JP2000067896A - 極性の反転による損傷から燃料電池を保護する方法及び装置 - Google Patents
極性の反転による損傷から燃料電池を保護する方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池スタックの性能を監視する装置及び
方法を提供する。 【解決手段】 光エミッタ２２及び直列接続されて列４
０を形成する複数の光検出器２４を備えるオプトアイソ
レータ１４〜２０を用いてスタック２内の燃料電池４の
電圧を監視し、異常状態が発生したとき、警告を発し又
は修正動作を開始する。全燃料電池が正常の場合は、す
べての光エミッタ２２が発光し、列４０のすべての光検
出器２４が閉じて列４０に一定電流が流れる。少なくと
も１個の燃料電池に故障があると、その燃料電池の電圧
が光エミッタの起動電圧よりも低下し、その関連する光
エミッタが消えるので、該光エミッタと関連する光検出
器が開かれ、列の電流が遮断される。これにより、警告
を発し又は故障燃料電池を保護する動作が開始される。
方法を提供する。 【解決手段】 光エミッタ２２及び直列接続されて列４
０を形成する複数の光検出器２４を備えるオプトアイソ
レータ１４〜２０を用いてスタック２内の燃料電池４の
電圧を監視し、異常状態が発生したとき、警告を発し又
は修正動作を開始する。全燃料電池が正常の場合は、す
べての光エミッタ２２が発光し、列４０のすべての光検
出器２４が閉じて列４０に一定電流が流れる。少なくと
も１個の燃料電池に故障があると、その燃料電池の電圧
が光エミッタの起動電圧よりも低下し、その関連する光
エミッタが消えるので、該光エミッタと関連する光検出
器が開かれ、列の電流が遮断される。これにより、警告
を発し又は故障燃料電池を保護する動作が開始される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池のスタッ
ク中の個々の燃料電池を監視し、望ましくないスタック
動作状態が示されたときに該スタックのオペレータに警
告を発し及び／又は修正措置（例えば、燃料電池スタッ
クをアンロード（ｕｎｌｏａｄ）する）を開始して、ス
タック内の故障の電池を保護することにより、極性の反
転による損傷から燃料電池を保護する方法及び装置に関
する。
ク中の個々の燃料電池を監視し、望ましくないスタック
動作状態が示されたときに該スタックのオペレータに警
告を発し及び／又は修正措置（例えば、燃料電池スタッ
クをアンロード（ｕｎｌｏａｄ）する）を開始して、ス
タック内の故障の電池を保護することにより、極性の反
転による損傷から燃料電池を保護する方法及び装置に関
する。
【０００２】アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エ
ネルギ省により与えられた契約第ＤＥ−ＡＣ０２−９０
ＣＨ１０４３５号に準ずる本発明の権利を有する。
ネルギ省により与えられた契約第ＤＥ−ＡＣ０２−９０
ＣＨ１０４３５号に準ずる本発明の権利を有する。
【０００３】
【従来の技術】燃料電池は、多くの応用に対する電源と
して提案されている。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）燃
料電池（ＳＰＥ（固体重合体電解質）燃料電池としても
知られる）は、高エネルギを有し且つ低重量であるとい
う潜在的能力があり、従って、移動可能装置への応用
（例えば、電気車両）に望ましい。ＰＥＭ／ＳＰＥ燃料
電池は当該技術では公知であり、それら燃料電池は「膜
電極組立体」（ＭＥＡとしても知られる）を備え、その
膜電極組立体は、その一方の面に陽極を有し且つ他方の
面に陰極を有する薄いプロトン伝導性の固体重合体膜電
解質（例えば、過フッ素化（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔ
ｅｄ）スルホン酸のようなイオン交換樹脂）を備える。
陽極及び陰極は、典型的には、微細に分割された炭素粒
子と、該炭素粒子の内面及び外面に支持された非常に微
細に分割された触媒粒子と、これら触媒粒子及び炭素粒
子と混ぜ合わさったプロトン伝導性樹脂とを備える。膜
電極組立体は一対の導電性エレメントの間に挟まれる。
該導電性エレメントは、陽極及び陰極の集電器として働
き、且つ適宜の溝及び／又は開口部を有し、燃料電池の
気体反応物を陽極及び陰極の夫々の触媒の表面に分配す
る。複数の個々の電池が共に束ねられて燃料電池スタッ
クを形成する。ＰＥＭ燃料電池は典型的にはＨ2−Ｏ2燃
料電池であり、水素は陽極反応物（即ち、燃料）であ
り、酸素は陰極酸化体である。水素は純粋な形態であっ
ても、メタノール、ガソリンその他の改質により得られ
たものであってもよく、酸素は純粋な形態（即ち、
Ｏ2）であっても、空気であってもよい。
して提案されている。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）燃
料電池（ＳＰＥ（固体重合体電解質）燃料電池としても
知られる）は、高エネルギを有し且つ低重量であるとい
う潜在的能力があり、従って、移動可能装置への応用
（例えば、電気車両）に望ましい。ＰＥＭ／ＳＰＥ燃料
電池は当該技術では公知であり、それら燃料電池は「膜
電極組立体」（ＭＥＡとしても知られる）を備え、その
膜電極組立体は、その一方の面に陽極を有し且つ他方の
面に陰極を有する薄いプロトン伝導性の固体重合体膜電
解質（例えば、過フッ素化（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔ
ｅｄ）スルホン酸のようなイオン交換樹脂）を備える。
陽極及び陰極は、典型的には、微細に分割された炭素粒
子と、該炭素粒子の内面及び外面に支持された非常に微
細に分割された触媒粒子と、これら触媒粒子及び炭素粒
子と混ぜ合わさったプロトン伝導性樹脂とを備える。膜
電極組立体は一対の導電性エレメントの間に挟まれる。
該導電性エレメントは、陽極及び陰極の集電器として働
き、且つ適宜の溝及び／又は開口部を有し、燃料電池の
気体反応物を陽極及び陰極の夫々の触媒の表面に分配す
る。複数の個々の電池が共に束ねられて燃料電池スタッ
クを形成する。ＰＥＭ燃料電池は典型的にはＨ2−Ｏ2燃
料電池であり、水素は陽極反応物（即ち、燃料）であ
り、酸素は陰極酸化体である。水素は純粋な形態であっ
ても、メタノール、ガソリンその他の改質により得られ
たものであってもよく、酸素は純粋な形態（即ち、
Ｏ2）であっても、空気であってもよい。
【０００４】ＰＥＭ燃料電池の性能は幾つかの理由で、
とりわけ、一酸化炭素による陽極触媒の劣化、個々の電
池の陽極側と陰極側との間の過剰な漏洩、水素又は酸素
の不足、陽極／陰極の気体分配溝の汚染、個々の電池の
損傷、水の過剰などで低下する。これらの何れかがスタ
ック内の１つ以上の電池で発生しただけで、それらの電
池の個々の性能が低下し、それらの電池の極性が反転さ
れる恐れがある。燃料電池スタック内の電池の極性が反
転されると、その電池はスタック電流に寄与せず、全ス
タック電流に対するシンクとなる。電池の極性が反転し
た場合には、例えば、スタックから抵抗負荷を除去する
（即ち、アンロードする）等の、その状況を修正する適
切な処理を施されなければ、電池が破壊される恐れがあ
る。比較的強固である燐酸、固体酸化物及び融解炭酸塩
電池のような他のＨ2−Ｏ2燃料電池とは異なり、ＰＥＭ
燃料電池は、極性が反転されたとき（例えば、触媒の酸
化、ＭＥＡの剥離などにより）比較的急速な破壊を受け
やすい。
とりわけ、一酸化炭素による陽極触媒の劣化、個々の電
池の陽極側と陰極側との間の過剰な漏洩、水素又は酸素
の不足、陽極／陰極の気体分配溝の汚染、個々の電池の
損傷、水の過剰などで低下する。これらの何れかがスタ
ック内の１つ以上の電池で発生しただけで、それらの電
池の個々の性能が低下し、それらの電池の極性が反転さ
れる恐れがある。燃料電池スタック内の電池の極性が反
転されると、その電池はスタック電流に寄与せず、全ス
タック電流に対するシンクとなる。電池の極性が反転し
た場合には、例えば、スタックから抵抗負荷を除去する
（即ち、アンロードする）等の、その状況を修正する適
切な処理を施されなければ、電池が破壊される恐れがあ
る。比較的強固である燐酸、固体酸化物及び融解炭酸塩
電池のような他のＨ2−Ｏ2燃料電池とは異なり、ＰＥＭ
燃料電池は、極性が反転されたとき（例えば、触媒の酸
化、ＭＥＡの剥離などにより）比較的急速な破壊を受け
やすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような切迫した
状態を事前に警告されること、及び、極性が反転する状
況が切迫しているときに、それを警告して早期の修正動
作（例えば、スタックをアンロードする）を開始させる
迅速応答型の保護システムを備えることが望まれる。
状態を事前に警告されること、及び、極性が反転する状
況が切迫しているときに、それを警告して早期の修正動
作（例えば、スタックをアンロードする）を開始させる
迅速応答型の保護システムを備えることが望まれる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池のス
タックの性能を監視し、１個以上の電池の性能が、電池
の極性反転の前兆になる望ましくない動作状態を示すと
きに、修正措置（例えば、スタックのオペレータに警告
を発し及び／又はスタックをアンロードする）を自動的
に開始する保護方法及び装置に関する。本発明は任意の
形式の燃料電池スタックに有用であるが、特に、極性反
転状態が発生したときの急速な破壊を特に受け易いＰＥ
Ｍ・Ｈ2−Ｏ2燃料電池に有用である。従って、ここで
は、本発明をＰＥＭ・Ｈ2−Ｏ2燃料電池と関連させて説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
タックの性能を監視し、１個以上の電池の性能が、電池
の極性反転の前兆になる望ましくない動作状態を示すと
きに、修正措置（例えば、スタックのオペレータに警告
を発し及び／又はスタックをアンロードする）を自動的
に開始する保護方法及び装置に関する。本発明は任意の
形式の燃料電池スタックに有用であるが、特に、極性反
転状態が発生したときの急速な破壊を特に受け易いＰＥ
Ｍ・Ｈ2−Ｏ2燃料電池に有用である。従って、ここで
は、本発明をＰＥＭ・Ｈ2−Ｏ2燃料電池と関連させて説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００７】装置に関しては、本発明は、電気的に直列
に接続された複数の個々の燃料電池を備え、個々の電池
の電圧の和であるスタック電圧を発生するＰＥＭ・Ｈ2
−Ｏ2燃料電池スタックを含む。通常の動作状態では、
個々の電池の正常電圧は約０．６ボルトであり、正常な
スタック電圧は、正常な電池電圧にスタック内の電池の
数を乗じたものである。複数のオプトアイソレータ（オ
プトカプラとしても知られる）が備えられ、その各々は
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光エミッタを備え
る。光エミッタは、スタックにおける個々の電池のうち
の少なくとも１つに結合され、且つその関連する電池電
圧に応答して、（１）その関連する電池の端子電圧が正
常であり且つ光エミッタの起動電圧（値はオプトアイソ
レータの製造者により予め定められる）より大きいとき
に発光し、（２）電池の端子電圧が正常値より小さく且
つ光エミッタの所定の起動電圧より小さいときに暗くな
る。また、各オプトアイソレータは、光エミッタに近接
して配置され且つ光エミッタに応答して、光エミッタが
発光しているときには電流を通し、光エミッタが暗いと
きには電流の流れを遮断する光検出器を備える。
に接続された複数の個々の燃料電池を備え、個々の電池
の電圧の和であるスタック電圧を発生するＰＥＭ・Ｈ2
−Ｏ2燃料電池スタックを含む。通常の動作状態では、
個々の電池の正常電圧は約０．６ボルトであり、正常な
スタック電圧は、正常な電池電圧にスタック内の電池の
数を乗じたものである。複数のオプトアイソレータ（オ
プトカプラとしても知られる）が備えられ、その各々は
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光エミッタを備え
る。光エミッタは、スタックにおける個々の電池のうち
の少なくとも１つに結合され、且つその関連する電池電
圧に応答して、（１）その関連する電池の端子電圧が正
常であり且つ光エミッタの起動電圧（値はオプトアイソ
レータの製造者により予め定められる）より大きいとき
に発光し、（２）電池の端子電圧が正常値より小さく且
つ光エミッタの所定の起動電圧より小さいときに暗くな
る。また、各オプトアイソレータは、光エミッタに近接
して配置され且つ光エミッタに応答して、光エミッタが
発光しているときには電流を通し、光エミッタが暗いと
きには電流の流れを遮断する光検出器を備える。
【０００８】各オプトアイソレータの光検出器は互いに
電気的に直列に接続されて、光検出器の列を形成する。
電流は、電流源（例えば、バッテリ）から、その列を通
じて流れる。検出回路は、光検出器の列に流れる電流の
存在又は不存在を検知し、列の電流の流れが遮断された
ときに、スタックのオペレータに警告を発し及び／又は
自動的に修正措置（例えば、スタックをアンロードす
る）を開始する。１つのオプトアイソレータが一対の電
池に接続され、その光エミッタは、該対における個々の
電池の電圧の和に応答して、その和が光エミッタの起動
電圧以上であるときには発光し、その和が該起動電圧よ
り小さいときには暗くなるようにすることが好ましい。
最も好ましいのは、定電流源から光検出器の列に一定の
電流を印加し、適切な検出回路により列の特定の点の電
圧を検知して、その電圧が所定値より小さくなったとき
にスタックのオペレータに警告を発し及び／又は自動的
に修正措置を開始することである。
電気的に直列に接続されて、光検出器の列を形成する。
電流は、電流源（例えば、バッテリ）から、その列を通
じて流れる。検出回路は、光検出器の列に流れる電流の
存在又は不存在を検知し、列の電流の流れが遮断された
ときに、スタックのオペレータに警告を発し及び／又は
自動的に修正措置（例えば、スタックをアンロードす
る）を開始する。１つのオプトアイソレータが一対の電
池に接続され、その光エミッタは、該対における個々の
電池の電圧の和に応答して、その和が光エミッタの起動
電圧以上であるときには発光し、その和が該起動電圧よ
り小さいときには暗くなるようにすることが好ましい。
最も好ましいのは、定電流源から光検出器の列に一定の
電流を印加し、適切な検出回路により列の特定の点の電
圧を検知して、その電圧が所定値より小さくなったとき
にスタックのオペレータに警告を発し及び／又は自動的
に修正措置を開始することである。
【０００９】方法に関しては、本発明は、直列接続され
た燃料電池のスタックにおける故障した燃料電池を検出
し、スタックのオペレータに警告を発し及び／又は自動
的に修正措置を開始して、極性の反転により生じ得る損
傷から故障電池を保護する方法を包含する。この方法
は、（ａ）個々の電池を、光エミッタと該光エミッタか
ら発せられる光に応答する近接配置された光検出器とを
備えるオプトアイソレータに結合するステップと、
（ｂ）電池電圧が光エミッタの起動電圧より大きいとき
には発光し、電池電圧が起動電圧より小さくなったとき
には暗くなるように、光エミッタを電池に接続するステ
ップと、（ｃ）各光検出器を直列に且つ列状に接続する
ステップと、（ｄ）すべての光エミッタが発光している
ときには光検出器の列を通して電流を流し、何れかの光
エミッタが暗くなったときには電流を遮断するステップ
と、（ｅ）列の電流の流れを検出するステップと、
（ｆ）列の電流が遮断されたときに、スタックのオペレ
ータに警告を発し及び／又は自動的に修正措置を開始し
て、スタック内の何れかの故障電池を保護するステップ
とを備える。オプトアイソレータは、一対の電池に接続
されて、その関連する対の電池の個々の電池電圧の和よ
りも僅かに低い起動電圧を有することが好ましい。各オ
プトアイソレータに一対の電池を結合することにより、
必要なオプトアイソレータの数を減らすことができ、シ
ステムの信頼性が向上する。最も好ましいのは、列の電
流を、（ｉ）列に一定の電流を流し、（ｉｉ）列の特定
の場所の電圧を監視し、（ｉｉｉ）列の電圧と所定のス
レッショルド電圧とを比較することにより、検出するこ
とである。列の電圧がスレッショルド電圧より下がった
ときに、スタックのオペレータに警告が発せられ及び／
又は（例えば、スタックをアンロードすることにより）
故障電池が自動的に保護されるこの発明は、添付図面を
参照して以下の詳細な説明を考慮するとき一層良く理解
することができよう。
た燃料電池のスタックにおける故障した燃料電池を検出
し、スタックのオペレータに警告を発し及び／又は自動
的に修正措置を開始して、極性の反転により生じ得る損
傷から故障電池を保護する方法を包含する。この方法
は、（ａ）個々の電池を、光エミッタと該光エミッタか
ら発せられる光に応答する近接配置された光検出器とを
備えるオプトアイソレータに結合するステップと、
（ｂ）電池電圧が光エミッタの起動電圧より大きいとき
には発光し、電池電圧が起動電圧より小さくなったとき
には暗くなるように、光エミッタを電池に接続するステ
ップと、（ｃ）各光検出器を直列に且つ列状に接続する
ステップと、（ｄ）すべての光エミッタが発光している
ときには光検出器の列を通して電流を流し、何れかの光
エミッタが暗くなったときには電流を遮断するステップ
と、（ｅ）列の電流の流れを検出するステップと、
（ｆ）列の電流が遮断されたときに、スタックのオペレ
ータに警告を発し及び／又は自動的に修正措置を開始し
て、スタック内の何れかの故障電池を保護するステップ
とを備える。オプトアイソレータは、一対の電池に接続
されて、その関連する対の電池の個々の電池電圧の和よ
りも僅かに低い起動電圧を有することが好ましい。各オ
プトアイソレータに一対の電池を結合することにより、
必要なオプトアイソレータの数を減らすことができ、シ
ステムの信頼性が向上する。最も好ましいのは、列の電
流を、（ｉ）列に一定の電流を流し、（ｉｉ）列の特定
の場所の電圧を監視し、（ｉｉｉ）列の電圧と所定のス
レッショルド電圧とを比較することにより、検出するこ
とである。列の電圧がスレッショルド電圧より下がった
ときに、スタックのオペレータに警告が発せられ及び／
又は（例えば、スタックをアンロードすることにより）
故障電池が自動的に保護されるこの発明は、添付図面を
参照して以下の詳細な説明を考慮するとき一層良く理解
することができよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】概略的には、オプトアイソレータ
における光エミッタ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）
は、ＰＥＭ燃料電池スタックにおける複数の対の燃料電
池の両端間に接続される。これらのＬＥＤは、燃料電池
のそれぞれの対の両端間の電圧がＬＥＤの最小動作（起
動）電圧と等しいか又はそれよりも高いときにオンにな
り（発光し）、その対の合計電圧がＬＥＤの起動電圧よ
りも低いときにオフになる（消える）。従って、（例え
ば、燃料／酸化体の不足に起因して）対の一方又は両方
の電池の性能が、電池の極性反転が今にも起ころうとす
る点まで低下すると、ＬＥＤはオフになる。ＬＥＤが消
えると、オプトアイソレータの光検出器（例えば、フォ
トトランジスタ）の部分が開状態になり、光検出器を通
る電流又は光検出器と電気的に直列の回路を通る電流を
遮断する。
における光エミッタ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）
は、ＰＥＭ燃料電池スタックにおける複数の対の燃料電
池の両端間に接続される。これらのＬＥＤは、燃料電池
のそれぞれの対の両端間の電圧がＬＥＤの最小動作（起
動）電圧と等しいか又はそれよりも高いときにオンにな
り（発光し）、その対の合計電圧がＬＥＤの起動電圧よ
りも低いときにオフになる（消える）。従って、（例え
ば、燃料／酸化体の不足に起因して）対の一方又は両方
の電池の性能が、電池の極性反転が今にも起ころうとす
る点まで低下すると、ＬＥＤはオフになる。ＬＥＤが消
えると、オプトアイソレータの光検出器（例えば、フォ
トトランジスタ）の部分が開状態になり、光検出器を通
る電流又は光検出器と電気的に直列の回路を通る電流を
遮断する。
【００１１】オプトアイソレータ回路における電流の停
止が検知され、燃料電池スタック・コントローラに信号
が送られて、必要な修正動作（例えば、スタックのアン
ロードする）が行われ、ＬＥＤを消させた電池の損傷を
防ぐ。検流計のような電流検出器を用いて電流を検知す
ることができるが、列の特定の部分の電圧を検知して、
その電圧を許容スレッショルド電圧と比較することによ
り電流を検出することが望ましい。本発明の診断機構の
格別の利点は、幾つかの電池を調べるのではなく、複数
の電池を連続的に且つ同時に監視することができること
である。
止が検知され、燃料電池スタック・コントローラに信号
が送られて、必要な修正動作（例えば、スタックのアン
ロードする）が行われ、ＬＥＤを消させた電池の損傷を
防ぐ。検流計のような電流検出器を用いて電流を検知す
ることができるが、列の特定の部分の電圧を検知して、
その電圧を許容スレッショルド電圧と比較することによ
り電流を検出することが望ましい。本発明の診断機構の
格別の利点は、幾つかの電池を調べるのではなく、複数
の電池を連続的に且つ同時に監視することができること
である。
【００１２】より詳細には、図１は、複数の個別の電池
４を含む燃料電池スタック２（点線で示す）を示してお
り、この燃料電池の端子８と１０との間に負荷６が接続
される。スイッチ７又はそれと同等の素子が、負荷６と
燃料電池スタック２との接続又は切り離し（即ちアンロ
ーディング）を行うように作用する。電気車両の場合に
は、負荷６は典型的にはトラクションモータを含み、そ
の抵抗は運転条件に依存して大きく変化する。従って、
このようなモータを流れる電流は、加速状態や登坂状態
等の、モータに対する負荷が最大になるときには、ずっ
と大きくなる。この同じ電流が燃料電池スタック２を流
れる。
４を含む燃料電池スタック２（点線で示す）を示してお
り、この燃料電池の端子８と１０との間に負荷６が接続
される。スイッチ７又はそれと同等の素子が、負荷６と
燃料電池スタック２との接続又は切り離し（即ちアンロ
ーディング）を行うように作用する。電気車両の場合に
は、負荷６は典型的にはトラクションモータを含み、そ
の抵抗は運転条件に依存して大きく変化する。従って、
このようなモータを流れる電流は、加速状態や登坂状態
等の、モータに対する負荷が最大になるときには、ずっ
と大きくなる。この同じ電流が燃料電池スタック２を流
れる。
【００１３】燃料電池スタック２内の個々の電池４のう
ちの少なくとも１個が例えば燃料不足又は酸素不足とな
り、或いは何らかの衰弱状態にある場合には、その電池
は必要とされる量の電流を供給することができず、電流
源ではなく電流シンクとなるので、結果的に電池の極性
が反転する。このような極性の反転や他の電池劣化状態
を検出するために、燃料電池スタック２には、各々が光
エミッタ２２及び光検出器２４を有する複数のオプトア
イソレータ１４、１６、１８、２０を備えた診断システ
ム１２が設けられる。好ましくは、光エミッタ２２は発
光ダイオード（即ち、ＬＥＤ）からなり、光検出器２４
はフォトトランジスタからなる。図示の実施の形態にお
いては、ＬＥＤ及びフォトトランジスタの代わりに、他
の形式の光エミッタ及び光検出器を用いることもでき
る。
ちの少なくとも１個が例えば燃料不足又は酸素不足とな
り、或いは何らかの衰弱状態にある場合には、その電池
は必要とされる量の電流を供給することができず、電流
源ではなく電流シンクとなるので、結果的に電池の極性
が反転する。このような極性の反転や他の電池劣化状態
を検出するために、燃料電池スタック２には、各々が光
エミッタ２２及び光検出器２４を有する複数のオプトア
イソレータ１４、１６、１８、２０を備えた診断システ
ム１２が設けられる。好ましくは、光エミッタ２２は発
光ダイオード（即ち、ＬＥＤ）からなり、光検出器２４
はフォトトランジスタからなる。図示の実施の形態にお
いては、ＬＥＤ及びフォトトランジスタの代わりに、他
の形式の光エミッタ及び光検出器を用いることもでき
る。
【００１４】各光エミッタ２２は一対の燃料電池の両端
間に接続され、その関連する対の合計電圧に応答する。
電流制限用の抵抗２１が、光エミッタ２２を流れる電流
の量を制限する。図示のように、オプトアイソレータ１
４の光エミッタ２２は電池（ａ）及び（ｂ）にまたがっ
て接続され、オプトアイソレータ１６の光エミッタ２２
は電池（ｃ）及び（ｄ）にまたがって接続され、オプト
アイソレータ１８の光エミッタ２２は電池（ｅ）及び
（ｆ）にまたがって接続され、他も同様に接続される。
オプトアイソレータ１４〜２０における各々の光検出器
２４は、抵抗３０を介して定電流源２６と接地２８との
間に電気的に直列に、列をなして接続される。光エミッ
タ２２は、２個の直列接続された燃料電池の合計電圧よ
りも僅かに低い起動電圧を有するように選択される。従
って、０．６Ｖの開回路電圧を有するＨ2−Ｏ2ＰＥＭ燃
料電池に対しては、モトローラ社の起動電圧１．１Ｖｄ
ＣのＴＩＬ１１１型オプトアイソレータが選択され、
１．２ＶｄＣの合計電圧を発生する各燃料電池対にまた
がって接続される。
間に接続され、その関連する対の合計電圧に応答する。
電流制限用の抵抗２１が、光エミッタ２２を流れる電流
の量を制限する。図示のように、オプトアイソレータ１
４の光エミッタ２２は電池（ａ）及び（ｂ）にまたがっ
て接続され、オプトアイソレータ１６の光エミッタ２２
は電池（ｃ）及び（ｄ）にまたがって接続され、オプト
アイソレータ１８の光エミッタ２２は電池（ｅ）及び
（ｆ）にまたがって接続され、他も同様に接続される。
オプトアイソレータ１４〜２０における各々の光検出器
２４は、抵抗３０を介して定電流源２６と接地２８との
間に電気的に直列に、列をなして接続される。光エミッ
タ２２は、２個の直列接続された燃料電池の合計電圧よ
りも僅かに低い起動電圧を有するように選択される。従
って、０．６Ｖの開回路電圧を有するＨ2−Ｏ2ＰＥＭ燃
料電池に対しては、モトローラ社の起動電圧１．１Ｖｄ
ＣのＴＩＬ１１１型オプトアイソレータが選択され、
１．２ＶｄＣの合計電圧を発生する各燃料電池対にまた
がって接続される。
【００１５】各光エミッタが結合されている燃料電池対
の合計電圧が当該光エミッタの起動電圧を超えたとき
に、光エミッタ２２は発光する。すべての光エミッタが
発光しているとき（即ち、正常動作状態）、すべての光
検出器２４が閉状態となり、すべての光検出器及び負荷
抵抗３０を通じて電流が流れる。電圧調整器３２は電源
３４（例えば、バッテリ）から給電され、調整された電
圧３６を定電流源２６及び検出回路３８（以下に説明す
る）に供給する。
の合計電圧が当該光エミッタの起動電圧を超えたとき
に、光エミッタ２２は発光する。すべての光エミッタが
発光しているとき（即ち、正常動作状態）、すべての光
検出器２４が閉状態となり、すべての光検出器及び負荷
抵抗３０を通じて電流が流れる。電圧調整器３２は電源
３４（例えば、バッテリ）から給電され、調整された電
圧３６を定電流源２６及び検出回路３８（以下に説明す
る）に供給する。
【００１６】負荷抵抗３０の両端間の電圧は、光検出器
２４の列４０の電流Ｉに負荷抵抗３０の抵抗値を乗じた
ものに等しい。負荷抵抗３０の電圧は、検出回路３８内
の比較器４２の正入力側に印加され、予め設定された基
準／スレッショルド電圧と比較される。この基準／スレ
ッショルド電圧は、比較器４２の負入力側に接続された
電位差計４４によって確立される。比較器４２の出力信
号４６は、負荷抵抗３０での電圧降下が電位差計４６で
の電圧降下と等しいか又はそれより大きいときにローと
なり、負荷抵抗３０での電圧降下が電位差計４６での電
圧降下より小さいときにハイとなる。比較器４２は、外
部のプルアップ抵抗４８に結合されたコレクタを有する
コレクタ出力の変形として図示されている。
２４の列４０の電流Ｉに負荷抵抗３０の抵抗値を乗じた
ものに等しい。負荷抵抗３０の電圧は、検出回路３８内
の比較器４２の正入力側に印加され、予め設定された基
準／スレッショルド電圧と比較される。この基準／スレ
ッショルド電圧は、比較器４２の負入力側に接続された
電位差計４４によって確立される。比較器４２の出力信
号４６は、負荷抵抗３０での電圧降下が電位差計４６で
の電圧降下と等しいか又はそれより大きいときにローと
なり、負荷抵抗３０での電圧降下が電位差計４６での電
圧降下より小さいときにハイとなる。比較器４２は、外
部のプルアップ抵抗４８に結合されたコレクタを有する
コレクタ出力の変形として図示されている。
【００１７】何れかの光エミッタ２２が消えた結果とし
て何れかの光検出器２４が開状態になったことにより列
４０の電流が遮断されたときに、負荷抵抗３０の電圧降
下は電位差計４４の電圧降下より小さくなり、比較器４
２からの出力信号４６はハイになる。比較器４２からの
ハイ又はローの出力４６は、論理「アンド」回路５０に
印加され、イネーブル信号５４が回路５０に印加されて
比較器４２の出力を通すとき（ハイ又はローの）出力信
号５２として複製される。論理「アンド」回路５０から
の出力５２は、適切な修正動作を開始する（例えば、ス
イッチ７を開いて、スタック２から負荷６を切り離す）
スタック・コントローラ（図示せず）に接続される。イ
ネーブル信号５４は、始動シーケンス（即ち、個々の電
池４の電圧がローである）の後に燃料電池スタックが完
全動作状態になって定常動作状態が達成されたときにの
み供給される。
て何れかの光検出器２４が開状態になったことにより列
４０の電流が遮断されたときに、負荷抵抗３０の電圧降
下は電位差計４４の電圧降下より小さくなり、比較器４
２からの出力信号４６はハイになる。比較器４２からの
ハイ又はローの出力４６は、論理「アンド」回路５０に
印加され、イネーブル信号５４が回路５０に印加されて
比較器４２の出力を通すとき（ハイ又はローの）出力信
号５２として複製される。論理「アンド」回路５０から
の出力５２は、適切な修正動作を開始する（例えば、ス
イッチ７を開いて、スタック２から負荷６を切り離す）
スタック・コントローラ（図示せず）に接続される。イ
ネーブル信号５４は、始動シーケンス（即ち、個々の電
池４の電圧がローである）の後に燃料電池スタックが完
全動作状態になって定常動作状態が達成されたときにの
み供給される。
【００１８】電位差計４４の両端間のスレッショルド／
基準電圧は、その上側では燃料電池スタック２が正常動
作状態にあると判断され、その下側では燃料電池スタッ
ク２が異常状態にあるとみなされ、燃料電池スタック２
から負荷６を電気的に切り離すことによりアンロードす
る等の修正動作を必要とする電圧である。一対のコンデ
ンサ５６及び５８は、回路の電気的ノイズを除去又は抑
制するように働く。
基準電圧は、その上側では燃料電池スタック２が正常動
作状態にあると判断され、その下側では燃料電池スタッ
ク２が異常状態にあるとみなされ、燃料電池スタック２
から負荷６を電気的に切り離すことによりアンロードす
る等の修正動作を必要とする電圧である。一対のコンデ
ンサ５６及び５８は、回路の電気的ノイズを除去又は抑
制するように働く。
【００１９】本発明を特定の実施の形態に関連して説明
したが、本発明はそれに限定されるものではない。
したが、本発明はそれに限定されるものではない。
【図１】本発明の燃料電池監視及び保護システムを含む
二極式のＰＥＭ燃料電池スタックを概略的に示す図であ
る。
二極式のＰＥＭ燃料電池スタックを概略的に示す図であ
る。
２：燃料電池スタック、 ６：負荷、 ７：スイッチ、
１４〜２０：オプトアイソレータ、 ２２：光エミッ
タ、 ２４：光検出器、２６：定電流源、 ３２：電圧
調整器、 ３４：電源、 ３８：検出回路
１４〜２０：オプトアイソレータ、 ２２：光エミッ
タ、 ２４：光検出器、２６：定電流源、 ３２：電圧
調整器、 ３４：電源、 ３８：検出回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・ジェフリー・クリンガーマン アメリカ合衆国ニューヨーク州14522，パ ルミラ，ルート21・ノース 1855 (72)発明者 ケネス・デーヴィッド・モワリー アメリカ合衆国インディアナ州46060，ノ ーブルスヴィル，トレモント・コート 309
Claims (7)
- 【請求項１】 燃料電池スタックであって、 電気的に直列接続された複数の個々の燃料電池であっ
て、各燃料電池が、正常動作状態の下では正常な電池電
圧を発生し、異常動作状態の下では正常値より低い電池
電圧を発生する複数の燃料電池と、 （１）前記燃料電池の少なくとも１つに接続され、前記
電池電圧に応答して、前記電池電圧が正常であり且つ所
定値よりも大きいときに発光し、前記電池電圧が正常値
より低く且つ前記所定値よりも小さいときに暗くなる光
エミッタと、（２）前記光エミッタに近接し、該光エミ
ッタに応答して、該光エミッタが発光しているときに電
流を通し、該光エミッタが暗くなっているときに電流を
遮断する光検出器であって、互いに電気的に直列に接続
されて列を形成する光検出器とを各々備えた複数のオプ
トアイソレータと、 前記列に電流を供給する電流源と、 前記列における電流の存在を検知し、前記列内の電流の
流れが遮断されたときに前記燃料電池スタックのオペレ
ータに警告を発し及び／又は修正措置を自動的に開始し
て、電圧が正常値より低い燃料電池を保護する検出回路
と、を具備する燃料電池スタック。 - 【請求項２】 ＰＥＭ燃料電池スタックであって、 電気的に直列接続された複数の個々の燃料電池であっ
て、各燃料電池が、正常動作状態の下では正常な電池電
圧を発生し、異常動作状態の下では正常値より低い電池
電圧を発生する複数の燃料電池と、 （１）一対の前記燃料電池に接続され、該対の電池の電
圧の和に応答して、前記和が所定値よりも大きいときに
発光し、前記和が前記所定値よりも小さいときに暗くな
る光エミッタと、（２）前記光エミッタに近接し、該光
エミッタに応答して、該光エミッタが発光しているとき
に電流を通し、該光エミッタが暗くなっているときに電
流を遮断する光検出器であって、列状に互いに電気的に
直列に接続される光検出器とを各々備えた複数のオプト
アイソレータと、 前記光検出器の列に電流を供給する電流源と、 前記列における電流の存在を検知し、前記列の電流の流
れが遮断されたときに前記燃料電池スタックのオペレー
タに警告を発し及び／又は修正措置を自動的に開始し
て、電圧が正常値より低い前記燃料電池スタック内の燃
料電池を保護する検出回路と、を具備するＰＥＭ燃料電
池スタック。 - 【請求項３】 前記電流源は前記列に一定の電流を供給
し、 前記検出回路は、前記列に電流が流れているときに前記
列の電圧を検知して、前記列の電圧値が所定値より小さ
くなったときに、前記燃料電池スタックのオペレータに
警告を発し及び／又は前記修正措置を自動的に開始す
る、請求項２に記載のＰＥＭ燃料電池スタック。 - 【請求項４】 直列接続された複数の燃料電池を有する
スタックにおける故障した燃料電池を検出し、該故障し
た燃料電池が損傷しないように修正措置を自動的に開始
することによって、前記故障した燃料電池を保護する方
法であって、 ａ．前記燃料電池の各々を、光エミッタと該光エミッタ
の発する光に応答する隣接の光検出器とを備えたオプト
アイソレータに結合するステップであって、前記光エミ
ッタを、前記燃料電池の電圧が所定値より大きくて前記
燃料電池の動作が正常であることを示すときに発光し、
前記燃料電池の電圧が前記所定値より小さくて前記燃料
電池の動作が異常であることを示すときに暗くなるよう
に前記燃料電池に接続するステップと、 ｂ．それぞれの前記光検出器を他の前記光検出器と互い
に接続し、直列接続された光検出器の列を形成するステ
ップと、 ｃ．前記光エミッタのすべてが発光しているときに前記
列を通じて電流を流し、前記光エミッタのうちの少なく
とも１つが暗いときに電流の流れを遮断するステップ
と、 ｄ．前記列における前記電流の流れを検出するステップ
と、 ｅ．前記列における電流の流れが遮断されたときに前記
燃料電池スタックのオペレータに警告を発し及び／又は
修正措置を自動的に開始して、電圧が正常値より低い前
記燃料電池スタック内の燃料電池を保護するステップ
と、を備えた方法。 - 【請求項５】 前記修正措置は、前記燃料電池スタック
のアンロードを含む、請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】 （１）前記列を通して一定の電流を流
し、（２）前記列中の選択位置で前記列の電圧を監視
し、（３）前記列の電圧を所定のスレッショルド電圧と
比較し、（４）前記列の電圧が前記スレッショルド電圧
より小さくなったときに前記燃料電池スタックのオペレ
ータに警告を発し及び／又は修正措置を自動的に開始す
ることによって、前記列の電流を検出するステップを含
む、請求項４に記載の方法。 - 【請求項７】 前記オプトアイソレータは、一対の前記
燃料電池に接続されて、前記対を構成する燃料電池の個
々の電圧の和に応答する、請求項６に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US13846698A | 1998-08-21 | 1998-08-21 | |
| US09/138466 | 1998-08-21 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000067896A true JP2000067896A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=22482140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11230578A Pending JP2000067896A (ja) | 1998-08-21 | 1999-08-17 | 極性の反転による損傷から燃料電池を保護する方法及び装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0982788A3 (ja) |
| JP (1) | JP2000067896A (ja) |
| CA (1) | CA2277397A1 (ja) |
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