(57)【要約】      （修正有）【課題】セルの状態情報を検知する内部回路と、この内部回路に指令信号を出すとともに内部回路からセルの状態情報を受け取る外部回路との間の外部伝送手段が簡略化された燃料電池状態監視システムを提供する。【解決手段】燃料電池のスタック１４を構成する複数のセルの状態（例えば電源電圧）を監視する状態監視システムは、スタックの積層厚さに対応する長さを持つ基板２０と、基板に立設されセルの状態を検知する複数の端子と、基板に搭載され端子から受け取ったセルの状態情報を所定時期に出力する複数の内部回路と、入力端側の内部回路から出力端側の内部回路に直列的にセルの状態情報を伝送する内部伝送手段３５，３６と、一つの外部回路４０と、外部回路の指令信号を入力端側の内部回路に伝送する外部第１伝送手段３７、４２及び出力端側の内部回路から全てのセルの状態情報を外部回路に伝送する外部第２伝送手段３８，４３と、から成る。【選択図】図４
2005141936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する燃料電池の状態監視システムであって、
前記スタックの積層厚さに対応する長さを持つ基板と、
前記基板に立設され前記セルの状態を検知する複数の端子と、
前記基板に搭載され前記端子から受け取った前記セルの状態情報を所定時期に出力する複数の内部回路ユニットと、
入力端側の前記内部回路ユニットから出力端側の前記内部回路ユニットに直列的に前記セルの状態情報を伝送する内部伝送手段と、
一つの外部回路と、
前記外部回路の指令信号を入力端側の前記内部回路ユニットに伝送する外部第１伝送手段、及び出力端側の前記内部回路ユニットから全ての前記セルの状態情報を該外部回路に伝送する外部第２伝送手段と、
から成ることを特徴とする燃料電池の状態監視システム。
【請求項２】
前記セルと同数の前記端子が設けられ、複数の前記セルでモジュールが構成され、該モジュールと同数設けられた前記内部回路ユニットは該各端子から状態情報を受け取る請求項１に記載の燃料電池の状態監視システム。
【請求項３】
前記セルの状態情報は該各セルの電源電圧であり、更に該セルの温度、圧力、電流，磁界、水分量又は固体識別番号を含む請求項１に記載の燃料電池の状態監視システム。
【請求項４】
前記各内部回路ユニットは、該内部回路ユニットで検知した前記のセルの状態情報に、該内部回路ユニットよりも入力端側にある前記内部回路ユニットで検知した前記セルの状態情報を加えて出力する請求項１に記載の燃料電池の状態監視システム。
【請求項５】
前記各内部回路ユニットは前記セルの状態情報を時間をずらせて出力する請求項４に記載の燃料電池の状態監視システム。
【請求項６】
前記外部第１伝送手段は、前記外部回路から延びた第１光ファイバと該第１光ファイバと入力端側の前記内部回路ユニットとの間に配置された電気−光変換素子とを含み、前記外部第２伝送手段は前記外部回路へ延びた第２光ファイバと該第２光ファイバと出力端側の前記内部回路ユニットとの間に配置された光−電気変換素子とを含む、請求項１に記載の燃料電池の状態監視システム。
【請求項７】
前記外部第１伝送手段は前記外部回路と入力端側の前記内部回路ユニットとの間に配置された第１電線を含み、前記外部第２伝送手段は出力端側の前記内部回路ユニットと前記外部回路との間に配置された第２電線を含む、請求項１に記載の燃料電池の状態監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する、燃料電池の状態監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は無公害、高効率等の特徴を持つことから各種装置、機器の電源として注目されている。しかし、個々のセルの電圧は比較的低いので、通常複数のセルを直列接続したスタックとして使用される。スタックで所定の電圧が得られない場合、何れかのセルに故障（電圧が所定値よりも低い）が発生していると考えられる。故障したセルを見つけるために種々の監視（モニタ）技術が開発されている。
【０００３】
例えば従来の電圧監視装置（特許文献１参照）は、図７及び図８に示すように、スタック１００の複数のセルの端子に接続され互いに並列接続された複数のＡ／Ｄ変換器１０４を備え検知されたセルの電圧を設定値と比較して制御信号を出力する複数の補助演算器１０３と、複数の補助演算器に接続された一つの主演算器１１０とから成る。負荷１０７に直列に接続された各補助演算器１０３は上記Ａ／Ｄ変換器１０４の他、マルチプレクサ１０５やＣＰＵ１０６を含む。
【特許文献１】特開平１１−３４５６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の電圧監視装置では、複数の補助演算器１０３のそれぞれと主演算器１１０とが各配線１０８により接続されている。つまり、補助演算器１０３の個数と同じ本数の配線１０８が使用されている。その結果、配線１０８の本数が増え部品コストが上昇するのみならず、接続作業が繁雑で組立てコストが上昇する。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、セルの状態情報を検知する内部回路ユニットと、この内部回路ユニットに指令信号を出すとともに内部回路ユニットからセルの状態情報を受け取る外部回路との間の外部伝送手段が簡略化された燃料電池の状態監視システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、セルの状態情報を検知する端子及びこの端子から状態情報を受け取る内部回路ユニットを一つの基板上に設けたことを基本的な技術思想とする。本発明による燃料電池の状態監視システムは、請求項１に記載したように、互いに直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する燃料電池の状態監視システムであって、
スタックの積層厚さに対応する長さを持つ基板と；基板に立設されセルの状態を検知する複数の端子と；基板に搭載され端子から受け取ったセルの状態情報を所定時期に出力する複数の内部回路ユニットと；入力端側の内部回路ユニットから出力端側の内部回路ユニットに直列的に前記セルの状態情報を伝送する内部伝送手段と；一つの外部回路と；外部回路の指令信号を入力端側の内部回路ユニットに伝送する外部第１伝送手段、及び出力端側の内部回路ユニットから全てのセルの状態情報を外部回路に伝送する外部第２伝送手段と；から成ることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池の状態監視システムにおいて、セルの状態情報は一つの基板に立設された複数の端子を通して取得され、内部回路ユニット間で内部伝送手段を介して伝送される。その後、外部第２伝送手段を介して外部回路に伝送される。
【０００８】
なお、本願の出願人は先に内部回路ユニット（補助回路）と外部回路（主回路）との間の信号伝送手段が簡素化された、燃料電池スタック用電池状態モニタ装置を出願した（特開２００３−２４３０１５号）。但し、この電池状態モニタ装置ではセルの枚数と同数の基板を設けており、セルへの基板の取付けや、基板への内部回路ユニットの搭載等が容易とは言い難い面があった。
【０００９】
請求項２の燃料電池の状態監視システムは、請求項１において、セルと同数の端子が設けられ、複数のセルでモジュールが構成され、モジュールと同数設けられた内部回路ユニットは各端子から状態情報を受け取る。請求項３の燃料電池の状態監視システムは、請求項１において、セルの状態情報は各セルの電源電圧であり、更にセルの温度、圧力、電流，磁界、水分量又は固体識別番号に関する情報を含む。
【００１０】
請求項４の燃料電池の状態監視システムは、請求項１において、各内部回路ユニットは、内部回路ユニットで検知したのセルの状態情報に、内部回路ユニットよりも入力側にある内部回路ユニットで検知したセルの状態情報を加えて出力する。請求項５の燃料電池の状態監視システムは、請求項４において、各内部回路ユニットはセルの状態情報を時間をずらせて出力する。
【００１１】
請求項６の燃料電池の状態監視システムは請求項１において、外部第１伝送手段は、外部回路から延びた第１光ファイバと、第１光ファイバと入力端側の内部回路ユニットとの間に配置された電気−光変換素子とを含み、 外部第２伝送手段は外部回路へ延びた第２光ファイバと、第２光ファイバと出力端側の内部回路ユニットとの間に配置された光−電気変換素子とを含む。請求項７の燃料電池の状態監視システムは請求項１において、外部第１伝送手段は外部回路と入力端側の内部回路ユニットとの間に配置された第１電線を含み、外部第２伝送手段は出力端側の内部回路ユニットと外部回路との間に配置された第２電線を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる燃料電池の状態監視システムによれば、入力端側の内部回路ユニット及び出力端側の内部回路ユニットと外部回路との間にはそれぞれ電線又は光ファイバ等から成る外部第１伝送手段及び外部第２伝送手段が存在するのみである。よって、複数の内部回路ユニットと一つの外部回路との間で状態情報を授受する外部伝送手段がシンプルにできる。
【００１３】
請求項２の燃料電池の状態監視システムによれば、内部回路ユニットの個数をいたずらに増やすことなく全てのセルの状態情報を検知でき、コストの上昇が抑制できる。請求項３の燃料電池の状態監視システムによれば、セルの電源電圧の他、電源電圧に影響を及ぼす関連情報を検知することができ、これらに基づきセルの用途に対する特性を総合的に判断できる。
請求項４及び請求項５の燃料電池の状態監視システムによれば、比較的簡単な構成で複数のセルの状態情報を検知し、取り出すことができる。請求項６及び７の燃料電池の状態監視システムによれば、複数の内部回路ユニットと一つの外部回路との間で信号を授受する外部第１伝送手段及び外部第２伝送手段の構成が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＜セルの状態情報＞
セルの代表的な状態情報はその電源電圧である。但しこの他にも、電源電圧に影響を及ぼすセルの温度、圧力、電流，磁界、水分量又は固体識別番号に関する情報を含むことができる。
＜基板＞
本発明では帯状の基板が１つ（１本）のみ設けられ、その長さはスタックの積層厚さに対応する。基板の上に端子が立設され、内部回路ユニットや内部伝送手段が搭載されている。このうち、複数の端子は基板の長手方向に所定間隔で立設される。セルと同数の端子を設け一つのセルに一つの端子を接触させても良いし、複数のセルから成る一つのモジュールに一つの端子を接触させても良い。端子はセルへの接触により電圧等の状態を検知する。
【００１５】
内部回路ユニットは内部回路等を含み基板に所定間隔で搭載され、その個数はモジュールの個数と同じにすることが望ましい。検知している端子からセルの状態情報を受け所定時期に出力する。その際、それ自体が検知しているセルの状態情報の他、より入力端側にある内部回路ユニットからの状態情報をも受け取る。アナログ信号である電源電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器や、これを処理するＣＰＵ及びマイコン等を含む。なお、ＣＰＵはセルの異常状態が記憶されたメモリを備えることが望ましい。また、内部回路ユニットはそれ自体が検知しているセルの電力により駆動することができる。
【００１６】
次述する外部伝送手段が光ファイバを含む場合、入力端側の内部回路ユニットは光−電気変換素子（受光ダイオード）を含み、出力端側の内部回路ユニットは電気−光変換素子（発光ダイオード）を含む。外部伝送手段が電線から成る場合、これらの変換素子は不要である。
【００１７】
内部伝送手段は隣接する内部回路ユニット間で直列的に即ち順次状態情報を伝送する。よって、各内部回路ユニットはそれ自体が検知するセルの状態情報の他、このセルよりも入力端側にある全てのセルの状態情報も受け取ることになる。各内部回路その入力側の受光ダイオード及び出力側の発光ダイオードとで構成される。
【００１８】
内部回路ユニット及び内部伝送手段は、内部回路ユニット間において外部回路の指令信号は瞬時に伝送し、状態情報は時間的ずれをもって伝送する。
＜外部回路、外部伝送手段＞
外部回路は指令信号を発し外部第１伝送手段を介して最も入力端側の内部回路ユニットに伝送し、また最も出力端側の内部回路ユニットから外部第２伝送手段を介して全セルの状態情報を受け取る。外部第１伝送手段は外部回路から延びた第１光ファイバと電気−光変換素子（発光ダイオード）とから成り、外部第２伝送手段は外部回路へ延びた第２光ファイバと光−電気変換素子（受光ダイオード）とから成ることができる。光ファイバを使用すれば、特別の電池的絶縁手段を使用することなく、入力側及び出力側の内部回路ユニットと外部回路とを電気的に絶縁した状態で信号を伝送できる。
【００１９】
また、外部第１伝送手段は第１電線から成り、外部第２伝送手段は第２電線から成ることができる。電線を使用すれば外部伝送手段が安価になる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例及びその変形例を添付図面を参照しつつ説明する。
＜実施例＞
（構成）
図１及び図２に燃料電池のスタック１４及び基板２０等を示す。図１はスタック及び電圧監視装置の斜視図であり、図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれスタック及び基板等の正面図及び平面図である。燃料電池の複数の平板状のセル１０のそれぞれはその内部に固体電解質膜を挟んで高電位の正極板と低電位の負極板とが設けられ、その両側に集電体を兼ねるセパレータが設けられている。セパレータとこれらの電極板との間には水素ガスが流れる水素ガス通路と、空気が流れる空気通路とがそれぞれ設けられている。
【００２１】
ここでは、五つのセル１０でモジュール１２が形成され、複数のモジュール１２で燃料電池のスタック１４が構成されている。但し、セル１０自体は公知であるので、これ以上の説明は割愛する。
【００２２】
図１，図３，図４及び図５に電圧監視装置を示す。図３（ａ）モジュール１２の各セル１０と基板上の端子との関係を示す正面説明図、図３（ｂ）は基板の要部平面説明図であり、図４は構成要素の関係を示す回路的説明図であり、図５は図４の要部拡大説明図である。電圧監視装置は帯状の基板２０、基板２０の上に立設された複数の端子２２、基板２０の上に搭載された複数の内部回路ユニット２５、一つの外部回路４０、両端の内部回路ユニット２５Ａ，２５Ｂと外部回路４５との間の一対の光ファイバ４２，４３等を含む。
【００２３】
図１において基板２０は所定幅及びスタック１４の積層厚さとほぼ等しい長さを持つ。図３（ａ）において各端子２２は隣接する燃料電池のモジュール１２のセル１０の爪部１１に接触可能となっている。図４及び図５において、基板２０にモジュール１２に対応して所定ピッチで搭載された内部回路ユニット２５は内部回路２６、スイッチ２７、Ａ／Ｄコンバータ２８、メモリを備えたＣＰＵ２９、マイクロコンピュータ（マイコン）３１、電圧増幅回路３２、電力増幅回路３３、受光ダイオード３５及び受光ダイオード３６を含み、これらが一つのチップで構成されている。
【００２４】
内部回路ユニット２５は外部回路４０から受信した指令信号及び自己が属するモジュール１２を構成するセル１０の電源電圧を、指令信号の受信時点から所定時間後に次の内部回路ユニット２５に転送する機能を持つ。指令信号を受信してからの出力のタイミングは内部回路ユニット２５毎に異なる長さに設定されている。また、図３（ｂ）に示すように、内部回路ユニット２５は端子２２と配線２４で接続され、端子２２を介してセル１０から電源電圧を供給されている。
【００２５】
図４において、ある内部回路ユニット２５の発光ダイオード（電気−光変換素子）３６はこれに隣接する別の内部回路ユニット２５の受光ダイオード（光−電気変換素子）３５と対向し、一方向（図４で上から下方）に光通信可能となっている。対向する発光ダイオード３６及び受光ダイオード３５が内部伝送手段を構成する。複数の内部回路ユニット２５のうち、入力端側（図４で最上方）の内部回路ユニット２５Ａは発光ダイオード３７及び光ファイバ４２を介して外部回路４０に接続され、出力端側（図４で最下方）の内部回路ユニット２５Ｂは受光ダイオード３８及び光ファイバ４３を介して外部回路４０に接続されている。発光ダイオード３７及び光ファイバ４２が外部第１伝送手段を、受光ダイオード３８及び光ファイバ４３が外部第２伝送手段を構成する。
（作用）
入力端側及び出力端側の内部回路ユニット２５Ａ及び２５Ｂが電線４２及び４３で外部回路４０に接続された基板２０をスタック１４に取り付け、基板２０に立設された端子２２をセル１０の爪部１１と接触させる。外部回路４０が光ファイバ４２及び発光ダイオード３７を介して入力側の内部回路ユニット２５Ａに電圧読出しの指令信号を発する。この指令信号は、内部回路ユニット２５Ａの受光ダイオード３５を介して内部回路２６に入力される。なお、指令信号に関するデジタル信号は全ての内部回路ユニット２５にほぼ同時に伝達される。
【００２６】
内部回路ユニット２５Ａのスイッチ２７が順次切り替わり、モジュール１２Ａを構成する５つのセル１０の電源電圧が端子２２により検知される。Ａ／Ｄコンバータ２８はセル１０の電源電圧に関するアナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、ＣＰＵ２９を経てマイコン３１に出力する。即ち、受光ダイオード３５にパルス光が入力されると、電圧増幅回路３２がそれを電圧増幅してマイコン３１に送る。マイコン３１は受光ダイオード３５から受信したデジタル信号と、自己が検知したセル１０の電源電圧に相当するデジタル信号と、電力増幅回路３３及び発光ダイオード３６を通して所定時間後に２番目の内部回路ユニット２５へ出力する。
【００２７】
２番目の内部回路ユニット２５でも上記内部回路ユニット２５Ａと同様にスイッチ２７が順次切り替わり、モジュール１２を構成する５つのセル１０の電源電圧が端子２２により検知される。３番目以降の内部回路ユニット２５についても同様である。
【００２８】
一部上述したように、電源電圧に関するデジタル信号は各内部回路ユニット２５間で所定時間毎に伝達されるので、各内部回路ユニット２５におけるセル１０の電源電圧の検知は時間をずらせて行われる。よって、ある時点では特定の一つの内部回路ユニット２５でのみ電源電圧の検知がなされている。具体的には、各内部回路２６は指令信号の受信時点からの経過時間をカウントし、これが所定時間に達した時点で自己が属するモジュール１２のセル１０の電圧を取得する。各内部回路２６での経過時間が満了した時点で各セル１０の電圧サンプリングが実施され、検知電圧はデジタル信号としてレジスタ（不図示）に保持される。
【００２９】
出力端側の内部回路ユニット２５Ｂの発光ダイオード３６は発光ダイオード３８、光ファイバ４３を介して外部回路４０へ信号を送信する。こうして外部回路４０は最終的に全てのモジュール１２に属するセル１０、即ちスタック１４を構成するすべてのセル１０の電圧を読み込む。
【００３０】
何れかのモジュール１２のセル１０に異常、故障（例えば電圧が低い）が見つかったときは外部回路はコントローラ（不図示）に信号を送り、これに基づき必要な措置を施す。例えば、電圧が低いセル１０に供給する燃料ガスの流量を増加させる等すれば良い。電圧回復の見込みがない場合は、燃料電池のスタック１４で駆動している装置、機器の運転を停止する。
（効果）
この実施例によれば、以下の効果が得られる。第１に、複数の内部回路ユニット２５と一つの外部回路ユニット４０との間の外部伝送手段が簡素化される。図４及び図５から分かるように、入力端側の内部回路ユニット２５Ａ及び出力端側の内部回路ユニット２５Ｂと外部回路４０との間には、一対（２本）の光ファイバ４２，４３と、一組のダイオード３７，３８とが存在するのみである。その結果、製造及び組立てコストが低減できる。
【００３１】
これに関連して、入力側の内部回路ユニット２５Ａと出力端側の内部回路ユニット２５Ｂとの間、換言すれば外部回路４０の出力側と入力側との間に電気的絶縁手段を施すことが不要となる。
【００３２】
第２に、基板２０の製作、スタック１４への取り付けが簡単である。一本の基板２０を準備し、その上の所定位置に複数の内部回路２６、受光ダイオード３５及び発光ダイオード３６等を含む内部回路ユニット２５を搭載するのみで良い。帯状の基板２０はスタック１４への取り付けも容易である。
【００３３】
その他の効果を以下に列挙する。まず、各セル１０の電源電圧の検知が容易である。図１から分かるように、セル１０の電圧の検知時は基板２０をスタック１４の側面に取り付け、複数の端子２２をセル１０の爪部１１に接触させるのみで良い。また、隣接する内部回路ユニット２５間の信号の伝送に発光ダイオード３６と受光ダイオード３５との光通信を利用したので、コンパクトな構造で伝送できる。
【００３４】
更に、内部回路２６はセル１０の電力を電源として利用するので、外部からの電力供給が不要である。なお、各内部回路２６における信号伝送時期は異なるが、すべての内部回路２６はほぼ同時に入力される指令信号に基づき同時期にセル１０の電圧を検知しているので、時間の経過による測定誤差の心配はない。
＜変形例＞
図６に示す上記実施例の変形例は、外部伝送手段の構成が実施例とは異なる。外部回路４０と入力端側の内部回路ユニット２５Ａとの間に電線４７が配設され、出力端側の内部回路ユニット２５Ｂと外部回路４０との間に電線４８が配設されている。なお、外部回路４０と入力端側の内部回路ユニット２５Ａ及び出力端側の内部回路ユニット２５Ｂとの間に電気的絶縁手段が設けられている。この変形例によれば、外部伝送手段が安価に構成できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池のスタック、及び実施例による電圧監視装置を示す斜視図である。
【図２】（ａ）はスタック及び基板の正面図、（ｂ）は同じく平面図である。
【図３】（ａ）はモジュールの各セルと基板上の端子との関係を示す正面説明図、（ｂ）は基板の要部平面説明図である。
【図４】電圧監視装置の構成要素の関係を示す回路的説明図である。
【図５】図４の要部拡大説明図である。
【図６】上記実施例の変形例を示す要部説明図である。
【図７】従来例を示す全体図である。
【図８】従来例の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：セル                            １２：モジュール
１４：スタック                        ２０：基板
２２：端子                            ２５：内部回路ユニット
２６：内部回路                        ３５、３８：受光ダイオード
３６、３７：発光ダイオード            ４０：外部回路
４２，４３：光ファイバ                ４７，４８：電線
【図１】
2005141936.tif 000003
【図２】
2005141936.tif 000004
【図３】
2005141936.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005141936.tif 000007
【図６】
2005141936.tif 000008
【図７】
2005141936.tif 000009
【図８】
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