JP2010520606A - 各燃料電池を相互接続するためのバイパス回路を備える燃料電池 - Google Patents

Abstract

一形態において、絶縁ハウジング１０を含む固体酸化物燃料電池５が開示されている。スタック２０を定める複数の相互接続された電池がハウジング１０の内部に配置されている。各燃料電池は陰極２５及び陽極３０を備えている。バイパス回路３５は、ハウジング１０の外部に位置し、複数の電池の少なくとも一部が陰極２５と陽極３０の間に結合されて、電池間の相互接続を構成することができる。
【選択図】図１

Description

［関連出願］
本願発明は、米国特許出願（出願番号１１／６８３，６６６、出願日２００７年３月８日）にかかる優先権を伴うものであり、その内容を本文に援用する。

本願発明は、燃料電池、及び、特には、各燃料電池間の相互接続を構成（改変）するためのバイパス回路を有する燃料電池に関する。

燃料電池には、直列または並列に電気的に接続された多くの電池を有する燃料電池スタックが含まれる。もし、電池の1つが故障したら、燃料電池によって発生する電流が、それらをバイパスするように、電気的にスタックからその電池が除かれることが望まれる。欠陥のある電池をスタックから取り除き、欠陥のある電池を避けることによって、スタックは故障に対する耐性を有する。

従って、本分野において、燃料電池の配列又はスタックから欠陥のある電池を取り除く能力があり、スタックの欠陥に対する耐性を改善する、改良された燃料電池が必要とされる。

さらに、燃料電池を相互接続するためのバイパス回路は、燃料電池の効率と必要な出力だけでなく、燃料電池の電流出力又は電圧出力を構成（改変）するのに役立つ。従って、本分野において、複数の燃料電池間の相互接続を構成（改変）して、燃料電池の様々なパラメータをアクティブ制御することによって、燃料電池の全体の出力電力を調整して、スタック内の個々の燃料電池のアクティブ制御をするために、燃料電池のスタックを管理することが必要とされる。

一形態において、絶縁ハウジングを備える固体酸化物燃料電池を開示する。スタックを定める相互接続された複数の電池は、ハウジング内に配置されている。各燃料電池は陰極と陽極とを有している。バイパス回路は、ハウジングの外に位置し、なお且つ、複数の電池の少なくとも一部の陰極と陽極の間に結合されて、電池間の相互接続を構成（再構成、改変、組換え）する。

絶縁ハウジング、相互接続された複数の燃料電池、及び、ハウジングの外部に位置する、燃料電池の陰極と陽極の間に結合されたバイパス回路を有する固体酸化物燃料電池の部分斜視図。 陰極と陽極で相互接続され、（明確に示すために絶縁体を除いた）バイパス回路を有する２つの燃料電池の図。 アクティブダイオードコントローラを有する、陰極及び陽極を備える複数の燃料電池の回路図。 複数の燃料電池を直列から並列接続に切り換える、アクティブ制御素子を有するバイパス回路の回路図。 燃料電池の陰極と陽極のいずれか又は陰極と陽極の両方が、隣接する燃料電池から切り離されている状態を表す複数の燃料電池の詳細な回路図。 燃料電池スタックの直流出力の管理をするアクティブ制御素子を備える複数の燃料電池を表す回路図。 正確な基準器、正確な比較器、及び、論理回路を有するアクティブダイオード素子の回路図。

図１には、絶縁ハウジング１０を有する固体酸化物燃料電池５の一部が表されている。スタック２０を定める相互接続された複数の電池１５は、ハウジング１０の内部に配置されている。各燃料電池１５は、互いに分離している陰極２５及び陽極３０を有する。バイパス回路３５は、ハウジング１０の外部に位置し、複数の電池１５の少なくとも一部の陰極２５と陽極３０の間に結合されて、電池１５間の相互接続の構成（改変）を行う。一形態において、バイパス回路３５は、複数の電池１５の各々の間に結合され、全ての電池１５間の相互接続の構成（改変）を行う。図２及び図３に示すとおり、バイパス回路３５は、複数の電池１５の各々の陰極２５と陽極３０の間に位置し、そして、陰極２５と陽極３０の間の電圧を感知し、もし電圧が所定値よりも降下すると該電池１５をバイパスする。

一形態として、図４から図７に詳細に示されているように、バイパス回路３５はアクティブ制御素子（能動的に制御される素子）４０を含んでいる。アクティブ制御素子４０は、スイッチ、ゲート、または、その他の分離装置を含む様々な部品から選択される。種々のトランジスタを含む様々なタイプのスイッチには、ＮＰＮトランジスタ、ＰＮＰトランジスタ、ＪＦＥＴトランジスタ、半導体素子の切り換え素子、磁界効果トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、及び、ダイオードが含まれる。別の形態において、アクティブ制御素子４０に中央制御装置４５が結合されることで、様々な状態にあるアクティブ制御素子４０を調整する。

バイパス回路３５は、受動的に駆動されたダイオード、又は、能動的に駆動されたダイオードとして動作する。受動的に駆動されたダイオードは、高い電磁気の環境化、又は、その他の状況下にて利用される。そして、高い電磁気の環境化、又は、その他の状況下において、種々の構成要素としての、蓄積した熱放射、容積空間、温度耐性、衝撃耐性、振動耐性のような損失要因及びその他の要因が、特定の結果を達成するために構成（改変）される。

別の形態では、バイパス回路３５は、アクティブダイオードとして動作する。上に挙げた種々のアクティブ制御素子４０は、アクティブダイオードの動作を達成するためにバイパス回路３５において使用される。一形態では、バイパス回路３５はＯＲ回路を含む。以下に詳述するように、別の形態では、バイパス回路３５はＯＲ回路及びＡＮＤ回路を含み、スタック２０の燃料電池１５の様々な部分の分離を能動的に管理する。

図５には、陰極２５及び陽極３０を有する複数の燃料電池１５の回路図が示されている。アクティブ制御素子４０は陽極３０と陰極２５の両方で、バス４７に接続される。さらに、アクティブ制御素子４０は、バス４７の陽極３０と陰極２５の間に接続される。図に示すとおり、ＡまたはＢのいずれかがバス４７から分離されるか、若しくは、Ａ及びＢがバス４７から分離される。さらに、バス４７に接するアクティブ制御素子４０は、バス４７から各燃料電池１５の分離することを容易にする。

本発明の別の形態では、バイパス回路３５は、アクティブ制御素子４０を含んでおり、アクティブ制御素子４０は、複数の燃料電池１５の各間において、直列接続から並列接続に転換する。図４に示すとおり、バイパス回路３５は、絶縁バリアまたはハウジング１０の外側に位置し、他方、複数の燃料電池１５は、ハウジング１０の内部に位置する。各燃料電池１５は陽極３０と陰極２５とを備えている。燃料電池１５の陽極３０または陰極２５のいずれかに接続するように駆動されたアクティブ制御素子４０を介して、隣接する燃料電池の陽極３０は接続される。この方法で、隣接する電池１５間の接続が直列から並列に切り換えられる。さらに、隣接する燃料電池１５の陰極２５は、アクティブ制御素子４０により電気的に結合されて、隣接する電池１５の陰極２５を接続または切断する。再度述べるが、この構成によって、互いのどちらかに連結された隣接する電池１５の陰極２５と陽極３０が、隣接する燃料電池１５間の直列又は並列接続を提供する。

上述したように、電池１５間の相互接続は、スタック２０から欠陥のある電池１５を分離するように構成（改変）できる。さらに、電池１５間の相互接続は、スタック２０の電圧出力を調整するように構成（改変）されてもよい。同様に、電池１５間の相互接続は構成（改変）され、スタック２０の電流出力を調整する。さらに、電池１５間の相互接続は構成（改変）され、スタック２０の電力出力を管理する。様々な他のパラメータもまた電池１５間の相互接続の構成（改変）によって調整され、スタック２０の直流をアクティブ制御することと同様に、複数の燃料電池１５の効率を調整することを含む。例えば、スタックの複数の燃料電池１５の効率が構成（改変）されて、電気を発生するよりもむしろ熱を発生させ、燃料電池の温度を調整することで、所望の動作状態を作り出すために制御されよう。さらに、電池１５間の相互接続が構成（改変）されて、作動する電池１５を積戻しすることを防ぎ、なお且つ、固体酸化物燃料電池５の全体効率を改善するために、スタックの電力出力を管理する。

図６は、２つの燃料電池１５を詳細に示す回路図であり、電池１５間の相互接続が構成（改変）され、スタック２０の直流をアクティブ制御する。図に示すとおり、２つの燃料電池１５は、それぞれ陰極２５及び陽極３０を有し、絶縁ハウジング１０の内部に位置するように提供される。バイパス回路３５はハウジング１０の外部に位置するので、固体酸化物燃料電池から発生する熱はその電気回路に影響しない。図に示すとおり、バイパス回路３５は、コンバータ５０及びダイオード５５と同様に、スイッチとして表されるアクティブ制御素子４０を含む。このような構造によって、スタック２０により作り出される直流のアクティブ制御が可能になることで、固体酸化物燃料電池５のＤＣ出力をアクティブ制御することができる。

上述したように、バイパス回路３５は、直列接続又は並列接続の両方において、電池１５の相互接続を調整することに利用され得る。さらに、燃料電池１５は、直列または並列に結合または配線接続されて配置される。一形態において、少なくとも燃料電池１５の一部が直列又は並列に接続されているか、又は、直列に接続された燃料電池１５の別の部分に並列に代替的に接続されている。この方法では、燃料電池１５は、所望の出力を作り出すために、特定の所望の配置に並べられる。バイパス回路３５は、スタック２０を形成するために相互接続される複数の燃料電池１５の様々な部分を分離することを可能とする。

本発明の一形態において、図７にスイッチを含むアクティブ制御素子４０を示す。図に示すとおり、スイッチは、正確な比較器６０、正確な基準器６５、及び、論理ドライバ７０を含む。バイパス回路３５がアクティブ制御されたダイオードとして動作することで、種々の燃料電池１５をバイパスするために、または、上述したものに含まれる、電池１５の効率の調整、相互接続された燃料電池１５のスタック２０の電力出力、電流出力、又は、電圧出力の管理のように他の機能を実行するためにバイパス回路３５が利用されることを可能とする。

上述の記載は、複数の相互接続された電池１５を有する固体酸化物燃料電池５の全体の記述を含んでいるが、一形態における固体酸化物燃料電池５は携帯可能な固体酸化物燃料電池である。さらに、固体酸化物燃料電池５は手に持って扱えるほどの大きさであり、効率的な方法で人が運搬することも可能である。なお、発明は例示によって記述されている。使用された専門用語は、限定というよりむしろ、本質的に記述の言語の範疇にあるように意図されることが理解されよう。上述の教示を踏まえて、発明の多くの改変例とバリエーションを実行可能である。従って、添付した請求項の目的の範囲内において、具体的に記載された以外の発明が実施されよう。

Claims (21)

1. 絶縁ハウジングと、
   前記ハウジングの内部に配置されたスタックを定めるべく相互接続された、各々が陰極と陽極を備える複数の燃料電池と、
   前記ハウジングの外部に位置し、且つ、前記複数の燃料電池の少なくとも一部の前記陰極と前記陽極の間に結合されて、前記燃料電池間の相互接続の構成を可能とするバイパス回路と、を備える固体酸化物燃料電池。
2. 前記バイパス回路が前記複数の燃料電池の各々の間に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
3. 前記バイパス回路がアクティブ制御素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
4. 前記アクティブ制御素子に結合された中央制御装置を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
5. 前記バイパス回路が受動的に駆動されるダイオードとして動作することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
6. 前記バイパス回路がアクティブダイオードとして動作することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
7. 前記バイパス回路がＯＲ回路を含むことを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
8. 前記スタックから欠陥のある燃料電池を分離するように前記燃料電池間の相互接続が構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
9. 前記スタックの電圧出力を調整するように前記燃料電池間の相互接続が構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
10. 前記スタックの電流出力を調整するように前記燃料電池間の相互接続が構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
    
11. 前記燃料電池間の相互接続が構成され、前記スタックの電力出力を管理することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
12. 前記燃料電池間の相互接続が構成され、前記スタックの複数の前記燃料電池の効率を調整することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
13. 前記燃料電池間の相互接続が構成され、前記スタックの直流をアクティブ制御することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
14. 前記燃料電池の少なくとも一部が直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
15. 前記燃料電池の少なくとも一部が並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
16. 前記燃料電池の少なくとも一部が直列に接続され、この直接接続された当該燃料電池の少なくとも一部は、これとは別に直列接続された前記燃料電池の別の部分に並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
17. 前記アクティブ制御素子が、ＮＰＮトランジスタ、ＰＮＰトランジスタ、ＪＦＥＴトランジスタ、半導体の切り替え素子、スイッチ、磁場効果トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、及び、外部のｐチャンネルＭＯＳＦＥＴから選択されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
18. 前記アクティブ制御素子が、精密比較器、精密基準器、及び、論理ドライバを備えていることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
19. 前記燃料電池は携帯可能であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
20. 前記燃料電池は手持ちサイズであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
21. 絶縁ハウジングと、
    前記ハウジングの内部に配置されたスタックを定めるべく相互接続された、各々が陰極と陽極を備えた、複数の管状の燃料電池と、
    前記ハウジングの外部に位置し、且つ、各燃料電池の前記陰極と前記陽極の間に結合されて、前記燃料電池間の相互接続の構成を可能とするバイパス回路と、を備える管状の固体酸化物燃料電池。

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