JP3993453B2

JP3993453B2 - Cell voltage judgment unit

Info

Publication number: JP3993453B2
Application number: JP2002100474A
Authority: JP
Inventors: 浩小沼; 徳一峰尾; 勝樹澤田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP2003297407A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムのセル電圧判定ユニットに関し、特に、燃料電池スタック内の複数の燃料電池セルのセル電圧の異常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】
燃料電池セルは、電解質膜と、触媒機能を有する電極である燃料極及び酸素極とを有する。そして、燃料極と酸素極とが電解質膜を挟む構造をしている。燃料電池セルの運転中の電圧は、例えば０．６Ｖ程度（開放電圧は１Ｖ程度）である。従って、電源として利用するためには、複数の燃料電池セルを直列に接続して、燃料電池スタックを形成し、所望の電圧を得るようにする。ここで、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの数は、必要とする電圧に応じて、数十〜数百セルになる。
【０００３】
このような燃料電池スタックの運転の際、その異常が発生した場合の判定については、燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の変化等により行う技術が知られている。例えば、セルの破損に伴う燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の低下などを検出し、基準値との比較により異常と判定する。この場合、複数の燃料電池セルの全体としての特性に基づいて行っていた。従って、数百セルの燃料電池スタックの場合には、一、二のセルの異常を把握することは困難である。しかし、一つの燃料電池セルの異常が他の燃料電池セルへ波及する可能性は十分に有り、その結果として、燃料電池スタック全体が故障を起こす可能性も有り得る。
燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、燃料電池セル一つの異常であっても早期に検知することが可能な技術が求められている。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックにおいて複数の燃料電池セルの各々の状態を監視するためには、燃料電池セルの各々に計測用のケーブル配線（例えば３００セルなら最低３０１本）を接続する必要があり、その引き回しのスペース、ノイズの混入、ケーブル配線の高コスト化等の問題がある。そこに使用される素子は、高電圧（例えば３００セルなら３００Ｖ程度）の耐圧を有する必要があり、また、計測された信号が制御側に影響を及ぼさないようにすることが望ましい。このようなことから、装置コストが高くなる問題がある。
燃料電池スタックにおいて、多数のケーブル配線を引き回す必要が無く、低コストで実施することが可能な、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視する技術が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、異常を早期に検知することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧を計測し、各燃料電池セルの異常を早期に判定することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧レベルを、個別に把握することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００８】
更に、本発明の別の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の異常の検知を、低コストで実施することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数の比較部（４３、４４）と、複数の出力部（４１−１、４１−２）とを具備する。複数の比較部（４３、４４）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された互いに異なる複数の基準電圧（５０−１、５０−２）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々との比較結果としての複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。複数の出力部（４１−１、４１−２）は、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す複数の判定信号（１５−１、１５−２）の各々を出力する。
【００１１】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の比較部（４３、４４）の各々が、前記セル電圧（５１）が前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々以下の場合、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。
【００１２】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の出力部（４１−１、４１−２）が、前記燃料電池セル（２１）及び前記複数の比較部（４３、４４）と外部とを電気的に絶縁する。
【００１３】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）が、複数あり、互いに直列に接続され、前記複数の比較部（４３、４４）は、複数あり、前記複数ある前記複数の比較部（４３、４４）の各々は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１４】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、比較部（４３）と、符号化部（６１）と、出力部（６２−１〜１０）とを具備する。比較部（４３）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された基準電圧（５０−１）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記基準電圧（５０−１）との比較結果としての比較信号（５２）を出力する。符号化部は、前記比較信号（５２）に基づいて、前記比較信号（５２）を予め設定された規則で符号化した符号化信号（９４、９５、９６）を出力する。出力部（６２）は、前記符号化信号（９４、９５、９６）に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す判定信号（６５−１〜４、６６−１〜５）を出力する。
【００１５】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記比較部（４３）が、前記セル電圧（５１）が前記基準電圧（５０−１）以下の場合、前記比較信号を出力する。
【００１６】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（６２）が、前記燃料電池セル（２１）、前記比較部（４３）及び前記符号化部（６１）と外部とを電気的に絶縁する、
【００１７】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）は、複数あり、互いに直列に接続され、前記比較部（４３）は、複数あり、前記複数ある前記比較部（４３）は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１８】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数ある前記比較部（４３）の各々が、他の複数の比較部（４３、（４４））を備える。他の複数の比較部（４３、（４４））は、前記セル電圧（５１）と予め設定された互いに異なる他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））の各々との比較結果としての他の複数の比較信号（５２、（５３））の各々を出力する。
ただし、このセル電圧判定ユニットは図示していないが、図３と図４とを組み合わせたものである。
【００１９】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（４１、６２−１〜１０）は、フォトカプラを含む。又、入力部（６２−１１）は、フォトカプラを含む。
【００２０】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数ある燃料電池セル（２１）の各々の両側に配設されたセパレータ（２０）の電位（１６）の入力に基づいて、セル電圧（５１）を出力する複数のセル電圧出力部（４２）を更に具備する。
【００２１】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５−１−１）と、制御部（７６）とを具備する。セル電圧出力部（８５−１−１）は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を、複数の燃料電池セル（２１）の各々につけられた番号としてのセル番号に対応する選択信号（７９）に基づいて出力する。制御部（７６）は、選択信号（７９）を出力し、セル電圧（５１）に基づいて、セル番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力する。
【００２２】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、電圧判定信号（８３）が、予め設定され、セル電圧（５１）の大きさに対応した複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００２３】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、制御部（７６）を電気的に絶縁し、電圧判定信号（８３）に基づいて、判定信号（１５）を出力する出力部（８５−１−２）を更に具備する。
【００２４】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５）が、第１選択部（７０−１）と、第２選択部（７０−２）と、差動増幅部（４２）とを具備する。第１選択部（７０−１）は、複数の燃料電池セル（２１）の第１番目から最後より２番目までのセパレータ（２１−１〜２１−ｍ−１）の電位（１６−１〜１６−ｍ−１）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ）の電位（１６−ｉ）としての第１電位（１６−ａ）を出力する。第２選択部（７０−２）は、複数の燃料電池セル（２１）の第２番目から最後までのセパレータ（２１−２〜２１−ｍ）の電位（１６−２〜１６−ｍ）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ＋１）の電位（１６−ｉ＋１）としての第２電位（１６−ｂ）を出力する。差動増幅部（４２）は、第１電位（１６−ａ）と第２電位（１６−ｂ）とに基づいて、セル電圧（５１）を出力する。
【００２５】
上記課題を解決するための、本発明の燃料電池システムは、上記各項のいずれか一項に記載のセル電圧判定ユニット（４）と、セル電圧判定ユニット（４）を搭載した燃料電池スタック（３）とを具備する。
【００２６】
上記課題を解決するための、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々ととを比較するステップと、セル電圧（２１）と複数の基準電圧（５０−１、５０−２）との大小関係に基づいて、予め設定された複数の比較信号（５２、５３）の内、その大小関係に対応する比較信号（５２、５３）を生成するステップと、前記対応する比較信号（５２、５３）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２７】
また、本発明のセル電圧判定方法は、セル電圧（５１）の状態を判定するステップが、その対応する比較信号（５２、５３）を予め設定された規則で符号化するステップと、その符号化された比較信号（９４、９５、９６）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２８】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、複数の燃料電池セル（２１）の各々の内のセル電圧（５１）を取得したものにつけられた番号と、セル電圧（５１）とに基づいて、その番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力するステップとを具備する。
【００２９】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、電圧判定信号（８３）を出力するステップが、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧とに基づいて、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態を判定するステップを更に具備する。ここで、電圧判定信号（８３）は、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３１】
（実施例１）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
【００３２】
燃料ガス供給装置１は、燃料電池スタック３へ供給する燃料ガスの流量を制御する。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタノールやガソリン等の炭化水素系材料を改質して得られる水素リッチガスに例示される水素を含むガスである。
酸化ガス供給装置２は、燃料電池スタック３へ供給する酸化ガスの流量を制御する。ここで、酸化ガスは、酸素、又は空気に例示される酸素を含むガスである。
【００３３】
燃料電池スタック３は、燃料ガス供給装置１から供給された燃料ガス中の水素と、酸化ガス供給装置２から供給された酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池セルの集合体（複数の燃料電池セルを直列に接続したスタック）である。ダイオード７及び燃料電池出力スイッチ６を介して、負荷装置８に接続され、発電した電力としての燃料電池電力を負荷装置８へ供給する。燃料電池セルは、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に例示される燃料電池である。
【００３４】
セル電圧判定ユニット４は、電気ケーブル１０を介して、燃料電池スタック３における複数の燃料電池セルの各々のセル電圧（出力電圧１６）を受け取る。そして、それらのセル電圧と、予め設定された基準電圧（複数可（後述））とに基づいて、複数の燃料電池セルの各々の異常を判定する。そして、異常がある場合には、電気ケーブル１２を介して判定信号１５を制御装置５へ出力する。セル電圧判定ユニット４は、制御装置５より電気ケーブル１１を介して電力を供給されている。
【００３５】
制御装置５は、燃料電池システム全体（燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７を含む）を制御する。そして、セル電圧判定ユニット４から電気ケーブル１２を介して異常を示す判定信号１５を受信した場合、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００３６】
燃料電池出力スイッチ６は、燃料電池スタック３と負荷装置８との電気的な接続を行う。
ダイオード７は、燃料電池システムにおける逆電流を防止する。
【００３７】
負荷装置８は、車両用燃料電池システムの場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ等である。
【００３８】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して更に説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
【００３９】
セル電圧判定ユニット４は、燃料電池セル２１からセル電圧を取り出す電気ケーブル１０−ｒ（ｒ＝１〜ｎ、自然数、以下同じ）の長さを短く出来るように、電圧燃料電池スタック３の近傍に配置される。本実施例（図２）では、セル電圧判定ユニット４は、燃料電池スタック３の側面（図中上面）に取り付けられている。
【００４０】
電気ケーブル１０−ｒは、セパレータ２０−ｒとセル電圧判定ユニット４の然るべき端子とを接続している。セル電圧判定ユニット４が電圧燃料電池スタック３の近傍に配置されているので、非常に短くて済み、引き回しやノイズの心配が無い。
【００４１】
発電部２２は、燃料電池スタック３において、発電を行う部分であり、燃料電池セル２１−ｓ（ｓ＝１〜ｎ−１、自然数、以下同じ）が、セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）を介して直列に接続されている。
セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）は、燃料電池セル２１−ｓの両側に配設され、隣接する燃料電池セル２１同士を電気的に接続する。それと同時に、燃料電池セル２１−ｓへ燃料ガス及び酸化ガスを供給する。更に、燃料電池セル２１-ｓを冷却するために冷却水の通路を有する。
燃料電池セル２１−ｓは、イオン交換樹脂に例示される電解質膜を、電極としての燃料極と酸素極とで挟んだ構造を有する。そして、セパレータ２０−ｒを介して供給される燃料極側の燃料ガス中の水素と、酸素極側の酸化ガス中の酸素とが電気化学反応を行ない、電気を発生する。この燃料電池セル２１−ｓは、２つのセパレータ２０−ｒ及び２０−ｒ＋１（ただし、ｒ＝ｓ）に挟まれている。
【００４２】
集電プレート２３及び集電プレート２６は、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１で発電された電力を集電し、外部へ取り出すための電極である。
絶縁プレート２４及び絶縁プレート２７は、集電プレート２３及び集電プレート２６と、エンドプレート２５及びエンドプレート２８とを絶縁する。
エンドプレート２５及びエンドプレート２８は、発電部２２を両側から挟みこむ。また、エンドプレート２５には燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０及び酸化ガス導入口３１が設けられている。燃料電池スタック３へ、それぞれ燃料ガス、冷却水及び酸化ガスを供給する。同様にエンドプレート２８には、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３及び燃料ガス排出口３４が設けられている。燃料電池スタック３から、それぞれ酸化ガス、冷却水及び燃料ガスを排出する。
【００４３】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図３を参照して更に説明する。
図３は、本発明であるセル電圧判定ユニットの構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎ−１は、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐ内において、各燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧（後述）が２つ（互いに異なる２つの基準電圧）の例を示して説明するが、本発明は、２つに限定されるものではない。
【００４４】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、フォトカプラ４１−１〜２、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４５−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４７、配線４８、アース部４９、判定レベル設定器５７及び絶縁電源５８を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−１〜２に接続している。
【００４５】
差動増幅器４２−ｋは、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位に基づいて、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）を出力する。サブモジュール４０−１の担当する燃料電池セル２１の数（ｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個）だけ配設されている。差動増幅器４２−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、燃料電池セル２１−ｋを挟むセパレータ２０−ｉ及びセパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）のそれぞれに一端部を接続された電気ケーブル１０−ｉ及び電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）は、その他端部を共に差動増幅器４２−ｋに接続している。そして、差動増幅器４２−ｋは、それぞれの電気ケーブル１０から、セパレータ２０−ｉ（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋの一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とを受け取る。差動増幅器４２−ｋは、その差（電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）を算出して、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）として出力する。
【００４６】
比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４３−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とを比較する。そして、セル電圧５１−ｋが電圧判定レベル５０−１以下になった場合、セル電圧５１−ｋを異常（＝燃料電池セル２１−ｋを異常）と判定する。異常と判定した場合、第１比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。
【００４７】
出力トランジスタ４５−ｋは、異常と判定した場合に比較器４３−ｋから入力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、配線４７にセル電圧判定信号（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５４を出力する。出力トランジスタ４５−ｋは、比較器４３−ｋと同数だけ配設されている。
すなわち、出力トランジスタ４５−ｋは、セル電圧５１−ｋの異常時に、比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋをベース電極で受け取る。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋは、接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４を出力する。
【００４８】
フォトカプラ４１−１は、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４７のセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４に基づいて、電気ケーブル１２−１へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−１を出力する。フォトカプラ４１−２と共に出力部ともいう。
すなわち、フォトカプラ４１−１は、電流５４によりＯＮ状態となり、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁された電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。
【００４９】
フォトカプラ４１−１の配線４７は、全ての出力トランジスタ４５に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、燃料電池セル２１−ｋのいずれかが異常を発生し、出力トランジスタ４５−ｋによりセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が発せられた場合でも、同様にＯＮ状態となる。そして、電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。
また、電気ケーブル１２−１は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて判定信号１５−１が出力されれば、その判定信号１５−１が電気ケーブル１２−１を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５０】
比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４８、フォトカプラ４１−２及び電気ケーブル１２−２についても、同様である。
すなわち、比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された、電圧判定レベル５０−１とは互いに異なる基準電圧としての電圧判定レベル５０−２とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５３−ｋを出力する。比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４４−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００５１】
ただし、電圧判定レベル５０−２は、電圧判定レベル５０−１とは異なる値とする。例えば、電圧判定レベル５０−２の値を、燃料電池スタック３を緊急停止しなければならない電圧とし、電圧判定レベル５０−１を、燃料電池スタック３の出力を５０％以下に絞らなければならない電圧とする。そうすることにより、燃料電池スタック３の異常の度合いに応じた異常の判定を行うことが可能となる。
【００５２】
出力トランジスタ４６−ｋは、異常と判定した場合に比較器４４−ｋから出力されるセル電圧判定信号５３−ｋに基づいて、配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋ（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５５を出力する。出力トランジスタ４６−ｋは、比較器４４−ｋと同数だけ配設されている。
フォトカプラ４１−２は、配線４８と電気ケーブル１２−２とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４８のセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５に基づいて、電気ケーブル１２−２へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−２を出力する。制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。
【００５３】
フォトカプラ４１−２の配線４８は、全ての出力トランジスタ４６に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、燃料電池セル２１のいずれかが異常を発生しても、電気ケーブル１２−２へ判定信号１５−２を出力する。
電気ケーブル１２−２は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて発せられた判定信号１５−２は、電気ケーブル１２−２を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２を生成し、それぞれ比較器４３及び比較器４４へ出力する。電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２は、例えば、燃料電池セル２１の定格電圧が０．６Ｖの場合、その２／３（０．４Ｖ）及び１／３（０．２Ｖ）とする。そして、電圧判定レベル５０−１以下になった場合、危険レベル１とし、電圧判定レベル５０−２以下になった場合、危険レベル２とする。そして、２つの危険レベルに応じた対処方法をそれぞれ設定することにより、燃料電池セル２１の状況に、適切に対応することが可能となる。なお、ノイズの影響を減少させるために、差動増幅器４２において、セル電圧を増幅する場合には、その増幅倍率に応じて電圧判定レベル５０（−１〜２）を高くする。
【００５５】
また、電圧判定レベル５０は、２つに限られるものではなく、更に多くの電圧判定レベルを設定することも可能である。例えば、電圧判定レベルを５つにし、定格０．６Ｖに対して、０．５５Ｖ、０．５０Ｖ、０．４５Ｖ、０．４０Ｖ及び０．３Ｖと設定すれば、単に各燃料電池セル２１−ｋの異常を知るだけでなく、各燃料電池セル２１−ｋの電圧の大きさも概ね把握することが出来る。そして、継続的な測定を行えば、各燃料電池セル２１−ｋの劣化状況の把握、異常の発生や寿命の予測等も行うことが可能となる。
その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１−ｋに対して比較器、出力トランジスタ、配線、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に設けることにより実施することが出来る。
【００５６】
絶縁電源５８は、差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、フォトカプラ４１−１〜２などのサブモジュール４０−１内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、サブモジュール４０−１を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置とサブモジュール４０−１とを絶縁電源５８により絶縁する。
【００５７】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ４１とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、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とが出来る。
【００５８】
アース部４９は、サブモジュール４０−１と燃料電池スタック３間の電位が不定となり、差動増幅器４２−ｋがコモンモードのノイズの影響を受け、誤作動や、破損することを防止する。セパレータ２０−ｉの１つをサブモジュール４０−１内でアースし、基準となる電位（０Ｖ）としている。アースの位置は、モジュール４０−１内の電源に対する、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧で決める。例えば、ｍ＝３１であれば、セパレータ２０−１６にアース部４９を設けると、１つの燃料電池セル２１の出力電圧が１Ｖ弱なので、＋側に１５セル分（＋１５Ｖ弱）、−側に１５セル分（−１５Ｖ弱）となり、差動増幅器４２−ｋへの最大入力電圧は、±１５Ｖ弱となる。従って、最大入力電圧±１５Ｖの差動増幅器４２を用いることが可能となる。サブモジュール内の電源が±１５Vでなく、片電源の＋３０Vで、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧が０〜３０Vならば、最下位のセパレータ２０−ｍをアースすることになる。
【００５９】
次に、本発明である燃料電池システムの第１の実施の形態における動作について、図１〜図３を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００６０】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋ及び比較器４４−ｋへ出力される。
【００６１】
（５−１）（電圧判定レベル５０−２≦）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋ（及び比較器４４−ｋ）からは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００６２】
（５−２）電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、出力トランジスタ４５−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋに接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が流れる。
（７−２）電流５４は、フォトカプラ４１−１をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５２−ｋを示す判定信号１５−１が、電気ケーブル１２−１へ出力される。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。ただし、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋなので、比較器４４−ｋからは信号は出力されず、従って、判定信号１５−２は制御装置５へ出力されない。従って、制御装置５は、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ａを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ａという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を制限する、などである。
【００６３】
（５−３）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４４−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−２と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５３−ｋが出力される。
（６−３）セル電圧判定信号５３−ｋは、出力トランジスタ４６−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４６−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４６−ｉに接続された配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５が流れる。
（７−３）電流５５は、フォトカプラ４１−２をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５３−ｉを示す判定信号１５−２が、電気ケーブル１２−２へ出力される。判定信号１５−２は、ケーブル１２−２経由で制御装置５へ送られる。
（８−３）制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）、という状況Ｂを把握する。
（９−３）制御装置５は、状況Ｂという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００６４】
本発明により、燃料電池セルの１つだけが異常を発生した場合でも、検知することが出来る。また、複数の判定基準を有することにより、燃料電池セルの異常の状況を的確に把握することが可能となる。さらに、判定基準の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００６５】
（実施例２）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０−１〜ｎ、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６６】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図４を参照して更に説明する。
図４は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧が１つの例を示して説明するが、本発明は、１つに限定されるものではなく、実施例１を組み合わせることにより、互いに異なる複数の基準電圧を用いるセル電圧判定ユニット４となる。
【００６８】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、判定レベル設定器５７、絶縁電源５８、エンコーダ６１及びフォトカプラ６２−１〜１１を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−３〜５に接続している。
ここで、燃料電池セル２１の数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個である。
【００６９】
差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ及び絶縁電源５８は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
ただし、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ出力する。
【００７０】
エンコーダ６１は、比較器４３−ｋから出力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、異常が発生した燃料電池セル２１−ｋの番号と、サブモジュール４０の番号とを符号化し、フォトカプラ６２−１〜１０へ出力する。
すなわち、エンコーダ６１は、異常の発生した燃料電池セル２１−ｋに対応する比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋの入力を受けて、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とを、予め設定された規則に基づいて符号化する。しかる後、ＵＮＩＴ−ＯＵＴ、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号を出力する。符号化の方法に制限は無いが、例えば後述の図５で示す規則に基づいて実施することが可能である。
ここでは、エンコーダ６１を用いているが、ゲートアレイや、ＡＤコンバータとメモリとＣＰＵとを有する半導体装置（１チップ）を利用することも可能である。
【００７１】
フォトカプラ６２−１〜１１は、エンコーダ６１側の配線と電気ケーブル１２−３〜５とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。この内、フォトカプラ６２−１〜１０は、エンコーダ６１側の配線の符号化された信号に基づいて、電気ケーブル１２−３〜５へ、符号化された信号を示す判定信号６３−２、判定信号６５、判定信号６６を出力する。フォトカプラ６２−１１は、他のサブモジュール４０からの異常の有無を示す判定信号６３−１を受け、エンコーダ６１側へ出力する。エンコーダ６１は、この信号を参照して符号化を行っても良い。
ここで、フォトカプラ６２−１〜１０は、出力部ともいう。
【００７２】
すなわち、フォトカプラ６２−１〜１０は、符号化された信号の入力によりＯＮ状態となる。フォトカプラ６２−１は、ＵＮＩＴ−ＯＵＴからの信号を判定信号６３−２として電気ケーブル１２−５へ出力する。フォトカプラ６２−２〜５は、Ｕ１〜Ｕ４からの信号を判定信号６５−１〜４として電気ケーブル１２−３へ出力する。フォトカプラ６２−６〜６２−１０は、Ｓ１〜Ｓ５からの信号を判定信号６６−１〜５として電気ケーブル１２−４へ出力する。それらの判定信号は、ケーブル１２−３〜５経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。
【００７３】
制御装置５は、故障（異常）の発生した燃料電池セルの番号及びサブモジュール４０の番号を正確に特定することが可能となる。そして、非常に効率的に修理を行うことが出来、メンテナンスの時間及びコストを削減することが可能となる。
【００７４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベルが１つである他は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。ただし、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。
【００７５】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ６２とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、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とが出来る。
【００７６】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【００７７】
図５は、エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。ここでは、サブモジュール４０の数を１６個、各サブモジュール４０における燃料電池セル２１の数を３０個とする。そして、この表がサブモジュール４０−１を示しているとする。
入力９０は、エンコーダ６１の入力信号に関する欄を示す。
出力９１は、エンコーダ６１の出力信号（符号化された信号）に関する欄を示す。
【００７８】
異常セル番号９２は、異常を示す燃料電池セル２１の番号である。入力されるセル電圧（５１）の入力端子番号に対応する。
異常セル番号（符号）９４は、異常セル番号９２に対応する符号化された燃料電池セル２１の番号を示す。異常セル番号９２の１〜３０と「異常セル無し」を、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２^５−１＝３１個の燃料電池セル２１に対応することが出来る（ただし、ここでは、Ｓ１〜Ｓ５＝０００００を「異常セル無し」に割り当てているため、最大３１セル分）。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１の番号（異常セル番号９２）が「２」の場合、その番号は符号化（異常セル番号（符号）９４）されて、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁を用いて、０１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｓ１〜Ｓ５の各端子から出力されることになる。Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁から出力される信号は、判定信号６６−１〜判定信号６６−５に対応する。
【００７９】
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３は、サブモジュール４０−１の手前に接続されているサブモジュール４０−４に異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力されることを示す。
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９５は、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１−ｋに異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力することを示す。
なお、電気ケーブル１２−４を他のサブモジュール４０と共用しているので、１つのサブモジュール４０から判定信号６６が出力されると、他のサブモジュールからは出力しない。従って、制御装置５から遠いものを優先するとすれば、遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、異常セル番号（符号）９４を出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
【００８０】
異常ユニット番号（符号）９６は、異常を示す燃料電池セル２１を有するサブモジュール４０番号に対応する符号化されたサブモジュール４０の番号を示す。異常を示すサブモジュール４０の番号を、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２^４＝１６個のサブモジュール４０に対応することが出来る。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１のあるサブモジュール４０の番号が１の場合（サブモジュール４０−１）、その番号は符号化（異常ユニット番号（符号）９６）されて、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁を用いて、１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｕ１〜Ｕ４の各端子から出力されることになる。Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁から出力される信号は、判定信号６５−１〜判定信号６５−４に対応する。
【００８１】
次に、本発明である燃料電池システムの第２の実施の形態における動作について、図１、２、４、５を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００８２】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋへ出力される。
【００８３】
（５−１）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋからは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００８４】
（５−２）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ入力される。エンコーダ６１内において、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とが、予め設定された規則により符号化される。符号化は、例えば図５に示すような方法で行う。しかる後、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号が出力される。
なお、制御装置５から遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
（７−２）符号化された信号の内、「１」の出力は、対応するフォトカプラ６２（−１〜１０）をＯＮ状態にする。
そして、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）又はサブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、それを示す判定信号６３−２が、フォトカプラ６２−１から電気ケーブル１２−５へ出力される。
また、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、サブモジュール４０−１を示す判定信号６５−１〜４が、フォトカプラ６２−２〜５から電気ケーブル１２−３へ出力される。
更に、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、燃料電池セル２１−ｋを示す判定信号６６−１〜５が、フォトカプラ６２−６〜１０から電気ケーブル１２−４へ出力される。
それらの判定信号は、制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐのいずれかの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。そして、制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ｃを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ｃという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、サブモジュール４０の燃料電池セル２１−ｋへの燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１−ｋが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下する、などである。
【００８５】
本発明により、異常を発生した燃料電池セル及びそのサブモジュールを個別に特定することが可能となる。そして、その個別の燃料電池セルに対応した制御を実施することが可能となる。
【００８６】
なお、電気ケーブル１２−４を共用ではなく、サブモジュール４０毎に設ければ、下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３及び下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９４を省略することが可能である。その場合、電気ケーブル１２−３及び電気ケーブル１２−４−１〜ｐ（サブモジュール４０がｐ個の場合）からの判定信号により、故障した燃料電池セル２１の番号及び所属するサブモジュール４０の番号を常時継続的に特定することが可能となる。
【００８７】
本実施例では、電圧判定レベルは１つであるが、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。その場合、例えば、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、その比較器の出力を符号化するエンコーダ、符号化した信号を出力するフォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
あるいは、電圧判定レベルの増加に応じて、エンコーダ６１に入力端子及び出力端子の多いものを選択することにより、電圧判定レベルが増えた場合においても、一つのエンコーダで対応させることも可能である。その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
それにより、燃料電池セルの異常の状況（レベル）を的確に把握することが可能となる。さらに、電圧判定レベル（判定基準）の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００８８】
（実施例３）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００８９】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００９０】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図６を参照して更に説明する。
図６は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のセル電圧部８５−ｑ（ｑ＝１〜ｐ、自然数、以下同様）、絶縁電源５８を具備する。そして、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。ここで、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（セル電圧部８５の数と同数）のグループに分割される。そして、対応するセル電圧部８５−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓのセル電圧（出力電圧）が出力される。これらのセル電圧部８５−１〜ｐは、同様の構成を有するため、セル電圧部８５−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、各セル電圧部８５−ｑの担当する燃料電池セル２１−ｓの個数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数は、ｍ個となる。
【００９１】
セル電圧部８５−ｑは、マルチプレクサ７０−１〜２、差動増幅器４２、制御部７６、絶縁ユニット７７、通信インターフェース７８を備える。電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ、以下同じ）とを介して取得するセパレータ２０−ｉとセパレータ２０−ｉ＋１との電位に基づいて、燃料電池セル２１−ｋのセル電圧（出力電圧）を取り出す。
ここで、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。電気ケーブル１０−ｉの一端部はマルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２に、他端部はセパレータ２０−ｉに接続されている（ただし、セパレータ２０−１からの出力はマルチプレクサ７０−１のみに、セパレータ２０−ｍからの出力はマルチプレクサ７０−２のみに接続）。
ここで、マルチプレクサ７０−１〜２及び差動増幅器４２をセル電圧出力部８５−１−１ともいう。また、絶縁ユニット７７及び通信インターフェース７８を出力部ともいう。
【００９２】
マルチプレクサ７０−１は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−１、最後の入力端子に電位１６−ｍ−１、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−１に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つを選択し、電位１６−ａとして出力する。
一方、マルチプレクサ７０−２は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−２、最後の入力端子に電位１６−ｍ、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−２に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−２〜ｍの中から１つを選択し、電位１６−ｂとして出力する。
セレクト信号７９は、制御部７６より出力される。
【００９３】
この場合、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２は、同じセレクト信号７９に基づいて（同じタイミングで）、同じ位置の入力端子の入力を選択し、それぞれ電位１６−ａと電位１６−ｂとする。マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の入力端子に入るセパレータの電位１６は、１つずれているので、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接する電位１６−ｉ及び電位１６−ｉ＋１となる。すなわち、セパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位になるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【００９４】
差動増幅器４２は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位である電位１６−ａと電位１６−ｂとに基づいて、セル電圧５１（出力電圧）を出力する。差動増幅器４２は、１つで良く、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００９５】
制御部７６は、ＡＤコンバータ７３と演算処理部７４とメモリ７５とを備える。セル電圧８１に基づいて、セル電圧５１を所望の形式（特性）を有する信号に変換し、電圧判定信号８３として出力する。制御部７６は、１チップの半導体装置を利用することが可能である。
【００９６】
ＡＤコンバータ７３は、アナログ信号であるセル電圧５１をデジタル信号であるセル電圧８２に変換する。
演算処理部７４は、内部に有するプログラムを用いて、セル電圧８２に基づいて、セル電圧８２を所望の形式（特性）を有するデータに変換し、電圧判定信号８３として出力する。ここで、所望の形式の電圧判定信号８３とは、セル電圧８２の大きさ／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータ、あるいは、セル電圧８２の大きさから求まる異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータで例示される。それらは、プログラムの変更により、その他のデータにも変更可能である。なお、セル電圧部８５−ｑの番号及び燃料電池セル２１−ｋの番号は、セレクト信号７９により特定できる。
また、演算処理部７４は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の制御（セレクト信号７９の出力、同期調整等）、セル電圧８２の加工、制御部７６の制御等を行う。
メモリ７５は、演算処理部７４で行う各種処理の際にデータを格納する。
【００９７】
絶縁ユニット７７は、制御部７６側の配線と通信インターフェース７８側（制御装置５）側とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。そして、制御部７６から出力される電圧判定信号８３に基づいて、通信インターフェース７８へ電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４を出力する。絶縁ユニット７７は、フォトカプラに例示される。
【００９８】
通信インターフェース７８は、電圧判定信号８４を通信可能なデータとしての判定信号１５に変換し、制御装置５へ出力する。通信は、ＲＳ−２３２Ｃに例示される１対１の通信方法、イーサネット（登録商標）に例示される多対多の通信方法を適用できる。その際、通信インターフェース７８は、それらの通信に従来用いられる通信手段が利用できる。
【００９９】
制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１−ｋにおけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、を把握する。なお、制御装置５には、通信インターフェース７８と通信可能な同様の通信インターフェースを設ける。
【０１００】
制御装置５は、各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知することが可能となる。すなわち、全ての燃料電池セル２１−ｓの状態を常時正確に把握出来る。
【０１０１】
絶縁電源５８は、マルチプレクサ７０−１、マルチプレクサ７０−２、差動増幅器４２、ＡＤコンバータ７３、演算処理部７４、メモリ７５、絶縁ユニット７７などの通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置と通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４とを絶縁電源５８により絶縁する。
【０１０２】
本発明では、絶縁ユニット７７と絶縁電源５８とを用いて、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４と制御装置５とを絶縁している。従って、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とが出来る。
【０１０３】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【０１０４】
次に、本発明である燃料電池システムの第３の実施の形態における動作について、図１、２、６を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【０１０５】
（３−１）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−１へ入力される。
（４−１）セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１と、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−１において、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つの信号が選択され、電位１６−ａとして差動増幅器４２へ出力される。
【０１０６】
（３−２）一方、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍ（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−２へ入力される。
（４−２）セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍと、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−２において、電位１６−２〜ｍの中から１つの信号が選択され、電位１６−ｂとして差動増幅器４２へ出力される。
この場合、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接するセパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位とになるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【０１０７】
（５）差動増幅器４２では、電位１６−ａと電位１６−ｂとの差であるセル電圧５１（出力電圧）が算出される。そして、セル電圧５１は、制御部７６（のＡＤコンバータ７３）へ出力される。
【０１０８】
（６）アナログ信号であるセル電圧５１は、ＡＤコンバータ７３において、デジタル信号であるセル電圧８２に変換され、演算処理部７４へ出力される。
（７）セル電圧８２は、演算処理部７４の有するプログラムにより、所望の形式（特性）を有するデータに変換され、電圧判定信号８３として絶縁ユニット７７へ出力される。
（８）電圧判定信号８３は、絶縁ユニット７７により、電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４に変換され、通信インターフェース７８へ出力される。
（９）電圧判定信号８４は、通信インターフェース７８により、通信可能なデータとしての判定信号１５に変換され、制御装置５へ出力される。
（１０）制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１におけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、等の各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知する。
（１１）制御装置５は、各燃料電池セル２１の出力や故障（異常）の状態に応じて、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１を保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、燃料電池セル２１への燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１が運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下することにより、燃料電池セル２１の電圧低下を抑える、燃料電池出力スイッチ６を開いて燃料電池スタック３の発電を停止することにより、燃料電池スタック３全体の損害を防ぐ、などである。
異常が無い場合には、データを蓄積し、劣化の計測や、メンテナンス時期や寿命についての参考にする。
【０１０９】
本発明により、燃料電池スタック３における全ての燃料電池セル２１の状態を常時継続的に正確に把握することが可能となる。そして、異常を発生した燃料電池セル２１を迅速且つ的確に、個別に特定することが可能となる。更に、それらの情報に基づいて、異常が発生した場合にも、その燃料電池セル２１の異常状態に応じた対処を実施することが可能となる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、各燃料電池セルの異常を早期に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【図４】本発明であるセル電圧判定ユニット４の他の構成を示す図である。
【図５】エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。
【図６】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【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セル電圧判定ユニット
５制御装置
６燃料電池出力スイッチ
７ダイオード
８負荷装置
１０電気ケーブル
１１電気ケーブル
１２電気ケーブル
１５判定信号
１６セル電位
１６−ａ、ｂセル電位
２０セパレータ
２１燃料電池セル
２２発電部
２３集電プレート
２４絶縁プレート
２５エンドプレート
２６集電プレート
２７絶縁プレート
２８エンドプレート
２９燃料ガス導入口
３０冷却水導入口
３１酸化ガス導入口
３２酸化ガス排出口
３３冷却水排出口
３４燃料ガス排出口
４０−１〜ｐサブモジュール
４１−１〜２フォトカプラ
４２差動増幅器
４３比較器
４４比較器
４５出力トランジスタ
４６出力トランジスタ
４７配線
４８配線
４９アース部
５０−１〜２基準電圧
５１セル電圧
５２セル電圧判定信号
５３セル電圧判定信号
５４電流
５５電流
５７判定レベル設定器
５８絶縁電源
６１エンコーダ
６２−１〜１１フォトカプラ
６３−１〜２ユニット信号
６５−１〜４異常ユニット信号
６６−１〜５異常セル信号
７０−１〜２マルチプレクサ
７３ＡＤコンバータ
７４演算処理部
７５メモリ
７６制御部
７７絶縁ユニット
７８通信インターフェース
７９セレクト信号
８２セル電圧
８３電圧判定信号
８４電圧判定信号
８５セル電圧部
８５−１−１セル電圧出力部
８５−１−２出力部
９０入力
９１出力
９２異常セル番号
９３下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）
９４異常セル番号（符号）
９５下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）
９６異常ユニット番号（符号）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cell voltage determination unit of a fuel cell system, and more particularly to a cell voltage determination unit that determines abnormality of cell voltages of a plurality of fuel cells in a fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell includes an electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxygen electrode that are electrodes having a catalytic function. The fuel electrode and the oxygen electrode sandwich the electrolyte membrane. The voltage during operation of the fuel cell is, for example, about 0.6 V (the open circuit voltage is about 1 V). Therefore, in order to use as a power source, a plurality of fuel cells are connected in series to form a fuel cell stack so as to obtain a desired voltage. Here, the number of fuel cells in the fuel cell stack is several tens to several hundreds depending on the required voltage.
[0003]
A technique is known for determining when an abnormality occurs during operation of such a fuel cell stack, based on changes in the output voltage or output current of the fuel cell stack. For example, a decrease in the output voltage or output current of the fuel cell stack due to cell damage is detected, and an abnormality is determined by comparison with a reference value. In this case, it was performed based on the characteristics of the plurality of fuel cells as a whole. Therefore, in the case of a fuel cell stack of several hundred cells, it is difficult to grasp the abnormality of one or two cells. However, there is a sufficient possibility that an abnormality of one fuel cell spreads to another fuel cell, and as a result, there is a possibility that the entire fuel cell stack may fail.
In the fuel cell stack, there is a demand for a technique that can monitor the state of each of the plurality of fuel cells and detect an abnormality of one fuel cell early.
[0004]
Here, in order to monitor the state of each of the plurality of fuel cells in the fuel cell stack, it is necessary to connect measurement wiring (for example, at least 301 for 300 cells) to each of the fuel cells. There are problems such as routing space, noise contamination, and high cost of cable wiring. The element used there needs to have a high voltage (for example, about 300V for 300 cells), and it is desirable that the measured signal does not affect the control side. For this reason, there is a problem that the apparatus cost is increased.
In a fuel cell stack, there is a need for a technique for monitoring the state of each of a plurality of fuel cells that can be implemented at low cost without the need to route a large number of cable wires.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a cell voltage determination unit capable of monitoring the state of each of a plurality of fuel cells and detecting an abnormality at an early stage in a fuel cell stack.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a cell voltage determination unit capable of measuring the voltage of each of a plurality of fuel cells and determining an abnormality of each fuel cell at an early stage in a fuel cell stack. That is.
[0007]
Still another object of the present invention is to provide a cell voltage determination unit capable of individually grasping voltage levels of a plurality of fuel cells in a fuel cell stack.
[0008]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a cell voltage determination unit capable of detecting an abnormality of each of a plurality of fuel cells at a low cost in a fuel cell stack.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the embodiments of the present invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Embodiments of the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0010]
Therefore, in order to solve the above problem, the cell voltage determination unit of the present invention includes a plurality of comparison units (43, 44) and a plurality of output units (41-1, 41-2). The plurality of comparison units (43, 44) are based on the cell voltage (51) of the fuel cell (21) and a plurality of preset reference voltages (50-1, 50-2). Each of a plurality of comparison signals (52, 53) as a comparison result between the cell voltage (51) and each of the plurality of reference voltages (50-1, 50-2) is output. The plurality of output units (41-1, 41-2) are provided with a plurality of determination signals (15-1) indicating the state of the fuel cell (21) based on each of the plurality of comparison signals (52, 53). , 15-2).
[0011]
In the cell voltage determination unit of the present invention, each of the plurality of comparison units (43, 44) has a cell voltage (51) less than or equal to each of the plurality of reference voltages (50-1, 50-2). In the case, each of the plurality of comparison signals (52, 53) is output.
[0012]
In the cell voltage determination unit of the present invention, the plurality of output units (41-1, 41-2) electrically connect the fuel cell (21) and the plurality of comparison units (43, 44) to the outside. Insulate.
[0013]
In the cell voltage determination unit of the present invention, there are a plurality of the fuel cells (21), which are connected in series, the plurality of comparison units (43, 44) are a plurality, and the plurality of the plurality Each of the comparison parts (43, 44) is provided corresponding to each of the plurality of the fuel battery cells (21).
[0014]
Moreover, the cell voltage determination unit of this invention comprises a comparison part (43), an encoding part (61), and an output part (62-1-10). The comparison unit (43) is configured to select the cell voltage (51) and the reference voltage (50−) based on the cell voltage (51) of the fuel battery cell (21) and a preset reference voltage (50-1). A comparison signal (52) as a comparison result with 1) is output. Based on the comparison signal (52), the encoding unit outputs an encoded signal (94, 95, 96) obtained by encoding the comparison signal (52) according to a preset rule. The output unit (62) outputs determination signals (65-1 to 4, 66-1 to 5) indicating the state of the fuel cell (21) based on the encoded signals (94, 95, 96). To do.
[0015]
Furthermore, in the cell voltage determination unit of the present invention, the comparison unit (43) outputs the comparison signal when the cell voltage (51) is equal to or lower than the reference voltage (50-1).
[0016]
Furthermore, in the cell voltage determination unit of the present invention, the output unit (62) electrically insulates the fuel cell (21), the comparison unit (43) and the encoding unit (61) from the outside. ,
[0017]
Furthermore, the cell voltage determination unit of the present invention includes a plurality of the fuel cells (21) connected in series to each other, the plurality of comparison units (43), and the plurality of comparison units (43). The fuel cells (21) are provided corresponding to the plurality of the fuel cells (21).
[0018]
Furthermore, in the cell voltage determination unit of the present invention, each of the plurality of comparison units (43) includes a plurality of other comparison units (43, (44)). The other plurality of comparison units (43, (44)) are based on the cell voltage (51) and a plurality of different reference voltages (50-1, (50-2)) different from each other in advance. Each of a plurality of other comparison signals (52, (53)) is output as a comparison result between the cell voltage (51) and each of the other plurality of reference voltages (50-1, (50-2)). To do.
However, this cell voltage determination unit is not shown, but is a combination of FIG. 3 and FIG.
[0019]
Furthermore, in the cell voltage determination unit of the present invention, the output unit (41, 62-1 to 10) includes a photocoupler. The input unit (62-11) includes a photocoupler.
[0020]
Furthermore, the cell voltage determination unit of the present invention outputs the cell voltage (51) based on the input of the potential (16) of the separator (20) disposed on both sides of each of the plurality of fuel cells (21). And a plurality of cell voltage output units (42).
[0021]
Furthermore, the cell voltage determination unit of the present invention includes a cell voltage output unit (85-1-1) and a control unit (76). The cell voltage output unit (85-1-1) calculates the cell voltage (51) of each of the plurality of fuel cells (21) in the fuel cell stack (3) in which the plurality of fuel cells (21) are connected in series. , Based on the selection signal (79) corresponding to the cell number as the number given to each of the plurality of fuel cells (21). The control unit (76) outputs a selection signal (79), and outputs a voltage determination signal (83) including a cell number and a cell voltage (51) based on the cell voltage (51).
[0022]
Further, in the cell voltage determination unit of the present invention, the voltage determination signal (83) includes information on the state of each of the plurality of fuel cells (21) corresponding to the magnitude of the cell voltage (51), which is set in advance. .
[0023]
Furthermore, the cell voltage determination unit of the present invention electrically insulates the control unit (76), and outputs a determination signal (15) based on the voltage determination signal (83) (85-1-2). Is further provided.
[0024]
Furthermore, in the cell voltage determination unit of the present invention, the cell voltage output unit (85) includes a first selection unit (70-1), a second selection unit (70-2), and a differential amplification unit (42). It comprises. The first selection unit (70-1) is configured to select the potentials (16-1 to 16) of the separators (21-1 to 21-m-1) from the first to the second to last from the plurality of fuel cells (21). -M-1) and the first potential (16-a) as the potential (16-i) of the separator (21-i) corresponding to the selection signal (79) based on the selection signal (79). To do. The second selection unit (70-2) includes the potentials (16-2 to 16-m) of the second to last separators (21-2 to 21-m) of the plurality of fuel cells (21), Based on the selection signal (79), the second potential (16-b) as the potential (16-i + 1) of the separator (21-i + 1) corresponding to the selection signal (79) is output. The differential amplifier (42) outputs the cell voltage (51) based on the first potential (16-a) and the second potential (16-b).
[0025]
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a cell voltage determination unit (4) according to any one of the above items, and a fuel cell stack including the cell voltage determination unit (4) ( 3).
[0026]
In order to solve the above problems, the cell voltage determination method of the present invention provides a cell voltage of each of the plurality of fuel cells (21) in the fuel cell stack (3) in which the plurality of fuel cells (21) are connected in series. Obtaining (51), comparing the cell voltage (51) with each of a plurality of preset reference voltages (50-1, 50-2), the cell voltage (21) and the plurality of Based on the magnitude relationship with the reference voltage (50-1, 50-2), a comparison signal (52, 53) corresponding to the magnitude relationship among the plurality of preset comparison signals (52, 53) is generated. And determining the state of the cell voltage (51) based on the corresponding comparison signals (52, 53).
[0027]
According to the cell voltage determination method of the present invention, the step of determining the state of the cell voltage (51) encodes the corresponding comparison signal (52, 53) according to a preset rule, and the encoding Determining the state of the cell voltage (51) based on the comparison signal (94, 95, 96).
[0028]
Furthermore, the cell voltage determination method of the present invention acquires each cell voltage (51) of the plurality of fuel cells (21) in the fuel cell stack (3) in which the plurality of fuel cells (21) are connected in series. Based on the step, the number assigned to the cell voltage (51) obtained from each of the plurality of fuel cells (21), and the cell voltage (51), the number and the cell voltage (51) Outputting a voltage determination signal (83) including:
[0029]
Furthermore, according to the cell voltage determination method of the present invention, the step of outputting the voltage determination signal (83) is based on the cell voltage (51) and a plurality of preset reference voltages. The method further includes the step of determining the state of each. Here, the voltage determination signal (83) includes information on the state of each of the plurality of fuel cells (21).
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which a cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings.
In each embodiment, the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.
[0031]
Example 1
A configuration in the first embodiment of the fuel cell system to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in a first embodiment of a fuel cell system to which a cell voltage determination unit according to the present invention is applied. The fuel cell system includes a fuel gas supply device 1, an oxidant gas supply device 2, a fuel cell stack 3, a cell voltage determination unit 4, a control device 5, a fuel cell output switch 6, a diode 7, an electric cable 10, an electric cable 11, and an electric A cable 12 is provided. The load device 8 is connected to supply power to the load device 8.
[0032]
The fuel gas supply device 1 controls the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 3. Here, the fuel gas is a gas containing hydrogen or hydrogen exemplified by a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based material such as methanol or gasoline.
The oxidizing gas supply device 2 controls the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack 3. Here, the oxidizing gas is oxygen or a gas containing oxygen exemplified by air.
[0033]
The fuel cell stack 3 is an assembly of fuel cells that perform power generation using hydrogen in the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 1 and oxygen in the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply device 2 ( A stack in which a plurality of fuel cells are connected in series). It is connected to the load device 8 via the diode 7 and the fuel cell output switch 6, and supplies fuel cell power as generated power to the load device 8. The fuel battery cell is a fuel battery exemplified by a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and the like.
[0034]
The cell voltage determination unit 4 receives the cell voltage (output voltage 16) of each of the plurality of fuel cells in the fuel cell stack 3 via the electric cable 10. Then, the abnormality of each of the plurality of fuel cells is determined based on those cell voltages and a preset reference voltage (a plurality (possible later)). If there is an abnormality, the determination signal 15 is output to the control device 5 via the electric cable 12. The cell voltage determination unit 4 is supplied with electric power from the control device 5 via the electric cable 11.
[0035]
The control device 5 controls the entire fuel cell system (including the fuel gas supply device 1, the oxidizing gas supply device 2, the fuel cell stack 3, the cell voltage determination unit 4, the fuel cell output switch 6, and the diode 7). When the determination signal 15 indicating abnormality is received from the cell voltage determination unit 4 via the electric cable 12, appropriate measures are taken to protect the fuel cell of the fuel cell stack 3. For example, by controlling the fuel gas supply device 1 and the oxidant gas supply device 2 to increase the supply of fuel gas and oxidant gas, the fuel gas and the fuel gas are prevented from being out of gas during operation. The operation of the fuel cell is stopped by stopping the supply of the oxidizing gas and shutting off the fuel cell output switch 6.
[0036]
The fuel cell output switch 6 performs electrical connection between the fuel cell stack 3 and the load device 8.
The diode 7 prevents reverse current in the fuel cell system.
[0037]
In the case of a vehicle fuel cell system, the load device 8 is a vehicle drive inverter, a motor, or the like. In the case of a stationary fuel cell system, it is a commercial inverter or the like.
[0038]
Next, the configuration of the fuel cell stack to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be further described with reference to FIG.
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell stack when the cell voltage determination unit according to the present invention is mounted. The fuel cell stack includes a cell voltage determination unit 4, electric cables 10-1 to n, separators 20-1 to n, fuel cell cells 21-1 to n-1, a power generation unit 22, a current collecting plate 23, an insulating plate 24, End plate 25, current collecting plate 26, insulating plate 27, end plate 28, fuel gas inlet 29, cooling water inlet 30, oxidizing gas inlet 31, oxidizing gas outlet 32, cooling water outlet 33, fuel gas exhaust An outlet 34 is provided.
[0039]
The cell voltage determination unit 4 is provided in the vicinity of the voltage fuel cell stack 3 so that the length of the electric cable 10-r (r = 1 to n, natural number, the same shall apply hereinafter) for extracting the cell voltage from the fuel cell 21 can be shortened. Be placed. In this embodiment (FIG. 2), the cell voltage determination unit 4 is attached to the side surface (upper surface in the drawing) of the fuel cell stack 3.
[0040]
The electric cable 10-r connects the separator 20-r and the appropriate terminal of the cell voltage determination unit 4. Since the cell voltage determination unit 4 is disposed in the vicinity of the voltage fuel cell stack 3, the cell voltage determination unit 4 can be very short, and there is no concern about routing and noise.
[0041]
The power generation unit 22 is a part that generates power in the fuel cell stack 3, and the fuel cell 21-s (s = 1 to n−1, natural number, the same applies hereinafter) is the separator 20-r (r = s and s + 1). ) Are connected in series.
The separator 20-r (r = s and s + 1) is disposed on both sides of the fuel cell 21-s, and electrically connects the adjacent fuel cells 21 to each other. At the same time, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the fuel battery cell 21-s. Furthermore, a cooling water passage is provided to cool the fuel cell 21-s.
The fuel battery cell 21-s has a structure in which an electrolyte membrane exemplified by an ion exchange resin is sandwiched between a fuel electrode as an electrode and an oxygen electrode. Then, hydrogen in the fuel gas on the fuel electrode side supplied via the separator 20-r and oxygen in the oxidizing gas on the oxygen electrode side undergo an electrochemical reaction to generate electricity. The fuel cell 21-s is sandwiched between two separators 20-r and 20-r + 1 (where r = s).
[0042]
The current collecting plate 23 and the current collecting plate 26 are electrodes for collecting the electric power generated by the fuel cells 21-1 to n-1 and taking it out.
The insulating plate 24 and the insulating plate 27 insulate the current collecting plate 23 and the current collecting plate 26 from the end plate 25 and the end plate 28.
The end plate 25 and the end plate 28 sandwich the power generation unit 22 from both sides. The end plate 25 is provided with a fuel gas inlet 29, a cooling water inlet 30, and an oxidizing gas inlet 31. Fuel gas, cooling water, and oxidizing gas are supplied to the fuel cell stack 3, respectively. Similarly, the end plate 28 is provided with an oxidizing gas outlet 32, a cooling water outlet 33 and a fuel gas outlet 34. Oxidizing gas, cooling water, and fuel gas are discharged from the fuel cell stack 3, respectively.
[0043]
Next, the configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention will be further described with reference to FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the cell voltage determination unit according to the present invention. The cell voltage determination unit 4 includes a plurality of submodules 40-1 to p (p is a natural number). The fuel cells 21-1 to n-1 of the fuel cell stack 3 are divided into p groups (the same number as the number of submodules). Then, the output voltage (cell voltage) of each fuel cell 21-s is determined in the corresponding submodules 40-1 to p. Since these submodules 40-1 to p have the same configuration, only the submodule 40-1 is illustrated as an example, and the configuration will be described. In this embodiment, an example in which two reference voltages (to be described later) (two reference voltages different from each other) serving as a reference for determining the cell voltage will be described. However, the present invention is limited to two. It is not a thing.
[0044]
The submodules 40-1 (to p) include photocouplers 41-1 and 41-2, differential amplifiers 42-k (k = 1 to m-1, natural numbers, hereinafter the same), a comparator 43-k, and a comparator 44-. k, an output transistor 45-k, an output transistor 46-k, a wiring 47, a wiring 48, a ground portion 49, a determination level setting device 57, and an insulated power source 58. One of them is connected to the electric cable 10-i (i = 1 to m, natural number, the same applies hereinafter), and the other is connected to the electric cable 11 and the electric cables 12-1 to 12.
[0045]
The differential amplifier 42-k has a cell voltage 51-k (based on the cell potential at both ends of each fuel cell 21-k input from the electric cable 10-i and the electric cable 10-i + 1 (i = k). Output voltage). The number of fuel cells 21 that the submodule 40-1 is in charge of is (m-1; m is the number of separators 20). The differential amplifier 42-k is exemplified by an inexpensive semiconductor element or an operational amplifier.
That is, the electric cable 10-i and the electric cable 10-i + 1 (i = k) having one end connected to each of the separator 20-i and the separator 20-i + 1 (i = k) sandwiching the fuel cell 21-k are The other end is connected to the differential amplifier 42-k. Then, the differential amplifier 42-k receives the potential 16-i (cell potential at one electrode of the fuel cell 21-k) of the separator 20-i (i = k) and the separator from each electric cable 10. 20-i + 1 (i = k) potential 16-i + 1 (cell potential at the other electrode of the fuel cell 21-k). The differential amplifier 42-k calculates the difference (potential 16-i-potential 16-i + 1) and outputs it as a cell voltage 51-k (output voltage).
[0046]
The comparator 43-k generates a cell voltage based on the cell voltage 51-k output from the differential amplifier 42-k and the voltage determination level 50-1 as a reference voltage output from the determination level setting unit 57. (= Abnormality of the fuel cell 21-k) is determined. When there is an abnormality, a cell voltage determination signal 52-k is output as a comparison signal. The same number of comparators 43-k as the differential amplifiers 42-k are arranged. The comparator 43-k is exemplified by an inexpensive semiconductor element or an operational amplifier.
That is, the comparator 43-k compares the cell voltage 51-k output from the differential amplifier 42-k with the voltage determination level 50-1 as the reference voltage output from the determination level setting unit 57. When the cell voltage 51-k becomes equal to or lower than the voltage determination level 50-1, the cell voltage 51-k is determined to be abnormal (= the fuel cell 21-k is abnormal). When it is determined that there is an abnormality, the cell voltage determination signal 52-k as the first comparison signal is output.
[0047]
When the output transistor 45-k is determined to be abnormal, the output transistor 45-k sends a cell voltage determination signal (abnormality of the cell voltage 51-k) to the wiring 47 based on the cell voltage determination signal 52-k input from the comparator 43-k. The current 54 shown is output. The same number of output transistors 45-k as the comparators 43-k are arranged.
That is, the output transistor 45-k receives the cell voltage determination signal 52-k output from the comparator 43-k at the base electrode when the cell voltage 51-k is abnormal. As a result, the output transistor 45-k is turned on, and the output transistor 45-k outputs a current 54 indicating the cell voltage determination signal 52-k to the connected wiring 47.
[0048]
The photocoupler 41-1 can electrically insulate the wiring 47 and the electric cable 12-1 and exchange signals. Based on the current 54 indicating the cell voltage determination signal 52-k of the wiring 47, a determination signal 15-1 indicating an abnormality of the cell voltage 51-k is output to the electric cable 12-1. It is also called an output unit together with the photocoupler 41-2.
That is, the photocoupler 41-1 is turned on by the current 54, and outputs the determination signal 15-1 to the electric cable 12-1 in which the wiring 47 and the electric cable 12-1 are electrically insulated. The determination signal 15-1 is sent to the control device 5 via the cable 12-1. The control device 5 detects an abnormality in the cell voltage based on the determination signal 15-1.
[0049]
The wiring 47 of the photocoupler 41-1 is connected to all the output transistors 45 and is wired or connected. Accordingly, even when any one of the fuel cells 21-k is abnormal and the current 54 indicating the cell voltage determination signal 52-k is generated by the output transistor 45-k, the fuel cell 21-k is similarly turned on. And the determination signal 15-1 is output to the electric cable 12-1.
Moreover, the electric cable 12-1 is connected to the output side of the photocoupler installed in all the submodules 40-1 to p, and is wired or connected. Therefore, if the determination signal 15-1 is output in any of the submodules 40, the determination signal 15-1 is sent to the control device 5 via the electric cable 12-1.
That is, even when an abnormality occurs in one fuel cell 21 in the group of fuel cells 21 that each of the submodules 40-1 to p is in charge of, it is possible to reliably grasp the abnormality.
[0050]
The same applies to the comparator 44-k, the output transistor 46-k, the wiring 48, the photocoupler 41-2, and the electric cable 12-2.
That is, the comparator 44-k uses a reference voltage different from the cell voltage 51-k output from the differential amplifier 42-k and the voltage determination level 50-1 output from the determination level setting unit 57. Based on the voltage determination level 50-2, abnormality of the cell voltage (= abnormality of the fuel cell 21-k) is determined. If there is an abnormality, a cell voltage determination signal 53-k is output as a comparison signal. The same number of comparators 44-k as the differential amplifiers 42-k are arranged. The comparator 44-k is exemplified by an inexpensive semiconductor element or an operational amplifier.
[0051]
However, the voltage determination level 50-2 is different from the voltage determination level 50-1. For example, the value of the voltage determination level 50-2 is the voltage at which the fuel cell stack 3 must be urgently stopped, and the voltage determination level 50-1 is the voltage at which the output of the fuel cell stack 3 must be reduced to 50% or less. And By doing so, it is possible to determine abnormality according to the degree of abnormality of the fuel cell stack 3.
[0052]
The output transistor 46-k outputs a cell voltage determination signal 53-k (cell voltage 51-k of the cell voltage 51-k) to the wiring 48 based on the cell voltage determination signal 53-k output from the comparator 44-k when it is determined to be abnormal. A current 55 indicating (abnormal) is output. The same number of output transistors 46-k as the comparators 44-k are arranged.
The photocoupler 41-2 can electrically insulate the wiring 48 from the electric cable 12-2 and can exchange signals. Based on the current 55 indicating the cell voltage determination signal 53-k of the wiring 48, the determination signal 15-2 indicating abnormality of the cell voltage 51-k is output to the electric cable 12-2. The control device 5 detects an abnormality in the cell voltage based on the determination signal 15-2.
[0053]
The wiring 48 of the photocoupler 41-2 is connected to all the output transistors 46 and is in a wired OR connection. Therefore, even if any of the fuel cells 21 is abnormal, the determination signal 15-2 is output to the electric cable 12-2.
The electric cable 12-2 is connected to the output side of the photocouplers installed in all the submodules 40-1 to 40-p, and has a wired OR connection. Therefore, the determination signal 15-2 issued in any of the submodules 40 is sent to the control device 5 via the electric cable 12-2.
That is, even when an abnormality occurs in one fuel cell 21 in the group of fuel cells 21 that each of the submodules 40-1 to p is in charge of, it is possible to reliably grasp the abnormality.
[0054]
The determination level setting unit 57 generates a voltage determination level 50-1 and a voltage determination level 50-2, and outputs them to the comparator 43 and the comparator 44, respectively. The voltage determination level 50-1 and the voltage determination level 50-2 are, for example, 2/3 (0.4V) and 1/3 (0.2V) when the rated voltage of the fuel cell 21 is 0.6V. To do. When the voltage determination level is 50-1 or lower, the danger level is 1, and when the voltage determination level is 50-2 or lower, the danger level is 2. And it becomes possible to respond | correspond appropriately with the condition of the fuel cell 21 by setting the coping method according to two danger levels, respectively. In order to reduce the influence of noise, when the cell voltage is amplified in the differential amplifier 42, the voltage determination level 50 (-1 to 2) is increased according to the amplification factor.
[0055]
Further, the voltage determination level 50 is not limited to two, and more voltage determination levels can be set. For example, if the voltage judgment level is set to five and 0.55 V, 0.50 V, 0.45 V, 0.40 V, and 0.3 V are set with respect to the rated 0.6 V, each fuel cell 21-k is simply set. In addition to knowing the abnormality, it is possible to roughly grasp the magnitude of the voltage of each fuel cell 21-k. And if it performs a continuous measurement, it will become possible to grasp | ascertain the deterioration condition of each fuel cell 21-k, generation | occurrence | production of abnormality, prediction of a lifetime, etc.
In that case, according to the number of voltage determination levels, a comparator, an output transistor, wiring, a photocoupler, and an electric cable can be similarly provided for each fuel cell 21-k.
[0056]
The insulated power supply 58 supplies power to each circuit in the submodule 40-1, such as the differential amplifier 42-k, the comparator 43-k, the comparator 44-k, and the photocouplers 41-1 and 41-2. The insulated power source 58 may be any power source that can insulate the submodule 40-1 from the control device 5 (common power source). For example, a DC / DC converter. In addition, you may use the power supply different from the control apparatus 5, and in that case, the power supply apparatus and the submodule 40-1 are insulated by the insulated power supply 58. FIG.
[0057]
In the present invention, each submodule 40 is insulated from the control device 5 for each submodule 40 by using an insulated power source 58 and a photocoupler 41. Therefore, each cell voltage can be determined without requiring a complicated and expensive isolation amplifier.
[0058]
The ground portion 49 prevents the potential between the sub-module 40-1 and the fuel cell stack 3 from becoming indefinite and the differential amplifier 42-k from being affected by common mode noise to prevent malfunction or damage. One of the separators 20-i is grounded in the submodule 40-1, and is set to a reference potential (0 V). The position of the ground is determined by the allowable input voltage of the differential amplifier 42-k with respect to the power supply in the module 40-1. For example, if m = 31, if the ground portion 49 is provided in the separator 20-16, the output voltage of one fuel cell 21 is less than 1V, so 15 cells (+ 15V) on the + side and 15 on the-side. This corresponds to the cell (less than −15V), and the maximum input voltage to the differential amplifier 42-k is less than ± 15V. Accordingly, it is possible to use the differential amplifier 42 having the maximum input voltage ± 15V. If the power supply in the sub-module is not ± 15V, + 30V of a single power supply, and the allowable input voltage of the differential amplifier 42-k is 0-30V, the lowest separator 20-m is grounded.
[0059]
Next, the operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(1) The control device 5 starts the fuel cell stack 3 by operating an auxiliary device at the time of activation. Then, the fuel cell stack 3 is brought into a power-generating state (temperature, pressure, fuel gas, oxidizing gas, etc.).
(2) When the power generation of the fuel cell stack 3 becomes possible, the control device 5 turns on the fuel cell output switch 6, electrically connects the load device 8 to the fuel cell stack 3, and outputs the fuel cell power.
[0060]
(3) During power generation, between the cell voltage determination unit 4 and the fuel cell stack 3, the potential 16-i of the separator 20-i (fuel cell 21-k (k = i, hereinafter (1) to (9- 3) is the same as the cell potential at one electrode) and the potential 16-i + 1 of the separator 20-i + 1 (cell potential at the other electrode of the fuel cell 21-k) is the differential amplifier 42-k. Is input.
(4) In the differential amplifier 42-k, a cell voltage 51-k (= potential 16-i-potential 16-i + 1) which is the difference is calculated. The cell voltage 51-k is output to the comparator 43-k and the comparator 44-k.
[0061]
(5-1) (Voltage determination level 50-2 ≦) When voltage determination level 50-1 ≦ cell voltage 51-k
Cell voltage 51-k is compared with voltage determination level 50-1 output from determination level setting unit 57 in comparator 43-k. The cell voltage 51-k is sufficiently high and has no abnormality. Accordingly, no signal is output from the comparator 43-k (and the comparator 44-k), and the operation is continued as usual.
[0062]
(5-2) Voltage determination level 50-2 ≦ cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-1
Cell voltage 51-k is compared with voltage determination level 50-1 output from determination level setting unit 57 in comparator 43-k. When cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-1, the cell voltage is determined to be abnormal (fuel cell 21-k is abnormal). In that case, a cell voltage determination signal 52-k is output.
(6-2) The cell voltage determination signal 52-k is input to the base of the output transistor 45-k. As a result, the output transistor 45-k is turned on, and the current 54 indicating the cell voltage determination signal 52-k flows through the wiring 47 connected to the output transistor 45-k.
(7-2) The current 54 turns the photocoupler 41-1 on. Thereby, the determination signal 15-1 which shows the cell voltage determination signal 52-k is output to the electric cable 12-1. The determination signal 15-1 is sent to the control device 5 via the cable 12-1.
(8-2) The control device 5 detects an abnormality in the cell voltage based on the determination signal 15-1. However, since the voltage determination level 50-2 ≦ cell voltage 51-k, no signal is output from the comparator 44-k, and therefore the determination signal 15-2 is not output to the control device 5. Therefore, the control device 5 grasps the situation A where the voltage determination level 50-2 ≦ the cell voltage 51-k ≦ the voltage determination level 50-1.
(9-2) The control device 5 performs appropriate measures for protecting the fuel cells of the fuel cell stack 3 under the condition of the situation A. For example, by controlling the fuel gas supply device 1 and the oxidizing gas supply device 2 to increase the supply of fuel gas and oxidizing gas, the fuel cell stack prevents the fuel cell from running out of gas during operation. 3 output is limited.
[0063]
(5-3) Cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-2 (≦ voltage determination level 50-1)
Cell voltage 51-k is compared with voltage determination level 50-2 output from determination level setting unit 57 in comparator 44-k. When cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-2, it is determined that the cell voltage is abnormal (fuel cell 21-k is abnormal). In that case, a cell voltage determination signal 53-k is output.
(6-3) The cell voltage determination signal 53-k is input to the base of the output transistor 46-k. As a result, the output transistor 46-k is turned on, and the current 55 indicating the cell voltage determination signal 53-k flows through the wiring 48 connected to the output transistor 46-i.
(7-3) The current 55 turns on the photocoupler 41-2. Thereby, the determination signal 15-2 indicating the cell voltage determination signal 53-i is output to the electric cable 12-2. The determination signal 15-2 is sent to the control device 5 via the cable 12-2.
(8-3) The control device 5 detects an abnormality in the cell voltage based on the determination signal 15-2. The control device 5 grasps the situation B that cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-2 (≦ voltage determination level 50-1).
(9-3) The control device 5 performs appropriate measures for protecting the fuel cells of the fuel cell stack 3 under the condition of the situation B. For example, the operation of the fuel cell is stopped by stopping the supply of the fuel gas and the oxidizing gas and shutting off the fuel cell output switch 6.
[0064]
According to the present invention, even when only one of the fuel cells has an abnormality, it can be detected. Moreover, it becomes possible to grasp | ascertain correctly the condition of abnormality of a fuel cell by having a some criteria. Furthermore, by increasing the number of determination criteria, it becomes possible to grasp the cell voltage of each cell.
[0065]
(Example 2)
The configuration of the second embodiment of the fuel cell system to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in a second embodiment of a fuel cell system to which a cell voltage determination unit according to the present invention is applied. The fuel cell system includes a fuel gas supply device 1, an oxidizing gas supply device 2, a fuel cell stack 3, a cell voltage determination unit 4, a control device 5, a fuel cell output switch 6, a diode 7, electric cables 10-1 to n, electricity A cable 11 and an electric cable 12 are provided. The load device 8 is connected to supply power to the load device 8.
Since these are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0066]
Next, the configuration of the fuel cell stack to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell stack when the cell voltage determination unit according to the present invention is mounted. The fuel cell stack includes a cell voltage determination unit 4, electric cables 10-1 to n, separators 20-1 to n, fuel cell cells 21-1 to n-1, a power generation unit 22, a current collecting plate 23, an insulating plate 24, End plate 25, current collecting plate 26, insulating plate 27, end plate 28, fuel gas inlet 29, cooling water inlet 30, oxidizing gas inlet 31, oxidizing gas outlet 32, cooling water outlet 33, fuel gas exhaust An outlet 34 is provided.
Since these are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0067]
Next, the configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention will be further described with reference to FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention. The cell voltage determination unit 4 includes a plurality of submodules 40-1 to p (p is a natural number). The fuel cells 21-1 to 21-n of the fuel cell stack 3 are divided into p groups (the same number as the number of submodules). Then, the output voltage (cell voltage) of the fuel cell 21-s is determined by the corresponding submodules 40-1 to 40-p. Since these submodules 40-1 to p have the same configuration, only the submodule 40-1 is illustrated as an example, and the configuration will be described. Further, in the present embodiment, the reference voltage serving as a reference for determining the cell voltage will be described with an example, but the present invention is not limited to one, and by combining the first embodiment, The cell voltage determination unit 4 uses a plurality of different reference voltages.
[0068]
The submodule 40-1 (to p) includes a differential amplifier 42-k (k = 1 to m-1, natural number, hereinafter the same), a comparator 43-k, a determination level setting unit 57, an insulated power supply 58, an encoder 61. And photocouplers 62-1 to 11-11. One of them is connected to the electric cable 10-i (i = 1 to m, natural number, the same applies hereinafter), and the other is connected to the electric cable 11 and the electric cables 12-3 to 5.
Here, the number of fuel cells 21 is m-1. At that time, the number of separators 20 is m.
[0069]
Since the differential amplifier 42-k, the comparator 43-k, and the insulated power supply 58 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
However, if there is an abnormality in the cell voltage (= abnormality in the fuel cell 21-k), the cell voltage determination signal 52-k as a comparison signal is output to the encoder 61.
[0070]
The encoder 61 encodes the number of the fuel cell 21-k in which an abnormality has occurred and the number of the submodule 40 based on the cell voltage determination signal 52-k output from the comparator 43-k, and provides a photocoupler. Output to 62-1-10.
That is, the encoder 61 receives the cell voltage determination signal 52-k output from the comparator 43-k corresponding to the fuel cell 21-k in which an abnormality has occurred, and receives the number of the fuel cell 21-k and The number of the submodule 40-1 is encoded based on a preset rule. Thereafter, a code “0” or “1” indicating an encoded signal is output from the output terminals of UNIT-OUT, U1 to U4, and S1 to S5. Although there is no restriction | limiting in the encoding method, For example, it can implement based on the rule shown in below-mentioned FIG.
Although the encoder 61 is used here, a semiconductor device (one chip) having a gate array, an AD converter, a memory, and a CPU can also be used.
[0071]
The photocouplers 62-1 to 6-11 can electrically insulate the wiring on the encoder 61 side and the electric cables 12-3 to 5-5 and perform signal transfer. Among these, the photocouplers 62-1 to 102-1 determine the determination signal 63-2 indicating the encoded signal to the electric cables 12-3 to 5 based on the encoded signal of the wiring on the encoder 61 side. A signal 65 and a determination signal 66 are output. The photocoupler 62-11 receives the determination signal 63-1 indicating the presence / absence of abnormality from the other submodule 40, and outputs it to the encoder 61 side. The encoder 61 may perform encoding with reference to this signal.
Here, the photocouplers 62-1 to 62-10 are also referred to as an output unit.
[0072]
That is, the photocouplers 62-1 to 62-1 are turned on by the input of the encoded signal. The photocoupler 62-1 outputs a signal from the UNIT-OUT to the electric cable 12-5 as the determination signal 63-2. The photocouplers 62-2 to 5-5 output the signals from U1 to U4 to the electric cable 12-3 as determination signals 65-1 to 65-4. The photocouplers 62-6 to 62-10 output the signals from S1 to S5 to the electric cable 12-4 as determination signals 66-1 to 66-5. These determination signals are sent to the control device 5 via the cables 12-3 to 5. The control device 5 detects a voltage abnormality in the fuel cells 21-k of the submodules 40-1 to p based on these determination signals.
[0073]
The control device 5 can accurately specify the number of the fuel cell in which a failure (abnormality) has occurred and the number of the submodule 40. And it can repair very efficiently and it becomes possible to reduce the time and cost of a maintenance.
[0074]
Since the determination level setting unit 57 is the same as that of the first embodiment except that the voltage determination level is one, the description thereof is omitted. However, it is possible to increase the voltage determination level as in the first embodiment.
[0075]
In the present invention, each submodule 40 is insulated from the control device 5 for each submodule 40 by using an insulated power source 58 and a photocoupler 62. Therefore, each cell voltage can be determined without requiring a complicated and expensive isolation amplifier.
[0076]
Similarly to the first embodiment, a ground portion (not shown) is provided corresponding to the maximum input voltage of the differential amplifier 42.
[0077]
FIG. 5 is a table showing an example of the relationship between the input at the encoder 61 and the encoding. Here, the number of submodules 40 is 16, and the number of fuel cells 21 in each submodule 40 is 30. And this table | surface assumes that the submodule 40-1 is shown.
Input 90 indicates a column relating to an input signal of the encoder 61.
The output 91 indicates a column related to the output signal (encoded signal) of the encoder 61.
[0078]
The abnormal cell number 92 is the number of the fuel battery cell 21 indicating an abnormality. This corresponds to the input terminal number of the input cell voltage (51).
The abnormal cell number (symbol) 94 indicates the number of the encoded fuel cell 21 corresponding to the abnormal cell number 92. The abnormal cell numbers 92 of 1 to 30 and “no abnormal cell” are expressed by five digits “1” and “0” (binary numbers) of S1 to S5. Here, a maximum of 2 ⁵ -1 = 31 fuel cells 21 can be handled (however, since S1 to S5 = 00000 is assigned to “no abnormal cells” here, a maximum of 31 cells).
That is, when the number (abnormal cell number 92) of the fuel cell 21 indicating abnormality is “2”, the number is encoded (abnormal cell number (sign) 94), and five digits S1 to S5 are used. Thus, it becomes 01000 (inverted notation as binary number here) and is output from each terminal of S1 to S5. The signals output from the five digits S1 to S5 correspond to the determination signal 66-1 to the determination signal 66-5.
[0079]
In the lower unit abnormality (UNIT-IN) 93, when an abnormality occurs in the submodule 40-4 connected in front of the submodule 40-1, "1" is input to the UNIT-IN terminal of the encoder 61. It shows that.
The lower unit abnormality (UNIT-OUT) 95 indicates that “1” is output from the UNIT-OUT terminal of the encoder 61 when an abnormality occurs in the fuel cell 21-k in the submodule 40-1.
In addition, since the electric cable 12-4 is shared with the other submodule 40, when the determination signal 66 is output from one submodule 40, it is not output from the other submodule. Accordingly, if priority is given to the one far from the control device 5, if an abnormality occurs in the submodule 40-2 (to p) connected to the far side and "1" is input to the UNIT-IN terminal, Control is performed so that the abnormal cell number (symbol) 94 is not output. In this case, “1” is output from the UNIT-OUT terminal of the encoder 61.
[0080]
The abnormal unit number (symbol) 96 indicates the number of the encoded submodule 40 corresponding to the submodule 40 number having the fuel cell 21 indicating abnormality. The number of the submodule 40 indicating an abnormality is expressed by “1” and “0” (binary number) of four digits U1 to U4. Here, a maximum of 2 ⁴ = 16 submodules 40 can be supported.
That is, when the number of the sub-module 40 having the fuel cell 21 indicating abnormality is 1 (sub-module 40-1), the number is encoded (abnormal unit number (code) 96), and 4 of U1 to U4. Using one digit, the value is 1000 (indicated here as binary notation) and is output from each terminal of U1 to U4. The signals output from the four digits U1 to U4 correspond to the determination signals 65-1 to 65-4.
[0081]
Next, the operation of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(1) The control device 5 starts the fuel cell stack 3 by operating an auxiliary device at the time of activation. Then, the fuel cell stack 3 is brought into a power-generating state (temperature, pressure, fuel gas, oxidizing gas, etc.).
(2) When the power generation of the fuel cell stack 3 becomes possible, the control device 5 turns on the fuel cell output switch 6, electrically connects the load device 8 to the fuel cell stack 3, and outputs the fuel cell power.
[0082]
(3) During power generation, between the cell voltage determination unit 4 and the fuel cell stack 3, the potential 16-i of the separator 20-i (fuel cell 21-k (k = i, hereinafter (1) to (9- 3) is the same as the cell potential at one electrode) and the potential 16-i + 1 of the separator 20-i + 1 (cell potential at the other electrode of the fuel cell 21-k) is the differential amplifier 42-k. Is input.
(4) In the differential amplifier 42-k, a cell voltage 51-k (= potential 16-i-potential 16-i + 1) which is the difference is calculated. Then, the cell voltage 51-k is output to the comparator 43-k.
[0083]
(5-1) Voltage determination level 50-1 ≦ cell voltage 51-k
Cell voltage 51-k is compared with voltage determination level 50-1 output from determination level setting unit 57 in comparator 43-k. The cell voltage 51-k is sufficiently high and has no abnormality. Therefore, no signal is output from the comparator 43-k, and the operation is continued as usual.
[0084]
(5-2) In the case of cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-1.
Cell voltage 51-k is compared with voltage determination level 50-1 output from determination level setting unit 57 in comparator 43-k. When cell voltage 51-k ≦ voltage determination level 50-1, the cell voltage is determined to be abnormal (fuel cell 21-k is abnormal). In that case, a cell voltage determination signal 52-k is output.
(6-2) The cell voltage determination signal 52-k is input to the encoder 61. In the encoder 61, the number of the fuel cell 21-k and the number of the submodule 40-1 are encoded according to a preset rule. The encoding is performed by a method as shown in FIG. 5, for example. Thereafter, a code “0” or “1” indicating the encoded signal is output from the output terminals U1 to U4 and S1 to S5.
In addition, when abnormality occurs in the submodule 40-2 (to p) connected to the side far from the control device 5 and "1" is input to the UNIT-IN terminal, U1 to U4 and S1 to S5 Control not to output from the output terminal. In this case, “1” is output from the UNIT-OUT terminal of the encoder 61.
(7-2) Among the encoded signals, an output of “1” turns on the corresponding photocoupler 62 (−1 to 10).
If there is an abnormality in the sub-module 40 (2-p) or the fuel cell 21-k in the sub-module 40-1, a determination signal 63-2 indicating the abnormality is sent from the photocoupler 62-1 to the electric cable. It is output to 12-5.
Further, when there is no abnormality in the lower submodule 40 (2 to p) and there is an abnormality in the fuel cell 21-k in the submodule 40-1, determination signals 65-1 to 65-4 indicating the submodule 40-1. Are output from the photocouplers 62-2-5 to the electric cable 12-3.
Further, when there is no abnormality in the lower submodule 40 (2 to p) and there is an abnormality in the fuel cell 21-k in the submodule 40-1, the determination signal 66-1 indicating the fuel cell 21-k is obtained. 5 is output from the photocoupler 62-6 to 10 to the electric cable 12-4.
Those determination signals are sent to the control device 5.
(8-2) The control device 5 detects a voltage abnormality in any one of the fuel cells 21-k of the submodules 40-1 to p based on the determination signals. And the control apparatus 5 grasps | ascertains the situation C that cell voltage 51-k <= voltage determination level 50-1.
(9-2) The control device 5 performs appropriate measures for protecting the fuel cells of the fuel cell stack 3 under the condition C. For example, by controlling the fuel gas supply device 1 and the oxidant gas supply device 2 and the like to increase the supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell 21-k of the submodule 40, the fuel cell 21-k Is not out of gas during operation, and the output of the fuel cell stack 3 is reduced.
[0085]
According to the present invention, it is possible to individually specify the fuel cell in which an abnormality has occurred and its submodule. And it becomes possible to implement control corresponding to the individual fuel cells.
[0086]
If the electric cable 12-4 is not shared but provided for each submodule 40, the lower unit abnormality (UNIT-IN) 93 and the lower unit abnormality (UNIT-OUT) 94 can be omitted. In that case, the number of the failed fuel cell 21 and the number of the submodule 40 to which it belongs are determined based on determination signals from the electric cable 12-3 and the electric cables 12-4-1 to p (when there are p submodules 40). Can be identified continuously at all times.
[0087]
In this embodiment, there is one voltage determination level, but it is possible to increase the voltage determination level as in the first embodiment. In that case, for example, a comparator is newly provided for each fuel cell 21 in accordance with the number of voltage determination levels, an encoder for encoding the output of the comparator, and a photo for outputting the encoded signal. It can be implemented by newly providing a coupler and an electric cable.
Alternatively, by selecting an encoder 61 having a large number of input terminals and output terminals as the voltage determination level increases, even if the voltage determination level increases, it is possible to cope with one encoder. In that case, according to the number of voltage determination levels, it can implement by providing a new comparator with respect to each fuel cell 21, and also newly providing a photocoupler and an electric cable similarly.
Thereby, it is possible to accurately grasp the abnormal state (level) of the fuel cell. Furthermore, by increasing the number of voltage determination levels (determination criteria), it becomes possible to grasp the cell voltage of each cell.
[0088]
(Example 3)
The configuration of the third embodiment of the fuel cell system to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in a third embodiment of a fuel cell system to which a cell voltage determination unit according to the present invention is applied. The fuel cell system includes a fuel gas supply device 1, an oxidant gas supply device 2, a fuel cell stack 3, a cell voltage determination unit 4, a control device 5, a fuel cell output switch 6, a diode 7, an electric cable 10, an electric cable 11, and an electric A cable 12 is provided. The load device 8 is connected to supply power to the load device 8.
Since these are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0089]
Next, the configuration of the fuel cell stack to which the cell voltage determination unit according to the present invention is applied will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell stack when the cell voltage determination unit according to the present invention is mounted. The fuel cell stack includes a cell voltage determination unit 4, electric cables 10-1 to n, separators 20-1 to n, fuel cell cells 21-1 to n-1, a power generation unit 22, a current collecting plate 23, an insulating plate 24, End plate 25, current collecting plate 26, insulating plate 27, end plate 28, fuel gas inlet 29, cooling water inlet 30, oxidizing gas inlet 31, oxidizing gas outlet 32, cooling water outlet 33, fuel gas exhaust An outlet 34 is provided.
Since these are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0090]
Next, the configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention will be further described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention. The cell voltage determination unit 4 includes a plurality of cell voltage units 85-q (q = 1 to p, natural numbers, hereinafter the same) and an insulated power source 58. The electric cable 10, the electric cable 11, and the electric cable 12 are connected. Here, the fuel cells 21-1 to 21 -n of the fuel cell stack 3 are divided into p groups (the same number as the number of cell voltage units 85). The cell voltage (output voltage) of the fuel cell 21-s is output by the corresponding cell voltage units 85-1 to 85-p. Since these cell voltage units 85-1 to 85-p have the same configuration, only the cell voltage unit 85-1 is illustrated as an example, and the configuration will be described. In addition, the number of fuel battery cells 21-s assigned to each cell voltage unit 85-q is m-1. At that time, the number of separators 20 is m.
[0091]
The cell voltage unit 85-q includes multiplexers 70-1 and 70-2, a differential amplifier 42, a control unit 76, an insulation unit 77, and a communication interface 78. Based on the potentials of the separator 20-i and the separator 20-i + 1 acquired through the electric cable 10-i and the electric cable 10-i + 1 (i = k, the same applies hereinafter), the cell voltage of the fuel cell 21-k Take out (output voltage).
Here, one is connected to the electric cable 10-i and the other is connected to the electric cable 11 and the electric cable 12. One end of the electric cable 10-i is connected to the multiplexer 70-1 and the multiplexer 70-2, and the other end is connected to the separator 20-i (however, the output from the separator 20-1 is only to the multiplexer 70-1). The output from the separator 20-m is connected only to the multiplexer 70-2).
Here, the multiplexers 70-1 and 70-2 and the differential amplifier 42 are also referred to as a cell voltage output unit 85-1-1. The insulating unit 77 and the communication interface 78 are also referred to as an output unit.
[0092]
The multiplexer 70-1 is connected to the potential 16-i of the separator 20-i (the potential 16-1 at the first input terminal and the potential 16- at the last input terminal) via the electrical cable 10-i and the electrical cable 10-i + 1. m-1, a total of m-1 signals). Then, one of the potentials 16-1 to m-1 is selected by the select signal 79 input to the multiplexer 70-1, and is output as the potential 16-a.
On the other hand, the multiplexer 70-2 receives the potential 16-i of the separator 20-i (the potential 16-2 at the first input terminal and the potential at the last input terminal) via the electric cable 10-i and the electric cable 10-i + 1. 16-m, a total of m-1 signals). Then, one of the potentials 16-2 to 16-m is selected by the select signal 79 input to the multiplexer 70-2, and is output as the potential 16-b.
The select signal 79 is output from the control unit 76.
[0093]
In this case, the multiplexer 70-1 and the multiplexer 70-2 select the input of the input terminal at the same position based on the same select signal 79 (at the same timing), and set the potential 16-a and the potential 16-b, respectively. . Since the potential 16 of the separator that enters the input terminals of the multiplexer 70-1 and the multiplexer 70-2 is shifted by one, the potential 16-a and the potential 16-b are the adjacent potential 16-i and potential 16-i + 1. It becomes. That is, since the potential of the separator 20-i and the potential of 20-i + 1 are both, they are the cell potentials at both ends of the fuel cell 21-k (k = i).
[0094]
The differential amplifier 42 has a cell voltage 51 based on a potential 16-a and a potential 16-b that are cell potentials at both ends of each fuel cell 21-k input from the multiplexer 70-1 and the multiplexer 70-2. (Output voltage) is output. The differential amplifier 42 may be one, and is exemplified by an inexpensive semiconductor element or an operational amplifier.
[0095]
The control unit 76 includes an AD converter 73, an arithmetic processing unit 74, and a memory 75. Based on the cell voltage 81, the cell voltage 51 is converted into a signal having a desired format (characteristic) and output as a voltage determination signal 83. The control unit 76 can use a one-chip semiconductor device.
[0096]
The AD converter 73 converts the cell voltage 51 that is an analog signal into a cell voltage 82 that is a digital signal.
The arithmetic processing unit 74 converts the cell voltage 82 into data having a desired format (characteristic) based on the cell voltage 82 using an internal program, and outputs the data as a voltage determination signal 83. Here, the voltage determination signal 83 in a desired format is data having information of the magnitude of the cell voltage 82 / the number of the cell voltage unit 85-q / the number of the fuel cell 21-k, or the cell voltage 82. This is exemplified by data having information on the degree of abnormality (eg, danger, caution, normality, etc.) / Number of cell voltage unit 85-q / number of fuel cell 21-k. They can be changed to other data by changing the program. The number of the cell voltage unit 85-q and the number of the fuel cell 21-k can be specified by the select signal 79.
In addition, the arithmetic processing unit 74 performs control of the multiplexer 70-1 and the multiplexer 70-2 (output of the select signal 79, synchronization adjustment, etc.), processing of the cell voltage 82, control of the control unit 76, and the like.
The memory 75 stores data during various processes performed by the arithmetic processing unit 74.
[0097]
The insulating unit 77 can electrically insulate the wiring on the control unit 76 side from the communication interface 78 side (control device 5) side and perform signal transfer. Based on the voltage determination signal 83 output from the control unit 76, the voltage determination signal 84 indicating the voltage determination signal 83 is output to the communication interface 78. The insulating unit 77 is exemplified by a photocoupler.
[0098]
The communication interface 78 converts the voltage determination signal 84 into the determination signal 15 as communicable data, and outputs it to the control device 5. For the communication, a one-to-one communication method exemplified in RS-232C and a many-to-many communication method exemplified in Ethernet (registered trademark) can be applied. At this time, the communication interface 78 can use communication means conventionally used for such communication.
[0099]
Based on the determination signal 15, the control device 5 determines the magnitude of the cell voltage 82 in each fuel cell 21-k / the number of the cell voltage unit 85-q to which each fuel cell 21-k belongs / the fuel cell 21-k. Or the degree of abnormality of each fuel cell 21-k (example: danger, caution, normal, etc.) / Number of the cell voltage unit 85-q to which each fuel cell 21-k belongs / fuel cell 21- Know the k number. The control device 5 is provided with a similar communication interface that can communicate with the communication interface 78.
[0100]
The control device 5 can accurately detect the output or failure (abnormality) state of each fuel cell 21-k in each cell voltage unit 85-q. That is, the state of all the fuel cells 21-s can be always accurately grasped.
[0101]
The insulated power supply 58 is provided in each cell voltage determination unit 4 except for the communication interface 78 such as the multiplexer 70-1, the multiplexer 70-2, the differential amplifier 42, the AD converter 73, the arithmetic processing unit 74, the memory 75, and the insulation unit 77. Supply power to the circuit. The insulated power source 58 may be any device that can insulate the cell voltage determination unit 4 except the communication interface 78 from the control device 5 (common power source). For example, a DC / DC converter. Note that a power source different from the control device 5 may be used. In this case, the power source device and the cell voltage determination unit 4 excluding the communication interface 78 are insulated by the insulated power source 58.
[0102]
In the present invention, the cell voltage determination unit 4 excluding the communication interface 78 and the control device 5 are insulated by using the insulation unit 77 and the insulation power source 58. Therefore, each cell voltage can be determined without requiring a complicated and expensive isolation amplifier.
[0103]
Similarly to the first embodiment, a ground portion (not shown) is provided corresponding to the maximum input voltage of the differential amplifier 42.
[0104]
Next, the operation of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(1) The control device 5 starts the fuel cell stack 3 by operating an auxiliary device at the time of activation. Then, the fuel cell stack 3 is brought into a power-generating state (temperature, pressure, fuel gas, oxidizing gas, etc.).
(2) When the power generation of the fuel cell stack 3 becomes possible, the control device 5 turns on the fuel cell output switch 6, electrically connects the load device 8 to the fuel cell stack 3, and outputs the fuel cell power.
[0105]
(3-1) During power generation, between the cell voltage determination unit 4 and the fuel cell stack 3, potentials 16-1 to m-1 (a total of m-1 signals) of the separators 20-1 to m-1 are generated. , Input to the multiplexer 70-1.
(4-1) Based on the input of the potentials 16-1 to m-1 of the separators 20-1 to m-1 and the select signal 79, in the multiplexer 70-1, Is selected and output to the differential amplifier 42 as the potential 16-a.
[0106]
(3-2) On the other hand, between the cell voltage determination unit 4 and the fuel cell stack 3, the potentials 16-2 to m (a total of m-1 signals) of the separators 20-2 to 20-m are connected to the multiplexer 70-2. Is input.
(4-2) Based on the input of the potentials 16-2 to m of the separators 20-2 to m and the select signal 79, the multiplexer 70-2 selects one signal from the potentials 16-2 to m. And output to the differential amplifier 42 as the potential 16-b.
In this case, since the potential 16-a and the potential 16-b are the potential of the adjacent separator 20-i and the potential of 20-i + 1, both are at both ends of the fuel cell 21-k (k = i). It becomes the cell potential.
[0107]
(5) In the differential amplifier 42, a cell voltage 51 (output voltage) that is the difference between the potential 16-a and the potential 16-b is calculated. The cell voltage 51 is output to the control unit 76 (the AD converter 73).
[0108]
(6) The cell voltage 51 that is an analog signal is converted into a cell voltage 82 that is a digital signal in the AD converter 73, and is output to the arithmetic processing unit 74.
(7) The cell voltage 82 is converted into data having a desired format (characteristic) by a program included in the arithmetic processing unit 74, and is output to the insulating unit 77 as a voltage determination signal 83.
(8) The voltage determination signal 83 is converted into a voltage determination signal 84 indicating the voltage determination signal 83 by the insulation unit 77 and output to the communication interface 78.
(9) The voltage determination signal 84 is converted into the determination signal 15 as communicable data by the communication interface 78 and output to the control device 5.
(10) Based on the determination signal 15, the control device 5 determines the magnitude of the cell voltage 82 in each fuel cell 21 / the number of the cell voltage unit 85-q to which each fuel cell 21-k belongs / the fuel cell 21- k, or the degree of abnormality of each fuel cell 21-k (example: danger, caution, normal, etc.) / number of the cell voltage unit 85-q to which each fuel cell 21-k belongs / fuel cell 21 The output of each fuel cell 21-k and the state of failure (abnormality) in each cell voltage unit 85-q, such as the -k number, are accurately detected.
(11) The control device 5 performs appropriate measures for protecting the fuel cells 21 of the fuel cell stack 3 according to the output of each fuel cell 21 or the state of failure (abnormality). For example, by controlling the fuel gas supply device 1 and the oxidizing gas supply device 2 to increase the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell 21, the fuel cell 21 is out of gas during operation. The output of the fuel cell stack 3 is reduced so as to suppress the voltage drop of the fuel cell 21. The fuel cell stack 3 is stopped by opening the fuel cell output switch 6 and stopping the power generation of the fuel cell stack 3. 3 to prevent damage to the whole.
If there is no abnormality, accumulate data and use it as a reference for measurement of deterioration, maintenance time and life.
[0109]
According to the present invention, the state of all the fuel cells 21 in the fuel cell stack 3 can always be accurately grasped continuously. And it becomes possible to identify the fuel cell 21 in which an abnormality has occurred individually quickly and accurately. Furthermore, even if an abnormality occurs based on the information, it is possible to take measures according to the abnormal state of the fuel cell 21.
[0110]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the fuel cell stack, it is possible to monitor the state of each of the plurality of fuel cells and detect an abnormality of each fuel cell early.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in an embodiment of a fuel cell system to which a cell voltage determination unit according to the present invention is applied.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell stack when a cell voltage determination unit according to the present invention is mounted.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a cell voltage determination unit 4 according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another configuration of the cell voltage determination unit 4 according to the present invention.
FIG. 5 is a table showing an example of the relationship between input and encoding in an encoder 61;
6 is a diagram showing a configuration of a cell voltage determination unit 4 according to the present invention. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Fuel gas supply device
2 Oxidizing gas supply device
3 Fuel cell stack
4 Cell voltage judgment unit
5 Control device
6 Fuel cell output switch
7 Diode
8 Load device
10 Electric cable
11 Electric cable
12 Electric cable
15 judgment signal
16 cell potential
16-a, b Cell potential
20 Separator
21 Fuel cell
22 Power generation unit
23 Current collector plate
24 Insulation plate
25 End plate
26 Current collecting plate
27 Insulation plate
28 End plate
29 Fuel gas inlet
30 Cooling water inlet
31 Oxidizing gas inlet
32 Oxidizing gas outlet
33 Cooling water outlet
34 Fuel gas outlet
40-1 to p submodule
41-1-2 Photocoupler
42 Differential Amplifier
43 comparator
44 comparator
45 Output transistor
46 Output transistor
47 Wiring
48 Wiring
49 Grounding part
50-1 ~ 2 Reference voltage
51 cell voltage
52 Cell voltage judgment signal
53 Cell voltage determination signal
54 Current
55 Current
57 Judgment level setting device
58 Isolated power supply
61 Encoder
62-1-11 Photocoupler
63-1-2 Unit signal
65-1-4 Abnormal unit signal
66-1-5 Abnormal cell signal
70-1-2 multiplexer
73 AD Converter
74 Arithmetic processing part
75 memory
76 Control unit
77 Insulation unit
78 Communication interface
79 Select signal
82 cell voltage
83 Voltage judgment signal
84 Voltage judgment signal
85 cell voltage section
85-1-1 Cell voltage output section
85-1-2 Output section
90 inputs
91 outputs
92 Abnormal cell number
93 Lower unit error (UNIT-IN)
94 Abnormal cell number (sign)
95 Lower unit error (UNIT-OUT)
96 Abnormal unit number (symbol)

Claims

A first comparison unit of the multiple provided corresponding to each of the plurality of fuel cells connected in series to each other,
Here, each of the plurality of first comparison units includes:
Outputting a first comparison signal as a comparison result between a cell voltage of a corresponding one of the plurality of fuel cells and a preset first reference voltage;
Based on the first comparison signal output from any of the plurality of first comparison unit, a first output unit that to output the first judgment signal shows the state of the fuel cell,
Was immediately Bei,
The first output unit is a cell voltage determination unit in which an input side to which the first comparison signal is input and an output side to which the first determination signal is output are electrically insulated in the first output unit.

Each of the plurality of first comparison unit, when the cell voltage before SL below the first reference potential pressure or outputs the pre Symbol ratio No.較信,
The cell voltage determination unit according to claim 1.

A plurality of second comparison units provided corresponding to each of the plurality of fuel cells;
Here, each of the plurality of second comparison units includes:
Outputting a second comparison signal as a comparison result between a cell voltage of a corresponding one of the plurality of fuel cells and a preset second reference voltage;
A second output unit that outputs a second determination signal indicating a state of the fuel cell based on the second comparison signal output from any of the plurality of second comparison units;
Further comprising
In the second output unit, an input side to which the second comparison signal is input and an output side to which the second determination signal is output in the second output unit are electrically insulated.
The cell voltage determination unit according to claim 1 or 2.

A plurality of first comparison units provided corresponding to each of a plurality of fuel cells connected in series with each other ;
Here, each of the plurality of first comparison units includes:
Outputting a first comparison signal as a comparison result between a cell voltage of a corresponding one of the plurality of fuel cells and a preset first reference voltage;
First encoding for outputting a first encoded signal obtained by encoding the first comparison signal according to a preset rule based on the first comparison signal output from any of the plurality of first comparison units . And
A first output unit that outputs a first determination signal indicating a state of the fuel cell based on the first encoded signal;
Was immediately Bei,
The first output unit is a cell voltage determination unit in which an input side to which the first encoded signal is input and an output side to which the first determination signal is output are electrically insulated in the first output unit. .

Each of the plurality of comparison units outputs the comparison signal when the cell voltage is equal to or lower than the reference voltage.
The cell voltage determination unit according to claim 4 .

A plurality of second comparison units provided corresponding to each of the plurality of fuel cells;
Here, each of the plurality of second comparison units includes:
Outputting a second comparison signal as a comparison result between a cell voltage of a corresponding one of the plurality of fuel cells and a preset second reference voltage;
Second encoding for outputting a second encoded signal obtained by encoding the second comparison signal according to a preset rule based on the second comparison signal output from any of the plurality of second comparison units. And
A second output unit that outputs a second determination signal indicating the state of the fuel cell based on the second encoded signal;
Comprising
In the second output unit, an input side to which the second encoded signal is input and an output side to which the second determination signal is output are electrically insulated from each other in the second output unit.
The cell voltage determination unit according to claim 4 or 5.

The first encoding unit and the second encoding unit are integrated,
The first output unit and the second output unit are integrated.
The cell voltage determination unit according to claim 6.

The first output unit includes a photocoupler.
The cell voltage determination unit according to any one of claims 1 to 7 .

The cell voltage determination unit according to any one of claims 1 to 8 ,
The fuel cell stack equipped with the cell voltage determination unit;
Comprising
Fuel cell system.