JP3993397B2 - セル電圧判定ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成図、図４（ｂ）は燃料電池スタックの構成図、図５は従来の燃料電池発電システムの構成図、図６は燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性図である。
【０００３】
図４（ａ）に示すように燃料電池セル１０はイオン交換樹脂膜などの電解質膜１１を電極である燃料極１２と酸素極１３とで挟んだ構造となっており、この燃料電池セル１０の両側にはセパレータ１４が配置される。セパレータ１４には燃料電池セル１０の燃料極１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１５と、燃料電池セル１０の酸素極１３に酸化ガスを供給するための酸化ガス通路１６と、燃料電池セル１０を冷却するための冷却水を流す冷却水通路１７とが互いに分離して形成されている。そして、このセパレータ１４を介して多数の燃料電池セル１０を積層することにより、図４（ｂ）に示すような燃料電池スタック（セルスタック）３を形成する。なお、燃料電池セル１０の積層数は数百セル（例えば３００セル程度）にもなる。
【０００４】
燃料電池スタック３のセル積層方向の両端部には集電プレート２１，２２が設けられ、これらの集電プレート２１，２２の外面側に絶縁プレート２３，２４を介してエンドプレート２５，２６がそれぞれ設けられている。積層された燃料電池セル１０は導電体であるセパレータ１４によって電気的に直列接続されており、両端部の集電プレート２１，２２において全セル１０の直列電圧が得られるようになっている。また、一方のエンドプレート２５には燃料ガス導入孔２７，酸化ガス導入孔２８及び冷却水導入孔２９が形成され、他方のエンドプレート２６には燃料ガス排出孔３０、酸化ガス排出孔３１及び冷却水排出孔３２が形成されている。
【０００５】
このような燃料電池スタック３に対して、図５に示すように燃料ガス供給装置１から燃料ガス（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置２から酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、電気化学反応を生じて発電する。燃料電池スタック３で発電した電力は、逆流防止用のダイオード９及び燃料電池出力スイッチ８を介して負荷装置４へ供給される。
【０００６】
そして、一般的に燃料電池スタックは内部損失、燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量等により図６に示すようなＶ−Ｉ特性を示す。図６に示すように最大出力電流は供給ガス量に大きく依存している。このＶ−Ｉ特性において出力電圧が大きく低下している領域（右肩下がりの領域）では、過負荷となり、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの劣化や破損につながるおそれがある。
【０００７】
そのため、従来の燃料電池発電システムでは、図５に示すように燃料電池スタック３の出力電流を電流検出器６で検出し、又は、燃料電池スタック３の出力電圧を電圧検出器７で検出して制御装置５へ入力する。制御装置５では、検出電流と電流判定レベルとを比較し、又は、検出電圧と電圧判定レベルとを比較して、検出電流が電流判定レベルを越えたとき、又は、検出電圧が電圧判定レベル以下になったときには、燃料ガス供給装置１や酸化ガス供給装置２の補機（燃料ポンプや空気圧縮器など）を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量を増加し、又は、燃料電池出力スイッチ８を遮断して燃料電池セル１０を保護する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池スタック３には多数の燃料電池セル１０が積層されており、また、各燃料電池セル１０の特性のばらつきや、一部の燃料電池セル１０において生成水がガス通路から十分に排除されない場合などによる各燃料電池セル１０への供給ガス（燃料ガス、酸化ガス）の分配の不均一により、各燃料電池セル１０のＶ−Ｉ特性も、程度は小さいが図６と同様のばらつきを持つ。このため、燃料電池スタック３を構成する多数の燃料電池セル１０のうち、仮に１つの燃料電池セル１０の出力電流が異常に増加又は出力電圧が異常に低下しても、図５のように燃料電池スタック３全体の出力電流や出力電圧を監視していたのでは、当該燃料電池セル１０の異常を検知することができない。その結果、当該燃料電池セル１０の劣化や破損を生じ、更には、このことが他の燃料電池セル１０の劣化や破損を招くおそれもある。
【０００９】
このことを防止するためには、図７及び図８に示すように燃料電池スタック３のセパレータ１４とを制御装置５とを電気ケーブル３３によって接続することにより、燃料電池スタック３の各燃料電池セル１０の出力電圧（セル電圧）を監視すればよいが、このためには多数の電気ケーブル３３を燃料電池スタック３から制御装置５までの長距離にわたって配線する必要がある。また、電気ケーブル３３を介して各セル電圧信号を制御装置５へ取り込むためには、制御装置５の入力ポートが必要となるが、この場合、１つの燃料電池セル１０の出力電圧は１Ｖ程度と低いが、燃料電池スタック３全体では数百ボルトもの出力電圧となるため、入力ポートには絶縁増幅器も必要なり、その結果、回路が複雑で高価になってしまう。このため、上記の方法は現実的ではない。
【００１０】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、また、燃料電池スタックから制御装置まで長距離にわたって多数の電気ケーブル配線を行うことなく燃料電池スタックの各セル電圧を判定することができるセル電圧判定ユニットを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明のセル電圧判定ユニットは、多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットであって、
複数のサブモジュールを有し、燃料電池スタックの各セル電圧を各サブモジュール毎に分けて判定すること、
各サブモジュールには絶縁電源と、セル電圧判定信号を制御装置へ出力する絶縁出力手段とを設けることにより、サブモジュール毎に絶縁すること、
各サブモジュールは、各燃料電池セル毎に設けたセル電圧判定手段を有し、これらのセル電圧判定手段と燃料電池スタックの各セパレータとを電気ケーブルで接続するとともに前記セパレータの何れかをサブモジュール内でアースして当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位とし、各セル電圧判定手段では各セル電圧を測定し、このセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して前記絶縁出力手段に出力するように構成したこと、
を特徴とする。
【００１２】
また、第２発明のセル電圧判定ユニットは、第１発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記絶縁出力手段はフォトカプラであることを特徴とする。
【００１３】
また、第３発明のセル電圧判定ユニットは、第１又は第２発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記セル電圧判定手段は、各セル電圧を測定する差動増幅器と、この差動増幅器で測定したセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して出力する比較器とを有してなることを特徴とする。
【００１４】
また、第４発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍に配置したことを特徴とする。
【００１５】
また、第５発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２，第３又は第４発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
各サブモジュールに設けた絶縁出力手段の出力側はワイヤードオア接続としたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るセル電圧判定ユニットを備えた燃料電池発電システムの構成図、図２は前記セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに取り付けた状態を示す斜視図、図３は前記セル電圧判定ユニットの構成図である。なお、これらの図に示す燃料電池スタック３の構成については従来の燃料電池スタック３（図４参照）と同様であるため、ここでの説明は省略する。また、図中、従来（図５，図７）と同様の部分には同一の符号を付した。
【００１８】
＜構成＞
図１に示すように、燃料電池発電システムでは、燃料電池スタック３に対して、燃料ガス供給装置１から燃料ガス（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置２から酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、電気化学反応を生じて発電する。燃料電池スタック３で発電した電力は、逆流防止用のダイオード９及び燃料電池出力スイッチ８を介して負荷装置４へ供給される。
【００１９】
そして、本実施の形態では、詳細は後述するが、セル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍に配置する。セル電圧判定ユニット５２では燃料電池スタック３の各セル電圧を測定し、このセル電圧が電圧判定レベル以下になったときにセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）を、電気ケーブル５４を介して、制御装置５５へ出力するようになっている。即ち、セル電圧判定ユニット５２によって各燃料電池セル１０の過負荷を監視することにより、燃料電池セル１０（図２参照）の劣化や破損を防止している。
【００２０】
制御装置５５では、電気ケーブル５３を介してセル電圧判定ユニット５２へ電力を供給し、また、セル電圧判定ユニット５２からセル電圧判定信号を入力したときには燃料ガス供給装置１や酸化ガス供給装置２の補機（燃料ポンプや空気圧縮器など）を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量を増加し、又は、燃料電池出力スイッチ８を遮断して燃料電池セル１０（図２参照）を保護する。
【００２１】
ここで図２及び図３に基づき、セル電圧判定ユニット５２の構成について詳述する。
【００２２】
図２にはセル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接配置した場合の例を示す。図２に示すように、セル電圧判定ユニット５２は燃料電池スタック３の側面（図中上面）に取り付けられており、このセル電圧判定ユニット５２と燃料電池スタック３の各セパレータ１４とが非常に短い電気ケーブル５１によって接続されている。具体的には、各セパレータ１４はセル電圧判定ユニット５２内の各差動増幅器に接続されている（詳細後述）。
【００２３】
図３に示すように、セル電圧判定ユニット５２は複数のサブモジュール６１を有しており、燃料電池スタック３の各燃料電池セル１０の出力電圧（セル電圧）は各サブモジュール６１に分けて判定される。なお、これらのサブモジュール６１の構成は同様であるため、図３では１つのサブモジュール６１の構成のみを図示し、他のサブモジュール６１の構成については図示を省略している。
【００２４】
各サブモジュール６１には絶縁電源６２と、絶縁出力手段であるフォトカプラ６３とが設けられており、このことによってサブモジュール６１毎に電気的に絶縁（以下、単に絶縁という）されている。従って、各サブモジュール６１は、各サブモジュール６１に接続されたセパレータ１４の電位となっている。
【００２５】
各サブモジュール６１に設けたフォトカプラ６３の出力側は２本の電気ケーブル５４に接続されることにより、ワイヤードオア接続となっている。従って、何れかのサブモジュール６１においてセル電圧判定信号が出力されれば、このセル電圧判定信号が電気ケーブル５４を介して制御装置５５へ送られる。
【００２６】
絶縁電源６２は、セル電圧判定手段としての差動増幅器６４及び比較器６５やフォトカプラ６３など、サブモジュール６１内の各回路へ給電する。絶縁電源６２としては、サブモジュール６１を制御装置５５（共通の電源）から絶縁できるものであればよく、例えば＋１２Ｖの給電電圧を一般的な差動増幅器や比較器に必要な±１５Ｖの電圧に変換することができるＤＣ／ＤＣコンバータ等を適用することができる。なお、制御装置５５とは別に電源装置を設けてもよく、この場合には、当該電源装置とサブモジュール６１とを絶縁電源６２によって絶縁する。
【００２７】
図示例では、絶縁電源６２としてＤＣ／ＤＣコンバータを用い、このＤＣ／ＤＣコンバータへ制御装置５５などの共通電源から電気ケーブル５３を介して給電された＋１２Ｖの電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータによって差動増幅器６４や比較器６５に必要な±１５Ｖの電圧に変換するものとする。
【００２８】
差動増幅器６４、比較器６５、及び、比較器６５の出力トランジスタ６７は各燃料電池セル１０毎に設けられている。即ち、図示例では１つのサブモジュール６１で３０枚の燃料電池セル１０の出力電圧を判定する場合を例示しており、一部図示を省略しているが、１つのサブモジュール６１には、それぞれ３０個の差動増幅器６４と比較器６５と出力トランジスタ６７とを備えている。
【００２９】
差動増幅器６４としてはオペアンプ（演算増幅器）などの安価なものを用いることができる。各差動増幅器６４は燃料電池スタック３の各セパレータ１４に接続されている。つまり、１つの差動増幅器６４には１つの燃料電池セル１０の両側のセパレータ１４が接続され、１つの差動増幅器６４で１つの燃料電池セル１０の出力電圧を測定するようになっている。燃料電池セル１０はセパレータ１４を介して積層されているため、隣接するセパレータ１４の電位差からセル電圧を検出することができる。
【００３０】
また、図示例では１つのサブモジュール６１に接続される３１枚のセパレータ１４のうちのセル積層方向中央部のセパレータ１４を、当該サブモジュール６４内でアースすることにより（アース部７０）、当該セパレータ１４の電位を当該サブモジュール６１内における基準電位（０Ｖ）としている。
【００３１】
従って、１つの燃料電池セル１０の出力電圧は１Ｖ弱（例えば０．６Ｖ）であり、＋側に１５枚の燃料電池セル１０があり、−側にも１５枚の燃料電池セル１０があるため、差動増幅器６４への最大入力電圧は±１５Ｖ弱（例えば±９Ｖ）となり、差動増幅器６４への入力電圧が差動増幅器６４の最大入力電圧±１５Ｖを越えることはない。
【００３２】
換言すれば、差動増幅器６４の最大入力電圧が±１５（通常、差動増幅器への供給電源電圧に依存している）とすれば、セル電圧が１Ｖ程度とすると、＋側に１５セル、−側に１５セルで合計３０セル分のセル電圧を、１つのサブモジュール６１で監視（セル電圧判定）することができる。勿論、差動増幅器の最大入力電圧が異なれば、これに応じて１つのサブモジュールで監視できるセル枚数も異なってくる。例えば差動増幅器の最大入力電圧が±１２Ｖの場合、１つのサブモジュールでは２４枚分のセル電圧を監視することができる。
【００３３】
各差動増幅器６４で測定したセル電圧は、それぞれ比較器６５へ出力される。比較器６５としては、半導体素子で構成された安価なものを用いることができ、差動増幅器（オペアンプ）を利用してもよい。各比較器６５では差動増幅器６４で測定したセル電圧と、判定レベル設定器６６で設定した電圧判定レベルとを比較して、セル電圧が電圧判定レベル以下になったときにはセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）を、出力トランジスタ６７のベース電流として出力する。電圧判定レベルは、例えば燃料電池セル１０の定格電圧が０．６Ｖであれば、その１／２の０．３Ｖ、又は、１／３の０．２Ｖとする。なお、ノイズの影響を小さくするために差動増幅器６４においてセル電圧を何倍かに増幅することも考えられるが、その場合にはセル電圧の倍率に応じて判定レベルも高くする。
【００３４】
比較器６５からセル電圧判定信号が出力されると、出力トランジスタ６７がＯＮとなり、フォトカプラ６３に電流が流れてフォトカプラ６３がＯＮとなるため、フォトカプラ６３からセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）が出力される。フォトカプラ６３から出力されたセル電圧判定信号は電気ケーブル５４を介して制御装置５５へ送られる。即ち、制御装置５５にセル電圧の異常を伝える。
【００３５】
各出力トランジスタ６７の出力側は１本の電気配線７１によって１つのフォトカプラ６３にワイヤードオア接続されている。従って、何れか１つのセル電圧が異常になればフォトカプラ６３がＯＮとなって、セル電圧判定信号が出力される。なお、比較器６５とフォトカプラ６３との間に設けるオア回路としては、必ずしも出力トランジスタ６５と電気配線７１とからなるワイヤードオア接続に限定するものではなく、これらに代えて例えば論理回路用ＩＣなどを用いてもよい。
【００３６】
＜作用・効果＞
以上のことから、本実施の形態のセル電圧判定ユニット５２によれば、燃料電池スタック３のセル電圧を複数のサブモジュール６１に分けて判定することとし、各サブモジュール６１には絶縁電源６２とフォトカプラ６３とを設けて、サブモジュール６１毎に絶縁しているため、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うことができ、構成が簡素で安価となる。特に、セル電圧判定手段として安価な差動増幅器６４と比較器６５を用い、また、絶縁出力手段として安価なフォトカプラ６３を用いることにより、非常に安価な構成となる。
【００３７】
また、セル電圧判定ユニット５２は、サブモジュール６１の数を増やすだけで、容易に、如何なるセル数の燃料電池スタックにも対応することができる。逆に、セル数の少ない場合には、１つのサブモジュールで対応できる場合もあることは言うまでもない。
【００３８】
また、セル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍に配置したことにより、これらを接続する電気ケーブル５１を非常に短くすることができる。つまり、セル電圧監視装置をユニット化してセル電圧判定ユニット５２とし、燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍にセル電圧判定ユニット５２を配置することができるようにしたことにより、配線の簡素化を図ることができた。
【００３９】
また、フォトカプラ６３の出力側はワイヤードオア接続としたため、セル電圧判定ユニット５２と制御装置５５との間を結ぶ信号ケーブルは２本の電気ケーブル５４だけでよい。なお、制御装置５５から各サブモジュール６１に電力を供給する場合にも、電力供給のための電気ケーブル５３が更に１組増えるだけである。従って、配線が非常に簡素である。（例えば、１２Ｖの給電を行うとすれば、電気ケーブル５３は＋１２ＶとＧＤＮ（０Ｖ）の２本、信号ケーブルの２本と合わせて計４本となる。また、信号ケーブルのエミッタ側の電気ケーブルを電源のＧＤＮと兼用すれば計３本となる。）
【００４０】
なお、上記では、サブモジュール６１に接続される中央部のセパレータ１４をサブモジュール６１内でアースして当該セパレータ１４の電位を当該サブモジュール６１内における基準電位としているが、これに限定するものではなく、実際に利用する差動増幅器の最大入力電圧に応じて、適宜、サブモジュールの各差動増幅器に接続されるセパレータのうちの何れかをアースすればよい。例えば差動増幅器の最大入力電圧が０〜３０Ｖの場合には、サブモジュールの各差動増幅器に接続されるセパレータのうちの一番端のセパレータをサブモジュール内でアースして、当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位にする。
【００４１】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明のセル電圧判定ユニットは、多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットであって、
複数のサブモジュールを有し、燃料電池スタックの各セル電圧を各サブモジュール毎に分けて判定すること、
各サブモジュールには絶縁電源と、セル電圧判定信号を制御装置へ出力する絶縁出力手段とを設けることにより、サブモジュール毎に絶縁すること、
各サブモジュールは、各燃料電池セル毎に設けたセル電圧判定手段を有し、これらのセル電圧判定手段と燃料電池スタックの各セパレータとを電気ケーブルで接続するとともに前記セパレータの何れかをサブモジュール内でアースして当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位とし、各セル電圧判定手段では各セル電圧を測定し、このセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して前記絶縁出力手段に出力するように構成したこと、
を特徴とする。
【００４２】
また、第２発明のセル電圧判定ユニットは、第１発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記絶縁出力手段はフォトカプラであることを特徴とする。
【００４３】
また、第３発明のセル電圧判定ユニットは、第１又は第２発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記セル電圧判定手段は、各セル電圧を測定する差動増幅器と、この差動増幅器で測定したセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して出力する比較器とを有してなることを特徴とする。
【００４４】
従って、この第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットによれば、燃料電池スタックのセル電圧を複数のサブモジュールに分けて判定することとし、各サブモジュールには絶縁電源と絶縁出力手段（フォトカプラ）とを設けて、サブモジュール毎に絶縁しているため、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うことができ、構成が簡素で安価となる。特に、セル電圧判定手段として安価な差動増幅器と比較器を用い、また、絶縁出力手段として安価なフォトカプラを用いることにより、非常に安価な構成となる。また、サブモジュールの数を増やすだけで、容易に、如何なるセル数の燃料電池スタックにも対応することができる。
【００４５】
また、第４発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍に配置したことを特徴とする。
【００４６】
従って、この第４発明のセル電圧判定ユニットによれば、燃料電池スタックとセル電圧判定ユニットを接続する電気ケーブルを非常に短くすることができる。つまり、セル電圧監視装置をユニット化してセル電圧判定ユニットとし、燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍にセル電圧判定ユニットを配置することができるようにしたことにより、配線の簡素化を図ることができた。
【００４７】
また、第５発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２，第３又は第４発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
各サブモジュールに設けた絶縁出力手段の出力側はワイヤードオア接続としたことを特徴とする。
【００４８】
従って、この第５発明のセル電圧判定ユニットによれば、セル電圧判定ユニットと制御装置との間を結ぶ信号ケーブルは２本又は１本（電源ＧＤＮを兼用した場合）の電気ケーブルだけでよく、配線が非常に簡素である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセル電圧判定ユニットを備えた燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】前記セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図３】前記セル電圧判定ユニットの構成図である。
【図４】（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成図、（ｂ）は燃料電池スタックの構成図である。
【図５】従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【図６】燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性図である。
【図７】セル電圧を監視する場合のシステム構成例を示す図である。
【図８】セル電圧を監視する場合の燃料電池スタックと制御装置のケーブル接続例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス供給装置
２ 酸化ガス供給装置
３ 燃料電池スタック
４ 負荷装置
５ 制御装置
６ 電流検出器
７ 電圧検出器
８ 燃料電池出力スイッチ
９ ダイオード
１０ 燃料電池セル
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 酸素極
１４ セパレータ
１５ 燃料ガス通路
１６ 酸化ガス通路
１７ 冷却水通路
２１ 集電プレート
２２ 集電プレート
２３ 絶縁プレート
２４ 絶縁プレート
２５ エンドプレート
２６ エンドプレート
２７ 燃料ガス導入孔
２８ 酸化ガス導入孔
２９ 冷却水導入孔
３０ 燃料ガス排出孔
３１ 酸化ガス排出孔
３２ 冷却水排出孔
３３ 電気ケーブル
５１ 電気ケーブル
５２ セル電圧判定ユニット
５３ 電気ケーブル
５４ 電気ケーブル
５５ 制御装置
６１ サブモジュール
６２ 絶縁電源
６３ フォトカプラ
６４ 差動増幅器
６５ 比較器
６６ 判定レベル設定器
６７ 出力トランジスタ
７０ アース部
７１ 電気配線
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成図、図４（ｂ）は燃料電池スタックの構成図、図５は従来の燃料電池発電システムの構成図、図６は燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性図である。
【０００３】
図４（ａ）に示すように燃料電池セル１０はイオン交換樹脂膜などの電解質膜１１を電極である燃料極１２と酸素極１３とで挟んだ構造となっており、この燃料電池セル１０の両側にはセパレータ１４が配置される。セパレータ１４には燃料電池セル１０の燃料極１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１５と、燃料電池セル１０の酸素極１３に酸化ガスを供給するための酸化ガス通路１６と、燃料電池セル１０を冷却するための冷却水を流す冷却水通路１７とが互いに分離して形成されている。そして、このセパレータ１４を介して多数の燃料電池セル１０を積層することにより、図４（ｂ）に示すような燃料電池スタック（セルスタック）３を形成する。なお、燃料電池セル１０の積層数は数百セル（例えば３００セル程度）にもなる。
【０００４】
燃料電池スタック３のセル積層方向の両端部には集電プレート２１，２２が設けられ、これらの集電プレート２１，２２の外面側に絶縁プレート２３，２４を介してエンドプレート２５，２６がそれぞれ設けられている。積層された燃料電池セル１０は導電体であるセパレータ１４によって電気的に直列接続されており、両端部の集電プレート２１，２２において全セル１０の直列電圧が得られるようになっている。また、一方のエンドプレート２５には燃料ガス導入孔２７，酸化ガス導入孔２８及び冷却水導入孔２９が形成され、他方のエンドプレート２６には燃料ガス排出孔３０、酸化ガス排出孔３１及び冷却水排出孔３２が形成されている。
【０００５】
このような燃料電池スタック３に対して、図５に示すように燃料ガス供給装置１から燃料ガス（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置２から酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、電気化学反応を生じて発電する。燃料電池スタック３で発電した電力は、逆流防止用のダイオード９及び燃料電池出力スイッチ８を介して負荷装置４へ供給される。
【０００６】
そして、一般的に燃料電池スタックは内部損失、燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量等により図６に示すようなＶ−Ｉ特性を示す。図６に示すように最大出力電流は供給ガス量に大きく依存している。このＶ−Ｉ特性において出力電圧が大きく低下している領域（右肩下がりの領域）では、過負荷となり、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの劣化や破損につながるおそれがある。
【０００７】
そのため、従来の燃料電池発電システムでは、図５に示すように燃料電池スタック３の出力電流を電流検出器６で検出し、又は、燃料電池スタック３の出力電圧を電圧検出器７で検出して制御装置５へ入力する。制御装置５では、検出電流と電流判定レベルとを比較し、又は、検出電圧と電圧判定レベルとを比較して、検出電流が電流判定レベルを越えたとき、又は、検出電圧が電圧判定レベル以下になったときには、燃料ガス供給装置１や酸化ガス供給装置２の補機（燃料ポンプや空気圧縮器など）を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量を増加し、又は、燃料電池出力スイッチ８を遮断して燃料電池セル１０を保護する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池スタック３には多数の燃料電池セル１０が積層されており、また、各燃料電池セル１０の特性のばらつきや、一部の燃料電池セル１０において生成水がガス通路から十分に排除されない場合などによる各燃料電池セル１０への供給ガス（燃料ガス、酸化ガス）の分配の不均一により、各燃料電池セル１０のＶ−Ｉ特性も、程度は小さいが図６と同様のばらつきを持つ。このため、燃料電池スタック３を構成する多数の燃料電池セル１０のうち、仮に１つの燃料電池セル１０の出力電流が異常に増加又は出力電圧が異常に低下しても、図５のように燃料電池スタック３全体の出力電流や出力電圧を監視していたのでは、当該燃料電池セル１０の異常を検知することができない。その結果、当該燃料電池セル１０の劣化や破損を生じ、更には、このことが他の燃料電池セル１０の劣化や破損を招くおそれもある。
【０００９】
このことを防止するためには、図７及び図８に示すように燃料電池スタック３のセパレータ１４とを制御装置５とを電気ケーブル３３によって接続することにより、燃料電池スタック３の各燃料電池セル１０の出力電圧（セル電圧）を監視すればよいが、このためには多数の電気ケーブル３３を燃料電池スタック３から制御装置５までの長距離にわたって配線する必要がある。また、電気ケーブル３３を介して各セル電圧信号を制御装置５へ取り込むためには、制御装置５の入力ポートが必要となるが、この場合、１つの燃料電池セル１０の出力電圧は１Ｖ程度と低いが、燃料電池スタック３全体では数百ボルトもの出力電圧となるため、入力ポートには絶縁増幅器も必要なり、その結果、回路が複雑で高価になってしまう。このため、上記の方法は現実的ではない。
【００１０】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、また、燃料電池スタックから制御装置まで長距離にわたって多数の電気ケーブル配線を行うことなく燃料電池スタックの各セル電圧を判定することができるセル電圧判定ユニットを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明のセル電圧判定ユニットは、多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットであって、
複数のサブモジュールを有し、燃料電池スタックの各セル電圧を各サブモジュール毎に分けて判定すること、
各サブモジュールには絶縁電源と、セル電圧判定信号を制御装置へ出力する絶縁出力手段とを設けることにより、サブモジュール毎に絶縁すること、
各サブモジュールは、各燃料電池セル毎に設けたセル電圧判定手段を有し、これらのセル電圧判定手段と燃料電池スタックの各セパレータとを電気ケーブルで接続するとともに前記セパレータの何れかをサブモジュール内でアースして当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位とし、各セル電圧判定手段では各セル電圧を測定し、このセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して前記絶縁出力手段に出力するように構成したこと、
を特徴とする。
【００１２】
また、第２発明のセル電圧判定ユニットは、第１発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記絶縁出力手段はフォトカプラであることを特徴とする。
【００１３】
また、第３発明のセル電圧判定ユニットは、第１又は第２発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記セル電圧判定手段は、各セル電圧を測定する差動増幅器と、この差動増幅器で測定したセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して出力する比較器とを有してなることを特徴とする。
【００１４】
また、第４発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍に配置したことを特徴とする。
【００１５】
また、第５発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２，第３又は第４発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
各サブモジュールに設けた絶縁出力手段の出力側はワイヤードオア接続としたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るセル電圧判定ユニットを備えた燃料電池発電システムの構成図、図２は前記セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに取り付けた状態を示す斜視図、図３は前記セル電圧判定ユニットの構成図である。なお、これらの図に示す燃料電池スタック３の構成については従来の燃料電池スタック３（図４参照）と同様であるため、ここでの説明は省略する。また、図中、従来（図５，図７）と同様の部分には同一の符号を付した。
【００１８】
＜構成＞
図１に示すように、燃料電池発電システムでは、燃料電池スタック３に対して、燃料ガス供給装置１から燃料ガス（水素又はメタノールなどの燃料を改質して得られる水素リッチガス）を供給し、酸化ガス供給装置２から酸化ガス（酸素又は空気等）を供給することにより、電気化学反応を生じて発電する。燃料電池スタック３で発電した電力は、逆流防止用のダイオード９及び燃料電池出力スイッチ８を介して負荷装置４へ供給される。
【００１９】
そして、本実施の形態では、詳細は後述するが、セル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍に配置する。セル電圧判定ユニット５２では燃料電池スタック３の各セル電圧を測定し、このセル電圧が電圧判定レベル以下になったときにセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）を、電気ケーブル５４を介して、制御装置５５へ出力するようになっている。即ち、セル電圧判定ユニット５２によって各燃料電池セル１０の過負荷を監視することにより、燃料電池セル１０（図２参照）の劣化や破損を防止している。
【００２０】
制御装置５５では、電気ケーブル５３を介してセル電圧判定ユニット５２へ電力を供給し、また、セル電圧判定ユニット５２からセル電圧判定信号を入力したときには燃料ガス供給装置１や酸化ガス供給装置２の補機（燃料ポンプや空気圧縮器など）を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給ガス量を増加し、又は、燃料電池出力スイッチ８を遮断して燃料電池セル１０（図２参照）を保護する。
【００２１】
ここで図２及び図３に基づき、セル電圧判定ユニット５２の構成について詳述する。
【００２２】
図２にはセル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接配置した場合の例を示す。図２に示すように、セル電圧判定ユニット５２は燃料電池スタック３の側面（図中上面）に取り付けられており、このセル電圧判定ユニット５２と燃料電池スタック３の各セパレータ１４とが非常に短い電気ケーブル５１によって接続されている。具体的には、各セパレータ１４はセル電圧判定ユニット５２内の各差動増幅器に接続されている（詳細後述）。
【００２３】
図３に示すように、セル電圧判定ユニット５２は複数のサブモジュール６１を有しており、燃料電池スタック３の各燃料電池セル１０の出力電圧（セル電圧）は各サブモジュール６１に分けて判定される。なお、これらのサブモジュール６１の構成は同様であるため、図３では１つのサブモジュール６１の構成のみを図示し、他のサブモジュール６１の構成については図示を省略している。
【００２４】
各サブモジュール６１には絶縁電源６２と、絶縁出力手段であるフォトカプラ６３とが設けられており、このことによってサブモジュール６１毎に電気的に絶縁（以下、単に絶縁という）されている。従って、各サブモジュール６１は、各サブモジュール６１に接続されたセパレータ１４の電位となっている。
【００２５】
各サブモジュール６１に設けたフォトカプラ６３の出力側は２本の電気ケーブル５４に接続されることにより、ワイヤードオア接続となっている。従って、何れかのサブモジュール６１においてセル電圧判定信号が出力されれば、このセル電圧判定信号が電気ケーブル５４を介して制御装置５５へ送られる。
【００２６】
絶縁電源６２は、セル電圧判定手段としての差動増幅器６４及び比較器６５やフォトカプラ６３など、サブモジュール６１内の各回路へ給電する。絶縁電源６２としては、サブモジュール６１を制御装置５５（共通の電源）から絶縁できるものであればよく、例えば＋１２Ｖの給電電圧を一般的な差動増幅器や比較器に必要な±１５Ｖの電圧に変換することができるＤＣ／ＤＣコンバータ等を適用することができる。なお、制御装置５５とは別に電源装置を設けてもよく、この場合には、当該電源装置とサブモジュール６１とを絶縁電源６２によって絶縁する。
【００２７】
図示例では、絶縁電源６２としてＤＣ／ＤＣコンバータを用い、このＤＣ／ＤＣコンバータへ制御装置５５などの共通電源から電気ケーブル５３を介して給電された＋１２Ｖの電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータによって差動増幅器６４や比較器６５に必要な±１５Ｖの電圧に変換するものとする。
【００２８】
差動増幅器６４、比較器６５、及び、比較器６５の出力トランジスタ６７は各燃料電池セル１０毎に設けられている。即ち、図示例では１つのサブモジュール６１で３０枚の燃料電池セル１０の出力電圧を判定する場合を例示しており、一部図示を省略しているが、１つのサブモジュール６１には、それぞれ３０個の差動増幅器６４と比較器６５と出力トランジスタ６７とを備えている。
【００２９】
差動増幅器６４としてはオペアンプ（演算増幅器）などの安価なものを用いることができる。各差動増幅器６４は燃料電池スタック３の各セパレータ１４に接続されている。つまり、１つの差動増幅器６４には１つの燃料電池セル１０の両側のセパレータ１４が接続され、１つの差動増幅器６４で１つの燃料電池セル１０の出力電圧を測定するようになっている。燃料電池セル１０はセパレータ１４を介して積層されているため、隣接するセパレータ１４の電位差からセル電圧を検出することができる。
【００３０】
また、図示例では１つのサブモジュール６１に接続される３１枚のセパレータ１４のうちのセル積層方向中央部のセパレータ１４を、当該サブモジュール６４内でアースすることにより（アース部７０）、当該セパレータ１４の電位を当該サブモジュール６１内における基準電位（０Ｖ）としている。
【００３１】
従って、１つの燃料電池セル１０の出力電圧は１Ｖ弱（例えば０．６Ｖ）であり、＋側に１５枚の燃料電池セル１０があり、−側にも１５枚の燃料電池セル１０があるため、差動増幅器６４への最大入力電圧は±１５Ｖ弱（例えば±９Ｖ）となり、差動増幅器６４への入力電圧が差動増幅器６４の最大入力電圧±１５Ｖを越えることはない。
【００３２】
換言すれば、差動増幅器６４の最大入力電圧が±１５（通常、差動増幅器への供給電源電圧に依存している）とすれば、セル電圧が１Ｖ程度とすると、＋側に１５セル、−側に１５セルで合計３０セル分のセル電圧を、１つのサブモジュール６１で監視（セル電圧判定）することができる。勿論、差動増幅器の最大入力電圧が異なれば、これに応じて１つのサブモジュールで監視できるセル枚数も異なってくる。例えば差動増幅器の最大入力電圧が±１２Ｖの場合、１つのサブモジュールでは２４枚分のセル電圧を監視することができる。
【００３３】
各差動増幅器６４で測定したセル電圧は、それぞれ比較器６５へ出力される。比較器６５としては、半導体素子で構成された安価なものを用いることができ、差動増幅器（オペアンプ）を利用してもよい。各比較器６５では差動増幅器６４で測定したセル電圧と、判定レベル設定器６６で設定した電圧判定レベルとを比較して、セル電圧が電圧判定レベル以下になったときにはセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）を、出力トランジスタ６７のベース電流として出力する。電圧判定レベルは、例えば燃料電池セル１０の定格電圧が０．６Ｖであれば、その１／２の０．３Ｖ、又は、１／３の０．２Ｖとする。なお、ノイズの影響を小さくするために差動増幅器６４においてセル電圧を何倍かに増幅することも考えられるが、その場合にはセル電圧の倍率に応じて判定レベルも高くする。
【００３４】
比較器６５からセル電圧判定信号が出力されると、出力トランジスタ６７がＯＮとなり、フォトカプラ６３に電流が流れてフォトカプラ６３がＯＮとなるため、フォトカプラ６３からセル電圧判定信号（セル電圧異常信号）が出力される。フォトカプラ６３から出力されたセル電圧判定信号は電気ケーブル５４を介して制御装置５５へ送られる。即ち、制御装置５５にセル電圧の異常を伝える。
【００３５】
各出力トランジスタ６７の出力側は１本の電気配線７１によって１つのフォトカプラ６３にワイヤードオア接続されている。従って、何れか１つのセル電圧が異常になればフォトカプラ６３がＯＮとなって、セル電圧判定信号が出力される。なお、比較器６５とフォトカプラ６３との間に設けるオア回路としては、必ずしも出力トランジスタ６５と電気配線７１とからなるワイヤードオア接続に限定するものではなく、これらに代えて例えば論理回路用ＩＣなどを用いてもよい。
【００３６】
＜作用・効果＞
以上のことから、本実施の形態のセル電圧判定ユニット５２によれば、燃料電池スタック３のセル電圧を複数のサブモジュール６１に分けて判定することとし、各サブモジュール６１には絶縁電源６２とフォトカプラ６３とを設けて、サブモジュール６１毎に絶縁しているため、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うことができ、構成が簡素で安価となる。特に、セル電圧判定手段として安価な差動増幅器６４と比較器６５を用い、また、絶縁出力手段として安価なフォトカプラ６３を用いることにより、非常に安価な構成となる。
【００３７】
また、セル電圧判定ユニット５２は、サブモジュール６１の数を増やすだけで、容易に、如何なるセル数の燃料電池スタックにも対応することができる。逆に、セル数の少ない場合には、１つのサブモジュールで対応できる場合もあることは言うまでもない。
【００３８】
また、セル電圧判定ユニット５２を燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍に配置したことにより、これらを接続する電気ケーブル５１を非常に短くすることができる。つまり、セル電圧監視装置をユニット化してセル電圧判定ユニット５２とし、燃料電池スタック３に直接又は燃料電池スタック３の近傍にセル電圧判定ユニット５２を配置することができるようにしたことにより、配線の簡素化を図ることができた。
【００３９】
また、フォトカプラ６３の出力側はワイヤードオア接続としたため、セル電圧判定ユニット５２と制御装置５５との間を結ぶ信号ケーブルは２本の電気ケーブル５４だけでよい。なお、制御装置５５から各サブモジュール６１に電力を供給する場合にも、電力供給のための電気ケーブル５３が更に１組増えるだけである。従って、配線が非常に簡素である。（例えば、１２Ｖの給電を行うとすれば、電気ケーブル５３は＋１２ＶとＧＤＮ（０Ｖ）の２本、信号ケーブルの２本と合わせて計４本となる。また、信号ケーブルのエミッタ側の電気ケーブルを電源のＧＤＮと兼用すれば計３本となる。）
【００４０】
なお、上記では、サブモジュール６１に接続される中央部のセパレータ１４をサブモジュール６１内でアースして当該セパレータ１４の電位を当該サブモジュール６１内における基準電位としているが、これに限定するものではなく、実際に利用する差動増幅器の最大入力電圧に応じて、適宜、サブモジュールの各差動増幅器に接続されるセパレータのうちの何れかをアースすればよい。例えば差動増幅器の最大入力電圧が０〜３０Ｖの場合には、サブモジュールの各差動増幅器に接続されるセパレータのうちの一番端のセパレータをサブモジュール内でアースして、当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位にする。
【００４１】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明のセル電圧判定ユニットは、多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットであって、
複数のサブモジュールを有し、燃料電池スタックの各セル電圧を各サブモジュール毎に分けて判定すること、
各サブモジュールには絶縁電源と、セル電圧判定信号を制御装置へ出力する絶縁出力手段とを設けることにより、サブモジュール毎に絶縁すること、
各サブモジュールは、各燃料電池セル毎に設けたセル電圧判定手段を有し、これらのセル電圧判定手段と燃料電池スタックの各セパレータとを電気ケーブルで接続するとともに前記セパレータの何れかをサブモジュール内でアースして当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位とし、各セル電圧判定手段では各セル電圧を測定し、このセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して前記絶縁出力手段に出力するように構成したこと、
を特徴とする。
【００４２】
また、第２発明のセル電圧判定ユニットは、第１発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記絶縁出力手段はフォトカプラであることを特徴とする。
【００４３】
また、第３発明のセル電圧判定ユニットは、第１又は第２発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
前記セル電圧判定手段は、各セル電圧を測定する差動増幅器と、この差動増幅器で測定したセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して出力する比較器とを有してなることを特徴とする。
【００４４】
従って、この第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットによれば、燃料電池スタックのセル電圧を複数のサブモジュールに分けて判定することとし、各サブモジュールには絶縁電源と絶縁出力手段（フォトカプラ）とを設けて、サブモジュール毎に絶縁しているため、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うことができ、構成が簡素で安価となる。特に、セル電圧判定手段として安価な差動増幅器と比較器を用い、また、絶縁出力手段として安価なフォトカプラを用いることにより、非常に安価な構成となる。また、サブモジュールの数を増やすだけで、容易に、如何なるセル数の燃料電池スタックにも対応することができる。
【００４５】
また、第４発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２又は第３発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍に配置したことを特徴とする。
【００４６】
従って、この第４発明のセル電圧判定ユニットによれば、燃料電池スタックとセル電圧判定ユニットを接続する電気ケーブルを非常に短くすることができる。つまり、セル電圧監視装置をユニット化してセル電圧判定ユニットとし、燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍にセル電圧判定ユニットを配置することができるようにしたことにより、配線の簡素化を図ることができた。
【００４７】
また、第５発明のセル電圧判定ユニットは、第１，第２，第３又は第４発明のセル電圧判定ユニットにおいて、
各サブモジュールに設けた絶縁出力手段の出力側はワイヤードオア接続としたことを特徴とする。
【００４８】
従って、この第５発明のセル電圧判定ユニットによれば、セル電圧判定ユニットと制御装置との間を結ぶ信号ケーブルは２本又は１本（電源ＧＤＮを兼用した場合）の電気ケーブルだけでよく、配線が非常に簡素である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセル電圧判定ユニットを備えた燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】前記セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図３】前記セル電圧判定ユニットの構成図である。
【図４】（ａ）は燃料電池セル及びセパレータの構成図、（ｂ）は燃料電池スタックの構成図である。
【図５】従来の燃料電池発電システムの構成図である。
【図６】燃料電池スタックのＶ−Ｉ特性図である。
【図７】セル電圧を監視する場合のシステム構成例を示す図である。
【図８】セル電圧を監視する場合の燃料電池スタックと制御装置のケーブル接続例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス供給装置
２ 酸化ガス供給装置
３ 燃料電池スタック
４ 負荷装置
５ 制御装置
６ 電流検出器
７ 電圧検出器
８ 燃料電池出力スイッチ
９ ダイオード
１０ 燃料電池セル
１１ 電解質膜
１２ 燃料極
１３ 酸素極
１４ セパレータ
１５ 燃料ガス通路
１６ 酸化ガス通路
１７ 冷却水通路
２１ 集電プレート
２２ 集電プレート
２３ 絶縁プレート
２４ 絶縁プレート
２５ エンドプレート
２６ エンドプレート
２７ 燃料ガス導入孔
２８ 酸化ガス導入孔
２９ 冷却水導入孔
３０ 燃料ガス排出孔
３１ 酸化ガス排出孔
３２ 冷却水排出孔
３３ 電気ケーブル
５１ 電気ケーブル
５２ セル電圧判定ユニット
５３ 電気ケーブル
５４ 電気ケーブル
５５ 制御装置
６１ サブモジュール
６２ 絶縁電源
６３ フォトカプラ
６４ 差動増幅器
６５ 比較器
６６ 判定レベル設定器
６７ 出力トランジスタ
７０ アース部
７１ 電気配線
Claims (5)
- 多数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックの各セル電圧を判定するセル電圧判定ユニットであって、
複数のサブモジュールを有し、燃料電池スタックの各セル電圧を各サブモジュール毎に分けて判定すること、
各サブモジュールには絶縁電源と、セル電圧判定信号を制御装置へ出力する絶縁出力手段とを設けることにより、サブモジュール毎に絶縁すること、
各サブモジュールは、各燃料電池セル毎に設けたセル電圧判定手段を有し、これらのセル電圧判定手段と燃料電池スタックの各セパレータとを電気ケーブルで接続するとともに前記セパレータの何れかをサブモジュール内でアースして当該セパレータの電位を当該サブモジュール内における基準電位とし、各セル電圧判定手段では各セル電圧を測定し、このセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して前記絶縁出力手段に出力するように構成したこと、
を特徴とするセル電圧判定ユニット。 - 請求項１に記載するセル電圧判定ユニットにおいて、
前記絶縁出力手段はフォトカプラであることを特徴とするセル電圧判定ユニット。 - 請求項１又は２に記載するセル電圧判定ユニットにおいて、前記セル電圧判定手段は、各セル電圧を測定する差動増幅器と、この差動増幅器で測定したセル電圧と電圧判定レベルとを比較してセル電圧が電圧判定レベル以下となったときにセル電圧判定信号をオア回路を介して出力する比較器とを有してなることを特徴とするセル電圧判定ユニット。
- 請求項１，２又は３に記載するセル電圧判定ユニットにおいて、
セル電圧判定ユニットを燃料電池スタックに直接又は燃料電池スタックの近傍に配置したことを特徴とするセル電圧判定ユニット。 - 請求項１，２，３又は４に記載するセル電圧判定ユニットにおいて、
各サブモジュールに設けた絶縁出力手段の出力側はワイヤードオア接続としたことを特徴とするセル電圧判定ユニット。
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2001
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