JP7185562B2 - 燃料電池システム及び発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び発電方法に関する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用することに関する技術の開発が進められている。例えば、特許文献１では、燃料電池を車両に搭載する技術が開示されている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを有しており、燃料電池セルには、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極及びカソード電極により挟まれる電解質膜とが設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素含有ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、酸素含有ガス）が供給されることによって、発電が行われる。

特開２００３－２８８９２７号公報

ところで、燃料電池において、一部の燃料電池セルの発電量が過度に低下する燃料電池セルの故障が生じる場合がある。例えば、燃料電池システムが搭載される装置の外部の空気を酸化ガスとして燃料電池セルに供給する燃料電池システムでは、酸化ガス中に含まれる埃が燃料電池セルに形成されている酸化ガスの流路に侵入して滞留してしまう場合がある。このように酸化ガスの流路に埃等の異物が滞留することに起因して酸化ガスの流量が減少することによって、一部の燃料電池セルの発電量が過度に低下する場合がある。従来の燃料電池システムでは、燃料電池セルの故障時に、故障した一部の燃料電池セルの発電量が低下するのみならず、故障した一部の燃料電池セルの発電量の低下に伴って正常な燃料電池セルの発電量も低下してしまうので、燃料電池の発電量が大きく低下してしまっていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池セルの故障時に、燃料電池の発電量の低下を抑制することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システム及び発電方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記電解質膜による前記アノード電極と前記カソード電極との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜を含む前記燃料電池セルを導体化する導体化機構を備え、前記導体化機構は、前記燃料電池スタックにより発電される電力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルとの接続状態を切り替える切替部と、を有し、前記切替部により前記コンデンサと一部の前記燃料電池セルとを接続することによって、当該一部の燃料電池セルを導体化する、燃料電池システムが提供される。

前記切替部は、前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルの各々との接続状態を個別に切り替えてもよい。

前記導体化機構の動作を制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記複数の燃料電池セルの各々について故障が発生している故障セルが存在しているか否かを判定し、前記故障セルが存在する場合に、故障している前記燃料電池セルである故障セルを前記導体化機構により導体化させてもよい。

前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給機構をさらに備え、前記制御装置は、前記故障セルが存在する場合に、前記燃料ガス供給機構による前記故障セルへの前記燃料ガスの供給を停止させた後に、前記故障セルを前記導体化機構により導体化させてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池を備える燃料電池システムの発電方法であって、導体化機構が、前記電解質膜による前記アノード電極と前記カソード電極との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜を含む前記燃料電池セルを導体化し、前記導体化機構は、前記燃料電池スタックにより発電される電力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルとの接続状態を切り替える切替部と、を有し、前記切替部により前記コンデンサと一部の前記燃料電池セルとを接続することによって、当該一部の燃料電池セルを導体化する、発電方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、燃料電池セルの故障時に、燃料電池の発電量の低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 同実施形態に係る導体化機構及び当該導体化機構の周囲の構成を示す模式図である。 同実施形態に係る燃料電池セルを示す断面模式図である。 同実施形態に係る導体化機構におけるコンデンサを充電する際のスイッチの開閉状態を示す模式図である。 同実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。 同実施形態に係る導体化機構における故障セルを導体化する際のスイッチの開閉状態を示す模式図である。 同実施形態に係る導体化機構のコンデンサと接続された故障セルに電流が流れる様子を示す模式図である。 同実施形態に係る導体化機構によって導体化された故障セルを示す模式図である。

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。

＜１．燃料電池システムの構成＞
図１～図４を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、車両に搭載される。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を備えるものであればよく、例えば、車両以外の装置に搭載されてもよい。また、以下で説明する燃料電池システム１には電力源として燃料電池１０の他に二次電池２０が設けられているが、本発明に係る燃料電池システムにおいて、電力源として二次電池が設けられていなくてもよい。

［全体構成］
まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、当該燃料電池１０の燃料電池セルの故障時に故障した燃料電池セルである故障セルを導体化するための導体化機構５０とを備える。さらに、燃料電池システム１は、二次電池２０と、駆動用モータ３０と、燃料電池コンバータ４１と、二次電池コンバータ４２と、インバータ４３と、燃料ガス供給機構６０と、電圧センサ７０と、制御装置８０とを備える。

燃料電池システム１が搭載される車両は、燃料電池１０又は二次電池２０から供給される電力を用いて駆動される駆動用モータ３０を駆動源として走行する。駆動用モータ３０の駆動に主として用いられる電力源は、燃料電池１０又は二次電池２０のいずれでもよいが、例えば、二次電池２０に蓄電される電力が駆動用モータ３０の駆動に主に用いられる場合、燃料電池１０により発電される電力は主に二次電池２０の充電に用いられる。この場合、燃料電池システム１が搭載される車両は、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両と称される車両に相当する。

燃料電池システム１において、燃料電池１０は、燃料電池コンバータ４１を介してインバータ４３と接続されている。二次電池２０は、二次電池コンバータ４２を介してインバータ４３に対して燃料電池１０及び燃料電池コンバータ４１と並列に接続されている。インバータ４３は、駆動用モータ３０と接続されており、当該駆動用モータ３０が駆動輪９と接続されている。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素含有ガス）と酸化ガス（具体的には、酸素含有ガス）とを反応させることにより発電する電池である。具体的には、燃料電池１０は複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有している。なお、燃料電池１０の詳細な構成については、導体化機構５０の詳細な構成の説明とともに後述する。

燃料電池コンバータ４１は、燃料電池１０により発電される電力を昇圧可能な電力変換装置である。例えば、燃料電池コンバータ４１は、いわゆるチョッパ方式の回路を含むＤＣＤＣコンバータであり、当該回路に設けられるスイッチング素子の動作が制御されることによって、燃料電池コンバータ４１による電力変換が制御される。燃料電池１０により発電される電力は、例えば、燃料電池コンバータ４１及び二次電池コンバータ４２を介して二次電池２０に供給され、二次電池２０の充電に利用される。また、燃料電池１０により発電される電力は、燃料電池コンバータ４１及びインバータ４３を介して駆動用モータ３０に供給され、駆動用モータ３０の駆動に利用されてもよい。

二次電池２０は、電力を充放電可能な電池である。二次電池２０としては、例えば、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池又は鉛蓄電池が用いられるが、これら以外の電池が用いられてもよい。燃料電池システム１が搭載される車両では、車両の外部の電源である外部電源から送電される電力を用いて二次電池２０を充電できるようになっていてもよい。

二次電池コンバータ４２は、二次電池２０に蓄電される電力を昇圧可能であり、さらに二次電池コンバータ４２又はインバータ４３から供給される電力を降圧可能な電力変換装置である。例えば、二次電池コンバータ４２は、いわゆるチョッパ方式の回路を含むＤＣＤＣコンバータであり、当該回路に設けられるスイッチング素子の動作が制御されることによって、二次電池コンバータ４２による電力変換が制御される。二次電池２０に蓄電される電力は、二次電池コンバータ４２及びインバータ４３を介して駆動用モータ３０に供給され、駆動用モータ３０の駆動に利用される。

駆動用モータ３０は、動力を出力可能であり、駆動用モータ３０から出力される動力は、駆動輪９に伝達される。駆動用モータ３０としては、例えば、多相交流式（例えば、三相交流式）のモータが用いられる。また、駆動用モータ３０は、車両の減速時に回生駆動されて駆動輪９の回転エネルギを用いて発電する発電機としての機能（つまり、回生機能）を有してもよい。

インバータ４３は、二次電池コンバータ４２又は燃料電池コンバータ４１から供給される直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ３０に供給可能であり、さらに駆動用モータ３０により発電される交流電力を直流電力に変換して二次電池コンバータ４２に供給可能な電力変換装置である。インバータ４３は、例えば、多相ブリッジ回路（例えば、三相ブリッジ回路）を含み、当該回路に設けられるスイッチング素子の動作が制御されることによって、インバータ４３による電力変換が制御される。駆動用モータ３０により発電される電力は、インバータ４３及び二次電池コンバータ４２を介して二次電池２０に供給され、二次電池２０の充電に利用される。

導体化機構５０は、上述したように、燃料電池１０の燃料電池セルの故障時に故障した燃料電池セルである故障セルを導体化するために設けられている機構である。具体的には、導体化機構５０は、燃料電池１０の燃料電池セルの電解質膜によるアノード電極とカソード電極との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜を含む燃料電池セルを導体化する。なお、導体化機構５０の詳細な構成については、後述する。

燃料ガス供給機構６０は、燃料電池１０の燃料電池スタックに燃料ガスを供給する機構である。

具体的には、燃料ガス供給機構６０は、燃料ガスを貯蔵するタンク６１と、タンク６１と燃料電池１０の燃料電池スタックとを接続する供給管６２と、供給管６２に設けられる開閉弁６３とを有する。タンク６１に貯蔵される燃料ガスは、供給管６２を通過して燃料電池スタックに供給される。供給管６２を通過して燃料電池スタックに供給される燃料ガスは、燃料電池スタックの各燃料電池セルに供給されるようになっている。

開閉弁６３は、供給管６２内の燃料ガスの流れを断接する機能を有する。開閉弁６３が開状態である場合が燃料電池スタックの各燃料電池セルへ燃料ガスが供給されている状態に相当し、開閉弁６３が閉状態である場合が燃料電池スタックの各燃料電池セルへの燃料ガスの供給が停止している状態に相当する。ゆえに、開閉弁６３の開閉動作が制御されることによって、燃料電池スタックの各燃料電池セルへの燃料ガスの供給が行われている状態と行われていない状態とを切り替えることができる。

電圧センサ７０は、燃料電池１０の燃料電池スタックにおける各燃料電池セルの電圧を検出し、検出結果を制御装置８０に出力する。

制御装置８０は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置８０は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。詳細には、制御装置８０は、制御対象である各装置に対して電気信号を用いて動作指令を出力することによって、各装置の動作を制御する。また、制御装置８０は、電圧センサ７０から出力される検出結果を受信する。制御装置８０と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。

なお、制御装置８０が有する機能は複数の制御装置により少なくとも部分的に分割されてもよく、複数の機能が１つの制御装置によって実現されてもよい。制御装置８０が有する機能が複数の制御装置により少なくとも部分的に分割される場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。また、制御装置８０は、下記で説明する以外の他の機能を追加的に有していてもよい。

具体的には、制御装置８０は、導体化機構５０の動作を制御する。詳細には、制御装置８０は、導体化機構５０の後述する切替部の各スイッチの開閉動作を制御することによって、導体化機構５０による燃料電池セルの導体化を制御する。

また、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０の動作を制御する。詳細には、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０の開閉弁６３の開閉動作を制御することによって、燃料電池１０の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給が行われている状態と行われていない状態とを切り替える。

なお、制御装置８０が行う処理の詳細については、後述にて説明する。

［導体化機構の構成］
次に、図２～図４を参照して、本実施形態に係る導体化機構５０の詳細な構成について説明する。

ここで、理解を容易にするために、導体化機構５０の詳細な構成の説明に先立って、図２及び図３を参照して、燃料電池１０の詳細な構成について説明する。

図２は、導体化機構５０及び当該導体化機構５０の周囲の構成を示す模式図である。図３は、燃料電池セル１００を示す断面模式図である。なお、図３は、燃料電池セル１００の積層方向に沿った断面における断面図である。

図２に示されるように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１００が積層されている燃料電池スタック１１を有する。

なお、図２では、理解を容易にするために、燃料電池スタック１１に含まれる燃料電池セル１００として、５つの燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、１００ｅが示されているが、燃料電池スタック１１に含まれる燃料電池セル１００の数はこのような例に限定されない。具体的には、燃料電池スタック１１は、燃料電池１０の発電電圧の設定値に応じた数の燃料電池セル１００によって形成され、例えば、１００個以上の燃料電池セル１００を含み得る。

燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セル１００が積層されることにより形成される積層体に相当し、具体的には、図示しない一対のエンドプレートによって燃料電池セル１００の積層方向に挟持されている。燃料電池スタック１１では、各燃料電池セル１００は、互いに直列に接続されている。例えば、図２では、５つの燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ、１００ｅがこの順に直列に接続されており、燃料電池セル１００ａが燃料電池スタック１１の正極側の端部に位置する燃料電池セル１００に相当し、燃料電池セル１００ｅが燃料電池スタック１１の負極側の端部に位置する燃料電池セル１００に相当する例が示されている。

燃料電池セル１００は、図３に示されるように、電解質膜１１１、アノード電極１１２及びカソード電極１１３を含む膜電極接合体１１０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノード側セパレータ１２０と、カソード側セパレータ１３０とを有する。

膜電極接合体１１０は、燃料電池セル１００において発電が行われる部分である。詳細には、電解質膜１１１は、水素イオンを通過させる性質を有する膜である。アノード電極１１２及びカソード電極１１３は、電解質膜１１１を挟んで対向して配置されており、例えば、白金又は白金を含有する合金がカーボン粒子上に担持されている触媒層を有する。アノード電極１１２は、発電時に電子を失う側の電極であり、カソード電極１１３は、発電時に電子を得る側の電極である。

アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０は、膜電極接合体１１０を挟んで対向して配置されており、例えば、カーボン又は金属材料等の導電性を有する材料によって形成されている。アノード側セパレータ１２０におけるアノード電極１１２と接する面には、アノード電極１１２に供給される燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス供給流路１２１が形成されている。例えば、アノード側セパレータ１２０において、複数の燃料ガス供給流路１２１が、互いに間隔を空けて略平行に延設されている。カソード側セパレータ１３０におけるカソード電極１１３と接する面には、カソード電極１１３に供給される酸化ガスが流れる溝状の酸化ガス供給流路１３１が形成されている。例えば、カソード側セパレータ１３０において、複数の酸化ガス供給流路１３１が、互いに間隔を空けて略平行に延設されている。なお、図３では、燃料ガス供給流路１２１の延在方向と酸化ガス供給流路１３１の延在方向とが一致している例が示されているが、両流路の延在方向は、例えば、互いに直交していてもよい。

燃料電池スタック１１には、燃料電池１０に供給される燃料ガス及び酸化ガスを各燃料電池セル１００に供給するための流路と、燃料ガス及び酸化ガスを各燃料電池セル１００から燃料電池１０の外部に排出するための流路とが形成されている。それにより、燃料電池１０に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル１００のアノード側セパレータ１２０の燃料ガス供給流路１２１に供給され、各燃料ガス供給流路１２１を通過した後、燃料電池１０の外部に排出される。また、燃料電池１０に供給される酸化ガスは、各燃料電池セル１００のカソード側セパレータ１３０の酸化ガス供給流路１３１に供給され、各酸化ガス供給流路１３１を通過した後、燃料電池１０の外部に排出される。

次に、図２を参照して、導体化機構５０の詳細な構成について説明する。

図２に示されるように、導体化機構５０は、燃料電池スタック１１により発電される電力を蓄電するコンデンサ５１と、コンデンサ５１と複数の燃料電池セル１００との接続状態を切り替える切替部５２とを有する。さらに、導体化機構５０は、コンデンサ５１の充電時にコンデンサ５１から燃料電池スタック１１へ電流が逆流することを抑制するためのダイオード５３と、コンデンサ５１に過度に大きな電流が流れることを抑制するための抵抗体５４とを有する。

導体化機構５０は、後述にて詳細に説明するように、切替部５２によりコンデンサ５１と一部の燃料電池セル１００とを接続することによって、当該一部の燃料電池セル１００を導体化する機構である。

具体的には、切替部５２は、複数のスイッチ５２１，５２２，５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅ，５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄを含み、コンデンサ５１は、切替部５２の各スイッチを介して燃料電池スタック１１と接続されている。スイッチが開状態である場合が当該スイッチの両側の電気的な接続が遮断されている状態に相当し、スイッチが閉状態である場合が当該スイッチの両側が電気的に接続されている状態に相当する。

詳細には、コンデンサ５１の正極側は、燃料電池スタック１１の正極側（つまり、燃料電池セル１００ａの正極側）とスイッチ５２１を介して接続されている。また、コンデンサ５１の負極側は、燃料電池スタック１１の負極側（つまり、燃料電池セル１００ｅの負極側）とスイッチ５２２を介して接続されている。ダイオード５３及び抵抗体５４は、コンデンサ５１の正極側と燃料電池スタック１１の正極側との間に、互いに直列に設けられている。スイッチ５２１及びスイッチ５２２の開閉動作が制御されることによって、コンデンサ５１の充電が制御される。

図４は、導体化機構５０におけるコンデンサ５１を充電する際のスイッチの開閉状態を示す模式図である。

制御装置８０は、コンデンサ５１を充電する際に、図４に示されるように、スイッチ５２１及びスイッチ５２２をともに閉状態にする。それにより、コンデンサ５１の正極側及び負極側が、それぞれ燃料電池スタック１１の正極側及び負極側と接続される。ゆえに、燃料電池スタック１１により発電される電力によってコンデンサ５１を充電することができる。燃料電池システム１では、燃料電池セル１００の故障時に、コンデンサ５１に蓄電されている電力を用いて故障セルの導体化が行われる。ゆえに、制御装置８０は、燃料電池セル１００の故障が生じていない正常時に、あらかじめ、コンデンサ５１を充電する処理を実行する。

図２に示されるように、コンデンサ５１の正極側とダイオード５３との間の接続点Ｐ１は、燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅの正極側と、それぞれスイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅを介して接続されている。また、コンデンサ５１の負極側は、燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの負極側と、それぞれスイッチ５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄを介して接続されており、上述したように、燃料電池セル１００ｅの負極側と、スイッチ５２２を介して接続されている。ゆえに、制御装置８０は、スイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅ，５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ，５２２の開閉動作を制御することによって、コンデンサ５１と一部の燃料電池セル１００とを接続させることができる。

燃料電池スタック１１により発電される電力によってあらかじめ充電されたコンデンサ５１と一部の燃料電池セル１００とが切替部５２によって接続された場合、コンデンサ５１の電圧が当該一部の燃料電池セル１００に印加されることによって、当該一部の燃料電池セル１００の電解質膜１１１が絶縁破壊され（つまり、絶縁性を保てなくなり）、当該一部の燃料電池セル１００内を電流が流れる。それにより、当該一部の燃料電池セル１００の電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁が無効化されることによって、当該一部の燃料電池セル１００が導体化される。このように、導体化機構５０は、切替部５２によりコンデンサ５１と一部の燃料電池セル１００とを接続することによって、当該一部の燃料電池セル１００を導体化する。なお、導体化機構５０によって一部の燃料電池セル１００が導体化される様子の詳細については、後述にて説明する。

ここで、一部の燃料電池セル１００をより適切に導体化する観点では、切替部５２は、コンデンサ５１と複数の燃料電池セル１００の各々との接続状態を個別に切り替えることが好ましい。例えば、スイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅのうちスイッチ５２３ａのみを閉状態にし、スイッチ５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ，５２２のうちスイッチ５２４ａのみを閉状態にすることによって、コンデンサ５１と燃料電池セル１００ａとが接続された状態にすることができる。それにより、燃料電池セル１００ａを適切に導体化することができる。同様に、スイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅのうち閉状態にするスイッチと、スイッチ５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ，５２２のうちのうち閉状態にするスイッチとを適宜選択することによって、コンデンサ５１と各燃料電池セル１００とが接続された状態を実現することができる。

上記のように、燃料電池システム１には、燃料電池１０の燃料電池セル１００の電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜１１１を含む燃料電池セル１００を導体化する導体化機構５０が設けられている。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルを導体化させることができるので、故障した一部の燃料電池セル１００の発電量の低下に伴って正常な燃料電池セル１００の発電量が低下してしまうことを抑制することができる。

＜２．燃料電池システムの動作＞
続いて、図５～図８を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

図５は、本実施形態に係る制御装置８０が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図５に示される制御フローは、具体的には、燃料電池セル１００の故障時に故障セルを導体化するための処理の流れの一例に相当し、例えば、燃料電池システム１の起動後に開始され、その後、繰り返し実行される。

図５に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、制御装置８０は、燃料電池セル１００の故障が発生しているか否かを判定する。燃料電池セル１００の故障が発生していると判定された場合（ステップＳ５０１／ＹＥＳ）、ステップＳ５０３に進む。一方、燃料電池セル１００の故障が発生していないと判定された場合（ステップＳ５０１／ＮＯ）、ステップＳ５０１の判定処理が繰り返される。

具体的には、制御装置８０は、複数の燃料電池セル１００の各々について故障が発生している故障セルが存在しているか否かを判定し、故障セルが存在する場合に、燃料電池セル１００の故障が発生していると判定する。制御装置８０は、例えば、燃料電池セル１００の電圧が基準値を下回った場合に、当該燃料電池セル１００が故障セルであると判断する。例えば、燃料電池セル１００の酸化ガス供給流路１３１に埃等の異物が滞留することに起因して当該燃料電池セル１００の発電量が低下する場合には、当該燃料電池セル１００の電圧が低下する。ゆえに、上記基準値は、例えば、燃料電池セル１００の発電量が過度に低下していると判断し得る程度に燃料電池セル１００の電圧が低下しているか否かを適切に判断し得る値に適宜設定される。

ステップＳ５０１でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５０３において、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０による燃料電池スタック１１への燃料ガスの供給を停止させる。

具体的には、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０の開閉弁６３を閉状態にする。それにより、燃料ガス供給機構６０による故障セルを含む各燃料電池セル１００への燃料ガスの供給が停止する。

次に、ステップＳ５０５において、制御装置８０は、故障セルを導体化機構５０により導体化させる。

具体的には、制御装置８０は、導体化機構５０の切替部５２の各スイッチの開閉動作を制御することによって、コンデンサ５１と故障セルとを接続させることによって、故障セルを導体化させる。以下、ステップＳ５０５の処理の一例として、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セル１００のうちの燃料電池セル１００ｂが故障した場合における処理について、図６～図８を参照して説明する。

図６は、導体化機構５０における故障セル（つまり、燃料電池セル１００ｂ）を導体化する際のスイッチの開閉状態を示す模式図である。

図６に示されるように、燃料電池セル１００ｂが故障した場合、制御装置８０は、スイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅのうちスイッチ５２３ｂのみを閉状態にし、スイッチ５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ，５２２のうちスイッチ５２４ｂのみを閉状態にする。それにより、コンデンサ５１と故障セルである燃料電池セル１００ｂとを接続させることができる。上述したように、燃料電池セル１００の故障が生じていない正常時に、導体化機構５０のコンデンサ５１は、燃料電池セル１００により発電される電力によって、あらかじめ充電されている。ゆえに、コンデンサ５１と燃料電池セル１００ｂとが接続されることによって、コンデンサ５１の電圧が燃料電池セル１００ｂに印加される。

図７は、導体化機構５０のコンデンサ５１と接続された故障セル（つまり、燃料電池セル１００ｂ）に電流が流れる様子を示す模式図である。図７では、燃料電池セル１００ｂに流れる電流の経路が太線矢印Ｆ１によって示されている。

例えば、スイッチ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅは、燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅのカソード側セパレータ１３０とそれぞれ接続されている。また、例えば、スイッチ５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ，５２２は、燃料電池セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅのアノード側セパレータ１２０とそれぞれ接続されている。この場合、コンデンサ５１と燃料電池セル１００ｂとがスイッチ５２３ｂ及びスイッチ５２４ｂを介して接続された際に、コンデンサ５１と、燃料電池セル１００ｂのカソード側セパレータ１３０、カソード電極１１３、電解質膜１１１、アノード電極１１２及びアノード側セパレータ１２０とによって閉回路が形成される。それにより、コンデンサ５１の電圧が燃料電池セル１００ｂのカソード電極１１３とアノード電極１１２との間に印加されることによって、燃料電池セル１００ｂの電解質膜１１１が絶縁破壊される。

ここで、あらかじめ充電されているコンデンサ５１の電圧は、燃料電池スタック１１により発電される電力の電圧に相当し、電解質膜１１１の耐電圧に対して大きな電圧となっている。ゆえに、コンデンサ５１の電圧による電解質膜１１１の絶縁破壊が実現される。上記のように、コンデンサ５１と燃料電池セル１００ｂとが接続された際に、燃料電池セル１００ｂの電解質膜１１１が絶縁破壊されることにより、図７に示されるように、燃料電池セル１００ｂにおいて、カソード側セパレータ１３０からカソード電極１１３、電解質膜１１１及びアノード電極１１２を通ってアノード側セパレータ１２０へ電流が流れる。なお、図７で太線矢印Ｆ１によって示される燃料電池セル１００ｂ内の電流の経路は、あくまでも一例であり、燃料電池セル１００ｂ内の各部材間の接触状態や各部材の形状等に応じて様々に異なり得る。

図８は、導体化機構５０によって導体化された故障セル（つまり、燃料電池セル１００ｂ）を示す模式図である。

上記のように、コンデンサ５１と接続された燃料電池セル１００ｂの電解質膜１１１が絶縁破壊されることによって、燃料電池セル１００ｂの電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁が無効化される。具体的には、燃料電池セル１００ｂの電解質膜１１１が絶縁破壊されて当該電解質膜１１１に電流が流れることによって、電解質膜１１１における絶縁破壊が生じた部分が熱により消失し、図８に示されるように、カソード電極１１３及びアノード電極１１２が部分的に互いに接触した状態になる。それにより、燃料電池セル１００ｂが導体化する。

次に、ステップＳ５０７において、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０による燃料電池スタック１１への燃料ガスの供給を再開させる。

具体的には、制御装置８０は、燃料ガス供給機構６０の開閉弁６３を開状態にする。それにより、燃料ガス供給機構６０による故障セルを含む各燃料電池セル１００への燃料ガスの供給が再開する。

次に、図５に示される制御フローは終了する。

上記のように、図５に示される制御フローでは、制御装置８０は、複数の燃料電池セル１００の各々について故障が発生している故障セルが存在しているか否かを判定し、故障セルが存在する場合に、故障セルを導体化機構５０により導体化させる。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルを導体化させることが適切に実現される。

ここで、導体化機構５０による導体化によって水素を含有する燃料ガスが点火されることを抑制する観点では、図５に示される制御フローのように、制御装置８０は、故障セルが存在する場合に、燃料ガス供給機構６０による故障セルへの燃料ガスの供給を停止させた後に、故障セルを導体化機構５０により導体化させることが好ましい。

＜３．燃料電池システムの効果＞
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０の燃料電池セル１００の電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜１１１を含む燃料電池セル１００を導体化する導体化機構５０を備える。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルを導体化させることができるので、故障した一部の燃料電池セル１００の発電量の低下に伴って正常な燃料電池セル１００の発電量が低下してしまうことを抑制することができる。ゆえに、燃料電池１０の発電量の低下を抑制することができる。よって、例えば、燃料電池システム１が搭載される車両の航続距離が燃料電池セル１００の故障によって低下することを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る導体化機構５０によれば、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、例えば、酸化ガス供給流路１３１に滞留した埃等の異物を除去することが困難な場合であっても、故障セルを導体化させることにより、燃料電池１０の発電量の低下を適切に抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、導体化機構５０は、燃料電池スタック１１により発電される電力を蓄電するコンデンサ５１と、コンデンサ５１と複数の燃料電池セル１００との接続状態を切り替える切替部５２とを有し、切替部５２によりコンデンサ５１と一部の燃料電池セル１００とを接続することによって、当該一部の燃料電池セル１００を導体化することが好ましい。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルの電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁を適切に無効化することができるので、故障セルを適切に導体化させることができる。

ここで、電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁（つまり、アノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁）を無効化する方法として、上記の方法以外の他の方法が考えられる。例えば、電解質膜１１１中に電熱線を配置し、当該電熱線を発熱させることにより、電解質膜１１１を焼き切ることによって、電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁を無効化する方法が考えられる。ここで、電解質膜１１１を焼き切ることには、電解質膜１１１を熱により溶かす（つまり、電解質膜１１１を融解させる）ことが含まれ得る。また、例えば、電解質膜１１１、アノード電極１１２及びカソード電極１１３を含む膜電極接合体１１０に導電性部材を当該膜電極接合体１１０の厚み方向に貫通させることにより、電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁を無効化する方法が考えられる。

これらの他の方法と比較して、上記の導体化機構５０により電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁を無効化する方法では、電解質膜１１１中に配置される電熱線や膜電極接合体１１０を貫通する導電性部材等の微細な部品を用いることなく、燃料電池セル１００を導体化させることができるので、微細な部品が追加されることによる製造コストの増大を抑制しつつ、燃料電池セル１００を適切に導体化させることができる点で好ましい。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、導体化機構５０の切替部５２は、コンデンサ５１と複数の燃料電池セル１００の各々との接続状態を個別に切り替えることが好ましい。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、コンデンサ５１を故障セルのみと接続させることができるので、コンデンサ５１の電圧を故障セルのみに対して印加することができる。ゆえに、コンデンサ５１を故障セルに加えて正常な燃料電池セル１００を含む複数の燃料電池セル１００に接続させた場合と比較して、故障セルに印加させる電圧を高めることができる。よって、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルの電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁をより適切に無効化することができるので、故障セルをより適切に導体化させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置８０は、複数の燃料電池セル１００の各々について故障が発生している故障セルが存在しているか否かを判定し、故障セルが存在する場合に、故障セルを導体化機構５０により導体化させることが好ましい。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルを導体化させることを適切に実現することができる。ゆえに、燃料電池１０の発電量の低下を抑制することを適切に実現することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置８０は、故障セルが存在する場合に、燃料ガス供給機構６０による故障セルへの燃料ガスの供給を停止させた後に、故障セルを導体化機構５０により導体化させることが好ましい。それにより、故障セルを導体化機構５０により導体化させる際に、水素を含有する燃料ガスが点火されることを抑制することができる。例えば、上述したコンデンサ５１の電圧を利用する導体化機構５０により故障セルを導体化させる際には、故障セルの電解質膜１１１が絶縁破壊されることにより放電が生じて火花が発生する場合がある。このような場合であっても、あらかじめ故障セルへの燃料ガスの供給を停止させておくことによって、燃料ガスが点火されることを抑制することができる。

＜４．むすび＞
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０の燃料電池セル１００の電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜１１１を含む燃料電池セル１００を導体化する導体化機構５０を備える。それにより、燃料電池１０の燃料電池セル１００の故障時に、故障セルを導体化させることができるので、燃料電池１０の発電量の低下を抑制することができる。よって、例えば、燃料電池システム１が搭載される車両の航続距離が燃料電池セル１００の故障によって低下することを抑制することができる。

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詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記では、導体化機構５０の切替部５２がコンデンサ５１と複数の燃料電池セル１００の各々との接続状態を個別に切り替える例を説明したが、一部の燃料電池セル１００のコンデンサ５１との接続状態が他の一部の燃料電池セル１００のコンデンサ５１との接続状態と連動して切り替えられるようになっていてもよい。例えば、図２に示される切替部５２の構成からスイッチ５２３ｃ及びスイッチ５２４ｂが省略されていてもよい。その場合、燃料電池セル１００ｂのコンデンサ５１との接続状態は、燃料電池セル１００ｃのコンデンサ５１との接続状態と連動して切り替えられる。ゆえに、燃料電池セル１００ｂが故障した場合、スイッチ５２３ｂ及びスイッチ５２４ｃを閉状態にすることによって、コンデンサ５１と燃料電池セル１００ｂ及び燃料電池セル１００ｃとを接続させることができる。それにより、故障セルである燃料電池セル１００ｂを導体化することができるので、燃料電池１０の発電量の低下を抑制することができる。なお、この場合には、切替部に設けられるスイッチの個数を低減することができるので、製造コストを低減することができる。

また、例えば、上記では、導体化機構５０がコンデンサ５１の電圧を利用して電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁を無効化することによって燃料電池セル１００を導体化する機構である例を説明したが、本発明に係る燃料電池システムに設けられる導体化機構は、上記の例と異なる方法により電解質膜１１１による両電極間の電気的絶縁を無効化するものであってもよい。例えば、本発明に係る燃料電池システムに設けられる導体化機構として、電解質膜１１１中に配置された電熱線を有し、当該電熱線を発熱させることにより、電解質膜１１１を焼き切ることによって、当該電解質膜１１１を含む燃料電池セル１００を導体化する機構が用いられてもよい。また、例えば、本発明に係る燃料電池システムに設けられる導体化機構として、電解質膜１１１、アノード電極１１２及びカソード電極１１３を含む膜電極接合体１１０に導電性部材を当該膜電極接合体１１０の厚み方向に貫通させることにより、電解質膜１１１によるアノード電極１１２とカソード電極１１３との電気的絶縁を無効化する機構が用いられてもよい。

また、例えば、上記では、燃料ガス供給機構６０の開閉弁６３の開閉状態に応じて、各燃料電池セル１００への燃料ガスの供給が行われている状態と行われていない状態とが切り替えられる例について説明したが、本発明に係る燃料電池システムに設けられる燃料ガス供給機構は、燃料ガスの供給が行われている状態と行われていない状態とを、各燃料電池セル１００について個別に切り替え可能なものであってもよい。例えば、上述した供給管６２から燃料電池セル１００への燃料ガスの流れを断接する開閉弁が各燃料電池セル１００に対して設けられており、このような各開閉弁の開閉動作を制御することによって、燃料ガスの供給が行われている状態と行われていない状態とを、各燃料電池セル１００について個別に切り替えることができるようになっていてもよい。なお、この場合、燃料電池セル１００の故障時に、導体化機構５０により故障セルを導体化させる前に故障セルへの燃料ガスの供給のみを停止させることによって、他の正常な燃料電池セル１００への燃料ガスの供給を停止させずに、燃料ガスが点火されることを抑制することができる。ゆえに、故障セルの導体化が完了した後に、燃料電池１０の暖気にかかる時間を低減することができる。

また、例えば、上記では、図７を参照して、コンデンサ５１と燃料電池セル１００とが切替部５２により接続された際に、コンデンサ５１と、当該燃料電池セル１００のカソード側セパレータ１３０、カソード電極１１３、電解質膜１１１、アノード電極１１２及びアノード側セパレータ１２０とによって閉回路が形成される例を説明したが、この際に、コンデンサ５１と、当該燃料電池セル１００のカソード電極１１３、電解質膜１１１及びアノード電極１１２とによって閉回路が形成されるようになっていてもよい。つまり、コンデンサ５１の正極側が燃料電池セル１００のカソード電極１１３と接続されており、コンデンサ５１の負極側が燃料電池セル１００のアノード電極１１２と接続されていてもよい。この場合にも、コンデンサ５１の電圧をカソード電極１１３とアノード電極１１２との間に印加することができるので、燃料電池セル１００の電解質膜１１１を絶縁破壊することができる。

また、例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理において、追加的な処理ステップが採用されてもよい。

１ 燃料電池システム
９ 駆動輪
１０ 燃料電池
１１ 燃料電池スタック
２０ 二次電池
３０ 駆動用モータ
４１ 燃料電池コンバータ
４２ 二次電池コンバータ
４３ インバータ
５０ 導体化機構
５１ コンデンサ
５２ 切替部
５３ ダイオード
５４ 抵抗体
６０ 燃料ガス供給機構
６１ タンク
６２ 供給管
６３ 開閉弁
７０ 電圧センサ
８０ 制御装置
１００，１００ａ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ 燃料電池セル
１１０ 膜電極接合体
１１１ 電解質膜
１１２ アノード電極
１１３ カソード電極
１２０ アノード側セパレータ
１２１ 燃料ガス供給流路
１３０ カソード側セパレータ
１３１ 酸化ガス供給流路
５２１，５２２，５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ，５２３ｄ，５２３ｅ，５２４ａ，５２４ｂ，５２４ｃ，５２４ｄ スイッチ

Claims (5)

1. アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記電解質膜による前記アノード電極と前記カソード電極との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜を含む前記燃料電池セルを導体化する導体化機構を備え、
   前記導体化機構は、
   前記燃料電池スタックにより発電される電力を蓄電するコンデンサと、
   前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルとの接続状態を切り替える切替部と、
   を有し、
   前記切替部により前記コンデンサと一部の前記燃料電池セルとを接続することによって、当該一部の燃料電池セルを導体化する、
   燃料電池システム。
2. 前記切替部は、前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルの各々との接続状態を個別に切り替える、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記導体化機構の動作を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記複数の燃料電池セルの各々について故障が発生している故障セルが存在しているか否かを判定し、前記故障セルが存在する場合に、前記故障セルを前記導体化機構により導体化させる、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給機構をさらに備え、
   前記制御装置は、前記故障セルが存在する場合に、前記燃料ガス供給機構による前記故障セルへの前記燃料ガスの供給を停止させた後に、前記故障セルを前記導体化機構により導体化させる、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有する燃料電池を備える燃料電池システムの発電方法であって、
   導体化機構が、前記電解質膜による前記アノード電極と前記カソード電極との電気的絶縁を無効化することによって当該電解質膜を含む前記燃料電池セルを導体化し、
   前記導体化機構は、
   前記燃料電池スタックにより発電される電力を蓄電するコンデンサと、
   前記コンデンサと前記複数の燃料電池セルとの接続状態を切り替える切替部と、
   を有し、
   前記切替部により前記コンデンサと一部の前記燃料電池セルとを接続することによって、当該一部の燃料電池セルを導体化する、
   発電方法。

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