(57)【要約】【課題】燃料電池の電圧監視システムのコストを抑制する。【解決手段】燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧監視システム２０は、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３とスイッチング電源回路２５と制御回路３５とを備える。検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９を区分したブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した基準電位で用いられ、ブロックＢ１〜Ｂ３に属する燃料電池の各々の電圧のうちの最小電圧を検出する。スイッチング電源回路２５は、独立な複数の出力を取り出して、該複数の出力を、ブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した電源として検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３に供給する。制御回路３５は、スイッチング電源回路２５の複数の出力のうちの１つをフィードバックして、スイッチング電源回路２５のスイッチングを制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池を２以上に区分したグループごとに独立した基準電位で用いられ、該グループに属する燃料電池の各々の電圧の少なくとも１つを検出する検出回路と、
独立な複数の出力を取り出して、該複数の出力を、前記グループごとに独立した電源として前記各検出回路に供給する絶縁型のスイッチング電源回路と、
前記複数の出力のうちの１つをフィードバックして、前記スイッチング電源回路のスイッチングを制御するフィードバック制御回路と
を備えた電圧監視システム。
【請求項２】
更に、前記フィードバックが行われない前記スイッチング電源回路の出力に少なくとも設けられ、該出力の所定値以上の上昇を抑制する電圧制限回路を備えた請求項１記載の電圧監視システム。
【請求項３】
更に、前記複数の出力のうちの少なくとも２つの出力に設けられ、該少なくとも２つの出力の各々と前記フィードバック回路との接続状態を切り替えるスイッチング回路を備えた請求項１または請求項２記載の電圧監視システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の電圧監視システムであって、
前記検出回路は、
前記グループに属する燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が出力する前記燃料電池の各々の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する特定電圧検出手段と
を備えた電圧監視システム。
【請求項５】
請求項４記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプを備え、
前記特定電圧検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた
電圧監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、単セルでは実際の出力が１Ｖにも満たないため、一般的には、複数の単セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成し、全体として必要な高電圧を確保する。かかる燃料電池スタックでは、単セル１つにでも異常が発生すると、スタック全体に対して出力制限を行うか、運転を停止する必要がある。こうしたことから、燃料電池スタックの制御を好適に行うために、燃料電池スタックを構成する単セルの電圧を監視する電圧監視システムが提案されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
こうした電圧監視システムにおいて、各単セルのカソードの電圧は、グランドレベルに対して、その単セルまでに積層された単セルの数に対応した電位までかさ上げされるので、多数の単セルで燃料電池スタックを構成する場合には、電圧を検出する回路素子に高電圧対応品を採用する必要があり、装置が高コスト化することが問題となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３２０１号公報
【特許文献２】特開平１１−１６０３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電圧監視システムのコストを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池を２以上に区分したグループごとに独立した基準電位で用いられ、該グループに属する燃料電池の各々の電圧の少なくとも１つを検出する検出回路と、
独立な複数の出力を取り出して、該複数の出力を、前記グループごとに独立した電源として前記各検出回路に供給する絶縁型のスイッチング電源回路と、
前記複数の出力のうちの１つをフィードバックして、前記スイッチング電源回路のスイッチングを制御するフィードバック制御回路と
を備えた電圧監視システム。
【０００８】
かかる構成の電圧監視システムは、複数の燃料電池を２以上に区分したグループごとに独立した基準電位で用いられる検出回路によって燃料電池の電圧を検出するので、同一の基準電位で用いられる検出回路に入力される燃料電池の電圧の幅を狭くすることができる。その結果、検出回路を安価な回路素子で構成することができる。しかも、スイッチング電源回路の複数の出力を、グループごとに独立した検出回路の電源とするので、電源装置を複数備える必要がなく、システム全体としても構成が簡単であり、コストを抑制することができる。また、スイッチング電源回路の複数の出力の１つをフィードバックして、スイッチング電源回路のスイッチングを制御するので、検出回路の消費電力に応じて、当該出力の１つを好適に制御することができる。しかも、１つの燃料電池スタックを構成する燃料電池の各々は、略同一の発電条件で運転され、燃料電池間での発電出力のばらつきが比較的小さくなることが多く、その結果、グループごとの検出回路の消費電力のばらつきも比較的小さいので、１つの出力をフィードバック制御すれば、他の出力も、所望の範囲に制御され得る。
【０００９】
［適用例２］更に、前記フィードバックが行われない前記スイッチング電源回路の出力に少なくとも設けられ、該出力の所定値以上の上昇を抑制する電圧制限回路を備えた適用例１記載の電圧監視システム。
【００１０】
かかる構成の電圧監視システムは、フィードバックが行われないスイッチング回路の出力が大きくなった場合であっても、電圧制限回路により、出力の上昇を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］更に、前記複数の出力のうちの少なくとも２つの出力に設けられ、該少なくとも２つの出力の各々と前記フィードバック回路との接続状態を切り替えるスイッチング回路を備えた適用例１または適用例２記載の電圧監視システム。
【００１２】
かかる構成の電圧監視システムは、スイッチング電源回路の複数の出力のうちから、フィードバックする出力をスイッチング回路によって切り替えることができる。その結果、燃料電池スタックの運転状態や、各燃料電池の発電特性の偏りなどに応じて、柔軟な出力制御を行うことができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記検出回路は、前記グループに属する燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、前記電圧伝達手段が出力する前記燃料電池の各々の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を検出する特定電圧検出手段とを備えた電圧監視システム。
【００１４】
かかる構成の電圧監視システムは、燃料電池の各々の電圧を集合して、最小値と最大値の少なくとも一方を検出するので、燃料電池ごとにその出力電圧を検出する必要がなく、システム構成を簡略化することができる。
【００１５】
［適用例５］適用例４記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプを備え、前記特定電圧検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられたダイオードと、該ダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた電圧監視システム。
【００１６】
かかる構成の電圧監視システムは、検出回路を差動アンプとダイオードとコンデンサとで構成するので、システム構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電圧監視システム２０の構成を示す説明図である。
【図２】検出回路ＶＣ１の構成を示す説明図である。
【図３】スイッチング電源回路２５の構成を示す説明図である。
【図４】第２実施例としてのスイッチング電源回路１２５の構成を示す説明図である。
【図５】第３実施例としての検出回路ＶＣ１の構成を示す説明図である。
【図６】第４実施例としての検出回路ＶＣ１の構成の一部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．電圧監視システム２０の構成：
本発明の第１実施例としての電圧監視システム２０の概略構成を図１に示す。電圧監視システム２０は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧を監視するシステムである。ここでの燃料電池とは、発電の最小単位である、いわゆる単セルである。本実施例における燃料電池は、固体高分子形の燃料電池であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される（図示せず）。燃料電池スタックＦＣは、積層方向の両端に配置したターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されると共に、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水の給排システムが接続されている（図示せず）。燃料電池スタックＦＣの定格出力は、本実施例では３００Ｖである。ただし、定格出力は、適宜設定すればよく、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の数も２つ以上であればよい。なお、以下では、説明の便を考慮して、燃料電池スタックＦＣは、９個の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９で構成されるものとして説明する。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９は、３つのブロックＢ１〜Ｂ３に区分されている。なお、本実施例では、３つのブロックに区分しているが、ブロックの数は２以上であればよい。また、各ブロックＢ１〜Ｂ３に属する燃料電池は、いずれも同数の３個であるが、ブロックごとに異なる個数であってもよい。また、各ブロックを構成する燃料電池の数は、説明の便を考慮して３個としているが、実際には、例えば２０個程度で設定することができる。ただし、各ブロックを構成する燃料電池の数は、特に制限するものではない。
【００２０】
かかる燃料電池スタックＦＣに接続される電圧監視システム２０は、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３と、スイッチング電源回路２５とを備えている。検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の電圧を検出する回路であり、それぞれ同一の回路で構成されている。この検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、ブロックＢ１〜Ｂ３と同一の数だけ設けられており、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、ブロックＢ１〜Ｂ３に属する燃料電池にそれぞれ対応して接続される。検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、相互に独立した基準電位で用いられる。スイッチング電源回路２５は、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３に電源を供給する絶縁型のスイッチング電源回路であり、その詳細は後述する。なお、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の電源には、燃料電池スタックＦＣの出力を用いることもできるが、燃料電池スタックＦＣでは、フラッディングなどによって、出力が０Ｖや負電圧となる状況も想定されるため、燃料電池スタックＦＣの電圧を確実に監視するために、燃料電池スタックＦＣとは独立した電源であるスイッチング電源回路２５を設けている。
【００２１】
Ａ−２．検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の構成：
同一構成の検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３を代表して、検出回路ＶＣ１の詳細について図２に示す。検出回路ＶＣ１は、本実施例では、ブロックＢ１に属する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧のうちの最小値を検出する回路である。検出回路ＶＣ１は、図示するように、オペアンプ８１〜８３と最小値検出回路９０とを備えている。
【００２２】
オペアンプ８１〜８３は、差動増幅器であり、両入力端子に接続された燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の電圧を、予め定めたゲインで増幅した電圧（ここではゲインを１としたので、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の電圧そのもの）を出力する。燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３は、積層され、電気的には直列接続されているから、グランドレベルに対して、各燃料電池のカソードの電圧は、その燃料電池までに積層された燃料電池の数に対応した電位までかさ上げされている。オペアンプ８１〜８３として差動増幅器を用いていることにより、各オペアンプ８１〜８３の出力電圧はいずれも、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の電圧をグランドレベルに対して表した値となっている。上述したスイッチング電源回路２５は、このオペアンプ８１〜８３の各々に電源を供給する。
【００２３】
最小値検出回路９０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力のうちの最小値を検出する回路であり、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３と、コンデンサＣ９５と、電源９６とプルアップ抵抗器Ｒ９７とを備えている。上述した各オペアンプ８１〜８３の出力は全て、逆方向のダイオードＤ９１〜Ｄ９３に接続されている。このため、各オペアンプ８１〜８３の出力は、いわゆるワイヤードオア接続となっている。つまり、各オペアンプ８１〜８３の出力は、他のオペアンプ８１〜８３の出力に対しては何ら影響を与えない。ワイヤードオア接続されたオペアンプ８１〜８３の出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ９５が接続されており、更に、プルアップ抵抗器Ｒ９７を介して所定の正の電源９６が接続されている。この電圧は、オペアンプ８１〜８３の想定される出力に対して十分に大きな値で設定されている。なお、本実施例においては、電源９６には、スイッチング電源回路２５の出力を用いることとしたが、スイッチング電源回路２５とは独立した電源であってもよい。
【００２４】
かかる検出回路ＶＣ１の最小値検出動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）オペアンプ８１〜８３が動作しておらず、各オペアンプ８１〜８３の出力がハイインピーダンス状態となっていれば、オペアンプ８１〜８３の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサＣ９５は充電された状態となり、端子ＴＥ１の電圧は、プルアップ抵抗器Ｒ９７を介して接続された正の電源９６の電圧と等しくなる。
【００２５】
（２）次に、所定のタイミングでオペアンプ８１〜８３を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ８１〜８３で検出し、出力させると、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ９５の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も低い電圧Ｖｍｉｎ１となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ１と一致したとき、他のオペアンプ８１〜８３（電圧Ｖｍｉｎ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）の出力電圧は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込むことはない。
【００２６】
（３）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に低下し、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ２（Ｖｍｉｎ１＞Ｖｍｉｎ２）となると、コンデンサＣ９５の端子ＴＥ１の電圧よりも低い電圧を出力したオペアンプ８１〜８３にダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ９５の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２と一致したとき、他のオペアンプ８１〜８３の出力電圧は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込むことはない。
【００２７】
（４）逆に、それまで最小の電圧であった燃料電池の電圧が高くなり、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ３（Ｖｍｉｎ１＜Ｖｍｉｎ３）となると、オペアンプ８１〜８３の出力電圧は、端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込むことはない。したがって、電源９６によって、コンデンサＣ９５が徐々に充電される。この充電は、コンデンサＣ９５の端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３になるまで継続される。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３を超えると、ダイオードＤ９１〜Ｄ９３を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ９５の端子ＴＥ１の電圧は低下する。
【００２８】
実際には、上述した（２）〜（４）のいずれの場合でも、ダイオードには順方向の降下電圧（シリコンダイオードの場合、通常０．７ボルト程度）が存在するから、端子ＴＥ１の電圧は、オペアンプ８１〜８３の出力の最小値より、この順方向降下電圧分だけ高くなるが、各ダイオードの順方向降下電圧は、既知のものなので、端子ＴＥ１の電圧を検出することにより、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の最小電圧を検出することは容易である。なお、トランジスタを用いて、順方向降下電圧を、ダイオードを用いた構成より小さくして測定すれば、より燃料電池の実際の電圧に近い値を検出することも可能である。
【００２９】
このようにして、コンデンサＣ９５には、オペアンプ８１〜８３の最小出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の最小電圧に対応する電圧がホールドされ、図示しないＭＣＵに出力される。ＭＣＵは、本実施例では、ＡＤ変換に特化したマイクロコンピュータである。ＭＣＵは、入力された最小値をＡＤ変換して、燃料電池スタックＦＣの運転制御を司るＣＰＵ（図示せず）に出力され、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の最小電圧に基づいた燃料電池スタックＦＣの発電状態の監視に用いられる。なお、ＭＣＵを介することなく、最小値を直接的にＣＰＵに入力する構成としてもよい。
【００３０】
かかる構成の検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３においては、上述したように、相互に独立した基準電位で用いられる。例えば、各ブロックにおいて、３個積層された燃料電池のうちの真ん中の燃料電池のカソード側の電位を基準電位とすることができる。このようにブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した基準電位を用いることにより、オペアンプ８１〜８３に入力される電圧の幅が小さくなり、オペアンプ８１〜８３の最大入力電圧を小さくすることができる。その結果、オペアンプ８１〜８３に高電圧対応品を採用する必要がないので、電圧監視システム２０を低コスト化することができる。
【００３１】
Ａ−３．スイッチング電源回路２５の構成：
スイッチング電源回路２５の概略構成を図３に示す。図３に示すスイッチング電源回路２５は、フォワード型のＤＣ−ＤＣコンバータである。スイッチング電源回路２５は、１入力多出力型に構成され、１つの入力側回路３０と、１つのトランス４０と、３つの出力側回路５０，６０，７０と、１つの制御回路３５とを備えている。３つの出力側回路５０，６０，７０の出力を、それぞれ出力Ｏ１〜Ｏ３ともいう。この出力Ｏ１〜Ｏ３は、上述したブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した電源として、ブロックＢ１〜Ｂ３に対応する検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３にそれぞれ接続される。
【００３２】
入力側回路３０は、コンデンサＣ３１と巻線３２とスイッチング素子ＳＷ３３とを備えている。この入力側回路３０は、図示しない入力電源（直流）側から見ると、入力電源のアノード、カソード間にコンデンサＣ３１が介装され、かつ、これと平行に巻線３２とスイッチング素子ＳＷ３３が直列に接続されている。トランス４０は、巻線３２を入力側巻線、後述する出力側回路５０，６０，７０が備える巻線５１，６１，７１を出力側巻線とするトランスである。スイッチング素子ＳＷ３３は、本実施例ではＭＯＳＦＥＴである。
【００３３】
出力側回路５０，６０は、同一の回路で構成されている。出力側回路５０は、出力Ｏ１の出力端子Ａ（＋）、Ｂ（−）側から見ると、出力端子Ａ、Ｂの間に、電圧制限回路としてのツェナーダイオードＺＤ５５、コンデンサＣ５４、ダイオードＤ５２がそれぞれ並行に介装され、かつ、これと並行に、出力端子Ａ側でダイオードＤ５２とコンデンサＣ５４との間に介装されたダイオードＤ５３と、巻線５１とが直列に接続されている。出力側回路６０は、巻線６１とダイオードＤ６２，Ｄ６３とコンデンサＣ６４とツェナーダイオードＺＤ６５とを出力側回路５０と同一の構成で備えている。出力側回路７０は、出力側回路５０，６０と同一の構成によって巻線７１とダイオードＤ７２，Ｄ７３とコンデンサＣ７４とを備えているが、ツェナーダイオードを備えていない点が出力側回路５０，６０と異なる。
【００３４】
制御回路３５は、出力側回路７０の出力Ｏ３の出力端子Ｅ（＋）、Ｆ（−）と、スイッチング素子ＳＷ３３とに接続されている。この制御回路３５は、出力Ｏ３の出力電圧を入力側にフィードバックして、出力Ｏ３の値が所定の値に保たれるように、スイッチング素子ＳＷ３３のＯＮ／ＯＦＦを制御する。本実施例では、出力Ｏ３の出力電圧を２個のフィードバック抵抗により抵抗分割し、エラーアンプによって所定の基準電圧と比較して、その誤差分に応じてＰＷＭ信号を生成する構成としている。この所定の基準電圧は、出力Ｏ３が接続される検出回路ＶＣ３に必要な電圧値であり、ブロックＢ３を構成する燃料電池の数から想定される。なお、この基準電圧は、燃料電池スタックＦＣの運転状態に応じて、例えば、高負荷運転時、低負荷運転時、立ち上げ運転時などに応じて、切り替え可能な構成としてもよい。こうすれば、出力Ｏ３に対応するブロックＢ３の燃料電池ＦＣ７〜ＦＣ９の発電状況に適した出力Ｏ３の制御を行うことができる。
【００３５】
かかるスイッチング電源回路２５の動作について説明する。まず、スイッチング素子ＳＷ３３をＯＮにすると、入力側回路３０に接続された入力電源から、トランス４０の入力側巻線である巻線３２に電流が流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス４０の出力側巻線である巻線５１，６１，７１の両端には、トランス４０の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した出力電圧が現れる。一方、次に、スイッチング素子ＳＷ３３をＯＦＦにすると、巻線３２への電流の流れ込みが停止され、巻線５１，６１，７１の両端には、逆起電力が発生する。つまり、このようなスイッチング素子ＳＷ３３のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、トランス４０は、出力側回路５０，６０，７０に交流電圧を供給する。なお、スイッチング素子ＳＷ３３をＯＮの状態からＯＦＦにした場合、巻線３２に蓄えられたエネルギーは、コンデンサＣ３１が充電されることでリセットされる。
【００３６】
一方、出力側回路５０に発生した交流電圧は、ダイオードＤ５３で整流され、コンデンサＣ５４で平滑化されて、直流電源が出力Ｏ１として出力される。出力側回路６０，７０においても、同様の動作により、直流電源が出力Ｏ２，Ｏ３として出力される。本実施例においては、ブロックＢ１〜Ｂ３を構成する燃料電池の数は、同一数に設定しているため、巻線５１，６１，７１の巻数は同一数に設定している。したがって、出力Ｏ１〜Ｏ３は、当初、同じ電圧値で出力される。なお、出力側回路５０，６０，７０に発生した負電圧（スイッチング素子ＳＷ３３のＯＦＦ動作により生じた電圧）は、巻線５１とダイオードＤ５２との間で電流が流れることにより、リセットされる。つまり、ダイオードＤ５２，Ｄ５３，Ｄ５４は、いわゆる還流ダイオードとして働く。
【００３７】
ここで、出力Ｏ１〜Ｏ３を接続する検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の消費電力は、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３に対応するブロックＢ１〜Ｂ３を構成する燃料電池の発電状況、すなわち出力電圧に応じて変動する。この変動量は、１つのブロックに属する燃料電池の数が多くなると無視できない程度に大きくなる。本実施例においては、オペアンプ８１〜８３の出力電圧が低下すると、オペアンプ８１〜８３の消費電力は減少するように構成されている。したがって、オペアンプ８１〜８３の出力電圧が低下すると、出力Ｏ１〜Ｏ３の電圧は次第に上昇していくこととなる。
【００３８】
そこで、出力Ｏ３は、制御回路３５によってフィードバック制御されることにより、所定電圧に一定制御される。一方、出力側回路５０，６０においては、出力側回路７０のようなフィードバック制御は行われないが、本実施例においては、ブロックＢ１〜Ｂ３を構成する燃料電池の数は同数に設定しているため、通常は、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の消費電力は概ね等しくなり、出力側回路７０の出力Ｏ３に近い電圧値で、出力側回路５０，６０の出力Ｏ１，Ｏ２を制御することが可能である。しかも、万一、出力Ｏ１，Ｏ２が接続される検出回路ＶＣ１，ＶＣ２に対応するブロックＢ１，Ｂ２において、局所的な燃料電池の電圧降下などが生じて、検出回路ＶＣ１や検出回路ＶＣ２の消費電力が検出回路ＶＣ３に比べて著しく小さくなり、その結果、検出回路ＶＣ１，ＶＣ２の出力Ｏ１，Ｏ２が過度に上昇した場合には、電圧制限回路としてのツェナーダイオードＺＤ５５，Ｄ６５にツェナー電流が流れ込み、電圧を降下させるので、出力Ｏ１，Ｏ２を所定値以下に保つことができる。
【００３９】
Ａ−４．効果：
かかる構成の電圧監視システム２０は、複数の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９を区分したブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した基準電位で用いられる検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３によって、各ブロックの燃料電池の最小電圧を検出するので、同一の基準電位で用いられる各検出回路に入力される燃料電池の電圧の範囲を狭くすることができる。その結果、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３を高電圧対応品で構成する必要がなくなり、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３を安価な回路素子で構成することができる。しかも、スイッチング電源回路２５の複数の出力Ｏ１〜Ｏ３を、ブロックＢ１〜Ｂ３ごとに独立した検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の電源とするので、電源装置を複数備える必要がなく、電圧監視システム２０全体としても構成が簡単であり、コストを抑制することができる。
【００４０】
また、電圧監視システム２０は、スイッチング電源回路２５の複数の出力Ｏ１〜Ｏ３の１つである出力Ｏ３をフィードバックして、スイッチング電源回路２５のスイッチングを制御するので、検出回路ＶＣ３の消費電力に応じて、出力Ｏ３を好適に制御することができる。しかも、１つの燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９の各々は、略同一の発電条件で運転され、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９間での発電出力のばらつきが比較的小さくなることが多く、その結果、ブロックＢ１〜Ｂ３ごとの検出回路の消費電力のばらつきも比較的小さいので、出力Ｏ３をフィードバック制御すれば、他の出力Ｏ１，Ｏ２も、所望の範囲に制御することが可能である。
【００４１】
また、電圧監視システム２０は、スイッチング電源回路２５の出力Ｏ１〜Ｏ３のうちの、トランス４０の入力側へフィードバックされない出力Ｏ１，Ｏ２が大きくなった場合であっても、出力側回路５０，６０が備える電圧制限回路であるツェナーダイオードＺＤ５５，ＺＤ６５により、出力の上昇を抑制することができる。
【００４２】
また、電圧監視システム２０は、ブロックＢ１〜Ｂ３ごとに、燃料電池の各々の電圧を集合して、最小値を検出するので、燃料電池ごとの出力電圧を検出して、最小値を演算で求める必要がなく、電圧監視システム２０のシステム構成を簡略化することができる。また、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、差動アンプとダイオードとコンデンサとで構成されるので、システム構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
【００４３】
Ｂ.第２実施例：
本発明の第２実施例について図４を用いて説明する。第４実施例としての電圧監視システムは、上述した第１実施例と比べて、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３に電源を供給するスイッチング電源回路の構成のみが異なる。以下、第２実施例としてのスイッチング電源回路１２５の構成について説明する。なお、図４では、第１実施例と同様の構成については、図３と同一の符号を付している。以下、第２実施例としてのスイッチング電源回路１２５について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については説明を省略する。
【００４４】
第２実施例としてのスイッチング電源回路１２５は、図４に示すように、入力側回路３０とトランス４０と出力側回路５０，６０，１７０と、制御回路３５と、スイッチング回路１８０とを備えている。入力側回路３０、トランス４０、出力側回路５０，６０及び制御回路３５は、第１実施例と同様の構成である。本実施例では、出力側回路１７０は、出力側回路５０，６０と同一の構成となっている。すなわち、出力側回路１７０の出力Ｏ３の出力端子Ｅ、Ｆの間には、ツェナーダイオードＺＤ１７５が介装されている。
【００４５】
第２実施例の構成として付加されたスイッチング回路１８０は、スイッチング素子ＳＷ１５６，ＳＷ１５７，ＳＷ１６６，ＳＷ１６７，ＳＷ１７６，ＳＷ１７７を備えている。スイッチング素子ＳＷ１５６，ＳＷ１５７は、出力側回路５０の両出力端子Ａ，Ｂと制御回路３５との間に介装され、出力側回路５０の出力Ｏ１と制御回路３５との接続状態を切り替える。同様の構成により、スイッチング素子ＳＷ１６６，ＳＷ１６７は、出力側回路６０の出力Ｏ２と制御回路３５との接続状態を、スイッチング素子ＳＷ１７６，ＳＷ１７７は、出力側回路１７０の出力Ｏ３と制御回路３５との接続状態を、それぞれ切り替える。かかるスイッチング回路１８０は、各出力Ｏ１〜Ｏ３と制御回路３５とを排他的に接続するように、換言すれば、複数の出力と制御回路３５とが同時に接続されることがないように、制御される。例えば、スイッチング素子ＳＷ１５６，ＳＷ１５７がＯＮとなる状態では、スイッチング素子ＳＷ１６６，ＳＷ１６７，ＳＷ１７６，ＳＷ１７７は、常にＯＦＦとなる。
【００４６】
かかる構成の電圧監視システム２０は、スイッチング電源回路１２５の複数の出力Ｏ１〜Ｏ３のうちから、トランス４０の入力側にフィードバックする出力を、スイッチング回路１８０によって切り替えることができる。その結果、燃料電池スタックＦＣの運転状態や、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９の発電特性の偏りなどに応じて、柔軟な出力制御を行うことができる。例えば、燃料電池スタックＦＣの立ち上げ運転時には、出力Ｏ１が高くなりやすく、通常運転時には、出力Ｏ３が高くなりやすいときには、立ち上げ運転時には出力側回路５０と制御回路３５とを接続し、通常運転時には、出力側回路１７０と制御回路３５とを接続するように、スイッチング回路１８０を制御してもよい。あるいは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９の発電特性の偏りによって、常に、出力Ｏ１が相対的に高くなりやすいことが判明した場合には、常時、出力側回路５０と制御回路３５とを接続するようにスイッチング回路１８０を制御してもよい。なお、スイッチング回路１８０は、スイッチング電源回路１２５の複数の出力のうちの、少なくとも２つの出力と制御回路３５との接続状態を切り替えるものであればよく、上述のように、全ての出力と制御回路３５との接続状態を切り替えることは必須ではない。
【００４７】
Ｃ.第３実施例：
本発明の第３実施例について図５を用いて説明する。第３実施例としての電圧監視システムは、上述した第１実施例と比べて、同一の回路で構成される検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の構成のみが異なる。第３実施例では、検出回路ＶＣ１は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧のうちの最大値を検出する回路である。なお、図５では、第１実施例と同様の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、第３実施例としての検出回路ＶＣ１について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については説明を省略する。
【００４８】
第３実施例としての検出回路ＶＣ１は、図５に示すように、オペアンプ８１〜８３と最大値検出回路２９０とを備えている。つまり、第３実施例としての検出回路ＶＣ１は、第１実施例としての検出回路ＶＣ１の最小値検出回路９０に代えて、最大値検出回路２９０を備えている。最大値検出回路２９０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧のうちの最大値を検出する回路であり、ダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３とコンデンサＣ２９５と抵抗Ｒ２９７とを備えている。最大値検出回路２９０が最小値検出回路９０と異なる点は、ダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３の向きが、最小値検出回路９０のダイオードＤ９１〜Ｄ９３と逆向きになるように配置される点と、最小値検出回路９０の電源９６及びプルアップ抵抗器Ｒ９７に代えて、抵抗Ｒ２９７を備えている点である。抵抗Ｒ２９７は、いわばプルダウン抵抗器であり、コンデンサＣ２９５に溜まった電荷を放電し、オペアンプ８１〜８３側からの出力がなければ、コンデンサＣ２９５の端子ＴＥ２の電圧をゼロにする。
【００４９】
かかる構成の検出回路ＶＣ１の最大値検出動作について説明する。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）所定のタイミングでオペアンプ８１〜８３を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ８１〜８３で検出し、出力させると、ダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ２９５の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も高い電圧Ｖｍａｘ１となるまで継続する。端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ１と一致したとき、他のオペアンプ８１〜８３（電圧Ｖｍａｘ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）の出力電圧は、この端子ＴＥ２の電圧より低いから、ダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３を介して電流が流れ込むことはない。
【００５０】
（２）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に上昇し、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ２（Ｖｍａｘ１＜Ｖｍａｘ２）となると、コンデンサＣ２９５の端子ＴＥ２の電圧よりも高い電圧を出力したオペアンプ８１〜８３からダイオードＤ２９１〜Ｄ２９３を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ２９５の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ２となるまで継続する。
【００５１】
（３）逆に、それまで最大の電圧であった燃料電池の電圧が低くなり、接続されたオペアンプ８１〜８３の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ３（Ｖｍａｘ１＞Ｖｍａｘ３）となると、コンデンサＣ２９５の端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ８１〜８３の出力電圧よりも低いから、オペアンプ８１〜８３からコンデンサＣ２９５への電流の流れ込みがなくなる。その結果、コンデンサＣ２９５は、その電圧がＶｍａｘ１からＶｍａｘ３になるまで、抵抗Ｒ２９７を介して放電される。なお、実際には、上述した（１）〜（３）のいずれの場合でも、端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ８１〜８３の出力の最大値より、この順方向降下電圧分だけ低くなるが、最小値検出動作と同様に、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の最大電圧を検出することは容易である。
【００５２】
かかる構成の検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３を備える電圧監視システム２０は、第１実施例と同様の効果を奏することができる。このように、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧の最小値を検出するものに限らず、最大値を検出するものであってもよい。なお、検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３によって、最小値と最大値とを両方出力したい場合には、オペアンプ８１〜８３に対して、最小値検出回路９０と最大値検出回路２９０とを平行に接続すればよい。
【００５３】
Ｄ.第４実施例：
本発明の第４実施例について図６を用いて説明する。第４実施例としての電圧監視システムは、上述した第１実施例と比べて、同一の回路で構成される検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の構成のみが異なる。第１実施例と異なる部分の検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の構成を図６に示す。なお、図６では、第１実施例と同様の構成については、図２と同一の符号を付している。また、図示しない検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の構成については、第１実施例と同様である。以下、第４実施例としての検出回路ＶＣ１について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については説明を省略する。
【００５４】
第４実施例としての検出回路ＶＣ１は、図６に示すように、オペアンプ８１〜８３に代えて、抵抗Ｒ３８１〜Ｒ３８３と電流センサ３８４〜３８６とを備えている。燃料電池ＦＣ１のアノード、カソード間には、抵抗Ｒ３８１と電流センサ３８４とが直列に接続されている。同様に、燃料電池ＦＣ２，ＦＣ３についても、抵抗Ｒ３８２，３８３と電流センサ３８５，３８６とが直列に接続されている。
【００５５】
電流センサ３８４〜３８６は、非接触式の直流電流センサであり、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３と絶縁した状態で、抵抗Ｒ３８１〜３８３を流れる電流に応じて、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧と同一値の電圧を出力する。本実施例では、電流センサ３８４〜３８６には、ホール素子型の磁気センサを用いた。ただし、上述の電流センサ３８４〜３８６は、上述の機能を備えたものであればよく、例えば、マグアンプ式、磁気マルチバイブレータ式など種々の磁気センサ、電流センサを用いることができる。かかる構成の検出回路ＶＣ１は、第１実施例と同様の原理により、最小値検出動作を行うことができる。その結果、第１実施例と同様の効果を奏することができる。このように、最小値検出回路９０や最大値検出回路２９０に燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧を出力する回路は、オペアンプに限らず、種々の構成とすることができる。
【００５６】
Ｅ.変形例：
上述した実施形態の変形例について説明する。
Ｅ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、スイッチング電源回路２５，１２５の入力側電源は、直流であったが、交流電源であってもよい。また、上述の実施形態においては、スイッチング電源回路２５，１２５の入力側電源は、１つの電源であったが、複数の電源であってもよい。要するに、スイッチング電源回路２５，１２５は、複数の直流出力を取り出せるスイッチング電源であればよい。
【００５７】
Ｅ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、スイッチング電源回路２５が備えるトランス４０の入力側の巻線５１，６１，７１の巻数は同一数であったが、この巻数は、各ブロックＢ１〜Ｂ３に属する燃料電池の数に応じて設定してもよい。具体的には、各ブロックに属する燃料電池の数の比率に合わせた巻数としてもよい。例えば、ブロックＢ１〜Ｂ３に属する燃料電池の数の比率が、２：２：１である場合には、巻数の比率も２：２：１としてもよい。こうすれば、スイッチング電源回路２５の各出力と、当該各出力を供給する検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３の消費電力とのバランスを図ることができ、各出力を略一定に保つことができる。
【００５８】
Ｅ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、電圧監視システム２０の検出回路ＶＣ１〜ＶＣ３は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ９の各々の出力電圧を集合して、ブロックＢ１〜Ｂ３ごとに最小値や最大値を検出し、ＭＣＵなどに出力する構成としたが、かかる構成に限られるものではなく、ブロックごとに独立した基準電位で用いられ、ブロックに属する燃料電池の各々の電圧の少なくとも１つを検出するものであればよい。例えば、検出回路ＶＣ１は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の各々の出力電圧を、それぞれオペアンプ８１〜８３を介して、ＭＣＵに出力し、ＭＣＵで演算により最小値や最大値を求めてもよい。また、ブロックＢ１の全ての燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ３の出力電圧を検出する必要はなく、ブロックＢ１に属する燃料電池の一部の出力電圧を検出するものであってもよい。
【００５９】
Ｅ−４．変形例４：
本発明の電圧監視システムにおける回路の構成は、上述した実施形態に限られるものではなく、同等の機能を有する等価回路などに置換しても実現可能である。例えば、最小値検出回路９０を構成するダイオードＤ９１〜Ｄ９３（図２参照）に代えて、トランジスタを用いてもよい。あるいは、スイッチング電源回路２５は、フォアード型に限らず、フライバック型、プッシュプル型、フルブリッジ型など、種々の絶縁型スイッチング電源回路を採用することができる。あるいは、出力側回路５０，６０を構成する電圧制限回路は、ツェナーダイオードに限らず、バリスタなどを用いてもよい。あるいは、第２実施例において、スイッチング回路１８０を構成するスイッチング素子ＳＷ１５７，ＳＷ１６７，ＳＷ１７７（図４参照）に代えて、同一方向に向けられたダイオードを用いてもよい。
【００６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
２０…電圧監視システム
２５，１２５…スイッチング電源回路
３０…入力側回路
Ｃ３１…コンデンサ
３２…巻線
ＳＷ３３，ＳＷ１５６，ＳＷ１５７，ＳＷ１６６，ＳＷ１６７，ＳＷ１７６，ＳＷ１７７…スイッチング素子
３５…制御回路
４０…トランス
５０，６０，７０，１７０…出力側回路
５１，６１，７１…巻線
Ｄ５２，Ｄ５３，Ｄ６２，Ｄ６３，Ｄ７２，Ｄ７３，Ｄ９１〜Ｄ９３，Ｄ２９１〜Ｄ２９３…ダイオード
Ｃ５４，Ｃ６４，Ｃ７４，Ｃ９５，Ｃ２９５…コンデンサ
ＺＤ５５，ＺＤ６５，ＺＤ１７５…ツェナーダイオード
８１〜８３…オペアンプ
９０…最小値検出回路
９６…電源
Ｒ９７，Ｒ２９７，Ｒ３８１〜Ｒ３８３…抵抗
１８０…スイッチング回路
２９０…最大値検出回路
３８４〜３８６…電流センサ
ＦＣ１〜ＦＣ９…燃料電池
ＦＣ…燃料電池スタック
Ｂ１〜Ｂ３…ブロック
ＶＣ１〜ＶＣ３…検出回路
ＴＥ１，ＴＥ２…端子
Ａ〜Ｆ…出力端子
Ｏ１〜Ｏ３…出力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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