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JP2012033500A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2012033500A
JP2012033500A JP2011223348A JP2011223348A JP2012033500A JP 2012033500 A JP2012033500 A JP 2012033500A JP 2011223348 A JP2011223348 A JP 2011223348A JP 2011223348 A JP2011223348 A JP 2011223348A JP 2012033500 A JP2012033500 A JP 2012033500A
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Japan
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fuel cell
output
overload state
overload
state
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2011223348A
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Japanese (ja)
Inventor
Takamasa Yanase
考応 柳瀬
Fumiharu Iwasaki
文晴 岩崎
Kazutaka Yuzurihara
一貴 譲原
Tsuneaki Tamachi
恒昭 玉地
Takashi Sarada
孝史 皿田
Toru Ozaki
徹 尾崎
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small fuel cell system capable of taking a configuration with simple structure, preventing power generation in an overload state of a fuel cell, preventing deterioration of the fuel cell system, and obtaining stable output from the fuel cell, in the fuel cell system using the fuel cell as a power supply.SOLUTION: An overload state of all single cells 1a, 1b, and 1c constituting a fuel cell is detected. If the overload state is detected, fuel cell output is controlled so that the fuel cell output is cut off or the cell in the overload state is returned to a normal power generation state.

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に転極乃至過負荷による燃料電池単セルの劣化を防止して携帯機器等の小型電子機器の電源として有用なものとなるよう工夫したものである。   The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, has been devised so as to be useful as a power source of a small electronic device such as a portable device by preventing deterioration of a fuel cell single cell due to inversion or overload.

近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い、増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。かかる状況の下、高エネルギー密度の小型エネルギー電源として、燃料電池が注目されている。   In recent years, power consumption of mobile devices typified by mobile phones has been steadily increasing as the functionality of the devices has increased, and improving the capacity of the power source has become a major issue. Under such circumstances, fuel cells are attracting attention as small energy power sources with high energy density.

燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持してなり、燃料極で水素、或いはメタノール等の燃料を酸化し、酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池(PEFC)は室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源としての応用が期待されている。   In a fuel cell, two types of electrodes are sandwiched between electrolytes, and electricity is generated by oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol at a fuel electrode and reducing oxygen in the atmosphere at an oxygen electrode. Among the fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is capable of generating power near room temperature and has high output density and can be miniaturized, so it is expected to be applied as a power source for portable devices. Has been.

電源として燃料電池を用いる場合、燃料電池の単セルの実用的な動作電圧は0.5V付近である。そこで、実用的な負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけ前記単セルを直列に接続して所定の高い出力電圧を得ている。   When a fuel cell is used as a power source, the practical operating voltage of a single cell of the fuel cell is around 0.5V. Therefore, in order to obtain a voltage necessary for a practical load, the required number of single cells are connected in series to obtain a predetermined high output voltage.

このように、燃料電池の単セルを直列に接続することによって、高電圧・高出力の燃料電池が得られるが、複数の単セルを直列接続して用いる場合には、各単セルの出力のバラツキに起因して前記単セルの集合体としての燃料電池の発電性能が悪化するという問題が発生する。発電性能の低い単セルは、抵抗成分となり、前記燃料電池の出力を低下させてしまうからである。このため、各単セルの出力のバラツキを抑えるべく、補器類等を利用して燃料供給方法を制御する等の工夫が提案されている(例えば特許文献1参照。)。   Thus, by connecting the single cells of the fuel cell in series, a high voltage / high output fuel cell can be obtained. However, when a plurality of single cells are connected in series, the output of each single cell is Due to the variation, there arises a problem that the power generation performance of the fuel cell as an assembly of the single cells deteriorates. This is because a single cell with low power generation performance becomes a resistance component and reduces the output of the fuel cell. For this reason, in order to suppress the variation in the output of each single cell, a device has been proposed such as controlling the fuel supply method using auxiliary devices or the like (see, for example, Patent Document 1).

特開平06−103998号公報(第3頁、第1図)Japanese Patent Laid-Open No. 06-103998 (page 3, FIG. 1)

燃料電池は、一次電池や二次電池等に比べて負荷応答性が低く、また負荷電流の増加にともない各種過電圧(活性化過電圧、抵抗過電圧、拡散過電圧)による電圧降下を生起する。さらに、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池等に比べて電圧変動の幅が大きい。特に、拡散過電圧による燃料電池電圧の電圧降下の影響が顕著となる発電領域においては、負荷電流の増加に対する電圧降下の比率が大きい。   Fuel cells have lower load responsiveness than primary batteries, secondary batteries, etc., and cause a voltage drop due to various overvoltages (activation overvoltage, resistance overvoltage, diffusion overvoltage) as the load current increases. Furthermore, even if the load current value is constant, the output voltage from the fuel cell has a larger voltage fluctuation range than the primary battery or the secondary battery. In particular, in the power generation region where the influence of the voltage drop of the fuel cell voltage due to the diffusion overvoltage becomes significant, the ratio of the voltage drop to the increase in load current is large.

かかる特性を有する燃料電池の過負荷状態での負荷の印加は、燃料電池が転極を起こす等、劣化の原因となり好ましくない。   Application of a load in an overload state of a fuel cell having such characteristics is not preferable because it causes deterioration such as inversion of the fuel cell.

ちなみに、従来方法である燃料の供給制御のみでは、燃料電池の起電時や、外部負荷へ電力を供給する際の急激な負荷の増加に対応しきれない。かかる状態で、発電性能の低い単セルが過負荷状態での運転を強要され、過負荷状態での運転を行っている単セルが存在する状態で当該燃料電池が発電を続けると、過負荷状態で運転を行っている前記単セルは、電解質膜の劣化や触媒金属の溶出、凝集等による性能劣化を生起する。この結果、前記単セルを含む燃料電池を利用した燃料電池システムの出力が低下してしまう。   Incidentally, the conventional fuel supply control alone cannot cope with the sudden increase in load when the fuel cell is powered or when power is supplied to an external load. In such a state, if a single cell with low power generation performance is forced to operate in an overload state, and the fuel cell continues to generate power in the presence of a single cell operating in an overload state, an overload state The single cell that is operated in the above-described manner causes performance deterioration due to deterioration of the electrolyte membrane, elution and aggregation of the catalyst metal, and the like. As a result, the output of the fuel cell system using the fuel cell including the single cell is lowered.

さらに、携帯機器等の小型電子機器向けの燃料電池システムとしては、燃料の供給を行う装置が大型化してしまうため、前述の如き燃料の供給方式のものは適さない。特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ軽量かつ小型であることが求められるので、体積を要する補器類を用いずに燃料電池の過負荷状態での発電を防止し、燃料電池システムの劣化を防ぎ、燃料電池から安定的な出力が得られる燃料電池システムであることが肝要である。   Furthermore, as a fuel cell system for a small electronic device such as a portable device, the fuel supply system as described above is not suitable because the device for supplying the fuel becomes large. In particular, power supplies for small portable devices are required to be light and compact with limited dimensions. Therefore, power generation in an overloaded state of the fuel cell can be prevented without using a large volume of auxiliary equipment. It is essential that the fuel cell system prevent deterioration and obtain a stable output from the fuel cell.

本発明は、上記従来技術に鑑み、直列に接続されて燃料電池を構成する各単セルの転極・過負荷運転を有効に防止するとともに前記各単セルの機能回復も実現し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above prior art, the present invention effectively prevents the inversion / overload operation of each unit cell connected in series and constitutes the fuel cell, and also realizes the function recovery of each unit cell. The purpose is to provide.

上記目的を達成する本発明の第1の態様は、
少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段とを備えたことを特徴とする。
The first aspect of the present invention for achieving the above object is as follows:
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
When the inversion / overload state is detected continuously for a predetermined time or more by the abnormality detection means for detecting power generation in the inversion / overload state of each single cell, the inversion / And protective means for cutting off the output of the fuel cell based on an overload state signal.

本態様によれば、異常検出手段により単セルの転極・過負荷が検出された時点で燃料電池の出力が遮断されるので、転極・過負荷状態となっている単セルの劣化を未然に防止することができる。さらに、本形態によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて出力の遮断を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に出力の遮断動作を行わせることができる。   According to this aspect, since the output of the fuel cell is cut off when the polarity detection / overload of the single cell is detected by the abnormality detection means, the deterioration of the single cell that is in the polarity / overload state is prevented in advance. Can be prevented. Furthermore, according to the present embodiment, since the output is shut off after a predetermined time after the inversion / overload state is detected, the influence of the chattering phenomenon is removed and the inversion / overload is accurately performed. While detecting the state, it is possible to reliably perform the output shut-off operation only when necessary.

特に、燃料電池は、一次電池や二次電池などに比べて負荷応答性が低く、同時に負荷電流の増加に伴い各種過電圧(活性化過電圧、抵抗過電圧、拡散過電圧)による電圧降下を生起して、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池などに比べて変動の幅が広いという特性を有する。そこで、前記保護手段に、燃料電池の負荷応答性を考慮した遅延要素を介在させることでその安定的な動作を保証することは、燃料電池の出力を有効に利用するという観点から重要なことである。   In particular, fuel cells have lower load responsiveness than primary batteries and secondary batteries, and at the same time, as the load current increases, voltage drops due to various overvoltages (activation overvoltage, resistance overvoltage, diffusion overvoltage) occur. Even if the load current value is constant, the output voltage from the fuel cell has a characteristic that the fluctuation range is wider than that of the primary battery or the secondary battery. Therefore, it is important from the viewpoint of effectively using the output of the fuel cell to ensure its stable operation by interposing a delay element in consideration of the load response of the fuel cell in the protection means. is there.

本発明の第2の態様は、
少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたとき前記転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段とを備えたことを特徴とする。
The second aspect of the present invention is:
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
When the inversion / overload state is detected continuously for a predetermined time or more by the abnormality detection means for detecting power generation in the inversion / overload state of each single cell, the inversion / Protection means for sending overload status signals;
And a current limiting means for starting operation upon receiving the reversal / overload state signal and controlling the output current of the fuel cell to gradually decrease.

本態様によれば、異常検出手段により単セルの転極・過負荷が検出された時点で燃料電池の出力電流を制限することができるので、転極・過負荷状態となっている単セルの劣化を未然に防止することができる。同時に、制限はされているが電流の供給は継続することができる。さらに、本態様によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて電流制限を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に電流制限動作を行わせることができる。   According to this aspect, since the output current of the fuel cell can be limited at the time when the inversion / overload of the single cell is detected by the abnormality detection means, the single cell in the inversion / overload state can be limited. Deterioration can be prevented in advance. At the same time, the current supply can be continued, although limited. Furthermore, according to this aspect, since the current limit is performed after a predetermined time after the inversion / overload state is detected, the influence of the chattering phenomenon is removed and the inversion / overload state is accurately performed. The current limiting operation can be surely performed only when necessary while detecting the above.

本発明の第3の態様は、
少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする。
The third aspect of the present invention is:
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
When the polarity / overload state is detected by the abnormality detection means for detecting the power generation in the polarity / overload state of each single cell, the fuel cell is controlled based on the polarity / overload state signal representing this state. Protection means to shut off the output;
Output recovery means is provided for starting operation upon receiving the reversal / overload state signal and recovering the output of the fuel cell.

本態様によれば、第1の態様と同様の燃料電池の出力の遮断を行う一方で、燃料電池の出力回復措置を行うことができる。   According to this aspect, the output recovery of the fuel cell can be performed while the output of the fuel cell is cut off as in the first aspect.

本発明の第4の態様は、
少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えたことを特徴とする。
The fourth aspect of the present invention is:
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
Protection means for sending a polarity / overload state signal indicating the state when the polarity / overload state is detected by an abnormality detection means for detecting power generation in the polarity / overload state of each single cell; ,
A current limiting means for starting operation upon receiving the reversal / overload state signal and controlling the output current of the fuel cell to gradually decrease;
Output recovery means is provided for starting operation upon receiving the reversal / overload state signal and recovering the output of the fuel cell.

本態様によれば、第2の態様と同様の電流制限を行いつつ、燃料電池の出力回復措置を行うことができる。   According to this aspect, it is possible to perform the fuel cell output recovery measure while performing the same current limitation as in the second aspect.

本発明の第5の態様は、
上記第3又は第4の態様において、
前記転極・過負荷状態信号は、前記異常検出手段により転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたことを条件として形成されるようにしたことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention,
In the third or fourth aspect,
The inversion / overload state signal is formed on condition that the inversion / overload state is continuously detected for a predetermined time or more by the abnormality detecting means.

本態様によれば、転極・過負荷状態が検出された後、所定時間をおいて上記第3又は第4の態様における出力の遮断又は電流制限を行うようにしたので、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行いつつ、必要なときのみ確実に出力の遮断又は電流制限等の必要な動作を行わせることができる。   According to this aspect, after the inversion / overload state is detected, the output is interrupted or the current is limited in the third or fourth aspect after a predetermined time. It is possible to accurately perform necessary operations such as shutting off the output or limiting the current only when necessary, while removing and accurately detecting the inversion and overload conditions.

本発明の第6の態様は、
上記第3乃至第5の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルのみに回復措置を行うものであることを特徴とする。
The sixth aspect of the present invention is:
In any one of the third to fifth aspects,
The output recovery means is characterized in that a recovery measure is performed only for a single cell in which a polarization / overload state is detected.

本態様によれば、単セル毎の回復措置が行われる。この結果、回復措置に要する処置作業等は最小限度のもので済む。   According to this aspect, the recovery measures for each single cell are performed. As a result, the treatment work required for the recovery measure is minimal.

本発明の第7の態様は、
上記第3乃至第5の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルを含め前記燃料電池を構成する全ての単セルを対象として回復措置を行うものであることを特徴とする。
The seventh aspect of the present invention is
In any one of the third to fifth aspects,
The output recovery means performs a recovery measure for all the single cells constituting the fuel cell including the single cells in which the inversion / overload state is detected.

本態様によれば、燃料電池全体として一体の回復措置が行われる。この結果、各単セルの状態を揃えることが可能になるとともに、転極・過負荷が検出されなかった単セルの出力が向上する。   According to this aspect, an integral recovery measure is performed for the entire fuel cell. As a result, the state of each single cell can be made uniform, and the output of the single cell in which no reversal or overload is detected is improved.

本発明の第8の態様は、
上記第3乃至第7の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したことを特徴とする。
The eighth aspect of the present invention is
In any one of the third to seventh aspects,
The protection means has a switch means for short-circuiting both ends of each single cell, and when a dipole / overload state is detected, both ends of the single cell in this state are short-circuited by the switch means. It is characterized by having constituted so.

本態様によれば、転極・過負荷が検出された単セルはスイッチ手段でバイパスされ、直列に接続された残りのセルで電流を供給しつつ転極・過負荷状態の回復を図ることができる。   According to this aspect, the single cell in which the inversion / overload is detected is bypassed by the switch means, and the inversion / overload state can be recovered while supplying the current to the remaining cells connected in series. it can.

本発明の第9の態様は、
上記第3乃至第8の態様の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、前記単セルの電極近傍に生成された水を除去するものであることを特徴とする。
The ninth aspect of the present invention provides
In any one of the third to eighth aspects,
The output recovery means removes water generated near the electrode of the single cell.

転極・過負荷の根本的な原因の一つとして、燃料や酸素の供給が負荷に対して不十分であることが考えられる。電極近傍の生成水は酸素の供給を阻害するだけでなく、生成水は電解質膜を逆拡散し燃料極の燃料供給をも阻害する場合がある。それにより、酸素および燃料が負荷に対して相対的に不足する。したがって、電極上の水を除去することによって転極・過負荷状態の単セルの機能を回復させることができる。   One of the root causes of inversion and overload is considered to be insufficient fuel and oxygen supply to the load. The generated water in the vicinity of the electrode not only inhibits the supply of oxygen, but the produced water may back-diffuse the electrolyte membrane and inhibit the fuel supply of the fuel electrode. Thereby, oxygen and fuel are deficient relative to the load. Therefore, the function of the single cell in the inversion / overload state can be recovered by removing the water on the electrode.

本態様によれば、電極近傍に生成された水を除去ことができるので、転極・過負荷状態の単セルの機能を回復させることができる。   According to this aspect, water generated in the vicinity of the electrode can be removed, so that the function of the single cell in the inversion / overload state can be recovered.

本発明の第10の態様は、
上記第1乃至第9の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端の電圧が所定値以下の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする。
The tenth aspect of the present invention provides
In any one of the first to ninth aspects,
The protection means determines that the state is inversion or overload when the voltage at both ends of each single cell is equal to or lower than a predetermined value.

転極とは、燃料電池を構成する単セルの出力電圧が反転することをいう。すなわち、負極を基準としたときに正極からマイナスの電圧が検出される状態をいう。また、過負荷とは、燃料電池の出力特性において、燃料電池出力電流の増加に伴い燃料電池出力電圧の低下率が増加する領域で発電を行っている状態をいう。具体的には、燃料電池単セルの電圧が単セルのオペレーション電圧に対して65%の電圧値以下となる発電領域を指す。   Inversion means that the output voltage of a single cell constituting the fuel cell is inverted. That is, a state in which a negative voltage is detected from the positive electrode when the negative electrode is used as a reference. In addition, overload refers to a state in which power generation is performed in a region where the rate of decrease in the fuel cell output voltage increases as the fuel cell output current increases in the output characteristics of the fuel cell. Specifically, it refers to a power generation region in which the voltage of a single fuel cell is 65% or less of the operation voltage of the single cell.

本態様では、各単セルの両端の電圧を検出することで発電電圧の異常を検出することができる。   In this aspect, it is possible to detect an abnormality in the generated voltage by detecting the voltage at both ends of each single cell.

本発明の第11の態様は、
上記第1乃至第9の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの電極の温度が所定値以上の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする。
The eleventh aspect of the present invention is
In any one of the first to ninth aspects,
The protection means is characterized in that when the temperature of the electrode of each single cell is equal to or higher than a predetermined value, it is determined that the state is inversion or overload.

単セル又は燃料の温度調節を行っていない燃料電池システムにおいては、燃料電池の加熱・冷却等を行っていないため、発電で生じた熱と燃料電池の出力とに相対的な関係が成立する。したがって、燃料のフロー、燃料の加湿や加温、セルの加熱等を行う必要がなく、燃料電池の発熱を検出することで燃料電池の出力を把握することができるパッシブ型の燃料電池システムで特に有効なものとなるが、単セルの温度を検出することで発電電圧の異常を検出することができる。   In a fuel cell system in which the temperature of a single cell or fuel is not adjusted, the fuel cell is not heated or cooled, and therefore, a relative relationship is established between the heat generated by power generation and the output of the fuel cell. Therefore, it is not necessary to perform fuel flow, fuel humidification or heating, cell heating, etc., and is particularly a passive type fuel cell system that can grasp the output of the fuel cell by detecting the heat generation of the fuel cell. Although effective, it is possible to detect an abnormality in the generated voltage by detecting the temperature of the single cell.

本発明の第12の態様は、
上記第1乃至第11の態様の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に前記燃料電池の出力を遮断するものであることを特徴とする。
The twelfth aspect of the present invention provides
In any one of the first to eleventh aspects,
The protection means further includes a counting means for counting the number of times each single cell is in a reversal / overload state, and when the reversal / overload of the same single cell is continuously detected a specified number of times or more. The output of the fuel cell is cut off.

本態様によれば、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。   According to this aspect, by managing the number of times of continuous detection of the inversion / overload state, the operation efficiency as the fuel cell system is maintained as high as possible, and at the same time, the inversion / overload state is detected. By shutting off the output of the fuel cell, it is possible to appropriately protect the single cell that is in a reversal / overload state.

本発明の第13の態様は、
上記第2又は第4において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するものであることを特徴とする。
The thirteenth aspect of the present invention provides
In the second or fourth,
The current limiting means controls the output current to gradually decrease from the maximum output current of the fuel cell.

本態様によれば、合理的な電流制限を行うとともに、回復時には燃料電池の最大出力電流を得ることができる。   According to this aspect, it is possible to perform a reasonable current limit and to obtain the maximum output current of the fuel cell at the time of recovery.

本発明の第14の態様は、
上記第13において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するとともに、その途中で前記燃料電池の転極・過負荷状態ではない正常状態への復帰が検出された場合には前記出力電流の値を復帰時点の出力電流値に固定する一方、再度前記転極・過負荷信号を受けた場合には前記出力電流をさらに漸減するように同様の制御を繰り返すものであることを特徴とする。
The fourteenth aspect of the present invention provides
In the thirteenth,
The current limiting means performs control so that the output current gradually decreases from the maximum output current of the fuel cell, and the return of the fuel cell to a normal state that is not a reversal / overload state is detected during the control. In this case, the output current value is fixed to the output current value at the time of return, while the same control is repeated so as to further reduce the output current when receiving the reversal / overload signal again. It is characterized by being.

本態様によれば、燃料電池システムとしての機能を最大限度に維持しつつ、転極・過負荷状態が検出された単セルの劣化を防止する合理的な電流制限を実現することができる。   According to this aspect, it is possible to realize a reasonable current limit that prevents the deterioration of the single cell in which the inversion / overload state is detected, while maintaining the function as the fuel cell system to the maximum extent.

本発明の第15の態様は、
上記第2、第4、第13又は第14において、
さらに外部負荷に供給する出力電流を検出する電流検出手段を備え、この電流検出手段で検出する前記出力電流がゼロとなった時点で前記電流制限手段の動作をリセットするように構成したことを特徴とする。
The fifteenth aspect of the present invention provides
In the second, fourth, thirteenth or fourteenth,
Further, the apparatus includes a current detection unit that detects an output current supplied to the external load, and is configured to reset the operation of the current limiting unit when the output current detected by the current detection unit becomes zero. And

本態様によれば、電流制限を行う必要性がないことを出力電流がゼロとなることにより検知して電流制限手段の動作をリセットしたので、次の外部負荷への電流供給を円滑に行うことができる。   According to this aspect, since it is detected that there is no need to limit the current when the output current becomes zero and the operation of the current limiting unit is reset, the current supply to the next external load can be smoothly performed. Can do.

本発明によれば、燃料電池の起電時や、外部負荷へ電力を供給する際の急激な負荷の増加や、燃料不足の状態等による、燃料電池の転極・過負荷状態での発電を、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持した状態で防止することができるので、燃料電池の劣化モードでの発電の防止と、燃料電池単セルの初期の発電能力が維持され、その結果、動作効率を劣化させることなく、燃料電池システムの長寿命化が可能となる。   According to the present invention, it is possible to generate power in a fuel cell inversion or overload due to a sudden increase in load when power is supplied to an external load, supply of electric power to an external load, or a shortage of fuel. Because it can prevent the fuel cell system operating efficiency as high as possible, it can prevent power generation in the degradation mode of the fuel cell and maintain the initial power generation capacity of the single fuel cell. As a result, it is possible to extend the life of the fuel cell system without deteriorating the operation efficiency.

また、適切な回復措置を組み合わせた場合や、転極・過負荷状態の連続発生回数を加味した出力遮断乃至電流制限動作とする場合には、さらに全体的な動作効率を向上させることができる。   Further, when an appropriate recovery measure is combined, or when an output cut-off or current limit operation is performed in consideration of the number of consecutive occurrences of inversion / overload conditions, the overall operation efficiency can be further improved.

本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。1 is a block diagram of a fuel cell power supply system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。It is a block diagram of the fuel cell power supply system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。It is a block diagram of the fuel cell power supply system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図3の昇圧制御回路の詳細な一例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a detailed example of a boost control circuit in FIG. 3. 本発明の第4の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。It is a block diagram of the abnormality detection part which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。It is a block diagram of the fuel cell power supply system which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係る燃料電池電源システムのブロック線図である。It is a block diagram of the fuel cell power supply system which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 図7の昇圧制御回路の詳細な一例を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a detailed example of the boost control circuit of FIG. 7. 本発明の第7の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。It is a block diagram of the abnormality detection part which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。It is a block diagram of the abnormality detection part which concerns on the 8th Embodiment of this invention. 図10の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation | movement of FIG. 本発明の第4の実施の形態に係る異常検出部のブロック線図である。It is a block diagram of the abnormality detection part which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

一般に、燃料電池として、固体高分子型燃料電池(PEFC)を用いる場合、水素は、液体水素、水素ガス、又は水素原子のいずれかの状態で、高圧ボンベ、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素材料等からなる群の少なくとも1種類以上の手段により貯蔵する。一方、アルコールや無機ケミカルハイドライドや有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質や加水分解などの化学変化によって水素を取り出すことも可能である。   In general, when a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used as a fuel cell, hydrogen is in a state of liquid hydrogen, hydrogen gas, or hydrogen atom, a high-pressure cylinder, a hydrogen storage alloy, a carbon nanotube, fullerene, etc. It is stored by at least one means of the group consisting of carbon materials. On the other hand, it is also possible to extract hydrogen by chemical changes such as reforming and hydrolysis of hydrogen-containing chemical substances such as alcohol, inorganic chemical hydride, and organic chemical hydride.

一方、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)に代表される燃料直接型の燃料電池を用いる場合は、燃料としてメタノールを使用する。また、メタノールの代わりに、燃料としてジメチルエーテル(DME)、2−プロパノール、エタノール等のアルコール類等を用いることも可能である。更に、燃料直接型の燃料電池の燃料として、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物の水溶液を使用することが出来る。   On the other hand, when using a direct fuel cell such as a direct methanol fuel cell (DMFC), methanol is used as the fuel. Moreover, it is also possible to use alcohols, such as dimethyl ether (DME), 2-propanol, and ethanol, as a fuel instead of methanol. Furthermore, an aqueous solution of a metal hydride complex compound such as sodium borohydride can be used as a fuel for a direct fuel cell.

本発明は、何れのタイプの燃料電池であっても適用し得る。   The present invention can be applied to any type of fuel cell.

<第1の実施の形態>
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの転極状態での運転を防止するもので、転極状態が検出された場合には燃料電池の出力を遮断するように構成してある。
<First Embodiment>
In this embodiment, the operation of the single cell constituting the fuel cell is prevented from being operated in the inversion state. When the inversion state is detected, the output of the fuel cell is cut off.

図1に示すように、当該燃料電池システムは、電源として燃料から化学反応により電力の取り出しが可能なPEFCの燃料電池1と、昇圧制御回路として燃料電池1の出力を昇圧する昇圧制御回路2と、蓄電要素として容量が400mAhの公称電圧8.4Vの2セルのリチウムイオン二次電池3(以下LIB3と略す。)とLIB3の電流の逆流防止の為のショットキダイオード4と、燃料電池1の単極・過負荷状態での運転を防止する保護回路5からなり、外部負荷6へ電力を供給する構成とした。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a PEFC fuel cell 1 that can extract electric power from fuel by a chemical reaction as a power source, and a boost control circuit 2 that boosts the output of the fuel cell 1 as a boost control circuit. 2 battery lithium ion secondary battery 3 (hereinafter abbreviated as LIB3) having a capacity of 400 mAh as a storage element, Schottky diode 4 for preventing reverse current flow of LIB3, and single fuel cell 1 The protection circuit 5 prevents the operation in a pole / overload state, and power is supplied to the external load 6.

燃料電池1は燃料電池の3個の単セル1a、1b、1cを直列に接続して構成される。また、燃料電池1の開回路電圧は2.93Vとした。昇圧制御回路2の出力電圧値は8.5Vに設定した。外部負荷6には直流の電子負荷装置を接続した。   The fuel cell 1 is configured by connecting three unit cells 1a, 1b, and 1c of a fuel cell in series. The open circuit voltage of the fuel cell 1 was 2.93V. The output voltage value of the boost control circuit 2 was set to 8.5V. A DC electronic load device was connected to the external load 6.

保護回路5は、それぞれが各単セル1a、1b、1cの両端の電圧を比較する3個のコンパレータ7a、7b、7cと3入力ANDゲート論理回路8と、燃料電池1の出力を切り換える為のN−chMOSFET9と、N−chMOSFET9をドライブするための遅延動作機能を持つドライブ回路10を有している。   The protection circuit 5 switches the output of the fuel cell 1 with three comparators 7a, 7b, 7c, a three-input AND gate logic circuit 8 for comparing the voltages at both ends of each single cell 1a, 1b, 1c. An N-ch MOSFET 9 and a drive circuit 10 having a delay operation function for driving the N-ch MOSFET 9 are provided.

ここで、本形態における保護回路5は、特に転極状態での発電を検出するようにしたので、各コンパレータ7a、7b、7cの反転入力端子にはそれぞれの単セル1a、1b、1cの燃料極を直接接続するとともに、非反転入力端子にはそれぞれの単セル1a、1b、1cの酸素極を接続してある。各コンパレータ7a、7b、7cの出力は、n入力のANDゲート論理回路8に供給される。   Here, since the protection circuit 5 in the present embodiment detects power generation particularly in the inversion state, the inverting input terminals of the comparators 7a, 7b, 7c are connected to the fuel of the single cells 1a, 1b, 1c. The electrodes are directly connected, and the non-inverting input terminals are connected to the oxygen electrodes of the respective single cells 1a, 1b, 1c. The outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are supplied to an n-input AND gate logic circuit 8.

前記遅延動作は、転極・過負荷状態を表す転極・過負荷状態信号が発生(実際は状態信号の状態の変化)した場合、その値を5秒間保持した場合に結果を反映するようにした。かかる遅延動作を介在させることで、チャタリング現象の影響を除去して精度よく転極・過負荷状態の検出を行うことができる。   The delay operation reflects the result when holding the value for 5 seconds when the polarity / overload status signal indicating the polarity / overload status is generated (actually the status signal status changes). . By interposing such a delay operation, the influence of the chattering phenomenon can be removed and the inversion / overload state can be accurately detected.

また、昇圧制御回路2と、保護回路5に用いられる電子素子は蓄電要素であるLIB3から電力を供給するようにした。蓄電要素は、二次電池、キャパシタ、コンデンサ等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、亜鉛ハロゲン二次電池、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。   In addition, the electronic elements used in the boost control circuit 2 and the protection circuit 5 are supplied with electric power from the LIB 3 that is a storage element. As the storage element, at least one of a group consisting of a secondary battery, a capacitor, a capacitor, and the like can be arbitrarily selected. Secondary batteries include lithium ion secondary battery, lithium polymer secondary battery, metallic lithium secondary battery, nickel metal hydride secondary battery, nickel cadmium secondary battery, nickel iron secondary battery, nickel zinc secondary battery, silver zinc oxide At least one of the group consisting of a secondary battery, a zinc halogen secondary battery, a lead storage battery, a redox flow battery, a sodium sulfur battery, and the like can be arbitrarily selected.

上記構成の本形態に係る燃料電池システムおいて、燃料電池1の全ての単セル1a、1b、1cが正常な発電を行っている場合は、コンパレータ7a、7b、7cのそれぞれの出力はHレベルの出力となる。コンパレータ7a、7b、7cのそれぞれのHレベル出力は、3入力ANDゲート論理回路8に入力されるため、3入力ANDゲート論理回路8の出力はHレベルとなる。この結果、ドライブ回路10は、N−chMOSFET9をターンオンさせ、燃料電池1の出力を昇圧制御回路2に入力させる。かくして、昇圧制御回路2を介して外部負荷6に電力の供給が可能となる。   In the fuel cell system according to this embodiment having the above-described configuration, when all the single cells 1a, 1b, and 1c of the fuel cell 1 perform normal power generation, the outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are H level. Output. Since the H level outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are input to the 3-input AND gate logic circuit 8, the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is at the H level. As a result, the drive circuit 10 turns on the N-ch MOSFET 9 and inputs the output of the fuel cell 1 to the boost control circuit 2. Thus, power can be supplied to the external load 6 via the boost control circuit 2.

一方、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのうち少なくとも1個が転極状態となると、燃料電池1の単セル1a、1b、1cからマイナスの電圧が出力され、単セル1a、1b、1cのうち転極状態のセルに接続されたコンパレータ7a、7b、7cの中のいずれかの出力がLレベルとなる。この結果、3入力ANDゲート論理回路8に入力される信号レベルがすべてHレベルではない状態となり、3入力ANDゲート論理回路8の出力はLレベルとなる。3入力ANDゲート論理回路8の出力レベルが5秒以上継続されると、ドライブ回路10は、N−chMOSFET9をオフする。これによって、燃料電池1の出力を遮断する。かくして転極状態での発電を防止する。燃料電池1の出力の遮断後は、蓄電要素であるLIB3を介して必要な電力を外部負荷6に供給する。   On the other hand, when at least one of the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1 is in a reversed state, a negative voltage is output from the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1, and the single cells 1a, 1b, One of the outputs of the comparators 7a, 7b and 7c connected to the cell in the inverted state in 1c becomes L level. As a result, all signal levels input to the 3-input AND gate logic circuit 8 are not at the H level, and the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is at the L level. When the output level of the 3-input AND gate logic circuit 8 continues for 5 seconds or more, the drive circuit 10 turns off the N-ch MOSFET 9. Thereby, the output of the fuel cell 1 is shut off. Thus, power generation in the inversion state is prevented. After the output of the fuel cell 1 is cut off, necessary electric power is supplied to the external load 6 via the LIB 3 that is a power storage element.

なお、燃料電池1は、一次電池や二次電池などに比べて負荷応答性が低く、同時に負荷電流の増加に伴い各種過電圧による電圧降下を生起して、負荷電流値が一定であっても、燃料電池からの出力電圧は一次電池や二次電池などに比べて変動の幅が広いという特性を有する。そこで、前記保護回路5に、燃料電池1の負荷応答性を考慮した遅延要素であるドライブ回路10を介在させることでその安定的な動作を保証することは、燃料電池1の出力を有効に利用するという観点から重要なことである。   In addition, the fuel cell 1 has a low load responsiveness compared to a primary battery or a secondary battery, and at the same time causes a voltage drop due to various overvoltages with an increase in load current, and even if the load current value is constant, The output voltage from the fuel cell has a characteristic that the fluctuation range is wider than that of the primary battery or the secondary battery. Therefore, the drive circuit 10 which is a delay element considering the load responsiveness of the fuel cell 1 is interposed in the protection circuit 5 to ensure its stable operation, so that the output of the fuel cell 1 can be used effectively. It is important from the viewpoint of doing.

<第2の実施の形態>
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの過負荷状態での運転を防止するもので、過負荷状態が検出された場合に燃料電池の出力を遮断するように構成してある。すなわち、図1に示す第1の実施の形態とは、コンパレータ7a、7b、7cの反転入力端子への入力構造が異なるだけで他は同様の構成となっている。そこで、図1と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Second Embodiment>
In this embodiment, the operation of the single cell constituting the fuel cell is particularly prevented from being operated in an overload state, and the output of the fuel cell is cut off when an overload state is detected. That is, the first embodiment shown in FIG. 1 has the same configuration except that the input structure to the inverting input terminals of the comparators 7a, 7b, and 7c is different. Therefore, the same parts as those in FIG.

図2に示すように、コンパレータ7a、7b、7cの反転入力端子は、基準電圧発生器23を介してGNDに接続してある。本形態では、燃料電池1が拡散過電圧による電圧降下の影響が顕著に表れはじめる単セル電圧が0.3Vであることを考慮して0.3V以下での発電を防止する為、基準電圧発生器23の基準電圧を0.3Vとした。なお、コンパレータ7aの非反転入力端子には単セル1b、1cの電圧が、コンパレータ7bの非反転入力端子には単セル1cの発電電圧が重畳されるが、これは各コンパレータ7a、7b内の処理により同一条件での検出ができるように構成して重畳される電圧の影響を除去している。   As shown in FIG. 2, the inverting input terminals of the comparators 7 a, 7 b, and 7 c are connected to GND through the reference voltage generator 23. In this embodiment, the reference voltage generator is used in order to prevent power generation at 0.3 V or less in consideration of the single cell voltage at which the fuel cell 1 starts to show a significant voltage drop due to the diffusion overvoltage, which is 0.3 V. The reference voltage of 23 was set to 0.3V. The voltage of the single cells 1b and 1c is superimposed on the non-inverting input terminal of the comparator 7a, and the generated voltage of the single cell 1c is superimposed on the non-inverting input terminal of the comparator 7b. The influence of the superimposed voltage is removed by configuring so that the detection can be performed under the same conditions by the processing.

かかる燃料電池システムにおいて、燃料電池1の全ての単セル1a、1b、1cが0.3V以上の電圧をもって発電を行っている場合は、各コンパレータ7a、7b、7cの出力はHレベルとなる。コンパレータ7a、7b、7cのそれぞれのHレベル出力は、3入力ANDゲート論理回路8に入力されるため、3入力ANDゲート論理回路8の出力はHレベルとなる。この結果、ドライブ回路10は、N−chMOSFET9をターンオンさせ、燃料電池1の出力を昇圧制御回路2に入力させる。かくして、昇圧制御回路2を介して外部負荷6に電力の供給が可能となる。   In such a fuel cell system, when all the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1 are generating power with a voltage of 0.3V or higher, the outputs of the comparators 7a, 7b, 7c are at the H level. Since the H level outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are input to the 3-input AND gate logic circuit 8, the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is at the H level. As a result, the drive circuit 10 turns on the N-ch MOSFET 9 and inputs the output of the fuel cell 1 to the boost control circuit 2. Thus, power can be supplied to the external load 6 via the boost control circuit 2.

一方、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのうち少なくとも1個が0.3V以下となると、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのうち過負荷状態のセルに接続されたコンパレータ7a、7b、7cの出力がLレベルとなる。この結果、3入力ANDゲート論理回路8に入力される信号レベルがすべてHレベルではない状態となり、3入力ANDゲート論理回路8の出力はLレベルとなる。3入力ANDゲート論理回路8の出力レベルが5秒以上継続されると、ドライブ回路10は、N−chMOSFET9をオフする。これによって、燃料電池1の出力を遮断する。かくして過負荷状態での発電を防止する。   On the other hand, when at least one of the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1 becomes 0.3 V or less, the comparator 7a connected to the overloaded cell of the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1 , 7b, 7c become L level. As a result, all signal levels input to the 3-input AND gate logic circuit 8 are not at the H level, and the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is at the L level. When the output level of the 3-input AND gate logic circuit 8 continues for 5 seconds or more, the drive circuit 10 turns off the N-ch MOSFET 9. Thereby, the output of the fuel cell 1 is shut off. Thus, power generation in an overload state is prevented.

<第3の実施の形態>
本形態は、特に燃料電池を構成する単セルの転極状態での運転を防止するもので、転極状態が検出された場合に燃料電池の出力電流を制限するように構成してある。すなわち、図1に示す第1の実施の形態が、転極状態の検出により燃料電池1の出力を遮断するのに対し、本形態では同様の条件で燃料電池1の出力電流の制限を行うようにした。したがって、図1に示す第1の実施の形態とは多くの構成要素が同一である。そこで、図1と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Third Embodiment>
In particular, the present embodiment prevents the single cell constituting the fuel cell from operating in a poled state, and is configured to limit the output current of the fuel cell when the poled state is detected. That is, while the first embodiment shown in FIG. 1 cuts off the output of the fuel cell 1 by detecting the inversion state, in this embodiment, the output current of the fuel cell 1 is limited under the same conditions. I made it. Accordingly, many components are the same as those of the first embodiment shown in FIG. Therefore, the same parts as those in FIG.

図3に示すように、保護回路12は3個のコンパレータ7a、7b、7cと、3入力ANDゲート論理回路8と、遅延動作機能を持つドライブ回路10とで構成した。すなわち、転極状態が検出された場合でも燃料電池1の出力を遮断することはない。保護回路12の出力である転極状態を表す転極状態信号は、昇圧制御回路11のコントロール端子15に入力される。昇圧制御回路11は電流制限手段30を有しており、コントロール端子15に転極状態信号が供給された時点で前記電流制限手段30を介して出力電流の制限を行うようになっている。   As shown in FIG. 3, the protection circuit 12 includes three comparators 7a, 7b and 7c, a three-input AND gate logic circuit 8, and a drive circuit 10 having a delay operation function. That is, the output of the fuel cell 1 is not interrupted even when a pole reversal state is detected. A polarity state signal representing a polarity state that is an output of the protection circuit 12 is input to the control terminal 15 of the boost control circuit 11. The step-up control circuit 11 has a current limiting unit 30, and limits the output current via the current limiting unit 30 when a polarity change state signal is supplied to the control terminal 15.

かかる本形態において、第1の実施の形態と同様に、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのすべてが正常な発電を行っている場合は、保護回路12の出力がHレベル出力となる。   In this embodiment, as in the first embodiment, when all of the single cells 1a, 1b, 1c of the fuel cell 1 are generating normal power, the output of the protection circuit 12 becomes an H level output. .

一方、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのうち、少なくとも1個が転極状態の場合には、3入力ANDゲート論理回路8の出力はLレベルとなる。そして、3入力ANDゲート論理回路8の出力レベルが5秒以上継続されると、保護回路12の出力はLレベルとなり、転極状態を表す転極状態信号として昇圧制御回路11に供給される。この結果、昇圧制御回路11はHレベルの入力が得られるまで、昇圧制御回路11から外部負荷6へ供給する出力電流を制限する。この電流制限により生じた外部負荷6への負荷電流の不足分は、LIB3を介して供給される。   On the other hand, when at least one of the single cells 1a, 1b, and 1c of the fuel cell 1 is in a reversed state, the output of the three-input AND gate logic circuit 8 is at the L level. When the output level of the 3-input AND gate logic circuit 8 continues for 5 seconds or more, the output of the protection circuit 12 becomes L level and is supplied to the boost control circuit 11 as a polarity change state signal indicating a polarity change state. As a result, the boost control circuit 11 limits the output current supplied from the boost control circuit 11 to the external load 6 until an H level input is obtained. The shortage of the load current to the external load 6 caused by this current limitation is supplied via the LIB 3.

図4に昇圧制御回路11の詳細構成の一例を示す。本例では、昇圧手段としてスイッチングレギュレータ方式を用いた。燃料電池の出力はN−chMOSFET20がオン状態のときにインダクタ19にエネルギーが蓄積される。N−chMOSFET20がオン状態のとき、ダイオード21に電流は流れない。N−chMOSFET20がオフになると、インダクタ19に蓄積されたエネルギーが、ダイオード21を介して平滑コンデンサ22や外部負荷6へ供給される。   FIG. 4 shows an example of a detailed configuration of the boost control circuit 11. In this example, a switching regulator system is used as the boosting means. As for the output of the fuel cell, energy is stored in the inductor 19 when the N-ch MOSFET 20 is on. When the N-ch MOSFET 20 is on, no current flows through the diode 21. When the N-ch MOSFET 20 is turned off, the energy stored in the inductor 19 is supplied to the smoothing capacitor 22 and the external load 6 via the diode 21.

ここで、出力電圧は、PWM制御回路23によってN−chMOSFET20のオン状態とオフ状態の比率で決定される。PWM制御回路23は、分圧抵抗器24による昇圧制御回路11の出力の電圧降下分と、基準電圧発生器25から印加される基準電圧が一致するように制御する。よって、分圧抵抗器24の抵抗比率を変えることによって、出力電圧を任意に設定することができる。   Here, the output voltage is determined by the PWM control circuit 23 based on the ratio of the ON state to the OFF state of the N-ch MOSFET 20. The PWM control circuit 23 controls the voltage drop of the output of the boost control circuit 11 by the voltage dividing resistor 24 and the reference voltage applied from the reference voltage generator 25 to coincide with each other. Therefore, the output voltage can be arbitrarily set by changing the resistance ratio of the voltage dividing resistor 24.

コントロール端子15からの入力、すなわち転極状態信号は、燃料電池1からの入力電流を制御するコントローラ27に入力される。   An input from the control terminal 15, that is, a polarity change state signal is input to a controller 27 that controls an input current from the fuel cell 1.

昇圧制御回路11のコントロール端子15に入力される信号がHレベルの場合、コントローラ27は、当該昇圧制御回路11の入力側に設けたスイッチ手段であるMOSFET28をオン状態に保ち、NPNトランジスタ29のベース端子にはバイアスを印加しない。よって、昇圧制御回路11の出力はすべてN−chMOSFET28を介して外部負荷6側に供給される。よって、N−chMOSFET28は低オン抵抗のMOSFETが望ましい。燃料電池1の出力が制限されることなく、昇圧回路へ入力される為、燃料電池1が正常な発電を行っている場合には最大の出力が得られる。   When the signal input to the control terminal 15 of the boost control circuit 11 is at the H level, the controller 27 keeps the MOSFET 28, which is a switch means provided on the input side of the boost control circuit 11, in the ON state, and the base of the NPN transistor 29. No bias is applied to the terminals. Therefore, all the outputs of the boost control circuit 11 are supplied to the external load 6 side via the N-ch MOSFET 28. Therefore, the N-ch MOSFET 28 is preferably a low on-resistance MOSFET. Since the output of the fuel cell 1 is input to the booster circuit without being restricted, the maximum output can be obtained when the fuel cell 1 performs normal power generation.

一方、昇圧制御回路11のコントロール端子15に入力される信号がLレベルの場合、すなわち転極状態信号が供給された場合、昇圧制御回路11は、燃料電池1の出力電流を低下させるように制御する。すなわち、コントローラ27は、N−chMOSFET28のゲートの電位をグランドに引き下げ、N−chMOSFET28には燃料電池1の出力電流を流さない。   On the other hand, when the signal input to the control terminal 15 of the boost control circuit 11 is at L level, that is, when a pole state signal is supplied, the boost control circuit 11 performs control so as to decrease the output current of the fuel cell 1. To do. That is, the controller 27 lowers the potential of the gate of the N-ch MOSFET 28 to the ground, so that the output current of the fuel cell 1 does not flow through the N-ch MOSFET 28.

次にコントローラ25は、燃料電池1の最大出力が得られる電流を昇圧制御回路11に流すようにNPNトランジスタ29のベース端子にバイアスを印加する。その後コントローラ27は徐々にNPNトランジスタ29のベース端子のバイアスを減少させ、燃料電池1の出力電流を低下させていく。   Next, the controller 25 applies a bias to the base terminal of the NPN transistor 29 so that a current at which the maximum output of the fuel cell 1 can be obtained flows to the boost control circuit 11. Thereafter, the controller 27 gradually decreases the bias of the base terminal of the NPN transistor 29 and decreases the output current of the fuel cell 1.

その途中の段階で、燃料電池1の中の過負荷状態のセルが正常の出力状態に復帰し、コントロール端子15に入力される信号がHレベルとなると、コントローラ27はNPNトランジスタ29のベース端子に印加するバイアスを固定する。   In the middle of the process, when the overloaded cell in the fuel cell 1 returns to the normal output state and the signal input to the control terminal 15 becomes H level, the controller 27 is connected to the base terminal of the NPN transistor 29. Fix the bias to be applied.

一方、NPNトランジスタ29のベース端子に印加するバイアスを固定した状態でコントロール端子15にLレベルの信号が供給されると、コントローラ27は、コントロール端子15にHレベルが入力されるまで印加するバイアスを更に減少させる。   On the other hand, when an L level signal is supplied to the control terminal 15 with the bias applied to the base terminal of the NPN transistor 29 fixed, the controller 27 applies a bias to be applied until an H level is input to the control terminal 15. Further decrease.

このNPNトランジスタ29を介して燃料電池1の出力が昇圧制御回路11に入力される状態は、外部負荷6が無くなるまで保たれる。これによって、燃料電池単セルの転極状態での運転を防止することが出来る。   The state in which the output of the fuel cell 1 is input to the boost control circuit 11 via the NPN transistor 29 is maintained until the external load 6 is eliminated. As a result, it is possible to prevent the fuel cell single cell from operating in a reversed state.

なお、図3の保護回路12は、図2と同様に、基準電圧発生回路を有するものとしても構わない。この場合は、過負荷状態を検出して電流制限を行うものとなる。   Note that the protection circuit 12 in FIG. 3 may include a reference voltage generation circuit as in FIG. In this case, an overload condition is detected and current limiting is performed.

<第4の実施の形態>
本形態は、転極・過負荷状態の単セルの検出を各単セル温度で検出する場合である。すなわち、図1乃至図3に示す第1乃至第3の実施の形態が、単セルの発電電圧を各単セル1a、1b、1cの両端の電圧を介して検出していたのに対し、本形態では各単セル1a、1b、1cの温度を介して検出している点が異なる。その他は同様の構成である。そこで、図1乃至図3と異なる部分のみを抽出して説明し、重複する部分の説明は省略する。
<Fourth embodiment>
This form is a case where the detection of the single cell of a dipole and an overload state is detected at each single cell temperature. That is, while the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 3 detect the power generation voltage of a single cell via the voltages across the single cells 1a, 1b, and 1c, The difference is that the detection is performed via the temperature of each single cell 1a, 1b, 1c. The other configuration is the same. Therefore, only portions different from those in FIGS. 1 to 3 are extracted and described, and descriptions of overlapping portions are omitted.

図5に示すように、燃料電池1はこれを構成する部材や構造によって、転極・過負荷状態と判断する温度が変化するが、PEFCのパッシブ型で無加湿での燃料電池1ではカソード電極近傍が60℃を超えると膜が乾燥し始め、燃料電池1の内部抵抗が上昇し、燃料電池1の出力特性が低下する。また、燃料電池1が定電流出力を行っていても、各単セル1a、1b、1cの温度が上昇して出力特性が低下すると、燃料電池1は過負荷と同等の状態となる。   As shown in FIG. 5, the temperature at which the fuel cell 1 is determined to be inversion / overloaded varies depending on the members and structure that constitute the fuel cell 1, but in the PEFC passive type non-humidified fuel cell 1, the cathode electrode When the vicinity exceeds 60 ° C., the membrane begins to dry, the internal resistance of the fuel cell 1 increases, and the output characteristics of the fuel cell 1 deteriorate. Even if the fuel cell 1 is outputting a constant current, if the temperature of each single cell 1a, 1b, 1c rises and the output characteristics deteriorate, the fuel cell 1 will be in a state equivalent to an overload.

そこで、過負荷を検出する為の温度は、燃料電池1の各単セル1a、1b、1cの電極近傍における温度を温度センサ31a、31b、31cによって検出するとともに、45〜110℃として検出される値を設定することが望ましい。例えば基準電圧発生器23の基準電圧の設定によって、各単セル1a、1b、1cが45〜110℃の間の設定温度以上になった場合を過負荷状態とする。なお、この場合の温度センサ31a乃至31cとしては熱電対又はサーミスタが好適である。   Therefore, the temperature for detecting the overload is detected as 45 to 110 ° C. while detecting the temperature in the vicinity of the electrodes of the single cells 1a, 1b and 1c of the fuel cell 1 by the temperature sensors 31a, 31b and 31c. It is desirable to set a value. For example, when the reference voltage of the reference voltage generator 23 sets the single cells 1a, 1b, 1c to a temperature higher than 45 to 110 ° C., the overload state is set. In this case, thermocouples or thermistors are suitable as the temperature sensors 31a to 31c.

本形態において、少なくとも1個の単セル1a、1b、1cが過負荷状態となった後のコンパレータ7a、7b,7c等の動作は、第1乃至第3の実施の形態の場合と全く同様である。   In this embodiment, the operations of the comparators 7a, 7b, 7c, etc. after at least one single cell 1a, 1b, 1c is overloaded are exactly the same as those in the first to third embodiments. is there.

本形態では、前記温度センサ31a、31b、31cの出力をオペアンプ32a、32b、32cで増幅して、コンパレータ7a、7b、7cに入力している。ただ、必ずしもこのように形成する必要はなく、温度センサ31a、31b、31cの出力を直接コンパレータ7a、7b、7cに入力しても良い。   In this embodiment, the outputs of the temperature sensors 31a, 31b, and 31c are amplified by operational amplifiers 32a, 32b, and 32c and input to the comparators 7a, 7b, and 7c. However, it is not always necessary to form in this way, and the outputs of the temperature sensors 31a, 31b, 31c may be directly input to the comparators 7a, 7b, 7c.

セル或いは燃料の温調を行っていない燃料電池システムにおいては、燃料電池1の加熱・冷却等の制御を行っていないため、発電に応じた発熱と燃料電池出力との間に相関関係がある。このため、各単セル1a、1b、1cの温度を検出することによって、燃料電池1の出力状態や過負荷状態の検出が可能となる。したがって、燃料のフロー、燃料の加湿や加温、セルの加熱等を行う必要がなく、燃料電池の発熱を検出することで燃料電池1の出力を把握することができるパッシブ型の燃料電池システムで本形態に係る燃料電池システムは特に有効なものとなるが、何れにしても単セル1a、1b、1cの温度を検出することで発電電圧の異常を検出することができ、異常状態が検出された場合には、出力の遮断、出力電流の制限等により第1乃至第3の実施の形態と同様に燃料電池1の劣化を未然に防止し得る。   In the fuel cell system in which the temperature of the cell or the fuel is not controlled, the heating / cooling control of the fuel cell 1 is not performed, so that there is a correlation between the heat generation according to the power generation and the fuel cell output. For this reason, the output state and overload state of the fuel cell 1 can be detected by detecting the temperatures of the single cells 1a, 1b, and 1c. Therefore, there is no need to perform fuel flow, fuel humidification or heating, cell heating, etc., and a passive fuel cell system that can grasp the output of the fuel cell 1 by detecting the heat generation of the fuel cell. The fuel cell system according to this embodiment is particularly effective, but in any case, it is possible to detect an abnormality in the generated voltage by detecting the temperature of the single cells 1a, 1b, 1c, and an abnormal state is detected. In this case, the fuel cell 1 can be prevented from deteriorating in the same manner as in the first to third embodiments by shutting off the output and limiting the output current.

<第5の実施の形態>
本形態は、転極・過負荷状態の検出に伴う出力の遮断とともに、各単セル1a,1b、1cの積極的な回復措置も行うようにしたものである。そこで、図1乃至図5と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Fifth embodiment>
In the present embodiment, the output of the single cell 1a, 1b, 1c is also actively recovered along with the interruption of the output accompanying the detection of the inversion / overload state. Therefore, the same parts as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図6に示すように、各単セル1a、1b、1cのアノード室側にはヒータ41a、41b、41cが配設してある。ここで、各ヒータ41a、41b、41cは各単セル1a、1b、1cの電極周辺に生成される余剰な水を加熱により蒸発させて除去する機能を有する。主に、触媒層とガス拡散層上のガス拡散の阻害となる水を除去して各単セル1a、1b、1cの機能回復を図るためである。この場合の加熱の上限温度は60〜90℃の間で設定することが望ましい。   As shown in FIG. 6, heaters 41a, 41b, and 41c are disposed on the anode chamber side of each single cell 1a, 1b, and 1c. Here, each heater 41a, 41b, 41c has a function of evaporating and removing excess water generated around the electrodes of each single cell 1a, 1b, 1c. This is mainly for the purpose of recovering the function of each single cell 1a, 1b, 1c by removing water that hinders gas diffusion on the catalyst layer and the gas diffusion layer. In this case, it is desirable to set the upper limit temperature of heating between 60 and 90 ° C.

また、各単セル1a、1b、1cには、圧力センサ42a,42b,42c、パージ弁43a,43b,43c、安全弁44a,44b,44cが設けてある。各パージ弁43a乃至43cは出力回復制御手段40からの信号により開閉される。さらに、本形態では、出力回復制御手段40からの信号により燃料電池1への燃料供給が遮断される。   Each single cell 1a, 1b, 1c is provided with pressure sensors 42a, 42b, 42c, purge valves 43a, 43b, 43c, and safety valves 44a, 44b, 44c. The purge valves 43a to 43c are opened and closed by a signal from the output recovery control means 40. Furthermore, in this embodiment, the fuel supply to the fuel cell 1 is interrupted by a signal from the output recovery control means 40.

減圧の為の安全弁44a乃至44cは、バネ圧調整によってアノード室が大気圧よりも2.0気圧以上の圧力となると開放するように調整してある。ちなみに、好ましくは、1.0〜3.0気圧の間で設定する。ここで、バイメタルを用いた安全弁44a〜44cを用いることも可能である。この場合の開放するときの温度は80〜100℃に設定する。   The safety valves 44a to 44c for pressure reduction are adjusted so as to be opened when the anode chamber is at a pressure of 2.0 atmospheric pressure or higher than the atmospheric pressure by adjusting the spring pressure. Incidentally, it is preferably set between 1.0 and 3.0 atm. Here, it is also possible to use safety valves 44a to 44c using bimetal. In this case, the opening temperature is set to 80 to 100 ° C.

保護回路5は基本的に図1に示すものと同一であるが、ANDゲート論理回路8の出力信号である転極・過負荷状態信号はドライブ回路10とともに、前記出力回復制御手段40にも送出される。   The protection circuit 5 is basically the same as that shown in FIG. 1, but the polarity / overload state signal, which is the output signal of the AND gate logic circuit 8, is sent to the output recovery control means 40 together with the drive circuit 10. Is done.

ここで、出力回復措置に関連する素子や機器は、昇圧制御回路2、保護回路5と同様にLIB3を電源とする。一方、これらの出力回復措置に関連する素子や機器、昇圧制御回路2及び保護回路5の電源として燃料電池1を利用することもできる。また、本形態における昇圧制御回路2と外部負荷6との間には、外部負荷6に供給する負荷電流を検出する電流検出手段45及びLIB3を充電する充電手段46を設けてある。   Here, the elements and devices related to the output recovery measure use the LIB 3 as a power source, similarly to the boost control circuit 2 and the protection circuit 5. On the other hand, the fuel cell 1 can also be used as a power source for the elements and devices related to these output recovery measures, the boost control circuit 2 and the protection circuit 5. Further, between the boost control circuit 2 and the external load 6 in the present embodiment, a current detection unit 45 that detects a load current supplied to the external load 6 and a charging unit 46 that charges the LIB 3 are provided.

かくして、本形態では、電流検出手段45が外部負荷6への負荷電流がゼロとなったことを検知した時点で充電手段46を動作させてLIB3を充電するとともに、LIB3が満充電状態であることを充電手段46が検知した時点で停止する。   Thus, in this embodiment, when the current detection unit 45 detects that the load current to the external load 6 becomes zero, the charging unit 46 is operated to charge the LIB 3, and the LIB 3 is in a fully charged state. Is stopped when the charging means 46 detects it.

なお、かかる電流検出手段45及び充電手段46を図1乃至図3に示す燃料電池システムに設けることには何の制限もない。また、本形態に係る燃料電池1は、平面直列接続され、セルのアノード室が分離されたデッドエンド構造のものの他、例えばセルが平面接続されアノード室が分離された燃料フロー構造、セルが平面接続されアノード室が共通の燃料フロー構造、セルが平面接続されアノード室が共通のデッドエンドや構造スタック構造のPEFC及びDMFCであっても構わない。   It should be noted that there are no restrictions on providing the current detecting means 45 and the charging means 46 in the fuel cell system shown in FIGS. The fuel cell 1 according to the present embodiment has a dead end structure in which the anode chambers of the cells are separated from each other in addition to the series connection in the plane, for example, a fuel flow structure in which the cells are planarly connected and the anode chamber is separated, and the cells are planar. A fuel flow structure in which the anode chambers are connected and the anode chambers are connected in plane, and a PEFC and a DMFC having a common dead end or a structure stack structure in which the cells are connected in a plane may be used.

上記構成の本形態において、燃料電池1の全ての単セル1a、1b、1cが正常な発電を行っている場合は、コンパレータ7a、7b、7cのそれぞれの出力はHレベルの出力となる。コンパレータ7a、7b、7cのそれぞれのHレベル出力は、3入力ANDゲート論理回路8に入力されるため、3入力ANDゲート論理回路8の出力はHレベルとなる。このときドライブ回路10は、N−chMOSFET9をターンオンさせ、燃料電池1の出力が昇圧制御回路2に入力され、昇圧制御回路2から外部負荷6に電力の供給がされる。   In the present embodiment having the above configuration, when all the single cells 1a, 1b, and 1c of the fuel cell 1 perform normal power generation, the outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are H level outputs. Since the H level outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are input to the 3-input AND gate logic circuit 8, the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is at the H level. At this time, the drive circuit 10 turns on the N-ch MOSFET 9, the output of the fuel cell 1 is input to the boost control circuit 2, and power is supplied from the boost control circuit 2 to the external load 6.

一方、燃料電池1の単セル1a、1b、1cのうち、少なくとも1個が転極状態となると、何れかの単セル1a、1b、1cからマイナスの電圧が出力され、この単セル1a、1b、1cに接続されたコンパレータ7a、7b、7cの中のいずれかの出力がLレベルになる。この結果、3入力ANDゲート論理回路8は、これに入力される信号レベルがすべてHレベルではないので、その出力がLレベルとなる。この3入力ANDゲート論理回路8の出力レベルが5秒以上継続されると、ドライブ回路10は、N−chMOSFET9をオフし、この状態を保つ。これによって、燃料電池1の出力を遮断することができるので、転極状態での発電を回避することが可能である。   On the other hand, when at least one of the single cells 1a, 1b, and 1c of the fuel cell 1 is in a reversed state, a negative voltage is output from any of the single cells 1a, 1b, and 1c. Any one of the comparators 7a, 7b and 7c connected to 1c becomes L level. As a result, since the signal levels input to the 3-input AND gate logic circuit 8 are not all at the H level, the output is at the L level. When the output level of the 3-input AND gate logic circuit 8 continues for 5 seconds or more, the drive circuit 10 turns off the N-ch MOSFET 9 and maintains this state. As a result, the output of the fuel cell 1 can be cut off, so that it is possible to avoid power generation in the inversion state.

3入力ANDゲート論理回路8からのLレベル信号である転極状態信号を受信すると、同時に出力回復制御手段40が動作する。この出力回復制御手段40が動作すると、燃料供給を遮断し、アノード室を密閉空間とする。続いて、ヒータ41a乃至41cによりアノード室を75℃に保ちアノード室内部の液水を気化させる。アノード室の内圧が2.0気圧を上回ると安全弁44a乃至44cが動作する。この結果、随時ガスが放出される。   When a polarity change state signal which is an L level signal from the three-input AND gate logic circuit 8 is received, the output recovery control means 40 operates simultaneously. When this output recovery control means 40 operates, the fuel supply is shut off, and the anode chamber is made a sealed space. Subsequently, the anode chamber is kept at 75 ° C. by the heaters 41a to 41c, and liquid water in the anode chamber is vaporized. When the internal pressure of the anode chamber exceeds 2.0 atmospheres, the safety valves 44a to 44c operate. As a result, gas is released at any time.

圧力センサ42a乃至42cにより、所定の時間(本形態では10分間)圧力の変動がない場合はパージ弁43a乃至43cを開き、2秒以内に閉じる。その後燃料供給を開始することにより、全ての単セル1a、1b、1cにおいて通常の発電が可能となる。   When the pressure sensors 42a to 42c do not change the pressure for a predetermined time (in this embodiment, 10 minutes), the purge valves 43a to 43c are opened and closed within 2 seconds. Then, normal power generation is possible in all the single cells 1a, 1b, 1c by starting the fuel supply.

ここで、ヒータ41a乃至41cの動作にはタイマーをセットしておき、20分間動作するとヒータ41a乃至41cが切れるように設定しておく。   Here, a timer is set for the operation of the heaters 41a to 41c, and the heaters 41a to 41c are set to be turned off when operated for 20 minutes.

燃料供給が開始されると、保護回路5はN−chMOSFET9をターンオンし、燃料電池1と昇圧制御回路2とを電気的に導通させる。   When the fuel supply is started, the protection circuit 5 turns on the N-ch MOSFET 9 to electrically connect the fuel cell 1 and the boost control circuit 2.

なお、本形態は、燃料電池1の回復を、ヒータ加熱による単セル1a、1b、1cでの生成水の除去により行うようにしたが、これに限るものではない。電極近傍の水を除去することは回復措置として有用であるが、他にもブロアにより水を吹き飛ばすか、又はガスを吹き付けるように構成することでも水の除去は可能になる。さらに、水を除去する方法以外にも次のような回復手段が考えられる。1)各単セル1a、1b、1cのアノード室の燃料の強制循環を行う、2)単セル1a、1b、1cのアノード室のガスの置換を行う、3)電解質膜の湿潤のための加湿を行う等である。   In this embodiment, the recovery of the fuel cell 1 is performed by removing the generated water in the single cells 1a, 1b, and 1c by heating the heater, but this is not a limitation. Removing the water in the vicinity of the electrodes is useful as a recovery measure, but water can also be removed by using a blower to blow off water or a gas. In addition to the method of removing water, the following recovery means can be considered. 1) Forced circulation of the fuel in the anode chamber of each single cell 1a, 1b, 1c 2) Replacement of gas in the anode chamber of each single cell 1a, 1b, 1c 3) Humidification for wetting the electrolyte membrane And so on.

また、回復措置は、転極・過負荷状態が検出されている単セル1a、1b、1cのみを対象としてこれを行う場合と、転極・過負荷状態が検出された単セル1a、1b、1cを含め燃料電池1を構成する全ての単セル1a、1b、1cを対象としてこれを行う場合が考えられる。何れを選択するかは、例えば出力回復制御手段40で制御の対象を決めることで容易に決定し得る。   In addition, the recovery measures are performed for only the single cells 1a, 1b, 1c in which the inversion / overload state is detected, and in the single cells 1a, 1b, in which the inversion / overload state is detected. The case where this is performed for all the single cells 1a, 1b, and 1c constituting the fuel cell 1 including 1c can be considered. Which one to select can be easily determined, for example, by determining an object to be controlled by the output recovery control means 40.

ただ、全ての単セル1a、1b、1cに対して回復動作を行った場合には,次のようなメリットがある。1)各単セル1a、1b、1cの状態を揃えることが可能となる。2)転極が検出されなかった単セル1a、1b、1cの出力が向上する。   However, when the recovery operation is performed on all the single cells 1a, 1b, 1c, there are the following merits. 1) It becomes possible to make the state of each single cell 1a, 1b, 1c uniform. 2) The output of the single cells 1a, 1b, 1c in which no inversion is detected is improved.

<第6の実施の形態>
本形態は、転極・過負荷状態の検出に伴う出力電流の制限とともに、各単セル1a、1b、1cの積極的な回復措置も行うようにしたものである。すなわち、図6に示す第5の実施の形態ける転極・過負荷状態の検出に伴う出力電流の制限の代わりに電流制限を行う場合である。そこで、図1乃至図6と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Sixth Embodiment>
In this embodiment, in addition to the limitation of the output current accompanying the detection of the inversion / overload state, the individual cells 1a, 1b, 1c are also actively recovered. That is, this is a case where current limiting is performed instead of output current limiting associated with the detection of the inversion / overload state in the fifth embodiment shown in FIG. Therefore, the same parts as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図7に示すように、回復措置に関連する部分を除けば、図3に示す燃料電池システムとほぼ同様である。ただ、本形態では電流検出手段45が負荷電流ゼロを検出した場合に電流制御手段30をリセットするようになっている。このことにより次の外部負荷6への電流供給を円滑に行うことができる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell system shown in FIG. 3 is almost the same as the fuel cell system shown in FIG. However, in the present embodiment, the current control means 30 is reset when the current detection means 45 detects zero load current. This makes it possible to smoothly supply current to the next external load 6.

図8は昇圧制御回路51の詳細構成の一例を示す。この昇圧制御回路51は、図4に示す昇圧制御回路11と基本的には同様の構成となっているが、前述の電流制御手段30をリセットする機能を有する他、昇圧制御回路51の出力側の電流を制御するようになっている点が異なる。すなわち、本例では、NPNトランジスタ29で当該昇圧制御回路51の出力電流を制御するようにNPNトランジスタ29がその出力側に配設してある。すなわちコントローラ27の機能自体は同様であるが、本例におけるコントローラ27は出力側のNPNトランジスタ29を介して出力電流を制御する。   FIG. 8 shows an example of a detailed configuration of the boost control circuit 51. The boost control circuit 51 has basically the same configuration as that of the boost control circuit 11 shown in FIG. 4, but has a function of resetting the current control means 30 described above, and includes an output side of the boost control circuit 51. The difference is that the current is controlled. That is, in this example, the NPN transistor 29 is disposed on the output side so that the NPN transistor 29 controls the output current of the boost control circuit 51. That is, the function itself of the controller 27 is the same, but the controller 27 in this example controls the output current via the NPN transistor 29 on the output side.

電流の制限は入力側乃至出力側の何れで行っても本質的な違いはないが、昇圧制御回路51では、より電圧が高い出力側で電流を制御するのが望ましい。容易且つ高精度の制御が可能になるからである。したがって、降圧制御回路では、入力側で電流を制御するのが望ましい。   Although there is no essential difference between limiting the current on the input side or the output side, in the boost control circuit 51, it is desirable to control the current on the output side where the voltage is higher. This is because easy and highly accurate control is possible. Therefore, it is desirable to control the current on the input side in the step-down control circuit.

本例では、端子53を介して電流制御手段30のコントローラ27に電流検出手段45からのリセット信号が供給される。他の動作は、図4の場合と全く同様である。   In this example, the reset signal from the current detection unit 45 is supplied to the controller 27 of the current control unit 30 via the terminal 53. Other operations are the same as those in FIG.

<第7の実施の形態>
本形態は、保護回路が、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウンターをさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に燃料電池の出力を遮断するものである。本形態は、出力回復手段を有するものであるが、勿論これを有している必要はない。転極・過負荷状態が検出されたとき、出力を遮断するものであれば、何れとも組み合わせることが可能である。なお、図1乃至図8と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Seventh embodiment>
In this embodiment, the protection circuit further includes a counter that counts the number of times each single cell is in a reversal / overload state, and the reversal / overload of the same single cell is continuously detected more than a specified number of times. In this case, the output of the fuel cell is cut off. Although this embodiment has output recovery means, it is not necessary to have this. Any combination can be used as long as the output is cut off when a polarity inversion / overload state is detected. The same parts as those in FIG. 1 to FIG.

図9に示すように、保護回路55は、3入力ANDゲート論理回路8に入力するコンパレータ7a、7b、7cの出力信号を分岐して入力するカウンター56を有している。カウンター56は、各単セル1a、1b、1cに関して転極・過負荷状態を連続して生起した回数を計数するとともに、その計数結果が所定回数(例えば20回)を超えたとき、スイッチ手段であるN−chMOSFET9をオフすることにより燃料電池1の出力を遮断する。同時に発光ダイオード(以下,LED)57を発光させてエラー表示とする。   As shown in FIG. 9, the protection circuit 55 includes a counter 56 that branches and inputs the output signals of the comparators 7a, 7b, and 7c that are input to the 3-input AND gate logic circuit 8. The counter 56 counts the number of times that the single pole 1a, 1b, 1c has continuously caused the inversion / overload state, and when the count result exceeds a predetermined number (for example, 20 times), the counter 56 The output of the fuel cell 1 is cut off by turning off a certain N-ch MOSFET 9. At the same time, a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) 57 is caused to emit light to display an error.

一方、本形態においては各コンパレータ7a,7b、7cに対応して基準電圧発生器23a、23b、23cが設けてあり、各反転端子に基準電圧(例えば0.3V)を印加するようになっている。このように個別に基準電圧発生器23a、23b、23cを設けることにより、数は増えるが、図2等に示す場合よりも正確な基準電圧を各コンパレータ7a,7b、7cに供給することができる。出力回復手段60は、出力回復措置に関連する部分を統合したもので、例えば図7の出力回復制御手段40、ヒータ41a乃至41c、圧力センサ42a乃至42c、パージ弁43a乃至43c及び安全弁44a乃至44cを含む概念である。   On the other hand, in this embodiment, reference voltage generators 23a, 23b, and 23c are provided corresponding to the respective comparators 7a, 7b, and 7c, and a reference voltage (for example, 0.3 V) is applied to each inverting terminal. Yes. By providing the reference voltage generators 23a, 23b, and 23c individually as described above, the number increases, but more accurate reference voltages than those shown in FIG. 2 and the like can be supplied to the comparators 7a, 7b, and 7c. . The output recovery means 60 is an integrated part related to output recovery measures. For example, the output recovery control means 40, heaters 41a to 41c, pressure sensors 42a to 42c, purge valves 43a to 43c, and safety valves 44a to 44c in FIG. It is a concept that includes

また、3入力ANDゲート論理回路8が転極・過負荷状態を検出したときも、スイッチ手段であるN−chMOSFET9をオフすることにより燃料電池1の出力を別途遮断する。   Also, when the three-input AND gate logic circuit 8 detects a reversal / overload state, the output of the fuel cell 1 is cut off separately by turning off the N-ch MOSFET 9 as the switch means.

かかる本形態においては、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。ここで、出力回復手段60は、3入力ANDゲート論理回路8が転極・過負荷状態を検出する度に所定の出力回復措置を実施する。   In this embodiment, by managing the number of times of continuous detection of the inversion / overload state, the operation efficiency of the fuel cell system is maintained as high as possible, and at the same time, the inversion / overload state is detected. By shutting off the output of the fuel cell, it is possible to appropriately protect the single cell that is in a reversal / overload state. Here, the output recovery means 60 implements a predetermined output recovery measure each time the three-input AND gate logic circuit 8 detects a polarization / overload state.

<第8の実施の形態>
本形態は、保護回路が、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に燃料電池の出力電流を制限するものである。本形態は、出力回復手段を有するものであるが、勿論これを有している必要はない。転極・過負荷状態が検出されたとき、電流を制限するものであれば、何れとも組み合わせることが可能である。なお、図1乃至図9と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Eighth Embodiment>
In this embodiment, the protection circuit further includes a counting unit that counts the number of times each single cell is in a polarization / overload state, and the polarity / overload of the same single cell is continuously detected more than a specified number of times. In this case, the output current of the fuel cell is limited. Although this embodiment has output recovery means, it is not necessary to have this. Any combination can be used as long as the current is limited when a polarization inversion / overload state is detected. The same parts as those in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図10に示すように、保護回路55は、3入力ANDゲート論理回路8に入力するコンパレータ7a、7b、7cの出力信号を分岐して入力するカウンター56を有している。カウンター56は、各単セル1a、1b、1cに関して転極・過負荷状態を連続して生起した回数を計数するとともに、その計数結果が所定回数(例えば20回)を超えたとき、スイッチ手段であるN−chMOSFET9をオフすることにより燃料電池1の出力を遮断する。同時に発光ダイオード(以下,LED)57を発光させてエラー表示とする。   As shown in FIG. 10, the protection circuit 55 includes a counter 56 that branches and inputs the output signals of the comparators 7a, 7b, and 7c that are input to the 3-input AND gate logic circuit 8. The counter 56 counts the number of times that the single pole 1a, 1b, 1c has continuously caused the inversion / overload state, and when the count result exceeds a predetermined number (for example, 20 times), the counter 56 The output of the fuel cell 1 is cut off by turning off a certain N-ch MOSFET 9. At the same time, a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) 57 is caused to emit light to display an error.

一方、本形態においては各コンパレータ7a,7b、7cに対応して基準電圧発生器23a、23b、23cが設けてあり、各反転端子に基準電圧(例えば0.3V)を印加するようになっている。このように個別に基準電圧発生器23a、23b、23cを設けることにより、数は増えるが、図2等に示す場合よりも正確な基準電圧を各コンパレータ7a,7b、7cに供給することができる。   On the other hand, in this embodiment, reference voltage generators 23a, 23b, and 23c are provided corresponding to the respective comparators 7a, 7b, and 7c, and a reference voltage (for example, 0.3 V) is applied to each inverting terminal. Yes. By providing the reference voltage generators 23a, 23b, and 23c individually as described above, the number increases, but more accurate reference voltages than those shown in FIG. 2 and the like can be supplied to the comparators 7a, 7b, and 7c. .

出力回復手段60は、出力回復措置に関連する部分を統合したもので、例えば図7の出力回復制御手段40、ヒータ41a乃至41c、圧力センサ42a乃至42c、パージ弁43a乃至43c及び安全弁44a乃至44cを含む概念である。   The output recovery means 60 is an integrated part related to output recovery measures. For example, the output recovery control means 40, heaters 41a to 41c, pressure sensors 42a to 42c, purge valves 43a to 43c, and safety valves 44a to 44c in FIG. It is a concept that includes

かかる本形態においては、転極・過負荷状態の連続検出回数を管理することで、燃料電池システムとしての動作効率を可及的に高効率に維持すると同時に、転極・過負荷状態の検出に伴う当該燃料電池の出力の遮断により、転極・過負荷状態となった単セルの適切な保護も図ることができる。   In this embodiment, by managing the number of times of continuous detection of the inversion / overload state, the operation efficiency of the fuel cell system is maintained as high as possible, and at the same time, the inversion / overload state is detected. By shutting off the output of the fuel cell, it is possible to appropriately protect the single cell that is in a reversal / overload state.

ここで、出力回復手段60は、3入力ANDゲート論理回路8が転極・過負荷状態を表す転極・過負荷信号を発生する毎に所定の出力回復措置を実施する。同様に、転極・過負荷状態信号により電流制限手段30を動作させることによる電流制限も実施する。   Here, the output recovery means 60 performs a predetermined output recovery measure each time the three-input AND gate logic circuit 8 generates a polarization / overload signal indicating a polarization / overload state. Similarly, current limiting is also performed by operating the current limiting means 30 according to the polarization / overload state signal.

図11は、本形態に係る燃料電池システムの動作フローの一例を示すフローチャートである。   FIG. 11 is a flowchart showing an example of an operation flow of the fuel cell system according to the present embodiment.

当該燃料電池1は3個の単セル1a、1b、1cを有するPEFCであり、カソード側は大気開放タイプである。燃料電池1には、図示しない燃料供給系統を有するとともに、各単セル1a、1b、1cのアノード室側には圧力センサ42a、42b、42c及びパージ弁43a、43b、43cが設けてある。パージ弁43a、43b、43cは圧力センサ42a、42b、42cによってアノード室の内圧が1.5気圧以上となると、開状態となる。   The fuel cell 1 is a PEFC having three single cells 1a, 1b, and 1c, and the cathode side is an open-air type. The fuel cell 1 has a fuel supply system (not shown), and pressure sensors 42a, 42b, 42c and purge valves 43a, 43b, 43c are provided on the anode chamber side of each single cell 1a, 1b, 1c. The purge valves 43a, 43b, 43c are opened when the internal pressure of the anode chamber becomes 1.5 atm or more by the pressure sensors 42a, 42b, 42c.

出力回復手段としてはヒータ41a、41b、41cを用い、それぞれの単セルのアノード室内部に配置した。ヒータ41a、41b、41cの電源は燃料電池1の出力から得ている。保護回路55において、異常検出手段は、過負荷状態を検出できる構成とし、電圧リファレンスの基準電圧は 0.3Vとした。   As output recovery means, heaters 41a, 41b, and 41c were used and arranged in the anode chamber of each single cell. The power sources of the heaters 41a, 41b, and 41c are obtained from the output of the fuel cell 1. In the protection circuit 55, the abnormality detection means is configured to detect an overload state, and the reference voltage of the voltage reference is set to 0.3V.

カウンター56は、異常検出手段が同一単セル1a、1b、1cの過負荷状態を連続して検出した場合にカウントを加算する構成とした。カウント回数が20回を超えたとき、スイッチ9をオフする信号及びLED57に電圧を印加してLED57を発光させエラーサインとする。   The counter 56 is configured to add a count when the abnormality detecting means continuously detects an overload state of the same single cell 1a, 1b, 1c. When the number of counts exceeds 20, a signal for turning off the switch 9 and a voltage are applied to the LED 57 to cause the LED 57 to emit light, and an error sign is obtained.

ここで、当該燃料電池システムの運転時の動作について図11に基づき説明する。
1) 外部負荷6を動作させる為に燃料電池システムが起動し(ステップS1)、ステップS2においてエラーサインが点灯している場合は、ステップS10に進み動作を終了する。
2) ステップS2においてエラーサインが点灯していなければ、ステップS3において燃料電池1へ燃料が供給され発電が開始される。
3) ステップS4では、異常検出手段において単セル1a、1b、1cの過負荷状態が検出されると、ステップS5へ進み、前回の過負荷の検出と同一の単セル1a、1b、1cか否かを判断をする。
4) 同一単セル1a、1b、1cであった場合、ステップS6へ進み加算のカウントを行う。
5) ステップS7においてカウント数が設定した回数、ここでは20回以上である場合は、ステップS8へ進む。ステップ8では燃料電池システムの出力の遮断の為、スイッチ9をオフし、LED57を点灯する。
6) 次にステップS9において燃料の供給を停止し発電を終了させる(ステップS10)。
7) 一方、ステップS7においてカウント数が設定した回数、ここでは20回以下の場合は、ステップS12へ進み、燃料電池システムの出力電流の制限を行う。
8) 次に、ステップS13では回復手段であるヒータ41a、41b、41cを駆動しタイマーを動作させる。ここで、タイマーの設定時間は15分とする。
9) 出力回復手段60が15分間動作した後(ステップS14)、出力回復手段60の動作が停止する(ステップS15)。
10) 次にステップS16において燃料電池出力電流の制限が解除され、ステップS4へ戻る。
11) ここでステップS5において、 過負荷の検出が前回の過負荷の検出と同一の単セル1a、1b、1cではなかった場合、ステップS11へ進み、カウンター56をリセットした後、ステップS12へ進む。
ステップS12からステップS16までは上述の通りの処理が行われる。
12) ステップS4において、過負荷の検出がない場合は、ステップS17へ進む。ここで負荷が停止しなければ再びステップS4の処理へ戻る。
13) ステップS17において負荷が停止し場合、出力回復手段60及びタイマーを動作させ(ステップS18)、タイマーにより設定された時間(ここでは15分)が経過すると(ステップS19)、出力回復手段60を停止する(ステップS20)。
14) その後ステップS9において、燃料の供給が停止され、終了する(ステップS10)。
Here, the operation during operation of the fuel cell system will be described with reference to FIG.
1) The fuel cell system is activated to operate the external load 6 (step S1). If the error sign is lit in step S2, the process proceeds to step S10 and the operation is terminated.
2) If the error sign is not lit in step S2, fuel is supplied to the fuel cell 1 in step S3 and power generation is started.
3) In step S4, when the abnormality detecting means detects an overload state of the single cells 1a, 1b, 1c, the process proceeds to step S5, where it is the same single cell 1a, 1b, 1c as in the previous overload detection. Judge whether or not.
4) If it is the same single cell 1a, 1b, 1c, the process proceeds to step S6 and the addition is counted.
5) If the number of counts set in step S7 is equal to or greater than 20, here, the process proceeds to step S8. In step 8, the switch 9 is turned off and the LED 57 is lit to shut off the output of the fuel cell system.
6) Next, in step S9, the supply of fuel is stopped and power generation is terminated (step S10).
7) On the other hand, when the number of counts set in step S7 is equal to or less than 20, here, the process proceeds to step S12 to limit the output current of the fuel cell system.
8) Next, in step S13, the heaters 41a, 41b, 41c, which are recovery means, are driven to operate the timer. Here, the set time of the timer is 15 minutes.
9) After the output recovery means 60 operates for 15 minutes (step S14), the operation of the output recovery means 60 stops (step S15).
10) Next, in step S16, the restriction on the fuel cell output current is released, and the process returns to step S4.
11) If the overload detection is not the same single cell 1a, 1b, 1c as the previous overload detection in step S5, the process proceeds to step S11, the counter 56 is reset, and then the process proceeds to step S12. .
From step S12 to step S16, the processing as described above is performed.
12) If no overload is detected in step S4, the process proceeds to step S17. If the load does not stop here, the process returns to step S4 again.
13) When the load stops in step S17, the output recovery means 60 and the timer are operated (step S18). When the time set by the timer (here 15 minutes) has elapsed (step S19), the output recovery means 60 is turned on. Stop (step S20).
14) Thereafter, in step S9, the supply of fuel is stopped and the process ends (step S10).

なお、転極・過負荷状態のとき出力を遮断する第7の実施の形態の場合には、ステップS12及びステップS16が「燃料電池出力の遮断」となる。   In the case of the seventh embodiment in which the output is cut off in the case of the polarity reversal / overload state, step S12 and step S16 are “cut off of the fuel cell output”.

<第9の実施の形態>
本形態は、出力回復手段とともに、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したものである。図1乃至図10と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
<Ninth embodiment>
This embodiment has a switch means for short-circuiting both ends of each single cell together with the output recovery means, and when a reversal / overload state is detected, both ends of the single cell in this state are The switch means is configured to short-circuit. The same parts as those in FIGS. 1 to 10 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図12に示すように、本形態に係る燃料電池システムにおいては、過負荷状態を検出するため、各単セル1a、1b、1cにコンパレータ7a、7b、7cを対応させ、各単セル1a、1b、1cの正極に各コンパレータ7a、7b、7cの非反転入力端子を接続するとともに、各単セル1a、1b、1cの負極と各コンパレータ7a、7b、7cの反転入力端子との間に電圧リファレンス用の基準電圧発生器23a、23b、23cを介在させて接続してある。各コンパレータ7a、7b、7c及び基準電圧発生器23a、23b、23cのGND端子は対応する単セル1a、1b、1cの負極と接続する。   As shown in FIG. 12, in the fuel cell system according to this embodiment, in order to detect an overload state, each single cell 1a, 1b, 1c is associated with a comparator 7a, 7b, 7c, and each single cell 1a, 1b The non-inverting input terminal of each comparator 7a, 7b, 7c is connected to the positive electrode of 1c, and a voltage reference is connected between the negative electrode of each single cell 1a, 1b, 1c and the inverting input terminal of each comparator 7a, 7b, 7c. The reference voltage generators 23a, 23b and 23c for use are connected. The GND terminals of the comparators 7a, 7b, 7c and the reference voltage generators 23a, 23b, 23c are connected to the negative electrodes of the corresponding single cells 1a, 1b, 1c.

かかる各コンパレータ7a、7b、7cの出力を3入力ANDゲート論理回路8に入力することで、単セル1a、1b、1cの各発電電圧が対応する基準電圧によって設定された電圧以下となると転極・過負荷状態信号が送出される。すなわち、各コンパレータ7a、7b、7cの出力が反転することに伴って3入力ANDゲート論理回路8の出力も反転する・この結果過負荷状態が検出される。   When the outputs of the comparators 7a, 7b, and 7c are input to the 3-input AND gate logic circuit 8, when the generated voltages of the single cells 1a, 1b, and 1c are equal to or lower than the voltages set by the corresponding reference voltages, the polarity is reversed. • An overload status signal is sent. That is, as the outputs of the comparators 7a, 7b, 7c are inverted, the output of the 3-input AND gate logic circuit 8 is also inverted. As a result, an overload state is detected.

一方、各単セル1a、1b、1cには、スイッチ素子であるNチャンネルEFT66a、66b、66cが各単セル1a、1b、1cのカソード側とNチャンネルEFT66a、66b、66cのドレイン端子を結線して並列に接続してある。   On the other hand, each single cell 1a, 1b, 1c is connected to the cathode side of each single cell 1a, 1b, 1c and the drain terminal of each N channel EFT 66a, 66b, 66c by switching elements N-channel EFT 66a, 66b, 66c. Connected in parallel.

ここで、NチャンネルEFT66a、66b、66cは常時OFF状態であるが、ある単セル1a、1b、1cから転極・過負荷状態が検出されると、転極・過負荷状態の単セル1a、1b、1cに対応したコンパレータ7a、7b、7cの出力端から、転極・過負荷状態の単セル1a、1b、1cに対応したバイパス用のNチャンネルEFT66a、66b、66cのドライバ67a,67b,67cへ信号が供給される。ドライバ67a,67b,67cが転極・過負荷状態信号を受けると、出力回復手段60の動作タイマーで設定された時間だけバイパス用NチャンネルEFTをON状態に保ち、燃料電池1の出力電流をその転極・過負荷状態の単セル1a、1b、1cからバイパスさせる。   Here, the N-channel EFTs 66a, 66b, 66c are always in the OFF state, but when a dipole / overload state is detected from a single cell 1a, 1b, 1c, the single cell 1a in the dipole / overload state, From the output terminals of the comparators 7a, 7b and 7c corresponding to 1b and 1c, drivers 67a, 67b for bypass N-channel EFTs 66a, 66b and 66c corresponding to the single cells 1a, 1b and 1c in the inverted / overloaded state A signal is supplied to 67c. When the drivers 67a, 67b, 67c receive the inversion / overload state signal, the bypass N-channel EFT is kept on for the time set by the operation timer of the output recovery means 60, and the output current of the fuel cell 1 is Bypass from the single cells 1a, 1b, 1c in the inversion / overload state.

同時に、異常検出手段により燃料電池1の転極・過負荷状態が検出されると、3入力ANDゲート論理回路8の出力信号である転極・過負荷信号をもとに燃料電池1の出力回復手段60が動作する。出力回復手段60はタイマーにより動作が制御され、タイマーにより設定された時間が経過すると、動作が停止する。   At the same time, when the polarity detection / overload state of the fuel cell 1 is detected by the abnormality detection means, the output recovery of the fuel cell 1 is performed based on the polarity / overload signal which is the output signal of the three-input AND gate logic circuit 8. Means 60 operates. The operation of the output recovery means 60 is controlled by a timer. When the time set by the timer elapses, the operation is stopped.

このようにして、本形態では、転極・過負荷状態を検出し、不良セルをバイパスさせて燃料電池1の発電電流を流すようにしている。   In this manner, in this embodiment, the inversion / overload state is detected, the defective cell is bypassed, and the generated current of the fuel cell 1 is allowed to flow.

なお、転極を良好に検出するためには、各単セル1a、1b、1cの正極にそれぞれのコンパレータ7a,7b,7cの非反転入力端子を、各々のセルの負極にコンパレータの反転入力端子およびGND端子を接続すれば良い。これにより、直列接続におけるどの位置の単セル1a、1b、1cにおいても積極的な転極的な検出・利用が可能となる。   In order to satisfactorily detect the inversion, the non-inverting input terminals of the respective comparators 7a, 7b and 7c are connected to the positive electrodes of the single cells 1a, 1b and 1c, and the inverting input terminals of the comparators are connected to the negative electrodes of the respective cells. And the GND terminal may be connected. As a result, it is possible to positively detect and use in the single cells 1a, 1b, 1c at any position in series connection.

本態様によれば、転極・過負荷が検出された単セルはNチャンネルEFT66a、66b、66cでバイパスされ、直列に接続された残りの単セルで電流を供給しつつ転極・過負荷状態の回復を図ることができる。   According to this aspect, the single cell in which the reversal / overload is detected is bypassed by the N-channel EFT 66a, 66b, 66c, and the reversal / overload state is provided while supplying the current to the remaining single cells connected in series. Recovery.

<他の実施の形態>
上述の如く、各実施の形態を通して、転極・過負荷状態を検出する異常検出回路、保護回路、電流制限手段、昇圧制御回路、蓄電手段、出力回復手段等をそれぞれ複数種類づつ開示したが、各要素は自由に組み合わせることができる。組み合わせの全部は開示していないが、派生する組み合わせの全ては本発明の技術思想に含まれる。
<Other embodiments>
As described above, through each embodiment, a plurality of types of abnormality detection circuits, a protection circuit, a current limiting unit, a boost control circuit, a storage unit, an output recovery unit, etc. are disclosed. Each element can be freely combined. Although not all combinations are disclosed, all derived combinations are included in the technical idea of the present invention.

さらに、LIB3等の充電要素は必須ではない。これを有する場合には、燃料電池1の転極・過負荷時に外部負荷6に対し継続して電力を供給することができるというメリットはあるが、必ずしも燃料電池システムと一体となっている必要はない。同様の意味で、昇圧制御回路も必須の構成要件ではない。   Furthermore, a charging element such as LIB3 is not essential. In the case of having this, there is a merit that electric power can be continuously supplied to the external load 6 when the fuel cell 1 is switched or overloaded, but it is not necessarily required to be integrated with the fuel cell system. Absent. In the same sense, the boost control circuit is not an essential component.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の過負荷状態での運転を防止する為、燃料電池の腐食、出力特性の低下を防ぐことが可能である。燃料電池の劣化モードでの発電の防止と、燃料電池単セルの初期の発電能力が維持され、安定した電力の供給が可能である。簡易な構成の形態が可能であるので、携帯機器用の燃料電池システムの小型化に適応できる。   Since the fuel cell system of the present invention prevents the fuel cell from operating in an overloaded state, it is possible to prevent corrosion of the fuel cell and deterioration of output characteristics. Prevention of power generation in the deterioration mode of the fuel cell and the initial power generation capability of the single fuel cell are maintained, and stable power supply is possible. Since a simple configuration is possible, it can be applied to miniaturization of a fuel cell system for portable devices.

1 燃料電池
1a、1b、1c 単セル
2、11 昇圧制御回路
3 リチウムイオン二次電池
5、12、55、65 保護回路
6 外部負荷
7a、7b、7c コンパレータ
8 3入力ANDゲート論理回路
9 N−chMOSFET
10 ドライブ回路
30 電流制御手段
31a、31b、31c 温度センサ
41a、41b、41c ヒータ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 1a, 1b, 1c Single cell 2, 11 Boosting control circuit 3 Lithium ion secondary battery 5, 12, 55, 65 Protection circuit 6 External load 7a, 7b, 7c Comparator 8 3 input AND gate logic circuit 9 N- chMOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Drive circuit 30 Current control means 31a, 31b, 31c Temperature sensor 41a, 41b, 41c Heater

Claims (11)

少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号に基づき前記燃料電池の出力を遮断する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えるとともに、
前記保護手段は、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
When the polarity / overload state is detected by the abnormality detection means for detecting the power generation in the polarity / overload state of each single cell, the fuel cell is controlled based on the polarity / overload state signal representing this state. Protection means to shut off the output;
Receiving an inversion signal and an overload state signal, and starting operation, and comprising an output recovery means for recovering the output of the fuel cell,
The protection means has a switch means for short-circuiting both ends of each single cell, and when a dipole / overload state is detected, both ends of the single cell in this state are short-circuited by the switch means. A fuel cell system configured to perform
少なくとも2個の単セルを直列に接続して構成した燃料電池と、
前記各単セルの転極・過負荷状態の発電を検出する異常検出手段により前記転極・過負荷状態が検出された場合、この状態を表す転極・過負荷状態信号を送出する保護手段と、
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力電流が漸減するように制御する電流制限手段と
前記転極・過負荷状態信号を受けて動作を開始し、前記燃料電池の出力の回復を行う出力回復手段とを備えるとともに、
前記保護手段は、各単セルの両端を短絡するスイッチ手段を有しており、転極・過負荷状態が検出された場合にはこの状態となっている単セルの両端を前記スイッチ手段で短絡するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell comprising at least two unit cells connected in series;
Protection means for sending a polarity / overload state signal indicating the state when the polarity / overload state is detected by an abnormality detection means for detecting power generation in the polarity / overload state of each single cell; ,
The operation is started in response to the reversal / overload state signal, and the current limiting means for controlling the output current of the fuel cell to gradually decrease, and the operation is started in response to the reversal / overload state signal, Output recovery means for recovering the output of the fuel cell,
The protection means has a switch means for short-circuiting both ends of each single cell, and when a dipole / overload state is detected, both ends of the single cell in this state are short-circuited by the switch means. A fuel cell system configured to perform
請求項1又は請求項2において、
前記転極・過負荷状態信号は、前記異常検出手段により転極・過負荷状態が一定時間以上継続して検出されたことを条件として形成されるようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
In claim 1 or claim 2,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the inversion / overload state signal is formed on condition that the inversion / overload state is continuously detected for a predetermined time or more by the abnormality detection means.
請求項1乃至請求項3の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルのみに回復措置を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 3,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the output recovery means performs a recovery measure only on the single cell in which the inversion / overload state is detected.
請求項1乃至請求項3の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、転極・過負荷状態が検出された単セルを含め前記燃料電池を構成する全ての単セルを対象として回復措置を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 3,
The fuel cell system characterized in that the output recovery means performs recovery measures for all the single cells constituting the fuel cell including the single cells in which the inversion / overload state is detected.
請求項1乃至請求項5の何れか一つにおいて、
前記出力回復手段は、前記単セルの電極近傍に生成された水を除去するものであることを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 5,
The fuel cell system, wherein the output recovery means removes water generated in the vicinity of the electrode of the single cell.
請求項1乃至請求項6の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの両端の電圧が所定値以下の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claim 1 thru | or 6,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the protection means determines that the state is inversion / overload when the voltage across the single cell is equal to or lower than a predetermined value.
請求項1乃至請求項6の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルの電極の温度が所定値以上の場合に転極・過負荷状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claim 1 thru | or 6,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the protection means determines that the state is inversion or overload when the temperature of the electrode of each single cell is equal to or higher than a predetermined value.
請求項1乃至請求項8の何れか一つにおいて、
前記保護手段は、各単セルが転極・過負荷状態となった回数をカウントするカウント手段をさらに有するとともに、同一単セルの転極・過負荷が連続して規定回数以上検出された場合に前記燃料電池の出力を遮断するものであることを特徴とする燃料電池システム。
In any one of Claims 1 to 8,
The protection means further includes a counting means for counting the number of times each single cell is in a reversal / overload state, and when the reversal / overload of the same single cell is continuously detected a specified number of times or more. A fuel cell system for cutting off the output of the fuel cell.
請求項2において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するものであることを特徴とする燃料電池システム。
In claim 2,
The fuel cell system, wherein the current limiting means controls the output current to gradually decrease from the maximum output current of the fuel cell.
請求項10において、
前記電流制限手段は、前記燃料電池の最大出力電流からその出力電流が漸減するように制御するとともに、その途中で前記燃料電池の転極・過負荷状態ではない正常状態への復帰が検出された場合には前記出力電流の値を復帰時点の出力電流値に固定する一方、再度前記転極・過負荷信号を受けた場合には前記出力電流をさらに漸減するように同様の制御を繰り返すものであることを特徴とする燃料電池システム。
In claim 10,
The current limiting means performs control so that the output current gradually decreases from the maximum output current of the fuel cell, and the return of the fuel cell to a normal state that is not a reversal / overload state is detected during the control. In this case, the output current value is fixed to the output current value at the time of return, while the same control is repeated so as to further reduce the output current when receiving the reversal / overload signal again. A fuel cell system comprising:
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