JP2011103229A - 燃料電池スタックの電圧監視装置およびそれの負電圧保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】印加する負電源電圧が電圧監視装置の定格電圧範囲を外れることを防止して、電圧監視装置を保護することを目的とする。
【解決手段】電圧監視装置は、複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられる差動アンプを備える電圧伝達回路と、各差動アンプにより移送された複数の燃料電池の各電圧に基づいて最小電圧Ｖｍｉｎを求める最小値検出回路と、電源部と、制御部とを備える。制御部により、最小電圧Ｖｍｉｎが所定電圧Ｖ０を下回ると判定されたときに（Ｓ１２０）、電源部により供給される正負両電源電圧Ｖｃｃ,Ｖｓｓを、差分を維持したまま負方向にシフトさせる（ステップＳ１３０）。
【選択図】図２

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装置、およびその電圧監視装置用の負電圧保護方法に関する。

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。前記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、燃料電池スタックは、各単セルの電圧を監視するための電圧監視装置を備えている（例えば、下記特許文献１）。

ところで、単セルは、燃料不足などによって負電圧となる場合がある。電圧監視装置は、前記負電圧を測定できるように、負電源電圧の印加が必要となる。この場合に、燃料電池が想定以上の大きさの負電圧となり、印加する負電源電圧が電圧監視装置の定格電圧範囲を外れると、電圧監視装置に含まれる電子部品を破損してしまう虞があった。

なお、下記特許文献２には、電池の残容量を検出する技術が提案されているが、この技術では、前述した電圧監視装置の破損を防ぐことはできなかった。

特開２００８−１０３２０１号公報 特開２００１−６７５７号公報

本発明は、印加する負電源電圧が電圧監視装置の定格電圧範囲を外れることを防止して、電圧監視装置を保護することを目的とする。

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以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［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装置であって、前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、正負両電源電圧により駆動されることで、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、前記正負両電源電圧を前記電圧伝達部に供給する電源部と、前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定部と、前記判定部により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記電源部により供給される前記正負両電源電圧を、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトさせる制御部とを備える電圧監視装置。

適用例１に係る電圧監視装置によれば、監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かが判定され、負電圧の傾向にあると判定されたときに、電圧伝達部が受ける正負両電源電圧が、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトされる。このために、燃料電池スタックが負電圧となったときに、電源電圧が電圧伝達部の定格電圧範囲を外れることを防止することができる。したがって、電圧伝達部を保護することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の電圧監視装置であって、前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分、前記電圧伝達部、および前記電源部に、参照電位をそれぞれ設定する参照電位設定回路を備え、前記電源部は、前記正負両電源電圧として、前記参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを、それぞれ供給する構成を備える、電圧監視装置。

適用例２に係る電圧監視装置によれば、複数の燃料電池における参照電位に対する電位差を小さくできるので、電圧伝達部において低電圧部品を使用することができる。

［適用例３］ 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装置であって、前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを前記電圧伝達部に供給する電源部と、前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分に前記参照電位を設定する参照電位設定回路と、前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定部と、前記判定部により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記参照電位設定回路における前記結線部分を、電圧の低い側に切り替える制御部とを備える電圧監視装置。

適用例３に係る電圧監視装置によれば、監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かが判定され、負電圧の傾向にあると判定されたときに、参照電位設定回路で参照電位が設定される結線部分が、電圧の低い側に切り替えられる。このために、燃料電池スタックが負電圧となったときに、電源電圧が電圧伝達部の定格電圧範囲を外れることを防止することができる。したがって、電圧伝達部を保護することができる。

［適用例４］ 適用例３に記載の電圧監視装置であって、前記電圧伝達部に並列接続される定電圧回路を備える、電圧監視装置。

適用例４に係る電圧監視装置によれば、電圧伝達部の端子間の電圧が一定値を超えることがないことから、電圧伝達部をより保護することができる。

［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の電圧監視装置であって、前記電圧伝達部は、前記各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る、電圧監視装置。

適用例５に係る電圧監視装置によれば、電圧伝達部を、差動アンプといった簡単な構成で生成することができることから、構成を簡略化することができる。

［適用例６］ 適用例１ないし５のいずれかに記載の電圧監視装置であって、前記監視信号生成部は、前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧のうちの最小値を、前記監視信号として検出する最小値検出回路を備える、電圧監視装置。

適用例６に係る電圧監視装置によれば、各燃料電池の電圧の最小値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。

［適用例７］ 燃料電池スタックに含まれる複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、正負両電源電圧により駆動されることで、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、前記正負両電源電圧を前記電圧伝達部に供給する電源部とを備える燃料電池スタックの電圧監視装置を用いる負電圧保護方法であって、前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定工程と、前記判定工程により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記電源部により供給される前記正負両電源電圧を、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトする制御工程とを備える負電圧保護方法。

適用例７に係る負電圧保護方法によれば、適用例１に係る電圧監視装置と同様に、電圧伝達部を保護することができる。

［適用例８］ 燃料電池スタックに含まれる複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを前記電圧伝達部に供給する電源部と、前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分に前記参照電位を設定する参照電位設定回路と、を備える燃料電池スタックの電圧監視装置を用いる負電圧保護方法であって、前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定工程と、前記判定工程により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記参照電位設定回路における前記結線部分を、電圧の低い側に切り替える制御工程とを備える負電圧保護方法。

適用例８に係る負電圧保護方法によれば、適用例３に係る電圧監視装置と同様に、電圧伝達部を保護することができる。

さらに、本発明は、上記適用例１ないし８以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、適用例７または８の工程を実行するコンピュータプログラムの態様で実現することができる。

本発明の第１実施例としての電圧監視装置２０の構成を示す説明図である。 制御部６０にて実行される負電圧保護処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施例としての電圧監視装置１２０の構成を示す説明図である。 制御部１６０にて実行される負電圧保護処理を示すフローチャートである。 本発明の第３実施例としての電圧監視装置２２０の構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．電圧監視装置の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての電圧監視装置２０の構成を示す説明図である。電圧監視装置２０は、４つの燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧を監視する装置である。燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４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〜ＦＣ４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〜ＦＣ４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、４つに限らず、任意に設定すればよい。

燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４は、積層され、電気的には直列接続されている。この直列接続の中央のポイント、すなわち、図中、上から２番目の燃料電池ＦＣ２と３番目の燃料電池ＦＣ３との間のポイントＰには、基準となる電位（参照電位Ｖｒｅｆ）を持った導体が接続されている。すなわち、ポイントＰに対して参照電位Ｖｒｅｆが設定されている。

電圧監視装置２０は、電圧伝達回路３０と、最小値検出回路４０と、電源部５０と、制御部６０とを備える。

電圧伝達回路３０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４と同じ数のオペアンプ３１〜３４を備える。各オペアンプ３１〜３４の両入力端子に、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のアノードとカソードが接続されることで、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４とオペアンプ３１〜３４とが１：１で対応する。オペアンプ３１〜３４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〜ＦＣ４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〜ＦＣ４の電圧そのもの）を実電位とは絶縁して出力する。

上述したように、ポイントＰに参照電位Ｖｒｅｆが設定されていることから、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のカソードの電圧は、参照電位Ｖｒｅｆを基準として、ポイントＰからその燃料電池までの燃料電池の数に対応した電位だけかさ上げもしくは下げられている。本実施例では、一つの燃料電池の出力範囲は−２〜＋２Ｖであること、ポイントＰより電位の高い側の燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２の数が２つであること、およびポイントＰより電位の低い側の燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２の数が２つであることに鑑みると、各オペアンプ３１〜３４は、参照電位Ｖｒｅｆを基準とする±４Ｖの正負両電源電圧で駆動される構成とした。すなわち、各オペアンプ３１〜３４は、Ｖｒｅｆ＋４Ｖである正電源電圧Ｖｃｃと、Ｖｒｅｆ−４Ｖである負電源電圧Ｖｓｓとで駆動される構成とした。例えば、参照電位Ｖｒｅｆがグラウンドであるときには、各オペアンプ３１〜３４は、±４Ｖで駆動される。

なお、一つの燃料電池の測定範囲は−２〜＋２Ｖであるとしたのは、燃料電池は燃料不足などによって負電圧になる場合があり、その時を想定して、負電圧側にも測定範囲を拡げている。

電源部５０は、外部からの制御指令を受けて出力電圧を変化可能な第１および第２の可変電源５１、５２を備える。第１可変電源５１は、正端子を各オペアンプ３１〜３４に接続し、負端子に参照電位Ｖｒｅｆを設定することにより、各オペアンプ３１〜３４に前記正電源電圧Ｖｃｃを供給する。第２可変電源５２は、負端子を各オペアンプ３１〜３４に接続し、正端子に参照電位Ｖｒｅｆを設定することにより、各オペアンプ３１〜３４に前記負電源電圧Ｖｓｓを供給する。

前述した電圧伝達回路３０では、オペアンプ３１〜３４により差動増幅器を構成しているが、実際にはオペアンプ３１〜３４に複数の抵抗器（図示せず）をそれぞれ付設することで差動増幅器を構成している。そして、複数の抵抗器のうちの所定の抵抗器にも参照電位Ｖｒｅｆが設定されている。

最小値検出回路４０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４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４１〜４４と、コンデンサ４６と、電源４７と、抵抗器４８とを備えている。上述した各オペアンプ３１〜３４の出力は全て、逆方向のダイオード４１〜４４に接続されている。このため、各オペアンプ３１〜３４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３１〜３４の出力は、他のオペアンプ３１〜３４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３１〜３４の出力には、一端に参照電位Ｖｒｅｆが設定されたコンデンサ４６が接続されており、更に、抵抗器（プルアップ抵抗器）４８を介して所定の正の電源４７が接続されている。この所定の正の電圧は、オペアンプ３１〜３４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。

Ａ−２．最小値検出動作：
かかる電圧監視装置２０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４１〜４４の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。

（ｉ）オペアンプ３１〜３４が動作しておらず、各オペアンプ３１〜３４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３１〜３４の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサ４６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４８を介して接続された正の電源電圧と等しくなる。

（ii）次に、所定のタイミングでオペアンプ３１〜３４を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ３１〜３４で検出し、出力させると、ダイオード４１〜４４を介して電流が流れ込み、コンデンサ４６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３１〜３４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３１〜３４（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４１〜４４を介して電流が流れ込むことはない。

（iii）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３１〜３４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４６の端子ＭＭＣの電圧よりも低い電圧を出力したオペアンプ３１〜３４にダイオード４１〜４４を介して電流が流れ込み、コンデンサ４６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３１〜３４は、この端子ＭＭＣの電圧より高いから、ダイオード４１〜４４を介して電流が流れ込むことはない。

（iv）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３１〜３４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３１〜３４は、端子ＭＭＣの電圧より高いから、ダイオード４１〜４４を介して電流が流れ込むことはない。したがって、電源４７によって、コンデンサ４６が徐々に充電される。この充電は、コンデンサ４６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４１〜４４を介して電流が流れ込み、コンデンサ４６の端子ＭＭＣの電圧は低下する。

実際には、上述した（ii）〜（iv）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３１〜３４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〜ＦＣ４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４６には、ダイオード４１〜４４の最小出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧に対応する電圧がホールドされ、制御部６０に監視信号として出力される。

制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。制御部６０は、最小値検出回路４０から出力される最小電圧Ｖｍｉｎを受け取ると共に、第１可変電源５１および第２可変電源５２に制御指令Ｓ１、Ｓ２を出力する。

ＲＯＭには、各種のコンピュータプログラムが格納されている。ＣＰＵによりコンピュータプログラムが実行されることで、制御部６０は、最小値検出回路４０から受けた最小電圧Ｖｍｉｎに基づいて異常診断を行う異常診断機能や、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧傾向となったときに電圧監視装置２０を保護する負電圧保護機能を実現する。異常診断機能は周知のものであることから、ここでは説明を省略する。負電圧保護機能を実現するための負電圧保護処理について、以下詳細に説明する。

Ａ−３．制御処理：
図２は、制御部６０にて実行される負電圧保護処理を示すフローチャートである。負電圧保護処理は、制御部６０のＲＯＭに格納された負電圧保護処理用のコンピュータプログラムに従って、制御部６０のＣＰＵによって実行されるものである。

図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、最小値検出回路４０から最小電圧Ｖｍｉｎを取り込み（ステップＳ１１０）、最小電圧Ｖｍｉｎが所定電圧Ｖ０（例えば、０Ｖ）を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１２０）。この判定は、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定するためのもので、ＶｍｉｎがＶ０を下回ったときに、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあると判定する。なお、所定電圧Ｖ０は、必ずしも０Ｖである必要はなく、負の値としてもよいし、例えば、０．３Ｖ等の正の値としてもよい。０．３Ｖで例示するような正の値でも小さな値であれば、この値を下回ったら「負電圧まで落ちるであろう」として負電圧の傾向にあると判定する。

ステップＳ１２０で、ＶｍｉｎがＶ０を下回っていない、すなわち、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にないと判定された場合には、ＣＰＵは、ステップＳ１１０に処理を戻し、新たな最小電圧Ｖｍｉｎの取り込みを行う。

一方、ステップＳ１２０で、ＶｍｉｎがＶ０を下回っている、すなわち、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあると判定された場合には、ＣＰＵは、第１可変電源５１および第２可変電源５２に制御指令Ｓ１、Ｓ２を出力して、前述した正電源電圧Ｖｃｃおよび負電源電圧Ｖｓｓを、所定値α（例えば、２Ｖ）だけそれぞれ減少させる（ステップＳ１３０）。例えば、参照電位Ｖｒｅｆがグラウンドであるときには、正電源電圧Ｖｃｃを４Ｖから２Ｖに、負電源電圧Ｖｓｓを−４Ｖから−６Ｖに変化させる。この結果、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあると判定された場合に、−４〜４Ｖであった正負両電源電圧が、−６〜２Ｖに変化する。

なお、所定値αは２Ｖに限る必要もなく、正の値であれば任意とすることができる。例えばα＝４Ｖとすれば、正負両電源電圧は−８〜０Ｖとなる。また、所定値αは、一定値である必要もなく、最小電圧Ｖｍｉｎと所定電圧Ｖ０との差Ｄ（＝Ｖｍｉｎ−Ｖ０）の大きさ（絶対値）に応じて変化する値とすることができる。例えば、｜Ｄ｜＝１のときにα＝２Ｖ、｜Ｄ｜＝２のときにα＝３Ｖ、｜Ｄ｜＝３のときにα＝４Ｖというように、｜Ｄ｜が大きいほど、所定値αは大きな値をとる構成とすることができる。

ステップＳ１３０の実行後、ＣＰＵは、この負電圧保護処理を終了する。

Ａ−４．効果：
上述した構成の電圧監視装置２０によれば、オペアンプ３１〜３４とダイオード４１〜４４とコンデンサ４６といった簡単な構成で、複数の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧のうちの最小値を監視信号として生成することができる。また、電圧監視装置２０の電圧伝達回路３０および最小値検出回路４０によれば、機械式の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を高めることができる。しかも、コンデンサ４６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。

さらに、電圧監視装置２０によれば、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあるときに、電圧伝達回路３０が受ける正負両電源電圧が、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトされることから、負電位を測定することが可能となる。しかも、正負両電源電圧の上記負方向へのシフトにより、燃料電池スタックＦＣが負電圧となったときに、電源電圧が電圧伝達回路３０の定格電圧範囲を外れることを防止することができる。したがって、電圧伝達回路３０を保護することができる。

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装置１２０の構成を図３に示す。図３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。電圧監視装置１２０について、第１実施例と異なる点についてのみ、以下に説明する。

電圧監視装置１２０は、燃料電池スタックＦＣに対する参照電位の設定ポイントを切り替えるスイッチ回路１７０を備える。スイッチ回路１７０は、信号経路をオンオフする３つのスイッチ１７１〜１７３を備える。図中、上から２番目の燃料電池ＦＣ２と３番目の燃料電池ＦＣ３との間のポイントＰ０（＝第１実施例におけるポイントＰ）に対して、第１のスイッチ１７１を介して参照電位Ｖｒｅｆが設定されている。上から３番目の燃料電池ＦＣ３と４番目の燃料電池ＦＣ４との間のポイントＰ１に対して、第２のスイッチ１７２を介して参照電位Ｖｒｅｆが設定されている。上から４番目の燃料電池ＦＣ２のポイントＰ１と反対側のポイントＰ２に対して、第３のスイッチ１７３を介して参照電位Ｖｒｅｆが設定されている。

第１のスイッチ１７１をオン、第２のスイッチ１７２をオフ、および第３のスイッチ１７３をオフすることで（以下、この状態を「第１スイッチ切換モード」と呼ぶ）、ポイントＰ０に対して参照電位Ｖｒｅｆを設定することができる。第１のスイッチ１７１をオフ、第２のスイッチ１７２をオン、および第３のスイッチ１７３をオフすることで（以下、この状態を「第２スイッチ切換モード」と呼ぶ）、ポイントＰ１に対して参照電位Ｖｒｅｆを設定することができる。第１のスイッチ１７１をオフ、第２のスイッチ１７２をオフ、および第３のスイッチ１７３をオンすることで（以下、この状態を「第３スイッチ切換モード」と呼ぶ）、ポイントＰ２に対して参照電位Ｖｒｅｆを設定することができる。なお、初期状態時には、第１スイッチ切換モードとなって、ポイントＰ０に対して参照電位Ｖｒｅｆが設定されているものとする。

第１実施例における電源部５０は可変電源を構成していたが、これに対して、第２実施例における電源部１５０は、固定した正電源電圧Ｖｃｃと負電源電圧Ｖｓｓを出力する。正電源電圧Ｖｃｃと負電源電圧Ｖｓｓは、第１実施例と同様に、参照電位Ｖｒｅｆを基準とする±４Ｖの正負両電源電圧である。

制御部１６０は、第１実施例と同様に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。制御部１６０は、最小値検出回路４０から出力される最小電圧Ｖｍｉｎを受け取ると共に、スイッチ回路１７０内の各スイッチ１７１〜１７３に制御指令Ｓ１１〜Ｓ１３を出力する。制御部６０は、第１実施例とは相違する負電圧保護処理を実行する。

図４は、制御部１６０にて実行される負電圧保護処理を示すフローチャートである。負電圧保護処理は、制御部１６０のＲＯＭに格納された負電圧保護処理用のコンピュータプログラムに従って、制御部６０のＣＰＵによって実行されるものである。

図４では、第１実施例と同じ処理のステップについては、図１と同様の符号を付している。処理が開始されると、ＣＰＵは、最小値検出回路４０から最小電圧Ｖｍｉｎを取り込み（ステップＳ１１０）、最小電圧Ｖｍｉｎが所定電圧Ｖ０を下回ったと判定されたときに（ステップＳ１２０）、スイッチ回路１７０内の各スイッチ１７１〜１７３に制御指令Ｓ１１〜Ｓ１３を出力して、初期状態時の第１スイッチ切換モードから第２スイッチ切換モードへの切り替えを行う（ステップＳ２３０）。すなわち、参照電位Ｖｒｅｆが設定されるポイントを、初期状態時のポイントＰ０から、ポイントＰ０よりも電圧の低い燃料電池間の結線部分であるポイントＰ１に切り替える処理を行う。

なお、ステップＳ２３０では、初期状態時のポイントＰ０から、ポイントＰ１に換えてポイントＰ１より電圧の低いポイントＰ２へ切り替える構成としてもよい。あるいは、負電圧の傾向の度合いを判定して、その度合いが小さいときには、ポイントＰ１に切り替え、その度合いが大きいときには、ポイントＰ２に切り替える構成としてもよい。ステップＳ２３０の実行後、ＣＰＵは、この負電圧保護処理を終了する。

以上のように構成した第２実施例の電圧監視装置１２０によれば、電圧伝達回路３０へ供給する正負両電源電圧Ｖｃｃ、Ｖｓｓは一定のままで、参照電位Ｖｒｅｆが設定されるポイントを、電圧の低い側に切り替えられることから、負電位を測定することが可能となる。しかも、上記参照電位Ｖｒｅｆが設定されるポイントの切り替えにより、燃料電池スタックＦＣが負電圧となったときに、電源電圧が電圧伝達回路３０の定格電圧範囲を外れることを防止することができる。したがって、電圧伝達回路３０を保護することができる。

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装置２２０の構成を図５に示す。図５では、第２実施例と同様の構成については、図３と同様の符号を付している。電圧監視装置２２０について、第２実施例と異なる点についてのみ、以下に説明する。

図示するように、電圧伝達回路３０に対して、定電圧回路としてのツェナーダイオード２２１が並列に接続されている。すなわち、電圧伝達回路３０の正端子にツェナーダイオード２２１のカソードが、電圧伝達回路３０の負端子にツェナーダイオード２２１のアノードが接続されている。その他の構成は第２実施例と同一である。

かかる構成の第３実施例の電圧監視装置２２０は、第２実施例の電圧監視装置１２０と同一の構成を備える。さらに、電圧監視装置２２０は、ツェナーダイオード２２１の働きにより、電圧伝達回路３０の端子間の電圧が一定値を超えることがないことから、電圧伝達回路３０をより保護することができる。

なお、第３実施例の電圧監視装置２２０において、ツェナーダイオード２２１に換えて、シャントレギュレータを使った回路、同期整流回路等の他の定電圧回路を用いる構成としてもよい。

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：
上述の第１ないし第３の実施例では、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧Ｖｍｉｎを検出し、この最小電圧Ｖｍｉｎが所定電圧Ｖ０を下回ったときに、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあると判定していたが、これに換えて、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各電圧の総合計を検出し、その総合計が所定電圧を下回ったときに、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向にあると判定してもよい。すなわち、燃料電池スタックＦＣの出力が負電圧の傾向を判定することができるパラメータであれば、いずれの種類のパラメータでもよい。

Ｄ−２．変形例２：
上述の第１ないし第３の実施例では、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、オペアンプ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、オペアンプ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、オペアンプを省略してもよいし、燃料電池１つ置きにオペアンプを設けてもよい。

Ｄ−３．変形例３：
上述の第１ないし第３の実施例では、電圧伝達部としての電圧伝達回路は、オペアンプを備える構成としていたが、必ずしもオペアンプを備える構成である必要はなく、電源を必要とする電圧伝達回路であれば、種々の回路構成に換えることができる。これによっても、第１ないし第３の実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｄ−４．変形例４：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池、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。

なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

２０…電圧監視装置
３０…電圧伝達回路
３１〜３４…オペアンプ
４０…最小値検出回路
４１〜４４…ダイオード
４６…コンデンサ
４７…電源
４８…抵抗器
５０…電源部
５１…第１可変電源
５２…第２可変電源
６０…制御部
１２０…電圧監視装置
１５０…電源部
１６０…制御部
１７０…スイッチ回路
１７１〜１７３…スイッチ
２２０…電圧監視装置
２２１…ツェナーダイオード
Ｖｒｅｆ…参照電位
Ｖｍｉｎ…最小電圧
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１〜Ｓ１３…制御指令
ＦＣ…燃料電池スタック
ＦＣ１…燃料電池
ＦＣ２…燃料電池
ＦＣ３…燃料電池
ＦＣ４…燃料電池
Ｖｃｃ…正電源電圧
Ｖｓｓ…負電源電圧

Claims (8)

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装置であって、
   前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、正負両電源電圧により駆動されることで、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、
   前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、
   前記正負両電源電圧を前記電圧伝達部に供給する電源部と、
   前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記電源部により供給される前記正負両電源電圧を、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトさせる制御部と
   を備える電圧監視装置。
2. 請求項１に記載の電圧監視装置であって、
   前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分、前記電圧伝達部、および前記電源部に、参照電位をそれぞれ設定する参照電位設定回路を備え、
   前記電源部は、
   前記正負両電源電圧として、前記参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを、それぞれ供給する構成を備える、電圧監視装置。
3. 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装置であって、
   前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、
   前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、
   参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを前記電圧伝達部に供給する電源部と、
   前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分に前記参照電位を設定する参照電位設定回路と、
   前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記参照電位設定回路における前記結線部分を、電圧の低い側に切り替える制御部と
   を備える電圧監視装置。
4. 請求項３に記載の電圧監視装置であって、
   前記電圧伝達部に並列接続される定電圧回路を備える、電圧監視装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の電圧監視装置であって、
   前記電圧伝達部は、
   前記各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る、電圧監視装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電圧監視装置であって、
   前記監視信号生成部は、
   前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧のうちの最小値を、前記監視信号として検出する最小値検出回路を備える、電圧監視装置。
7. 燃料電池スタックに含まれる複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、正負両電源電圧により駆動されることで、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、
   前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、
   前記正負両電源電圧を前記電圧伝達部に供給する電源部と
   を備える燃料電池スタックの電圧監視装置を用いる負電圧保護方法であって、
   前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定工程と、
   前記判定工程により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記電源部により供給される前記正負両電源電圧を、正電源電圧と負電源電圧との差分を維持したまま負方向にシフトする制御工程と
   を備える負電圧保護方法。
8. 燃料電池スタックに含まれる複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、前記燃料電池の各々の電圧を、前記燃料電池から取り出して移送する電圧伝達部と、
   前記電圧伝達部により移送された前記複数の燃料電池の電圧に基づいて、前記電圧監視のための監視信号を生成する監視信号生成部と、
   参照電位を基準とする所定の正電源電圧と前記参照電位を基準とする所定の負電源電圧とを前記電圧伝達部に供給する電源部と、
   前記複数の燃料電池における隣接する燃料電池間の所定の一つの結線部分に前記参照電位を設定する参照電位設定回路と、
   を備える燃料電池スタックの電圧監視装置を用いる負電圧保護方法であって、
   前記監視信号生成部により生成された監視信号に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が負電圧の傾向にあるか否かを判定する判定工程と、
   前記判定工程により負電圧の傾向にあると判定されたときに、前記参照電位設定回路における前記結線部分を、電圧の低い側に切り替える制御工程と
   を備える負電圧保護方法。

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