燃料電池及び燃料電池システム
【課題】燃料電池内の一部のセルが劣化した場合に、そのセルへの燃料ガスの供給を確実に遮断する。
【解決手段】燃料電池は、電解質と、電解質の両側の一対の電極と、一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路とを備える単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。また、燃料電池には、反応ガスを供給するガス供給手段と、燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され発電された電気を集電する一対の集電板が備えられている。また、燃料電池には、単セルの両側に配置された他の単セル間、又は単セルの一面側の他の単セルと、単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、単セルをバイパスする電流バイパス手段が配置されている。単セルの反応ガス流路には、一対の電極のうち少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構が配置されている。
【解決手段】燃料電池は、電解質と、電解質の両側の一対の電極と、一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路とを備える単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。また、燃料電池には、反応ガスを供給するガス供給手段と、燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され発電された電気を集電する一対の集電板が備えられている。また、燃料電池には、単セルの両側に配置された他の単セル間、又は単セルの一面側の他の単セルと、単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、単セルをバイパスする電流バイパス手段が配置されている。単セルの反応ガス流路には、一対の電極のうち少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池及び燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の各セル内の一対の電極に、それぞれ反応ガスを供給し、この反応ガスの電気化学反応によって発電した電力を出力する燃料電池及びこれを制御する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素等の燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池が知られている。具体的には、このような燃料電池は、固体高分子電解質膜とこの電解質膜を挟んで配置された一対の電極（アノードとカソード）とを有する単セルが複数積層されて構成され、各セルのアノードに燃料ガス、カソードに酸化ガスが供給されることで各セル内で電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
この燃料電池の発電中に、燃料電池内のセルのいずれかにおいて、カソード側からアノード側に酸化ガスが漏洩する、あるいはアノード側からカソード側に燃料ガスが漏洩する、いわゆるクロスリーク量が発生する場合がある。また、このような膜のクロスリークの他に、シール部やセパレータを介して、酸化ガスや燃料ガスのリークが発生する場合がある。このようなリーク量が増加した場合、そのセル（重劣化セル）の発電が停止する事態を生じる場合がある。燃料電池はセルが直列に接続されているため、１枚のセルでの発電が停止すると、燃料電池自体の発電が停止する事態を引き起こすこととなる。
【０００４】
これに対して、例えば、特開２００５−６３９０９号公報には、燃料電池のセル内で起こるクロスリークを検出して、クロスリーク量が多くなったセルを電気的にバイパスする燃料電池システムが開示されている。具体的に、従来技術のシステムは、各セルごとに所定の条件下でOCVを検出し、OCVが低いセルを、クロスリーク量が多くなっている重劣化セルと判断する。このようにして重劣化セルが検出されると、この重劣化セルが含まれるセルブロックの両端に配置された電極板の間のリレー回路を作動させる。その結果、このセルブロックの電極板間は直接リレー回路により接続された状態となる。つまり、このセルブロックがリレー回路にバイパスされて、このセルブロックの両側に隣接するセルブロックの電極板同士が直接接続された状態となる。これによりクロスリーク量が多くなった重劣化セルのセルブロックを除いて、他のブロックのセルのみで発電を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６３９０９号公報
【特許文献２】特開２００５−６３７２４号公報
【特許文献３】特開２００５−６３９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術のシステムでは、リーク量が多くなった重劣化セルが存在する状態で、燃料電池の発電が継続して行われる。このため、発電が停止している重劣化セルの各電極にも、燃料ガスあるいは酸化ガスが供給され続けることとなる。このため、重劣化セル内では、リークした水素と酸素とが直接反応し続ける。その結果、この反応における反応熱によりセル内が局所的に高温になるなどして、そのセルの電解質膜や触媒電極の劣化、ひいては燃料電池全体の劣化を招くことがある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、リーク量が増大した場合に、燃料電池の発電を確保しつつ、リークが増大したセルへのガス供給を的確に停止して燃料電池の劣化を抑えることができるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、
通電により変形して前記開閉弁を閉弁させる圧電素子と、
前記開閉弁が閉弁した際に、前記開閉弁を閉弁した状態で固定する固定部と、
を備え、
前記開閉弁制御手段は、前記圧電素子への通電を制御することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記電流バイパス手段は、
第１の導電板と、
第１の導電板に対向して配置された第２の導電板と、
前記第１の導電板と第２の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第１の導電板の一部と、前記第２の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、前記絶縁部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第２又は第３の発明において、
前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第１の導電板と、
前記第１の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第２の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第１の導電板の前記突出部が前記第２の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、燃料電池システムであって、第１から第５のいずれかの燃料電池を備え、
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、燃料電池システムであって、第１から第８のいずれかの燃料電池を備え、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明の発明によれば、燃料電池内に積層された各単セルには、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、その単セルをバイパスする電流バイパス手段が備えられている。従って、必要に応じて、ガス遮断機構を作動させることで、単セルごとに反応ガスの流入を遮断するとともに、電流バイパス手段を作動させることでその単セルをバイパスしてその両側の単セル間あるいは集電板と単セル間とを接続することができる。従って、その単セルあるいは燃料電池全体の劣化防止や、燃料ガスの消費の低減を図りつつ、燃料電池の運転を継続することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、ガス遮断機構は、反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材を加熱手段により加熱されることでガス流路を閉塞することができる。これにより、より容易に、必要なセルにおいて反応ガスの流入を遮断することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、ガス遮断機構の流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成される。熱可塑性樹脂は、加熱されることで軟化して変形するが、冷却されるとその形状のまま固まる性質を有する。従って、必要に応じて加熱することで一端閉塞されたガス流路は、その後、加熱が停止されても閉塞した状態のまま維持される。従って、効率よくガス流路を遮断することができる。
【００２１】
第４又は第５の発明によれば、ガス遮断機構は、反応ガス流路の入口部に配置されて反応ガス流路を開閉する開閉弁と、開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段とにより構成される。この機構により、より容易に、必要なセルにおいて反応ガスの流入を遮断することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、加熱手段による加熱により、絶縁部材を変形させることで、第１の導電板の一部と第２の導電板の一部とを接触させて、セルをバイパスすることができる。これにより、より容易に、必要なセルを選択して電流をバイパスさせることができ、燃料電池の発電状態を確保することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、絶縁樹脂は、熱可塑性樹脂により構成される。熱可塑性樹脂は、加熱されることで軟化して変形するが、冷却されるとその形状のまま固まる性質を有する。従って、加熱により一端バイパスされたセルは、その後、加熱が停止されてもバイパスされた状態のまま維持される。従って、効率よく必要なセルをバイパスすることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、電流バイパス手段は、加熱手段による加熱により流路構成部材が変形すると、第１の導電板の前記突出部が第２の導電板に接触することで作動する。従って、反応ガスの供給の遮断に連動させて、このセルをバイパスする状態を確保することができる。
【００２５】
第９の発明によれば、複数のセルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化セルへの反応ガスの流通を停止させ、この状態で燃料電池に負荷をかけて運転する。これにより、劣化したセルの電解質膜を劣化させて、劣化したセルの一対の電極を接続することで、劣化したセルをバイパスさせることができる。従って、特別な機構を設けることなくより容易に、劣化したセルをバイパスさせることができる。
【００２６】
第１０の発明によれば、複数のセルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化したセルを検出して、劣化したセルの反応ガス流路への反応ガスの流通を停止すると共に、劣化したセルの電流バイパス手段を作動させて、劣化したセルをバイパスさせることができる。これにより、劣化したセルの劣化の進行や燃料電池の劣化を防止しつつ燃料消費量の低減を図ると共に、燃料電池自体の発電を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成を説明するための模式図である。図１に示すように、燃料電池システムは燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、セル１２（単セル）が複数積層されて構成されている。燃料電池１０は、積層された各セル１２を貫通し、各セル１２に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１４と、各セル１２から排出される燃料オフガスを外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６とを備えている。燃料ガス供給マニホールド１４は、図示しない外部の燃料ガス供給手段に接続されている。また、図示を省略するが、燃料電池１０は、積層された各セル１２を貫通し、各セルに酸化ガスとしての大気を供給する大気供給マニホールドと、各セル１２から排出された大気オフガスを外部に排出するための大気排出マニホールドとを備えている。
【００２９】
各セル１２の積層方向の両側には集電板１８が配置され、積層された複数のセル１２が、一対の集電板１８間に挟まれた構造となっている。また、集電板１８の更に外側には、一対のエンドプレート２０が配置されている。エンドプレート２０間には図示しないテンション部材等により所定の圧力が付与されている。従って、エンドプレート２０間に積層されたセル１２は、このエンドプレート２０間の締付圧力により締め付けられた状態で固定されている。なお、図１においては、直列に積層された複数のセル１２を有する１のスタックのみを図示しているが、燃料電池１０は上記のように構成されたスタックが複数個接続されて構成されているものであってもよい。
【００３０】
図１のシステムは、燃料電池１０に接続されたセルモニタ３０を備えている。セルモニタ３０にはコンピュータ３２が接続されている。またコンピュータ３２には、外部電池３４が接続されている。セルモニタ３０は、燃料電池１０内の各セル１２の電圧を、セル１２ごとに検出することができる。コンピュータ３２は、セルモニタ３０の出力情報に基づいて、各セル１２の電圧を検知し、そのセルの状態を判断すると共に、外部電池３４あるいは燃料電池１０内の必要な箇所に接続され、その制御信号によりこれらを制御することができる。
【００３１】
燃料電池１０内の各セル１２は、ＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gasket Assembly;膜−電極−ガスケット接合体）とその両側を挟んで配置されたセパレータ（反応ガス流路部材）により構成されている。ＭＥＧＡは、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly;膜−電極接合体）にガスケットが一体化した構成を有している。具体的に、ＭＥＡは、イオン交換膜である電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された電極（アノード）と、電解質膜の他面に配置された電極（カソード）とを備えている。アノードとカソードからなる一対の電極は、共に触媒層を有し、その表面には拡散層が設けられている。このように構成されたＭＥＡの外周部にガスケットが一体型に形成されてＭＥＧＡが構成されている。
【００３２】
ＭＥＧＡの両側の面には、それぞれＭＥＧＡのガスケットにより、セパレータが密着されている。セパレータは主にカーボン等により形成され、電気導電性を有する。図２は、この発明の実施の形態１におけるセル１２のセパレータについて説明するための模式図である。図２のセパレータ４０は、ＭＥＧＡのアノード側に配置されるセパレータであり、図２には、アノード側に接する面が表されている。セパレータ４０は、燃料ガス流路４２（反応ガス流路）と燃料ガス供給孔１４ａと燃料ガス排出孔１６ａとを備えている。燃料ガス流路４２の一端は燃料ガス流入孔１４ａに接続され、他端は、燃料ガス排出孔１６ａに接続されている。セパレータ４０には、酸化ガス供給孔４４ａと酸化ガス排出孔４４ｂが、燃料ガス流路４２とは分離した状態で形成されている。
【００３３】
図示を省略するが、カソード側に配置されるセパレータには、酸化ガス供給孔４４ａと酸化剤ガス排出孔４４ｂと、これらに接続する酸化ガス流路が形成されている。更に、燃料ガス供給孔１４ａ及び燃料ガス排出孔１６ｂが、酸化ガス流路とは分離した状態で形成されている。
【００３４】
各セル１２は、アノード側のセパレータ４０の燃料ガス流路４２が形成された面が、ＭＥＧＡのアノード側に接するように配置され、カソード側のセパレータの酸化ガス流路が形成された面が、ＭＥＧＡのカソード側に接するように配置されて、ＭＥＧＡを両セパレータで挟んで構成されている。このように構成されたセル１２が積層されることで、各セパレータの、燃料ガス供給孔１４ａ、燃料ガス排出孔１６ａ、酸化ガス供給孔４４ａ、酸化ガス排出孔４４ｂが連続して接続され、燃料ガス供給マニホールド１４、燃料ガス排出マニホールド１６、及び酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールドが構成される。
【００３５】
［燃料電池の発電について］
燃料電池１０の発電に際しては、燃料ガス供給マニホールド１４から燃料ガス供給孔１４ａを介して燃料ガス流路４２に燃料ガスが流通することで、ＭＥＧＡのアノードの表面全体に燃料ガスが供給される。一方、酸化ガス供給マニホールドから酸化ガス供給孔を介して酸化ガス流路に酸化ガスが流通することで、カソード表面全体に酸化ガスが供給される。このとき、各セル１２のアノードでは、水素を水素イオンと電子にする反応が起きる。発生した水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では水素イオンと酸素と電子とにより水が生成される。
【００３６】
この反応における電子の移動による電流は、隣接するセル間で接触するアノード側のセパレータ４０とカソード側のセパレータを介して伝えられ、最終的に、積層されたセル１２の両側に形成された集電板１８によって、燃料電池１０全体の発電として回収される。
【００３７】
[実施の形態１のガス遮断機構について]
ところで、燃料電池内のセルのいずれかにおいて、アノード側に酸化ガスが漏洩する、あるいはカソード側に燃料ガスが漏洩する、いわゆるクロスリークが発生し、そのクロスリーク量が高分子膜の劣化の進行等により許容範囲を越えて大きくなる場合がある。このように、クロスリーク量が増大したセル（以下「劣化セル」）が存在する場合に、燃料電池１０の発電が継続され、劣化セルにも燃料ガス及び酸化ガスが供給され続けると、劣化セル内では、リークした水素と酸化とがアノード又はカソード表面で直接水生成反応を起こす。その結果、そのセル内では水生成反応の熱によって局所的に高温となり燃料電池自体を劣化することが考えられる。また正常な発電がされていない劣化セルに燃料ガス供給され続けると、燃料ガスが無駄に消費され発電効率が低下することとなる。
【００３８】
そこで、実施の形態１では、図２に示すように、各セル１２のアノード側に配置されたセパレータ４０の燃料ガス供給孔１４ａ付近に、燃料ガス流路４２と接続し燃料ガスの流入を遮断する、ガス遮断機構５０を配置する。そして、燃料電池１０の発電中に劣化セルを検出した場合、劣化セルのガス遮断機構５０を遮断状態とすることで、燃料ガスの供給を遮断する。
【００３９】
図３は、この発明の実施の形態１におけるガス遮断機構５０の概念的な構成を表すための模式図であり、図３（ａ）は、正常なセル１２のガス遮断機構５０を表し、図３（ｂ）は劣化セルにおいて、遮断状態とされたガス遮断機構５０を表している。図３（ａ）に示すように、ガス遮断機構５０は、遮断部５２（流路構成部材）を備えている。遮断部５２は、例えばＨＤＰＥ（High Density Polyethylene;高密度ポリエチレン）やＰＰ(ポリプロピレン)等の熱可塑性樹脂により形成される。より好適には、融点133℃、軟化温度119℃程度のＨＤＰＥ、融点128℃、軟化温度105℃程度のＨＤＰＥや、融点168℃、軟化温度が130℃程度のＰＰ、融点134℃、軟化温度102℃程度のＰＰ、融点143℃、軟化温度112℃程度ＰＰ等、燃料電池１０が使用される温度等を考慮して、適切な温度域に融点及び軟化温度を有する熱可塑性樹脂を用いればよい。
【００４０】
遮断部５２にはガス流路５４が形成され、このガス流路５４が、セパレータ４０の燃料ガス供給孔１４ａと燃料ガス流路４２との間に配置され、燃料ガス流路４２に連通する。つまり、燃料ガス供給孔１４ａを介してアノードに供給される燃料ガスは、ガス遮断機構５０のガス流路５４を通って燃料ガス流路４２に流入する。
【００４１】
遮断部５２下方にはヒータ５６（加熱手段）が設置されている。ヒータ５６はセパレータ４０及び後述の導電板１０８からは電気的に絶縁されている。ヒータ５６としては、例えば、ニッケルをポリイミドで挟み込んだフィルム状のヒータを用いることができる。ヒータ５６は外部電池３４に電気的に接続され、コンピュータ３２の制御信号により必要に応じてヒータ５６に電力が供給される。
【００４２】
ヒータ５６下部にはシリコンラバー５８が配置されている。ガス遮断機構５０はセパレータ４０の一部として構成されているため、ガス遮断機構５０にも、セル１２の積層方向（図３（ａ）においては上下方向）両側から、エンドプレート２０による一定の締付圧力が加えられている。また、シリコンラバー５８は、この締結圧力に対して圧縮応力を発する。従って、遮断部５２は、そのセルのガス遮断機構５０のシリコンラバー５８と、遮断部５２側（図３（ａ）においては上側）に隣接する他のセル１２のシリコンラバー５８とによる圧縮応力を受けている。
【００４３】
セル１２が劣化セルと判断されると、ヒータ５６に外部電池３４から所定の電力が供給される。その結果、熱可塑性樹脂で構成された遮断部５２が軟化して、自由に変形可能な状態となる。遮断部５２には上記のように締付圧力とこれに伴うシリコンラバー５８からの圧縮応力が加えられている。従って、遮断部５２が自由に変形可能な状態となると、遮断部５２が変形し、次第に圧力に垂直な面方向に押し出される。その結果、遮断部５２に溝として設けられたガス流路５４内が埋め潰されて閉塞した状態となる。これにより、ガス供給孔１４ａと燃料ガス流路４２との間において、燃料ガスの流入が遮断されることとなり、この劣化セルにおいては燃料ガス流路４２への燃料ガスの流入が停止される。また、このような状態となった後、ヒータ５６への電圧供給を停止して、遮断部５２が冷却されると、遮断部５２はそのままの形状で固められる。つまり、燃料ガス流路４２の入口付近が閉塞されたままの状態となる。
【００４４】
これにより燃料電池１０の発電中においても、劣化セル１２内への燃料ガスの供給を遮断することができ、酸素と水素との反応による燃料電池の劣化を抑えると共に、燃料ガスの無駄な消費を抑えることができる。
【００４５】
[実施の形態１の電流バイパス機構について]
ところで、燃料電池１０はセル１２が直列に積層されて構成されている。従って、燃料電池１０中に、発電が停止した劣化セルが１枚でも発生すると、この劣化セルにおいて電流の流れが遮断され、燃料電池１０自体の発電が停止することとなる。このような事態を防ぐため、実施の形態１のシステムは、劣化セルをバイパスして劣化セルに隣接するセル１２間を直接接続する電流バイパス機構６０（電流バイパス手段）を備えている。
【００４６】
実施の形態１のシステムにおいて、電流バイパス機構６０は、ガス遮断機構５０に組み込まれて構成されており、ガス遮断機構５０が遮断状態とされた時に、自動的に、その劣化セルをバイパスして、その劣化セルの両側のセル１２を直接接続する状態とされる。
【００４７】
図４は、実施の形態１のシステムにおける電流バイパス機構６０の概念的な構成を説明するための模式図であり、図４（ａ）は正常なセルを表し、図４（ｂ）は劣化セルの電流をバイパスした状態を表している。図４（ａ）に示すように、正常なセル１２において、電流バイパス機構６０はガス遮断機構５０に組み込まれた状態で構成されている。電流バイパス機構６０は、遮断部５２の上下に分離して配置された導電板６２（第１の導電板）及び導電板６４（第２の導電板）を有している。導電板６２、６４はそれぞれ、例えば銅やゴムメタル等により形成される。導電板６２、６４は、それぞれその一部において、アノード側、あるいはカソード側のセパレータに接触するように形成されている。一方の導電板６４には、ガス流路５４内に突出するように突出部６６が形成されている。通常に発電している状態においては、これらの導電板６２、６４は分離されており、ＭＥＧＡの両側のセパレータによって隣接するセル１２間が直列接続されて、発電した電力が最終的に集電板１８に回収されるようになっている。
【００４８】
一方、クロスリーク量が多くなりセルが劣化していると判断された場合、上記のようにヒータ５６に電力が供給され、遮断部５２が変形可能な状態となる。その結果、圧力により遮断部５２はガス流路５４側に押し出されつつ、次第にこの圧力方向に潰される。これにより、図４（ｂ）に示すように、導電板６２と導電板６４との距離が次第に接近し、突出部６６が、遮断部５２を押し退けつつ電極６２に接した状態となる。これにより、劣化セル両側に隣接するセル１２同士、あるいは、劣化セルが最下流あるいは最上流側にあって集電板１８に隣接している場合には、劣化セルに隣接するセル１２と集電板１８とが、導電板６２と電極突出部６６及び導電板６４とにより、直接接続されている状態となる。つまり、劣化セル１２をバイパスする直列接続が確保され、劣化セルのガス供給を停止して発電を停止させても、他のセル１２により燃料電池１０の発電を行うことができる。
【００４９】
［実施の形態１のガス遮断機構及び電流バイパス機構のより具体的な構成］
上記のように構成されるガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０を、実際にセパレータ４０に組み込む場合の、より具体的な構成例を説明する。図５は、実施の形態１におけるセル１２内に、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０を搭載した場合の、セパレータ４０と、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０との接続部の組み立て構成を模式的に表す図である。図５は、図２におけるガス遮断機構５０（及び電流バイパス機構６０）の周辺のみを拡大して表している。なお、図５においては、上下方向が燃料電池におけるセル１２の積層方向となる。
【００５０】
図５に示すように、セル１２においては、ＭＥＧＡ４０２を挟んで、積層方向両側に、セパレータ４０４、４０６が配置されている。図５においては、ＭＥＧＡ４０２の下方側がアノードとなっており、したがって、セパレータ４０４には、燃料ガス流路４０８が複数の溝状に形成されている。
【００５１】
一方、セパレータ４０４の燃料ガス供給孔１４ａに配置されたガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０は、熱可塑性樹脂で形成された遮断部１０２を備えている。遮断部１０２には、ガス流路１０４が溝状に形成されている。ガス流路１０４は、セパレータ４０４のガス流路４０８に連通するように配置されている。遮断部１０２下部には、導電板１０６が配置されている。一方、遮断部１０２の上部には、導電板１０８が配置される。導電板１０８には、複数の突出部１１０が形成されている。導電板１０８上には、ヒータ１１２が配置されている。ヒータ１１２は、導電板１０８とセパレータ４０６とから電気的に絶縁されている。ヒータ１１２上には、シリコンラバー１１４が配置されている。シリコンラバー１１４は、エンドプレート２０からの締付圧力に対する圧縮応力を発すると共に、ヒータ１１２により発する熱を断熱する機能を有している。
【００５２】
図６は、セパレータとガス遮断機構５０及び電流バイパス機構との接続部分をより詳細に表す断面模式図である。図６（ａ）は、セパレータとガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０との接続部の断面を、図５の矢印ａ方向から見た状態を表し、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ−Ａ´位置の断面のセパレータ側を表し、図６（ｃ）は、図６（ａ）におけるＢ−Ｂ´位置の断面のセパレータ側を表している。
【００５３】
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、ＭＥＧＡ４０２の上下に配置されるセパレータ４０４、４０６の、燃料ガス供給孔１４ａ付近（すなわちガス遮断機構との接続部）には、絶縁樹脂からなるガイドシート１２０、１２２がそれぞれ配置されている。また、ガイドシート１２０及び１２２との隙間のＭＥＧＡ４０２と接する部分には、シール剤１２４が埋め込まれている。
【００５４】
セパレータ４０４と遮断部１０２との接続部にはゴムやシリコンにより形成されたガスケット１３０とシール剤が配置され、ガスケット１３０とシール剤とにより、燃料ガスの漏洩がないように密着されている。これにより、燃料ガスは燃料ガス供給孔１４ａから遮断部１０２のガス流路１０４を通過して、セパレータ４０６内のガス流路４０８に流入するよう構成され、燃料ガス供給孔１４ａから供給される燃料ガスが、ＭＥＧＡ４０２に、燃料ガス流路４２以外の部分から接することがないように構成されている。
【００５５】
一方、電流バイパス機構６０のアノード側に配置された導電板１０６は、アノード側のセパレータ４０４の外面に接して配置されている。また、アノード側のセパレータ４０４の外面は、隣接するセル１２のカソード側のセパレータ４０６または集電板１８に接するため、導電板１０６も、隣接するセル１２のカソード側セパレータ４０６又は集電板１８に接する状態で配置されていることとなる。
【００５６】
カソード側の導電板１０８は、ガイドシート１２２にガイドされてセパレータ４０６側に延長して配置されている。これにより導電板１０８は、セパレータ４０６と電気的に接続した状態となっている。一方、導電板１０８とＭＥＧＡ４０２との間は、絶縁樹脂からなるガイドシート１２２により絶縁された状態とされている。セパレータ４０６は、隣接するセル１２のアノード側のセパレータ４０４又は集電板１８に接している。セパレータ４０８及び集伝板１８は導電性を有するため、導電板１０８は、セパレータ４０６を介して、隣接するセル１２のアノード側セパレータ４０４又は集電板１８に電気的に接続した状態となっている。
【００５７】
カソード側のセパレータ４０６のガイドシート１２２に案内されて固定された導電板１０８上には、セパレータ４０６の供給孔１４ａ端部とは隙間を空けて、ヒータ１１２及びシリコン１１４が配置されている。
【００５８】
図７は、図６（ａ）におけるＣ−Ｃ´方向の、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０の断面を表す図である。図８は、ガス遮断機構５０の遮断部１０２のみを表した斜視図である。図７に示すように、カソード側の導電板１０８には、所定の間隔で突出部１１０が配置されている。また、図７及び図８に示すように、遮断部１０２のガス流路１０４には、この突出部１１０に対応する位置に、開口１０４ａが形成されている。導電板１０６及び１０８は、遮断部１０２を挟んで、開口１０４ａと突出部１１０とが対向するようにして配置されている。
【００５９】
燃料電池１０の全てのセル１２の燃料ガス流路４２の入口部に、上記のように構成されたガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０が備えられている。何れかのセル１２のクロスリーク量が増大し、劣化の判断がされた場合、その劣化セルのヒータ１１２に、外部電池３４から電力が供給される。これにより、遮断部１０２が加熱され軟化温度あるいは溶解温度に達する。セルは、積層方向から締付圧力が加えられた状態で保持され、遮断部５０は、更にこの圧力に対するシリコンラバー１１４からの圧縮応力を受けている。従ってこの圧力により、遮断部１０２は軟化に伴ってガス流路１０４内を埋めるように変形し、導電板１０６と導電板１０８との距離が近づく方向に次第に押されていく。このとき、導電板１０８の突出部１１０は、予め遮断部１０２に設けられた開口１０４ａ内に入りこむ。やがて、導電板１０８の突出部１１０が導電板１０６に接し、導電板１０８と導電板１０６とが接続する。遮断部１０２は、導電板１０６と導電板１０８及びその突出部１１０とにより構成される空間を埋めるように変形して、ガス流路を遮断する。
【００６０】
このように、実施の形態１のシステムによれば、劣化セルの燃料ガス流路４２を確実に閉鎖して燃料ガスの供給を遮断すると共に、隣接するセル１２同士、あるいはセル１２と集電板とを接続して、劣化セルをバイパスすることができる。従って、一部のセルが劣化して発電不能な状態となった場合でも、燃料ガスの無駄な消費や燃料電池１０の劣化の進行を抑えつつ、発電を継続することができる。
【００６１】
[実施の形態１の具体的な制御について]
図９は、この発明の実施の形態１においてコンピュータ３２が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図９に示すルーチンは燃料電池１０の発電が停止した状態において、所定のタイミングで繰り返し実行されるルーチンである。図９のルーチンでは、まず、セルモニタ３０の出力に基づいて、燃料電池１０の各セル１２セル電圧の変化が検出される（Ｓ１０２）。具体的には、セルモニタ３０の出力により、各セルのOCVが検出される。次に、劣化セルがあるか否かが判別される（Ｓ１０４）。具体的には、いずれかのセル１２でクロスリーク量が増大し、OCVが所定の判定値より低くなっているか否か等に基づいて判別される。劣化セルの発生が認められない場合には、その後、何ら処理を行うことなくこのルーチンが終了する。
【００６２】
一方、ステップＳ１０４において、劣化セル発生が認められた場合には、劣化セル１２のガス遮断機構５０のヒータ１１２への通電が開始される（Ｓ１０６）。具体的には、コンピュータ３２からの制御信号により外部電池３４から電力が供給される。その結果、劣化セル内において、遮断部１０２が加熱されて軟化、溶解を開始する。
【００６３】
次に、ガス遮断及び電流のバイパス確保が完了したか否かが判定される（Ｓ１０８）。具体的には、例えばヒータ１１２への通電開始から判定時間以上経過したかいなか等に基づいて判定される。ここで判定時間は遮断部１０２の軟化によるガス流路の閉塞に要する時間を実験等によりもとめ、これに基づいて予め定めることができる。ステップＳ１０８においてガス遮断及びバイパス確保の完了が認められない場合には、完了が認められるまで、引き続きヒータ１１２への通電が継続されて、遮断部１０２が加熱される。
【００６４】
一方、ステップＳ１０８において完了が認められた場合には、ヒータ１１２への通電が停止され（Ｓ１１０）、この処理が終了される。なお、遮断部１０２は軟化温度以下に冷却されると、その形状のままで固まり変形しない状態となる。従って、ヒータ１１２への通電が終了すると、劣化セルの燃料ガス流路４２は閉塞された状態で維持される。これにより、劣化セルへの燃料ガスの供給が遮断されるとともに、この劣化セルをバイパスする回路が導電板１０６と１０８の接続により確保されて、発電を行うことができる状態となる。
【００６５】
[実施の形態１の他の例について]
なお、実施の形態１では、ガス遮断機構５０と電流バイパス機構６０とを組み合わせた状態で構成し、ガス遮断機構５０の遮断部５２（又は１０２）が溶解することにより、ガス遮断と同時に電流のバイパス回路が確保される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、ガス遮断機構５０と電流バイパス機構６０とを別の場所に設けるものであってもよい。
【００６６】
具体的に例えば、ガス遮断機構５０のみを燃料ガス流路４２の燃料ガス供給孔１４ａに配置し、電流バイパス機構６０は、セパレータの外周部分のスペースに形成することもできる。この場合でも、電流バイパス機構６０の導電板６２、６４（又は１０６、１０８）は、正常時には分離され、劣化セル発生時には接触するように構成する必要がある。従って、他の場所に配置する場合であっても、ガス遮断機構５０と組み合わせた場合と同様に、熱可塑性樹脂等の外部からの制御により変形可能な絶縁樹脂等（絶縁部材）を挟んで一対の導電板を配置し、この樹脂の変形により導電板と導電板とが接触する構造にする。つまり、ガス遮断機構５０と別途に配置する場合には、導電板間に配置された絶縁樹脂等に燃料ガス流路４２の形状に一致した形状のガス流路を形成する必要はないが、絶縁樹脂等の変形により導電板と導電板とを接触できるように構成することが必要となる。
【００６７】
また、電流バイパス機構は、上記のように樹脂に一対の導電板を配置したものに限るものではない。例えば、隣接するセル間をバイパスするように、電気的な制御によりON/OFF可能なバイパス回路を予め設けておいて、劣化セルの判定がなされた場合に、このバイパス回路を作動させるものなどであってもよい。このように、電気的にON/OFFを繰り返し行うことができる電流バイパス機構を設けることにより、例えば、次のような制御を行うこともできる。すなわち、一部のセルに電圧の低下を検出された場合に、ガス遮断機構５０を作動させる前に、まず電流バイパス用の回路をONとして電流をバイパスさせて、一定時間経過後に、一度バイパス回路をOFFとする。このようなON/OFFの動作を繰り返し行った後で、そのセルの電圧が回復しないと判断された場合にのみ、ガス遮断機構５０を作動させることもできる。これにより、一時的に電圧が低下し、実際には重度に劣化していないセル１２への燃料ガスの供給が遮断されるのを防ぐことができる。
【００６８】
また、実施の形態１では、各セル１２ごとにOCVを検出して、必要な場合にその劣化セルのみをバイパスする回路を作動させる場合について説明した。しかし、電流バイパス機構は、１の劣化セルのみをバイパスするものに限らず、セルを複数のセルごとのブロックに分けて、劣化セルが発生した場合には、ブロック全体をバイパスするようにしてもよい。
【００６９】
また、実施の形態１ではOCVの検出により劣化を判定する場合について説明した。しかし、この発明において劣化セルの検出手段はこれに限るものではなく、例えば通常の発電時にセルモニタ３０により電圧を検出して、そのセル電圧を他のセルと比較することで劣化を判定するものなど、他の方法により劣化判定を行うものであってもよい。
【００７０】
また、ガス遮断機構５０や電流バイパス機構６０の具体的な構成はこの発明を拘束するものではない。例えば、この発明においてガス遮断機構５０は、遮断部５２への加熱等の制御により遮断部５２を変形させることで燃料ガス流路４２の一部を閉塞できるものであればよい。また、ある程度の燃料ガスの流入が抑えられれば、燃料電池の劣化等を抑えることができるため、その遮断は完全に密閉されるものに限らず、多少の燃料ガス流路側への漏れがあってもよい。
【００７１】
また、実施の形態１では、ガス遮断機構５０を燃料ガス流路４２の入口部に設けて、燃料ガスの流入を遮断する場合について説明した。しかし、このような機構は、酸化ガス流路側に適用することもできる。
【００７２】
また、燃料ガス流路４２の入口部に設けるものに限らず、燃料ガス流路４２（あるいは酸化ガス流路）の適当な部分に搭載することもできる。図１０は、実施の形態１のガス遮断機構５０を、燃料ガス流路の他の部分に設置した場合の例を表す図である。図１０に示すセパレータには、燃料ガス供給孔１４ａ付近に設けられたガス遮断機構５０に加えて、同様の構成を有するガス遮断機構５１が燃料ガス排出孔１６a付近に設置されている。これにより、燃料ガス流路の入口及び出口の２箇所でガス遮断を行うことができ、より確実に燃料ガスの流入を遮断することができる。また、各セルは、例えば燃料ガス供給孔１４ａ付近にガス遮断機構５０を配置せず、燃料ガス排出孔１６ａ付近のガス遮断機構５１のみを設置した構造としてもよい。更に、燃料ガス流路４２の入口あるいは出口に限るものではなく、燃料ガス流路の途中に、ガス遮断機構を設置することもできる。
【００７３】
また、実施の形態１では、ＭＥＧＡの両側にセパレータを配置して構成される燃料電池について説明した。しかし、この発明のガス遮断機構や電流バイパス機構が適用される燃料電池は、ＭＥＧＡを有するものに限らず、電解質膜の両側に一対の電極が配置され、両電極側に供給される反応ガスの電気化学反応により、電力を発生させるセルが複数積層されたものであれば、他の構成の燃料電池に適用してもよい。
【００７４】
なお、例えば、実施の形態１においてステップＳ１０４を実行することで、この発明の「劣化セル検出手段」が実行され、ステップＳ１０６を実行することで「ガス遮断制御手段」及び「バイパス制御手段」が実行される。
【００７５】
実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、図１のシステムと同様の構成を有する。実施の形態２のシステムは、実施の形態１のガス遮断機構５０とは異なる構成のガス遮断機構２００を有している。図１１は、実施の形態２におけるガス遮断機構２００を説明するための図であり、図１１（ａ）は、セルが正常な状態、図１１（ｂ）は、劣化セルにおいてガス遮断機構２００を作動させている状態、図１１（ｃ）は、ガス遮断機構２００の作動後の固定状態を表している。
【００７６】
図１１のガス遮断機構２００は、燃料ガス流路４２の、燃料ガス供給孔１４ａとの接続部付近に配置される。具体的に図１１（ａ）に示すように、ガス遮断機構２００は、遮断板２１２を有している。遮断板２１２（開閉弁）は、燃料ガス流路４２の入口部のセパレータ４０の一部に、固定部２１４により固定された状態で配置されている。遮断板２１２の下部、固定部２１４付近には圧電素子２１６が配置されている。圧電素子２１６は、外部電池３４（開閉制御手段）に接続され、コンピュータ３２の制御信号によって必要に応じて電圧が印加されるようになっている。
【００７７】
図１１（ｂ）に示すように、圧電素子２１６に電圧が印加されると、圧電素子２１６は、図１１の上方向に突出する形で変形する。遮断板２１２は、圧電素子２１６の変形により、固定部２１４にその一端が固定された状態で、他端が押し上げられる。そして、燃料ガス流路４２を挟んで対向する面側に設けられた固定部２１８に組み付けられて固定される。
【００７８】
図１１（ｃ）に示すように、圧電素子２１６への電圧の印加を停止すると、圧電素子２１６は元の形状に戻る。しかし、固定部２１８と遮断板２１２の先端部とは、１度噛み合わされると自然に外れない形状に形成されている。従って、劣化セルの圧電素子２１６に必要な電力が供給され、ガス遮断が確認された後、圧電素子２１６への電圧の印加は停止されるが、遮断板２１２と固定部２１８とは組み付けられた状態で維持され、燃料ガス流路４２は遮断された状態のまま固定される。これにより、劣化セルの燃料ガスの供給を遮断することができる。
【００７９】
上記の場合、電流バイパス機構が別途必要となる。従って、図２のセパレータの例えば上部、下部等のスペースに、実施の形態１に説明したような電流バイパス機構６０を設ける。あるいは、電気的な制御によりON/OFF可能なバイパス回路を各セルごと、あるいは複数のセルごとに設けても良い。また、これらに限るものではなく、他の手段により、電流のバイパスを行うこととしてもよい。
【００８０】
実施の形態２においては、燃料ガス流路４２の入口部に上記の遮断板２１２を配置する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、燃料ガス流路４２の溝ごとに１の遮断板２１２を配置して閉塞するものや、複数のガス流路４２ごとに遮断板２１２を配置して複数のガス流路４２ごとに閉塞するものであってもよい。
【００８１】
実施の形態３．
実施の形態３のシステムは、図１のシステムと同様の構成を有する。また、実施の形態３のシステムは、図３（又は図５〜図８）に説明したガス遮断機構５０と同様の構成のガス遮断機構を、燃料ガス流路４２の入口に備えている。但し、ガス遮断機構５０に、電流バイパス機構６０が組み込まれていない点で、実施の形態１のシステムと異なっている。
【００８２】
実施の形態３では、劣化セル内で、電解質膜を破壊してアノードとカソードとの間を通電させることで、この劣化セルをバイパスさせる。具体的には、劣化セルが発生が確認された場合、まず、ガス遮断機構５０を作動させて、その劣化セルへの燃料ガスの供給を遮断する。この状態で、燃料電池１０を高負荷で運転させる。
【００８３】
このとき、劣化セル内は燃料ガスの供給が不足した状態となる。このため、劣化セル内では電解質膜を劣化させる反応が進行する。また、この反応により劣化したセル内の温度が上昇する。膜の劣化が進み、温度が上昇すると、セル間に両側からかけられた締付圧力が相俟って、この膜が破損する。その結果、アノードとカソードとの間が直接通電した状態となり、劣化セルをバイパスすることができる。
【００８４】
図１２は、この発明の実施の形態３においてコンピュータ３２が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図１２のルーチンは、図９のルーチンのステップＳ１１０の後で、更にステップＳ２０２〜Ｓ２０８の処理を有する点を除き、図９のルーチンと同じものである。具体的に、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０が実行されることで、劣化セルが検出された場合に、ガス遮断機構５０が作動して、劣化セルへの燃料ガスの供給が停止される。但し、実施の形態３のシステムでは、ガス遮断機構５０に、電流バイパス機構６０は組み込まれていないため、ステップＳ１１０でヒータがOFFにされると、その劣化セルへの燃料供給は遮断されているものの、そのセルの電流をバイパスするようにはなっていない。
【００８５】
この状態で、まず、燃料電池１０に高負荷をかけた状態で運転が行われる（Ｓ３０２）。これにより、劣化セル内に高電流が流れて、劣化セルの電解質膜の劣化が進行する。次に、セルモニタ３０の出力から、セルの電圧が検出される（Ｓ３０４）。次に、劣化セルのセル電圧が判定値以下となったか否かが判別される（Ｓ３０６）。劣化セルのアノードとカソードとの導通が完全に取られれば、劣化セルの電圧差はゼロとなるため、ここでの判定値はゼロとしてもよい。またある程度の低抵抗で導通が取られれば良いため許容範囲で定めた判定値を用いることもできる。
【００８６】
ステップＳ３０６において、セル電圧が判定値以下であることが認められるまでの間、セル電圧の検出（Ｓ３０６）とＳ３０６の判定が繰り返し行われる。一方、ステップＳ３０６において、劣化セルのセル電圧が判定値以下であることが認められると、劣化セルがバイパスされた状態となったことが判断できる。従って、燃料電池１０の高負荷運転が停止される（ステップＳ３０８）。
【００８７】
以上説明したように、実施の形態３によれば、特に劣化時の電流バイパスのための特別な機構を設けることなく、必要に応じて、劣化したセルをバイパスする状態とすることができる。従って、より簡易な構成で、燃料電池１０の劣化の進行を抑えつつ、燃料電池１０の発電を継続できる状態を確保することができる。
【００８８】
なお、実施の形態３は、実施の形態１のガス遮断機構５０とともに用いる場合について説明したが、この発明はこれに限るものではない。実施の形態３の電流バイパスの手段は、実施の形態２に説明したガス遮断機構２１０と共に用いることもできる。
【００８９】
なお、例えば、実施の形態３において、ステップＳ３０２〜Ｓ３０６が実行されることで、この発明の「バイパス制御手段」が実現する。
【００９０】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における燃料電池のセルの構成を説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における燃料電池のガス遮断機構の構成を説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１における燃料電池のガス遮断機構及び電流バイパス機構の構成を説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態１における燃料電池内のガス遮断機構及び電流バイパス機構の構成を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態１においてコンピュータが実行する制御のルーチンを説明するフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態１における燃料ガス遮断機構の他の設置例を説明するための図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における燃料電池のガス遮断機構の構成を説明するための模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態３においてコンピュータが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 燃料電池
１２ セル
１４ 燃料ガス供給マニホールド
１６ 燃料ガス排出マニホールド
１８ 集電板
２０ エンドプレート
３０ セルモニタ
３２ コンピュータ
３４ 外部電池
４０ セパレータ
４２ 燃料ガス流路
１４ａ 燃料ガス供給孔
１６ａ 燃料ガス排出孔
５０ ガス遮断機構
５２ 遮断部
５４ ガス流路
５６ ヒータ
５８ シリコンラバー
６０ 電流バイパス機構
６２ 導電板
６４ 電極
６６ 導電板
４０２ ＭＥＧＡ
４０４ セパレータ（アノード側）
４０６ セパレータ（カソード側）
４０８ 燃料ガス流路
１０２ 遮断部
１０４ ガス流路
１０４ａ 開口
１０６ 導電板
１０８ 導電板
１１０ 突出部
１１２ ヒータ
１１４ シリコンラバー
２００ ガス遮断機構
２１２ 遮断板
２１４ 固定部
２１６ 圧電素子
２１８ 固定部
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池及び燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の各セル内の一対の電極に、それぞれ反応ガスを供給し、この反応ガスの電気化学反応によって発電した電力を出力する燃料電池及びこれを制御する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素等の燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池が知られている。具体的には、このような燃料電池は、固体高分子電解質膜とこの電解質膜を挟んで配置された一対の電極（アノードとカソード）とを有する単セルが複数積層されて構成され、各セルのアノードに燃料ガス、カソードに酸化ガスが供給されることで各セル内で電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
この燃料電池の発電中に、燃料電池内のセルのいずれかにおいて、カソード側からアノード側に酸化ガスが漏洩する、あるいはアノード側からカソード側に燃料ガスが漏洩する、いわゆるクロスリーク量が発生する場合がある。また、このような膜のクロスリークの他に、シール部やセパレータを介して、酸化ガスや燃料ガスのリークが発生する場合がある。このようなリーク量が増加した場合、そのセル（重劣化セル）の発電が停止する事態を生じる場合がある。燃料電池はセルが直列に接続されているため、１枚のセルでの発電が停止すると、燃料電池自体の発電が停止する事態を引き起こすこととなる。
【０００４】
これに対して、例えば、特開２００５−６３９０９号公報には、燃料電池のセル内で起こるクロスリークを検出して、クロスリーク量が多くなったセルを電気的にバイパスする燃料電池システムが開示されている。具体的に、従来技術のシステムは、各セルごとに所定の条件下でOCVを検出し、OCVが低いセルを、クロスリーク量が多くなっている重劣化セルと判断する。このようにして重劣化セルが検出されると、この重劣化セルが含まれるセルブロックの両端に配置された電極板の間のリレー回路を作動させる。その結果、このセルブロックの電極板間は直接リレー回路により接続された状態となる。つまり、このセルブロックがリレー回路にバイパスされて、このセルブロックの両側に隣接するセルブロックの電極板同士が直接接続された状態となる。これによりクロスリーク量が多くなった重劣化セルのセルブロックを除いて、他のブロックのセルのみで発電を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６３９０９号公報
【特許文献２】特開２００５−６３７２４号公報
【特許文献３】特開２００５−６３９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術のシステムでは、リーク量が多くなった重劣化セルが存在する状態で、燃料電池の発電が継続して行われる。このため、発電が停止している重劣化セルの各電極にも、燃料ガスあるいは酸化ガスが供給され続けることとなる。このため、重劣化セル内では、リークした水素と酸素とが直接反応し続ける。その結果、この反応における反応熱によりセル内が局所的に高温になるなどして、そのセルの電解質膜や触媒電極の劣化、ひいては燃料電池全体の劣化を招くことがある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、リーク量が増大した場合に、燃料電池の発電を確保しつつ、リークが増大したセルへのガス供給を的確に停止して燃料電池の劣化を抑えることができるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、
通電により変形して前記開閉弁を閉弁させる圧電素子と、
前記開閉弁が閉弁した際に、前記開閉弁を閉弁した状態で固定する固定部と、
を備え、
前記開閉弁制御手段は、前記圧電素子への通電を制御することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記電流バイパス手段は、
第１の導電板と、
第１の導電板に対向して配置された第２の導電板と、
前記第１の導電板と第２の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第１の導電板の一部と、前記第２の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、前記絶縁部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第２又は第３の発明において、
前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第１の導電板と、
前記第１の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第２の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第１の導電板の前記突出部が前記第２の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、燃料電池システムであって、第１から第５のいずれかの燃料電池を備え、
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、燃料電池システムであって、第１から第８のいずれかの燃料電池を備え、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明の発明によれば、燃料電池内に積層された各単セルには、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、その単セルをバイパスする電流バイパス手段が備えられている。従って、必要に応じて、ガス遮断機構を作動させることで、単セルごとに反応ガスの流入を遮断するとともに、電流バイパス手段を作動させることでその単セルをバイパスしてその両側の単セル間あるいは集電板と単セル間とを接続することができる。従って、その単セルあるいは燃料電池全体の劣化防止や、燃料ガスの消費の低減を図りつつ、燃料電池の運転を継続することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、ガス遮断機構は、反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材を加熱手段により加熱されることでガス流路を閉塞することができる。これにより、より容易に、必要なセルにおいて反応ガスの流入を遮断することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、ガス遮断機構の流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成される。熱可塑性樹脂は、加熱されることで軟化して変形するが、冷却されるとその形状のまま固まる性質を有する。従って、必要に応じて加熱することで一端閉塞されたガス流路は、その後、加熱が停止されても閉塞した状態のまま維持される。従って、効率よくガス流路を遮断することができる。
【００２１】
第４又は第５の発明によれば、ガス遮断機構は、反応ガス流路の入口部に配置されて反応ガス流路を開閉する開閉弁と、開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段とにより構成される。この機構により、より容易に、必要なセルにおいて反応ガスの流入を遮断することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、加熱手段による加熱により、絶縁部材を変形させることで、第１の導電板の一部と第２の導電板の一部とを接触させて、セルをバイパスすることができる。これにより、より容易に、必要なセルを選択して電流をバイパスさせることができ、燃料電池の発電状態を確保することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、絶縁樹脂は、熱可塑性樹脂により構成される。熱可塑性樹脂は、加熱されることで軟化して変形するが、冷却されるとその形状のまま固まる性質を有する。従って、加熱により一端バイパスされたセルは、その後、加熱が停止されてもバイパスされた状態のまま維持される。従って、効率よく必要なセルをバイパスすることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、電流バイパス手段は、加熱手段による加熱により流路構成部材が変形すると、第１の導電板の前記突出部が第２の導電板に接触することで作動する。従って、反応ガスの供給の遮断に連動させて、このセルをバイパスする状態を確保することができる。
【００２５】
第９の発明によれば、複数のセルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化セルへの反応ガスの流通を停止させ、この状態で燃料電池に負荷をかけて運転する。これにより、劣化したセルの電解質膜を劣化させて、劣化したセルの一対の電極を接続することで、劣化したセルをバイパスさせることができる。従って、特別な機構を設けることなくより容易に、劣化したセルをバイパスさせることができる。
【００２６】
第１０の発明によれば、複数のセルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化したセルを検出して、劣化したセルの反応ガス流路への反応ガスの流通を停止すると共に、劣化したセルの電流バイパス手段を作動させて、劣化したセルをバイパスさせることができる。これにより、劣化したセルの劣化の進行や燃料電池の劣化を防止しつつ燃料消費量の低減を図ると共に、燃料電池自体の発電を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成を説明するための模式図である。図１に示すように、燃料電池システムは燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、セル１２（単セル）が複数積層されて構成されている。燃料電池１０は、積層された各セル１２を貫通し、各セル１２に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド１４と、各セル１２から排出される燃料オフガスを外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６とを備えている。燃料ガス供給マニホールド１４は、図示しない外部の燃料ガス供給手段に接続されている。また、図示を省略するが、燃料電池１０は、積層された各セル１２を貫通し、各セルに酸化ガスとしての大気を供給する大気供給マニホールドと、各セル１２から排出された大気オフガスを外部に排出するための大気排出マニホールドとを備えている。
【００２９】
各セル１２の積層方向の両側には集電板１８が配置され、積層された複数のセル１２が、一対の集電板１８間に挟まれた構造となっている。また、集電板１８の更に外側には、一対のエンドプレート２０が配置されている。エンドプレート２０間には図示しないテンション部材等により所定の圧力が付与されている。従って、エンドプレート２０間に積層されたセル１２は、このエンドプレート２０間の締付圧力により締め付けられた状態で固定されている。なお、図１においては、直列に積層された複数のセル１２を有する１のスタックのみを図示しているが、燃料電池１０は上記のように構成されたスタックが複数個接続されて構成されているものであってもよい。
【００３０】
図１のシステムは、燃料電池１０に接続されたセルモニタ３０を備えている。セルモニタ３０にはコンピュータ３２が接続されている。またコンピュータ３２には、外部電池３４が接続されている。セルモニタ３０は、燃料電池１０内の各セル１２の電圧を、セル１２ごとに検出することができる。コンピュータ３２は、セルモニタ３０の出力情報に基づいて、各セル１２の電圧を検知し、そのセルの状態を判断すると共に、外部電池３４あるいは燃料電池１０内の必要な箇所に接続され、その制御信号によりこれらを制御することができる。
【００３１】
燃料電池１０内の各セル１２は、ＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gasket Assembly;膜−電極−ガスケット接合体）とその両側を挟んで配置されたセパレータ（反応ガス流路部材）により構成されている。ＭＥＧＡは、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly;膜−電極接合体）にガスケットが一体化した構成を有している。具体的に、ＭＥＡは、イオン交換膜である電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された電極（アノード）と、電解質膜の他面に配置された電極（カソード）とを備えている。アノードとカソードからなる一対の電極は、共に触媒層を有し、その表面には拡散層が設けられている。このように構成されたＭＥＡの外周部にガスケットが一体型に形成されてＭＥＧＡが構成されている。
【００３２】
ＭＥＧＡの両側の面には、それぞれＭＥＧＡのガスケットにより、セパレータが密着されている。セパレータは主にカーボン等により形成され、電気導電性を有する。図２は、この発明の実施の形態１におけるセル１２のセパレータについて説明するための模式図である。図２のセパレータ４０は、ＭＥＧＡのアノード側に配置されるセパレータであり、図２には、アノード側に接する面が表されている。セパレータ４０は、燃料ガス流路４２（反応ガス流路）と燃料ガス供給孔１４ａと燃料ガス排出孔１６ａとを備えている。燃料ガス流路４２の一端は燃料ガス流入孔１４ａに接続され、他端は、燃料ガス排出孔１６ａに接続されている。セパレータ４０には、酸化ガス供給孔４４ａと酸化ガス排出孔４４ｂが、燃料ガス流路４２とは分離した状態で形成されている。
【００３３】
図示を省略するが、カソード側に配置されるセパレータには、酸化ガス供給孔４４ａと酸化剤ガス排出孔４４ｂと、これらに接続する酸化ガス流路が形成されている。更に、燃料ガス供給孔１４ａ及び燃料ガス排出孔１６ｂが、酸化ガス流路とは分離した状態で形成されている。
【００３４】
各セル１２は、アノード側のセパレータ４０の燃料ガス流路４２が形成された面が、ＭＥＧＡのアノード側に接するように配置され、カソード側のセパレータの酸化ガス流路が形成された面が、ＭＥＧＡのカソード側に接するように配置されて、ＭＥＧＡを両セパレータで挟んで構成されている。このように構成されたセル１２が積層されることで、各セパレータの、燃料ガス供給孔１４ａ、燃料ガス排出孔１６ａ、酸化ガス供給孔４４ａ、酸化ガス排出孔４４ｂが連続して接続され、燃料ガス供給マニホールド１４、燃料ガス排出マニホールド１６、及び酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールドが構成される。
【００３５】
［燃料電池の発電について］
燃料電池１０の発電に際しては、燃料ガス供給マニホールド１４から燃料ガス供給孔１４ａを介して燃料ガス流路４２に燃料ガスが流通することで、ＭＥＧＡのアノードの表面全体に燃料ガスが供給される。一方、酸化ガス供給マニホールドから酸化ガス供給孔を介して酸化ガス流路に酸化ガスが流通することで、カソード表面全体に酸化ガスが供給される。このとき、各セル１２のアノードでは、水素を水素イオンと電子にする反応が起きる。発生した水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では水素イオンと酸素と電子とにより水が生成される。
【００３６】
この反応における電子の移動による電流は、隣接するセル間で接触するアノード側のセパレータ４０とカソード側のセパレータを介して伝えられ、最終的に、積層されたセル１２の両側に形成された集電板１８によって、燃料電池１０全体の発電として回収される。
【００３７】
[実施の形態１のガス遮断機構について]
ところで、燃料電池内のセルのいずれかにおいて、アノード側に酸化ガスが漏洩する、あるいはカソード側に燃料ガスが漏洩する、いわゆるクロスリークが発生し、そのクロスリーク量が高分子膜の劣化の進行等により許容範囲を越えて大きくなる場合がある。このように、クロスリーク量が増大したセル（以下「劣化セル」）が存在する場合に、燃料電池１０の発電が継続され、劣化セルにも燃料ガス及び酸化ガスが供給され続けると、劣化セル内では、リークした水素と酸化とがアノード又はカソード表面で直接水生成反応を起こす。その結果、そのセル内では水生成反応の熱によって局所的に高温となり燃料電池自体を劣化することが考えられる。また正常な発電がされていない劣化セルに燃料ガス供給され続けると、燃料ガスが無駄に消費され発電効率が低下することとなる。
【００３８】
そこで、実施の形態１では、図２に示すように、各セル１２のアノード側に配置されたセパレータ４０の燃料ガス供給孔１４ａ付近に、燃料ガス流路４２と接続し燃料ガスの流入を遮断する、ガス遮断機構５０を配置する。そして、燃料電池１０の発電中に劣化セルを検出した場合、劣化セルのガス遮断機構５０を遮断状態とすることで、燃料ガスの供給を遮断する。
【００３９】
図３は、この発明の実施の形態１におけるガス遮断機構５０の概念的な構成を表すための模式図であり、図３（ａ）は、正常なセル１２のガス遮断機構５０を表し、図３（ｂ）は劣化セルにおいて、遮断状態とされたガス遮断機構５０を表している。図３（ａ）に示すように、ガス遮断機構５０は、遮断部５２（流路構成部材）を備えている。遮断部５２は、例えばＨＤＰＥ（High Density Polyethylene;高密度ポリエチレン）やＰＰ(ポリプロピレン)等の熱可塑性樹脂により形成される。より好適には、融点133℃、軟化温度119℃程度のＨＤＰＥ、融点128℃、軟化温度105℃程度のＨＤＰＥや、融点168℃、軟化温度が130℃程度のＰＰ、融点134℃、軟化温度102℃程度のＰＰ、融点143℃、軟化温度112℃程度ＰＰ等、燃料電池１０が使用される温度等を考慮して、適切な温度域に融点及び軟化温度を有する熱可塑性樹脂を用いればよい。
【００４０】
遮断部５２にはガス流路５４が形成され、このガス流路５４が、セパレータ４０の燃料ガス供給孔１４ａと燃料ガス流路４２との間に配置され、燃料ガス流路４２に連通する。つまり、燃料ガス供給孔１４ａを介してアノードに供給される燃料ガスは、ガス遮断機構５０のガス流路５４を通って燃料ガス流路４２に流入する。
【００４１】
遮断部５２下方にはヒータ５６（加熱手段）が設置されている。ヒータ５６はセパレータ４０及び後述の導電板１０８からは電気的に絶縁されている。ヒータ５６としては、例えば、ニッケルをポリイミドで挟み込んだフィルム状のヒータを用いることができる。ヒータ５６は外部電池３４に電気的に接続され、コンピュータ３２の制御信号により必要に応じてヒータ５６に電力が供給される。
【００４２】
ヒータ５６下部にはシリコンラバー５８が配置されている。ガス遮断機構５０はセパレータ４０の一部として構成されているため、ガス遮断機構５０にも、セル１２の積層方向（図３（ａ）においては上下方向）両側から、エンドプレート２０による一定の締付圧力が加えられている。また、シリコンラバー５８は、この締結圧力に対して圧縮応力を発する。従って、遮断部５２は、そのセルのガス遮断機構５０のシリコンラバー５８と、遮断部５２側（図３（ａ）においては上側）に隣接する他のセル１２のシリコンラバー５８とによる圧縮応力を受けている。
【００４３】
セル１２が劣化セルと判断されると、ヒータ５６に外部電池３４から所定の電力が供給される。その結果、熱可塑性樹脂で構成された遮断部５２が軟化して、自由に変形可能な状態となる。遮断部５２には上記のように締付圧力とこれに伴うシリコンラバー５８からの圧縮応力が加えられている。従って、遮断部５２が自由に変形可能な状態となると、遮断部５２が変形し、次第に圧力に垂直な面方向に押し出される。その結果、遮断部５２に溝として設けられたガス流路５４内が埋め潰されて閉塞した状態となる。これにより、ガス供給孔１４ａと燃料ガス流路４２との間において、燃料ガスの流入が遮断されることとなり、この劣化セルにおいては燃料ガス流路４２への燃料ガスの流入が停止される。また、このような状態となった後、ヒータ５６への電圧供給を停止して、遮断部５２が冷却されると、遮断部５２はそのままの形状で固められる。つまり、燃料ガス流路４２の入口付近が閉塞されたままの状態となる。
【００４４】
これにより燃料電池１０の発電中においても、劣化セル１２内への燃料ガスの供給を遮断することができ、酸素と水素との反応による燃料電池の劣化を抑えると共に、燃料ガスの無駄な消費を抑えることができる。
【００４５】
[実施の形態１の電流バイパス機構について]
ところで、燃料電池１０はセル１２が直列に積層されて構成されている。従って、燃料電池１０中に、発電が停止した劣化セルが１枚でも発生すると、この劣化セルにおいて電流の流れが遮断され、燃料電池１０自体の発電が停止することとなる。このような事態を防ぐため、実施の形態１のシステムは、劣化セルをバイパスして劣化セルに隣接するセル１２間を直接接続する電流バイパス機構６０（電流バイパス手段）を備えている。
【００４６】
実施の形態１のシステムにおいて、電流バイパス機構６０は、ガス遮断機構５０に組み込まれて構成されており、ガス遮断機構５０が遮断状態とされた時に、自動的に、その劣化セルをバイパスして、その劣化セルの両側のセル１２を直接接続する状態とされる。
【００４７】
図４は、実施の形態１のシステムにおける電流バイパス機構６０の概念的な構成を説明するための模式図であり、図４（ａ）は正常なセルを表し、図４（ｂ）は劣化セルの電流をバイパスした状態を表している。図４（ａ）に示すように、正常なセル１２において、電流バイパス機構６０はガス遮断機構５０に組み込まれた状態で構成されている。電流バイパス機構６０は、遮断部５２の上下に分離して配置された導電板６２（第１の導電板）及び導電板６４（第２の導電板）を有している。導電板６２、６４はそれぞれ、例えば銅やゴムメタル等により形成される。導電板６２、６４は、それぞれその一部において、アノード側、あるいはカソード側のセパレータに接触するように形成されている。一方の導電板６４には、ガス流路５４内に突出するように突出部６６が形成されている。通常に発電している状態においては、これらの導電板６２、６４は分離されており、ＭＥＧＡの両側のセパレータによって隣接するセル１２間が直列接続されて、発電した電力が最終的に集電板１８に回収されるようになっている。
【００４８】
一方、クロスリーク量が多くなりセルが劣化していると判断された場合、上記のようにヒータ５６に電力が供給され、遮断部５２が変形可能な状態となる。その結果、圧力により遮断部５２はガス流路５４側に押し出されつつ、次第にこの圧力方向に潰される。これにより、図４（ｂ）に示すように、導電板６２と導電板６４との距離が次第に接近し、突出部６６が、遮断部５２を押し退けつつ電極６２に接した状態となる。これにより、劣化セル両側に隣接するセル１２同士、あるいは、劣化セルが最下流あるいは最上流側にあって集電板１８に隣接している場合には、劣化セルに隣接するセル１２と集電板１８とが、導電板６２と電極突出部６６及び導電板６４とにより、直接接続されている状態となる。つまり、劣化セル１２をバイパスする直列接続が確保され、劣化セルのガス供給を停止して発電を停止させても、他のセル１２により燃料電池１０の発電を行うことができる。
【００４９】
［実施の形態１のガス遮断機構及び電流バイパス機構のより具体的な構成］
上記のように構成されるガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０を、実際にセパレータ４０に組み込む場合の、より具体的な構成例を説明する。図５は、実施の形態１におけるセル１２内に、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０を搭載した場合の、セパレータ４０と、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０との接続部の組み立て構成を模式的に表す図である。図５は、図２におけるガス遮断機構５０（及び電流バイパス機構６０）の周辺のみを拡大して表している。なお、図５においては、上下方向が燃料電池におけるセル１２の積層方向となる。
【００５０】
図５に示すように、セル１２においては、ＭＥＧＡ４０２を挟んで、積層方向両側に、セパレータ４０４、４０６が配置されている。図５においては、ＭＥＧＡ４０２の下方側がアノードとなっており、したがって、セパレータ４０４には、燃料ガス流路４０８が複数の溝状に形成されている。
【００５１】
一方、セパレータ４０４の燃料ガス供給孔１４ａに配置されたガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０は、熱可塑性樹脂で形成された遮断部１０２を備えている。遮断部１０２には、ガス流路１０４が溝状に形成されている。ガス流路１０４は、セパレータ４０４のガス流路４０８に連通するように配置されている。遮断部１０２下部には、導電板１０６が配置されている。一方、遮断部１０２の上部には、導電板１０８が配置される。導電板１０８には、複数の突出部１１０が形成されている。導電板１０８上には、ヒータ１１２が配置されている。ヒータ１１２は、導電板１０８とセパレータ４０６とから電気的に絶縁されている。ヒータ１１２上には、シリコンラバー１１４が配置されている。シリコンラバー１１４は、エンドプレート２０からの締付圧力に対する圧縮応力を発すると共に、ヒータ１１２により発する熱を断熱する機能を有している。
【００５２】
図６は、セパレータとガス遮断機構５０及び電流バイパス機構との接続部分をより詳細に表す断面模式図である。図６（ａ）は、セパレータとガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０との接続部の断面を、図５の矢印ａ方向から見た状態を表し、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ−Ａ´位置の断面のセパレータ側を表し、図６（ｃ）は、図６（ａ）におけるＢ−Ｂ´位置の断面のセパレータ側を表している。
【００５３】
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、ＭＥＧＡ４０２の上下に配置されるセパレータ４０４、４０６の、燃料ガス供給孔１４ａ付近（すなわちガス遮断機構との接続部）には、絶縁樹脂からなるガイドシート１２０、１２２がそれぞれ配置されている。また、ガイドシート１２０及び１２２との隙間のＭＥＧＡ４０２と接する部分には、シール剤１２４が埋め込まれている。
【００５４】
セパレータ４０４と遮断部１０２との接続部にはゴムやシリコンにより形成されたガスケット１３０とシール剤が配置され、ガスケット１３０とシール剤とにより、燃料ガスの漏洩がないように密着されている。これにより、燃料ガスは燃料ガス供給孔１４ａから遮断部１０２のガス流路１０４を通過して、セパレータ４０６内のガス流路４０８に流入するよう構成され、燃料ガス供給孔１４ａから供給される燃料ガスが、ＭＥＧＡ４０２に、燃料ガス流路４２以外の部分から接することがないように構成されている。
【００５５】
一方、電流バイパス機構６０のアノード側に配置された導電板１０６は、アノード側のセパレータ４０４の外面に接して配置されている。また、アノード側のセパレータ４０４の外面は、隣接するセル１２のカソード側のセパレータ４０６または集電板１８に接するため、導電板１０６も、隣接するセル１２のカソード側セパレータ４０６又は集電板１８に接する状態で配置されていることとなる。
【００５６】
カソード側の導電板１０８は、ガイドシート１２２にガイドされてセパレータ４０６側に延長して配置されている。これにより導電板１０８は、セパレータ４０６と電気的に接続した状態となっている。一方、導電板１０８とＭＥＧＡ４０２との間は、絶縁樹脂からなるガイドシート１２２により絶縁された状態とされている。セパレータ４０６は、隣接するセル１２のアノード側のセパレータ４０４又は集電板１８に接している。セパレータ４０８及び集伝板１８は導電性を有するため、導電板１０８は、セパレータ４０６を介して、隣接するセル１２のアノード側セパレータ４０４又は集電板１８に電気的に接続した状態となっている。
【００５７】
カソード側のセパレータ４０６のガイドシート１２２に案内されて固定された導電板１０８上には、セパレータ４０６の供給孔１４ａ端部とは隙間を空けて、ヒータ１１２及びシリコン１１４が配置されている。
【００５８】
図７は、図６（ａ）におけるＣ−Ｃ´方向の、ガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０の断面を表す図である。図８は、ガス遮断機構５０の遮断部１０２のみを表した斜視図である。図７に示すように、カソード側の導電板１０８には、所定の間隔で突出部１１０が配置されている。また、図７及び図８に示すように、遮断部１０２のガス流路１０４には、この突出部１１０に対応する位置に、開口１０４ａが形成されている。導電板１０６及び１０８は、遮断部１０２を挟んで、開口１０４ａと突出部１１０とが対向するようにして配置されている。
【００５９】
燃料電池１０の全てのセル１２の燃料ガス流路４２の入口部に、上記のように構成されたガス遮断機構５０及び電流バイパス機構６０が備えられている。何れかのセル１２のクロスリーク量が増大し、劣化の判断がされた場合、その劣化セルのヒータ１１２に、外部電池３４から電力が供給される。これにより、遮断部１０２が加熱され軟化温度あるいは溶解温度に達する。セルは、積層方向から締付圧力が加えられた状態で保持され、遮断部５０は、更にこの圧力に対するシリコンラバー１１４からの圧縮応力を受けている。従ってこの圧力により、遮断部１０２は軟化に伴ってガス流路１０４内を埋めるように変形し、導電板１０６と導電板１０８との距離が近づく方向に次第に押されていく。このとき、導電板１０８の突出部１１０は、予め遮断部１０２に設けられた開口１０４ａ内に入りこむ。やがて、導電板１０８の突出部１１０が導電板１０６に接し、導電板１０８と導電板１０６とが接続する。遮断部１０２は、導電板１０６と導電板１０８及びその突出部１１０とにより構成される空間を埋めるように変形して、ガス流路を遮断する。
【００６０】
このように、実施の形態１のシステムによれば、劣化セルの燃料ガス流路４２を確実に閉鎖して燃料ガスの供給を遮断すると共に、隣接するセル１２同士、あるいはセル１２と集電板とを接続して、劣化セルをバイパスすることができる。従って、一部のセルが劣化して発電不能な状態となった場合でも、燃料ガスの無駄な消費や燃料電池１０の劣化の進行を抑えつつ、発電を継続することができる。
【００６１】
[実施の形態１の具体的な制御について]
図９は、この発明の実施の形態１においてコンピュータ３２が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図９に示すルーチンは燃料電池１０の発電が停止した状態において、所定のタイミングで繰り返し実行されるルーチンである。図９のルーチンでは、まず、セルモニタ３０の出力に基づいて、燃料電池１０の各セル１２セル電圧の変化が検出される（Ｓ１０２）。具体的には、セルモニタ３０の出力により、各セルのOCVが検出される。次に、劣化セルがあるか否かが判別される（Ｓ１０４）。具体的には、いずれかのセル１２でクロスリーク量が増大し、OCVが所定の判定値より低くなっているか否か等に基づいて判別される。劣化セルの発生が認められない場合には、その後、何ら処理を行うことなくこのルーチンが終了する。
【００６２】
一方、ステップＳ１０４において、劣化セル発生が認められた場合には、劣化セル１２のガス遮断機構５０のヒータ１１２への通電が開始される（Ｓ１０６）。具体的には、コンピュータ３２からの制御信号により外部電池３４から電力が供給される。その結果、劣化セル内において、遮断部１０２が加熱されて軟化、溶解を開始する。
【００６３】
次に、ガス遮断及び電流のバイパス確保が完了したか否かが判定される（Ｓ１０８）。具体的には、例えばヒータ１１２への通電開始から判定時間以上経過したかいなか等に基づいて判定される。ここで判定時間は遮断部１０２の軟化によるガス流路の閉塞に要する時間を実験等によりもとめ、これに基づいて予め定めることができる。ステップＳ１０８においてガス遮断及びバイパス確保の完了が認められない場合には、完了が認められるまで、引き続きヒータ１１２への通電が継続されて、遮断部１０２が加熱される。
【００６４】
一方、ステップＳ１０８において完了が認められた場合には、ヒータ１１２への通電が停止され（Ｓ１１０）、この処理が終了される。なお、遮断部１０２は軟化温度以下に冷却されると、その形状のままで固まり変形しない状態となる。従って、ヒータ１１２への通電が終了すると、劣化セルの燃料ガス流路４２は閉塞された状態で維持される。これにより、劣化セルへの燃料ガスの供給が遮断されるとともに、この劣化セルをバイパスする回路が導電板１０６と１０８の接続により確保されて、発電を行うことができる状態となる。
【００６５】
[実施の形態１の他の例について]
なお、実施の形態１では、ガス遮断機構５０と電流バイパス機構６０とを組み合わせた状態で構成し、ガス遮断機構５０の遮断部５２（又は１０２）が溶解することにより、ガス遮断と同時に電流のバイパス回路が確保される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、ガス遮断機構５０と電流バイパス機構６０とを別の場所に設けるものであってもよい。
【００６６】
具体的に例えば、ガス遮断機構５０のみを燃料ガス流路４２の燃料ガス供給孔１４ａに配置し、電流バイパス機構６０は、セパレータの外周部分のスペースに形成することもできる。この場合でも、電流バイパス機構６０の導電板６２、６４（又は１０６、１０８）は、正常時には分離され、劣化セル発生時には接触するように構成する必要がある。従って、他の場所に配置する場合であっても、ガス遮断機構５０と組み合わせた場合と同様に、熱可塑性樹脂等の外部からの制御により変形可能な絶縁樹脂等（絶縁部材）を挟んで一対の導電板を配置し、この樹脂の変形により導電板と導電板とが接触する構造にする。つまり、ガス遮断機構５０と別途に配置する場合には、導電板間に配置された絶縁樹脂等に燃料ガス流路４２の形状に一致した形状のガス流路を形成する必要はないが、絶縁樹脂等の変形により導電板と導電板とを接触できるように構成することが必要となる。
【００６７】
また、電流バイパス機構は、上記のように樹脂に一対の導電板を配置したものに限るものではない。例えば、隣接するセル間をバイパスするように、電気的な制御によりON/OFF可能なバイパス回路を予め設けておいて、劣化セルの判定がなされた場合に、このバイパス回路を作動させるものなどであってもよい。このように、電気的にON/OFFを繰り返し行うことができる電流バイパス機構を設けることにより、例えば、次のような制御を行うこともできる。すなわち、一部のセルに電圧の低下を検出された場合に、ガス遮断機構５０を作動させる前に、まず電流バイパス用の回路をONとして電流をバイパスさせて、一定時間経過後に、一度バイパス回路をOFFとする。このようなON/OFFの動作を繰り返し行った後で、そのセルの電圧が回復しないと判断された場合にのみ、ガス遮断機構５０を作動させることもできる。これにより、一時的に電圧が低下し、実際には重度に劣化していないセル１２への燃料ガスの供給が遮断されるのを防ぐことができる。
【００６８】
また、実施の形態１では、各セル１２ごとにOCVを検出して、必要な場合にその劣化セルのみをバイパスする回路を作動させる場合について説明した。しかし、電流バイパス機構は、１の劣化セルのみをバイパスするものに限らず、セルを複数のセルごとのブロックに分けて、劣化セルが発生した場合には、ブロック全体をバイパスするようにしてもよい。
【００６９】
また、実施の形態１ではOCVの検出により劣化を判定する場合について説明した。しかし、この発明において劣化セルの検出手段はこれに限るものではなく、例えば通常の発電時にセルモニタ３０により電圧を検出して、そのセル電圧を他のセルと比較することで劣化を判定するものなど、他の方法により劣化判定を行うものであってもよい。
【００７０】
また、ガス遮断機構５０や電流バイパス機構６０の具体的な構成はこの発明を拘束するものではない。例えば、この発明においてガス遮断機構５０は、遮断部５２への加熱等の制御により遮断部５２を変形させることで燃料ガス流路４２の一部を閉塞できるものであればよい。また、ある程度の燃料ガスの流入が抑えられれば、燃料電池の劣化等を抑えることができるため、その遮断は完全に密閉されるものに限らず、多少の燃料ガス流路側への漏れがあってもよい。
【００７１】
また、実施の形態１では、ガス遮断機構５０を燃料ガス流路４２の入口部に設けて、燃料ガスの流入を遮断する場合について説明した。しかし、このような機構は、酸化ガス流路側に適用することもできる。
【００７２】
また、燃料ガス流路４２の入口部に設けるものに限らず、燃料ガス流路４２（あるいは酸化ガス流路）の適当な部分に搭載することもできる。図１０は、実施の形態１のガス遮断機構５０を、燃料ガス流路の他の部分に設置した場合の例を表す図である。図１０に示すセパレータには、燃料ガス供給孔１４ａ付近に設けられたガス遮断機構５０に加えて、同様の構成を有するガス遮断機構５１が燃料ガス排出孔１６a付近に設置されている。これにより、燃料ガス流路の入口及び出口の２箇所でガス遮断を行うことができ、より確実に燃料ガスの流入を遮断することができる。また、各セルは、例えば燃料ガス供給孔１４ａ付近にガス遮断機構５０を配置せず、燃料ガス排出孔１６ａ付近のガス遮断機構５１のみを設置した構造としてもよい。更に、燃料ガス流路４２の入口あるいは出口に限るものではなく、燃料ガス流路の途中に、ガス遮断機構を設置することもできる。
【００７３】
また、実施の形態１では、ＭＥＧＡの両側にセパレータを配置して構成される燃料電池について説明した。しかし、この発明のガス遮断機構や電流バイパス機構が適用される燃料電池は、ＭＥＧＡを有するものに限らず、電解質膜の両側に一対の電極が配置され、両電極側に供給される反応ガスの電気化学反応により、電力を発生させるセルが複数積層されたものであれば、他の構成の燃料電池に適用してもよい。
【００７４】
なお、例えば、実施の形態１においてステップＳ１０４を実行することで、この発明の「劣化セル検出手段」が実行され、ステップＳ１０６を実行することで「ガス遮断制御手段」及び「バイパス制御手段」が実行される。
【００７５】
実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、図１のシステムと同様の構成を有する。実施の形態２のシステムは、実施の形態１のガス遮断機構５０とは異なる構成のガス遮断機構２００を有している。図１１は、実施の形態２におけるガス遮断機構２００を説明するための図であり、図１１（ａ）は、セルが正常な状態、図１１（ｂ）は、劣化セルにおいてガス遮断機構２００を作動させている状態、図１１（ｃ）は、ガス遮断機構２００の作動後の固定状態を表している。
【００７６】
図１１のガス遮断機構２００は、燃料ガス流路４２の、燃料ガス供給孔１４ａとの接続部付近に配置される。具体的に図１１（ａ）に示すように、ガス遮断機構２００は、遮断板２１２を有している。遮断板２１２（開閉弁）は、燃料ガス流路４２の入口部のセパレータ４０の一部に、固定部２１４により固定された状態で配置されている。遮断板２１２の下部、固定部２１４付近には圧電素子２１６が配置されている。圧電素子２１６は、外部電池３４（開閉制御手段）に接続され、コンピュータ３２の制御信号によって必要に応じて電圧が印加されるようになっている。
【００７７】
図１１（ｂ）に示すように、圧電素子２１６に電圧が印加されると、圧電素子２１６は、図１１の上方向に突出する形で変形する。遮断板２１２は、圧電素子２１６の変形により、固定部２１４にその一端が固定された状態で、他端が押し上げられる。そして、燃料ガス流路４２を挟んで対向する面側に設けられた固定部２１８に組み付けられて固定される。
【００７８】
図１１（ｃ）に示すように、圧電素子２１６への電圧の印加を停止すると、圧電素子２１６は元の形状に戻る。しかし、固定部２１８と遮断板２１２の先端部とは、１度噛み合わされると自然に外れない形状に形成されている。従って、劣化セルの圧電素子２１６に必要な電力が供給され、ガス遮断が確認された後、圧電素子２１６への電圧の印加は停止されるが、遮断板２１２と固定部２１８とは組み付けられた状態で維持され、燃料ガス流路４２は遮断された状態のまま固定される。これにより、劣化セルの燃料ガスの供給を遮断することができる。
【００７９】
上記の場合、電流バイパス機構が別途必要となる。従って、図２のセパレータの例えば上部、下部等のスペースに、実施の形態１に説明したような電流バイパス機構６０を設ける。あるいは、電気的な制御によりON/OFF可能なバイパス回路を各セルごと、あるいは複数のセルごとに設けても良い。また、これらに限るものではなく、他の手段により、電流のバイパスを行うこととしてもよい。
【００８０】
実施の形態２においては、燃料ガス流路４２の入口部に上記の遮断板２１２を配置する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、燃料ガス流路４２の溝ごとに１の遮断板２１２を配置して閉塞するものや、複数のガス流路４２ごとに遮断板２１２を配置して複数のガス流路４２ごとに閉塞するものであってもよい。
【００８１】
実施の形態３．
実施の形態３のシステムは、図１のシステムと同様の構成を有する。また、実施の形態３のシステムは、図３（又は図５〜図８）に説明したガス遮断機構５０と同様の構成のガス遮断機構を、燃料ガス流路４２の入口に備えている。但し、ガス遮断機構５０に、電流バイパス機構６０が組み込まれていない点で、実施の形態１のシステムと異なっている。
【００８２】
実施の形態３では、劣化セル内で、電解質膜を破壊してアノードとカソードとの間を通電させることで、この劣化セルをバイパスさせる。具体的には、劣化セルが発生が確認された場合、まず、ガス遮断機構５０を作動させて、その劣化セルへの燃料ガスの供給を遮断する。この状態で、燃料電池１０を高負荷で運転させる。
【００８３】
このとき、劣化セル内は燃料ガスの供給が不足した状態となる。このため、劣化セル内では電解質膜を劣化させる反応が進行する。また、この反応により劣化したセル内の温度が上昇する。膜の劣化が進み、温度が上昇すると、セル間に両側からかけられた締付圧力が相俟って、この膜が破損する。その結果、アノードとカソードとの間が直接通電した状態となり、劣化セルをバイパスすることができる。
【００８４】
図１２は、この発明の実施の形態３においてコンピュータ３２が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図１２のルーチンは、図９のルーチンのステップＳ１１０の後で、更にステップＳ２０２〜Ｓ２０８の処理を有する点を除き、図９のルーチンと同じものである。具体的に、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０が実行されることで、劣化セルが検出された場合に、ガス遮断機構５０が作動して、劣化セルへの燃料ガスの供給が停止される。但し、実施の形態３のシステムでは、ガス遮断機構５０に、電流バイパス機構６０は組み込まれていないため、ステップＳ１１０でヒータがOFFにされると、その劣化セルへの燃料供給は遮断されているものの、そのセルの電流をバイパスするようにはなっていない。
【００８５】
この状態で、まず、燃料電池１０に高負荷をかけた状態で運転が行われる（Ｓ３０２）。これにより、劣化セル内に高電流が流れて、劣化セルの電解質膜の劣化が進行する。次に、セルモニタ３０の出力から、セルの電圧が検出される（Ｓ３０４）。次に、劣化セルのセル電圧が判定値以下となったか否かが判別される（Ｓ３０６）。劣化セルのアノードとカソードとの導通が完全に取られれば、劣化セルの電圧差はゼロとなるため、ここでの判定値はゼロとしてもよい。またある程度の低抵抗で導通が取られれば良いため許容範囲で定めた判定値を用いることもできる。
【００８６】
ステップＳ３０６において、セル電圧が判定値以下であることが認められるまでの間、セル電圧の検出（Ｓ３０６）とＳ３０６の判定が繰り返し行われる。一方、ステップＳ３０６において、劣化セルのセル電圧が判定値以下であることが認められると、劣化セルがバイパスされた状態となったことが判断できる。従って、燃料電池１０の高負荷運転が停止される（ステップＳ３０８）。
【００８７】
以上説明したように、実施の形態３によれば、特に劣化時の電流バイパスのための特別な機構を設けることなく、必要に応じて、劣化したセルをバイパスする状態とすることができる。従って、より簡易な構成で、燃料電池１０の劣化の進行を抑えつつ、燃料電池１０の発電を継続できる状態を確保することができる。
【００８８】
なお、実施の形態３は、実施の形態１のガス遮断機構５０とともに用いる場合について説明したが、この発明はこれに限るものではない。実施の形態３の電流バイパスの手段は、実施の形態２に説明したガス遮断機構２１０と共に用いることもできる。
【００８９】
なお、例えば、実施の形態３において、ステップＳ３０２〜Ｓ３０６が実行されることで、この発明の「バイパス制御手段」が実現する。
【００９０】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における燃料電池のセルの構成を説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における燃料電池のガス遮断機構の構成を説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１における燃料電池のガス遮断機構及び電流バイパス機構の構成を説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態１における燃料電池内のセルの構成を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態１における燃料電池内のガス遮断機構及び電流バイパス機構の構成を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態１においてコンピュータが実行する制御のルーチンを説明するフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態１における燃料ガス遮断機構の他の設置例を説明するための図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における燃料電池のガス遮断機構の構成を説明するための模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態３においてコンピュータが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 燃料電池
１２ セル
１４ 燃料ガス供給マニホールド
１６ 燃料ガス排出マニホールド
１８ 集電板
２０ エンドプレート
３０ セルモニタ
３２ コンピュータ
３４ 外部電池
４０ セパレータ
４２ 燃料ガス流路
１４ａ 燃料ガス供給孔
１６ａ 燃料ガス排出孔
５０ ガス遮断機構
５２ 遮断部
５４ ガス流路
５６ ヒータ
５８ シリコンラバー
６０ 電流バイパス機構
６２ 導電板
６４ 電極
６６ 導電板
４０２ ＭＥＧＡ
４０４ セパレータ（アノード側）
４０６ セパレータ（カソード側）
４０８ 燃料ガス流路
１０２ 遮断部
１０４ ガス流路
１０４ａ 開口
１０６ 導電板
１０８ 導電板
１１０ 突出部
１１２ ヒータ
１１４ シリコンラバー
２００ ガス遮断機構
２１２ 遮断板
２１４ 固定部
２１６ 圧電素子
２１８ 固定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
通電により変形して前記開閉弁を閉弁させる圧電素子と、
前記開閉弁が閉弁した際に、前記開閉弁を閉弁した状態で固定する固定部と、
を備え、
前記開閉弁制御手段は、前記圧電素子への通電を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電流バイパス手段は、
第１の導電板と、
第１の導電板に対向して配置された第２の導電板と、
前記第１の導電板と第２の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第１の導電板の一部と、前記第２の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記絶縁部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第１の導電板と、
前記第１の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第２の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第１の導電板の前記突出部が前記第２の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１から５に記載のいずれかの燃料電池を備え、
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から８に記載のいずれかの燃料電池を備え、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉弁制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
通電により変形して前記開閉弁を閉弁させる圧電素子と、
前記開閉弁が閉弁した際に、前記開閉弁を閉弁した状態で固定する固定部と、
を備え、
前記開閉弁制御手段は、前記圧電素子への通電を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電流バイパス手段は、
第１の導電板と、
第１の導電板に対向して配置された第２の導電板と、
前記第１の導電板と第２の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第１の導電板の一部と、前記第２の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記絶縁部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第１の導電板と、
前記第１の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第２の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第１の導電板の前記突出部が前記第２の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１から５に記載のいずれかの燃料電池を備え、
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から８に記載のいずれかの燃料電池を備え、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１２３９６８（Ｐ２００８−１２３９６８Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０９６２１（Ｐ２００６−３０９６２１）
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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