JP3775587B2

JP3775587B2 - 燃料電池スタック用電池状態モニタ装置

Info

Publication number: JP3775587B2
Application number: JP2002037447A
Authority: JP
Inventors: 哲郎菊地; 透水野; 優角川; 豪俊加藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003243015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば多数の燃料電池セルを積層するなどして多数の燃料電池セルを直列接続してなる燃料電池スタック用電池状態モニタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
高電圧用途においては多数の燃料電池セルを積層するなどして多数の燃料電池セルを直列接続して燃料電池スタックを構成して用いるのが通常である。当然、この燃料電池スタックにおいて各燃料電池セルの種々の電気的、電池化学的、物理的状態は異なるかばらつくために、各燃料電池セルのこれらの状態を個別にモニタするのが一般的である。これは、燃料電池セルは燃料流量、温度、圧力、経時劣化、固有のばらつきなどにより発電性能が種々異なり、その上、警報すべき異常状態も互いに独立に発生するためである。
【０００３】
なお、本明細書でいう燃料電池セルとは単一の燃料電池セルで構成される他に、互いに直接に直列接続された複数の燃料電池セルにより構成されることもできる。
【０００４】
この種の用途に用いられる燃料電池スタック用電池状態モニタ装置としては、燃料電池セルの状態（セル電圧や温度など）を検出して電気信号に変換するローカルコントローラを各燃料電池セルごとに設け、各ローカルコントローラからこれらの電気信号を統合処理するメインコントローラへ並列に電気信号を出力することが考えられる
。しかし、この場合、メインコントローラに多数の受信用又は送信用の端子を設ける必要がある。また、各ローカルコントローラとメインコントローラとの交信において、メインコントローラからローカルコントローラへの送信とローカルコントローラからメインコントローラへの送信との両方にフォトカプラなどを用いた電気絶縁型の基準電位の変更が必須となる。さらに、この多チャンネルの並列信号伝送のために配線構造が繁雑となり、配線ファーネスの製造、取り付け、接続の作業負担が増大し、必要スペースや装置重量の増大も避けることができない。
【０００５】
なお、上記した電気絶縁型の基準電位の変更について更に説明すると、各ローカルコントローラは自己が属する燃料電池セル（上述したように互いに隣接する複数の燃料電池セルを直列接続して構成してもよい）から電源電圧を給電される結果、その信号授受用インタフェース回路の出力信号電圧は自己が属する燃料電池セル電位を基準として形成されるため、各ローカルコントローラからメインコントローラへ送信される状態信号となる各ローカルコントローラの出力信号電圧の基準電位は互いに異なる結果となり、同じくメインコントローラから各ローカルコントローラへの指令信号の送信においてもこの指令信号となるメインコントローラの出力信号電圧の基準電位は各ローカルコントローラの電源電圧の基準電位と異なるためである。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素な構成にもかかわらず燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの状態を個別にモニタすることが可能な燃料電池スタック用電池状態モニタ装置を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置は、互いに直列接続された多数の燃料電池セルからなる燃料電池スタックに装備されて前記各燃料電池セルの状態をそれぞれ検出する燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
前記各燃料電池セルと一体に配設されるとともに前記各燃料電池セルの状態を個別に検出して前記状態に対応する状態信号を出力する多数のローカルコントローラと、前記状態信号を受信するメインコントローラと、前記各ローカルコントローラ間で所定順序で電気絶縁可能に又は基準電位変更可能に信号授受することにより前記各ローカルコントローラ間で前記状態信号を順番に転送し、最終的に前記状態信号を前記メインコントローラに送信する信号伝送部とを備えることを特徴としている。
【０００８】
すなわち、本発明では、各燃料電池セルを個別にモニタするローカルコントローラがたとえば燃料電池セルの積層順に状態信号を順番に電気絶縁可能に又は基準電位変更可能に転送し、最終的にメインコントローラに送信するので、信号伝送部の回路構成や配線が非常に簡素となる。
【０００９】
たとえば上述した各ローカルコントローラがメインコントローラと並列交信する場合と比較すれば、配線はきわめて簡単となり、メインコントローラの入出力端子やその入出力インタフェース回路を大幅に簡素化することができる。
【００１０】
また、この順次転送型伝送経路を通じてメインコントローラから各ローカルコントローラに容易に指令信号などを送信することができるという利点もある。すなわち、上述した各ローカルコントローラとメインコントローラとを双方向に交信させる場合、フォトカプラなどの電気絶縁型信号伝送回路を各ローカルコントローラあたり２セット必要になるのに比較して、この順次転送型伝送経路では、電気絶縁型信号伝送回路は各ローカルコントローラあたり１セットで済む。
【００１１】
本願発明では更に、前記信号伝送部が、前記ローカルコントローラに個別に配設されて前記状態信号を互いに電気絶縁可能に又は基準電位変更可能に送受する送信部と受信部とのペアを前記ローカルコントローラの個数分だけ有し、前記各ローカルコントローラと前記メインコントローラとの間でリング上の信号伝送路を構成し、前記各ローカルコントローラは、前記各燃料電池セルの一端部に個別に固定されて前記各燃料電池セルと個別に一体配設された平板状の電子回路装置であって、互いに一列に積層された前記各燃料電池セルに隣接して互いに一列に積層され、前記送信部と受信部とは、互いに隣接する二つのローカルコントローラに個別に設けられて通信可能に対面していることを特徴としている。
【００１２】
すなわち、本構成では、順次転送型伝送経路を構成する信号伝送部は、各ローカルコントローラごとに送信部と受信部とをもち、状態信号を積層方向へ順次転送するので、各燃料電池セルを積層した場合にこの順次転送型伝送経路を積層方向に順番に重ねることができ、その結果、送信部と受信部とがなんら工夫を施すことなく重ねて配置することができるので構造を簡素化することができる。
【００１３】
たとえば、所定の燃料電池セルに配設されたローカルコントローラは、受信した状態信号に基づいて得た他の燃料電池セルの電圧と自己が検出した所定の前記燃料電池セルの電圧との和を隣接するローカルコントローラに送信してもよい。
【００１４】
請求項２記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、前記信号伝送部は、前記各ローカルコントローラのうち前記状態信号の転送順序が最初である第一番目の前記ローカルコントローラに前記メインコントローラから指令信号を送信し、その後、各ローカルコントローラ間で前記指令信号を順番に転送することにより、前記各ローカルコントローラに前記指令信号を送信する。
【００１５】
これにより、フォトカプラなどの電気絶縁型信号伝送ユニットを増設することなく、メインコントローラから各ローカルコントローラへの送信も実現することができる。
【００１６】
請求項３記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、互いに通信する前記送信部と前記受信部とが互いに電気絶縁されている。本構成によれば送信部と受信部とが互いに電気絶縁されているので、互いに異なる燃料電池セル（又は互いに異なるセルグループ）から電源電圧を給電されるため、状態信号としての信号電圧の基準電位が送信部とこれから受信する受信部とで異なっても問題なく状態信号の順次転送が可能となる。なお、本明細書でいう状態信号の順次転送において、あるローカルコントローラに属する送信部はこのローカルコントローラに属する受信部が受信した状態信号をそのまま次のローカルコントローラの受信部に送信してもよく、あるいは何らかの加工を行った後で送信してもよい。このような送信部と受信部との電気絶縁はたとえばフォトカプラにより実現できる。この場合、フォトカプラの発光部は送信部をなし、フォトカプラの受光部が受信部をなす。その他、静電容量結合や電磁結合や超音波結合などを通じて送信部と受信部とを互いに電気絶縁可能に結合することができる。
【００１７】
請求項４記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、互いに通信する前記送信部と前記受信部とは、互いに異なる電位基準で駆動され、送信部が出力される信号電圧はレベルシフトされて前記受信部に印加される。
【００１８】
これにより、簡素なレベルシフト回路を用いるだけで状態信号や指令信号を順次転送することができる。更に説明すると、互いに通信する送信部と受信部とは互いに隣接する燃料電池セル（又は互いに隣接する燃料電池セルグループ）から電源電圧を印加されるので、互いに通信する送信部との受信部との基準電位の差は僅かであり、送信部の出力電圧の電圧レベルをシフトするレベルシフト回路を設けることにより容易に送信部と受信部との基準電位の差を補償することができる。特に、この態様においては、高位側から低位側へ順次状態信号や指令信号を順次転送することが回路構成の簡素化の点で好適である。
【００１９】
請求項５記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、前記各ローカルコントローラが、前記メインコントローラからの指令に基づいて、前記状態信号としての前記各燃料電池セルの電圧を同時タイミングで検出して自己の転送タイミングまで保持する。
【００２０】
これにより、各送信部の送信タイミングは異なるものの同一時点におけるすべての燃料電池セルの状態を検出、送信することができる。本態様によれば各燃料電池セルの電圧を加算してセルグループ電圧又は全体電圧を検出できるので特に燃料電池セルの電圧検出において重要である。
【００２１】
請求項６記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、前記各ローカルコントローラが、自己がそれぞれ属する前記燃料電池セルから動作電力を給電されるので、燃料電池セルが発電中止した段階でこれから電源電圧を給電するローカルコントローラは動作停止させることができる。
【００２２】
請求項７記載の構成は請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、所定の前記燃料電池セルに配設された前記ローカルコントローラは、前記所定の燃料電池セルおよびこの所定の燃料電池セルに順番に隣接するすくなくとも一つの燃料電池セルとの合計電圧を電源電圧として印加される。
【００２３】
このようにすれば、回路駆動に十分な電源電圧を確保することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置の好適態様を以下の実施形態により詳細に説明する。
【００２５】
【実施形態１】
図１において、１は、平板状の燃料電池セル２が多数積層された燃料電池スタックであり、各燃料電池セル２の内部には、固体電解質膜を挟んで高電位の正極板と低電位の負極板とが設けられ、その両側に集電体を兼ねるセパレータが設けられ、セパレータとこれら電極板との間には水素ガスが流れる水素ガス通路と空気が流れる空気通路とが個別に設けられている。燃料電池セルの構造自体はこの実施例の要旨ではなく、かつ、燃料電池セル自体の構造自体はもはや公知事項であるので、詳細説明を省略する。
【００２６】
３はローカルコントローラユニット、４はメインコントローラ、５は最初の発光ダイオード、６は最後の受光ダイオード（光電変換ダイオード）である。
【００２７】
ローカルコントローラユニット３は、各燃料電池セル２の一端部に固定された平板状の電子回路装置であり、基板３１に実装されたローカルコントローラ３２、受光ダイオード３３、発光ダイオード３４をもち、ローカルコントローラ３２は樹脂モールド部３５により被覆されている。ただし、樹脂モールド部３５には受光ダイオード３３および発光ダイオード３４の部分で導光用の孔部を有している。隣接する二つのローカルコントローラユニット３に個別に設けられて互いに対面する受光ダイオード３３と発光ダイオード３４とは、これら導光用の孔部に一方向光通信可能となっている。最初のローカルコントローラユニット３の受光ダイオード３３は最初の発光ダイオード５を通じてメインコントローラ４から信号を受信し、最後のローカルコントローラユニット３の発光ダイオード３４は最後の受光ダイオード６を通じてメインコントローラ４に信号を送信する。
【００２８】
この回路の信号回路を図２に示す。
【００２９】
ローカルコントローラ３２は、A/Dコンバータ３２１、マイクロコンピュータ装置３２２、電圧増幅回路３２３および電力増幅回路３２４を有し、１チップで構成されている。なお、マイクロコンピュータ装置３２２の代わりに必要回路機能をハードウエアロジックで構成してもよい。A/Dコンバータ３２１、マイクロコンピュータ３２２、電圧増幅回路３２３および電力増幅回路３２４は、自己が属するローカルコントローラユニット３が固定された燃料電池セル２から電源電力を給電されている。電源電圧が不足する場合は、ローカルコントローラ３２に昇圧回路を追加してもよい。
【００３０】
A/Dコンバータ３２１は、自己が属するローカルコントローラユニット３が固定された燃料電池セル２の発電電圧をA/D変換し、マイクロコンピュータ３２２に出力する。受光ダイオード３３にパルス光が入力されると、電圧増幅回路３２３がそれを電圧増幅してマイクロコンピュータ３２２に送り、マイクロコンピュータ３２２は自己が検出したセル電圧に相当するデジタル信号と、受光ダイオード３３から受信したデジタル信号とを電力増幅回路３２４、発光ダイオード３４を通じて時間順次に出力する。
【００３１】
（動作説明）
メインコントローラ４は電圧検出指令信号を発光ダイオード５から送信し、各ローカルコントローラ３２は受信した電圧指令信号を受信時点から所定時間Δｔ後に次段に転送する。その結果、この電圧検出指令信号がローカルコントローラユニット３を一段転送されるのに要する時間はあらかじめ設定された所定時間ΔTとなる。その後、各ローカルコントローラ３２は電圧検出指令信号受信時点からの経過時間をカウントし、この経過時間が所定時間に達した時点で自己が属する燃料電池セルの電圧を取得する。すなわち、すべてのローカルコントローラ３２の上記所定時間は、上記電圧検出指令信号の転送終了まで実施され、かつ、すべてのローカルコントローラ３２による燃料電池セル２の電圧サンプリングが同時化するように個別に設定されている。
【００３２】
各ローカルコントローラ３２の経過時間が満了した時点で各燃料電池セルの電圧サンプリングが実施され、検出電圧はデジタル信号としてレジスタに保持される。その後、メインコントローラ４は、電圧読み出し指令信号を送信する。各ローカルコントローラ３２は、電圧読み出し指令信号を受け取ると、複数ビットのデジタル信号からなる電圧検出指令信号に後続して所定時間後に自己が保持する上記電圧を示すデジタル信号を出力する。各ローカルコントローラ３２が自己が保持する上記電圧を示すデジタル信号を出力するタイミングは電圧検出指令信号を受信してから互いに異なる期間に設定されている。これにより、メインコントローラ４は最終的にすべての燃料電池セル２の電圧を読み込む。
【００３３】
この実施例装置によれば、各燃料電池セルごとの電位差の存在にもかかわらず、パラレル転送に比較して簡素な回路構成ですべての燃料電池セルの電圧を検出することができる。
【００３４】
また、各ローカルコントローラ３２は、燃料電池が発電している期間のみ通信可能となるので、メインコントローラ４は、受信した電圧読み出し指令信号に後続するデジタルデータの長さにより発電不調の燃料電池セル２を特定することができる。更に、燃料電池セル２が発電していない場合には、ローカルコントローラ３２への電力供給が停止するので、非発電時に燃料電池セル２が無駄な蓄電電力を消費することがない。
（変形態様）
上記実施例では、各ローカルコントローラ３２は電圧検出指令信号を受信したタイミングから互いに異なる所定時間後に電圧サンプリングを行うことにより電圧サンプリングの同時化を実行したが、電圧検出指令信号を受信して直ちに電圧検出を行ってもよい。この場合、電圧検出は時間順次となるが、転送を高速に実施することによりその悪影響を低減することができる。
（変形態様）
上記実施例では、フォトカプラを用いた電気絶縁型の信号転送を行ったが、その代わりに、磁気結合、静電結合などを用いてもよいことは明らかである。
（変形態様）
上記実施例では、各燃料電池セルの電圧を検出したが、その他、各燃料電池セル２の温度、圧力、ガス流量、ガス成分、水分量、冷却水温度などの他の状態信号を検出、転送してもよいことは明らかである。
（変形態様）
他の実施態様を図３を参照して説明する。
【００３５】
この実施例では、各ローカルコントローラ３２を構成するA/Dコンバータ３２１、マイクロコンピュータ装置３２２、電圧増幅回路３２３および電力増幅回路３２４の電源電圧として、自己が属する燃料電池セル２とその両側の各一個の燃料電池セル２からなる合計３個の燃料電池セル２の電圧が用いられる。このようにすれば、電源電圧の増大が可能となる。もちろん、更に多くの燃料電池セル２を用いてローカルコントローラ３２の電源電圧とすることもできる。
【００３６】
【実施例２】
（構成）
他の実施例を図４を参照して以下に説明する。図４は、２つのローカルコントローラだけを示す。この実施例は、電気絶縁型の信号転送回路としてのフォトカプラ転送回路方式の代わりに、基準電位レベルダウン型の信号転送回路を採用している。
【００３７】
１０００は、ローカルコントローラであり、燃料電池セル２の電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを含むマイクロコンピュータ装置１００１、前段のローカルコントローラ１０００から受信した信号電圧を電圧増幅する電圧増幅するインバータ回路１００２、演算したデジタル信号電圧や受信したデジタル信号電圧を次段のローカルコントローラ１０００に出力する電力増幅回路としてのインバータ回路１００３、インバータ回路１００３の出力電圧をレベルダウンするレベルダウン回路１００４からなる。
【００３８】
インバータ回路１００２、１００３は、負荷抵抗として機能するＭＯＳトランジスタＴ１とスイッチング素子（ドライバ素子）として機能するＭＯＳトランジスタＴとを直列接続し、接続点をその出力端とする通常のＭＯＳインバータ回路からなる。
【００３９】
レベルダウン回路１００４は、所定個数の接合ダイオードＤと抵抗器Ｒとを直列接続してなり、最高位の接合ダイオードＤのアノードは前段のインバータ回路１００３の出力接点に接続され、抵抗器Ｒの低位端はこのローカルコントローラ１０００の低位電源線に接続されている。最低位の接合ダイオードＤと抵抗器Ｒとの接続点は、インバータ回路１００２のスイッチング素子をなすＭＯＳトランジスタＴのゲート電極に接続されている。
【００４０】
（動作）
前段のインバータ回路１００３の出力電位がハイレベルとなるとレベルダウン回路１００４には前段のインバータ回路１００３（ローカルコントローラ１０００）の高位電源電位に近い高電位が印加されるが、この電位は所定個数の接合ダイオードＤによりレベルダウンされ、次段のインバータ回路１００２（ローカルコントローラ１０００）の高位電源電位に近い高電位となる。これにより、この次段のインバータ回路１００２はローレベルを出力する。
【００４１】
また、前段のインバータ回路１００３の出力電位がローレベルとなるとレベルダウン回路１００４には前段のインバータ回路１００３（ローカルコントローラ１０００）の低位電源電位に近い電位が印加されるが、この電位は所定個数の接合ダイオードＤによりレベルダウンされ、次段のインバータ回路１００２（ローカルコントローラ１０００）の低位電源電位に近い高電位となる。これにより、この次段のインバータ回路１００２のスイッチング素子をなすＭＯＳトランジスタはオフし、インバータ回路１００２はハイレベルを出力する。
【００４２】
このようにすれば、フォトカプラ結合などの複雑、高価な電気絶縁型の信号伝送回路を省略することができるので、回路構成の簡素化、コストダウンを実現することができる。
（変形態様）
もちろん、この実施例でも、図３に示すようにローカルコントローラ１０００の電源電圧を複数の燃料電池セル２から取得できることは当然である。また、図４の燃料電池セル２を複数の直列接続燃料電池セルで構成してもよいことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置の一実施例を示す模式ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置のブロック回路図である。
【図３】図２における電源電圧を増大する一変形態様を示す回路図である。
【図４】実施例２の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置を示す部分回路図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２燃料電池セル
３ローカルコントローラユニット
４メインコントローラ
５発光ダイオード
６受光ダイオード
３２リモートコントローラ装置
３３受光ダイオード
３４発光ダイオード

Claims

互いに直列接続された多数の燃料電池セルからなる燃料電池スタックに装備されて前記各燃料電池セルの状態をそれぞれ検出する燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
前記各燃料電池セルの状態を個別に検出して前記状態に対応する状態信号を出力する多数のローカルコントローラと、
前記状態信号を受信するメインコントローラと、
前記各ローカルコントローラ間で所定順序で電気絶縁可能に又は基準電位変更可能に信号授受することにより前記各ローカルコントローラ間で前記状態信号を順番に転送し、最終的に前記状態信号を前記メインコントローラに送信する信号伝送部と、
を備え、
前記信号伝送部は、
前記ローカルコントローラに個別に配設されて前記状態信号を互いに電気絶縁可能に又は基準電位変更可能に送受する送信部と受信部とのペアを前記ローカルコントローラの個数分だけ有して前記各ローカルコントローラと前記メインコントローラとの間でリング上の信号伝送路を構成し、
前記各ローカルコントローラは、
前記各燃料電池セルの一端部に個別に固定されて前記各燃料電池セルと個別に一体配設された平板状の電子回路装置であって、互いに一列に積層された前記各燃料電池セルに隣接して互いに一列に積層され、
前記送信部と受信部とは、互いに隣接する二つのローカルコントローラに個別に設けられて通信可能に対面していることを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
前記信号伝送部は、前記各ローカルコントローラのうち前記状態信号の転送順序が最初である第一番目の前記ローカルコントローラに前記メインコントローラから指令信号を送信し、その後、各ローカルコントローラ間で前記指令信号を順番に転送することにより、前記各ローカルコントローラに前記指令信号を送信することを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
互いに通信する前記送信部と前記受信部とは、互いに電気絶縁されていることを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
互いに通信する前記送信部と前記受信部とは、互いに異なる電位基準で駆動され、送信部が出力される信号電圧はレベルシフトされて前記受信部に印加されることを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
前記各ローカルコントローラは、
前記メインコントローラからの指令に基づいて、前記状態信号としての前記各燃料電池セルの電圧を同時タイミングで検出して自己の転送タイミングまで保持することを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
前記各ローカルコントローラは、
自己がそれぞれ属する前記燃料電池セルから動作電力を給電されることを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。
請求項１記載の燃料電池スタック用電池状態モニタ装置において、
所定の前記燃料電池セルに配設された前記ローカルコントローラは、前記所定の燃料電池セルおよびこの所定の燃料電池セルに順番に隣接するすくなくとも一つの燃料電池セルとの合計電圧を電源電圧として印加されることを特徴とする燃料電池スタック用電池状態モニタ装置。