(57)【要約】  本発明は、バイポーラ板（３，４，５）によって分離されたＮ個の電気化学セルを含む燃料電池（３２）のセル電圧を測定する装置に関し、Ｎは自然数であり、少なくとも２つの電圧測定モジュール（１，２）を有し、各モジュールは燃料電池の１組の隣り合うセルからのＭ個の電圧を測定可能であり、ＭはＮ／２以下の自然数であり、第１モジュール（１）により測定されるセル群は、第２モジュール（２）により測定されるセル群に隣接し、測定装置は、電子カルキュレータ（２）及び電圧測定モジュールを電子カルキュレータに直列に接続する有線通信バス（１５）を有し、測定モジュールの各々は、モジュールを燃料電池（３０）に取り付ける機械的手段を有し、測定装置は、電子電圧測定手段（１０）、バイポーラ板を電子電圧測定手段に電気的接続する手段及び電子電圧測定手段を通信バスに接続する手段（１１，１２，１６，１７）を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラ板によって互いに分離されたＮ個の電気化学セルを含む燃料電池内のセルの電圧を測定する装置であって、Ｎは自然数であり、前記装置は、
少なくとも２つの電圧測定モジュール（１，２）であって、各モジュールが、前記燃料電池（３２）の１群の隣り合うセルにかかっているＭ個の電圧を測定することができ、Ｍは、Ｎ／２以下の自然数であり、第１のモジュールによって測定されるセルの群は、第２のモジュールによって測定されるセルの群に隣接する、前記少なくとも２つの電圧測定モジュールと、
電子コンピュータと、
前記少なくとも２つの測定装置を前記コンピュータに直列に接続する有線通信バスと、を備え、
前記測定モジュールの各々は、
前記モジュールを前記燃料電池（３２）上に固定する機械的手段と、
電子電圧測定手段と、
前記バイポーラ板を前記少なくとも１つの電子電圧測定手段に接続する電気接続手段と、
前記電子電圧測定手段を前記通信バスに接続する手段と、を有し、
各モジュール（１）は、前記第１のモジュールに接続される最後のバイポーラ板が、前記第２のモジュールにも接続されるよう前記隣接するモジュール（２）と協働するよう形作られている、測定装置。
【請求項２】
各電子電圧測定手段は、２つの隣り合うセルの電圧を測定する、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記電気接続手段は、機械的固定手段としても役立つことができるコネクタを含む、請求項１又は２記載の測定装置。
【請求項４】
前記電気接続手段は、前記バイポーラ板上に設けられた金属ラグと協働するよう配置されている、請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記有線通信バスと前記燃料電池との間に設けられた少なくとも１つのガルバニック絶縁装置を更に有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記ガルバニック絶縁装置は、オプトカプラから成る、請求項５記載の測定装置。
【請求項７】
各電圧測定モジュールは、他のモジュールとは異なるアドレスを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
Ｍは、８に等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の分野、特にかかる燃料電池をモニタするシステムの分野に関する。特に、本発明は、燃料電池内の電圧を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途において成功の高まりを示している。燃料電池は、特に、電気自動車の開発の一部として自動車業界において関心のあるものである。というのは、燃料電池は、燃料タンクと組み合わさった状態で、バッテリ型の電気化学アキュムレータよりも高いエネルギー密度を提供すると共に良好な効率を示すクリーンな電気発電装置を形成するからである。
【０００３】
燃料電池では、電気は、二重の化学反応、即ち、電極上での燃料、例えば水素の酸化と別の電極上での酸化剤、例えば酸素の還元を組み合わせた反応によって作られる。この二重の化学反応は、一般にアノードとカソードを含むセル内で起こり、このアノードとカソードとの間に膜（メンブレン）が配置され、それにより膜／電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。種々の形式の膜を用いることができ、例えばイオン交換膜又は固体酸化物膜が知られている。
【０００４】
用途に応じて、所望の量の電力を提供するためには、セルの幾分大きなスタックを呈する燃料電池を用いることが必要であることが分かる。例えば、電気車両の分野では、１００個を超える積み重ねセルを有するスタックに出会うことは、まれなことではない。したがって、スタックは、バイポーラ板によって互いに分離されたＭＥＡの群で構成される。これらバイポーラ板は、アノード側とカソード側を有し、これらアノード側及びカソード側は、スタックの隣り合うセルにガスを供給することができる。しかしながら、スタックの最初の板と最後の板は、バイポーラではなく、一方の分極しか示さない。言葉の誤った使用に起因して、スタックは、一般に、燃料電池と呼ばれ、各ＭＥＡは、セル又は電気化学セルと呼ばれている。本明細書において、以下この用語を用いる。
【０００５】
用いられる燃料電池では、例えば電気自動車では、燃料電池の誤作動又は危険な挙動をもたらす場合のある異常を検出しなければならない。この目的のため、各セルに関する、特に発生電圧に関する個々の情報を得ることが有用である。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１１／０２１７６１２号明細書から、燃料電池上に直接取り付けられた数個のモジュールを含む測定装置が知られている。各モジュールは、一群のセルの測定を意図しており、これら種々のモジュールは、光信号を介して互いに通信する。この装置は、燃料電池の端のところに設けられていて、各モジュールによって実施される測定結果を受け取るようになった集計コンポーネントを更に有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２１７６１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
かかる装置は、その形態に起因して多くの欠点を有する。特に、モジュールにはセルそれ自体によって電力供給され、このことは、１つ又は２つ以上のセルに対する電圧の損失により、モジュールのための電力が損失し、すると、これにより測定を実施することができないということを意味している。かくして、この装置は、非常に低い電圧又はそれどころか僅かに負の電圧の測定には不適切であるように思われる。
【０００９】
したがって、本発明は、これら欠点を解決する一方で、取り付け及び使用が簡単でありしかも確実且つ経済的な測定手段となる装置を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、かくして、バイポーラ板によって互いに分離されたＮ個の電気化学セルを含む燃料電池内のセルの電圧を測定する装置であって、Ｎは、自然数であり、装置は、
‐少なくとも２つの電圧測定モジュールを有し、各モジュールは、燃料電池の１群の隣り合うセルにかかっているＭ個の電圧を測定することができ、Ｍは、Ｎ／２以下の自然数であり、第１のモジュールによって測定されるセルの群は、第２のモジュールによって測定されるセルの群に隣接し、
‐電子コンピュータを有し、
‐少なくとも２つの測定装置をコンピュータに直列に接続する有線通信バスを有し、
測定モジュールの各々は、
‐モジュールを燃料電池上に固定する機械的手段と、
‐電子電圧測定手段と、
‐バイポーラ板を少なくとも１つの電子電圧測定手段に接続する電気接続手段と、
‐電子電圧測定手段を通信バスに接続する手段と、を有し、
各モジュールは、第１のモジュールに接続された最後のバイポーラ板も又、第２のモジュールに接続されるよう隣接するモジュールと協働するよう形作られていることを特徴とする測定装置に関する。
【００１１】
本発明の実施形態を示した図面で明らかなように、モジュールは、２つの隣り合って配置されたモジュールの側面に垂直にこれらモジュールの境界部上に配置されたバイポーラ板が追加の電気的接続部を使用することなく、これら２つのモジュールに接続されるような互い違いの配置状態を示す形状を有している。
【００１２】
さらに、好ましくは、モジュールを燃料電池に固定する機械的固定手段と電気的接続手段が合体される。かくして、特定の実施形態では、これら手段は、機械的連結と電気的接続の両方を達成することができるコネクタ、例えばファストン（Ｆａｓｔｏｎ）（登録商標））型の雌型コネクタを含むであろう。これら雌型コネクタは、燃料電池のバイポーラ板上に形成されていて、接続を達成することができる金属ラグ（突出部）を掴むよう構成された２つの金属部分を有する。
【００１３】
本発明の特定の実施形態では、各電子電圧測定手段は、２つの隣り合うセルの電圧を測定する。具体的に説明すると、燃料電池の電気化学セルがどれほど薄いかが与えられた場合、各セルの個々の電圧を測定する取り付け手段が非常に人間工学的ではないということが分かる。さらに、測定手段の感度は、セルの各々の状態のアカウンティング（accounting）をもたらす上で２つのセルを横切って実施される測定にとって十分であることが観察された。かくして、特定の実施形態では、モジュールは、一群の１６個のセルについて８回の電圧測定を実施する。
【００１４】
本発明の特定の実施形態では、有線通信バスは、装置、例えば本発明の装置との関連で有用なロバスト性の特性を示すＣＡＮ（登録商標）（制御エリアネットワーク）型シリアルバスである。別の特定の実施形態では、Ｉ２Ｃ型バスが用いられる。
【００１５】
さらに、本発明の別の特定の実施形態では、測定装置は、有線通信バスと燃料電池との間に設けられた少なくとも１つのガルバニック絶縁装置を更に有する。かかるガルバニック絶縁装置は、例えば、オプトカプラ（光カプラ）から成る。具体的に言えば、燃料電池は、燃料電池上のその位置に応じて直列に接続された複数のセルで構成され、したがって、各測定モジュールは、燃料電池の負の極性に対して異なる電位状態にある。したがって、測定手段と共通の通信バスとの間のガルバニック絶縁を実施することが妥当である。
【００１６】
本発明の別の特定の実施形態では、各電圧測定モジュールは、他のモジュールとは異なるアドレス又はコーディングを有する。具体的には、後で説明するように、これにより、電子コンピュータは、リクエストをアドレス指定することができ、このリクエストにより、種々のモジュールからの測定が要求される。
【００１７】
電子コンピュータは、装置によって実施される測定結果を発生させるために用いられる。この目的のため、電子コンピュータは、有線通信バスを介してモジュールと通信し、同じ手段を介して測定結果を受け取る。本明細書における以下において、このコンピュータをコントローラと呼ぶが、この用語の範囲を特定形式のコンポーネントに限定するものではない。
【００１８】
本発明の他の目的及び他の利点は、以下の図面によって示された好ましいけれども非限定的な実施形態についての以下の説明で明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池上への２つの測定モジュールの取り付け状態を概略的に示す図である。
【図２】本発明の装置の一部として用いられるモジュールの機能図である。
【図３】４つの測定モジュールを含む本発明の装置を示す図である。
【図４】図１に示されている取り付け状態の分解組み立て図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の特定の実施形態としての装置を示している。この装置は、第１の電圧測定モジュール１及び第２の電圧測定モジュール２を有し、これら測定モジュールは、燃料電池に取り付けられる。燃料電池は、上から見た図で示されており、スタックの種々のＭＥＡを互いに分離するバイポーラ板３だけが見える。図中、４つのバイポーラ板だけが符号３で示されているが、電圧測定を担う各水平線は、バイポーラ板を表していることが理解される。注目されるべきこととして、本発明のこの特定の実施例では、電圧測定は、各セルについて実施されず、２つの隣り合うセルの群について実施される。説明を簡単にするために、電圧測定が実施される端子のところのバイポーラ板だけが図１に示されており、即ち、スタック全体に対して２枚のバイポーラ板のうちの１枚のバイポーラ板だけが示されている。
【００２１】
第１のモジュールは、８回の電圧測定Ｖ０〜Ｖ７を実施するために用いられ、かくして、１６個のセルをカバーしている。この目的のため、測定モジュールは、この図に示されているように少なくとも９枚のバイポーラ板に接続されなければならない。この特定の実施形態では、モジュールを燃料電池上の定位置に保持するために用いられる金属連結部は、電気接続部としても役立つ。この図に示されているように、測定モジュールは、２つの接続部により各バイポーラ板に接続されており、一方の接続部は、左側の領域Ａに設けられ、他方の接続部は、右側の領域Ｂに設けられ、但し、最初と最後に接続された板を除く。これにより、電圧の測定Ｖ１〜Ｖ７の冗長性が得られる。しかしながら、この冗長性は、機械的性状のものでもあり、かくして組立体の良好な安定性を保証することができる。
【００２２】
図４は、２つのモジュール１，２を含む測定装置の例示の実施形態を示しており、この測定装置は、燃料電池３２に取り付けられるようになっている。この特定の実施例では、モジュールの接続手段は、Ｆａｓｔｏｎ（登録商標）型の金属コネクタ３０である。バイポーラ板は、コネクタとの接続を行うことができるようにする金属ラグ（突出部）３１を備えている。有利には、１枚のバイポーラ板は、２つの金属ラグを有する。
【００２３】
加うるに、図１では、第１及び第２のモジュール１，２の形状がバイポーラ板４を接続部４ａでの第１のモジュールと接続部４ｂでの第２のモジュールとに、両方に接続するようなものである。この形状により、バイポーラ板４，５相互間の電圧をモジュール１，２相互間の追加の接続を行わないで測定することができる。具体的に説明すると、モジュールが長方形の形状のものである場合、モジュールの最も長い長さがバイポーラ板に平行に位置した状態で、バイポーラ板４は、単一のモジュール、例えばモジュール１にのみ接続される。この場合、バイポーラ４，５相互間の電圧を測定するためには、有線接続をセットアップすることが必要であり、その目的は、バイポーラ板４の電位をモジュール２に送り、それにより測定を実施し又はモジュール板５の電位をモジュール１に送り、それによりこの場合における測定を実施する。
【００２４】
かかる装置は、信頼性があること、取り付け及び使用が簡単であること、経済的であるという点で多くの利点を有する。具体的に説明すると、各モジュールは、僅かな数のセル、例えば１６個のセルの端子のところの電圧を測定するようになっている。モジュールの接続部相互間の間隔は、セルの厚さでも決まる。この場合、燃料電池の構成、組立体の温度及びクランプ圧力に応じて、厚さが様々な場合があり、スタック全体にわたるかかる厚さのばらつきにより、所定サイズの測定装置の取り付けが行えないほどの全体的ばらつきになる場合がある。しかしながら、１６個のセルの組み立て時、全体的ばらつきは、本発明の実施形態としてのモジュールを取り付けることができないほどの値に達することは決してない。さらに、かかるモジュールは、電気的接続及び機械的連結が、単一のコンポーネントによって達成されるという点で簡単且つ経済的である。加うるに、モジュールの特定の形状により、装置のモジュール相互間の有線接続部の取り付けが回避され、かくしてその取り付けが単純化されると共にこのレベルでのタイミングの悪い切り離しが阻止される。
【００２５】
次に図２を参照してモジュールの作動について説明し、図２は、本発明の装置で用いられるモジュール１の例示の機能的アーキテクチャを示している。説明を簡単にするため、図中、側Ａの入力しか示されていない。
【００２６】
モジュール１は、９枚のバイポーラ板に接続され、それにより８つの電圧Ｖ０〜Ｖ７の測定の実施が可能である。これら測定は、８つの演算増幅器回路１０によって実施される。次に、これら電圧をアナログ‐ディジタル変換器１１に送る。この変換器は、例えば２．５ボルトに等しい基準値１２に接続され、回路１０によって送られた測定値の比較が可能である。
【００２７】
アナログ‐ディジタル変換器１１は、正の電圧だけを変換することができる。この場合、本発明の一実施形態では、負の電圧も又測定することができることが望ましく、これにより、特に水素の供給不足に起因したセルのインバージョンの検出が可能である。これを是正するため、変換器１１は又、変換前に測定された電圧へのオフセット電圧の印加を可能にする装置１３に接続される。
【００２８】
測定の変換をいったん実施すると、その結果は、データバス１４に送られる。このバスは、例えば、Ｉ２Ｃ（Inter Integrated Circuit：集積回路間）型又はＣＡＮ（登録商標）型のシリアルバスである。このデータバス１４は、データを第２のデータバス１５に転送し、この第２のデータバスは、次に、このデータを主コントローラ２０（図３参照）に送る。バス１４，１５が同一形式のものではない場合、データをバス１５によってサポートされたフォーマットに変換するマイクロコントローラ１６を設けることが有用である。さらに、燃料電池のところに存在する高い電圧がバス１５に伝搬して幾つかのコンポーネントを損傷させるのを阻止するため、ガルバニック絶縁装置１７、例えばオプトカプラを設けることが有用である。
【００２９】
モジュール１の全体はバス１５によって電力供給される。この目的のため、電圧‐電圧変換器１８がモジュール内に設けられた状態で主コンポーネントに接続される。この変換器は、好ましい実施形態では、上述の問題を回避するためにガルバニック絶縁装置を更に有する。
【００３０】
図２に示されているモジュールは、一例が図３に示された装置内に用いられるようになっている。
【００３１】
この装置は、４つのモジュール１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを有する。モジュールの各々は、バス１５に接続され、このバスは、これらモジュールをコントローラ２０に接続している。モジュールの数は、この場合、一例として与えられているに過ぎず、これは限定的ではない。８入力型変換器が用いられる場合としての４モジュール装置は、３２の電圧の測定が可能である。したがって、この４モジュール型装置は、セルの電圧が２つのセルの群１つ当たりについて測定される場合としての６４個のセルを含む燃料電池に使用できる。他のモジュールの各々は、これを識別することができるようにするアドレス２１を有する。例えば、このアドレスは、３つの状態を備えた３つのビットでコード化され、このアドレスは、ビットの各々を表す電気的リンクを作るためのはんだ箇所の使用によって各モジュール上に物理的にレジスタされる。
【００３２】
コントローラ２０は、測定装置の作動を管理し、特に、測定を命令するコンポーネントである。具体的に言えば、電圧測定は、常時コントローラに送られるわけではなく、リクエスト時にのみ送られる。
【００３３】
リクエストがなければ、モジュールには、バス１５から対応のリンク２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを経てホールド電流のみが流れ、ホールド電流は、これらモジュールがリクエストを受けることができるようにすると共に、モジュールが関連しているか否かを判定することができるようにする。他方、リクエストがなければ、変換器１１は作動されず、変換は行われない。
【００３４】
測定が必要な場合、コントローラ２０は、先ず、リクエストをバス上に送り、これには、モジュールのアドレス、及び電圧を受け取りたいセルの位置が含まれる。アドレス指定されたモジュールは、リクエストを受け取ると、その待機状態を出て、バス１５からより大きな電流を引き込む。
【００３５】
次に、コントローラは、先に変換されて変換器１１に記憶されている値の読み取りを行い、次に後のリクエスト中に用いられる新たな変換をトリガする。次に、読み取った値は、リンク２３ａ〜２３ｄのうちの対応のリンク経由でバス１５上に送られ、次にコントローラ２０に伝達される。
【００３６】
かくして、燃料電池のコントローラ２０は、受け取った測定値に応じて、電圧がロックされておらず、電圧が従来の作動の範囲外には位置していないことを判定することができる。不具合が検出された場合、燃料電池を作動停止させて有害な誤動作の発生を阻止することが有用である。
【００３７】
したがって、本発明の装置は、単純性及び信頼性の所要の需要に良好に応える。具体的に言えば、バス１５は、データの通信とモジュールへの電力供給の両方に役立ち、それにより燃料電池の誤動作が生じた場合であっても測定を続行することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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