(57)【要約】  本発明は、複数の電気化学セルに関連する少なくとも一つの構成部品と、電圧監視システムの回路構成部品と、を接続する部分的に分岐した電気コネクタを備えた電圧監視システムを提供する。少なくとも一つの部分的に分岐した電気コネクタは、回路構成部品と接続するコネクタと、該コネクタと接続する単一構造部分と、該単一構造部分に接続されている第１の端部と複数の電気化学セルに関連する少なくとも一つの構成部品に接続されている第２の端部とを備える分岐部分と、コネクタから分岐部分の第２の端部に走る複数の導体と、を含む。該複数の導体は互いに他の導体から電気的に分離されている。分岐部分はフレキシブルである。
2007522611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学セルと関連する電圧を監視する電圧監視システムであって、
該電圧監視システムは、
a）  電圧を受け取りかつ処理するように適応された回路構成部品と、
b）  該回路構成部品と、前記複数の電気化学セルと関連する少なくとも一つの構成部品と、を接続する少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタと、
を含み、
該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、
i）  前記回路構成部品に接続されるコネクタと、
ii）  該コネクタに接続された単一構造部分と、
iii）  該単一構造部分に接続された第１の端部と、前記複数の電気化学セルと関連する少なくとも一つの構成部品に接続される第２の端部と、を有する分岐部分と、
iv）  前記コネクタから前記分岐部分の第２の端部に走る複数の導体と、
を含み、
該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されており、
前記分岐部分は、フレキシブルである、
電圧監視システム。
【請求項２】
前記分岐部分は、複数のフィンガーを含み、
該複数のフィンガーの各々は、前記複数の導体の少なくとも一つを有し、かつ、互いに他から分離することができる、
請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項３】
各フィンガーは、少なくとも２つの次元においてフレキシブルである、請求項２に記載の電圧監視システム。
【請求項４】
各フィンガーは、絶縁部分および露出部分を含み、
該露出部分は、前記複数の電気化学セルと関連する構成部品に接続される、
請求項２に記載の電圧監視システム。
【請求項５】
各導体は、第１のセクションと第２のセクションとを含み、
該第１のセクションは、該第２のセクションより広い幅を有し、
該第１のセクションは、伸張して前記露出部分を形成し、
該第２のセクションは、前記絶縁部分内に位置する、
請求項４に記載の電圧監視システム。
【請求項６】
前記単一構造部分はフレキシブルである、請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項７】
前記単一構造部分は、前記分岐部分によって与えられる動作の自由度から半独立の動作の自由度を、前記少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタに与える、請求項６に記載の電圧監視システム。
【請求項８】
前記単一構造部分および分岐部分は、フレキシブル基板材料上に形成される、請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項９】
前記単一構造部分は、リボンケーブルから形成される、請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項１０】
少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、前記単一構造部分と分岐部分との間に接続された、複数の導体間の間隔を増大させるための遷移領域を含む、請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項１１】
前記回路構成部品は、少なくとも部分的にフレキシブルであるプリント基板上に設けられ、
該プリント基板は、前記電気化学セルに隣接して取り付けられる、
請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項１２】
前記回路構成部品の部分は、複数のモジュールにレイアウトされており、
各モジュールは、前記少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタの一つに接続されており、
各モジュールは、前記少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタの該一つに接続されている多重化およびアナログ／デジタル変換回路を含む、
請求項１に記載の電圧監視システム。
【請求項１３】
前記複数のモジュールの一つは、前記電気化学セルの一部分を基準にし、
該複数のモジュールの残りは、各々、該複数のモジュールの前段のモジュールに接続されて基準電圧を受け取る、
請求項１２に記載の電圧監視システム。
【請求項１４】
各モジュールは、前記部分的に分岐された電気コネクタの前記一つと多重化およびアナログ／デジタル変換回路との間に接続された差動増幅器のバンクをさらに含む、請求項１２に記載の電圧監視システム。
【請求項１５】
前記回路構成部品は、
a）  前記複数のモジュールの各々の多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された処理回路と、
b） 該複数のモジュールの各々の多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された電源と、
c）  前記処理回路および電源と、多重化およびアナログ／デジタル変換回路と、を接続する分離回路と、
をさらに含む、
請求項１２に記載の電圧監視システム。
【請求項１６】
前記回路構成部品は、
a）  前記複数のモジュールの各々の多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された処理回路と、
b） 該複数のモジュールの各々の多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された電源と、
c）  前記処理回路および電源と、該多重化およびアナログ／デジタル変換回路と、を接続する分離回路と、
をさらに含む、
請求項１４に記載の電圧監視システム。
【請求項１７】
複数の電気化学セルと関連する少なくとも一つの構成部品と、電圧監視システムの回路構成部品と、を接続する部分的に分岐された電気コネクタであって、
少なくとも一つの該部分的に分岐された電気コネクタは、
a）  前記回路構成部品と接続するコネクタと、
b）  該コネクタに接続された単一構造部分と、
c）  該単一構造部分に接続された第１の端部と、前記複数の電気化学セルと関連する少なくとも一つの構成部品に接続される第２の端部と、を有する分岐部分と、
d）  前記コネクタから分岐部分の第２の端部まで走る複数の導体と、
を含み、
該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されており、
前記分岐部分は、フレキシブルである、
部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項１８】
前記分岐部分は、複数のフィンガーを含み、
該複数のフィンガーの各々は、前記複数の導体の少なくとも一つを有し、かつ、互いに他から分離することができる、
請求項１７に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項１９】
各フィンガーは、少なくとも２つの次元においてフレキシブルである、請求項１８に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２０】
各フィンガーは、絶縁部分および露出部分を含み、
該露出部分は、前記複数の電気化学セルと関連する構成部品に接続される、
請求項１８に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２１】
各導体は、第１の部分と第２の部分とを含み、
該第１の部分は、該第２の部分より広い幅を有し、
該第１の部分は伸張して、前記露出部分を形成し、
前記第２の部分は、前記絶縁部分内に位置する、
請求項２０に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２２】
前記単一構造部分は、フレキシブルである、請求項１７に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２３】
前記単一構造部分は、前記分岐部分によって与えられる動作の自由度から半独立の動作の自由度を、少なくとも一つの当該部分的に分岐された電気コネクタに与える、請求項２２に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２４】
前記単一構造部分および分岐部分は、フレキシブル基板材料上に形成されている、請求項１７に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２５】
前記単一構造部分は、リボンケーブルから形成されている、請求項１７に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２６】
少なくとも一つの当該部分的に分岐された電気コネクタは、前記単一構造部分と分岐部分との間に接続された、前記複数の導体間の間隔を増大させるための遷移領域をさらに含む、請求項１７に記載の部分的に分岐された電気コネクタ。
【請求項２７】
複数の電気化学セルと関連する電圧を監視する電圧監視システムであって、
該電圧監視システムは、
a）  電圧を受け取りかつ処理するように適応された回路構成部品と、
b）  該回路構成部品と、前記複数の電気化学セルと関連する複数の測定点と、を接続する少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタと、
を含み、
該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、
i）  前記回路構成部品に接続されるコネクタと、
ii）  該コネクタに接続された単一構造部分と、
iii）  該単一構造部分に接続された第１の端部と、前記複数の電気化学セルと関連する複数の測定点に接続される複数の第２の端部と、を有する分岐部分と、
iv）  前記コネクタから分岐部分の該第２の端部に走る複数の導体と、
を含み、
該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されており、
所与の部分的に分岐された電気コネクタについて、前記単一構造部分は、前記分岐部分によって与えられる動作の自由度から半独立の動作の自由度を、該所与の部分的に分岐された電気コネクタに与える、
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、電圧監視システムに関する。より詳しくは、本発明は、電気化学セル用の電圧監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、燃料（一般に水素）およびオキシダント（一般に空気）を二つの適当な電極および電解質に接触させることによって起電力を作り出す電気化学デバイスである。例えば、水素ガスなどの燃料を、第１の電極に導入すると、燃料は、そこで、電解質の存在下で電気化学的に反応して、第１の電極で電子と陽イオンとを生ずる。電子は、電極間に接続された電気回路を介して、第１の電極から第２の電極に循環する。陽イオンは、電解質を介して第２の電極に移動する。同時に、酸素または空気などのオキシダントを、第２の電極に導入し、そこで、オキシダントは、電解質および触媒の存在下で電気化学的に反応して、陰イオンを生じ、電気回路を介して循環した電子を消費する。陽イオンは、第２の電極で消費される。第２の電極またはカソードで形成された陰イオンは、陽イオンと反応して、反応生成物を形成する。第１の電極またはアノードは、燃料電極または酸化電極と呼んでもよく、また、第２の電極は、オキシダント電極または還元電極と呼んでもよい。式1および2は、それぞれ、第１および第２の電極における半セル反応を示す。
H2 → 2H+ + 2e-                （1）
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O        （2）
【０００３】
外部電気回路は、電流を取り出す。すなわち、燃料電池セルから電力を得る。燃料電池セルの反応全体では、式1および2に示した各半セル反応の合計で示される電気エネルギーを生ずる。水および熱は、反応の代表的な副産物である。
【０００４】
燃料電池セルは、実際には、単一ユニットとしては使用されない。燃料電池セルは、上下に積み重ねて、あるいは横に並べて、直列に接続された状態で使用される。燃料電池セルのシリーズは、燃料電池スタックと呼ばれ、一般にハウジングで外装される。燃料およびオキシダントは、ハウジング内のマニフォルドを介して電極に向けられる。燃料電池セルは、反応剤または冷却媒体のいずれかにより冷却される。燃料電池スタックはまた、電流コレクタ、セル間シールおよび絶縁材も含み、燃料電池スタックの外部には、必要なパイプおよび計測器が設けられている。燃料電池スタック、ハウジングおよび関連ハードウェアは、燃料電池セルモジュールを構成している。
【０００５】
燃料電池スタックの適切な動作を保証し、かつ、燃料電池スタックのいかなる部分に対する損傷も防ぐためには、各種のパラメータを監視しなければならない。これらパラメータの一つは、燃料電池スタックにおける各燃料電池セル両端の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）である。燃料電池スタックの動作中、個々のセル電圧は、様々な理由、例えば、フラッディングにより、許容できないレベルにまで落ちる場合がある。セルによっては、逆電圧が生ずる場合もある。その場合には、燃料電池スタックの性能不良、燃料電池スタック構成部品のより急速な劣化を生じ、結果として、より短い寿命、並びに燃料電池セルシステムの停止に至ることもある。
【０００６】
理想的には、燃料電池スタック内の各燃料電池セルの二つの端子（すなわち、アノードおよびカソード）で、差動電圧測定を行なう。しかしながら、燃料電池セルは、直列に、かつ、一般に多数接続されているため、従来の電圧監視システムは、多数の感知構成部品を使用し、それぞれ、接触要素および/またはケーブルを有して、セル電圧を表わす測定信号をプロセッサに伝達して分析する。従来、測定信号を処理するのに使用されるプロセッサ並びに任意の他の測定器は、一般に遠隔の物理的な場所に設けられる。しかしながら、従来の燃料電池セル電圧監視システムが、多数の個々の比較的長い接続部を有していることは、例えば、接続部のうちのあるものが緩む場合があるため、誤った信号測定の機会を増大することになる。また、このような燃料電池セル電圧システムの配備は、物理的に複雑であるため、配備工程は、厄介で、労働集約的で、かつ、手間がかかる場合がある。このような電圧測定システムはまた、大きく、保守や障害追及が難しく、かつ、時として、手が出ないほど高価である。
【０００７】
さらに、ある特定の燃料電池スタック内の燃料電池セルに使用されているプレートは、他の燃料電池セルに使用されているプレートに対して、厚さが異なる場合があるが、これは、燃料電池セルプレートが、異なる用途、異なる電力条件向きに、または、異なるタイプの燃料電池セル向きに設計されているためである。したがって、燃料電池セルの電圧監視システムを物理的に修正することなしに、燃料電池セルの電圧監視システムを、異なるサイズの燃料電池セルプレートに、物理的に接続するのに使用できる手段を設ければ、便利であろう。
【０００８】
もう一つの問題は、ある特定の燃料電池スタック内の各燃料電池セルプレートの厚さ、長さおよび幅が、作為的に、または製造誤差により、ばらつく場合があることである。また、動作中には、燃料電池スタック内に不可避的に熱膨張が生じ、燃料電池セルプレートの寸法の偏差が生ずる。また、燃料電池スタックの組立ておよび再組立て中に生ずる燃料電池スタックの圧縮および解圧中に、燃料電池スタックおよび燃料電池セルプレートの寸法が、変化する場合もある。さらに、動作中、燃料電池スタックに振動が加わる場合もある。
【０００９】
残念なことに、従来の燃料電池セル電圧監視システムは、一般に、ある燃料電池スタック用に注文設計されており、したがって、上記の偏差の全てを吸収するだけの柔軟性がない。従来の燃料電池セル電圧監視システムは、このような状況下で確実な接続を行なう能力に欠けている場合が多く、また、多数の接続部は、確実な接続の維持を著しく困難にしている。
【００１０】
特許文献１には、燃料電池セルの電圧を測定するのに使用できる電気接触デバイスが記述されている。この電気接触デバイスは、燃料電池スタックの一面に取り付けられ、個々の燃料電池セルプレートと接触する複数の導電性端子を有するプリント基板を含んでいる。したがって、電気接触デバイスは、燃料電池スタックの燃料電池セルのプレートの全てと係合すべき、多くの予め定められた導電領域を有している。しかしながら、該電気接触デバイスでは、導電領域が同じ基板に形成されているため、燃料電池セルプレートの寸法の有意の偏差を吸収するだけの柔軟性が依然として無い。特許文献２および特許文献３では、より柔軟性に乏しい構成が開示されている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００９０５４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００５４２２０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０２１５６７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、使用および保守が容易で、燃料電池スタックおよび燃料電池セルプレートの偏差を吸収するだけの柔軟性が有るコンパクトな燃料電池セルの電圧監視システムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様においては、本発明の少なくとも一つの実施形態は、複数の電気化学セルと関連する電圧を監視するための電圧監視システムを提供する。この電圧監視システムは、電圧を受け取り、かつ、処理するようにされた回路構成部品と、該回路構成部品を該複数の電気化学セルと関連する一つまたはそれ以上の構成部品に接続するための少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタと、を含んでいる。該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、該回路構成部品に接続されるコネクタと、該コネクタに接続された単一構造部分と、該単一構造部分に接続された第１の端部および該複数の電気化学セルと関連する該一つまたはそれ以上の構成部品に接続される第２の端部を有する分岐部分と、コネクタから該分岐部分の第２の端部まで走る複数の導体であって、該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されている複数の導体と、を含んでいる。該分岐部分は、フレキシブルである。
【００１３】
該分岐部分は、それぞれ該複数の導体のうちの少なくとも一つを有し、かつ、互いに他から分離できる複数のフィンガーを含んでいる。各フィンガーは、少なくとも２つの次元においてフレキシブルである。各フィンガーは、絶縁部分および露出部分を含み、該露出部分は、該複数の電気化学セルと関連する構成部品に接続される。
【００１４】
各導体は、第１のセクションと第２のセクションとを含んでいてよく、該第１のセクションは、該第２のセクションより厚く、かつ、該第１のセクションは、伸張して該露出部分を形成し、かつ、該第２のセクションは、該絶縁部分内に位置せしめられている。
【００１５】
該単一構造部分は、フレキシブルである。さらに、該単一構造部分は、該分岐部分によって与えられる動作の自由度から半独立の動作の自由度を該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタに与える。
【００１６】
該単一構造部分および分岐部分は、フレキシブル基板材料上に形成されていてよい。該単一構造部分は、リボンケーブルから形成されていてよい。
【００１７】
該部分的に分岐された電気コネクタは、さらに、該単一構造部分と該分岐部分との間に接続された該複数の導体間の間隔を増大させるための遷移領域を含んでいてよい。
【００１８】
該電圧監視システムの該回路構成部品は、少なくとも部分的にフレキシブルであるプリント基板上に設けられ、該プリント基板は、該電気化学セルに隣接して取り付けられていてよい。
【００１９】
該回路構成部品の部分は、複数のモジュール内にレイアウトされており、各モジュールは、該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタのうちの一つに接続されており、かつ、各モジュールは、該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタのうちの該一つに接続されている多重化およびアナログ／デジタル変換回路を含んでいる。
【００２０】
該複数のモジュールの一つは、該電気化学セルの一部分を基準にし、かつ、該複数のモジュールの残りは、それぞれ、該複数のモジュールの前のモジュールに接続されて基準電圧を受け取る。
【００２１】
各モジュールは、さらに、該部分的に分岐された電気コネクタの該一つと該多重化およびアナログ／デジタル変換回路との間に接続された差動増幅器のバンクを含んでいてよい。
【００２２】
該回路構成部品は、該複数のモジュールのそれぞれの該多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された処理回路と、該複数のモジュールのそれぞれの該多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続された電源と、該処理回路および該電源を該多重化およびアナログ／デジタル変換回路に接続するための分離回路と、を含んでいてよい。
【００２３】
別の態様においては、本発明の少なくとも一つの実施形態は、複数の電気化学セルと関連する一つまたはそれ以上の構成部品に電圧監視システムの回路構成部品を接続するための部分的に分岐された電気コネクタを提供する。該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、該回路構成部品と接続するためのコネクタと、該コネクタに接続された単一構造部分と、該単一構造部分に接続された第１の端部および該複数の電気化学セルと関連する該一つまたはそれ以上の構成部品に接続される第２の端部を有する分岐部分と、該コネクタから該分岐部分の該第２の端部まで走る複数の導体であって、該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されている複数の導体と、を含んでいる。該分岐部分は、フレキシブルである。
【００２４】
別の態様においては、本発明の少なくとも一つの実施形態は、複数の電気化学セルと関連する電圧を監視するための電圧監視システムを提供する。該電圧監視システムは、電圧を受け取りかつ処理するようにされた回路構成部品と、該回路構成部品を該複数の電気化学セルと関連する複数の測定点に接続するための少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタと、を含んでいる。該少なくとも一つの部分的に分岐された電気コネクタは、該回路構成部品に接続されるコネクタと、該コネクタに接続された単一構造部分と、該単一構造部分に接続された第１の端部および該複数の電気化学セルと関連する該複数の測定点に接続される複数の第２の端部を有する分岐部分と、該コネクタから該分岐部分の該第２の端部に走る複数の導体であって、該複数の導体は、互いに他から電気的に分離されている複数の導体と、を含んでいる。該単一構造部分は、ある特定の部分的に分岐された電気コネクタに対して、該分岐部分によって与えられる動作の自由度から半独立の動作の自由度を該ある特定の部分的に分岐された電気コネクタに与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のよりよい理解のため、また、いかに本発明を実施することができるかをより明瞭に示すために、本発明の少なくとも一つの好適な実施形態を示す添付の図面を例としてのみ参照する。
【００２６】
図に示した要素は、例示を単純化し明瞭にするため、必ずしも尺度通りに描かれていないことを理解されたい。例えば、要素のうちのいくつかの寸法は、明瞭さのため、他の要素に対して、誇張している場合がある。さらに、適当と考えられる場合は、図中で参照番号を繰り返して、対応するまたは類似の要素を示した場合がある。また、本発明の完全な理解をもたらすため、多数の具体的な詳細を提供している。しかしながら、本発明は、これら具体的な詳細がなくても実施できることは、通常の技術的熟練度を有する当業者なら理解できよう。他方、公知の方法、手順および構成部品は、詳細に説明しなかったが、これは、本発明を不鮮明にしないためである。説明は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明のある特定の好適で有用な実施形態を示すものに過ぎない。
【００２７】
ここで、図1を参照すると、本発明による燃料電池セルの電圧監視システム10の好適な一実施形態の側面図が、燃料電池スタック12に取り付けられた状態で示されている。燃料電池スタック12は、直列に接続された複数の燃料電池セル14を含んでいる。燃料電池セルは、任意の適切なものを使用してよい。一例として、プロトン交換膜（PEM）燃料電池セルを取りあげると、各燃料電池セル14は、一般に２枚の流動場プレートを含んでおり、これらによって、反応剤、すなわち、燃料およびオキシダントを、それらの間に配設されたPEMに案内する。燃料電池スタック12は、さらに、外装またはハウジング16並びに燃料電池スタック12への酸素、燃料および冷却水の供給、水などの反応副産物の除去、並びに燃料電池スタック12からの電気エネルギーを利用するための電気接続の付与など、燃料電池スタック12の動作に必要な機能を行なう多数の周辺構成部品18を含んでいる。
【００２８】
各燃料電池セル14は、一般に、約0.6〜1.0Vの電圧を発生する。燃料電池セルの電圧は、一般に、ある特定の燃料電池セルの２枚の流動場プレートで測定して、燃料電池セルが、許容できるやり方で動作しているか判定する。しかしながら、電圧は、燃料電池スタック12内の所望の数の燃料電池セル両端間並びに燃料電池スタック12に沿った他のポイント間の任意の２枚の流動場プレートで感知してよいことは、当業者には理解できる。燃料電池セルの電圧監視システム10は、本発明によるフレキシブルな接続手段を用いて、燃料電池スタック12内の各種の燃料電池セル14に接続され、燃料電池セル電圧を確実に測定し、かつ、測定された燃料電池セル電圧を燃料電池スタック12のオペレータまたはコントローラに伝達する。ある実施形態では、燃料電池セルの電圧監視システム10は、燃料電池スタック12の状態についてのメッセージを伝えることができ、かつ、燃料電池スタック12内の燃料電池セル14のうちの一つまたはそれ以上が正しく動作していないならば、場合によっては、警告を発することができる。
【００２９】
燃料電池セルの電圧監視システム10は、燃料電池セルの電圧を測定し、燃料電池セルの電圧監視システム10の動作を管理し、かつ、必要に応じて外部の処理構成部品と通信するための、図示のような多数の電気構成部品を含むプリント基板（PCB）20を含んでいる。燃料電池セルの電圧監視システム10は、通信目的のため、当業者には公知のネットワークポートおよび関連電子機器を含んでいる。これら電気構成部品をPCB 20に取り付けるには、従来技術を利用してよい。以下、燃料電池セルの電圧監視システム10の電気処理構成部品の好適な実施形態を、さらに詳しく論ずる。
【００３０】
好ましくは、PCB 20は、PCB 20を燃料電池スタック12に取り外し可能に取り付けるための実装手段22を付与されている。実装手段22は、ねじ、ファスナー、などの任意の適切な取付手段であってよい。図1で明らかなように、PCB 20および関連するフレキシブルな接続手段24、26、28および30は、燃料電池スタック12に直接隣接して配設されている。燃料電池セルの電圧監視システム10は、好ましくは、ハウジング16内に取り付けられている。これは、燃料電池セルの電圧処理システム10と燃料電池スタック12との間の距離を有意に低減し、したがって、従来の燃料電池セル電圧監視システムなら必要となるであろう多数の長尺ケーブルが省ける。これにより、燃料電池セルの電圧監視システム10によって行なわれる電圧測定の信頼性を高めることになる。さらにまた、燃料電池セルの電圧監視システム10と外部デバイスとの間で、適切なネットワーク接続の使用により、通信を行なうことができる。また、燃料電池セルの電圧監視システム10用の外部ケーブルの数が減ることにもなる。これらの属性は、燃料電池セルの電圧監視システム10を、よりコンパクトで、信頼性がより高く、かつ、設置および保守がより容易にできるものにする。
【００３１】
電圧監視回路の、燃料電池スタックへの接続に関連する多数の問題に取り組むため、燃料電池セルの電圧監視システム10は、部分的に分岐された電気コネクタ24を好適に使用する。一実施形態では、図1に示すように、部分的に分岐された電気コネクタ24が２本以上有ってもよい。部分的に分岐された電気コネクタ24は、複数の導電性要素を含んでおり、これらは、互いに他から絶縁されていて、一般に、燃料電池スタック14内の各種の燃料電池セルプレートと接触して、そこでの電圧測定を容易にしている。また、PCB 20は、フレキシブル、もしくは、少なくとも部分的にフレキシブルであってよい。これは、部分的に分岐された電気コネクタ24は、２つまたはそれ以上の次元においてフレキシブルであり、かつ、少なくともPCB 20のいくつかの部分は、フレキシブルであってよく、かつ、これら二つの要素の柔軟性は、互いに他から独立しているという意味で、燃料電池セルの電圧監視システム10に、２度またはそれ以上の柔軟性を付与するものである。
【００３２】
部分的に分岐された電気コネクタ24の使用は、燃料電池セルの電圧監視システム10が、振動、燃料電池セルのプレート厚さおよび表面積の偏差（これらは作為的な場合がある）、または製造誤差または使用中の熱膨張などの他のファクターによる偏差、または燃料電池スタック12の組立ておよび再組立てによる変動を吸収できるようにする。例えば、部分的に分岐された電気コネクタ24の柔軟性は、コネクタ24が、異なる「接続距離」を有することを可能にする。これは、図1で分かるが、同図は、異なる部分的に分岐された電気コネクタ24、26、28および30が、異なる場所に接続され、かつ、それぞれ、コネクタ24、26、28および30が燃料電池スタック12に接続されている様式および場所により、異なる「曲げ量」を有していることを示している。
【００３３】
部分的に分岐された電気コネクタ24はまた、燃料電池スタック12と燃料電池セルの電圧監視システム10との間の接続数を、少なくともPCB 20の観点から部分的に低減する（本実施形態では、部分的に分岐された電気コネクタ24とPCB 20との間にただ一つの接続が為されている）。接続数はまた、部分的に分岐された電気コネクタ24における導電性要素が、PCB 20に最も近いコネクタ24の端部でグループ化されている一方、燃料電池セル14により近い端部で互いに他から分離されているため、「実質的に」低減されている。これは、燃料電池セルプレートから電圧測定回路まで全長に亘って走る別個のケーブル接続が有る他の燃料電池セルの電圧監視システムと比較すると有利である。というのは、動作中に何か問題が起こった場合、先ず段取りをし、次いでトラブルシューティングを行なうのが厄介な場合があるからである。燃料電池セルの電圧監視システム10から出て行くケーブル接続の数も低減する。したがって、「プラント」の残りの部分（すなわち、燃料電池セルの電圧監視システム10が取り付けられているデバイス）の配線も低減し、材料費および人件費が低減し、かつ、有り得る故障が起こる可能性の有る接続部の数も低減する。
【００３４】
ここで図2aを参照すると、本発明による部分的に分岐された電気コネクタ24の好適な実施形態の平面図が示されている。部分的に分岐された電気コネクタ24は、コネクタ32、単一構造部分34および分岐部分36を含んでいる。一実施形態では、単一構造部分34は、燃料電池スタック12の別個の構成部品に接続される複数の導体38（簡単のためその一つのみに標識を付けてある）を含むフレキシブル基板と同様であってよい。導体38は、適切な絶縁材で外装して、導体38同士が、互いに他に接触するのを防ぎ、また、導体38が腐食するのを防いでいる。各導体38は、コネクタ32の端部端子で終端する。コネクタ32は、PCB 20の対応する入力端子に接続される。
【００３５】
導体38は、さらに、単一構造部分34を介して遷移領域36に走り、そこで、部分的に分岐された電気コネクタ24は、外方にテーパ状となって、分岐部分36に至っている。分岐部分36は、複数のフィンガー42（簡単のためその一つのみに標識を付けてある）を含んでいる。フィンガー42のそれぞれは、絶縁部分44および露出部分46を有している。絶縁部分44では、導体38は、適切な絶縁材料に取り付けられるか、あるいは、適切な絶縁材料内に収容されている。これは、単一構造部分34に使用されているのと同じ材料であってよい。露出部分46では、導体38は、電位を測定する燃料電池スタック12の要素に電気的に接続できるよう露出されている。
【００３６】
導体38は、分岐部分36から遷移領域40まで、次いで、単一構造部分34を通ってコネクタ32まで連続的に走る単一の導電性要素を含んでいてよい。これは、燃料電池スタック12からPCB 20までの導電性測定経路内の「接合部」または接続点を無くすことになる。また、動作中の故障の機会を減らすことになる。
【００３７】
一実施形態では、部分的に分岐された電気コネクタ24は、フレキシブル基板材料で作られている。コネクタ32が配置されるフレキシブル基板材料の端部には、補剛材が配置されていて、コネクタ32に適切な厚さを与え、PCB 20への接続が良好に行われるようにしている。フレキシブル基板の材料には、例えばポリイミドなどの適当な絶縁材料を選ぶ。この材料が、導体38に使用されている銅または他の導電性材料に接着するよう、接着剤層を用いる。この接着剤は、導電性材料の両面に使用されている。したがって、構造的には、最上部から始まって下方に下る、部分的に分岐された電気コネクタ24の一好適な実施形態は、ポリイミドの最上層、接着層、導電層、接着剤の別の層およびポリイミドの別の層を含んでいる。組立てられたフレキシブル基板は、さらに、少量の半田（錫/鉛混合物）を導体の露出領域（すなわち、部分46およびコネクタ32）に付着させる半田コーティング工程を経てもよい。これは、導体の酸化防止のために行なわれる。アセンブリ内の導電層および絶縁層の数は、設計条件を満たすため増減してよい。
【００３８】
ここで、図2bを参照すると、導体38は、燃料電池セルプレートと接触する導体38の部分である比較的幅の広い第１の導電性要素38a、およびフィンガー42の絶縁領域44からコネクタ32まで走る導電性経路である比較的幅の狭い第２の導電性要素38bを含んでいる。実際には、第１および第２の導電性要素38aおよび38bは、同じ導電層の一部である（すなわち、接合部または接続部がない）が、異なる幅にエッチングされている。幅の変化が生ずる箇所は、様々であってよい。それは、例えば、図2bに示すように、ある特定のフィンガー42の端部により近くてよく、また、図2aに示すように、遷移領域40により近くてもよい。幅の変化は、これら２点間のどこかで生じてもよい。
【００３９】
一の好適な実施形態では、比較的狭い導電性経路38bは、0.005インチなどまでのより小さなサイズでエッチングしてよく、比較的広い導電性経路38aは、0.010インチの幅を有していてよい。フィンガー42の露出部分46は、比較的広い導電層を用いて、使用中の破損を防止する。比較的広い導電層38aはまた、必要に応じて曲げ、かつ、形状を保持できるよう、剛性を高めてある。絶縁材部分44内の導体38bの幅の広さ（狭さ）は、部分的に分岐された電気コネクタ24に柔軟性を与える一方で、物理的に頑丈な回路経路が維持されるよう、選択する。
【００４０】
図2aに示すように、フィンガー42同士は、互いに他から離してあり、その間隔は、遷移領域40におけるテーパーの量並びに絶縁部分44における絶縁材の量により決まる。テーパーの量および絶縁材部分の長さについての寸法は、部分的に分岐された電気コネクタ24を接続すべき燃料電池スタック12内で使用されている燃料電池セルの寸法により選択してよい。しかしながら、これら寸法はまた、部分的に分岐された電気コネクタ24が、異なる寸法の燃料電池セルプレートを有するいくつかの異なる燃料電池スタックに使用できるように選択してもよい。部分的に分岐された電気コネクタ24が各種の異なる燃料電池スタックに使用できるよう変動させてよい別の寸法は、露出部分46の長さである。
【００４１】
フレキシブル基板材料を用いる一の好適な実施形態では、露出部分46は、長さ6.5 mmおよび幅0.5 mmであってよく、絶縁部分44は、長さ34 mmおよび幅3.4 mmであってよく、また、フィンガーセクション36は、長さ24.5 mmであってよい。各フィンガー42間には、1 mmの間隔があってよい。単一構造セクション34は、75 mmの長さおよび9 mmの幅を有していてよい。また、他のいくつかの異なる寸法セットを用いて、サイズが異なる燃料電池スタックに適合させてよい。
【００４２】
フィンガー42のそれぞれは、好ましくは、隣接フィンガー42から分離されており、かつ、部分的に分岐された電気コネクタ24の柔軟性により、３次元で動作可能である。例えば、部分的に分岐された電気コネクタ24の平面内でxおよびy方向、およびその平面に垂直なz方向に動作できる。xおよびy方向の動作は、フィンガー42の導体38を、部分的に分岐された電気コネクタ24の平面に沿って、左右、上下または円弧運動で内方および外方に動かすことによって成し遂げることができ、一方、z方向の動作は、フィンガー42内の導体38を、部分的に分岐された電気コネクタ24の平面に対して上方および下方に動かすことによって成し遂げることができる。燃料電池スタック12における偏差の大部分は、プレート加工誤差、膜厚誤差、ガスケット厚誤差、熱膨張、および他のファクターによる「左右」軸での偏差であり、これは、部分的に分岐されたフレキシブルコネクタ24によって容易に吸収される。部分的に分岐された電気コネクタ24はまた、コネクタ24のある領域が、円弧を形成できるので、実質的に「長さを変える」能力を有している。フィンガー部分42または単一構造部分34は、必要なら、円弧形状を取らせることができよう。部分的に分岐された電気コネクタ24の部分はまた、必要なら、折り曲げたり、折り目を付けて、直角または他の形状を取らせることができる。
【００４３】
部分的に分岐された電気コネクタ24のフィンガー42は、接着剤、テープまたは何か他の適切な手段を用いて、燃料電池セルプレートに取り付けてよい。一実施形態では、接続は、導電性エポキシ樹脂を用いて、フィンガーを燃料電池セルプレートに接着することによって行なってよい。これは、フィンガー42の露出部分46を燃料電池セルプレート上でセンタリングして、フィンガー42の両側、並びにフィンガー42の上および下にエポキシを付着させて行なってよい。絶縁部分の端部は、両面テープなどの適当な接着剤を用いて、燃料電池セルプレートに取り付けてもよい。これは、フィンガー42を保持しながらエポキシを硬化させるのに、また、エポキシを機械的接続部ではなく、導電専用の接続部として用いるのに有用である。別法として、テープを省くか、あるいは、硬化後に取り外すこともできよう。別の実施形態では、エポキシ硬化後に、プラスチックバーを用いて、接続部に力を加えることが含まれている。フィンガー42は、導電性両面テープ、バーによる純粋に機械的な力（振動問題が有り得る）または半田を用いるなどのいくつかの他の方法で取り付けることができる。しかしながら、半田付けは、燃料電池セルプレートへの金属の使用、もしくは、燃料電池セルプレート上の少なくとも一つの金属部分または半田接続を受け入れ得る燃料電池セルの他の部分（すなわち、成形カーボンプレートにおける金属インサート、金属ガスケット、など）を必要とする。
【００４４】
導体38間に十分な離隔距離が有って、部分的に分岐された電気コネクタ24を取り付ける燃料電池セルプレートの幅（厚さ）が吸収できる場合は、部分的に分岐された電気コネクタ24に遷移領域40が無い場合がある他の実施形態が有ってよい。これらの実施形態では、フィンガー42は、互いに他から分離しなくてよいが、フィンガー42を、少なくとも２軸内で、内方および外方に（すなわち、コネクタ24の長さ方向に沿って）、かつ、上方および下方に（すなわち、コネクタ24の平面に垂直に）動かすことができ、また、側方から側方へのある程度の曲げが可能である。この実施形態は、当業者には既知であるように、より少ない数の燃料電池セルを有している燃料電池スタック、あるいは、極めて薄い燃料電池セルプレートを有している燃料電池スタックに適している場合がある。金属流動場プレートはまた、遷移領域が必要でない場合がある一つ例でもある。というのは、「フィンガー」端部における部分的に分岐された電気コネクタの幅が、コネクタセクション32の幅と同じである場合があるからである。このような実施形態はまた、部分的に分岐された電気コネクタ１個を用いて燃料電池スタック全体がカバーできる固定されたサイズの燃料電池スタックの大量生産を行なう場合に有用である場合もある。この場合は、電圧監視システムが、アセンブリの片側で燃料電池スタックにボルト止めできるワンピースアセンブリとなる。これは、PCB 20に接続される部分的に分岐された電気コネクタの数をゼロにし、したがって、信頼性が向上し、かつ、コストが低下する。
【００４５】
フィンガー42が、燃料電池セルプレートに取り付けられている場合は、フィンガー42が、少なくとも２方向に動かせるので、フィンガー42で、燃料電池スタック12の長手方向に沿った、すなわち、PCB 20の平面に平行な方向の燃料電池セルプレートの変位が吸収でき、また、部分的に分岐された電気コネクタ24の平面に垂直な方向における燃料電池セルプレートの長さの偏差が吸収できる。好ましくは、ただ一つのフィンガー42を一つの燃料電池セル流動場プレートに係合して、より大きな柔軟性を得る。しかしながら、２個以上のフィンガー42を燃料電池セルプレートまたは他の測定点に接続するのが好ましいいくつかの例が有り得る。例えば、燃料電池セルプレート上における通電電圧分布の測定には、同じ燃料電池セルプレート上に２個またはそれ以上のフィンガー42が必要であり、この場合、フィンガー42を、燃料電池セルプレート上の異なる場所に設置する。また、２個またはそれ以上のフィンガー42を燃料電池セルプレートに取り付けて、燃料電池セルの電圧監視システム10に冗長性を与えてもよい。
【００４６】
さらに、部分的に分岐された電気コネクタ24は、動作の点で、互いに他に対して相対的に独立している自由度を与える部分を有していることを理解すべきである。例えば、単一構造部分34をある方向に曲げながら、同時に、分岐部分36におけるフィンガー42を他の方向に曲げることができる。これらの動作についての別個の自由度は、部分的に分岐された電気コネクタ24が、振動、不均一なプレート厚およびサイズなどをより容易に吸収できるようにするものである。
【００４７】
また、部分的に分岐された各電気コネクタ24、26、28および30は、物理的に互いに他から独立しているため、いくつかの部分的に分岐された電気コネクタ24、26、28および30を設けることもまた、好適であることに注目すべきである。これは、さらに、燃料電池スタックに取り付けられたただ一個の単一構造で長いコネクタを有する従来の燃料電池セル電圧監視システムに比べて、燃料電池セルの電圧監視システム10に対する接続手段の柔軟性を増大させるものである。特に、いくつかの別個の電気コネクタ24、26、28および30を設けることによって、電気コネクタ24、26、28および30のそれぞれは、振動をいくらか独立的に経験する。さらに、いくつかの別個の電気コネクタ24、26、28および30の使用により、燃料電池セルの電圧監視システム10のPCB 20の回路を、よりモジュール式に設計できる。このモジュール式設計は、燃料電池セルの電圧監視システム10を、様々なサイズの燃料電池セルの監視に際して、容易に拡張可能にするものである。このモジュール式設計はまた、燃料電池セルの電圧監視システム10の構築に必要な部品点数を低減し、したがって、必要な在庫部品数を低減するものである。
【００４８】
別の代替の実施形態では、燃料電池スタックおよびその構成部品のサイズにより、リボンケーブルから部分的に分岐された電気コネクタ24を作成することが好適な場合がある。この場合には、導体38は、部分的に分岐された電気コネクタ24内の一つまたはそれ以上の場所で、半田接続などの適切な接続によって接続されたいくつかの別個の導電性要素を含んでいてよい。例えば、一つの導電性要素は、分岐部分36の長さを走り、かつ、遷移領域40の長さを走る第２の導電性要素に接続していてよい。第２の導電性要素は、さらに、単一構造部分34の長さを走る第３の導電性要素に接続していてよい。複数の導電性要素を有するこの実施形態は、導体38が、燃料電池スタック12および電圧監視システム10のある実施形態で経験する張力または応力を低減するのにより好適である場合がある。
【００４９】
別の実施形態では、フィンガー42内の導体38は、絶縁材部分44と露出部分46との間の接合部の近くで接合する二つの個片を含んでいてよい。再び図2bを参照すると、導体38は、露出部分46を形成する第１の導電性部材38aおよび絶縁部分44内に在る第２の導電性部材38bを含んでいてよい。第１の導電性部材38aおよび第２の導電性部材38bは、適当な量だけオーバーラップしており、したがって、第１の導電性部材38aは、フィンガー42から容易には外れない。導体38は、フィンガー42の末端部分では、２個またはそれ以上の導電性部材を有するのが好適である。なぜなら、それによって、部分的に分岐された電気コネクタ24を燃料電池スタック12に取り付けた時の導体38におけるひずみが低減するからである。
【００５０】
ＰＣＢ２０上に電圧処理システムを設ける。電圧処理システムは、分岐コンポーネント、および、例えば、プロセッサであってよい処理回路を、一般に含む。したがって、一般にセル電圧を表わす電気信号は、部分的に分岐された電気コネクタ24、26、28および30のフィンガー42によって感知され、電圧処理システムに伝達されて、デジタル化され、前処理され、かつ、分析される。当業者には公知の、電圧処理システム用の任意の適切な実装を用いてよい。以下、電圧処理システムの一例をさらに詳細に説明する。
【００５１】
ここで図3aを参照すると、燃料電池セルの電圧監視システム50の一好適な実施形態のブロック図が示されている。個々のセル電圧は、前述のように、いくつかの部分的に分岐された電気コネクタ24、26および28によって測定され、コネクタ24、26および28はすべて、n個のフィンガーを有するが、コネクタ24はn(1個のセルを測定し、残りのコネクタ26および28は、n個のセルに接続されたn個のフィンガーを有している。例えば、コネクタ24、26および28は、5個のフィンガーを有していてよく、この場合、14セルの燃料電池スタックに対して、コネクタ24は、セル1〜4を測定でき、コネクタ26は、セル5〜9を測定でき、コネクタ28は、セル10〜14を測定できる。第１のセル、すなわち、セル1に対しては、カソードプレートに接続された一つのフィンガー42、およびアノードプレートに接続された別のフィンガー42が存在する。残りのセルに対しては、セル当りただ一つのフィンガー42だけが存在する。この実施形態では、電圧デジタル化回路は、セルグループの最後（一つ前）のセルの正の接続部における電圧を、電圧デジタル化回路の次のより高いブロックに、リファレンスとして渡す。これにより、デジタル化回路のブロックの切換え時に、１個のセルに2個のフィンガーを接続する必要を無くしている。この構成ではまた、各セルにフィンガー42を１個しか取り付けないので、システムの接続部の数が減る。デジタル化回路のブロック52、54、および56は、マルチプレクサおよびアナログ／デジタル変換器を含んでいてよい。したがって、デジタル化回路のブロック52、54、および56は、例えば、集積化されたマルチプレクサおよびアナログ／デジタル変換器（MADC）として実施されてよい。各MADCは、12ビットADCを含んでいてよい。別法として、より多くのビットを有するADCを用いて、より正確なデジタル値を得てよい。MADC 52、54、および56は、適当な分離回路58、60および62を介して、処理回路66に接続された高速シリアルバス64に接続する。なお、分離回路68、70および72を設けて、各MADC 52、54、および56を、電源74に接続された電力分配バス72に接続してもよい。部分的に分岐された電気コネクタ24、26および28、および、MADC 52、54および56の３グループを示してあるが、燃料電池セルの電圧監視システム10は、任意のサイズの燃料電池スタックに適合するよう拡張してよく、したがって、より大きなあるいはより小さな数のこれらの構成部品ブロックを含んでいてよい。したがって、本発明の燃料電池セルの電圧監視システムは、様々なサイズの燃料電池スタックに適合するよう、容易に拡張（拡大縮小）できる。図4には、そのモジュール性および拡張（拡大縮小）性の一例を示してある。
【００５２】
分離回路は、燃料電池セルの電圧監視システム50が、高い同相モード電圧を処理できるようにするものである。この回路は、各MADC 52、54および56に、燃料電池セルの対応するブロックの最後（一つ前）のセルの正の接続部に結合されている、自身のグランドリファレンスを与えるものである。分離回路（58、68）、（60、70）および（62、72）は、それぞれ、ガルバニックアイソレータ（タイプは問わず）、および、電力分配バス74に接続される電源76のタイプにより、DC-DCまたはAC-DCであってよい絶縁型電力コンバータを含んでいてよい。絶縁は、この一般に同相モードが高い環境で、より安価な、かつ、より入手性が高い、同相モードが低い部品の使用を可能にする。しかしながら、本実施形態では、MADCの最高入力電圧によって許容同相モード電圧に限界がある場合がある。使用するハードウェアにもよるが、これは、グループまたはブロック当りで監視できる燃料電池セルの数を限定する場合がある。また、入力チャネルの数が、別の限定事項となる場合がある。例えば、MADCによっては、最高入力範囲が10V、入力チャネル数が8の場合がある。
【００５３】
処理回路66は、測定電圧を前処理する回路構成部品、並びに、前処理された測定電圧を処理し、かつ、監視するデジタル信号プロセッサまたはコントローラなどの回路を含んでいる。燃料電池セルの電圧監視システム50は、恐らくは、燃料電池セル電力プラントでの使用に適するよう設計されているので、データ分析は、燃料電池スタック12の適切な動作を保証するため、処理回路66によってリアルタイムに行なわれる場合がある。リアルタイムに行なわれるデータ分析の一例としては、低動作電圧を示す燃料電池セルを全て検出して、適切な外部通信手段の使用により、燃料電池セルの電圧監視システム50と関連しているオペレータ、コントローラまたはコントロールシステムにセル電圧を知らせることが挙げられる。したがって、処理回路66は、例えば、RS-232ポート、またはCANポートなどの通信ポートを含んでいてもよい。この通信回路では、データロギングまたは診断目的のため、個々のセル電圧全てを、外部デバイスに送ることができる。燃料電池セルの電圧監視システム50の較正、およびパラメータ調整には、通信チャネルを用いてもよい。外部デバイスとの通信には、ハードワイヤアラーム回線を用いてもよい。例えば、アラーム状態（これは、例えば、動作セル電圧の低下で発生させることができよう）では、処理回路66は、アラーム回線を動作状態にして、プラントの燃料電池セルの残り全体を停止するか、あるいは、何か他の適切な措置を取ることができる。
【００５４】
燃料電池スタックの同相モード電圧は、大部分の電子回路を損傷し得るレベルに達し得るので、分離回路58、60、62、68、70および72の他に、別の分離機構を用いて、同相モード電圧が、許容できる電圧を超えるのを防止してもよい。図3aに示す実施形態では、MADC 54および56は、それぞれ、先行するMADC 52および54を基準にする。したがって、全ての処理回路を互いに他から電気的に分離するのに使用される分離回路は、MADC 54および56については、隣接回路を分離しない。また、この分離機構では、任意の一つのMADCのグランドは、任意の他のMADCのグランドまたは電源76のグランドと同じではない。また、セル群の比較的小さなブロック（この場合には３個の比較的小さなブロック）へのグループ化が、燃料電池セルのブロックのいずれについても、許容できる同相モードを超えないように行なわれるので、同相モードを超えることはない。
【００５５】
図3aの実施形態では、第１のMADC 52は、第１の燃料電池セルのトッププレートで測定された電圧から基準電圧を引くことによって、燃料電池セル1の個々のセル電圧を測定する（すなわち、式3）。第２の燃料電池セルの電圧は、第２のフィンガーの電圧を採り、第１のフィンガーの電圧を引くことによって測定する（すなわち、式4）。ブロックにおける残りのセルは、燃料電池セル2と同じ方法により測定する。部分的に分岐された電気コネクタ24については、Vfinger[0]が、MADC 52における全ての測定に使用する基準電圧である。第２の測定ブロック54では、測定方法は、測定ブロック52と同様であるが、部分的に分岐された電気コネクタ26上に、基準電圧を与えるフィンガーが無い点が異なる。基準電圧は、MADC 52からMADC 54のグランド入力へのリンクによって与えられる。測定ブロック52の一番上のフィンガーの電圧は、MADC 52により測定される場合、ある電圧となるが、MADC 54については、結果的に0Vとなる。セルn(1の電圧は、さらに、式6により計算できる。
Vcell[1] = Vfinger[cell 1] - Vfinger[0]              （3）
Vcell[2] = Vfinger[cell 2] - Vfinger[cell 1]            （4）
Vcell[n] = Vfinger[cell n] - Vfinger[cell n-1]          （5）
Vcell[n(1] = Vfinger[cell n+1] - Vfinger[cell n]        （6）
【００５６】
したがって、第１の測定ブロック52だけが、部分的に分岐された電気コネクタ24のフィンガーを用いて、基準電圧を与える。他の電圧測定ブロック54および56のすべてには、正の電圧測定用のワイヤ/フィンガーが１個有り、基準電圧の測定は、先行する電圧測定ブロックの最後（一つ前）の燃料電池セルにより行なわれる。したがって、図3aに示すこの好適な実施形態では、第１のMADC 52は、9個の燃料電池セル両端の電圧を測定し、残りのMADC 54および56は、10個の燃料電池セル両端の電圧を測定するが、基準電圧は、それぞれ、先行するMADC 52および54から受け取る。
【００５７】
電圧の減算は、測定電圧が、MADC 56および58に使用されているデジタイザのダイナミックレンジのより多くを利用するよう、適当なアナログ手段を介して、デジタル化の前に行なってもよい。この利点は、MADCブロック52、54および56に対して外部の差動測定を行なう場合、利得が使えることである。この利得により、MADCブロック52、54および56におけるデジタイザの入力レンジのより良い利用が可能となり、かつ、ソフトウェア減算を行なう時に発生する恐れのあるいかなるエラーも排除することである。
【００５８】
ここで、図3bを参照すると、燃料電池セルの電圧監視システム80の別の好適な実施形態のブロック図が示されている。燃料電池セルの電圧監視システム80は、燃料電池セルの電圧監視システム50と同様であるが、部分的に分岐された電気コネクタ24、26および28と、MADC 52、54および56との間に、差動増幅器82、84および86のバンクが設置されている点が異なる。フィンガー（複数のセル）間に大きな電圧スパンが必要な場合は、高い同相モード電圧を処理できる差動増幅器を使用してよい。フィンガー電圧に対する所望のフィンガーが許容できる値である場合は、通常の計装用増幅器を使用してよい。分離回路58、68、60、70、62および72によって行なわれる分離は、依然として所定の位置で行なわれ、したがって、同相モードの効果は、ある特定のMADC（すなわち、ある特定の測定ブロック）によって監視されているセルのグループのスパンに限定される。好ましくは、各差動増幅器もまた、非常に線形的である。各差動増幅器は、実質的に１の利得を有していてもよいが、より高い利得を用いて、MADCのフルレンジを利用することもできる。しかしながら、入力差動は、この技術で公知であるように、電源電圧およびMADC入力電圧により限定される。差動増幅器バンク82、84および86には、Burr-Brown社製INA 117差動増幅器またはAnalog Devices社製AD629差動増幅器を使用してよい。これら差動増幅器は、200V以下の同相モード電圧で動作でき、したがって、燃料電池スタック12から出ている燃料電池セルのカソードまたはアノードに直接接続できる。
【００５９】
また、この実施形態では、ある特定のMADC 52、54および56に対する基準電圧は、図3bに示すように、燃料電池スタック12内の適当な燃料電池セルプレートから直接取り出してよい。この場合には、燃料電池スタック12内の各燃料電池セルに接続されたフィンガーは、１個であってよいが、ただし、一測定ブロックから次のそれへの遷移が有る場合は異なる。別法として、基準電圧は、図3aに示した実施形態で行なわれるように（この場合は、第１の測定ブロック内の第１の燃料電池セル以外は、燃料電池セル当り１個のフィンガーしかない）、先行する測定ブロックから直接得てよい。差動増幅器82、84および86は、図3aに示した燃料電池セルの電圧監視システム50内に存在する各MADCブロック52、54および56から小さな同相モード電圧を除去し、また、デジタル化の後でのソフトウェア減算の実行を不要にするのに役立つものである。本実施形態では、より正確な電圧測定が行なわれる。測定電圧は、先ず、増幅され、さらに、デジタル化される一方、基準電圧を用いて、MADC 52、54および56内のデジタイザに入力される電圧の大きさを減らすからである。燃料電池セルの電圧監視システム80の残りは、燃料電池セルの電圧監視システム50について上記したのと同様に動作する。
【００６０】
両実施形態において、処理回路 66の一部分、または外部コントローラは、燃料電池セルの電圧監視システムの機能を制御して、感知電圧を、燃料電池スタック 12内のいくつかの場所で、選択的に受け取る。感知電圧は、燃料電池スタック 12内の各燃料電池セルの両端で、逐次的な順序で測定されてよい。別法として、任意の燃料電池セルの両端の測定電圧は、随時にアクセス可能である。また、平均セル電圧、電圧範囲、最大電圧、最小電圧、および標準偏差のようないくつかの計算可能な値を計算することができ、かつ、連続方式で、もしくは、必要時に伝達することができる。個々のセル電圧はまた、連続方式で、伝達してもよい。
【００６１】
両実施形態において、処理回路66は、計算手段27を含んでいてもよく、該計算手段はハードウェアまたはソフトウェアによって実施されてよく、感知電圧に係数を掛けて、測定セル電圧をより正確に監視する。セル電圧は、ユーザが、個々の燃料電池セルの総合的な状態を評価することができるようにするものである。セル電圧は、セル内に水の蓄積があるかどうか、あるいは、ガスが混合しているかどうか、などを判定するのに使用できる。また、セル電圧の測定の頻度も指定可能である。セル電圧の測定は、セル上の短時間の遷移状態が報告できるよう、十分速く行なわねばならない。測定は、どのセルでも10ms毎に行なうのが望ましく、これで十分以上であることが分かった。
【００６２】
実際には、燃料電池セルの電圧監視システムは、正確な電圧測定値を得るために、較正を必要とする。当業者には公知のように、燃料電池スタック12内の燃料電池セルの「測定ブロック」における個々の燃料電池セルの数が増大すると、燃料電池セルに接続された差動増幅器の入力の同相モード電圧も、基準電圧からさらに離れて増大する。差動増幅器の入力の同相モード電圧は、差動増幅器の出力である電圧となり、これは、差動増幅器の電圧測定に悪影響を及ぼす。この同相モード電圧の誤差は、差動増幅器の同相モード電圧利得と入力の同相モード電圧との積に等しい。したがって、同相モード電圧の誤差は、差動増幅器の入力の同相モード電圧に比例する。したがって、差動増幅器は、好ましくは、高い同相モード除去比（CMRR）を有している。一般に、CMRRの値は、ほぼ70〜110dBの範囲内である。高い同相モード除去比を有する増幅器は、当然、小さな同相モード電圧利得を有している。
【００６３】
また、差動増幅器における不可避の内部不整合により、差動増幅器の出力に余分な電圧が現われる。この出力電圧は、差動増幅器のDCオフセットと呼ぶ。DCオフセットは、差動増幅器の入力をグランドに接続した時、差動増幅器の出力で有限電圧として観察される。
【００６４】
さらに、電圧誤差は、MADC 52、54および56内のデジタイザの量子化雑音による測定値の原因となる場合がある。しかしながら、この技術では公知のように、量子化雑音は、ADC24における量子化ビット数を増大させることによって、許容できるレベルにまで低減できる。
【００６５】
同相モード電圧の誤差、DCオフセットおよびある程度までの量子化雑音により、差動増幅器の出力は、燃料電池セルの実際のセル電圧から逸脱する。この偏差は、残留電圧と呼ばれ、これは、普通の差動増幅器の構成では排除できない測定誤差である。前述のように、残留電圧は、差動増幅器の入力の同相モード電圧に比例する。これは、望ましくないものである。というのは、測定ブロック内の個々の燃料電池セルの合計数が増大するにつれて、差動増幅器の入力の同相モード電圧が増大するからである。したがって、基準電圧から最も離れた燃料電池セルの測定セル電圧の偏差は、セル電圧測定の正確さに影響するほど十分に大きくなる場合がある。
【００６６】
この問題は、差動増幅器の電圧測定から得られたデジタル値を用いる一次方程式に基づいて、燃料電池セルの測定セル電圧を計算すれば解決できる。計算を行なうためには、少なくとも１個の電圧計および少なくとも１個の較正器が、較正プロセス中の電圧値を読み取るために必要である。好ましくは、電圧計は、高精度電圧計である。
【００６７】
ある特定の差動増幅器で測定される各燃料電池セルのセル電圧は、次の式を用いて計算できる。
【数１】
2007522611.tif 000003
ここで、電圧VRは、較正された測定セル電圧、電圧VADCは、電圧測定中のMADCの出力値、電圧VAは、較正中の差動増幅器の入力に差動的に加えられた電圧である。電圧VAは、二つの成分、すなわち、差動増幅器のプラスおよびマイナス入力ピン間に現われた電圧の差である較正された差動電圧、および差動増幅器のプラスおよびマイナス入力ピン間に現われた電圧の和を２で割った同相モード電圧を含んでいる。電圧VADC（VA）は、較正中に差動増幅器の入力にVAが加えられた時のMADCの出力値であり、電圧VADC（V0）は、差動増幅器のプラスおよびマイナス入力ピンにゼロボルトの差動電圧が現われ、かつ、VAと同じ同相モード電圧が、差動増幅器のプラスおよびマイナス入力ピンに現われた時のMADCの出力値であり、電圧VOFFは、差動増幅器の入力が、較正中に、同相モード電圧（VAとして使用された電圧など）に共に結合された時の差動増幅器の電圧出力である。電圧VOFFは、デジタル化無しで測定され、したがって、電圧計で測定してよい。
【００６８】
各燃料電池セルの実際のセル電圧を知って較正中に使用することは難しいが、個々の燃料電池セルは、正常動作中、約0.5V〜1.0Vで動作することは分かっている。差動増幅器は、これらセル電圧に近い電圧レベルを与える較正器を適用することによって較正してのち、それらを用いて、燃料電池スタック12内の燃料電池セルのセル電圧を測定してよい。したがって、各差動増幅器の同相モード電圧の誤差およびDCオフセットが得られる。結果として、各差動増幅器を較正することによって、燃料電池セルの電圧監視システムの正確さを向上させることができる。
【００６９】
個々の燃料電池セルは、0.5V〜1.0Vの範囲で動作するので、各燃料電池セルは、0.75Vのセル電圧を有していると、仮定してよい。これは、燃料電池セルが、通常の使用中に動作する平均電圧である。したがって、較正中は、0.75Vの増分を使用するが、これは、較正器が、あたかも、燃料電池セル1の上部端子が、0.75Vであり、燃料電池セル2の上部端子が、1.5Vであり、燃料電池セル3の上部端子が、2.25Vであり、等々であるかのように電圧を与えることを意味している。発明者等は、実際にこの方法を使用することによって、各燃料電池セルが、理想的条件下で動作している場合、各差動増幅器を、各燃料電池セルのセル端子における実際の同相モード電圧に近い同相モード電圧で較正できることを見出した。結果として、発明者等は、測定セル電圧は、各燃料電池セルの実際のセル電圧に近いことを見出した。
【００７０】
この較正方法は、残余誤差を完全には排除しないが、残余誤差を有意に減らし、かつ、同相モード電圧の誤差を最も顕著に減らす。さらに、較正後、ある特定の差動増幅器の電圧測定中に生ずる同相モード電圧の誤差は、もはや、差動増幅器の入力における同相モード電圧に比例しない。同相モード電圧の誤差は、今や、入力における実際の同相モード電圧と、較正中各差動増幅器に使用された仮定された同相モード電圧との間の差に比例する。この差は、ランダムであり、燃料電池スタック12内の燃料電池セルのある特定のブロック内の燃料電池セルの数が増大するにつれて増大しない。したがって、同相モード電圧の誤差は、セル電圧測定中、非常に低いレベルに維持される。これは、大型の燃料電池スタックにおける燃料電池セルのセル電圧を測定する際に特に有利である。
【００７１】
図4を参照すると、本発明による燃料電池セルの電圧監視システムで使用される回路にモジュール式設計を与えるための、フレキシブル基板90のレイアウトの、一の好適な実施形態の概略図が示されている。このレイアウトは、燃料電池セルの電圧監視システムのモジュール式特性を、部分的に分岐された電気コネクタ24、26、28、29および30への接続に使用される領域92、94、96、98および100と共に明瞭に示している。このレイアウトはまた、MADC 52、54、56、57および59、または、同様の多重化およびデジタル化回路用の領域も含んでいる。このレイアウトは、さらに、分離回路（58、68）、（60、70）、（62、72）、（63、73）および（65、75）用の領域を含んでいる。次に、高速データリンク64および電力分配バス74用の領域が有る。レイアウトの頂部には、処理回路66および電源76用の領域が有る。この様式では、より大型のPCB 20を用いて、必要なら、より多くのコネクタ、MADCおよび、より大型の燃料電池スタックとのインタフェースを取るための分離回路を収容してよい。
【００７２】
本発明の燃料電池セルの電圧監視システム10は、燃料電池スタック全体のセル電圧を監視するのに使用してよい。しかしながら、燃料電池セルの電圧監視システム10はまた、ある特定の燃料電池スタック内の燃料電池セルの一グループまたはいくつかのグループを監視するのに使用してもよく、また、そのような燃料電池セルの電圧監視システムのいくつかを燃料電池スタック全体に使用することができる。この場合には、燃料電池セルの電圧監視システムは、別個のPCBに取り付けられ、かつ、互いに他から独立して動作するいくつかのモジュールを含んでいてよく、あるいは、別個のPCBのそれぞれが電気的に接続された、メインPCB上に存在し得る単一のコントローラによって制御されてよい。これは、セル電圧を監視すべき燃料電池スタックのサイズによって、燃料電池セルの電圧監視システム10に拡張（拡大縮小）性を与えるものである。いくつかの部分的に分岐された電気コネクタの使用は、このモジュール式設計をさらに容易にする。
【００７３】
例えば、大型燃料電池スタックには、より大きなセル電圧降下が生じる可能性がより高いある種の部品（すなわち、端部セル）が在り、したがって、３台の燃料電池セル電圧モニターシステムを使って、燃料電池スタックの三つの異なる部分、すなわち、10個の最下段の燃料電池セル、10個の中段の燃料電池セル、および10個の最上段の燃料電池セル（または何か他の構成）を別個に監視することができよう。この３台の燃料電池セルの電圧監視システム（すなわち、各１個のコントローラを有する３台のフルシステム）は、３本のアラーム回線および３本の別個の通信チャネルにより、互いに他から独立して動作してよく、あるいは、３台の燃料電池セルの電圧監視システムは、燃料電池スタックに１本のアラーム回線および１個の通信インタフェースを与える第４のコントローラと連絡してよい。第３の可能性は、３個のMADCブロックおよびただ１個のプロセッサを有する燃料電池セルの電圧監視システムである。特定の実施形態が、燃料電池スタックのユーザのニーズにより、選択できる。
【００７４】
本発明は、PEM燃料電池スタックについて記述したが、本発明は、燃料電池スタックにおける個々の燃料電池セルの電圧を測定することばかりではなく、任意の種類の燃料電池セル、電気化学セルまたは個々のセルを直列に接続することによって形成されたマルチセルバッテリにおいて、電圧を測定することを意図したものであることを理解されたい。したがって、本発明は、アルカリ電解質を有する燃料電池セル、リン酸電解質を有する燃料電池セル、高温燃料電池セル（すなわち、プロトン交換膜に似ているが、200℃付近で動作するようにされている膜を有する燃料電池セル）、電気分解装置、再生燃料電池セル、バッテリバンク、コンデンサーバンクなどに適用できよう。本発明はまた、ガスケットまたはシールインプレイス工程を使用して封印を行なう電気化学セルアセンブリにも適用できる。本発明はまた、アノードおよびカソードの両方を有するバイポーラ流動場プレートを用いる電気化学セルにも適用できる。
【００７５】
当業者はまた、ここで説明し、かつ、例示した実施形態には、本発明から逸脱すること無しに、各種の変更が可能であり、その範囲は、添付のクレームに定義されていることを理解すべきである。
【００７６】
「関連出願の引用」
本出願は、2004年1月20 日に出願された米国仮特許出願(U.S. Provisional Patent Application)第60/537,013号に基づき優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】燃料電池スタックに取り付けられた本発明による燃料電池セルの電圧監視システムの一の好適な実施形態の側面図を示す。
【図２ａ】図1の燃料電池セルの電圧監視システムに使用できる本発明による部分的に分岐された電気コネクタの一の好適な実施形態の平面図を示す。
【図２ｂ】図2aの部分的に分岐された電気コネクタの一部分の拡大側面図を示す。
【図３ａ】本発明による燃料電池セルの電圧監視システムの一の好適な実施形態のブロック図である。
【図３ｂ】本発明による燃料電池セルの電圧監視システムの別の好適な実施形態のブロック図である。
【図４】本発明によるモジュール方式の燃料電池セル電圧監視システム用の回路を収容するためのプリント基板のレイアウトの一の好適な実施形態のブロック図である。
【図１】
2007522611.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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