JP3993453B2 - セル電圧判定ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムのセル電圧判定ユニットに関し、特に、燃料電池スタック内の複数の燃料電池セルのセル電圧の異常を判定するセル電圧判定ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池セルは、電解質膜と、触媒機能を有する電極である燃料極及び酸素極とを有する。そして、燃料極と酸素極とが電解質膜を挟む構造をしている。燃料電池セルの運転中の電圧は、例えば０．６Ｖ程度（開放電圧は１Ｖ程度）である。従って、電源として利用するためには、複数の燃料電池セルを直列に接続して、燃料電池スタックを形成し、所望の電圧を得るようにする。ここで、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの数は、必要とする電圧に応じて、数十〜数百セルになる。
【０００３】
このような燃料電池スタックの運転の際、その異常が発生した場合の判定については、燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の変化等により行う技術が知られている。例えば、セルの破損に伴う燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の低下などを検出し、基準値との比較により異常と判定する。この場合、複数の燃料電池セルの全体としての特性に基づいて行っていた。従って、数百セルの燃料電池スタックの場合には、一、二のセルの異常を把握することは困難である。しかし、一つの燃料電池セルの異常が他の燃料電池セルへ波及する可能性は十分に有り、その結果として、燃料電池スタック全体が故障を起こす可能性も有り得る。
燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、燃料電池セル一つの異常であっても早期に検知することが可能な技術が求められている。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックにおいて複数の燃料電池セルの各々の状態を監視するためには、燃料電池セルの各々に計測用のケーブル配線（例えば３００セルなら最低３０１本）を接続する必要があり、その引き回しのスペース、ノイズの混入、ケーブル配線の高コスト化等の問題がある。そこに使用される素子は、高電圧（例えば３００セルなら３００Ｖ程度）の耐圧を有する必要があり、また、計測された信号が制御側に影響を及ぼさないようにすることが望ましい。このようなことから、装置コストが高くなる問題がある。
燃料電池スタックにおいて、多数のケーブル配線を引き回す必要が無く、低コストで実施することが可能な、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視する技術が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、異常を早期に検知することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧を計測し、各燃料電池セルの異常を早期に判定することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧レベルを、個別に把握することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００８】
更に、本発明の別の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の異常の検知を、低コストで実施することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数の比較部（４３、４４）と、複数の出力部（４１−１、４１−２）とを具備する。複数の比較部（４３、４４）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された互いに異なる複数の基準電圧（５０−１、５０−２）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々との比較結果としての複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。複数の出力部（４１−１、４１−２）は、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す複数の判定信号（１５−１、１５−２）の各々を出力する。
【００１１】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の比較部（４３、４４）の各々が、前記セル電圧（５１）が前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々以下の場合、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。
【００１２】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の出力部（４１−１、４１−２）が、前記燃料電池セル（２１）及び前記複数の比較部（４３、４４）と外部とを電気的に絶縁する。
【００１３】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）が、複数あり、互いに直列に接続され、前記複数の比較部（４３、４４）は、複数あり、前記複数ある前記複数の比較部（４３、４４）の各々は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１４】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、比較部（４３）と、符号化部（６１）と、出力部（６２−１〜１０）とを具備する。比較部（４３）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された基準電圧（５０−１）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記基準電圧（５０−１）との比較結果としての比較信号（５２）を出力する。符号化部は、前記比較信号（５２）に基づいて、前記比較信号（５２）を予め設定された規則で符号化した符号化信号（９４、９５、９６）を出力する。出力部（６２）は、前記符号化信号（９４、９５、９６）に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す判定信号（６５−１〜４、６６−１〜５）を出力する。
【００１５】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記比較部（４３）が、前記セル電圧（５１）が前記基準電圧（５０−１）以下の場合、前記比較信号を出力する。
【００１６】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（６２）が、前記燃料電池セル（２１）、前記比較部（４３）及び前記符号化部（６１）と外部とを電気的に絶縁する、
【００１７】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）は、複数あり、互いに直列に接続され、前記比較部（４３）は、複数あり、前記複数ある前記比較部（４３）は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１８】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数ある前記比較部（４３）の各々が、他の複数の比較部（４３、（４４））を備える。他の複数の比較部（４３、（４４））は、前記セル電圧（５１）と予め設定された互いに異なる他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））の各々との比較結果としての他の複数の比較信号（５２、（５３））の各々を出力する。
ただし、このセル電圧判定ユニットは図示していないが、図３と図４とを組み合わせたものである。
【００１９】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（４１、６２−１〜１０）は、フォトカプラを含む。又、入力部（６２−１１）は、フォトカプラを含む。
【００２０】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数ある燃料電池セル（２１）の各々の両側に配設されたセパレータ（２０）の電位（１６）の入力に基づいて、セル電圧（５１）を出力する複数のセル電圧出力部（４２）を更に具備する。
【００２１】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５−１−１）と、制御部（７６）とを具備する。セル電圧出力部（８５−１−１）は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を、複数の燃料電池セル（２１）の各々につけられた番号としてのセル番号に対応する選択信号（７９）に基づいて出力する。制御部（７６）は、選択信号（７９）を出力し、セル電圧（５１）に基づいて、セル番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力する。
【００２２】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、電圧判定信号（８３）が、予め設定され、セル電圧（５１）の大きさに対応した複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００２３】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、制御部（７６）を電気的に絶縁し、電圧判定信号（８３）に基づいて、判定信号（１５）を出力する出力部（８５−１−２）を更に具備する。
【００２４】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５）が、第１選択部（７０−１）と、第２選択部（７０−２）と、差動増幅部（４２）とを具備する。第１選択部（７０−１）は、複数の燃料電池セル（２１）の第１番目から最後より２番目までのセパレータ（２１−１〜２１−ｍ−１）の電位（１６−１〜１６−ｍ−１）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ）の電位（１６−ｉ）としての第１電位（１６−ａ）を出力する。第２選択部（７０−２）は、複数の燃料電池セル（２１）の第２番目から最後までのセパレータ（２１−２〜２１−ｍ）の電位（１６−２〜１６−ｍ）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ＋１）の電位（１６−ｉ＋１）としての第２電位（１６−ｂ）を出力する。差動増幅部（４２）は、第１電位（１６−ａ）と第２電位（１６−ｂ）とに基づいて、セル電圧（５１）を出力する。
【００２５】
上記課題を解決するための、本発明の燃料電池システムは、上記各項のいずれか一項に記載のセル電圧判定ユニット（４）と、セル電圧判定ユニット（４）を搭載した燃料電池スタック（３）とを具備する。
【００２６】
上記課題を解決するための、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々ととを比較するステップと、セル電圧（２１）と複数の基準電圧（５０−１、５０−２）との大小関係に基づいて、予め設定された複数の比較信号（５２、５３）の内、その大小関係に対応する比較信号（５２、５３）を生成するステップと、前記対応する比較信号（５２、５３）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２７】
また、本発明のセル電圧判定方法は、セル電圧（５１）の状態を判定するステップが、その対応する比較信号（５２、５３）を予め設定された規則で符号化するステップと、その符号化された比較信号（９４、９５、９６）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２８】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、複数の燃料電池セル（２１）の各々の内のセル電圧（５１）を取得したものにつけられた番号と、セル電圧（５１）とに基づいて、その番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力するステップとを具備する。
【００２９】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、電圧判定信号（８３）を出力するステップが、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧とに基づいて、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態を判定するステップを更に具備する。ここで、電圧判定信号（８３）は、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３１】
（実施例１）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
【００３２】
燃料ガス供給装置１は、燃料電池スタック３へ供給する燃料ガスの流量を制御する。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタノールやガソリン等の炭化水素系材料を改質して得られる水素リッチガスに例示される水素を含むガスである。
酸化ガス供給装置２は、燃料電池スタック３へ供給する酸化ガスの流量を制御する。ここで、酸化ガスは、酸素、又は空気に例示される酸素を含むガスである。
【００３３】
燃料電池スタック３は、燃料ガス供給装置１から供給された燃料ガス中の水素と、酸化ガス供給装置２から供給された酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池セルの集合体（複数の燃料電池セルを直列に接続したスタック）である。ダイオード７及び燃料電池出力スイッチ６を介して、負荷装置８に接続され、発電した電力としての燃料電池電力を負荷装置８へ供給する。燃料電池セルは、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に例示される燃料電池である。
【００３４】
セル電圧判定ユニット４は、電気ケーブル１０を介して、燃料電池スタック３における複数の燃料電池セルの各々のセル電圧（出力電圧１６）を受け取る。そして、それらのセル電圧と、予め設定された基準電圧（複数可（後述））とに基づいて、複数の燃料電池セルの各々の異常を判定する。そして、異常がある場合には、電気ケーブル１２を介して判定信号１５を制御装置５へ出力する。セル電圧判定ユニット４は、制御装置５より電気ケーブル１１を介して電力を供給されている。
【００３５】
制御装置５は、燃料電池システム全体（燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７を含む）を制御する。そして、セル電圧判定ユニット４から電気ケーブル１２を介して異常を示す判定信号１５を受信した場合、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００３６】
燃料電池出力スイッチ６は、燃料電池スタック３と負荷装置８との電気的な接続を行う。
ダイオード７は、燃料電池システムにおける逆電流を防止する。
【００３７】
負荷装置８は、車両用燃料電池システムの場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ等である。
【００３８】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して更に説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
【００３９】
セル電圧判定ユニット４は、燃料電池セル２１からセル電圧を取り出す電気ケーブル１０−ｒ（ｒ＝１〜ｎ、自然数、以下同じ）の長さを短く出来るように、電圧燃料電池スタック３の近傍に配置される。本実施例（図２）では、セル電圧判定ユニット４は、燃料電池スタック３の側面（図中上面）に取り付けられている。
【００４０】
電気ケーブル１０−ｒは、セパレータ２０−ｒとセル電圧判定ユニット４の然るべき端子とを接続している。セル電圧判定ユニット４が電圧燃料電池スタック３の近傍に配置されているので、非常に短くて済み、引き回しやノイズの心配が無い。
【００４１】
発電部２２は、燃料電池スタック３において、発電を行う部分であり、燃料電池セル２１−ｓ（ｓ＝１〜ｎ−１、自然数、以下同じ）が、セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）を介して直列に接続されている。
セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）は、燃料電池セル２１−ｓの両側に配設され、隣接する燃料電池セル２１同士を電気的に接続する。それと同時に、燃料電池セル２１−ｓへ燃料ガス及び酸化ガスを供給する。更に、燃料電池セル２１-ｓを冷却するために冷却水の通路を有する。
燃料電池セル２１−ｓは、イオン交換樹脂に例示される電解質膜を、電極としての燃料極と酸素極とで挟んだ構造を有する。そして、セパレータ２０−ｒを介して供給される燃料極側の燃料ガス中の水素と、酸素極側の酸化ガス中の酸素とが電気化学反応を行ない、電気を発生する。この燃料電池セル２１−ｓは、２つのセパレータ２０−ｒ及び２０−ｒ＋１（ただし、ｒ＝ｓ）に挟まれている。
【００４２】
集電プレート２３及び集電プレート２６は、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１で発電された電力を集電し、外部へ取り出すための電極である。
絶縁プレート２４及び絶縁プレート２７は、集電プレート２３及び集電プレート２６と、エンドプレート２５及びエンドプレート２８とを絶縁する。
エンドプレート２５及びエンドプレート２８は、発電部２２を両側から挟みこむ。また、エンドプレート２５には燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０及び酸化ガス導入口３１が設けられている。燃料電池スタック３へ、それぞれ燃料ガス、冷却水及び酸化ガスを供給する。同様にエンドプレート２８には、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３及び燃料ガス排出口３４が設けられている。燃料電池スタック３から、それぞれ酸化ガス、冷却水及び燃料ガスを排出する。
【００４３】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図３を参照して更に説明する。
図３は、本発明であるセル電圧判定ユニットの構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎ−１は、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐ内において、各燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧（後述）が２つ（互いに異なる２つの基準電圧）の例を示して説明するが、本発明は、２つに限定されるものではない。
【００４４】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、フォトカプラ４１−１〜２、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４５−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４７、配線４８、アース部４９、判定レベル設定器５７及び絶縁電源５８を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−１〜２に接続している。
【００４５】
差動増幅器４２−ｋは、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位に基づいて、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）を出力する。サブモジュール４０−１の担当する燃料電池セル２１の数（ｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個）だけ配設されている。差動増幅器４２−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、燃料電池セル２１−ｋを挟むセパレータ２０−ｉ及びセパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）のそれぞれに一端部を接続された電気ケーブル１０−ｉ及び電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）は、その他端部を共に差動増幅器４２−ｋに接続している。そして、差動増幅器４２−ｋは、それぞれの電気ケーブル１０から、セパレータ２０−ｉ（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋの一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とを受け取る。差動増幅器４２−ｋは、その差（電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）を算出して、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）として出力する。
【００４６】
比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４３−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とを比較する。そして、セル電圧５１−ｋが電圧判定レベル５０−１以下になった場合、セル電圧５１−ｋを異常（＝燃料電池セル２１−ｋを異常）と判定する。異常と判定した場合、第１比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。
【００４７】
出力トランジスタ４５−ｋは、異常と判定した場合に比較器４３−ｋから入力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、配線４７にセル電圧判定信号（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５４を出力する。出力トランジスタ４５−ｋは、比較器４３−ｋと同数だけ配設されている。
すなわち、出力トランジスタ４５−ｋは、セル電圧５１−ｋの異常時に、比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋをベース電極で受け取る。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋは、接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４を出力する。
【００４８】
フォトカプラ４１−１は、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４７のセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４に基づいて、電気ケーブル１２−１へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−１を出力する。フォトカプラ４１−２と共に出力部ともいう。
すなわち、フォトカプラ４１−１は、電流５４によりＯＮ状態となり、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁された電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。
【００４９】
フォトカプラ４１−１の配線４７は、全ての出力トランジスタ４５に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、燃料電池セル２１−ｋのいずれかが異常を発生し、出力トランジスタ４５−ｋによりセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が発せられた場合でも、同様にＯＮ状態となる。そして、電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。
また、電気ケーブル１２−１は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて判定信号１５−１が出力されれば、その判定信号１５−１が電気ケーブル１２−１を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５０】
比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４８、フォトカプラ４１−２及び電気ケーブル１２−２についても、同様である。
すなわち、比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された、電圧判定レベル５０−１とは互いに異なる基準電圧としての電圧判定レベル５０−２とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５３−ｋを出力する。比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４４−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００５１】
ただし、電圧判定レベル５０−２は、電圧判定レベル５０−１とは異なる値とする。例えば、電圧判定レベル５０−２の値を、燃料電池スタック３を緊急停止しなければならない電圧とし、電圧判定レベル５０−１を、燃料電池スタック３の出力を５０％以下に絞らなければならない電圧とする。そうすることにより、燃料電池スタック３の異常の度合いに応じた異常の判定を行うことが可能となる。
【００５２】
出力トランジスタ４６−ｋは、異常と判定した場合に比較器４４−ｋから出力されるセル電圧判定信号５３−ｋに基づいて、配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋ（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５５を出力する。出力トランジスタ４６−ｋは、比較器４４−ｋと同数だけ配設されている。
フォトカプラ４１−２は、配線４８と電気ケーブル１２−２とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４８のセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５に基づいて、電気ケーブル１２−２へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−２を出力する。制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。
【００５３】
フォトカプラ４１−２の配線４８は、全ての出力トランジスタ４６に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、燃料電池セル２１のいずれかが異常を発生しても、電気ケーブル１２−２へ判定信号１５−２を出力する。
電気ケーブル１２−２は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて発せられた判定信号１５−２は、電気ケーブル１２−２を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２を生成し、それぞれ比較器４３及び比較器４４へ出力する。電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２は、例えば、燃料電池セル２１の定格電圧が０．６Ｖの場合、その２／３（０．４Ｖ）及び１／３（０．２Ｖ）とする。そして、電圧判定レベル５０−１以下になった場合、危険レベル１とし、電圧判定レベル５０−２以下になった場合、危険レベル２とする。そして、２つの危険レベルに応じた対処方法をそれぞれ設定することにより、燃料電池セル２１の状況に、適切に対応することが可能となる。なお、ノイズの影響を減少させるために、差動増幅器４２において、セル電圧を増幅する場合には、その増幅倍率に応じて電圧判定レベル５０（−１〜２）を高くする。
【００５５】
また、電圧判定レベル５０は、２つに限られるものではなく、更に多くの電圧判定レベルを設定することも可能である。例えば、電圧判定レベルを５つにし、定格０．６Ｖに対して、０．５５Ｖ、０．５０Ｖ、０．４５Ｖ、０．４０Ｖ及び０．３Ｖと設定すれば、単に各燃料電池セル２１−ｋの異常を知るだけでなく、各燃料電池セル２１−ｋの電圧の大きさも概ね把握することが出来る。そして、継続的な測定を行えば、各燃料電池セル２１−ｋの劣化状況の把握、異常の発生や寿命の予測等も行うことが可能となる。
その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１−ｋに対して比較器、出力トランジスタ、配線、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に設けることにより実施することが出来る。
【００５６】
絶縁電源５８は、差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、フォトカプラ４１−１〜２などのサブモジュール４０−１内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、サブモジュール４０−１を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置とサブモジュール４０−１とを絶縁電源５８により絶縁する。
【００５７】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ４１とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【００５８】
アース部４９は、サブモジュール４０−１と燃料電池スタック３間の電位が不定となり、差動増幅器４２−ｋがコモンモードのノイズの影響を受け、誤作動や、破損することを防止する。セパレータ２０−ｉの１つをサブモジュール４０−１内でアースし、基準となる電位（０Ｖ）としている。アースの位置は、モジュール４０−１内の電源に対する、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧で決める。例えば、ｍ＝３１であれば、セパレータ２０−１６にアース部４９を設けると、１つの燃料電池セル２１の出力電圧が１Ｖ弱なので、＋側に１５セル分（＋１５Ｖ弱）、−側に１５セル分（−１５Ｖ弱）となり、差動増幅器４２−ｋへの最大入力電圧は、±１５Ｖ弱となる。従って、最大入力電圧±１５Ｖの差動増幅器４２を用いることが可能となる。サブモジュール内の電源が±１５Vでなく、片電源の＋３０Vで、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧が０〜３０Vならば、最下位のセパレータ２０−ｍをアースすることになる。
【００５９】
次に、本発明である燃料電池システムの第１の実施の形態における動作について、図１〜図３を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００６０】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋ及び比較器４４−ｋへ出力される。
【００６１】
（５−１）（電圧判定レベル５０−２≦）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋ（及び比較器４４−ｋ）からは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００６２】
（５−２）電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、出力トランジスタ４５−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋに接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が流れる。
（７−２）電流５４は、フォトカプラ４１−１をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５２−ｋを示す判定信号１５−１が、電気ケーブル１２−１へ出力される。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。ただし、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋなので、比較器４４−ｋからは信号は出力されず、従って、判定信号１５−２は制御装置５へ出力されない。従って、制御装置５は、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ａを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ａという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を制限する、などである。
【００６３】
（５−３）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４４−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−２と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５３−ｋが出力される。
（６−３）セル電圧判定信号５３−ｋは、出力トランジスタ４６−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４６−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４６−ｉに接続された配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５が流れる。
（７−３）電流５５は、フォトカプラ４１−２をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５３−ｉを示す判定信号１５−２が、電気ケーブル１２−２へ出力される。判定信号１５−２は、ケーブル１２−２経由で制御装置５へ送られる。
（８−３）制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）、という状況Ｂを把握する。
（９−３）制御装置５は、状況Ｂという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００６４】
本発明により、燃料電池セルの１つだけが異常を発生した場合でも、検知することが出来る。また、複数の判定基準を有することにより、燃料電池セルの異常の状況を的確に把握することが可能となる。さらに、判定基準の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００６５】
（実施例２）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０−１〜ｎ、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６６】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図４を参照して更に説明する。
図４は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧が１つの例を示して説明するが、本発明は、１つに限定されるものではなく、実施例１を組み合わせることにより、互いに異なる複数の基準電圧を用いるセル電圧判定ユニット４となる。
【００６８】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、判定レベル設定器５７、絶縁電源５８、エンコーダ６１及びフォトカプラ６２−１〜１１を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−３〜５に接続している。
ここで、燃料電池セル２１の数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個である。
【００６９】
差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ及び絶縁電源５８は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
ただし、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ出力する。
【００７０】
エンコーダ６１は、比較器４３−ｋから出力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、異常が発生した燃料電池セル２１−ｋの番号と、サブモジュール４０の番号とを符号化し、フォトカプラ６２−１〜１０へ出力する。
すなわち、エンコーダ６１は、異常の発生した燃料電池セル２１−ｋに対応する比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋの入力を受けて、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とを、予め設定された規則に基づいて符号化する。しかる後、ＵＮＩＴ−ＯＵＴ、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号を出力する。符号化の方法に制限は無いが、例えば後述の図５で示す規則に基づいて実施することが可能である。
ここでは、エンコーダ６１を用いているが、ゲートアレイや、ＡＤコンバータとメモリとＣＰＵとを有する半導体装置（１チップ）を利用することも可能である。
【００７１】
フォトカプラ６２−１〜１１は、エンコーダ６１側の配線と電気ケーブル１２−３〜５とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。この内、フォトカプラ６２−１〜１０は、エンコーダ６１側の配線の符号化された信号に基づいて、電気ケーブル１２−３〜５へ、符号化された信号を示す判定信号６３−２、判定信号６５、判定信号６６を出力する。フォトカプラ６２−１１は、他のサブモジュール４０からの異常の有無を示す判定信号６３−１を受け、エンコーダ６１側へ出力する。エンコーダ６１は、この信号を参照して符号化を行っても良い。
ここで、フォトカプラ６２−１〜１０は、出力部ともいう。
【００７２】
すなわち、フォトカプラ６２−１〜１０は、符号化された信号の入力によりＯＮ状態となる。フォトカプラ６２−１は、ＵＮＩＴ−ＯＵＴからの信号を判定信号６３−２として電気ケーブル１２−５へ出力する。フォトカプラ６２−２〜５は、Ｕ１〜Ｕ４からの信号を判定信号６５−１〜４として電気ケーブル１２−３へ出力する。フォトカプラ６２−６〜６２−１０は、Ｓ１〜Ｓ５からの信号を判定信号６６−１〜５として電気ケーブル１２−４へ出力する。それらの判定信号は、ケーブル１２−３〜５経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。
【００７３】
制御装置５は、故障（異常）の発生した燃料電池セルの番号及びサブモジュール４０の番号を正確に特定することが可能となる。そして、非常に効率的に修理を行うことが出来、メンテナンスの時間及びコストを削減することが可能となる。
【００７４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベルが１つである他は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。ただし、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。
【００７５】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ６２とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【００７６】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【００７７】
図５は、エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。ここでは、サブモジュール４０の数を１６個、各サブモジュール４０における燃料電池セル２１の数を３０個とする。そして、この表がサブモジュール４０−１を示しているとする。
入力９０は、エンコーダ６１の入力信号に関する欄を示す。
出力９１は、エンコーダ６１の出力信号（符号化された信号）に関する欄を示す。
【００７８】
異常セル番号９２は、異常を示す燃料電池セル２１の番号である。入力されるセル電圧（５１）の入力端子番号に対応する。
異常セル番号（符号）９４は、異常セル番号９２に対応する符号化された燃料電池セル２１の番号を示す。異常セル番号９２の１〜３０と「異常セル無し」を、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２５−１＝３１個の燃料電池セル２１に対応することが出来る（ただし、ここでは、Ｓ１〜Ｓ５＝０００００を「異常セル無し」に割り当てているため、最大３１セル分）。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１の番号（異常セル番号９２）が「２」の場合、その番号は符号化（異常セル番号（符号）９４）されて、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁を用いて、０１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｓ１〜Ｓ５の各端子から出力されることになる。Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁から出力される信号は、判定信号６６−１〜判定信号６６−５に対応する。
【００７９】
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３は、サブモジュール４０−１の手前に接続されているサブモジュール４０−４に異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力されることを示す。
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９５は、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１−ｋに異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力することを示す。
なお、電気ケーブル１２−４を他のサブモジュール４０と共用しているので、１つのサブモジュール４０から判定信号６６が出力されると、他のサブモジュールからは出力しない。従って、制御装置５から遠いものを優先するとすれば、遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、異常セル番号（符号）９４を出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
【００８０】
異常ユニット番号（符号）９６は、異常を示す燃料電池セル２１を有するサブモジュール４０番号に対応する符号化されたサブモジュール４０の番号を示す。異常を示すサブモジュール４０の番号を、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２４＝１６個のサブモジュール４０に対応することが出来る。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１のあるサブモジュール４０の番号が１の場合（サブモジュール４０−１）、その番号は符号化（異常ユニット番号（符号）９６）されて、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁を用いて、１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｕ１〜Ｕ４の各端子から出力されることになる。Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁から出力される信号は、判定信号６５−１〜判定信号６５−４に対応する。
【００８１】
次に、本発明である燃料電池システムの第２の実施の形態における動作について、図１、２、４、５を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００８２】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋへ出力される。
【００８３】
（５−１）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋからは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００８４】
（５−２）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ入力される。エンコーダ６１内において、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とが、予め設定された規則により符号化される。符号化は、例えば図５に示すような方法で行う。しかる後、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号が出力される。
なお、制御装置５から遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
（７−２）符号化された信号の内、「１」の出力は、対応するフォトカプラ６２（−１〜１０）をＯＮ状態にする。
そして、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）又はサブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、それを示す判定信号６３−２が、フォトカプラ６２−１から電気ケーブル１２−５へ出力される。
また、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、サブモジュール４０−１を示す判定信号６５−１〜４が、フォトカプラ６２−２〜５から電気ケーブル１２−３へ出力される。
更に、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、燃料電池セル２１−ｋを示す判定信号６６−１〜５が、フォトカプラ６２−６〜１０から電気ケーブル１２−４へ出力される。
それらの判定信号は、制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐのいずれかの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。そして、制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ｃを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ｃという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、サブモジュール４０の燃料電池セル２１−ｋへの燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１−ｋが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下する、などである。
【００８５】
本発明により、異常を発生した燃料電池セル及びそのサブモジュールを個別に特定することが可能となる。そして、その個別の燃料電池セルに対応した制御を実施することが可能となる。
【００８６】
なお、電気ケーブル１２−４を共用ではなく、サブモジュール４０毎に設ければ、下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３及び下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９４を省略することが可能である。その場合、電気ケーブル１２−３及び電気ケーブル１２−４−１〜ｐ（サブモジュール４０がｐ個の場合）からの判定信号により、故障した燃料電池セル２１の番号及び所属するサブモジュール４０の番号を常時継続的に特定することが可能となる。
【００８７】
本実施例では、電圧判定レベルは１つであるが、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。その場合、例えば、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、その比較器の出力を符号化するエンコーダ、符号化した信号を出力するフォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
あるいは、電圧判定レベルの増加に応じて、エンコーダ６１に入力端子及び出力端子の多いものを選択することにより、電圧判定レベルが増えた場合においても、一つのエンコーダで対応させることも可能である。その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
それにより、燃料電池セルの異常の状況（レベル）を的確に把握することが可能となる。さらに、電圧判定レベル（判定基準）の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００８８】
（実施例３）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００８９】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００９０】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図６を参照して更に説明する。
図６は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のセル電圧部８５−ｑ（ｑ＝１〜ｐ、自然数、以下同様）、絶縁電源５８を具備する。そして、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。ここで、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（セル電圧部８５の数と同数）のグループに分割される。そして、対応するセル電圧部８５−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓのセル電圧（出力電圧）が出力される。これらのセル電圧部８５−１〜ｐは、同様の構成を有するため、セル電圧部８５−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、各セル電圧部８５−ｑの担当する燃料電池セル２１−ｓの個数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数は、ｍ個となる。
【００９１】
セル電圧部８５−ｑは、マルチプレクサ７０−１〜２、差動増幅器４２、制御部７６、絶縁ユニット７７、通信インターフェース７８を備える。電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ、以下同じ）とを介して取得するセパレータ２０−ｉとセパレータ２０−ｉ＋１との電位に基づいて、燃料電池セル２１−ｋのセル電圧（出力電圧）を取り出す。
ここで、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。電気ケーブル１０−ｉの一端部はマルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２に、他端部はセパレータ２０−ｉに接続されている（ただし、セパレータ２０−１からの出力はマルチプレクサ７０−１のみに、セパレータ２０−ｍからの出力はマルチプレクサ７０−２のみに接続）。
ここで、マルチプレクサ７０−１〜２及び差動増幅器４２をセル電圧出力部８５−１−１ともいう。また、絶縁ユニット７７及び通信インターフェース７８を出力部ともいう。
【００９２】
マルチプレクサ７０−１は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−１、最後の入力端子に電位１６−ｍ−１、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−１に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つを選択し、電位１６−ａとして出力する。
一方、マルチプレクサ７０−２は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−２、最後の入力端子に電位１６−ｍ、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−２に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−２〜ｍの中から１つを選択し、電位１６−ｂとして出力する。
セレクト信号７９は、制御部７６より出力される。
【００９３】
この場合、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２は、同じセレクト信号７９に基づいて（同じタイミングで）、同じ位置の入力端子の入力を選択し、それぞれ電位１６−ａと電位１６−ｂとする。マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の入力端子に入るセパレータの電位１６は、１つずれているので、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接する電位１６−ｉ及び電位１６−ｉ＋１となる。すなわち、セパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位になるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【００９４】
差動増幅器４２は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位である電位１６−ａと電位１６−ｂとに基づいて、セル電圧５１（出力電圧）を出力する。差動増幅器４２は、１つで良く、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００９５】
制御部７６は、ＡＤコンバータ７３と演算処理部７４とメモリ７５とを備える。セル電圧８１に基づいて、セル電圧５１を所望の形式（特性）を有する信号に変換し、電圧判定信号８３として出力する。制御部７６は、１チップの半導体装置を利用することが可能である。
【００９６】
ＡＤコンバータ７３は、アナログ信号であるセル電圧５１をデジタル信号であるセル電圧８２に変換する。
演算処理部７４は、内部に有するプログラムを用いて、セル電圧８２に基づいて、セル電圧８２を所望の形式（特性）を有するデータに変換し、電圧判定信号８３として出力する。ここで、所望の形式の電圧判定信号８３とは、セル電圧８２の大きさ／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータ、あるいは、セル電圧８２の大きさから求まる異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータで例示される。それらは、プログラムの変更により、その他のデータにも変更可能である。なお、セル電圧部８５−ｑの番号及び燃料電池セル２１−ｋの番号は、セレクト信号７９により特定できる。
また、演算処理部７４は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の制御（セレクト信号７９の出力、同期調整等）、セル電圧８２の加工、制御部７６の制御等を行う。
メモリ７５は、演算処理部７４で行う各種処理の際にデータを格納する。
【００９７】
絶縁ユニット７７は、制御部７６側の配線と通信インターフェース７８側（制御装置５）側とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。そして、制御部７６から出力される電圧判定信号８３に基づいて、通信インターフェース７８へ電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４を出力する。絶縁ユニット７７は、フォトカプラに例示される。
【００９８】
通信インターフェース７８は、電圧判定信号８４を通信可能なデータとしての判定信号１５に変換し、制御装置５へ出力する。通信は、ＲＳ−２３２Ｃに例示される１対１の通信方法、イーサネット（登録商標）に例示される多対多の通信方法を適用できる。その際、通信インターフェース７８は、それらの通信に従来用いられる通信手段が利用できる。
【００９９】
制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１−ｋにおけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、を把握する。なお、制御装置５には、通信インターフェース７８と通信可能な同様の通信インターフェースを設ける。
【０１００】
制御装置５は、各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知することが可能となる。すなわち、全ての燃料電池セル２１−ｓの状態を常時正確に把握出来る。
【０１０１】
絶縁電源５８は、マルチプレクサ７０−１、マルチプレクサ７０−２、差動増幅器４２、ＡＤコンバータ７３、演算処理部７４、メモリ７５、絶縁ユニット７７などの通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置と通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４とを絶縁電源５８により絶縁する。
【０１０２】
本発明では、絶縁ユニット７７と絶縁電源５８とを用いて、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４と制御装置５とを絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【０１０３】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【０１０４】
次に、本発明である燃料電池システムの第３の実施の形態における動作について、図１、２、６を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【０１０５】
（３−１）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−１へ入力される。
（４−１）セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１と、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−１において、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つの信号が選択され、電位１６−ａとして差動増幅器４２へ出力される。
【０１０６】
（３−２）一方、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍ（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−２へ入力される。
（４−２）セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍと、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−２において、電位１６−２〜ｍの中から１つの信号が選択され、電位１６−ｂとして差動増幅器４２へ出力される。
この場合、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接するセパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位とになるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【０１０７】
（５）差動増幅器４２では、電位１６−ａと電位１６−ｂとの差であるセル電圧５１（出力電圧）が算出される。そして、セル電圧５１は、制御部７６（のＡＤコンバータ７３）へ出力される。
【０１０８】
（６）アナログ信号であるセル電圧５１は、ＡＤコンバータ７３において、デジタル信号であるセル電圧８２に変換され、演算処理部７４へ出力される。
（７）セル電圧８２は、演算処理部７４の有するプログラムにより、所望の形式（特性）を有するデータに変換され、電圧判定信号８３として絶縁ユニット７７へ出力される。
（８）電圧判定信号８３は、絶縁ユニット７７により、電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４に変換され、通信インターフェース７８へ出力される。
（９）電圧判定信号８４は、通信インターフェース７８により、通信可能なデータとしての判定信号１５に変換され、制御装置５へ出力される。
（１０）制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１におけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、等の各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知する。
（１１）制御装置５は、各燃料電池セル２１の出力や故障（異常）の状態に応じて、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１を保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、燃料電池セル２１への燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１が運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下することにより、燃料電池セル２１の電圧低下を抑える、燃料電池出力スイッチ６を開いて燃料電池スタック３の発電を停止することにより、燃料電池スタック３全体の損害を防ぐ、などである。
異常が無い場合には、データを蓄積し、劣化の計測や、メンテナンス時期や寿命についての参考にする。
【０１０９】
本発明により、燃料電池スタック３における全ての燃料電池セル２１の状態を常時継続的に正確に把握することが可能となる。そして、異常を発生した燃料電池セル２１を迅速且つ的確に、個別に特定することが可能となる。更に、それらの情報に基づいて、異常が発生した場合にも、その燃料電池セル２１の異常状態に応じた対処を実施することが可能となる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、各燃料電池セルの異常を早期に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【図４】本発明であるセル電圧判定ユニット４の他の構成を示す図である。
【図５】エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。
【図６】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス供給装置
２ 酸化ガス供給装置
３ 燃料電池スタック
４ セル電圧判定ユニット
５ 制御装置
６ 燃料電池出力スイッチ
７ ダイオード
８ 負荷装置
１０ 電気ケーブル
１１ 電気ケーブル
１２ 電気ケーブル
１５ 判定信号
１６ セル電位
１６−ａ、ｂ セル電位
２０ セパレータ
２１ 燃料電池セル
２２ 発電部
２３ 集電プレート
２４ 絶縁プレート
２５ エンドプレート
２６ 集電プレート
２７ 絶縁プレート
２８ エンドプレート
２９ 燃料ガス導入口
３０ 冷却水導入口
３１ 酸化ガス導入口
３２ 酸化ガス排出口
３３ 冷却水排出口
３４ 燃料ガス排出口
４０−１〜ｐ サブモジュール
４１−１〜２ フォトカプラ
４２ 差動増幅器
４３ 比較器
４４ 比較器
４５ 出力トランジスタ
４６ 出力トランジスタ
４７ 配線
４８ 配線
４９ アース部
５０−１〜２ 基準電圧
５１ セル電圧
５２ セル電圧判定信号
５３ セル電圧判定信号
５４ 電流
５５ 電流
５７ 判定レベル設定器
５８ 絶縁電源
６１ エンコーダ
６２−１〜１１ フォトカプラ
６３−１〜２ ユニット信号
６５−１〜４ 異常ユニット信号
６６−１〜５ 異常セル信号
７０−１〜２ マルチプレクサ
７３ ＡＤコンバータ
７４ 演算処理部
７５ メモリ
７６ 制御部
７７ 絶縁ユニット
７８ 通信インターフェース
７９ セレクト信号
８２ セル電圧
８３ 電圧判定信号
８４ 電圧判定信号
８５ セル電圧部
８５−１−１ セル電圧出力部
８５−１−２ 出力部
９０ 入力
９１ 出力
９２ 異常セル番号
９３ 下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）
９４ 異常セル番号（符号）
９５ 下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）
９６ 異常ユニット番号（符号）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムのセル電圧判定ユニットに関し、特に、燃料電池スタック内の複数の燃料電池セルのセル電圧の異常を判定するセル電圧判定ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池セルは、電解質膜と、触媒機能を有する電極である燃料極及び酸素極とを有する。そして、燃料極と酸素極とが電解質膜を挟む構造をしている。燃料電池セルの運転中の電圧は、例えば０．６Ｖ程度（開放電圧は１Ｖ程度）である。従って、電源として利用するためには、複数の燃料電池セルを直列に接続して、燃料電池スタックを形成し、所望の電圧を得るようにする。ここで、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの数は、必要とする電圧に応じて、数十〜数百セルになる。
【０００３】
このような燃料電池スタックの運転の際、その異常が発生した場合の判定については、燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の変化等により行う技術が知られている。例えば、セルの破損に伴う燃料電池スタックの出力電圧や出力電流の低下などを検出し、基準値との比較により異常と判定する。この場合、複数の燃料電池セルの全体としての特性に基づいて行っていた。従って、数百セルの燃料電池スタックの場合には、一、二のセルの異常を把握することは困難である。しかし、一つの燃料電池セルの異常が他の燃料電池セルへ波及する可能性は十分に有り、その結果として、燃料電池スタック全体が故障を起こす可能性も有り得る。
燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、燃料電池セル一つの異常であっても早期に検知することが可能な技術が求められている。
【０００４】
ここで、燃料電池スタックにおいて複数の燃料電池セルの各々の状態を監視するためには、燃料電池セルの各々に計測用のケーブル配線（例えば３００セルなら最低３０１本）を接続する必要があり、その引き回しのスペース、ノイズの混入、ケーブル配線の高コスト化等の問題がある。そこに使用される素子は、高電圧（例えば３００セルなら３００Ｖ程度）の耐圧を有する必要があり、また、計測された信号が制御側に影響を及ぼさないようにすることが望ましい。このようなことから、装置コストが高くなる問題がある。
燃料電池スタックにおいて、多数のケーブル配線を引き回す必要が無く、低コストで実施することが可能な、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視する技術が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、異常を早期に検知することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧を計測し、各燃料電池セルの異常を早期に判定することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の電圧レベルを、個別に把握することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００８】
更に、本発明の別の目的は、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の異常の検知を、低コストで実施することが可能なセル電圧判定ユニットを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数の比較部（４３、４４）と、複数の出力部（４１−１、４１−２）とを具備する。複数の比較部（４３、４４）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された互いに異なる複数の基準電圧（５０−１、５０−２）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々との比較結果としての複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。複数の出力部（４１−１、４１−２）は、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す複数の判定信号（１５−１、１５−２）の各々を出力する。
【００１１】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の比較部（４３、４４）の各々が、前記セル電圧（５１）が前記複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々以下の場合、前記複数の比較信号（５２、５３）の各々を出力する。
【００１２】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数の出力部（４１−１、４１−２）が、前記燃料電池セル（２１）及び前記複数の比較部（４３、４４）と外部とを電気的に絶縁する。
【００１３】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）が、複数あり、互いに直列に接続され、前記複数の比較部（４３、４４）は、複数あり、前記複数ある前記複数の比較部（４３、４４）の各々は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１４】
また、本発明のセル電圧判定ユニットは、比較部（４３）と、符号化部（６１）と、出力部（６２−１〜１０）とを具備する。比較部（４３）は、燃料電池セル（２１）のセル電圧（５１）と、予め設定された基準電圧（５０−１）とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記基準電圧（５０−１）との比較結果としての比較信号（５２）を出力する。符号化部は、前記比較信号（５２）に基づいて、前記比較信号（５２）を予め設定された規則で符号化した符号化信号（９４、９５、９６）を出力する。出力部（６２）は、前記符号化信号（９４、９５、９６）に基づいて、前記燃料電池セル（２１）の状態を示す判定信号（６５−１〜４、６６−１〜５）を出力する。
【００１５】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記比較部（４３）が、前記セル電圧（５１）が前記基準電圧（５０−１）以下の場合、前記比較信号を出力する。
【００１６】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（６２）が、前記燃料電池セル（２１）、前記比較部（４３）及び前記符号化部（６１）と外部とを電気的に絶縁する、
【００１７】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記燃料電池セル（２１）は、複数あり、互いに直列に接続され、前記比較部（４３）は、複数あり、前記複数ある前記比較部（４３）は、前記複数ある前記燃料電池セル（２１）の各々に対応して設けられている。
【００１８】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記複数ある前記比較部（４３）の各々が、他の複数の比較部（４３、（４４））を備える。他の複数の比較部（４３、（４４））は、前記セル電圧（５１）と予め設定された互いに異なる他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））とに基づいて、前記セル電圧（５１）と前記他の複数の基準電圧（５０−１、（５０−２））の各々との比較結果としての他の複数の比較信号（５２、（５３））の各々を出力する。
ただし、このセル電圧判定ユニットは図示していないが、図３と図４とを組み合わせたものである。
【００１９】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、前記出力部（４１、６２−１〜１０）は、フォトカプラを含む。又、入力部（６２−１１）は、フォトカプラを含む。
【００２０】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、複数ある燃料電池セル（２１）の各々の両側に配設されたセパレータ（２０）の電位（１６）の入力に基づいて、セル電圧（５１）を出力する複数のセル電圧出力部（４２）を更に具備する。
【００２１】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５−１−１）と、制御部（７６）とを具備する。セル電圧出力部（８５−１−１）は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を、複数の燃料電池セル（２１）の各々につけられた番号としてのセル番号に対応する選択信号（７９）に基づいて出力する。制御部（７６）は、選択信号（７９）を出力し、セル電圧（５１）に基づいて、セル番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力する。
【００２２】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、電圧判定信号（８３）が、予め設定され、セル電圧（５１）の大きさに対応した複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００２３】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、制御部（７６）を電気的に絶縁し、電圧判定信号（８３）に基づいて、判定信号（１５）を出力する出力部（８５−１−２）を更に具備する。
【００２４】
更に、本発明のセル電圧判定ユニットは、セル電圧出力部（８５）が、第１選択部（７０−１）と、第２選択部（７０−２）と、差動増幅部（４２）とを具備する。第１選択部（７０−１）は、複数の燃料電池セル（２１）の第１番目から最後より２番目までのセパレータ（２１−１〜２１−ｍ−１）の電位（１６−１〜１６−ｍ−１）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ）の電位（１６−ｉ）としての第１電位（１６−ａ）を出力する。第２選択部（７０−２）は、複数の燃料電池セル（２１）の第２番目から最後までのセパレータ（２１−２〜２１−ｍ）の電位（１６−２〜１６−ｍ）と、選択信号（７９）とに基づいて、選択信号（７９）に対応するセパレータ（２１−ｉ＋１）の電位（１６−ｉ＋１）としての第２電位（１６−ｂ）を出力する。差動増幅部（４２）は、第１電位（１６−ａ）と第２電位（１６−ｂ）とに基づいて、セル電圧（５１）を出力する。
【００２５】
上記課題を解決するための、本発明の燃料電池システムは、上記各項のいずれか一項に記載のセル電圧判定ユニット（４）と、セル電圧判定ユニット（４）を搭載した燃料電池スタック（３）とを具備する。
【００２６】
上記課題を解決するための、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧（５０−１、５０−２）の各々ととを比較するステップと、セル電圧（２１）と複数の基準電圧（５０−１、５０−２）との大小関係に基づいて、予め設定された複数の比較信号（５２、５３）の内、その大小関係に対応する比較信号（５２、５３）を生成するステップと、前記対応する比較信号（５２、５３）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２７】
また、本発明のセル電圧判定方法は、セル電圧（５１）の状態を判定するステップが、その対応する比較信号（５２、５３）を予め設定された規則で符号化するステップと、その符号化された比較信号（９４、９５、９６）に基づいて、セル電圧（５１）の状態を判定するステップとを具備する。
【００２８】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、複数の燃料電池セル（２１）を直列に接続した燃料電池スタック（３）における複数の燃料電池セル（２１）の各々のセル電圧（５１）を取得するステップと、複数の燃料電池セル（２１）の各々の内のセル電圧（５１）を取得したものにつけられた番号と、セル電圧（５１）とに基づいて、その番号とセル電圧（５１）とを含む電圧判定信号（８３）を出力するステップとを具備する。
【００２９】
更に、本発明のセル電圧判定方法は、電圧判定信号（８３）を出力するステップが、セル電圧（５１）と予め設定された複数の基準電圧とに基づいて、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態を判定するステップを更に具備する。ここで、電圧判定信号（８３）は、複数の燃料電池セル（２１）の各々の状態の情報を含む。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３１】
（実施例１）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第１の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
【００３２】
燃料ガス供給装置１は、燃料電池スタック３へ供給する燃料ガスの流量を制御する。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタノールやガソリン等の炭化水素系材料を改質して得られる水素リッチガスに例示される水素を含むガスである。
酸化ガス供給装置２は、燃料電池スタック３へ供給する酸化ガスの流量を制御する。ここで、酸化ガスは、酸素、又は空気に例示される酸素を含むガスである。
【００３３】
燃料電池スタック３は、燃料ガス供給装置１から供給された燃料ガス中の水素と、酸化ガス供給装置２から供給された酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池セルの集合体（複数の燃料電池セルを直列に接続したスタック）である。ダイオード７及び燃料電池出力スイッチ６を介して、負荷装置８に接続され、発電した電力としての燃料電池電力を負荷装置８へ供給する。燃料電池セルは、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に例示される燃料電池である。
【００３４】
セル電圧判定ユニット４は、電気ケーブル１０を介して、燃料電池スタック３における複数の燃料電池セルの各々のセル電圧（出力電圧１６）を受け取る。そして、それらのセル電圧と、予め設定された基準電圧（複数可（後述））とに基づいて、複数の燃料電池セルの各々の異常を判定する。そして、異常がある場合には、電気ケーブル１２を介して判定信号１５を制御装置５へ出力する。セル電圧判定ユニット４は、制御装置５より電気ケーブル１１を介して電力を供給されている。
【００３５】
制御装置５は、燃料電池システム全体（燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７を含む）を制御する。そして、セル電圧判定ユニット４から電気ケーブル１２を介して異常を示す判定信号１５を受信した場合、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００３６】
燃料電池出力スイッチ６は、燃料電池スタック３と負荷装置８との電気的な接続を行う。
ダイオード７は、燃料電池システムにおける逆電流を防止する。
【００３７】
負荷装置８は、車両用燃料電池システムの場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ等である。
【００３８】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して更に説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
【００３９】
セル電圧判定ユニット４は、燃料電池セル２１からセル電圧を取り出す電気ケーブル１０−ｒ（ｒ＝１〜ｎ、自然数、以下同じ）の長さを短く出来るように、電圧燃料電池スタック３の近傍に配置される。本実施例（図２）では、セル電圧判定ユニット４は、燃料電池スタック３の側面（図中上面）に取り付けられている。
【００４０】
電気ケーブル１０−ｒは、セパレータ２０−ｒとセル電圧判定ユニット４の然るべき端子とを接続している。セル電圧判定ユニット４が電圧燃料電池スタック３の近傍に配置されているので、非常に短くて済み、引き回しやノイズの心配が無い。
【００４１】
発電部２２は、燃料電池スタック３において、発電を行う部分であり、燃料電池セル２１−ｓ（ｓ＝１〜ｎ−１、自然数、以下同じ）が、セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）を介して直列に接続されている。
セパレータ２０−ｒ（ｒ＝ｓ及びｓ＋１）は、燃料電池セル２１−ｓの両側に配設され、隣接する燃料電池セル２１同士を電気的に接続する。それと同時に、燃料電池セル２１−ｓへ燃料ガス及び酸化ガスを供給する。更に、燃料電池セル２１-ｓを冷却するために冷却水の通路を有する。
燃料電池セル２１−ｓは、イオン交換樹脂に例示される電解質膜を、電極としての燃料極と酸素極とで挟んだ構造を有する。そして、セパレータ２０−ｒを介して供給される燃料極側の燃料ガス中の水素と、酸素極側の酸化ガス中の酸素とが電気化学反応を行ない、電気を発生する。この燃料電池セル２１−ｓは、２つのセパレータ２０−ｒ及び２０−ｒ＋１（ただし、ｒ＝ｓ）に挟まれている。
【００４２】
集電プレート２３及び集電プレート２６は、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１で発電された電力を集電し、外部へ取り出すための電極である。
絶縁プレート２４及び絶縁プレート２７は、集電プレート２３及び集電プレート２６と、エンドプレート２５及びエンドプレート２８とを絶縁する。
エンドプレート２５及びエンドプレート２８は、発電部２２を両側から挟みこむ。また、エンドプレート２５には燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０及び酸化ガス導入口３１が設けられている。燃料電池スタック３へ、それぞれ燃料ガス、冷却水及び酸化ガスを供給する。同様にエンドプレート２８には、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３及び燃料ガス排出口３４が設けられている。燃料電池スタック３から、それぞれ酸化ガス、冷却水及び燃料ガスを排出する。
【００４３】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図３を参照して更に説明する。
図３は、本発明であるセル電圧判定ユニットの構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎ−１は、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐ内において、各燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧（後述）が２つ（互いに異なる２つの基準電圧）の例を示して説明するが、本発明は、２つに限定されるものではない。
【００４４】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、フォトカプラ４１−１〜２、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４５−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４７、配線４８、アース部４９、判定レベル設定器５７及び絶縁電源５８を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−１〜２に接続している。
【００４５】
差動増幅器４２−ｋは、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位に基づいて、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）を出力する。サブモジュール４０−１の担当する燃料電池セル２１の数（ｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個）だけ配設されている。差動増幅器４２−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、燃料電池セル２１−ｋを挟むセパレータ２０−ｉ及びセパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）のそれぞれに一端部を接続された電気ケーブル１０−ｉ及び電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）は、その他端部を共に差動増幅器４２−ｋに接続している。そして、差動増幅器４２−ｋは、それぞれの電気ケーブル１０から、セパレータ２０−ｉ（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋの一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ）の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とを受け取る。差動増幅器４２−ｋは、その差（電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）を算出して、セル電圧５１−ｋ（出力電圧）として出力する。
【００４６】
比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４３−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
すなわち、比較器４３−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された基準電圧としての電圧判定レベル５０−１とを比較する。そして、セル電圧５１−ｋが電圧判定レベル５０−１以下になった場合、セル電圧５１−ｋを異常（＝燃料電池セル２１−ｋを異常）と判定する。異常と判定した場合、第１比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋを出力する。
【００４７】
出力トランジスタ４５−ｋは、異常と判定した場合に比較器４３−ｋから入力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、配線４７にセル電圧判定信号（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５４を出力する。出力トランジスタ４５−ｋは、比較器４３−ｋと同数だけ配設されている。
すなわち、出力トランジスタ４５−ｋは、セル電圧５１−ｋの異常時に、比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋをベース電極で受け取る。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋは、接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４を出力する。
【００４８】
フォトカプラ４１−１は、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４７のセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４に基づいて、電気ケーブル１２−１へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−１を出力する。フォトカプラ４１−２と共に出力部ともいう。
すなわち、フォトカプラ４１−１は、電流５４によりＯＮ状態となり、配線４７と電気ケーブル１２−１とを電気的に絶縁された電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。
【００４９】
フォトカプラ４１−１の配線４７は、全ての出力トランジスタ４５に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、燃料電池セル２１−ｋのいずれかが異常を発生し、出力トランジスタ４５−ｋによりセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が発せられた場合でも、同様にＯＮ状態となる。そして、電気ケーブル１２−１へ判定信号１５−１を出力する。
また、電気ケーブル１２−１は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となっている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて判定信号１５−１が出力されれば、その判定信号１５−１が電気ケーブル１２−１を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５０】
比較器４４−ｋ、出力トランジスタ４６−ｋ、配線４８、フォトカプラ４１−２及び電気ケーブル１２−２についても、同様である。
すなわち、比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋから出力されたセル電圧５１−ｋと、判定レベル設定器５７から出力された、電圧判定レベル５０−１とは互いに異なる基準電圧としての電圧判定レベル５０−２とに基づいて、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）を判定する。異常がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５３−ｋを出力する。比較器４４−ｋは、差動増幅器４２−ｋと同数だけ配設されている。比較器４４−ｋは、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００５１】
ただし、電圧判定レベル５０−２は、電圧判定レベル５０−１とは異なる値とする。例えば、電圧判定レベル５０−２の値を、燃料電池スタック３を緊急停止しなければならない電圧とし、電圧判定レベル５０−１を、燃料電池スタック３の出力を５０％以下に絞らなければならない電圧とする。そうすることにより、燃料電池スタック３の異常の度合いに応じた異常の判定を行うことが可能となる。
【００５２】
出力トランジスタ４６−ｋは、異常と判定した場合に比較器４４−ｋから出力されるセル電圧判定信号５３−ｋに基づいて、配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋ（セル電圧５１−ｋの異常）を示す電流５５を出力する。出力トランジスタ４６−ｋは、比較器４４−ｋと同数だけ配設されている。
フォトカプラ４１−２は、配線４８と電気ケーブル１２−２とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。配線４８のセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５に基づいて、電気ケーブル１２−２へ、セル電圧５１−ｋの異常を示す判定信号１５−２を出力する。制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。
【００５３】
フォトカプラ４１−２の配線４８は、全ての出力トランジスタ４６に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、燃料電池セル２１のいずれかが異常を発生しても、電気ケーブル１２−２へ判定信号１５−２を出力する。
電気ケーブル１２−２は、全てのサブモジュール４０−１〜ｐに設置されたフォトカプラの出力側に接続され、ワイヤードオア接続となている。従って、サブモジュール４０のいずれかにおいて発せられた判定信号１５−２は、電気ケーブル１２−２を介して制御装置５へ送られる。
すなわち、サブモジュール４０−１〜ｐのそれぞれの担当する燃料電池セル２１のグループ内で、１つの燃料電池セル２１に異常が発生した場合でも、確実に異常を把握することが可能となる。
【００５４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２を生成し、それぞれ比較器４３及び比較器４４へ出力する。電圧判定レベル５０−１及び電圧判定レベル５０−２は、例えば、燃料電池セル２１の定格電圧が０．６Ｖの場合、その２／３（０．４Ｖ）及び１／３（０．２Ｖ）とする。そして、電圧判定レベル５０−１以下になった場合、危険レベル１とし、電圧判定レベル５０−２以下になった場合、危険レベル２とする。そして、２つの危険レベルに応じた対処方法をそれぞれ設定することにより、燃料電池セル２１の状況に、適切に対応することが可能となる。なお、ノイズの影響を減少させるために、差動増幅器４２において、セル電圧を増幅する場合には、その増幅倍率に応じて電圧判定レベル５０（−１〜２）を高くする。
【００５５】
また、電圧判定レベル５０は、２つに限られるものではなく、更に多くの電圧判定レベルを設定することも可能である。例えば、電圧判定レベルを５つにし、定格０．６Ｖに対して、０．５５Ｖ、０．５０Ｖ、０．４５Ｖ、０．４０Ｖ及び０．３Ｖと設定すれば、単に各燃料電池セル２１−ｋの異常を知るだけでなく、各燃料電池セル２１−ｋの電圧の大きさも概ね把握することが出来る。そして、継続的な測定を行えば、各燃料電池セル２１−ｋの劣化状況の把握、異常の発生や寿命の予測等も行うことが可能となる。
その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１−ｋに対して比較器、出力トランジスタ、配線、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に設けることにより実施することが出来る。
【００５６】
絶縁電源５８は、差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ、比較器４４−ｋ、フォトカプラ４１−１〜２などのサブモジュール４０−１内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、サブモジュール４０−１を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置とサブモジュール４０−１とを絶縁電源５８により絶縁する。
【００５７】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ４１とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【００５８】
アース部４９は、サブモジュール４０−１と燃料電池スタック３間の電位が不定となり、差動増幅器４２−ｋがコモンモードのノイズの影響を受け、誤作動や、破損することを防止する。セパレータ２０−ｉの１つをサブモジュール４０−１内でアースし、基準となる電位（０Ｖ）としている。アースの位置は、モジュール４０−１内の電源に対する、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧で決める。例えば、ｍ＝３１であれば、セパレータ２０−１６にアース部４９を設けると、１つの燃料電池セル２１の出力電圧が１Ｖ弱なので、＋側に１５セル分（＋１５Ｖ弱）、−側に１５セル分（−１５Ｖ弱）となり、差動増幅器４２−ｋへの最大入力電圧は、±１５Ｖ弱となる。従って、最大入力電圧±１５Ｖの差動増幅器４２を用いることが可能となる。サブモジュール内の電源が±１５Vでなく、片電源の＋３０Vで、差動増幅器４２−ｋの許容入力電圧が０〜３０Vならば、最下位のセパレータ２０−ｍをアースすることになる。
【００５９】
次に、本発明である燃料電池システムの第１の実施の形態における動作について、図１〜図３を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００６０】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋ及び比較器４４−ｋへ出力される。
【００６１】
（５−１）（電圧判定レベル５０−２≦）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋ（及び比較器４４−ｋ）からは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００６２】
（５−２）電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、出力トランジスタ４５−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４５−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４５−ｋに接続された配線４７にセル電圧判定信号５２−ｋを示す電流５４が流れる。
（７−２）電流５４は、フォトカプラ４１−１をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５２−ｋを示す判定信号１５−１が、電気ケーブル１２−１へ出力される。判定信号１５−１は、ケーブル１２−１経由で制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、判定信号１５−１により、セル電圧の異常を検知する。ただし、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋなので、比較器４４−ｋからは信号は出力されず、従って、判定信号１５−２は制御装置５へ出力されない。従って、制御装置５は、電圧判定レベル５０−２≦セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ａを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ａという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セルが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を制限する、などである。
【００６３】
（５−３）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４４−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−２と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５３−ｋが出力される。
（６−３）セル電圧判定信号５３−ｋは、出力トランジスタ４６−ｋのベースに入力される。それにより、出力トランジスタ４６−ｋはＯＮとなり、出力トランジスタ４６−ｉに接続された配線４８にセル電圧判定信号５３−ｋを示す電流５５が流れる。
（７−３）電流５５は、フォトカプラ４１−２をＯＮ状態にする。それにより、セル電圧判定信号５３−ｉを示す判定信号１５−２が、電気ケーブル１２−２へ出力される。判定信号１５−２は、ケーブル１２−２経由で制御装置５へ送られる。
（８−３）制御装置５は、判定信号１５−２により、セル電圧の異常を検知する。制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−２（≦電圧判定レベル５０−１）、という状況Ｂを把握する。
（９−３）制御装置５は、状況Ｂという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃料電池出力スイッチ６を遮断することにより、燃料電池セルの運転を停止する、などである。
【００６４】
本発明により、燃料電池セルの１つだけが異常を発生した場合でも、検知することが出来る。また、複数の判定基準を有することにより、燃料電池セルの異常の状況を的確に把握することが可能となる。さらに、判定基準の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００６５】
（実施例２）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第２の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０−１〜ｎ、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６６】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図４を参照して更に説明する。
図４は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のサブモジュール４０−１〜ｐ（ｐは自然数）を備える。燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（サブモジュール数と同数）のグループに分割される。そして、対応するサブモジュール４０−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓの出力電圧（セル電圧）が判定される。これらのサブモジュール４０−１〜ｐは、同様の構成を有するため、サブモジュール４０−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、本実施例では、セル電圧の判定の基準となる基準電圧が１つの例を示して説明するが、本発明は、１つに限定されるものではなく、実施例１を組み合わせることにより、互いに異なる複数の基準電圧を用いるセル電圧判定ユニット４となる。
【００６８】
サブモジュール４０−１（〜ｐ）は、差動増幅器４２−ｋ（ｋ＝１〜ｍ−１、自然数、以下同じ）、比較器４３−ｋ、判定レベル設定器５７、絶縁電源５８、エンコーダ６１及びフォトカプラ６２−１〜１１を具備する。そして、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ、自然数、以下同じ）、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２−３〜５に接続している。
ここで、燃料電池セル２１の数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数はｍ個である。
【００６９】
差動増幅器４２−ｋ、比較器４３−ｋ及び絶縁電源５８は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
ただし、セル電圧の異常（＝燃料電池セル２１−ｋの異常）がある場合には、比較信号としてのセル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ出力する。
【００７０】
エンコーダ６１は、比較器４３−ｋから出力されるセル電圧判定信号５２−ｋに基づいて、異常が発生した燃料電池セル２１−ｋの番号と、サブモジュール４０の番号とを符号化し、フォトカプラ６２−１〜１０へ出力する。
すなわち、エンコーダ６１は、異常の発生した燃料電池セル２１−ｋに対応する比較器４３−ｋから出力されたセル電圧判定信号５２−ｋの入力を受けて、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とを、予め設定された規則に基づいて符号化する。しかる後、ＵＮＩＴ−ＯＵＴ、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号を出力する。符号化の方法に制限は無いが、例えば後述の図５で示す規則に基づいて実施することが可能である。
ここでは、エンコーダ６１を用いているが、ゲートアレイや、ＡＤコンバータとメモリとＣＰＵとを有する半導体装置（１チップ）を利用することも可能である。
【００７１】
フォトカプラ６２−１〜１１は、エンコーダ６１側の配線と電気ケーブル１２−３〜５とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。この内、フォトカプラ６２−１〜１０は、エンコーダ６１側の配線の符号化された信号に基づいて、電気ケーブル１２−３〜５へ、符号化された信号を示す判定信号６３−２、判定信号６５、判定信号６６を出力する。フォトカプラ６２−１１は、他のサブモジュール４０からの異常の有無を示す判定信号６３−１を受け、エンコーダ６１側へ出力する。エンコーダ６１は、この信号を参照して符号化を行っても良い。
ここで、フォトカプラ６２−１〜１０は、出力部ともいう。
【００７２】
すなわち、フォトカプラ６２−１〜１０は、符号化された信号の入力によりＯＮ状態となる。フォトカプラ６２−１は、ＵＮＩＴ−ＯＵＴからの信号を判定信号６３−２として電気ケーブル１２−５へ出力する。フォトカプラ６２−２〜５は、Ｕ１〜Ｕ４からの信号を判定信号６５−１〜４として電気ケーブル１２−３へ出力する。フォトカプラ６２−６〜６２−１０は、Ｓ１〜Ｓ５からの信号を判定信号６６−１〜５として電気ケーブル１２−４へ出力する。それらの判定信号は、ケーブル１２−３〜５経由で制御装置５へ送られる。制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。
【００７３】
制御装置５は、故障（異常）の発生した燃料電池セルの番号及びサブモジュール４０の番号を正確に特定することが可能となる。そして、非常に効率的に修理を行うことが出来、メンテナンスの時間及びコストを削減することが可能となる。
【００７４】
判定レベル設定器５７は、電圧判定レベルが１つである他は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。ただし、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。
【００７５】
本発明では、各サブモジュール４０には、絶縁電源５８とフォトカプラ６２とを用いて、サブモジュール４０毎に制御装置５と絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【００７６】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【００７７】
図５は、エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。ここでは、サブモジュール４０の数を１６個、各サブモジュール４０における燃料電池セル２１の数を３０個とする。そして、この表がサブモジュール４０−１を示しているとする。
入力９０は、エンコーダ６１の入力信号に関する欄を示す。
出力９１は、エンコーダ６１の出力信号（符号化された信号）に関する欄を示す。
【００７８】
異常セル番号９２は、異常を示す燃料電池セル２１の番号である。入力されるセル電圧（５１）の入力端子番号に対応する。
異常セル番号（符号）９４は、異常セル番号９２に対応する符号化された燃料電池セル２１の番号を示す。異常セル番号９２の１〜３０と「異常セル無し」を、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２５−１＝３１個の燃料電池セル２１に対応することが出来る（ただし、ここでは、Ｓ１〜Ｓ５＝０００００を「異常セル無し」に割り当てているため、最大３１セル分）。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１の番号（異常セル番号９２）が「２」の場合、その番号は符号化（異常セル番号（符号）９４）されて、Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁を用いて、０１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｓ１〜Ｓ５の各端子から出力されることになる。Ｓ１〜Ｓ５の５つの桁から出力される信号は、判定信号６６−１〜判定信号６６−５に対応する。
【００７９】
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３は、サブモジュール４０−１の手前に接続されているサブモジュール４０−４に異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力されることを示す。
下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９５は、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１−ｋに異常が発生した場合、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力することを示す。
なお、電気ケーブル１２−４を他のサブモジュール４０と共用しているので、１つのサブモジュール４０から判定信号６６が出力されると、他のサブモジュールからは出力しない。従って、制御装置５から遠いものを優先するとすれば、遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、異常セル番号（符号）９４を出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
【００８０】
異常ユニット番号（符号）９６は、異常を示す燃料電池セル２１を有するサブモジュール４０番号に対応する符号化されたサブモジュール４０の番号を示す。異常を示すサブモジュール４０の番号を、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁の「１」及び「０」（２進数）により表現している。ここでは、最大２４＝１６個のサブモジュール４０に対応することが出来る。
すなわち、異常を示す燃料電池セル２１のあるサブモジュール４０の番号が１の場合（サブモジュール４０−１）、その番号は符号化（異常ユニット番号（符号）９６）されて、Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁を用いて、１０００（ここでは２進数と逆表記）となり、Ｕ１〜Ｕ４の各端子から出力されることになる。Ｕ１〜Ｕ４の４つの桁から出力される信号は、判定信号６５−１〜判定信号６５−４に対応する。
【００８１】
次に、本発明である燃料電池システムの第２の実施の形態における動作について、図１、２、４、５を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【００８２】
（３）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ、以下（１）〜（９−３）において同じ）の一方の電極でのセル電位）と、セパレータ２０−ｉ＋１の電位１６−ｉ＋１（燃料電池セル２１−ｋの他方の電極でのセル電位）とが、差動増幅器４２−ｋへ入力される。
（４）差動増幅器４２−ｋでは、その差であるセル電圧５１−ｋ（＝電位１６−ｉ−電位１６−ｉ＋１）が算出される。そして、セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋへ出力される。
【００８３】
（５−１）電圧判定レベル５０−１≦セル電圧５１−ｋの場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。セル電圧５１−ｋは、十分に高く異常は無い。従って、比較器４３−ｋからは信号は出力されず、運転は通常通り継続される。
【００８４】
（５−２）セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合
セル電圧５１−ｋは、比較器４３−ｋにおいて、判定レベル設定器５７から出力された電圧判定レベル５０−１と比較される。そして、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１の場合、セル電圧は異常（燃料電池セル２１−ｋは異常）と判定される。その場合、セル電圧判定信号５２−ｋが出力される。
（６−２）セル電圧判定信号５２−ｋは、エンコーダ６１へ入力される。エンコーダ６１内において、燃料電池セル２１−ｋの番号及びサブモジュール４０−１の番号とが、予め設定された規則により符号化される。符号化は、例えば図５に示すような方法で行う。しかる後、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から、符号化された信号を示す「０」又は「１」の符号が出力される。
なお、制御装置５から遠い側に接続されているサブモジュール４０−２（〜ｐ）に異常が発生し、ＵＮＩＴ−ＩＮ端子に「１」が入力された場合、Ｕ１〜Ｕ４及びＳ１〜Ｓ５の出力端子から出力しないように制御する。その場合にも、エンコーダ６１のＵＮＩＴ−ＯＵＴ端子から「１」を出力する。
（７−２）符号化された信号の内、「１」の出力は、対応するフォトカプラ６２（−１〜１０）をＯＮ状態にする。
そして、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）又はサブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、それを示す判定信号６３−２が、フォトカプラ６２−１から電気ケーブル１２−５へ出力される。
また、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、サブモジュール４０−１を示す判定信号６５−１〜４が、フォトカプラ６２−２〜５から電気ケーブル１２−３へ出力される。
更に、下位のサブモジュール４０（２〜ｐ）に異常が無く、サブモジュール４０−１内の燃料電池セル２１-ｋに異常が有る場合、燃料電池セル２１−ｋを示す判定信号６６−１〜５が、フォトカプラ６２−６〜１０から電気ケーブル１２−４へ出力される。
それらの判定信号は、制御装置５へ送られる。
（８−２）制御装置５は、それらの判定信号により、サブモジュール４０−１〜ｐのいずれかの燃料電池セル２１−ｋでの電圧の異常を検知する。そして、制御装置５は、セル電圧５１−ｋ≦電圧判定レベル５０−１、という状況Ｃを把握する。
（９−２）制御装置５は、状況Ｃという条件下で、燃料電池スタック３の燃料電池セルを保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、サブモジュール４０の燃料電池セル２１−ｋへの燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１−ｋが運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下する、などである。
【００８５】
本発明により、異常を発生した燃料電池セル及びそのサブモジュールを個別に特定することが可能となる。そして、その個別の燃料電池セルに対応した制御を実施することが可能となる。
【００８６】
なお、電気ケーブル１２−４を共用ではなく、サブモジュール４０毎に設ければ、下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）９３及び下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）９４を省略することが可能である。その場合、電気ケーブル１２−３及び電気ケーブル１２−４−１〜ｐ（サブモジュール４０がｐ個の場合）からの判定信号により、故障した燃料電池セル２１の番号及び所属するサブモジュール４０の番号を常時継続的に特定することが可能となる。
【００８７】
本実施例では、電圧判定レベルは１つであるが、実施例１と同様に電圧判定レベルを増やすことも可能である。その場合、例えば、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、その比較器の出力を符号化するエンコーダ、符号化した信号を出力するフォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
あるいは、電圧判定レベルの増加に応じて、エンコーダ６１に入力端子及び出力端子の多いものを選択することにより、電圧判定レベルが増えた場合においても、一つのエンコーダで対応させることも可能である。その場合、電圧判定レベルの数に応じて、各燃料電池セル２１に対して比較器を新たに設け、更に、フォトカプラ、電気ケーブルを同様に新たに設けることにより実施することが出来る。
それにより、燃料電池セルの異常の状況（レベル）を的確に把握することが可能となる。さらに、電圧判定レベル（判定基準）の数を増やすことにより、セルの一つ一つのセル電圧を把握することが可能となる。
【００８８】
（実施例３）
本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの第３の実施の形態における構成を示す図である。燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１、酸化ガス供給装置２、燃料電池スタック３、セル電圧判定ユニット４、制御装置５、燃料電池出力スイッチ６、ダイオード７、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２を具備する。そして、負荷装置８に接続され、負荷装置８へ電力を供給している。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００８９】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池スタックの構成について図２を参照して説明する。
図２は、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。燃料電池スタックは、セル電圧判定ユニット４、電気ケーブル１０−１〜ｎ、セパレータ２０−１〜ｎ、燃料電池セル２１−１〜ｎ−１、発電部２２、集電プレート２３、絶縁プレート２４、エンドプレート２５、集電プレート２６、絶縁プレート２７、エンドプレート２８、燃料ガス導入口２９、冷却水導入口３０、酸化ガス導入口３１、酸化ガス排出口３２、冷却水排出口３３、燃料ガス排出口３４を具備する。
これらは、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００９０】
次に、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成について図６を参照して更に説明する。
図６は、本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。セル電圧判定ユニット４は、複数のセル電圧部８５−ｑ（ｑ＝１〜ｐ、自然数、以下同様）、絶縁電源５８を具備する。そして、電気ケーブル１０、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。ここで、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１−１〜ｎは、ｐ個（セル電圧部８５の数と同数）のグループに分割される。そして、対応するセル電圧部８５−１〜ｐにより、燃料電池セル２１−ｓのセル電圧（出力電圧）が出力される。これらのセル電圧部８５−１〜ｐは、同様の構成を有するため、セル電圧部８５−１のみを例として図示し、その構成を説明する。また、各セル電圧部８５−ｑの担当する燃料電池セル２１−ｓの個数をｍ−１個とする。そのときセパレータ２０の数は、ｍ個となる。
【００９１】
セル電圧部８５−ｑは、マルチプレクサ７０−１〜２、差動増幅器４２、制御部７６、絶縁ユニット７７、通信インターフェース７８を備える。電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１（ｉ＝ｋ、以下同じ）とを介して取得するセパレータ２０−ｉとセパレータ２０−ｉ＋１との電位に基づいて、燃料電池セル２１−ｋのセル電圧（出力電圧）を取り出す。
ここで、その一方は、電気ケーブル１０−ｉ、他方は、電気ケーブル１１、電気ケーブル１２に接続している。電気ケーブル１０−ｉの一端部はマルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２に、他端部はセパレータ２０−ｉに接続されている（ただし、セパレータ２０−１からの出力はマルチプレクサ７０−１のみに、セパレータ２０−ｍからの出力はマルチプレクサ７０−２のみに接続）。
ここで、マルチプレクサ７０−１〜２及び差動増幅器４２をセル電圧出力部８５−１−１ともいう。また、絶縁ユニット７７及び通信インターフェース７８を出力部ともいう。
【００９２】
マルチプレクサ７０−１は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−１、最後の入力端子に電位１６−ｍ−１、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−１に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つを選択し、電位１６−ａとして出力する。
一方、マルチプレクサ７０−２は、電気ケーブル１０−ｉと電気ケーブル１０−ｉ＋１とを介して、セパレータ２０−ｉの電位１６−ｉ（最初の入力端子に電位１６−２、最後の入力端子に電位１６−ｍ、計ｍ−１個の信号）が入力される。そして、マルチプレクサ７０−２に入力されるセレクト信号７９により、電位１６−２〜ｍの中から１つを選択し、電位１６−ｂとして出力する。
セレクト信号７９は、制御部７６より出力される。
【００９３】
この場合、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２は、同じセレクト信号７９に基づいて（同じタイミングで）、同じ位置の入力端子の入力を選択し、それぞれ電位１６−ａと電位１６−ｂとする。マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の入力端子に入るセパレータの電位１６は、１つずれているので、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接する電位１６−ｉ及び電位１６−ｉ＋１となる。すなわち、セパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位になるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【００９４】
差動増幅器４２は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２より入力される各燃料電池セル２１−ｋの両端のセル電位である電位１６−ａと電位１６−ｂとに基づいて、セル電圧５１（出力電圧）を出力する。差動増幅器４２は、１つで良く、安価な半導体素子や、オペアンプに例示される。
【００９５】
制御部７６は、ＡＤコンバータ７３と演算処理部７４とメモリ７５とを備える。セル電圧８１に基づいて、セル電圧５１を所望の形式（特性）を有する信号に変換し、電圧判定信号８３として出力する。制御部７６は、１チップの半導体装置を利用することが可能である。
【００９６】
ＡＤコンバータ７３は、アナログ信号であるセル電圧５１をデジタル信号であるセル電圧８２に変換する。
演算処理部７４は、内部に有するプログラムを用いて、セル電圧８２に基づいて、セル電圧８２を所望の形式（特性）を有するデータに変換し、電圧判定信号８３として出力する。ここで、所望の形式の電圧判定信号８３とは、セル電圧８２の大きさ／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータ、あるいは、セル電圧８２の大きさから求まる異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／セル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、の情報を有するデータで例示される。それらは、プログラムの変更により、その他のデータにも変更可能である。なお、セル電圧部８５−ｑの番号及び燃料電池セル２１−ｋの番号は、セレクト信号７９により特定できる。
また、演算処理部７４は、マルチプレクサ７０−１及びマルチプレクサ７０−２の制御（セレクト信号７９の出力、同期調整等）、セル電圧８２の加工、制御部７６の制御等を行う。
メモリ７５は、演算処理部７４で行う各種処理の際にデータを格納する。
【００９７】
絶縁ユニット７７は、制御部７６側の配線と通信インターフェース７８側（制御装置５）側とを電気的に絶縁し、且つ信号の受け渡しを行うことが可能である。そして、制御部７６から出力される電圧判定信号８３に基づいて、通信インターフェース７８へ電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４を出力する。絶縁ユニット７７は、フォトカプラに例示される。
【００９８】
通信インターフェース７８は、電圧判定信号８４を通信可能なデータとしての判定信号１５に変換し、制御装置５へ出力する。通信は、ＲＳ−２３２Ｃに例示される１対１の通信方法、イーサネット（登録商標）に例示される多対多の通信方法を適用できる。その際、通信インターフェース７８は、それらの通信に従来用いられる通信手段が利用できる。
【００９９】
制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１−ｋにおけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、を把握する。なお、制御装置５には、通信インターフェース７８と通信可能な同様の通信インターフェースを設ける。
【０１００】
制御装置５は、各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知することが可能となる。すなわち、全ての燃料電池セル２１−ｓの状態を常時正確に把握出来る。
【０１０１】
絶縁電源５８は、マルチプレクサ７０−１、マルチプレクサ７０−２、差動増幅器４２、ＡＤコンバータ７３、演算処理部７４、メモリ７５、絶縁ユニット７７などの通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４内の各回路へ電力を供給する。絶縁電源５８としては、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４を制御装置５（共通の電源）から絶縁できるものであれば良い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。なお、制御装置５とは別の電源を用いても良く、その場合には、その電源装置と通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４とを絶縁電源５８により絶縁する。
【０１０２】
本発明では、絶縁ユニット７７と絶縁電源５８とを用いて、通信インターフェース７８を除くセル電圧判定ユニット４と制御装置５とを絶縁している。従って、複雑で高価な絶縁増幅器を要することなく、各セル電圧の判定を行うとが出来る。
【０１０３】
実施例１と同様に、差動増幅器４２の最大入力電圧に対応し、アース部（図示せず）を設ける。
【０１０４】
次に、本発明である燃料電池システムの第３の実施の形態における動作について、図１、２、６を参照して説明する。
（１）制御装置５は、起動時、補助機器を動作させて、燃料電池スタック３を立ち上げる。そして、燃料電池スタック３を発電可能な状態（温度、圧力及び燃料ガス及び酸化ガス等の状態）にする。
（２）制御装置５は、燃料電池スタック３の発電が可能になると、燃料電池出力スイッチ６をＯＮにし、燃料電池スタック３に負荷装置８を電気的に接続し、燃料電池電力を出力させる。
【０１０５】
（３−１）発電中、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−１へ入力される。
（４−１）セパレータ２０−１〜ｍ−１の電位１６−１〜ｍ−１と、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−１において、電位１６−１〜ｍ−１の中から１つの信号が選択され、電位１６−ａとして差動増幅器４２へ出力される。
【０１０６】
（３−２）一方、セル電圧判定ユニット４と燃料電池スタック３との間において、セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍ（計ｍ−１個の信号）が、マルチプレクサ７０−２へ入力される。
（４−２）セパレータ２０−２〜ｍの電位１６−２〜ｍと、セレクト信号７９との入力に基づいて、マルチプレクサ７０−２において、電位１６−２〜ｍの中から１つの信号が選択され、電位１６−ｂとして差動増幅器４２へ出力される。
この場合、電位１６−ａと電位１６−ｂとは、隣接するセパレータ２０−ｉの電位と２０−ｉ＋１の電位とになるので、両者は燃料電池セル２１−ｋ（ｋ＝ｉ）の両端のセル電位となる。
【０１０７】
（５）差動増幅器４２では、電位１６−ａと電位１６−ｂとの差であるセル電圧５１（出力電圧）が算出される。そして、セル電圧５１は、制御部７６（のＡＤコンバータ７３）へ出力される。
【０１０８】
（６）アナログ信号であるセル電圧５１は、ＡＤコンバータ７３において、デジタル信号であるセル電圧８２に変換され、演算処理部７４へ出力される。
（７）セル電圧８２は、演算処理部７４の有するプログラムにより、所望の形式（特性）を有するデータに変換され、電圧判定信号８３として絶縁ユニット７７へ出力される。
（８）電圧判定信号８３は、絶縁ユニット７７により、電圧判定信号８３を示す電圧判定信号８４に変換され、通信インターフェース７８へ出力される。
（９）電圧判定信号８４は、通信インターフェース７８により、通信可能なデータとしての判定信号１５に変換され、制御装置５へ出力される。
（１０）制御装置５は、その判定信号１５により、各燃料電池セル２１におけるセル電圧８２の大きさ／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、あるいは、各燃料電池セル２１−ｋの異常の度合い（例示：危険、注意、正常等）／各燃料電池セル２１−ｋの属するセル電圧部８５−ｑの番号／燃料電池セル２１−ｋの番号、等の各セル電圧部８５−ｑにおける各燃料電池セル２１−ｋの出力や故障（異常）の状態を正確に検知する。
（１１）制御装置５は、各燃料電池セル２１の出力や故障（異常）の状態に応じて、燃料電池スタック３の燃料電池セル２１を保護するための然るべき措置を行う。例えば、燃料ガス供給装置１及び酸化ガス供給装置２等を制御して、燃料電池セル２１への燃料ガス及び酸化ガスの供給を増加することにより、燃料電池セル２１が運転中にガス欠状態にならないようにする、燃料電池スタック３の出力を低下することにより、燃料電池セル２１の電圧低下を抑える、燃料電池出力スイッチ６を開いて燃料電池スタック３の発電を停止することにより、燃料電池スタック３全体の損害を防ぐ、などである。
異常が無い場合には、データを蓄積し、劣化の計測や、メンテナンス時期や寿命についての参考にする。
【０１０９】
本発明により、燃料電池スタック３における全ての燃料電池セル２１の状態を常時継続的に正確に把握することが可能となる。そして、異常を発生した燃料電池セル２１を迅速且つ的確に、個別に特定することが可能となる。更に、それらの情報に基づいて、異常が発生した場合にも、その燃料電池セル２１の異常状態に応じた対処を実施することが可能となる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの各々の状態を監視し、各燃料電池セルの異常を早期に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるセル電圧判定ユニットを適用した燃料電池システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】、本発明であるセル電圧判定ユニットを搭載した場合の燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【図４】本発明であるセル電圧判定ユニット４の他の構成を示す図である。
【図５】エンコーダ６１での入力と符号化との関係の一例を示す表である。
【図６】本発明であるセル電圧判定ユニット４の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス供給装置
２ 酸化ガス供給装置
３ 燃料電池スタック
４ セル電圧判定ユニット
５ 制御装置
６ 燃料電池出力スイッチ
７ ダイオード
８ 負荷装置
１０ 電気ケーブル
１１ 電気ケーブル
１２ 電気ケーブル
１５ 判定信号
１６ セル電位
１６−ａ、ｂ セル電位
２０ セパレータ
２１ 燃料電池セル
２２ 発電部
２３ 集電プレート
２４ 絶縁プレート
２５ エンドプレート
２６ 集電プレート
２７ 絶縁プレート
２８ エンドプレート
２９ 燃料ガス導入口
３０ 冷却水導入口
３１ 酸化ガス導入口
３２ 酸化ガス排出口
３３ 冷却水排出口
３４ 燃料ガス排出口
４０−１〜ｐ サブモジュール
４１−１〜２ フォトカプラ
４２ 差動増幅器
４３ 比較器
４４ 比較器
４５ 出力トランジスタ
４６ 出力トランジスタ
４７ 配線
４８ 配線
４９ アース部
５０−１〜２ 基準電圧
５１ セル電圧
５２ セル電圧判定信号
５３ セル電圧判定信号
５４ 電流
５５ 電流
５７ 判定レベル設定器
５８ 絶縁電源
６１ エンコーダ
６２−１〜１１ フォトカプラ
６３−１〜２ ユニット信号
６５−１〜４ 異常ユニット信号
６６−１〜５ 異常セル信号
７０−１〜２ マルチプレクサ
７３ ＡＤコンバータ
７４ 演算処理部
７５ メモリ
７６ 制御部
７７ 絶縁ユニット
７８ 通信インターフェース
７９ セレクト信号
８２ セル電圧
８３ 電圧判定信号
８４ 電圧判定信号
８５ セル電圧部
８５−１−１ セル電圧出力部
８５−１−２ 出力部
９０ 入力
９１ 出力
９２ 異常セル番号
９３ 下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＩＮ）
９４ 異常セル番号（符号）
９５ 下位ユニット異常（ＵＮＩＴ−ＯＵＴ）
９６ 異常ユニット番号（符号）
Claims (9)
- 互いに直列に接続された複数の燃料電池セルの各々に対応して設けられた複数の第１比較部と、
ここで、前記複数の第１比較部の各々は、
前記複数の燃料電池セルのうちの対応する一つの燃料電池セルのセル電圧と、予め設定された第１基準電圧との比較結果としての第１比較信号を出力し、
前記複数の第１比較部のいずれかから出力された前記第１比較信号に基づいて、前記燃料電池セルの状態を示す第１判定信号を出力する第１出力部と、
を具備し、
前記第１出力部は、前記第１出力部における前記第１比較信号の入力される入力側と前記第１判定信号の出力される出力側とが電気的に絶縁されている
セル電圧判定ユニット。 - 前記複数の第１比較部の各々は、前記セル電圧が前記第１基準電圧以下の場合、前記比較信号を出力する、
請求項１に記載のセル電圧判定ユニット。 - 前記複数の燃料電池セルの各々に対応して設けられた複数の第２比較部と、
ここで、前記複数の第２比較部の各々は、
前記複数の燃料電池セルのうちの対応する一つの燃料電池セルのセル電圧と、予め設定された第２基準電圧との比較結果としての第２比較信号を出力し、
前記複数の第２比較部のいずれかから出力された前記第２比較信号に基づいて、前記燃料電池セルの状態を示す第２判定信号を出力する第２出力部と
を更に具備し、
前記第２出力部は、前記第２出力部における前記第２比較信号の入力される入力側と前記第２判定信号の出力される出力側とが電気的に絶縁されている
請求項１又は２に記載のセル電圧判定ユニット。 - 互いに直列に接続された複数の燃料電池セルの各々に対応して設けられた複数の第１比較部と、
ここで、前記複数の第１比較部の各々は、
前記複数の燃料電池セルのうちの対応する一つの燃料電池セルのセル電圧と、予め設定された第１基準電圧との比較結果としての第１比較信号を出力し、
前記複数の第１比較部のいずれかから出力された前記第１比較信号に基づいて、前記第１比較信号を予め設定された規則で符号化した第１符号化信号を出力する第１符号化部と、
前記第１符号化信号に基づいて、前記燃料電池セルの状態を示す第１判定信号を出力する第１出力部と、
を具備し、
前記第１出力部は、前記第１出力部における前記第１符号化信号の入力される入力側と前記第１判定信号の出力される出力側とが電気的に絶縁されている
セル電圧判定ユニット。 - 前記複数の比較部の各々は、前記セル電圧が前記基準電圧以下の場合、前記比較信号を出力する、
請求項４に記載のセル電圧判定ユニット。 - 前記複数の燃料電池セルの各々に対応して設けられた複数の第２比較部と、
ここで、前記複数の第２比較部の各々は、
前記複数の燃料電池セルのうちの対応する一つの燃料電池セルのセル電圧と、予め設定された第２基準電圧との比較結果としての第２比較信号を出力し、
前記複数の第２比較部のいずれかから出力された前記第２比較信号に基づいて、前記第２比較信号を予め設定された規則で符号化した第２符号化信号を出力する第２符号化部と、
前記第２符号化信号に基づいて、前記燃料電池セルの状態を示す第２判定信号を出力する第２出力部と、
を具備し、
前記第２出力部は、前記第２出力部における前記第２符号化信号の入力される入力側と前記第２判定信号の出力される出力側とが電気的に絶縁されている
請求項４又は５に記載のセル電圧判定ユニット。 - 前記第１符号化部と前記第２符号化部とは一体であり、
前記第１出力部と前記第２出力部とは一体である
請求項６に記載のセル電圧判定ユニット。 - 前記第１出力部は、フォトカプラを含む、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセル電圧判定ユニット。 - 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記セル電圧判定ユニットと、
前記セル電圧判定ユニットを搭載した前記燃料電池スタックと、
を具備する、
燃料電池システム。
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