JP2011216370A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、燃料電池スタック内に微少電流漏れが発生することを確実に阻止するとともに、凝縮水の排水処理を良好に遂行可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂの出口に連通し、凝縮水を貯留する貯留部１１６を有する樹脂製配管１１２と、前記貯留部１１６に貯留された前記凝縮水を排水する排水配管１２０と、流量調整装置と、システム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置とを備える。流量調整装置は、貯留部１１６に貯留された凝縮水の貯水量を検出する貯水量検出部と、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値を除くシステム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断する絶縁抵抗値判断部と、前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部１１６に貯留された前記凝縮水を排水配管１２０に放流させる放流調整部とを設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記発電セルから排出される凝縮水を貯留する貯留部を有する電気絶縁性の接続部材と、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を排水する排水配管と、前記排水配管を流れる前記凝縮水の流量を調整する流量調整装置と、システム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置とを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を備えている。

その際、燃料電池スタックには、外部機器、例えば、加湿器が排出側配管を介して反応ガス排出連通孔に連通している。このため、燃料電池スタックと排出側配管との接続部位から凝縮水を介して微少電流が流れることがある（以下、微少電流漏れともいう）。

そこで、この種の微少電流漏れを抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムは、図１５に示すように、燃料電池スタック１を備えており、この燃料電池スタック１は、複数のセルモジュール２を積層した積層体を備えるとともに、この積層体の積層方向両端には、エンドプレート３ａ、３ｂが配設されている。

一方のエンドプレート３ａには、加湿された水素ガス、加湿された空気及び冷却液のそれぞれの供給配管４ａ、５ａ及び６ａと、それぞれの排出配管４ｂ、５ｂ及び６ｂとが接続されている。これらの供給配管４ａ〜６ａ及び排出配管４ｂ〜６ｂは、電気絶縁性部材で形成されている。

特開２００５−３３２６７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、特に排出配管５ｂに連通する空気排出連通孔（図示せず）には、発電により生成される生成水が凝縮して滞留水（凝縮水）が発生し易い。一方、排出配管４ｂに連通する水素ガス排出連通孔（図示せず）には、生成水の電解質膜を介した逆拡散による水分が凝縮して滞留水（凝縮水）が発生し易い。

このため、排出配管４ｂ、５ｂ内には、凝縮水が反応ガス排出圧力によって排出されており、この凝縮水を介して発電セル間で短絡が惹起されるおそれがある。その際、発電セルには、電極触媒として、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒や白金触媒等、白金族が使用されている。従って、水素、空気及び水が存在するとともに、白金族触媒によって、多量の過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）が発生してしまう。これにより、通常の電流量に比べて大電流が流れるため、ＭＥＡの劣化が促進されるという問題がある。

一方、凝縮水を介して複数の発電セルに跨って短絡が惹起されるおそれがある。このため、通常の電流量に比べて大電流が流れてしまい、特に金属部材であるセパレータのイオン化による劣化が促進されるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、燃料電池スタック内に微少電流漏れが発生することを確実に阻止するとともに、凝縮水の排水処理が良好に遂行可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、複数の発電セルが積層されるとともに、発電反応に使用された反応ガスを、積層方向に流通させる反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池スタックと、前記反応ガス排出連通孔の出口に連通し、前記発電セルから排出される凝縮水が貯留される貯留部を有する電気絶縁性の接続部材と、前記接続部材に連結され、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を排水する排水配管と、前記排水配管を流れる前記凝縮水の流量を調整する流量調整装置と、前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値及び該燃料電池スタック以外の絶縁抵抗値を含むシステム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置とを備えている。

この燃料電池システムでは、流量調整装置は、貯留部に貯留された凝縮水の貯水量を検出する貯水量検出部と、燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除くシステム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断する絶縁抵抗値判断部と、前記絶縁抵抗値判断部により、前記システム絶縁抵抗値が前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を前記排水配管に放流させる放流調整部とを設けている。

また、この燃料電池システムでは、絶縁抵抗値判断部により、システム絶縁抵抗値が設定絶縁抵抗値を超えないと判断された際、放流調整部は、排水配管に放流可能な凝縮水量を算出し、算出された前記凝縮水量の前記凝縮水を前記排水配管に放流することが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、貯留部と排水配管とを開閉するためのバルブを備え、算出された凝縮水量が、前記バルブの開閉動作で排水できる水量を超えている際、流量調整装置は、燃料電池スタックに供給される反応ガス量を増加させることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムは、反応ガス量の増加ができない際に報知するための報知部を備えることが好ましい。

また、この燃料電池システムでは、貯水量検出部は、燃料電池スタックの発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から貯留部の貯水量を検出することが好ましい。

さらに、この制御方法は、貯留部に貯留された凝縮水の貯水量を検出する工程と、燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除くシステム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断する工程と、前記システム絶縁抵抗値が前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を前記排水配管に放流させる工程とを有している。

さらにまた、この制御方法は、燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除くシステム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えないと判断された際、排水配管に放流可能な凝縮水量を算出し、算出された前記凝縮水量の凝縮水を前記排水配管に放流することが好ましい。

また、この制御方法は、算出された凝縮水量が、貯留部と排水配管とを開閉するためのバルブの開閉動作で排水できる水量を超えている際、燃料電池スタックに供給される反応ガス量を増加させることが好ましい。

さらに、この制御方法は、反応ガス量の増加ができない際に報知することが好ましい。

さらにまた、この制御方法は、燃料電池スタックの発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から貯留部の貯水量を検出することが好ましい。

本発明によれば、貯留部に所定量の凝縮水が貯留された状態で、燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除くシステム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断している。そして、システム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、すなわち、貯留部からの放水により設定絶縁抵抗値を下回らないと判断された際、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を排水配管に放流させている。

これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池スタック内に微少電流漏れが発生することを確実に阻止するとともに、凝縮水の排水処理が良好に遂行可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器及び前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。 前記燃料電池システムの回路説明図である。 システム絶縁抵抗値の説明図である。 燃料電池システムの絶縁抵抗値の説明図である。 燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 発電量と総凝縮水量との関係説明図である。 総凝縮水量と貯留部容積との関係説明図である。 凝縮水が放流される際の絶縁抵抗値の変化説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。 前記燃料電池システムの動作説明図である。 別の燃料電池システムの概略説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給装置２０と、システム制御を行うコントローラ２２とを備える。

冷却媒体供給装置１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０が接続される。

酸化剤ガス供給装置１８は、空気用ポンプ３２を備え、この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１２が接続される。

加湿器３６には、使用済みの凝縮水を含んだ酸化剤ガス（以下、酸化剤オフガスという）を、燃料電池スタック１２から加湿流体として供給するためのオフガス流入路４０が設けられる。加湿器３６では、オフガス流入路４０を介して供給された酸化剤オフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。

燃料ガス供給装置２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク（燃料タンク）４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガス供給配管４５の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管４５には、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０が接続されるとともに、前記エゼクタ５０が燃料電池スタック１２に接続される。

燃料電池スタック１２には、使用済みの燃料ガスを排出するための排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続されるとともに、一部がパージ弁５６から希釈器５７に連通する。希釈器５７には、オフガス流入路４０から分岐する希釈流路４１を介して希釈用エア及び加湿器３６からの結露水が供給可能である。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル５８が車長方向である水平方向（図２及び図３中、矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート５９ａ、５９ｂ及び絶縁プレート６０ａ、６０ｂを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される（図１参照）。ターミナルプレート５９ａ、５９ｂから外方に電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが突出し、前記電力取り出し端子６３ａ、６３ｂは、後述する車両走行用モータ１３９や補機類に接続される。

図２に示すように、各発電セル５８は、電解質膜・電極構造体６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

発電セル５８の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔７６ａが設けられる。

発電セル５８の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）７６ｂが設けられる。

発電セル５８の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル５８の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。

電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。

第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６の一部が形成される。

第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、シール部材が一体又は個別に設けられる。

図３に示すように、燃料電池スタック１２は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング８９を備える。なお、ケーシング８９に代えて、エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を図示しないタイロッドで連結して構成してもよい。

図１に示すように、エンドプレート６２ａには、冷却媒体入口９６ａと、冷却媒体出口９６ｂとが設けられる。冷却媒体入口９６ａは、冷却媒体供給連通孔７４ａに連通する一方、冷却媒体出口９６ｂは、冷却媒体排出連通孔７４ｂに連通する。冷却媒体入口９６ａ及び冷却媒体出口９６ｂは、冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０を介してラジエータ２４に連通している。

エンドプレート６２ｂには、酸化剤ガス供給連通孔７２ａに連通する酸化剤ガス入口９８ａ、燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する燃料ガス入口１００ａ、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに連通する酸化剤ガス出口９８ｂ、及び燃料ガス排出連通孔７６ｂに連通する燃料ガス出口１００ｂが設けられる。

図３に示すように、燃料電池スタック１２のエンドプレート６２ｂには、加湿器３６を構成する加湿器ジョイント部１０１が直接固定される。加湿器３６内には、第１及び第２加湿部１０２ａ、１０２ｂが上下に配列して収容される。第１加湿部１０２ａ及び第２加湿部１０２ｂは、空気供給配管３４と加湿空気供給配管３８とに接続される。第１加湿部１０２ａ及び第２加湿部１０２ｂは、例えば、中空糸膜型加湿構造を採用することができる。

図４に示すように、エンドプレート６２ｂの酸化剤ガス出口９８ｂには、樹脂製連結配管１１０が装着される。樹脂製連結配管１１０の一端１１０ａは、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂの出口形状に対応して矩形状を有する一方、前記樹脂製連結配管１１０の他端１１０ｂは、リング状を有する。この樹脂製連結配管１１０の他端１１０ｂには、電気絶縁性の接続配管、例えば、樹脂製配管１１２が連結される。

エンドプレート６２ｂと加湿器ジョイント部１０１とは、樹脂製配管１１２を介して連結される。樹脂製配管１１２は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁材料で形成される。なお、樹脂製配管１１２は、金属製本体の表面に樹脂被膜を形成してもよい。

樹脂製配管１１２は、樹脂製連結配管１１０の他端１１０ｂにＯリング１１４を介して挿入される。樹脂製配管１１２は、加湿器ジョイント部１０１のオフガス流入路４０内に進入するとともに、発電セル５８から排出される凝縮水（生成水が凝縮した水）を貯留する貯留部１１６を有する。貯留部１１６の下端には、ドレイン弁１１８を介して金属製の排水配管１２０が接続される。排水配管１２０は、希釈流路４１から希釈器５７に連通する。

図５に示すように、コントローラ２２は、排水配管１２０を流れる凝縮水の流量を調整する流量調整装置１３０と、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値及び該燃料電池スタック１２以外の絶縁抵抗値を含むシステム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置１３２の機能を有する。

燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１２の電力取り出し端子６３ａ、６３ｂに、電圧コントロールユニット１３４を介してバッテリ１３６と車両負荷１３８とが並列に接続される。バッテリ１３６は、燃料電池スタック１２の始動時に補機類で、例えば、冷媒用ポンプ２６や空気用ポンプ３２等に電力を供給するとともに、遮断弁４６等のバルブ類に開閉駆動用電力を供給する。車両負荷１３８は、車両走行用モータ１３９の他、上記の補機類を含む。

燃料電池システム１０では、図６に示すように、システム絶縁抵抗値Ｒ_ALLは、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FC、車両走行用モータ１３９及び補機類の絶縁抵抗値Ｒ_ED及びバッテリ１３６等の絶縁抵抗値Ｒ_ESが並列された総合抵抗値である。

燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FCは、図７に示すように、酸化剤ガス供給連通孔７２ａの絶縁抵抗値Ｒ_CAIN、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂの絶縁抵抗値Ｒ_CAOUT、燃料ガス供給連通孔７６ａの絶縁抵抗値Ｒ_ANIN及び燃料ガス排出連通孔７６ｂの絶縁抵抗値Ｒ_ANOUTが並列された全抵抗値である。抵抗検出装置１３２には、システム絶縁抵抗値Ｒ_ALLを検出する抵抗検出センサ１４０を備える。

流量調整装置１３０は、樹脂製配管１１２の貯留部１１６に貯留された凝縮水の貯水量を検出する貯水量検出部１４２と、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FCを除くシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが、設定絶縁抵抗値（燃料電池スタック１２から微小電流漏れが発生しない絶縁抵抗値）を超えるか否かを判断する絶縁抵抗値判断部１４４と、前記システム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部１１６に貯留された前記凝縮水を排水配管１２０に放流させる放流調整部１４６とを備える。

貯水量検出部１４２は、燃料電池スタック１２の発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から貯留部１１６の貯水量を検出することができる。なお、貯留部１１６に水位センサを設け、この貯留部１１６の貯水量を検出してもよい。

絶縁抵抗値判断部１４４は、抵抗検出センサ１４０の検出結果に基づいて、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FCを除くシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLを検出する。放流調整部１４６は、ドレイン弁１１８を開閉操作させて貯留部１１６の貯留水を排水配管１２０に放流する一方、後述するように、算出された凝縮水量の凝縮水を前記排水配管１２０に放流するために、前記ドレイン弁１１８を開閉動作させる。コントローラ２２には、警報等を発するための報知部１４８が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入され、第１及び第２加湿部１０２ａ、１０２ｂを通って加湿空気供給配管３８に供給される（図３参照）。

その際、オフガス流入路４０を介して第１及び第２加湿部１０２ａ、１０２ｂには、後述するように、反応に使用された酸化剤オフガスである酸化剤ガスが供給されている。このため、使用前の空気には、酸化剤オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。

一方、図１に示すように、燃料ガス供給装置２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０を通ってエンドプレート６２ｂから燃料電池スタック１２内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給装置１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１２内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１２内の各発電セル５８に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、酸化剤オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス流入路４０に排出される（図１参照）。

その際、カソード側電極８２で発電により生成される生成水は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに導入される。酸化剤ガス排出連通孔７２ｂでは、エンドプレート６２ｂ側に導入された生成水が、オフガスの流れに伴ってオフガス流入路４０に排出される。

図４に示すように、エンドプレート６２ｂと加湿器３６の加湿器ジョイント部１０１との間に、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとオフガス流入路４０とを連通する絶縁材料製の樹脂製配管１１２が装着されている。このため、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂから樹脂製配管１１２内に排出される生成水は、前記樹脂製配管１１２に設けられている貯留部１１６に導入される。この生成水は、酸化剤ガス側の配管内で凝縮し、凝縮水として貯留される。

次いで、貯留部１１６から排水配管１２０に凝縮水を排出するための第１の実施形態に係る制御方法について、図８に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、貯水量検出部１４２は、燃料電池スタック１２の積算発電量（又は、積算運転時間）から総凝縮水量を算出する（ステップＳ１）。凝縮水量は、燃料電池スタック１２の発電量に比例しており、この燃料電池スタック１２の積算発電量と総凝縮水量とは、例えば、図９に示される関係を有している。

そして、算出された総凝縮水量から、貯留部１１６の貯水量が検出される（ステップＳ２）。ステップＳ３では、算出された総凝縮水量と貯留部１１６の累積された凝縮水量との総和が、所定値よりも多いか否かが判断される。この所定値は、貯留部１１６の最大容量よりも少ない量（最大容量からマージン量を引いた量）に設定されている。

次に、ステップＳ４に進んで、燃料電池スタック１２のシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが、所定値以上であるか否かが判断される。すなわち、貯留部１１６内の貯留水を排水配管１２０に放流した際、図７に示すように、絶縁抵抗値Ｒ_CAOUTが低下する。従って、システム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが、微小電流漏れを発生する所定値を下回らないようにする必要がある。

なお、ステップ４で測定されるシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLは、実質的に抵抗値Ｒ_FC以外の抵抗値Ｒ_ED及びＲ_ESとなる。凝縮水は、絶縁された貯留部１１６に貯留されるため、抵抗値Ｒ_FC、詳しくは、抵抗値_CAOUTは低下しない。従って、ステップ４で測定されるシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLは、実質的に抵抗値Ｒ_FC以外の抵抗値Ｒ_ED及びＲ_ESとなる。

システム絶対抵抗値Ｒ_ALLが、所定値を超えていると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、ドレイン弁１１８が開放される。これにより、貯留部１１６に貯留されている凝縮水は、排水配管１２０に放出され（図１０参照）、燃料電池スタック１２Ｒ_FCの絶縁抵抗値が低下する。

その際、図１１に示すように、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FC以外の絶縁抵抗値の総和が、所定値を超えている。このため、貯留部１１６の凝縮水が放流されて絶縁抵抗値が低下しても、全体として微少電流漏れが発生可能な絶縁抵抗値以上に維持することができる。排水配管１２０への放水が終了すると、ステップＳ６に進んで、貯留部１１６内から放出された凝縮水量分の値がリセットされ、排水処理が終了する。

一方、ステップＳ４において、総絶縁抵抗値が所定値以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、燃料電池スタック１２の現在の絶縁抵抗値Ｒ_ALLから、排水可能な水量が算出される。さらに、算出された排水量が、ドレイン弁１１８の開閉動作により排水できる水量（最小排水量）を超えているか否かが判断される。

そして、算出された排水量が、最小排水量以上である際には（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、ドレイン弁１１８を開閉させて貯留部１１６から排水配管１２０に排水処理を行う。その際、凝縮水の放流により絶縁抵抗値が下がり、微少電流漏れが可能な絶縁抵抗値を下回っても、前記ドレイン弁１１８の開放操作を十分に長いインターバルで行うことにより、劣化の抑制を図ることが可能になる。

また、算出排水量が最小排水量未満と判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、燃料電池スタック１２に供給される空気量が増加可能であるか否かが判断される。空気量増加が可能である場合には（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、空気量を増加させた際に、操作者からの要求出力に対応できるか否かの判断が行われる。

要求出力への対応が可能であると判断されると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、空気量の増加処理が行われる。一方、空気量の増加が可能ではないと判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進み、報知部１４８による警報がなされる。

なお、ステップＳ１０において、要求出力の応答が可能でないと判断された際には（ステップＳ１０中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進む。すなわち、貯留部１１６での凝縮水の保持が不可能となり、この凝縮水によって微少電流漏れが発生するおそれがあるからである。

この場合、第１の実施形態では、樹脂製配管１１２の貯留部１１６に、所定量の凝縮水が貯留された状態で、燃料電池スタック１２の絶縁抵抗値Ｒ_FCを除くシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが、設定絶縁抵抗値（所定値）を超えるか否かが判断されている。そして、システム絶縁抵抗値Ｒ_ALLが、設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、すなわち、貯留部１１６からの放水によっても、設定絶縁抵抗値を下回らないと判断された際、前記貯留部１１６に貯留された前記凝縮水を排水配管１２０に放流させている。

これにより、簡単な構成及び工程で、貯留部１１６から凝縮水を放流する際に、燃料電池スタック１２内に微少電流漏れが発生することを確実に阻止するとともに、前記凝縮水の排水処理が良好に遂行され、前記燃料電池スタック１２内に該凝縮水が貯留することを阻止することができるという効果が得られる。

特に、燃料電池スタック１２に微少電流漏れが惹起することがなく、発電セル５８間の短絡による過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）の大量発生を防止することが可能になる。このため、電解質膜・電極構造体６６の劣化を確実に抑制することができる。一方、複数の発電セル５８に跨って短絡することによる第１及び第２セパレータ６８、７０のイオン化（劣化）が良好に抑制されるという利点がある。

また、燃料電池スタック１２のシステム絶縁抵抗値Ｒ_ALLと貯留部１１６から凝縮水を放流する際の予測抵抗値との和が、設定絶縁抵抗値を超えないと判断された際、排水配管１２０に放流可能な凝縮水量が算出され、算出された前記凝縮水量の凝縮水が前記排水配管１２０に放流されている。従って、凝縮水が貯留部１１６から溢れ出すことを阻止するとともに、ドレイン弁１１８を所定のインターバルで開放させることにより、電解質膜・電極構造体６６や第１及び第２セパレータ６８、７０の劣化を良好に抑制することが可能になる。

さらに、算出された凝縮水量が、ドレイン弁１１８の開閉動作で排水できる凝縮水量を越えている際には、燃料電池スタック１２に供給される空気量を増加させている。これにより、凝縮水は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂを流通する増加された空気流によって吹き飛ばされ、貯留部１１６に凝縮水が滞留することを防止することができる。このため、貯留部１１６には、規定量以上の凝縮水が流入することを防止し、前記貯留部１１６から流出する凝縮水による絶縁抵抗値の低下を防止することが可能になる。

さらにまた、貯留部１１６の凝縮水の保有が不可能であると判断された際には、報知部１４８によって操作者に報知することができる。従って、燃料電池スタック１２に微少電流漏れが継続して発生することを防止することが可能になる。

また、燃料電池スタック１２の発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から貯留部１１６の貯水量が検出されている。これにより、水位センサ等の専用センサ類を不要にすることができ、経済的であるという利点がある。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１６０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

エンドプレート６２ｂと加湿器ジョイント部１０１とは、樹脂製配管１６２を介して連結される。樹脂製配管１６２は、貯留部１６４を別体として有しており、この貯留部１６４は、一端に回転軸１６６を支点にして回動可能に構成される。回転軸１６６には、モータ１６８が連結される。

なお、モータ１６８に替えて、例えば、リンク機構（図示せず）を用いることもでき、貯留部１６４を回動可能であれば、種々の構成が採用可能である。

このように構成される第２の実施形態では、貯留部１６４内に所定量の凝縮水が貯留された際、第１の実施形態と同様に、この貯留部１６４から排水配管１２０に凝縮水の放流が行われる。

その際、モータ１６８の駆動作用下に、回転軸１６６を支点にして貯留部１６４が回動することにより、前記貯留部１６４内の凝縮水は、排水配管１２０に排水される（図１３参照）。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１４に示す燃料電池システム１８０により、貯留水の排水を行うことができる。この燃料電池システム１８０では、樹脂製配管１８２は、貯留部１８３が形成されており、前記貯留部１８３の底部には、開閉蓋１８４が揺動自在に取り付けられる。開閉蓋１８４には、フロート１８６が設けられるとともに、前記開閉蓋１８４により、貯留部１８３と排水配管１２０とが開閉可能である。

このため、貯留部１８３に凝縮水が貯留されることにより、貯留部１８３の水面が所定の高さ位置に至ると、フロート１８６を介して開閉蓋１８４が開放される。これにより、貯留部１８３から排水配管１２０への排水処理が行われる。

以上、説明した第１実施形態と第２実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。

例えば、本実施形態では、貯留部の凝縮水が満水になり、微小排水や空気量増加といった貯留部への凝縮水の更なる流入を阻止する制御もできなくなったときに操作者に満水の警告をしているが、システム全体の絶縁抵抗地Ｒ_ALL自体が設定絶縁抵抗値を超えたときに警告をしてもよい。これにより、警告を報知する回数を削減でき、操作者に対して無用な心配を掛けることを防止できる。

１０、１６０、１８０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１６…冷却媒体供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…燃料ガス供給装置 ２４…ラジエータ
２６、３２…ポンプ ２８…冷却媒体供給配管
３０…冷却媒体排出配管 ３４…空気供給配管
３６…加湿器 ３８…加湿空気供給配管
４０…オフガス流入路 ４４…燃料ガスタンク
５２…排出燃料ガス配管 ５８…発電セル
６２ａ、６２ｂ…エンドプレート ６３ａ、６３ｂ…電力取り出し端子
６６…電解質膜・電極構造体 ６８、７０…セパレータ
７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
７４ａ…冷却媒体供給連通孔 ７４ｂ…冷却媒体排出連通孔
７６ａ…燃料ガス供給連通孔 ７６ｂ…燃料ガス排出連通孔
７８…固体高分子電解質膜 ８０…アノード側電極
８２…カソード側電極 ８４…燃料ガス流路
８６…冷却媒体流路 ８８…酸化剤ガス流路
１０１…加湿器ジョイント部 １１２、１６２、１８２…樹脂製配管
１１６、１６４、１８３…貯留部 １１８…ドレイン弁
１２０…排水配管 １３０…流量調整装置
１３２…抵抗検出装置 １３６…バッテリ
１３８…車両負荷 １３９…モータ
１４０…抵抗検出センサ １４２…貯水量検出部
１４４…絶縁抵抗値判断部 １４６…放流調整部
１４８…報知部

Claims (10)

1. 複数の発電セルが積層されるとともに、発電反応に使用された反応ガスを、積層方向に流通させる反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
   前記反応ガス排出連通孔の出口に連通し、前記発電セルから排出される凝縮水が貯留される貯留部を有する電気絶縁性の接続部材と、
   前記接続部材に連結され、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を排水する排水配管と、
   前記排水配管を流れる前記凝縮水の流量を調整する流量調整装置と、
   前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値及び該燃料電池スタック以外の絶縁抵抗値を含むシステム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置と、
   を備えるとともに、
   前記流量調整装置は、前記貯留部に貯留された凝縮水の貯水量を検出する貯水量検出部と、
   前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除く前記システム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断する絶縁抵抗値判断部と、
   前記絶縁抵抗値判断部により、前記システム絶縁抵抗値が前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を前記排水配管に放流させる放流調整部と、
   を設けることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記絶縁抵抗値判断部により、前記システム絶縁抵抗値が前記設定絶縁抵抗値を超えないと判断された際、前記放流調整部は、前記排水配管に放流可能な凝縮水量を算出し、算出された前記凝縮水量の前記凝縮水を前記排水配管に放流することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記貯留部と前記排水配管とを開閉するためのバルブを備え、
   算出された前記凝縮水量が、前記バルブの開閉動作で排水できる水量を超えている際、前記流量調整装置は、前記燃料電池スタックに供給される反応ガス量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス量の増加ができない際に報知するための報知部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水量検出部は、前記燃料電池スタックの発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から前記貯留部の貯水量を検出することを特徴とする燃料電池システム。
6. 複数の発電セルが積層されるとともに、発電反応に使用された反応ガスを、積層方向に流通させる反応ガス排出連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
   前記反応ガス排出連通孔の出口に連通し、前記発電セルから排出される凝縮水を貯留する貯留部を有する電気絶縁性の接続部材と、
   前記接続部材に連結され、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を排水する排水配管と、
   前記排水配管を流れる前記凝縮水の流量を調整する流量調整装置と、
   前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値及び該燃料電池スタック以外の絶縁抵抗値を含むシステム絶縁抵抗値を検出する抵抗検出装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記貯留部に貯留された凝縮水の貯水量を検出する工程と、
   前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除く前記システム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えるか否かを判断する工程と、
   前記システム絶縁抵抗値が前記設定絶縁抵抗値を超えると判断された際、前記貯留部に貯留された前記凝縮水を前記排水配管に放流させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項６記載の制御方法において、前記燃料電池スタックの絶縁抵抗値を除く前記システム絶縁抵抗値が、設定絶縁抵抗値を超えないと判断された際、前記排水配管に放流可能な凝縮水量を算出し、算出された前記凝縮水量の前記凝縮水を前記排水配管に放流することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項７記載の制御方法において、算出された前記凝縮水量が、前記貯留部と前記排水配管とを開閉するためのバルブの開閉動作で排水できる水量を超えている際、前記燃料電池スタックに供給される反応ガス量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項８記載の制御方法において、前記反応ガス量の増加ができない際に報知することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池スタックの発電量から凝縮水量を推定し、推定された前記凝縮水量から前記貯留部の貯水量を検出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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