JP2010003449A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタック内での生成水の滞留を防ぎ、生成水による燃料電池スタックの地絡を防ぐことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】カソードガスとアノードガスとが供給され、発電を行う燃料電池スタック４０と、カソードガスを燃料電池スタック４０に供給するエア供給システム７とを有する燃料電池システム１００において、地絡センサ３２により地絡が検出された際に、エア供給システム７から供給されるカソードガスの増量を行うことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）を供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガスとして空気（カソードガス）を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

また、燃料電池で発電された電気は、燃料電池に備えられた端子より取り出される仕組みとなっており、前記端子以外からは電気が流れない仕組み（地絡を防止する仕組み）となっている。このような仕組みとしては、例えば特許文献１に示されるように、燃料電池と、燃料電池を包囲する断熱材との接触を防止するための接触防止部材が設けられ、断熱材と燃料電池との間の短絡等を防止するものが知られている。
特開２００８−１３０２６１号公報

ところで、上述した燃料電池では、発電を行うと水素と酸素との反応により、燃料電池内に生成水が多量に生成される。また、燃料電池車両に搭載された燃料電池にあっては、燃料電池車両にかかる負荷が変化することで、その変化に伴って燃料電池の発電量も変化する。具体的には、燃料電池車両にかかる負荷が高負荷であれば燃料電池の発電量は多く、低負荷であれば燃料電池の発電量は少ない。また、燃料電池車両が全開走行している場合等では、燃料電池は高負荷で発電が行われるが、燃料電池車両が信号で停止した場合等、減速した場合には燃料電池の発電量が急激に低下する。

ここで、燃料電池車両が常に高負荷状態にある場合には、燃料電池内で生成された生成水は、燃料電池内へ連続的に供給されるガスとともに吹き飛ばされて燃料電池外部に排出される。しかしながら、燃料電池車両が低負荷状態になり、燃料電池の発電量が低下すると、これに伴って燃料電池に供給されるガスの供給量も減少する。これにより、燃料電池に供給される反応ガスとともに排出されていた生成水が、排出されずにガス排出路等に滞留するという問題がある。
そして、燃料電池内に滞留した生成水が、燃料電池と燃料電池の外部に設けられた補機（加湿器やキャッチタンク等）との間を繋げてしまと、そこから燃料電池が地絡する虞がある。万が一、燃料電池が地絡すると、燃料電池に過剰電流が流れる等、電気トラブルが生じる可能性がある。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池スタック内での生成水の滞留を防ぎ、生成水による燃料電池スタックの地絡を防ぐことができる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを供給し、発電を行う燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック４０）と、前記反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する反応ガス供給手段（例えば、実施形態におけるエア供給システム７）とを有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）において、前記燃料電池スタックからの地絡を検出する地絡検出手段（例えば、実施形態における地絡センサ）と、前記地絡検出手段により地絡が検出された際に、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスの増量を行う反応ガス増量手段（例えば、実施形態におけるエア供給システム７）とを有することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックが生成水の滞留以外を原因として地絡が発生しているフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部を有し、前記フェール判定部は、前記反応ガス増量手段による反応ガスを所定条件で増量した後に、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記反応ガス増量手段により反応ガスの供給量を増量してからの供給時間を検出する時間検出手段と、前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックがフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部と、を有し、前記フェール判定部は、前記時間検出手段により検出された時間が所定時間以上経過しても、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定し、前記反応ガス増量手段による反応ガスの増量を停止させることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、前記反応ガス増量手段により反応ガスの供給量を増量してからのガス供給量を検出するガス量検出手段と、前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックがフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部と、を有し、前記フェール判定部は、前記ガス量検出手段により検出されたガス供給量が所定量以上経過しても、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定し、前記反応ガス増量手段による反応ガスの増量を停止させることを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、前記反応ガス増量手段による反応ガス増量後に地絡が解消された場合には、前記反応ガスの増量を停止させることを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、アイドリングストップを禁止することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、地絡検出手段により燃料電池スタックからの地絡が検出された際に、反応ガス増量手段により燃料電池スタックに供給する反応ガスを増量することで、増量された反応ガスにより燃料電池スタック内に滞留した生成水が吹き飛ばされるように燃料電池スタックの外部へ排出される。つまり、燃料電池スタックが低負荷状態になり発電量が低下し、反応ガスの供給量が低下した場合であっても、増量した反応ガスによって燃料電池スタック内に滞留した生成水を除去することができる。
これにより、燃料電池スタックの発電量の低下等に伴う燃料電池スタック内での生成水の滞留を防ぎ、生成水による燃料電池スタックの地絡を防ぐことができる。また、燃料電池スタック内での生成水の滞留による各セル間の電食及び漏電を防ぐことができる。

ところで、反応ガスの増量を停止した直後に地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、地絡の原因が生成水の滞留によるものではなく、例えば電気配線の短絡によるもの等、他の原因で地絡が発生してフェール状態になっている可能性がある。
ここで、請求項２に記載した発明によれば、反応ガスの増量を停止した直後に地絡検出手段により地絡が検出されている場合に、燃料電池スタックがフェール状態であると判定することで、地絡の原因が生成水の滞留によるものではなく、他の原因であることを知ることができる。さらに、反応ガスを所定条件で増量した後に反応ガスの増量を停止することで、反応ガスの増量による燃料電池スタックの過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

請求項３に記載した発明によれば、反応ガスを所定時間増量しても地絡が回復していない場合に、地絡の原因が生成水の滞留によるものではなく他の原因に基づくものであるとして、フェール判定部により燃料電池スタックがフェール状態であると判定する。この場合には、反応ガスの増量を継続しても地絡を解消することができないので、反応ガスの増量を停止させることで、反応ガスの増量による燃料電池スタックの過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

請求項４に記載した発明によれば、反応ガスを所定量増量しても地絡が回復していない場合に、地絡の原因が生成水の滞留によるものではなく他の原因に基づくものであるとして、フェール判定部により燃料電池スタックがフェール状態であると判定する。この場合には、反応ガスの増量を継続しても地絡を解消することができないので、反応ガスの増量を停止させることで、反応ガスの増量による燃料電池スタックの過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

請求項５に記載した発明によれば、地絡が解消された場合に反応ガスの増量を停止することで、反応ガスの増量による燃料電池スタックの過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

請求項６に記載した発明によれば、地絡の発生を検出した場合に、燃料電池車両のアイドリングストップを禁止することで、確実に反応ガスの供給を行うことができるため、燃料電池スタック内に滞留する生成水を確実に除去することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池）
図１は燃料電池の概略構成図であり、図２はセルの断面図である。
図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池スタック４０と、燃料電池スタック４０から排出される生成水を収容するキャッチタンク（スタック外部デバイス）４１とを備えている。
燃料電池スタック４０は、板状に形成された単位燃料電池（以下、セルという）５５を多数積層して電気的に直列接続されたものであり、その両側にはインシュレータ４２を介して一対のエンドプレート４３（図１では１枚のみ示す）が配置されている。つまり、多数のセル５５は、その積層方向の両端部においてインシュレータ４２を間に挟んでエンドプレート４３により挟持されている。

セル５５は、図２に示すように、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）等の固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード５２とカソード５３とで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ５４，５４で挟持して形成される。また、各セル５５は、燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）が流通する水素ガス通路５６と、酸化ガスとして酸素を含む空気（カソードガス）が流通する空気通路５７と、冷却液が供給される冷却液通路５８とを備えている。そして、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード５３まで移動し、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池１が所定温度を越えないように、冷却液通路５８を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。

図１に示すように、各セル５５には、セル５５の厚さ方向（積層方向）に貫通するカソードオフガス排出口４４が形成されている。このカソードオフガス排出口４４は、燃料電池スタック４０内で発電に供されたカソードオフガスと、燃料電池スタック４０内で反応により生成された生成水とを流通させ、燃料電池１の外部へ排出するためのものである。また、セル５５とともに積層されたインシュレータ４２及びエンドプレート４３にも同様に、セル５５のカソードオフガス排出口４４に面方向で重なるように、インシュレータ４２及びエンドプレート４３の厚さ方向に貫通するカソードオフガス排出口４５，４６が形成されている。

そして、各セル５５、インシュレータ４２、及びエンドプレート４３の各カソードオフガス排出口４４，４５，４６は、相互に連結されてカソードオフガス排出用連通口４７を構成している。カソードオフガス排出用連通口４７は、燃料電池スタック４０におけるセル５５の積層方向に沿って連通しており、エンドプレート４３のカソードオフガス排出口４６が燃料電池スタック４０外部に向けて開口している。

カソードオフガス排出用連通口４７の下流側、すなわちエンドプレート４３を間に挟んでセル５５の反対側には、燃料電池スタック４０から排出された生成水を収容するためのキャッチタンク４１が配置されている。キャッチタンク４１は、箱型形状のものであり、キャッチタンク４１内に所定量の生成水が溜まると、正成水を外部へ排出するようになっている。キャッチタンク４１と燃料電池スタック４０との間には、キャッチタンク４１と燃料電池スタック４０のカソードオフガス排出用連通口４７とを結ぶ中間ジョイント４８が連結されている。この中間ジョイント４８は、円筒形状のものであり、一端がカソードオフガス排出用連通口４７の開口部（エンドプレート４３のカソードオフガス排出口４６）内に連結され、他端がキャッチタンク４１の供給口４９に連結されている。つまり、燃料電池スタック４０からカソードオフガス排出用連通口４７を流通するカソードオフガスや生成水が、中間ジョイント４８及びキャッチタンク４１を経て燃料電池１の外部に排出される。

なお、キャッチタンク４１はグランド５０に接続されており、燃料電池１の接地が行われている。また図示しないが、燃料電池スタック４０には、空気や生成水を排出するためのカソードオフガス排出用連通口４７と同様に、燃料電池スタック４０での反応後のアノードオフガス及びアノード５２側に浸入した生成水を排出する水素ガス排出用連通口も形成されている。

（燃料電池システム）
次に、本実施形態の燃料電池システムについて説明する。図３は、燃料電池システムの概略構成図である。
図３に示すように、この燃料電池システム１００における燃料電池１は、燃料電池車両（不図示）に搭載されたものであって、上述した燃料電池スタック４０で構成されている。なお、図３においては、上述したセルキャッチタンク４１の記載を省略する。
燃料電池システム１００は、アノードガスである水素ガスが貯留され、燃料電池１に向けてアノードガスを供給する水素供給システム１５を備えている。この水素供給システム１５は、アノードガス供給路１７を介して、燃料電池１の入口に接続されている。アノードガス供給路１７における水素供給システム１５と燃料電池１との間には、アノードガスを所定圧力に減圧する減圧弁（不図示）と、アノードオフガスをアノードガス供給路１７に合流させるエゼクタ１９とが設けられている。

一方、燃料電池１におけるアノードガスの排出（出口）側には、アノードオフガス循環路１８が接続されている。燃料電池１において消費されなかった未反応のアノードガスは、アノードオフガス循環路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、再び燃料電池１のアノードガス供給路１７に供給される。
また、アノードオフガス循環路１８からは、水素排出弁２１を備えたアノードオフガス排出路２２が分岐している。水素排出弁２１は、燃料電池１を循環するアノードガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。

また、燃料電池システム１００は、カソードガスである空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャー等のエア供給システム（反応ガス供給手段及び反応ガス増量手段）７を備えている。このエア供給システム７には、エア供給システム７から燃料電池１にカソードガスを供給するためのカソードガス供給路８が接続されている。このカソードガス供給路８は、エア供給システム７から加湿器３１を経て燃料電池１の入口に接続されている。燃料電池１の出口には、カソードオフガス排出路９が接続されている。そして、カソードオフガス排出路９は、加湿器３１を経て希釈ＢＯＸ３０に接続されている。

上述した加湿器３１には、カソードガス供給路８とカソードオフガス排出路９とが接続されており、燃料電池１の反応後に燃料電池１から排出されるカソードオフガスを加湿ガスとして用い、燃料電池１の反応に使用される空気（カソードガス）を加湿するようになっている。そして、加湿器３１を流通したカソードオフガスは、カソードオフガス排出路９を通って希釈ＢＯＸ３０に供給される。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池１の地絡を検出するための地絡センサ（地絡検出手段）３２を備えている。この地絡センサ３２は、上述したグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値（ＲＬＥＡＫ）を常時モニタリングしているものであり、モニタリングの結果を抵抗値検出信号として制御部３９に向けて出力している。

ここで、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を統括的に制御するための制御部３９を備えている。例えば、制御部３９には、燃料電池１が地絡する虞のある絶縁抵抗値の閾値（以下、地絡判定値Ｒという）が記憶されており、この地絡判定値Ｒと地絡センサ３２から出力された抵抗値検出信号とを比較する。これにより、燃料電池１が地絡したか否かが検出できるようになっている。そして、制御部３９は、燃料電池１が地絡していると検出された場合、エア供給システム７から燃料電池１に向けて供給されるカソードガスの供給量を制御するためのエア量制御信号を、エア供給システム７に向けて出力する。
また、制御部３９は、エア供給システム７によるカソードガスの増量を停止した後に、地絡が検出されている場合には、生成水の滞留以外を原因として地絡が発生しているフェール状態であると判定するフェール判定部を備えている。

（地絡検出方法）
次に、本実施形態の地絡検出方法について説明する。まず始めに、燃料電池の地絡の発生原因について説明する。図４は、地絡発生時における燃料電池の概略構成図である。
図４に示すように、燃料電池１では、発電を行うとアノードガスとカソードガスとの反応により、燃料電池１内に生成水Ｗが多量に生成される。生成された生成水Ｗは、カソードオフガスとともに各セル５５の空気通路５７を流通してカソードオフガス排出用連通口４７に排出される。カソードオフガス排出用連通口４７に排出された生成水Ｗは、中間ジョイント４８内を流通してキャッチタンク４１内に排出される。そして、生成水Ｗがキャッチタンク４１内に所定量溜まると、生成水Ｗが燃料電池１の外部へ排出されるようになっている。

ここで、燃料電池車両が高負荷状態にある場合には、燃料電池１内で生成された生成水Ｗは、燃料電池１内からカソードガス排出用連通口４７へ連続的に排出されるカソードオフガスとともにキャッチタンク４１に向けて吹き飛ばされるように排出される。一方、燃料電池車両が高負荷状態から低負荷状態に低下した場合（発電量が低下した場合）には、負荷の低下に伴いエア供給システム７から燃料電池１に供給されるカソードガスの供給量が減少するため、カソードガス排出用連通口４７から排出されるカソードオフガスの排出量も減少する。これにより、燃料電池１に供給されるカソードオフガスとともに排出されていた生成水Ｗが、排出されずにカソードガス排出用連通口４７や中間ジョイント４８内等に滞留する。

この時、カソードガス排出用連通口４７や中間ジョイント４８内に残留した生成水Ｗが、燃料電池スタック４０と燃料電池スタック４０の外部に設けられたキャッチタンク４１との間を架け渡すことになり、グランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が減少する（図４中破線参照）。その結果、燃料電池１が地絡する。万が一、燃料電池１が地絡すると、燃料電池１に過剰電流が流れる等、電気トラブルが生じる可能性がある。また、生成水Ｗがカソードオフガス排出用連通口４７内に滞留すると、各セル５５間において電食や漏電が生じる虞もある。

図５は、地絡検出方法を示すフローチャートであり、図６は時間（ｔ）に対する絶縁抵抗値及びカソードガス供給量を示すタイムチャートである。
まず、図５，６に示すように、ステップＳ１１において、地絡センサ３２によりグランド５０と燃料電池１（高電圧部）との間の絶縁抵抗値を常時モニタリングする。そして、地絡センサ３２は、モニタリングにより得られた結果を抵抗値検出信号として、制御部３９に向けて出力する。

次いで、ステップＳ１２において、制御部３９は、地絡センサ３２により出力された抵抗値検出信号と、制御部３９に記憶された地絡判定値Ｒとを比較して、グランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が、地絡判定値Ｒより低いか否かを判定する（絶縁抵抗＜判定値）。

ステップＳ１２の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわちグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒ以上である場合、燃料電池１は地絡していないと判定し、ステップＳ１１に戻って地絡センサ３２による絶縁抵抗値のモニタリングを継続する。
一方、ステップＳ１２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわちグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒよりも低い場合（図６中時間ｔ１以降）、制御部３９は燃料電池１が地絡したと判定し、エア供給システム７に向けてエア制御信号を出力する。そして、ステップＳ１３に進む。

そして、ステップＳ１３において、エア供給システム７は、制御部３９から出力されたエア制御信号を受信すると、燃料電池１のカソード５３側に供給するカソードガスの量（図６中Ａｉｒ量）を増量させる。具体的には、図６に示すように、絶縁抵抗値が地絡抵抗値Ｒを下回ってから所定時間Ｔ１経過後、時間ｔ２においてカソードガスの供給量を定常量Ｑから所定量ΔＱだけ増量する。そして、カソードガスを所定量ΔＱだけ増量した状態で、所定時間Ｔ２供給する。そして、所定時間Ｔ２経過後、時間ｔ３においてカソードガスの供給を停止し、カソードガスの供給量を定常量Ｑに戻す。なお、カソードガスの増量分の供給量である所定量ΔＱ及びカソードガスの供給時間である所定時間Ｔ２は、絶縁抵抗値が回復するために充分な供給量及び時間に設定されている。そして、カソードガスの増量が停止されたらステップＳ１４に進む。

図７は、図１の要部拡大図であり、上述したステップＳ１３における燃料電池内の生成水の流れを示す説明図である。
エア供給システム７から供給されるカソードガスが増量されると、まず図３に示すように、増量されたカソードガスが、カソードガス供給路８内を流通し、加湿器３１を経て燃料電池スタック４０内に供給される。そして、燃料電池スタック４０内を流通したカソードガスは、カソードオフガスとなって空気通路５７からカソードオフガス排出用連通口４７に排出される。
ここで、図７（ａ）に示すように、カソードオフガス排出用連通口４７に排出されたカソードオフガス（図７（ａ）中矢印）は、カソードオフガス排出用連通口４７を流通してキャッチタンク４１に向けて流通する。この時、カソードオフガスは、カソードオフガス排出用連通口４７から中間ジョイント４８内に滞留する生成水Ｗを下流側（キャッチタンク４１側）へ向けて吹き飛ばすように作用する。そして、カソードオフガスにより下流側へ吹き飛ばされた生成水Ｗは、キャッチタンク４１内へ流入してキャッチタンク４１から燃料電池１の外部へ排出される。そして、図７（ｂ）に示すように、カソードオフガス排出用連通口４７から中間ジョイント４８内に滞留した生成水Ｗは除去される。これにより、図６に示すように、時間ｔ３から時間ｔ４にかけて絶縁抵抗値が回復していく。

ところで、燃料電池１の地絡の原因が生成水Ｗの滞留によるものである場合、上述したステップＳ１３においてカソードガスを増量することで、上述したように生成水Ｗが除去されてグランド５０と燃料電池１との絶縁抵抗値が上昇し、地絡を回復させることができる。しかしながら、地絡の原因が生成水Ｗの滞留によるものではない場合、例えば燃料電池１内における電気配線の短絡等、他の原因がある場合には、生成水Ｗが除去されても絶縁抵抗値は回復せずに地絡した状態が維持される（図６中破線Ｒ１参照）。このように、生成水Ｗの滞留以外を原因として地絡が発生している状態をフェール状態（地絡フェール）という。

そこで、図５，６に示すように、ステップＳ１４において、制御部３９によりグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が、地絡判定値Ｒより高いか否かを判定する（図６中時間ｔ５：絶縁抵抗＞判定値）。なお、この時の地絡判定値Ｒは、上述したステップＳ１２における地絡判定値Ｒと同値に設定してもよいが、ステップＳ１２における地絡判定値Ｒより若干高く設定すれば制御を安定させることができる。
ステップＳ１４の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒ以下の場合、生成水Ｗを除去しても地絡が回復していないため、フェール判定部により燃料電池１がフェール状態にあると判定してステップＳ１５に進む。

一方、ステップＳ１４の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒよりも高い場合、生成水Ｗが除去されることで絶縁抵抗値が回復したと判定してフローを終了する。なお、絶縁抵抗値が回復後、再びが低下した場合（図６中Ｒ２）には、上述のフローを繰り返す。

このように、本実施形態では、地絡センサ３２により地絡が検出された際に、エア供給システム７から供給されるカソードガスの増量を行う構成とした。
この構成によれば、地絡センサ３２により燃料電池１からの地絡が検出された際に、エア供給システム７により燃料電池スタック４０に供給するカソードガスを増量することで、増量されたカソードガスにより燃料電池１内に滞留した生成水Ｗが吹き飛ばされるように燃料電池１の外部へ排出される。つまり、燃料電池１が低負荷状態になり発電量が低下し、カソードガスの供給量が低下した場合であっても、増量したカソードガスによって燃料電池１内に滞留した生成水を除去することができる。
これにより、燃料電池１の発電量の低下等に伴う燃料電池１内での生成水Ｗの滞留を防ぎ、生成水Ｗによる燃料電池１の地絡を防ぐことができる。また、カソードオフガス排出用連通口４７内での生成水Ｗの滞留による各セル５５間の電食及び漏電も防ぐことができる。

そして、カソードガスの増量を停止した直後に地絡センサ３２により地絡が検出されている場合に、燃料電池スタック４０がフェール状態であると判定することで、地絡の原因が生成水Ｗの滞留によるものではなく、他の原因であることを知ることができる。さらに、カソードガスを所定時間Ｔ２、所定量ΔＱで増量した後にカソードガスの増量を停止することで、カソードガスの増量による燃料電池スタック４０の過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

（第２実施形態）
（地絡検出方法）
次に、第２実施形態における地絡検出方法について説明する。図８は、第２実施形態における地絡検出方法を示すフローチャートである。第２実施形態では、地絡が検出された場合にアイドリングストップを禁止する。なお、以下の説明においては、第１実施形態における図６を適宜援用するとともに、上述した第１実施形態と同様のフローについては、説明を省略する。
図８に示すように、ステップＳ２１において、第１実施形態と同様に地絡センサ３２によりグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値を常時モニタリングし、ステップＳ２２において、グランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が、地絡判定値Ｒより低いか否かを判定する（絶縁抵抗＜判定値）。

ステップＳ２２の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒ以上である場合、燃料電池１は地絡していないと判定し、ステップＳ２１に戻って地絡センサ３２による絶縁抵抗値のモニタリングを継続する。
一方、ステップＳ２２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒよりも低い場合（図６中時間ｔ１以降）、燃料電池１が地絡していると判定し、エア供給システム７に向けてエア制御信号を出力する。そして、ステップＳ２３に進む。

ここで、ステップＳ２３において、制御部３９により燃料電池車両のアイドリングストップを禁止させる。つまり、燃料電池車両の車両停止時に燃料電池１のアイドリングストップ（発電停止）を行うと、燃料電池システム１００（図３参照）が停止して、エア供給システム７も停止するため、アイドリングストップを禁止することで、エア供給システム７が停止しないようにする。

次に、ステップＳ２４において、第１実施形態のステップＳ１３と同様に、燃料電池１内に供給するカソードガスの供給量を増量して、燃料電池１内に滞留する生成水Ｗ（図７参照）を除去する。

そして、ステップＳ２５において、第１実施形態と同様に絶縁抵抗値が、地絡判定値Ｒより高いか否かを判定する（絶縁抵抗＞判定値）。
ステップＳ２５の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒ以下の場合、生成水Ｗを除去しても地絡が回復していないため、フェール判定部により燃料電池１がフェール状態にあると判定してステップＳ２６に進む。

一方、ステップＳ２５の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒよりも高い場合、生成水Ｗが除去されることで絶縁抵抗値が回復したと判定してステップＳ２７に進む。
そして、ステップＳ２７において、制御部３９によりアイドリングストップの許可を行い、フローを終了する。

したがって、第２実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、地絡の虞有りと判定した場合に、制御部３９により燃料電池車両のアイドリングストップを禁止することで、確実にカソードガスの供給を行うことができるため、燃料電池１内に滞留する生成水Ｗを確実に除去することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態は、制御部３９がカソードガスを増量してからの時間を検出する時間検出手段を有している点で、上述した実施形態と相違している。また、上述したフェール判定部が、時間検出手段により検出された時間が所定時間以上経過しても、地絡センサ３２により地絡が検出されている場合には、フェール状態と判定するようになっている。
（地絡検出方法）
図９は、第３実施形態における地絡検出方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、上述した第１実施形態と同様のフローについては、説明を省略する。
図９に示すように、ステップＳ３１からステップＳ３３までは、上述した第１実施形態のステップＳ１１からステップＳ１３と同様のフローを行う。

そして、ステップＳ３４において、制御部３９の時間検出手段によりカソードガスを増量してからの供給時間が所定時間を経過したか否かを判定する。
ステップＳ３４における判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわちカソードガスの供給時間が所定時間を経過していない場合は、ステップＳ３３に戻り、カソードガスの増量を継続する。
一方、ステップＳ３４における判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわちカソードガスの供給時間が所定時間を経過した場合は、ステップＳ３５に進む。

次に、ステップＳ３５において、上述したステップＳ１４と同様に、制御部３９によりグランド５０と燃料電池１との間の絶縁抵抗値が、地絡判定値Ｒより高いか否かを判定する（絶縁抵抗＞判定値）。
ステップＳ３５の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒ以下の場合、生成水Ｗを除去しても地絡が回復していないため、フェール判定部により燃料電池１がフェール状態にあると判定してステップＳ３６に進む。

一方、ステップＳ３５の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち絶縁抵抗値が地絡判定値Ｒよりも高い場合、生成水Ｗが除去されることで絶縁抵抗値が回復したと判定してステップＳ３７に進む。
そして、ステップＳ３７において、制御部３９からエア供給システム７に向けてエア量制御信号を出力する。エア量制御信号を受信したエア供給システム７は、カソードガスの増量を停止してカソードガスの供給量を定常量Ｑ（図６参照）に戻す。
以上により、本実施形態のフローを終了する。

したがって、本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することに加え、絶縁抵抗値が回復したと判定した後にカソードガスの増量を停止するため、燃料電池１内に滞留する生成水Ｗをより確実に除去することができる。
また、カソードガスを所定量増量しても地絡が回復していない場合に、地絡の原因が生成水Ｗ（図７参照）の滞留によるものではなく他の原因に基づくものであるとして、フェール判定部により燃料電池スタック４０がフェール状態であると判定する。この場合には、カソードガスの増量を継続しても地絡を解消することができないので、カソードガスの増量を停止させることで、カソードガスの増量による燃料電池スタック４０の過乾燥及び燃費の悪化を防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した第３実施形態では、カソードガスの供給量を増量してからの時間を計測するための時間検出手段を備える構成について説明したが、カソードガスを増量してからの供給量を計測するガス量計測手段を備えるような構成にしても構わない。この場合、カソードガスを増量してから所定量を増量した後に、絶縁抵抗値が地絡判定値よりも高いか否かを判定する。その後、カソードガスの増量を停止してカソードガスの供給量を定常量に戻すことで、上述した第３実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の実施形態における燃料電池の概略構成図である。 本発明の実施形態における燃料電池のセルの断面図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 地絡発生時における燃料電池の概略構成図である。 本発明の第１実施形態における地絡検出方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における時間（ｔ）に対する絶縁抵抗値及びカソードガス供給量を示すタイムチャートである。 図１の要部拡大図であり、燃料電池内の生成水の流れを示す説明図である。 第２実施形態における地絡検出方法を示すフローチャートである。 第３実施形態における地絡検出方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池 ７…エア供給システム（反応ガス供給手段，反応ガス増量手段） ３２…地絡センサ（地絡検出手段） ３９…制御部 ４０…燃料電池スタック

Claims (6)

1. 反応ガスを供給し、発電を行う燃料電池スタックと、
   前記反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する反応ガス供給手段とを有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックからの地絡を検出する地絡検出手段と、
   前記地絡検出手段により地絡が検出された際に、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスの増量を行う反応ガス増量手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックが生成水の滞留以外を原因として地絡が発生しているフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部を有し、
   前記フェール判定部は、前記反応ガス増量手段による反応ガスを所定条件で増量した後に、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記反応ガス増量手段により反応ガスの供給量を増量してからの供給時間を検出する時間検出手段と、
   前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックがフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部と、を有し、
   前記フェール判定部は、前記時間検出手段により検出された時間が所定時間以上経過しても、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定し、前記反応ガス増量手段による反応ガスの増量を停止させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記反応ガス増量手段により反応ガスの供給量を増量してからのガス供給量を検出するガス量検出手段と、
   前記地絡検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックがフェール状態であるか否かを判定するフェール判定部と、を有し、
   前記フェール判定部は、前記ガス量検出手段により検出されたガス供給量が所定量以上経過しても、前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、フェール状態であると判定し、前記反応ガス増量手段による反応ガスの増量を停止させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記反応ガス増量手段による反応ガス増量後に地絡が解消された場合には、前記反応ガスの増量を停止させることを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記地絡検出手段により地絡が検出されている場合には、アイドリングストップを禁止することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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