JP2007115442A - 燃料電池制御回路 - Google Patents
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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Vmax及び最低電圧Vmin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Vmax及び最低電圧Vminと第一及び第二の基準電圧Vref1、Vref2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
【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Vmax及び最低電圧Vmin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Vmax及び最低電圧Vminと第一及び第二の基準電圧Vref1、Vref2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。
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Vmax及び最低電圧Vmin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Vmax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Vminを検出する。最高電圧検出手段で検出された最高電圧Vmax及び最低電圧検出手段で検出された最低電圧Vmin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Vmaxと第一の基準電圧Vref1、及び最低電圧Vminと第二の基準電圧Vref2とを夫々比較する手段である。第一の基準電圧Vref1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Vref2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Vmaxが第一の基準電圧Vref1を上回る、又は最低電圧Vminが第二の基準電圧Vref2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。
〔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Vmaxを、最低電圧検出手段224は最低電圧Vminを検出する。検出された最高電圧Vmax及び最低電圧Vminは、比較手段23で第一及び第二の基準電圧Vref1、Vref2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Vminが第二の基準電圧Vref2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Vmin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。
〔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Vmaxを、最低電圧検出手段224は最低電圧Vminを検出する。検出された最高電圧Vmax及び最低電圧Vminは、比較手段23で第一及び第二の基準電圧Vref1、Vref2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Vmaxが第一の基準電圧Vref1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Vmax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。
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Vmax及び最低電圧Vminの検出を行い、検出された最高電圧Vmax及び最低電圧Vminは、比較手段23で第一及び第二の基準電圧Vref1、Vref2と夫々比較される。比較手段23において、最高電圧Vmax及び最低電圧Vminは、第一の基準電圧Vref1から第二の基準電圧Vref2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。
〔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To後に動作する、又は比較結果の供給時点td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td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tdから一定時間To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td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Vz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Vz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。
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Vz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Vz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Vz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V1、V2、V3、V4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J1、J2、J3、J4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J1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J1の電圧は、第一のセルの電圧V1である。基準電圧発生手段43は、この時点で初期電圧Vz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Vzが供給される。比較手段44は、第一のセルの電圧V1と基準電圧Vzとの差X1(=Vz−V1)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Vz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V1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V1が初期電圧Vz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J2と接続されるように切り替わる。
〔動作〕
〔正常時の動作〕
最初に、切替え手段41は、A点が端子J1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J1の電圧は、第一のセルの電圧V1である。基準電圧発生手段43は、この時点で初期電圧Vz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Vzが供給される。比較手段44は、第一のセルの電圧V1と基準電圧Vzとの差X1(=Vz−V1)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Vz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V1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V1が初期電圧Vz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J2と接続されるように切り替わる。
A点が端子J2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J2の電圧は、第一のセルの電圧V1と第二のセルの電圧V2との合計V1+V2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V1を出力する。基準電圧発生手段43は、初期電圧Vzと遅延手段42の出力V1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Vzと第一のセルの電圧V1との合計Vz+V1である。比較手段44は、端子J2の電圧V1+V2と基準電圧Vz+V1との差X2(=(Vz+V1)−(V1+V2)=Vz−V2)を出力する。従って、第二のセルの電圧V2が初期電圧Vz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J3と接続されるように切り替わる。
以下、A点が端子J3及びJ4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=t0でA点を端子J1に接続し、それから時間T経過後、A点を端子J2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t0からt0+T−αの間、A点はJ1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Vzであり、A点の電圧は第一のセルの電圧V1であり、比較手段44の出力は、これらの差X1=Vz−V1である。更に時間T経過後、即ち時刻t=t0+2Tで、切り替え手段41は、A点を端子J3に接続するように切り替わる。同様に、時刻t0+Tからt0+T−αの間、A点はJ2に接続されており、そのときの基準電圧は、初期電圧Vzと第一のセルの電圧V1との合計Vz+V1であり、A点の電圧は、第一のセルの電圧V1と第二のセルの電圧V2との合計V1+V2であり、比較手段44の出力は、これらの差X1=Vz−V2である。以下、切替え手段41によりA点が端子J3及びJ4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Vilowとすると、このとき比較手段44の出力は、Xi=Vz−Vilowとなる。初期電圧Vz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Vilowが初期電圧Vzを下回る場合、即ちXiが正(Xi>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。
〔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Vilowとすると、このとき比較手段44の出力は、Xi=Vz−Vilowとなる。初期電圧Vz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Vilowが初期電圧Vzを下回る場合、即ちXiが正(Xi>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Vz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Xiが負(Xi<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。
〔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Vz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Xiが負(Xi<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Vrefとを比較する手段である。基準電圧Vref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Vrefとを比較する手段である。基準電圧Vref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V1、V2、V3、V4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J1、J2、J3、J4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J1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J1の電圧は、第一のセルの電圧V1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V1を出力する。比較手段74は、この電圧V1と基準電圧Vrefを比較し、その出力は、第一のセルの電圧V1と基準電圧Vrefとの差X1(=Vref−V1)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Vref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V1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V1が基準電圧Vref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J2と接続されるように切り替わる。
〔動作〕
〔正常時の動作〕
最初に、切替え手段71は、A点が端子J1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J1の電圧は、第一のセルの電圧V1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V1を出力する。比較手段74は、この電圧V1と基準電圧Vrefを比較し、その出力は、第一のセルの電圧V1と基準電圧Vrefとの差X1(=Vref−V1)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Vref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V1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V1が基準電圧Vref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J2と接続されるように切り替わる。
A点が端子J2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J2の電圧は、第一のセルの電圧V1と第二のセルの電圧V2との合計V1+V2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V1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V1を供給され、燃料電池70の第二のセルの電圧V2(=(V1+V2)−V1)を出力する。比較手段74は、第二のセルの電圧V2と基準電圧Vrefとを比較し、その出力は、第二のセルの電圧V2と基準電圧Vrefとの差X2(=Vref−V2)である。従って、第二のセルの電圧V2が基準電圧Vref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J3と接続されるように切り替わる。
以下、A点が端子J3及びJ4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=t0でA点を端子J1に接続し、それから時間T経過後、A点を端子J2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t0からt0+T−αの間、A点はJ1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V1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V1であり、比較手段74の出力は、基準電圧Vrefと差分手段73の出力、即ち第一のセルの電圧V1との差X1=Vref−V1である。更に時間T経過後、即ち時刻t=t0+2Tで、切り替え手段71は、A点を端子J3に接続するように切り替わる。同様に、時刻t0+Tからt0+T−αの間、A点はJ2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V1であり、A点の電圧は、第一のセルの電圧V1と第二のセルの電圧V2との合計V1+V2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V2であり、比較手段74の出力は、基準電圧Vrefと差分手段73の出力、即ち第二のセルの電圧V2との差X2=Vref−V2である。以下、切替え手段71によりA点が端子J3及びJ4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Vilowとすると、差分手段73の出力はVilowである。このとき比較手段74は、差分手段53の出力電圧Vilowを基準電圧Vrefと比較し、その出力は、Xi=Vref−Vilowとなる。初基準電圧Vref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Vilowが基準電圧Vrefを下回る場合、即ちXiが正(Xi>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。
〔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Vilowとすると、差分手段73の出力はVilowである。このとき比較手段74は、差分手段53の出力電圧Vilowを基準電圧Vrefと比較し、その出力は、Xi=Vref−Vilowとなる。初基準電圧Vref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Vilowが基準電圧Vrefを下回る場合、即ちXiが正(Xi>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Vref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Xiが負(Xi<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。
〔変形例〕
本実施例において、図7の比較手段74の基準電圧Vref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Xiが負(Xi<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。
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、J1、J2、J3、J4 端子
R 抵抗
To、t、td、t0、α 時間
Vmax 最高電圧
Vmin 最低電圧
Vref、Vref1、Vref2 基準電圧
Vz 初期電圧
V1、V2、V3、V4、Vn-1、Vn セル電圧
X1、X2、X3、X4 比較手段の出力
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、J1、J2、J3、J4 端子
R 抵抗
To、t、td、t0、α 時間
Vmax 最高電圧
Vmin 最低電圧
Vref、Vref1、Vref2 基準電圧
Vz 初期電圧
V1、V2、V3、V4、Vn-1、Vn セル電圧
X1、X2、X3、X4 比較手段の出力
Claims (5)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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