JP5443461B2 - 電気化学システムおよびこのシステムの管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学システムに関する。このシステムは、直列に接続された電気化学ユニットのスタックを含んでいる。システムは、制御回路により制御され、複数の差動増幅器を有しており、その各々は２つの入力により電気化学ユニットの端子に接続されて、これにより、その電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧を供給する。各々の表示電圧は、その表示電圧を制御回路に伝送する数値に変換するために配される制御ユニットに送られる。

電気化学ユニットを直列に接続したアセンブリ（スタックと呼ばれることが多い）が知られている。このように構成されている電気化学ユニットは、例えば蓄電素子、あるいは燃料電池で構成してよい。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学デバイスである。例えば、１つのタイプの燃料電池は、アノードとカソードを有し、それらの間に、高分子電解質膜と呼ばれることが多いプロトン交換膜が配されている。この種の膜は、燃料電池のアノードとカソードの間にプロトンのみを通過させる。アノードでは、二原子水素が反応を起こしてＨ⁺イオンを発生し、これが高分子電解質膜を通過する。この反応により発生する電子は、燃料電池の外部の回路によってカソードにつながり、こうして電流を発生させる。

単セルの燃料電池は、一般的に、低い電圧（１ボルト前後）しか生成しないので、燃料電池は、多くの場合、直列に接続されて、より高い電圧を各セルの電圧の和で発生させることができる燃料電池スタックを形成する。燃料電池スタックの欠点の１つは、それらの接続を遮断しても、それらを停止させるには不十分であるということである。実際に、燃料電池により出力に供給される電流を急にゼロまで減少させた場合、スタックを構成する燃料電池は、それらが生成している電気化学的エネルギーを取り除くことが不可能になり、それらいくつかのセルの端子間電圧は、高分子膜およびそれに関連する触媒の劣化を加速させる点まで上昇する傾向がある。燃料と酸化剤の供給を中断することも、燃料電池スタックを停止させるのに十分ではない。この場合、スタック内に閉じ込められている燃料および酸化剤は、かなりの時間に渡って反応を維持するのに十分な量である。燃料として水素を、酸化剤として酸素を使用する燃料電池スタックの場合、スタックが停止するのに数時間かかることさえある。

そこで、燃料電池スタックなどの電気化学ユニットを有するシステムであって、その電気化学ユニットシステムが定常動作しているとき、あるいは停止段階にあるときに、何らかの変動を検出するように、各セルにより生じる電圧を監視するための測定装置を備えるものを提供することが有利である。

２つの形態をとる非同期測定装置が知られている。

図１に示す第１の形態では、電気化学ユニットシステム１は、複数の差動増幅器４を有しており、その各々は、２つの入力により電気化学ユニット２の端子に接続されて、これにより、その電気化学ユニット２の端子間電位差を表す電圧を供給する。これらの差動増幅器４は、その出力においてマルチプレクサ５に接続され、このマルチプレクサの出力はアナログ‐デジタル・コンバータ６に接続されている。そして、マルチプレクサ５は、各差動増幅器４を順に選択するように作動し、これにより、接続された電気化学ユニット２の端子間に生じる電位差を表す電圧をアナログ‐デジタル・コンバータ６に送ることが可能である。そして、このコンバータが、その電圧をデジタル化して、プロセッサすなわちＣＰＵ３に送り、そこで、すべてのデジタル化された表示電圧が、次にそれらを解釈するため、順に再生される。

図２に示す第２の形態では、電気化学ユニットシステム１０は、第１のＭＵＸ１マルチプレクサおよび第２のＭＵＸ２マルチプレクサ１３を備えており、各ユニット１１の正端子が第１のマルチプレクサ１３の入力に接続され、各ユニット１１の負端子が第２のマルチプレクサの入力に接続されている。各マルチプレクサ１３の出力は、差動増幅器１２の入力に接続されている。電気化学ユニット１１の端子間電位差を表す電圧は、その電気化学ユニット１１に対応する電位を第１および第２のマルチプレクサ１３によって選択することにより測定される。それらの電位は、その電位差を表す電圧を供給するため、差動増幅器１２に送られる。そして、次の電気化学ユニット１１の端子間電位差を表す電圧の測定値が、アナログ‐デジタル・コンバータ１５に送られる。そして、後者により、その電圧はデジタル化されて、プロセッサすなわちＣＰＵ１４に送られ、そこで、すべてのデジタル化された表示電圧は、次にそのデータを解釈するため、順に再生される。

これら２つの形態の欠点は、それらが非同期式であるということである。実際に、これら２つの形態で用いる方法では、測定は順々に行われる。そのため、百個ほどの電気化学ユニットを含む電気化学ユニット・スタックの場合、スタックのすべての電気化学ユニットの表示電圧を得るため、その百個の電気化学ユニットの電圧を順に測定しなければならない。従って、第１の電気化学ユニットの電圧の測定が再び可能となるには、その前に、すべての電気化学ユニットについて表示電圧が測定される必要がある。このため、同じ電気化学ユニットの２つの表示電圧の測定の間の時間間隔が長くなり過ぎる。

また、この方法は、２つの隣接する電気化学ユニットの２つの電圧の測定の間のタイムラグにつながる。このことは、２つの隣接する電気化学ユニットの表示電圧の測定が、タイムラグが生じたことで、それらの電気化学ユニットが同じ状態にあるときに行われていないことになって、すべての電気化学ユニットの状態を所定の時点で得ることができないことを意味している。このため、電気化学ユニットの１つにおける電圧変動が検出されず、これによって電気化学ユニットシステムの損傷を引き起こすというリスクがある。また、問題は検出される場合でも、ユニットの端子電圧は動作状況に応じて変化することがあるので、どの電気化学ユニットに問題があるのかを見分けることはできない。

本発明の目的は、電気化学ユニットのスタックを有する電気化学システムにおいて、電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧の測定が、信頼性のある瞬時測定であり、また、１つまたは複数のユニットの問題を簡単かつ効率的に検出することを可能にする、電気化学システムを提供することである。

そこで、本発明は、電気化学システムに関し、これは、各差動増幅器と制御ユニットとの間に、制御回路により制御されるバッファ手段を備え、このバッファ手段は、それが接続されている電気化学ユニットの端子間の電位差を表す電圧を保存することが可能であり、その電圧の保存は、すべてのバッファ手段によって同時に実行されることを特徴としている。

本発明の１つの利点は、各ユニットの電圧を同時に測定することが可能であることであり、これによって、すべての電気化学ユニットの電圧が正確な時点で取得される。すべての電気化学ユニットの電圧のイメージが、いくつかの異なる時点で再生された後に、ユーザは、電気化学ユニット・スタックのそれらの表示イメージを比較することができる。そして、１つまたは複数の電気化学ユニットにおける電圧変動によって、ユーザは、問題を容易に検出することができ、さらに、問題のある電気化学ユニット（複数の場合もある）を容易に検出することができる。

本発明の電気化学システムの有利な実施形態は、従属請求項の要旨をなす。

第１の有利な実施形態では、各バッファ手段は、そのバッファ手段が接続されている増幅器と制御ユニットとの間に直列に配置された第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段とを有しており、さらに、各バッファ手段はコンデンサを有し、その入力は、第１と第２のスイッチング手段の間の接続点に接続されており、その出力は基準点に接続されている。

第２の有利な実施形態では、第２のスイッチング手段は、すべて一緒にまとめられて、マルチプレクサの形態をなしており、その各入力は、バッファ手段の第１のスイッチング手段に接続されており、マルチプレクサの出力は、制御ユニットの入力に接続されている。

第３の有利な実施形態では、電気化学ユニットのスタックは、別々のグループに細分されて、グループは、差動増幅器およびバッファ手段とそれぞれ関連付けられた複数の電気化学ユニットと、そのグループの各電気化学ユニットに関連付けられたバッファ手段の出力に接続された制御ユニットとを含み、また、各グループは、固有の基準電圧を有している。実際に、電気化学ユニットを複数の電気化学ユニットからなるグループに分割することによって、同じシリーズのユニット間の電位差が制限される。また、各グループが固有の基準電圧をもつため、同じシリーズのそれらいくつかのユニットと、そのシリーズに関連付けられている制御グループの基準電圧との間の電位差を、通常の半導体デバイスに適合する範囲内に維持することが可能である。

別の有利な実施形態では、各グループの電圧基準は、そのグループに属する１つの電気化学ユニットの端子の１つを通して取得される。

別の有利な実施形態では、同じグループに属するユニットの第２のスイッチング手段は、一緒にまとめられて、マルチプレクサの形態をなしており、その各入力は、バッファ手段の第１のスイッチング手段に接続されており、マルチプレクサの出力は、そのグループの制御ユニットの入力に接続されている。

別の有利な実施形態では、各グループの制御ユニットは、通信手段を介して制御回路に接続されている。

別の有利な実施形態では、各バッファ手段の第１のスイッチング手段は、制御信号により制御されるトランジスタの形態をとる。

別の有利な実施形態では、各バッファ手段の第２のスイッチング手段は、制御信号により制御されるトランジスタの形態をとる。

別の有利な実施形態では、各トランジスタの制御信号は、制御回路により送信される。

別の有利な実施形態では、各トランジスタの制御信号は、制御ユニットにより送信される。

別の有利な実施形態では、制御ユニットは、各電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧の値をデジタル化するように配された少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段を有している。

別の有利な実施形態では、制御ユニットに含まれるアナログ‐デジタル変換手段の個数は、バッファ手段の個数に等しく、各バッファ手段がそれぞれアナログ‐デジタル変換手段に接続されている。

別の有利な実施形態では、各グループの制御ユニットは、そのグループの各電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧の値をデジタル化するように配された少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段を有している。

別の有利な実施形態では、各グループの制御ユニットに含まれるアナログ‐デジタル変換手段の個数は、そのグループのバッファ手段の個数に等しく、各バッファ手段がそれぞれアナログ‐デジタル変換手段に接続されている。

また、このように、制御ユニットとそれぞれ関連付けられた複数のシリーズに電気化学ユニットを分割することは、より迅速なデータ処理を想定することができることを意味している。アナログ‐デジタル変換手段を並列に配置することが可能である。このことは、電気化学ユニットの各グループで、そのグループの各電気化学ユニットの端子間電位差を表す電圧が同時にデジタル化されることを意味している。これによって、このように時間が節約されるので、より高い測定頻度を想定することができ、監視が強化される。

本発明は、さらに、上記の電気化学システムを管理する方法に関する。そのシステムは、各差動増幅器と制御ユニットとの間に、制御回路により制御されるバッファ手段をさらに備え、そのバッファ手段はコンデンサを有し、その入力において、第１のスイッチング手段により差動増幅器の出力に接続され、第２のスイッチング手段により制御ユニットに接続され、その出力において、該システムのアースに接続されている。該システムは、第１および第２のスイッチング手段が開いているモードであって、通常モードと呼ばれる第１の動作モードと、測定モードと呼ばれる第２の動作モードで動作し、この第２の動作モードでは、以下のステップが実行される。
‐ 各電気化学ユニットの第１のスイッチング手段を同時に閉じる。
‐ 各コンデンサに、そのコンデンサが接続されている電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧を保存する。
‐ 各電気化学ユニットの第１のスイッチング手段を同時に開く。
‐ 各電気化学ユニットの端子間の電位差を表す電圧の値を、各バッファ手段の第２のスイッチング手段の操作によって制御ユニットに伝送することにより、処理する。

有利な実施形態では、各電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧の値を処理するステップは、各コンデンサに保存された値を制御ユニットに転送するように、各バッファ手段の第２のスイッチング手段を順次閉じることである。

別の有利な実施形態では、電気化学ユニットのスタックは、別々のグループに細分されて、グループは、差動増幅器およびバッファ手段とそれぞれ関連付けられた複数の電気化学ユニットと、そのバッファ手段の出力に接続された制御ユニットとを含み、また、各グループは固有の電圧基準を有しており、第２の動作モードのステップは各グループに対して順次実行される。

別の有利な実施形態では、第２の動作モードのステップは、各グループに対して同時に実行される。

本発明に係る電気化学システムの目的、利点、および特徴は、限定するものではない単なる例として提供され、添付の図面により示される、本発明の少なくとも１つの実施形態についての以下の詳細な説明において、より明確となるであろう。

図１は、従来技術の電気化学システムを概略的に示している。 図２は、従来技術の電気化学システムを概略的に示している。 図３は、本発明の第１の実施形態による電気化学システムを概略的に示している。 図４は、本発明に係るシステムのバッファ手段を概略的に示している。 図５は、本発明に係るシステムのバッファ手段を概略的に示している。 図６は、本発明の第１の実施形態による電気化学システムの変形例を概略的に示している。 図７は、本発明の第２の実施形態による電気化学システムを概略的に示している。 図８は、本発明の第２の実施形態による電気化学システムの変形例を概略的に示している。

以下の説明において、当業者によく知られている燃料電池スタックの部分の説明は、簡単にする。

図３は、燃料電池スタックに関連付けられた、本発明に係る電気化学システム１００を概略的に示している。このスタックは、多数の電気化学ユニット１０２を含んでおり、その各々は、接続点として用いられる負極と正極とを有している。この例では、各ユニット１０２は、単セルの燃料電池１０２、あるいは複数の連続する燃料電池で形成されてよい。しかしながら、簡単にするため、以下の説明では、区別することなく電気化学ユニット１０２すなわちセル１０２について言及する（ただし実際には、１つの電気化学ユニット１０２を２つまたはそれ以上のセル１０２で形成することが可能である）。電気化学ユニット１０２は、直列接続されて、一般に燃料電池スタックと呼ばれているものを形成している。各セル１０２は電圧を供給し、その値はおよそ１．２ボルトに達し、これによって、例えば４０個ほどのセルが直列接続されている場合、４８ボルト前後の総電圧を提供する。このシステムの全体が、制御回路１０４によって制御される。

第１の実施形態では、システムは、制御回路１０４と通信するように設けられた制御ユニット１０６を備えており、この制御ユニット１０６は、マイクロプロセッサの形態をとる。制御ユニット１０６は、電気化学システム１００の電源回路により電力供給される。この制御ユニットは、通信手段または通信システム１０８を介して、制御回路１０４と通信する。この通信手段１０８により、中央の制御回路１０４は、制御ユニット１０６に命令を送信することが可能である。また、それによって、制御ユニット１０６は、電気化学セル１０２の状態についての情報を制御回路１０４に送信することが可能である。通信手段１０８は、ひとそろいの平行電線の形態をとるバス１１０とすることができる。使用されるバス１１０は、３つの異なる線を含むＳＰＩプロトコルを用いることができ、あるいは、例えばＩ²Ｃプロトコルなど他のプロトコルを用いることができる。

電気化学システム１００は、さらに、測定回路１１２を有し、これらは、図３に示すように、それぞれ電気化学ユニット１０２に関連付けられた差動増幅器１１４により形成されている。これらの差動増幅器１１４は、このシステムの電源回路によって供給される電圧で作動する。差動増幅器１１４は、いくつかのユニット１０２の正極と負極にそれぞれ接続される２つの入力を備えている。差動増幅器１１４は、減算回路を形成するように配されて、これにより、電気化学ユニット１０２のカソードとアノードの間の電位差を測定することが可能である。この例では、各電気化学ユニット１０２が、それぞれ差動増幅器１１４を有している。

本発明によれば、それぞれの差動増幅器１１４の出力は、バッファ手段１１６を介して制御ユニット１０６に接続されている。このバッファ手段１１６は、図４に示すように、コンデンサ１１８と、第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２を有している。これらの第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２は、第１のスイッチング手段１２０の出力が第２のスイッチング手段１２２の入力に接続されるようにして、直列接続されている。第１のスイッチング手段１２０の入力は、差動増幅器１１４の出力に接続されており、第２のスイッチング手段１２２の出力は、制御ユニット１０６の入力に接続されている。コンデンサ１１８の入力は、第１と第２のスイッチング手段１２０、１２２の間の接続点に接続されている。コンデンサ１１８の出力は、この電気化学システム１００のアースに接続されている。従って、バッファ手段１１６は、Ｔ字型である。

第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２は、中央の制御回路１０４により、あるいは制御ユニット１０６により、制御信号を用いて制御可能である。これらの第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２は、制御スイッチの形態をとる。有利には、この機能を果たすためにトランジスタが用いられる。これらのトランジスタは、図５に示すように、Ｐ型またはＮ型のバイポーラトランジスタまたはＦＥＴトランジスタとすることができる。

このバッファ手段１１６の目的は、各ユニット１０２の電位差を表す電圧を同時に測定することを可能にすることで、所定の時点において電気化学システム１００のすべての電気化学ユニット１０２の状態を取得することである。

電気化学システム１００は、２つの動作モードで作動する。第１の通常動作モードは、燃料電池スタックの多数の電気化学ユニット１０２により電圧を供給する動作モードである。この第１の動作モードでは、第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２は開いており、従って、差動増幅器１１４と、バッファ手段１１６と、制御ユニット１０６との間に電気的接続は形成されていない。

第２の“測定” 動作モードは、電気化学システム１００の動作を監視することを可能にするため、電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧が測定される動作モードである。この動作モードにおいて、第１のステップは、各バッファ手段１１６の第１のスイッチング手段１２０を閉じることである。制御ユニット１０６、あるいは、好ましくは制御回路１０４により、この閉動作を制御する。この閉コマンドは、制御信号を用いて、すべてのバッファ手段１１６の第１のスイッチング手段１２０に同時に送信される。これにより、各バッファ手段１１６で、そのコンデンサ１１８と差動増幅器１１４との間の電気的接続が可能であり、このようにして、各々の電気化学ユニット１０２の端子間に生じる電位差を表す電圧をすべて同時に保存することが可能である。

これらの測定値がバッファ手段１１６のコンデンサ１１８に保存されたら、第２のステップとして、開動作を指示する制御信号により、すべてのバッファ手段１１６の第１のスイッチング手段１２０が開かれ、これにより、コンデンサ１１８を孤立させて、結果的に測定値を保持する。制御ユニット１０６、あるいは、好ましくは制御回路１０４により、この開動作を指示する。

第３のステップは、これらの電圧測定値を処理することであり、これによって、それらを制御回路１０４で使用することが可能な数値に変換する。このために、制御ユニット１０６が、アナログ‐デジタル変換を実行するように配されており、そのアナログ‐デジタル変換の実行のため、少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段（図示せず）を有している。このアナログ‐デジタル変換手段は、例えば、通常のアナログ‐デジタル・コンバータである。すべての第２のスイッチング手段１２２の出力は、制御ユニット１０６の共通の入力に接続されている。この構成によって、コンデンサ１１８に保存されている測定値の順次デジタル化が、つぎのように可能である。この順次デジタル化は、各バッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２を次々と閉じることにより実行される。制御ユニット１０６、あるいは、好ましくは制御回路１０４により、この閉動作を制御する。保存された電圧は、こうして制御ユニット１０６に伝送され、そこで、このデータは受信され、デジタル化される。デジタル化されたら、このデータは、制御ユニット１０６内のメモリ（図示せず）に保存されるか、あるいは、通信手段１０８により制御回路１０４に直接送られる。そして、第１の電気化学ユニット１０２のバッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２が開かれ、今度は、その次の電気化学ユニット１０２のバッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２が閉じられて、これにより、それに関連するコンデンサ１１８に保存されている電圧のデジタル化が可能となる、といったように続いていく。

本発明の主な目的は、それぞれの電気化学ユニット１０２の端子間電位差を表す電圧をすべて同時に取得することであって、これらの測定値をできる限り迅速に得ることではないので、この順次デジタル化は、欠点とはならない。

図６に示す変形例では、すべてのバッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２を、差動増幅器１１４の個数に等しい入力数をもつマルチプレクサ１２４で置き換えている。このマルチプレクサ１２４の各入力は、バッファ手段１１６の第１のスイッチング手段１２０の出力に接続されている。マルチプレクサ１２４は、制御ユニット１０６に接続されるコンデンサ１１８を次々と選択するように、制御ユニット１０６または制御回路１０４により操作される。

制御回路１０４は、このようにして、すべての電気化学ユニット１０２の同時の状態を表す一連の電圧を得る。電気化学ユニット１０２の状態イメージのようなものが、このようにして取得される。この処理が定期的に実行されるので、問題を特定することは容易となる。実際に、電気化学ユニット１０２の状態を反映しているイメージを比較することにより、電気化学システム１００の故障を容易に検出できる。さらには、電気化学ユニット１０２の状態を反映しているいくつかの異なるイメージを単に比較することにより、問題のある電気化学ユニット１０２（複数の場合もある）を極めて容易に検出できる。電気化学ユニットの動作は同時に変化することになっており、また、所定の時点における電気化学ユニット１０２の状態を反映するイメージを得ることが可能なので、それらのイメージの比較によって、１つの電気化学ユニット１０２がその他のものと異なる変化をしているかどうかが明らかとなる。

有利には、電気化学ユニット１０２の個数に等しい数のアナログ‐デジタル変換手段を制御ユニット１０６に備えることで、測定‐デジタル化のサイクルを短縮することが可能である。この場合、第２のスイッチング手段１２２がすべて同時に閉じられて、電圧測定値をすべて同時にデジタル化することが可能である。この変形例は、多くの数の電気化学ユニット１０２を備える電気化学システム１００の場合に有利である。

図７に示す第２の実施形態では、電気化学ユニット１０２は、いくつかの電気化学ユニット１０２を含むグループまたはシリーズ１２６にまとめられて、グループ分けされている。各グループ１１２は、同じ数の電気化学ユニット１０２を含んでいることが好ましく、この例では、各グループ１２６は４つの電気化学ユニット１０２を含んでいる。各グループ１２６は、制御ユニット１０６を有しており、これは、すべてのグループ１２６を管理する制御回路１０４とスイッチング手段１０８を介して通信するようになっている。そのスイッチング手段１０８は、そのグループ１２６を絶縁させるための光カプラ１３０を含んでいる。この光カプラ１３０は、内部バス１３２によって制御ユニット１０６に接続されており、また、転送バス１２８によって制御回路１０４に接続されている。グループの各電気化学ユニット１０２は、差動増幅器１１４とバッファ手段１１６により、そのグループの制御ユニット１０６に接続されている。各グループ１２６は、電源バス１３４により電力供給される。この電源バス１３４は、電気化学システム１００により供給される電圧に依存しない別個の電源回路で構成されている。これにより、グループ１２６は、燃料電池スタックの電源がオフであっても作動することが可能である。

各グループ１２６は、自身専用のの電力供給回路１３６を備えており、これは、電源バス１３４からそのエネルギーを受け取るけれども、ガルバニックにそれから切り離されている。このことによって、各グループ１２６は、それぞれ固有の基準電圧をもつことができる。この例では、ガルバニック絶縁は、絶縁変圧器によって確保され、その一次側は電源バス１３４に接続され、二次側は電力供給回路１３６の一部をなしている。この例では、電力供給回路１３６は、グループ１２６の基準電圧に対して相対的な正電圧＋２．５Ｖおよび負電圧−２．５Ｖを、グループ１２６の要素に供給する。電源バス１３４に誘導結合させる代わりに、もう１つの方法として、電力供給回路１３６を電源バス１３４に容量結合させることができることは、当業者であれば理解できるであろう。

このように、各グループ１２６は、固有の電圧基準をもつことにより、独立になっている。この目的のため、各グループ１２６のアースは、そのグループ１２６に属する電気化学ユニット１０２の１つの接続端子の１つに接続されている。このことによって、差動増幅器１１４の入力とそのアースとの間の電位差が数ボルトを超えることがないことは明らかであろう。

基準として用いられる接続点は、グループ１２６をなす電気化学ユニット１０２の列の真ん中に取ることが好ましい。従って、グループ１２６が４つの電気化学ユニット１０２を含んでいる例では、基準電圧は、２番目と３番目の電気化学ユニット１０２の間で取得される。また、グループ１２６あたりの電気化学ユニット１０２の最大数が、差動増幅器１１４によりアースとその入力の１つとの間に許容される最大電位差によって決まることは明らかである。従って、セル電位とグループ１２６の基準電圧との間の最大許容電位差が８Ｖであり、各々の電気化学ユニット１０２が最大１．２Ｖを生成する場合、グループ１２６あたりの電気化学ユニット１０２の最大数は１２個である（６×１．２Ｖ．＝７．２Ｖ．；７．２Ｖ．＜８Ｖ．）。

その動作は、第１の実施形態の動作と同じであり、すなわち、燃料電池スタックの多数の電気化学ユニット１０２により電圧を供給する動作モードである第１の通常動作モードと、第１のスイッチング手段１２０をすべて同時に閉じることにより、燃料電池スタックの動作の監視のために分析される各々の電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧が測定される動作モードである第２の“測定” 動作モードとがある。測定およびデジタル化の動作は、第１の実施形態で説明した動作と同じである。第１および第２のスイッチング手段１２０、１２２の閉動作および開動作は、制御回路１０４により、あるいは好ましくは各グループ１２６の制御ユニット１０６により制御される。第１のスイッチング手段１２０を制御回路１０４により制御し、一方、各グループのバッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２を、そのグループ１２６の制御ユニット１０６により制御することもできる。

それらいくつかのグループ１２６の電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧の値は、順次、グループ１２６ごとに、デジタル化される。上記で説明した方法により、第１のグループ１２６の制御ユニット１０６が、そのグループ１２６の電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧値を、少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段によってデジタル化する。このデジタル化が完了すると、デジタル化された値は、内部バス１３２、光カプラ１３０、および転送バス１２８を介して、制御回路１０４に送られる。このデジタル化されたデータを含むメッセージは、さらに、データが取得されたグループに固有のマーカを含んでいる。これによって、以下のグループ１２６が、デジタル化の進行を検出することができる。このため、各グループ１２６は、そのデータのデジタル化を、前のグループ１２６のデジタル化が完了すると直ちに自動的に開始することができる、というようにして続いていく。

この第２の実施形態の第１の変形例では、デジタル化が並列に実行される。このため、いくつかのグループ１２６の制御ユニット１０６は、自身に関連する電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧値のデジタル化を、同時に実行する。例えば、１０個のグループ１２６を有するシステムであって、その各グループが１つの制御ユニット１０６と４つの電気化学ユニット１０２とを含んでいる場合を例にとる。この場合、それらすべての測定値のデジタル化は、順次デジタル化の場合よりも１０倍速くなる。しかしながら、そのデータの送信は常に順次行われる。

ところが、第２の変形例では、デジタル化がさらに迅速に実行される。このために、各制御ユニット１０６が備えるアナログ‐デジタル変換手段の個数を、そのグループ１２６の電気化学ユニット１０２の個数と等しくしている。その結果、電気化学ユニット１０２の端子における電位差を表す電圧の測定値が、すべて同時にデジタル化される。

この第２の実施形態において、図８に示すように、各グループ１２６のバッファ手段１１６の第２のスイッチング手段１２２を、そのグループ１１２の差動増幅器１１４の個数に等しい入力数をもつマルチプレクサ１３８で置き換えることができる。このマルチプレクサ１３８の各入力は、バッファ手段１１６の第１のスイッチング手段１２０の出力に接続される。このマルチプレクサ１３８は、好ましくは、グループ１２６の制御ユニット１０６によって制御される。このようにして、第２のスイッチング手段１２２が電圧により開閉されるトランジスタの形態をとる場合よりも接続および電気路の数を減らすことにより、システム１００が簡単化される。

上記で提示した発明の様々な実施形態について、当業者には明らかである種々の変更および／または改良および／または組み合わせが、添付の請求項により規定される発明の範囲から逸脱することなく実施可能であることは、明らかであろう。例えば、本発明による測定システムを、多くの電気化学セルを含む蓄電池システムに適用することができる。

Claims (19)

1. 直列に接続された電気化学ユニット（１０２）のスタックを含む電気化学システムであって、該システム（１００）は、制御回路（１０４）により制御され、また、複数の差動増幅器（１１４）を有し、その各々は２つの入力により電気化学ユニットの端子に接続されて、これにより、その電気化学ユニットの端子間の電位差を表す電圧を供給し、各々の表示電圧は、その表示電圧を前記制御回路に伝送する数値に変換するために配される制御ユニット（１０６）に送られるようになっており、更に該システムは、各差動増幅器と前記制御ユニットとの間に、前記制御回路により制御されるバッファ手段（１１６）をさらに備え、このバッファ手段は、それに接続されている電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧を保存することが可能であり、その電圧の保存は、前記バッファ手段のすべてによって同時に実行されること特徴とする、電気化学システム。
2. 各バッファ手段（１１６）は、そのバッファ手段が接続されている前記増幅器（１１４）と前記制御ユニット（１０６）との間に直列接続された第１のスイッチング手段（１２０）と第２のスイッチング手段（１２２）とを有しており、
   各バッファ手段は、コンデンサ（１１８）をさらに有し、その入力は、前記第１と第２のスイッチング手段の間の接続点に接続されており、その出力は基準点に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学システム。
3. 前記第２のスイッチング手段（１２２）は、すべて一緒にまとめられて、マルチプレクサ（１２４）の形態をなしており、その各入力は、バッファ手段（１１６）の前記第１のスイッチング手段（１２０）に接続されており、このマルチプレクサの出力は、前記制御ユニット（１０６）の入力に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学システム。
4. 前記電気化学ユニット（１０２）のスタックは、別々のグループ（１２６）に細分されて、グループは、差動増幅器（１１４）およびバッファ手段（１１６）とそれぞれ関連付けられた複数の電気化学ユニットと、そのグループの各電気化学ユニットに関連付けられたバッファ手段の出力に接続された制御ユニット（１０６）とを含み、
   各グループは、固有の電圧基準を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気化学システム。
5. 各グループ（１２６）の電圧基準は、そのグループに属する電気化学ユニット（１０２）の端子の１つを通して取得されることを特徴とする、請求項４に記載の電気化学システム。
6. 同じグループ（１２６）に属する前記ユニットの前記第２のスイッチング手段（１２２）は、一緒にまとめられて、マルチプレクサ（１２４）の形態をなしており、その各入力は、バッファ手段（１１６）の前記第１のスイッチング手段（１２０）に接続されており、このマルチプレクサの出力は、そのグループの前記制御ユニット（１０６）の入力に接続されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の電気化学システム。
7. 各グループ（１２６）の前記制御ユニット（１０６）は、スイッチング手段（１０８）を介して前記制御回路（１０４）に接続されていることを特徴とする、請求項４ないし６のいずれかに記載の電気化学システム。
8. 各バッファ手段（１１６）の前記第１のスイッチング手段（１２０）は、制御信号により制御されるトランジスタの形態をとることを特徴とする、請求項２ないし７のいずれかに記載の電気化学システム。
9. 各バッファ手段（１１６）の前記第２のスイッチング手段（１２２）は、制御信号により制御されるトランジスタの形態をとることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれかに記載の電気化学システム。
10. 各トランジスタへの前記制御信号は、前記制御回路（１０４）により送信されることを特徴とする、請求項８または９に記載の電気化学システム。
11. 各トランジスタへの前記制御信号は、前記制御ユニット（１０６）により送信されることを特徴とする、請求項８または９に記載の電気化学システム。
12. 前記制御ユニット（１０６）は、各電気化学ユニット（１０２）の端子間に生じる電位差を表す電圧の値をデジタル化するように配された少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段を有していることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の電気化学システム。
13. 前記制御ユニット（１０６）に含まれるアナログ‐デジタル変換手段の個数は、バッファ手段（１１６）の個数に等しく、各バッファ手段がそれぞれアナログ‐デジタル変換手段に接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載の電気化学システム。
14. 各グループ（１２６）の前記制御ユニット（１０６）は、そのグループの各電気化学ユニット（１０２）の端子間に生じる電位差を表す電圧の値をデジタル化するように配された少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換手段を有していることを特徴とする、請求項２または４または５に記載の電気化学システム。
15. 各グループ（１２６）の前記制御ユニット（１０６）に含まれるアナログ‐デジタル変換手段の個数は、そのグループのバッファ手段（１１６）の個数に等しく、各バッファ手段がそれぞれアナログ‐デジタル変換手段に接続されていることを特徴とする、請求項１４に記載の電気化学システム。
16. 直列に接続された電気化学ユニット（１０２）のスタックを含む電気化学システム（１００）を管理する方法であって、該システム（１００）は、制御回路（１０４）により制御され、また、複数の差動増幅器（１１４）を有し、その各々は２つの入力により電気化学ユニットの端子に接続されて、これにより、その電気化学ユニットの端子間の電位差を表す電圧を供給し、各々の表示電圧は、その表示電圧を前記制御回路に伝送する数値に変換するために配される制御ユニット（１０６）に送られるようになっており、
    該システムは、各差動増幅器と前記制御ユニットとの間に、前記制御回路により制御されるバッファ手段（１１６）をさらに備えることを特徴とし、このバッファ手段はコンデンサ（１１８）を有し、その入力において、第１のスイッチング手段（１２０）により前記差動増幅器の出力に接続され、第２のスイッチング手段（１２２）により前記制御ユニットに接続され、その出力において、該システムのアースに接続されており、
    該システムは、前記第１および第２のスイッチング手段が開いている第１の通常動作モードと、第２の測定動作モードで動作し、この第２の動作モードでは、
    各電気化学ユニットの前記第１のスイッチング手段（１２０）を同時に閉じるステップと、
    各コンデンサ（１１８）に、そのコンデンサが接続されている電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧を保存するステップと、
    各電気化学ユニットの前記第１のスイッチング手段（１２０）を同時に開くステップと、
    各電気化学ユニットの端子間の電位差を表す電圧の値を、各バッファ手段の前記第２のスイッチング手段（１２２）の操作によって前記制御ユニットに伝送することにより、処理するステップと、が実行されることを特徴とする電気化学システムの管理方法。
17. 各電気化学ユニットの端子間に生じる電位差を表す電圧の値を処理するステップは、各コンデンサに保存された値を前記制御ユニット（１０６）に転送するように、各バッファ手段（１１６）の前記第２のスイッチング手段（１２２）を順次閉じることであることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記電気化学ユニット（１０２）のスタックは、別々のグループ（１２６）に細分されて、グループは、差動増幅器（１１４）およびバッファ手段（１１６）とそれぞれ関連付けられた複数の電気化学ユニットと、そのバッファ手段の出力に接続された制御ユニット（１０６）とを含み、また、各グループは固有の電圧基準を有しており、
    前記第２の動作モードのステップは、各グループに対して順次実行されることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の電気化学システムを管理する方法。
19. 前記第２の動作モードのステップは、各グループに対して同時に実行されることを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学システムを管理する方法。

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