(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定装置において、
上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に接触して散在配置される複数の各点電位検知ピンと、
上記一方の電極における電極相当面の表面に接触して１個配設される基準電位検知ピンと、
上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を検出する電位検出手段と、
上記電池の起電力を取り出すべく、上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで出力された起電力取り出し配線と、
上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算手段とが設けられ、
上記起電力取り出し配線は、上記電極相当面を取り囲むように設置された集電手段に接続され、
上記起電流分布演算手段は、
上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、
当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算することを特徴とする電池起電流分布測定装置。
【請求項２】
前記起電力取り出し配線が、前記集電手段に複数接続されていることを特徴とする請求項１記載の電池起電流分布測定装置。
【請求項３】
前記電極相当面の表面における各点電位検知ピンは、マトリクス状に等間隔で配されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電池起電流分布測定装置。
【請求項４】
前記集電手段の形状は、長方形枠であり、
前記各点電位検知ピンは、上記集電手段の形状に沿ってマトリクス状の配置を形成し、
前記基準電位検知ピンは、上記集電手段に接触して配置され、
上記集電手段の内枠と、該集電手段の内枠と平行に配置されている上記各点電位検知ピンとの最短距離が、互いに隣り合う上記各点電位検知ピン同士の距離と等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池起電流分布測定装置。
【請求項５】
前記電極相当面は一方の電極におけるセパレータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池起電流分布測定装置。
【請求項６】
一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定方法において、
上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に複数の各点電位検知ピンを接触して散在配置させる各点電位検知ピン配置工程と、
上記各点電位検知ピンとは別に上記電極相当面の表面に１個の基準電位検知ピンを配設する基準電位検知ピン配設工程と、
上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を電位検出手段によって検出するピン間電位検出工程と、
上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで上記電池の起電力を取り出す起電力取り出し工程と、
上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算工程と、
集電手段を上記電極相当面を取り囲むように設置する集電手段設置工程とを含み、
上記起電流分布演算工程では、
上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、
当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算することを特徴とする電池起電流分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極を有する例えば燃料電池の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定装置及び電池起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２０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。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。そのため、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。
【０００５】
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は、２種類に大別される。第１の方法は、特定の試験体を使用し電流センサにより電極−電解質構造体における区画された特定領域の起電力を測定するものであり、第２の方法は、電極−電解質構造体の表面に表面ピンを接触又は非接触とした状態で、電流センサにより電極−電解質構造体の発電状態を測定するものである。
【０００６】
第１の方法には、例えば特許文献１に開示されたものがあり、この特許文献１に記載された電極反応分布測定システム及び電極反応分布測定方法では、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。
【０００７】
詳細には、図２１に示すように、燃料電池２００における電極−電解質構造体２１０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、電流測定装置２４０に接続されている。また、図２１に示す他方の集電体２０５は銅板２３１を介して上記電流測定装置２４０に接続されている。
【０００９】
上記電流測定装置２４０は、電極−電解質構造体２１０の全電流又は端子間電圧を制御する１つの負荷装置２４１と、抵抗装置２４２と、該電極−電解質構造体２１０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２４３とを含む構成となっている。
【００１０】
一方、第２の方法には、例えば特許文献２に開示されたものがあり、図２２に示すように、燃料電池３００の表面に複数の検出ピン３０１を接触した状態で、電流センサ３１０により燃料電池３００の起電力の分布を測定するものである。
【００１１】
すなわち、電流センサ３１０は、各検出ピン３０１に直列に接続された電流計３１１を有しており、各電流計３１１の出力は束ねられて１本の取出線３０２を通して出力される。したがって、燃料電池３００の全体の起電力Ｖは、上記取出線３０２と燃料電池３００の下端からの取出線３０３との電位差として取り出される。また、各電流計３１１の値を測定することにより、燃料電池３００の平面の起電力分布を測定することができる。
【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】
【００１２】
しかしながら、上記従来の特許文献１に示す第１の方法では、仕切り２０６によって、集電体２０４を区分けしており、実際の燃料電池２００の構造とは異なるので、燃料電池２００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。したがって、この測定方法では、実際の燃料電池２００の起電力の分布を測定することができないという問題点を有している。
【００１３】
また、上記従来の図２２に示す第２の方法では、燃料電池３００の表面に複数の検出ピン３０１を接触させているので、接触抵抗の不確定性による測定誤差を含むという問題点を有している。すなわち、検出ピン３０１毎に接触力、接触面積、及び表面状態等が異なるので、必然的に検出ピン３０１毎に接触抵抗が異なる。
【００１４】
また、検出ピン３０１と電流センサ３１０とからなる測定回路が電池発電回路に含まれているので、検出ピン３０１と電流センサ３１０とのインピーダンスが、発電特性に影響がでるという問題点を有している。すなわち、検出ピン３０１及び電流センサ３１０が電池発電回路に直列に接続されているので、発電による起電力が検出ピン３０１及び電流センサ３１０のインピーダンスによる電圧低減を受ける。そして、この検出ピン３０１及び電流センサ３１０のインピーダンスは、検出ピン３０１及び電流センサ３１０毎に異なるので、真のその点の起電力を測定することができないことになる。
【００１５】
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、電池の表面全体から得られる起電力における部分起電流を正確に再現し得る電池起電流分布測定装置及び電池起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】
【００１６】
本発明の電池起電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定装置において、上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に接触して散在配置される複数の各点電位検知ピンと、上記一方の電極における電極相当面の表面に接触して１個配設される基準電位検知ピンと、上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を検出する電位検出手段と、上記電池の起電力を取り出すべく、上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで出力された起電力取り出し配線と、上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算手段とが設けられ、上記起電力取り出し配線は、上記電極相当面を取り囲むように設置された集電手段に接続され、上記起電流分布演算手段は、上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の電池起電流分布測定方法は、上記課題を解決するために、一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定方法において、上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に複数の各点電位検知ピンを接触して散在配置させる各点電位検知ピン配置工程と、上記各点電位検知ピンとは別に上記電極相当面の表面に１個の基準電位検知ピンを配設する基準電位検知ピン配設工程と、上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を電位検出手段によって検出するピン間電位検出工程と、上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで上記電池の起電力を取り出す起電力取り出し工程と、上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算工程と、集電手段を上記電極相当面を取り囲むように設置する集電手段設置工程とを含み、上記起電流分布演算工程では、上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算することを特徴としている。
【００１８】
上記の発明によれば、電池の起電力は、各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで取り出される。したがって、起電流分布を求めるに際して、各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段におけるインピーダンスが電池の起電力の取り出しに影響することがなく、電池の起電力の出力を減じることはない。
【００１９】
また、電位検出手段は、複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を検出する。したがって、各点の電位を基準電位検知ピンを基準にして測定するので、各点電位検知ピン毎の接触抵抗の影響が無視できる。すなわち、電位測定によれば、測定部の入力インピーダンスは高いが（通常、メガオーム以上）、接触抵抗（インピーダンスの一部である）は低い（ミリオームレベル）ためである。
【００２０】
この結果、電池の表面全体から得られる起電力における部分起電流を正確に再現し得る電池起電流分布測定装置及び電池起電流分布測定方法を提供することができる。
【００２１】
さらに、集電手段が電極相当面を取り囲むように設置されているので、集電手段を電極相当面の周囲の一部に設ける構成に比べて、電極相当面での表面電流によるパワーロスを少なくすることができ、ＩＶ特性（電流電圧特性）への影響がさらに少ない電池を実現することができる。
【００２２】
また、本発明の電池起電流分布測定装置では、前記起電力取り出し配線が、前記集電手段に複数接続されていることが好ましい。
【００２３】
これにより、集電手段におけるパワーロスが少なくなるので、電池全体におけるパワーロスをさらに減少させることができる。
【００２６】
また、本発明の電池起電流分布測定装置では、前記電極相当面の表面における各点電位検知ピンは、マトリクス状に等間隔で配されていることが好ましい。
【００２７】
これにより、各点電位検知ピンがマトリクス状に等間隔に配されるので、各点電位検知ピンの間の距離が等しくなり、抵抗が等しくなり、演算が容易となる。
【００２８】
また、本発明の電池起電流分布測定装置では、前記集電手段の形状は、長方形枠であり、前記各点電位検知ピンは、上記集電手段の形状に沿ってマトリクス状の配置を形成し、前記基準電位検知ピンは、上記集電手段に接触して配置され、上記集電手段の内枠と、該集電手段の内枠と平行に配置されている上記各点電位検知ピンとの最短距離が、互いに隣り合う上記各点電位検知ピン同士の距離と等しいことが好ましい。
【００２９】
これにより、各点電位検知ピンの配置領域の面積と有効測定領域の面積とが等しくなり、各点電位検知ピンおよび電位検出手段等の信号処理回路資源がさらに有効利用できる。
【００３２】
また、本発明の電池起電流分布測定装置では、前記電極相当面は一方の電極におけるセパレータであることが好ましい。
【００３３】
これにより、燃料電池の電極全体から得られる起電力における部分起電流を正確に再現し得る燃料電池起電流分布測定装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の電池起電流分布測定装置は、以上のように、一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定装置において、上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に接触して散在配置される複数の各点電位検知ピンと、上記一方の電極における電極相当面の表面に接触して１個配設される基準電位検知ピンと、上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を検出する電位検出手段と、上記電池の起電力を取り出すべく、上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで出力された起電力取り出し配線と、上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算手段とが設けられ、上記起電力取り出し配線は、上記電極相当面を取り囲むように設置された集電手段に接続され、上記起電流分布演算手段は、上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算するものである。
【００３５】
また、本発明の電池起電流分布測定方法は、以上のように、一対の電極を有する燃料電池の矩形状又は正方形状の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定方法において、上記一対の電極のうちの一方の電極における電極相当面の表面に複数の各点電位検知ピンを接触して散在配置させる各点電位検知ピン配置工程と、上記各点電位検知ピンとは別に上記電極相当面の表面に１個の基準電位検知ピンを配設する基準電位検知ピン配設工程と、上記複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位を電位検出手段によって検出するピン間電位検出工程と、上記各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで上記電池の起電力を取り出す起電力取り出し工程と、上記取り出した起電力における上記電池の電極相当面の表面における起電流分布を演算する起電流分布演算工程と、集電手段を上記電極相当面を取り囲むように設置する集電手段設置工程とを含み、上記起電流分布演算工程では、上記電位検出手段による複数の各点電位検知ピンと基準電位検知ピンとの間の各電位と、上記電極相当面の表面における各点電位検知ピンの接触位置の間の各抵抗と、各点電位検知ピンの間の距離とに基づいて、各点電位検知ピンの間の電流密度を算出し、当該電流密度と、上記距離と、上記電極相当面の厚さとに基づいて、各点電位検知ピンにおける上記電極相当面の厚さ方向の電流密度である起電流の大きさを算出することにより、上記起電流分布を演算する方法である。
【００３６】
それゆえ、電池の起電力は、各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段とは異なるルートで取り出されるので、起電流分布を求めるに際して、各点電位検知ピン、基準電位検知ピン及び電位検出手段におけるインピーダンスが電池の起電力の取り出しに影響することがなく、電池の起電力の出力を減じることはない。
【００３７】
また、各点の電位を、基準電位検知ピンを基準にして測定するので、測定部の入力インピーダンスに比べて各点電位検知ピン毎の接触抵抗の影響が無視できる。
【００３８】
この結果、電池の表面全体から得られる起電力における部分起電流を正確に再現し得る電池起電流分布測定装置及び電池起電流分布測定方法を提供することができる。
【００３９】
さらに、集電手段を電極相当面の周囲の一部に設ける構成に比べて、電極相当面での表面電流によるパワーロスを少なくすることができ、ＩＶ特性への影響がさらに少ない電池を実現することができ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】
【００４０】
本発明の一実施形態について図１ないし図１９に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態の電池起電流分布測定装置及び電池起電流分布測定方法は、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、又は他の電池に適用できる。
【００４１】
本実施の形態の電池起電流分布測定装置としての図５の燃料電池起電流分布測定装置４０にて表面の起電力分布が測定される電池としての燃料電池１０は、図６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、電極相当面としての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、集電板６とを有している。
【００４２】
上記燃料極２は、詳細には、図７（ａ）（ｂ）に示すように、例えば炭素（Ｃ）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。
【００４３】
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７（ａ）に示すように、カーボンからなり、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。
【００４４】
また、図６に示すように、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。
【００４５】
上記燃料電池１０は、下側締め付けプレート２１にシリコンシート２２及びラバーヒータ２３を介して載置されている。上記下側締め付けプレート２１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２４が形成されている。
【００４６】
一方、燃料極側セパレータ３の上側には上側締め付けプレート２６が設けられており、この上側締め付けプレート２６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２８が形成されている。
【００４７】
また、上側締め付けプレート２６の内部には、複数の貫通孔２６ａが穿設されている。各貫通孔２６ａには、各点電位検知ピンとしてのプローブピン（Probe)３５が貫通されていると共に、プローブピン３５は燃料極側セパレータ３に接触されている。本実施の形態では、燃料極側セパレータ３には、従来のような仕切り等による区切りを設けていない。その結果、上記プローブピン３５は、燃料極側セパレータ３の外側表面において区画されないで接触されることになる。
【００４８】
また、本実施の形態では、上記プローブピン３５は、図示しないバネによって、このプローブピン３５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。
【００４９】
なお、例えば６ｍｍピッチで燃料極側セパレータ３にプローブピン３５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。
【００５０】
次に、本実施の形態の電位分布測定部４４について、図５に基づいて詳細に説明する。
【００５１】
本実施の形態の電位分布測定部４４は、図５に示すように、燃料極側セパレータ３の表面に接触する各プローブピン３５に接続されたリード線３６が各増幅器４４ａに接続されてなっている。また、本実施の形態では、上記燃料極側セパレータ３の表面の端部に当接する基準プローブピン３５ａが設けられており、上記各プローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の電位Ｖn,mを測定するものとなっている。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、燃料極側セパレータ３に接続された電流引出部３ａが設けられている。したがって、燃料電池１０にて発生した起電力は、燃料極側セパレータ３側の集電板として機能する電流引出部３ａからの燃料極側引き出し線３ｂと、空気極側セパレータ５側の集電板６を介する空気極側引き出し線６ａとから取り出される。
【００５３】
したがって、本実施の形態では、燃料電池１０にて発生した起電力が、表面電位測定のための増幅器４４ａ及び図示しない電圧計を有する電位分布測定部４４を介さずに直接取り出される。つまり、プローブピン３５と電位分布測定部４４とからなる測定回路が電池発電回路に含まれないので、プローブピン３５及び電位分布測定部４４に関するインピーダンスは、発電特性に影響しないものとなっている。
【００５４】
ここで、上記構成の電位分布測定部４４による燃料電池１０の表面電位の測定原理について説明する。
【００５５】
まず、本実施の形態では、各プローブピン３５は、燃料極側セパレータ３の平面においてマトリクスを形成するようにして燃料極側セパレータ３の表面に接触している。そして、燃料極側セパレータ３の上記プローブピン３５が接触する表面各点と基準プローブピン３５ａが接触する燃料極側セパレータ３の表面の端部との間の電位をそれぞれ求める。そして、上記プローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の電位を求めることにより、燃料極側セパレータ３の上記プローブピン３５が接触する表面各点の電位を演算により求めることができる。なお、このような測定を行うことにより、各プローブピン３５における接触抵抗の影響が無視できる。その理由は、電位測定によれば、電位分布測定部４４の入力インピーダンスは高いが（通常、メガオーム以上）、接触抵抗（インピーダンスの一部である）は低い（ミリオームレベル）ためである。
【００５６】
上記プローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の電位を求めた後の演算の方法は、以下の式に基づく。すなわち、各点の電位とその点の電流密度との関係は、測定電位をφ、測定長さをｌ、比抵抗をρ、及び電流密度をｊとすると、
δφ／δｌ＝ρ・ｊ            ………式（１）
にて表される。
【００５７】
具体例を用いて説明する。例えば、図８に示すように、今、マトリクス状に配された各点Ｐ1〜Ｐ5のプローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の電位をＶ1〜Ｖ5とする。このとき、点Ｐ1とＰ5との間の電流密度ｊX1、点Ｐ2とＰ5との間の電流密度ｊY1、点Ｐ5とＰ3との間の電流密度ｊX2、点Ｐ5とＰ4との間の電流密度ｊY2は、それぞれ、式（１）により、
（Ｖ1−Ｖ5）／ｄ＝ρ・ｊX1            ………式（２）
（Ｖ2−Ｖ5）／ｄ＝ρ・ｊY1            ………式（３）
（Ｖ5−Ｖ3）／ｄ＝ρ・ｊX2            ………式（４）
（Ｖ5−Ｖ4）／ｄ＝ρ・ｊY2            ………式（５）
と表される。なお、上記比抵抗ρは、燃料極側セパレータ３の各点Ｐ1〜Ｐ5の間の比抵抗を示すものであり、各点Ｐ1〜Ｐ5の間の測定長さｌである距離ｄが均一であれば、予め実測した定数を使用することができる。
【００５８】
これにより、各点Ｐ1〜Ｐ5におけるＸ方向及びＹ方向の電流密度ｊX1、電流密度ｊX2、電流密度ｊY1、及び電流密度ｊY2が求まる。
【００５９】
その結果、各点Ｐnにおける電流の方向は、図９に示すように、電流密度ｊXと電流密度ｊYとの間の角度をθとすると、
ｔａｎ  θ＝ｊY／ｊX
で表される。また、各点Ｐnにおける電流の大きさは、
(（ｊX）2＋（ｊY）2）0.5
で表される。
【００６０】
一方、燃料電池１０の点Ｐ5における起電流の大きさは、点Ｐ5におけるＺ方向（高さ方向）の電流密度ｊZ、として示され、その大きさは、
ｊZ＝（ｊX2−ｊX1＋ｊY2−ｊY1）×ｈ／ｄ            ………式（６）
により求めることができる。ただし、ｈは燃料極側セパレータ３の厚さである。
【００６１】
ところで、上記燃料極側セパレータ３における表面電位の分布の演算結果は、点Ｐ5に対する各点Ｐ1〜Ｐ5の電位を示すものである。したがって、任意の点Ｐnの電流も同様の演算を行なうことによって求めることができる。
【００６２】
この結果、任意の点Ｐnに対する燃料極側セパレータ３の各点における電流分布を求めることができる。
【００６３】
このように、本実施の形態の燃料電池起電流分布測定装置４０及び燃料電池起電流分布測定方法では、燃料電池１０の起電力は、プローブピン３５、基準プローブピン３５ａ及び電位分布測定部４４とは異なるルートで取り出される。したがって、起電流分布を求めるに際して、プローブピン３５、基準プローブピン３５ａ及び電位分布測定部４４におけるインピーダンスが燃料電池１０の起電力の取り出しに影響することがなく、燃料電池１０の起電力の出力を減じることはない。
【００６４】
また、電位分布測定部４４は、複数のプローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の各電位を検出する。したがって、各点の電位を基準プローブピン３５ａを基準にして測定するので、電位分布測定部４４の入力インピーダンスに比べてプローブピン３５毎の接触抵抗の影響が無視できる。
【００６５】
この結果、燃料電池１０の電極全体から得られる起電力における部分起電流を正確に再現し得る燃料電池起電流分布測定装置４０及び電池起電流分布測定方法を提供することができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、パソコン４２は、電位分布測定部４４による複数のプローブピン３５と基準プローブピン３５ａとの間の各電位と、燃料極側セパレータ３の表面におけるプローブピン３５の接触又は非接触位置の間の各抵抗とにより燃料電池１０の燃料極側セパレータ３の表面における起電流分布を演算する。これにより、具体的に、燃料電池１０の燃料極側セパレータ３の表面における起電流分布を演算することができる。
【００６７】
また、本実施の形態では、燃料極側セパレータ３の表面におけるプローブピン３５は、マトリクス状に等間隔で配されていることが好ましい。
【００６８】
これにより、プローブピン３５がマトリクス状に等間隔に配されるので、各プローブピン３５の間の距離が等しくなり、抵抗が等しくなり、演算が容易となる。
【００６９】
また、本実施の形態の燃料電池起電流分布測定装置４０では、電位分布測定部４４は、燃料極側セパレータ３に設けられたプローブピン３５及び基準プローブピン３５ａにより、燃料極側セパレータ３に流す電流から電極表面で発生する電流場を検出する。
【００７０】
これにより、プローブピン３５及び基準プローブピン３５ａを燃料極側セパレータ３に設けることより、燃料極側セパレータ３に流す電流から電極表面で発生する電流場を検出することによって、電位を容易に検出することができる。
【００７１】
また、本実施の形態の燃料電池起電流分布測定装置４０では、電池は燃料電池１０であり、かつ電極相当面は一方の電極における燃料極側セパレータ３である。
【００７２】
これにより、燃料電池１０の表面全体から得られる起電力における部分起電流を正確に
再現し得る燃料電池起電流分布測定装置４０を提供することができる。
【００７３】
〔実施例１〕
上記の燃料電池起電流分布測定装置４０にて、燃料電池１０の表面起電流の分布が測定できることを確認すべく、２種類の実験装置を用いて実験を行なったので、以下に示す。
【００７４】
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、燃料極側セパレータ３を想定したカーボン板５１の表面に金メッキ層５２を施した試験板５３の下側に定電流ピン５４を格子状に９点当接させると共に、試験板５３の上側ではその定電流ピン５４における平面上の位置と同じ位置に検出ピン５５を接触させたものを第１の実験装置５０とした。
【００７５】
上記定電流ピン５４には、図１０（ｂ）に示すように、燃料電池１０の起電力の分布を想定して、マルチチャネル定電流源５６から一定電流が与えられるようにしていると共に、各定電流ピン５４にはスイッチＳＷをそれぞれ設けて、各定電流ピン５４への一定電流の供給をオンオフ制御できるようにしている。一定電流としては、例えば１００ｍＡであり、各定電流ピン５４にこの例えば１００ｍＡを供給できるようにした。
【００７６】
一方、検出ピン５５の出力は、増幅／ＡＤ変換器５７を介してパーソナルコンピュータ５８に伝送し、パーソナルコンピュータ５８にて演算をして、燃料電池１０の起電力の分布を表示できるようにした。
【００７７】
その結果、図１１（ａ）〜（ｊ）に示す表面電流の電流方向及び大きさの分布図を得ることができた。すなわち、この分布図は、実施の形態における図９に示す電流密度ｊXと電流密度ｊYとの間の角度をθとして求めた各点における表面電流の電流方向を矢印で示し、かつ電流の大きさをブロックの高さにて示したものからなっている。
【００７８】
ここで、図１１（ａ）は全ての定電流ピン５４へ一定電流を供給した場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図である。なお、図１１（ａ）〜（ｊ）に示す範囲は、図１０に示す結果表示ゾーン及び通電ゾーンに対応している。また、図１１（ｂ）〜（ｄ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（２，Ｂ）、座標（２，Ｄ）、座標（２，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図である。同様に、図１１（ｅ）〜（ｇ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（４，Ｂ）、座標（４，Ｄ）、座標（４，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図であり、図１１（ｈ）〜（ｊ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（６，Ｂ）、座標（６，Ｄ）、座標（６，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図である。
【００７９】
本実施例１では、図１０に示すように、試験板５３の表面の電流取り出し端子５３ａを、同図において右上としている。このため、図１１（ａ）〜（ｊ）に示す表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図においては矢印にて示すように、全て右上に向かって電流が流れると共に、その大きさが立体的な棒グラフにて示すように全て右上の座標が最も大きい値となっていることが分かる。
【００８０】
一方、起電流値分布図は、図１２（ａ）〜（ｊ）にて示される。この起電流値分布図は、実施の形態における
ｊZ＝（ｊX2−ｊX1＋ｊY2−ｊY1）×ｈ／ｄ
により求めたものである。
【００８１】
ここで、図１２（ａ）は全ての定電流ピン５４へ一定電流を供給した場合の試験板５３の表面の起電流値分布図である。なお、図１２（ａ）〜（ｊ）に示す範囲は、図１０に示す結果表示ゾーン及び通電ゾーンに対応している。また、図１２（ｂ）〜（ｄ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（２，Ｂ）、座標（２，Ｄ）、座標（２，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面の起電流値分布図である。同様に、図１２（ｅ）〜（ｇ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（４，Ｂ）、座標（４，Ｄ）、座標（４，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面の起電流値分布図であり、図１２（ｈ）〜（ｊ）は、図１０に示す試験板５３の平面の座標（６，Ｂ）、座標（６，Ｄ）、座標（６，Ｆ）の定電流ピン５４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面の起電流値分布図である。
【００８２】
図１２（ａ）〜（ｊ）に示すように、図１２（ａ）において全ての定電流ピン５４へ一定電流を供給した場合の試験板５３の表面の起電流値分布図に対して、図１２（ｂ）〜（ｊ）では、試験板５３の表面において、定電流がオフされた各座標を反映した起電流値分布図となっていることがわかる。
【００８３】
〔実施例２〕
次に、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、上記第１の実験装置５０において、定電流ピン５４の位置を検出ピン５５における平面上の位置とを異ならせて定電流ピン６４とした第２の実験装置６０を用いて、同様にして、図１４（ａ）〜（ｊ）に示す表面電流の電流方向及び大きさの分布図を得ることができた。
【００８４】
この分布図は、実施の形態における図９に示す電流密度ｊXと電流密度ｊYとの間の角度をθとして求めた各点における表面電流の電流方向を矢印で示し、かつ電流の大きさをブロックの高さにて示したものからなっている。
【００８５】
なお、図１４（ａ）〜（ｊ）に示す範囲は、図１３に示す結果表示ゾーンに対応している。また、図１４（ｂ）〜（ｄ）は、図１３に示す試験板５３の平面の座標（１，Ａ）、座標（１，Ｃ）、座標（１，Ｅ）の定電流ピン６４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び大きさの分布図である。同様に、図１４（ｅ）〜（ｇ）は、図１３に示す試験板５３の平面の座標（３，Ａ）、座標（３，Ｃ）、座標（３，Ｅ）の定電流ピン６４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び大きさの分布図であり、図１４（ｈ）〜（ｊ）は、図１３に示す試験板５３の平面の座標（５，Ａ）、座標（５，Ｃ）、座標（５，Ｅ）の定電流ピン６４へのスイッチＳＷをオフした場合の試験板５３の表面電流の電流方向及び大きさの分布図である。
【００８６】
本実施例２では、図１３に示すように、試験板５３の表面の電流取り出し端子５３ａを、同図において右上としている。このため、図１４（ａ）〜（ｊ）に示す表面電流の電流方向及び電流の大きさの分布図においては矢印にて示すように、全て右上に向かって電流が流れると共に、その大きさが立体的な棒グラフにて示すように全て右上の座標が最も大きい値となっていることが分かる。
【００８７】
一方、起電流値分布図は、図１５（ａ）〜（ｊ）にて示される。この起電流値分布図は、実施の形態における
ｊZ＝（ｊX2−ｊX1＋ｊY2−ｊY1）×ｈ／ｄ
により求めたものである。
【００８８】
図１５（ａ）〜（ｊ）に示すように、図１５（ａ）において全ての定電流ピン６４へ一定電流を供給した場合の試験板５３の起電流値分布図に対して、図１５（ｂ）〜（ｊ）では、試験板５３の表面において、定電流がオフされた各座標を反映した起電流値分布図となっていることがわかる。
【００８９】
また、実施例１及び実施例２のいずれにおいても、問題なく試験板５３の表面電流の電流方向及び大きさの分布図並びに起電流値分布図を得ることができることが分かった。
【００９０】
ところで、上記燃料電池起電流分布測定装置４０では、プローブピンおよびその信号処理回路資源が有効利用されないという問題がある。さらに、セパレータ表面電流および集電極におけるパワーロスが大きく、燃料電池のＩＶ特性（電流電圧特性）への影響が大きくなるという問題がある。以下、図１６〜図１９に基づいて具体的に説明する。
【００９１】
図１６は、図５における燃料電池１０の上面図である。燃料電池起電流分布測定装置４０の燃料電池１０は、片側集電方式であり、燃料極側セパレータ３の一辺には、図５では図示されていない集電極３ｃが設けられており、電流引出部３ａが集電極３ｃに接続されている。
【００９２】
ここで、プローブピン配置領域と有効測定領域との関係を説明する。
【００９３】
図８および式（２）〜式（６）に示されるように、燃料電池１０の任意の点Ｐnにおける起電流の大きさは、点ＰnとＸ軸およびＹ軸方向に隣り合う４点と、点Ｐnとの間のそれぞれの電位から算出されている。有効測定領域内の各点では、Ｘ軸およびＹ軸方向に隣り合う４点にプローブピンが存在するので、有効測定領域内の各点における起電流の大きさを測定することができる。一方、有効測定領域外の各点では、Ｘ軸およびＹ軸方向に隣り合う位置には、プローブピンは２点もしくは３点しか配置されていない。そのため、有効測定領域外の各点においては、起電流の大きさを測定することができない。
【００９４】
例えば、プローブピン配置領域が正方形で、プローブピン配置領域内のプローブピンの数がＮ２の場合、有効測定領域内のプローブピンの数は（Ｎ−２）２である。すなわち、プローブピンの数と測定点数との差は、Ｎ２−（Ｎ−２）２＝４（Ｎ−１）となり、４（Ｎ−１）のプローブピンおよびその信号処理回路資源が有効利用されないこととなる。
【００９５】
なお図１６では、プローブピン配置領域内のプローブピンの数は７２＝４９、有効測定領域内のプローブピンの数は（７−２）２＝２５であり、プローブピンの数と測定点数との差は２４である。すなわち有効測定領域内のプローブピンはプローブピン全体の約半数しかない。
【００９６】
また隣り合うプローブピンの距離はｄであるので、プローブピン配置領域の面積は（（Ｎ−１）ｄ）２であり、有効測定領域の面積は（（Ｎ−２）ｄ）２である。したがって、プローブピン配置領域の面積と有効測定領域の面積との差は、
（（Ｎ−１）ｄ）２−（（Ｎ−２）ｄ）２＝（２Ｎ−３）ｄ２
となり、有効測定領域の面積のほうがプローブピン配置領域の面積よりも小さい。
【００９７】
図１７は、セパレータ表面電流によるパワーロスを示す説明図である。座標（０，０）、（Ｌ，０）、（Ｌ，Ｌ）、（０，Ｌ）を頂点とする一辺Ｌの正方形の領域は、燃料極側セパレータ３の有効発電領域を示している。また、座標（Ｌ，０）、（Ｌ＋ａ，０）、（Ｌ＋ａ，Ｌ）、（Ｌ，Ｌ）を頂点とする長方形の領域は、集電極３ｃを示している。セパレータ表面電流は、集電極３ｃに向かって、Ｘ軸方向に流れる。
【００９８】
ここで、０≦ｘ＜Ｌとして、（ｘ，０）、（ｘ＋ｄｘ，０）、（ｘ＋ｄｘ，Ｌ）、（ｘ，Ｌ）を頂点とする長方形の領域における、セパレータ表面電流によるパワーロスｄｗ１は、セパレータ表面電流をＩ（ｘ）、セパレータ抵抗をｒ（ｘ）とすると、
ｄｗ１＝Ｉ２（ｘ）・ｒ（ｘ）
である。電流密度をｊ、比抵抗をρ、燃料極側セパレータ３の厚さをｈとすると、
Ｉ（ｘ）＝ｊ・Ｌ・ｘ
ｒ（ｘ）＝（ρ・ｄｘ）／（Ｌ・ｈ）
であるので、燃料極側セパレータ３の有効発電領域全体のパワーロスＷ１は、
【００９９】
【数１】
0004817961.tif 000002
【０１００】
となる。また、燃料極側セパレータ３の有効発電領域全体の電流Ｉは、
Ｉ＝ｊ・Ｌ２
であるので、セパレータ表面電流による電圧降下Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｗ１／Ｉ＝（ｊ・ρ・Ｌ２）／（３・ｈ）            ………式（８）
となる。
【０１０１】
式（７）および式（８）から、電流密度ｊが高いほど、燃料極側セパレータ３の有効発電領域Ｌ２が大きいほど、燃料極側セパレータ３の厚さｈが薄いほど、パワーロスＷ１および電圧降下Ｖ１が大きくなることが分かる。
【０１０２】
図１８は、ｊ＝１Ａ／ｃｍ２、ρ＝０．７ｍΩ・ｃｍの場合の、燃料極側セパレータ３の有効発電領域の一辺Ｌと燃料極側セパレータ３の厚さｈとパワーロスＷ１との関係を示すグラフであり、各曲線はｈ＝０．１、０．２、０．３、０．４、０．５のそれぞれの場合におけるＬとＷ１の関係を示している。燃料極側セパレータ３の厚みｈが薄くなるほど、パワーロスＷ１が大きくなることが分かる。
【０１０３】
図１９は、集電極３ｃにおけるパワーロスを示す説明図である。集電極３ｃは、長さＬ、幅ａ、厚さｈであり、集電極３ｃにおける電流は、集電極３ｃに中心部に接続された電流引出部３ａに向かって流れる。ここで、集電極３ｃにおけるパワーロスＷｃ１を求めると以下のようになる。
【０１０４】
集電極３ｃの一端からｘ（０≦ｘ＜Ｌ／２）の領域を流れる電流値をＩｃ１（ｘ）、集電極３ｃの抵抗値をｒｃ１（ｘ）、集電極３ｃの比抵抗をρｃとすると、
Ｉｃ１（ｘ）＝ｘ・Ｌ・ｊ
ｒｃ１（ｘ）＝（ρｃ・ｄｘ）／（ａ・ｈ）
である。よって、集電極３ｃの一端からｘの領域と集電極３ｃの一端からｘ＋ｄｘの領域との間の領域におけるパワーロスｄｗｃ１は、
ｄｗｃ１＝Ｉｃ１２（ｘ）・ｒｃ１（ｘ）
であるので、集電極３ｃにおけるパワーロスＷｃ１は、
【０１０５】
【数２】
0004817961.tif 000003
【０１０６】
となる。
【０１０７】
パワーロスが大きくなると、燃料電池のＩＶ特性への影響が大きくなるので、燃料電池起電流分布測定装置４０は、電流密度が小さい場合や、燃料極側セパレータの表面積が小さい場合にしか適用できないという問題がある。また、プローブピンの利用が不十分で、有効測定範囲が小さいという問題がある。
【０１０８】
そこで、本実施形態ではさらに、燃料電池のＩＶ特性への影響が小さく、プローブピンのさらなる有効利用が可能な燃料電池起電流分布測定装置７０について図１ないし図４に基づいて説明する。
【０１０９】
図１は、燃料電池起電流分布測定装置７０の要部斜視図である。燃料電池起電流分布測定装置７０は、図５に示す燃料電池起電流分布測定装置４０において、図１６に示す集電極３ｃの代わりに集電枠３ｄを備え、さらに電流引出部３ａを４つ設けた構成である。集電枠３ｄは、導電性の良い、かつ機能性能の良い材料である抵抗溶接用電極合金からできており、正方形枠の形状をしている。集電枠３ｄは、燃料極側セパレータ３を取り囲むように設けられ、電流引出部３ａは、集電枠３ｄが形成する正方形の各辺の４箇所に設けられている。燃料極側セパレータ３内にプローブピン３５が配置され、燃料極側セパレータ３と集電枠３ｄとの境界に、基準プローブピン３５ａが配置されている。燃料電池２０にて発生した起電力は、電流引出部３ａからの燃料極側引き出し線３ｂと、空気極側セパレータ５側の集電板６を介する空気極側引き出し線６ａとから取り出される。また、燃料電池２０の内部構造および機能は図５に示す燃料電池１０と同様である。その他、電位分布測定部４４等の構成については図５に示す燃料電池起電流分布測定装置４０と略同様であるので、同一の部材については同じ符号を付して、説明を省略する。
【０１１０】
図２（ａ）は、燃料電池起電流分布測定装置７０における燃料極側セパレータ３の上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の破線枠部分の拡大図である。燃料極側セパレータ３内に配置されたプローブピン３５は、マトリクスを形成するように互いに等間隔に配置されている。また、図示していないが基準プローブピン３５ａが集電枠３ｄの表面に接触するように配置されている。図２（ｂ）に示すように、隣り合うプローブピン３５同士の距離はｄであり、さらに燃料極側セパレータ３の中心部から最も外側に配置されているプローブピン３５と集電枠３ｄとの距離もｄである。
【０１１１】
燃料極側セパレータ３の中心部から最も外側に配置されているプローブピン３５以外のプローブピン３５における起電流の大きさは、隣り合う４つのプローブピン３５それぞれとの間の電位を測定し、式（２）〜式（６）より算出される。一方、燃料極側セパレータ３の中心部から最も外側に配置されているプローブピン３５における起電流の大きさを求める場合、例えば点Ｐ２においては、隣り合うプローブピン３５は点Ｐ１、点Ｐ３、点Ｐ５の３箇所しかない。
【０１１２】
しかし、点Ｐ２から点Ｐ５とは反対方向の距離ｄの位置に集電枠３ｄがあるため、集電枠３ｄの電位から、点Ｐ２における起電流の大きさが求められる。ここで、集電枠３ｄは導電性が良いため、集電枠３ｄの任意の位置における電位を、基準プローブピン３５ａにおける電位とみなすことができる。したがって、点Ｐ２における起電流の大きさが測定可能となる。同様に点Ｐ１においても、隣り合うプローブピン３５は点Ｐ２、点Ｐ４の２箇所しかない。しかし、点Ｐ１から点Ｐ２とは反対方向の距離ｄの位置および点Ｐ１から点Ｐ４とは反対方向の距離ｄの位置に集電枠３ｄがあるため、点Ｐ１における起電流の大きさを求めることができる。
【０１１３】
したがって、燃料極側セパレータ３内に配置された全てのプローブピンにおける起電流の大きさが測定できる。すなわち、有効測定面積は、集電枠３ｄ内のサイズであるので、有効測定範囲が燃料電池起電流分布測定装置４０の場合よりも大きく、プローブピンをさらに有効利用することができる。
【０１１４】
図３（ａ）（ｂ）は、燃料電池起電流分布測定装置７０におけるセパレータ表面電流によるパワーロスを示す説明図である。図３（ａ）に示す、一辺の長さＬの正方形領域は、燃料極側セパレータ３であり、燃料極側セパレータ３内で発生した電流は、集電枠３ｄの四辺のうち、発生位置から最も近い辺に向かって流れる。したがって、図３（ａ）において、燃料極側セパレータ３の２つの対角線で区切った領域のうち、太線で囲まれた領域内で発生した電流は矢印方向に向かって流れる。
【０１１５】
図３（ｂ）に示す三角形の領域Ｒ３は、図３（ａ）の太線で囲まれた直角二等辺三角形状の領域を、長辺の垂直二等分線によって区切った２つの領域のうちの１つを示しており、長さの等しい二辺がＬ／２の垂直二等辺三角形である。すなわち、領域Ｒ３は、燃料極側セパレータ３の正方形領域を２本の対角線および各辺の垂直二等分線によって８等分に区分された領域のうちの１つである。
【０１１６】
ここで、０≦ｘ＜Ｌ／２として、（ｘ，０）、（ｘ＋ｄｘ，０）、（ｘ＋ｄｘ，ｘ＋ｄｘ）、（ｘ，ｘ）を頂点とする台形の領域における、セパレータ表面電流によるパワーロスｄｗ２’は、セパレータ表面電流をＩ’（ｘ）、セパレータ抵抗をｒ’（ｘ）とすると、
ｄｗ２’＝Ｉ’２（ｘ）・ｒ’（ｘ）
である。電流密度をｊ、比抵抗をρ、燃料極側セパレータ３の厚さをｈとすると、
Ｉ’（ｘ）＝（ｘ２・ｊ）／２
ｒ’（ｘ）＝（ρ・ｄｘ）／（ｘ・ｈ）
であるので、領域Ｒ３におけるパワーロスＷ２’は、
【０１１７】
【数３】
0004817961.tif 000004
【０１１８】
となる。領域Ｒ３は、燃料極側セパレータ３の領域を８等分した領域であるので、燃料極側セパレータ３全体のパワーロスＷ２は、
Ｗ２＝８Ｗ２’＝（ρ・ｊ２・Ｌ４）／（３２・ｈ）            ………式（１０）
となり、式（１０）を式（７）と比較すると、
Ｗ２／Ｗ１＝３／３２            ………式（１１）
である。すなわち、燃料電池起電流分布測定装置７０におけるセパレータ表面電流によるパワーロスＷ２は、燃料電池起電流分布測定装置４０におけるセパレータ表面電流によるパワーロスＷ１の１０分の１以下であり、パワーロスが少ない。
【０１１９】
また、燃料極側セパレータ３の有効発電領域全体の電流Ｉは、
Ｉ＝ｊ・Ｌ２
であるので、セパレータ表面電流による電圧降下Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｗ２／Ｉ＝（ｊ・ρ・Ｌ２）／（３２・ｈ）
となり、式（８）と比較すると、
Ｖ２／Ｖ１＝３／３２
である。すなわち、燃料電池起電流分布測定装置７０におけるセパレータ表面電流による電圧降下Ｖ２も、燃料電池起電流分布測定装置４０におけるセパレータ表面電流による電圧降下Ｖ１の１０分の１以下であり、燃料電池２０では、燃料電池のＩＶ特性への影響が小さいことが分かる。
【０１２０】
図４は、集電枠３ｄにおけるパワーロスを示す説明図である。図４に示す三角形の領域Ｒ４は、燃料極側セパレータ３の正方形領域を、２本の対角線で４等分した領域うちの１つである。燃料極側セパレータ３内で発生した電流は、集電枠３ｄの四辺のうち、発生位置から最も近い辺に向かって流れるため、領域Ｒ４内で発生した電流は、集電枠３ｄの四辺のうち、領域Ｒ４に隣接する一辺に向かって流れる。集電枠３ｄは、内枠の一辺の長さＬ、幅ａ、厚さｈであり、集電枠３ｄにおける電流は、集電枠３ｄの外枠の各辺の中間点に接続された電流引出部３ａに向かって流れる。
【０１２１】
ここで、集電極３ｃにおけるパワーロスＷｃ１を求めると以下のようになる。集電枠３ｄ内枠の一辺の一端からｘ（０≦ｘ＜Ｌ／２）の領域を流れる電流値をＩｃ２（ｘ）、集電枠３ｄの抵抗値をｒｃ２（ｘ）、集電枠３ｄの比抵抗をρｃとすると、
Ｉｃ２（ｘ）＝（ｘ２／２）・ｊ
ｒｃ２（ｘ）＝（ρｃ・ｄｘ）／（ａ・ｈ）
である。なお、ｊは電流密度であり、集電極３ｃの比抵抗と集電枠３ｄの比抵抗とは同一値である。集電枠３ｄ内枠の一辺の一端からｘの領域と、集電枠３ｄ内枠の一辺の一端からｘ＋ｄｘの領域との間の領域におけるパワーロスｄｗｃ２は、
ｄｗｃ２＝Ｉｃ２２（ｘ）・ｒｃ２（ｘ）
であるので、集電枠３ｄにおけるパワーロスＷｃ２は、
【０１２２】
【数４】
0004817961.tif 000005
【０１２３】
となる。ここで、式（９）と式（１２）とを比較すると、
Ｗｃ２／Ｗｃ１＝１２／８０＝３／２０            ………式（１３）
である。すなわち、燃料電池起電流分布測定装置７０における集電枠３ｄでのパワーロスは、燃料電池起電流分布測定装置４０における集電極３ｃでのパワーロスの６分の１以下であり、パワーロスが少ない。
【０１２４】
式（１１）および式（１３）より、燃料電池起電流分布測定装置７０では、燃料極側セパレータ３でのパワーロスと集電枠３ｄでのパワーロスとの和、すなわち燃料電池全体でのトータルパワーロスが、燃料電池起電流分布測定装置４０に比べて大幅に小さいので、ＩＶ特性への影響がさらに少ない燃料電池を実現することができる。
【０１２５】
また、燃料電池全体でのトータルパワーロスと燃料電池のトータル発電パワーとの比は、設計上一定比率以下に抑える必要がある。例えば、測定システム精度を３％と想定すれば、燃料電池全体でのトータルパワーロスと燃料電池のトータル発電パワーとの比は１％以下に設定する必要がある。燃料電池起電流分布測定装置７０の燃料電池２０では、燃料電池起電流分布測定装置４０の燃料電池１０に比べてトータルパワーロスが少ないので、燃料電池の設計がさらに容易である。
【０１２６】
具体的には、集電枠３ｄの電圧をＶ０とすると、燃料電池のトータル発電パワーＷＦＣは、
ＷＦＣ＝ｊ・Ｌ２・Ｖ０            ………式（１４）
である。したがって、燃料電池２０でのトータルパワーロスとトータル発電パワーとの比は、式（１１）（１２）（１４）より、
（Ｗ２＋Ｗｃ２）／ＷＦＣ＝（ρ・ｊ・Ｌ２）／（３２・ｈ）＋（ρｃ・ｊ・Ｌ３）／（８０・ａ・ｈ・Ｖ０）            ………式（１５）
となる。一方、燃料電池１０でのトータルパワーロスとトータル発電パワーとの比は、式（７）（９）（１４）より、
（Ｗ１＋Ｗｃ１）／ＷＦＣ＝（ρ・ｊ・Ｌ２）／（３・ｈ）＋（ρｃ・ｊ・Ｌ３）／（１２・ａ・ｈ・Ｖ０）            ………式（１６）
である。式（１５）と式（１６）とを比較すると、各変数が等しい場合、
（Ｗ２＋Ｗｃ２）／ＷＦＣ＜（Ｗ１＋Ｗｃ１）／ＷＦＣ
であるので、発電電流密度（ｊ）や有効発電領域（Ｌ２）や燃料極側セパレータ３の厚さ（ｈ）に関する設計は、燃料電池起電流分布測定装置７０の燃料電池２０のほうが、燃料電池起電流分布測定装置４０の燃料電池１０よりも容易である。すなわち、電流密度および、燃料極側セパレータ３の表面積に関する表面電位方式電流分布測定技術の適用範囲は、燃料電池起電流分布測定装置４０の燃料電池１０よりも広い。
【０１２７】
また、集電枠３ｄは完全な枠形状でなくてもよく、例えば燃料極側セパレータ３の任意の三辺を取り囲む略コ字形状であってもよい。また、燃料極側セパレータ３の向かい合う任意の二辺に集電極を設ける構成であっても、燃料電池起電流分布測定装置４０の場合よりパワーロスを減少させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明は、一対の電極を有する例えば燃料電池の電極相当面の表面における起電流の分布を求める電池起電流分布測定装置及び電池起電流分布測定方法に関する。したがって、例えば、水素型燃料電池、直接メタノール型電池（ＤＭＦＣ）若しくはその他の燃料電池のセパレータにおける起電流分布測定に適用できる。また、その他の例えば光電池等の広い電極を有する電池の電極相当面の起電流分布測定に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、燃料電池起電流分布測定装置の要部斜視図である。
【図２】（ａ）（ｂ）ともに本発明の実施形態を示すものであり、（ａ）は、燃料電池起電流分布測定装置における燃料極側セパレータ３の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）における破線枠部分の拡大図である。
【図３】（ａ）（ｂ）ともに本発明の実施形態を示すものであり、セパレータ表面電流によるパワーロスを示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態を示すものであり、集電枠におけるパワーロスを示す説明図である。
【図５】本実施の形態の基本形である電池起電流分布測定装置及び電池起電流分布測定方法を示す要部斜視図である。
【図６】上記電池起電流分布測定装置における燃料電池の支持状態を示す断面図である。
【図７】（ａ）は上記燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、（ｂ）は上記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８】上記電池起電流分布測定装置の演算方法を示す説明図である。
【図９】上記電池起電流分布測定装置の演算方法を示すものであり、電流密度ｊXと電流密度ｊYとが判明したときの各点Ｐnにおける電流の方向を求めるための模式図である。
【図１０】（ａ）は上記電池起電流分布測定装置の第１の実験装置の一部分の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記第１の実験装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】（ａ）〜（ｊ）は上記第１の実験装置にて得られる試験板の表面各所における表面電流の電流方向及び大きさを示す分布図である。
【図１２】（ａ）〜（ｊ）は上記第１の実験装置にて得られる試験板の表面各所における起電流値を示す分布図である。
【図１３】（ａ）は上記電池起電流分布測定装置の第２の実験装置の一部分の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記第２の実験装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】（ａ）〜（ｊ）は上記第２の実験装置にて得られる試験板の表面各所における表面電流の電流方向及び大きさを示す分布図である。
【図１５】（ａ）〜（ｊ）は上記第２の実験装置にて得られる試験板の表面各所における起電流値を示す分布図である。
【図１６】上記燃料電池起電流分布測定装置における燃料電池の上面図である。
【図１７】セパレータ表面電流によるパワーロスを示す説明図である。
【図１８】燃料極側セパレータの有効発電領域の一辺と燃料極側セパレータの厚さとパワーロスとの関係を示すグラフである。
【図１９】集電極におけるパワーロスを示す説明図である。
【図２０】燃料電池の基本構成を示す模式図である。
【図２１】従来の電池起電流分布測定装置を示す断面図である。
【図２２】従来の他の燃料電池起電流分布測定装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１        電解質
２        燃料極（電極）
３        燃料極側セパレータ（電極相当面）
３ａ      電流引出部
３ｂ      燃料極側引き出し線（起電力取り出し配線）
３ｃ      集電極
３ｄ      集電枠（集電手段）
４        空気極（電極）
５        空気極側セパレータ
６        集電板
６ａ      空気極側引き出し線（起電力取り出し配線）
１０・２０  燃料電池（電池）
３５        プローブピン（各点電位検知ピン）
３５ａ      基準プローブピン（基準電位検知ピン）
４０・７０  燃料電池起電流分布測定装置
４２        パソコン（起電流分布演算手段）
４４        電位分布測定部（電位検出手段）
【図１】
0004817961.tif 000006
【図２】
0004817961.tif 000007
【図３】
0004817961.tif 000008
【図４】
0004817961.tif 000009
【図５】
0004817961.tif 000010
【図６】
0004817961.tif 000011
【図７】
0004817961.tif 000012
【図８】
0004817961.tif 000013
【図９】
0004817961.tif 000014
【図１０】
0004817961.tif 000015
【図１１】
0004817961.tif 000016
【図１２】
0004817961.tif 000017
【図１３】
0004817961.tif 000018
【図１４】
0004817961.tif 000019
【図１５】
0004817961.tif 000020
【図１６】
0004817961.tif 000021
【図１７】
0004817961.tif 000022
【図１８】
0004817961.tif 000023
【図１９】
0004817961.tif 000024
【図２０】
0004817961.tif 000025
【図２１】
0004817961.tif 000026
【図２２】
0004817961.tif 000027