專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池保護(hù)電路及燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能適用于例如具有攜帶性和可移動(dòng)性的各種OA裝置和通信裝置等的燃料電池保護(hù)電路及燃料電池。
背景技術(shù)：
如圖18所示，一般的DMFC(直接甲醇型燃料電池)電池(單元電池)的中心部分有電解質(zhì)膜，由催化劑層和碳紙構(gòu)成的電極接合在該電解質(zhì)膜的表面和背面上。隔板(流路板)是表面上刻出了作為流路的槽的板狀體，將電解質(zhì)膜及電極夾在中間。燃料(甲醇水溶液被供給到電極的一面上，空氣由流路板供給到另一面上。在流路板(隔板)和電解質(zhì)膜之間設(shè)有防止燃料及空氣泄漏用的襯墊。另外，流路板一般用具有導(dǎo)電性的材料制作，通過(guò)流路板取出發(fā)生的電力。另外，在電池的外側(cè)設(shè)有將電池總體機(jī)械性地緊固起來(lái)的圖中未示出的緊固結(jié)構(gòu)。實(shí)用的燃料電池為了提高電動(dòng)勢(shì)，如圖19所示，多半情況下將多個(gè)電池重疊起來(lái)構(gòu)成電池組結(jié)構(gòu)使用。這種情況下的緊固結(jié)構(gòu)呈將電池組總體緊固起來(lái)的結(jié)構(gòu)。將燃料電池作成電池組結(jié)構(gòu)時(shí)的隔板使相鄰的電池的隔板一體化，謀求結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化和小型化。就是說(shuō)，在隔板的兩面上設(shè)有成為流路的槽，將空氣供給一面，將燃料供給另一面。電流從相鄰的電池通過(guò)隔板流過(guò)。
特開(kāi)2000-67896號(hào)公報(bào)這樣，燃料電池組是導(dǎo)電性地串聯(lián)連接作為基本單位的電池而成的(參照?qǐng)D20(a))。在進(jìn)行正常發(fā)電的狀態(tài)下，電池組總體的電壓與每一個(gè)電池的電壓乘以電池的級(jí)數(shù)所得的值大致相等。圖20表示7級(jí)的電池組的例子，假設(shè)每一個(gè)電池的電壓為V，正常時(shí)電池組的電壓為7V(參照?qǐng)D20(b))。
可是，例如如果由于暫時(shí)性的燃料不足，致使燃料電池組中導(dǎo)電性串聯(lián)連接的一部分電池產(chǎn)生發(fā)電不合格，則該產(chǎn)生發(fā)電不合格的異常的電池對(duì)于其他正常的電池來(lái)說(shuō)，起電阻作用，所以總體電壓變成6V-IR(參照?qǐng)D20(c))。雖然也有時(shí)燃料不足等的原因瞬時(shí)消除，異常的電池恢復(fù)為正常電池，但不是這樣時(shí)，異常電池中電極之間的電位差與正常時(shí)的相反(極性反轉(zhuǎn))，所以MEA(膜和電極接合體)破損，這樣由于極性反轉(zhuǎn)而一旦破損了的電池對(duì)其他正常的電池來(lái)說(shuō)，變成了負(fù)載，結(jié)果存在不可避免地使電池組總體的電動(dòng)勢(shì)下降的問(wèn)題。
本發(fā)明的課題在于排除上述現(xiàn)有的電池所具有的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)引起了異常的電池形成旁通路徑，使電池組電流旁通，能從極性反轉(zhuǎn)保護(hù)異常電池，因此提供一種能防止MEA(膜和電極接合體)破損的燃料電池保護(hù)電路及燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了解決上述課題而提出的。本發(fā)明的第一方面是一種燃料電池保護(hù)電路，具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中至少一個(gè)電池的電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該電極的旁通路徑的旁通單元。
本發(fā)明的第二方面是在第一方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，上述旁通單元具有并聯(lián)連接在上述電極之間，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)進(jìn)行導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)元件。
本發(fā)明的第三方面是在第二方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，在上述電極不包含燃料電池組的接地電極的情況下，上述旁通單元具有用于切換上述開(kāi)關(guān)元件的電平變換驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的第四方面是在第一方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，上述旁通單元具有串聯(lián)連接在上述電極上，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，進(jìn)行切斷的第一開(kāi)關(guān)元件；以及并聯(lián)連接在上述電極及上述第一開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電路的兩端之間，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，進(jìn)行導(dǎo)通的第二開(kāi)關(guān)元件。
本發(fā)明的第五方面是在第四方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，在上述電極不包含燃料電池組的接地電極的情況下，上述旁通單元具有用于切換上述第一開(kāi)關(guān)元件及上述第二開(kāi)關(guān)元件的電平變換驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的第六方面是在第一至第五中的任意一方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，上述電極是單元電池的電池電極。
本發(fā)明的第七方面是在第一至第五中的任意一方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，上述電極是由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的串聯(lián)電池電路的兩端電極。
本發(fā)明的第八方面是在第七方面所述的燃料電池保護(hù)電路中，上述檢測(cè)單元具有分別檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元。
本發(fā)明的第九方面是一種燃料電池，具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由以下部分構(gòu)成，即，在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中的至少一個(gè)單元電池中，檢測(cè)上述單元電池的電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該電池電極的旁通路徑的旁通單元。
本發(fā)明的第十方面是一種燃料電池，具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由以下部分構(gòu)成，即，在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路中，檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的兩端電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該兩端電極的旁通路徑的旁通單元。
本發(fā)明的第十一方面是一種燃料電池，具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由以下部分構(gòu)成，即，在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路中，分別檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元；以及至少一個(gè)上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成上述串聯(lián)電池電路的兩端電極的旁通路徑的旁通單元。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池保護(hù)電路的一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本發(fā)明的燃料電池保護(hù)電路的另一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖3是表示燃料電池保護(hù)電路的第一例的電路圖。
圖4是表示燃料電池保護(hù)電路的第二例的電路圖。
圖5是表示圖3或圖4中的燃料電池保護(hù)電路的處理動(dòng)作的流程圖。
圖6是與圖5相比使處理工作簡(jiǎn)化了的流程圖。
圖7是表示燃料電池保護(hù)電路的第三例的電路圖。
圖8是表示燃料電池保護(hù)電路的第四例的電路圖。
圖9是表示圖7或圖8中的燃料電池保護(hù)電路的處理動(dòng)作的流程圖。
圖10是表示雙極型電池組結(jié)構(gòu)和隔板的斷面的說(shuō)明圖。
圖11是表示單極型電池組結(jié)構(gòu)和隔板的斷面的說(shuō)明圖。
圖12是表示本發(fā)明的燃料電池的第一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖13是表示本發(fā)明的燃料電池的第二實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖14是表示本發(fā)明的燃料電池的第三實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖15是表示本發(fā)明的燃料電池的第四實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖16是表示本發(fā)明的燃料電池的第五實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖17是表示本發(fā)明的燃料電池的第六實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖18是表示一般的燃料電池(DMFC)的電池結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖19是表示燃料電池組結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。
圖20是表示伴隨燃料電池組的發(fā)電不合格的電位差不合格的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是表示本發(fā)明的燃料電池保護(hù)電路的一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，圖1(a)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10a)具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中的至少一個(gè)單元電池Ca的電池電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元20(20a)；以及在檢測(cè)單元20(20a)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成該電池電極的旁通路徑的旁通單元30(30a)，利用系統(tǒng)控制器40(40a)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20a)及旁通單元30(30a)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10a)中，通過(guò)使單元電池Ca的電池電極之間短路，進(jìn)行旁通路徑的形成。
另外，圖1(b)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10b)具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中由任意個(gè)數(shù)的電池Cb1、Cb2、...Cbn構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元20(20b)；以及在檢測(cè)單元20(20b)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成該兩端電極的旁通路徑的旁通單元30(30b)，利用系統(tǒng)控制器40(40b)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20b)及旁通單元30(30b)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10b)中，通過(guò)使串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間短路，進(jìn)行旁通路徑的形成。
另外，圖1(c)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10c)具有在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中由任意個(gè)數(shù)的電池Cc1、Cc2、...Ccn構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路B中，分別檢測(cè)各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元20(20c1～20cn)；以及在至少一個(gè)檢測(cè)單元20(20c)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成串聯(lián)電池電路B的兩端電極的旁通路徑的旁通單元30(30c)，利用系統(tǒng)控制器40(40c)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20c)及旁通單元30(30c)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10c)中，通過(guò)使串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間短路，進(jìn)行旁通路徑的形成。
圖2是表示本發(fā)明的燃料電池保護(hù)電路的另一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，圖2(d)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10d)具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中的至少一個(gè)單元電池Cd的電池電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元20(20d)；以及在檢測(cè)單元20(20d)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成該電池電極的旁通路徑的旁通單元30(30d)，利用系統(tǒng)控制器40(40d)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20d)及旁通單元30(30d)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10d)中，通過(guò)將單元電池Cd從燃料電池組電氣性地切斷，進(jìn)行旁通路徑的形成。
另外，圖2(e)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10e)具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中由任意個(gè)數(shù)的電池Ce1、Ce2、...Cen構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元20(20e)；以及在檢測(cè)單元20(20e)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成該兩端電極的旁通路徑的旁通單元30(30e)，利用系統(tǒng)控制器40(40e)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20e)及旁通單元30(30e)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10e)中，通過(guò)將串聯(lián)電池電路B從燃料電池組電氣性地切斷，進(jìn)行旁通路徑的形成。
另外，圖2(f)所示的燃料電池保護(hù)電路10(10f)具有在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池C、C、...中由任意個(gè)數(shù)的電池Cf1、Cf2、...Cfn構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路B中，分別檢測(cè)各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元20(20f1～20fn)；以及在至少一個(gè)檢測(cè)單元20(20f)檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)形成串聯(lián)電池電路B的兩端電極的旁通路徑的旁通單元30(30f)，利用系統(tǒng)控制器40(40f)的控制功能控制這些檢測(cè)單元20(20f)及旁通單元30(30f)。在該燃料電池保護(hù)電路10(10f)中，通過(guò)將串聯(lián)電池電路B從燃料電池組電氣性地切斷，進(jìn)行旁通路徑的形成。
圖1、圖2中雖然未詳細(xì)地示出，但檢測(cè)單元20是在單元電池C的電極之間或串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間的電位差低于預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，檢測(cè)為發(fā)電不合格(電位差不合格)的單元。另外，檢測(cè)單元20至少是在單元電池發(fā)生了極性反轉(zhuǎn)(電池電極的極性反轉(zhuǎn))時(shí)，檢測(cè)為發(fā)電不合格(電位差不合格)的單元。因此，檢測(cè)單元20至少具有由極性反轉(zhuǎn)引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)檢測(cè)功能，最好具有由電位差低于閾值引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)檢測(cè)功能。
另外，圖1中雖然未詳細(xì)示出，但旁通單元30是當(dāng)檢測(cè)單元20檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，使該單元電池C的電極之間或串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間短路的單元。因此，旁通單元30具有并聯(lián)連接在單元電池C的電極之間或串聯(lián)電池電路B的兩端電極之間的開(kāi)關(guān)電路，具有在正常時(shí)將該開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，異常(電位差不合格)時(shí)將該開(kāi)關(guān)電路阻斷的功能。
另外，圖2中雖然未詳細(xì)示出，但旁通單元30是當(dāng)檢測(cè)單元20檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，將該單元電池C或串聯(lián)電池電路B電氣性地從燃料電池組阻斷的單元。因此，旁通單元30具有串聯(lián)連接在單元電池C的電極或串聯(lián)電池電路B的兩端電極上的第一開(kāi)關(guān)電路、以及并聯(lián)連接在單元電池C或串聯(lián)電池電路B和第一開(kāi)關(guān)電路的串聯(lián)電路的兩端之間的第二開(kāi)關(guān)電路，具有正常時(shí)將第一開(kāi)關(guān)電路阻斷、同時(shí)將第二開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，異常(電位差不合格)時(shí)將第一開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通、同時(shí)將第二開(kāi)關(guān)電路阻斷的功能。
圖3是表示燃料電池保護(hù)電路10的第一例的電路圖，該燃料電池保護(hù)電路11是通過(guò)使發(fā)生了異常的電池的電極之間短路，謀求MEA的保護(hù)的電路。
在該燃料電池保護(hù)電路11中，檢測(cè)單元20由連接在單元電池C的電極之間、具有其極性反轉(zhuǎn)檢測(cè)功能的比較電路IC21構(gòu)成。另外，旁通單元30由并聯(lián)連接在單元電池C的電極之間的P溝道型功率FET開(kāi)關(guān)元件31、以及功率FET開(kāi)關(guān)元件31的切換用電平變換驅(qū)動(dòng)器32構(gòu)成。電平變換驅(qū)動(dòng)器32用來(lái)使兩個(gè)電極都為正電位的電池電極之間短路的功率FET開(kāi)關(guān)元件31進(jìn)行導(dǎo)通/阻斷，具有P溝道型FET開(kāi)關(guān)元件32a及N溝道型FET開(kāi)關(guān)元件32b。因此，該燃料電池保護(hù)電路11也能連接在燃料電池組中的某一個(gè)電池C上使用。另外，系統(tǒng)控制器40由控制用微控制器41構(gòu)成。
如果單元電池C發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，則該燃料電池保護(hù)電路11的比較電路IC21檢測(cè)該極性反轉(zhuǎn)，將邏輯電平的檢測(cè)輸出傳送給控制用微控制器41的IN?？刂朴梦⒖刂破?1從比較電路IC21接收傳送給IN的檢測(cè)輸出，將OUT的輸出電平從高電平切換到低電平。通過(guò)該OUT的輸出電平的切換，電平變換驅(qū)動(dòng)器32的各FET開(kāi)關(guān)元件32a、32b都被導(dǎo)通，功率FET開(kāi)關(guān)元件31通過(guò)用低阻抗進(jìn)行導(dǎo)通，使單元電池C的電極之間短路，使燃料電池組的電流通過(guò)功率FET開(kāi)關(guān)元件31進(jìn)行旁通。
圖4是表示燃料電池保護(hù)電路10的第二例的電路圖，該情況下的單元電池C的一個(gè)電極作為燃料電池組的接地電極(GND)。因此，在該燃料電池保護(hù)電路12中，旁通單元30具有并聯(lián)連接在單元電池C的電極之間的功率FET開(kāi)關(guān)元件(在此情況下為N溝道型)31，但不需要圖3所示的燃料電池保護(hù)電路11那樣的切換用電平變換驅(qū)動(dòng)器32，僅此也比燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。檢測(cè)單元20由比較電路IC21構(gòu)成，另外，系統(tǒng)控制器40由控制用微控制器41構(gòu)成。
如果單元電池C發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，則該燃料電池保護(hù)電路11的比較電路IC21檢測(cè)該極性反轉(zhuǎn)，將邏輯電平的檢測(cè)輸出傳送給控制用微控制器41的IN。控制用微控制器41從比較電路IC21接收傳送給IN的檢測(cè)輸出，將OUT的輸出電平從高電平切換到低電平。通過(guò)該OUT的輸出電平的切換，功率FET開(kāi)關(guān)元件31通過(guò)用低阻抗進(jìn)行導(dǎo)通，使單元電池C的電極之間短路，使燃料電池組的電流通過(guò)功率FET開(kāi)關(guān)元件31進(jìn)行旁通。
圖5表示使用圖3所示的燃料電池保護(hù)電路11或圖4所示的燃料電池保護(hù)電路12的燃料電池系統(tǒng)的流程圖。在該燃料電池系統(tǒng)中用的燃料電池保護(hù)電路11或12的情況下，檢測(cè)單元20不僅有由極性反轉(zhuǎn)引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)的檢測(cè)功能，而且有由電位差下降到預(yù)先設(shè)定的閾值以下引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)的檢測(cè)功能，該流程圖只展示了燃料電池保護(hù)電路11、12的部分，未示出使燃料電池系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)用的其他處理。實(shí)際上，圖示的處理被插入燃料電池系統(tǒng)的控制程序，例如按照數(shù)秒左右的控制周期，在運(yùn)轉(zhuǎn)中反復(fù)執(zhí)行。另外，圖中未示出的處理中也包括將多個(gè)保護(hù)電路11或12設(shè)置在一個(gè)燃料電池中的情況的掃描。
如圖5所示，首先，判斷設(shè)置了保護(hù)電路11或12的單元電池C的電極之間的電位差是否比預(yù)先設(shè)定的閾值電壓大(步驟S11)。如果比閾值電壓大(步驟11中是)，則斷定為正常，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T1)后(步驟S12)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)處理。
在單元電池C的電極之間的電位差下降到閾值以下的情況下(步驟S11中否)，判斷該單元電池C的發(fā)電異常，使旁通電路短路(步驟S13)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T2)后(步驟S14)，將旁通電路阻斷(步驟S15)，再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T3)后(步驟S16)，將電池電極之間的電位差與閾值電壓進(jìn)行比較，進(jìn)行正常和異常的判斷(步驟S17)。
這時(shí)，如果單元電池C的電極之間的電位差比閾值電壓大(步驟S17中是)，則看作該單元電池C的發(fā)電不合格已恢復(fù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T1)后(步驟S12)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)處理。
與此不同，在單元電池C的電極之間的電位差下降到閾值以下的情況下(步驟S17中否)，則再次返回步驟S13，使旁通電路短路。在單一的燃料電池保護(hù)電路11或12中，從步驟S17至步驟S13的循環(huán)例如反復(fù)了數(shù)次時(shí)，看作該單元電池C的發(fā)電不合格當(dāng)前未恢復(fù)，能使該單元電池C的旁通電路保持短路的狀態(tài)(步驟S13)。另外，在構(gòu)成燃料電池的單元電池C、C、...的例如全部電池中設(shè)置了保護(hù)電路11或12的情況下，全部電池中例如1/3電池C、C、...從步驟S17至步驟S13的循環(huán)例如反復(fù)了數(shù)次時(shí)，看作該燃料電池的壽命結(jié)束了，能使燃料電池系統(tǒng)的壽命停止。
圖6表示將處理簡(jiǎn)化了的流程圖。這是使異常電池短路后，不進(jìn)行恢復(fù)處理的情況。通過(guò)短路，燃料電池組的電壓雖然下降，但能防止異常電池的破損(MEA的破損)，所以在下一次使用燃料電池的情況下，阻斷異常電池的短路，能恢復(fù)。
圖7是表示燃料電池保護(hù)電路10的第三例的電路圖，該燃料電池保護(hù)電路13是不使發(fā)生了異常的電池的電極之間短路，而是通過(guò)將異常電池本身從燃料電池組電氣性地阻斷，謀求MEA的保護(hù)的電路。
在該燃料電池保護(hù)電路13中，檢測(cè)單元20由連接在單元電池C的電極之間的具有其極性反轉(zhuǎn)檢測(cè)功能的比較電路IC21構(gòu)成。另外，旁通單元30由串聯(lián)連接在單元電池C的電極上的P溝道型功率FET開(kāi)關(guān)元件33、該功率FET開(kāi)關(guān)元件33的切換用電平變換驅(qū)動(dòng)器34、并聯(lián)連接在單元電池C的電極及功率FET開(kāi)關(guān)元件33的串聯(lián)電路的兩端之間的P溝道型功率FET開(kāi)關(guān)元件35、以及該功率FET開(kāi)關(guān)元件35的切換用電平變換驅(qū)動(dòng)器36構(gòu)成。電平變換驅(qū)動(dòng)器34、36用來(lái)使漏、源都呈正電位的功率FET開(kāi)關(guān)元件35、36通/斷，電平變換驅(qū)動(dòng)器34具有N溝道型FET開(kāi)關(guān)元件34a、P溝道型FET開(kāi)關(guān)元件34b及N溝道型FET開(kāi)關(guān)元件34c，另外，電平變換驅(qū)動(dòng)器36具有P溝道型FET開(kāi)關(guān)元件36a及N溝道型FET開(kāi)關(guān)元件36b。因此，該燃料電池保護(hù)電路13也能連接在燃料電池組中的某一個(gè)電池C上使用。另外，系統(tǒng)控制器40由控制用微控制器41構(gòu)成。
如果單元電池C發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，則該燃料電池保護(hù)電路13的比較電路IC21檢測(cè)該極性反轉(zhuǎn)，將邏輯電平的檢測(cè)輸出傳送給控制用微控制器41的IN。控制用微控制器41從比較電路IC21接收傳送給IN的檢測(cè)輸出，將OUT的輸出電平從高電平切換到低電平。通過(guò)該OUT的輸出電平的切換，電平變換驅(qū)動(dòng)器34的各FET開(kāi)關(guān)元件34a、34b、34c都被阻斷，功率FET開(kāi)關(guān)元件33阻斷的一方、電平變換驅(qū)動(dòng)器36的各FET開(kāi)關(guān)元件36a、36b都導(dǎo)通，功率FET開(kāi)關(guān)元件35通過(guò)用低阻抗進(jìn)行導(dǎo)通，使單元電池C從燃料電池組電氣性地切斷，同時(shí)使燃料電池組的電流通過(guò)功率FET開(kāi)關(guān)元件35進(jìn)行旁通。
圖8是表示燃料電池保護(hù)電路10的第四例的電路圖，該燃料電池保護(hù)電路14在電池的一側(cè)電極呈GND電平時(shí)能適用。因此，該燃料電池保護(hù)電路14是當(dāng)一側(cè)的電極呈GND電平的端部的電池表現(xiàn)出異常時(shí)，將第二個(gè)電池的電極作為新的電池組的GND側(cè)端部電極使用的起切換開(kāi)關(guān)作用的電路。
圖9表示使用圖7所示的燃料電池保護(hù)電路13或圖8所示的燃料電池保護(hù)電路14的燃料電池系統(tǒng)的流程圖。在該燃料電池系統(tǒng)中用的燃料電池保護(hù)電路13或14的情況下，與圖5所示的流程圖相同，檢測(cè)單元20不僅有由極性反轉(zhuǎn)引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)檢測(cè)功能，而且有由電位差下降到預(yù)先設(shè)定的閾值以下引起的發(fā)電不合格(電位差不合格)檢測(cè)功能，如圖9所示，首先，判斷設(shè)置了保護(hù)電路13或14的單元電池C的電極之間的電位差是否比預(yù)先設(shè)定的閾值電壓大(步驟S21)。如果比閾值電壓大(步驟21中是)，則斷定為正常，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T1)后(步驟S22)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)處理。
在單元電池C的電極之間的電位差下降到閾值以下的情況下(步驟S21中否)，斷定該單元電池C的發(fā)電異常，將旁通電路的輸入電平(OUT1的輸出電平)從高電平切換到低電平(步驟S23)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T2)后(步驟S24)，將旁通電路的輸入電平(OUT1的輸出電平)從低電平切換到高電平(步驟S25)，再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T3)后(步驟S26)，將電池電極之間的電位差與閾值電壓進(jìn)行比較，進(jìn)行正常和異常的判斷(步驟S27)。
這時(shí)，如果單元電池C的電極之間的電位差比閾值電壓大(步驟S27中是)，則看作該單元電池C的發(fā)電不合格已恢復(fù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(時(shí)間T1)后(步驟S22)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)處理。
與此不同，在單元電池C的電極之間的電位差下降到閾值以下的情況下(步驟S27中否)，則再次返回步驟S23，將旁通電路的輸入電平從高電平切換到低電平。在單一的燃料電池保護(hù)電路13或14中，從步驟S27至步驟S23的循環(huán)例如反復(fù)了數(shù)次時(shí)，看作該單元電池C的發(fā)電不合格當(dāng)前未恢復(fù)，能使該單元電池C的旁通電路的輸入電平保持低電平狀態(tài)(步驟S23)。另外，在構(gòu)成燃料電池的單元電池C、C、...的例如全部電池中設(shè)置了保護(hù)電路13或14的情況下，全部電池中例如1/3電池C、C、...從步驟S27至步驟S23的循環(huán)例如反復(fù)了數(shù)次時(shí)，看作該燃料電池的壽命結(jié)束了，能使燃料電池系統(tǒng)的壽命停止。
以上4種燃料電池保護(hù)電路11～14中，圖3所示的燃料電池保護(hù)電路11及圖4所示的燃料電池保護(hù)電路12是使發(fā)生了異常的電池的電極之間短路的電路，所以作為燃料電池組的結(jié)構(gòu)，如圖10(a)所示，流路被設(shè)在隔板(參照?qǐng)D10(b))的兩面上，能適用于不管結(jié)構(gòu)上還是電氣上都能使相鄰的隔板兼用這樣構(gòu)成的雙極型電池組。
在此情況下，將引線安裝在隔板端部，進(jìn)行中間電池的電位檢測(cè)及電流的取出(參照?qǐng)D10(a))。取出電流時(shí)，引線和隔板之間的電阻引起的電壓降對(duì)電池電壓的影響有時(shí)大到不能忽視的程度，所以有必要使連接的電阻盡可能地小，在不能充分地確保與引線的接觸面積的情況下，如圖10(c)所示，將隔板互相偏移地層疊起來(lái)，如圖10(d)所示，將夾子狀的夾具安裝在伸出的隔板的端部，將引線安裝在夾具上。
另一方面，圖7所示的燃料電池保護(hù)電路13及圖8所示的燃料電池保護(hù)電路14是將異常電池本身從燃料電池組電氣性地分離的電路，所以作為燃料電池組的結(jié)構(gòu)，如圖11(a)所示，流路只設(shè)在隔板(參照?qǐng)D11(b))的一面上，有必要作成電池一個(gè)一個(gè)地在電氣上被絕緣的結(jié)構(gòu)的單極型電池組。但是，圖10所示的結(jié)構(gòu)也能適用于電池組的端部電池。
圖12至圖17是表示具有上述這樣的燃料電池保護(hù)電路的燃料電池的各實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖。
圖12是表示燃料電池的第一實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖12(a)所示，該燃料電池110能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1上具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。另外，如圖12(b)所示，該燃料電池110也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，在從負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1算起的任意的m個(gè)電池C1～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。另外，如圖12(c)所示，該燃料電池110還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的全部n個(gè)電池C1～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。
圖13是表示燃料電池的第二實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖13(a)所示，該燃料電池120能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路12的結(jié)構(gòu)。另外，如圖13(b)所示，該燃料電池120也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路12，而在從第二個(gè)開(kāi)始至任意的m個(gè)為止的(m-1)個(gè)電池C2～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。另外，如圖13(c)所示，該燃料電池120還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路12，而在其余的全部電池C2～Cn中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。
圖14是表示燃料電池的第三實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖14(a)所示，該燃料電池130能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1上具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。另外，如圖14(b)所示，該燃料電池130也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路13，而在從第二個(gè)開(kāi)始至任意的m個(gè)為止的(m-1)個(gè)電池C2～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。另外，如圖14(c)所示，該燃料電池130還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路13，而在其余的全部電池C2～Cn中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。
圖15是表示燃料電池的第四實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖15(a)所示，該燃料電池140能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14的結(jié)構(gòu)。另外，如圖15(b)所示，該燃料電池140也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14，而在從第二個(gè)開(kāi)始至任意的m個(gè)為止的(m-1)個(gè)電池C2～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。另外，如圖15(c)所示，該燃料電池140還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14，而在其余的全部電池C2～Cn中分別具有燃料電池保護(hù)電路11的結(jié)構(gòu)。
這些燃料電池110、120、130、140都是負(fù)側(cè)端部電極或接地電極的單元電池C1以外的電池發(fā)生了電位差不合格時(shí)使該電池的電極之間短路的電池，所以能用圖10(a)所示的雙極型電池組構(gòu)成。
圖16是表示燃料電池的第五實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖16(a)所示，該燃料電池150能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。另外，如圖16(b)所示，該燃料電池150也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在從負(fù)側(cè)端部電極的單元電池C1算起的任意的m個(gè)電池C1～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。另外，如圖16(c)所示，該燃料電池150還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的全部n個(gè)電池C1～Cn中分別具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。
圖17是表示燃料電池的第六實(shí)施方式的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，如圖17(a)所示，該燃料電池160能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14的結(jié)構(gòu)。另外，如圖17(b)所示，該燃料電池160也能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14，而在從第二個(gè)開(kāi)始至任意的m個(gè)為止的(m-1)個(gè)電池C2～Cm中分別具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。另外，如圖17(c)所示，該燃料電池160還能構(gòu)成為，在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中，只在接地電極的單元電池C1中具有燃料電池保護(hù)電路14，而在其余的全部電池C2～Cn中分別具有燃料電池保護(hù)電路13的結(jié)構(gòu)。
這些燃料電池150、160都是各電池發(fā)生了電位差不合格時(shí)將該電池C從燃料電池組電氣性地分離的電池，所以有必要用圖11(a)所示的單極型電池組構(gòu)成。
在這些電池110～160中，在MEA呈水平地設(shè)置電池組的情況下，如圖10(a)、11(a)所示，為了輸出的穩(wěn)定化，最好將MEA的上面作為陽(yáng)極、將下面作為陰極配置。但是，如果將上下顛倒過(guò)來(lái)配置，并不是不能發(fā)電。
這樣，在MEA呈水平地設(shè)置了電池組的情況下，上部電池中發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的可能性大。即，并非在電池組的哪個(gè)電池中發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的概率都一樣，但在MEA呈水平地設(shè)置了電池組的情況下，上部電池由于燃料不足而發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的可能性大。因此，如果考慮產(chǎn)品的壽命和成本，則未必需要在全部電池中設(shè)置燃料電池保護(hù)電路。在MEA呈水平，而且將上面作為陽(yáng)極，將下面作為陰極配置的情況下，電池組的上端部成為負(fù)極，但在該負(fù)極是接地電極的情況下，如果只在最容易引起極性反轉(zhuǎn)的電池中設(shè)置燃料電池保護(hù)電路，則圖4所示的燃料電池保護(hù)電路12或圖8所示的燃料電池保護(hù)電路14能適用。
另外，也可以在數(shù)個(gè)電池中連續(xù)地設(shè)置燃料電池保護(hù)電路。另外，用燃料電池保護(hù)電路分離的電池也可以是多個(gè)。這時(shí)，在從端部開(kāi)始連續(xù)的電池被分離的情況下，雖然電路工作時(shí)電池組電壓下降的幅度增大，但在成本上有利，所以燃料電池系統(tǒng)性的電壓下降在沒(méi)有問(wèn)題的范圍內(nèi)的情況下，這是一種具有能充分地選擇的可能性的結(jié)構(gòu)。
從以上的說(shuō)明可以理解，如果采用本發(fā)明，則由于對(duì)引起了異常的電池的電極形成旁通路徑，所以能使電池組的電流旁通，保護(hù)異常電池避免極性反轉(zhuǎn)，因此具有能防止MEA(膜和電極接合體)破損。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池保護(hù)電路，其特征在于具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中至少一個(gè)電池的電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該電極的旁通路徑的旁通單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于上述旁通單元具有并聯(lián)連接在上述電極之間，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)進(jìn)行導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于在上述電極不包含燃料電池組的接地電極的情況下，上述旁通單元具有用于切換上述開(kāi)關(guān)元件的電平變換驅(qū)動(dòng)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于，上述旁通單元具有串聯(lián)連接在上述電極上，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，進(jìn)行切斷的第一開(kāi)關(guān)元件；以及并聯(lián)連接在上述電極及上述第一開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電路的兩端之間，且在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，進(jìn)行導(dǎo)通的第二開(kāi)關(guān)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于在上述電極不包含燃料電池組的接地電極的情況下，上述旁通單元具有用于切換上述第一開(kāi)關(guān)元件及上述第二開(kāi)關(guān)元件的電平變換驅(qū)動(dòng)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項(xiàng)所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于上述電極是單元電池的電池電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項(xiàng)所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于上述電極是由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的串聯(lián)電池電路的兩端電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池保護(hù)電路，其特征在于上述檢測(cè)單元具有分別檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元。
9.一種燃料電池，其特征在于具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中的至少一個(gè)單元電池中，檢測(cè)上述單元電池的電池電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該電池電極的旁通路徑的旁通單元構(gòu)成。
10.一種燃料電池，其特征在于具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路中，檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的兩端電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元；以及在上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該兩端電極的旁通路徑的旁通單元構(gòu)成。
11.一種燃料電池，其特征在于具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由在構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池中由任意個(gè)數(shù)的電池構(gòu)成的至少一個(gè)串聯(lián)電池電路中，分別檢測(cè)上述串聯(lián)電池電路的各電池電極之間的電位差不合格的多個(gè)檢測(cè)單元；以及在至少一個(gè)上述檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成上述串聯(lián)電池電路的兩端電極的旁通路徑的旁通單元構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池保護(hù)電路及燃料電池。該燃料電池保護(hù)電路(10)具有檢測(cè)構(gòu)成燃料電池組的多個(gè)電池(C、C、...)中至少一個(gè)電池的電極之間的電位差不合格的檢測(cè)單元(20)；以及在檢測(cè)單元檢測(cè)到了電位差不合格時(shí)，形成該電極的旁通路徑的旁通單元(30)。另外，燃料電池(110)在構(gòu)成燃料電池組的n個(gè)電池中的至少負(fù)極側(cè)端部電極的單元電池(C
文檔編號(hào)H01M8/04GK1551391SQ200410031910
公開(kāi)日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者貞本敦史, 渋谷信男, 男, 富松師浩, 浩 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝