JP2007115442A - 燃料電池制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】個々のセルの電圧を検出し、検出された電圧に応じて燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池２０の出力を制御する燃料電池制御回路２１であって、複数の電池セルの電圧から最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎを検出する検出手段２２と、検出手段２２で検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎと第一及び第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２とを夫々比較する比較手段２３と、比較手段２３の比較結果に応じて燃料電池２０の出力を制御する制御手段２４とを有する燃料電池制御回路である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路に関する。

燃料電池は、水素と酸素とを電気化学反応させて電気を作るので、二酸化炭素及びその他の有害物質の排出がなく、環境に配慮した新しいエネルギーとして近年ますます関心が高まっている。

燃料電池は、空気極、電解質及び燃料極を組み合わせたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜電極接合体）の上下をセパレータで挟み込んだサンドイッチ型で構成される単一セルを幾つも直列に連結（スタック）して作られる。セルのセパレータは、溝を付けられており、この溝から電気を発生させる燃料である水素ガス及び空気（酸素）等が注入される。セルの理論起電力は約１.２３Ｖであるが、実際の起電力は０.３Ｖ程度である。従って、燃料電池は、多数のセルを直列にスタックした構造を有する。このような構造は、一般に「セルスタック」と呼ばれる。

セルスタックでは全体のセルバランスが重要であるが、このバランスが崩れて一部のセルの燃料流量が減少すると、電極間の起電力の降下又は電極反応の抵抗の増大等の電池性能の劣化が起こり、あるいは電池の寿命が短くなることが起こりうる。また、燃料電池に誤って逆電圧を印加した場合、電解質と電極との間で気体が発生し、電極反応の抵抗増大、又は剥離等の物理的な破壊が起こりうる。

特開平８−５０９０２号公報（特許文献１参照。）には、複数のセルスタックを並列に接続した場合に夫々のセルスタック間に発生する逆電圧の影響を排除した燃料電池発電装置が開示されている。図１は、上記特許文献１に開示された燃料電池発電装置の構成図を引用したものである。図１より、上記特許文献１の燃料電池発電装置は、セルスタックの両端に発電電流の通流が可能な方向でダイオードが接続され、そのようなセルスタックを並列に接続するよう構成される。従って、二つのセルスタックのいずれかの発電電圧が高くなった場合でも、夫々のセルスタックの両端のダイオードによって二つのセルスタック間での逆電圧のやり取りが抑制され、上述した逆電圧による電池の破壊等の回避することができる。
特開平８−５０９０２号公報

しかし、特許文献１に記載された発明は、逆電圧による電池の破壊等を回避することはできるが、セルスタック内の個々のセルの状態が不明であり、セルの異常を検知することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、個々のセルの電圧を検出し、検出された電圧がセルの異常を検知するための下限となる基準電圧を下回るか、又はセルの異常を検知するための上限となる基準電圧を上回るかに応じて燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池制御回路は、以下のような特徴を有する。

本発明の燃料電池制御回路は、複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、前記複数の電池セルの電圧から最低電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された最低電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段で前記最低電圧が前記基準電圧を下回る場合に前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

このように多段接続された複数の電池セルのうち、検出された電池セルの最低電圧が基準電圧を下回る場合には、セルバランスが崩れた状態にあるので、燃料電池の出力を制御して、燃料電池の性能劣化等を防ぐことができる。

また、本発明の燃料電池制御回路は、複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、前記複数の電池セルの電圧から最高電圧を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された最高電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段で前記最高電圧が前記基準電圧を上回る場合に前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

このように多段接続された複数の電池セルのうち、検出された電池セルの最高電圧が基準電圧を上回る場合には、セルバランスが崩れた状態にあるので、燃料電池の出力を制御して、燃料電池の寿命の短縮等を防ぐことができる。

また、本発明の燃料電池制御回路は、複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、前記複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える切替え手段と、前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる遅延手段と、前記切替え手段の切替えに対応して前記接続点毎に基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧と前記基準電圧発生手段で発生した基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

このように、個々のセルの電圧の検出及びその電圧と基準電圧との比較を一つの比較手段で行うことにより、リアルタイムでセルの異常を検知することができる。また、全てのセルの電圧を測定しておく必要がないことから、構成を簡単化することができる。

また、本発明の燃料電池制御回路は、複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、前記複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える切替え手段と、前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる遅延手段と、前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧と前記遅延手段で遅延された電圧を示す信号の電圧との差を出力する差分手段と、前記差分手段の出力と基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

このように、個々のセルの電圧の検出及びその電圧と基準電圧との比較を順次行うことにより、リアルタイムでセルの異常を検知することができる。また、全てのセルの電圧を測定しておく必要がないことに加え、切替え手段の切替えに対応して基準電圧を発生するための手段を設ける必要がなく、基準電圧として定電圧源を用いれば良いことから、更に構成を簡単化することができる。

更に、本発明の燃料電池制御回路は、前記制御手段が、前記比較手段の出力時点から燃料電池の出力を制御する、前記比較手段の出力時点から一定時間後に燃料電池の出力を制御する、又は前記比較手段の出力時点から徐々にその出力を下げるように燃料電池の出力を制御することを特徴とする。

このように、燃料電池の出力段の負荷に応じて制御動作を選択することができる。また、比較手段の出力時点から一定時間後に出力を制御する、又は比較手段の出力時点から徐々にその出力を下げるように燃料電池の出力制御する場合は、安定した制御を行うことができる。

本発明による燃料電池制御回路によれば、燃料電池の個々のセルの電圧を検出し、検出された電圧がセルの異常を検知するための下限となる基準電圧を下回るか、又はセルの異常を検知するための上限となる基準電圧を上回るかに応じて燃料電池の出力を制御することが可能となる。

本発明の実施例の形態を、図面を参照して説明する。

〔構成〕
図２は、本発明による制御回路を有する燃料電池システムの基本構成の一例を示す図である。図２の燃料電池システムは、複数の電池セルを直列に接続して作られた燃料電池２０、制御回路２１、制御出力制御スイッチ２６及び蓄電装置２７を有し、その出力は負荷２５に接続されている。制御回路２１は、複数の電池セルの電圧に応じて燃料電池２０の出力を制御するための手段であり、検出手段２２、比較手段２３及び制御手段２４から構成される。

検出手段２２は、燃料電池２０の複数の電池セルの電圧から最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎを検出する手段であり、各セル電圧測定手段２２１、メモリ２２２、最高電圧検出手段２２３及び最低電圧検出手段２２４を有する。各セル電圧測定手段２２１は、燃料電池２０の夫々のセルの電圧を測定する。メモリ２２２は、各セル電圧測定手段２２１で測定されたセルの電圧を記憶する。最高電圧検出手段２２３は、メモリ２２２に記憶されたセルの電圧から最高電圧Ｖ_ｍａｘを検出する。最低電圧検出手段２２４は、メモリ２２２に記憶されたセルの電圧から最低電圧Ｖ_ｍｉｎを検出する。最高電圧検出手段で検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧検出手段で検出された最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、比較手段２３に供給される。

比較手段２３は、検出手段２２で検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘと第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎと第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とを夫々比較する手段である。第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１は、単一のセルの電圧が上昇したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であり、第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２は、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧である。これらの比較結果は、制御手段２４に供給される。

制御手段２４は、比較手段２３での比較結果に応じて前記燃料電池の出力を制御する手段であり、最高電圧Ｖ_ｍａｘが第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を上回る、又は最低電圧Ｖ_ｍｉｎが第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を下回る場合に、出力制御スイッチ２６に制御信号を送信する。

出力制御スイッチ２６は、燃料電池２０の出力を制御するためのスイッチであり、制御手段２４からの制御信号に応じて燃料電池２０から負荷２５への電力供給を制御するよう作動する。

蓄電装置２７は、負荷２７のピーク電流に対応するために、負荷２５の手前に並列に設けられる。それは、例えば、二次電池又は高容量キャパシタ等であっても良い。
〔動作〕
〔正常時の動作〕
燃料電池２０から負荷２５へ電力が供給される正常時の動作について説明する。この動作において、出力制御スイッチ２６は、電力が負荷２５へ供給されるよう作動する。燃料電池２０の電力は、出力制御スイッチ２６を介して負荷２５へ供給され、更に蓄電装置２７を充電する。
〔異常時の動作（その１）〕
燃料電池２０の一つのセルの電圧が低下し、燃料電池２０全体のセルバランスが崩れた場合について説明する。

検出手段２２の各セル電圧測定手段２２１は、燃料電池２０の夫々のセルの電圧を測定し、それらの電圧は、メモリ２２２に記憶される。メモリ２２２で記憶されたセルの電圧から、最高電圧検出手段２２３は最高電圧Ｖ_ｍａｘを、最低電圧検出手段２２４は最低電圧Ｖ_ｍｉｎを検出する。検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、比較手段２３で第一及び第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２と夫々比較される。燃料電池２０の一つのセルの電圧が低下し、燃料電池２０全体のセルバランスが崩れた状態では、比較手段２３において最低電圧Ｖ_ｍｉｎが第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を下回るようになる。その結果、制御手段２４は、出力制御スイッチ２６に燃料電池２０の出力を遮断又は低減するための制御信号を送信する。出力制御スイッチ２６は、比較手段２３から比較結果が出力された時点（即ち、最低電圧Ｖ_ｍｉｎが検出された時点）で燃料電池２０から負荷２５への電力供給を遮断又は低減するように作動する。
〔異常時の動作（その２）〕
燃料電池２０の一つのセルの電圧が上昇し、燃料電池２０全体のセルバランスが崩れた場合について説明する。

検出手段２２の各セル電圧測定手段２２１は、燃料電池２０の夫々のセルの電圧を測定し、それらの電圧は、メモリ２２２に記憶される。メモリ２２２で記憶されたセルの電圧から、最高電圧検出手段２２３は最高電圧Ｖ_ｍａｘを、最低電圧検出手段２２４は最低電圧Ｖ_ｍｉｎを検出する。検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、比較手段２３で第一及び第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２と夫々比較される。燃料電池２０の一つのセルの電圧が上昇し、燃料電池２０全体のセルバランスが崩れた状態では、比較手段２３において最高電圧Ｖ_ｍａｘが第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を上回るようになる。その結果、制御手段２４は、出力制御スイッチ２６に燃料電池２０の出力を遮断又は低減するための制御信号を送信する。出力制御スイッチ２６は、比較手段２３から比較結果が出力された時点（即ち、最高電圧Ｖ_ｍａｘが検出された時点）で燃料電池２０から負荷２５への電力供給を遮断又は低減するように作動する。〔異常状態からの復帰動作〕
セルの異常状態により遮断された電力供給が再開される動作について説明する。

検出手段２２は、上述したように夫々のセルの電圧の測定並びに最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎの検出を行い、検出された最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、比較手段２３で第一及び第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２と夫々比較される。比較手段２３において、最高電圧Ｖ_ｍａｘ及び最低電圧Ｖ_ｍｉｎは、第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１から第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の範囲内にあることが確認された場合、制御手段２４は、出力制御スイッチ２６に負荷２５への電力供給を再開するよう制御信号を送信する。出力制御スイッチ２６は、制御手段２４からの信号によって、出力の遮断を解除する、あるいは下げた出力量を徐々に上げるように作動する。

以上、本実施例に係る燃料電池制御回路は、個々のセルの電圧を検出し、検出された電圧がセルの異常を検知するための下限となる基準電圧を下回るか、又はセルの異常を検知するための上限となる基準電圧を上回るかに応じて燃料電池の出力を制御することが可能となる。
〔変形例〕
本実施例において、検出手段２２は、燃料電池の複数のセルの最高電圧及び最低電圧の両方を検出したが、検出及び制御の目的又は回路構成上の都合等により最高電圧又は最低電圧のいずれか一方のみを検出するよう構成されても良い。そのような場合であっても、燃料電池システムの動作は、上述した動作と同様である。

また、本実施例において、燃料電池２０の出力制御は、出力制御スイッチ２６が作動することによってなされたが、燃料電池への燃料（例えば、アルコール等。）の注入量を制御することになされても良い。その場合、制御手段２４は、燃料の注入を制御する手段（図示せず。）に制御信号を送信する。

また、本実施例において、出力制御スイッチ２６は、比較手段２３から制御手段２４へ比較結果が供給された時点（即ち、最高電圧及び／又は最低電圧が検出された時点）で燃料電池２０の出力を遮断又は低減するように動作したが、比較結果の供給時点から一定時間Ｔ_o後に動作する、又は比較結果の供給時点ｔ_ｄから動作して徐々にその出力を下げるように制御されても良い。図３は、このような制御によって遮断された燃料電池の出力を示す。図３において、出力制御スイッチ２６が、制御手段２４からの信号によって、比較手段２３の出力時点ｔ_dから動作するように制御された場合の出力は（１）で、比較手段２３の出力時点ｔ_dから一定時間Ｔ_o後に動作するように制御された場合の出力は（２）で、あるいは比較手段２３の出力時点ｔ_dから動作して徐々にその出力を下げるように制御された場合の出力は（３）で表わされる。

〔構成〕
図４は、本発明の別の実施例に係る燃料電池制御回路の一部の構成を示す図である。図４において、本発明の燃料電池制御回路は、切替え手段４１、遅延手段４２、基準電圧発生手段４３、比較手段４４及び制御手段４５から構成される。切替え手段４１は、燃料電池４０の複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える手段である。遅延手段４２は、切替え手段４１によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる手段である。基準電圧発生手段４３は、切替え手段４１の切替えに応じて前記接続点毎に基準電圧を発生する手段であり、初期電圧Ｖ_zと遅延手段４２によって遅延された電圧を示す信号の電圧とを加算することによって基準電圧を発生させる。初期電圧Ｖ_zは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧である。比較手段４４は、図４では演算増幅器の形で示され、切替え手段４１によって切替えられた接続点の電圧と基準電圧発生手段４３で発生した基準電圧とを比較する手段である。制御手段４５は、比較手段４４の出力に応じて燃料電池４０の出力を制御する手段であり、その出力は、燃料電池システムの出力制御スイッチに供給される。

例えば、基準電圧発生手段４３は、図５のようにアナログ回路で構成される。図５において、基準電圧発生手段４３は、演算増幅器による二つの回路を組み合わされて構成される。一段目の回路は、ツェナーダイオードによって決められる初期電圧Ｖ_zと遅延手段４２からの入力電圧とを足し合わせる加算回路である。二段目の回路は、一段目の加算回路の出力が入力に対して反転されているので、それを更に反転して元に戻すための反転回路である。この反転回路の出力が、図４の比較手段４４に入力される基準電圧となる。

図４において、燃料電池４０を構成する電池セルの個数は４個であり、そのとき、夫々のセルの両端の電圧がＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４と表わされ、更に夫々のセルの間の接続点から出された端子がＪ_１、Ｊ_２、Ｊ_３、Ｊ_４と表わされるとする。
〔動作〕
〔正常時の動作〕
最初に、切替え手段４１は、Ａ点が端子Ｊ_１と接続されるように切替わる。従って、遅延手段４２及び比較手段４４の反転側入力端子に供給される端子Ｊ_１の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１である。基準電圧発生手段４３は、この時点で初期電圧Ｖ_zを有しており、比較手段４４の非反転側入力端子には基準電圧としてこの初期電圧Ｖ_zが供給される。比較手段４４は、第一のセルの電圧Ｖ_１と基準電圧Ｖ_zとの差Ｘ_１（＝Ｖ_z−Ｖ_１）を出力する。この差の正負を判定することによりセルの異常を検知する。初期電圧Ｖ_zは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であるから、第一のセルの電圧Ｖ_１がこれを下回る場合、第一のセルは異常であると判断できる。第一のセルの電圧Ｖ_１が初期電圧Ｖ_zを下回らない場合、切替え手段４１は、一定時間Ｔ後にＡ点が端子Ｊ_２と接続されるように切り替わる。

Ａ点が端子Ｊ_２と接続されるとき、遅延手段４２及び比較手段４４の反転側入力端子に供給される端子Ｊ_２の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１と第二のセルの電圧Ｖ_２との合計Ｖ_１＋Ｖ_２である。一方、遅延手段４２は、入力された電圧で示される信号を時間Ｔだけ遅延させるので、先に入力された第一のセルの電圧Ｖ_１を出力する。基準電圧発生手段４３は、初期電圧Ｖ_zと遅延手段４２の出力Ｖ_１とを加算することによって基準電圧を発生する。即ち、比較手段４４の非反転側入力端子に供給される基準電圧は、初期電圧Ｖ_zと第一のセルの電圧Ｖ_１との合計Ｖ_z＋Ｖ_１である。比較手段４４は、端子Ｊ_２の電圧Ｖ_１＋Ｖ_２と基準電圧Ｖ_z＋Ｖ_１との差Ｘ_２（＝（Ｖ_z＋Ｖ_１）−（Ｖ_１＋Ｖ_２）＝Ｖ_z−Ｖ_２）を出力する。従って、第二のセルの電圧Ｖ_２が初期電圧Ｖ_zを下回らない場合、切替え手段４１は、一定時間Ｔ後にＡ点が端子Ｊ_３と接続されるように切り替わる。

以下、Ａ点が端子Ｊ_３及びＪ_４に接続される場合についても同様の処理が実施され、夫々のセルの電圧が検出及び比較される。四つ全てのセルに対して電圧の検出及び比較がなされると、処理は最初に戻り、再び第一のセルの電圧を検出及び比較する。当然、セルの個数が４個以上又は以下である場合も同様である。

図６は、図４の基準電圧発生手段４３で発生する基準電圧、Ａ点の電圧及び比較手段４４の出力電圧について切替え手段４１の切替え時刻に亘る遷移を示す。

切替え手段４１は、時刻ｔ＝ｔ_０でＡ点を端子Ｊ_１に接続し、それから時間Ｔ経過後、Ａ点を端子Ｊ_２に接続するように切り替わる。この切替えに伴う遅延時間をαとすると、時刻ｔ_０からｔ_０＋Ｔ−αの間、Ａ点はＪ_１に接続されており、上述したように、そのときの基準電圧は初期電圧Ｖ_zであり、Ａ点の電圧は第一のセルの電圧Ｖ_１であり、比較手段４４の出力は、これらの差Ｘ_１＝Ｖ_z−Ｖ_１である。更に時間Ｔ経過後、即ち時刻ｔ＝ｔ_０＋２Ｔで、切り替え手段４１は、Ａ点を端子Ｊ_３に接続するように切り替わる。同様に、時刻ｔ_０＋Ｔからｔ_０＋Ｔ−αの間、Ａ点はＪ_２に接続されており、そのときの基準電圧は、初期電圧Ｖ_zと第一のセルの電圧Ｖ_１との合計Ｖ_z＋Ｖ_１であり、Ａ点の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１と第二のセルの電圧Ｖ_２との合計Ｖ_１＋Ｖ_２であり、比較手段４４の出力は、これらの差Ｘ_１＝Ｖ_z−Ｖ_２である。以下、切替え手段４１によりＡ点が端子Ｊ_３及びＪ_４に接続される場合についても同様である。
〔異常時の動作〕
図４の燃料電池制御回路において、燃料電池４０のｉ番目のセルの電圧が低下し、燃料電池４０全体のセルバランスが崩れた場合を考える。電圧が低下したｉ番目のセルの電圧をＶ_ｉｌｏｗとすると、このとき比較手段４４の出力は、Ｘ_ｉ＝Ｖ_z−Ｖ_ｉｌｏｗとなる。初期電圧Ｖ_zは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であるから、セルの電圧Ｖ_ｉｌｏｗが初期電圧Ｖ_zを下回る場合、即ちＸ_ｉが正（Ｘ_ｉ＞０）である場合、そのセルは異常である。セルが異常であると検知されると、制御手段は、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御信号を出力制御スイッチに送信する。この制御信号に応じて、出力制御スイッチは、セルが異常であると検知された時点で燃料電池４０の出力を遮断又は低減するように作動する。

以上、本実施例に係る燃料電池制御回路は、個々のセルの電圧を検出し、検出された電圧が所定の電圧以下となったとき、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御することができる。

更に、本実施例に係る燃料電池制御回路は、実施例１に係る燃料電池制御回路が燃料電池の全てのセルの電圧を測定したのに対して、一定時間毎に個々のセルの電圧を測定し、その個々のセルの電圧についてリアルタイムで異常を検知することが可能である。従って、異常なセルを容易に特定することができる。更に、全てのセルの電圧を測定しておく必要がないことから、実施例１に比べてその構成が簡単化されるという利点を有する。
〔変形例〕
本実施例において、図４の基準電圧発生手段４３の初期電圧Ｖ_zは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であったが、単一のセルの電圧が上昇したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であっても良い。この場合、比較手段４４は、その出力Ｘ_ｉが負（Ｘ_ｉ＜０）であると、セルの異常を検知するように設定される。従って、検出された電圧が所定の電圧以上となったとき、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御することができる。

〔構成〕
図７は、本発明の更に別の実施例に係る制御回路の一部の構成を示す図である。図７において、本発明の制御回路は、切替え手段７１、遅延手段７２、差分手段７３、比較手段７４及び制御手段７５から構成される。実施例２と同様に、切替え手段７１は、燃料電池７０の複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える手段であり、遅延手段７２は、切替え手段７１によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる手段である。差分手段７３は、図７では演算増幅器の形で示され、切替え手段７１によって切替えられた接続点の電圧と遅延手段で遅延された電圧を示す信号の電圧との差を出力する手段である。比較手段７４は、図７では演算増幅器の形で示され、差分手段７３の出力と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較する手段である。基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧である。制御手段７５は、比較手段７４の出力に応じて燃料電池７０の出力を制御する手段であり、その出力は、燃料電池システムの出力制御スイッチに供給される。

図７において、燃料電池７０を構成する電池セルの個数は４個であり、そのとき、夫々のセルの両端の電圧がＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４と表わされ、更に夫々のセルの間の接続点から出された端子がＪ_１、Ｊ_２、Ｊ_３、Ｊ_４と表わされるとする。
〔動作〕
〔正常時の動作〕
最初に、切替え手段７１は、Ａ点が端子Ｊ_１と接続されるように切替わる。従って、遅延手段７２及び差分手段７３の非反転側入力端子に供給される端子Ｊ_１の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１である。この時点で遅延手段７２からは０Ｖが出力され、これは差分手段７３の反転側入力端子に供給される。差分手段７３は、反転側入力端子に供給された電圧が０Ｖであるから、燃料電池７０の第一のセルの電圧Ｖ_１を出力する。比較手段７４は、この電圧Ｖ_１と基準電圧Ｖ_ｒｅｆを比較し、その出力は、第一のセルの電圧Ｖ_１と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの差Ｘ_１（＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_１）である。この差の正負を判定することによりセルの異常を検知する。基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であるから、第一のセルの電圧Ｖ_１がこれを下回る場合、第一のセルは異常であると判断できる。第一のセルの電圧Ｖ_１が基準電圧Ｖ_ｒｅｆを下回らない場合、切替え手段７１は、一定時間Ｔ後にＡ点が端子Ｊ_２と接続されるように切り替わる。

Ａ点が端子Ｊ_２と接続されるとき、遅延手段７２及び差分手段７３の非反転側入力端子に供給される端子Ｊ_２の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１と第二のセルの電圧Ｖ_２との合計Ｖ_１＋Ｖ_２である。一方、遅延手段７２は、入力された電圧で示される信号を時間Ｔだけ遅延させるので、先に入力された第一のセルの電圧Ｖ_１を出力する。差分手段７３は、その反転側入力端子にこの電圧Ｖ_１を供給され、燃料電池７０の第二のセルの電圧Ｖ_２（＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）−Ｖ_１）を出力する。比較手段７４は、第二のセルの電圧Ｖ_２と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較し、その出力は、第二のセルの電圧Ｖ_２と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの差Ｘ_２（＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_２）である。従って、第二のセルの電圧Ｖ_２が基準電圧Ｖ_ｒｅｆを下回らない場合、切替え手段７１は、一定時間T後にＡ点が端子Ｊ_３と接続されるように切り替わる。

以下、Ａ点が端子Ｊ_３及びＪ_４に接続される場合についても同様の処理が実施され、夫々のセルの電圧が検出及び比較される。四つ全てのセルに対して電圧の検出及び比較がなされると、処理は最初に戻り、再び第一のセルの電圧を検出及び比較する。当然、セルの個数が４個以上又は以下である場合も同様である。

図８は、図７の差分手段７３に入力される遅延手段７２の出力電圧及びＡ点の電圧、差分手段７３の出力電圧並びに比較手段の出力電圧について切替え手段７１の切替え時刻に亘る遷移を示す。

切替え手段７１は、時刻ｔ＝ｔ_０でＡ点を端子Ｊ_１に接続し、それから時間T経過後、Ａ点を端子Ｊ_２に接続するように切り替わる。この切替えに伴う遅延時間をαとすると、時刻ｔ_０からｔ_０＋T−αの間、Ａ点はＪ_１に接続されており、上述したように、そのときの遅延手段７２の出力は零であり、Ａ点の電圧は第一のセルの電圧Ｖ_１であり、差分手段７３の出力は、これらの差、即ち第一のセルの電圧Ｖ_１であり、比較手段７４の出力は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆと差分手段７３の出力、即ち第一のセルの電圧Ｖ_１との差Ｘ_１＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_１である。更に時間T経過後、即ち時刻ｔ＝ｔ_０＋２Tで、切り替え手段７１は、Ａ点を端子Ｊ_３に接続するように切り替わる。同様に、時刻ｔ_０＋Ｔからｔ_０＋Ｔ−αの間、Ａ点はＪ_２に接続されており、そのときの遅延手段７２の出力は、第一のセルの電圧Ｖ_１であり、Ａ点の電圧は、第一のセルの電圧Ｖ_１と第二のセルの電圧Ｖ_２との合計Ｖ_１＋Ｖ_２であり、差分手段７３の出力は、これらの差、即ち第二のセルの電圧Ｖ_２であり、比較手段７４の出力は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆと差分手段７３の出力、即ち第二のセルの電圧Ｖ_２との差Ｘ_２＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_２である。以下、切替え手段７１によりＡ点が端子Ｊ_３及びＪ_４に接続される場合についても同様である。図８より、差分手段７３は、燃料電池の夫々のセルの電圧を出力し、その出力が基準電圧と比較されることが分かる。
〔異常時の動作〕
図７の燃料電池制御回路において、燃料電池７０のｉ番目のセルの電圧が低下し、燃料電池７０全体のセルバランスが崩れた場合を考える。電圧が低下したｉ番目のセルの電圧をＶ_ｉｌｏｗとすると、差分手段７３の出力はＶ_ｉｌｏｗである。このとき比較手段７４は、差分手段５３の出力電圧Ｖ_ｉｌｏｗを基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較し、その出力は、Ｘ_ｉ＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_ｉｌｏｗとなる。初基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であるから、セルの電圧Ｖ_ｉｌｏｗが基準電圧Ｖ_ｒｅｆを下回る場合、即ちＸ_ｉが正（Ｘ_ｉ＞０）である場合、そのセルは異常である。セルが異常であると検知されると、制御手段は、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御信号を出力制御スイッチに送信する。この制御信号に応じて、出力制御スイッチは、セルが異常であると検知された時点で燃料電池７０の出力を遮断又は低減するように作動する。

以上、本実施例に係る燃料電池制御回路は、セルの電圧を順次検出し、検出された電圧が所定の電圧以下となったとき、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御することができる。

更に、本実施例に係る燃料電池制御回路は、実施例２に係る燃料電池制御回路が実施例１に係る燃料電池制御回路に対して有していた利点に加え、実施例２のように切替え手段の切替えに対応して基準電圧を発生するための手段を設ける必要がなく、基準電圧として定電圧源を用いれば良いことから、上述したいずれの実施例より単純に構成されるという利点を有する。
〔変形例〕
本実施例において、図７の比較手段７４の基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、単一のセルの電圧が低下したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であったが、単一のセルの電圧が上昇したとき、その異常を検出するための基準となる電圧であっても良い。この場合、比較手段７４は、その出力Ｘ_ｉが負（Ｘ_ｉ＜０）であると、セルの異常を検知するように設定される。従って、検出された電圧が所定の電圧以上となったとき、燃料電池の出力を遮断又は低減するように制御することができる。

また、本発明の燃料電池制御回路によるいずれの実施例においても、比較手段に演算増幅器を用いて、そのアナログ出力を制御手段へ出力したが、ロジック回路によって変換されたロジック信号を制御手段へ出力しても良い。更に、比較手段の出力は、周波数変調又は振幅変調等の変調処理を施されても良く、あるいは、アナログ出力であっても、その出力を適切な比率で調整されても良い。他の構成要素についても、アナログ回路又はデジタル回路のいずれで構成されても良く、本明細書で挙げられた実施例以外の構成を採ることが十分に考えられうる。

特開平８−５０９０２号に開示された燃料電池発電装置の構成図である。 本発明の制御回路を有する燃料電池システムの基本構成例を示す図である。 本発明の制御回路による燃料電池制御動作を示す図である。 本発明の別の実施例に係る制御回路の一部の構成図である。 図４の基準電圧発生手段をアナログ回路による構成例を示す図である。 図４の制御回路の各部の電圧を示す図である。 本発明の更に別の実施例に係る制御回路の一部の構成図である。 図７の制御回路の各部の電圧を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 直列スタック
２ 燃料電池スタック（セルスタック）
３ 充電／放電スイッチ
４ インバータ
５ 変圧器
６ ダイオード
１０、２０、４０、５０ 燃料電池
２１ 制御回路
２２ 検出手段
２３、４４、７４ 比較手段
２４、４５、７５ 制御手段
２５ 負荷
２６ 出力制御スイッチ
２７ 蓄電装置
２２１ 各セル電圧測定手段
２２２ メモリ
２２３ 最高電圧検出手段
２２４ 最低電圧検出手段
４１、７１ 切替え手段
４２、７２ 遅延手段
４３ 基準電圧発生手段
７３ 差分手段
Ａ、Ｊ_１、Ｊ_２、Ｊ_３、Ｊ_４ 端子
R 抵抗
Ｔ_o、ｔ、ｔ_d、ｔ_０、α 時間
Ｖ_ｍａｘ 最高電圧
Ｖ_ｍｉｎ 最低電圧
Ｖ_ｒｅｆ、Ｖ_ｒｅｆ１、Ｖ_ｒｅｆ２ 基準電圧
Ｖ_z 初期電圧
Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_n-１、Ｖ_n セル電圧
Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４ 比較手段の出力

Claims (5)

1. 複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、
   前記複数の電池セルの電圧から最低電圧を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された最低電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、
   前記比較手段で前記最低電圧が前記基準電圧を下回る場合に前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池制御回路。
2. 複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、
   前記複数の電池セルの電圧から最高電圧を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された最高電圧と基準電圧とを比較する比較手段と、
   前記比較手段で前記最高電圧が前記基準電圧を上回る場合に前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池制御回路。
3. 複数の電池セルを直列が多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、
   前記複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える切替え手段と、
   前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる遅延手段と、
   前記切替え手段の切替えに対応して前記接続点毎に基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
   前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧と前記基準電圧発生手段で発生した基準電圧とを比較する比較手段と、
   前記比較手段の出力に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池制御回路。
4. 複数の電池セルが直列に多段接続された燃料電池の出力を制御する燃料電池制御回路において、
   前記複数の電池セルの夫々の接続点を所定の間隔Ｔをもって切替える切替え手段と、
   前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧を示す信号を時間Ｔだけ遅延させる遅延手段と、
   前記切替え手段によって切替えられた接続点の電圧と前記遅延手段で遅延された電圧を示す信号の電圧との差を出力する差分手段と、
   前記差分手段の出力と基準電圧とを比較する比較手段と、
   前記比較手段の出力に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池制御回路。
5. 前記制御手段は、前記比較手段の出力時点から前記燃料電池の出力を制御する、前記比較手段の出力時点から一定時間後に前記燃料電池の出力を制御する、又は前記比較手段の出力時点から徐々にその出力を下げるように前記燃料電池の出力を制御することを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の燃料電池制御回路。

Images