JP3671053B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出方法を有する燃料電池システムに係り、特に、電圧低下したセルを特定できる燃料電池システムに関する。

燃料電池は、固体高分子電解質膜を介して対向配置された一対の電極を備えるセルが、複数積層して構成されたものである。この燃料電池の電圧は、燃料電池の全体から出力される総電圧を測定することにより検出されていた。
特開平０６−２４３８８２号公報 特開平０４−３１５７７４号公報 特開平０５−２０５７８２号公報 特開平１０−３１２８２９号公報 特開平０１−２５５１７４号公報

上述の如く、燃料電池の電圧が、燃料電池の全体から出力される総電圧を測定することにより検出されているので、電圧が異常に低下したセルを特定することができなかった。この特定セルの電圧異常低下を検出するためには、燃料電池の全てのセルの電圧を個別に測定しなければならず、この場合、検出回路が複雑化してそのコストが上昇してしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、電圧が異常に低下したセルの存在を、低コストにて容易に検出できる燃料電池システムを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、任意の個数直列に積層されたセルから構成されるブロックを複数個直列に積層して構成される燃料電池と、ブロックの両端に接続され所定の電圧がかかると発光する発光素子と、発光素子と共にフォトカプラを構成する受光素子と、受光素子と接続され受光素子の電位からブロックの電圧が閾値以下となったことを判定するブロック電圧判定手段と、を備える燃料電池システムにおいて、発光素子と直列に接続され、電流の向きを一方向に整流するダイオードを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、発光素子及びダイオードと直列に接続される抵抗器を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、電圧判定手段は、ブロックの電圧が閾値以下となったことを表示する表示手段を備えることを特徴とする。

以上のように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムによれば、任意の個数直列に積層されたセルから構成されるブロックを複数個直列に積層して構成される燃料電池と、ブロックの両端に接続され所定の電圧がかかると発光する発光素子と、発光素子と共にフォトカプラを構成する受光素子と、受光素子と接続され受光素子の電位からブロックの電圧が閾値以下となったことを判定するブロック電圧判定手段と、を備える燃料電池システムにおいて、発光素子と直列に接続され、電流の向きを一方向に整流するダイオードを備えることから、電圧が異常に低下したセルの存在を低コストにて容易に検出できる。

また、請求項２あるいは３に記載の発明に係る燃料電池によれば、発光素子及びダイオードと直列に接続される抵抗器を備える、あるいは、電圧判定手段は、ブロックの電圧が閾値以下となったことを表示する表示手段を備えることから、電圧が異常に低下したセルの存在を低コストにて容易に検出でき、また、異常電圧低下セルの存在を視認できる。

以下、図面に基づき説明する。
〔参考例〕
図１は、参考例の燃料電池の電圧検出装置を示すブロック図である。この図１に示す燃料電池電圧検出装置１０は、固体高分子型燃料電池１１を構成するセル１６（後述）の発電時の電圧低下を検出するものであり、総出力電圧検出器１２、ブロック電圧検出器１３及び検出演算器１４を有して構成される。

上記固体高分子型燃料電池１１は、図２に示すセル１６（単電池）が複数直列に積層してモジュールとして構成されたものであり、水素ガス供給系１５及び空気供給系２５が接続される。各セル１６は、高分子イオン交換膜などの固体高分子電解質膜１７と、この固体高分子電解質膜１７の相対向面にそれぞれ接合されたアノード１８、カソード１９と、アノード１８に接して配置されたアノード基材２０と、カソード１９に接して配置されたカソード基材２１とを有して構成される。

アノード１８およびカソード１９は、白金を担持したカーボンを主成分とし、ガスまたは水を拡散可能な拡散経路を有する。これらのアノード１８及びカソード１９内で、後述の電気化学反応が行われる。

アノード基材２０には、アノード１８に接する側に、アノードガスとしての水素ガスを流動させるアノードガス流路２２が形成される。また、カソード基材２１には、カソード１９に接する側にカソードガスとしての空気（または酸素ガス）を流動させるカソードガス流路２３が形成される。これらのアノード基材２０及びカソード基材２１は、多孔質の例えば炭素材にて形成され、ガスまたは水を透過可能に構成される。

このように構成されたセル１６において、アノード基材２０のアノードガス流路２２を経てアノード１８内に導入された水素ガスは、このアノード１８内で酸化してプロトン（Ｈ⁺）となり、このプロトンは、固体高分子電解質膜１７中を移動してカソード１９へ至り、このカソード１９内で、カソード基材２１のカソードガス流路２３を経て導入された空気中の酸素と電気化学反応して還元され、水に変化する。この電気化学反応に伴い、アノード１８とカソード１９間に電圧が発生する。

前記水素ガス供給系１５は、図示しない水素ボンベ、減圧弁及び水素供給電磁弁が順次配設して構成され、水素供給電磁弁が固体高分子型燃料電池１１に接続される。この水素ガス供給系１５の水素供給電磁弁の開度調整により、固体高分子型燃料電池１１の各セル１６におけるアノード基材２０のアノードガス流路２２へ水素ガスが適宜流量供給される。

前記空気供給系２５は、空気供給ファンが固体高分子型燃料電池１１に接続されたものである。空気供給ファンの回転速度の調整により、固体高分子型燃料電池１１の各セル１６におけるカソード基材２１のカソードガス流路２３へ適宜流量の空気が供給される。

前記総出力電圧検出器１２は、固体高分子型燃料電池１１の全体から出力される総電圧を検出する。この検出電圧は、総出力電圧検出器１２から検出演算器１４へ出力される。

前記ブロック電圧検出器１３は、固体高分子型燃料電池１１において、セル１６が任意の個数積層されたセルブロック２４にて発生するブロック電圧を検出する。この検出電圧は、ブロック電圧検出器１３から検出演算器１４へ出力される。

前記検出演算器１４は、先ず、総出力電圧検出器１２が検出した固体高分子型燃料電池１１の総電圧に基づいて第一平均セル電圧Ｖ_mを算出し、また、ブロック電圧検出器１３が検出したセルブロック２４のブロック電圧に基づいて第二平均セル電圧Ｖ_bを算出する。これらの第一平均セル電圧Ｖ_mと第二平均セル電圧Ｖ_bは、固体高分子型燃料電池１１に同一負荷が作用している状態下で検出されたものである。

次に、検出演算器１４は、あるセルブロック２４にセル電圧が０ボルトとなったセル１６が１個存在すると仮定したときの判定基準電圧Ｖ_Bを、上記第一平均セル電圧Ｖ_mから式（１）の如く算出する。

ここで、ｎはセルブロック２４を構成するセル１６の個数である。

そして、検出演算器１４は、上記第二平均セル電圧Ｖ_bが判定基準電圧Ｖ_B以下となったときに（Ｖ_b≦Ｖ_B）、上記セルブロック２４内に電圧が異常に低下したセル１６が存在すると判断する。

検出演算器１４は、上述の動作を、ブロック電圧検出器１３が検出する他のセルブロック２４についても同様に実施して、セルブロック２４において、電圧が異常に低下したセル１６の存在を検出する。

従って、参考例によれば、次の効果を奏する。総出力電圧検出器１２が固体高分子型燃料電池１１の総電圧を検出し、ブロック電圧検出器１３が任意のセルブロック２４のブロック電圧を検出し、検出演算器１４は、固体高分子型燃料電池１１の総電圧から算出した第一平均セル電圧Ｖ_mに基づき、セル１６に異常低下電圧が発生したと仮定したときの判定基準電圧Ｖ_Bを算出し、ブロック電圧から算出した第二平均セル電圧Ｖ_bが上記判定基準電圧Ｖ_B以下となったときに、電圧が異常に低下したセル１６の存在を検出することから、全てのセル１６のセル電圧を個別に検出する検出回路が必要とならないので、電圧が異常に低下したセル１６の存在を低コストにて容易に検出できる。

以下、本発明の実施例を、図面に基づき説明する。

図３は、本発明における実施例の燃料電池の電圧検出装置を示す電気回路図である。本実施例において、前記参考例と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

本実施例の燃料電池電圧検出装置３０は、固体高分子型燃料電池１１を構成するセル１６の電圧低下を検出するものであり、フォトカプラ３１、メイン抵抗器３２、トランジスタ４３、ＬＥＤ３４（発光ダイオード）及び検出判定器３５を有して構成される。

フォトカプラ３１は、発光ダイオードなどの発光素子３６と、フォトトランジスタなどの受光素子３７とを備えて構成される。固体高分子型燃料電池１１において、セル１６が任意の個数積層された任意のセルブロック２４にて発生するブロック電圧が、メイン抵抗器３２を介して、フォトカプラ３１の発光素子３６に入力可能とされる。上記メイン抵抗器３２は、フォトカプラ３１の発光素子３６に直列に接続されている。

このメイン抵抗器３２の抵抗値は、ブロック電圧が規定電圧以下のときにフォトカプラ３１の発光素子３６の発光動作を停止させて、受光素子３７をＯＦＦ動作させる値に設定される。例えば、セルブロック２４を構成するセル１６が４個の場合、ブロック電圧が１．６Ｖ（平均セル電圧は４００ｍＶ）以下のときに、このセルブロック２４に電圧が異常に低下したセル１６が存在すると仮定すると、メイン抵抗器３２の抵抗値は、フォトカプラ３１の発光素子３６が発光する最小電圧（つまり上記規定電圧）が１．６Ｖとなる値に設定される。

上記トランジスタ４３には、フォトカプラ３１の受光素子３７がＯＦＦ動作して、点Ａの電位が高くなったときに電流が流れる。この時、判定器３５の検出点の電位が下がり、異常電圧低下セルの存在が検出できる。また、第一サブ抵抗器３８を介してＬＥＤ３４に電流が流れてＬＥＤ３４が点灯し、異常電圧低下セルの存在が視認できる。

また、フォトカプラ３１の受光素子３７がＯＮ動作しているときには、点Ａの電位が低くなるので、トランジスタ４３に電流が流れない。この時、ＬＥＤ３４は消灯し、また、検出判定器３５の検出点の電位が上昇する。検出判定器３５は、トランジスタ４３を介してフォトカプラ３１の受光素子３７側に接続され、上述の如く、検出点の電位を検知して、当該セルブロック２４のセル１６に電圧の異常低下が発生したことを検出する。尚、図３中の符号３９は第二サブ抵抗器、符号４０は第三サブ抵抗器であり、符号４１は第一ダイオード、符号４２は第二ダイオードである。

次に、燃料電池電圧検出装置３０の作用を説明する。セルブロック２４を構成するセル１６に、電圧が異常に低下したセル１６が存在しないときには、フォトカプラ３１の発光素子３６に作用する電圧が規定電圧以上となって、この発光素子３６が発光する。従って、フォトカプラ３１の受光素子３７がＯＮ動作して点Ａの電位が低くなり、トランジスタ４３に電流が流れず、ＬＥＤ３４が消灯する。検出判定器３５は、検出点の電位が高いことを検知して、セルブロック２４を構成するセル１６の電圧が正常であると判定する。

セルブロック２４を構成するセル１６に、電圧が異常に低下したセル１６が存在するときには、フォトカプラ３１の発光素子３６に作用する電圧が規定電圧以下となって、この発光素子３６が発光動作を停止する。従って、このフォトカプラ３１の受光素子３７がＯＦＦ動作して点Ａの電位が高くなり、トランジスタ３３に電流が流れてＬＥＤ３４が点灯する。検出判定器３５は、検出点の電位が高いことを検知し、セルブロック２４を構成するセル１６に、電圧が異常に低下したセル１６が存在することを検出する。

従って、実施例２によれば、次の効果を奏する。任意の個数積層されたセル１６からなるセルブロック２４のブロック電圧を、メイン抵抗器３２を介してフォトカプラ３１の発光素子３６に入力し、メイン抵抗器３２の抵抗値が、規定電圧以下のブロック電圧の入力によりフォトカプラ３１の発光素子３６を発光停止させて、このフォトカプラ３１の受光素子３７をＯＦＦ動作させる値に設定され、このフォトカプラ３１の受光素子３７にトランジスタ３３を介して接続された検出判定器３５が、この受光素子３７のＯＦＦ動作により、上記セルブロック２４を構成するセル１６の電圧の異常低下を検出することから、全てのセル１６のセル電圧を個別に検出する検出回路が必要とならないので、電圧が異常に低下したセル１６の存在を低コストにて容易に検出できる。

尚、図３の２点鎖線に示すように、検出判定器３５を点Ａに接続してもよい。この検出判定器３５は、点Ａの電位が低いときには、フォトカプラ３１の受光素子３７がＯＮ動作して、セルブロック２４のセル１６の電圧が正常であると判定する。また、この検出判定器３５は、点Ａの電位が高いときには、フォトカプラ３１の受光素子３７がＯＦＦ動作して、セルブロック２４のセル１６に電圧が異常に低下したものが存在することを検出する。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

参考例の燃料電池の電圧検出装置を示すブロック図である。 図１の燃料電池を構成するセルを示す概略構成図である。 本発明の実施例における燃料電池の電圧検出装置を示す電気回路図である。

符号の説明

１０ 燃料電池電圧検出装置
１１ 固体高分子型燃料電池（燃料電池）
１２ 総出力電圧検出器
１３ ブロック電圧検出器
１４ 検出演算器
１５ 水素ガス供給系
１６ セル
１７ 固体高分子電解質膜
１８ アノード
１９ カソード
２０ アノード基材
２１ カソード基材
２２ アノードガス流路
２３ カソードガス流路
２４ セルブロック
２５ 空気供給系
３０ 燃料電池電圧検出装置
３１ フォトカプラ
３２ メイン抵抗器（抵抗器）
３４ ＬＥＤ（発光ダイオード）、
３５ 検出判定器
３６ 発光素子
３７ 受光素子
３８ 第一サブ抵抗器
３９ 第二サブ抵抗器
４０ 第三サブ抵抗器
４１ 第一ダイオード
４２ 第二ダイオード
４３ トランジスタ

Claims (3)

1. 任意の個数直列に積層されたセルから構成されるブロックを複数個直列に積層して構成される燃料電池と、前記ブロックの両端に接続され所定の電圧がかかると発光する発光素子と、前記発光素子と共にフォトカプラを構成する受光素子と、前記受光素子と接続され前記受光素子の電位から前記ブロックの電圧が閾値以下となったことを判定するブロック電圧判定手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記発光素子と直列に接続され、電流の向きを一方向に整流するダイオードを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記発光素子及び前記ダイオードと直列に接続される抵抗器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電圧判定手段は、前記ブロックの電圧が閾値以下となったことを表示する表示手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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