(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続した複数のスタックから構成される電源回路を有し、
前記電源回路は、
各スタックに対して並列に接続すると共に整流素子を有するバイパス回路と、
各スタックと電気的に直列に接続すると共に一部のセル電圧が低下して閾値以下になったことを検知して故障スタックを前記電源回路から切り離してバイパスさせる単一のスイッチとを有し、
前記整流素子はダイオードであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
一部のセル電圧が低下して閾値以下になった場合にも、故障したスタックを電源回路から切り離して残りの正常なスタックにより運転の継続を可能とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
スタックあたりの構成セル数を減らすことで、故障スタックを切り離し後も電圧低下の影響を低減して運転の継続を可能とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、大出力で用いる場合、大電圧を発生させるために１セルあたり１．０Ｖ程度の燃料電池セルを複数枚直列に接続してスタック構造にし、さらに、このスタックを直列に接続して利用される。しかし、燃料電池システムは運転中にフラッディングやクロスリーク、また、高分子膜や触媒の劣化により、一部のセルに発電不良が起こる場合があり、このような不具合が起きた場合、全てのセルが直列に接続されている構成では、1セルでも発電不良なセルが検知されると、燃料電池システム本体の停止を余儀なくされていた。
【０００３】
この課題に対して、別の燃料電池システムでは、不良セルを含むスタックに対して外部電源を含むバイパス回路を並列に接続して、分流により不良セルの負荷量を下げていた（特許文献１参照）。
【０００４】
別の燃料電池システムでは、バッテリ等の別の電源を用い、バッテリに電源を切り換ええた後に燃料電池システムを一旦停止させてパージ等の処理を行い、再度起動していた（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−７８６２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１２０４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１は、具体的なバイパス回路及びバイパス回路の接続方法を明確に開示していなかった。
【０００７】
また、特許文献２の方法は、セル電圧が低下した場合に、発電を継続して行うことができなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、一部のスタックの故障においても残りのスタックで発電を継続する燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明の実施形態に限定するものでない。
【００１０】
本発明の第１の特徴に係わる燃料電池システム（１）は、スタック（１２Ａ−１２Ｇ）と、スタック故障時に故障スタックを電気的にバイパスさせるバイパス回路（１４Ａ−１４Ｇ）と、スタックの故障を検知して、バイパス回路へ切り換えを行う単一のスイッチ（１３Ａ−１３Ｇ）を有する。バイパス回路は整流素子（１５Ａ−１５Ｇ）を有し、整流素子（１５Ａ−１５Ｇ）はダイオードを用いる。
【００１２】
上記第１の特徴において、スタック（１２Ａ−１２Ｇ）を構成するセルの電圧が閾値以下になった時に、不良セルを含むスタックだけを切り離し残りの正常なスタックにより運転の継続を可能とする。
【００１３】
また、スタックの構成セル数を減らすことで、故障スタックを切り離した後も電圧低下の影響を低減して、運転継続を可能とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の特徴によれば、一部のスタックが故障した場合、故障スタックに接続されているスイッチだけが開き、電流はバイパス回路を流れる。よって、燃料電池システムは残りの正常なスタックにより発電を継続することができる。
【００１５】
また、故障したスタックを切り離す間にも、連続的に導通経路を変更することができる。
【００１６】
本発明の第２の特徴によれば、スタックが故障した場合、まず、接触器を開いて電源回路と負荷とを遮断し、故障したスタックに接続されているスイッチをバイパス回路に切り換える。その後、接触器を閉じて、残りの正常なスタックにより発電を継続する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１及び第２の実施形態に係る燃料電池システムの概要ブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池システムの回路図である。
【図３】図２に示す燃料電池システムの運転方法を示す回路図である。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池システムの回路図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図４に示す燃料電池システムの運転方法を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
第1の実施形態
図１に示すように、燃料電池システム１は、電源装置３と、電源装置３と電気的に接続した制御装置７を有する。
【００２０】
図２に示すように、電源装置３は、端子Ｔ１，Ｔ２の間に負荷を接続した電源回路１０を有する。電源回路１０は、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇと、スタック１２Ａ−１２Ｇに対して直列に接続したスイッチ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ−１３Ｇと、各スタックに対して並列に接続した整流素子１５Ａ−１５Ｇを有するバイパス回路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ−１４Ｇを有する。
【００２１】
スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇは、複数枚のセルを重ねて構成されたものであり、これらのセルは全て電気的に直列に接続されている。セルは、対向して配置された燃料極及び空気極と、各極の間に配置された電解質を有する。ここで、セルは、固体高分子形燃料セル、リン酸形燃料セルなど様々な種類の燃料電池セルの適用が考えられる。
【００２２】
スタック１２Ａ−１２Ｇから出力される電圧は、スタック１２Ａ−１２Ｇを構成するセルの枚数により決まり、本発明を用いる場合、１スタックあたりのセル数を少なくすると、スタック故障時の電圧低下の影響を小さくすることができるなどのメリットがある。
【００２３】
開閉スイッチ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ−１３Ｇは、例えば、電磁スイッチを用いる。
【００２４】
バイパス回路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ−１４Ｇは、各スタック１２Ａ−１２Ｇに対して並列に接続する。バイパス回路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ−１４Ｇのそれぞれは、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのマイナス極側と分岐点Ａ１−Ａ７で接続し、開閉スイッチ１３Ａ−１３Ｇの他端と分岐点Ａ２−Ａ８で接続する。
【００２５】
バイパス回路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ−１４Ｇのそれぞれは、整流素子としてのダイオード１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ−１５Ｇを有する。ダイオード１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ−１５Ｇ間は直列に接続されている。ダイオード１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ−１５Ｇは、導通により発熱するため、別途、冷却装置を用いる。冷却装置は、例えば、ファンである。
【００２６】
電源装置３はセンサ部５を有する。センサ部５はスタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのセル電圧、温度等を測定して、これらの情報Ｓ１を制御装置７へ送る。
【００２７】
制御装置７は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）である。制御装置７は、各スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇを構成するセルの電圧を常時監視している。一部のセル電圧が閾値以下となったとき、制御装置７は、セル電圧の低下を検知してスイッチ１３Ａ−１３Ｇのうちから該当するスイッチに制御信号Ｓ２を送る。閾値は任意に設定・変更することができる。閾値は、例えば、燃料電池単セルの１．２Ｖの理論電圧に対して０．８Ｖに設定する。また、制御装置７は、複数枚のセルごとに電圧を監視してもよい。
【００２８】
次に、図１〜３を参照して、燃料電池システム１の運転方法を説明する。
【００２９】
図２は、全スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇが正常に動作している時の状態を示している。正常動作時は、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇの総電圧が端子Ｔ１、Ｔ２間の負荷に印加される。矢印Ｃ１は、流れる電流を示す。制御装置７はスタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのセル電圧を監視している。
【００３０】
ここで、図３に示すように、スタック１２Ｂが故障した場合を想定する。このとき、図１において、制御装置７がセンサ部５から送られてきた情報Ｓ１に基づいてスタック１２Ｂ中の発電不良なセルの電圧が閾値以下であると検知すると、制御信号Ｓ２を生成する。制御装置７は開閉スイッチ１３Ｂへ制御信号Ｓ２を送る。開閉スイッチ１３Ｂが制御信号Ｓ２に応答して開くと、故障したスタック１２Ｂが電源回路１０から切り離される。
【００３１】
このとき、矢印Ｃ２で示す電流は分岐点Ａ２からバイパス回路１４Ｂへ流れ、ダイオイード１５Ｂを通過して分岐点Ａ３へ達する。電流は分岐点Ａ３からスタック１２Ｃ−１２Ｇに流れる。これにより、バイパス回路１４Ｂへ連続的に導通経路を変更することが可能であり、スタック１２Ｂ以外の残りの正常なスタック１２Ａ、１２Ｃ−１２Ｇでバイパス回路１４Ｂを経由して継続して運転することができる。
【００３２】
第１の実施形態の燃料電池システム１によれば、一部のスタックが故障した場合でも、燃料電池システム１の発電を継続することができる。
【００３３】
また、同システム１は、故障したスタックを切り離す間にも、連続的に導通経路を変更することができる。
【００３４】
また、同システム１は、スイッチの切換後電気的に安全を確保した後、運転しながら、故障したスタックだけを修理又は交換して、再度、電源回路１０に復帰させることも可能である。
【００３５】
同システム１を用いれば、燃料電池を搭載した鉄道車両や自動車では、一部のスタックが故障した場合にも車両を停止させることなく運転を継続することが可能となる。
【００３６】
第２の実施形態
図４に示すように、燃料電池システム１Ａの電源回路１０Ａは、スタック１２Ａ−１２Ｇと、スタック故障時に、燃料電池システムと負荷とを遮断する接触器１９と、負荷を遮断後、故障スタックをバイパスさせるバイパス回路１８Ａ−１８Ｇと、スタックの故障を検知して、バイパス回路１８Ａ−１８Ｇへ切り換えを行うスイッチ１７Ａ−１７Ｇを有する。
【００３７】
バイパス回路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ−１８Ｇは、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのマイナス極側と分岐点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３−Ｂ７で接続する。
【００３８】
切換スイッチ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ−１７Ｇは、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのプラス極側の端子と、バイパス回路１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ−１８Ｇの端子とを切り換え可能である。切換スイッチ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ−１７Ｇは、例えば、電磁スイッチである。
【００３９】
次に、図１，４，５を参照して、燃料電池システムの運転方法を説明する。
【００４０】
図４は、全スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇが正常に動作している時の状態を示している。正常動作時は、スタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇの総電圧がＴ１、Ｔ２の間の負荷に印加される。矢印Ｃ３は、流れる電流を示す。制御装置７はスタック１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ−１２Ｇのセルの電圧を監視している。
【００４１】
ここで、図５（Ａ）に示すように、スタック１２Ｂが故障した場合を想定する。この時、図１において、制御装置７がセンサ部５からの情報Ｓ１に基づいてスタック１２Ｂを構成する発電不良なセルの電圧が閾値以下であると検知し、制御信号Ｓ２を生成する。制御装置７は接触器１９へ制御信号Ｓ２を送る。接触器１９は制御信号Ｓ２に応答して開く。これにより、電源回路１０Ａと負荷とが遮断される。
【００４２】
次に、図５（Ｂ）に示すように、接触器１９により電源回路１０Ａと負荷とを遮断させた後に、切換スイッチ１７Ｂは、制御信号Ｓ２に応答してスタック１２Ｂのプラス極側の端子からバイパス回路１８Ｂの端子に切り換える。このとき、電源回路１０Ａは遮断されているので、切換スイッチ１７Ｂの動作時における大きなスパーク現象は防止できる。
【００４３】
最後に、図５（Ｃ）に示すように、接触器１９を閉じると、スタック１２Ｂ以外の残りの正常なスタック１２Ａ，１２Ｃ−１２Ｇで発電が継続され、矢印Ｃ４で示す電流がバイパス回路１８Ｂを経由して流れる。
【００４４】
第２の実施形態の燃料電池システムによれば、第１の実施形態で用いられた冷却装置を必要としないので、装置構成の小型化を達成することができる。
【００４５】
なお、以上の実施形態は発明の趣旨を変更しない範囲で変更、修正可能である。本発明の燃料電池システムは、例えば、鉄道車両、自動車、又は、家庭用等の電源に適用される。
【符号の説明】
【００４６】
１    燃料電池システム
３    電源装置
５    センサ部
７    制御装置
１０，１０Ａ    電源回路
１２Ａ−１２Ｇ  スタック
１３Ａ−１３Ｇ  開閉スイッチ
１４Ａ−１４Ｇ  バイパス回路
１５Ａ−１５Ｇ  ダイオード
１７Ａ−１７Ｇ  切換スイッチ
１８Ａ−１８Ｇ  バイパス回路
１９  接触器
【図１】
0005465945.tif 000002
【図２】
0005465945.tif 000003
【図３】
0005465945.tif 000004
【図４】
0005465945.tif 000005
【図５】
0005465945.tif 000006