(57)【要約】【課題】情報量を少くし、その構成を単純にし、外形を小さくでき、かつ価格を下げることができる燃料電池のモニタリング装置を提供する。【解決手段】複数の単位電池が直列連結されて構成された燃料電池において、前記単位電池の電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器から出力された単位電池の電圧を、例えば基準電圧発生器から発生された基準電圧と照合して０（ゼロ）あるいは１のデジタル信号を出力する比較器と、比較器からのデジタル信号により前記単位電池のそれぞれの電圧出力を確認する演算装置を含んで構成される。【選択図】　　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池が直列連結されて構成された燃料電池において、前記単位電池の電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器から出力された単位電池の電圧を、基準電圧と照合して０（ゼロ）あるいは１のデジタル信号を出力する比較器と、比較器からのデジタル信号により前記単位電池のそれぞれが正常に作動しているかを確認する演算装置を含んで構成されたことを特徴とする燃料電池のモニタリング装置。
【請求項２】
前記基準電圧は、基準電圧発生器から発生されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のモニタリング装置、より詳しくは、燃料電池を構成する単位電池の電圧に基づいて燃料電池の状態をモニタリングする燃料電池のモニタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池または２次電池の単位電池の作動電圧は非常に低いことから、自動車の動力源として使用するには、単位電池を数十個から数百個直列に連結して使用している。燃料電池で複数の単位電池を直列連結して構成された単位体をスタック、２次電池の場合にはモジュ−ルまたはパックといっている（以下、「電池の構成体」という）。
【０００３】
単位電池は、製造過程中のばらつき、構成体内における温度、圧力などの変動によって電池の構成体内における作動状態はそれぞれ異なっていることが多い。かかる電池の構成体で、例え１つの単位電池でも正常に作動していないと、多数個が直列連結された電池の構成体では全体が正常に作動しなくなってしまうので、それぞれの単位電池が正常に作動しているかどうかを判断することは重要な要素となる。単位電池の作動を確認するのに、単位電池毎に出力電圧をモニターするのは実際的ではなく、通常は一定個数の単位電池を束ねたブロックに区分し、各ブロックの出力電圧、温度などをモニターして電池の正常作動かどうかを判断するようにしている〔特開平５−１３５７９２号公報〕。
【０００４】
モニタリング装置は、単位電池それぞれのアナログ態様の電圧信号をデジタル信号に変換し、これをあらかじめ入力された正常状態の値と照合して正常作動かどうかを判断することになる。
【０００５】
従来の燃料電池のモニタリング装置の構成図の例を図１、２に示した。図１のモニタリング装置１では、燃料電池２を構成する単位電池１０−１〜１０−Ｎのそれぞれから出力されるアナログ電圧信号を、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換機２０−１〜２０−Ｎによってデジタル信号に変換して演算装置４０に出力し、演算装置（４０）は、このデジタル信号を予め入力されたプログラムに従って処理してそれぞれの単位電池が正常に作動しているかどうかを確認する。
【０００６】
この際、単位電池１０−１〜１０−Ｎそれぞれの電圧は、絶え間なく変化しているので、できる限り早く処理されることが要求される。データの処理速度は、処理されるデータの量、精度、サンプリングの周期、システムの構成方法などにより変るので、単位電池全体を処理できる早さもこれらの要素により決定される。とりわけ２次電池では充放電を繰返していることから、充電および放電のそれぞれの状況において電池の動きを適確にモニターして相応する措置を取る必要があり、電池の構成体の寿命にも連がる極めて重要な問題である。このように、モニタリング装置では、その構成とデータ処理方法は複雑であり、かつその量も多い。
【０００７】
信号処理の同時性を確保するには、図１のごとく、単位電池１０−１〜１０−Ｎの数だけＡ／Ｄ変換機２０−１〜２０−Ｎを取付けて、データサンプリング周期に応じて単位電池１０−１〜１０−Ｎ全ての電圧を同時に変換しなくてはならない。従って、数十〜数百個に及ぶＡ／Ｄ変換機２０−１〜２０−Ｎが必要となり、モニタリング装置１の大きさが増し、価格も高くなるという問題点があった。
【０００８】
Ａ／Ｄ変換機２０の数を減らすには、図２に示すように、リレー３０を使用して１つの変換機２０が多数の単位電池１０−１〜１０−Ｎの信号を処理せしめる方法がある。その場合、大きさを小さくして、価格も下げることができるが、情報の同時処理ができなくなる問題がある。
【０００９】
デジタルに変換された単位電池（１０−１〜１０−Ｎ）それぞれの情報は、演算装置（４０）に送られ、予め入力されたプログラムに従って処理されて単位電池（１０−１〜１０−Ｎ）それぞれの状態が確認されるが、単位電池（１０−１〜１０−Ｎ）の電圧が数値によって取扱われることから処理すべき情報量が多くなる。処理すべき情報量が多くなると、演算装置（４０）の処理速度およびそれぞれの構成品の間の通信速度に迅速性が要求され、さらには、情報を貯蔵すべき大きいメモリが求められ、このことは、とりもなおさずモニタリング装置の価格が高くなる要因にもなっていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、情報量を少くし、その構成を単純にし、外形を小さくでき、かつ価格を下げることができる燃料電池のモニタリング装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、請求項１に係る発明は燃料電池のモニタリング装置であり、複数の単位電池が直列連結されて構成された燃料電池において、前記単位電池の電圧を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器から出力された単位電池の電圧を、基準電圧と照合して０（ゼロ）あるいは１のデジタル信号を出力する比較器と、比較器からのデジタル信号により前記単位電池のそれぞれの電圧出力を確認する演算装置を含んで構成されている。
【００１２】
請求項２に係る発明は請求項１記載の燃料電池のモニタリング装置であり、前記基準電圧は、基準電圧発生器から発生されるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従う一実施例について添付図に沿つて詳述する。
図３は、１つの単位電池の運転特性を示す電流−電圧曲線を示している。与えられた運転条件で燃料電池から一定の出力を得るとき、その電圧と電流の関係は、単位電池毎にいくらかのばらつきはあるものの、大方、同じ傾向をもっている。そこで単位電池が正常に作動するときの基準性能を予め情報化しておいて、モニタリング装置内で情報処理をする時の基準とすることができる。
【００１４】
図３に示すように単位電池の運転領域は、通常、０．４Ｖ〜開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ、燃料電池の場合通常１．０Ｖ内外）であり、その領域を外れると、単位電池は正常に作動しない。つまり、燃料電池の単位電池が非正常に作動する場合には電圧が不規則に振れるのが通常であり、正常運転領域の電圧を外れるようになる。
【００１５】
さらに、燃料電池の単位電池は、エネルギーを貯蔵する２次電池とは異なり、エネルギ−変換装置の燃料電池は充電を行う必要がないことから、単位電池の運転安全領域を与えてその範囲内で単位電池の電圧が保たれているかについてモニタリングを行えばよい。よって、この発明では、Ａ／Ｄ変換機を取付けずに、２つの電圧（つまり、基準電圧と単位電池の電圧）を回路上で直接照合することによって、燃料電池の動作状態をモニタリングすることになる。
【００１６】
図４は、この発明に従う燃料電池のモニタリング装置の概略回路図である。燃料電池のモニタリング装置１は、燃料電池２を構成する単位電池１０−１〜１０−Ｎそれぞれの両端に連結された差動増幅器５０−１〜５０−Ｎがあり、それぞれの電圧を出力する。差動増幅器５０−１〜５０−Ｎから出力された単位電池それぞれの電圧は、比較器７０−１〜７０−Ｎにおいて、基準電圧発生器６０が発生する基準電圧と照合して、０（ゼロ）あるいは１のデジタル信号として出力する。次いで、演算装置８０で、比較器７０−１〜７０−Ｎから出力された０または１のデジタル信号を受けて、予め入力されたプログラムに応じて処理して、単位電池それぞれが正常に作動しているかの確認を行う。
【００１７】
基準電圧を発生させる方法は、上記のように基準電圧発生器６０を用いてもよいが、この方法以外に電池システムの全体電圧を単位電池またはスタックの数で割った平均電圧を基準電圧とすることもできる。デジタル信号の１または０を決定する方法は、単位電池の電圧が基準電圧以上であれば１とし、基準電圧以下であれば０に処理されるようにする、あるいはこれとは反対に処理するように回路を構成すればよい。
【００１８】
かように構成されたこの発明では、燃料電池を構成する単位電池の電圧が正常かどうかを判定するのに、単に１または０にビット化することによって行う。すなわち、それぞれの情報処理に必要な情報量は１ビットにすぎないことになる。さらに、単位電池が異常かどうかの信号を並列で同時に処理することによって、演算装置８０内ではその信号自体が非正常の単位電池の住所となりうる。つまり、どの単位電池で異常が発生したかも知ることができる。
【００１９】
モニタリングの対象となる数だけ構成されたそれぞれの比較回路は、オペレーショナルアンプ（ＯＰアンプ）を使用して簡略に構成されるばかりか、集積回路で実施することも容易であるので、本発明によれば情報処理速度を高めることができ、モニタリング装備を単純化することもできる。
【００２０】
【発明の効果】
この発明に従えば、従来の装置にあったＡ／Ｄ変換機、各種のリレ−などの電子部品をなくし、ＯＰアンプを利用してモニタリング回路を簡単にすることができる。モニタリング装置を単純化することにより、装置の製作工程が単純になるばかりか、信号処理の単純化によって処理すべき情報量は少なくなるため、エンジンの制御プログラムも簡単にすることができる。
【００２１】
本発明のモニタリング装置は、用いる各種の電子部品を大幅に削減し、かつ集積回路化して造れることから、外形を小さくすることができ、ハウジングも小さくなり、それだけ重さも減少させることができる。車両のレイアウトの面からは、モニタリング装備の小型化によって装置の占める容積が小さくなり、その分安全および利便性のための空間として活用することができる。
【００２２】
燃料電池のモニタリング装置は、環境対策として注目されている燃料電池自動車に適用される核心部品であり、既存装置に比べて生産費用を低くすることができることは、燃料電池自動車の実用化を早めることに大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料電池のモニタリング装置の構成図である。
【図２】従来の燃料電池のモニタリング装置で、図１とは異なる例を示す構成図である。
【図３】燃料電池の運転特性を示すグラフである。
【図４】本発明の燃料電池のモニタリング装置の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１　：　モニタリング装置
２　：　電池の構成体
１０−１〜１０−Ｎ　：　単位電池
５０−１〜５０−Ｎ　：　差動増幅器
６０　：　基準電圧発生器
７０−１〜７０−Ｎ　：　比較器
８０　：　演算装置
【図１】
2004031209.tif 000003
【図２】
2004031209.tif 000004
【図３】
2004031209.tif 000005
【図４】
2004031209.tif 000006