(57)【要約】【課題】燃料電池において簡便な方法で発電セルの逆電位発生の有無を検出するセルモニタを提供する。【解決手段】複数の発電セル１０を直列に接続した燃料電池１００のセルモニタ２００であって、その両端２０ａ，２０ｂが各発電セル１０の両端１０ａ，１０ｂにそれぞれ接続され、一次側コイル２１と、オンオフスイッチ２２と、各発電セル１０のマイナス側端１０ｂからプラス側端１０ａへ電流を流すダイオード２３とが直列に接続される各一次回路２０と、各第１のコイル２１と電磁的に接続された二次側コイルと３１と二次側コイル３１の電圧を検出する電圧測定回路３５と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電セルを直列に接続した燃料電池のセルモニタであって、
その両端が各発電セルの両端にそれぞれ接続され、第１のコイルと、オンオフスイッチと、各発電セルのマイナス側端からプラス側端へ電流を流すダイオードとが直列に接続される各一次回路と、
各第１のコイルと電磁的に接続された第２のコイルと、
第２のコイルの電圧を検出する電圧測定回路と、
を備えることを特徴とする燃料電池のセルモニタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセルモニタの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。
【０００３】
燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質の両側に触媒層を有する燃料側電極と触媒層を有する酸化剤側電極とが対向して配置して構成された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を燃料極側セパレータ及び酸化剤極側セパレータによって挟持して構成される発電セルを組み合わせたものが使用されている。燃料ガスに水素、酸化剤ガスに空気を使用するタイプの燃料電池では、１つの発電セルの発電電圧はおよそ１．０Ｖである。従って、例えば、電動車両の走行用の数百Ｖ程度の高電圧出力を持つ燃料電池としては、発電電力がおよそ１．０Ｖの発電セルを数百個程度電気的に直列に積層して一体とした燃料電池スタックが用いられる。
【０００４】
このような高出力の燃料電池では、各発電セルに均等に燃料ガスや酸化剤ガスが供給され、各発電セルからスムースに生成水が排出されるように構成されているが、一部の発電セルにおいて燃料の偏在や生成水の溜まりなどが発生すると、その発電セルの電圧が低下し、場合によってはゼロ或いは逆電位となる場合がある。この場合、外部に取り出せる出力が減少するだけでなく、電圧が低下した発電セルの劣化につながることがある。このため、各発電セルに整流部としてのダイオードを並列接続し、電圧低下が発生した発電セルを迂回できる迂回回路を形成し、その発電セルにかかる逆電位を抑える方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２６９９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、高出力の燃料電池では、数百の発電セルが電気的に直列に積層されていることから、どれか１つの発電セルの１つが逆電位となったら燃料電池全体としての発電を停止したり、出力を制御したりすることが必要となってくる。このため、積層された数百の発電セルの中に、逆電位となっている発電セルの有無を検出することが必要となるが、燃料電池全体の発電電圧から個々の発電セルの逆電位の発生を検出することは非常に困難で、個々の発電セルの電圧を検出する必要がある。このため、特許文献１に記載された従来技術では、電圧低下の発生した発電セルにかかる逆電位を抑えることはできたとしても、逆電位の発生している発電セルの有無については判定できず、逆電位の発生している発電セルの劣化を有効に抑制することが難しいという問題があった。
【０００７】
また、各発電セルの逆電位を監視するには各発電セルに逆電位を検出するセンサを設け、各センサから取得した信号を制御装置に入力して処理し、各セルの各電圧を監視することも可能であるが、制御装置は燃料電池の各セルの電圧を監視するための常に数百の入力データを処理することが必要となり、システムが複雑になってしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池において簡便な方法で発電セルの逆電位発生の有無を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池のセルモニタは、複数の発電セルを直列に接続した燃料電池のセルモニタであって、その両端が各発電セルの両端にそれぞれ接続され、第１のコイルと、オンオフスイッチと、各発電セルのマイナス側端からプラス側端へ電流を流すダイオードとが直列に接続される各一次回路と、各第１のコイルと電磁的に接続された第２のコイルと、
第２のコイルの電圧を検出する電圧測定回路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、燃料電池において簡便な方法で発電セルの逆電位発生の有無を検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池のセルモニタの構成を示す系統図である。
【図２】本発明の他の実施形態における燃料電池のセルモニタの構成を示す系統図である。
【図３】本発明の他の実施形態における燃料電池のセルモニタの構成を示す系統図である。
【図４】本発明の他の実施形態における燃料電池のセルモニタの構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態のセルモニタ２００は、複数の発電セル１０が直列に接続された燃料電池１００の各発電セル１０の逆電位の電圧を検出するものであって、一次側コイル２１と、オンオフスイッチ２２と、ダイオード２３とが直列に接続される複数の一次回路２０と、各一次回路２０の各一次側コイル２１とそれぞれトランスを構成する共通の二次側コイル３１と、二次側コイル３１の電圧を検出する電圧測定回路３５と、を備えている。一次側コイル２１は請求項１に記載の第１のコイルであり、二次側コイル３１は請求項１に記載の第２のコイルである。なお、各コイル２１，３１の黒点は、トランスの向きを示す点である。
【００１３】
燃料電池１００を構成する各発電セル１０はそれぞれのプラス側端１０ａとマイナス側端１０ｂとが順次直列に接続されており、端部のプラス側端１０ａは燃料電池１００のプラス側端子１００ａに接続され、端部のマイナス側端１０ｂは燃料電池１００のマイナス側端子１００ｂに接続されている。一次回路２０の一端２０ａは発電セル１０のプラス側端１０ａに接続され、一次回路２０の他端２０ｂは発電セル１０のマイナス側端１０ｂに接続され、一次回路２０の一端２０ａと他端２０ｂの間には、発電セル１０と並列になるように一次側コンデンサ２４が接続されている。また、ダイオード２３は発電セル１０のマイナス側端１０ｂからプラス側端１０ａに向って電流を流し、各発電セル１０のプラス側端１０ａからマイナス側端１０ｂに向って電流を流さないように配置されている。一次側コンデンサ２４とダイオード２３とは一次回路２０の整流回路を構成する。一次回路２０のオンオフスイッチ２２にはオンオフスイッチ２２の開閉動作を行う作動回路２５が接続されている。オンオフスイッチ２２は入力される電気信号によって開閉動作を行うものであってもよいし、機械的に開閉を行うスイッチであってもよい。オンオフスイッチ２２が電気式である場合には、作動回路２５はオンオフ駆動用の電気信号を出力し、オンオフスイッチ２２が機械式である場合には、作動回路２５はオンオフ駆動用の機械的な出力をするアクチュエータであってもよい。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池１００の各発電セル１０にはそれぞれ一次回路２０が各発電セル１０と並列となるように接続されており、各一次回路２０の各オンオフスイッチ２２を駆動する作動回路２５は各オンオフスイッチ２２に共通に配置されている。各一次回路２０の各一次側コイル２１は、共通の鉄心３０と共通の二次側コイル３１とそれぞれトランスを構成するように配置されている。二次側コイル３１の両端には第１の二次側コンデンサ３２と第２の二次側コンデンサ３３とがそれぞれ並列に接続され、第１の二次側コンデンサ３２と第２の二次側コンデンサ３３の一端側の間にはダイオード３４が配置されている。第１、第２の二次側コンデンサ３２,３３とダイオード３４は整流回路を構成する。第２の二次側コンデンサ３２の両端は二次側コイル３１の電圧を検出する電圧測定回路３５に接続されている。
【００１５】
以上のように構成されたセルモニタ２００の動作について説明する。燃料電池１００が始動して、各発電セル１０の電圧が上昇してくると、各発電セル１０のプラス側端１０ａとマイナス側端１０ｂとの間の電圧差が大きくなり、それにつれて各一次側コンデンサ２４の両端の電圧も各発電セル１０の発電電圧と同様の電圧となってくる。この状態で作動回路２５を動作させて各オンオフスイッチ２２を同時に閉としても、各一次回路２０の各ダイオード２３は各発電セル１０のプラス側端１０ａからマイナス側端１０ｂに向って電流を流さないように配置されているので、一次側コンデンサ２４に蓄積された電荷は放出されず、各一次側コイル２１に電流は流れない。従って、二次側コイル３１にも電流は流れないため、電圧測定回路３５は電圧を検出しない。そして、所定の時間が経過したら作動回路２５によりオンオフスイッチ２２を開として、初期の状態に戻る。このように、作動回路２５によってオンオフスイッチ２２の開閉動作を周期的に繰り返す。
【００１６】
燃料電池１００が運転を続けている間にいずれかの発電セル１０が逆電位になってくると、一次側コンデンサ２４の発電セル１０のマイナス側端１０ｂに接続されている側がプラス、発電セル１０のプラス側端１０ａに接続されている側がマイナスとなるように電荷が蓄積されてくる。この状態で、オンオフスイッチ２２が閉となると、逆電位の発生している発電セル１０に接続されている一次側コンデンサ２４からダイオード２３、オンオフスイッチ２２、一次側コイル２１を通して電荷が開放され、発電セル１０のマイナス側端１０ｂからプラス側端１０ａに向って電流が流れる。そして、一次側コイル２１に電流が流れ、この電流によって二次側コイル２１に電流が流れ、第１、第２の二次側コンデンサ３２，３３の両端の電圧が上昇していく。所定の時間が経過したら、電圧測定回路３５は、第２の二次側コンデンサ３３の両端の電圧を測定し、その電圧が閾値以上なっている場合には、逆電位となっている発電セル１０が存在すると判断し、信号を出力する。また、第２の二次側コンデンサ３３の両端の電圧と発電セル１０の逆電位の関係を示すマップあるいは変換係数等を用いて、第２の二次側コンデンサ３３両端の電圧を発電セル１０の逆電位の電圧に変換してその電圧を出力するようにしてもよい。そして、所定の時間たったら作動回路２５によりオンオフスイッチ２２を開として、初期の状態に戻る。このように、作動回路２５によってオンオフスイッチ２２の開閉動作を周期的に繰り返し、オンオフスイッチ２２が閉となった際の二次側コイル３１の両端の電圧を電圧測定回路３５で測定する。
【００１７】
燃料電池１００の複数の発電セル１０に逆電位が発生している場合には、オンオフスイッチ２２を閉とすると複数の一次側コンデンサ２４から電荷が開放され、複数の一次側コイル２１に電流が流れる。この際、二次側コイル３１には、複数の一次側コイル２１に流れる電流の最大の電流に対応する電流が流れることから、電圧測定回路３５は、複数の一次側コイル２１に流れる電流の内の最大の電流に対応する第２の二次側コンデンサ３３の両端の電圧を測定する。そして、測定した第２の二次側コンデンサ３３の両端の電圧を上記と同様のマップあるいは変換係数等を用いて発電セル１０の逆電位の電圧に変換してその電圧を出力する。このため、電圧測定回路３５は、複数の発電セル１０が逆電位となっている場合には、複数の発電セル１０の逆電位の電圧の内の最大電圧（絶対値が最大）を出力することが出来る。
【００１８】
以上説明した本実施形態のセルモニタ２００では、簡便な方法で燃料電池１００の発電セル１０の逆電位を検出することができるとともに、その逆電位の電圧を検出することが出来る。また、オンオフスイッチ２２を同時に開閉することによって、複数の発電セル１０が逆電位となっている場合にはその最大の逆電位の電圧（絶対値が最大）を検出することが出来る。
【００１９】
本実施形態では、各一次回路２０の各オンオフスイッチ２２を同時に開閉することとして説明したが、各オンオフスイッチ２２を順次開閉しても逆電位の発電セル１０の有無、及びその逆電位を順次検出することが出来る。
【００２０】
図２を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図２に示すように、本実施形態は、図１を参照して説明した実施形態の各オンオフスイッチ２２を、ＦＥＴ２７を用いた電子式スイッチとし、作動回路２５を、パルス信号を出力する発振器２９としたものである。また、ＦＥＴ２７と発振器２９との間にはコンデンサ２６が接続され、ＦＥＴ２７には逆並列にダイオード２８が接続されている。発振器２９は共通で、出力パルスによって各ＦＥＴ２７のオンオフ動作を行うよう構成されている。本実施形態では、共通の発振器２９が各ＦＥＴ２７に接続されているので、各ＦＥＴ２７は同時に開閉される。
【００２１】
本実施形態の動作は先に図１を参照して説明した実施形態と同様、発振器２９から出力されるパルス信号によって複数のＦＥＴ２７が同時に開閉し、逆電位が発生している発電セル１０があると、その逆電位に応じた電圧を電圧測定回路３５によって検出することができる。また、先に説明した実施形態と同様、複数の発電セル１０で逆電位が発生している場合には、逆電位の最大電圧を検出することができる。
【００２２】
図３を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１、図２を参照して説明した各実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図１、図２を参照して説明した各実施形態の一次側コンデンサ２４とダイオード２３によって形成される整流回路をコンデンサとＦＥＴを組み合わせた同期整流回路としたものである。
【００２３】
図３に示すように、一次側コンデンサ２４の一次回路２０の他端２０ｂの側と一次側コイル２１との間にＦＥＴ４２が接続され、ＦＥＴ４２のコレクタ側とエミッタ側とはラッチ回路４１に接続され、ＦＥＴ４２には発電セル１０のマイナス側端１０ｂからプラス側端１０ａに向って電流が流れるように小容量ダイオード４３が並列に接続されている。本実施形態では、発振器２９のパルス信号によってＦＥＴ２７が閉となると、ＦＥＴ４２に並列に接続されている小容量ダイオード４３を通って微小な電流が流れる。そして、ＦＥＴ４２のエミッタ側、コレクタ側の両方に電流が流れるとその電流によってラッチ回路４１からＦＥＴ４２のゲート電流が流れ、このゲート電流によってＦＥＴ４２が開となる。一次側コンデンサ２４の放電が略終わると、ＦＥＴ４２のエミッタ側、コレクタ側の電流がなくなり、これによってラッチ回路４１からＦＥＴ４２のゲートに流れる電流がなくなり、ＦＥＴ４２は閉となり、一次側コイル２１には小容量ダイオード４３を通して微小な電流が流れる。そして、ＦＥＴ２７に流れる電流が略ゼロとなった際にＦＥＴ２７が閉となる。このように、本実施形態では、微小電流でＦＥＴ２７の開閉を行うようにすることから、ＦＥＴ２７のスイッチング損失を低減することができる。ＦＥＴ２７の開閉動作によって各発電セル１０の逆電位の有無の検出と逆電位の電圧の測定は先に説明した実施形態と同様である。
【００２４】
図４を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図１を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図４に示す実施形態は、複数の一次側コイル２１は複数共通の鉄心３０１，３０２，３０３と複数共通の二次側コイル３１１，３１２，３１３と複数の第一段トランス３００を構成するように配置され、複数の第１の二次側コイル３１１,３１２，３１３に各第１、第２の二次側コンデンサ３２１，３３１，３２２，３３２，３２３，３３３と各ダイオード３４１，３４２，３４３を図１で説明した実施形態と同様に接続し、各第２の二次側コンデンサ３３１，３３２，３３３の両端に各第２の二次側コイル３８１，３８２，３８３と各オンオフスイッチ３７１，３７２，３７３と各ダイオード３６１，３６２，３６３とを直列に接続した両端が接続されている。各第２の二次側コイル３８１，３８２，３８３は、共通の鉄心４１０と共通の三次側コイル４０１とそれぞれ第二段トランス４００を構成するように配置されている。三次側コイル４０１の両端には第１の三次側コンデンサ４０２と第２の三次側コンデンサ４０３とがそれぞれ並列に接続され、第１の三次側コンデンサ４０２と第２の三次側コンデンサ４０３の一端側の間にはダイオード４０４が配置されている。第１、第２の三次側コンデンサ４０２,４０３とダイオード４０４は整流回路を構成する。第２の三次側コンデンサ４０３の両端は三次側コイル４０１の電圧を検出する電圧測定回路４０５に接続されている。また、一次回路２０の各オンオフスイッチ２２と第２の二次側コイル３８１，３８２，３８３と直列に接続されている各オンオフスイッチ３７１，３７２，３７３とは共通の作動回路２５に接続され、作動回路２５の出力に応じて同時に開閉するよう構成されている。このように、本実施形態では、各トランス３００,４００を二段に接続して、多くの発電セル１０の逆電位の発生を１つの電圧測定回路４０５で測定することが出来るよう構成したものである。本実施形態の一次側コイル２１は請求項１に記載の第１のコイルであり、三次側コイル４０１は請求項１に記載の第２のコイルである。
【００２５】
本実施形態の動作は、図１を参照して説明した実施形態と同様、作動回路２５によって周期的にオンオフスイッチ２２，３７１，３７２，３７２を開閉し、逆電位の発生している１つの発電セル１０があった場合には、その発電セル１０に接続されている一次回路２０の一次側コイル２１に電流が流れる。この電流によって逆電位の発生している発電セル１０に接続されている一次側コイル２１とトランスを構成する第１の二次側コイル３１１，３１２，３１３の中の１つの第１の二次側コイルに電流が流れ、その電流によってその第１の二次側コイルに接続されている１つの第２の二次側コイルに電流が流れ、その電流によって三次側コイル４０１に電流が流れ、第１、第２の三次側コンデンサ４０２，４０３の両端の電圧が上昇する。そして、電圧測定回路４０５によって第２の三次側コンデンサ４０３の両端の電圧を測定し、測定した電圧と各発電セル１０の逆電位の電圧とのマップ或いは逆電位の電圧との比率から発電セル１０の逆電位による電圧を検出することできる。また、本実施形態でも、各オンオフスイッチ２２とオンオフスイッチ３７１，３７２，３７３を同時に開閉するので、図１を参照して説明した実施形態と同様、複数の発電セル１０に逆電位が発生している場合に、その最大の逆電位の電圧（絶対値の最大）を測定することができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態では、複数の一次側コイル２１と第１の二次側コイル３１１，３１２，３１３によって構成される第一段トランス３００と、複数の第２の二次側コイル３８１，３８２，３８３と三次側コイル４０１とで構成される第二段トランス４００によって、複数の一次側コイル２１と共通の三次側コイル４０１とを多段に電磁的に接続するよう構成している。このため、多数の発電セル１０を備える燃料電池１００においても１つの電圧測定回路４０５で全ての発電セル１０の逆電位の発生の有無を判断することが出来る。また、本実施形態では、３つのコイルの入力に対して1つの出力となる３入力１出力のトランスを二段にして９入力１出力の構成としているが、トランスの段数、形式はこれに限ることなく、より多くの段数の構成としてもよいし、より多数の入力で１出力となるトランスの構成を用いてもよい。例えば、７入力１出力のトランスを三段に構成した場合には、３４３の発電セル１０を備える燃料電池１００のいずれか１つの発電セル１０に逆電位が発生しているかどうかを１つの電圧測定回路４０５で測定することが出来る。
【００２７】
以上説明した本実施形態のセルモニタ２００は、先に図１を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００２８】
１０  発電セル、１０ａ  プラス側端、１０ｂ  マイナス側端、２０  一次回路、２０ａ  一端、２０ｂ  他端、２１  一次側コイル、２２，３７１，３７２，３７２  オンオフスイッチ、２３，２８，３４，３４１，３４２，３４３，３６１，３６２，３６３，４０４  ダイオード、２４  一次側コンデンサ、２５  作動回路、２６  コンデンサ、２７，４２ ＦＥＴ、２９  発振器、３０，３０１，３０２，３０３，４１０  鉄心、３１  二次側コイル、３２  第１の二次側コンデンサ、３３  第２の二次側コンデンサ、３５，４０５  電圧測定回路、４１  ラッチ回路、４３  小容量ダイオード、１００  燃料電池、１００ａ  プラス側端子、１００ｂ  マイナス側端子、２００  セルモニタ、３００  第一段トランス、３１１，３１２，３１３  第１の二次側コイル、３８１，３８２，３８３  第２の二次側コイル、３２１，３２２，３２３  第１の二次側コンデンサ、３３１，３３２，３３３  第２の二次側コンデンサ、４００  第二段トランス、４０１  三次側コイル、４０２  第１の三次側コンデンサ、４０３  第２の三次側コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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