(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定装置において、
上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、
上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、
上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、
上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出手段とが設けられていると共に、
上記発電電流算出手段は、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴とする燃料電池電流分布測定装置。
【請求項２】
上記電流測定手段は、閉回路内を流れる電流を測定する電流センサを備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電流分布測定装置。
【請求項３】
上記電流センサは、閉回路内に設けられた抵抗と、その抵抗の両端にかかる電圧を測定する両端電圧測定手段とからなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池電流分布測定装置。
【請求項４】
電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをＮ（Ｎは２以上の整数）個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、
第Ｋ段（Ｋ≦Ｎ）よりも下側に位置する第Ｋ段〜第Ｎ段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定すべく第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に載置される測定手段と、
上記測定手段の上側に設けられる集電板と、
上記集電板に積層された第Ｋ−１段から第１段までの燃料電池セルとが設けられていると共に、
上記測定手段は、
電流を測定するための第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ上記集電板に接続されている複数の電流用プローブと、各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための複数の電圧用プローブとを有し、
さらに、上記第Ｋ段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面、電流用プローブ及び集電板を介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、
上記電圧用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、
上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める発生電流算出手段とを備えていると共に、
上記発生電流算出手段は、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発生電流を求めることを特徴とする積層燃料電池電流分布測定装置。
【請求項５】
電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをＮ（Ｎは２以上の整数）個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、
第Ｋ段（Ｋ≦Ｎ）の燃料電池セルの発生電流分布を測定すべく、第Ｋ段の燃料電池セルの上側における燃料極側の電極相当面に載置される第１の測定手段と、第Ｋ段の燃料電池セルの下側における空気極側の電極相当面に接触する第２の測定手段とが設けられると共に、
上記第１の測定手段は、第Ｋ段から下側の第Ｎ段までの発生電流を測定するために、
電流を測定するための上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ、第Ｋ−１段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接続された複数の第１の電流用プローブと、各第１の電流用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第１の電圧用プローブとを有し、
上記第Ｋ段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び第１の電流用プローブを介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する第１の電流測定手段と、
上記第１の電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
上記第１の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第１の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める第１の発生電流算出手段とを備え、
上記第１の発生電流算出手段は、
上記第１の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、
上記第１の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の第１の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の第１の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、
上記第２の測定手段は、第Ｋ＋１段から下側の第Ｎ段までの発生電流を測定するために、
電流を測定するための上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接触され、かつ、第Ｋ＋１段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接続された複数の第２の電流用プローブと、各第２の電流用プローブにおける上記空気極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第２の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第２の電流用プローブにおける空気極側の電極相当面への各接触点と、上記第１の電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への各接触点とは、上下方向において平面的に同一位置であり、
上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける下側の空気極側の電極相当面及び第２の電流用プローブを介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極までへの閉回路内を流れる電流を測定する第２の電流測定手段と、
上記第２の電圧用プローブにおける空気極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、
上記第２の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第２の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める第２の発電電流算出手段とを備え、
上記第２の発生電流算出手段は、
上記第２の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への１点の測定電流と、
上記第２の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への１点の近傍位置の第２の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の第２の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、
上記第１の測定手段と第２の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第Ｋ段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することを特徴とする積層燃料電池電流分布測定装置。
【請求項６】
電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定方法において、
上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、
上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定工程と、
上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定工程と、
上記電流測定工程によって測定された測定電流と、上記電圧測定工程によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出工程とを含み、
上記発電電流算出工程では、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴とする燃料電池電流分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質と該電解質を挟んで両側に設けられた一対の電極とを有する燃料電池の電極面における起電力分布を得るための燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの電気化学的反応を利用して、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないため発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。
【０００３】
一般に、燃料電池は、図１０に示すように、電解質１０１とその両側に設けられた一対の電極（燃料極１０２・酸化剤極１０３）とを有する電極−電解質構造体を発電単位として、燃料極１０２に水素や炭化水素等の燃料ガスを供給し、酸化剤極１０３に酸素や空気等の酸化剤ガスを供給して、ガスと電解質１０１と電極（燃料極１０２・酸化剤極１０３）との３相界面において電気化学的な反応を進行させることにより電気を取り出すものである。
【０００４】
燃料電池では、電極−電解質構造体の全体で均一に電極反応が進行することが重要となる。しかし、電極−電解質構造体の場所によって電解質中の水分量や電解質の劣化の程度、また、燃料ガス中の水素濃度や空気中の酸素濃度等が異なることにより、電極−電解質構造体の全体で電極反応が均一に進行しない場合がある。つまり、電極−電解質構造体の部分毎で電極反応の程度に差が生じる場合がある。
【０００５】
したがって、この電極−電解質構造体の部分毎における電極反応の程度を把握することにより、電解質や電極触媒等の構成部材の最適化や燃料ガスや酸化剤ガスの加湿量等の最適化を図ることが可能となり、さらに、電極−電解質構造体の劣化原因や劣化の進行具合等を知ることができる。したがって、燃料電池MEAの特性、燃料、酸化剤の供給方式など発電特性と関連ある諸パラメータの関係を確定するために、電極−電解質構造体における電極反応の分布を調査する必要がある。
【０００６】
ここで、従来の電極−電解質構造体における電極反応の分布を調査する方法として、例えば、特許文献１に開示された電極反応分布測定システムおよび電極反応分布測定方法がある。
【０００７】
この特許文献１では、一方の電極側を所定の領域に区分けし、その所定の領域毎の反応電流を測定する方法が示されている。詳細には、図１１に示すように、燃料電池である電極−電解質構造体２００は、電解質２０１と、その両側に設けられた一対の電極２０２・２０３と、さらにその両側に設けられた集電体２０４・２０５とからなっている。
【０００８】
そして、一方の集電体２０４は、絶縁体からなる仕切り２０６によって格子状の領域に区分けされており、この区分けされた各集電体２０４は、半田付け２１１によりリード線２１２に接続され、図示しない電圧測定装置に接続されている。
【０００９】
また、他方の集電体２０５は銅板２３１を介して上記電圧測定装置に接続されている。なお、電圧測定装置は、特許文献１では、図示しないが、測定対象となる燃料電池の電極−電解質構造体に接続され、該電極−電解質構造体の全電流または端子間電圧を制御する１つの負荷装置と、該電極−電解質構造体の複数の部分領域の各々における反応電流を測定する電流測定装置と、該電極−電解質構造体の前記複数の部分領域の各々における電解質抵抗を測定する抵抗測定装置と、前記複数の部分領域のうちの同一の部分領域における反応電流と電解質抵抗との測定を同時に行うように当該電極反応分布測定システムを制御する測定制御装置とを含む構成となっている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法では、仕切り２０６によって、集電体２０４を区分けしており、燃料電池の電極２０２全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現していない。
【００１１】
すなわち、上記特許文献１の方法では、特製試験サンプルと電流センサとを用いて、燃料電池の特定部分の発電性能を測定している。したがって、上記特許文献１の方法では、実デバイスと構造が違うので、測定誤差が出る。このため、実製品の評価はできない。
【００１２】
そこで、この問題を解決するために、例えば、特許文献２に開示された燃料電池電流分布測定装置３００では、図１２及び図１３に示すように、燃料電池３１０の電極面における起電力分布を得るために、一対の燃料極３０１及び空気極３０２における一方の燃料極側セパレータ３０３の外側表面の非区画領域に接触される複数のプローブピン３０４と、各プローブピン３０４に流れる電流を測定する電流測定部３０５とを備えている。
【００１３】
これにより、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法が提供できるものとなっている。
【００１４】
ここで、燃料電池電流分布測定装置３００の測定原理について、図１４に基づいて説明する。図１４は、図１３の中のＡの部分であり、電流プローブ（接触ピン）と燃料電池セパレータの接触部を拡大したものである。
【００１５】
図１４において、Ｐ１、Ｐ２は、電流測定プローブを示し、ＲＳ１、ＲＳ２は電流測定プローブＰ１・Ｐ２の等価抵抗であり、ＲＣ１、ＲＣ２は電流測定プローブＰ１・Ｐ２とアノード側セパレータＣとの接触抵抗である。
【００１６】
発電電流は想定発電ゾーンからアノード側セパレータＣ、電流測定プローブＰ１・Ｐ２、負荷、カソードセパレータに経由して、電流回路を構成する。
電流測定プローブＰ１・Ｐ２間のセパレータ抵抗があるので、発電電流ＩＧ１・ＩＧ２は、等価抵抗ＲＳ１・ＲＳ２・ＲＣ１・ＲＣ２・ｒ１２の各抵抗の値によって、再分布される。
【００１７】
図１５は図１４の等価回路である。測定電流と発電電流の関係は（式１）および（式２）で表される。（式１）および（式２）において、抵抗Ｒ１・Ｒ２が同じ値であれば、等価抵抗ｒ１２の電流が０となり、測定電流ＩＭ１＝発電電流ＩＧ１、測定電流ＩＭ２＝発電電流ＩＧ２となる。すなわち、測定電流ＩＭ１により発電電流ＩＧ１を表示することができる。
【００１８】
【数１】
0004817962.tif 000002
【００１９】
このように、従来の燃料電池表面電流測定技術では、電流プローブを用いて、燃料電池セパレータ表面での測定が主流となってきている。
【特許文献１】特開２００３−７７５１５号公報（２００３年３月１４日公開）
【特許文献２】特開２００５−３０２４９８号公報（２００５年１０月２７日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記従来の特許文献２に開示された燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法では、一般的には、接触抵抗ＲＣ１・ＲＣ２が測定によって変化してしまうため、電流プローブによるプローブピン３０４と燃料極側セパレータ３０３の表面との接触抵抗ＲＣ１・ＲＣ２による電流再分布が発生する。この結果、測定電流ＩＭ１と発電電流ＩＧ１とは一致せず、測定電流ＩＭ１と発電電流との間に誤差が生じるという問題点を有している。
【００２１】
すなわち、電流プローブによるプローブピン３０４を発電デバイス表面に接触させるので、接触抵抗ＲＣ１・ＲＣ２の不確定性による測定誤差が出る。この理由は、電流プローブの先端形状、使用状況、セパレータ表面状況、及び電流プローブにかかった圧力の大きさ等の各要素の影響によって、測定の都度、接触抵抗が変化するので、この接触抵抗による測定誤差の低減が困難であるためである。
【００２２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定装置において、上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出手段とが設けられていると共に、上記発電電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の燃料電池電流分布測定方法は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定方法において、上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定工程と、上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定工程と、上記電流測定工程によって測定された測定電流と、上記電圧測定工程によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出工程とを含み、上記発電電流算出工程では、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴としている。
【００２５】
これにより、燃料電池表面の電流測定を電流測定手段のみで測定することと比較して接触抵抗による測定誤差を軽減し、燃料電池表面で、燃料電池内部発電電流測定を行うことが可能となる。すなわち、実際の発電電流により近い正確な測定電流の値を得ることができる。また、各測定プローブにより直接電流を吸い上げることにより、測定治具による上記電極上でのパワーロスを小さくすることができる。また、大電流密度、大面積の燃料電池に対して、電流プローブ等の抵抗や、例えば燃料電池セパレータの抵抗及び電流プローブとセパレータとの間の接触抵抗による測定面の電流再分布が発生することにより、各電流プローブでの測定電流値と、該当測定点の発電電流との差異、又は、接触抵抗の値が測定の都度に変化するため、測定中で、補正しなければならないという、いわゆる測定システムによる燃料電池電流電圧（ＩＶ）特性の影響を少なくすることができる。
【００２６】
したがって、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供することができる。
【００２７】
また、本発明では、上記発電電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求める。
【００２８】
これにより、等価モデルを用いて測定結果を計算し、実際の発電電流値を出力でき、実際の発電量と測定値とをより正確に一致させることができる。また、効率的に、燃料電池の発電量を知ることができ、安価で、より正確に測定を行うことができる。さらに、１ユニットの測定信号、すなわち、１点電流信号と５点電圧信号とで、発電電流を計算する方式によって、測定回路の誤差の影響を低減することができる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池電流分布測定装置では、上記電流測定手段は、閉回路内を流れる電流を測定する電流センサを備えていることが好ましい。
【００３０】
これにより、電流プローブからの電流を容易かつ正確に測定することができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池電流分布測定装置では、上記電流センサは、閉回路内に設けられた抵抗と、その抵抗の両端にかかる電圧を測定する両端電圧測定手段とからなっていることが好ましい。
【００３２】
これにより、具体的に、構成の容易な電流センサとすることができる。
【００３３】
本発明の積層燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをＮ（Ｎは２以上の整数）個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、第Ｋ段（Ｋ≦Ｎ）よりも下側に位置する第Ｋ段〜第Ｎ段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定すべく第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に載置される測定手段と、上記測定手段の上側に設けられる集電板と、上記集電板に積層された第Ｋ−１段から第１段までの燃料電池セルとが設けられていると共に、上記測定手段は、電流を測定するための第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ上記集電板に接続されている複数の電流用プローブと、各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための複数の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第Ｋ段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面、電流用プローブ及び集電板を介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、上記電圧用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める発生電流算出手段とを備えていると共に、上記発生電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発生電流を求めることを特徴としている。
【００３４】
これにより、積層燃料電池電流分布測定装置において、第Ｋ段（Ｋ≦Ｎ）よりも下側に位置する第Ｋ段〜第Ｎ段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定することができる。
【００３５】
したがって、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る積層燃料電池電流分布測定装置を提供することができる。
【００３６】
本発明の積層燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをＮ（Ｎは２以上の整数）個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、第Ｋ段（Ｋ≦Ｎ）の燃料電池セルの発生電流分布を測定すべく、第Ｋ段の燃料電池セルの上側における燃料極側の電極相当面に載置される第１の測定手段と、第Ｋ段の燃料電池セルの下側における空気極側の電極相当面に接触する第２の測定手段とが設けられると共に、上記第１の測定手段は、第Ｋ段から下側の第Ｎ段までの発生電流を測定するために、電流を測定するための上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ、第Ｋ−１段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接続された複数の第１の電流用プローブと、各第１の電流用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第１の電圧用プローブとを有し、上記第Ｋ段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び第１の電流用プローブを介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する第１の電流測定手段と、上記第１の電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、上記第１の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第１の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める第１の発生電流算出手段とを備え、上記第１の発生電流算出手段は、上記第１の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記第１の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への１点の近傍位置の第１の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の第１の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、上記第２の測定手段は、第Ｋ＋１段から下側の第Ｎ段までの発生電流を測定するために、電流を測定するための上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接触され、かつ、第Ｋ＋１段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接続された複数の第２の電流用プローブと、各第２の電流用プローブにおける上記空気極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第２の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第２の電流用プローブにおける空気極側の電極相当面への各接触点と、上記第１の電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への各接触点とは、上下方向において平面的に同一位置であり、上記第Ｋ段の燃料電池セルにおける下側の空気極側の電極相当面及び第２の電流用プローブを介する第Ｎ段の燃料電池セルの空気極までへの閉回路内を流れる電流を測定する第２の電流測定手段と、上記第２の電圧用プローブにおける空気極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、上記第２の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第２の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める第２の発電電流算出手段とを備え、上記第２の発生電流算出手段は、上記第２の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への１点の測定電流と、上記第２の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への１点の近傍位置の第２の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の４点の第２の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、上記第１の測定手段と第２の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第Ｋ段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することを特徴としている。
【００３７】
上記の発明によれば、第１の測定手段と第２の測定手段とによって、第Ｋ段の燃料電池セルが挟まれる。したがって、このとき、第１の測定手段と第２の測定手段とは、測定される電流の極性が逆となっている。
【００３８】
これにより、第１の測定手段と第２の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第Ｋ段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することができる。すなわち、隣接する燃料電池単セル間の電流の差を求めることができる。したがって、積層燃料電池内における、積層されている個々の燃料電池の発電量を知りたい時にも、任意の燃料電池の表面電流と、隣接する燃料電池との差を確認することにより、個々の燃料電池の発電量を把握することができる。
【００３９】
この結果、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る積層燃料電池電流分布測定装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法は、以上のように、電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める。
【００４１】
それゆえ、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態については、例えば水素型燃料電池の電極面における起電力分布測定について説明しているが、必ずしもこれに限らず、直接メタノール型電池（ＤＭＦＣ）その他の燃料電池に適用できる。
【００４３】
最初に、本実施の形態の燃料電池電流分布測定装置での燃料電池電流分布測定の対象となる燃料電池の構成について、図２に基づいて説明する。
【００４４】
燃料電池１０は、図２（ａ）に示すように、イオン導電体となる電解質１と、一対の電極としての燃料極２と、燃料極側セパレータ３と、一対の電極としての空気極４と、空気極側セパレータ５と、上記空気極４の外部取り出し用電極である図示しない集電板とを有している。
【００４５】
上記燃料極２は、詳細には、図２（ｂ）に示すように、例えば炭素電極２ａと、白金（Ｐｔ）からなる触媒２ｂとからなっている。なお、空気極４も同様の構成を有している。
【００４６】
上記燃料極側セパレータ３及び空気極側セパレータ５は、図２（ａ）に示すように、縦縞溝及び横縞溝をそれぞれ有している。燃料極側セパレータ３の縦縞溝の内部には、例えば、水素（Ｈ2）ガス等の燃料ガスが供給されるようになっている一方、空気極側セパレータ５の横縞溝の内部には、例えば、酸素（Ｏ2）又は空気等の酸化剤ガスが供給されるようになっている。
【００４７】
上記燃料電池１０を測定する測定治具について、図３及び図４に基づいて説明する。
【００４８】
本実施の形態では、図３に示すように、電極相当面としての燃料極側セパレータ３の外側表面には、複数の電気的接合部材及び接触ピンとしての測定プローブ２５が、この燃料極側セパレータ３に接触できるようにして設けられている。この測定プローブ２５は、電流測定用の電流プローブ２２と、電流プローブ２２の近傍に設けられた電圧測定用の電圧プローブ２３とからなっている。
【００４９】
上記の上側締め付けプレート７６の内部には、上記水素（Ｈ2）ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給路７８が形成されている。上記燃料極側セパレータ３は、本実施の形態では、従来のような仕切り等による区切りを設けておらず、その結果、上記測定プローブ２５は、燃料極側セパレータ３の外側表面に非区画領域に接触されることになる。
【００５０】
また、本実施の形態では、測定プローブ２５は、燃料電池電流分布測定装置２０における上側締め付けプレート７６及びプローブ治具プレート７７に形成された貫通口に貫通されて設けられている。また、測定プローブ２５は、図示しないバネによって、この測定プローブ２５が上記燃料極側セパレータ３に当接するときには、該燃料極側セパレータ３に対して押圧状態に当接できるようになっている。
【００５１】
さらに、本実施の形態の測定プローブ２５は、図４に示すように、例えば、６ｍｍピッチで、７×７＝４９本設けられている。なお、必ずしもこれに限らず、例えば、２５ｍｍピッチ、４５ｍｍピッチ等であってもよい。すなわち、本実施の形態では、６ｍｍピッチで燃料極側セパレータ３に測定プローブ２５を当接させれば、燃料極側セパレータ３を絶縁物で区画しなくても、十分に隣接領域との間に電流の違いが見出せることを実験により検証できたことにより、燃料極側セパレータ３を絶縁物で区画しないものとなっている。
【００５２】
また、上記空気極側セパレータ５の外側表面には、この空気極側セパレータ５に接触する銅（Ｃｕ）からなる集電板６が設けられており、この集電板６が空気極４の外部取り出し用電極となっている。
【００５３】
上記燃料電池１０は、下側締め付けプレート７１にシリコンシート７２及びラバーヒータ７３を介して載置されている。すなわち、本実施の形態では、ラバーヒータ７３によって、燃料電池１０の温度を常温よりも上昇させることが可能となっている。
【００５４】
また、上記下側締め付けプレート７１の内部には、上記酸素（Ｏ2）又は空気等の酸化剤ガスを供給する空気供給路７４が形成されている。
【００５５】
上記燃料電池１０における燃料極側セパレータ３の表面の電流分布を測定するための燃料電池電流分布測定装置５０の全体概要について、図５に基づいて説明する。
【００５６】
同図に示すように、上記燃料電池電流分布測定装置２０には、燃料電池１０を稼動させるために、水素（Ｈ2）ガス等の燃料ガスを貯蔵する燃料タンク１１が設けられており、図示しない液送ポンプにて液体流量計１２を通して燃料電池１０に供給されるようになっている。また、酸素（Ｏ2）又は空気等の酸化剤ガスを貯蔵する酸化剤ボンベ１３から、気体流量計１５を通して、酸化剤ガスが燃料電池１０に供給されるようになっている。
【００５７】
さらに、燃料電池１０からのカソード（空気極側）排液を貯めるカソード排液タンク１６、及び燃料電池１０からのアノード（燃料極側）排液を貯める図示しないアノード排液タンクがそれぞれ設けられている。
【００５８】
また、燃料電池１０の燃料極側セパレータ３の表面での電流分布及び温度分布は、センサーユニット３２にて検出され、パソコン４２にそのデータが入力されるようになっている。さらに、燃料電池１０の燃料極側セパレータ３の表面での電流分布の測定において、適切な電流値を得るための抵抗を負荷する電子負荷装置３３が接続されている。
【００５９】
上記センサーユニット３２は、電流を検知する測定プローブ２５と、温度を測定するための上記熱電対３７とからなっている。上記熱電対３７によって検知された温度は、温度計４５にて検出されるようになっている。
【００６０】
一方、電子負荷装置３３は、複数種類の抵抗を有しており、その中から１つを選択することによって、電流信号収集モジュール４４での電流信号収集に際して適切な電流値が取り出せるようになっている。この抵抗の選択は、パソコン４２によって行うことができる。その他、本実施の形態の電子負荷装置３３は、一定電流負荷モードや一定電圧負荷モード等が可能な機能を有しており、それらのモードによる電流−電圧特性試験及びその他の負荷試験に使用できるように、例えば、最大負荷２００Ｗ、４０Ａ以下、電圧０〜２００Ｖの負荷が掛けられるようになっている。
【００６１】
その他、図５に示すように、データ収集処理装置４３には、液体流量計１２の流量設定データ、流量計測データ、及び気体流量計１５の流量データ等の各データが入力されると共に、発電電流算出手段としての測定電流抵抗補正計算部４６が設けられている。
【００６２】
上記燃料電池１０における燃料極側セパレータ３の表面の電流分布を測定するための本実施の形態の燃料電池電流分布測定装置の構成について、図１（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。
【００６３】
図１（ａ）は、電圧プローブ２３及び電流プローブ２２が配置されたセパレータの上図であり、図１（ｂ）は、接触ピンである電流プローブ２２と燃料電池セパレータとの接触部を拡大した図である。
【００６４】
図１（ｂ）に示すように、燃料電池電流分布測定装置２０は、燃料電池１０の燃料極側セパレータ３の表面に電圧プローブ２３と、電流プローブ２２とから構成されている測定プローブ２５がマトリクス状に配置され、測定プローブ２５は電流センサ２４の一端と接続されている。さらに、電流センサ２４の測定プローブ２５と接続されていない側の端子は外部の電子負荷と接続されている。これらにより、燃料電池電流分布測定装置２０は電気閉回路として構成されている。
【００６５】
また、測定プローブ２５は、電流センサ２４と、電流センサ２４の両端電圧を測定する図示しない電圧計とから構成される電流測定手段に接続されている。
【００６６】
なお、本実施の形態では、電流センサ２４としてシャント抵抗を使用する。これにより測定プロ−ブ２５の電流の測定を行う。
【００６７】
また、電圧プローブ２３は、電流プローブ２２の近辺に装着して、電流プローブ２２と同時に燃料極側セパレータ３を接触させる。これにより、各点の電圧信号を取り出すことが可能となる。
【００６８】
次に、燃料電池電流分布測定装置２０における測定方法について、説明する。最初に、燃料電池電流分布測定装置２０における信号を取り出す方法について説明し、続いて、測定回路の等価モデル、及び測定電流補正原理について説明する。
【００６９】
〔信号を取り出す方法〕
先ず、燃料電池電流分布測定装置２０における信号を取り出す方法は、図１（ｂ）に示すように、本実施形態においては燃料極側セパレータ３の表面に測定プローブ２５を接触させ、燃料極側セパレータ３の発電電流を測定プローブ２５を経由して、測定プローブ２５に接続されている電流センサ２４により燃料極側セパレータ３の電流を測定する。
【００７０】
電圧プローブ２３は、電流プローブ２２の近辺に装着して、電流プローブ２２と同時に燃料極側セパレータ３に接触させ、各点の電圧信号を取出す。
【００７１】
〔測定回路の等価モデル〕
次いで、図６に基づいて、測定回路の等価モデルについて、説明する。
【００７２】
図６に示すのは、図１（ｂ）で示した、燃料電池電流分布測定装置２０の等価モデルである。
【００７３】
まず、燃料電池電流分布測定装置２０上部の発電電流を測定プローブ２５の位置に集中すると仮定する。また、各仮定点の発電電流を電流源と仮定する。
【００７４】
燃料極側セパレータ３の抵抗を考慮すると、各測定プローブ２５の間に、燃料極側セパレータ３の抵抗が存在する。また、測定プローブ２５と電流センサ２４との抵抗、および測定プローブ２５と燃料極側セパレータ３との抵抗を考慮する。
【００７５】
上記抵抗を考慮することにより、単体での測定プローブ２５および電流センサ２４における接触抵抗の等価モデルを図３に示す。
【００７６】
ここで、図６と図１（ａ）および（ｂ）との記号は以下のように対比するものとする。
【００７７】
Ｍ,Ｎ      ←→０
Ｍ,Ｎ−１  ←→１
Ｍ,Ｎ＋１  ←→３
Ｍ−１,Ｎ  ←→２
Ｍ＋１,Ｎ  ←→４
（ｋ）    ←→  −δ／ρ
これにより、図６の測定面に対する各点の発電電流の補正計算式は、
【００７８】
【数２】
0004817962.tif 000003
【００７９】
となる。
【００８０】
ここで、図６の本実施形態の電圧補正方式のモデルには、測定点の電流信号とその周辺の電圧信号だけが使われているので、測定プローブ２５内の電圧は、理論上で、任意値でも測定への影響が出ない。よって、電流、電圧などの測定部分の治具構造を簡単化することができる。
【００８１】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図７ないし図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
図７に燃料電池スタックの構造の一例を示す。本実施の形態の燃料電池スタックは、前記実施の形態１の単セルを直列に繋いで構成される。
【００８３】
図８（ｂ）に測定部３０の具体的構成を示す。測定部３０は、燃料電池セル２１の燃料極側セパレータ３の表面に設けられる電流プローブ２２、電圧プローブ２３、電流センサ２４、および集電板２９などから構成されている。
【００８４】
図８（ａ）に積層燃料電池測定装置の具体的構成を示す。同図に示すように、燃料電池セル２１上に測定部３０が形成され、燃料電池セル２１と測定部３０とが交互に形成されることにより積層燃料電池の間に積層燃料電池測定装置が形成される。
【００８５】
また、電圧プローブ２３、電流プローブ２２、及び電流センサ２４から測定される、電流および電圧から、図６における等価モデルの式を用い、計算することにより、測定部３０における測定プローブ２５での電流を求めることができる。
〔他の燃料電池の発電電流が測定結果へ及ぼす影響の消去〕
次に、各セルが他のセルへ及ぼす測定の影響について、図９を用いて説明する。
【００８６】
図８（ａ）（ｂ）の測定の例で、測定した電流値は、指定したセルの発電電流だけではなくて、指定したセル下のすべてのセルの発電電流である。したがって、該当セルだけの発電状況を示すために、この部分の電流を抽出しなければならない。
【００８７】
図９は、積層燃料電池中における燃料電池単体の発電電流面分布測定の例で、発電電流面分布測定部６０は測定部６４が２ユニットで構成されている。
【００８８】
測定ユニット６１により、燃料電池セルＮの発電電流と燃料電池セルＮ＋１・・・の発電電流の和が測定され、測定ユニット６２により、セルＮ＋１・・・の発電電流がセルＮの各測定位置に電流が流し込まれる。これにより、測定ユニット６１と測定ユニット６２との各点電流の差を求めて、燃料電池セルＮの発電電流を表示する。ここで、測定ユニット６１の各点電流の極性と測定ユニット６２の各点電流の極性とは逆になるように設定する。
【００８９】
セル間の電流伝導誤差を無くすため、図９の測定ユニット６１および測定ユニット６２には、図８（ａ）、及び図８（ｂ）における集電板２９のかわりに、電流引出しプローブ６３が使われている。
【００９０】
この測定部６４の構造は、測定ユニット６１および測定ユニット６２の電圧の極性がプラスマイナス逆である等の理由から、本実施の形態に関る測定方式に適した構造である。
【００９１】
以上のように、本実施形態の燃料電池電流測定装置は、電流プローブ２２にて電流測定を行いながら、電圧プローブ２３にて、セパレータ沿い方向の電流値を測定する。すなわち、セパレータ表面の電流値を測定する。また、電気回路の基本法則を利用して、各電流プローブ２２と電圧プローブ２３で取り出した情報を計算して、電圧補正計算を行うことにより、燃料電池内部の発電電流の分布を出力することができる。
【００９２】
また、発電デバイスの材質、形状、構造などの特性と発電デバイスの発電性能との関係は、燃料電池表面の電流分布で評価を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、水素型燃料電池、直接メタノール型電池（ＤＭＦＣ）又はその他の燃料電池の電極面における起電力分布測定に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】（ａ）（ｂ）は、本実施形態の燃料電池電流分布測定装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、（ｂ）は図１に示す燃料電池の燃料極の構成を詳細に示す要部斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池電流分布測定装置の燃料電池及びプローブを示す断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池電流分布測定装置のプローブ及びリード線を示す平面図である。
【図５】上記燃料電池電流分布測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】上記燃料電池電流分布測定装置の等価モデルを示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、上記図７で示した燃料電池電流分布測定装置をスタックに応用した燃料電池電流分布測定システムの断面を示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）の単セルのみの燃料電池電流分布測定システムの断面図である。
【図９】上記図８で示した燃料電池電流分布測定装置のスタック中指定セルだけの発電電流面分布測定の一例を示す断面図である。
【図１０】従来の燃料電池の基本構成を示す模式図である。
【図１１】従来の燃料電池電流分布測定装置を示す断面図である。
【図１２】従来の燃料電池電流分布測定装置を示す模式図である。
【図１３】従来の燃料電池電流分布測定装置の燃料電池及びプローブを示す断面図である。
【図１４】図１３に示す従来の燃料電池電流分布測定装置における電流プローブと燃料電池セパレータの接触部とを示す断面図である。
【図１５】上記図１３に示す電流プローブ及び燃料電池セパレータの接触部の等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００９５】
１    電解質
２    燃料極
２ａ  炭素電極
２ｂ  触媒
３    燃料極側セパレータ
４    空気極
５    空気極側セパレータ
１０  燃料電池
１１  燃料タンク
１２  液体流量計
１３  酸化剤ボンベ
１５  気体流量計
１６  カソード排液タンク
２０  燃料電池電流分布測定装置
２１  燃料電池セル
２２  電流プローブ
２３  電圧プローブ（電圧測定手段）
２４  電流センサ
２５  測定プローブ
２９  集電板（集電手段）
３０  測定部
３２  センサーユニット
３３  電子負荷装置
４６  測定電流抵抗補正計算部（発電電流算出手段）
６１  測定ユニット
６２  測定ユニット
６３  電流引出しプローブ
６４  測定部
６０  発電電流面分布測定部
７１  下側締め付けプレート
７２  シリコンシート
７３  ラバーヒータ
７４  空気供給路
７６  上側締め付けプレート
７７  プローブ治具プレート
７８  燃料ガス供給路
【図１】
0004817962.tif 000004
【図２】
0004817962.tif 000005
【図３】
0004817962.tif 000006
【図４】
0004817962.tif 000007
【図５】
0004817962.tif 000008
【図６】
0004817962.tif 000009
【図７】
0004817962.tif 000010
【図８】
0004817962.tif 000011
【図９】
0004817962.tif 000012
【図１０】
0004817962.tif 000013
【図１１】
0004817962.tif 000014
【図１２】
0004817962.tif 000015
【図１３】
0004817962.tif 000016
【図１４】
0004817962.tif 000017
【図１５】
0004817962.tif 000018