(57)【要約】【課題】異常が発生しているセル自身の劣化や破壊を防止することができると共に、他のセルへの過負荷などの影響を防止し、システム全体の超寿命化を図ることを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック１２を形成する複数の燃料電池スタックセル１１と、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段１０と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、セル異常検出手段１０が検出したセル異常情報に基づき、所定の制御を行う制御手段１７を有し、セル異常検出手段１０は電圧検出用ＩＣ１３と比較器１４とトランジスタ１５を有し、セル異常検出手段１０が、燃料電池スタックセル１１の異常、例えば、スタック電圧セルの電圧低下を検出すると、燃料電池発電装置の発電を直ちに停止することができるので、セルの劣化・破壊もしくはスタック全体の劣化や破壊を防止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
セル異常検出手段と制御手段の間に光絶縁出力素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
セル異常検出手段は、複数のスタックセルを１ユニットとして、ユニット毎にセル異常を検出する複数セル異常検出手段であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
セルの異常を報知するセル電圧異常報知手段を有し、前記セル電圧異常報知手段は、制御手段を介することなくセル異常を報知する機能を備えた請求項１〜４いずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
セル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを報知する機能を備えた請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
セル異常検出手段が出力したセル異常情報を制御手段に送信する送信手段と、少なくとも燃料電池システムの異常情報を表示する表示手段を有し、前記セル異常検出手段が出力したセル異常情報を前記表示手段に表示する請求項１〜６いずれか１項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、燃料電池システムにかかるものであり、特に燃料電池スタックを形成する燃料電池スタックセルの出力電圧異常の検出に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成について、図１を用いて説明する。図１において、従来の燃料電池の中でも高分子電解質型燃料電池（以降、ＰＥＦＣと称する）の基本形を構成している。燃料電池は、水素などの燃料がスト空気などの酸素を含有する酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。電解質１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜等が利用される。電解質１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２を密着して配置してある。この触媒反応層で(化１)と(化２)に示す反応が発生し、燃料電池全体としては(化３)に示す反応が発生する。
【０００３】
【化１】
2008066006.tif 000003
【０００４】
【化２】
2008066006.tif 000004
【０００５】
【化３】
2008066006.tif 000005
【０００６】
燃料電池全体としては、(化３)に示すように、水素と酸素が反応し水が発生する際に、電気と熱を発生する。
【０００７】
５は、電極電解質接合体（以降、ＭＥＡと称する）であり、電極４と電解質１とで形成している。ＭＥＡ５は、隣接するＭＥＡ５同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路６ａと６ｃをＭＥＡに接する面に形成した一対の導電性セパレータ７ａと７ｃを配置する。電解質１と、１対の触媒反応層２ａと２ｃと、一対の各山荘３ａと３ｃと、一対の電極４ａと４ｃ、一対のセパレータ７ａ、７ｃで基本の燃料電池単位である、セルを形成している。燃料電池セルの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、セルを直列に複数個直列に積層している。このセルを積層した状態を、燃料電池では一般的にスタックと呼んでいる。例えば、３０個のセルを積層することで、スタックとしては、約２２Ｖ程度の電圧を出力することができる。
【０００８】
燃料電池スタックは、スタック内部の損失と外部から発電のために供給される燃料ガス、酸化ガスの供給量により最大出力電流が決定される。よって、スタックの経年劣化などによるスタックの発電能力が劣化などにより、ガス供給量とスタックの発電能力に不整合が起こると、スタックが過負荷状態になり、ますますスタックの劣化を早めたりスタックの破壊といった現象が発生する恐れがある。
【０００９】
また、多数のセルが積層する形で構成されているスタックが、例えば２２Ｖ程度で発電していたとしても、スタックを構成しているセルには特性バラツキがあり、全てのセルに均一に負荷がかかっているわけではない。負荷が軽いセルもあれば、負荷が重いセルもあり、負荷が重いセルは劣化が早くなったり、破壊が発生するといった恐れがある。
【００１０】
そのため、直列に接続されたセルからメカニカルリレーなどを介して、セルと並列に瀬と属されるコンデンサなどによる電圧保持装置を設けることにより、セルバランスを調整するなどの手法が考えられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１７８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし上述したように前記従来の構成は、セルバランスを調整するリレーなどのスイッチがセル毎に必要であり、構成が複雑となってしまうと共に、可燃ガスが発生しているシステム内に、メカニカルリレーなどを多数使用するため、リレーオン時のスパークなどによる引火に対して、不安全な面があった。
【００１２】
また、セルバランスを調整するスイッチの切替はマイコンなどで行うので、急激な負荷の変動やセルの両端ショートといった現象には対応できないといった課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００１４】
これによって本発明は、セル電圧の異常を検出した時点で、直ちに発電を停止するので、異常が発生しているセル自身の劣化や破壊を防止することができると共に、他のセルへの過負荷などの影響を防止することができるので、システム全体の超寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、セル電圧の異常を検出した時点で、直ちに発電を停止するので、異常が発生しているセル自身の劣化や破壊を防止することができると共に、他のセルへの過負荷などの影響を防止することができるので、システム全体の超寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池スタックセルと、燃料電池スタックセルの異常を検出するセル異常検出手段と、燃料電池スタックが出力する電気とは絶縁された電源と、前記セル異常検出手段が検出したセル異常情報に基づき所定の制御を行う制御手段とを有し、前記セル異常検出手段は電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタを有し、前記制御手段は前記セル異常検出手段が異常を出力していると判断すると、燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００１７】
上記構成によると、セル異常検出手段が、燃料電池スタックセルの異常、例えば、スタック電圧セルの電圧低下を検出すると、燃料電池発電装置の発電を直ちに停止することができるので、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止することができる。
【００１８】
また、セル異常検出手段を電圧検出用ＩＣと比較器とトランジスタで構成することにより、異常電圧検出の電圧閾値を精度よく検出することが可能で、また、構成が非常に簡単で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明に加え、セル異常検出手段と制御手段の間に光絶縁出力素子を設けたものであり、フォトカプラなどの光絶縁出力素子で構成することで、光絶縁素子の順方向電圧によりスタック電圧低下を判定し、前記制御手段に出力しているだけであるので、構成が非常に簡単で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。
【００２０】
第３の発明は、第１または第２のいずれか１つの発明において、セル異常検出手段は、複数のスタックセルを１ユニットとして、ユニット毎にセル異常を検出する、複数セル異常検出手段であることを特徴とする燃料電池システムとする。
【００２１】
上記構成、動作によると、スタックを構成する１つ当たりのセルの出力電圧は、約０．７５Ｖ程度であり、非常に小さな電圧である。よって、小さな電圧の異常判定を行うことになり、セル電圧異常の判定を行う閾値電圧自身も非常に小さな電圧となり、誤検知などの可能性も高くなってしまうことが懸念される。
【００２２】
セル電圧異常の判定を、最低２セル以上のセル毎に異常検出を行うことにより、検出すべき異常電圧の電圧閾値自体も大きな値となり、フォトカプラなどの光絶縁素子や電圧検出ＩＣなど、一般的に使用されている電子部品を利用して、精度よくスタック電圧低下異常を検出することができる。
【００２３】
第４の発明は、第１から第３いずれか１つの発明において、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００２４】
上記構成、動作によると、燃料電池発電装置などの場合、各セルの電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、セルを直列に複数個直列に積層して使用することがほとんどである。例えば、３０個のセルを積層することで、スタックとしては、約２２Ｖ程度として使用するような使い方をすることがほとんどである。
【００２５】
ここで、セルごとの異常を検出するためには、各セルの＋極と−極の電圧を計測する必要があり、例えば、３０個のセル全てのセル電圧を計測するとなると、セル電圧を計測するため、セルから出ている３１本のリード線を制御基板まで持ってくる必要があるので、組立て性などに問題がある。
【００２６】
そこで、本発明の構成、動作によると、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置されるので、スタック近傍からは、異常信号をマイコンなどの制御手段に送信する信号線のみでよいので、組立て性の向上や製品の信頼性向上を図ることができる。
【００２７】
第５の発明は、第１から第４いずれか１つの発明において、セルの異常を報知する、セル電圧異常報知手段を有し、前記セル電圧異常報知手段は、制御手段を介することなく、セル異常を報知する機能を備えることを有する燃料電池システムとする。
【００２８】
上記構成、動作によると、前記セル異常検出手段が異常を検出すると、利用者への報知をマイコンなどの制御手段を介することなく、行うことができるので、セルに異常が発生
したときなどは、直ちに利用者への報知ができる。
【００２９】
第６の発明は、第５の発明において、セル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを報知する機能を備えることを有する燃料電池システムとする。
【００３０】
上記構成、動作によると、セルの電圧異常を検出するセル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを判定する機能を備え、かつ、異常が発生しているセルがどのせるであるのかを、マイコンなどの制御手段を介することなく、報知することができるので、メンテナンス者などへのセル異常が発生しているセルの報知を、安価に実現することができる。
【００３１】
第７の発明は、第１から第６いずれか１つの発明において、セル異常検出手段が出力したセル異常情報を、制御手段に送信する送信手段と、燃料電池システムの異常情報などを表示する表示手段を有し、前記セル異常検出手段が出力したセル異常情報を前記表示手段に表示し、利用者はメンテナンス者に報知する機能を有することを特徴とする燃料電池システムとする。
【００３２】
上記構成、動作によると、セル異常検出手段により検出したセル異常情報などを、マイコンなどの制御手段を介して表示部などに表示することができるので、メンテナンス者以外の一般の利用者でも、燃料電池発電装置を使用中にセル電圧異常が発生した場合でも、簡単に製造会社やメンテナンス会社などに連絡することが可能であり、メンテナンス性を向上させることができる。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
図２は、本発明の第１の実施の形態における、セル電圧異常検出手段の回路図、図３は、燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図である。
【００３５】
まず、燃料電池発電装置が発電していない場合の動作の例について説明する。
【００３６】
図３において、前記燃料電池発電装置は、発電する前の起動中は、系統２１から電力が供給されている。また、前記燃料電池発電装置と同様に、家庭で使用されているエアコン、電気、冷蔵庫など家庭内負荷も系統２１から、通常家庭内に設置されている分電盤を介して、電気が供給されている。
【００３７】
前記燃料電池発電装置が発電可能状態となるまでには、水素生成器３０により、都市ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とする燃料ガスを生成する必要がある。この水蒸気改質を行い、発電可能な水素を生成するためには、前記水素生成器３０の温度を約６００〜７００℃まで上昇させる必要がある。そのため、燃料電池発電装置の内部には、温度を上昇させるためのヒーターや、前記水素生成器３０の温度を制御するファンや、原料ガスの流路を変える弁などを有しており、これらの機器を制御することで発電に利用する水素を生成している。
【００３８】
これらのヒーターやファンや弁を駆動させるための電源は、前記燃料電池発電装置が発電していないときは、系統側から、リレー２７を介して前記ＡＣ／ＤＣコンバータ２４に入力され、前記ＡＣ／ＤＣコンバータにより電源変換が行われ、それぞれのヒーターやファンや弁を駆動するのに必要な電源や、制御用の電源を生成している。但し、リレー２７は、後述する、発電時に系統とＡＣ／ＤＣコンバータとの接続を切離すものであるが、Ａ
Ｃ／ＤＣコンバータの後段に設置している電源切替手段２６が設けられているので、必ずしも必要なく、リレー２７が設けられていなくても、本発明の効果は変わらない。
【００３９】
水素生成器３０により、天然ガスなどの原料ガスから水素への改質が十分に進み、燃料電池の発電に必要な水素が生成されると、燃料電池発電装置は発電可能状態となり、燃料電池スタック１２の発電が開始する。
【００４０】
セル１１の集合体である燃料電池スタック１２が発電状態になると、前記燃料電池スタック１２で発電した直流電力はインバータにより交流電力に変換され、変換された電力は家庭内負荷に使用される。燃料電池発電装置でも同様に、今までは、天然ガスから水素を生成するためのヒーターやファンや弁の駆動電源を、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から駆動用電源を生成していたが、燃料電池スタックが発電状態になったならば、燃料電池スタック１２で発電した電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５から駆動電源を生成し、これらのファンや弁の駆動電力として用いることができる。
【００４１】
次に、本発明の第１の実施の形態の動作について、図２を用いて説明する。
【００４２】
図２は、セル電圧異常検出手段の回路図を示すものである。前述したように、燃料電池発電装置のスタックが発電を開始すると、発電した電力を用いて、家庭内で使用している電化製品の電力として使用したり、余った電力は系統に戻したりすることが可能となる。このとき、燃料電池スタック１２に接続された、セル異常検出手段１０により、燃料電池スタックを構成しているセル１１のセル電圧を監視し、異常が発生したときには、スタックの発電を停止させることにより、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止している。
【００４３】
図２に示すように、セル異常検出手段１０は、各セル毎、もしくは、最低２セル以上の複数の複数セル毎の、異常検出手段１０ａ、１０ｂ・・・１０ｘが複数個のモジュールから構成されている。ここでは、２セルごとのセル異常を検出する場合を例に説明を行う。１セルの正常時の電圧は、０．７５Ｖ程度と非常に小さいので、異常時のセル電圧は更に小さくなり、１セル毎にセル異常の検出を行うと、誤検出可能性が高くなるためである。
【００４４】
セル異常検出手段の１つ毎のモジュールは、電圧検出用ＩＣ１３と、比較器１４と、トランジスタ１５から構成されている。電圧検出用ＩＣは、一般的にリセットＩＣという名称で、多数の半導体メーカーから販売されており、安価で入手も簡単なものを用いることができる。
【００４５】
トランジスタ１５の出力は、オア接続となっており、フォトカプラなどの光絶縁素子１６に接続されるので、いずれか１つのセル異常検出モジュールが異常を検出した場合にも、制御手段１７に異常信号を出力することができる。
【００４６】
まず、セル電圧が異常時の動作について説明する。
【００４７】
ここでは、２セルの合計電圧の異常判定閾値電圧を１．０Ｖとし、１．０Ｖになるとセル電圧異常であると判定する場合について述べるが、異常判定閾値は、前記電圧検出用ＩＣ１３の設定電圧を変えるだけで良いので、異常判定閾値電圧はこの値でなくても発明の効果はかわらない。
【００４８】
セル電圧が正常（１．０Ｖ以上）のときは、各セル異常検出モジュール内の電圧検出用ＩＣ１３の出力は、入力電圧（例えば、１．５Ｖ程度）がそのまま出力される。よって、比較器１４の基準電圧より必ず高い電圧となるので、トランジスタ１５はオフしたままで
、制御手段１７へ異常信号は出力されないままである。
【００４９】
次に、セル電圧が異常（１．０Ｖ以下）のときは、各セル異常検出モジュール内の電圧検出用ＩＣ１３の出力は、不定であり、出力段のプルダウン抵抗で、比較器１４の入力は０Ｖとなり、基準電圧より必ず低い電圧となるので、トランジスタ１５がオンされ、フォトカプラ１６の入力側のＬＥＤが点灯し、制御手段１７へ異常信号を出力することができる。
【００５０】
制御手段１７が、異常信号を受信すると、セルの劣化や破壊、システム全体への負荷を防ぐため、直ちに発電を停止させて、表示手段１８に表示し、燃料電池発電装置の利用者やメンテナンス者に報知を行う。
【００５１】
このように、複数個のセル異常検出モジュールをオア接続し、スタックを構成するセル電圧に１つでも異常が発生したら、スタックの発電を停止し、報知を行うことで、スタック電圧セルの電圧低下を検出すると、燃料電池発電装置の発電を直ちに停止することができるので、セルの劣化・破壊や、スタック全体の劣化や破壊を防止することができる。
【００５２】
また、スタック電圧の低下を、フォトカプラなどの光絶縁出力素子で構成することで、光絶縁素子の順方向電圧によりスタック電圧低下を判定し、前記制御手段に出力しているだけであるので、構成が非常に簡単・安価で、かつ確実にスタックの電圧低下を検出することができる。
【００５３】
また、セル異常検出手段により検出したセル異常情報などを、マイコンなどの制御手段を介して表示部などに表示することができるので、メンテナンス者以外の一般の利用者でも、燃料電池発電装置を使用中にセル電圧異常が発生した場合でも、簡単に製造会社やメンテナンス会社などに連絡することが可能であり、メンテナンス性を向上させることができる。
【００５４】
（実施の形態２）
実施の形態２は、制御手段を介することなく、セル異常を検出した場合は、異常を報知する場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。
【００５５】
そこで以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。
【００５６】
図４は、制御手段を介することなく、セルの異常を検出した場合に利用者やメンテナンス者に報知する機能を備える場合のセル異常検出手段の構成図の例である。
【００５７】
実施の形態１と同様に、セル異常検出モジュールが、セル電圧の低下を検出すると、トランジスタ１５がオンするので、トランジスタの出力側に設けられた、セル電圧異常報知手段４１であるＬＥＤが点灯する。このＬＥＤ４１は、セル異常検出モジュール毎に設けられているので、どのセルで異常が発生しているのか知ることができる。
【００５８】
このように、セルの電圧異常を検出するセル電圧異常報知手段は、不具合が発生しているセルがどのセルであるかを判定する機能を備え、かつ、異常が発生しているセルがどのせるであるのかを、マイコンなどの制御手段を介することなく、報知することができるので、メンテナンス者などへのセル異常が発生しているセルの報知を、安価に実現することができる。
【００５９】
（実施の形態３）
実施の形態３は、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置する場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１、２と同じである。
【００６０】
そこで以下では実施の形態３の構成、動作について、実施の形態１、２との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１、２と同じものとする。
【００６１】
図５は、セル異常検出手段は、燃料電池スタック近傍に設置する場合の、燃料電池発電装置のシステム構成図の概略図である。
【００６２】
実施の形態１との相似点は、セル異常検出手段１０が、スタック１２の近傍にある点である。セル毎の異常電圧を検出するとなると、各セルから出力電圧モニター用の電気ケーブルを接続する必要があり、例えば、セル数が３０枚の燃料電池スタック１２から引き出さなければならない電気ケーブルは３１本になり非常に多く、配線の引回しも大変であり、組立て性が悪くなるとか、製品の信頼性が低下するといった課題があった。
【００６３】
そこで、本発明の実施の形態３では、セル異常検出手段１０を燃料電池スタック１２の近傍に設置することにより、配線数が多いスタック１２からセル異常検出手段１２までの距離は短くし、制御手段１６と接続される、異常信号を出力する電気ケーブルのみを長くすることで、配線を簡素化できる。
【００６４】
このように、セル異常検出手段１２が、燃料電池スタック近傍に設置されるので、スタック近傍からは、異常信号をマイコンなどの制御手段に送信する信号線のみを配線すればよいので、配線が簡素化でき、組立て性の向上や製品の信頼性向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、家庭用の燃料電池システムをはじめ、工業用や自動車用の燃料電池システムにも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成図
【図２】実施の形態１における燃料電池システムのセル電圧異常検出手段の回路図
【図３】実施の形態１における燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図
【図４】実施の形態２における燃料電池システムのセル電圧異常検出手段の回路図
【図５】実施の形態３における燃料電池発電装置全体のシステム構成図の概略を示す図
【符号の説明】
【００６７】
１０  セル異常検出手段
１１  スタックセル
１２  スタック
１３  電圧検出ＩＣ
１４  比較器
１５  トランジスタ
１６  光絶縁素子
１７  制御手段
１８  表示手段
４１  セル電圧異常報知手段（ＬＥＤ）
【図１】
2008066006.tif 000006
【図２】
2008066006.tif 000007
【図３】
2008066006.tif 000008
【図４】
2008066006.tif 000009
【図５】
2008066006.tif 000010