JP5276810B2 - 燃料電池の電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の電圧検出装置に関する。

従来、例えば燃料電池を構成する複数の単セル毎に並列に接続されたセル電圧検出回路として、例えばフォトＭＯＳＦＥＴ等の光素子からなるフライングキャパシタ回路を備え、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系と、処理装置等からなる低電圧系との絶縁を確保しつつ、各単セルの端子間電圧を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００６−１５３７５８号公報 特開２００６−１５６１７８号公報

しかしながら、上記従来技術に係る装置においては、複数の単セル毎にフォトＭＯＳＦＥＴ等の相対的に高価な光素子を備えてフライングキャパシタ回路を構成することから、単セルの個数が増大することに伴い、装置構成に要する費用が嵩むという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの端子間電圧を検出可能とし、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することが可能な燃料電池の電圧検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、燃料電池を構成する複数の単セル（例えば、実施の形態での単セル２）の出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧が印加される複数の液晶（例えば、実施の形態での液晶３３）と、前記複数の液晶に光を照射する１つの光源（例えば、実施の形態での光源２２）と、前記複数の液晶のそれぞれを透過した前記光の強度を検出する複数のＣＣＤからなるＣＣＤアレイである光検出手段（例えば、実施の形態でのＣＣＤアレイ２４）と、前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧に応じた前記光検出手段の前記複数のＣＣＤのそれぞれの出力信号に基づき前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧を検出する検出手段（例えば、実施の形態での処理装置１６）と、前記液晶の温度を検出する温度センサ（例えば、実施の形態での温度センサ２５）と、前記液晶の温度に基づき前記検出手段による前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧の検出結果を補正する補正手段（例えば、実施の形態での処理装置１６が兼ねる）と、を備える。

さらに、本発明の第２態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、所定電圧が印加される較正用液晶（例えば、実施の形態での較正用液晶４２）と、前記較正用液晶に光を照射する較正用光源（例えば、実施の形態での光源２２が兼ねる）と、前記較正用液晶を透過した前記光の強度を検出する較正用光検出手段（例えば、実施の形態でのＣＣＤアレイ２４が兼ねる）とを備え、前記検出手段は、前記ＣＣＤアレイである前記較正用光検出手段の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号とに基づき、前記出力電圧を検出する。

さらに、本発明の第５態様に係る燃料電池の電圧検出装置は、前記液晶の温度を検出する温度センサ（例えば、実施の形態での温度センサ２５）と、前記液晶の温度に基づき前記検出手段による前記出力電圧の検出結果を補正する補正手段（例えば、実施の形態での処理装置１６が兼ねる）とを備える。

本発明の第１態様に係る燃料電池の電圧検出装置によれば、液晶の光透過率は液晶に印加される電圧に応じて変化することから、液晶の光透過率を検出することで単セルの出力電圧の値を検出することができる。この場合、複数の単セルによって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、各単セルの出力電圧の値をＣＣＤアレイによって検出することができ、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することができる。
さらに、液晶の光透過率およびコンデンサ容量が温度依存性を有する場合であっても、温度センサから出力される検出信号に基づき検出手段による出力電圧の検出結果を補正することで、検出精度を向上させることができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池の電圧検出装置によれば、所定電圧が印加される較正用液晶に対する較正用素子の出力信号を基準として、単セルの出力電圧に応じた素子の出力信号に基づき出力電圧の値を検出することで、検出誤差を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池の電圧検出装置１０は、例えば燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１は、図１に示すように、単位燃料電池（単セル）２が複数積層されて構成され、単セル２は、膜電極構造体（ＭＥＡ）３と、この膜電極構造体（ＭＥＡ）３を挟持するカソード側セパレータ４及びアノード側セパレータ５とを備えて構成されている。

膜電極構造体３は、固体高分子電解質膜１１と、この固体高分子電解質膜１１を両側から挟み込むカソード側ガス拡散電極１２およびアノード側ガス拡散電極１３と、これら固体高分子電解質膜１１とカソード側およびアノード側ガス拡散電極１２，１３との間に設けられる白金を含む触媒層（図示略）とを備えて構成されている。
そして、カソード側セパレータ４及びアノード側セパレータ５には、電圧測定用の各端子６が接続されている。

電圧検出装置１０は、複数の単セル２，…，２が直列に接続されてなる燃料電池スタック１の各単セル２の出力電圧を検出する。
電圧検出装置１０は、例えば、各単セル２の出力電圧が印加される液晶部材２１と、液晶部材２１に光を照射する光源２２と、液晶部材２１を透過した光を伝送する光ファイバ２３と、光ファイバ２３を通過した光の強度を検出するＣＣＤアレイ２４と、液晶部材２１の温度を検出する温度センサ２５と、処理装置１６とを備えて構成されている。

液晶部材２１は、例えば図２に示すように、対をなすガラス基板３１，３１が光硬化性の封止材であるシール材３２によって貼り合わされ、対向するガラス基板３１，３１と、格子状のシール材３２とによって互いに独立に閉塞された複数の収容部内に液晶３３が封入されている。
そして、対をなすガラス基板３１，３１の各対向面上には、各収容部毎に対応して、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を主体とする透明電極によって複数の電極３４が設けられ、対向する電極３４，３４には単セル２の一対の端子６，６が接続され、収容部内の液晶３３に単セル２の出力電圧が印加されている。

光源２２は、例えばＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）素子や冷陰極管や発光ダイオード等の照明光源から成り、液晶部材２１の複数の液晶３３に所定強度の光を照射する。
液晶部材２１の各液晶３３は、電極３４，３４を介して印加される単セル２の出力電圧に応じて液晶配向が変化し、光源２２から照射される光の透過率が変化する。
液晶部材２１には、複数の各収容部毎に対応して、複数の光ファイバ２３の各一端が接続され、各光ファイバ２３には、光源２２から照射されて各液晶３３を透過した透過光が導入される。
複数の光ファイバ２３の各他端は、複数のチャンネルを有するＣＣＤアレイ２４に接続され、各光ファイバ２３を通過した透過光はＣＣＤアレイ２４の各ＣＣＤに導入される。

処理装置１６は、光源２２から照射される光の強度と、ＣＣＤアレイ２４の各ＣＣＤによって検出される各透過光の強度とに基づき、各液晶３３での光の透過率を検出する。そして、例えば図３に示すように、予め作成された所定マップ、つまり液晶３３に対する印加電圧と、光の透過率との関係を示すマップに対して、光の透過率の検出値に応じたマップ検索を行い、各液晶３３に対する印加電圧、つまり各単セル２の出力電圧を検出する。
なお、図３に示す印加電圧と光の透過率との関係は、液晶３３の温度に応じて変化しており、処理装置１６は、この温度依存性に対する補正を行いつつ各単セル２の出力電圧を検出する。つまり、処理装置１６は、光の透過率の検出値に加えて温度センサ２５から出力される検出信号に応じて、各液晶３３に対する印加電圧を検出する。

上述したように、本実施の形態による燃料電池の電圧検出装置１０によれば、印加電圧に応じて変化する液晶３３の光透過率を検出することで、単セル２の出力電圧を検出することができ、相対的に高価なフォトＭＯＳＦＥＴ等の光素子を用いる必要無しに、複数の単セル２によって対地電位が相対的に高電位となる高電圧系に対する所望の絶縁を確保しつつ、装置構成に要する費用が嵩むことを防止することができる。しかも、温度センサ２５から出力される検出信号に基づき液晶３３の光透過率の温度依存性を補正することにより、単セル２の出力電圧に対する検出精度を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図４に示す第１変形例のように、較正用電源４１によって所定電圧が印加される較正用液晶４２を液晶部材２１に備え、この較正用液晶４２を透過する透過光を較正用光ファイバ４３によりＣＣＤアレイ２４へ伝送し、この較正用液晶４２での光の透過率の検出値によって各液晶３３に対する光の透過率の検出値を較正してもよい。

なお、上述した実施の形態においては、液晶部材２１とＣＣＤアレイ２４との間の光の伝送を光ファイバ２３によりおこなうとしたが、これに限定されず、光ファイバ２３の代わりに光導波管等を備えてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、液晶部材２１の複数の収容部に液晶３３を封入するとしたが、これに限定されず、例えば互いに独立した複数の液晶素子を各単セル２毎に備えてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、液晶３３の印加電圧に応じて変化する光の透過率に基づき、単セル２の出力電圧を検出するとしたが、これに限定されず、例えば図５に示す第２変形例のように、液晶３３の印加電圧に応じて変化するコンデンサ容量に基づき、単セル２の出力電圧を検出してもよい。
なお、単セル２の出力電圧とは、少なくとも１つ以上の単セル２の電圧であり、例えば複数個の単セル２の電圧をまとめて検出してもよい。
この第２変形例に係る燃料電池の電圧検出装置１０は、例えば、各単セル２の出力電圧が印加される液晶部材２１と、各単セル２の一対の端子６，６と液晶部材２１の各収容部毎に対向する電極３４，３４との間に接続され、各単セル２毎に対応して設けられた交流遮断配線部５１と、液晶部材２１の各収容部毎に対向する電極３４，３４と切換スイッチ５２との間に接続され、各単セル２毎に対応して設けられた直流遮断配線部５３と、切換スイッチ５２を介して何れかの直流遮断配線部５３に接続され、複数の単セル２に対して共通になるように設けられた単一の交流電圧検出回路５４と、抵抗Ｒを介して切換スイッチ５２に並列に接続され、複数の単セル２に対して共通になるように設けられた単一の交流信号源５５とを備えて構成されている。

交流遮断配線部５１は、各端子６と各電極３４との間に接続されたコイル５１ａにより構成され、単セル２に対して、交流信号源５５から出力される交流を遮断する。
直流遮断配線部５３は、処理装置１６の制御により開閉状態が切り換えられる切換スイッチ５２と各電極３４との間に接続されたコンデンサ５３ａにより構成され、交流電圧検出回路５４に対して、単セル２から出力される直流を遮断する。
切換スイッチ５２は、各単セル２の端子６毎に対応した複数の開閉スイッチ５２ａを備え、処理装置１６の制御により、各単セル２毎に対応して設けられた複数の直流遮断配線部５３のうちの何れかひとつと、交流電圧検出回路５４および交流信号源５５とを接続する。

交流電圧検出回路５４は、切換スイッチ５２および直流遮断配線部５３を介して交流信号源５５が接続された液晶３３の電圧降下を測定する。
液晶部材２１の各液晶３３は、電極３４，３４を介して印加される単セル２の出力電圧に応じて液晶配向が変化し、コンデンサ容量が変化する。
処理装置１６は、交流電圧検出回路５４によって検出される各液晶３３の電圧降下に基づき、各液晶３３でのコンデンサ容量を検出する。そして、例えば図６に示すように、予め作成された所定マップ、つまり液晶３３に対する印加電圧と、コンデンサ容量との関係を示すマップに対して、コンデンサ容量の検出値に応じたマップ検索を行い、各液晶３３に対する印加電圧、つまり各単セル２の出力電圧を検出する。
なお、図６に示す印加電圧とコンデンサ容量との関係は、液晶３３の温度に応じて変化しており、処理装置１６は、この温度依存性に対する補正を行いつつ各単セル２の出力電圧を検出する。つまり、処理装置１６は、コンデンサ容量の検出値に加えて温度センサ２５から出力される検出信号に応じて、各液晶３３に対する印加電圧を検出する。

なお、この第２変形例においては、上述した第１変形例と同様にして較正用電源４１によって所定電圧が印加される較正用液晶４２を液晶部材２１に備え、この較正用液晶４２に切換スイッチ５２および直流遮断配線部５３を介して交流信号源５５を接続した際の較正用液晶４２のコンデンサ容量の検出値によって、各液晶３３に対するコンデンサ容量の検出値を較正してもよい。
また、この第２変形例においては、液晶部材２１の複数の収容部に液晶３３を封入する代わりに、例えば互いに独立した複数の液晶素子を各単セル２毎に備えてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 図１に示す液晶部材の分解斜視図である。 液晶の印加電圧に応じた光の透過率の変化の一例を示すグラフ図である。 本実施形態の第１変形例に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 本実施形態の第２変形例に係る燃料電池の電圧検出装置の構成図である。 液晶の印加電圧に応じたコンデンサ容量の変化の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

２ 単セル
１０ 燃料電池の電圧検出装置
１６ 処理装置（検出手段、補正手段）
２２ 光源（光源、較正用光源）
２４ ＣＣＤアレイ（光検出手段、較正用光検出手段）
２５ 温度センサ
３３ 液晶
４２ 較正用液晶
５４ 交流電圧検出回路
５５ 交流信号源（交流信号源、較正用交流信号源）

Claims (2)

1. 燃料電池を構成する複数の単セルの出力電圧を検出する燃料電池の電圧検出装置であって、
   前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧が印加される複数の液晶と、
   前記複数の液晶に光を照射する１つの光源と、
   前記複数の液晶のそれぞれを透過した前記光の強度を検出する複数のＣＣＤからなるＣＣＤアレイである光検出手段と、
   前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧に応じた前記光検出手段の前記複数のＣＣＤのそれぞれの出力信号に基づき前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧の値を検出する検出手段と、
   前記液晶の温度を検出する温度センサと、
   前記液晶の温度に基づき前記検出手段による前記複数の単セルのそれぞれの出力電圧の値の検出結果を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の電圧検出装置。
2. 所定電圧が印加される較正用液晶と、
   前記較正用液晶に光を照射する較正用光源と、
   前記較正用液晶を透過した前記光の強度を検出する較正用光検出手段とを備え、
   前記検出手段は、前記ＣＣＤアレイである前記較正用光検出手段の出力信号と、前記単セルの出力電圧に応じた前記光検出手段の出力信号とに基づき、前記出力電圧の値を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電圧検出装置。

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