(57)【要約】【課題】  燃料電池を電源とした燃料電池システムにおいて、燃料電池の過負荷状態での発電を防止し、燃料電池システムの劣化を防ぎ、燃料電池から安定的な出力が得られる簡易な構成の形態が可能である小型の燃料電池システムの提供。【解決手段】  燃料電池１を構成する全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃの過負荷状態を検出し、過負荷状態が検出されると燃料電池出力の遮断、或いは過負荷状態のセルが正常の発電状態に復帰するように燃料電池出力を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４において、
前記転極・過負荷状態信号は、前記異常検出手段により転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたことを条件として形成されるようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルのみに回復措置を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３乃至請求項５の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルを含め前記燃料電池を構成する全ての単セルを対象として回復措置を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項３乃至請求項７の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項３乃至請求項８の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、前記単セルの電極近傍に生成された水を除去するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端の電圧が所定値以下の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの電極の温度が所定値以上の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に前記燃料電池の出力を遮断するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項２、請求項４において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するとともに、その途中で前記燃料電池の転極・過負荷状態ではない正常状態への復帰が検出された場合には前記出力電流の値を復帰時点の出力電流値に固定する一方、再度前記転極・過負荷信号を受けた場合には前記出力電流をさらに漸減するように同様の制御を繰り返すものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項２、請求項４、請求項１３又は請求項１４において、
さらに外部負荷に供給する出力電流を検出する電流検出手段を備え、この電流検出手段で検出する前記出力電流がゼロとなった時点で前記電流制限手段の動作をリセットするように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に転極乃至過負荷による燃料電池単セルの劣化を防止して携帯機器等の小型電子機器の電源として有用なものとなるよう工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い、増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。かかる状況の下、高エネルギー密度の小型エネルギー電源として、燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持してなり、燃料極で水素、或いはメタノール等の燃料を酸化し、酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源としての応用が期待されている。
【０００４】
電源として燃料電池を用いる場合、燃料電池の単セルの実用的な動作電圧は0.5V付近である。そこで、実用的な負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけ前記単セルを直列に接続して所定の高い出力電圧を得ている。
【０００５】
このように、燃料電池の単セルを直列に接続することによって、高電圧・高出力の燃料電池が得られるが、複数の単セルを直列接続して用いる場合には、各単セルの出力のバラツキに起因して前記単セルの集合体としての燃料電池の発電性能が悪化するという問題が発生する。発電性能の低い単セルは、抵抗成分となり、前記燃料電池の出力を低下させてしまうからである。このため、各単セルの出力のバラツキを抑えるべく、補器類等を利用して燃料供給方法を制御する等の工夫が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１０３９９８号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池は、一次電池や二次電池等に比べて負荷応答性が低く、また負荷電流の増加にともない各種過電圧（活性化過電圧、抵抗過電圧、拡散過電圧）による電圧降下を生起する。さらに、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池等に比べて電圧変動の幅が大きい。特に、拡散過電圧による燃料電池電圧の電圧降下の影響が顕著となる発電領域においては、負荷電流の増加に対する電圧降下の比率が大きい。
【０００８】
かかる特性を有する燃料電池の過負荷状態での負荷の印加は、燃料電池が転極を起こす等、劣化の原因となり好ましくない。
【０００９】
ちなみに、従来方法である燃料の供給制御のみでは、燃料電池の起電時や、外部負荷へ電力を供給する際の急激な負荷の増加に対応しきれない。かかる状態で、発電性能の低い単セルが過負荷状態での運転を強要され、過負荷状態での運転を行っている単セルが存在する状態で当該燃料電池が発電を続けると、過負荷状態で運転を行っている前記単セルは、電解質膜の劣化や触媒金属の溶出、凝集等による性能劣化を生起する。この結果、前記単セルを含む燃料電池を利用した燃料電池システムの出力が低下してしまう。
【００１０】
さらに、携帯機器等の小型電子機器向けの燃料電池システムとしては、燃料の供給を行う装置が大型化してしまうため、前述の如き燃料の供給方式のものは適さない。特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ軽量かつ小型であることが求められるので、体積を要する補器類を用いずに燃料電池の過負荷状態での発電を防止し、燃料電池システムの劣化を防ぎ、燃料電池から安定的な出力が得られる燃料電池システムであることが肝要である。
【００１１】
本発明は、上記従来技術に鑑み、直列に接続されて燃料電池を構成する各単セルの転極・過負荷運転を有効に防止するとともに前記各単セルの機能回復も実現し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本態様によれば、異常検出手段により単セルの転極・過負荷が検出された時点で燃料電池の出力が遮断されるので、転極・過負荷状態となっている単セルの劣化を未然に防止することができる。さらに、本形態によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて出力の遮断を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に出力の遮断動作を行わせることができる。
【００１４】
特に、燃料電池は、一次電池や二次電池などに比べて負荷応答性が低く、同時に負荷電流の増加に伴い各種過電圧（活性化過電圧、抵抗過電圧、拡散過電圧）による電圧降下を生起して、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池などに比べて変動の幅が広いという特性を有する。そこで、前記保護手段に、燃料電池の負荷応答性を考慮した遅延要素を介在させることでその安定的な動作を保証することは、燃料電池の出力を有効に利用するという観点から重要なことである。
【００１５】
本発明の第２の態様は、
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、異常検出手段により単セルの転極・過負荷が検出された時点で燃料電池の出力電流を制限することができるので、転極・過負荷状態となっている単セルの劣化を未然に防止することができる。同時に、制限はされているが電流の供給は継続することができる。さらに、本態様によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて電流制限を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に電流制限動作を行わせることができる。
【００１７】
本発明の第３の態様は、
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、第１の態様と同様の燃料電池の出力の遮断を行う一方で、燃料電池の出力回復措置を行うことができる。
【００１９】
本発明の第４の態様は、
少なくとも２個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、第２の態様と同様の電流制限を行いつつ、燃料電池の出力回復措置を行うことができる。
【００２１】
本発明の第５の態様は、
上記第３又は第４の態様において、
前記転極・過負荷状態信号は、前記異常検出手段により転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたことを条件として形成されるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて上記第３又は第４の態様における出力の遮断又は電流制限を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に出力の遮断又は電流制限等の必要な動作を行わせることができる。
【００２３】
本発明の第６の態様は、
上記第３乃至第５の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルのみに回復措置を行うものであることを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、単セル毎の回復措置が行われる。この結果、回復措置に要する処置作業等は最小限度のもので済む。
【００２５】
本発明の第７の態様は、
上記第３乃至第５の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルを含め前記燃料電池を構成する全ての単セルを対象として回復措置を行うものであることを特徴とする。
【００２６】
本態様によれば、燃料電池全体として一体の回復措置が行われる。この結果、各単セルの状態を揃えることが可能になるとともに、転極・過負荷が検出されなかった単セルの出力が向上する。
【００２７】
本発明の第８の態様は、
上記第３乃至第７の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したことを特徴とする。
【００２８】
本態様によれば、転極・過負荷が検出された単セルはスイッチ手段でバイパスされ、直列に接続された残りのセルで電流を供給しつつ転極・過負荷状態の回復を図ることができる。
【００２９】
本発明の第９の態様は、
上記第３乃至第８の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、前記単セルの電極近傍に生成された水を除去するものであることを特徴とする。
【００３０】
転極・過負荷の根本的な原因の一つとして、燃料や酸素の供給が負荷に対して不十分であることが考えられる。電極近傍の生成水は酸素の供給を阻害するだけでなく、生成水は電解質膜を逆拡散し燃料極の燃料供給をも阻害する場合がある。それにより、酸素および燃料が負荷に対して相対的に不足する。したがって、電極上の水を除去することによって転極・過負荷状態の単セルの機能を回復させることができる。
【００３１】
本態様によれば、電極近傍に生成された水を除去ことができるので、転極・過負荷状態の単セルの機能を回復させることができる。
【００３２】
本発明の第１０の態様は、
上記第１乃至第９の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端の電圧が所定値以下の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする。
【００３３】
転極とは、燃料電池を構成する単セルの出力電圧が反転することをいう。すなわち、負極を基準としたときに正極からマイナスの電圧が検出される状態をいう。また、過負荷とは、燃料電池の出力特性において、燃料電池出力電流の増加に伴い燃料電池出力電圧の低下率が増加する領域で発電を行っている状態をいう。具体的には、燃料電池単セルの電圧が単セルのオペレーション電圧に対して65%の電圧値以下となる発電領域を指す。
【００３４】
本態様では、各単セルの両端の電圧を検出することで発電電圧の異常を検出することができる。
【００３５】
本発明の第１１の態様は、
上記第１乃至第９の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの電極の温度が所定値以上の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする。
【００３６】
単セル又は燃料の温度調節を行っていない燃料電池システムにおいては、燃料電池の加熱・冷却等を行っていないため、発電で生じた熱と燃料電池の出力とに相対的な関係が成立する。したがって、燃料のフロー、燃料の加湿や加温、セルの加熱等を行う必要がなく、燃料電池の発熱を検出することで燃料電池の出力を把握することができるパッシブ型の燃料電池システムで特に有効なものとなるが、単セルの温度を検出することで発電電圧の異常を検出することができる。
【００３７】
本発明の第１２の態様は、
上記第１乃至第１１の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に前記燃料電池の出力を遮断するものであることを特徴とする。
【００３８】
本態様によれば、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。
【００３９】
本発明の第１３の態様は、
上記第２又は第４において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するものであることを特徴とする。
【００４０】
本態様によれば、合理的な電流制限を行うとともに、回復時には燃料電池の最大出力電流を得ることができる。
【００４１】
本発明の第１４の態様は、
上記第１３において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するとともに、その途中で前記燃料電池の転極・過負荷状態ではない正常状態への復帰が検出された場合には前記出力電流の値を復帰時点の出力電流値に固定する一方、再度前記転極・過負荷信号を受けた場合には前記出力電流をさらに漸減するように同様の制御を繰り返すものであることを特徴とする。
【００４２】
本態様によれば、燃料電池システムとしての機能を最大限度に維持しつつ、転極・過負荷状態が検出された単セルの劣化を防止する合理的な電流制限を実現することができる。
【００４３】
本発明の第１５の態様は、
上記第２、第４、第１３又は第１４において、
さらに外部負荷に供給する出力電流を検出する電流検出手段を備え、この電流検出手段で検出する前記出力電流がゼロとなった時点で前記電流制限手段の動作をリセットするように構成したことを特徴とする。
【００４４】
本態様によれば、電流制限を行う必要性がないことを出力電流がゼロとなることにより検知して電流制限手段の動作をリセットしたので、次の外部負荷への電流供給を円滑に行うことができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、燃料電池の起電時や、外部負荷へ電力を供給する際の急激な負荷の増加や、燃料不足の状態等による、燃料電池の転極・過負荷状態での発電を、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持した状態で防止することができるので、燃料電池の劣化モードでの発電の防止と、燃料電池単セルの初期の発電能力が維持され、その結果、動作効率を劣化させることなく、燃料電池システムの長寿命化が可能となる。
【００４６】
また、適切な回復措置を組み合わせた場合や、転極・過負荷状態の連続発生回数を加味した出力遮断乃至電流制限動作とする場合には、さらに全体的な動作効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００４８】
一般に、燃料電池として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いる場合、水素は、液体水素、水素ガス、又は水素原子のいずれかの状態で、高圧ボンベ、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素材料等からなる群の少なくとも１種類以上の手段により貯蔵する。一方、アルコールや無機ケミカルハイドライドや有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質や加水分解などの化学変化によって水素を取り出すことも可能である。
【００４９】
一方、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に代表される燃料直接型の燃料電池を用いる場合は、燃料としてメタノールを使用する。また、メタノールの代わりに、燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）、２−プロパノール、エタノール等のアルコール類等を用いることも可能である。更に、燃料直接型の燃料電池の燃料として、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物の水溶液を使用することが出来る。
【００５０】
本発明は、何れのタイプの燃料電池であっても適用し得る。
【００５１】
＜第１の実施の形態＞
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの転極状態での運転を防止するもので、転極状態が検出された場合には燃料電池の出力を遮断するように構成してある。
【００５２】
図１に示すように、当該燃料電池システムは、電源として燃料から化学反応により電力の取り出しが可能なＰＥＦＣの燃料電池１と、昇圧制御回路として燃料電池１の出力を昇圧する昇圧制御回路２と、蓄電要素として容量が４００ｍＡｈの公称電圧８．４Ｖの２セルのリチウムイオン二次電池３（以下ＬＩＢ３と略す。）とＬＩＢ３の電流の逆流防止の為のショットキダイオード４と、燃料電池１の単極・過負荷状態での運転を防止する保護回路５からなり、外部負荷６へ電力を供給する構成とした。
【００５３】
燃料電池１は燃料電池の３個の単セル１ａ、１ｂ、１ｃを直列に接続して構成される。また、燃料電池１の開回路電圧は２．９３Ｖとした。昇圧制御回路２の出力電圧値は８．５Ｖに設定した。外部負荷６には直流の電子負荷装置を接続した。
【００５４】
保護回路５は、それぞれが各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの両端の電圧を比較する３個のコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃと３入力ANDゲート論理回路８と、燃料電池１の出力を切り換える為のＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９と、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をドライブするための遅延動作機能を持つドライブ回路１０を有している。
【００５５】
ここで、本形態における保護回路５は、特に転極状態での発電を検出するようにしたので、各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの反転入力端子にはそれぞれの単セル１ａ、１ｂ、１ｃの燃料極を直接接続するとともに、非反転入力端子にはそれぞれの単セル１ａ、１ｂ、１ｃの酸素極を接続してある。各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力は、ｎ入力のANDゲート論理回路８に供給される。
【００５６】
前記遅延動作は、転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号が発生（実際は状態信号の状態の変化）した場合、その値を５秒間保持した場合に結果を反映するようにした。かかる遅延動作を介在させることで、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行うことができる。
【００５７】
また、昇圧制御回路２と、保護回路５に用いられる電子素子は蓄電要素であるＬＩＢ３から電力を供給するようにした。蓄電要素は、二次電池、キャパシタ、コンデンサ等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、亜鉛ハロゲン二次電池、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。
【００５８】
上記構成の本形態に係る燃料電池システムおいて、燃料電池１の全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃが正常な発電を行っている場合は、コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれの出力はHレベルの出力となる。コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれのHレベル出力は、３入力ANDゲート論理回路８に入力されるため、３入力ANDゲート論理回路８の出力はHレベルとなる。この結果、ドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をターンオンさせ、燃料電池１の出力を昇圧制御回路２に入力させる。かくして、昇圧制御回路２を介して外部負荷６に電力の供給が可能となる。
【００５９】
一方、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち少なくとも１個が転極状態となると、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃからマイナスの電圧が出力され、単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち転極状態のセルに接続されたコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの中のいずれかの出力がLレベルとなる。この結果、３入力ANDゲート論理回路８に入力される信号レベルがすべてHレベルではない状態となり、３入力ANDゲート論理回路８の出力はLレベルとなる。３入力ANDゲート論理回路８の出力レベルが５秒以上継続されると、ドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフする。これによって、燃料電池１の出力を遮断する。かくして転極状態での発電を防止する。燃料電池１の出力の遮断後は、蓄電要素であるＬＩＢ３を介して必要な電力を外部負荷６に供給する。
【００６０】
なお、燃料電池１は、一次電池や二次電池などに比べて負荷応答性が低く、同時に負荷電流の増加に伴い各種過電圧による電圧降下を生起して、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池などに比べて変動の幅が広いという特性を有する。そこで、前記保護回路５に、燃料電池１の負荷応答性を考慮した遅延要素であるドライブ回路１０を介在させることでその安定的な動作を保証することは、燃料電池１の出力を有効に利用するという観点から重要なことである。
【００６１】
＜第２の実施の形態＞
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの過負荷状態での運転を防止するもので、過負荷状態が検出された場合に燃料電池の出力を遮断するように構成してある。すなわち、図１に示す第１の実施の形態とは、コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの反転入力端子への入力構造が異なるだけで他は同様の構成となっている。そこで、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
図２に示すように、コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの反転入力端子は、基準電圧発生器２３を介してＧＮＤに接続してある。本形態では、燃料電池１が拡散過電圧による電圧降下の影響が顕著に表れはじめる単セル電圧が０．３Ｖであることを考慮して０．３Ｖ以下での発電を防止する為、基準電圧発生器２３の基準電圧を０．３Ｖとした。なお、コンパレータ７ａの非反転入力端子には単セル１ｂ、１ｃの電圧が、コンパレータ７ｂの非反転入力端子には単セル１ｃの発電電圧が重畳されるが、これは各コンパレータ７ａ、７ｂ内の処理により同一条件での検出ができるように構成して重畳される電圧の影響を除去している。
【００６３】
かかる燃料電池システムにおいて、燃料電池１の全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃが０．３Ｖ以上の電圧をもって発電を行っている場合は、各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力はHレベルとなる。コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれのHレベル出力は、３入力ANDゲート論理回路８に入力されるため、３入力ANDゲート論理回路８の出力はHレベルとなる。この結果、ドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をターンオンさせ、燃料電池１の出力を昇圧制御回路２に入力させる。かくして、昇圧制御回路２を介して外部負荷６に電力の供給が可能となる。
【００６４】
一方、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち少なくとも１個が０．３Ｖ以下となると、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち過負荷状態のセルに接続されたコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力がLレベルとなる。この結果、３入力ANDゲート論理回路８に入力される信号レベルがすべてHレベルではない状態となり、３入力ANDゲート論理回路８の出力はLレベルとなる。３入力ANDゲート論理回路８の出力レベルが５秒以上継続されると、ドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフする。これによって、燃料電池１の出力を遮断する。かくして過負荷状態での発電を防止する。
【００６５】
＜第３の実施の形態＞
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの転極状態での運転を防止するもので、転極状態が検出された場合に燃料電池の出力電流を制限するように構成してある。すなわち、図１に示す第１の実施の形態が、転極状態の検出により燃料電池１の出力を遮断するのに対し、本形態では同様の条件で燃料電池１の出力電流の制限を行うようにした。したがって、図１に示す第１の実施の形態とは多くの構成要素が同一である。そこで、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００６６】
図３に示すように、保護回路１２は３個のコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃと、３入力ANDゲート論理回路８と、遅延動作機能を持つドライブ回路１０とで構成した。すなわち、転極状態が検出された場合でも燃料電池１の出力を遮断することはない。保護回路１２の出力である転極状態を表す転極状態信号は、昇圧制御回路１１のコントロール端子１５に入力される。昇圧制御回路１１は電流制限手段３０を有しており、コントロール端子１５に転極状態信号が供給された時点で前記電流制限手段３０を介して出力電流の制限を行うようになっている。
【００６７】
かかる本形態において、第１の実施の形態と同様に、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのすべてが正常な発電を行っている場合は、保護回路１２の出力がHレベル出力となる。
【００６８】
一方、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち、少なくとも１個が転極状態の場合には、３入力ANDゲート論理回路８の出力はLレベルとなる。そして、３入力ANDゲート論理回路８の出力レベルが５秒以上継続されると、保護回路１２の出力はLレベルとなり、転極状態を表す転極状態信号として昇圧制御回路１１に供給される。この結果、昇圧制御回路１１はHレベルの入力が得られるまで、昇圧制御回路１１から外部負荷６へ供給する出力電流を制限する。この電流制限により生じた外部負荷６への負荷電流の不足分は、ＬＩＢ３を介して供給される。
【００６９】
図４に昇圧制御回路１１の詳細構成の一例を示す。本例では、昇圧手段としてスイッチングレギュレータ方式を用いた。燃料電池の出力はＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２０がオン状態のときにインダクタ１９にエネルギーが蓄積される。Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２０がオン状態のとき、ダイオード２１に電流は流れない。Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２０がオフになると、インダクタ１９に蓄積されたエネルギーが、ダイオード２１を介して平滑コンデンサ２２や外部負荷６へ供給される。
【００７０】
ここで、出力電圧は、PWM制御回路２５によってＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２０のオン状態とオフ状態の比率で決定される。PWM制御回路２５は、分圧抵抗器２４による昇圧制御回路１１の出力の電圧降下分と、基準電圧発生器２３から印加される基準電圧が一致するように制御する。よって、分圧抵抗器２４の抵抗比率を変えることによって、出力電圧を任意に設定することができる。
【００７１】
コントロール端子１５からの入力、すなわち転極状態信号は、燃料電池１からの入力電流を制御するコントローラ２７に入力される。
【００７２】
昇圧制御回路１１のコントロール端子１５に入力される信号がHレベルの場合、コントローラ２７は、当該昇圧制御回路１１の入力側に設けたスイッチ手段であるＭＯＳＦＥＴ２８をオン状態に保ち、ＮＰＮトランジスタ２９のベース端子にはバイアスを印加しない。よって、昇圧制御回路１１の出力はすべてＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２８を介して外部負荷６側に供給される。よって、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２８は低オン抵抗のMOSFETが望ましい。燃料電池１の出力が制限されることなく、昇圧回路へ入力される為、燃料電池１が正常な発電を行っている場合には最大の出力が得られる。
【００７３】
一方、昇圧制御回路１１のコントロール端子１５に入力される信号がLレベルの場合、すなわち転極状態信号が供給された場合、昇圧制御回路１１は、燃料電池１の出力電流を低下させるように制御する。すなわち、コントローラ２７は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２８のゲートの電位をグランドに引き下げ、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ２８には燃料電池１の出力電流を流さない。
【００７４】
次にコントローラ２７は、燃料電池１の最大出力が得られる電流を昇圧制御回路１１に流すようにＮＰＮトランジスタ２９のベース端子にバイアスを印加する。その後コントローラ２７は徐々にＮＰＮトランジスタ２９のベース端子のバイアスを減少させ、燃料電池１の出力電流を低下させていく。
【００７５】
その途中の段階で、燃料電池１の中の過負荷状態のセルが正常の出力状態に復帰し、コントロール端子１５に入力される信号がHレベルとなると、コントローラ２７はＮＰＮトランジスタ２９のベース端子に印加するバイアスを固定する。
【００７６】
一方、ＮＰＮトランジスタ２９のベース端子に印加するバイアスを固定した状態でコントロール端子１５にLレベルの信号が供給されると、コントローラ２７は、コントロール端子１５にHレベルが入力されるまで印加するバイアスを更に減少させる。
【００７７】
このＮＰＮトランジスタ２９を介して燃料電池１の出力が昇圧制御回路１１に入力される状態は、外部負荷６が無くなるまで保たれる。これによって、燃料電池単セルの転極状態での運転を防止することが出来る。
【００７８】
なお、図３の保護回路１２は、図２と同様に、基準電圧発生回路を有するものとしても構わない。この場合は、過負荷状態を検出して電流制限を行うものとなる。
【００７９】
＜第４の実施の形態＞
本形態は、転極・過負荷状態の単セルの検出を各単セル温度で検出する場合である。すなわち、図１乃至図３に示す第１乃至第３の実施の形態が、単セルの発電電圧を各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの両端の電圧を介して検出していたのに対し、本形態では各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの温度を介して検出している点が異なる。その他は同様の構成である。そこで、図１乃至図３と異なる部分のみを抽出して説明し、重複する部分の説明は省略する。
【００８０】
図５に示すように、燃料電池１はこれを構成する部材や構造によって、転極・過負荷状態と判断する温度が変化するが、PEFCのパッシブ型で無加湿での燃料電池１ではカソード電極近傍が６０℃を超えると膜が乾燥し始め、燃料電池１の内部抵抗が上昇し、燃料電池１の出力特性が低下する。また、燃料電池１が定電流出力を行っていても、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの温度が上昇して出力特性が低下すると、燃料電池１は過負荷と同等の状態となる。
【００８１】
そこで、過負荷を検出する為の温度は、燃料電池１の各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの電極近傍における温度を温度センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃによって検出するとともに、45〜110℃として検出される値を設定することが望ましい。例えば基準電圧発生器２３の基準電圧の設定によって、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃが45〜110℃の間の設定温度以上になった場合を過負荷状態とする。なお、この場合の温度センサ３１ａ乃至３１ｃとしては熱電対又はサーミスタが好適である。
【００８２】
本形態において、少なくとも１個の単セル１ａ、１ｂ、１ｃが過負荷状態となった後のコンパレータ７ａ、７ｂ，７ｃ等の動作は、第１乃至第３の実施の形態の場合と全く同様である。
【００８３】
本形態では、前記温度センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃの出力をオペアンプ３２ａ、３２ｂ、３２ｃで増幅して、コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃに入力している。ただ、必ずしもこのように形成する必要はなく、温度センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃの出力を直接コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃに入力しても良い。
【００８４】
セル或いは燃料の温調を行っていない燃料電池システムにおいては、燃料電池１の加熱・冷却等の制御を行っていないため、発電に応じた発熱と燃料電池出力との間に相関関係がある。このため、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの温度を検出することによって、燃料電池１の出力状態や過負荷状態の検出が可能となる。したがって、燃料のフロー、燃料の加湿や加温、セルの加熱等を行う必要がなく、燃料電池の発熱を検出することで燃料電池１の出力を把握することができるパッシブ型の燃料電池システムで本形態に係る燃料電池システムは特に有効なものとなるが、何れにしても単セル１ａ、１ｂ、１ｃの温度を検出することで発電電圧の異常を検出することができ、異常状態が検出された場合には、出力の遮断、出力電流の制限等により第１乃至第３の実施の形態と同様に燃料電池１の劣化を未然に防止し得る。
【００８５】
＜第５の実施の形態＞
本形態は、転極・過負荷状態の検出に伴う出力の遮断とともに、各単セル１ａ，１ｂ、１ｃの積極的な回復措置も行うようにしたものである。そこで、図１乃至図５と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００８６】
図６に示すように、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃのアノード室側にはヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃが配設してある。ここで、各ヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃは各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの電極周辺に生成される余剰な水を加熱により蒸発させて除去する機能を有する。主に、触媒層とガス拡散層上のガス拡散の阻害となる水を除去して各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの機能回復を図るためである。この場合の加熱の上限温度は６０〜９０℃の間で設定することが望ましい。
【００８７】
また、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃには、圧力センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、パージ弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃ、安全弁４４ａ，４４ｂ，４４ｃが設けてある。各パージ弁４３ａ乃至４３ｃは出力回復制御手段４０からの信号により開閉される。さらに、本形態では、出力回復制御手段４０からの信号により燃料電池１への燃料供給が遮断される。
【００８８】
減圧の為の安全弁４４ａ乃至４４ｃは、バネ圧調整によってアノード室が大気圧よりも２．０気圧以上の圧力となると開放するように調整してある。ちなみに、好ましくは、１．０〜３．０気圧の間で設定する。ここで、バイメタルを用いた安全弁４４ａ〜４４ｃを用いることも可能である。この場合の開放するときの温度は８０〜１００℃に設定する。
【００８９】
保護回路５は基本的に図１に示すものと同一であるが、ANDゲート論理回路８の出力信号である転極・過負荷状態信号はドライブ回路１０とともに、前記出力回復制御手段４０にも送出される。
【００９０】
ここで、出力回復措置に関連する素子や機器は、昇圧制御回路２、保護回路５と同様にＬＩＢ３を電源とする。一方、これらの出力回復措置に関連する素子や機器、昇圧制御回路２及び保護回路５の電源として燃料電池１を利用することもできる。また、本形態における昇圧制御回路２と外部負荷６との間には、外部負荷６に供給する負荷電流を検出する電流検出手段４５及びＬＩＢ３を充電する充電手段４６を設けてある。
【００９１】
かくして、本形態では、電流検出手段４５が外部負荷６への負荷電流がゼロとなったことを検知した時点で充電手段４６を動作させてＬＩＢ３を充電するとともに、ＬＩＢ３が満充電状態であることを充電手段４６が検知した時点で停止する。
【００９２】
なお、かかる電流検出手段４５及び充電手段４６を図１乃至図３に示す燃料電池システムに設けることには何の制限もない。また、本形態に係る燃料電池１は、平面直列接続され、セルのアノード室が分離されたデッドエンド構造のものの他、例えばセルが平面接続されアノード室が分離された燃料フロー構造、セルが平面接続されアノード室が共通の燃料フロー構造、セルが平面接続されアノード室が共通のデッドエンドや構造スタック構造のPEFC及びDMFCであっても構わない。
【００９３】
上記構成の本形態において、燃料電池１の全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃが正常な発電を行っている場合は、コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれの出力はHレベルの出力となる。コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれのHレベル出力は、３入力ANDゲート論理回路８に入力されるため、３入力ANDゲート論理回路８の出力はHレベルとなる。このときドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をターンオンさせ、燃料電池１の出力が昇圧制御回路２に入力され、昇圧制御回路２から外部負荷６に電力の供給がされる。
【００９４】
一方、燃料電池１の単セル１ａ、１ｂ、１ｃのうち、少なくとも１個が転極状態となると、何れかの単セル１ａ、１ｂ、１ｃからマイナスの電圧が出力され、この単セル１ａ、１ｂ、１ｃに接続されたコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの中のいずれかの出力がLレベルになる。この結果、３入力ANDゲート論理回路８は、これに入力される信号レベルがすべてHレベルではないので、その出力がLレベルとなる。この３入力ANDゲート論理回路８の出力レベルが５秒以上継続されると、ドライブ回路１０は、Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフし、この状態を保つ。これによって、燃料電池１の出力を遮断することができるので、転極状態での発電を回避することが可能である。
【００９５】
３入力ANDゲート論理回路８からのLレベル信号である転極状態信号を受信すると、同時に出力回復制御手段４０が動作する。この出力回復制御手段４０が動作すると、燃料供給を遮断し、アノード室を密閉空間とする。続いて、ヒータ４１ａ乃至４１ｃによりアノード室を７５℃に保ちアノード室内部の液水を気化させる。アノード室の内圧が２．０気圧を上回ると安全弁４４ａ乃至４４ｃが動作する。この結果、随時ガスが放出される。
【００９６】
圧力センサ４２ａ乃至４２ｃにより、所定の時間（本形態では１０分間）圧力の変動がない場合はパージ弁４３ａ乃至４３ｃを開き、２秒以内に閉じる。その後燃料供給を開始することにより、全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃにおいて通常の発電が可能となる。
【００９７】
ここで、ヒータ４１ａ乃至４１ｃの動作にはタイマをセットしておき、２０分間動作するとヒータ４１ａ乃至４１ｃが切れるように設定しておく。
【００９８】
燃料供給が開始されると、保護回路５はＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をターンオンし、燃料電池１と昇圧制御回路２とを電気的に導通させる。
【００９９】
なお、本形態は、燃料電池１の回復を、ヒータ加熱による単セル１ａ、１ｂ、１ｃでの生成水の除去により行うようにしたが、これに限るものではない。電極近傍の水を除去することは回復措置として有用であるが、他にもブロアにより水を吹き飛ばすか、又はガスを吹き付けるように構成することでも水の除去は可能になる。さらに、水を除去する方法以外にも次のような回復手段が考えられる。１）各単セル１ａ、１ｂ、１ｃのアノード室の燃料の強制循環を行う、２）単セル１ａ、１ｂ、１ｃのアノード室のガスの置換を行う、３）電解質膜の湿潤のための加湿を行う等である。
【０１００】
また、回復措置は、転極・過負荷状態が検出されている単セル１ａ、１ｂ、１ｃのみを対象としてこれを行う場合と、転極・過負荷状態が検出された単セル１ａ、１ｂ、１ｃを含め燃料電池１を構成する全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃを対象としてこれを行う場合が考えられる。何れを選択するかは、例えば出力回復制御手段４０で制御の対象を決めることで容易に決定し得る。
【０１０１】
ただ、全ての単セル１ａ、１ｂ、１ｃに対して回復動作を行った場合には,次のようなメリットがある。１）各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの状態を揃えることが可能となる。２）転極が検出されなかった単セル１ａ、１ｂ、１ｃの出力が向上する。
【０１０２】
＜第６の実施の形態＞
本形態は、転極・過負荷状態の検出に伴う出力電流の制限とともに、各単セル１ａ，１ｂ、１ｃの積極的な回復措置も行うようにしたものである。すなわち、図６に示す第５の実施の形態ける転極・過負荷状態の検出に伴う出力電流の制限の代わりに電流制限を行う場合である。そこで、図１乃至図６と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０３】
図７に示すように、回復措置に関連する部分を除けば、図３に示す燃料電池システムとほぼ同様である。ただ、本形態では電流検出手段４５が負荷電流ゼロを検出した場合に電流制限手段３０をリセットするようになっている。このことにより次の外部負荷６への電流供給を円滑に行うことができる。
【０１０４】
図８は昇圧制御回路５１の詳細構成の一例を示す。この昇圧制御回路５１は、図４に示す昇圧制御回路１１と基本的には同様の構成となっているが、前述の電流制限手段３０をリセットする機能を有する他、昇圧制御回路５１の出力側の電流を制御するようになっている点が異なる。すなわち、本例では、ＮＰＮトランジスタ２９で当該昇圧制御回路５１の出力電流を制御するようにＮＰＮトランジスタ２９がその出力側に配設してある。すなわちコントローラ２７の機能自体は同様であるが、本例におけるコントローラ２７は出力側のＮＰＮトランジスタ２９を介して出力電流を制御する。
【０１０５】
電流の制限は入力側乃至出力側の何れで行っても本質的な違いはないが、昇圧制御回路５１では、より電圧が高い出力側で電流を制御するのが望ましい。容易且つ高精度の制御が可能になるからである。したがって、降圧制御回路では、入力側で電流を制御するのが望ましい。
【０１０６】
本例では、端子５３を介して電流制限手段３０のコントローラ２７に電流検出手段４５からのリセット信号が供給される。他の動作は、図４の場合と全く同様である。
【０１０７】
＜第７の実施の形態＞
本形態は、保護回路が、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウンターをさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に燃料電池の出力を遮断するものである。本形態は、出力回復手段を有するものであるが、勿論これを有している必要はない。転極・過負荷状態が検出されたとき、出力を遮断するものであれば、何れとも組み合わせることが可能である。なお、図１乃至図８と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０８】
図９に示すように、保護回路５５は、３入力ANDゲート論理回路８に入力するコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力信号を分岐して入力するカウンター５６を有している。カウンター５６は、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃに関して転極・過負荷状態を連続して生起した回数を計数するとともに、その計数結果が所定回数（例えば２０回）を超えたとき、スイッチ手段であるＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフすることにより燃料電池１の出力を遮断する。同時に発光ダイオード（以下，ＬＥＤ）５７を発光させてエラー表示とする。
【０１０９】
一方、本形態においては各コンパレータ７ａ,７ｂ、７ｃに対応して基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設けてあり、各反転端子に基準電圧（例えば０．３Ｖ）を印加するようになっている。このように個別に基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃを設けることにより、数は増えるが、図２等に示す場合よりも正確な基準電圧を各コンパレータ７ａ,７ｂ、７ｃに供給することができる。出力回復手段６０は、出力回復措置に関連する部分を統合したもので、例えば図７の出力回復制御手段４０、ヒータ４１ａ乃至４１ｃ、圧力センサ４２ａ乃至４２ｃ、パージ弁４３ａ乃至４３ｃ及び安全弁４４ａ乃至４４ｃを含む概念である。
【０１１０】
また、３入力ANDゲート論理回路８が転極・過負荷状態を検出したときも、スイッチ手段であるＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフすることにより燃料電池１の出力を別途遮断する。
【０１１１】
かかる本形態においては、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。ここで、出力回復手段６０は、３入力ANDゲート論理回路８が転極・過負荷状態を検出する度に所定の出力回復措置を実施する。
【０１１２】
＜第８の実施の形態＞
本形態は、保護回路が、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に燃料電池の出力電流を制限するものである。本形態は、出力回復手段を有するものであるが、勿論これを有している必要はない。転極・過負荷状態が検出されたとき、電流を制限するものであれば、何れとも組み合わせることが可能である。なお、図１乃至図９と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【０１１３】
図１０に示すように、保護回路５５は、３入力ANDゲート論理回路８に入力するコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力信号を分岐して入力するカウンター５６を有している。カウンター５６は、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃに関して転極・過負荷状態を連続して生起した回数を計数するとともに、その計数結果が所定回数（例えば２０回）を超えたとき、スイッチ手段であるＮ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ９をオフすることにより燃料電池１の出力を遮断する。同時に発光ダイオード（以下，ＬＥＤ）５７を発光させてエラー表示とする。
【０１１４】
一方、本形態においては各コンパレータ７ａ,７ｂ、７ｃに対応して基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設けてあり、各反転端子に基準電圧（例えば０．３Ｖ）を印加するようになっている。このように個別に基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃを設けることにより、数は増えるが、図２等に示す場合よりも正確な基準電圧を各コンパレータ７ａ,７ｂ、７ｃに供給することができる。
【０１１５】
出力回復手段６０は、出力回復措置に関連する部分を統合したもので、例えば図７の出力回復制御手段４０、ヒータ４１ａ乃至４１ｃ、圧力センサ４２ａ乃至４２ｃ、パージ弁４３ａ乃至４３ｃ及び安全弁４４ａ乃至４４ｃを含む概念である。
【０１１６】
かかる本形態においては、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。
【０１１７】
ここで、出力回復手段６０は、３入力ANDゲート論理回路８が転極・過負荷状態を表す転極・過負荷信号を発生する毎に所定の出力回復措置を実施する。同様に、転極・過負荷状態信号により電流制限手段３０を動作させることによる電流制限も実施する。
【０１１８】
図１１は、本形態に係る燃料電池システムの動作フローの一例を示すフローチャートである。
【０１１９】
当該燃料電池１は３個の単セル１ａ、１ｂ、１ｃを有するＰＥＦＣであり、カソード側は大気開放タイプである。燃料電池１には、図示しない燃料供給系統を有するとともに、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃのアノード室側には圧力センサ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及びパージ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃが設けてある。パージ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃは圧力センサ４２ａ、４２ｂ、４２ｃによってアノード室の内圧が１．５気圧以上となると、開状態となる。
【０１２０】
出力回復手段としてはヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃを用い、それぞれの単セルのアノード室内部に配置した。ヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃの電源は燃料電池１の出力から得ている。保護回路５５において、異常検出手段は、過負荷状態を検出できる構成とし、電圧リファレンスの基準電圧は 0.3Vとした。
【０１２１】
カウンター５６は、異常検出手段が同一単セル１ａ、１ｂ、１ｃの過負荷状態を連続して検出した場合にカウントを加算する構成とした。カウント回数が２０回を超えたとき、スイッチ９をオフする信号及びLED５７に電圧を印加してLED５７を発光させエラーサインとする。
【０１２２】
ここで、当該燃料電池システムの運転時の動作について図１１に基づき説明する。
１）  外部負荷６を動作させる為に燃料電池システムが起動し（ステップＳ１）、ステップＳ２においてエラーサインが点灯している場合は、ステップＳ１０に進み動作を終了する。２）  ステップＳ２においてエラーサインが点灯していなければ、ステップＳ３において燃料電池１へ燃料が供給され発電が開始される。
３）  ステップＳ４では、異常検出手段において単セル１ａ、１ｂ、１ｃの過負荷状態が検出されると、ステップＳ５へ進み、前回の過負荷の検出と同一の単セル１ａ、１ｂ、１ｃか否かを判断をする。
４）  同一単セル１ａ、１ｂ、１ｃであった場合、ステップＳ６へ進み加算のカウントを行う。
５）  ステップＳ７においてカウント数が設定した回数、ここでは２０回以上である場合は、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では燃料電池システムの出力の遮断の為、スイッチ９をオフし、ＬＥＤ５７を点灯する。
６）  次にステップＳ９において燃料の供給を停止し発電を終了させる（ステップＳ１０）。
７）  一方、ステップＳ７においてカウント数が設定した回数、ここでは２０回以下の場合は、ステップＳ１２へ進み、燃料電池システムの出力電流の制限を行う。
８）  次に、ステップＳ１３では出力回復手段であるヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃを駆動しタイマを動作させる。ここで、タイマの設定時間は１５分とする。
９）  出力回復手段６０が１５分間動作した後（ステップＳ１４）、出力回復手段６０の動作が停止する（ステップＳ１５）。
１０）  次にステップＳ１６において燃料電池出力電流の制限が解除され、ステップＳ４へ戻る。
１１）  ここでステップＳ５において、  過負荷の検出が前回の過負荷の検出と同一の単セル１ａ、１ｂ、１ｃではなかった場合、ステップＳ１１へ進み、カウンター５６をリセットした後、ステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１２からＳ１６までは上述の通りの処理が行われる。
１２）  ステップＳ４において、過負荷の検出がない場合は、ステップＳ１７へ進む。ここで負荷が停止しなければ再びステップＳ４の処理へ戻る。
１３）  ステップＳ１７において負荷が停止し場合、出力回復手段６０及びタイマを動作させ（ステップＳ１８）、タイマにより設定された時間（ここでは１５分）が経過すると（ステップＳ１９）、出力回復手段６０を停止する（ステップＳ２０）。
１４）  その後ステップＳ９において、燃料の供給が停止され、終了する（ステップＳ１０）。
【０１２３】
なお、転極・過負荷状態のとき出力を遮断する第７の実施の形態の場合には。ステップＳ１２及びステップＳ１６が「燃料電池出力の遮断」となる。
【０１２４】
＜第９の実施の形態＞
本形態は、出力回復手段とともに、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したものである。図１乃至図１０と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【０１２５】
図１２に示すように、本形態に係る燃料電池システムにおいては、過負荷状態を検出するため、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃにコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃを対応させ、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの正極に各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの非反転入力端子を接続するとともに、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの負極と各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの反転入力端子との間に電圧リファレンス用の基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃを介在させて接続してある。各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃ及び基準電圧発生器２３ａ、２３ｂ、２３ｃのＧＮＤ端子は対応する単セル１ａ、１ｂ、１ｃの負極と接続する。
【０１２６】
かかる各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力を３入力ANDゲート論理回路８に入力することで、単セル１ａ、１ｂ、１ｃの各発電電圧が対応する基準電圧によって設定された電圧以下となると転極・過負荷状態信号が送出される。すなわち、各コンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力が反転することに伴って３入力ANDゲート論理回路８の出力も反転する。この結果過負荷状態が検出される。
【０１２７】
一方、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃには、スイッチ素子であるNチャンネルEFT６６ａ、６６ｂ、６６ｃが各単セル１ａ、１ｂ、１ｃのカソード側とNチャンネルEFT６６ａ、６６ｂ、６６ｃのドレイン端子を結線して並列に接続してある。
【０１２８】
ここで、NチャンネルEFT６６ａ、６６ｂ、６６ｃは常時OFF状態であるが、ある単セル１ａ、１ｂ、１ｃから転極・過負荷状態が検出されると、転極・過負荷状態の単セル１ａ、１ｂ、１ｃに対応したコンパレータ７ａ、７ｂ、７ｃの出力端から、転極・過負荷状態の単セル１ａ、１ｂ、１ｃに対応したバイパス用のNチャンネルEFT６６ａ、６６ｂ、６６ｃのドライバ６７ａ，６７ｂ，６７ｃへ信号が供給される。ドライバ６７ａ，６７ｂ，６７ｃが転極・過負荷状態信号を受けると、出力回復手段６０の動作タイマで設定された時間だけバイパス用NチャンネルEFTをON状態に保ち、燃料電池１の出力電流をその転極・過負荷状態の単セル１ａ、１ｂ、１ｃからバイパスさせる。
【０１２９】
同時に、異常検出手段により燃料電池１の転極・過負荷状態が検出されると、３入力ANDゲート論理回路８の出力信号である転極・過負荷信号をもとに燃料電池１の出力回復手段６０が動作する。出力回復手段６０はタイマにより動作が制御され、タイマにより設定された時間が経過すると、動作が停止する。
【０１３０】
このようにして、本形態では、転極・過負荷状態を検出し、不良セルをバイパスさせて燃料電池１の発電電流を流すようにしている。
【０１３１】
なお、転極を良好に検出するためには、各単セル１ａ、１ｂ、１ｃの正極にそれぞれのコンパレータ７ａ，７ｂ，７ｃの非反転入力端子を、各々のセルの負極にコンパレータの反転入力端子およびＧＮＤ端子を接続すれば良い。これにより、直列接続におけるどの位置の単セル１ａ、１ｂ、１ｃにおいても積極的な転極的な検出・利用が可能となる。
【０１３２】
本態様によれば、転極・過負荷が検出された単セルはNチャンネルEFT６６ａ、６６ｂ、６６ｃでバイパスされ、直列に接続された残りの単セルで電流を供給しつつ転極・過負荷状態の回復を図ることができる。
【０１３３】
＜他の実施の形態＞
上述の如く、各実施の形態を通して、転極・過負荷状態を検出する異常検出回路、保護回路、電流制限手段、昇圧制御回路、蓄電手段、出力回復手段等をそれぞれ複数種類づつ開示したが、各要素は自由に組み合わせることができる。組み合わせの全部は開示していないが、派生する組み合わせの全ては本発明の技術思想に含まれる。
【０１３４】
さらに、ＬＩＢ３等の充電要素は必須ではない。これを有する場合には、燃料電池１の転極・過負荷時に外部負荷６に対し継続して電力を供給することができるというメリットはあるが、必ずしも燃料電池システムと一体となっている必要はない。同様の意味で、昇圧制御回路も必須の構成要件ではない。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の過負荷状態での運転を防止する為、燃料電池の腐食、出力特性の低下を防ぐことが可能である。燃料電池の劣化モードでの発電の防止と、燃料電池単セルの初期の発電能力が維持され、安定した電力の供給が可能である。簡易な構成の形態が可能であるので、携帯機器用の燃料電池システムの小型化に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。
【図４】図３の昇圧制御回路の詳細な一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。
【図８】図７の昇圧制御回路の詳細な一例を示す回路図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。
【図１１】図１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】本発明の第９の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１  燃料電池
１ａ、１ｂ、１ｃ  単セル
２，１１  昇圧制御回路
３  リチウムイオン二次電池
５，１２，５５，６５  保護回路
６  外部負荷
７ａ，７ｂ，７ｃ  コンパレータ
８  ３入力ANDゲート論理回路
９  Ｎ−ｃｈＭＯＳＦＥＴ
１０  ドライブ回路
３０  電流制御手段
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  温度センサ
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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