(57)【要約】【課題】異常が起きたセルの電極に対してバイパス経路を形成することで、スタックの電流をバイパスさせて異常セルを転極から保護し、それによりＭＥＡ（膜・電極接合体）の破損を防ぐ。【解決手段】燃料電池保護回路（１０）は、燃料電池スタックを構成する多数のセル（Ｃ，Ｃ，…）のうち少なくとも１つのセル（Ｃ）の電極間の電位差不良を検出する検出手段（２０）と、検出手段が電位差不良を検出したとき当該電極のバイパス経路を形成するバイパス手段（３０）とを備える。また、燃料電池（１１０）は、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、少なくともマイナス側端部電極の単セル（Ｃ１）に燃料電池保護回路（１１）を備える。【選択図】      図１
2004303621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち少なくとも１つのセルの電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とを備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池保護回路において、前記バイパス手段は、前記電極間に並列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき導通されるスイッチ素子を備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池保護回路において、前記電極が燃料電池スタックの接地電極を含まない場合、前記バイパス手段は、前記スイッチ素子の切り換え用レベル変換ドライバを備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池保護回路において、前記バイパス手段は、前記電極に直列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき遮断される第１スイッチ素子と、前記電極および前記第１スイッチ素子の直列回路の両端間に並列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき導通される第２スイッチ素子とを備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池保護回路において、前記電極が燃料電池スタックの接地電極を含まない場合、前記バイパス手段は、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子の切り換え用レベル変換ドライバを備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池保護回路において、前記電極は単セルのセル電極であることを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池保護回路において、前記電極は任意個数のセルからなる直列セル回路の両端電極であることを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池保護回路において、前記検出手段は、前記直列セル回路の各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段を備えたことを特徴とする燃料電池保護回路。
【請求項９】
燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち少なくとも１つの単セルに、前記単セルのセル電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該セル電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち任意個数のセルからなる少なくとも１つの直列セル回路に、前記直列セル回路の両端電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち任意個数のセルからなる少なくとも１つの直列セル回路に、前記直列セル回路の各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段と、少なくとも１つの前記検出手段が電位差不良を検出したとき前記直列セル回路の両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯性、可搬性を有する各種のＯＡ機器や通信機器等に適用可能な燃料電池保護回路および燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１８に示すように、一般的なＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール型燃料電池）のセル（単セル）は、中心部分に電解質膜があり、その電解質膜の表裏に触媒層とカーボンペーパで構成される電極が接合されている。セパレータ（流路板）は表面に流路となる溝が彫られた板状体で、電解質膜および電極を挟み込む。電極には一方の面には燃料（メタノール水溶液）が、他方の面には空気が流路板により供給される。流路板（セパレータ）と電解質膜の間には、燃料および空気の漏れを防ぐためのパッキンが設けられている。また、流路板は導電性のある材質で製作することが一般的で、流路板を通して発電した電力が取り出される。さらに、セルの外側にはセル全体を機械的に締め付ける図示しない締め付け構造が設けられている。実用的な燃料電池は起電力を高めるため、図１９に示すようにセルを複数積み重ねてスタック構造にして用いる場合が多い。その場合の締め付け構造はスタック全体を締め付けるように構成される。燃料電池をスタック構造にした場合のセパレータは、隣り合うセルのセパレータを一体化して、構造の簡略化と小型化を図っている。つまり、セパレータの両面に流路となる溝を設け、一方の面には空気を、もう一方の面には燃料が供給される。電流は、隣り合うセルからセパレータを通じて流れる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６７８９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃料電池スタックは、基本単位であるセルを電気的に直列に接続したものである（図２０（ａ）参照）。正常な発電を行っている状態では、スタック全体の電圧は、１セルあたりの電圧にセルの段数をかけたものとほぼ等しくなる。図２０は７段のスタックの例を示しており、１セルあたりの電圧をＶとすると、スタックの電圧は正常時で７Ｖである（図２０（ｂ）参照）。
【０００５】
しかしながら、例えば一時的な燃料不足等の原因によって、燃料電池スタックの電気的に直列に接続された一部のセルで発電不良が生じると、この発電不良の生じた異常なセルは他の正常なセルに対して抵抗として作用するため、全体の電圧は６Ｖ−ＩＲとなる（図２０（ｃ）参照）。燃料不足等の原因が瞬時に解消されて異常なセルが正常なセルに復帰する場合もあるが、そうでないときは、異常セルでは電極間の電位差が正常時の逆になる（転極する）ため、ＭＥＡ（膜・電極接合体）が破損してしまい、このように極性が転極することで一度破損したセルは、他の正常なセルに対して負荷になりつづけ、結果的にスタック全体の起電力を低下させることが避けられないという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、異常が起きたセルの電極に対してバイパス経路を形成することで、スタックの電流をバイパスさせて異常セルを転極から保護することができ、それによりＭＥＡ（膜・電極接合体）の破損を防ぐことのできる燃料電池保護回路および燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち少なくとも１つのセルの電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とを備えた燃料電池保護回路である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池保護回路において、前記バイパス手段は、前記電極間に並列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき導通されるスイッチ素子を備えた構成である。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の燃料電池保護回路において、前記電極が燃料電池スタックの接地電極を含まない場合、前記バイパス手段は、前記スイッチ素子の切り換え用レベル変換ドライバを備えた構成である。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池保護回路において、前記バイパス手段は、前記電極に直列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき遮断される第１スイッチ素子と、前記電極および前記第１スイッチ素子の直列回路の両端間に並列に接続され、前記検出手段が電位差不良を検出したとき導通される第２スイッチ素子とを備えた構成である。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池保護回路において、前記電極が燃料電池スタックの接地電極を含まない場合、前記バイパス手段は、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子の切り換え用レベル変換ドライバを備えた構成である。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池保護回路において、前記電極は単セルのセル電極である。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池保護回路において、前記電極は任意個数のセルからなる直列セル回路の両端電極である。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の燃料電池保護回路において、前記検出手段は、前記直列セル回路の各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段を備えた構成である。
【００１５】
請求項９に係る発明は、燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち少なくとも１つの単セルに、前記単セルのセル電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該セル電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えた燃料電池である。
【００１６】
請求項１０に係る発明は、燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち任意個数のセルからなる少なくとも１つの直列セル回路に、前記直列セル回路の両端電極間の電位差不良を検出する検出手段と、前記検出手段が電位差不良を検出したとき当該両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えた燃料電池である。
【００１７】
請求項１１に係る発明は、燃料電池スタックを構成する多数のセルのうち任意個数のセルからなる少なくとも１つの直列セル回路に、前記直列セル回路の各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段と、少なくとも１つの前記検出手段が電位差不良を検出したとき前記直列セル回路の両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段とで構成される保護回路を備えた燃料電池である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明による燃料電池保護回路の一実施の形態を示す概略的構成図であり、図１（ａ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ａ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち少なくとも１つの単セルＣａのセル電極間の電位差不良を検出する検出手段２０（２０ａ）と、検出手段２０（２０ａ）が電位差不良を検出したときそのセル電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ａ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ａ）およびバイパス手段３０（３０ａ）は、システムコントローラ４０（４０ａ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ａ）においてバイパス経路の形成は、単セルＣａのセル電極間を短絡させることによって行う。
【００１９】
また、図１（ｂ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ｂ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち任意個数のセルＣｂ１，Ｃｂ２，…，Ｃｂｎからなる少なくとも１つの直列セル回路Ｂの両端電極間の電位差不良を検出する検出手段２０（２０ｂ）と、検出手段２０（２０ｂ）が電位差不良を検出したときその両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ｂ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ｂ）およびバイパス手段３０（３０ｂ）は、システムコントローラ４０（４０ｂ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ｂ）においてバイパス経路の形成は、直列セル回路Ｂの両端電極間を短絡させることによって行う。
【００２０】
また、図１（ｃ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ｃ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち任意個数のセルＣｃ１，Ｃｃ２，…，Ｃｃｎからなる少なくとも１つの直列セル回路Ｂにおいて、各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段２０（２０ｃ１〜２０ｃｎ）と、少なくとも１つの検出手段２０（２０ｃ）が電位差不良を検出したとき直列セル回路Ｂの両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ｃ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ｃ）およびバイパス手段３０（３０ｃ）は、システムコントローラ４０（４０ｃ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ｃ）においてバイパス経路の形成は、直列セル回路Ｂの両端電極間を短絡させることによって行う。
【００２１】
図２は、本発明による燃料電池保護回路の他の実施の形態を示す概略的構成図であり、図２（ｄ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ｄ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち少なくとも１つの単セルＣｄのセル電極間の電位差不良を検出する検出手段２０（２０ｄ）と、検出手段２０（２０ｄ）が電位差不良を検出したときそのセル電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ｄ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ｄ）およびバイパス手段３０（３０ｄ）は、システムコントローラ４０（４０ｄ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ｄ）においてバイパス経路の形成は、単セルＣｄを燃料電池スタックから電気的に切り離すことによって行う。
【００２２】
また、図２（ｅ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ｅ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち任意個数のセルＣｅ１，Ｃｅ２，…，Ｃｅｎからなる少なくとも１つの直列セル回路Ｂの両端電極間の電位差不良を検出する検出手段２０（２０ｅ）と、検出手段２０（２０ｅ）が電位差不良を検出したときその両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ｅ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ｅ）およびバイパス手段３０（３０ｅ）は、システムコントローラ４０（４０ｅ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ｅ）においてバイパス経路の形成は、直列セル回路Ｂを燃料電池スタックから電気的に切り離すことによって行う。
【００２３】
また、図２（ｆ）に示す燃料電池保護回路１０（１０ｆ）は、燃料電池スタックを構成する多数のセルＣ，Ｃ，…のうち任意個数のセルＣｆ１，Ｃｆ２，…，Ｃｆｎからなる少なくとも１つの直列セル回路Ｂにおいて、各セル電極間の電位差不良をそれぞれ検出する複数の検出手段２０（２０ｆ１〜２０ｆｎ）と、少なくとも１つの検出手段２０（２０ｆ）が電位差不良を検出したとき直列セル回路Ｂの両端電極のバイパス経路を形成するバイパス手段３０（３０ｆ）とを備えたものであり、これらの検出手段２０（２０ｆ）およびバイパス手段３０（３０ｆ）は、システムコントローラ４０（４０ｆ）の制御機能によって制御される。この燃料電池保護回路１０（１０ｆ）においてバイパス経路の形成は、直列セル回路Ｂを燃料電池スタックから電気的に切り離すことによって行う。
【００２４】
図１、図２には詳細に図示してないが、検出手段２０は、単セルＣのセル電極間または直列セル回路Ｂの両端電極間の電位差が、あらかじめ設定したしきい値を下回ったとき、発電不良（電位差不良）であることを検出するものである。また、検出手段２０は少なくとも、単セルＣが転極（セル電極の極性が反転）したとき、発電不良（電位差不良）であることを検出するものである。そのため、検出手段２０は、少なくとも転極による発電不良（電位差不良）検出機能を有し、好ましくは電位差がしきい値を下回ることによる発電不良（電位差不良）検出機能を有する。
【００２５】
また、図１には詳細に図示してないが、バイパス手段３０は、検出手段２０が電位差不良を検出したとき、その単セルＣのセル電極間または直列セル回路Ｂの両端電極間を短絡させるものである。そのため、バイパス手段３０は、単セルＣのセル電極間または直列セル回路Ｂの両端電極間に並列に接続されたスイッチング回路を備え、正常時はこのスイッチング回路を開いておき、異常（電位差不良）時にこのスイッチング回路を閉じる機能を有する。
【００２６】
また、図２には詳細に図示してないが、バイパス手段３０は、検出手段２０が電位差不良を検出したとき、その単セルＣまたは直列セル回路Ｂを燃料電池スタックから電気的に切り離すものである。そのため、バイパス手段３０は、単セルＣのセル電極または直列セル回路Ｂの両端電極に直列に接続された第１スイッチング回路と、単セルＣまたは直列セル回路Ｂと第１スイッチング回路との直列回路の両端間に並列に接続された第２スイッチング回路とを備え、正常時は第１スイッチング回路を閉じておくとともに第２スイッチング回路を開いておき、異常（電位差不良）時に第１スイッチング回路を開くとともに第２スイッチング回路を閉じる機能を有する。
【００２７】
図３は、燃料電池保護回路１０の第１の例を示す回路図であり、この燃料電池保護回路１１は、異常が生じたセルのセル電極間を短絡させることで、ＭＥＡの保護を図るものである。
【００２８】
この燃料電池保護回路１１において、検出手段２０は、単セルＣのセル電極間に接続されてその転極検出機能を有するコンパレータＩＣ２１で構成される。また、バイパス手段３０は、単セルＣのセル電極間に並列に接続されたＰチャネルのパワーＦＥＴスイッチ素子３１と、パワーＦＥＴスイッチ素子３１の切り換え用レベル変換ドライバ３２とで構成される。レベル変換ドライバ３２は、両電極とも正の電位にあるセル電極間を短絡させるパワーＦＥＴスイッチ素子３１をオン／オフさせるためのものであり、ＰチャネルのＦＥＴスイッチ素子３２ａおよびＮチャネルのＦＥＴスイッチ素子３２ｂを備える。これにより、この燃料電池保護回路１１は、燃料電池スタック中のどのセルＣにも接続して用いることができる。また、システムコントローラ４０は、制御用マイクロコントローラ４１で構成される。
【００２９】
この燃料電池保護回路１１は、単セルＣが転極すると、コンパレータＩＣ２１がそれを検出して、制御用マイクロコントローラ４１のＩＮへロジックレベルの検出出力を伝える。制御用マイクロコントローラ４１は、コンパレータＩＣ２１からＩＮへの検出出力を受けて、ＯＵＴの出力レベルをハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り換える。このＯＵＴの出力レベルの切り換えによって、レベル変換ドライバ３２の各ＦＥＴスイッチ素子３２ａ，３２ｂがいずれもオンし、パワーＦＥＴスイッチ素子３１が低インピーダンスでオン（導通）することで単セルＣのセル電極間を短絡し、燃料電池スタックの電流をパワーＦＥＴスイッチ素子３１を通してバイパスさせる。
【００３０】
図４は、燃料電池保護回路１０の第２の例を示す回路図であり、この場合の単セルＣは、一方の電極が燃料電池スタックの接地電極（ＧＮＤ）となっている。
そのため、この燃料電池保護回路１２において、バイパス手段３０は、単セルＣのセル電極間に並列に接続されたパワーＦＥＴスイッチ素子（この場合はＮチャネル）３１を備えるが、図３に示す燃料電池保護回路１１のような切り換え用レベル変換ドライバ３２は不要であり、それだけ燃料電池保護回路１１よりも簡単な構成である。検出手段２０はコンパレータＩＣ２１で構成され、また、システムコントローラ４０は制御用マイクロコントローラ４１で構成される。
【００３１】
この燃料電池保護回路１１は、単セルＣが転極すると、コンパレータＩＣ２１がそれを検出して、制御用マイクロコントローラ４１のＩＮへロジックレベルの検出出力を伝える。制御用マイクロコントローラ４１は、コンパレータＩＣ２１からＩＮへの検出出力を受けて、ＯＵＴの出力レベルをハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り換える。このＯＵＴの出力レベルの切り換えによって、パワーＦＥＴスイッチ素子３１が低インピーダンスでオン（導通）することで単セルＣのセル電極間を短絡し、燃料電池スタックの電流をパワーＦＥＴスイッチ素子３１を通してバイパスさせる。
【００３２】
図５は、図３に示す燃料電池保護回路１１または図４に示す燃料電池保護回路１２を用いた燃料電池システムのフローチャートを示す。この燃料電池システムに用いる燃料電池保護回路１１または１２の場合、検出手段２０が、転極による発電不良（電位差不良）検出機能を有するだけでなく、電位差があらかじめ設定したしきい値を下回ることによる発電不良（電位差不良）検出機能を有するものとする。
【００３３】
このフローチャートは燃料電池保護回路１１，１２に関する部分だけを示したもので、燃料電池システムを運転するための他の処理については図示していない。実際には、図示した処理が燃料電池システムの制御ループに挿入され、例えば数秒程度の制御周期に従って運転中に繰り返し実行されるものである。また、図示していない処理には、１つの燃料電池に複数の保護回路１１または１２を設置した場合のスキャニングも含まれる。
【００３４】
図５に示すように、まず、保護回路１１または１２を設置した単セルＣのセル電極間の電位差が、あらかじめ設定したしきい値の電圧よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１）。電位差がしきい値よりも大きければ（ステップＳ１１のＹＥＳ）正常と判定し、一定時間（Ｔ１時間）経過後（ステップＳ１２）に次の処理に移る。
【００３５】
単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値を下回った場合（ステップＳ１１のＮＯ）は、その単セルＣの発電の異常と判定し、バイパス回路を短絡させる（ステップＳ１３）。一定時間（Ｔ２時間）経過後（ステップＳ１４）にバイパス回路を開放させ（ステップＳ１５）、さらに一定時間（Ｔ３時間）経過後（ステップＳ１６）、セル電極間の電位差をしきい値の電圧と比較して正常・異常の判定をする（ステップＳ１７）。
【００３６】
このとき、単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値の電圧よりも大きければ（ステップＳ１７のＹＥＳ）、その単セルＣの発電不良が回復したものとみなし、一定時間（Ｔ１時間）経過後（ステップＳ１２）に次の処理に移る。
【００３７】
これに対し、単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値を下回ったままの場合（ステップＳ１７のＮＯ）には、再びステップＳ１３に戻ってバイアス回路を短絡させる。単一の燃料電池保護回路１１または１２において、ステップＳ１７からステップＳ１３への循環が例えば数回繰り返されたときは、その単セルＣの発電不良は当面回復しないものとみなして、その単セルＣのバイパス回路を短絡させた状態（ステップＳ１３）に保持することが可能である。また、燃料電池を構成する多数のセルＣ，Ｃ，…の例えば全数に保護回路１１または１２を設置した場合、全数のうち例えば１／３のセルＣ，Ｃ，…がステップＳ１７からステップＳ１３への循環を例えば数回繰り返したときは、その燃料電池の寿命が尽きたものとみなして、燃料電池システムを寿命停止させることが可能である。
【００３８】
図６は、処理を簡略化したフローチャートを示す。これは異常セルを短絡したあと、復帰の処理を行わないケースである。短絡により、燃料電池スタックの電圧は低下するが、異常セルの破損（ＭＥＡの破損）は防止できるので、次回に燃料電池を使用する場合に、異常セルの短絡を開放し復帰させることができる。
【００３９】
図７は、燃料電池保護回路１０の第３の例を示す回路図であり、この燃料電池保護回路１３は、異常が生じたセルのセル電極間を短絡させるのではなく、異常セル自体を燃料電池スタックから電気的に切り離すことで、ＭＥＡの保護を図るものである。
【００４０】
この燃料電池保護回路１３において、検出手段２０は、単セルＣのセル電極間に接続されてその転極検出機能を有するコンパレータＩＣ２１で構成される。また、バイパス手段３０は、単セルＣのセル電極に直列に接続されたＰチャネルのパワーＦＥＴスイッチ素子３３と、このパワーＦＥＴスイッチ素子３３の切り換え用レベル変換ドライバ３４と、単セルＣのセル電極およびパワーＦＥＴスイッチ素子３３の直列回路の両端間に並列に接続されたＰチャネルのパワーＦＥＴスイッチ素子３５と、このパワーＦＥＴスイッチ素子３５の切り換え用レベル変換ドライバ３６とで構成される。レベル変換ドライバ３４，３６は、ドレイン、ソースとも正の電位にあるパワーＦＥＴスイッチ素子３３，３５をオン／オフさせるためのものであり、レベル変換ドライバ３４は、ＮチャネルのＦＥＴスイッチ素子３４ａ、ＰチャネルのＦＥＴスイッチ素子３４ｂおよびＮチャネルのＦＥＴスイッチ素子３４ｃを備え、また、レベル変換ドライバ３６は、ＰチャネルのＦＥＴスイッチ素子３６ａおよびＮチャネルのＦＥＴスイッチ素子３６ｂを備える。これにより、この燃料電池保護回路１３は、燃料電池スタック中のどのセルＣにも接続して用いることができる。また、システムコントローラ４０は、制御用マイクロコントローラ４１で構成される。
【００４１】
この燃料電池保護回路１３は、単セルＣが転極すると、コンパレータＩＣ２１がそれを検出して、制御用マイクロコントローラ４１のＩＮへロジックレベルの検出出力を伝える。制御用マイクロコントローラ４１は、コンパレータＩＣ２１からＩＮへの検出出力を受けて、ＯＵＴの出力レベルをハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り換える。このＯＵＴの出力レベルの切り換えによって、レベル変換ドライバ３４の各ＦＥＴスイッチ素子３４ａ，３４ｂ，３４ｃがいずれもオフし、パワーＦＥＴスイッチ素子３３がオフ（遮断）する一方、レベル変換ドライバ３６の各ＦＥＴスイッチ素子３６ａ，３６ｂがいずれもオンし、パワーＦＥＴスイッチ素子３５が低インピーダンスでオン（導通）することで、単セルＣを燃料電池スタックから電気的に切り離すとともに、燃料電池スタックの電流をパワーＦＥＴスイッチ素子３５を通してバイパスさせる。
【００４２】
図８は、燃料電池保護回路１０の第４の例を示す回路図であり、この燃料電池保護回路１４は、セルの片側の電極がＧＮＤレベルであるときに適用できるものである。そのため、この燃料電池保護回路１４は、片側の電極がＧＮＤレベルである端部のセルが異常を示した際に、２番目のセルの電極を新たなスタックのＧＮＤ側端部電極として使用するための切換スイッチの作用をするものである。
【００４３】
図９は、図７に示す燃料電池保護回路１３または図８に示す燃料電池保護回路１４を用いた燃料電池システムのフローチャートを示す。この燃料電池システムに用いる燃料電池保護回路１３または１４の場合も、図５に示すフローチャートと同様に、検出手段２０が、転極による発電不良（電位差不良）検出機能を有するだけでなく、電位差があらかじめ設定したしきい値を下回ることによる発電不良（電位差不良）検出機能を有するものとする。
【００４４】
図９に示すように、まず、保護回路１３または１４を設置した単セルＣのセル電極間の電位差が、あらかじめ設定したしきい値の電圧よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１）。電位差がしきい値よりも大きければ（ステップＳ２１のＹＥＳ）正常と判定し、一定時間（Ｔ１時間）経過後（ステップＳ２２）に次の処理に移る。
【００４５】
単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値を下回った場合（ステップＳ２１のＮＯ）は、その単セルＣの発電の異常と判定し、バイパス回路の入力レベル（ＯＵＴ１の出力レベル）をハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り換える（ステップＳ２３）。一定時間（Ｔ２時間）経過後（ステップＳ２４）に、バイパス回路の入力レベル（ＯＵＴ１の出力レベル）をロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉｇｈ）へ切り換え（ステップＳ２５）、さらに一定時間（Ｔ３時間）経過後（ステップＳ２６）、セル電極間の電位差をしきい値の電圧と比較して正常・異常の判定をする（ステップＳ２７）。
【００４６】
このとき、単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値の電圧よりも大きければ（ステップＳ２７のＹＥＳ）、その単セルＣの発電不良が回復したものとみなし、一定時間（Ｔ１時間）経過後（ステップＳ２２）に次の処理に移る。
【００４７】
これに対し、単セルＣのセル電極間の電位差がしきい値を下回ったままの場合（ステップＳ２７のＮＯ）には、再びステップＳ２３に戻ってバイアス回路の入力レベルをハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り換える。単一の燃料電池保護回路１３または１４において、ステップＳ２７からステップＳ２３への循環が例えば数回繰り返されたときは、その単セルＣの発電不良は当面回復しないものとみなして、その単セルＣのバイパス回路の入力レベルをロー（Ｌｏｗ）状態（ステップＳ２３）に保持することが可能である。また、燃料電池を構成する多数のセルＣ，Ｃ，…の例えば全数に保護回路１３または１４を設置した場合、全数のうち例えば１／３のセルＣ，Ｃ，…がステップＳ２７からステップＳ２３への循環を例えば数回繰り返したときは、その燃料電池の寿命が尽きたものとみなして、燃料電池システムを寿命停止させることが可能である。
【００４８】
以上４種類の燃料電池保護回路１１〜１４のうち、図３に示す燃料電池保護回路１１および図４に示す燃料電池保護回路１２は、異常が生じたセルのセル電極間を短絡させるものであるため、燃料電池スタックの構造として、図１０（ａ）に示すように、セパレータ（図１０（ｂ）参照）の両面に流路が設けられ、隣り合うセルのセパレータを構造的にも電気的にも兼用するような構造のバイポーラ型スタックに適用することができる。
【００４９】
この場合、中間セルの電位検出および電流の取り出しは、セパレータ端部にリード線を取り付けて行う（図１０（ａ）参照）。電流取り出しの際には、リード線とセパレータ間の抵抗による電圧降下がセル電圧に対し無視できない程大きくなる場合があるので、接続の抵抗はなるべく小さくする必要がある。そこで、セパレータの薄型化にともない、セパレータ端部の面積が小さくなり、リード線との接触面積が十分に確保できない場合には、図１０（ｃ）に示すように、セパレータを互い違いにずらして積層し、張り出したセパレータの端部に、図１０（ｄ）に示すように、クリップ状の金具を取り付けこの金具にリード線を取り付けることが有効である。
【００５０】
一方、図７に示す燃料電池保護回路１３および図８に示す燃料電池保護回路１４は、異常セル自体を燃料電池スタックから電気的に切り離すものであるため、燃料電池スタックの構造として、図１１（ａ）に示すように、セパレータ（図１１（ｂ）参照）の片面にのみ流路が設けられ、セルの１つ１つが電気的に絶縁されている構造のモノポーラ型スタックにする必要がある。但し、スタックの端部セルには図１０の構造であっても適用できる。
【００５１】
図１２〜図１７は上記のような燃料電池保護回路を備えた燃料電池の各実施の形態を示す概略的構成図である。
【００５２】
図１２は燃料電池の第１の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１１０は、図１２（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１１を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１１０は、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１から数えて任意のｍ個のセルＣ１〜Ｃｍに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１１０は、図１２（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個全部のセルＣ１〜Ｃｎに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５３】
図１３は燃料電池の第２の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１２０は、図１３（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１２を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１２０は、図１３（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１２を備え、２個目から任意のｍ個目までの（ｍ−１）個のセルＣ２〜Ｃｍに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１２０は、図１３（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１２を備え、残り全部のセルＣ２〜Ｃｎに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５４】
図１４は燃料電池の第３の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１３０は、図１４（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１３を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１３０は、図１４（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１３を備え、２個目から任意のｍ個目までの（ｍ−１）個のセルＣ２〜Ｃｍに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１３０は、図１４（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１３を備え、残り全部のセルＣ２〜Ｃｎに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５５】
図１５は燃料電池の第４の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１４０は、図１５（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１４を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１４０は、図１５（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１４を備え、２個目から任意のｍ個目までの（ｍ−１）個のセルＣ２〜Ｃｍに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１４０は、図１５（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１４を備え、残り全部のセルＣ２〜Ｃｎに燃料電池保護回路１１をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５６】
これらの燃料電池１１０，１２０，１３０，１４０はいずれも、マイナス側端部電極または接地電極の単セルＣ１以外のセルについては、電位差不良が生じたときそのセル電極間を短絡させるものであるため、図１０（ａ）に示すようなバイポーラ型スタックを用いて構成することが可能である。
【００５７】
図１６は燃料電池の第５の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１５０は、図１６（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１３を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１５０は、図１６（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、マイナス側端部電極の単セルＣ１から数えて任意のｍ個のセルＣ１〜Ｃｍに燃料電池保護回路１３をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１５０は、図１６（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個全部のセルＣ１〜Ｃｎに燃料電池保護回路１３をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５８】
図１７は燃料電池の第６の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池１６０は、図１７（ａ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１だけに燃料電池保護回路１４を備えた構成とすることができる。また、この燃料電池１６０は、図１７（ｂ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１４を備え、２個目から任意のｍ個目までの（ｍ−１）個のセルＣ２〜Ｃｍに燃料電池保護回路１３をそれぞれ備えた構成とすることもできる。さらに、この燃料電池１６０は、図１７（ｃ）に示すように、燃料電池スタックを構成するｎ個のセルのうち、接地電極の単セルＣ１にだけ燃料電池保護回路１４を備え、残り全部のセルＣ２〜Ｃｎに燃料電池保護回路１３をそれぞれ備えた構成とすることも可能である。
【００５９】
これらの燃料電池１５０，１６０はいずれも、各セルについて、電位差不良が生じたときそのセルＣを燃料電池スタックから電気的に切り離すものであるため、図１１（ａ）に示すようなモノポーラ型スタックを用いて構成することが必要である。
【００６０】
これらの燃料電池１１０〜１６０において、ＭＥＡが水平になるようにスタックを設置した場合、図１０（ａ）、１１（ａ）に示すように、ＭＥＡの上面をアノード極、下面をカソード極とする配置が、出力の安定化のために望ましい。但し、上下逆に配置すると発電できない訳ではない。
【００６１】
このように、ＭＥＡが水平になるようにスタックを設置した場合、上部セルに転極の生じる可能性が高い。すなわち、転極はスタックのどのセルにおいても同じ確率で生じる訳ではないが、ＭＥＡが水平になるようにスタックを設置した場合は、上部セルが燃料不足により転極の生じる可能性が高い。したがって、製品寿命やコストを考慮すると、必ずしも全てのセルに燃料電池保護回路を設置する必要はない。ＭＥＡが水平で、かつ上面をアノード極、下面をカソード極として配置した場合、スタックの上端部はマイナス極となるが、このマイナス極が接地電極である場合、転極の起こりやすい一番上のセルのみに燃料電池保護回路を設置するものとすれば、図４に示す燃料電池保護回路１２や図８に示す燃料電池保護回路１４が適用できる。
【００６２】
なお、燃料電池保護回路は数セルにまたがって設けてもよい。また、燃料電池保護回路で切り離すセルは複数あってもよい。その際、端部から連続したセルが切り離されるような構成とした場合、回路が動作した場合のスタック電圧の低下幅を大きくなるが、コスト的に有利になるので、燃料電池システム的に電圧の低下が問題無い範囲である場合は十分選択される可能性のある構成である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、異常が起きたセルの電極に対してバイパス経路を形成することで、スタックの電流をバイパスさせて異常セルを転極から保護することができ、それによりＭＥＡ（膜・電極接合体）の破損を防ぐことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池保護回路の一実施の形態を示す概略的構成図である。
【図２】本発明による燃料電池保護回路の他の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図３】燃料電池保護回路の第１の例を示す回路図である。
【図４】燃料電池保護回路の第２の例を示す回路図である。
【図５】図３または図４の燃料電池保護回路の処理動作を示すフローチャートである。
【図６】図５に比べて処理動作を簡略化したフローチャートである。
【図７】燃料電池保護回路の第３の例を示す回路図である。
【図８】燃料電池保護回路の第４の例を示す回路図である。
【図９】図７または図８の燃料電池保護回路の処理動作を示すフローチャートである。
【図１０】バイポーラ型スタックの構造とセパレータの断面を示す説明図である。
【図１１】モノポーラ型スタックの構造とセパレータの断面を示す説明図である。
【図１２】本発明による燃料電池の第１の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１３】本発明による燃料電池の第２の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１４】本発明による燃料電池の第３の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１５】本発明による燃料電池の第４の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１６】本発明による燃料電池の第５の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１７】本発明による燃料電池の第６の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図１８】一般的な燃料電池（ＤＭＦＣ）のセル構造を示す説明図である。
【図１９】燃料電池スタックの構造を示す説明図である。
【図２０】燃料電池スタックの発電不良にともなう電位差不良を示す説明図である。
【符号の説明】
１０（１０ａ〜１０ｆ），１１，１２，１３，１４  燃料電池保護回路
２０（２０ａ〜２０ｆ）  検出手段
２１  コンパレータＩＣ
３０（３０ａ〜３０ｆ）  バイパス手段
３１，３３，３５  パワーＦＥＴスイッチ素子
３２，３４，３６  レベル変換ドライバ
３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３６ａ，３６ｂ  ＦＥＴスイッチ素子
４０（４０ａ〜４０ｆ）  システムコントローラ
４１  制御用マイクロコントローラ
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０  燃料電池
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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