JP4484196B2 - 燃料電池の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する、燃料電池の状態監視装置に関する。

燃料電池は無公害、高効率等の特徴を持つことから各種装置、機器の電源として注目されている。しかし、個々のセルの電圧は比較的低いので、通常複数のセルを直列接続したスタックとして使用される。スタックで所定の電圧が得られない場合、何れかのセルに故障（電圧が所定値よりも低い）が発生していると考えられる。故障したセルを見つけるために種々の監視（モニタ）技術が開発されている。

例えば従来の電圧監視装置（特許文献１参照）は、図５及び図６に示すように、スタック１００の複数のセルの端子に接続され互いに並列接続された複数のＡ／Ｄ変換器１０４を備え検知されたセルの電圧を設定値と比較して制御信号を出力する複数の補助演算器１０３と、複数の補助演算器に接続された一つの主演算器１１０とから成る。負荷１０７に直列に接続された各補助演算器１０３は上記Ａ／Ｄ変換器１０４の他、マルチプレクサ１０５やＣＰＵ１０６を含む。
特開平１１−３４５６２２号公報

上記従来の電圧監視装置では、複数の補助演算器１０３のそれぞれと主演算器１１０とが各配線１０８により接続されている。つまり、補助演算器１０３の個数と同じ本数の配線１０８が使用されている。その結果、配線１０８の本数が増え部品コストが上昇するのみならず、接続作業が繁雑で組立てコストが上昇する。また、スタック１００が高電圧になったとき、耐高電圧対策として補助演算器１０３と配線１０８との間を電気的に絶縁する必要がある。そのために電圧監視装置全体の構造が複雑で、高価になっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、セルの状態情報を取得処理する処理部を持つ内部回路と、この処理部に検知指令信号を発するとともに処理部からセルの状態情報を受け取る外部回路との間の伝送手段が簡略化された燃料電池の状態監視装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記内部回路と外部回路との間の信号の送受信を、タグ技術等を使用した無線通信で行うことを基本的な技術思想とする。本発明による燃料電池の状態監視装置は、請求項１に記載したように、互いに直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する燃料電池の状態監視装置であって、スタックに取り付けられ、該スタックから電力を供給されセルの状態情報を取得し処理する複数の処理部と、各処理部から受け取った状態情報を出力する複数の送受信回路とが搭載された複数の基板と、検知指令信号を出力し、前記基板と絶縁されている外部回路を含む読取り機、から成る。

この状態監視装置は、外部回路が出力する検知指令信号及び送受信回路が出力するセルの状態情報を、無線通信によりそれぞれ該外部回路及び該送受信回路に伝送する。つまり、スタックに取り付けられた複数の基板の送受信回路と読取り機の外部回路との間で、無線通信を介して所定の信号や情報が伝送（送受信）される。

なお、本願の出願人は先に内部回路（補助回路）と外部回路（主回路）との間の信号伝送手段が簡素化された、燃料電池スタック用電池状態モニタ装置を出願した（特開２００３−２４３０１５号）。但し、この電池状態モニタ装置ではセルの枚数と同数の基板を設けており、セルへの基板の取付けや、基板への内部回路の搭載等が容易とは言い難い面があった。

請求項２の燃料電池の状態監視装置は、請求項１において更に、各送受信回路に接続された複数の内部アンテナ及び外部回路に接続された外部アンテナを含み、検知指令信号及びセルの状態情報を、内部アンテナ及び前記外部アンテナを介して電波で伝送する。請求項３の燃料電池の状態監視装置は、請求項２において、複数のセルでモジュールが形成され、各モジュールに対応して送受信回路が設けられている。

請求項４の燃料電池の状態監視装置は、請求項３において、送受信回路が形成された無線タグが基板に搭載され、無線タグに前記内部アンテナが一体化されている。請求項５の燃料電池の状態監視装置は、請求項４において、検知指令信号は外部回路から複数の送受信回路へ一斉に伝送され、状態情報は各送受信回路から該外部回路へ順次伝送される。請求項６の燃料電池の状態監視装置は、請求項４において、各送受信回路は各モジュールの個体識別番号が記録され、外部回路は個体識別番号の並び順が記憶されている。

本発明にかかる燃料電池の状態監視装置によれば、送受信回路と外部回路との間で所定の信号や情報を無線通信するので、両者を接続するハーネス等の有線通信手段が一部不要になり、伝送手段がシンプルになる。請求項２の燃料電池の状態監視装置によれば、送受信回路に接続された内部アンテナと外部回路に接続された外部アンテナとの間で電波通信するので、両者の距離が少々離れていても、信号、情報の授受が可能である。請求項３の燃料電池の状態監視装置によれば、モジュールの個数と同数の基板により全てのセルの状態情報を取得できるので、セルの個数に比べて基板の個数が少なくて済み、その分状態監視装置がコンパクトになる。

請求項４の燃料電池の状態監視装置によれば、送受信回路が無線タグに搭載され、これに内部アンテナが接続されている。汎用の無線タグを利用することにより、状態監視装置が安価になる。請求項５の燃料電池の状態監視装置によれば、同時刻における各セルの状態情報を受信することができ、全てのセルの異常を同等の条件下で判定できる。請求項６の燃料電池の状態監視装置によれば、各セルの状態情報を識別して（混同することなく）受信でき、異常のあるセルの特定が容易かつ確実である。

＜セル、状態情報＞
セルの代表的な状態情報はその電圧値であるが、状態情報は電圧値に限られない。本発明は専用のセンサを使用することにより、セル内のガスや冷却水の温度、圧力、部分的な電流、水分量又は内部磁束密度等を検知でき、その制御に生かすことができる。
＜基板＞
基板はセルの状態情報を取得し処理する処理部と、この処理部から受け取った状態情報を出力する送受信回路とを含む。処理部はセルの電圧等の状態情報を取得する部分、セルを切り替える複数のアナログスイッチ，Ａ／Ｄ変換器及びデータを処理するＣＰＵ等を備えることができる。基板の個数は、例えば複数のセルから成るモジュールの数と等しくできる。複数の基板の各々は矩形状を持ち、その幅は例えばモジュールの厚さに対応させることができる。モジュールの表面に取り付けたり、セルの内部に埋設される。

なお、本発明では少なくとも送受信回路回路が次述する無線タグに搭載される。代表例では、送受信回路が無線タグに搭載され処理部は基板上の無線タグとは別の部分に形成され、その駆動電力はモジュールから供給することができる。通常セルの電圧は一枚あたり０．７Ｖ程度であり、低下しても０．５Ｖである。よって、例えばセルを５枚重ねたモジュールでは２．５Ｖから３．５Ｖの電圧が得られ、処理部の駆動に十分足りる。但し、処理部が送受信回路とともに無線タグに搭載されることもある。

ＣＰＵのメモリに各セルの電圧の推移や異常状況を記録しておけば、故障解析に役立てることができる。また、各モジュールの個体識別番号毎に製造時の製造履歴を管理することにより、モジュールの品質管理に役立てることができる。
＜無線タグ＞
「無線タグ（ＩＣタグ）」とは、無線でデータの交換ができる半導体チップを使った電子荷札のことである。無線タグについて種々の説明がなされているが、本発明において「無線タグ」とは内部アンテナを除いた、送受信回路等を意味するものとする。送受信回路等は送受信回路の他、記憶部（メモリ）を含む。内部アンテナの形状や大きさは基板やモジュールとの関係で決めることができる。

なお、送受信回路等と内部アンテナとが接続された一体構造物を無線タグと捕らえることもできる。但し、本発明の最大の特徴は、モジュール等に取り付けた無線タグの送受信回路と読取り機の外部回路との間で、即ち絶縁したモジュールと外部回路との間で無線通信することにある。送受信回路等が搭載された無線タグと内部アンテナとは別体と考えても、送受信回路等と内部アンテナとの一体構造物を無線タグと捕らえても、この特徴に変わりない。
＜読取り機＞
読取り機（リーダ）は外部回路と外部アンテナとを含む。外部回路は識別可能なセルの並び順が記録されており、並び順はモジュールの積層時に順番を記憶されるか、又は外部回路に別途接続されたコンピュータ等から符号を並び順を記憶されても良い。外部アンテナは内部アンテナとの間で電波を媒体とした無線通信を行う。即ち、無線タグにアンテナを接続し読取り機（リーダ）に近づけると、リーダからの電波（例えば１３．５ＭＨｚの電波）によって無線タグ側に起電力が発生する（電磁誘導の原理）。この電力によって送受信回路が作用し、外部読取り機との間でデータが交換できる。よって、無線タグには電源が不要であり、半永久的に使用できる。

具体的には、外部回路は外部アンテナ及び内部アンテナを介して検知指令信号を全ての送受信回路即ち処理部に同時に伝送する。また、外部回路は、送受信回路が順次発するセルの状態情報を、内部アンテナ及び外部アンテナを介して伝送される。このように、モジュールと外部回路とは絶縁され、無線等を介して無線通信によりデータを交換している。

なお、本発明において「無線通信」は上記電波（マイクロ波）による通信の他、磁界による信号の伝送や、静電結合による信号の伝送も含む。電波による通信は無線タグと外部読取り機との距離が長い場合（例えば数ｍ程度）に適し、静電結合による信号の伝送は距離が短い（例えば数ｃｍ程度）場合に適する。磁界による信号の伝送は両者の間の距離に適する。磁界による伝送や静電結合による伝送には、内部アンテナ及び外部アンテナを設けることは不可欠ではない。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
（構成）
ａ．燃料電池
図１及び図２に燃料電池のスタック及び基板等を示す。図１は正面図であり、図２は平面図である。燃料電池の複数の平板状のセル１０のそれぞれはその内部に固体電解質膜を挟んで高電位の正極板と低電位の負極板とが設けられ、その両側に集電体を兼ねるセパレータが設けられている。セパレータとこれらの電極板との間には水素ガスが流れる水素ガス通路と、空気が流れる空気通路とがそれぞれ設けられている。

ここでは５つのセル１０によりモジュール１２が形成され、複数のモジュール１２によりスタック１４が形成されている。ただし、セル１０自体は公知であるので、詳しい説明は省略する。
ｂ．電圧監視装置
図２、図３及び図４に電圧監視装置を示す。図３は基板、無線タグ及び内部アンテナの拡大説明図、図４は電圧監視装置の構成要素の関係を示す回路的説明図である。図１及び図２に示す各モジュール１２の一隅に基板２０が埋設されている。この基板２０は矩形状で、モジュール１２の幅と同程度の幅を持つ。各基板２０に処理部２２が内蔵されるとともに、無線タグ３０が搭載されている。

図３及び図４に示すように、処理部２２は各セル１０の一部に接触する５つの接触部（不図示）、５つのスイッチ２３、Ａ／Ｄ変換器２４、及びメモリ２７を備えたＣＰＵ２６を含む。接触部から処理部２２に延びた配線中２９にスイッチ２３が配置されている。無線タグ３０は前記ＣＰＵ２６に接続された送受信回路３２を含む。図３に示すように、各基板２０と一体化された形状のポリイミド板３３の中にループ状の内部アンテナ３４が形成され、無線タグ３０に接続されている。内部アンテナ３４のループの幅（図２で左右方向寸法）はモジュール１２の幅と同程度であり、長さはモジュール１２の長さよりも少し短い。

図４において、読取り機４０は外部回路（セル監視用ＥＣＵ）４２と、これに接続されたループ状の外部アンテナ４４とを含む。図２から分かるように、アンテナ４４のループの幅は内部アンテナ３４のループの長さと同程度であり、長さはスタック１４の長さと同程度である。その結果、各内部アンテナ３４の短辺部分と、外部アンテナ４４の長辺部分が空間内で近接している。
（作用）
次に、この実施例の作用（電圧監視方法）を説明する。まず、読取り機４０の外部回路４２から全てのモジュール１２に対して一斉に検知指令信号が発信され、外部アンテナ４４及び無線タグ３０に接続された内部アンテナ３２を介して送受信回路に伝送される。その結果、処理部２２の各モジュール１２のスイッチ２３、Ａ／Ｄ変換器２４及びＣＰＵ２６は同時に各セル１０の電圧を検知する。

続いて、外部回路４２は各モジュール１２の並び順に個体識別番号を付して順次（時間差をつけて）信号伝送命令を出す。例えば、スタック１４の一端のモジュール１２には１番目である旨を知らせる。これは、外部回路４２とモジュール１２とが無線通信するため、個体識別番号を付さないと外部回路４０がどのモジュール１２からの信号であるか識別不可であることによる。

個体識別番号が一致したモジュール１２は、測定した５つのセル１０の電圧値を内部アンテナ３４から外部アンテナ４４を介して外部回路４２に伝送する。同様にして、他のモジュール１２のセル１０の電圧値を伝送する。よって、各モジュール１２から外部回路４２への電圧値の伝達は順次なされる。なお、特定のセル１０に異常や故障（例えば電圧値が所定値よりも低い）がある場合は、必要な装置を施す。
（効果）
この実施例によれば以下の効果が得られる。第１に、各モジュール１２に対応する処理部２２のＣＰＵ２６と外部回路４２との間の伝送手段が簡略化される。図４から分かるように、ＣＰＵ２６と外部回路４２との間では無線タグ３０、内部アンテナ３４及び外部アンテナ４４により信号が送受信され、ハーネスのような物理的接続手段は一切不要だからである。

第２に、上記第１の効果が得られながら、読取り機４０の外部回路４２はどのモジュール１２の電圧値を示す信号であるかの識別が確実に行える。各モジュール１２の個体識別番号の並び順が外部回路４２に記録されていることによる。これに関連して、各モジュール１２の電圧推移や履歴管理が容易である。ＣＰＵ２６のメモリ２７にこれらが記憶されているからである。また、送受信回路３２からの信号は時間差があるが、各モジュール１２の検知時刻は同じであるので問題ない。

第３に、仮に何れかの処理部２２と外部回路４２の間で信号の送受信が不可能になっても、他の処理部２２と外部回路４２の間の信号の送受信に影響しない。外部回路４２は各処理部２２との間で独立して情報を伝送しているからである。

その他の効果を列挙する。まず、各基板２０に５つの接触部、５つのスイッチ２３を設けたので、各モジュール１２を構成する全てのセル１０の電圧値を検知できる。よって、多数のセル１０の中から異常のあるセル１０を素早くしかも確実に特定できる。また、Ａ／Ｄ変換器２４やＣＰＵ２６はセル１０の電力で駆動されるので、別途駆動電源を準備することは不要である。更に、モジュール１２と外部回路４２が絶縁されているので、外部回路４２の両端間に絶縁手段を設けることが不要となる。

なお、この実施例の電圧監視装置は他の分野で公知の無線タグ技術を単にスタックを構成するモジュールの電圧検知に応用したものではない。上記諸効果は無線タグ技術の単なる応用からは得られず、特に外部回路４２の絶縁手段が廃止できることの技術的意義は大きい。

燃料電池のスタック及び基板の正面図である。 同じく平面図である。 基板、無線タグ及び内部アンテナの拡大図である。 電圧監視装置全体の回路的説明図である。 従来例の全体説明図である。 同じく要部拡大図である。

符号の説明

１０：セル １２：モジュール
１４：スタック ２０：基板
２２：処理部 ２６：ＣＰＵ
３０：無線タグ ３２：送受信回路
３４：内部アンテナ ４０：読取り機
４２：外部回路 ４４：外部アンテナ

Claims (6)

1. 互いに直列接続されて燃料電池のスタックを構成する複数のセルの状態を監視する燃料電池の状態監視装置であって、
   前記スタックに取り付けられ、該スタックから電力を供給され前記セルの状態情報を取得し処理する複数の処理部及び該各処理部から受け取った状態情報を出力する複数の送受信回路とが搭載された複数の基板と、
   検知指令信号を出力し、前記基板と絶縁されている外部回路を含む読取り機、から成り、
   前記外部回路が出力する前記検知指令信号及び前記送受信回路が出力する前記セルの状態情報を、無線通信によりそれぞれ該送受信回路及び該外部回路に伝送する、ことを特徴とする燃料電池の状態監視装置。
2. 更に、前記各送受信回路に接続された複数の内部アンテナ及び前記外部回路に接続された外部アンテナを含み、前記検知指令信号及び前記セルの状態情報を、前記内部アンテナ及び前記外部アンテナを介して電波で伝送する請求項１に記載の燃料電池の状態監視装置。
3. 複数の前記セルでモジュールが形成され、該各モジュールに対応して前記送受信回路が設けられている請求項２に記載の燃料電池の状態監視装置。
4. 前記送受信回路が形成された無線タグが前記基板に搭載され、該無線タグに前記内部アンテナが一体化されている請求項３に記載の燃料電池の状態監視装置。
5. 検知指令信号は前記外部回路から前記複数の送受信回路へ一斉に伝送され、状態情報は該各送受信回路から該外部回路へ順次伝送される請求項４に記載の燃料電池の状態監視装置。
6. 前記各送受信回路は前記各モジュールの個体識別番号が記録され、前記外部回路は個体識別番号の並び順が記憶されている請求項４に記載の燃料電池の状態監視装置。

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