(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備する燃料電池の回路連結制御システムにおいて、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、
前記第１セルの入力端と前記第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、
を有し、
前記第１セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第２セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記バイパススイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記並列連結スイッチとを閉じ、前記第１セル及び前記第２セル間の前記直列連結スイッチを開いて、前記第１セル及び第２セルを並列連結することを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項２】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備する燃料電池の回路連結制御システムにおいて、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、
前記第１セルの入力端と前記第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、
を有し、
前記第１セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記直列連結スイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記並列連結スイッチとを開き、前記第１セル及び前記第２セル間の前記バイパススイッチを閉じて、前記第１セルを前記第２セルから電気的に分離することを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項３】
出力電圧が第１電圧以下の前記第１セルを前記第２セルと一次的に並列連結し、前記第１セルの出力電圧が前記第１電圧より低い第２電圧より低ければ、前記第１セルを前記第２セルから電気的に分離する制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項４】
前記直流電圧変換器は、前記スイッチング部の前記メインスイッチ、前記直列連結スイッチ、前記バイパススイッチ、及び前記並列連結スイッチの各々と連結して動作電圧を提供することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項５】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備する燃料電池の回路連結制御システムにおいて、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
出力電圧が第１電圧以下の前記第１セルを前記第２セルと一次的に並列連結し、前記第１セルの出力電圧が前記第１電圧より低い第２電圧より低ければ、前記第１セルを前記第２セルから電気的に分離する制御部をさらに備えることを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項６】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備する燃料電池の回路連結制御システムにおいて、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、
前記第１セルの入力端と前記第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、
を有し、
前記直流電圧変換器は、前記スイッチング部の前記メインスイッチ、前記直列連結スイッチ、前記バイパススイッチ、及び前記並列連結スイッチの各々と連結して動作電圧を提供することを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システム。
【請求項７】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法において、
各々の前記セルの出力電圧を測定する第１段階と、
出力電圧が第１電圧より低い前記第１セルを検出する第２段階と、
前記第１セルを前記第２セルと並列に連結する第３段階と、
を含むことを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項８】
前記第１電圧は、無負荷電圧の１０〜３０％の電圧であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項９】
前記回路連結制御システムは、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、
前記第１セルの入力端と前記第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、
を有しており、
前記第３段階は、前記第１セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第２セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記バイパススイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記並列連結スイッチとを閉じ、前記第１セル及び前記第２セル間の前記直列連結スイッチを開くことを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項１０】
少なくとも第１セル及び前記第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法において、
各々の前記セルの出力電圧を測定する第１段階と、
出力電圧が第１電圧より低い前記第１セルを検出する第２段階と、
前記第１セルの出力電圧が前記第１電圧より低い第２電圧より低いか否かを判断する第３段階と、
前記第１セルの出力電圧が前記第２電圧以上である場合、前記第１セルを前記第２セルと並列に連結する第４段階と、
前記第１セルの電圧が前記第２電圧未満である場合、前記第１セルを前記第２セルから電気的に分離する第５段階と、
を含むことを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項１１】
前記第１電圧は、無負荷電圧の１０〜３０％の電圧であることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項１２】
前記回路連結制御システムは、
前記セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、
前記セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記接点部の接点を連結するスイッチング部と、
前記燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、
前記第１セルの入力端と前記第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、
前記第１セルの出力端と前記第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、
を有しており、
前記第４段階は、前記第１セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第２セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記バイパススイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記並列連結スイッチとを閉じ、前記第１セル及び前記第２セル間の前記直列連結スイッチを開くことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項１３】
前記第２電圧は、無負荷電圧の１０％より小さな電圧であることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【請求項１４】
前記第５段階は、
前記第１セルの入力端の前記メインスイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記直列連結スイッチと、前記第１セル及び前記第２セル間の前記並列連結スイッチとを開き、前記第１セル及び前記第２セル間の前記バイパススイッチを閉じることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システム及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノポーラ型燃料電池は、電解質膜の両面に複数のセルを配列した後、各セルを直列に連結する。電解質膜の第１面のアノード電極と第２面のカソード電極を直列連結するための構造が、特許文献１、特許文献２に開示されている。かような連結構造は、電流集電体を効率的に直列連結するが、１つのセルが損傷した場合には、全体燃料電池の性能が低下しうる。
【０００３】
モノポーラ型燃料電池スタックの場合、導電性プレート（セパレータ）が単位セル間の直列連結をなす。しかし、単位セルの性能が低下した場合、その単位セルを取り除いたり、または交換したりするのは難しい。
【０００４】
特許文献３には、燃料電池の単位セルと連結されて単位セルの電圧を検出する手段と、性能低下単位セルをバイパスさせるバイパス手段と、を開示している。
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１８０５９４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１９８８５３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２４７９６４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、性能低下セルも、近隣の他の正常な単位セルと並列連結時には、パワー密度を増加させることができるので、性能低下セルを近隣の他の正常な単位セルと並列連結させる手段を具備した回路連結制御システムが必要であった。
【０００７】
そこで、本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数のセル間の連結を容易にして性能低下セルをバイパスまたは並列連結させることのできる手段を具備した燃料電池回路連結制御システム及びその駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、少なくとも第１セル及び第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備する燃料電池の回路連結制御システムにおいて、セルのアノード集電部(入力端)及びカソード集電部(出力端)と各々電気的に連結される接点部と、セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、接点部の接点を連結するスイッチング部（回路部）と、燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、を備えることを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システムが提供される。
【０００９】
このように、電圧測定部によって各セルの出力電圧を測定することにより性能低下したセル（例えば第１セル）を検出し、スイッチング部を制御して性能低下したセルを隣接するセル（例えば第２セル）と並列連結することにより、並列連結されたセルの面積が拡大してパワー密度が上昇するので、燃料電池の性能を改善することができる。また、性能低下セルを回路的に他のセルと分離することもでき、他の正常なセルが性能低下セルの影響を受けないようにすることができる。
【００１０】
ここで、スイッチング部は、セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、第１セル（ある１つのセル）の出力端と第２セル(ある１つのセル次のセル、隣接するセル)の入力端とを連結する直列連結スイッチと、第１セルの入力端と第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、第１セルの出力端と第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、を有することができる。これらのスイッチによって、性能低下したセルを隣接するセルと並列連結したり、隣接するセルを含む他のセルと分離したりすることができる。
【００１１】
ここで、スイッチング部は、第１セルの入力端のメインスイッチと、第２セルの入力端のメインスイッチと、第１セル及び第２セル間のバイパススイッチと、第１セル及び第２セル間の並列連結スイッチとを閉じ、第１セル及び第２セル間の直列連結スイッチを開いて、第１セル及び第２セルを並列連結することができる。
【００１２】
また、スイッチング部は、第１セルの入力端のメインスイッチと、第１セル及び第２セル間の直列連結スイッチと、第１セル及び第２セル間の並列連結スイッチとを開き、第１セル及び第２セル間のバイパススイッチを閉じて、第１セルを第２セルから電気的に分離することができる。
【００１３】
出力電圧が第１電圧以下の第１セルを第２セルと一次的に並列連結し、第１セルの出力電圧が第１電圧より低い第２電圧より低ければ、第１セルを第２セルから電気的に分離する制御部をさらに備えることができる。このように制御部は、第１セルの出力電圧が低下した場合には、隣接する第２セルと並列連結し、さらに第１セルの出力電圧が第２電圧より低ければ第１セルを第２セルから電気的に分離することができる。
【００１４】
また、直流電圧変換器は、スイッチング部のメインスイッチ、直列連結スイッチ、バイパススイッチ、及び並列連結スイッチの各々と連結して動作電圧を提供することができる。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、少なくとも第１セル及び第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法において、各々のセルの出力電圧を測定する第１段階と、出力電圧が第１電圧より低い第１セルを検出する第２段階と、第１セルを第２セルと並列に連結する第３段階と、を含むことを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法が提供される。
【００１６】
このように、各セルの出力電圧を測定して性能低下した（出力電圧が所定の第１電圧より低い）セルを検出し、性能低下したセルを隣接するセルと並列連結することにより、並列連結されたセルの面積が拡大してパワー密度が上昇するので、燃料電池の性能を改善することができる。
【００１７】
第１電圧は、無負荷電圧の１０〜３０％の電圧であることができる。ここで無負荷電圧とは、負荷につながれていない状態でのセルからの出力電圧を意味する。
【００１８】
回路連結制御システムは、セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、接点部の接点を連結するスイッチング部と、燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、を備え、スイッチング部は、セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、第１セルの出力端と第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、第１セルの入力端と第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、第１セルの出力端と第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、を有しており、第３段階は、第１セルの入力端のメインスイッチと、第２セルの入力端のメインスイッチと、第１セル及び第２セル間のバイパススイッチと、第１セル及び第２セル間の並列連結スイッチとを閉じ、第１セル及び第２セル間の直列連結スイッチを開くことができる。このように、電圧測定部によって各セルの出力電圧を測定することにより性能低下したセルを検出し、スイッチング部の複数のスイッチの開閉によって第１セル（性能低下したセル）を第２セル（隣接するセル）と容易に並列連結することができる。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、少なくとも第１セル及び第１セルに隣接する第２セルを含む複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法において、各々のセルの出力電圧を測定する第１段階と、出力電圧が第１電圧より低い第１セルを検出する第２段階と、第１セルの出力電圧が第１電圧より低い第２電圧より低いか否かを判断する第３段階と、第１セルの出力電圧が第２電圧以上である場合、第１セルを第２セルと並列に連結する第４段階と、第１セルの電圧が第２電圧未満である場合、第１セルを第２セルから電気的に分離する第５段階と、を含むことを特徴とする、燃料電池の回路連結制御システムの駆動方法が提供される。
【００２０】
このように、各セルの出力電圧を測定して性能低下した（出力電圧が所定の第１電圧より低い）セルを検出し、性能低下したセルを隣接するセルと並列連結することにより、並列連結されたセルの面積が拡大してパワー密度が上昇するので、燃料電池の性能を改善することができる。また、性能低下セルを回路的に他のセルと分離することもでき、他の正常なセルが性能低下セルの影響を受けないようにすることができる。
【００２１】
第１電圧は、無負荷電圧の１０〜３０％の電圧であることができる。ここで無負荷電圧とは、負荷につながれていない状態でのセルからの出力電圧を意味する。
【００２２】
回路連結制御システムは、セルのアノード集電部及びカソード集電部と各々電気的に連結される接点部と、セルの出力電圧を測定する電圧測定部と、接点部の接点を連結するスイッチング部と、燃料電池からの電圧を所定の電圧に変換する直流電圧変換器と、を備え、スイッチング部は、セルの各々の入力端に設置されるメインスイッチと、第１セルの出力端と第２セルの入力端とを連結する直列連結スイッチと、第１セルの入力端と第２セルの入力端との間に連結されたバイパススイッチと、第１セルの出力端と第２セルの出力端との間に連結された並列連結スイッチと、を有しており、第４段階は、第１セルの入力端のメインスイッチと、第２セルの入力端のメインスイッチと、第１セル及び第２セル間のバイパススイッチと、第１セル及び第２セル間の並列連結スイッチとを閉じ、第１セル及び第２セル間の直列連結スイッチを開くことができる。このように、電圧測定部によって各セルの出力電圧を測定することにより性能低下したセルを検出し、スイッチング部の複数のスイッチの開閉によって第１セル（性能低下したセル）を第２セル（隣接するセル）と容易に並列連結することができる。
【００２３】
第２電圧は、無負荷電圧の１０％より小さな電圧であることができる。ここで無負荷電圧とは、負荷につながれていない状態でのセルからの出力電圧を意味する。
【００２４】
第５段階は、第１セルの入力端のメインスイッチと、第１セル及び第２セル間の直列連結スイッチと、第１セル及び第２セル間の並列連結スイッチとを開き、第１セル及び第２セル間のバイパススイッチを閉じることができる。これによって第１セルを第２セルから電気的に分離することができる。こうして、第１セル（性能低下セル）を回路的に、第２セルを含む他のセルと分離することもでき、他の正常なセルが性能低下セルの影響を受けないようにすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上詳述したように本発明による燃料電池回路連結制御システムは、複数のセルを具備したモノポーラ型燃料電池に接点連結され、性能低下したセルを検出して他のセルと並列連結することにより、並列連結されたセルの面積が拡大してパワー密度が上昇するので、燃料電池の性能を改善することができる。また、性能低下したセルの電圧が低下し、例えば逆電圧が発生する場合には、性能低下セルを回路的に他のセルと分離することにより、他の正常セルが性能低下セルの影響を受けないので、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２７】
図１は、本実施の形態の燃料電池回路連結制御システムが連結される燃料電池の概略的な分離断面図であり、図２は、図１の燃料電池の支持体（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ  ｂｏｄｙ）の平面図であり、図３は、図１の燃料電池の支持体上の電流集電部(ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｐｏｒｔｉｏｎ)、導電部(ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｐｏｒｔｉｏｎ)及び導線(ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ  ｌｉｎｅ)が一体型に形成された電流集電体(ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ)を示す平面図である。
【００２８】
図１〜図３を参照すれば、燃料電池１００は、電流集電体が挿入されたモノポーラ型の膜・電極アセンブリ１０１と、アノード電極１３０に燃料を供給する流路１０２ａの形成されたモノポーラプレート１０２と、カソード電極１７０に酸化剤（空気）を供給するエアパス１０３ａの形成されたモノポーラプレート１０３と、を具備する。そして、モノポーラプレート１０２、１０３は膜・電極アセンブリ１０１の両側にそれぞれ設置されている。
【００２９】
膜・電極アセンブリ１０１には、複数のセル領域、例えば、６個のセル（第１〜６セル）領域が形成される電解質膜１１０を具備する。電解質膜１１０の両面には、それぞれセル領域に対応する複数の四角開口ホール１１４ａ、１１６ａの形成された非導電性支持体１１４、１１６が設置されている。支持体１１４、１１６には、電解質膜１１０の外側に延長されるように延長部１１４ｂ、１１６ｂが形成されている。各支持体１１４、１１６で各セル領域上には、アノード電流集電部１２０とカソード電流集電部１６０とが配置される。
【００３０】
アノード電流集電部１２０の一側には、導電部１２２が形成されており、導電部１２２から延びる外部への電気的連結のための導線１２４は、延長部１１４ｂ上に形成される。カソード電流集電部１６０の一側には、導電部１６２が形成されており、導電部１６２から延びる外部への電気的連結のための導線１６４は、延長部１１６ｂ上に形成される。アノード電流集電部１２０上には、アノード電極１３０が設置されており、カソード電流集電部１６０上には、カソード電極１７０が設置されている。導線１２４、１６４は、それぞれ回路連結制御システム２００に連結される。導線１２４、１６４は、延長部１１４ｂ、１１６ｂ上に共に形成されるので、回路連結制御システム２００との電気的連結が容易になる。
【００３１】
図４は、本実施の形態による燃料電池の回路連結制御システムの概略的構成を示す説明図である。図１〜図３の構成要素と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。燃料電池の回路連結制御システム２００は、燃料電池１００の第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６の各々のアノード電流集電部Ａ１〜Ａ６及びカソード電流集電部Ｃ１〜Ｃ６と電気的に直接連結される接点部２１０と、接点部２１０の接点を回路的に連結するスイッチング部２２０と、燃料電池回路連結制御システム２００を制御する制御部２４０と、を具備する。
【００３２】
制御部２４０は、各セルの電圧を測定する電圧測定部２５０と、燃料電池からの直流電流を使用する電子機器などの負荷で必要とする直流電圧に変換する直流電圧変換器(ＤＣ−ＤＣ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ)２６０と、を具備することができ、スイッチング部２２０の回路連結を制御する。
【００３３】
ここで、燃料電池１００は、図１〜図３で説明した６個のセルを具備したモノポーラ型燃料電池を指すが、本発明は必ずしもこれに限定するものではない。例えば、モノポーラプレートを使用して数十個のセルからなる燃料電池スタックにも適用が可能である。電圧測定部２５０は、各セルの電圧と、それらの電圧を合わせた総電圧とを測定できる。
【００３４】
スイッチング部２２０は、第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６を直列連結するための直列連結スイッチＳＳ１〜ＳＳ５と、各セルの入力端に設置されるメインスイッチＭＳ１〜ＭＳ６と、メインスイッチＭＳ１〜ＭＳ６に引き込まれる電流を他のセルの入力端にバイパスするバイパススイッチＢＳ１〜ＢＳ６と、１つのセルを通過した電流を次のセルの出口端と連結させる並列連結スイッチＰＳ１〜ＰＳ５と、を具備する。これらのスイッチは、直流電圧変換器２６０からの電圧によってスイッチングすることができる。
【００３５】
例えば、第１セルＣＥ１や第２セルＣＥ２の入力端に各々連結されるのがＭＳ１、ＭＳ２であり、第１セルＣＥ１の出力端と第２セルＣＥ２の入力端とを連結するのが直列連結スイッチＳＳ１であり、第１セルＣＥ１の入力端と第２セルＣＥ２の入力端とを連結するのがバイパススイッチＰＳ１であり、第１セルＣＥ１の出力端と第２セルＣＥ２の出力端とを連結するのが並列連結スイッチＢＳ１である。
【００３６】
図５は、各セルの電圧が正常であるときのスイッチング部の回路連結を示す説明図である。図５を参照すれば、メインスイッチＭＳ１〜ＭＳ６と、直列連結スイッチＳＳ１〜ＳＳ５とがいずれも閉じられており、バイパススイッチＢＳ１〜ＢＳ６及び並列連結スイッチＰＳ１〜ＰＳ６はいずれも開けられている。これにより、セルＣＥ１〜ＣＥ６が直列に連結される。
【００３７】
図６は、第１セルＣＥ１の性能が低下（出力電圧の低下）した場合、第１セルＣＥ１を第２セルＣＥ２から電気的に分離するスイッチング部の回路連結を示す説明図である。図６を参照すれば、第１セルＣＥ１のメインスイッチＭＳ１と、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間の直列連結スイッチＳＳ１が開けられており、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間のバイパススイッチＢＳ１が閉じられており、制御部２４０からの電流は、第１セルＣＥ１をバイパスして第２セルＣＥ２に入力される。以下の第２セルＣＥ２〜第６セルＣＥ６は直列連結される。
【００３８】
図７は、第１セルＣＥ１の性能が低下（出力電圧の低下）した場合、第１セルＣＥ１と第２セルＣＥ２とを並列連結させるスイッチング部の回路連結を示す説明図である。図７を参照すれば、第１セルＣＥ１のアノード電流集電部Ａ１と第２セルＣＥ２のアノード電流集電部Ａ２とが連結されるように、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２のメインスイッチＭＳ１、ＭＳ２と、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間のバイパススイッチＢＳ１とが閉じられており、第１セルＣＥ１のカソード電流集電部Ｃ１と第２セルＣＥ２のカソード電流集電部Ｃ２とが連結されるように、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間の並列連結スイッチＰＳ１が閉じられる。第２セルＣＥ２から第６セルＣＥ６までは直列連結される。
【００３９】
図８及び図９は、図１のモノポーラ型直接液体燃料電池の性能を図示したグラフであり、図８は、６個のセル（第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６）のそれぞれの出力電圧を図示したものであり、図９は、６個のセル（第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６）の総パワー密度を図示したグラフである。
【００４０】
第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６が直列連結された状態で、電圧測定部２５０によって、第６セルＣＥ６の出力電圧が低く測定された場合には、図９に示すように総パワー密度が低くなり、燃料電池としての機能が低下する。このとき、第６セルＣＥ６を、バイパススイッチＢＳ６を使用して他のセルから電気的に分離したとき、総パワー密度は、ある程度のレベルに回復した。次に、第１セルＣＥ１の出力電圧が低くなった場合には、第１セルＣＥ１を、バイパススイッチＢＳ１を使用して他のセルから電気的に分離することにより、総パワー密度が上昇するということが分かる。他のセル（第２セルＣＥ２〜第５セルＣＥ５）から電気的に分離された第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６は、無負荷(ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ)状態になり、出力電圧が高くなる。
【００４１】
このように、本実施の形態による燃料電池の回路連結制御システムを利用することにより、多様な理由により性能の低下したセルを電気的に容易に分離でき、従って、燃料電池の使用寿命を延長させることができる。
【００４２】
図１０及び図１１は直接液体燃料電池の性能を図示したグラフであり、図８及び図９で第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６を分離した後について、図１０は、６個のセル（第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６）のそれぞれの出力電圧を図示したものであり、図１１は、６個のセルの総パワー密度を図示したグラフである。
【００４３】
第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６が直列連結された状態で、第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６の性能が低下すると、第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６はバイパススイッチＢＳ１およびＢＳ６によって他のセルから電気的に分離され、図８で説明したように第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６は無負荷状態になって電圧が高く示され、図９に示されるように総パワー密度は低くなった。このとき、第５セルＣＥ５と第６セルＣＥ６とをスイッチング部２２０で並列連結させた場合には、図１１に示されるように総パワー密度は上昇した。次に、第１セルＣＥ１を第２セルＣＥ２と並列連結させることにより、総パワー密度はさらに上昇し、正常な水準に回復するということが分かる。
【００４４】
このように、本実施の形態の回路連結制御システムを利用し、容易に性能低下セルを他のセルと並列連結させることができ、従って、燃料電池の使用寿命を延長させることができる。
【００４５】
図１２は、本実施の形態による燃料電池回路連結制御システムの制御方法を図示したフローチャートである。図４に図示した本実施の形態による燃料電池回路連結制御システムを利用した駆動方法を具体的に説明する。
【００４６】
燃料電池の第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６を、スイッチング部２２０でメインスイッチＭＳ１〜ＭＳ６と直列連結スイッチＳＳ１〜ＳＳ５とを閉じて直列連結する。電圧測定部２５０で、各セルの電圧を周期的に測定する（第３００段階）。
【００４７】
測定された電圧が所定の第１電圧より低い性能低下セルがあるか否かを検出する（第３１０段階）。燃料電池の各セルの正常電圧は無負荷電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）の３０〜５０％であり、第１電圧は、ＯＣＶの１０〜３０％に定められる。
【００４８】
第３１０段階で性能低下セルが検出された場合には、性能低下セルの電圧が第２電圧より低いか否かを検出する（第３２０段階）。第２電圧は、第１電圧より低く、ＯＣＶの１０％以下に定めることができる。
【００４９】
第３２０段階で、性能低下セルの電圧が第２電圧以上である場合、性能低下セル（ここで、便宜上、第１セルＣＥ１とする）を近隣セル（便宜上、第２セルＣＥ２とする）と並列連結する（第３３０段階）。このために、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２のメインスイッチＭＳ１、ＭＳ２、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間のバイパススイッチＢＳ１、並びに並列連結スイッチＰＳ１を閉じ、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間の直列連結スイッチＳＳ１を開く。
【００５０】
第３２０段階で、第１セルＣＥ１の電圧が第２電圧より低い場合、第１セルＣＥ１を第２セルＣＥ２から電気的に分離する（第３４０段階）。このために、第１セルＣＥ１のメインスイッチＭＳ１と第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間の直列スイッチＳＳ１とを開き、第１セルＣＥ１及び第２セルＣＥ２間のバイパススイッチＢＳ１を閉じる。
【００５１】
第３１０段階で性能低下セルが検出されないか、または第３３０段階、第３４０段階以後に、第３００段階を行う。
【００５２】
一方、第３１０段階で、性能低下セルが検出され、電気的に分離されるか、または近隣セルと並列連結されていたセルの電圧が第１電圧より高く回復した場合には、再び本来の状態の直列連結状態に復元できる。
【００５３】
また、第３４０段階で、電気的に分離されるセルが所定の数を超えるとき、例えば所定の数を３個として、６個のセルにより形成された燃料電池において、３個のセルが電気的に分離される場合には燃料電池を停止できる。
【００５４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、複数のセルを具備した燃料電池の回路連結制御システム及びその駆動方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の燃料電池回路連結制御システムが連結される燃料電池の概略的な分離断面図である。
【図２】図１の燃料電池の支持体の平面図である。
【図３】図１の燃料電池の支持体上の電流集電体を示す平面図である。
【図４】本実施の形態による燃料電池の回路連結制御システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図５】各々セルの電圧が正常であるときのスイッチング部の回路連結を示す説明図である。
【図６】第１セルの性能が低下した場合に、第１セルＣＥ１を第２セルＣＥ２から電気的に分離するスイッチング部の回路連結を示す説明図である。
【図７】第１セルの性能が低下した場合に、第１セルＣＥ１を第２セルＣＥ２と並列連結させるスイッチング部の回路連結を示す説明図である。
【図８】図１の燃料電池の性能について第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６の出力電圧を図示したグラフである。
【図９】図１の燃料電池の性能について第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６の６個のセルの総パワー密度を図示したグラフである。
【図１０】図８で第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６を分離した後の第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６の出力電圧を図示したグラフである。
【図１１】図９で第１セルＣＥ１及び第６セルＣＥ６を分離した後の第１セルＣＥ１〜第６セルＣＥ６の６個のセルの総パワー密度を図示したグラフである。
【図１２】本実施の形態による燃料電池回路連結制御システムの制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１００      燃料電池
２００      回路連結制御システム
２１０      接点部
２２０      スイッチング部
２４０      制御部
２５０      電圧測定部
２６０      直流電圧変換器
ＣＥ１〜ＣＥ６      第１セル〜第６セル
Ａ１〜Ａ６        アノード電流集電部
Ｃ１〜Ｃ６        カソード電流集電部
ＭＳ１〜ＭＳ６      メインスイッチ
ＢＳ１〜ＢＳ６      バイパススイッチ
ＳＳ１〜ＳＳ５      直列連結スイッチ
ＰＳ１〜ＰＳ５      並列連結スイッチ
【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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