JP2010199054A - 燃料電池用電圧監視システム - Google Patents
燃料電池用電圧監視システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010199054A JP2010199054A JP2009141042A JP2009141042A JP2010199054A JP 2010199054 A JP2010199054 A JP 2010199054A JP 2009141042 A JP2009141042 A JP 2009141042A JP 2009141042 A JP2009141042 A JP 2009141042A JP 2010199054 A JP2010199054 A JP 2010199054A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- monitoring system
- detection circuit
- voltage monitoring
- fuel cells
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04582—Current of the individual fuel cell
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
【課題】燃料電池の電圧モニタの構成を簡略化する。
【解決手段】電圧監視システム20は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して1つずつ設けられ、アドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路31〜35と、スイッチ回路31〜35の接続状態を順次切り替えて、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランス50と、トランス50の出力電圧を用いて、燃料電池FC1〜FC5の最大電圧及び/または最小電圧を検出する最大最小値検出回路60とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】電圧監視システム20は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して1つずつ設けられ、アドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路31〜35と、スイッチ回路31〜35の接続状態を順次切り替えて、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランス50と、トランス50の出力電圧を用いて、燃料電池FC1〜FC5の最大電圧及び/または最小電圧を検出する最大最小値検出回路60とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムに関する。
燃料電池は、単セルでは出力が1Vにも満たないため、一般的には、複数の単セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成される。かかる燃料電池スタックでは、単セル1つにでも異常や故障が発生すると、スタック全体に対して出力制限を行うか、運転を停止する必要がある。そのため、通常は、燃料電池スタックは、各単セルの電圧を監視するための単セルモニタを備えている(例えば、下記特許文献1)。
しかしながら、全ての単セルについてそれぞれ電圧を測定するためには、測定回路の構成や、測定結果を演算処理するためのCPUが比較的大規模なものとなり、装置の大型化や高コスト化を招くことが問題となっていた。特に、車両の動力源として用いられる燃料電池スタックのように、比較的大きな出力を必要とする場合には、燃料電池スタックを構成する単セルが極めて多数になるため、かかる問題は顕著となっていた。
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電圧モニタの構成を簡略化することである。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[形態1]複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から取り出して、絶縁した状態で移送する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が移送する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該移送された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を出力する検出回路と
を備えた電圧監視システム。
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から取り出して、絶縁した状態で移送する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が移送する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該移送された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を出力する検出回路と
を備えた電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、電圧伝達手段が絶縁した状態で移送する、複数の燃料電池の電圧を集合して、最小値と最大値の少なくとも一方を出力するので、最小値または最大値を求めるための演算負荷を軽減できる。したがって、電圧監視システムの構成を簡略化することができる。
[形態2]形態1記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、前記検出回路は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、差動アンプとダイオードとコンデンサとで構成されるので、電圧監視システムの構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
[形態3]前記差動アンプの電源は、前記燃料電池から独立して設けられた絶縁型電源である形態2記載の電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、燃料電池の発電の状態に依存せずに、例えば、燃料電池の出力が負電圧となる場合であっても、最大値や最小値を検出することができる。また、絶縁型電源を用いるので、燃料電池の数が多数となっても、つまり、差動アンプの数が多数となって、必要な電源電圧が比較的大きくなっても、好適に電源を供給できる。
[形態4]形態1記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、該複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、前記燃料電池の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランスとを備え、前記検出回路は、コンデンサを備えた電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられたスイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、トランスに入力し、その出力電圧を用いて、入力電圧の最小値や最大値を検出する。したがって、燃料電池1つに対して、1つのスイッチ回路を設けるだけで、各燃料電池の電圧の最小値や最大値を検出することができ、回路構成を簡略化できる。その結果、電圧監視システムの低コスト化、小型化に資することができる。
[形態5]形態4記載の電圧監視システムであって、前記検出回路は、前記最小値を検出する最小値検出回路と、前記最大値を検出する最大値検出回路とを備え、前記最小値検出回路及び前記最大値検出回路は、スイッチ回路により前記トランスとの接続を切替可能である電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、各燃料電池の電圧の最小値と最大値の両方を検出することができるので、好適に燃料電池スタックの運転制御を行うことができる。また、最小値検出回路と最大値検出回路とをスイッチ回路により切り替えるので、回路構成を簡略化できる。
[形態6]形態1記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続され、流れる電流に応じた電圧を出力する電流センサであり、前記検出回路は、前記電流センサの出力ごとに設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた電圧監視システム。
[形態7]前記電流センサは、磁気センサである形態6記載の電圧監視システム。
[形態7]前記電流センサは、磁気センサである形態6記載の電圧監視システム。
形態6または形態7の電圧監視システムは、電流センサとダイオードとコンデンサとで構成されるので、電圧監視システムの構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
[形態8]前記電流センサの電源は、前記燃料電池から独立して設けられた絶縁型電源である形態6または形態7記載の電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、燃料電池の発電の状態に依存せずに、例えば、燃料電池の出力が負電圧となる場合であっても、最大値や最小値を検出することができる。また、絶縁型電源を用いるので、燃料電池の数が多数となっても、つまり、電流センサの数が多数となって、必要な電源電圧が比較的大きくなっても、好適に電源を供給できる。
[形態9]更に、前記燃料電池スタックの全体電圧を検出する全体電圧検出回路を備えた形態1ないし形態8のいずれか記載の電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、燃料電池スタックの全体電圧、換言すれば、複数の燃料電池の平均電圧を検出することができるので、検出回路で検出した最小値や最大値が異常値であるか否かの判断を適正に行って、好適に燃料電池スタックの運転制御を行うことができる。
[形態10]形態1ないし形態9のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段及び前記検出回路は、前記複数の燃料電池の所定グループごとに設けられ、更に、前記所定グループごとの検出回路のそれぞれに設けられ、該検出回路の出力結果を、絶縁した状態で移送する分岐用電圧伝達手段と、前記分岐用電圧伝達手段が移送する前記出力結果を集合して、該移送された出力結果のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を出力する分岐用検出回路とを備えた電圧監視システム。
[形態11]前記分岐用電圧伝達手段及び前記分岐用検出回路は、多段に構成された形態10記載の電圧監視システム。
形態10または形態11の電圧監視システムは、複数の燃料電池を所定のグループに分けて、複数段階で最小値や最大値を出力するので、構成部品1つ当たりの必要容量を小さくすることができる。したがって、複数の燃料電池の数が多数になる場合であっても、構成部品を汎用規格容量の範囲で用意できるので、製造が容易であり、低コスト化することができる。
[形態12]形態1ないし形態9のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段及び前記検出回路は、前記複数の燃料電池の所定グループごとに設けられ、更に、前記所定グループごとの検出回路のそれぞれに設けられ、該検出回路の出力結果を、絶縁した状態で移送する分岐用電圧伝達手段と、前記分岐用電圧伝達手段が移送する前記出力結果に基づいて、該移送された出力結果のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を演算する分岐用演算回路とを備えた電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、複数の燃料電池を所定のグループに分けて、グループごとの最小値や最大値の出力結果に基づいて、全体の最小値や最大値を分岐用演算回路で演算するので、各々の燃料電池の出力から最小値や最大値を演算する場合と比べて、演算負荷を低減することができる。
[形態13]前記検出回路は、前記最小値と最大値の少なくとも一方の出力を断続的に行う形態1ないし形態12のいずれか記載の電圧監視システム。
かかる形態の電圧監視システムは、消費電力を節約することができる。
かかる形態の電圧監視システムは、消費電力を節約することができる。
[適用例1]複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、該複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、前記燃料電池の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランスと、該トランスの出力電圧を用いて、前記入力電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する検出回路とを備えた電圧監視システム。
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、該複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、前記燃料電池の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランスと、該トランスの出力電圧を用いて、前記入力電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する検出回路とを備えた電圧監視システム。
かかる構成の電圧監視システムは、複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられたスイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、トランスに入力し、その出力電圧を用いて、入力電圧の最小値や最大値を検出する。したがって、燃料電池1つに対して、1つのスイッチ回路を設けるだけで、各燃料電池の電圧の最小値や最大値を検出することができ、回路構成を簡略化できる。その結果、電圧監視システムの低コスト化、小型化に資することができる。
[適用例2]更に、前記燃料電池スタックの全体電圧を検出する全体電圧検出回路を備えた適用例1記載の電圧監視システム。
かかる構成の電圧監視システムは、燃料電池スタックの全体電圧、換言すれば、複数の燃料電池の平均電圧を検出することができるので、検出回路で検出した最小値や最大値が異常値であるか否かの判断を適正に行って、好適に燃料電池スタックの運転制御を行うことができる。
[適用例3]適用例1または適用例2記載の電圧監視システムであって、前記検出回路は、前記最小値を検出する最小値検出回路と、前記最大値を検出する最大値検出回路とを備え、前記最小値検出回路及び前記最大値検出回路は、スイッチ回路により前記トランスとの接続を切替可能である電圧監視システム。
かかる構成の電圧監視システムは、各燃料電池の電圧の最小値と最大値の両方を検出することができるので、好適に燃料電池スタックの運転制御を行うことができる。また、最小値検出回路と最大値検出回路とをスイッチ回路により切り替えるので、回路構成を簡略化できる。
[適用例4]前記検出回路は、コンデンサにより前記最小値と最大値の少なくとも一方を検出する適用例1ないし適用例3のいずれか記載の電圧監視システム。
かかる構成の電圧監視システムは、コンデンサにより最小値を検出するので、回路構成を簡略化できる。
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記スイッチ回路、前記トランス及び前記検出回路は、前記複数の燃料電池の所定グループごとに設けられ、更に、前記検出回路ごとに設けられた分岐用スイッチ回路と、該分岐用スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、前記検出回路の検出電圧を分岐入力電圧として順次入力する分岐用トランスと、該分岐用トランスの出力電圧を用いて、前記分岐入力電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する分岐用検出回路とを備えた電圧監視システム。
[適用例6]前記分岐用スイッチ回路、前記分岐用トランス及び前記分岐用検出回路は、多段に構成された適用例5記載の電圧監視システム。
適用例5または適用例6の電圧監視システムは、複数の燃料電池を所定のグループに分けて、当該グループを単位として多段に設けられた検出回路等によって、最小値や最大値を検出するので、燃料電池スタックを構成する燃料電池の数が比較的多い場合であっても、入力される燃料電池ごとの電圧間の時間差を小さくすることができ、検出精度を高めることができる。
A.第1実施例:
本発明の第1実施例について説明する。
A−1.電圧監視システム20の概略構成:
本発明の第1実施例としての電圧監視システム20の概略構成を図1に示す。電圧監視システム20は、5つの燃料電池FC1〜FC5を積層した燃料電池スタックFCの電圧を監視するシステムである。燃料電池FC1〜FC5は、発電の最小単位である、いわゆる単セルである。
本発明の第1実施例について説明する。
A−1.電圧監視システム20の概略構成:
本発明の第1実施例としての電圧監視システム20の概略構成を図1に示す。電圧監視システム20は、5つの燃料電池FC1〜FC5を積層した燃料電池スタックFCの電圧を監視するシステムである。燃料電池FC1〜FC5は、発電の最小単位である、いわゆる単セルである。
燃料電池FC1〜FC5は、固体高分子形の燃料電池であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される(図示せず)。また、燃料電池FC1〜FC5は、積層方向の両端に配置したターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されると共に、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水の給排システムが接続されている(図示せず)。なお、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数は、5つに限らず、任意に設定すればよい。
電圧監視システム20は、スイッチ回路31〜35、トランス50、最大最小値検出回路60、オペアンプ81,82を備えている。各スイッチ回路31〜35は、基本的には同一の回路であり、燃料電池FC1〜FC5から見ると、アノード、カソード間にコンデンサC1〜C5が介装され、かつ、これと平行にスイッチSW1〜SW5、巻線51〜55が直列に接続されている。このように、スイッチ回路31〜35は、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して1つずつ設けられている。
スイッチSW1〜SW5は、図示しないCPUからの信号を受けて燃料電池FC1〜FC5のアノード側とカソード側との導通状態のON/OFFを切り替えるリレーである。トランス50は、巻線51〜55を入力側巻線、巻線57を出力側巻線とするトランスである。スイッチSW1〜SW5がいずれもOFFとなっていると、燃料電池FC1〜FC5により、コンデンサC1〜C5は充電される。コンデンサC1〜C5は、一端充電されれば、電力を消費しない。この状態で、スイッチSW1〜SW5のいずれか1つをONにした場合、コンデンサC1〜C5のうち、ONとなったスイッチに対応するコンデンサに蓄えられた電力は、トランス50の入力側巻線に流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス50の出力側巻線である巻線57の両端には、トランス50の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した出力電圧が現れる。なお、スイッチSW1〜SW5のいずれか1つがONとなれば、対応する燃料電池FC1〜FC5からも電流は流れるが、燃料電池FC1〜FC5には内部抵抗があるため、短時間のうちに大きな突入電流を流すことはできない。このため、コンデンサC1〜C5を用いて、トランス50の入力側巻線である巻線51〜55に突入電流を流すのである。かかるコンデンサC1〜C5は、いわゆるスピードアップコンデンサと呼ばれるものである。
最大最小値検出回路60は、燃料電池FC1〜FC5に共通する回路であり、コンデンサC11,C12、ダイオード63,64、スイッチSW11,SW12を備えている。最大最小値検出回路60は、図示しないCPUからの信号を受けて、スイッチSW11がON、スイッチSW12がOFFとなる場合には、トランス50の出力電圧の最大値がコンデンサC12にホールドされる最大値検出回路として動作する。また、最大最小値検出回路60は、図示しないCPUからの信号を受けて、スイッチSW11がOFF、スイッチSW12がONとなる場合には、トランス50の出力電圧の最小値がコンデンサC12にホールドされる最小値検出回路として動作する。このように、最大値検出回路と最小値検出回路とをスイッチで切り替え可能な構成とすることで、回路構成を簡略化できる。勿論、最大値検出回路と最小値検出回路とを個別に設ける構成としてもよい。なお、最大最小値検出回路60の動作の詳細は、後述する。
オペアンプ81,82は、ボルテージフォロアである。オペアンプ81は、燃料電池スタックFCの全体電圧を、A/Dコンバータ(図示せず)に所定のタイミングで出力する。こうして出力される全体電圧からは、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数が分かっているので、平均電圧としても検出可能である。オペアンプ82は、コンデンサC12がホールドした最大電圧または最小電圧をA/Dコンバータ(図示せず)に所定のタイミングで出力する。なお、上述のA/Dコンバータの出力は、燃料電池スタックFCの運転システム及び電圧監視システム20を制御するCPU(図示せず)に入力される。
A−2.最大値検出動作:
電圧監視システム20の最大値検出動作について説明する。最大値検出動作とは、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最大値を検出する動作である。かかる動作は、図示しないCPUを介したスイッチON/OFF動作により実現される。
電圧監視システム20の最大値検出動作について説明する。最大値検出動作とは、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最大値を検出する動作である。かかる動作は、図示しないCPUを介したスイッチON/OFF動作により実現される。
本実施例の最大値検出動作では、まず、スイッチSW11をON、スイッチSW12をOFFにする。そして、スイッチ回路31〜35のスイッチSW2〜SW5をOFFにした状態で、スイッチ回路31のスイッチSW1をONにする。すると、トランス50に燃料電池FC1の電圧V1が入力され、その出力V1がコンデンサC11に印加される。そして、ダイオード63を介して、C12に電圧V1がホールドされる。
次に、スイッチSW1をOFFにし、スイッチ回路32のスイッチSW2をONにする。すると、トランス50に燃料電池FC2の電圧V2が入力され、その出力V2がコンデンサC11に印加される。このとき、電圧V2が電圧V1以下であれば、ダイオード63は逆方向バイアスとなるから、コンデンサC12には、電圧V1がホールドされたままである。一方、電圧V2が電圧V1よりも大きければ、ダイオード63は順方向バイアスとなるから、ダイオード63を介して、コンデンサC11とコンデンサC12の電荷は平準化される。かかる状態でスイッチSW2のON/OFFを何度も繰り返すことで、電圧V2が電圧V1よりも大きい場合には、最終的に、コンデンサC12に電圧V2がホールドされる。
かかる動作の具体例を図2に示す。この例では、電圧V1<電圧V2としている。上述したように、スイッチSW11をONにした状態でSW1をONにすると、コンデンサC11及びC12の電圧は電圧V1となる。そして、スイッチSW1をOFFにすると、コンデンサC11の電圧は低下するが、その間、コンデンサC12には、電圧V1がホールドされている。そして、スイッチSW2のON/OFF繰返し動作を行うと、コンデンサC11には、電圧V2が繰返し印加される。これに伴い、コンデンサC12の電圧は、最大値をホールドしながら徐々に高くなり、最終的には、電圧V2に達している。
このようにして、同様の操作をスイッチ回路33〜35についても行うと、最終的に、燃料電池FC1〜FC5の電圧の最大値である最大電圧VmaxがコンデンサC12にホールドされる。こうして検出された最大電圧Vmaxは、オペアンプ82を介してCPUに出力される。
A−3.最小値検出動作:
電圧監視システム20の最小値検出動作について説明する。最小値検出動作とは、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する動作である。かかる動作は、図示しないCPUを介したスイッチON/OFF動作により実現される。
電圧監視システム20の最小値検出動作について説明する。最小値検出動作とは、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する動作である。かかる動作は、図示しないCPUを介したスイッチON/OFF動作により実現される。
本実施例の最小値検出動作では、まず、スイッチSW11及びSW12をOFFにした状態で、コンデンサC12に、予め、所定の初期電圧V0を印加する。ここで、初期電圧V0とは、燃料電池FC1〜FC5の電圧の最小値よりも確実に大きいと想定される電圧である。本実施例では、上述の電圧V1及びV2を検出する動作と同様の動作によって、コンデンサC12に電圧V1,V2のうちの大きい方の電圧を初期電圧V0として印加するものとしたが、印加方法は、特に限定するものではなく、例えば、印加のための回路構成を付加してもよい。
そして、スイッチ回路32〜35のスイッチSW2〜SW5をOFFにした状態で、スイッチ回路31のスイッチSW1をONにする。すると、最大値検出動作と同様に、コンデンサC11に電圧V1がホールドされる。そして、その後、スイッチSW12をONにする。すると、電圧V1が電圧V0以上であれば、ダイオード64は逆方向バイアスとなるから、コンデンサC12には、V0がホールドされたままである。一方、電圧V1が電圧V0よりも小さければ、ダイオード64は順方向バイアスとなるから、ダイオード64を介して、コンデンサC11とコンデンサC12の電荷は平準化される。かかる状態でスイッチSW1のON/OFFを何度も繰り返すことで、電圧V1が電圧V0よりも小さい場合には、最終的に、コンデンサC12には、電圧V1がホールドされる。なお、スイッチSW1をOFFにする際には逆起電力が生じるため、その都度事前に、スイッチSW12を一旦OFFにする必要がある。
かかる動作の具体例を図3に示す。この例では、初期電圧V0>電圧V1>電圧V2としている。上述したように、スイッチSW11をOFFにした状態でスイッチSW1をONにすると、コンデンサC11の電圧は電圧V1となる。ここで、スイッチSW12をONにすると、コンデンサC12の電圧が初期電圧V0から低下し、さらに、スイッチSW12をOFFにすると、コンデンサC12の電圧が低下した状態でホールドされる。そして、スイッチSW1をOFFにすると、コンデンサC11の電圧は低下する。かかる動作を繰返し(本例では3回)行うと、コンデンサC12には、電圧V1がホールドされる。そして、同様の動作をスイッチSW2についても行うと、コンデンサC12には、電圧V2がホールドされる。
かかる動作をスイッチ回路32〜35についても行えば、最終的に、燃料電池FC1〜FC5の電圧の最小値である最小電圧VminがコンデンサC12にホールドされる。こうして検出された最小電圧Vminは、オペアンプ82を介してCPUに出力される。
A−4.比較例:
比較例としての燃料電池FC1〜FC3の電圧検出回路の構成を図4(a)に示す。図示するように、比較例の回路では、燃料電池FC1には、2つのスイッチSW110,SW120を備えた回路が接続されている。同様に、燃料電池FC2,FC3についても、2つのスイッチSW210,SW220、スイッチSW310,SW320を備えた回路がそれぞれ接続されている。すなわち、燃料電池1つに対して2つのスイッチ回路が設けられている。したがって、スイッチSW110及びSW120、スイッチSW210及びSW220、スイッチSW310及びSW320のいずれか一組のみをONとすれば、燃料電池FC1〜FC3の電圧をそれぞれ検出可能である。
比較例としての燃料電池FC1〜FC3の電圧検出回路の構成を図4(a)に示す。図示するように、比較例の回路では、燃料電池FC1には、2つのスイッチSW110,SW120を備えた回路が接続されている。同様に、燃料電池FC2,FC3についても、2つのスイッチSW210,SW220、スイッチSW310,SW320を備えた回路がそれぞれ接続されている。すなわち、燃料電池1つに対して2つのスイッチ回路が設けられている。したがって、スイッチSW110及びSW120、スイッチSW210及びSW220、スイッチSW310及びSW320のいずれか一組のみをONとすれば、燃料電池FC1〜FC3の電圧をそれぞれ検出可能である。
また、比較例としての別の電圧検出回路の構成を図4(b)に示す。この例では、図示するように、4つのスイッチSW410〜SW440を用いて燃料電池FC1〜FC3の電圧を検出する構成となっている。要するに、図4(b)に示す回路は、図4(a)の回路構成に対して、スイッチ回路の数を減らして簡略化しているのである。かかる例では、例えば、燃料電池FC1と燃料電池FC2とでは、検出される電圧の正負が逆になってしまう。すなわち、その検出値をそのまま、最大最小値検出回路60に入力することができない。
以上説明したように、通常の回路構成では、燃料電池1つに対してスイッチ回路を2つ以上設けなければ、最大最小値検出回路60にそのまま入力可能な電圧を検出することができなかった。
A−5.効果:
上述した構成の電圧監視システム20は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して1つずつ設けられたスイッチ回路31〜35の接続状態を順次切り替えて、トランス50に入力し、その出力電圧を用いた最大最小値検出回路60により、燃料電池FC1〜FC5の電圧の最小値及び最大値を検出する。したがって、燃料電池1つに対して、1つのスイッチ回路を設けるだけで、燃料電池の電圧の最小値や最大値を検出することができ、回路構成を簡略化できる。その結果、電圧監視システムの低コスト化、小型化に資することができる。かかる効果は、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数が多数となる場合には、特に顕著なものとなる。また、上述のCPUには、最大値や最小値のみが出力されるので、燃料電池スタックFCを構成する全ての燃料電池の各々の電圧をCPUに出力する場合と比べて、CPUの演算負荷を大幅に低減することができる。
上述した構成の電圧監視システム20は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して1つずつ設けられたスイッチ回路31〜35の接続状態を順次切り替えて、トランス50に入力し、その出力電圧を用いた最大最小値検出回路60により、燃料電池FC1〜FC5の電圧の最小値及び最大値を検出する。したがって、燃料電池1つに対して、1つのスイッチ回路を設けるだけで、燃料電池の電圧の最小値や最大値を検出することができ、回路構成を簡略化できる。その結果、電圧監視システムの低コスト化、小型化に資することができる。かかる効果は、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数が多数となる場合には、特に顕著なものとなる。また、上述のCPUには、最大値や最小値のみが出力されるので、燃料電池スタックFCを構成する全ての燃料電池の各々の電圧をCPUに出力する場合と比べて、CPUの演算負荷を大幅に低減することができる。
また、上述した電圧監視システム20は、最大最小値検出回路60を用いた燃料電池FC1〜FC5の最小電圧、最大電圧と併せて、燃料電池FC1〜FC5の平均電圧(燃料電池スタックFCの全体電圧)も検出可能であるため、検出した最小電圧や最大電圧が異常値であるか否かの判断を適正に行って、好適に燃料電池スタックFCの運転制御を行うことができる。
B.第2実施例:
本発明の第2実施例について説明する。第2実施例としての電圧監視システム520の概略構成を図5に示す。図5では、第1実施例と同様の構成については、図1と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム520について、第1実施例と異なる点についてのみ説明する。図5では、説明を簡略化するため、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する構成のみを備えるものとしている。電圧監視システム520は、図示するように、オペアンプ531〜535と、最小値検出回路560とを備えている。オペアンプ531〜535は、差動増幅器であり、両入力端子に接続された燃料電池FC1〜FC5の電圧を、予め定めたゲインで増幅した電圧(ここではゲインを1としたので、燃料電池FC1〜FC5の電圧そのもの)を実電位とは絶縁して出力する。
本発明の第2実施例について説明する。第2実施例としての電圧監視システム520の概略構成を図5に示す。図5では、第1実施例と同様の構成については、図1と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム520について、第1実施例と異なる点についてのみ説明する。図5では、説明を簡略化するため、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する構成のみを備えるものとしている。電圧監視システム520は、図示するように、オペアンプ531〜535と、最小値検出回路560とを備えている。オペアンプ531〜535は、差動増幅器であり、両入力端子に接続された燃料電池FC1〜FC5の電圧を、予め定めたゲインで増幅した電圧(ここではゲインを1としたので、燃料電池FC1〜FC5の電圧そのもの)を実電位とは絶縁して出力する。
燃料電池FC1〜FC5は、積層され、電気的には直列接続されているから、グランドレベルに対して、核燃料電池のカソードの電圧は、その燃料電池までに積層された燃料電池の数に対応した電位までかさ上げされている。オペアンプ531〜535として差動増幅器を用いていることにより、各オペアンプ531〜535の出力はいずれも、燃料電池FC1〜FC5の電圧をグランドレベルに対して表した値となっている。本実施例においては、オペアンプ531〜535の電源として、燃料電池スタックFCの出力を用いる構成としている。
最小値検出回路560は、燃料電池FC1〜FC5の出力のうちの最小値を検出する回路であり、ダイオード541〜545と、コンデンサC500と、電源550と抵抗555とを備えている。上述した各オペアンプ531〜535の出力は全て、逆方向のダイオード541〜545に接続されている。このため、各オペアンプ531〜535の出力は、いわゆるワイヤードオア接続となっている。つまり、各オペアンプ531〜535の出力は、他のオペアンプ531〜535の出力に対しては何ら影響を与えない。ワイヤードオア接続されたオペアンプ531〜535出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサC500が接続されており、更に、プルアップ抵抗器555を介して所定の正の電源が接続されている。この電圧は、オペアンプ531〜535の想定される出力に対して十分に大きな値で設定されている。
かかる電圧監視システム520の最小値検出動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオード541〜545の降下電圧を0ボルトであるとして説明する。
(1)オペアンプ531〜535が動作しておらず、各オペアンプ531〜535の出力がハイインピーダンス状態となっていれば、オペアンプ531〜535の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサC500は充電された状態となり、端子MMCの電圧は、プルアップ抵抗器555を介して接続された正の電源電圧と等しくなる。
(1)オペアンプ531〜535が動作しておらず、各オペアンプ531〜535の出力がハイインピーダンス状態となっていれば、オペアンプ531〜535の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサC500は充電された状態となり、端子MMCの電圧は、プルアップ抵抗器555を介して接続された正の電源電圧と等しくなる。
(2)次に、所定のタイミングでオペアンプ531〜535を動作させ、各燃料電池FC1〜FC5の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ531〜535で検出し、出力させると、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は低下する。この動作は、端子MMCの電圧が、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も低い電圧Vmin1となるまで継続する。端子MMCの電圧が電圧Vmin1と一致したとき、他のオペアンプ531〜535(電圧Vmin1を出力したオペアンプ以外のオペアンプ)は、この端子MMCの電圧より高いから、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込むことはない。
(3)仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に低下し、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も低い電圧がVmin2(Vmin1>Vmin2)となると、コンデンサC500の端子MMCの電圧よりも低い電圧を出力したオペアンプ531〜535にダイオード541〜545を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は低下する。この動作は、端子MMCの電圧が電圧Vmin2となるまで継続する。端子MMCの電圧が電圧Vmin2と一致したとき、他のオペアンプ531〜535は、この端子MMCの電圧より高いから、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込むことはない。
(4)逆に、それまで最小の電圧であった燃料電池の電圧が高くなり、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も低い電圧がVmin3(Vmin1<Vmin3)となると、オペアンプ531〜535は、端子MMCの電圧より高いから、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込むことはない。したがって、電源550によって、コンデンサC500が徐々に充電される。この充電は、コンデンサC500の端子MMCの電圧が電圧Vmin3になるまで継続される。端子MMCの電圧が電圧Vmin3を超えると、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は低下する。
実際には、上述した(2)〜(4)のいずれの場合でも、ダイオードには順方向の降下電圧(シリコンダイオードの場合、通常0.7ボルト程度)が存在するから、端子MMCの電圧は、オペアンプ531〜535の出力の最小値より、この順方向降下電圧分だけ高くなるが、各ダイオードの順方向降下電圧は、既知のものなので、端子MMCの電圧を検出することにより、各燃料電池FC1〜FC5の最小電圧を検出することは容易である。なお、トランジスタを用いて、順方向降下電圧を、ダイオードを用いた構成より小さくして測定すれば、より燃料電池の実際の電圧に近い値を検出することも可能である。このようにして、コンデンサC500には、ダイオード541〜545の最小出力、すなわち、燃料電池FC1〜FC5の最小電圧に対応する電圧がホールドされ、図示しないCPUに出力される。
かかる構成の電圧監視システム520は、スイッチを使う必要がなく、ダイオードでワイヤードオア接続すれば足りるので、構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。また、燃料電池FC1〜FC5の出力を取り出す各回路の干渉がない。また、第1実施例のようにスイッチによって接続状態を切り替える必要がないので、燃料電池FC1〜FC5の電圧変動に対する応答性に優れる。しかも、コンデンサC500を用いており、いわば積分回路を備えていることになるので、ノイズなどの影響を除いて、最小電圧を出力することができる。
また、上述の例では、オペアンプ531〜535の電源として、燃料電池スタックFCを用いる構成について示したが、オペアンプ531〜535の電源は、燃料電池スタックFCから独立して設けられた電源としてもよい。図6には、オペアンプ531〜535の電源として、燃料電池スタックFCから独立した電源580を用いた構成を示している。燃料電池スタックFCでは、フラッディングなどによって、出力が0Vや負電圧となることも想定されるが、オペアンプ531〜535の電源を別途設ければ、このような状況においても、燃料電池スタックFCの電圧を確実に監視することができる。また、かかる場合、電源580は、絶縁型の電源としてもよい。こうすれば、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池を多数積層する場合であっても、すなわち、各オペアンプの出力の合計値が大きくなるような場合であっても、各オペアンプに好適に電源を供給することができる。なお、電源550と電源580とは兼用してもよい。
また、上述の電圧監視システム520は、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を出力するものであったが、最大値を出力するための電圧監視システム620の構成を図7に示す。図7では、電圧監視システム520と同様の構成については、図6と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム620について、電圧監視システム520と異なる点についてのみ説明する。電圧監視システム620は、図示するように、オペアンプ531〜535と、最大値検出回路660とを備えている。つまり、電圧監視システム620は、電圧監視システム520の最小値検出回路560に代えて、最大値検出回路660を備えている。
最大値検出回路660は、燃料電池FC1〜FC5の出力のうちの最大値を検出する回路であり、ダイオード641〜645とコンデンサC500と抵抗557とを備えている。最大値検出回路660が最小値検出回路560と異なる点は、ダイオード641〜645の向きが、最小値検出回路560のダイオード541〜545と逆向きになるように配置される点と、最小値検出回路560の電源550及び抵抗555に代えて、抵抗557を備えている点である。抵抗557は、いわばプルダウン抵抗器であり、コンデンサC500に溜まった電荷を放電し、オペアンプ531〜535側からの出力がなければ、コンデンサC500の端子MMCの電圧をゼロにする。
かかる構成の電圧監視システム620の最大値検出動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオード641〜645の降下電圧を0ボルトであるとして説明する。
(1)所定のタイミングでオペアンプ531〜535を動作させ、各燃料電池FC1〜FC5の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ531〜535で検出し、出力させると、ダイオード641〜645を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は上昇する。この動作は、端子MMCの電圧が、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も高い電圧Vmax1となるまで継続する。端子MMCの電圧が電圧Vmax1と一致したとき、他のオペアンプ531〜535(電圧Vmax1を出力したオペアンプ以外のオペアンプ)は、この端子MMCの電圧より低いから、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込むことはない。
(1)所定のタイミングでオペアンプ531〜535を動作させ、各燃料電池FC1〜FC5の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ531〜535で検出し、出力させると、ダイオード641〜645を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は上昇する。この動作は、端子MMCの電圧が、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も高い電圧Vmax1となるまで継続する。端子MMCの電圧が電圧Vmax1と一致したとき、他のオペアンプ531〜535(電圧Vmax1を出力したオペアンプ以外のオペアンプ)は、この端子MMCの電圧より低いから、ダイオード541〜545を介して電流が流れ込むことはない。
(2)仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に上昇し、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も高い電圧がVmax2(Vmax1<Vmax2)となると、コンデンサC500の端子MMCの電圧よりも高い電圧を出力したオペアンプ531〜535からダイオード541〜545を介して電流が流れ込み、コンデンサC500の端子MMCの電圧は上昇する。この動作は、端子MMCの電圧が電圧Vmax2となるまで継続する。
(3)逆に、それまで最大の電圧であった燃料電池の電圧が低くなり、接続されたオペアンプ531〜535の出力のうち、最も高い電圧がVmax3(Vmax1>Vmax3)となると、コンデンサC500の端子MMCの電圧は、オペアンプ531〜535の出力よりも低いから、オペアンプ531〜535からコンデンサC500への電流の流れ込みがなくなる。その結果、コンデンサC500は、その電圧がVmax1からVmax3になるまで、抵抗557を介して放電される。なお、実際には、上述した(1)〜(3)のいずれの場合でも、端子MMCの電圧は、オペアンプ531〜535の出力の最大値より、この順方向降下電圧分だけ低くなるが、最小値検出動作と同様に、燃料電池FC1〜FC5の最大電圧を検出することは容易である。
かかる構成の電圧監視システム620は、電圧監視システム520と同様の効果を奏して、最大値を出力することができる。なお、最小値と最大値とを両方出力したい場合には、オペアンプ531〜535に対して、最小値検出回路560と最大値検出回路660とを平行に接続すればよい。なお、上述した第2実施例の構成に、第1実施例と同様に、燃料電池スタックFCの全体電圧を検出する構成を付加してもよい。
C.第3実施例;
本発明の第3実施例について説明する。第3実施例としての電圧監視システム720の概略構成を図8に示す。図8では第2実施例と同様の構成については、図5と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム720について、第2実施例と異なる点についてのみ説明する。図8では、説明を簡略化するため、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する構成のみを備えるものとしている。図示するように、電圧監視システム720は、抵抗771〜775と、電流センサ731〜735と、最小値検出回路560とを備えている。つまり、電圧監視システム720は、第2実施例としての電圧監視システム520のオペアンプ531〜535に代えて、抵抗771〜775と電流センサ731〜735とを備える点が第2実施例と異なる。
本発明の第3実施例について説明する。第3実施例としての電圧監視システム720の概略構成を図8に示す。図8では第2実施例と同様の構成については、図5と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム720について、第2実施例と異なる点についてのみ説明する。図8では、説明を簡略化するため、燃料電池FC1〜FC5の各々の電圧のうちの最小値を検出する構成のみを備えるものとしている。図示するように、電圧監視システム720は、抵抗771〜775と、電流センサ731〜735と、最小値検出回路560とを備えている。つまり、電圧監視システム720は、第2実施例としての電圧監視システム520のオペアンプ531〜535に代えて、抵抗771〜775と電流センサ731〜735とを備える点が第2実施例と異なる。
燃料電池FC1のアノード、カソード間には、抵抗771と電流センサ731とが直列に接続されている。同様に、燃料電池FC2〜FC5についても、抵抗772〜775と電流センサ732〜735とが直列に接続されている。
電流センサ731〜735は、非接触式の直流電流センサであり、燃料電池FC1〜FC5と絶縁した状態で、抵抗771〜775を流れる電流に応じて、燃料電池FC1〜FC5の出力電圧と同一値の電圧を出力する。本実施例では、電流センサ731〜735には、ホール素子型の磁気センサを用いた。ただし、電流センサ731〜735は、上述の機能を備えたものであればよく、例えば、マグアンプ式、磁気マルチバイブレータ式など種々の磁気センサ、電流センサを用いることができる。また、燃料電池FC1〜FC5に急激な出力変化があった場合にのみ出力すればよい構成とするのであれば、電流センサ731〜735として、カレントトランスを用いることもできる。なお、図8では図示していないが、電流センサ731〜735の電源には、本実施例では、燃料電池スタックFCを用いることとした。
かかる構成の電圧監視システム720は、第2実施例と同様にして、最小値検出動作を行うことができる。つまり、コンデンサC500の電圧が、電流センサ731〜735の最小出力よりも大きい場合には、コンデンサC500からオペアンプ531〜535へ電流が流れ込み、コンデンサC500の電圧が、電流センサ731〜735の最小出力と等しくなる。一方、コンデンサC500の電圧が、電流センサ731〜735の最小出力よりも小さい場合には、電源550に充電されて、コンデンサC500の電圧が、電流センサ731〜735の最小出力と等しくなる。
かかる構成の電圧監視システム520は、スイッチを使う必要がなく、ダイオードでワイヤードオア接続すれば足りるので、構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。また、燃料電池FC1〜FC5の出力を取り出す各回路の干渉がない。また、第1実施例のように、スイッチによって接続状態を切り替える必要がないので、燃料電池FC1〜FC5の電圧変動に対する応答性に優れる。しかも、コンデンサC500を用いており、いわば積分回路を備えていることになるので、ノイズなどの影響を除いて、最小電圧を出力することができる。
また、電流センサ731〜735の電源として、燃料電池スタックFCから独立した電源を用いる構成とすれば、第2実施例において当該構成とした場合と、同様の効果を奏する。また、図示は省略するが、最小値に代えて、あるいは、最小値に加えて最大値を検出する構成は、第2実施例におけるそれと同様である。また、上述した第3実施例の構成に、第1実施例と同様に、燃料電池スタックFCの全体電圧を検出する構成を付加してもよい。
D.変形例:
上述の実施例の変形例について説明する。
D−1.変形例1:
上述の実施形態から明らかなように、本発明の電圧監視システムは、複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、燃料電池の各々の電圧を、燃料電池の実電圧と絶縁した状態で移送する電圧伝達手段と、電圧伝達手段が移送する複数の燃料電池の電圧を比較して、移送された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する検出回路とを備えていればよい。かかる構成を電圧監視システム820として図9に示す。図示するように、電圧監視システム820は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して接続された電圧伝達手段831〜835と、電圧伝達手段831〜835に接続された検出回路850とを備えている。
上述の実施例の変形例について説明する。
D−1.変形例1:
上述の実施形態から明らかなように、本発明の電圧監視システムは、複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、燃料電池の各々の電圧を、燃料電池の実電圧と絶縁した状態で移送する電圧伝達手段と、電圧伝達手段が移送する複数の燃料電池の電圧を比較して、移送された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する検出回路とを備えていればよい。かかる構成を電圧監視システム820として図9に示す。図示するように、電圧監視システム820は、燃料電池FC1〜FC5のそれぞれに対して接続された電圧伝達手段831〜835と、電圧伝達手段831〜835に接続された検出回路850とを備えている。
電圧伝達手段831〜835は、第1実施例であれば、スイッチ回路31〜35及びトランス50、第2実施例であれば、オペアンプ531〜535、第3実施例であれば、抵抗771〜775及び電流センサ731〜735に相当する。検出回路850は、第1実施例であれば、最大最小値検出回路60、第2実施例及び第3実施例であれば、最小値検出回路560や最大値検出回路660に相当する。
かかる電圧監視システム820は、電圧伝達手段831〜835が絶縁した状態で移送する、複数の燃料電池FC1〜FC5の電圧を集合して、最小値と最大値の少なくとも一方を出力するので、最小値または最大値を求めるための演算負荷を軽減できる。その結果、電圧監視システム820の構成を簡略化することができる。なお、本発明の電圧監視システムにおける電圧伝達手段や検出回路の構成は、上述した実施形態に限られるものではなく、同等の機能を有する等価回路などに置換しても実現可能である。例えば、第2実施例におけるダイオード541〜545に代えて、トランジスタを用いてもよい。
D−2.変形例2:
上述の第1実施例においては、燃料電池スタックFCの最大電圧及び最小電圧を1つの最大最小値検出回路60で検出する回路構成としたが、最大電圧及び/または最小電圧を段階的に検出する構成としてもよい。例えば、図10に示すように、第1段目回路111,112と第2段目回路121との2段構成で最大電圧及び最小電圧を検出してもよい。第1段目回路111,112は、第1のグループである燃料電池FC1〜FC4、第2のグループである燃料電池FC5〜FC8の最大電圧及び最小電圧をそれぞれ検出する回路であり、実施例で示したスイッチ回路31〜35,トランス50及び最大最小値検出回路60に相当する回路で構成される。また、第2段目回路121は、第1段目回路111及び112からの出力に基づいて最大電圧及び最小電圧を検出する回路であり、第1段目回路111,112と同様の回路構成である。なお、他の構成については、第1実施例と同様であるため、説明は省略する。
上述の第1実施例においては、燃料電池スタックFCの最大電圧及び最小電圧を1つの最大最小値検出回路60で検出する回路構成としたが、最大電圧及び/または最小電圧を段階的に検出する構成としてもよい。例えば、図10に示すように、第1段目回路111,112と第2段目回路121との2段構成で最大電圧及び最小電圧を検出してもよい。第1段目回路111,112は、第1のグループである燃料電池FC1〜FC4、第2のグループである燃料電池FC5〜FC8の最大電圧及び最小電圧をそれぞれ検出する回路であり、実施例で示したスイッチ回路31〜35,トランス50及び最大最小値検出回路60に相当する回路で構成される。また、第2段目回路121は、第1段目回路111及び112からの出力に基づいて最大電圧及び最小電圧を検出する回路であり、第1段目回路111,112と同様の回路構成である。なお、他の構成については、第1実施例と同様であるため、説明は省略する。
あるいは、図11に示すように、第1段目回路211〜214と第2段目回路221,222と第3段目回路231との3段構成で最大電圧及び最小電圧を検出してもよい。
これらのように、電圧監視システム20を多段の回路構成として、第N段目(Nは正の整数)回路を同時に動作させれば、より短時間で最大電圧や最小電圧を検出することができる。したがって、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数が比較的多い場合であっても、入力される燃料電池ごとの電圧間の時間差を小さくすることができ、検出精度を高めることができる。
また、図10や図11に示した構成は、第1実施例のみならず、第2実施例や第3実施例についても適用できることは勿論である。第2実施例に適用するのであれば、第1段目回路111,112や第2段目回路121は、例えば、オペアンプ531〜535及び最小値検出回路560に相当する回路で構成してもよい。また、第3実施例に適用するのであれば、第1段目回路111,112や第2段目回路121は、例えば、抵抗771〜775、電流センサ731〜735及び最小値検出回路560に相当する回路で構成してもよい。
これらのように、電圧監視システムを多段の回路構成とすれば、構成部品の1つ当たりの容量を小さくすることができる。例えば、オペアンプの1つあたりの電源電圧を小さくすることができる。したがって、燃料電池スタックFCを構成する燃料電池の数が多数になる場合であっても、構成部品を汎用規格容量の範囲で用意できるので、製造が容易であり、低コスト化することができる。
また、電圧監視システムを多段の回路構成とする場合、各々の燃料電池グループ内に参照電位を設けてもよい。あるいは、所定数の燃料電池グループごと、または、高電位の燃料電池グループに参照電位を設けてもよい。例えば、図10のA〜C点のいずれかで参照電位に接続してもよい。こうすれば、高電位の燃料電池グループにおいても、参照電位に対するグループ内の電位差を小さくできるので、低電圧部品を使用することができ、低コスト化することができる。また、燃料電池グループ内において、当該グループを構成する燃料電池の並びの中央部付近、例えば、図10のB点に参照電位を設ければ、測定誤差を抑制することができる。
D−3.変形例3:
上述した変形例2では、同一の回路構成の第1段目回路111,112や第2段目回路121などを多段構成としたが、最終段の回路構成は、電圧伝達手段と、電圧伝達手段が移送する電圧を用いて最大値や最小値を演算する演算回路とで構成してもよい。かかる構成の例を図12に示す。この例では、第1段目回路111,112にそれぞれ電圧伝達手段141,142が接続され、電圧伝達手段141,142は、マイコン150に接続されている。電圧伝達手段141,142は、上述した電圧伝達手段831〜835と同等の回路である。マイコン150は、電圧伝達手段141,142を介して入力された第1段目回路111,112の出力を用いて最小値や最大値を演算する。こうすれば、燃料電池FC1〜FC8の出力を用いて最小値や最大値を演算する場合と比べて、マイコン150の演算負荷を軽減することができる。
上述した変形例2では、同一の回路構成の第1段目回路111,112や第2段目回路121などを多段構成としたが、最終段の回路構成は、電圧伝達手段と、電圧伝達手段が移送する電圧を用いて最大値や最小値を演算する演算回路とで構成してもよい。かかる構成の例を図12に示す。この例では、第1段目回路111,112にそれぞれ電圧伝達手段141,142が接続され、電圧伝達手段141,142は、マイコン150に接続されている。電圧伝達手段141,142は、上述した電圧伝達手段831〜835と同等の回路である。マイコン150は、電圧伝達手段141,142を介して入力された第1段目回路111,112の出力を用いて最小値や最大値を演算する。こうすれば、燃料電池FC1〜FC8の出力を用いて最小値や最大値を演算する場合と比べて、マイコン150の演算負荷を軽減することができる。
D−4.変形例4:
上述の実施形態で示した最小値検出動作や最大値検出動作は、断続的に行ってもよい。こうすれば、連続的に行う場合と比べて、燃料電池スタックFCや電源580の消費電力を節約することができる。
上述の実施形態で示した最小値検出動作や最大値検出動作は、断続的に行ってもよい。こうすれば、連続的に行う場合と比べて、燃料電池スタックFCや電源580の消費電力を節約することができる。
D−5.変形例5:
上述の第1実施例においては、燃料電池FC1〜FC5の最小電圧及び最小電圧を検出する構成としたが、最小電圧、最大電圧のうちのいずれか一方のみを検出する構成としてもよい。また、燃料電池FC1〜FC5の平均電圧を検出する構成は必須でないことは、勿論である。
上述の第1実施例においては、燃料電池FC1〜FC5の最小電圧及び最小電圧を検出する構成としたが、最小電圧、最大電圧のうちのいずれか一方のみを検出する構成としてもよい。また、燃料電池FC1〜FC5の平均電圧を検出する構成は必須でないことは、勿論である。
D−6.変形例6:
上述の第1実施例において示した回路構成は一例に過ぎず、複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、当該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、燃料電池の各々の電圧を順次入力するトランスと、当該トランスの出力電圧を用いて、燃料電池の最小電圧及び/または最小電圧を検出する構成であれば、上述の第1実施例に示した回路構成の一部を他の構成に変更したり、他の構成を付加したりしてもよいことは勿論である。
上述の第1実施例において示した回路構成は一例に過ぎず、複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、当該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、燃料電池の各々の電圧を順次入力するトランスと、当該トランスの出力電圧を用いて、燃料電池の最小電圧及び/または最小電圧を検出する構成であれば、上述の第1実施例に示した回路構成の一部を他の構成に変更したり、他の構成を付加したりしてもよいことは勿論である。
D−7.変形例7:
上述の第1実施例においては、燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池のそれぞれに対して、1つずつスイッチ回路を接続する構成としたが、必ずしも全ての燃料電池に対して、スイッチ回路を設ける必要はなく、監視対象としたい燃料電池に対してのみスイッチ回路を設ければよい。例えば、相対的に電圧が小さくなりやすい燃料ガスの下流側に位置する燃料電池の電圧を重点的に監視したい場合には、燃料ガスの上流側に位置する燃料電池では、スイッチ回路を省略してもよいし、燃料電池1つ置きにスイッチ回路を設けてもよい。第2実施例や第3実施例についても、同様に、監視対象としたい燃料電池に対してのみ、電圧伝達手段としてのダイオードや電流センサを設ければよい。
上述の第1実施例においては、燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池のそれぞれに対して、1つずつスイッチ回路を接続する構成としたが、必ずしも全ての燃料電池に対して、スイッチ回路を設ける必要はなく、監視対象としたい燃料電池に対してのみスイッチ回路を設ければよい。例えば、相対的に電圧が小さくなりやすい燃料ガスの下流側に位置する燃料電池の電圧を重点的に監視したい場合には、燃料ガスの上流側に位置する燃料電池では、スイッチ回路を省略してもよいし、燃料電池1つ置きにスイッチ回路を設けてもよい。第2実施例や第3実施例についても、同様に、監視対象としたい燃料電池に対してのみ、電圧伝達手段としてのダイオードや電流センサを設ければよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
20,520,620,720,820…電圧監視システム
31〜35…スイッチ回路
50…トランス
51〜55,57…巻線
60…最大最小値検出回路
63,64,541〜545,641〜645…ダイオード
81,82,91,92…オペアンプ
111,112,211〜214…第1段目回路
121,221,222…第2段目回路
141,142…電圧伝達手段
150…マイコン
231…第3段目回路
531〜535…オペアンプ
550,580…電源
555,557,771〜775…抵抗
560…最小値検出回路
660…最大値検出回路
731〜735…電流センサ
831〜835…電圧伝達手段
850…検出回路
SW1〜SW5,SW11,SW12,SW110,SW120,SW210,SW220,SW310,SW320,SW410〜SW440…スイッチ
C1〜C5,C11,C12,C500…コンデンサ
FC…燃料電池スタック
FC1〜FC12…燃料電池
MMC…端子
31〜35…スイッチ回路
50…トランス
51〜55,57…巻線
60…最大最小値検出回路
63,64,541〜545,641〜645…ダイオード
81,82,91,92…オペアンプ
111,112,211〜214…第1段目回路
121,221,222…第2段目回路
141,142…電圧伝達手段
150…マイコン
231…第3段目回路
531〜535…オペアンプ
550,580…電源
555,557,771〜775…抵抗
560…最小値検出回路
660…最大値検出回路
731〜735…電流センサ
831〜835…電圧伝達手段
850…検出回路
SW1〜SW5,SW11,SW12,SW110,SW120,SW210,SW220,SW310,SW320,SW410〜SW440…スイッチ
C1〜C5,C11,C12,C500…コンデンサ
FC…燃料電池スタック
FC1〜FC12…燃料電池
MMC…端子
Claims (13)
- 複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から取り出して、絶縁した状態で移送する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が移送する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該移送された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を出力する検出回路と
を備えた電圧監視システム。 - 請求項1記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、
前記検出回路は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた
電圧監視システム。 - 前記差動アンプの電源は、前記燃料電池から独立して設けられた絶縁型電源である請求項2記載の電圧監視システム。
- 請求項1記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して1つずつ設けられ、該複数の燃料電池のアドノード側とカソード側とに接続されたスイッチ回路と、
該スイッチ回路の接続状態を順次切り替えて、前記燃料電池の各々の電圧を順次入力電圧として入力するトランスと
を備え、
前記検出回路は、コンデンサを備えた
電圧監視システム。 - 請求項4記載の電圧監視システムであって、
前記検出回路は、前記最小値を検出する最小値検出回路と、前記最大値を検出する最大値検出回路とを備え、
前記最小値検出回路及び前記最大値検出回路は、スイッチ回路により前記トランスとの接続を切替可能である
電圧監視システム。 - 請求項1記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続され、流れる電流に応じた電圧を出力する電流センサであり、
前記検出回路は、前記電流センサの出力ごとに設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた
電圧監視システム。 - 前記電流センサは、磁気センサである請求項6記載の電圧監視システム。
- 前記電流センサの電源は、前記燃料電池から独立して設けられた絶縁型電源である請求項6または請求項7記載の電圧監視システム。
- 更に、前記燃料電池スタックの全体電圧を検出する全体電圧検出回路を備えた請求項1ないし請求項8のいずれか記載の電圧監視システム。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段及び前記検出回路は、前記複数の燃料電池の所定グループごとに設けられ、
更に、
前記所定グループごとの検出回路のそれぞれに設けられ、該検出回路の出力結果を、絶縁した状態で移送する分岐用電圧伝達手段と、
前記分岐用電圧伝達手段が移送する前記出力結果を集合して、該移送された出力結果のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を出力する分岐用検出回路と
を備えた電圧監視システム。 - 前記分岐用電圧伝達手段及び前記分岐用検出回路は、多段に構成された請求項10記載の電圧監視システム。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段及び前記検出回路は、前記複数の燃料電池の所定グループごとに設けられ、
更に、
前記所定グループごとの検出回路のそれぞれに設けられ、該検出回路の出力結果を、絶縁した状態で移送する分岐用電圧伝達手段と、
前記分岐用電圧伝達手段が移送する前記出力結果に基づいて、該移送された出力結果のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を演算する分岐用演算回路と
を備えた電圧監視システム。 - 前記検出回路は、前記最小値と最大値の少なくとも一方の出力を断続的に行う請求項1ないし請求項12のいずれか記載の電圧監視システム。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009141042A JP2010199054A (ja) | 2009-01-27 | 2009-06-12 | 燃料電池用電圧監視システム |
PCT/IB2010/000128 WO2010086703A2 (en) | 2009-01-27 | 2010-01-26 | Fuel cell voltage monitoring system |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009015006 | 2009-01-27 | ||
JP2009141042A JP2010199054A (ja) | 2009-01-27 | 2009-06-12 | 燃料電池用電圧監視システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010199054A true JP2010199054A (ja) | 2010-09-09 |
Family
ID=42126431
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009141042A Pending JP2010199054A (ja) | 2009-01-27 | 2009-06-12 | 燃料電池用電圧監視システム |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010199054A (ja) |
WO (1) | WO2010086703A2 (ja) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0982788A3 (en) * | 1998-08-21 | 2001-10-31 | General Motors Corporation | Method and apparatus for safeguarding fuel cells against reverse polarization damage |
US6724194B1 (en) * | 2000-06-30 | 2004-04-20 | Ballard Power Systems Inc. | Cell voltage monitor for a fuel cell stack |
US20020180447A1 (en) * | 2001-05-29 | 2002-12-05 | Stephane Masse | Fuel cell voltage monitoring system and the method thereof |
CA2508517C (en) * | 2002-12-03 | 2013-09-24 | Hydrogenics Corporation | Method and apparatus for monitoring fuel cell voltages |
JP5109330B2 (ja) | 2006-10-19 | 2012-12-26 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
2009
- 2009-06-12 JP JP2009141042A patent/JP2010199054A/ja active Pending
-
2010
- 2010-01-26 WO PCT/IB2010/000128 patent/WO2010086703A2/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2010086703A8 (en) | 2010-11-11 |
WO2010086703A3 (en) | 2010-09-23 |
WO2010086703A2 (en) | 2010-08-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8841915B2 (en) | Battery voltage monitoring apparatus | |
US9128161B2 (en) | Voltage monitoring device | |
US20120194135A1 (en) | Battery voltage monitoring apparatus | |
JP2007256113A (ja) | 電池電圧測定回路、電池電圧測定方法およびバッテリecu | |
JP5072561B2 (ja) | 電流検出回路 | |
US20110196632A1 (en) | Battery pack monitoring apparatus | |
CN104094494A (zh) | 并联蓄电系统及其控制方法 | |
JP6809911B2 (ja) | 差電圧測定装置 | |
US11757297B2 (en) | Battery management architectures for flow batteries | |
JP2015083960A (ja) | 異常検出装置 | |
JP5219652B2 (ja) | 電源装置 | |
US20120043820A1 (en) | Fuel cell system having bypass circuit and method of driving the same | |
JP2011103233A (ja) | 電圧監視システム、電圧監視システムの異常判定方法 | |
US20150377973A1 (en) | Voltage monitoring device | |
US20140097852A1 (en) | Voltage monitoring device | |
JP2010288358A (ja) | 蓄電装置 | |
JP2010199054A (ja) | 燃料電池用電圧監視システム | |
JP5368283B2 (ja) | 電圧検出回路 | |
JP4144009B2 (ja) | 可変電圧型蓄電装置およびハイブリッド型電源装置 | |
JP2011085443A (ja) | 電圧測定装置及びそれを用いた燃料電池システム | |
JP2011170992A (ja) | 電圧監視システム | |
CN219085102U (zh) | 检测选通模块、电池管理系统及电池管理芯片 | |
JP2010287395A (ja) | 燃料電池のセルモニタ | |
JP2001292529A (ja) | 充電装置 | |
CN220857666U (zh) | 电池管理芯片及电池管理系统 |