(57)【要約】【課題】従来に比して安全性、信頼性を向上することができるとともに、小型化の要請にも応えることが可能なセル電圧検査装置を提供する。【解決手段】セル電圧検査装置３０は、燃料電池１のセル２の間に接続されたＶＣＯ３１−ｍと、燃料電池１の中間電位付近で周波数信号を測定するスペクトラムアナライザー３２とを備えている。各ＶＣＯ３１−ｍは、入力される電圧に応じた周波数の信号を発振し、発振した信号（周波数信号）をセル電圧に重畳する。スペクトラムアナライザー３２は、これら周波数信号が重畳されたセル電圧に重畳された周波数信号を測定し、周波数と信号強度の関係を求め、これを制御部４０に出力する。制御部４０は、スペクトラムアナライザー３２から出力される測定結果に基づき、セル異常の発生有無を判定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された燃料電池の発電検査を行うシステムであって、
セル毎または複数セル毎に接続され、接続されたセル間の電位差に応じた周波数信号出力し、セル電圧に重畳する複数の電圧制御発振器と、
前記セル電圧に重畳された周波数信号を測定する測定手段と、
測定結果に基づき、セル電圧に異常が生じたか否かを判定する判定手段と
を具備することを特徴とするセル電圧監視システム。
【請求項２】
前記測定手段は、各周波数での信号強度を測定し、
前記判定手段は、前記信号強度の周波数分布に基づき、セル電圧に異常が生じたか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のセル電圧監視システム。
【請求項３】
さらに、前記判定手段は、前記信号強度の周波数分布に基づき、異常が生じたセルの数を推定することを特徴とする請求項２に記載のセル電圧監視システム。
【請求項４】
前記判定結果を外部に報知する報知手段をさらに具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載のセル電圧監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル電圧を検査するためのセル電圧監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガスなどの供給不足やドライアップやフラッティングの発生に起因して燃料電池の出力電圧が低下する。かかる環境下で燃料電池システムの運転を継続した場合には、燃料電池の劣化が加速されてしまうため、燃料電池を構成する各セルの電圧（セル電圧）を監視し、各セル電圧の測定値に基づいて燃料電池の運転を制御する方法が種々提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
図５に示すＦＣ電圧監視システム１００は、ＦＣスタック本体（燃料電池のスタック本体）１１０がＦＣスタックケース１２０に収容され、各セル１３０−ｋ（ｋ≧２）には電圧測定用端子１４０−ｋが取り付けられている。各電圧測定用端子１４０−ｋは、配線１５０−ｋを介してＦＣスタックケース外に設けられたセルモニタ１６０に接続されている。セルモニタ１６０によって検知されたセル電圧信号はケーブル１７０を介して制御装置１８０に入力され、制御装置１８０は入力されるセル電圧信号に基づき、各セルに異常が生じていないかを監視する。
【特許文献１】特開２００４−１２７９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図５に示すＦＣ電圧監視システム１００においては、電圧測定用端子１４０−ｋとセルモニタ１６０を接続する配線１５０−ｋは、ＦＣスタックケース１２０の外に引き出されているため、ケーブル配策のために煩雑な処理が必要であり、また、断線等の安全性の問題も懸念されていた。さらには、セルモニタ１６０は大型化してしまうため、取り付けスペースに制約を受けることが多く、小型化の要請に応えることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、従来に比して安全性、信頼性を向上することができるとともに、小型化の要請にも応えることが可能なセル電圧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】
上述した問題を解消するため、本発明に係るセル電圧監視システムは、複数のセルが積層された燃料電池の発電検査を行うシステムであって、セル毎または複数セル毎に接続され、接続されたセル間の電位差に応じた周波数信号出力し、セル電圧に重畳する複数の電圧制御発振器と、前記セル電圧に重畳された周波数信号を測定する測定手段と、測定結果に基づき、セル電圧に異常が生じたか否かを判定する判定手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、セル毎または複数セル毎に電圧制御発振器（いわゆるＶＣＯ）を接続し、セル電圧に応じた周波数信号をセル電圧に重畳し、この周波数信号をスペクトラムアナライザーなどの測定手段で測定することにより、セル電圧の異常の発生有無を判定するため、ＶＣＯから測定手段までのケーブルは不要となり、従来に比して安全性、信頼性を向上することができるとともに、小型化の要請にも応えることが可能となる。
【０００８】
ここで、上記構成にあっては、前記測定手段は、各周波数での信号強度を測定し、前記判定手段は、前記信号強度の周波数分布に基づき、セル電圧に異常が生じたか否かを判定する態様が好ましい。
【０００９】
また、上記構成にあっては、前記判定手段は、前記信号強度の周波数分布に基づき、異常が生じたセルの数を推定する態様がさらに好ましい。
【００１０】
さらにまた、上記構成にあっては、前記判定結果を外部に報知する報知手段をさらに具備する態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、従来に比して安全性、信頼性を向上することができるとともに、小型化の要請にも応えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係るＦＣ電圧監視システム（セル電圧監視システム）５００の要部構成を示す図である。なお、本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるＦＣ電圧監視システム５００を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型燃料電池システムにも適用可能である。
【００１４】
＜燃料電池の構成＞
図１に示すように、固体高分子型の燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層したスタック本体３を有している。燃料電池１は、スタック本体３の両端に位置する単セル２の外側に、順次、カバープレート５、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８およびエンドプレート９を積層して構成されている。
【００１５】
燃料電池１は、例えば両エンドプレート９間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１１が各エンドプレート９にボルト１２で固定されることで、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。なお、スタック本体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、プレッシャプレート１３とばね機構１４とが設けられており、セル２にかかる荷重の変動が吸収されるようになっている。
【００１６】
燃料電池１内には、燃料ガスマニホールド２０、酸化ガスマニホールド２０、および冷媒マニホールド２０がセル積層方向に貫通形成されている（実際には、これらは別体であるが同一符号を付して説明を省略している。）。これら各流体流路用のマニホールド２０は、エンドプレート９、絶縁プレート８、ターミナルプレート７、カバープレート５、および各セル２のセパレータをセル積層方向に貫通することで燃料電池１内に形成されている。各流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、燃料電池１の一端にあるエンドプレート９に設けた各流体配管２１から入口側の各マニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成した各流体流路を流れる。そして最終的に、各流体は、出口側の各マニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けた各流体配管２２へと排出される。
【００１７】
＜セルの構成＞
図２は、セル２の断面図である。
セル２は、ＭＥＡ１１と、これを外側から挟持する一対のセパレータ１２とを備えて構成されている。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１５と、電解質膜１５を両面で挟んだ一対の電極１６（アノードおよびカソード）と、で構成されている。セパレータ１２は、ガス不透過の導電性材料で構成されており、カーボンや金属のほか、導電性を有する樹脂で構成されている。セパレータ１２の基材は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル合金などのメタルで板状に形成され、基材の電極１６側の面に耐食性に優れた膜が被覆されている。セパレータ１２の電極１６にガスを供給するためのガス流路溝２１が複数形成されている。本実施形態では、各セル（もしくは数セル毎）のセパレータ１２の間に、後述するＶＣＯ(Voltage Controlled Oscillator)が接続されている。
【００１８】
＜セル電圧検査装置の構成＞
図３は、セル電圧検査装置３０の構成を示す図である。
セル電圧検査装置３０は、燃料電池１のセル２の間（図３では２セル毎のセル間）に接続されたＶＣＯ（電圧制御発振器）３１−ｍ（ｍ≧１）と、燃料電池１の中間電位付近で周波数信号を測定するスペクトラムアナライザー（測定手段）３２とを備えている。各ＶＣＯ３１−ｍは、入力される電圧（図３ではＩＮ１、ＩＮ２間の２セル分の電圧）に応じた周波数の信号を発振し（図３ではＯＵＴ）、発振した信号（周波数信号）をセル電圧に重畳する。このように周波数信号をセル電圧にそのまま重畳するので、ＶＣＯ３１−ｍからスペクトラムアナライザー３２までのケーブルは不要となる。
【００１９】
ここで、ＶＣＯ３１−ｍからセル電圧に重畳される周波数信号について具体的に説明すると、例えばＶＣＯ３１−１〜ＶＣＯ３１−３の入力電圧がそれぞれ１．２Ｖ、１．０Ｖ、１．２Ｖの場合（図３参照）、ＶＣＯ３１−１〜ＶＣＯ３１−３からは各入力電圧に応じた周波数１２ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、１２ＭＨｚの信号が発振され、これら周波数信号が対応するセル電圧に重畳される。
【００２０】
スペクトラムアナライザー３２は、これら周波数信号が重畳されたセル電圧に重畳された周波数信号を測定し、図４に示すような周波数と信号強度の関係を求める。ここで、全てのセル２が正常であり、セル電圧が一定範囲に収まる場合（例えば０．６Ｖ付近）には、信号強度の分布のピークは１つになる（図４Ａに示す周波数ｆ１参照）。これに対し、一部のセル２に異常等が生じ、セル電圧が一定範囲から外れる場合（例えば０．４Ｖ付近）には、信号強度の分布のピークが複数あらわれる（図４Ｂに示す周波数ｆ２参照）。
【００２１】
制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、ＦＣ電圧監視システム５００の各部を中枢的に制御する。また、制御部（判定手段）４０は、スペクトラムアナライザー３２から出力される測定結果に基づき、セル異常の発生有無を判定する。具体的には、制御部４０は、スペクトラムアナライザー３２から測定結果を受け取ると、測定結果に示される信号強度のピークの数、ピークが現れる周波数、信号強度からセル電圧の異常の有無を判定する。
【００２２】
さらに、制御部４０は、セル電圧に異常が生じていると判定した場合には異常が生じているセルの数を推定する。詳述すると、制御部４０は、例えば一定範囲から外れているセル電圧（０．４Ｖなど）につき、信号強度のピークが認められると、このピークの強さ（以下、異常値ピーク強度）を把握する。制御部４０は、異常値ピーク強度と予め設定されているピーク強度閾値との差分を求め、差分の大きさから異常が生じているセルの数を推定する。なお、ピーク強度閾値は予め実験などによって求め、製造出荷時などに制御部４０に設定しておけば良い。また、制御部４０に設定されているピーク強度閾値は固定値としても良いが、燃料電池１の温度などに応じて適宜設定・変更可能な構成としても良い。
【００２３】
制御部４０は、上記判定によりいずれかのセル２に異常が生じていると判定すると、この異常を外部に報知すべく、ＦＣスタックケース（図示略）の外に設けられた警報ランプ（報知手段）５１を点滅したり、表示装置（報知手段）５２やスピーカ（報知手段）５３などから異常が生じた旨のメッセージを出力したりすることで、対応セルに異常が生じたことを外部に報知する。もちろん、図４に示すようなスペクトラムアナライザー３２の測定結果を表示装置５２に表示するなどして外部に報知しても良い。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、セルのセパレータ間にＶＣＯを接続し、セル電圧に応じた周波数信号をセル電圧に重畳し、この周波数信号をスペクトラムアナライザーで測定することにより、セル電圧の異常の発生有無を判定するため、ＶＣＯからスペクトラムアナライザーまでのケーブルは不要となり、従来に比して安全性、信頼性を向上することができるとともに、小型化の要請にも応えることが可能となる。
【００２５】
なお、上述した実施形態では、燃料電池１の中間電位付近で周波数信号を測定したが、最高電位や最低電位付近等で周波数信号を測定しても良いのはもちろんである。
【００２６】
また、上述した本実施形態では、ＦＣ電圧監視システム５００が燃料電池自動車に搭載され、上記セル電圧の異常の発生有無の判定結果が車両制御に利用される場合について説明したが、燃料電池の評価を行う評価設備（サービスセンタなど）にＦＣ電圧監視システム５００を設け、燃料電池システムに搭載された燃料電池のセル電圧の異常の発生有無を判定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係るＦＣ電圧監視システムの要部構成を示す図である。
【図２】セルの断面構成を示す図である。
【図３】セル電圧検査装置の構成を示す図である。
【図４Ａ】スペクトラムアナライザーの測定結果を例示した図である。
【図４Ｂ】スペクトラムアナライザーの測定結果を例示した図である。
【図５】従来のＦＣ電圧監視システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
５００・・・ＦＣ電圧監視システム、３０・・・セル電圧検査装置、３１・・・ＶＣＯ、３２・・・スペクトラムアナライザー、４０・・・制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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