JP2010251279A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、複数の燃料電池セルのバイパス処理を良好に遂行する。
【解決手段】複数のセル２０（セルブロック７２）に対して並列に配されるスイッチユニット６８を備え、スイッチユニット６８は、第１寄生ダイオード１１１を有する第１ＭＯＳＦＥＴ１０１及び第２寄生ダイオード１１２を有する第２ＭＯＳＦＥＴ１０２が正極側から順に直列に配置され、かつ、第１及び第２寄生ダイオード１１１、１１２は、互いにカソードが対向するように配置されている。少なくとも１個のセル２０の電圧が、例えば０［Ｖ］より低下（転極）したことを検出したとき、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１をオンにして、該当するセルブロック７２をバイパスさせる。
【選択図】図４

Description

この発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する一方、アノード側電極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池セル（セル）が積層された燃料電池に関し、特に、セルをバイパス可能な回路を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、各セルのセル電圧が検出され、積層されているセル中、１個のセルが転極（正負反転）したことを検出した場合、そのセル及び残りのセルを保護するために、各セル毎にＭＯＳＦＥＴを並列に接続し、転極が発生したセルに並列接続されているＭＯＳＦＥＴをオンにすることで、転極を発生したセルをオンにされたＭＯＳＦＥＴでバイパスし、残りのセルにより燃料電池を使用に供する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。

米国特許第６６７７０６６号明細書（図５）

しかしながら、ＭＯＳＦＥＴには、ドレイン−ソース間に逆方向に寄生ダイオードが存在し、転極したセルの電圧が、前記寄生ダイオードの順方向降下電圧より大きい場合に、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングに拘わらず、バイパス電流が流れてしまう、すなわち意図しない電流通路が発生してしまうという問題がある。

また、燃料電池においては、セルの劣化を防止するために、セルに残っている電荷（電圧）を放電したいという要求がある。

この発明はこの種の課題を考慮してなされたものであり、セル電圧が変化しても、意図したときのみバイパス電流を通流させることを可能とする簡易な構成の燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、この発明はこの種の課題を考慮してなされたものであり、意図したときのみセルに残っている電荷を放電することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号例を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池システムは、以下の特徴（１）〜（８）を有する。

（１）例えば、図１及び図５に示すように、複数のセル２０が直列接続された燃料電池１２と、複数の前記セル２０中、少なくとも１個のセル２０に対して並列に配されるセルバイパス回路６６ａと、を備え、前記セルバイパス回路６６ａは、第１寄生ダイオード１１１を並列に有し少なくとも１個の前記セル２０の負極側から正極側への一方向のみに電流を通流可能な第１半導体スイッチ１０１と、前記第１半導体スイッチ１０１に対して前記第１寄生ダイオード１１１の電流通流方向と逆方向に直列に接続されるダイオード素子１２２とを備えるスイッチユニット６８ａと、少なくとも１個の前記セル２０の電圧が、閾値より低下したことを検出したとき、前記第１半導体スイッチ１０１をオンにし、前記スイッチユニット６８ａを通じて、少なくとも１個の前記セル２０をバイパスさせる制御装置７０と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、制御装置は、少なくとも１個のセルの電圧が、閾値より低下したことを検出したとき、第１半導体スイッチをオンにすることで、スイッチユニット（ダイオード素子及び前記第１半導体スイッチ）を通じて、少なくとも１個の前記セルをバイパスさせることができる。

そして、セル電圧が変化しても、セル電圧が閾値より低下したという意図したときのみバイパス電流を通流させることができる。

（２）上記の特徴（１）を有する発明において、前記ダイオード素子１２２は、図１、図２、図４、図１０Ａ〜図１０Ｄ等に示すように、第２寄生ダイオード１１２、１１２ｐを並列に有する第２半導体素子１０２、１０２ｐであって、前記第１寄生ダイオード１１１、１１１ｐ及び前記第２寄生ダイオード１１２、１１２ｐは、アノード端子同士（図１０Ｂ、図１０Ｃ）又はカソード端子同士（図４、図１０Ａ、図１０Ｄ）が対向するように配置され、前記制御装置７０は、少なくとも１個の前記セル２０の電圧が、前記閾値より低下したことを検出したとき、前記第１又は第２半導体スイッチ１０１をオンにして、少なくとも１個の前記セル２０をバイパスさせることを特徴とする。

この特徴（２）を備える発明によれば、スイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚは、第１寄生ダイオード１１１、１１１ｐを並列に有する第１半導体スイッチ１０１、１０１ｐと、第２寄生ダイオード１１２、１１２ｐを有する第２半導体スイッチ１０２、１０２ｐとが、直列接続された回路となるので、少なくとも１個の前記セル２０に対して並列に接続されるスイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚが、その少なくとも１個の前記セル２０に対して回路的に対称に形成される。

そして、極性が逆で直列に接続される寄生ダイオード１１１、１１２又は１１１ｐ、１１２ｐ同士の電流通流方向が反対方向となるため、第１半導体スイッチ１０１、１０１ｐ及び第２半導体スイッチ１０２、１０２ｐのどちらもオフ（ＯＦＦ）のときには、スイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚのどちらの方向にも電流が流れない。したがって、第１半導体スイッチ１０１をオン（図１０Ａ、図１０Ｂ）又は第２半導体スイッチ１０２ｐ、１０２ｐ（図１０Ｃ、図１０Ｄ）をオンしたときのみ以外の意図しない電流が流れることがない。

なお、例えば、スイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚを形状的に線対称に形成することで、スイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚを組み付ける際に、極性を考慮しないで基板等に組み付けることができる。

（３）上記の特徴（２）を有する燃料電池システムにおいて、直列に接続される前記第１及び第２半導体スイッチ１０１、１０２又は１０１ｐ、１０２ｐに、さらに、直列に抵抗２００（図８、図１１Ａ〜図１１Ｄ参照）を接続し、前記制御装置７０は、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、前記第１半導体スイッチ１０１をオフにするとともに前記第２半導体スイッチ１０２をオンにし、又は図１１Ｃ、図１１Ｄに示すように、前記第１半導体スイッチ１０１ｐをオンにするとともに前記第２半導体スイッチ１０２ｐをオフにし、前記抵抗２００を通じて、少なくとも１個の前記セル２０を放電させることを特徴とする。

この発明によれば、セルバイパス回路を放電回路として利用（兼用）することができ、意図したときのみセルに残っている電荷を放電することができる。

（４）上記の特徴（１）を有する発明において、第１半導体スイッチ１０１はＭＯＳＦＥＴとすることができる。

（５）上記の特徴（２）〜（４）のいずれかを有する発明において、前記第１及び第２半導体スイッチ１０１、１０２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ同士（図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂ）又はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ同士（図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１１Ｃ、図１１Ｄ）とすることができる。このようにすれば、スイッチユニット６８、６８ｂ、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚ、６８ｂｘ、６８ｂｙ、６８ｂｚのＩＣ化が容易である。

（６）上記の特徴（４）を有する発明において、前記制御装置は、前記ＭＯＳＦＥＴが所定温度以上になったときに、前記ＭＯＳＦＥＴをオフにすることを特徴とする。

（７）上記の特徴（５）を有する発明において、前記制御装置は、前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ中、少なくとも１個のＭＯＳＦＥＴが、所定温度以上となったときに、前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴの両方ともオフにすることを特徴とする。

上記の特徴（６）、（７）を有する発明によれば、前記ＭＯＳＦＥＴを保護することができる。

（８）上記の特徴（１）〜（７）のいずれかを有する発明において、前記スイッチユニット６８、６８ｂの前記正極側にフューズ８２を設けることで、スイッチユニットに過大電流が流れることを防止することができる。

この発明によれば、セル電圧が変化しても、意図したときのみバイパス電流を通流させることができる。

また、この発明によれば、意図したときのみセルに残っている電荷を放電することができる。

この発明に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。 図１中、セルバイパス回路の詳細構成全体図である。 燃料電池システムの起動方法を説明するフローチャートである。 セルバイパス回路の動作状態を示す回路説明図である。 セルバイパス回路の他の構成例を示す回路説明図である。 セル電圧の特性図である。 放電回路を含むセルバイパス回路の詳細構成図である。 放電回路の動作状態を示す回路説明図である。 セルバイパス回路と放電回路の兼用回路の他の例の回路説明図である。 図１０Ａは、図２のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチユニットを再掲したセルバイパス時の回路説明図、図１０Ｂは、図１０Ａのスイッチユニットを構成する第１ＭＯＳＦＥＴと第２ＭＯＳＦＥＴの並びを入れ替えたセルバイパス時の回路説明図、図１０Ｃは、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチユニットのセルバイパス時の回路説明図、図１０Ｄは、図１０Ｃのスイッチユニットを構成する第１ＭＯＳＦＥＴと第２ＭＯＳＦＥＴの並びを入れ替えたセルバイパス時の回路説明図である。 図１１Ａは、スイッチユニットにＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いた放電回路の放電時の回路説明図、図１１Ｂは、図１０Ａのスイッチユニットを構成する第１ＭＯＳＦＥＴと第２ＭＯＳＦＥＴの並びを入れ替えた放電時の回路説明図、図１１Ｃは、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチユニットの放電時の回路説明図、図１１Ｄは、図１１Ｃのスイッチユニットを構成する第１ＭＯＳＦＥＴと第２ＭＯＳＦＥＴの並びを入れ替えた放電時の回路説明図である。

図１は、この発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う統括コントローラ１８とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セル（セル）２０を矢印Ａ方向に積層して構成される。各セル２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード側電極２４とアノード側電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体２８を備え、前記電解質膜・電極構造体２８を一対のセパレータ３０ａ、３０ｂで挟持する。

カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ａとの間には、カソード側電極２４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３２が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ｂとの間には、アノード側電極２６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３４が形成される。

燃料電池スタック１２の積層方向一端部（マニホールド側）には、エンドプレート３５ａが配設される。このエンドプレート３５ａには、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路３４に供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａとが形成される。

燃料電池スタック１２の積層方向他端部（反マニホールド側）には、エンドプレート３５ｂが配置される。このエンドプレート３５ｂには、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、燃料ガスを燃料ガス流路３４から排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂとが形成される。なお、燃料電池スタック１２内には、各セル２０間又は複数のセル２０毎に冷却媒体を流す冷却媒体流路（図示せず）が設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ４０を備え、前記エアコンプレッサ４０が空気供給流路４２に配設される。空気供給流路４２には、必要に応じてバルブ４４が配設されるとともに、前記空気供給流路４２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する空気排出流路４６を備える。この空気排出流路４６には、エアコンプレッサ４０から空気供給流路４２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能なバルブ（背圧制御弁）４８が設けられる。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素供給流路５２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３８ａに連通する。この水素供給流路５２には、バルブ５４とエゼクタ５６とが設けられる。水素供給流路５２と空気供給流路４２とは、連結流路５８を介して連通可能であり、この連結流路５８には、バルブ６０が配設される。

燃料ガス出口連通孔３８ｂには、オフガス流路６２が連通する。オフガス流路６２には、水素循環路６４が連通するとともに、前記水素循環路６４は、エゼクタ５６に連通する。オフガス流路６２には、燃料ガスを外部に排出する際に開放されるパージ弁６５が配設される。

エゼクタ５６は、水素タンク５０から供給される水素ガスを、水素供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６４から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料電池スタック１２には、所定数（少なくとも１個）のセル２０からなる燃料電池セルブロック（セルブロックという。）７２毎にセルバイパス回路６６が設けられる（図２参照）。

図２に示すように、各セルバイパス回路６６は、スイッチユニット６８と、スイッチユニットコントローラ７０（制御装置）と、セルブロック７２の正極側とスイッチユニット６８との間に挿入されるフューズ８２を備える。フューズ８２は、セルブロック７２の高圧側に距離的になるべく近い方に挿入することが好ましい。フューズ８２が溶断したときに、スイッチユニット６８（セルバイパス回路６６）側を高圧側から遮断することができる。

各スイッチユニット６８は、各セルブロック７２に対して並列に配され、直列接続された第１及び第２半導体スイッチとしての第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２と、前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２のそれぞれに対して逆方向に（カソード電極が対向して）並列に配される第１及び第２寄生ダイオード１１１、１１２と、を有する。なお、第１及び第２寄生ダイオード１１１、１１２は、第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２のドレイン−ソース間に等価的に内蔵されているダイオードである。

各スイッチユニット６８は、各スイッチユニットコントローラ７０から出力される駆動信号Ｓｄ１、Ｓｄ２により第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２のオン（ゲート開）、オフ（ゲート閉）が制御される。なお、図２は、簡略的に描いているが、実際上、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１をオンする際には、周知のように、ソース端子に対してゲート端子に正電圧（ＮＭＯＳＦＥＴの場合）を印加する必要がある点に留意する。

スイッチユニットコントローラ７０にはセル電圧検出部８０が接続される。

セル電圧検出部８０は、各セル２０のセル電圧を検出するとともに、各セルバイパス回路６６が接続されるセルブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧を検出する。

セル電圧検出部８０による各セル２０のセル電圧の検出結果に基づき、各スイッチユニットコントローラ７０は、対応する各スイッチユニット６８の第１ＭＯＳＦＥＴ１０１のオンオフ（開閉）を制御する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

一般に、燃料電池システム１０の運転停止時には、電解質膜・電極構造体２８の劣化等を防止するために、後述するように、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４が、酸化剤ガス（以下、空気ともいう）により満たされている。

そこで、ステップＳ１において、統括コントローラ１８に、燃料電池システム１０の起動信号、例えば、イグニッションオン（ＯＮ）信号が入力されると、ステップＳ２において、統括コントローラ１８は、スイッチユニットコントローラ７０を通じて各セルバイパス回路６６をオンオフ（開閉）するスイッチユニット６８を開く。すなわち、第１及び第２駆動信号Ｓｄ１、Ｓｄ２をオフ信号とすることで、第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２がオフ状態（ゲートが閉状態）｛スイッチユニット６８がオフ（ＯＦＦ）状態、すなわちセルバイパス回路６６がオフ状態｝とされる。

そして、ステップＳ３、Ｓ４において、酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６が駆動されて、燃料電池スタック１２に空気及び燃料ガスが供給される。具体的には、バルブ６０が閉塞される一方、バルブ４４、５４が開放される。このため、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２内の各セル２０に設けられている酸化剤ガス流路３２に供給される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５０から水素供給流路５２に燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料電池スタック１２内のセル２０に設けられている燃料ガス流路３４に供給される。

これにより、カソード側電極２４に供給される空気と、アノード側電極２６に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。

各セル２０のセル電圧は、セル電圧検出部８０を通じて統括コントローラ１８により検出されており、この統括コントローラ１８は、各セルバイパス回路６６が接続されるセルブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧を検出する。

次いで、ステップＳ５において、セル電圧検出部８０で検出された平均セル電圧又は最低セル電圧が、閾値を上回る値、例えば、閾値＝０として、正であるか否かが判断される。

そして、いずれかのセルブロック７２内の平均セル電圧又は最低セル電圧が、負であると判断されると（ステップＳ５、ＮＯ）、負であると判断されたセルブロック７２内のセル２０が転極していると判断し、ステップＳ６に進んで、このセルブロック７２に接続されるセルバイパス回路６６のスイッチユニット６８が閉じられる（セルバイパス回路６６をオン）。

このとき、図４に示すように、平均セル電圧又は最低セル電圧が負であると判断した該当のセルブロック７２に並列に接続されるスイッチユニット６８を構成する第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１に供給される第１駆動信号Ｓｄ１をオン信号（Ｓｄ１＝ＯＮ）にし、第２駆動信号Ｓｄ２をオフ信号（Ｓｄ２＝ＯＦＦ）とすることで、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１がオン状態とされ、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２がオフ状態とされる。

この場合、図４中、太い実線の矢印で示すように、下側の低圧側のセルブロック７２のセル２０（の正極側）から流出する電流Ｉが、スイッチユニット６８の第２寄生ダイオード１１２及び第１ＭＯＳＦＥＴ１０１を通じ、フューズ８２を介して上側のセルブロック７２のセル２０（の負極側）へと流れ込むことで、転極している（転極しようとしている）中央のセルブロック７２をバイパスして流れることになる。

このため、起動時に、セル２０に転極が発生することを確実に防止することができ、簡単な手順で、アノード側電極２６を構成する電極触媒の劣化を可及的に阻止することが可能になる。

ここで、セルブロック７２をバイパスさせる動作において、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２が、常にオフ状態に保持されることを考慮すれば、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２及び第２寄生ダイオード１１２を、図５に示すように１本のダイオード素子１２２に代替したスイッチユニット６８ａとするセルバイパス回路６６ａとして構成することもできる。これによりコストを低減することができる。

その一方、図４に示したスイッチユニット６８の回路構成によれば、スイッチユニット６８を形状的・回路的に線対称に形成することができるので、スイッチユニット６８（セルバイパス回路）を燃料電池システム１０に組み付ける際に、極性を考慮しないで組み付けるようにすることができるという利点がある。

ここで、図１に示すように、燃料電池スタック１２では、複数のセル２０が矢印Ａ方向に積層されている。そのため、反マニホールド側であるエンドプレート３５ｂ側に配置されるセル２０では、マニホールド側であるエンドプレート３５ａ側に配置されるセル２０に比べ、燃料ガス流路３４に供給される燃料ガスに遅れが発生し易い。このため、エンドプレート３５ｂ側に配置されているセル２０では、燃料ガスの供給遅れによる転極が発生し易い。

実際上、セル電圧は、燃料電池システムの起動時に、図６に示すように、ガス導入側（エンドプレート３５ａ側）のセル２０（１枚目）側が、正電圧領域となり、ガス導入口から最も遠い側（エンドプレート３５ｂ側）のセル２０（Ｎ枚目とする。）側が、負電圧領域となり、中間部でゼロ［Ｖ］になる特性１００を有する。

この場合、所定数のセル２０（セルブロック７２）毎にセルバイパス回路６６が設けられるとともに、各セル２０のセル電圧が統括コントローラ１８により検出されている。従って、検出されたセル電圧が負となるセル２０を含む負電圧領域のセルブロック７２では、統括コントローラ１８の制御下にスイッチユニットコントローラ７０を駆動して、当該セルブロック７２に接続されているセルバイパス回路６６のスイッチユニット６８を閉じることにより、図４に示したように、セルブロック７２がバイパスされ前記セル２０の転極を有効に阻止することができる。

その際、全てのセル２０のセル電圧を検出する必要はなく、例えば、積層方向略中央部からエンドプレート３５ｂ側に配置されているセル２０のセル電圧を検出するようにしてもよい。燃料ガス供給遅れによる転極は、エンドプレート３５ｂ側のセル２０に発生し易いからである。

一方、ステップＳ５において、セル電圧検出部８０で検出された平均セル電圧又は最低セル電圧が、正（閾値＝０）であると判断されると（ステップＳ５、ＹＥＳ）、第１及び第２駆動信号Ｓｄ１、Ｓｄ２がそれぞれオフ信号とされ、ステップＳ７に進んで、そのセルブロック７２に接続されるセルバイパス回路６６のスイッチユニット６８が開かれる（セルバイパス回路６６がオフ、スイッチユニット６８が開かれていた場合には、そのまま）。

これにより、燃料電池システム１０は、通常発電運転となり、所望の負荷に電力を供給することができる。

なお、図６に示したように、燃料電池システム１０の起動時には、ガス導入側（エンドプレート３５ａ側）のセル２０が正電圧領域となるが、その正電圧領域のセル２０を放電し、セル電圧を下げることでセル２０の劣化を抑制することができてより好ましい。起動時に放電する時間は、周囲温度等に依存するが、シミュレーション或いは実験的に最適な時間（通常、数秒から数十秒以内の時間である。）を設定することができる。

ところで、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には、図１に示したバルブ５４が閉塞されるとともに、バルブ６０が開放される。このため、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に供給される空気は、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３２に供給される一方、一部が連結流路５８を通って水素供給流路５２から前記燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路３４に供給される。従って、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４は、空気によりパージされて燃料電池システム１０の運転が停止される。

スイッチユニット６８は、上述したセルバイパス回路６６として機能させることができる他、以下に説明するように、抵抗（放電抵抗）を追加するだけで放電回路としても機能させることもできる。

この場合、スイッチユニット６８ｂに直列に｛第１ＭＯＳＦＥＴ１０１の第１寄生ダイオード１１１のアノード端子の接続点とセルブロック７２の正極側（フューズ８２）との間に直列に、図７に示すように第１ＭＯＳＦＥＴ１０１の第１寄生ダイオード１１１のカソード端子の接続点と第２ＭＯＳＦＥＴ１０２の第２寄生ダイオード１１２のカソード端子の接続点との間に直列に、又は第２ＭＯＳＦＥＴ１０２の第２寄生ダイオード１１２のアノード端子の接続点とセルブロック７２の負極との間に直列に｝、抵抗２００を接続する。

このように構成したセルバイパス・放電兼用回路６６ｂによりセルブロック７２を放電する際には、スイッチユニットコントローラ７０は、図８に示すように、第１駆動信号Ｓｄ１をオフ信号（Ｓｄ１＝ＯＦＦ）とし第２駆動信号Ｓｄ２をオン信号（Ｓｄ２＝ＯＮ）にすることで、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２をオンにし、セルブロック７２を構成するセル２０を放電することができる。この場合、放電電流Ｉｄｃｈは、図８中、太い実線で示すように第１寄生ダイオード１１１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０２を通じて流れる。

なお、図８に示したセルバイパス・放電兼用回路６６ｂによりセルバイパス動作をさせようとする場合において、抵抗２００と放電電流Ｉｄｃｈによる電圧降下が発生することを回避するために、図９のセルバイパス・放電兼用回路６６ｃに示すように、ダイオード素子１２２を配するスイッチユニット６８ｃの構成にすればよい。

ダイオード素子１２２は、第２寄生ダイオード１１２のアノード端子と第１寄生ダイオード１１１のカソード端子間に、第１寄生ダイオード１１１の極性と逆極性となるように接続すればよい。

図９に示すセルバイパス・放電兼用回路６６ｃは、セルバイパス回路として機能させる際には、換言すれば、セルブロック７２をバイパスする際には、スイッチユニットコントローラ７０により、第１駆動信号Ｓｄ１をＳｄ１＝ＯＮ、第２駆動信号Ｓｄ２をＳｄ２＝ＯＦＦとすることで、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１がオン状態となり、破線に示す経路（ダイオード素子１２２から第１ＭＯＳＦＥＴ１０１へ至る経路）でバイパス電流Ｉｂｐを流すことができる。

その一方、放電回路として機能させる際には、換言すれば、セルブロック７２を放電する際には、スイッチユニットコントローラ７０により、第１駆動信号Ｓｄ１をＳｄ１＝ＯＦＦ、第２駆動信号Ｓｄ２をＳｄ２＝ＯＮとすることで、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２をオン状態とし、実線に示す経路（第１寄生ダイオード１１１から抵抗２００を経て第２ＭＯＳＦＥＴ１０２へ至る経路）で放電電流Ｉｄｃｈを流すことができる。

図１０Ａは、図４に示したセルバイパス回路６６を構成するスイッチユニット６８ｂを再掲した図である。この場合、図１０Ａから分かるように、スイッチユニット６８ｂを構成する第１寄生ダイオード１１１付き第１ＭＯＳＦＥＴ１０１と、第２寄生ダイオード１１２付き第２ＭＯＳＦＥＴ１０２とが直列に接続されていることを考慮すれば、図１０Ｂに示すスイッチユニット６８ｘの回路構成のように、上下を逆にし、第１寄生ダイオード１１１と第２寄生ダイオード１１２のアノード端子が対向するように接続を変更することができる。図１０Ａ例では、第１寄生ダイオード１１１と第２寄生ダイオード１１２のカソード端子が対向している。

図１０Ａ、図１０Ｂ例では、Ｎチャンネルの第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２を使用した例を示しているが、図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（第１ＭＯＳＦＥＴ１０１ｐ、第１寄生ダイオード１１１ｐ付き第１ＭＯＳＦＥＴ１０１ｐ、第２寄生ダイオード１１２ｐ付き第２ＭＯＳＦＥＴ１０２ｐ）を使用したスイッチユニット６８ｙ、６８ｚを構成することもできる。

図１０Ａ、図１０Ｂ例のＮチャンネルの第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２を用いたスイッチユニット６８、６８ｘでは、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート駆動信号Ｓｄ１をオンとすることでバイパス電流Ｉｂｐを流すことができ、図１０Ｃ、図１０Ｄ例のＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１０１ｐ、１０２ｐを用いたスイッチユニット６８ｙ、６８ｚでは、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２ｐのゲート駆動信号Ｓｄ２をオンとすることでバイパス電流Ｉｂｐを流すことができる。

次に、図１１Ａは、図８に示したセルバイパス・放電兼用回路６６ｃを構成するスイッチユニット６８ｂを再掲した図である。この場合、図１１Ａから分かるように、スイッチユニット６８ｂを構成する第１寄生ダイオード１１１付き第１ＭＯＳＦＥＴ１０１と、第２寄生ダイオード１１２付き第２ＭＯＳＦＥＴ１０２とが直列に接続されていることを考慮すれば、図１１Ｂに示すスイッチユニット６８ｂｘの回路構成のように、上下を逆にし、第１寄生ダイオード１１１と第２寄生ダイオード１１２のアノード端子が対向するように接続を変更することができる。図１１Ａ例では、第１寄生ダイオード１１１と第２寄生ダイオード１１２のカソード端子が対向している。

図１１Ａ、図１１Ｂ例では、Ｎチャンネルの第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２を使用した例を示しているが、図１１Ｃ、図１１Ｄに示すように、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（第１ＭＯＳＦＥＴ１０１ｐ、第１寄生ダイオード１１１ｐ、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２ｐ、第２寄生ダイオード１１２ｐ）を使用してスイッチユニット６８ｂｙ、６８ｂｚを構成することもできる。

図１１Ａ、図１１Ｂ例のＮチャンネルの第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０２を用いたスイッチユニット６８ｂ、６８ｂｘでは、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート駆動信号Ｓｄ１をオンとすることで放電電流Ｉｄｃｈを流すことができ、図１１Ｃ、図１１Ｄ例のＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１０１ｐ、１０２ｐを用いたスイッチユニット６８ｂｙ、６８ｂｚでは、第２ＭＯＳＦＥＴ１０２ｐのゲート駆動信号Ｓｄ２をオンとすることで放電電流Ｉｄｃｈを流すことができる。

以上説明したように上述した燃料電池システム１０は、複数のセル２０が直列接続された燃料電池スタック１２（燃料電池）と、複数の前記セル２０中、少なくとも１個のセル２０に対して（図５に示すように、簡素化・効率化の観点からは、複数のセル２０からなるセルブロック７２毎に対して）並列に配される例えば図５に示すセルバイパス回路６６ａとを備え、前記セルバイパス回路６６を構成するスイッチユニット６８ａは、第１寄生ダイオード１１１を並列に有し少なくとも１個の前記セル２０の負極側から正極側への一方向のみに電流を通流可能なように接続された第１ＭＯＳＦＥＴ１０１（第１半導体スイッチ）と、前記第１ＭＯＳＦＥＴ１０１（第１半導体スイッチ）に対して前記第１寄生ダイオード１１１の電流通流方向と逆方向に直列に接続されるダイオード素子１２２とを備えて構成される。

ホスト制御装置としての統括コントローラ１８は、制御装置（駆動制御装置）としてのスイッチユニットコントローラ７０を通じて、少なくとも１個のセル２０の電圧が、閾値、例えば０［Ｖ］より低下したことを検出したとき、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１をオンにし、セルバイパス回路６６ａのスイッチユニット６８ａを通じて、少なくとも１個のセル２０をバイパスさせる。

この図５例の実施形態によれば、スイッチユニットコントローラ７０は、少なくとも１個のセル２０の電圧が、閾値より低下したことを検出したとき、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１をオンにすることで、ダイオード素子１２２及び第１ＭＯＳＦＥＴ１０１を通じて、少なくとも１個のセル２０をバイパスさせることができる。

この場合、セル電圧が変化しても、セル電圧が閾値より低下したという意図したときのみセルバイパス回路を通流させることができる。

また、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１がオフのときには、少なくとも１個のセル２０に対して、カソード端子が対向するように第１寄生ダイオード１１１及びダイオード素子１２２が配置されているので、セルバイパス回路はオフ状態に保持される。

スイッチユニットを有するセルバイパス回路としては、図５例のセルバイパス回路６６ａの他、図１、図２、図４、図１０Ｂ〜図１０Ｄに示したように、第１寄生ダイオード１１１、１１１ｐを有する第１ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０１ｐと第２寄生ダイオード１１２、１１２ｐを有する第２ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０２ｐを第１及び第２寄生ダイオード１１１（１１１ｐ）、１１２（１１２ｐ）のカソード端子が対向するように（図１０Ａ、図１０Ｄ）又は第１及び第２寄生ダイオード１１１（１１１ｐ）、１１２（１１２ｐ）のアノード端子が対向するように（図１０Ｂ、図１０Ｃ）直列に接続し、直列接続したスイッチユニット６８、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚをセルブロック７２間に並列に配置し、第１ＭＯＳＦＥＴ１０１、１０１ｐをオン・オフ又は第２ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０２ｐをオン・オフするように構成することもできる。

セルバイパス・放電兼用回路としては、例えば、図７、図８、図９、図１１Ａ〜図１１Ｄに示したように、抵抗２００をスイッチユニット６８ｂ、６８ｃ、６８ｂｘ、６８ｂｙ、６８ｂｚに直列に接続することで達成することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…統括コントローラ ２０…セル
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０ａ、３０ｂ…セパレータ ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ４０…エアコンプレッサ
４２…空気供給流路 ４６…空気排出流路
５０…水素タンク ５２…水素供給流路
５６…エゼクタ ６２…オフガス流路
６６、６６ａ…セルバイパス回路
６６ｂ、６６ｃ…セルバイパス・放電兼用回路
６８、６８ａ、６８ｂ、６８ｂｘ、６８ｂｙ、６８ｂｚ、６８ｃ、６８ｘ、６８ｙ、６８ｚ…スイッチユニット
７０…スイッチユニットコントローラ ２００…抵抗

Claims (8)

1. 複数のセルが直列接続された燃料電池と、
   複数の前記セル中、少なくとも１個のセルに対して並列に配されるセルバイパス回路と、を備え、
   前記セルバイパス回路は、
   第１寄生ダイオードを並列に有し少なくとも１個の前記セルの負極側から正極側への一方向のみに電流を通流可能な第１半導体スイッチと、前記第１半導体スイッチに対して前記第１寄生ダイオードの電流通流方向と逆方向に直列に接続されるダイオード素子とを備えるスイッチユニットと、
   少なくとも１個の前記セルの電圧が、閾値より低下したことを検出したとき、前記第１半導体スイッチをオンにし、前記スイッチユニットを通じて、少なくとも１個の前記セルをバイパスさせる制御装置と、を
   有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ダイオード素子は、第２寄生ダイオードを並列に有する第２半導体素子であって、
   前記第１寄生ダイオード及び前記第２寄生ダイオードは、アノード端子同士又はカソード端子同士が対向するように配置され、
   前記制御装置は、
   少なくとも１個の前記セルの電圧が、前記閾値より低下したことを検出したとき、前記第１又は第２導体スイッチをオンにして、少なくとも１個の前記セルをバイパスさせる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   直列に接続される前記第１及び第２半導体スイッチに、さらに、直列に抵抗を接続し、
   前記制御装置は、
   前記第１半導体スイッチ又は前記第２半導体スイッチをオンにして、少なくとも１個の前記セルを放電させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴである
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１及び第２半導体スイッチは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ同士又はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ同士である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記ＭＯＳＦＥＴが、所定温度以上となったときに、前記ＭＯＳＦＥＴをオフにする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ中、少なくとも１個のＭＯＳＦＥＴが、所定温度以上となったときに、前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴの両方ともオフにする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記スイッチユニットの前記正極側にフューズを設ける
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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