６０も、同様に、リレー６２を通じて、正引込線６４と負引込線６６に高電圧の電力供給を受け、高電圧部品として動作する。

２次電池８０は、鉛蓄電池などを利用して形成された補助的な電池である。２次電池８０では、両極が電解液に浸されたセル群８２が直列接続されて高電圧の電力供給を可能にしている。回路中に設けられたリレー８４は、２次電池８０による電力供給や充電の実行及び停止を制御するスイッチである。２次電池８０の負極端子８６及び正極端子８８からは、それぞれ、負線路９０及び正線路９２が伸びている。この負線路９０及び正線路９２は、リレー４８を介して空調機４０に接続されている。これにより、燃料電池２０の運転停止中などにおいても空調機４０を動作させることが可能となる。同様にして、２次電池８０による電力は、リレー５８，６８を介してそれぞれエアコンプレッサ５０とパワステ機構６０に供給される。

漏電検出器１００は、高電圧部品群に発生した漏電を検出する装置である。すなわち、燃料電池車１０に別途設けられた補機電源系（通常は１２Ｖバッテリと、必要に応じて設けられるＤＣ／ＤＣコンバータからなる）から電力供給される室内照明や速度メータなどの低電圧部品群ではなく、これらよりも高電圧な部品群を対象として漏電を検知する。漏電検出器１００では、燃料電池２０の端子３０から中間電位が入力され、抵抗１０２に接続されている。そして、抵抗１０２の他端は、抵抗１０４を介して車体１２の接続部１０５にグラウンド接続されている他、電圧検出部１０６にも接続されている。電圧検出部１０６は、抵抗１０２と抵抗１０４間の電圧を検出する装置であり、これにより、抵抗１０２と抵抗１０４を結ぶ回路に漏電電流が流れたこと、及びその電流量と流れ方向を検出することができる。電圧検出部１０６が漏電を検出した場合、その情報は警告出力部１０８に出力される。そして、警告出力部１０８は、制御部１１０に漏電を検出した旨の警告情報を出力する。

制御部１１０は、燃料電池車１０の走行や搭載部品についての制御を行う装置である。制御部１１０は、演算機能を備えたハードウエアと、その動作を規定するソフトウエア（プログラム）によって制御を実施する。制御部１１０には、部品特定部１１２と走行設定部１１４が含まれている。

部品特定部１１２は、漏電検出器１００から漏電を検出した旨の警告通知を受けた場合に、その漏電がどの高電圧部品に発生したかを特定するための処理を行うものである。具体的には、その処理では、各高電圧部品に対し、順次、燃料電池２０からの一時的な切離と再接続とを行う。そして、その高電圧部品を切離した間に、漏電検出器１００からの漏電警告が停止したか否かを確認する。その結果、漏電が停止した場合には、その高電圧部品が漏電の原因であると判定する。また、部品特定部１１２は、漏電検出器１００によって検出された漏電電流の極性（流れ方向）情報をもとに、その高電圧部品のどのあたりの部分（正極側か負極側かなど）で漏電が発生したかも判定することができる。

走行設定部１１４は、部品特定部１１２が、漏電の原因となった高電圧部品を特定した場合に、その高電圧部品を除いて車両の走行を行えるか判定し、行える場合にはその設定を実施するものである。すなわち、走行設定部１１４には、使用しなくても車両の走行を行うことができる高電圧部品についてのリストが予め記憶されており、そのリストを参照して走行の可否を判定する。そして、車両の走行にあたっては、漏電した高電圧部品のリレーを切断状態に保つように制御を行う。これにより、漏電した高電圧部品を隔離して安全を確保した上での車両の走行が可能となる。走行設定部１１４における処理は、一般に、燃料電池車１０の走行中には行うことができない。したがって、車両の走行を行うための通常の処理モードとは別のモードとして実施されることになる。

ここで、漏電が発生した場合の現象について説明する。漏電が発生していない場合、漏電検出器１００には、漏電電流は流れない。燃料電池２０における中間電位をもつ端子３０は、漏電検出器１００内の抵抗１０２，１０４を経由して、車体１２の接続部１０５にグラウンド接続されている。車体１２は、電気容量が大きく、また、車輪１４を通じて地面に接続されているため、「接地」しているということができる。この車体１２と高電圧部品の回路とは、通常状態では絶縁が確保されている。つまり、抵抗１０２，１０４と、高電圧部品の回路とは、一部が切断された状態にあり、回路を形成しない。

しかし、漏電が発生した場合には、抵抗１０２，１０４と、高電圧部品の回路とを含む回路が形成される。例えば、高電圧部品としてのパワステ機構６０において、負引込線６６と車体１２との間に水濡れが発生し、漏電部１３０を通って漏電が発生したとする。この場合、漏電部１３０と、金属性の車体１２に形成された電流の流路１３２とを介して、負引込線６６と接続部１０５とが電気的に接続される。このため、漏電検出器の抵抗１０２，１０４、燃料電池２０の端子３０、負側のスタック２２及び負極端子２６、並びに負線路３２を含む大きな回路が形成される。そして、この回路に起電力をもたらすスタック２２によって、漏電電流が流されることとなる。

続いて、図２を参照しながら、図１の電池自動車で行われる処理について説明する。図２は、漏電検出と、それに引き続く制御部の処理の流れを説明するフローチャートである。

燃料電池車１０を起動する場合や、漏電検査を行う場合などにおいては、まず燃料電池２０を起動する必要がある。この燃料電池２０の起動にあたっては、その起動に必要となるなどの理由から、通常、全ての高電圧部品のリレーが接続される（Ｓ１０）。図１の例では、２次電池８０の電力などを利用して、空調機４０、エアコンプレッサ５０、パワステ機構６０のリレー４２，５２，６２が接続状態に設定される。続いて、燃料電池２０が起動され（Ｓ１２）、必要に応じて暖気がなされた後に、十分な電力を高電圧部品に供給する。

この時、漏電が発生したとする。すると、漏電検出器１００の電圧検出部１０６は漏電電流を検出し、警告出力部１０８は制御部１１０へと漏電発生の警告を出力する（Ｓ１４）。

制御部１１０は、警告が通知された場合、部品特定部１１２による漏電箇所を特定する処理を行う。この処理では、順次各高圧部品の一時的な切り離しが行われる。そこで、まず、リレー４２が切離され、空調機４０が燃料電池２０の回路から隔離される（Ｓ１６）。そして、漏電検出器１００が漏電の検出を持続しているか否かが調べられる（Ｓ１８）。漏電が検出されない場合、隔離された空調機４０が漏電の原因であったと確定され、その情報が制御部１１０内のメモリなどに記録される（Ｓ２０）。

続いて、制御部１１０内の走行設定部１１４が、この空調機４０は燃料電池車１０の走行に不可欠な機器であるか否かを判定する（Ｓ２２）。空調機４０は、ドライバが室内の暑さを我慢しさえすれば、燃料電池車１０の走行には必要とされず、予め記憶されているリストには走行に不要なものとして登録されている。したがって、空調機４０は隔離された状態に保たれ、ドライバに対しては、空調機４０が漏電のため使用できない旨の警告がなされる（Ｓ２４）。こうして、漏電検出にかかる処理が終了し（Ｓ２６）、制御部１１０における処理は、燃料電池車１０を走行させるためのモードへと移行する。このモードでは、空調機４０を切り離した状態での燃料電池車１０の走行が可能となる。

なお、空調機４０が走行に必要なものである場合には、切り離しての走行は許されない。そこで、車両の走行は禁止され（Ｓ２８）、この漏電検出にかかる処理モードが終了する（Ｓ３０）。したがって、この場合には、制御部１１０の処理が走行モードになった場合にも、燃料電池車１０を走行させることはできない。ドライバに対しては、その旨の通知が行われる。

ステップＳ１８で漏電が検出されつづけた場合には、空調機４０は、漏電の原因ではないと判定される。したがって、リレー４２が再接続され、空調機４０への電力供給が再開される（Ｓ３２）。続いて、次の高電圧装置としてのエアコンプレッサ５０についての漏電確認が行われる。すなわち、エアコンプレッサ５０に電力供給を行うためのリレー５２が切り離され（Ｓ３４）、この場合に漏電が持続して検出されるか否かが判定される（Ｓ３６）。そして、空調機４０の場合と同様の処理が繰り返される。

以下、各高電圧部品について同様の処理が繰り返される。そして、漏電が検出された高電圧部品に対しては、燃料電池車１０の走行に不可欠ではない限り、それを切り離しての走行を可能とする対処がなされる。

ここで、燃料電池車の高電圧部品であって、その走行に不可欠ではないものの例を挙げておく。そのような例としては、まず、２系統用意された高電圧部品が挙げられる。２系統用意される高電圧部品は、一般に、１系統が使用できない場合にも燃料電池車１０の走行が可能となるように設計されている。

１系統しか用意されていない高電圧部品であっても、燃料電池車の走行に不可欠ではないものの例としては、例えば、燃料電池に圧縮空気を供給するエアコンプレッサを挙げることができる。エアコンプレッサを使用しない場合、燃料電池の出力が低下するものの走行は不可能とはならない。ステアリングの回転を補助するパワステ機構も、使用しなければステアリング操作が重たくなるものの、車輪の操舵には支障を来さない。また、燃料電池を冷却するためのウォータポンプやファンなども、燃料電池が過剰に高温化しない限りは、使用しなくても構わない。さらに、モータからの回生電力の消費に使用される放熱器も、走行に不可欠なものではない。

本実施の形態にかかる燃料電池車の構成を示す概略図である。漏電検出にかかる処理の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池車、１２車体、１４車輪、２０燃料電池、２２，２４スタック、２６負極端子、２８正極端子、３０端子、３２負線路、３４正線路、４０空調機、４２，４８，５２，５８，６２，６８，８４リレー、４４，５４，６４正引込線、４６，５６，６６負引込線、５０エアコンプレッサ、６０パワステ機構、８０２次電池、８２セル群、８６負極端子、８８正極端子、９０負線路、９２正線路、１００漏電検出器、１０２，１０４抵抗、１０５接続部、１０６電圧検出部、１０８警告出力部、１１０制御部、１１２部品特定部、１１４走行設定部、１３０漏電部、１３２流路。

Claims

燃料電池システムであって、
電力を発電する燃料電池と、
燃料電池により発電された電力が供給される複数の電気部品と、
この複数の電気部品のいずれかにおいて漏電が発生したことを、その漏電に伴う漏電電流に基づいて検出する漏電検出器と、
漏電検出器が漏電を検出した場合に、この漏電検出器を利用して、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する特定手段と、
を含む燃料電池システムと、
この燃料電池システムを搭載した車両と、
前記燃料電池により発電された電力を用いて車両を駆動する駆動機構と、
特定手段により漏電部分として特定された電気部品が、車両の走行に不可欠である不可欠部品でない場合に、その電気部品を燃料電池から電気的に切り離した状態で車両を走行させる一方、漏電部分として特定された電気部品が不可欠部品である場合に、車両の走行を禁止する走行設定手段とを備える、ことを特徴とする燃料電池車。
請求項１に記載の燃料電池車において、
走行設定手段は、予め記憶されたリストであって、使用しなくても車両の走行を行える電気部品についてのリストを参照して、漏電部分として特定された電気部品が不可欠部品であるか否かの判定を行う、ことを特徴とする燃料電池車。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池車において、
複数の電気部品の一部を電力の供給線から切り離す切離手段を備え、
特定手段は、切離手段による切り離しを行った場合に漏電検出器が漏電を検出するか否かに基づいて、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する、ことを特徴とする燃料電池車。
請求項３に記載の燃料電池車において、
切離手段は、各電気部品をそれぞれ電力の供給線から切り離す機能を備え、
特定手段は、切離手段による切り離しを行った場合に漏電検出器が漏電を検出するか否かに基づいて、いずれの電気部品において漏電が発生したかを特定する、ことを特徴とする燃料電池車。
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池車において、
燃料電池は、その中間電位が抵抗を介してグラウンドに接続され、
漏電検出器は、この抵抗に流れる漏電電流に基づいて、複数の電気部品のいずれかとグラウンドとの間で漏電が発生したことを検出する、ことを特徴とする燃料電池車。
請求項１に記載の燃料電池車において、
燃料電池は、その中間電位が抵抗を介してグラウンドに接続され、
漏電検出器は、この抵抗に流れる漏電電流に基づいて、複数の電気部品のいずれかとグラウンドとの間で漏電が発生したことを検出し、
特定手段は、漏電電流の極性に基づいて、複数の電気部品におけるいずれの部分において漏電が発生したかを特定する、ことを特徴とする燃料電池車。