JP2011085443A - Voltage measuring device and fuel cell system using the same - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for enhancing the accuracy of voltage measurement, and a technique capable of inhibiting deterioration of a fuel cell by the high-accuracy voltage measurement. <P>SOLUTION: An amplification part 210 of a voltage measuring device 200 amplifies a measurement value by using a predetermined relationship in which a one-to-one correspondence exists between its input values and output values, and outputs the amplified value. In the predetermined relationship, a change in output value with respect to an input value is steeper in the low voltage side voltage region of a voltage region being a measuring object, than in the high voltage side voltage region. By measuring the voltage of each single cell 10 of the fuel cell 100 by using this voltage measuring device 200, a single cell 10 whose power generation performance has deteriorated can be easily detected. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムをはじめとする電気システムにおける電圧測定技術に関する。   The present invention relates to a voltage measurement technique in an electric system such as a fuel cell system.

燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を含む複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。燃料電池では、一部の単セルの発電性能が低下した状態で運転が継続されると、当該一部の単セルの電解質膜などの構成部材が不可逆的なダメージを受けてしまう場合がある。そこで、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の電圧を測定することによって、燃料電池の異常を検出する技術が提案されている（下記特許文献１等）。   2. Description of the Related Art Generally, a fuel cell includes a cell stack in which a plurality of single cells including a membrane electrode assembly that is a power generation body in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane are stacked. In the fuel cell, when the operation is continued in a state where the power generation performance of some of the single cells is deteriorated, components such as the electrolyte membrane of the some of the single cells may be irreversibly damaged. Therefore, a technique for detecting an abnormality of a fuel cell by measuring a voltage of the fuel cell in a fuel cell system including the fuel cell has been proposed (Patent Document 1 below).

ところで、上記のような一部の単セルの発電性能の低下を早期かつ確実に検出するためには、燃料電池の電圧の低下をより高い精度で検出することが望ましい。しかし、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。なお、電圧の低下をより高い精度で検出することは、燃料電池システムに限らず、電気を利用する電気システムにおいて共通する課題であった。   By the way, in order to detect the decrease in the power generation performance of some of the single cells as described above quickly and reliably, it is desirable to detect the decrease in the voltage of the fuel cell with higher accuracy. However, until now, it has been the case that sufficient ideas have not been made to meet these requirements. It should be noted that detecting a decrease in voltage with higher accuracy is a common problem not only in fuel cell systems but also in electrical systems that use electricity.

特開２００８−０９８０７６号公報JP 2008-098076 A 特開平７−３１８５３０号公報JP 7-318530 A 特開平８−０８８９４０号公報JP-A-8-088940 特開２００８−０８５０１号公報JP 2008-08501A

本発明は、電圧測定の精度を向上させる技術を提供するとともに、精度の高い電圧測定によって、燃料電池の劣化を抑制できる技術を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a technique for improving the accuracy of voltage measurement and to provide a technique capable of suppressing deterioration of the fuel cell by highly accurate voltage measurement.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］
電圧測定装置であって、電圧を計測する計測部と、入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測部が取得した計測値を増幅して出力する増幅部と、を備え、前記計測部の計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、入力値に対する出力値の変化が、高電圧領域よりも低電圧領域の方が急峻であるため、計測対象範囲の全範囲において、低電圧側の領域における電圧の測定精度を向上させることができる。 [Application Example 1]
A voltage measurement device, which amplifies and outputs a measurement value acquired by the measurement unit using a predetermined relationship in which a measurement unit that measures voltage and an input value and an output value correspond one-to-one. The voltage region to be measured by the measurement unit includes a low voltage region that is a low voltage side region of the entire range and a high voltage that is a region on the high voltage side of the entire range. A voltage measurement device, wherein the predetermined relationship is that the change of the output value with respect to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region.
According to this voltage measuring device, the change of the output value with respect to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region, and therefore the voltage measurement in the low voltage side region in the entire measurement target range. Accuracy can be improved.

［適用例２］
適用例１記載の電圧測定装置であって、前記計測部は、複数の発電体が直列に積層された燃料電池に接続され、前記複数の発電体ごとに電圧を計測する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、燃料電池において、低電圧を出力している発電体の検出が容易となる。従って、低電圧を出力している発電体の負荷を低減させるための処理を迅速に実行することが可能となり、燃料電池の劣化を抑制できる。 [Application Example 2]
The voltage measurement device according to Application Example 1, wherein the measurement unit is connected to a fuel cell in which a plurality of power generators are stacked in series, and measures a voltage for each of the plurality of power generators.
According to this voltage measuring device, it becomes easy to detect a power generator that outputs a low voltage in a fuel cell. Therefore, it is possible to quickly execute a process for reducing the load of the power generator that outputs a low voltage, and the deterioration of the fuel cell can be suppressed.

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の電圧測定装置であって、さらに、前記計測部が取得する計測値をオフセットするための電圧印加部を備え、前記電圧印加部は、前記計測値をオフセットしたオフセット値を前記増幅部に出力する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、計測値を、電圧印加部によってオフセットすることにより、適切な入力値に変換した上で増幅部に入力できる。従って、電圧の測定精度を容易に向上させることができる。 [Application Example 3]
The voltage measurement device according to Application Example 1 or Application Example 2, further including a voltage application unit for offsetting a measurement value acquired by the measurement unit, wherein the voltage application unit offsets the measurement value. A voltage measurement device that outputs an offset value to the amplification unit.
According to this voltage measuring apparatus, the measured value can be input to the amplifying unit after being converted into an appropriate input value by offsetting it by the voltage applying unit. Therefore, the voltage measurement accuracy can be easily improved.

［適用例４］
適用例３に記載の電圧測定装置であって、前記増幅部は、前記電圧印加部からの出力を増幅するログアンプを有する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、増幅部をログアンプによって容易に構成することができる。 [Application Example 4]
The voltage measuring device according to Application Example 3, wherein the amplifying unit includes a log amplifier that amplifies an output from the voltage applying unit.
According to this voltage measuring device, the amplification unit can be easily configured by the log amplifier.

［適用例５］
燃料電池システムであって、複数の発電体が直列に積層された燃料電池と、適用例２または適用例２を引用する適用例３若しくは適用例４のいずれか一つに記載の電圧測定装置と、前記燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記電圧測定装置からの出力値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する検出処理を実行し、前記検出処理において、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を低減する処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電圧測定装置により、発電能力が低下している発電体を早期かつ確実に検出することができ、発電体に対する負荷を低減するための処理によって、発電体が不可逆的なダメージを受けることを回避できる。従って、燃料電池の劣化を抑制できる。 [Application Example 5]
A fuel cell system, a fuel cell in which a plurality of power generators are stacked in series, and the voltage measuring device according to any one of Application Example 3 or Application Example 4 that cites Application Example 2 or Application Example 2. A control unit that controls the operation of the fuel cell, and the control unit performs a detection process for detecting a low-voltage power generator in which an output value from the voltage measurement device is lower than a preset threshold value. A fuel cell system that executes and executes a process of reducing a load on the fuel cell when the low voltage generator is detected in the detection process.
According to this fuel cell system, the voltage measuring device can quickly and reliably detect the power generating body whose power generation capacity is reduced, and the power generating body is irreversible by the process for reducing the load on the power generating body. You can avoid taking damage. Therefore, deterioration of the fuel cell can be suppressed.

［適用例６］
電圧を測定する方法であって、
（ａ）電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、方法。 [Application Example 6]
A method for measuring voltage comprising:
(A) a step of measuring voltage;
(B) amplifying and outputting the measured value using a predetermined relationship in which the input value and the output value have a one-to-one correspondence;
With
In the step (a), the voltage region to be measured includes a low voltage region that is a region on the low voltage side of the entire range and a high voltage region that is a region on the high voltage side of the entire range. The predetermined relationship is included, wherein the change in the output value relative to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region.

［適用例７］
複数の発電体が直列に積層された燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記複数の発電体のそれぞれの電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
（ｃ）増幅された前記電圧の計測値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する工程と、
（ｄ）前記低電圧発電体が検出されたときに、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を軽減させるための処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、制御方法。 [Application Example 7]
A control method of a fuel cell system comprising a fuel cell in which a plurality of power generators are stacked in series,
(A) measuring each voltage of the plurality of power generators;
(B) amplifying and outputting the measured value using a predetermined relationship in which the input value and the output value have a one-to-one correspondence;
(C) detecting a low-voltage generator whose measured value of the amplified voltage is lower than a preset threshold value;
(D) executing the process for reducing the load on the fuel cell when the low-voltage generator is detected when the low-voltage generator is detected;
With
In the step (a), the voltage region to be measured includes a low voltage region that is a region on the low voltage side of the entire range and a high voltage region that is a region on the high voltage side of the entire range. And the predetermined relationship is that the change in the output value relative to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、電圧測定装置や、電圧測定装置の制御方法、その装置の機能を実現するためのコンピュータプログラムや、その制御方法を実行するコンピュータプログラム、それらのコンピュータプログラムが記録された記録媒体等の形態で実現することができる。また、その電圧測定装置を備えた燃料電池システムをはじめとする電気システムや、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することもできる。   The present invention can be realized in various forms. For example, in the form of a voltage measurement device, a control method for the voltage measurement device, a computer program for realizing the function of the device, a computer program for executing the control method, a recording medium on which the computer program is recorded, etc. Can be realized. Moreover, it can also be realized in the form of an electric system including a fuel cell system including the voltage measuring device, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like.

第１実施例における電圧測定装置の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the voltage measurement apparatus in 1st Example. 第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the other structural example of the voltage measuring device in 1st Example. 第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the other structural example of the voltage measuring device in 1st Example. 第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the other structural example of the voltage measuring device in 1st Example. 第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を示す概略図。Schematic which shows the other structural example of the voltage measuring apparatus in 1st Example. 第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を示す概略図。Schematic which shows the other structural example of the voltage measuring apparatus in 1st Example. 第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell system as 2nd Example. 第２実施例における燃料電池システムの運転開始時に実行される燃料電池の起動処理の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of the starting process of the fuel cell performed at the time of the driving | operation start of the fuel cell system in 2nd Example. 第２実施例の燃料電池システムにおける燃料電池の暖機運転を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the warm-up operation of the fuel cell in the fuel cell system of 2nd Example. 第２実施例の燃料電池システムの通常の運転時における処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence at the time of the normal driving | operation of the fuel cell system of 2nd Example.

A．第１実施例：
図１（Ａ）は本発明の一実施例としての電圧測定装置の構成を示す概略図である。この電圧測定装置２００は、燃料電池１００に接続され、燃料電池１００の出力する電圧を後述する単セル１０ごとに測定する。ここで、燃料電池１００は、発電モジュールであるｎ（ｎは自然数）個の単セル１０が積層されたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池である。単セル１０は、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１を両側から狭持するアノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１３とを備える発電モジュールである。 A. First embodiment:
FIG. 1A is a schematic diagram showing a configuration of a voltage measuring apparatus as one embodiment of the present invention. The voltage measuring device 200 is connected to the fuel cell 100 and measures the voltage output from the fuel cell 100 for each single cell 10 described later. Here, the fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell having a stack structure in which n (n is a natural number) unit cells 10 that are power generation modules are stacked. The single cell 10 is a power generation module including a membrane electrode assembly 11 that is a power generation body in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane, and an anode separator 12 and a cathode separator 13 that sandwich the membrane electrode assembly 11 from both sides. is there.

アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１３は、導電性の板状部材によって構成され、膜電極接合体１１において発電された電気を集電する機能を有する。なお、これら２枚のセパレータ１２，１３には、膜電極接合体１１の各電極に反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を供給するための流路や、膜電極接合体１１の発電部を冷却するための冷媒の流路が形成されているが、その図示および説明は省略する。   The anode separator 12 and the cathode separator 13 are composed of conductive plate-like members, and have a function of collecting electricity generated in the membrane electrode assembly 11. The two separators 12 and 13 cool the flow path for supplying the reaction gas (oxidizing gas and fuel gas) to each electrode of the membrane electrode assembly 11 and the power generation unit of the membrane electrode assembly 11. Although the flow path of the refrigerant | coolant for doing is formed, the illustration and description are abbreviate | omitted.

電圧測定装置２００は、計測対象と接続される端子側がｎ本に分岐した陽極側端子コード２１１と陰極側端子コード２１２とを備える。２つの端子コード２１１，２１２の分岐した側の接続端子は、ｎ個の単セル１０のそれぞれのカソードセパレータ１３およびアノードセパレータ１２に接続されている。２つの端子コード２１１，２１２にはそれぞれ、計測対象となる単セル１０を切り替えるための開閉スイッチ２１５が、ｎ個の単セル１０ごとに設けられている。   The voltage measuring device 200 includes an anode-side terminal cord 211 and a cathode-side terminal cord 212 that are branched into n terminals on the terminal side connected to the measurement target. The connection terminals on the branched side of the two terminal cords 211 and 212 are connected to the cathode separator 13 and the anode separator 12 of each of the n unit cells 10. Each of the two terminal cords 211 and 212 is provided with an open / close switch 215 for switching the unit cell 10 to be measured for each of the n unit cells 10.

ここで、電圧測定装置２００は、切替制御部２０５を備えている。切替制御部２０５は、各単セル１０の陽極側および陰極側に接続された開閉スイッチ２１５を、各単セル１０ごとに閉じて、計測対象である単セル１０を順に切り替える。これにより、電圧測定装置２００は、各単セル１０の電圧を順に測定することができる。   Here, the voltage measuring apparatus 200 includes a switching control unit 205. The switching control unit 205 closes the open / close switch 215 connected to the anode side and the cathode side of each unit cell 10 for each unit cell 10 and sequentially switches the unit cell 10 to be measured. Thereby, the voltage measuring apparatus 200 can measure the voltage of each single cell 10 in order.

電圧測定装置２００は、さらに、増幅部２１０を備えている。増幅部２１０は、２つの端子コード２１１，２１２と接続されており、入力値と出力値とが１対１に対応している予め設定されたマップ（後述）を用いて電圧の計測値を増幅して出力する。なお、電圧測定装置２００には、各単セル１０ごとの出力結果を格納する記憶部が設けられているものとしても良く、増幅部２１０からの出力値を表示する表示部が設けられているものとしても良い。また、電圧測定装置２００は、増幅部２１０の出力結果を外部機器（図示せず）に送信するものとしても良い。   The voltage measurement device 200 further includes an amplification unit 210. The amplifying unit 210 is connected to the two terminal cords 211 and 212, and amplifies the voltage measurement value using a preset map (described later) in which the input value and the output value correspond one-to-one. And output. The voltage measuring device 200 may be provided with a storage unit that stores an output result for each single cell 10, and is provided with a display unit that displays an output value from the amplification unit 210. It is also good. Moreover, the voltage measuring apparatus 200 is good also as what transmits the output result of the amplification part 210 to an external apparatus (not shown).

図１（Ｂ）は、増幅部２１０に設定されているマップを説明するための説明図である。図１（Ｂ）には、増幅部２１０のマップにおける入力値と出力値との対応を示す数直線ＮＬが図示されている。数直線ＮＬには、２つの端子コード２１１，２１２からの電気信号に基づいて得られる入力値である電圧の測定値の０〜１．０Ｖの範囲の目盛りと、入力値と対応させた増幅部２１０の出力値の目盛りが、０〜１５の範囲で付されている。   FIG. 1B is an explanatory diagram for explaining a map set in the amplification unit 210. FIG. 1B shows a number line NL indicating the correspondence between the input value and the output value in the map of the amplification unit 210. In the number line NL, a scale in the range of 0 to 1.0 V of the measured value of the voltage, which is an input value obtained based on the electric signals from the two terminal cords 211 and 212, and an amplification unit corresponding to the input value The scale of the output value of 210 is given in the range of 0-15.

増幅部２１０のマップは、アナログ回路によって構成されており、例えば、０．２Ｖ，０．４Ｖ，０．６Ｖ，０．８Ｖ，１．０Ｖの入力値に対してそれぞれ、７，１１，１３，１４，１５を出力するように設定されている。即ち、この増幅部２１０では、電圧の計測範囲のうち、０Ｖより大きく、０．６Ｖ以下の比較的低い電圧領域において、電圧の計測値が低いほど高い増幅率で非線形に増幅している。換言すると、０．６Ｖよりも高い電圧領域よりも、０．６Ｖ以下の電圧領域の方が、入力値の変化に対する出力値の変化が急峻になっている。   The map of the amplifying unit 210 is configured by an analog circuit. For example, the input values of 0.2V, 0.4V, 0.6V, 0.8V, and 1.0V are 7, 11, 13, 14 and 15 are set to be output. That is, in this amplifying section 210, in a comparatively low voltage region greater than 0V and not more than 0.6V in the voltage measurement range, the amplification is nonlinearly performed with a higher amplification factor as the voltage measurement value is lower. In other words, the change of the output value with respect to the change of the input value is steeper in the voltage region of 0.6V or less than in the voltage region higher than 0.6V.

ここで、一般に、複数の単セルを有する燃料電池では、各単セルに対する反応ガスの配流性の低下などの原因で、一部の単セルの発電性能が低下してしまう場合がある。この状態で燃料電池の発電を継続させると、場合によっては、当該一部の単セルの出力電圧が負電圧にまで低下してしまい、当該単セルに含まれる電解質膜や触媒などの構成部材が不可逆的に劣化してしまう可能性がある。従って、燃料電池では、出力電圧が低下している単セルを早期かつ確実に検出することにより、単セルの劣化を抑制できることが好ましい。   Here, in general, in a fuel cell having a plurality of single cells, the power generation performance of some of the single cells may be reduced due to a decrease in the flowability of the reaction gas with respect to each single cell. If the power generation of the fuel cell is continued in this state, in some cases, the output voltage of the part of the single cells decreases to a negative voltage, and constituent members such as an electrolyte membrane and a catalyst included in the single cells There is a possibility of irreversible deterioration. Therefore, in the fuel cell, it is preferable that deterioration of the single cell can be suppressed by early and surely detecting the single cell whose output voltage is reduced.

本実施例の電圧測定装置２００によれば、運転中の燃料電池１００における各単セル１０の出力電圧を測定することができる。電圧測定装置２００であれば、上記のように、測定値が０Ｖ〜０．６Ｖの範囲のときに電圧の計測値が低いほど高い増幅率で増幅される。そのため、発電性能が低下して出力電圧が低下している単セル１０（以後、「低電圧セル１０」とも呼ぶ）を高い精度で検出することができる。特に、この電圧測定装置２００であれば、燃料電池１００の各単セル１０が全体として低い電圧（例えば各単セル１０の平均電圧が０．６Ｖ以下となる電圧）で運転している場合に、各単セル１０間の出力電圧の差がより大きく増幅されて検出される。そのため、低電圧セル１０を確実に検出することができる。なお、本実施例の電圧測定装置２００は、以下のように構成することも可能である。   According to the voltage measuring apparatus 200 of the present embodiment, the output voltage of each single cell 10 in the operating fuel cell 100 can be measured. In the case of the voltage measuring apparatus 200, as described above, when the measured value is in the range of 0V to 0.6V, the lower the measured voltage value, the higher the amplification factor. Therefore, the single cell 10 (hereinafter also referred to as “low voltage cell 10”) in which the power generation performance is reduced and the output voltage is reduced can be detected with high accuracy. In particular, with this voltage measuring apparatus 200, when each single cell 10 of the fuel cell 100 is operated at a low voltage as a whole (for example, a voltage at which the average voltage of each single cell 10 is 0.6 V or less), The difference in output voltage between the single cells 10 is detected by being amplified more greatly. Therefore, the low voltage cell 10 can be reliably detected. In addition, the voltage measuring apparatus 200 of a present Example can also be comprised as follows.

a1.他の構成例１：
図２は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。この構成例では、増幅部２１０が、図１（Ｂ）で説明したマップに換えて、グラフＧ３で表される変換関数を用いた演算により、電圧の測定値を増幅する点以外は、上記実施例の電圧測定装置２００と同様な構成である（図１（Ａ））。この構成例における変換関数としては、入力値の値が小さいほど出力値の増幅率が高くなる非線形関数（例えば、対数関数）を用いることができる。 a1. Other configuration examples 1:
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining another configuration example of the voltage measuring apparatus 200 in the present embodiment. In this configuration example, the above-described implementation is performed except that the amplification unit 210 amplifies the measured value of the voltage by calculation using the conversion function represented by the graph G3 instead of the map described in FIG. The configuration is similar to that of the voltage measuring apparatus 200 of the example (FIG. 1A). As the conversion function in this configuration example, a nonlinear function (for example, a logarithmic function) in which the amplification factor of the output value increases as the value of the input value decreases can be used.

ここで、計測対象である単セル１０の測定電圧が運転時間に対して線形的に高くなる場合を想定する。このときの任意の単セル１０における測定電圧（増幅部２１０に対する入力）の時間変化をグラフＧ１に示す。増幅部２１０は、変換関数に応じて非線形に電圧の測定値を増幅して出力する。そのため、増幅部２１０の出力値の時間変化はグラフＧ２のようになる。即ち、測定電圧が比較的低い運転時間初期の時間帯ほど、増幅部２１０による増幅率が高くなっている。このように、増幅部２１０において、入力値の変化に対する出力値の変化の特性が高電圧側よりも低電圧側の方が急峻となっている変換関数を用いた場合であっても、低電圧セル１０の出力電圧の解析の精度を向上させることができる。   Here, it is assumed that the measurement voltage of the single cell 10 that is the measurement target increases linearly with respect to the operation time. A time change of the measured voltage (input to the amplification unit 210) in any single cell 10 at this time is shown in a graph G1. The amplifying unit 210 amplifies the voltage measurement value nonlinearly according to the conversion function and outputs the amplified voltage value. Therefore, the time change of the output value of the amplification unit 210 is as shown in the graph G2. That is, the amplification factor by the amplification unit 210 is higher in the initial time period of the operation time when the measurement voltage is relatively low. As described above, even when the amplification unit 210 uses a conversion function in which the change characteristic of the output value with respect to the change of the input value is steeper on the low voltage side than on the high voltage side, the low voltage The accuracy of analysis of the output voltage of the cell 10 can be improved.

a2.他の構成例２：
図３は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。この構成例では、電圧測定装置２００の電圧の計測範囲が負電圧の領域を含む点と、増幅部２１０に設定されたマップが異なる点以外は、上記実施例の電圧測定装置２００と同様な構成（図１（Ａ））である。図３には、増幅部２１０が有するマップを表すグラフＴＦが図示されている。なお、この構成例では、電圧測定装置２００の計測対象範囲が−０．４Ｖ〜１．２Ｖであるものとする。 a2. Other configuration example 2:
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining another configuration example of the voltage measuring apparatus 200 in the present embodiment. In this configuration example, the configuration is the same as that of the voltage measurement device 200 of the above embodiment except that the voltage measurement range of the voltage measurement device 200 includes a negative voltage region and the map set in the amplification unit 210 is different. (FIG. 1A). FIG. 3 illustrates a graph TF representing a map included in the amplification unit 210. In this configuration example, it is assumed that the measurement target range of the voltage measuring apparatus 200 is −0.4V to 1.2V.

このグラフＴＦは、入力値と出力値とが１対１に対応しているとともに、入力値に対して出力値が非線形に増幅する上側に凸の曲線グラフである。ここで、入力値ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４（ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜ｘ４）に対して出力値ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４（ｙ１＜ｙ２＜ｙ３＜ｙ４）が出力される場合を想定する。なお、２つ入力値ｘ１，ｘ２の差の絶対値と、２つの入力値ｘ３，ｘ４の差の絶対値とはともに、ｄ（ｄ＞０）であるものとする。即ち、２つの入力値ｘ３，ｘ４はそれぞれ、２つの入力値ｘ１，ｘ２のそれぞれに一定の値を加算した値と等しくなる。   The graph TF is an upwardly convex curve graph in which the input value and the output value have a one-to-one correspondence and the output value is amplified nonlinearly with respect to the input value. Here, it is assumed that the output values y1, y2, y3, y4 (y1 <y2 <y3 <y4) are output with respect to the input values x1, x2, x3, x4 (x1 <x2 <x3 <x4). . It is assumed that the absolute value of the difference between the two input values x1 and x2 and the absolute value of the difference between the two input values x3 and x4 are both d (d> 0). That is, each of the two input values x3 and x4 is equal to a value obtained by adding a certain value to each of the two input values x1 and x2.

このとき、グラフＴＦで表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、出力値ｙ１，ｙ２の差の絶対値Ｄ１の方が、出力値ｙ３，ｙ４の差の絶対値Ｄ２より大きくなる関係を有している（Ｄ１＞Ｄ２）。また、このグラフＴＦで表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、２つの入力値ｘ１，ｘ２の差の絶対値ｄに対する２つの出力値ｙ１，ｙ２の差の絶対値Ｄ１の割合（Ｄ１／ｄ）は、入力値ｘ１の値が小さいほど大きくなる関係を有している。なお、計測対象範囲において、Ｄ１／ｄ，Ｄ２／ｄの値は、１以上であることが好ましい。   At this time, the relationship between the input value and the output value in the map represented by the graph TF is that the absolute value D1 of the difference between the output values y1 and y2 is greater than the absolute value D2 of the difference between the output values y3 and y4. It has a relationship of increasing (D1> D2). The relationship between the input value and the output value in the map represented by the graph TF is the absolute value D1 of the difference between the two output values y1 and y2 with respect to the absolute value d of the difference between the two input values x1 and x2. The ratio (D1 / d) has a relationship that increases as the value of the input value x1 decreases. In the measurement target range, the values of D1 / d and D2 / d are preferably 1 or more.

このように、この構成例においては、増幅部２１０が有するマップは、負電圧の計測値が入力される場合であっても、高電圧側よりも低電圧側の方が、より入力値の変化に対する出力値の変化が急峻となるように構成されている。従って、この構成例における電圧測定装置２００によれば、負電圧領域を含む計測対象範囲において、低い電圧領域ほど高い精度での電圧測定が可能となる。なお、この構成例の電圧測定装置２００によって、燃料電池１００の各単セル１０の電圧を測定する場合には、グラフＴＦは、０．６Ｖ以下の電圧領域より、０．６Ｖより上側の電圧領域の方が変化が緩やかとなるように調整されていることが好ましい。このように調整することにより、負電圧を含む著しく低い電圧を出力している低電圧セル１０の出力電圧の解析精度を向上させることができる。   As described above, in this configuration example, the map of the amplification unit 210 has a change in the input value more on the low voltage side than on the high voltage side even when a negative voltage measurement value is input. The output value changes with respect to. Therefore, according to the voltage measuring apparatus 200 in this configuration example, in the measurement target range including the negative voltage region, the voltage measurement with higher accuracy is possible in the lower voltage region. When the voltage of each unit cell 10 of the fuel cell 100 is measured by the voltage measuring device 200 of this configuration example, the graph TF is a voltage region above 0.6V from the voltage region below 0.6V. It is preferable to adjust so that the change is more gradual. By adjusting in this way, it is possible to improve the analysis accuracy of the output voltage of the low voltage cell 10 outputting a remarkably low voltage including a negative voltage.

a3.他の構成例３：
図４は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。図４には、この構成例における増幅部２１０が有するマップを表すグラフＴＦ２が図示されている。なお、この構成例における電圧測定装置２００の他の構成は、図３で説明した他の構成例における構成とほぼ同じである。ただし、この構成例では、電圧の計測対象範囲が、−０．６Ｖ〜１．４Ｖであるものとする。 a3. Other configuration example 3:
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining another configuration example of the voltage measuring apparatus 200 in the present embodiment. FIG. 4 shows a graph TF2 representing a map of the amplification unit 210 in this configuration example. The other configuration of the voltage measuring apparatus 200 in this configuration example is almost the same as the configuration in the other configuration example described in FIG. However, in this configuration example, it is assumed that the voltage measurement target range is −0.6 V to 1.4 V.

グラフＴＦ２は、０．６Ｖにおいて曲折する直線グラフであり、０．６Ｖ以下の電圧領域におけるグラフの勾配が、０．６Ｖより上側の電圧領域にけるグラフの勾配より急峻となっている。ここで、４つの入力値ｘ５〜ｘ８（ｘ５＜ｘ６＜ｘ７＜ｘ８）に対して、４つの出力値ｙ５〜ｙ８（ｙ５＜ｙ６＜ｙ７＜ｙ８）が出力される場合を想定する。なお、２つの入力値ｘ５，ｘ６は、０．６Ｖ以下の電圧領域に含まれる電圧の計測値であり、２つの入力値ｘ７，ｘ８は、０．６Ｖより上側の電圧領域に含まれる電圧の計測値であるものとする。また、２つの入力値ｘ５，ｘ６の差の絶対値と、２つの入力値ｘ７，ｘ８の差の絶対値とは、ともにｄ２（ｄ２＞０）であるものとする。このとき、グラフＴＦ２で表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、出力値ｙ５，ｙ６の差の絶対値Ｄ３の方が、出力値ｙ７，ｙ８の差の絶対値Ｄ４より大きくなる関係を有している（Ｄ３＞Ｄ４）。なお、計測対象範囲において、Ｄ３／ｄ２，Ｄ４／ｄ２の値は、１以上であることが好ましい。   The graph TF2 is a linear graph that bends at 0.6V, and the gradient of the graph in the voltage region of 0.6V or less is steeper than the gradient of the graph in the voltage region above 0.6V. Here, it is assumed that four output values y5 to y8 (y5 <y6 <y7 <y8) are output for four input values x5 to x8 (x5 <x6 <x7 <x8). The two input values x5 and x6 are measured values of the voltage included in the voltage region below 0.6V, and the two input values x7 and x8 are the voltages included in the voltage region above 0.6V. It shall be a measured value. It is assumed that the absolute value of the difference between the two input values x5 and x6 and the absolute value of the difference between the two input values x7 and x8 are both d2 (d2> 0). At this time, the relationship between the input value and the output value in the map represented by the graph TF2 is that the absolute value D3 of the difference between the output values y5 and y6 is greater than the absolute value D4 of the difference between the output values y7 and y8. It has a relationship of increasing (D3> D4). In the measurement target range, the values of D3 / d2 and D4 / d2 are preferably 1 or more.

このマップを用いた電圧測定装置２００であれば、計測対象範囲の全範囲において比較的電圧の低い低電圧領域について、比較的電圧の高い高電圧領域よりも、高い測定精度での電圧測定が可能となる。なお、図４の例では、０．６Ｖを境界値として、低電圧領域と高電圧領域とを区分けしていたが、その境界値としては、他の値であっても良い。また、グラフＴＦ２は、更に複数の曲折する点を有しているものとしても良い。   With the voltage measurement device 200 using this map, voltage measurement with higher measurement accuracy is possible in a low voltage region with a relatively low voltage in the entire measurement target range than in a high voltage region with a relatively high voltage. It becomes. In the example of FIG. 4, the low voltage region and the high voltage region are separated using 0.6 V as a boundary value, but other values may be used as the boundary value. Further, the graph TF2 may further include a plurality of bending points.

ところで、図１〜図４における説明から、増幅部２１０が有する入力値から出力値への変換を示す変換特性は、上に凸の単調に増加する曲線または折れ線で表現される特性を有していることがわかる。この特性によって、増幅部２１０では、入力値の単位増分に対応する出力値の増分の比が、より高い入力電圧領域に比べて、より低い入力電圧領域の方において、より大きくなるように実行されている。なお、増幅部２１０は、１対１の対応関係を用いて入力値を出力値へと変換する「変換部２１０」と呼ぶことも可能である。   By the way, from the description in FIG. 1 to FIG. 4, the conversion characteristic indicating the conversion from the input value to the output value of the amplification unit 210 has a characteristic expressed by a curve or a polygonal line that increases monotonously upward. I understand that. Due to this characteristic, the amplification unit 210 is executed such that the ratio of the increment of the output value corresponding to the unit increment of the input value is larger in the lower input voltage region than in the higher input voltage region. ing. Note that the amplifying unit 210 can also be referred to as a “converting unit 210” that converts an input value into an output value using a one-to-one correspondence.

a4.他の構成例４：
図５は、本実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための概略図である。図５（Ａ）は、直流電源２１３が追加されている点以外は、図１（Ａ）とほぼ同じである。また、図５（Ｂ）は、数直線ＮＬの入力値の側にオフセット値が追加されている点以外は、図１（Ｂ）とほぼ同じである。 a4. Other configuration example 4:
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining another configuration example of the voltage measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 5A is almost the same as FIG. 1A except that a DC power supply 213 is added. FIG. 5B is substantially the same as FIG. 1B except that an offset value is added to the input value side of the number line NL.

この電圧測定装置２００ａは、陽極側端子コード２１１に、電圧の測定値を一定量だけ増加（オフセット）させるための直流電源２１３（「電圧印加部２１３」とも呼ぶ）が設けられている。これによって、増幅部２１０に対する入力値は、計測値がプラス側にオフセットされた値（オフセット値）となる。図５（Ｂ）の例では、直流電源２１３によって計測値が＋０．２Ｖだけオフセットされている。これによって、低電圧セル１０が負電圧を出力している場合であっても、その電圧を正電圧へとオフセットさせて増幅させることができ、低電圧セル１０に対する電圧の測定精度を向上させることができる。なお、直流電源２１３の出力電圧は、任意に調整可能であるものとしても良い。これによって、直流電源２１３の出力電圧の調整によって、測定対象範囲全体を任意にオフセットすることができる。   In the voltage measuring apparatus 200a, a DC power source 213 (also referred to as a “voltage applying unit 213”) for increasing (offset) a measured voltage value by a certain amount is provided on the anode side terminal cord 211. As a result, the input value to the amplifying unit 210 is a value (offset value) obtained by offsetting the measured value to the plus side. In the example of FIG. 5B, the measured value is offset by +0.2 V by the DC power supply 213. As a result, even when the low voltage cell 10 outputs a negative voltage, the voltage can be offset and amplified to a positive voltage, and the voltage measurement accuracy for the low voltage cell 10 can be improved. Can do. Note that the output voltage of the DC power supply 213 may be arbitrarily adjustable. Thus, the entire measurement target range can be arbitrarily offset by adjusting the output voltage of the DC power supply 213.

a5.他の構成例５：
図６は、本実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための概略図である。図６は、電圧測定装置２００ｂに最低セル電圧取得部２２０が追加されている点と、増幅部２１０に換えて増幅部２１０ｂが設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。最低セル電圧取得部２２０は、燃料電池１００に接続された２つの端子コード２１１，２１２に接続されており、各単セル１０の電圧測定値のうち、最小の測定値を増幅部２１０ｂに出力する回路である。 a5. Other configuration example 5:
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another configuration example of the voltage measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 6 is substantially the same as FIG. 1 except that a minimum cell voltage acquisition unit 220 is added to the voltage measurement apparatus 200b and an amplification unit 210b is provided instead of the amplification unit 210. The minimum cell voltage acquisition unit 220 is connected to the two terminal cords 211 and 212 connected to the fuel cell 100, and outputs the minimum measurement value among the voltage measurement values of each single cell 10 to the amplification unit 210b. Circuit.

ここで、最低セル電圧取得部２２０は、電圧印加部２１４を有している。電圧印加部２１４は、計測電圧を一定量だけプラス側にオフセットするためのものである。最低セル電圧取得部２２０は、電圧印加部２１４によって、計測値を０Ｖ以上にオフセットした上で、増幅部２１０ｂに出力する。増幅部２１０ｂは、ログアンプを備えており、最低セル電圧取得部２２０からの出力値を対数関数的に増幅して出力する。   Here, the lowest cell voltage acquisition unit 220 includes a voltage application unit 214. The voltage application unit 214 is for offsetting the measurement voltage to the plus side by a certain amount. The lowest cell voltage acquisition unit 220 offsets the measured value to 0 V or more by the voltage application unit 214 and then outputs the measured value to the amplification unit 210b. The amplification unit 210b includes a log amplifier and amplifies the output value from the lowest cell voltage acquisition unit 220 logarithmically and outputs the amplified value.

この構成例の電圧測定装置２００ｂによれば、燃料電池１００の単セル１０のうち、最低の電圧を出力している単セル１０の電圧値を測定することができる。そのため、低電圧セル１０の検出を容易に実行でき、燃料電池１００の劣化を抑制できる。また、増幅部２１０ｂをログアンプによって簡易に構成することが可能である。なお、電圧測定装置２００ｂは、最低の電圧を出力している単セル１０を特定するための情報を、例えば開閉スイッチ２１５の開閉状態に基づいて取得できるものとしても良い。   According to the voltage measuring device 200b of this configuration example, the voltage value of the single cell 10 that outputs the lowest voltage among the single cells 10 of the fuel cell 100 can be measured. Therefore, detection of the low voltage cell 10 can be easily performed, and deterioration of the fuel cell 100 can be suppressed. Further, the amplifying unit 210b can be easily configured by a log amplifier. The voltage measuring device 200b may acquire information for specifying the single cell 10 that outputs the lowest voltage based on the open / close state of the open / close switch 215, for example.

このように、本実施例の電圧測定装置２００，２００ａ，２００ｂ（図１〜図６）によれば、計測対象となる電圧領域の全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域について、高電圧側の領域である高電圧領域よりも高い精度で、電圧測定が可能となる。従って、燃料電池１００における低電圧セル１０の検出に用いれば、その検出精度を向上させることが可能である。   Thus, according to the voltage measuring devices 200, 200a, and 200b (FIGS. 1 to 6) of the present embodiment, the low voltage region that is the region on the low voltage side in the entire range of the voltage region to be measured. The voltage can be measured with higher accuracy than the high voltage region which is the region on the high voltage side. Therefore, if it is used for detection of the low voltage cell 10 in the fuel cell 100, the detection accuracy can be improved.

B．第２実施例：
図７は本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷１１００に対して、要求に応じた電力を供給する発電システムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、電圧測定装置２００と、酸化ガス供給部３１０と、燃料ガス供給部３２０と、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０と、二次電池４２０と、制御部５００とを備える。 B. Second embodiment:
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system as a second embodiment of the present invention. The fuel cell system 1000 is a power generation system that supplies electric power according to demand to an external load 1100. The fuel cell system 1000 includes a fuel cell 100, a voltage measurement device 200, an oxidizing gas supply unit 310, a fuel gas supply unit 320, a DC / DC converter 410, a secondary battery 420, and a control unit 500. .

燃料電池１００は、上記第１実施例で説明したものと同様の固体高分子型燃料電池である（図１）。燃料電池１００には、単セル１０の積層方向における２つの端部にそれぞれ、ターミナル１５が設けられている。燃料電池１００は、ターミナル１５に接続された直流電源ラインＤＣＬを介して外部負荷１１００と接続されている。なお、燃料電池１００と外部負荷１１００との間には、ＤＣ／ＡＣインバーターが設けられるものとしても良い。   The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell similar to that described in the first embodiment (FIG. 1). The fuel cell 100 is provided with terminals 15 at two ends in the stacking direction of the single cells 10. The fuel cell 100 is connected to an external load 1100 via a DC power supply line DCL connected to the terminal 15. Note that a DC / AC inverter may be provided between the fuel cell 100 and the external load 1100.

電圧測定装置２００は、上記第１実施例において説明したものと同様のものであり、運転中の各単セル１０の電圧の測定値を非線形に増幅した出力結果を制御部５００へと送信する。なお、電圧測定装置２００としては、上記第１実施例において、他の構成例（図３〜図６）として説明したものを採用することも可能である。   The voltage measuring apparatus 200 is the same as that described in the first embodiment, and transmits an output result obtained by nonlinearly amplifying the measured value of the voltage of each unit cell 10 during operation to the control unit 500. In addition, as the voltage measuring apparatus 200, what was demonstrated as another structural example (FIGS. 3-6) in the said 1st Example is also employable.

酸化ガス供給部３１０は、酸化ガス供給配管３１１を介して燃料電池１００に、酸化ガスとして高圧空気を供給する。酸化ガス供給部３１０は、エアコンプレッサや加湿器を備えるものとしても良い。燃料ガス供給部３２０は、燃料ガス供給配管３２１を介して燃料電池１００に、燃料ガスとして水素を供給する。燃料ガス供給部３２０は、例えば、水素タンクを備えるものとしても良い。   The oxidizing gas supply unit 310 supplies high-pressure air as the oxidizing gas to the fuel cell 100 via the oxidizing gas supply pipe 311. The oxidizing gas supply unit 310 may include an air compressor or a humidifier. The fuel gas supply unit 320 supplies hydrogen as fuel gas to the fuel cell 100 via the fuel gas supply pipe 321. The fuel gas supply unit 320 may include, for example, a hydrogen tank.

ここで、燃料電池１００において反応に供されることのなかった反応ガスを含むカソード側およびアノード側の排ガスはそれぞれ、酸化ガス排出配管３１２または燃料ガス排出配管３２２を介して燃料電池１００の外部へと排出される。なお、燃料電池１００に接続されている反応ガスや排ガスのための配管３１１，３１２，３２１，３２２にはそれぞれ、反応ガスや排ガスの流れを制御するための制御弁が設けられているが、その図示および説明は省略する。   Here, the cathode-side and anode-side exhaust gases containing the reaction gas that has not been subjected to the reaction in the fuel cell 100 are respectively supplied to the outside of the fuel cell 100 via the oxidizing gas discharge pipe 312 or the fuel gas discharge pipe 322. And discharged. In addition, the control valves for controlling the flow of the reaction gas and the exhaust gas are respectively provided in the pipes 311, 312, 321 and 322 for the reaction gas and the exhaust gas connected to the fuel cell 100. Illustration and description are omitted.

二次電池４２０は、燃料電池１００の補助電源として機能し、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。二次電池４２０としては、例えば、鉛蓄電池や、リチウム二次電池などを採用することができる。ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０は、二次電池４２０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部５００の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。   The secondary battery 420 functions as an auxiliary power source for the fuel cell 100 and is connected to the DC power supply line DCL via the DC / DC converter 410. As the secondary battery 420, for example, a lead storage battery or a lithium secondary battery can be employed. The DC / DC converter 410 has a function as a charge / discharge control unit that controls charging / discharging of the secondary battery 420, and variably adjusts the voltage level of the DC power supply line DCL according to an instruction from the control unit 500.

制御部５００は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成することができる。制御部５００は、外部負荷１１００からの出力要求に応じて、酸化ガス供給部３１０や燃料ガス供給部３２０からの反応ガスの供給量を制御する。また、制御部５００は、外部負荷１１００からの出力要求に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０を制御する。   The control unit 500 can be configured as, for example, a microcomputer including a main storage device and a central processing unit. The control unit 500 controls the amount of reaction gas supplied from the oxidizing gas supply unit 310 and the fuel gas supply unit 320 in response to an output request from the external load 1100. Further, the control unit 500 controls the DC / DC converter 410 in response to an output request from the external load 1100.

ここで、この第２実施例の燃料電池システム１０００では、その運転開始時において、燃料電池１００の起動性を向上させるための起動処理を実行し、その起動処理の実行後に、通常の運転を開始する。また、燃料電池システム１０００では、その起動処理や、通常の運転の実行時において、電圧測定装置２００の出力結果を用いて低電圧セル１０を検出する。以下に、起動処理および通常の運転の実行時における制御部５００による具体的な制御手順を説明する。   Here, in the fuel cell system 1000 of the second embodiment, at the time of starting the operation, the start-up process for improving the startability of the fuel cell 100 is executed, and after the start-up process is executed, the normal operation is started. To do. Further, in the fuel cell system 1000, the low voltage cell 10 is detected by using the output result of the voltage measuring device 200 during the start-up process and the normal operation. Below, the concrete control procedure by the control part 500 at the time of execution of a starting process and normal driving | operation is demonstrated.

図８は、燃料電池システム１０００の運転開始時に実行される燃料電池１００の起動処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１０では、制御部５００は、燃料電池１００の暖機運転を開始する。ここで、「燃料電池１００の暖機運転」とは、燃料電池１００の運転温度を急速に高くするために、燃料電池１００の発熱量が、その出力電力量に比して高くなるように、電力損失の高い発電を行う運転を意味する。より具体的には、制御部５００は以下のように燃料電池１００を運転する。   FIG. 8 is a flowchart for explaining the processing procedure of the startup process of the fuel cell 100 that is executed when the operation of the fuel cell system 1000 is started. In step S <b> 10, the control unit 500 starts the warm-up operation of the fuel cell 100. Here, “warm-up operation of the fuel cell 100” means that in order to rapidly increase the operating temperature of the fuel cell 100, the amount of heat generated by the fuel cell 100 is higher than the amount of output power. It means operation that generates power with high power loss. More specifically, the control unit 500 operates the fuel cell 100 as follows.

図９は、燃料電池１００の暖機運転の実行時における燃料電池１００の電流−電圧特性（発電特性）を示すグラフである。図９のグラフには、暖機運転の実行時における燃料電池１００の発電特性を示すグラフＧｌｅとともに、後述する通常の運転時における燃料電池１００の発電特性を示すグラフＧｓｔが図示されている。   FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics (power generation characteristics) of the fuel cell 100 when the warm-up operation of the fuel cell 100 is executed. The graph of FIG. 9 shows a graph Gst indicating the power generation characteristics of the fuel cell 100 during normal operation, which will be described later, along with a graph Gle indicating the power generation characteristics of the fuel cell 100 during execution of the warm-up operation.

制御部５００は、燃料電池１００の暖機運転の実行時には、通常の運転時よりも燃料電池１００に供給される酸化ガスのストイキ比を低下させる。ここで、「酸化ガスのストイキ比」とは、燃料電池１００の発電量に対する理論的な酸化ガスの消費量と、実際に供給されている酸化ガスのガス量との比を意味する。即ち、酸化ガスのストイキ比が１に近いほど、酸化ガスの供給量が、所望の発電量を得るのに必要な最小限の酸化ガス供給量に近くなる。具体的には、制御部５００は、通常の運転時において供給される酸化ガスのストイキ比が２．０以上である場合には、暖機運転の実行時における酸化ガスのストイキ比は１．１〜０．９程度となるように制御するものとしても良い。   The control unit 500 lowers the stoichiometric ratio of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 100 during the warm-up operation of the fuel cell 100 than during the normal operation. Here, “the stoichiometric ratio of oxidizing gas” means the ratio of the theoretical amount of oxidizing gas consumption to the amount of power generated by the fuel cell 100 and the amount of oxidizing gas actually supplied. That is, the closer the oxidizing gas stoichiometric ratio is to 1, the closer the oxidizing gas supply amount is to the minimum oxidizing gas supply amount necessary to obtain a desired power generation amount. Specifically, when the stoichiometric ratio of the oxidizing gas supplied during normal operation is 2.0 or more, the control unit 500 determines that the stoichiometric ratio of oxidizing gas during the warm-up operation is 1.1. It is good also as what controls to become about -0.9.

このように、酸化ガスのストイキ比のレベルを通常の運転よりも低下させた状態で燃料電池１００を運転することにより、グラフＧｌｅに示すような電力損失が通常の運転時よりも大きい低効率な発電となる。従って、この暖機運転実行時には、燃料電池１００における発熱量を増大させることができる。   Thus, by operating the fuel cell 100 in a state where the level of the stoichiometric ratio of the oxidizing gas is lower than that in the normal operation, the power loss as shown in the graph Gle is lower than that in the normal operation. Power generation. Therefore, when this warm-up operation is executed, the amount of heat generated in the fuel cell 100 can be increased.

ステップＳ２０では、制御部５００は、電圧測定装置２００の出力値が予め設定された閾値よりも低い低電圧セル１０を検出する。低電圧セル１０が検出された場合には、制御部５００は、ステップＳ２５において、低電圧セル１０の負荷を低減するために、酸化ガスのストイキ比を上昇させて暖機運転を継続する。制御部５００は、予め設定された運転時間だけ燃料電池１００の暖機運転を継続させた後、燃料電池１００の運転を暖機運転から通常の運転へと切り替える（ステップＳ３０〜Ｓ４０）。   In step S20, the control unit 500 detects the low voltage cell 10 in which the output value of the voltage measurement device 200 is lower than a preset threshold value. When the low voltage cell 10 is detected, the controller 500 continues the warm-up operation by increasing the stoichiometric ratio of the oxidizing gas in step S25 in order to reduce the load on the low voltage cell 10. The control unit 500 continues the warm-up operation of the fuel cell 100 for a preset operation time, and then switches the operation of the fuel cell 100 from the warm-up operation to the normal operation (steps S30 to S40).

ここで、燃料電池１００の暖機運転では、前記の通り、燃料電池１００の各単セル１０の出力電圧は通常の運転時に比較して低い。しかし、この燃料電池システム１０００では、低電圧領域における測定精度が高い電圧測定装置２００を用いているため、早期かつ確実に低電圧セル１０を検出することができる。従って、低電圧セル１０が不可逆的なダメージを受けることを回避しつつ暖機運転を継続することが可能であり、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。   Here, in the warm-up operation of the fuel cell 100, as described above, the output voltage of each single cell 10 of the fuel cell 100 is lower than that during normal operation. However, since the fuel cell system 1000 uses the voltage measurement device 200 with high measurement accuracy in the low voltage region, the low voltage cell 10 can be detected early and reliably. Therefore, it is possible to continue the warm-up operation while avoiding the irreversible damage of the low voltage cell 10, and the deterioration of the fuel cell 100 can be suppressed.

図１０は、燃料電池システム１０００の通常の運転時における制御部５００による処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部５００は、燃料電池１００に供給される酸化ガスのストイキ比のレベルを上記の暖機運転よりも高くし、外部負荷１１００の要求に応じて燃料電池１００に発電させる。即ち、前記したように、酸化ガスのストイキ比が２．０以上となるストイキ比のレベルでの酸化ガスの供給を開始するものとしても良い。   FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure by the controller 500 during normal operation of the fuel cell system 1000. In step S <b> 100, the control unit 500 increases the stoichiometric ratio of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 100 to be higher than that in the warm-up operation, and causes the fuel cell 100 to generate power in response to a request from the external load 1100. That is, as described above, the supply of the oxidizing gas may be started at a stoichiometric ratio level at which the oxidizing gas stoichiometric ratio is 2.0 or more.

なお、制御部５００は、外部負荷１１００の要求に対して燃料電池１００の出力が不足する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０に対して、二次電池４２０から補助電力を出力させる旨の指令を出す。また、制御部５００は、外部負荷１１００において回生電力が生じた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０に対して、その回生電力を二次電池４２０に充電させる旨の指令を出す。   Note that the control unit 500 instructs the DC / DC converter 410 to output auxiliary power from the secondary battery 420 when the output of the fuel cell 100 is insufficient in response to a request from the external load 1100. put out. In addition, when regenerative power is generated in external load 1100, control unit 500 issues a command to DC / DC converter 410 to charge secondary battery 420 with the regenerated power.

制御部５００は、外部負荷１１００の要求に応じた運転の継続中に、一定時間ごとに、電圧測定装置２００によって、燃料電池１００の各単セル１０の出力電圧を測定する（ステップＳ１１０）。このとき、電圧測定装置２００の出力値が予め設定された閾値よりも低い低電圧セル１０を検出した場合には、低電圧セル１０の発電性能を回復させるための処理として、燃料電池１００の再起動処理を実行する（ステップＳ１２０）。具体的には、燃料電池１００への反応ガスの供給を停止し、燃料電池１００の発電を一時的に停止する。そして一定時間経過した後、再び燃料電池１００への反応ガスの供給を再開して、燃料電池１００による発電を再開させる。なお、この再起動処理が実行されている間、外部負荷１１００に対しては、二次電池４２０からの電力が供給される。   The control unit 500 measures the output voltage of each unit cell 10 of the fuel cell 100 with the voltage measurement device 200 at regular intervals during the operation in response to the request of the external load 1100 (step S110). At this time, when the low voltage cell 10 whose output value of the voltage measuring device 200 is lower than a preset threshold value is detected, the fuel cell 100 is restarted as a process for restoring the power generation performance of the low voltage cell 10. An activation process is executed (step S120). Specifically, the supply of the reaction gas to the fuel cell 100 is stopped, and the power generation of the fuel cell 100 is temporarily stopped. Then, after a predetermined time has elapsed, the supply of the reaction gas to the fuel cell 100 is resumed, and the power generation by the fuel cell 100 is resumed. Note that, while this restart process is being executed, power from the secondary battery 420 is supplied to the external load 1100.

このように、第２実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池１００の暖機運転の実行により、燃料電池１００の起動性を向上させた上で、通常の運転へと円滑に移行することができる。また、電圧測定装置２００の測定結果を用いることにより、暖機運転実行時および通常の運転時において、出力電圧が著しく低下している低電圧セル１０を早期かつ確実に検出することが可能である。従って、低電圧セル１０が不可逆的なダメージを受けることを回避するための低電圧セル１０への負荷を低減する処理を早期に実行することができ、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。   As described above, according to the fuel cell system 1000 of the second embodiment, the warm-up operation of the fuel cell 100 improves the startability of the fuel cell 100 and smoothly shifts to the normal operation. be able to. In addition, by using the measurement result of the voltage measuring device 200, it is possible to detect the low voltage cell 10 in which the output voltage is remarkably lowered early and reliably during the warm-up operation and the normal operation. . Therefore, the process for reducing the load on the low voltage cell 10 for avoiding the irreversible damage to the low voltage cell 10 can be executed at an early stage, and the deterioration of the fuel cell 100 can be suppressed. .

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

C1．変形例１：
上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、第１実施例において、電圧測定装置２００の増幅部２１０の機能の一部をプログラムによって実現するものとしても良い。また、第２実施例において、電圧測定装置２００における増幅部２１０の機能の一部を制御部５００が実行するようにすることもできる。 C1. Modification 1:
In the above embodiment, a part of the configuration realized by hardware may be replaced with software, and conversely, a part of the configuration realized by software may be replaced by hardware. For example, in the first embodiment, a part of the function of the amplification unit 210 of the voltage measuring device 200 may be realized by a program. In the second embodiment, the control unit 500 can also execute a part of the function of the amplification unit 210 in the voltage measurement device 200.

C2．変形例２：
上記第１実施例において、電圧測定装置２００は、燃料電池１００の各単セル１０の電圧を測定していた。しかし、電圧測定装置２００の測定対象としては、燃料電池に限られず、他の種々の電気回路を含む電気システムにおいて電圧を測定するものとしても良い。 C2. Modification 2:
In the first embodiment, the voltage measuring device 200 measures the voltage of each single cell 10 of the fuel cell 100. However, the measurement target of the voltage measuring apparatus 200 is not limited to the fuel cell, and the voltage may be measured in an electric system including other various electric circuits.

C3．変形例３：
上記実施例において、電圧測定装置２００の電圧計測対象である燃料電池１００は固体高分子型燃料電池であった。しかし、電圧測定装置２００の電圧計測対象は、固体高分子型燃料電池に限らず、種々のタイプの燃料電池の電圧を計測するものとしても良い。即ち、上記第２実施例における燃料電池システム１０００は、燃料電池１００に換えて、種々のタイプの燃料電池を備えるものとしても良い。 C3. Modification 3:
In the above embodiment, the fuel cell 100 that is a voltage measurement target of the voltage measuring device 200 is a solid polymer fuel cell. However, the voltage measurement target of the voltage measuring apparatus 200 is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and may be a voltage measurement device for various types of fuel cells. That is, the fuel cell system 1000 in the second embodiment may include various types of fuel cells instead of the fuel cell 100.

C4．変形例４：
上記実施例において、電圧測定装置２００は、開閉スイッチ２１５および切替制御部２０５によって、電圧測定装置２００に接続する単セル１０を順に切り替えることにより、各単セル１０の電圧を測定していた。しかし、開閉スイッチ２１５や、切替制御部２０５は省略されるものとしても良い。ただし、燃料電池１００において、各単セル１０ごとの電圧を測定する場合には、開閉スイッチ２１５や、切替制御部２０５を有することが好ましい。 C4. Modification 4:
In the above embodiment, the voltage measuring apparatus 200 measures the voltage of each single cell 10 by sequentially switching the single cells 10 connected to the voltage measuring apparatus 200 using the open / close switch 215 and the switching control unit 205. However, the open / close switch 215 and the switching control unit 205 may be omitted. However, in the fuel cell 100, when measuring the voltage for each single cell 10, it is preferable to include the open / close switch 215 and the switching control unit 205.

C5．変形例５：
上記第１実施例の他の構成例４，５（図５，図６）において、電圧印加部２１３，２１４は、計測値をプラス側にオフセットさせていた。しかし、電圧印加部２１３，２１４は、計測値をマイナス側にオフセットするものとしても良い。 C5. Modification 5:
In other configuration examples 4 and 5 (FIGS. 5 and 6) of the first embodiment, the voltage application units 213 and 214 offset the measured values to the plus side. However, the voltage application units 213 and 214 may offset the measurement value to the minus side.

C6．変形例６：
上記第２実施例において、低電圧セル１０に対する負荷を低減させるために、供給される酸化ガスのストイキ比を増大させる処理や（図８：ステップＳ２５）、燃料電池１００の再起動処理が実行されていた（図１０：ステップＳ１２０）。しかし、低電圧セル１０に対する負荷を低減させるための処理としては、他の処理が実行されるものとしても良い。 C6. Modification 6:
In the second embodiment, in order to reduce the load on the low-voltage cell 10, a process for increasing the stoichiometric ratio of the supplied oxidizing gas or a restart process for the fuel cell 100 is executed (FIG. 8: step S25). (FIG. 10: Step S120). However, other processing may be executed as processing for reducing the load on the low voltage cell 10.

C7．変形例７：
上記第２実施例において、燃料電池システム１０００の運転開始時に、燃料電池１００の起動処理（図８）を実行していた。しかし、燃料電池システム１０００は、その運転開始時以外にも、上記の起動処理と同様な処理を実行するものとしても良い。例えば、燃料電池システム１０００が通常の運転を実行しているときに、単セル１０のうちのいずれかの電解質膜が乾燥状態にあることを検出した場合に、この起動処理と同様な処理を実行するものとしても良い。燃料電池１００の暖機運転（ステップＳ１０）では、酸化ガスのストイキ比低下に伴い、燃料電池１００からの排水量が低下するため、燃料電池１００の内部における水分量を増大させることができる。そのため、電解質膜の乾燥状態を解消することが可能である。なお、電解質膜の乾燥状態は、例えば、各単セル１０の内部抵抗を測定することによって検出することができる。 C7. Modification 7:
In the second embodiment, the start-up process of the fuel cell 100 (FIG. 8) is executed when the operation of the fuel cell system 1000 is started. However, the fuel cell system 1000 may execute a process similar to the above-described start process other than when the operation is started. For example, when the fuel cell system 1000 is performing a normal operation, if it is detected that any one of the electrolyte membranes in the single cell 10 is in a dry state, a process similar to the start-up process is performed. It is good to do. In the warm-up operation (step S10) of the fuel cell 100, the amount of water in the fuel cell 100 can be increased because the amount of drainage from the fuel cell 100 decreases as the stoichiometric ratio of the oxidizing gas decreases. Therefore, it is possible to eliminate the dry state of the electrolyte membrane. Note that the dry state of the electrolyte membrane can be detected, for example, by measuring the internal resistance of each single cell 10.

１０…単セル
１１…膜電極接合体
１２…アノードセパレータ
１３…カソードセパレータ
１５…ターミナル
１００…燃料電池
２００，２００ａ，２００ｂ…電圧測定装置
２０５…切替制御部
２１０，２１０ｂ…増幅部
２１１…陽極側端子コード
２１２…陰極側端子コード
２１３…直流電源（電圧印加部）
２１４…電圧印加部
２１５…開閉スイッチ
２２０…最低セル電圧取得部
３１０…酸化ガス供給部
３１１…酸化ガス供給配管
３１２…酸化ガス排出配管
３２０…燃料ガス供給部
３２１…燃料ガス供給配管
３２２…燃料ガス排出配管
４１０…ＤＣ／ＤＣコンバーター
４２０…二次電池
５００…制御部
１０００…燃料電池システム
１１００…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Single cell 11 ... Membrane electrode assembly 12 ... Anode separator 13 ... Cathode separator 15 ... Terminal 100 ... Fuel cell 200, 200a, 200b ... Voltage measuring device 205 ... Switching control part 210, 210b ... Amplifying part 211 ... Anode side terminal Code 212 ... Cathode side terminal code 213 ... DC power supply (voltage application section)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 214 ... Voltage application part 215 ... Open / close switch 220 ... Minimum cell voltage acquisition part 310 ... Oxidation gas supply part 311 ... Oxidation gas supply pipe 312 ... Oxidation gas discharge pipe 320 ... Fuel gas supply part 321 ... Fuel gas supply pipe 322 ... Fuel gas Discharge piping 410 ... DC / DC converter 420 ... secondary battery 500 ... control unit 1000 ... fuel cell system 1100 ... external load DCL ... DC power supply line

Claims (7)

電圧測定装置であって、
電圧を計測する計測部と、
入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測部が取得した計測値を増幅して出力する増幅部と、
を備え、
前記計測部の計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、電圧測定装置。 A voltage measuring device,
A measuring unit for measuring voltage;
An amplification unit that amplifies and outputs the measurement value acquired by the measurement unit using a predetermined relationship in which the input value and the output value correspond one-to-one;
With
The voltage region to be measured by the measurement unit includes a low voltage region that is a low voltage side region of the entire range, and a high voltage region that is a high voltage side region of the total range,
The voltage measurement device in which the predetermined relationship is that the change in the output value with respect to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region. 請求項１記載の電圧測定装置であって、
前記計測部は、複数の発電体が直列に積層された燃料電池に接続され、前記複数の発電体ごとに電圧を計測する、電圧測定装置。 The voltage measuring device according to claim 1,
The measurement unit is a voltage measurement device that is connected to a fuel cell in which a plurality of power generation bodies are stacked in series, and measures a voltage for each of the plurality of power generation bodies. 請求項１または請求項２に記載の電圧測定装置であって、さらに、
前記計測部が取得する計測値をオフセットするための電圧印加部を備え、
前記電圧印加部は、前記計測値をオフセットしたオフセット値を前記増幅部に出力する、電圧測定装置。 The voltage measuring device according to claim 1 or 2, further comprising:
A voltage application unit for offsetting a measurement value acquired by the measurement unit;
The voltage application unit is configured to output an offset value obtained by offsetting the measurement value to the amplification unit. 請求項３に記載の電圧測定装置であって、
前記増幅部は、前記電圧印加部からの出力を増幅するログアンプを有する、電圧測定装置。 The voltage measuring device according to claim 3,
The voltage measuring device, wherein the amplifying unit includes a log amplifier that amplifies an output from the voltage applying unit. 燃料電池システムであって、
複数の発電体が直列に積層された燃料電池と、
請求項２または請求項２に従属する請求項３若しくは請求項４のいずれか一項に記載の電圧測定装置と、
前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧測定装置からの出力値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する検出処理を実行し、前記検出処理において、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を低減する処理を実行する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell in which a plurality of power generators are stacked in series;
A voltage measuring device according to claim 3 or claim 4 dependent on claim 2 or claim 2, and
A control unit for controlling the operation of the fuel cell;
With
The control unit executes a detection process for detecting a low-voltage power generator whose output value from the voltage measuring device is lower than a preset threshold value, and detects the low-voltage power generator in the detection process. And a fuel cell system that executes a process of reducing a load on the fuel cell. 電圧を測定する方法であって、
（ａ）電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、方法。 A method for measuring voltage comprising:
(A) a step of measuring voltage;
(B) amplifying and outputting the measured value using a predetermined relationship in which the input value and the output value have a one-to-one correspondence;
With
In the step (a), the voltage region to be measured includes a low voltage region that is a region on the low voltage side of the entire range and a high voltage region that is a region on the high voltage side of the entire range. Included,
The predetermined relationship is that the change in the output value with respect to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region. 複数の発電体が直列に積層された燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記複数の発電体のそれぞれの電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
（ｃ）増幅された前記電圧の計測値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する工程と、
（ｄ）前記低電圧発電体が検出されたときに、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を軽減させるための処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、制御方法。 A control method of a fuel cell system comprising a fuel cell in which a plurality of power generators are stacked in series,
(A) measuring each voltage of the plurality of power generators;
(B) amplifying and outputting the measured value using a predetermined relationship in which the input value and the output value have a one-to-one correspondence;
(C) detecting a low-voltage generator whose measured value of the amplified voltage is lower than a preset threshold value;
(D) executing the process for reducing the load on the fuel cell when the low-voltage generator is detected when the low-voltage generator is detected;
With
In the step (a), the voltage region to be measured includes a low voltage region that is a region on the low voltage side of the entire range and a high voltage region that is a region on the high voltage side of the entire range. Included,
The predetermined relationship is that the change in the output value with respect to the input value is steeper in the low voltage region than in the high voltage region.

Images