電圧監視システム
【課題】燃料電池の電圧監視システムにおいて、簡単な構成によって構成部材の温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制する。
【解決手段】複数の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに対して設けられ、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧を、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から個別に取り出して出力する電圧伝達回路３０と、電圧伝達回路３０が出力する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧を集合して、出力された電圧のうちの最小値を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して検出する最小値検出回路５０と、最小値検出回路５０の検出結果を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して出力する出力回路７０とを備える。
【解決手段】複数の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに対して設けられ、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧を、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から個別に取り出して出力する電圧伝達回路３０と、電圧伝達回路３０が出力する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧を集合して、出力された電圧のうちの最小値を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して検出する最小値検出回路５０と、最小値検出回路５０の検出結果を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して出力する出力回路７０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、単セルでは実際の出力が１Ｖにも満たないため、一般的には、複数の単セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成し、全体として必要な高電圧を確保する。かかる燃料電池スタックでは、単セル１つにでも異常が発生すると、スタック全体に対して出力制限を行うか、運転を停止する必要がある。こうしたことから、燃料電池スタックの制御を好適に行うために、燃料電池スタックを構成する単セルの電圧を監視する電圧監視システムが提案されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
こうした電圧監視システムでは、構成部材の温度依存性に起因して、検出する電圧値が環境温度の影響を受け、検出精度が悪化することがある。そのため、温度センサを設けて、検出温度に応じた温度補償を行う技術が提案されている。例えば、下記特許文献３では、温度センサによる検出温度に応じて、電界効果トランジスタのオン抵抗の温度補償を行っている。しかしながら、温度センサを用いる方法では、温度センサの設置はもとより、検出温度に応じた温度補償演算が必要となり、装置の複雑化、高コスト化を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３２０１号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４３号公報
【特許文献３】特開２００２−１５１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電圧監視システムにおいて、簡単な構成によって構成部材の温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が出力する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を、前記第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する出力手段と
を備えた電圧監視システム。
【０００８】
かかる構成の電圧監視システムは、燃料電池の各々の電圧を個別に取り出して集合し、それらの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出し、第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する。ここで、第１のダイオード及び第２のダイオードでは、順電圧の分だけ電圧降下が生じる。この順電圧は、温度が高くなるほど小さくなる温度依存性を有しているが、第１のダイオードと第２のダイオードとは反対方向に設けられ、第１のダイオードと第２のダイオードとでは順電圧が逆向きに生じるので、温度依存性に起因する順電圧の変動の少なくとも一部を、第１のダイオードと第２のダイオードとの間で相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することができる。しかも、検出手段が備える第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して検出結果を出力するだけであるから、構成が簡単である。
【０００９】
［適用例２］前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、順電圧の温度依存特性が略等しい適用例１記載の電圧監視システム。
【００１０】
かかる構成の電圧監視システムは、順電圧の温度依存特性が、第１のダイオードと第２のダイオードとで略等しいので、温度依存性に起因する順電圧の変動を、第１のダイオードと第２のダイオードとの間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性を、システム全体として、ほぼ解消することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００１１】
［適用例３］前記出力手段は、前記検出手段と前記第２のダイオードとの間に介装され、該検出手段の出力段側から該検出手段への影響を抑制するバッファ回路を備えた適用例１または適用例２記載の電圧監視システム。
【００１２】
かかる構成の電圧監視システムは、検出手段と第２のダイオードとの間にバッファ回路が介装されるので、検出手段の出力段側から検出手段への影響を抑制することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００１３】
［適用例４］適用例３記載の電圧監視システムであって、前記出力手段は、前記バッファ回路と前記第２のダイオードとの間に介装され、該バッファ回路を介して、前記検出結果を入力するトランスと、前記トランスの入力側の巻線に接続され、前記検出結果を交流電圧として該トランスに出力させるスイッチ回路とを備えた電圧監視システム。
【００１４】
かかる構成の電圧監視システムは、スイッチ回路をＯＮ／ＯＦＦすることで、検出結果を、トランスを介して、交流電圧として第２のダイオードに出力することができるので、高圧の燃料電池側と絶縁した状態で、検出結果を低圧側に出力できるので、安全性を高めることができる。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、前記検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられた前記第１のダイオードと、該第１のダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた電圧監視システム。
【００１６】
かかる構成の電圧監視システムは、検出手段が差動アンプとダイオードとコンデンサとで構成されるので、電圧監視システムの構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例としての電圧監視システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】第２実施例としての電圧監視システム１２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】第３実施例としての電圧伝達回路２３０の概略構成を示す説明図である。
【図４】第４実施例としての電圧監視システム３２０の概略構成を示す説明図である。
【図５】第５実施例としての電圧監視システム４２０の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例：
本発明の実施例としての電圧監視システム２０の概略構成を図１に示す。電圧監視システム２０は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧を監視するシステムである。ここでの燃料電池とは、発電の最小単位である、いわゆる単セルである。本実施例における燃料電池は、固体高分子形の燃料電池であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される（図示せず）。燃料電池スタックＦＣは、積層方向の両端に配置したターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されると共に、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水の給排システムが接続されている（図示せず）。燃料電池スタックＦＣの定格出力は、本実施例では３００Ｖである。ただし、定格出力は、適宜設定すればよく、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の数は、２つ以上であればよい。
【００１９】
電圧監視システム２０は、図１に示すように、電圧伝達回路３０と最小値検出回路５０と出力回路７０とを備えている。電圧伝達回路３０は、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに接続される同一の回路で構成される。電圧伝達回路３０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から見ると、オペアンプ３１〜３４の両入力端子に接続されている。オペアンプ３１〜３４は、差動増幅器であり、両入力端子に接続された燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧を、予め定めたゲインで増幅した電圧（ここではゲインを１としたので、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧そのもの）を実電位とは絶縁して出力する。
【００２０】
燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４は、積層され、電気的には直列接続されているから、グランドレベルに対して、各燃料電池のカソードの電圧は、その燃料電池までに積層された燃料電池の数に対応した電位までかさ上げされている。オペアンプ３１〜３４として差動増幅器を用いていることにより、各オペアンプ３１〜３４の出力電圧はいずれも、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧をグランドレベルに対して表した値となっている。本実施例においては、オペアンプ３１〜３４の電源として、燃料電池スタックＦＣとは独立して設けられた電源３６を用いる構成としている。
【００２１】
最小値検出回路５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧のうちの最小値を検出する回路であり、図１に示すように、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とコンデンサＣ５６と電源５７と抵抗Ｒ５８とを備えている。上述した各オペアンプ３１〜３４の出力は全て、逆方向のダイオードＤ５１〜Ｄ５４に接続されている。このため、各オペアンプ３１〜３４の出力は、いわゆるワイヤードオア接続となっている。つまり、各オペアンプ３１〜３４の出力は、他のオペアンプ３１〜３４の出力に対しては何ら影響を与えない。ワイヤードオア接続されたオペアンプ３１〜３４の出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ５６が接続されており、更に、プルアップ抵抗器Ｒ５８を介して所定の正の電源５７が接続されている。この電圧は、オペアンプ３１〜３４の想定される出力に対して十分に大きな値で設定されている。
【００２２】
かかる最小値検出回路５０の最小値検出動作について説明する。最小値検出動作とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧のうちの最小値を検出する動作である。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）オペアンプ３１〜３４が動作しておらず、各オペアンプ３１〜３４の出力がハイインピーダンス状態となっていれば、オペアンプ３１〜３４の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサＣ５６は充電された状態となり、端子ＴＥ１の電圧は、プルアップ抵抗器Ｒ５８を介して接続された正の電源５７の電圧と等しくなる。
【００２３】
（２）次に、所定のタイミングでオペアンプ３１〜３４を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ３１〜３４で検出し、出力させると、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧Ｖｍｉｎ１となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ１と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４（電圧Ｖｍｉｎ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００２４】
（３）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に低下し、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ２（Ｖｍｉｎ１＞Ｖｍｉｎ２）となると、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧よりも低い電圧を出力したオペアンプ３１〜３４にダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００２５】
（４）逆に、それまで最小の電圧であった燃料電池の電圧が高くなり、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ３（Ｖｍｉｎ１＜Ｖｍｉｎ３）となると、オペアンプ３１〜３４は、端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。したがって、電源５７によって、コンデンサＣ５６が徐々に充電される。この充電は、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３になるまで継続される。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３を超えると、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。
【００２６】
実際には、上述した（２）〜（４）のいずれの場合でも、ダイオードには順電圧Ｖｆ（Forword Voltage）が存在するから（シリコンダイオードの場合、通常０．７ボルト程度）、端子ＴＥ１の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力電圧の最小値より、この順電圧Ｖｆ分だけ高くなるが、各ダイオードの順電圧Ｖｆは、既知のものなので、端子ＴＥ１の電圧を検出することにより、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を検出することは容易である。このようにして、コンデンサＣ５６には、オペアンプ３１〜３４の最小出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧に対応する電圧がホールドされる。
【００２７】
上述した順電圧Ｖｆには、温度依存性がある。環境温度が１℃上昇すると、順電圧Ｖｆは、例えば、２．０ｍＶ低下する。この場合、環境温度が０℃〜５０℃まで変化し得るとすると、その際の順電圧Ｖｆの変動幅は、０．１Ｖ（＝２．０ｍＶ/℃×５０℃）にもなる。このようなことから、本実施例では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４には、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しいものを用いている。ここで、温度依存特性が略等しいとは、個体間のばらつきを許容する意味であり、設計上、温度依存特性が等しいとして扱われるものであれば、これに該当する。例えば、環境温度の変化に応じた個体間の順電圧Ｖｆの変動のばらつきが１０％以内であれば、温度依存特性が略等しいということができる。このように温度依存特性が等しいダイオードは、電圧監視システム２０の製造時に、各々のダイオードの温度依存特性の測定を行い、変動幅が所定の範囲に収まるものを選定すればよい。あるいは、同一の半導体ロットから製造されたダイオードを選定してもよい。こうすれば、同一の半導体ロットから製造されたダイオードは、特性が近似するので、変動幅が所定の範囲に収まる可能性が高く、測定を省略したり、測定するダイオードの数を減らすことができ、製造工程を簡略化できる。
【００２８】
このようにして最小値検出回路５０のコンデンサＣ５６でホールドされた最小値は、出力回路７０に出力される。出力回路７０は、図１に示すように、バッファ回路７１とダイオードＤ７２とを備えている。出力回路７０は、最小値検出回路５０から見ると、最小値検出回路５０の出力に対して、バッファ回路７１と、ダイオードＤ７２とが、バッファ回路７１、ダイオードＤ７２の順に直列に接続されている。バッファ回路７１は、バッファ回路７１の出力段側から入力段側への影響を抑制する。本実施例においては、バッファ回路７１は、ボルテージフォロアであり、最小値検出回路５０からの入力電圧値そのものをダイオードＤ７２側に出力する。このように、バッファ回路７１を介して、最小値検出回路５０の出力をダイオードＤ７２側に出力すれば、コンデンサＣ５６にホールドされた電圧値が、ダイオードＤ７２側の影響を受けないので、最小値検出回路５０における最小値の検出精度を向上させることができる。ただし、バッファ回路７１は、必須ではない。
【００２９】
ダイオードＤ７２は、バッファ回路７１の出力に対して順方向に設けられている。つまり、ダイオードＤ７２は、最小値検出回路５０を構成するダイオードＤ５１〜Ｄ５４と比べると、電圧伝達回路３０側から見た場合の電流の流れ方向が逆になるように、反対の方向に設けられている。本実施例においては、このダイオードＤ７２には、順電圧Ｖｆの温度依存特性がダイオードＤ５１〜Ｄ５４と略等しいものを用いている。
【００３０】
かかるダイオードＤ７２の出力は、本実施例では、ＭＣＵ（図示せず）に出力される。ＭＣＵは、本実施例では、ＡＤ変換に特化したマイクロコンピュータである。ＭＣＵは、入力された最小値をＡＤ変換して、燃料電池スタックＦＣの運転制御を司るＣＰＵ（図示せず）に出力され、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧に基づいた燃料電池スタックＦＣの発電状態の監視に用いられる。なお、ＭＣＵを介することなく、最小値を直接的にＣＰＵに入力する構成としてもよい。
【００３１】
かかる構成の電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧を個別に取り出して集合し、それらの最小値を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して検出し、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して出力する。ここで、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の順電圧Ｖｆは、温度依存性を有しているが、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２とは反対方向に設けられ、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とでは順電圧Ｖｆが逆向きに生じるので、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間で相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することができる。しかも、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して、最小値検出回路５０の検出結果を出力するだけであるから、構成が簡単である。
【００３２】
しかも、電圧監視システム２０は、順電圧Ｖｆの温度依存特性が、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とで略等しいので、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性を、電圧監視システム２０全体として、ほぼ解消することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００３３】
また、電圧監視システム２０は、反対方向に設けられたダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とにより、順電圧Ｖｆを相互に打ち消し合うので、電圧監視システム２０から出力される最小値は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小値に等しくなり、順電圧Ｖｆ分を補正する必要がなく、構成を簡略化できる。
【００３４】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例としての電圧監視システム１２０について図２を用いて説明する。図２では、第１実施例と同様の構成については、図１と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム１２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。電圧監視システム１２０は、図示するように、電圧伝達回路３０と最小値検出回路５０と出力回路１７０とを備えている。電圧伝達回路３０及び最小値検出回路５０の構成は、第１実施例と同様である。出力回路１７０は、バッファ回路７１と、トランス１７３と、スイッチＳＷ１７４と、ダイオードＤ７２とを備えている。出力回路１７０は、バッファ回路７１とダイオードＤ７２との間に、トランス１７３及びスイッチＳＷ１７４が介装されている点が、第１実施例と異なる。
【００３５】
トランス１７３は、入力側巻線が最小値検出回路５０とグランドとに接続され、出力側巻線がダイオードＤ７２とグランドとに接続されている。このグランドは、ダイオードＤ７２の出力電圧を出力するＭＣＵのグランドである。また、入力側巻線とグランドとの間には、スイッチＳＷ１７４が介装されている。スイッチＳＷ１７４は、トランス１７３の入力側巻線と、グランドとの導通状態のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるリレーである。
【００３６】
スイッチＳＷ１７４をＯＮにすると、最小値検出回路５０の出力に応じた電力がバッファ回路７１を介して、トランス１７３の入力巻線に流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス１７３の出力側巻線の両端には、トランス１７３の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した正の出力電圧が現れる。そして、スイッチＳＷ１７４をＯＦＦにすると、入力巻線への電流の流れ込みがなくなる。この電流の変化は極めて大きいので、トランス１７３の出力側巻線の両端には、逆起電力によって、入力電圧に対応した負の出力電圧が現れる。つまり、スイッチＳＷ１７４のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、トランス１７３は、最小値検出回路５０からの入力電圧を交流電圧化して出力する。本実施例においては、入力側巻線と出力側巻線の巻数は、等しく構成した。したがって、交流電圧化された交流信号の最大振幅は、最小値検出回路５０の出力と等しくなる。
【００３７】
このように交流電圧化されたトランス１７３の出力は、順方向のダイオードＤ７２によって半波整流され、図示しないＭＣＵに出力される。したがって、その最大振幅を検出すれば、ＭＣＵは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧の最小値を知ることができる。
【００３８】
かかる構成の電圧監視システム２０は、スイッチＳＷ１７４のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによって、バッファ回路７１の出力を、トランス１７３によって交流電圧化して、ダイオードＤ７２に出力するので、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を出力することができる。トランス１７３の入力段と出力段とは絶縁されるので、トランス１７３によって、高圧の燃料電池スタックＦＣ側と絶縁した状態で、最小値検出回路５０の検出結果を低圧側に出力でき、安全性を高めることができる。
【００３９】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例としての電圧監視システムは、上述した第１実施例としての電圧監視システム２０に対して、電圧伝達回路の構成のみが異なる。以下、第３実施例としての電圧監視システムについて、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。図３は、第３実施例としての電圧伝達回路２３０の構成を示す説明図である。電圧伝達回路２３０は、抵抗Ｒ２３１〜Ｒ２３４と、電流センサ２４１〜２４４とを備えている。つまり、電圧伝達回路２３０は、第１実施例としての電圧伝達回路３０のオペアンプ３１〜３４に代えて、抵抗Ｒ２３１〜Ｒ２３４と、電流センサ２４１〜２４４とを備えている点が第１実施例と異なる。
【００４０】
燃料電池ＦＣ１のアノード、カソード間には、抵抗Ｒ２３１と電流センサ２４１とが直列に接続されている。同様に、燃料電池ＦＣ２〜ＦＣ４についても、抵抗Ｒ２３２〜Ｒ２３４と電流センサ２４２〜２４４とが直列に接続されている。
【００４１】
電流センサ２４１〜２４４は、非接触式の直流電流センサであり、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４と絶縁した状態で、抵抗Ｒ２３１〜２３４を流れる電流に応じて、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧と同一値の電圧を出力する。本実施例では、電流センサ２４１〜２４４には、ホール素子型の磁気センサを用いた。かかる構成の電圧伝達回路２３０は、第１実施例と同様の原理により、最小値検出動作を行うことができる。その結果、第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００４２】
上述の電流センサ２４１〜２４４は、上述の機能を備えたものであればよく、例えば、マグアンプ式、磁気マルチバイブレータ式など種々の磁気センサ、電流センサを用いることができる。なお、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４に急激な出力変化があった場合にのみ出力すればよい構成とするのであれば、電流センサ２４１〜２４４として、カレントトランスを用いることもできる。
【００４３】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例としての電圧監視システム３２０について、図４を用いて説明する。図４では、第１実施例と同様の構成については、図１と同一の符号を付している。以下、電圧監視システム３２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。図示するように、第４実施例としての電圧監視システム３２０は、スイッチ回路３１１〜３１４と、トランス３３０と、最小値検出回路３５０と、出力回路７０とを備えている。
【００４４】
各スイッチ回路３１１〜３１４は、基本的には同一の回路であり、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から見ると、アノード、カソード間にコンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４が介装され、かつ、これと平行にスイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４、巻線３４１〜３４４が直列に接続されている。このように、スイッチ回路３１１〜３１４は、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに対して１つずつ設けられている。
【００４５】
スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４は、ＣＰＵ（図示せず）からの信号を受けて燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のアノード側とカソード側との導通状態のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるリレーである。トランス３３０は、巻線３４１〜３４４を入力側巻線、巻線３４６を出力側巻線とするトランスである。スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４がいずれもＯＦＦとなっていると、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４により、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は充電される。コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は、一端充電されれば、電力を消費しない。この状態で、スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４のいずれか１つをＯＮにした場合、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４のうち、ＯＮとなったスイッチに対応するコンデンサに蓄えられた電力は、トランス３３０の入力側巻線に流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス３３０の出力側巻線である巻線３４６の両端には、トランス３３０の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した出力電圧が現れる。なお、スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４のいずれか１つがＯＮとなれば、対応する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４からも電流は流れるが、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４には内部抵抗があるため、短時間のうちに大きな突入電流を流すことはできない。このため、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４を用いて、トランス３３０の入力側巻線である巻線３４１〜３４４に突入電流を流すのである。かかるコンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は、いわゆるスピードアップコンデンサと呼ばれるものである。なお、スイッチ回路３１１〜３１４及びトランス３３０は、第１実施例の電圧伝達回路３０に相当するものである。
【００４６】
最小値検出回路３５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４に共通する回路であり、コンデンサＣ３５１，Ｃ３５２と、ダイオードＤ３５３と、スイッチＳＷ３５４とを備えている。巻線３４６の一端は、出力回路７０を構成するバッファ回路７１の入力端子に接続され、他端は、グランドに接続され、かつ、この巻線３４６の両端には、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２とがそれぞれ並列に介装されている。また、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２との間には、ダイオードＤ３５３とスイッチＳＷ３５４とが介装されている。ダイオードＤ３５３は、トランス３３０側から見ると、逆方向に設けられている。
【００４７】
かかる最小値検出回路３５０の動作について説明する。まず、コンデンサＣ３５２に、スイッチＳＷ３５４をＯＦＦにした状態で、予め、所定の初期電圧Ｖ０を印加する。ここで、初期電圧Ｖ０とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧の最小値よりも確実に大きいと想定される電圧である。本実施例では、図示しない正の電源から印加する構成とした。
【００４８】
そして、スイッチ回路３１２〜３１４のスイッチＳＷ３２２〜ＳＷ３２４をＯＦＦにした状態で、スイッチ回路３１１のスイッチＳＷ３２１をＯＮにする。すると、トランス３３０に燃料電池ＦＣ１の電圧Ｖ１が入力され、その出力Ｖ１がコンデンサＣ３５１にホールドされる。その後、スイッチＳＷ３５４をＯＮにする。すると、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０以上であれば、ダイオードＤ３５３は逆方向バイアスとなるから、コンデンサＣ３５２には、Ｖ０がホールドされたままである。一方、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０よりも小さければ、ダイオードＤ３５３は順方向バイアスとなるから、ダイオードＤ３５３を介して、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２の電荷は平準化される。かかる状態でスイッチＳＷ３２１のＯＮ／ＯＦＦを何度も繰り返すことで、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０よりも小さい場合には、最終的に、コンデンサＣ３５２には、電圧Ｖ１がホールドされる。なお、スイッチＳＷ３２１をＯＦＦにする際には逆起電力が生じるため、その都度事前に、スイッチＳＷ３５４を一旦ＯＦＦにする必要がある。
【００４９】
かかる動作をスイッチ回路３１２〜３１４についても行えば、最終的に、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧の最小値である最小電圧ＶｍｉｎがコンデンサＣ３５２にホールドされる。こうして検出された最小電圧Ｖｍｉｎは出力回路７０に出力される。出力回路７０の構成は、第１実施例と同様である。
【００５０】
かかる構成の電圧監視システム３２０は、最小値検出回路３５０を構成するダイオードＤ３５３と、出力回路７０を構成するダイオードＤ７２とが反対の方向に設けられているので、第１実施例と同様の効果を奏することができる。また、トランス３３０の入力段と出力段とは絶縁されるので、トランス３３０によって、高圧の燃料電池スタックＦＣ側と絶縁した状態で、最小値検出回路３５０の検出結果を低圧側に出力でき、安全性を高めることができる。
【００５１】
Ｅ．第５実施例：
本発明の第５実施例としての電圧監視システム４２０について図５を用いて説明する。電圧監視システム４２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧の最大値を検出する点が第１実施例と異なる。図５では、第１実施例と同様の構成については、図１と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム４２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。電圧監視システム４２０は、図示するように、電圧伝達回路３０と最大値検出回路４５０と出力回路４７０とを備えている。電圧伝達回路３０の構成は、第１実施例と同様である。
【００５２】
最大値検出回路４５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力のうちの最大値を検出する回路であり、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と、コンデンサＣ４５６と、抵抗Ｒ４５８とを備えている。電圧伝達回路３０の各オペアンプ３１〜３４の出力は全て、順方向のダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４に接続されている。オペアンプ３１〜３４の出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ４５６が接続されている。抵抗Ｒ４５８は、いわばプルダウン抵抗器であり、コンデンサＣ４５６に溜まった電荷を放電し、オペアンプ３１〜３４側からの出力がなければ、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧をゼロにする。
【００５３】
かかる最大値検出回路４５０の最大値検出動作について説明する。最大値検出動作とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧のうちの最大値を検出する動作である。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）所定のタイミングでオペアンプ３１〜３４を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ３１〜３４で検出し、出力させると、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧Ｖｍａｘ１となるまで継続する。端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ１と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４（電圧Ｖｍａｘ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）は、この端子ＴＥ２の電圧より低いから、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００５４】
（２）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に上昇し、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ２（Ｖｍａｘ１＜Ｖｍａｘ２）となると、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧よりも高い電圧を出力したオペアンプ３１〜３４からダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ２となるまで継続する。
【００５５】
（３）逆に、それまで最大の電圧であった燃料電池の電圧が低くなり、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ３（Ｖｍａｘ１＞Ｖｍａｘ３）となると、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力よりも低いから、オペアンプ３１〜３４からコンデンサＣ４５６への電流の流れ込みがなくなる。その結果、コンデンサＣ４５６は、その電圧がＶｍａｘ１からＶｍａｘ３になるまで、抵抗Ｒ４５８を介して放電される。
【００５６】
実際には、上述した（１）〜（３）のいずれの場合でも、ダイオードには順電圧Ｖｆが存在するから、端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力電圧の最大値より、この順電圧Ｖｆ分だけ低くなるが、各ダイオードの順電圧Ｖｆは、既知のものなので、端子ＴＥ２の電圧を検出することにより、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最大電圧を検出することは容易である。このようにして、コンデンサＣ４５６には、オペアンプ３１〜３４の最大出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最大電圧に対応する電圧がホールドされる。ここで、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４には、第１実施例と同様の理由により、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しいものを用いている。
【００５７】
このようにして最大値検出回路４５０のコンデンサＣ４５６でホールドされた最大値は、出力回路４７０に出力される。出力回路４７０は、図５に示すように、バッファ回路７１とダイオードＤ４７２とを備えている。第１実施例の出力回路７０との違いは、ダイオードＤ４７２の方向が、第１実施例のダイオードＤ７２とは、反対の方向に設けられていることである。つまり、ダイオードＤ４７２は、最大値検出回路４５０を構成するダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と比べると、電圧伝達回路３０側から見た場合の電流の流れ方向が逆になるように、反対の方向に設けられている。本実施例においては、このダイオードＤ４７２には、順電圧Ｖｆの温度依存特性がダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と略等しいものを用いている。
【００５８】
かかる構成の電圧監視システム４２０は、最大値検出回路４５０を構成するダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と、出力回路４７０を構成するダイオードＤ４７２とが、反対方向に設けられているので、第１実施例と同様の効果を奏する。また、第５実施例においても、第２実施例の構成を適用することは可能である。
【００５９】
このように、本発明の電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小値を検出するものに限らず、最大値を検出するものにも適用することができる。最大値を検出する構成としては、上述の例に限らず、例えば、第５実施例の電圧伝達回路３０に代えて、第３実施例として示した電圧伝達回路２３０の構成を適用してもよい。あるいは、また、第４実施例として示した電圧監視システム３２０において、ダイオードＤ３５３及びダイオードＤ７２の向きを、それぞれ反対に設けてもよい。また、電圧監視システム２０は、最大値と最小値の両方を検出する構成としてもよい。この場合、例えは、第１実施例に示した電圧監視システム２０のオペアンプ３１〜３４と、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４との間に、第５実施例で示した最大値検出回路４５０の入力をそれぞれ接続し、この最大値検出回路４５０の出力段に出力回路４７０を接続して、最大値と最小値とを同時に、ＭＣＵに出力する構成としてもよい。
【００６０】
Ｆ.変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｆ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、最小値検出回路または最大値検出回路が備えるダイオード（例えば、第１実施例では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４）と、出力回路が備えるダイオード（例えば、第１実施例では、ダイオードＤ７２）とは、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しい構成としたが、必ずしも、温度依存特性が略等しい構成とする必要はない。例えば、第１実施例において、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧をＶｍｉｎ、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の環境温度Ｔにおける順電圧ＶｆをＶｆ０、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の順電圧ＶｆをＶｆ０＋α、ダイオードＤ７２の順電圧ＶｆをＶｆ０＋βとすれば（α，βは、環境温度の変化に依存する順電圧Ｖｆの変化量）、ダイオードＤ７２の出力Ｖｏｕｔは、次式（１）によって、Ｖｍｉｎ＋（α−β）となるので、変化量α，βが、−α＜α−β＜α、すなわち、２α＜β＜０または０＜β＜２αを満たす関係にあれば、ダイオードＤ７２を有しない構成と比較して、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の温度依存性を緩和する効果を奏するからである。なお、通常、ダイオードの温度に依存する順電圧Ｖｆの変化量は、２倍以上の差を生じることは考えにくいので、温度依存特性に配慮せずにダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２を選定したとしても、α，βは、次式（１）の関係を満たす。また、次式（１）では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の環境温度Ｔにおける順電圧Ｖｆは、互いに等しいＶｆ０としているが、これらの値に相違があっても、その差は既知であるから、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を検出することは容易である。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｍｉｎ＋（Ｖｆ０＋α）−（Ｖｆ０＋β）
＝Ｖｍｉｎ＋（α−β）・・・（１）
【００６１】
Ｆ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、バッファ回路７１は、入力電圧そのものを出力する構成、つまり、ゲインが１である構成としたが、必ずしも、かかる構成に限るものではない。例えば、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しく、変形例１で上述した変動量α，βが、１．５α＝βの関係を満たすときには、バッファ回路７１のゲインが１．５であれば、第１実施例と同様に、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。勿論、このように、変動量α，βの関係とバッファ回路７１のゲインとの整合を図らなくても、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を一定程度抑制することができる。したがって、バッファ回路７１は、ボルテージフォロアに限るものではなく、最小値検出回路や最大値出力回路の出力が、その出力段側の影響を受けない程度に入力インピーダンスが高いものであればよく、例えば、コレクタ接地回路などであってもよい。
【００６２】
また、上述の第３実施例においては、トランス１７３は、入力側巻線の巻数と、出力側巻線の巻数とが等しい構成としたが、このような構成に限るものではない。上述したバッファ回路７１と同様に、変動量α，βの関係と、巻数比との整合を図れば、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動のほとんど全部を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間で相互に打ち消し合うことが可能であるし、このような整合を図らなくても、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を一定程度抑制することができるからである。
【００６３】
Ｆ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、燃料電池スタックＦＣを構成する全ての燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４を１つの電圧監視システム（ここでは、１組の電圧伝達回路、最小値（または最大値）検出回路及び出力回路の意味）で出力する構成としたが、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池が多数である場合には、多数の燃料電池を所定数のグループに区分し、当該グループごとに電圧監視システムを設けて、ＭＣＵなどにグループごとの最小値や最大値を出力してもよい。かかる場合、第２実施例で説明したように、トランス１７３の出力側の巻線をＭＣＵなどのグランドに接続すれば、複数のグループの出力を１つのＭＣＵで受け付けることができる。あるいは、グループごとに設けられた複数の電圧監視システムからの出力を集合して、さらに最小値や最大値を出力する電圧監視システムを設けるなどして、電圧監視システムを多段に設けて、燃料電池スタックＦＣ全体での最小値や最大値をＭＣＵなどに出力してもよい。
【００６４】
このように、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の数が多数である場合には、電圧監視システムの回路基盤が大きくなり、回路基盤上の箇所によって環境温度分布が偏ることもあり得る。そのような場合に、温度センサを用いて温度補償を行う構成とすれば、温度センサを複数箇所に設ける必要があり、コストの増加を招くこととなる。一方、本発明の電圧監視システムによれば、上述のグループ単位で、最小値検出回路を構成するダイオードと、出力回路を構成するダイオードとを近接した位置に設ければ、環境温度分布の偏りに対応でき、コストを低減することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。あるいは、本発明の電圧監視システムにおける回路の構成は、上述した実施形態に限られるものではなく、同等の機能を有する等価回路などに置換しても実現可能である。また、本発明は、電圧監視システムにおいて、構成部品の温度依存性を起因する電圧検出精度の悪化を抑制する方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２０，１２０，３２０，４２０…電圧監視システム
３０，２３０…電圧伝達回路
３１〜３４…オペアンプ
３６…電源
５０，３５０…最小値検出回路
５７…電源
７０，１７０，４７０…出力回路
７１…バッファ回路
１７３…トランス
２４１〜２４４…電流センサ
３１１〜３１４…スイッチ回路
３３０…トランス
３４１〜３４４，３４６…巻線
４５０…最大値検出回路
Ｄ５１〜Ｄ５４，Ｄ７２，Ｄ３５３，Ｄ４５１〜Ｄ４５４，Ｄ４７２…ダイオード
ＳＷ１７４，ＳＷ３２１〜ＳＷ３２４，ＳＷ３５４…スイッチ
Ｒ５８，Ｒ２３１〜Ｒ２３４，Ｒ４５８…抵抗
Ｃ５６，Ｃ３０１〜Ｃ３０４，Ｃ３５１，Ｃ３５２，Ｃ４５６…コンデンサ
ＦＣ…燃料電池スタック
ＦＣ１〜ＦＣ４…燃料電池
ＴＥ１，ＴＥ２…端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、単セルでは実際の出力が１Ｖにも満たないため、一般的には、複数の単セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成し、全体として必要な高電圧を確保する。かかる燃料電池スタックでは、単セル１つにでも異常が発生すると、スタック全体に対して出力制限を行うか、運転を停止する必要がある。こうしたことから、燃料電池スタックの制御を好適に行うために、燃料電池スタックを構成する単セルの電圧を監視する電圧監視システムが提案されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
こうした電圧監視システムでは、構成部材の温度依存性に起因して、検出する電圧値が環境温度の影響を受け、検出精度が悪化することがある。そのため、温度センサを設けて、検出温度に応じた温度補償を行う技術が提案されている。例えば、下記特許文献３では、温度センサによる検出温度に応じて、電界効果トランジスタのオン抵抗の温度補償を行っている。しかしながら、温度センサを用いる方法では、温度センサの設置はもとより、検出温度に応じた温度補償演算が必要となり、装置の複雑化、高コスト化を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３２０１号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４３号公報
【特許文献３】特開２００２−１５１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の電圧監視システムにおいて、簡単な構成によって構成部材の温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が出力する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を、前記第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する出力手段と
を備えた電圧監視システム。
【０００８】
かかる構成の電圧監視システムは、燃料電池の各々の電圧を個別に取り出して集合し、それらの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出し、第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する。ここで、第１のダイオード及び第２のダイオードでは、順電圧の分だけ電圧降下が生じる。この順電圧は、温度が高くなるほど小さくなる温度依存性を有しているが、第１のダイオードと第２のダイオードとは反対方向に設けられ、第１のダイオードと第２のダイオードとでは順電圧が逆向きに生じるので、温度依存性に起因する順電圧の変動の少なくとも一部を、第１のダイオードと第２のダイオードとの間で相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することができる。しかも、検出手段が備える第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して検出結果を出力するだけであるから、構成が簡単である。
【０００９】
［適用例２］前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、順電圧の温度依存特性が略等しい適用例１記載の電圧監視システム。
【００１０】
かかる構成の電圧監視システムは、順電圧の温度依存特性が、第１のダイオードと第２のダイオードとで略等しいので、温度依存性に起因する順電圧の変動を、第１のダイオードと第２のダイオードとの間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性を、システム全体として、ほぼ解消することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００１１】
［適用例３］前記出力手段は、前記検出手段と前記第２のダイオードとの間に介装され、該検出手段の出力段側から該検出手段への影響を抑制するバッファ回路を備えた適用例１または適用例２記載の電圧監視システム。
【００１２】
かかる構成の電圧監視システムは、検出手段と第２のダイオードとの間にバッファ回路が介装されるので、検出手段の出力段側から検出手段への影響を抑制することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００１３】
［適用例４］適用例３記載の電圧監視システムであって、前記出力手段は、前記バッファ回路と前記第２のダイオードとの間に介装され、該バッファ回路を介して、前記検出結果を入力するトランスと、前記トランスの入力側の巻線に接続され、前記検出結果を交流電圧として該トランスに出力させるスイッチ回路とを備えた電圧監視システム。
【００１４】
かかる構成の電圧監視システムは、スイッチ回路をＯＮ／ＯＦＦすることで、検出結果を、トランスを介して、交流電圧として第２のダイオードに出力することができるので、高圧の燃料電池側と絶縁した状態で、検出結果を低圧側に出力できるので、安全性を高めることができる。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の電圧監視システムであって、前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、前記検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられた前記第１のダイオードと、該第１のダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた電圧監視システム。
【００１６】
かかる構成の電圧監視システムは、検出手段が差動アンプとダイオードとコンデンサとで構成されるので、電圧監視システムの構成を簡略化することができる。また、汎用部品を用いて構成できるので、製造が容易であり、低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例としての電圧監視システム２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】第２実施例としての電圧監視システム１２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】第３実施例としての電圧伝達回路２３０の概略構成を示す説明図である。
【図４】第４実施例としての電圧監視システム３２０の概略構成を示す説明図である。
【図５】第５実施例としての電圧監視システム４２０の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例：
本発明の実施例としての電圧監視システム２０の概略構成を図１に示す。電圧監視システム２０は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックＦＣの電圧を監視するシステムである。ここでの燃料電池とは、発電の最小単位である、いわゆる単セルである。本実施例における燃料電池は、固体高分子形の燃料電池であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される（図示せず）。燃料電池スタックＦＣは、積層方向の両端に配置したターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されると共に、燃料ガス、酸化ガス及び冷却水の給排システムが接続されている（図示せず）。燃料電池スタックＦＣの定格出力は、本実施例では３００Ｖである。ただし、定格出力は、適宜設定すればよく、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の数は、２つ以上であればよい。
【００１９】
電圧監視システム２０は、図１に示すように、電圧伝達回路３０と最小値検出回路５０と出力回路７０とを備えている。電圧伝達回路３０は、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに接続される同一の回路で構成される。電圧伝達回路３０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から見ると、オペアンプ３１〜３４の両入力端子に接続されている。オペアンプ３１〜３４は、差動増幅器であり、両入力端子に接続された燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧を、予め定めたゲインで増幅した電圧（ここではゲインを１としたので、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧そのもの）を実電位とは絶縁して出力する。
【００２０】
燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４は、積層され、電気的には直列接続されているから、グランドレベルに対して、各燃料電池のカソードの電圧は、その燃料電池までに積層された燃料電池の数に対応した電位までかさ上げされている。オペアンプ３１〜３４として差動増幅器を用いていることにより、各オペアンプ３１〜３４の出力電圧はいずれも、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧をグランドレベルに対して表した値となっている。本実施例においては、オペアンプ３１〜３４の電源として、燃料電池スタックＦＣとは独立して設けられた電源３６を用いる構成としている。
【００２１】
最小値検出回路５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧のうちの最小値を検出する回路であり、図１に示すように、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とコンデンサＣ５６と電源５７と抵抗Ｒ５８とを備えている。上述した各オペアンプ３１〜３４の出力は全て、逆方向のダイオードＤ５１〜Ｄ５４に接続されている。このため、各オペアンプ３１〜３４の出力は、いわゆるワイヤードオア接続となっている。つまり、各オペアンプ３１〜３４の出力は、他のオペアンプ３１〜３４の出力に対しては何ら影響を与えない。ワイヤードオア接続されたオペアンプ３１〜３４の出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ５６が接続されており、更に、プルアップ抵抗器Ｒ５８を介して所定の正の電源５７が接続されている。この電圧は、オペアンプ３１〜３４の想定される出力に対して十分に大きな値で設定されている。
【００２２】
かかる最小値検出回路５０の最小値検出動作について説明する。最小値検出動作とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧のうちの最小値を検出する動作である。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）オペアンプ３１〜３４が動作しておらず、各オペアンプ３１〜３４の出力がハイインピーダンス状態となっていれば、オペアンプ３１〜３４の出力への電流の流れ込みはないので、コンデンサＣ５６は充電された状態となり、端子ＴＥ１の電圧は、プルアップ抵抗器Ｒ５８を介して接続された正の電源５７の電圧と等しくなる。
【００２３】
（２）次に、所定のタイミングでオペアンプ３１〜３４を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ３１〜３４で検出し、出力させると、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧Ｖｍｉｎ１となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ１と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４（電圧Ｖｍｉｎ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００２４】
（３）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に低下し、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ２（Ｖｍｉｎ１＞Ｖｍｉｎ２）となると、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧よりも低い電圧を出力したオペアンプ３１〜３４にダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。この動作は、端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２となるまで継続する。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ２と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４は、この端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００２５】
（４）逆に、それまで最小の電圧であった燃料電池の電圧が高くなり、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も低い電圧がＶｍｉｎ３（Ｖｍｉｎ１＜Ｖｍｉｎ３）となると、オペアンプ３１〜３４は、端子ＴＥ１の電圧より高いから、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込むことはない。したがって、電源５７によって、コンデンサＣ５６が徐々に充電される。この充電は、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３になるまで継続される。端子ＴＥ１の電圧が電圧Ｖｍｉｎ３を超えると、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ５６の端子ＴＥ１の電圧は低下する。
【００２６】
実際には、上述した（２）〜（４）のいずれの場合でも、ダイオードには順電圧Ｖｆ（Forword Voltage）が存在するから（シリコンダイオードの場合、通常０．７ボルト程度）、端子ＴＥ１の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力電圧の最小値より、この順電圧Ｖｆ分だけ高くなるが、各ダイオードの順電圧Ｖｆは、既知のものなので、端子ＴＥ１の電圧を検出することにより、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を検出することは容易である。このようにして、コンデンサＣ５６には、オペアンプ３１〜３４の最小出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧に対応する電圧がホールドされる。
【００２７】
上述した順電圧Ｖｆには、温度依存性がある。環境温度が１℃上昇すると、順電圧Ｖｆは、例えば、２．０ｍＶ低下する。この場合、環境温度が０℃〜５０℃まで変化し得るとすると、その際の順電圧Ｖｆの変動幅は、０．１Ｖ（＝２．０ｍＶ/℃×５０℃）にもなる。このようなことから、本実施例では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４には、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しいものを用いている。ここで、温度依存特性が略等しいとは、個体間のばらつきを許容する意味であり、設計上、温度依存特性が等しいとして扱われるものであれば、これに該当する。例えば、環境温度の変化に応じた個体間の順電圧Ｖｆの変動のばらつきが１０％以内であれば、温度依存特性が略等しいということができる。このように温度依存特性が等しいダイオードは、電圧監視システム２０の製造時に、各々のダイオードの温度依存特性の測定を行い、変動幅が所定の範囲に収まるものを選定すればよい。あるいは、同一の半導体ロットから製造されたダイオードを選定してもよい。こうすれば、同一の半導体ロットから製造されたダイオードは、特性が近似するので、変動幅が所定の範囲に収まる可能性が高く、測定を省略したり、測定するダイオードの数を減らすことができ、製造工程を簡略化できる。
【００２８】
このようにして最小値検出回路５０のコンデンサＣ５６でホールドされた最小値は、出力回路７０に出力される。出力回路７０は、図１に示すように、バッファ回路７１とダイオードＤ７２とを備えている。出力回路７０は、最小値検出回路５０から見ると、最小値検出回路５０の出力に対して、バッファ回路７１と、ダイオードＤ７２とが、バッファ回路７１、ダイオードＤ７２の順に直列に接続されている。バッファ回路７１は、バッファ回路７１の出力段側から入力段側への影響を抑制する。本実施例においては、バッファ回路７１は、ボルテージフォロアであり、最小値検出回路５０からの入力電圧値そのものをダイオードＤ７２側に出力する。このように、バッファ回路７１を介して、最小値検出回路５０の出力をダイオードＤ７２側に出力すれば、コンデンサＣ５６にホールドされた電圧値が、ダイオードＤ７２側の影響を受けないので、最小値検出回路５０における最小値の検出精度を向上させることができる。ただし、バッファ回路７１は、必須ではない。
【００２９】
ダイオードＤ７２は、バッファ回路７１の出力に対して順方向に設けられている。つまり、ダイオードＤ７２は、最小値検出回路５０を構成するダイオードＤ５１〜Ｄ５４と比べると、電圧伝達回路３０側から見た場合の電流の流れ方向が逆になるように、反対の方向に設けられている。本実施例においては、このダイオードＤ７２には、順電圧Ｖｆの温度依存特性がダイオードＤ５１〜Ｄ５４と略等しいものを用いている。
【００３０】
かかるダイオードＤ７２の出力は、本実施例では、ＭＣＵ（図示せず）に出力される。ＭＣＵは、本実施例では、ＡＤ変換に特化したマイクロコンピュータである。ＭＣＵは、入力された最小値をＡＤ変換して、燃料電池スタックＦＣの運転制御を司るＣＰＵ（図示せず）に出力され、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧に基づいた燃料電池スタックＦＣの発電状態の監視に用いられる。なお、ＭＣＵを介することなく、最小値を直接的にＣＰＵに入力する構成としてもよい。
【００３１】
かかる構成の電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧を個別に取り出して集合し、それらの最小値を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４を介して検出し、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して出力する。ここで、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の順電圧Ｖｆは、温度依存性を有しているが、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２とは反対方向に設けられ、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とでは順電圧Ｖｆが逆向きに生じるので、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間で相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を抑制することができる。しかも、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４と反対の方向に設けられたダイオードＤ７２を介して、最小値検出回路５０の検出結果を出力するだけであるから、構成が簡単である。
【００３２】
しかも、電圧監視システム２０は、順電圧Ｖｆの温度依存特性が、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とで略等しいので、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。したがって、ダイオードの温度依存性を、電圧監視システム２０全体として、ほぼ解消することができ、精度の高い電圧検出を行うことができる。
【００３３】
また、電圧監視システム２０は、反対方向に設けられたダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２とにより、順電圧Ｖｆを相互に打ち消し合うので、電圧監視システム２０から出力される最小値は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小値に等しくなり、順電圧Ｖｆ分を補正する必要がなく、構成を簡略化できる。
【００３４】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例としての電圧監視システム１２０について図２を用いて説明する。図２では、第１実施例と同様の構成については、図１と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム１２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。電圧監視システム１２０は、図示するように、電圧伝達回路３０と最小値検出回路５０と出力回路１７０とを備えている。電圧伝達回路３０及び最小値検出回路５０の構成は、第１実施例と同様である。出力回路１７０は、バッファ回路７１と、トランス１７３と、スイッチＳＷ１７４と、ダイオードＤ７２とを備えている。出力回路１７０は、バッファ回路７１とダイオードＤ７２との間に、トランス１７３及びスイッチＳＷ１７４が介装されている点が、第１実施例と異なる。
【００３５】
トランス１７３は、入力側巻線が最小値検出回路５０とグランドとに接続され、出力側巻線がダイオードＤ７２とグランドとに接続されている。このグランドは、ダイオードＤ７２の出力電圧を出力するＭＣＵのグランドである。また、入力側巻線とグランドとの間には、スイッチＳＷ１７４が介装されている。スイッチＳＷ１７４は、トランス１７３の入力側巻線と、グランドとの導通状態のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるリレーである。
【００３６】
スイッチＳＷ１７４をＯＮにすると、最小値検出回路５０の出力に応じた電力がバッファ回路７１を介して、トランス１７３の入力巻線に流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス１７３の出力側巻線の両端には、トランス１７３の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した正の出力電圧が現れる。そして、スイッチＳＷ１７４をＯＦＦにすると、入力巻線への電流の流れ込みがなくなる。この電流の変化は極めて大きいので、トランス１７３の出力側巻線の両端には、逆起電力によって、入力電圧に対応した負の出力電圧が現れる。つまり、スイッチＳＷ１７４のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、トランス１７３は、最小値検出回路５０からの入力電圧を交流電圧化して出力する。本実施例においては、入力側巻線と出力側巻線の巻数は、等しく構成した。したがって、交流電圧化された交流信号の最大振幅は、最小値検出回路５０の出力と等しくなる。
【００３７】
このように交流電圧化されたトランス１７３の出力は、順方向のダイオードＤ７２によって半波整流され、図示しないＭＣＵに出力される。したがって、その最大振幅を検出すれば、ＭＣＵは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧の最小値を知ることができる。
【００３８】
かかる構成の電圧監視システム２０は、スイッチＳＷ１７４のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによって、バッファ回路７１の出力を、トランス１７３によって交流電圧化して、ダイオードＤ７２に出力するので、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を出力することができる。トランス１７３の入力段と出力段とは絶縁されるので、トランス１７３によって、高圧の燃料電池スタックＦＣ側と絶縁した状態で、最小値検出回路５０の検出結果を低圧側に出力でき、安全性を高めることができる。
【００３９】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例としての電圧監視システムは、上述した第１実施例としての電圧監視システム２０に対して、電圧伝達回路の構成のみが異なる。以下、第３実施例としての電圧監視システムについて、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。図３は、第３実施例としての電圧伝達回路２３０の構成を示す説明図である。電圧伝達回路２３０は、抵抗Ｒ２３１〜Ｒ２３４と、電流センサ２４１〜２４４とを備えている。つまり、電圧伝達回路２３０は、第１実施例としての電圧伝達回路３０のオペアンプ３１〜３４に代えて、抵抗Ｒ２３１〜Ｒ２３４と、電流センサ２４１〜２４４とを備えている点が第１実施例と異なる。
【００４０】
燃料電池ＦＣ１のアノード、カソード間には、抵抗Ｒ２３１と電流センサ２４１とが直列に接続されている。同様に、燃料電池ＦＣ２〜ＦＣ４についても、抵抗Ｒ２３２〜Ｒ２３４と電流センサ２４２〜２４４とが直列に接続されている。
【００４１】
電流センサ２４１〜２４４は、非接触式の直流電流センサであり、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４と絶縁した状態で、抵抗Ｒ２３１〜２３４を流れる電流に応じて、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧と同一値の電圧を出力する。本実施例では、電流センサ２４１〜２４４には、ホール素子型の磁気センサを用いた。かかる構成の電圧伝達回路２３０は、第１実施例と同様の原理により、最小値検出動作を行うことができる。その結果、第１実施例と同様の効果を奏することができる。
【００４２】
上述の電流センサ２４１〜２４４は、上述の機能を備えたものであればよく、例えば、マグアンプ式、磁気マルチバイブレータ式など種々の磁気センサ、電流センサを用いることができる。なお、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４に急激な出力変化があった場合にのみ出力すればよい構成とするのであれば、電流センサ２４１〜２４４として、カレントトランスを用いることもできる。
【００４３】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例としての電圧監視システム３２０について、図４を用いて説明する。図４では、第１実施例と同様の構成については、図１と同一の符号を付している。以下、電圧監視システム３２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。図示するように、第４実施例としての電圧監視システム３２０は、スイッチ回路３１１〜３１４と、トランス３３０と、最小値検出回路３５０と、出力回路７０とを備えている。
【００４４】
各スイッチ回路３１１〜３１４は、基本的には同一の回路であり、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４から見ると、アノード、カソード間にコンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４が介装され、かつ、これと平行にスイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４、巻線３４１〜３４４が直列に接続されている。このように、スイッチ回路３１１〜３１４は、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のそれぞれに対して１つずつ設けられている。
【００４５】
スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４は、ＣＰＵ（図示せず）からの信号を受けて燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４のアノード側とカソード側との導通状態のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるリレーである。トランス３３０は、巻線３４１〜３４４を入力側巻線、巻線３４６を出力側巻線とするトランスである。スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４がいずれもＯＦＦとなっていると、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４により、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は充電される。コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は、一端充電されれば、電力を消費しない。この状態で、スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４のいずれか１つをＯＮにした場合、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４のうち、ＯＮとなったスイッチに対応するコンデンサに蓄えられた電力は、トランス３３０の入力側巻線に流れ込む。その電流の変化は極めて大きいので、トランス３３０の出力側巻線である巻線３４６の両端には、トランス３３０の入出力間の相互インダクタンスに応じて、入力電圧に対応した出力電圧が現れる。なお、スイッチＳＷ３２１〜ＳＷ３２４のいずれか１つがＯＮとなれば、対応する燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４からも電流は流れるが、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４には内部抵抗があるため、短時間のうちに大きな突入電流を流すことはできない。このため、コンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４を用いて、トランス３３０の入力側巻線である巻線３４１〜３４４に突入電流を流すのである。かかるコンデンサＣ３０１〜Ｃ３０４は、いわゆるスピードアップコンデンサと呼ばれるものである。なお、スイッチ回路３１１〜３１４及びトランス３３０は、第１実施例の電圧伝達回路３０に相当するものである。
【００４６】
最小値検出回路３５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４に共通する回路であり、コンデンサＣ３５１，Ｃ３５２と、ダイオードＤ３５３と、スイッチＳＷ３５４とを備えている。巻線３４６の一端は、出力回路７０を構成するバッファ回路７１の入力端子に接続され、他端は、グランドに接続され、かつ、この巻線３４６の両端には、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２とがそれぞれ並列に介装されている。また、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２との間には、ダイオードＤ３５３とスイッチＳＷ３５４とが介装されている。ダイオードＤ３５３は、トランス３３０側から見ると、逆方向に設けられている。
【００４７】
かかる最小値検出回路３５０の動作について説明する。まず、コンデンサＣ３５２に、スイッチＳＷ３５４をＯＦＦにした状態で、予め、所定の初期電圧Ｖ０を印加する。ここで、初期電圧Ｖ０とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧の最小値よりも確実に大きいと想定される電圧である。本実施例では、図示しない正の電源から印加する構成とした。
【００４８】
そして、スイッチ回路３１２〜３１４のスイッチＳＷ３２２〜ＳＷ３２４をＯＦＦにした状態で、スイッチ回路３１１のスイッチＳＷ３２１をＯＮにする。すると、トランス３３０に燃料電池ＦＣ１の電圧Ｖ１が入力され、その出力Ｖ１がコンデンサＣ３５１にホールドされる。その後、スイッチＳＷ３５４をＯＮにする。すると、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０以上であれば、ダイオードＤ３５３は逆方向バイアスとなるから、コンデンサＣ３５２には、Ｖ０がホールドされたままである。一方、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０よりも小さければ、ダイオードＤ３５３は順方向バイアスとなるから、ダイオードＤ３５３を介して、コンデンサＣ３５１とコンデンサＣ３５２の電荷は平準化される。かかる状態でスイッチＳＷ３２１のＯＮ／ＯＦＦを何度も繰り返すことで、電圧Ｖ１が電圧Ｖ０よりも小さい場合には、最終的に、コンデンサＣ３５２には、電圧Ｖ１がホールドされる。なお、スイッチＳＷ３２１をＯＦＦにする際には逆起電力が生じるため、その都度事前に、スイッチＳＷ３５４を一旦ＯＦＦにする必要がある。
【００４９】
かかる動作をスイッチ回路３１２〜３１４についても行えば、最終的に、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の電圧の最小値である最小電圧ＶｍｉｎがコンデンサＣ３５２にホールドされる。こうして検出された最小電圧Ｖｍｉｎは出力回路７０に出力される。出力回路７０の構成は、第１実施例と同様である。
【００５０】
かかる構成の電圧監視システム３２０は、最小値検出回路３５０を構成するダイオードＤ３５３と、出力回路７０を構成するダイオードＤ７２とが反対の方向に設けられているので、第１実施例と同様の効果を奏することができる。また、トランス３３０の入力段と出力段とは絶縁されるので、トランス３３０によって、高圧の燃料電池スタックＦＣ側と絶縁した状態で、最小値検出回路３５０の検出結果を低圧側に出力でき、安全性を高めることができる。
【００５１】
Ｅ．第５実施例：
本発明の第５実施例としての電圧監視システム４２０について図５を用いて説明する。電圧監視システム４２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力電圧の最大値を検出する点が第１実施例と異なる。図５では、第１実施例と同様の構成については、図１と同様の符号を付している。以下、電圧監視システム４２０について、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、共通する点については、説明を省略する。電圧監視システム４２０は、図示するように、電圧伝達回路３０と最大値検出回路４５０と出力回路４７０とを備えている。電圧伝達回路３０の構成は、第１実施例と同様である。
【００５２】
最大値検出回路４５０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の出力のうちの最大値を検出する回路であり、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と、コンデンサＣ４５６と、抵抗Ｒ４５８とを備えている。電圧伝達回路３０の各オペアンプ３１〜３４の出力は全て、順方向のダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４に接続されている。オペアンプ３１〜３４の出力には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ４５６が接続されている。抵抗Ｒ４５８は、いわばプルダウン抵抗器であり、コンデンサＣ４５６に溜まった電荷を放電し、オペアンプ３１〜３４側からの出力がなければ、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧をゼロにする。
【００５３】
かかる最大値検出回路４５０の最大値検出動作について説明する。最大値検出動作とは、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各々の電圧のうちの最大値を検出する動作である。なお、説明を簡略化するため、以下の動作では、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４の降下電圧を０ボルトであるとして説明する。
（１）所定のタイミングでオペアンプ３１〜３４を動作させ、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の各出力電圧を差動増幅器であるオペアンプ３１〜３４で検出し、出力させると、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧Ｖｍａｘ１となるまで継続する。端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ１と一致したとき、他のオペアンプ３１〜３４（電圧Ｖｍａｘ１を出力したオペアンプ以外のオペアンプ）は、この端子ＴＥ２の電圧より低いから、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込むことはない。
【００５４】
（２）仮に、いずれかの燃料電池の電圧が更に上昇し、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ２（Ｖｍａｘ１＜Ｖｍａｘ２）となると、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧よりも高い電圧を出力したオペアンプ３１〜３４からダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４を介して電流が流れ込み、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は上昇する。この動作は、端子ＴＥ２の電圧が電圧Ｖｍａｘ２となるまで継続する。
【００５５】
（３）逆に、それまで最大の電圧であった燃料電池の電圧が低くなり、接続されたオペアンプ３１〜３４の出力のうち、最も高い電圧がＶｍａｘ３（Ｖｍａｘ１＞Ｖｍａｘ３）となると、コンデンサＣ４５６の端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力よりも低いから、オペアンプ３１〜３４からコンデンサＣ４５６への電流の流れ込みがなくなる。その結果、コンデンサＣ４５６は、その電圧がＶｍａｘ１からＶｍａｘ３になるまで、抵抗Ｒ４５８を介して放電される。
【００５６】
実際には、上述した（１）〜（３）のいずれの場合でも、ダイオードには順電圧Ｖｆが存在するから、端子ＴＥ２の電圧は、オペアンプ３１〜３４の出力電圧の最大値より、この順電圧Ｖｆ分だけ低くなるが、各ダイオードの順電圧Ｖｆは、既知のものなので、端子ＴＥ２の電圧を検出することにより、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最大電圧を検出することは容易である。このようにして、コンデンサＣ４５６には、オペアンプ３１〜３４の最大出力、すなわち、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最大電圧に対応する電圧がホールドされる。ここで、ダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４には、第１実施例と同様の理由により、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しいものを用いている。
【００５７】
このようにして最大値検出回路４５０のコンデンサＣ４５６でホールドされた最大値は、出力回路４７０に出力される。出力回路４７０は、図５に示すように、バッファ回路７１とダイオードＤ４７２とを備えている。第１実施例の出力回路７０との違いは、ダイオードＤ４７２の方向が、第１実施例のダイオードＤ７２とは、反対の方向に設けられていることである。つまり、ダイオードＤ４７２は、最大値検出回路４５０を構成するダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と比べると、電圧伝達回路３０側から見た場合の電流の流れ方向が逆になるように、反対の方向に設けられている。本実施例においては、このダイオードＤ４７２には、順電圧Ｖｆの温度依存特性がダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と略等しいものを用いている。
【００５８】
かかる構成の電圧監視システム４２０は、最大値検出回路４５０を構成するダイオードＤ４５１〜Ｄ４５４と、出力回路４７０を構成するダイオードＤ４７２とが、反対方向に設けられているので、第１実施例と同様の効果を奏する。また、第５実施例においても、第２実施例の構成を適用することは可能である。
【００５９】
このように、本発明の電圧監視システム２０は、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小値を検出するものに限らず、最大値を検出するものにも適用することができる。最大値を検出する構成としては、上述の例に限らず、例えば、第５実施例の電圧伝達回路３０に代えて、第３実施例として示した電圧伝達回路２３０の構成を適用してもよい。あるいは、また、第４実施例として示した電圧監視システム３２０において、ダイオードＤ３５３及びダイオードＤ７２の向きを、それぞれ反対に設けてもよい。また、電圧監視システム２０は、最大値と最小値の両方を検出する構成としてもよい。この場合、例えは、第１実施例に示した電圧監視システム２０のオペアンプ３１〜３４と、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４との間に、第５実施例で示した最大値検出回路４５０の入力をそれぞれ接続し、この最大値検出回路４５０の出力段に出力回路４７０を接続して、最大値と最小値とを同時に、ＭＣＵに出力する構成としてもよい。
【００６０】
Ｆ.変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｆ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、最小値検出回路または最大値検出回路が備えるダイオード（例えば、第１実施例では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４）と、出力回路が備えるダイオード（例えば、第１実施例では、ダイオードＤ７２）とは、順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しい構成としたが、必ずしも、温度依存特性が略等しい構成とする必要はない。例えば、第１実施例において、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧をＶｍｉｎ、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の環境温度Ｔにおける順電圧ＶｆをＶｆ０、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の順電圧ＶｆをＶｆ０＋α、ダイオードＤ７２の順電圧ＶｆをＶｆ０＋βとすれば（α，βは、環境温度の変化に依存する順電圧Ｖｆの変化量）、ダイオードＤ７２の出力Ｖｏｕｔは、次式（１）によって、Ｖｍｉｎ＋（α−β）となるので、変化量α，βが、−α＜α−β＜α、すなわち、２α＜β＜０または０＜β＜２αを満たす関係にあれば、ダイオードＤ７２を有しない構成と比較して、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４の温度依存性を緩和する効果を奏するからである。なお、通常、ダイオードの温度に依存する順電圧Ｖｆの変化量は、２倍以上の差を生じることは考えにくいので、温度依存特性に配慮せずにダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２を選定したとしても、α，βは、次式（１）の関係を満たす。また、次式（１）では、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４及びダイオードＤ７２の環境温度Ｔにおける順電圧Ｖｆは、互いに等しいＶｆ０としているが、これらの値に相違があっても、その差は既知であるから、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４の最小電圧を検出することは容易である。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｍｉｎ＋（Ｖｆ０＋α）−（Ｖｆ０＋β）
＝Ｖｍｉｎ＋（α−β）・・・（１）
【００６１】
Ｆ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、バッファ回路７１は、入力電圧そのものを出力する構成、つまり、ゲインが１である構成としたが、必ずしも、かかる構成に限るものではない。例えば、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との順電圧Ｖｆの温度依存特性が略等しく、変形例１で上述した変動量α，βが、１．５α＝βの関係を満たすときには、バッファ回路７１のゲインが１．５であれば、第１実施例と同様に、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間でほとんど相互に打ち消し合うことができる。勿論、このように、変動量α，βの関係とバッファ回路７１のゲインとの整合を図らなくても、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を一定程度抑制することができる。したがって、バッファ回路７１は、ボルテージフォロアに限るものではなく、最小値検出回路や最大値出力回路の出力が、その出力段側の影響を受けない程度に入力インピーダンスが高いものであればよく、例えば、コレクタ接地回路などであってもよい。
【００６２】
また、上述の第３実施例においては、トランス１７３は、入力側巻線の巻数と、出力側巻線の巻数とが等しい構成としたが、このような構成に限るものではない。上述したバッファ回路７１と同様に、変動量α，βの関係と、巻数比との整合を図れば、温度依存性に起因する順電圧Ｖｆの変動のほとんど全部を、ダイオードＤ５１〜Ｄ５４とダイオードＤ７２との間で相互に打ち消し合うことが可能であるし、このような整合を図らなくても、ダイオードの温度依存性に起因する電圧検出精度の悪化を一定程度抑制することができるからである。
【００６３】
Ｆ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、燃料電池スタックＦＣを構成する全ての燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ４を１つの電圧監視システム（ここでは、１組の電圧伝達回路、最小値（または最大値）検出回路及び出力回路の意味）で出力する構成としたが、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池が多数である場合には、多数の燃料電池を所定数のグループに区分し、当該グループごとに電圧監視システムを設けて、ＭＣＵなどにグループごとの最小値や最大値を出力してもよい。かかる場合、第２実施例で説明したように、トランス１７３の出力側の巻線をＭＣＵなどのグランドに接続すれば、複数のグループの出力を１つのＭＣＵで受け付けることができる。あるいは、グループごとに設けられた複数の電圧監視システムからの出力を集合して、さらに最小値や最大値を出力する電圧監視システムを設けるなどして、電圧監視システムを多段に設けて、燃料電池スタックＦＣ全体での最小値や最大値をＭＣＵなどに出力してもよい。
【００６４】
このように、燃料電池スタックＦＣを構成する燃料電池の数が多数である場合には、電圧監視システムの回路基盤が大きくなり、回路基盤上の箇所によって環境温度分布が偏ることもあり得る。そのような場合に、温度センサを用いて温度補償を行う構成とすれば、温度センサを複数箇所に設ける必要があり、コストの増加を招くこととなる。一方、本発明の電圧監視システムによれば、上述のグループ単位で、最小値検出回路を構成するダイオードと、出力回路を構成するダイオードとを近接した位置に設ければ、環境温度分布の偏りに対応でき、コストを低減することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。あるいは、本発明の電圧監視システムにおける回路の構成は、上述した実施形態に限られるものではなく、同等の機能を有する等価回路などに置換しても実現可能である。また、本発明は、電圧監視システムにおいて、構成部品の温度依存性を起因する電圧検出精度の悪化を抑制する方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２０，１２０，３２０，４２０…電圧監視システム
３０，２３０…電圧伝達回路
３１〜３４…オペアンプ
３６…電源
５０，３５０…最小値検出回路
５７…電源
７０，１７０，４７０…出力回路
７１…バッファ回路
１７３…トランス
２４１〜２４４…電流センサ
３１１〜３１４…スイッチ回路
３３０…トランス
３４１〜３４４，３４６…巻線
４５０…最大値検出回路
Ｄ５１〜Ｄ５４，Ｄ７２，Ｄ３５３，Ｄ４５１〜Ｄ４５４，Ｄ４７２…ダイオード
ＳＷ１７４，ＳＷ３２１〜ＳＷ３２４，ＳＷ３５４…スイッチ
Ｒ５８，Ｒ２３１〜Ｒ２３４，Ｒ４５８…抵抗
Ｃ５６，Ｃ３０１〜Ｃ３０４，Ｃ３５１，Ｃ３５２，Ｃ４５６…コンデンサ
ＦＣ…燃料電池スタック
ＦＣ１〜ＦＣ４…燃料電池
ＴＥ１，ＴＥ２…端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が出力する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を、前記第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する出力手段と
を備えた電圧監視システム。
【請求項２】
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、順電圧の温度依存特性が略等しい請求項１記載の電圧監視システム。
【請求項３】
前記出力手段は、前記検出手段と前記第２のダイオードとの間に介装され、該検出手段の出力段側から該検出手段への影響を抑制するバッファ回路を備えた請求項１または請求項２記載の電圧監視システム。
【請求項４】
請求項３記載の電圧監視システムであって、
前記出力手段は、
前記バッファ回路と前記第２のダイオードとの間に介装され、該バッファ回路を介して、前記検出結果を入力するトランスと、
前記トランスの入力側の巻線に接続され、前記検出結果を交流電圧として該トランスに出力させるスイッチ回路と
を備えた電圧監視システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、
前記検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられた前記第１のダイオードと、該第１のダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた
電圧監視システム。
【請求項１】
複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックの電圧監視システムであって、
前記複数の燃料電池のそれぞれに対して設けられ、該燃料電池の各々の電圧を、該燃料電池から個別に取り出して出力する電圧伝達手段と、
前記電圧伝達手段が出力する前記複数の燃料電池の電圧を集合して、該出力された電圧のうちの最小値と最大値の少なくとも一方を、第１のダイオードを介して検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果を、前記第１のダイオードと反対の方向に設けられた第２のダイオードを介して出力する出力手段と
を備えた電圧監視システム。
【請求項２】
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、順電圧の温度依存特性が略等しい請求項１記載の電圧監視システム。
【請求項３】
前記出力手段は、前記検出手段と前記第２のダイオードとの間に介装され、該検出手段の出力段側から該検出手段への影響を抑制するバッファ回路を備えた請求項１または請求項２記載の電圧監視システム。
【請求項４】
請求項３記載の電圧監視システムであって、
前記出力手段は、
前記バッファ回路と前記第２のダイオードとの間に介装され、該バッファ回路を介して、前記検出結果を入力するトランスと、
前記トランスの入力側の巻線に接続され、前記検出結果を交流電圧として該トランスに出力させるスイッチ回路と
を備えた電圧監視システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の電圧監視システムであって、
前記電圧伝達手段は、前記複数の燃料電池のアノード側とカソード側とに接続された差動アンプであり、
前記検出手段は、前記差動アンプの出力ごとに同一方向に設けられた前記第１のダイオードと、該第１のダイオードとグランドとの間に介装されるコンデンサとを備えた
電圧監視システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１７０９９２（Ｐ２０１１−１７０９９２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３１１２７（Ｐ２０１０−３１１２７）
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]