JP2009043593A - 燃料電池の電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの端子間電圧を検出可能とし、装置構成に要する費用が嵩むことを防止する。
【解決手段】燃料電池1の電圧検出装置10を、燃料電池を構成する単セル2の出力電圧が印加される液晶33と、液晶33に光を照射する光源22と、液晶33を透過した光の強度を検出するCCDアレイ24と、単セル2の出力電圧に応じたCCDアレイ24の出力信号に基づき単セル2の出力電圧を検出する処理装置16とを備えて構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池の電圧検出装置に関する。
従来、例えば燃料電池を構成する複数の単セル毎に並列に接続されたセル電圧検出回路として、例えばフォトMOSFET等の光素子からなるフライングキャパシタ回路を備え、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系と、処理装置等からなる低電圧系との絶縁を確保しつつ、各単セルの端子間電圧を検出する装置が知られている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
特開2006−153758号公報 特開2006−156178号公報
しかしながら、上記従来技術に係る装置においては、複数の単セル毎にフォトMOSFET等の相対的に高価な光素子を備えてフライングキャパシタ回路を構成することから、単セルの個数が増大することに伴い、装置構成に要する費用が嵩むという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの端子間電圧を検出可能とし、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することが可能な燃料電池の電圧検出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第1態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、燃料電池を構成する単セル(例えば、実施の形態での単セル2)の出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、前記単セルの出力電圧が印加される液晶(例えば、実施の形態での液晶33)と、前記液晶に光を照射する光源(例えば、実施の形態での光源22)と、前記液晶を透過した前記光の強度を検出する光検出手段(例えば、実施の形態でのCCDアレイ24)と、前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号に基づき前記出力電圧を検出する検出手段(例えば、実施の形態での処理装置16)とを備える。
さらに、本発明の第2態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、所定電圧が印加される較正用液晶(例えば、実施の形態での較正用液晶42)と、前記較正用液晶に光を照射する較正用光源(例えば、実施の形態での光源22が兼ねる)と、前記較正用液晶を透過した前記光の強度を検出する較正用光検出手段(例えば、実施の形態でのCCDアレイ24が兼ねる)とを備え、前記検出手段は、前記較正用光検出手段の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号とに基づき、前記出力電圧を検出する。
また、本発明の第3態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、燃料電池を構成する単セル(例えば、実施の形態での単セル2)の出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、前記単セルの出力電圧が印加される液晶(例えば、実施の形態での液晶33)と、前記液晶に交流信号を印加する交流信号源(例えば、実施の形態での交流信号源55)と、前記交流信号が印加された前記液晶の交流電圧を検出する交流電圧検出回路(例えば、実施の形態での交流電圧検出回路54)と、前記単セルの出力電圧に応じた前記交流電圧検出回路の出力信号に基づき前記液晶のコンデンサ容量を検出し、該コンデンサ容量に基づき前記出力電圧を検出する検出手段(例えば、実施の形態での処理装置16)とを備える。
さらに、本発明の第4態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、所定電圧が印加される較正用液晶(例えば、実施の形態での較正用液晶42)と、前記較正用液晶に交流信号を印加する較正用交流信号源(例えば、実施の形態での交流信号源55が兼ねる)と、前記較正用液晶の交流電圧を検出する較正用交流電圧検出回路(例えば、実施の形態での交流電圧検出回路54が兼ねる)と、前記検出手段は、前記較正用交流電圧検出回路の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記交流電圧検出回路の出力信号とに基づき、前記液晶のコンデンサ容量を検出し、該コンデンサ容量に基づき前記出力電圧を検出する。
さらに、本発明の第5態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、前記液晶の温度を検出する温度センサ(例えば、実施の形態での温度センサ25)と、前記液晶の温度に基づき前記検出手段による前記出力電圧の検出結果を補正する補正手段(例えば、実施の形態での処理装置16が兼ねる)とを備える。
本発明の第1態様に係る燃料電池の電圧検出装置によれば、液晶の光透過率は液晶に印加される電圧に応じて変化することから、液晶の光透過率を検出することで単セルの出力電圧を検出することができる。この場合、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの出力電圧を検出することができ、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することができる。
さらに、請求項2に記載の本発明の燃料電池の電圧検出装置によれば、所定電圧が印加される較正用液晶に対する較正用素子の出力信号を基準として、単セルの出力電圧に応じた素子の出力信号に基づき出力電圧を検出することで、検出誤差を低減することができる。
また、請求項3に記載の本発明の燃料電池の電圧検出装置によれば、液晶のコンデンサ容量は液晶に印加される電圧に応じて変化することから、液晶のコンデンサ容量を検出することで単セルの出力電圧を検出することができる。この場合、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの出力電圧を検出することができ、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することができる。
さらに、請求項4に記載の本発明の燃料電池の電圧検出装置によれば、所定電圧が印加される較正用液晶に対する較正用素子の出力信号を基準として、単セルの出力電圧に応じた素子の出力信号に基づき出力電圧を検出することで、検出誤差を低減することができる。
さらに、請求項5に記載の本発明の燃料電池の電圧検出装置によれば、液晶の光透過率およびコンデンサ容量が温度依存性を有する場合であっても、温度センサから出力される検出信号に基づき検出手段による出力電圧の検出結果を補正することで、検出精度を向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池の電圧検出装置10は、例えば燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック1は、図1に示すように、単位燃料電池(単セル)2が複数積層されて構成され、単セル2は、膜電極構造体(MEA)3と、この膜電極構造体(MEA)3を挟持するカソード側セパレータ4及びアノード側セパレータ5とを備えて構成されている。
膜電極構造体3は、固体高分子電解質膜11と、この固体高分子電解質膜11を両側から挟み込むカソード側ガス拡散電極12およびアノード側ガス拡散電極13と、これら固体高分子電解質膜11とカソード側およびアノード側ガス拡散電極12,13との間に設けられる白金を含む触媒層(図示略)とを備えて構成されている。
そして、カソード側セパレータ4及びアノード側セパレータ5には、電圧測定用の各端子6が接続されている。
電圧検出装置10は、複数の単セル2,…,2が直列に接続されてなる燃料電池スタック1の各単セル2の出力電圧を検出する。
電圧検出装置10は、例えば、各単セル2の出力電圧が印加される液晶部材21と、液晶部材21に光を照射する光源22と、液晶部材21を透過した光を伝送する光ファイバ23と、光ファイバ23を通過した光の強度を検出するCCDアレイ24と、液晶部材21の温度を検出する温度センサ25と、処理装置16とを備えて構成されている。
液晶部材21は、例えば図2に示すように、対をなすガラス基板31,31が光硬化性の封止材であるシール材32によって貼り合わされ、対向するガラス基板31,31と、格子状のシール材32とによって互いに独立に閉塞された複数の収容部内に液晶33が封入されている。
そして、対をなすガラス基板31,31の各対向面上には、各収容部毎に対応して、ITO(インジウム錫酸化物)を主体とする透明電極によって複数の電極34が設けられ、対向する電極34,34には単セル2の一対の端子6,6が接続され、収容部内の液晶33に単セル2の出力電圧が印加されている。
光源22は、例えばEL(エレクトロ・ルミネッセンス)素子や冷陰極管や発光ダイオード等の照明光源から成り、液晶部材21の複数の液晶33に所定強度の光を照射する。
液晶部材21の各液晶33は、電極34,34を介して印加される単セル2の出力電圧に応じて液晶配向が変化し、光源22から照射される光の透過率が変化する。
液晶部材21には、複数の各収容部毎に対応して、複数の光ファイバ23の各一端が接続され、各光ファイバ23には、光源22から照射されて各液晶33を透過した透過光が導入される。
複数の光ファイバ23の各他端は、複数のチャンネルを有するCCDアレイ24に接続され、各光ファイバ23を通過した透過光はCCDアレイ24の各CCDに導入される。
処理装置16は、光源22から照射される光の強度と、CCDアレイ24の各CCDによって検出される各透過光の強度とに基づき、各液晶33での光の透過率を検出する。そして、例えば図3に示すように、予め作成された所定マップ、つまり液晶33に対する印加電圧と、光の透過率との関係を示すマップに対して、光の透過率の検出値に応じたマップ検索を行い、各液晶33に対する印加電圧、つまり各単セル2の出力電圧を検出する。
なお、図3に示す印加電圧と光の透過率との関係は、液晶33の温度に応じて変化しており、処理装置16は、この温度依存性に対する補正を行いつつ各単セル2の出力電圧を検出する。つまり、処理装置16は、光の透過率の検出値に加えて温度センサ25から出力される検出信号に応じて、各液晶33に対する印加電圧を検出する。
上述したように、本実施の形態による燃料電池の電圧検出装置10によれば、印加電圧に応じて変化する液晶33の光透過率を検出することで、単セル2の出力電圧を検出することができ、相対的に高価なフォトMOSFET等の光素子を用いる必要無しに、複数の単セル2によって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することができる。しかも、温度センサ25から出力される検出信号に基づき液晶33の光透過率の温度依存性を補正することにより、単セル2の出力電圧に対する検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施の形態においては、例えば図4に示す第1変形例のように、較正用電源41によって所定電圧が印加される較正用液晶42を液晶部材21に備え、この較正用液晶42を透過する透過光を較正用光ファイバ43によりCCDアレイ24へ伝送し、この較正用液晶42での光の透過率の検出値によって各液晶33に対する光の透過率の検出値を較正してもよい。
なお、上述した実施の形態においては、液晶部材21とCCDアレイ24との間の光の伝送を光ファイバ23によりおこなうとしたが、これに限定されず、光ファイバ23の代わりに光導波管等を備えてもよい。
なお、上述した実施の形態においては、液晶部材21の複数の収容部に液晶33を封入するとしたが、これに限定されず、例えば互いに独立した複数の液晶素子を各単セル2毎に備えてもよい。
なお、上述した実施の形態においては、液晶33の印加電圧に応じて変化する光の透過率に基づき、単セル2の出力電圧を検出するとしたが、これに限定されず、例えば図5に示す第2変形例のように、液晶33の印加電圧に応じて変化するコンデンサ容量に基づき、単セル2の出力電圧を検出してもよい。
なお、単セル2の出力電圧とは、少なくとも1つ以上の単セル2の電圧であり、例えば複数個の単セル2の電圧をまとめて検出してもよい。
この第2変形例に係る燃料電池の電圧検出装置10は、例えば、各単セル2の出力電圧が印加される液晶部材21と、各単セル2の一対の端子6,6と液晶部材21の各収容部毎に対向する電極34,34との間に接続され、各単セル2毎に対応して設けられた交流遮断配線部51と、液晶部材21の各収容部毎に対向する電極34,34と切換スイッチ52との間に接続され、各単セル2毎に対応して設けられた直流遮断配線部53と、切換スイッチ52を介して何れかの直流遮断配線部53に接続され、複数の単セル2に対して共通になるように設けられた単一の交流電圧検出回路54と、抵抗Rを介して切換スイッチ52に並列に接続され、複数の単セル2に対して共通になるように設けられた単一の交流信号源55とを備えて構成されている。
交流遮断配線部51は、各端子6と各電極34との間に接続されたコイル51aにより構成され、単セル2に対して、交流信号源55から出力される交流を遮断する。
直流遮断配線部53は、処理装置16の制御により開閉状態が切り換えられる切換スイッチ52と各電極34との間に接続されたコンデンサ53aにより構成され、交流電圧検出回路54に対して、単セル2から出力される直流を遮断する。
切換スイッチ52は、各単セル2の端子6毎に対応した複数の開閉スイッチ52aを備え、処理装置16の制御により、各単セル2毎に対応して設けられた複数の直流遮断配線部53のうちの何れかひとつと、交流電圧検出回路54および交流信号源55とを接続する。
交流電圧検出回路54は、切換スイッチ52および直流遮断配線部53を介して交流信号源55が接続された液晶33の電圧降下を測定する。
液晶部材21の各液晶33は、電極34,34を介して印加される単セル2の出力電圧に応じて液晶配向が変化し、コンデンサ容量が変化する。
処理装置16は、交流電圧検出回路54によって検出される各液晶33の電圧降下に基づき、各液晶33でのコンデンサ容量を検出する。そして、例えば図6に示すように、予め作成された所定マップ、つまり液晶33に対する印加電圧と、コンデンサ容量との関係を示すマップに対して、コンデンサ容量の検出値に応じたマップ検索を行い、各液晶33に対する印加電圧、つまり各単セル2の出力電圧を検出する。
なお、図6に示す印加電圧とコンデンサ容量との関係は、液晶33の温度に応じて変化しており、処理装置16は、この温度依存性に対する補正を行いつつ各単セル2の出力電圧を検出する。つまり、処理装置16は、コンデンサ容量の検出値に加えて温度センサ25から出力される検出信号に応じて、各液晶33に対する印加電圧を検出する。
なお、この第2変形例においては、上述した第1変形例と同様にして較正用電源41によって所定電圧が印加される較正用液晶42を液晶部材21に備え、この較正用液晶42に切換スイッチ52および直流遮断配線部53を介して交流信号源55を接続した際の較正用液晶42のコンデンサ容量の検出値によって、各液晶33に対するコンデンサ容量の検出値を較正してもよい。
また、この第2変形例においては、液晶部材21の複数の収容部に液晶33を封入する代わりに、例えば互いに独立した複数の液晶素子を各単セル2毎に備えてもよい。
本発明の一実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 図1に示す液晶部材の分解斜視図である。 液晶の印加電圧に応じた光の透過率の変化の一例を示すグラフ図である。 本実施形態の第1変形例に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 本実施形態の第2変形例に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 液晶の印加電圧に応じたコンデンサ容量の変化の一例を示すグラフ図である。
符号の説明
2 単セル
10 燃料電池の電圧検出装置
16 処理装置(検出手段、補正手段)
22 光源(光源、較正用光源)
24 CCDアレイ(光検出手段、較正用光検出手段)
25 温度センサ
33 液晶
42 較正用液晶
54 交流電圧検出回路
55 交流信号源(交流信号源、較正用交流信号源)

Claims (5)

  1. 燃料電池を構成する単セルの出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、
    前記単セルの出力電圧が印加される液晶と、
    前記液晶に光を照射する光源と、
    前記液晶を透過した前記光の強度を検出する光検出手段と、
    前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号に基づき前記出力電圧を検出する検出手段と
    を備えることを特徴とする燃料電池の電圧検出装置。
  2. 所定電圧が印加される較正用液晶と、
    前記較正用液晶に光を照射する較正用光源と、
    前記較正用液晶を透過した前記光の強度を検出する較正用光検出手段とを備え、
    前記検出手段は、前記較正用光検出手段の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号とに基づき、前記出力電圧を検出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の電圧検出装置。
  3. 燃料電池を構成する単セルの出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、
    前記単セルの出力電圧が印加される液晶と、
    前記液晶に交流信号を印加する交流信号源と、
    前記交流信号が印加された前記液晶の交流電圧を検出する交流電圧検出回路と、
    前記単セルの出力電圧に応じた前記交流電圧検出回路の出力信号に基づき前記液晶のコンデンサ容量を検出し、該コンデンサ容量に基づき前記出力電圧を検出する検出手段とを備えることを特徴とする燃料電池の電圧検出装置。
  4. 所定電圧が印加される較正用液晶と、
    前記較正用液晶に交流信号を印加する較正用交流信号源と、
    前記較正用液晶の交流電圧を検出する較正用交流電圧検出回路と、
    前記検出手段は、前記較正用交流電圧検出回路の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記交流電圧検出回路の出力信号とに基づき、前記液晶のコンデンサ容量を検出し、該コンデンサ容量に基づき前記出力電圧を検出することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の電圧検出装置。
  5. 前記液晶の温度を検出する温度センサと、
    前記液晶の温度に基づき前記検出手段による前記出力電圧の検出結果を補正する補正手段と
    を備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1つに記載の燃料電池の電圧検出装置。
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