特許 5782371 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5782371

(24)【登録日】2015年7月24日

(45)【発行日】2015年9月24日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150907BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 P

   H01M8/04 Y

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-264873(P2011-264873)

(22)【出願日】2011年12月2日

(65)【公開番号】特開2013-118094(P2013-118094A)

(43)【公開日】2013年6月13日

【審査請求日】2014年1月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004444

【氏名又は名称】ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(72)【発明者】

【氏名】西山 拓雄

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２１６３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６５８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１６３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２６６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１８８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１３６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０１９３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１６４２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１７３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０７７５０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セルが直列に接続されてなる複数のスタック部と、
前記複数のスタック部それぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
前記スタック部で発生した電力の調整を行う電力調整部と、
前記スタック部から出力される発電電力によって作動する１つ以上の補機と、
前記複数のスタック部を前記補機及び前記電力調整部に対して並列に電気的に接続する回路部と、
前記回路部に設けられ、前記電圧検出部で検出した前記複数のスタック部それぞれの電圧に応じて、前記スタック部と前記回路部との接続状態を切り替える継電部と、を備え、
前記継電部は、前記複数のスタック部の少なくとも何れかの電圧低下が前記電圧検出部により検出されたとき、前記複数のスタック部のうち前記電圧検出部で電圧低下が検出された前記スタック部から前記補機及び前記電力調整部のうち前記補機への電力供給を遮断するように、前記スタック部と前記回路部との接続状態を切り替えることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記継電部は、前記複数のスタック部の電圧低下が前記電圧検出部により検出されないとき、前記複数のスタック部の全てと前記補機及び前記電力調整部とを電気的に接続させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記継電部は、
前記複数のスタック部の電圧低下が前記電圧検出部により検出されないとき、前記複数のスタック部の全てと前記電力調整部とを電気的に接続させると共に、前記複数のスタック部における何れかのスタック部と前記補機とを電気的に接続させ、
該何れかのスタック部の電圧低下が前記電圧検出部により検出されたとき、前記複数のスタック部の全てと前記電力調整部とを電気的に接続させると共に、前記複数のスタック部のうち該何れかのスタック部とは別のスタック部と前記補機とを電気的に接続させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記回路部は、前記複数のスタック部を前記補機及び前記電力調整部に対して直列にさらに電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記継電部は、前記スタック部から出力される発電電力の電圧が所定電圧に維持されるように前記回路部を切り替え、
前記所定電圧は、５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ又は４８Ｖであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の燃料電池システムとして、水素含有ガスを用いて電力を発生する複数の燃料電池セルが直列に接続されてなる燃料電池スタックと、直列方向における燃料電池スタックの両端部又は燃料電池セル間に配設された二以上の集電体と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。このような燃料電池システムにより発電された発電電力は、ＰＣＳ（Power Conditioning System）へと供給されると共に、燃料電池スタックに供給する水素含有ガスや酸素含有ガスを供給するポンプ等の補機へと供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−３０８８６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、上述したような従来技術では、例えば、燃料電池スタック内における水素含有ガスの流れの不均一性や圧力損失の変化等に起因して、燃料電池スタックの少なくとも一部が劣化するおそれがあり、当該燃料電池スタックにおいて電圧が低下する場合がある。

【0005】

そこで、本発明は、電圧低下が発生したスタック部の発電負荷を軽減させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池セルが直列に接続されてなる複数のスタック部と、複数のスタック部それぞれの電圧を検出する電圧検出部と、複数のスタック部を互いに電気的に接続する回路部と、回路部に設けられ、電圧検出部で検出した電圧に応じて、スタック部と回路部との接続状態を切り替える継電部と、を備えたことを特徴とする。

【0007】

この燃料電池システムでは、電圧検出部で検出した電圧に応じてスタック部と回路部との接続状態が継電部により切り替えられる。よって、例えば複数のスタック部の少なくとも一部において電圧低下が発生した場合、継電部で回路部を適宜切り替え、電圧低下が生じたスタック部に対する発電負荷を軽減させることが可能となる。

【0008】

また、回路部は、複数のスタック部の少なくとも一部を直列に接続することが好ましい。また、回路部は、複数のスタック部の少なくとも一部を並列に接続することが好ましい。

【0009】

また、継電部は、複数のスタック部のうち電圧検出手段で電圧低下が検出されたスタック部からの電力供給を遮断するように、該回路部を切り替えることが好ましい。この場合、電圧低下が生じたスタック部に対する発電負荷を確実に減らし、電圧低下を抑制することが可能となる。

【0010】

また、スタック部から出力される発電電力によって作動する１つ以上の補機をさらに備えた場合がある。また、継電部は、スタック部から出力される発電電力の電圧が所定電圧に維持されるように配線回路部を切り替え、所定電圧は、５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ又は４８Ｖである場合がある。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、電圧低下が発生したスタック部の発電負荷を軽減させることができる。これにより、燃料電池システムの長寿命化を図ることができる。また、燃料電池システム自体が発電する電力によって動作する補機に対して、電圧が安定しているスタックを選択して接続することにより、補機への印加電圧の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】燃料電池システムを示すブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。

【図3】第１実施形態に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す斜視図である。

【図4】図５のIV−IV線に沿っての断面図である。

【図5】第２実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。

【図6】第２実施形態に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す斜視図である。

【図7】第２実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す他のブロック図である。

【図8】第３実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。

【図9】第４実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、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する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0014】

図１は、燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料供給装置１０、改質水供給装置２０、酸素含有ガス供給装置３０、水素製造部４０、カソードガス供給装置５０、燃料電池ユニット６０、ＰＣＳ７０、電圧検出部８０、及びシステム制御部９０を備えている。

【0015】

燃料電池ユニット６０は、複数の燃料電池スタックを備えている。燃料電池ユニット６０は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのアノード極（図示せず）にアノードガスとしての水素含有ガス中の水素を、カソード極（図示せず）にカソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素を、それぞれ供給し、電解質体（図示せず）内にイオンの移動を生じさせることにより電力を発生させるものである。

【0016】

燃料供給装置１０は、後述する水素製造部４０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素及び水素を含んでなる化合物（例えば、メタン及びプロパン等の炭化水素類、メタノール及びエタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類等）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が好ましい。

【0017】

改質水供給装置２０は、水素製造部４０において燃料の処理に必要となる改質水を供給するためのものである。酸素含有ガス供給装置３０は、水素製造部４０において燃料の処理に必要となる酸素含有ガスを供給するためのものである。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、及び空気が挙げられるが、中でも取扱容易性及びコストの観点から空気が好ましい。

【0018】

水素製造部４０は、原料供給装置１０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものである。生成された水素含有ガスは燃料電池ユニット６０のアノードに供給される。具体的には、水素製造部４０は、改質触媒（図示せず）を含み、燃料供給装置１０から供給される燃料と、改質水供給装置２０から供給される改質水と、酸素含有ガス供給装置３０から供給される酸素含有ガスとを用いて水素含有ガスを生成する。水素を製造するための改質技術としては、公知の技術を適用することができる。例えば、水蒸気改質反応部、シフト反応部、及び選択酸化反応部の組合わせを用いることができる。或いは、部分酸化反応部、水蒸気改質反応部、自己熱改質反応部、又はこれらの組合わせを用いてもよい。

【0019】

水素製造部４０内に含まれる改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属とを含んで構成されている。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）及び二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、及びコバルトが挙げられる。

【0020】

なお、例えば純水素ガス等、水素生成処理を必要としない燃料を燃料供給装置１０から供給する場合には、改質水供給装置２０、酸素含有ガス供給装置３０及び水素製造部４０を省略することができる。その場合、燃料を燃料電池セルのアノード極に直接供給することができる。

【0021】

カソードガス供給装置５０は、燃料電池セルのカソード極に発電に必要となるカソードガスを供給するためのものである。カソードガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、及び空気が挙げられるが、中でも取扱容易性及びコストの観点から空気が好ましい。

【0022】

ＰＣＳ７０は、燃料電池ユニット６０で発生した電力の調整を行う電力調整部としての役割を担うものであり、電圧変換器７１及び直交変換器７２を有している。電圧変換器７１は、燃料電池ユニット６０から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられている。直交変換器７２は、電圧変換器７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣインバータが挙げられる。

【0023】

電圧検出部８０は、燃料電池スタック部１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの発電電圧を測定するものである。システム制御部９０は、燃料電池システム１の駆動を制御する駆動制御機能を有するものである。システム制御部９０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read OnlyMemory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。本実施形態におけるシステム制御部９０は、燃料供給装置１０、改質水供給装置２０、酸素含有ガス供給装置３０、及びカソードガス供給装置５０等に代表される補機やＰＣＳ７０に対し電気的に接続され、当該補機の制御を行う。

【0024】

なお、燃料供給装置１０、改質水供給装置２０、酸素含有ガス供給装置３０、カソードガス供給装置５０、及び電圧検出部８０に代表される補機は、燃料電池ユニット６０の発電電力を利用して作動することができる機器である。ここでは、効率低下を抑制する観点から、燃料電池ユニット６０と電圧変換器７１との間から電力が供給されるように構成され、各補機類には、燃料電池ユニット６０から出力された発電電力を変圧する電圧変換器（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等）が内蔵されている。なお、外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１から供給される電力を消費するものであり、例えば、家庭内の電力消費機器である。外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１及び外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。

【0025】

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の作動の一例について説明する。まず、各補機が外部電力系統ＣＥからの電力によって作動し、燃料電池システム１の起動が開始される。このとき、外部電力系統ＣＥからの電力は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータによって交流から直流に変換した上で各補機に供給される。

【0026】

具体的には、外部電力系統ＣＥからの電力によって補機類が作動することにより、水素製造部４０に、燃料供給装置１０、改質水供給装置２０及び酸素含有ガス供給装置３０によって、燃料、改質水及び酸素含有ガスがそれぞれ供給されて改質され、水素含有ガス（以下、改質ガス）が生成される。生成された改質ガスは、燃料電池ユニット６０のアノード極に供給され、カソードガス供給装置５０から酸素含有ガス（空気）が燃料電池ユニット６０のカソード極に供給され、発電が開始される。燃料電池システム１による発電が開始されたら、補機類の作動電力は、外部電力系統ＣＥから燃料電池システム１自体の発電電力に切り替えられる。

【0027】

［第１実施形態］
図２は、第１実施形態における燃料電池システム１の一部を示すブロック図である。本実施形態は、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃ、ＰＣＳ７０、補機５、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部８０、及び第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃと補機５及びＰＣＳ７０との接続を切替可能とする継電部３ａ〜３ｄを備え、それらによって回路（回路部）４が形成されている。図２（ａ）は、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃにおいて電圧低下が検出されておらず、補機５への電力が第２スタック部１０１Ｂから供給されているときの継電部３ａ〜３ｄの接続状態を示している。図２（ｂ）は、第２スタック部の電圧が低下し、補機５への電力供給が第２スタック部１０１Ｂから第１スタック部１０１Ａに変更されたときの継電部３ａ〜３ｄの接続状態を示している。

【0028】

図３は、図２の実施形態において固体電解質形燃料電池を用いる場合の燃料電池ユニットの一例を示す斜視図であり、図４は、図３のIV−IV線に沿っての断面図である。図３に示すように、本実施形態における燃料電池ユニット６０Ａは、複数の燃料電池スタック部１０１、第１〜４集電体１０２Ａ〜１０２Ｄ、及びセル固定部１０３を備えている。

【0029】

図４に示すように、燃料電池セル（単セル）１００は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly（以下、「ＭＥＡ」という））１１０、アノード側セパレータ１２０、及びカソード側セパレータ１３０を備えている。ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１１、アノード１１２、及びカソード１１３を含んで構成される。

【0030】

電解質膜１１１は、一対の電極（アノード１１２及びカソード１１３）によって挟まれており、水素イオンを選択的に透過させる高分子電解質膜によって形成されている。高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を使用することができる。

【0031】

アノード１１２は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極層であり、カソード１１３は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極層である。これらのアノード１１２及びカソード１１３は、電解質膜１１１の表面側に形成された触媒層、及びこの触媒層の外面に配置されたガス拡散層を備えている。触媒層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするものである。ガス拡散層は、通気性及び電気導電性を有するものである。

【0032】

アノード側セパレータ１２０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部１２１によって、水素含有ガスが通過するガス流路１２２が形成されている。溝部１２１は、ＭＥＡ１１０のアノード１１２との接触面１２０ｂに形成されている。従って、ガス流路１２２を通過する水素含有ガスがアノード１１２に供給される。

【0033】

カソード側セパレータ１３０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部１３１によって、酸素含有ガスが通過するガス流路１３２が形成されている。溝部１３１は、ＭＥＡ１１０のカソード１１３との接触面１３０ｂに形成されている。従って、ガス流路１３２を通過する酸素含有ガスがカソード１１３に供給される。

【0034】

そして、燃料電池セル１００は、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させる。水素含有ガスとしては、上述の改質ガス等が挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、及び空気が挙げられるが、中でも取扱容易性及びコストの観点から空気が好ましい。本実施形態では、アノードガスとして、水素製造部４０から改質ガスが供給され、カソードガスとして、後述のカソードガス供給装置５０を介して空気が供給される。

【0035】

図２に示すように、燃料電池スタック部１０１は、複数の燃料電池セル１００が直列接続され、直列接続方向の一方の端部に第１集電体１０２Ａが配置され、積層方向の他方の端部に第２集電体１０２Ｂが配置されている。第１及び第２集電体１０２Ａ，１０２Ｂは、例えば銅板によって形成され、隣接する燃料電池セル１００と電気的に接続されている。また、第１及び第２集電体１０２Ａ，１０２Ｂには、外方に張り出す接続端子１０２ｔが回路４Ａを構成するものとして設けられている。

【0036】

第３集電体１０２Ｃは、燃料電池セル１００の直列接続方向において第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとの間に配置されている。第３集電体１０２Ｃは、例えば、上述のセパレータ１２０，１３０によって構成され、隣接する燃料電池セル１００と電気的に接続されている。第４集電体１０２Ｄは、燃料電池セル１００の直列接続方向において第２集電体１０２Ｂと第３集電体１０２Ｃとの間に配置されている。第４集電体１０２Ｄは、例えば、上述のセパレータ１２０，１３０によって構成され、隣接する燃料電池セル１００と電気的に接続されている。また、第３及び第４集電体１０２Ｃ，１０２Ｄには、外方に張り出す接続端子１０２ｔが回路４Ａを構成するものとして設けられている。

【0037】

これら第３及び第４集電体１０２Ｃ，１０２Ｄは、その間の電圧が第１及び第２集電体１０２Ａ，１０２Ｂ間の電圧よりも小さくなるよう配置されている。ここでは、第１〜第４集電体１０２Ａ〜１０２Ｄは、直列接方向に等間隔で配置されている。よって、第１及び第３集電体１０２Ａ，１０２Ｃ間の燃料電池スタック部１０１による発電電圧と、第２及び第４集電体１０２Ｂ，１０２Ｄ間の燃料電池スタック部１０１による発電電圧と、集電体１０２Ａ，１０２Ｃ間の燃料電池セル１００による発電電圧とは、補機５を作動させるための電圧（補機作動電圧、例えば２４Ｖ）となっている。

【0038】

以上のように構成された燃料電池ユニット６０Ａでは、その内部が分割され、独立した一つの電池としてそれぞれ機能する複数のスタック部１０１Ａ〜１０１Ｃが直列接続された構成とされる。すなわち、集電体１０２Ａ，１０２Ｃ間の燃料電池セル１００により第１スタック部１０１Ａが構成され、集電体１０２Ｃ，１０２Ｄ間の燃料電池セル１００により第２スタック部１０１Ｂが構成され、集電体１０２Ｄ，１０２Ｂ間の燃料電池セル１００により第３スタック部１０１Ｃが構成される。

【0039】

セル固定部１０３は、燃料電池セル１００の積層方向の両端部に配置された第１及び第２集電体１０２Ａそれぞれの外側に配置されている。セル固定部１０３は、第１及び第２集電体１０２Ａ，１０２Ｂを挟み、これらを両側から固定する。

【0040】

継電部３ａ〜３ｄは、補機５に電力を供給する第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃを切替可能とする構成を有している。この継電部３（３ａ〜３ｄ）は、スイッチ素子を含み、このスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、燃料電池スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃから出力される発電電力の電圧に応じて、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃと回路４との接続状態を切り替える。ここでの継電部３は、電圧検出部８０で検出された第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃの各電圧に基づき回路４Ａを切り替え、補機５に供給される発電電力の電圧を維持させる（詳しくは、後述）。継電部３としては、例えばリレー等が用いられている。

【0041】

ここで、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃの電圧低下が電圧検出部８０により検出されない通常時には、継電部３ｂ及び３ｃはＯＮ状態、継電部３ａ及び３ｄはＯＦＦ状態になるように制御され、回路４Ａが図２（ａ）に示す回路状態とされる。このとき、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃで発生された発電電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって変圧された上で直交変換器７２によって直流から交流に変換され、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。これと共に、第２スタック部１０１Ｂで発生された２４Ｖの発電電力は、補機５に供給されて該補機５が作動される。

【0042】

一方、例えば第２スタック部１０１Ｂの電圧低下が電圧検出部８０により検出された場合には、継電部３ａ及び３ｂはＯＮ状態、３ｃ及び３ｄはＯＦＦ状態になるように制御され、回路４Ａが例えば図２（ｂ）に示す回路状態とされる。つまり、電圧検出部８０で電圧低下が検出された第２スタック部１０１Ｂを回路４Ａから切り離すように回路４Ａが切り替えられる。換言すると、電圧が安定しているスタック部１０１に接続されるように回路４Ａを切り替える。その結果、補機５に印加される発電電力の電圧は２４Ｖのまま維持され、補機５において印加電圧の低下が抑制されることとなる。

【0043】

以上、本実施形態では、例えば第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃ（複数の燃料電池スタック部１０１）の何れかで電圧低下が発生した場合でも、電圧検出部８０で検出された電圧値に基づき継電部３ａ〜３ｄによって回路４Ａを切り替えることで、補機５に電力を供給する第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃを切り替え、補機５に印加される発電電力の電圧を所定電圧に維持させることができる。その結果、電圧低下が生じた燃料電池スタック部１０１に対する発電負荷を軽減しつつ、補機５への印加電圧の低下を抑制することが可能となる。

【0044】

また、上述したように、継電部３ａ〜３ｄは、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃのうち電圧検出部８０で電圧低下が検出された第２スタック部１０１ＢからＰＣＳ７０又は／及び補機５への電力供給を遮断するよう回路４Ａを切り替えている。よって、電圧低下が生じた第２スタック部１０１Ｂに対する発電負荷を確実に減らし、電圧低下を抑制することが可能となる。

【0045】

なお、本実施形態は、直列接続された３つの第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃを備えているが、本発明は、スタック部の数が限定されるものではなく、複数のスタック部を備えていればよい。例えば、第１〜第３スタック部１０１Ａ〜１０１Ｃと同様の第４スタック部１０１Ｄをさらに備え、第１〜第４スタック部１０１Ａ〜１０１Ｄが直列接続されるよう構成されていてもよい。この場合においても、回路４Ａに継電部３ａ〜３ｄが設けられ、この継電部３ａ〜３ｄによって、補機５に供給される発電電力の電圧に応じて燃料電池ユニット６０Ａと回路４Ａとの接続状態が切り替えられる。

【0046】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

【0047】

図５は、第２実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃ、ＰＣＳ７０、補機５、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部８０、及び第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃと補機５及びＰＣＳ７０との接続を切替可能とする継電部３ａ〜３ｄを備え、それらによって回路４が形成されている。図３（ａ）は、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃにおいて電圧低下が検出されておらず、補機５への電力は第２スタック部２０１Ｂから供給しているときの継電部３の接続状態を示す。図３（ｂ）は、第２スタック部２０１Ｂの電圧が低下し、補機５への電力供給を第１スタック部２０１Ａに変更したときの継電部３の接続状態を示す。

【0048】

図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムが上記第１実施形態と異なる点は、燃料電池ユニット６０Ａ（図２参照）に代えて燃料電池ユニット６０Ｂを備え、回路４Ａ（図２参照）に代えて回路４Ｂを備えた点である。

【0049】

本実施形態の燃料電池ユニット６０Ｂは、回路４Ｂにより並列に接続された第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃを有している。具体的には、図６に示すように、燃料電池ユニット６０Ｂは、絶縁部２０５，２０６が形成されることによって、積層方向の直交方向（図示上下方向：以下、単に「直交方向」という）において、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃに３分割されている。

【0050】

絶縁部２０５及び絶縁部２０６は、燃料電池ユニット６０Ｂが直交方向において三等分されるように配置される。第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃのそれぞれは、互いに電気的に絶縁され、独立した一つの電池として機能する。

【0051】

図７に戻り、回路４Ｂは、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃを電気的に繋いでこれらを直列接続する。この回路４Ｂに設けられた継電部３ａ〜３ｆは、補機５及びＰＣＳ７０により補機５に電力を供給する第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃを切替可能とする構成を有している。

【0052】

ここで、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃの電圧低下が電圧検出部８０により検出されない通常時には、全ての継電部３ａ〜３ｆがＯＮ状態になるように制御され、回路４Ｂが図５（ａ）に示す回路状態とされる。このとき、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃで発生された発電電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって変圧された上で直交変換器７２によって直流から交流に変換され、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。これと共に、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃで発生された２４Ｖの発電電力は、補機５に供給されて該補機５が作動される。

【0053】

一方、例えば第２スタック部２０１Ｂの電圧低下が電圧検出部８０により検出された場合には、継電部３ａ及び３ｂはＯＮ状態、３ｃ及び３ｄはＯＦＦ状態になるように制御され、回路４Ｂが図５（ｂ）に示す回路状態とされる。つまり、電圧検出部８０で電圧低下が検出された第２スタック部２０１Ｂを回路４Ｂから切り離すように回路４Ｂが切り替えられる。その結果、補機５に供給される発電電力の電圧は２４Ｖのまま維持され、補機５において印加電圧の低下が抑制されることとなる。

【0054】

このように構成された本実施形態においても、電圧検出部８０で検出された電圧値に基づき継電部３ａ〜３ｆによって回路４Ｂを切り替えることで、補機５に電力を供給する第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃを切り替え、補機５及びＰＣＳ７０に供給される発電電力の電圧を所定電圧に維持させることができ、その結果、電圧低下が生じた燃料電池スタック部に対する発電負荷を軽減しつつ、補機５への印加電圧の低下を抑制することが可能となる。

【0055】

また、第２実施形態において、継電部３ａ〜３ｆついて別の操作をすることもできる。図７は、第２実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す他のブロック図である。図７に示すように、本実施形態における燃料電池ユニット６０Ｂは、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃが互いに電気的に並列に接続されて構成されている。図７（ａ）は、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃにおいて電圧低下が検出されておらず、補機５への電力は第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃから供給しているときの継電部３ｄ〜３ｆの接続状態を示す。図７（ｂ）は、第２スタック部２０１Ｂの電圧が低下し、補機５への電力供給を第１スタック部２０１Ａ及び第３スタック部２０１Ｃに変更したときの継電部３ｄ〜３ｆの接続状態を示す。

【0056】

ここで、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃの電圧低下が電圧検出部８０により検出されない通常時には、継電部３ｂ、３ｄ、３ｅ及び３ｆはＯＮ状態、継電部３ａ及び３ｃはＯＦＦ状態になるように制御され、回路４Ｂが図７（ａ）に示す回路状態とされる。このとき、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃで発生された発電電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって変圧された上で直交変換器７２によって直流から交流に変換され、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。これと共に、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃで発生された２４Ｖの発電電力は、補機５に供給されて該補機５が作動される。

【0057】

一方、例えば第２スタック部２０１Ｂの電圧低下が電圧検出部８０により検出された場合には、継電部３ａ，３ｄ，３ｅ及び３ｆはＯＮ状態、継電部３ｂ及び３ｃはＯＦＦ状態になるように制御され、回路４Ｂが図７（ｂ）に示す回路状態とされる。つまり、電圧検出部８０で電圧低下が検出された第２スタック部２０１Ｂを回路４Ｂから切り離すように回路４Ｂが切り替えられる。その結果、補機５に印加される発電電力の電圧は２４Ｖのまま維持され、補機５において印加電圧の低下が抑制されることとなる。

【0058】

なお、第１及び第２実施形態は、並列接続された３つの第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃを備えているが、上述したように本発明はスタック部の数が限定されるものではなく、複数のスタック部を備えていればよい。

【0059】

例えば、燃料電池ユニット６０Ｂは、第１〜第３スタック部２０１Ａ〜２０１Ｃと同様の第４スタック部をさらに備え、第１〜第４スタック部が並列接続されるよう構成されてもよい。この場合においても、回路４Ｂに継電部３が設けられ、この継電部３によって、補機５及びＰＣＳ７０に供給される発電電力の電圧に応じて、第１〜第４スタック部と回路４Ｂとの接続状態が切り替えられる。

【0060】

また、図８に示す第３実施形態に係る燃料電池システムのように、直列接続および並列接続を併用して第１〜第４スタック部３０１Ａ〜３０１Ｄを接続した燃料電池ユニット６０Ｃを用い、回路４Ｃを構成することができる。この場合、補機５やＰＣＳ７０に印加すべき電圧に応じて、スタック部３０１Ａ〜３０１Ｄと回路４Ｃとの接続状態を切り替えればよい。

【0061】

さらには、図９に示す第４実施形態に係る燃料電池システムのように、直列接続および並列接続を併用してメインスタック部４０１Ｍと第１〜第４スタック部４０１Ａ〜４０１Ｄを接続した燃料電池ユニット６０Ｄとを用い、回路４Ｄを構成することもできる。この場合、補機５やＰＣＳ７０に印加すべき電圧に応じて、メインスタック部４０１Ｍ及び第１〜第４スタック部４０１Ａ〜４０１Ｄと回路４Ｄとの接続状態を切り替えればよい。

【0062】

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

【0063】

例えば、上記第１〜第３実施形態では固体電解質形燃料電池を用いたが、これに限られず、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用してもよい。また、燃料電池ユニットとして、複数のスタック部が物理的に密着している構成を例に説明したが、複数のスタック部が配線等により電気的に接続されている構成のものを用いることもできる。

【0064】

ちなみに、上記第１〜第３の本実施形態では、補機５に供給される発電電力の電圧が維持されるよう構成されているが、これに代えて若しくは加えて、ＰＣＳ７０に供給される発電電力の電圧が維持されるよう構成されていてもよい。

【0065】

また、上記実施形態は、出力される発電電力の電圧が２４Ｖで維持されるよう構成されているが、５Ｖ、１２Ｖ、４８Ｖ又はその他の電圧で維持されるよう構成されていてもよい。また、出力される発電電力の電圧が所定電圧に維持されているが、所定電圧範囲内に維持される場合もある。

【符号の説明】

【0066】

１…燃料電池システム、３，３ａ〜ｆ…継電部、４，４Ａ〜４Ｄ…回路（回路部）、５…補機、８０…電圧検出部、１００…燃料電池セル、１０１…燃料電池スタック部（スタック部）、１０１Ａ，２０１Ａ，３０１Ａ，４０１Ａ…第１スタック部（スタック部）、１０１Ｂ，２０１Ｂ，３０１Ｂ，４０１Ｂ…第２スタック部（スタック部）、１０１Ｃ，２０１Ｃ，３０１Ｃ，４０１Ｃ…第３スタック部（スタック部）、３０１Ｄ，４０１Ｄ…第４スタック部（スタック部）、４０１Ｍ…メインスタック部（スタック部）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】