(57)【要約】【課題】  セルとセル電圧検出装置との接触不良等に起因する電圧測定誤差を補正するセル電圧検出装置を提供する。【解決手段】  本発明のセル電圧検出装置（３０）は、複数のセルが直列接続されてなる燃料電池スタック（２０）のセル電圧を検出する装置であって、隣接する二つのセル（２０ａ）又はセル群のうち一方のセル（２０ａ）又はセル群のセル実測電圧が第一の所定値以下であり、且つ、他方のセル（２０ａ）又はセル群のセル実測電圧が第二の所定値以上である場合に、燃料電池スタック（２０）とセル電圧検出装置（３０）との接触箇所に接触不良が生じていると判定する判定手段を備える。かかる構成により、セル実測電圧が実際に低下しているのか、或いは単なる接触不良なのかを判定できる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが直列接続されてなる燃料電池スタックのセル電圧を検出するセル電圧検出装置であって、隣接する二つのセル又はセル群のうち一方のセル又はセル群のセル実測電圧が第一の所定値以下であり、且つ、他方のセル又はセル群のセル実測電圧が第二の所定値以上である場合に、前記燃料電池スタックと前記セル電圧検出装置との接触箇所に接触不良が生じていると判定する判定手段を備える、セル電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセル電圧検出装置であって、前記第一の所定値及び前記第二の所定値は前記セル実測電圧の平均値である、セル電圧検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載のセル電圧検出装置であって、前記第一の所定値は前記セル実測電圧の平均値からそのばらつき範囲を差し引いた電圧値であり、且つ、前記第二の所定値は前記セル実測電圧の平均値にそのばらつき範囲を足し合わせた電圧値である、セル電圧検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載のセル電圧検出装置であって、前記燃料電池スタックと前記セル電圧検出装置との接触箇所に接触不良が生じていると判定された場合に、隣接する二つのセル又はセル群のセル実測電圧を用いた補正演算により、接触不良が生じているセル又はセル群のセル実測電圧を補正する補正手段を更に備える、セル電圧検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載のセル電圧検出装置であって、前記補正手段は前記セル実測電圧が零電位以下の場合に前記補正演算を行わないように構成されている、セル電圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出装置に関し、特に、セルとセル電圧検出装置との接触不良等に起因する電圧測定誤差を補正する改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のセル（単電池）を直列に積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、何れか一つのセルでも発電不良を起こすと、電池運転に影響を与えるため、セル電圧を監視するセルモニタが設置されている。特許文献１には、燃料電池スタックのセルｎ枚毎にセル電圧を検出した実測電圧Ｖと、ｎ×νP＞ＶR≧（ｎ−１）×νO＋νLの不等式を満たすように選定された監視基準電圧ＶRとを比較し、実測電圧Ｖが監視基準電圧ＶRを下回った場合にセルに異常が発生したものと判断する方法が提案されている。ここで、νOは閉回路電圧、νLは破壊電圧、νPは定格使用域での最低セル電圧、ｎは計測ピッチ数である。
【特許文献１】特開２００２−１５１１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池システムを電力供給源とする燃料電池車両においては、フラッディングや水素不足等によってセル電圧が零電位（０Ｖ）以下に低下したことがセルモニタによって検出された場合に、燃料電池システムを制御する制御装置は発電停止（車両の緊急停止）を実行するように構成されている。セル電圧が零電位以下の状況で発電が継続されると、燃料電池スタックの受けるダメージが大きいので、これを抑制するためである。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている方法でセル電圧の異常を検出すると、セルとセルモニタとの間の接触不良が原因で実測電圧が低下している場合でも、セルに発電異常が生じていると判断される虞がある。例えば、セルモニタケーブルハウジングがスプリングの付勢力を利用してセルを直接掴む構造を備える場合には、セルとセルモニタケーブルとの接触箇所において、接触不良が生じる場合がある。セルの発電状態は正常であるにも拘わらず、接触不良が原因でセルの発電状態が異常であると判断されると、不必要な発電停止（車両停止）を行うので、好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明はセルとセル電圧検出装置との接触不良等に起因する電圧測定誤差を補正するセル電圧検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明のセル電圧検出装置は、複数のセルが直列接続されてなる燃料電池スタックのセル電圧を検出するセル電圧検出装置であって、隣接する二つのセル又はセル群のうち一方のセル又はセル群のセル実測電圧が第一の所定値以下であり、且つ、他方のセル又はセル群のセル実測電圧が第二の所定値以上である場合に、燃料電池スタックとセル電圧検出装置との接触箇所に接触不良が生じていると判定する判定手段を備える。接触不良が生じると、隣接する二つのセル又はセル群のうち一方のセル電圧は見かけ上大きくなり、他方のセル電圧は見かけ上小さくなる。本構成によれば、セル実測電圧が実際に低下しているのか、或いは単なる接触不良なのかを判定できる。
【０００７】
ここで、第一の所定値及び第二の所定値としては、例えば、セル実測電圧の平均値が好適である。接触不良が生じている場合には、接触抵抗の影響によりセル実測電圧が変動するので、セル実測電圧の平均値を基準にその変動量をみることで、接触不良の有無を判定できる。
【０００８】
また、第一の所定値としては、セル実測電圧の平均値からそのばらつき範囲を差し引いた電圧値に設定し、且つ、第二の所定値としては、セル実測電圧の平均値にそのばらつき範囲を足し合わせた電圧値に設定してもよい。接触不良の判定を行う上で、セル実測電圧の平均値のばらつき範囲を加味することで、判定精度を高めることができる。
【０００９】
本発明のセル電圧検出装置は、燃料電池スタックとセル電圧検出装置との接触箇所に接触不良が生じていると判定された場合に、隣接する二つのセル又はセル群のセル実測電圧を用いた補正演算により、接触不良が生じているセル又はセル群のセル実測電圧を補正する補正手段を備えるのが好ましい。この補正演算により、接触不良によるセル実測電圧のみかけ上の誤差を補正できる。
【００１０】
また、この補正手段は、セル実測電圧が零電位以下の場合に補正演算を行わないのが好ましい。これにより、接触不良に起因するセル実測電圧の低下と、フラッディング又は水素不足等に起因するセル実測電圧の低下の誤判定を避けることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セル実測電圧が実際に低下しているのか、或いは単なる接触不良なのかを判定することができ、接触不良が生じている場合には、セル実測電圧の補正が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、各図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両の電力供給源として機能する燃料電池システム１０の主要構成を示している。燃料電池システム１０は、主に、複数のセルが直列に積層されてなる燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２１と、燃料電池スタック２０のカソード極に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給装置２２と、燃料電池スタック２０の各セル電圧を検出するセルモニタ３０と、燃料電池スタック２０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電する二次電池（蓄電装置）８０と、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整して、燃料電池スタック２０と二次電池４０との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ７０と、燃料電池スタック２０又は二次電池８０から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（車両走行モータ）６０に供給するインバータ５０と、システム全体を制御する制御装置４０を備えて構成されている。
【００１３】
制御装置４０はアクセル開度や車速等を基にシステム全体の要求電力（車両走行電力と補機電力の総和）を求める。次いで、燃料電池スタック２０と二次電池８０の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように燃料ガス供給装置２１と酸化ガス供給装置２２を制御して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０を制御して燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整する。更に、制御装置４０はアクセル開度に応じて目標車速が得られるようにインバータ５０を制御し、トラクションモータ６０の回転数、及び回転トルクを調整する。
【００１４】
図２は燃料電池スタック２０とセルモニタ３０との接続構成を示している。燃料電池スタック２０は複数のセル２０ａを直列接続されたスタック構造を備えている。燃料電池スタック２０は、各々のセル２０ａの出力電圧（セル電圧）を検出するための計測線３１を通じてセルモニタ３０に接続されている。セルモニタ３０はグランドＧＮＤを電位基準とした計測線３１の電位を計測することによりセル実測電圧を求める。同図に示すように、（ｎ−１）番目、ｎ番目、（ｎ＋１）番目のセル２０ａのセル電圧をそれぞれＶn-1，Ｖn，Ｖn+1とし、各計測線３１の電位をＶn-1′，Ｖn′，Ｖn+1′とすると、セル電圧Ｖnは、Ｖn＝Ｖn′−Ｖn-1′により求めることができる。仮に、図中のｂ点とｅ点を結線する計測線３１上に接触不良が生じているとすると、接触抵抗Ｒの影響を受けて、Ｖ′nには電圧降下が生じる。すると、セル電圧Ｖnの実測値は実際の値よりも小さくなる。一方、セル電圧Ｖn+1は、Ｖn+1＝Ｖn+1′−Ｖn′であるから、接触不良によりＶ′nに電圧降下が生じると、セル電圧Ｖn+1の実測値は実際の値よりも大きくなる。このように、接触不良が生じると、隣接する二つのセル２０ａのうち一方のセル電圧は見かけ上大きくなり、他方のセル電圧は見かけ上小さくなる。ａ点とｄ点とを結線する計測線３１、或いはｃ点とｆ点とを結線する計測線３１に接触不良が生じた場合も同様である。これに対して、フラッディングや水素不足等の影響でＮ番目のセル２０ａのセル電圧Ｖnが低下すると、Ｖn′が低下するため、セル電圧Ｖnも低下する。しかし、セル電圧Ｖn+1については、Ｖn′が低下した分、Ｖn+1′も低下するため、実測電圧値に変化は見られない。
【００１５】
このように、接触不良によってセル実測電圧が低下する場合と、フラッディングや水素不足等によってセル実測電圧が低下する場合とでは、隣接する二つのセル２０ａのセル実測電圧Ｖn，Ｖn+1の変化に違いが見られる。そこで、本実施形態では、セル実測電圧の低下原因が接触不良であるか否かを判定する基準として、以下の条件（１）〜（２）を設定する。
Ｖn＜ＶA−Ｖ0…（１）
ＶA＋Ｖ0≦Ｖn+1＜ＶMAX…（２）
ここで、ＶAはセル実測電圧の平均値、Ｖ0はセル実測電圧のばらつき範囲、ＶMAXは検出電圧の上限値である。条件（１）が満たされる場合には、セル実測電圧がそのばらつき範囲を加味した下限値よりも低下していることを意味している。また、条件（２）が満たされる場合には、セル実測電圧がそのばらつき範囲を加味した上限値よりも上昇していることを意味している。隣接する二つのセル２０ａのうち、一方のセル２０ａのセル電圧が条件（１）を満たし、他方のセル２０ａのセル電圧が条件（２）を満たす場合には、接触不良が生じていると判定できる。セルモニタ３０は各計測線３１の電位Ｖn+1′，Ｖn′，Ｖn+1′を基にセル実測電圧Ｖn-1，Ｖn，Ｖn+1を算出し、これらのセル実測電圧Ｖn-1，Ｖn，Ｖn+1について、条件（１）〜（２）が満たされているか否かを判定することで、接触不良の有無を判定する判定手段として機能する。
【００１６】
セルモニタ３０は、燃料電池スタック２０とセルモニタ３０との接触箇所に接触不良が生じていると判定すると、（３）式〜（４）式に示す補正演算を行う補正手段として機能する。
補正後Ｖn＝（補正前Ｖn＋補正前Ｖn+1）−ＶA…（３）
補正後Ｖn+1＝（補正前Ｖn＋補正前Ｖn+1）−ＶA…（４）
この補正演算により、接触不良によるセル実測電圧のみかけ上の誤差を低減できる。
尚、接触抵抗Ｒが過大になると、Ｖn′の電圧降下によりＶn＝Ｖn′−Ｖn-1′＜０となる場合がある。更に、フラッディングや水素供給不足等によっても、セル実測電圧は零電位以下に低下する場合がある。セル実測電圧が零電位以下に低下すると、セルモニタ３０はその原因が接触不良によるものなのか、或いはフラッディングや水素供給不足等によるものなのか、両者を区別することができない。セルモニタ３０が負電位を検出することができない回路構成を採用していると、前述した何れの場合においても、セルモニタ３０はセル実測電圧が零電位であるとして制御装置４０に出力する。接触不良によってセル実測電圧が低下している場合には、燃料電池スタック２０にダメージが生じることはないが、フラッディングや水素供給不足等によってセル実測電圧が低下している場合には、燃料電池スタック２０にダメージが生じる場合がある。そこで、本実施形態では、セル実測電圧が零電位以下である場合には、その原因がフラッディングや水素供給不足等による可能性を考慮して、上述した（３）式〜（４）式に示す補正演算を行わずに、通常処理を行う。通常処理としては、例えば、電池運転を停止するようにシステム制御するのが好ましい。セル電圧が零電位以下の状態で発電を継続すると、過放電等により燃料電池スタック２０が破損する虞があるためである。
【００１７】
尚、上述の説明では、各セル２０ａのセル電圧を個別に検出する構成を例示したが、複数のセル２０ａから成るセル群毎に出力電圧を検出できるように計測線３１を接続してもよい。本明細書において、セル実測電圧とは、単一のセル２０ａの出力電圧だけでなく、複数のセル２０ａから成るセル群全体の出力電圧をいう場合がある。また、上述の接触不良判定や補正演算はセルモニタ３０単体で行うように構成してもよいが、セルモニタ３０と制御装置４０が協働してこれらの処理を行うように構成してもよい。即ち、本発明のセル電圧検出装置は、セルモニタ３０単体によって構成されてもよく、或いはセルモニタ３０と制御装置４０の機能の一部によって実現されるものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池システムの主要構成図である。
【図２】燃料電池スタックとセルモニタとの接続構成図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池スタック  ２０ａ…セル  ２１…燃料ガス供給装置  ２２…酸化ガス供給装置  ３０…セルモニタ  ３１…計測線  ４０…制御装置４０…インバータ  ６０…トラクションモータ  ７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ  ８０…二次電池
【図１】
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【図２】
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