(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる平板状のセル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
前記セルの面に対向して配置され、それぞれ平板状の第１電極（１０１ａ）と第２電極（１０１ｂ）からなる一対の電極と、
前記一対の電極の間に配置された平板状の第１抵抗体（１０２）と、
前記第１抵抗体に形成された２つの電圧測定用端子（１２２ａ、１２２ｂ）間の抵抗値と電位差に基づいて、前記第１抵抗体を流れる電流を検出する電流検出手段（３）と、を備え、
前記第１抵抗体の平面内に置かれ、２つの前記電圧測定用端子を結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸としたとき、
前記第１抵抗体のうち、２つの前記電圧測定用端子間よりも前記Ｘ軸方向における外側の両方それぞれに配置された複数の第１導通部（１２１ａ）と複数の第２導通部（１２１ｂ）と、を備え、
前記第１抵抗体は、前記第１導通部、前記第２導通部によって、前記第１電極、前記第２電極と電気的に接続され、
前記第１抵抗体のうち前記第１導通部と前記第２導通部との間の領域を測定領域（１２４）とし、
前記測定領域の一方において前記複数の第１導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第１導通領域（１２０ａ）とし、
前記測定領域の他方において前記複数の第２導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第２導通領域（１２０ｂ）とし、
前記第１、第２導通領域を前記Ｙ軸方向において３等分した領域を端から順に第１外縁部（１２０ａ１、１２０ｂ１）、中央部（１２０ａ２、１２０ｂ２）、第２外縁部（１２０ａ３、１２０ｂ３）として、
前記第１導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第１導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第１導通部の一部が存在し、
前記第２導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第２導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第２導通部の一部が存在し、
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記Ｙ軸方向に前記第１、第２導通部が複数並び、前記中央部において前記第１、第２導通部の前記Ｙ軸方向のピッチが前記第１、第２外縁部それぞれでの前記Ｙ軸方向のピッチより大きくされた部分を有していることにより、前記中央部での前記第１、第２導通部の占有面積が前記第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる平板状のセル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
前記セルの面に対向して配置され、それぞれ平板状の第１電極（１０１ａ）と第２電極（１０１ｂ）からなる一対の電極と、
前記一対の電極の間に配置された平板状の第１抵抗体（１０２）と、
前記第１抵抗体に形成された２つの電圧測定用端子（１２２ａ、１２２ｂ）間の抵抗値と電位差に基づいて、前記第１抵抗体を流れる電流を検出する電流検出手段（３）と、を備え、
前記第１抵抗体の平面内に置かれ、２つの前記電圧測定用端子を結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸としたとき、
前記第１抵抗体のうち、２つの前記電圧測定用端子間よりも前記Ｘ軸方向における外側の両方それぞれに配置された複数の第１導通部（１２１ａ）と複数の第２導通部（１２１ｂ）と、を備え、
前記第１抵抗体は、前記第１導通部、前記第２導通部によって、前記第１電極、前記第２電極と電気的に接続され、
前記第１抵抗体のうち前記第１導通部と前記第２導通部との間の領域を測定領域（１２４）とし、
前記測定領域の一方において前記複数の第１導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第１導通領域（１２０ａ）とし、
前記測定領域の他方において前記複数の第２導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第２導通領域（１２０ｂ）とし、
前記第１、第２導通領域を前記Ｙ軸方向において３等分した領域を端から順に第１外縁部（１２０ａ１、１２０ｂ１）、中央部（１２０ａ２、１２０ｂ２）、第２外縁部（１２０ａ３、１２０ｂ３）として、
前記第１導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第１導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第１導通部の一部が存在し、
前記第２導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第２導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第２導通部の一部が存在し、
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記第１、第２導通部が格子状に並び、前記中央部において前記Ｙ軸方向に並ぶ前記第１、第２導通部により形成される列の数が前記第１、第２外縁部それぞれでの列の数より少なくされた部分を有していることにより、前記中央部での前記第１、第２導通部の占有面積が前記第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる平板状のセル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
前記セルの面に対向して配置され、それぞれ平板状の第１電極（１０１ａ）と第２電極（１０１ｂ）からなる一対の電極と、
前記一対の電極の間に配置された平板状の第１抵抗体（１０２）と、
前記第１抵抗体に形成された２つの電圧測定用端子（１２２ａ、１２２ｂ）間の抵抗値と電位差に基づいて、前記第１抵抗体を流れる電流を検出する電流検出手段（３）と、を備え、
前記第１抵抗体の平面内に置かれ、２つの前記電圧測定用端子を結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸としたとき、
前記第１抵抗体のうち、２つの前記電圧測定用端子間よりも前記Ｘ軸方向における外側の両方それぞれに配置された複数の第１導通部（１２１ａ）と複数の第２導通部（１２１ｂ）と、を備え、
前記第１抵抗体は、前記第１導通部、前記第２導通部によって、前記第１電極、前記第２電極と電気的に接続され、
前記第１抵抗体のうち前記第１導通部と前記第２導通部との間の領域を測定領域（１２４）とし、
前記測定領域の一方において前記複数の第１導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第１導通領域（１２０ａ）とし、
前記測定領域の他方において前記複数の第２導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第２導通領域（１２０ｂ）とし、
前記第１、第２導通領域を前記Ｙ軸方向において３等分した領域を端から順に第１外縁部（１２０ａ１、１２０ｂ１）、中央部（１２０ａ２、１２０ｂ２）、第２外縁部（１２０ａ３、１２０ｂ３）として、
前記第１導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第１導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第１導通部の一部が存在し、
前記第２導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第２導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第２導通部の一部が存在し、
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記Ｙ軸方向に前記第１、第２導通部が不等間隔に複数並び、前記中央部での前記第１、第２導通部の数が前記第１、第２外縁部それぞれでの数より少なくされていることにより、前記中央部での前記第１、第２導通部の占有面積が前記第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる平板状のセル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
前記セルの面に対向して配置され、それぞれ平板状の第１電極（１０１ａ）と第２電極（１０１ｂ）からなる一対の電極と、
前記一対の電極の間に配置された平板状の第１抵抗体（１０２）と、
前記第１抵抗体に形成された２つの電圧測定用端子（１２２ａ、１２２ｂ）間の抵抗値と電位差に基づいて、前記第１抵抗体を流れる電流を検出する電流検出手段（３）と、を備え、
前記第１抵抗体の平面内に置かれ、２つの前記電圧測定用端子を結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸としたとき、
前記第１抵抗体のうち、２つの前記電圧測定用端子間よりも前記Ｘ軸方向における外側の両方それぞれに配置された複数の第１導通部（１２１ａ）と複数の第２導通部（１２１ｂ）と、を備え、
前記第１抵抗体は、前記第１導通部、前記第２導通部によって、前記第１電極、前記第２電極と電気的に接続され、
前記第１抵抗体のうち前記第１導通部と前記第２導通部との間の領域を測定領域（１２４）とし、
前記測定領域の一方において前記複数の第１導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第１導通領域（１２０ａ）とし、
前記測定領域の他方において前記複数の第２導通部をすべて含みつつ前記Ｘ軸と前記Ｙ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第２導通領域（１２０ｂ）とし、
前記第１、第２導通領域を前記Ｙ軸方向において３等分した領域を端から順に第１外縁部（１２０ａ１、１２０ｂ１）、中央部（１２０ａ２、１２０ｂ２）、第２外縁部（１２０ａ３、１２０ｂ３）として、
前記第１導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第１導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第１導通部の一部が存在し、
前記第２導通領域において、前記第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの前記第２導通部が存在するとともに、前記中央部に、少なくとも１つの前記第２導通部の一部が存在し、
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記第１、第２導通部１つあたりの前記中央部での占有面積が前記第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくされていることにより、前記中央部での前記第１、第２導通部の占有面積が前記第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項５】
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記中央部での前記第１、第２導通部の形状と前記第１、第２外縁部それぞれでの形状が異なることを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置。
【請求項６】
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記中央部での前記第１、第２導通部の形状と前記第１、第２外縁部それぞれでの形状が同一であり、前記中央部での前記第１、第２導通部の寸法が前記第１、第２外縁部それぞれでの寸法よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置。
【請求項７】
前記第１導通領域と前記第２導通領域の少なくとも一方において、前記中央部での前記第１、第２導通部の形状と前記第１、第２外縁部それぞれでの形状が同一であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電流測定装置。
【請求項８】
前記第１導通領域と前記第２導通領域のうち、前記中央部での前記第１、第２導通部の形状と前記第１、第２外縁部それぞれでの形状が同一である方において、前記中央部での前記第１、第２導通部の寸法と前記第１、第２外縁部それぞれでの寸法が同一であることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセルを流れる電流を測定する電流測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車などの電源として燃料電池が利用されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる電池である。燃料電池は、基本単位となる平板状の燃料電池セルが複数積層され、電気的に直列接続された平板積層型のスタック構造で構成されている。
【０００３】
セル間を流れる電流の大きさや面内分布を知ることは、燃料電池システムの効率および信頼性を向上させるために重要である。たとえば特許文献１では、一対の電極と、一対の電極を電気的に接続する抵抗体をセル間に配置し、抵抗体の２点間における電位差と抵抗値から電流測定を行う電流測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８０６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の電流測定装置においては、抵抗体を流れる電流の分布が均一であることを前提としているため、電流分布が不均一な状態では測定結果に誤差が生じる。
【０００６】
詳しく説明すると、上記の電流測定装置においては、図７（ｂ）に示すように、第１抵抗体Ｊ１において、スルーホールにて構成される両端の第１、第２導通部Ｊ２ａ、Ｊ２ｂの間を流れる電流の密度が第１抵抗体Ｊ１の中央付近において高くなる。そして、図７（ａ）の矢印の太さで表すように、電流の分布が不均一となる。そのため、電位差を測定する２点の位置により測定値が変化し、電流の測定結果に誤差が生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池のセルを流れる電流を測定する電流測定装置の測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる平板状のセル（１０ａ）を有する燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、セルの面に対向して配置され、それぞれ平板状の第１電極（１０１ａ）と第２電極（１０１ｂ）からなる一対の電極と、一対の電極の間に配置された平板状の第１抵抗体（１０２）と、第１抵抗体に形成された２つの電圧測定用端子（１２２ａ、１２２ｂ）間の抵抗値と電位差に基づいて、第１抵抗体を流れる電流を検出する電流検出手段（３）と、を備え、第１抵抗体の平面内に置かれ、２つの電圧測定用端子を結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸としたとき、第１抵抗体のうち、２つの電圧測定用端子間よりもＸ軸方向における外側の両方それぞれに配置された複数の第１導通部（１２１ａ）と複数の第２導通部（１２１ｂ）と、を備え、第１抵抗体は、第１導通部、第２導通部によって、第１電極、第２電極と電気的に接続され、第１抵抗体のうち第１導通部と第２導通部との間の領域を測定領域（１２４）とし、測定領域の一方において複数の第１導通部をすべて含みつつＸ軸とＹ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第１導通領域（１２０ａ）とし、測定領域の他方において複数の第２導通部をすべて含みつつＸ軸とＹ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形を第２導通領域（１２０ｂ）とし、第１、第２導通領域をＹ軸方向において３等分した領域を端から順に第１外縁部（１２０ａ１、１２０ｂ１）、中央部（１２０ａ２、１２０ｂ２）、第２外縁部（１２０ａ３、１２０ｂ３）として、第１導通領域において、第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの第１導通部が存在するとともに、中央部に、少なくとも１つの第１導通部の一部が存在し、第２導通領域において、第１、第２外縁部それぞれに少なくとも１つの第２導通部が存在するとともに、中央部に、少なくとも１つの第２導通部の一部が存在し、第１導通領域と第２導通領域の少なくとも一方において、Ｙ軸方向に第１、第２導通部が複数並び、中央部において第１、第２導通部のＹ軸方向のピッチが第１、第２外縁部それぞれでのＹ軸方向のピッチより大きくされた部分を有していることにより、中央部での第１、第２導通部の占有面積が第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする。
【０００９】
それによれば、第１、第２導通部の中央部での占有面積を第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくすることにより、抵抗体を流れる電流の分布が均一化されるので、電流の測定精度を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項２、請求項３に記載の発明では、中央部での第１、第２導通部の数が第１、第２外縁部それぞれでの数より少なくされていることにより、中央部での第１、第２導通部の占有面積が第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする。また、請求項４に記載の発明では、第１、第２導通部１つあたりの中央部での占有面積が第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくされていることにより、中央部での第１、第２導通部の占有面積が第１、第２外縁部それぞれでの占有面積より小さくなっていることを特徴とする。
【００１１】
それによれば、請求項１に記載の発明と同様に、電流の測定精度を向上させることができる。
【００１２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】各実施形態における燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】各実施形態における電流測定装置の構成図である。
【図３】各電流測定部の断面図である。
【図４】第１実施形態における第１抵抗体の平面図である。
【図５】比較例１における第１抵抗体の平面図である。
【図６（ａ）】第１実施形態における第１抵抗体を流れる電流の分布図である。
【図６（ｂ）】第１実施形態における第１抵抗体を流れる電流の流線図である。
【図７（ａ）】比較例１における第１抵抗体を流れる電流の分布図である。
【図７（ｂ）】比較例１における第１抵抗体を流れる電流の流線図である。
【図８】他の実施形態における第１導通領域の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１５】
（第１実施形態）
本実施形態における燃料電池システムについて図１を用いて説明する。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、図示しない車両走行用電動モータ、二次電池、車両用各種補機類等の電気負荷に供給される電気エネルギーを発生させるもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。
【００１７】
より具体的には、燃料電池１０は、基本単位となる燃料電池セル１０ａ（以下、単にセル１０ａと記載する。）が集電板６０ａ、６０ｂの間に複数積層され、電気的に直列に接続されて構成されたものである。集電板６０ａ、６０ｂは、セル１０ａを流れる電流を集電して外部へ取り出すためのものである。各セル１０ａでは、以下に示すように、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギーが出力される。
【００１８】
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
これにより、電流が、集電板６０ａと６０ｂの間を、セル１０ａの面方向に分散して流れる。
【００１９】
この燃料電池１０は、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータを介して二次電池に電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１０から二次電池あるいは二次電池から燃料電池１０への電力の流れを制御するもので、電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。
【００２０】
さらに、燃料電池１０から出力される電気エネルギーは、燃料電池１０の各セル１０ａから出力される電圧を検出するセルモニタ１１、および、燃料電池１０全体として出力される電流を検出する電流センサ１２によって計測される。なお、セルモニタ１１および電流センサ１２の検出信号は、後述する制御装置５０に入力されている。
【００２１】
また、燃料電池１０の空気極（正極）側には、酸化剤ガスである空気（酸素）を燃料電池１０に供給するための空気供給配管２０ａ、並びに、燃料電池１０にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１０から外気へ排出するための空気排出配管２０ｂが接続されている。
【００２２】
空気供給配管２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気排出配管２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。
【００２３】
さらに、空気供給配管２０ａおよび空気排出配管２０ｂには、空気調圧弁２３から流出した空気の有する湿度（水蒸気）を空気ポンプ２１から圧送された空気へ移動させるための加湿器２２が設けられている。この加湿器２２は、燃料電池１０へ供給される空気を加湿する機能を果たす。
【００２４】
燃料電池１０の水素極（負極）側には、燃料ガスである水素を燃料電池１０に供給するための水素供給配管３０ａ、水素極側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１０から外気へ排出するための水素排出配管３０ｂが接続されている。さらに、水素供給配管３０ａおよび水素排出配管３０ｂは、水素循環配管３０ｃを介して接続されている。
【００２５】
水素供給配管３０ａの最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給配管３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。
【００２６】
なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル１０ａの電解質膜を透過した生成水が溜まるおそれがある。そこで、本実施形態では、水素排出配管３０ｂに、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。
【００２７】
水素循環配管３０ｃは、水素供給配管３０ａの水素調圧弁３２下流側と水素排出配管３０ｂの電磁弁３４上流側とを接続するように設けられている。これにより、燃料電池１０から流出した未反応の水素を、燃料電池１０に循環させて再供給している。また、水素循環配管３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が配置されている。
【００２８】
ところで、燃料電池１０は発電効率を確保するために運転中一定温度（たとえば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水回路４０が接続されている。この冷却水回路４０には、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させるウォータポンプ４１、電動ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。
【００２９】
さらに、冷却水回路４０には、冷却水を、ラジエータ４３を迂回するように流すバイパス流路４４が設けられている。冷却水回路４０とバイパス流路４４との合流点には、バイパス流路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。この流路切替弁４５の弁開度が調整されることによって、冷却水回路４０の冷却能力が調整される。
【００３０】
また、冷却水回路４０の燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、この温度センサ４６の検出信号も、制御装置５０に入力される。
【００３１】
制御装置５０は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
【００３２】
具体的には、制御装置５０の入力側には、上述のセルモニタ１１、電流センサ１２および温度センサ４６の検出信号等の他に、後述する電流測定装置１の電流検出回路３から出力される電流信号が入力される。一方、出力側には、上述の空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、電磁弁３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の各種電気式アクチュエータが接続されている。
【００３３】
次に、電流測定装置１の詳細について図２を用いて説明する。図２に示すように、電流測定装置１は、燃料電池１０の内部を流れる電流を測定するための測定板２および電流検出回路３を備えている。
【００３４】
測定板２は、燃料電池１０の隣り合うセル１０ａの間に配置されるものである。測定板２は、複数の電流測定部２ａが一体に形成された板状部材である。電流測定部２ａは、セル１０ａのうち電流測定部２ａに対向する領域の電流を測定するものであり、後述するように、隣り合うセル１０ａの一方から他方へ流れる電流を測定する。複数の電流測定部２ａは、測定板２の面方向にマトリックス状に配置されている。これにより、測定板２を隣り合うセル１０ａの間に配置したとき、複数の電流測定部２ａがセル１０ａの面方向に複数配置されるので、本実施形態の電流測定装置１では、セル１０ａの面内における電流密度分布を測定することができる。
【００３５】
ここで、測定板２における１つの電流測定部２ａの構造について図３、図４を用いて説明する。図３は、１つの電流測定部２ａの断面図であり、図４は、１つの第１抵抗体１０２の平面図である。
【００３６】
図３に示すように、測定板２に形成された複数の電流測定部２ａのそれぞれは、導体層が図示しない絶縁層を介して複数積層された多層基板で構成されている。本実施形態では、多層基板は導体層を４層有する４層基板である。導体層や後述する信号線１２３ａ、１２３ｂには、たとえば、銅箔等の薄膜状の導電体が用いられる。また、絶縁層には、たとえば、一般的なガラスエポキシ基板が用いられる。
【００３７】
電流測定部２ａは、多層基板の両面の導体層（外層）で構成された第１電極１０１ａおよび第２電極１０１ｂと、多層基板の内部の導体層（内層）で構成された第１抵抗体１０２および第２抵抗体１０３とを有している。
【００３８】
また、電流測定部２ａには、第１、第２、第３導通部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃが形成されている。第１、第２、第３導通部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、具体的には、導体層を結ぶスルーホールにより形成されている。
【００３９】
第１電極１０１ａと第１抵抗体１０２、第１抵抗体１０２と第２抵抗体１０３、第２抵抗体１０３と第２電極１０１ｂはそれぞれ、第１導通部１２１ａ、第２導通部１２１ｂ、第３導通部１２１ｃにより電気的に接続されている。
【００４０】
これにより、図３に示すように、第１、第２電極１０１ａ、１０１ｂの一方から第１、第２抵抗体１０２、１０３を介して第１、第２電極１０１ａ、１０１ｂの他方へ電流が流れる電流経路Ｐａ１が形成されている。
【００４１】
第１電極１０１ａは、多層基板のうち隣り合うセル１０ａの一方に対向する一面に形成されている。第２電極１０１ｂは、多層基板のうち隣り合うセル１０ａの他方に対向する他面に形成されている。
【００４２】
第１抵抗体１０２は、所定の抵抗値を有するように、所定の平面パターン形状とされている。また、図４に示すように、第１抵抗体１０２には、互いに距離を置いて２つの電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂが形成されている。
【００４３】
ここで、第１抵抗体１０２の平面内において、電圧測定用端子１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線に平行な軸、垂直な軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とする。
【００４４】
第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂは、第１抵抗体１０２においては、電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂよりもＸ軸方向における外側の両方にそれぞれ配置されている。また、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂはそれぞれ複数形成され、第１抵抗体１０２においてマトリックス状に配置されている。第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂは、たとえばドリルによる穴あけ加工の後、銅等の電気的導通部材をメッキすることにより形成されたスルーホールとされる。第１抵抗体１０２の平面に対する法線方向から見た第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの形状は、ここでは円形とされている。
【００４５】
第１抵抗体１０２のうち、第１、第２導通部１２１ａと１２１ｂの間の領域を測定領域１２４とする。本実施形態では、測定領域１２４はＸ軸とＹ軸と平行な各辺により構成される四角形である。
【００４６】
また、測定領域１２４の一方において複数の第１導通部１２１ａをすべて含みつつＸ軸とＹ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形により第１導通領域１２０ａが構成されている。同様に、測定領域１２４の他方において複数の第２導通部１２１ｂをすべて含みつつＸ軸とＹ軸と平行な各辺により構成される最小面積の四角形により第２導通領域１２０ｂが構成されている。
【００４７】
これら第１、第２導通領域１２０ａ、１２０ｂをＹ軸方向に３等分し、分けられた領域を端から順に第１外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２、第２外縁部１２０ａ３、１２０ｂ３とする。また、第１外縁部１２０ａ１、中央部１２０ａ２、第２外縁部１２０ａ３中に占める第１導通領域１２１ａの面積をそれぞれＳ１１、Ｓ２１、Ｓ３１とする。第１外縁部１２０ｂ１、中央部１２０ｂ２、第２外縁部１２０ｂ３中に占める第２導通領域１２１ｂの面積をそれぞれＳ１２、Ｓ２２、Ｓ３２とする。
【００４８】
このとき、Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ１２、Ｓ２２、Ｓ３２は、以下の条件を満たしている。
【００４９】
（数１）
Ｓ２１＜Ｓ１１
Ｓ２１＜Ｓ３１
（数２）
Ｓ２２＜Ｓ１２
Ｓ２２＜Ｓ３２
【００５０】
本実施形態では、図４に示すように、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２のうちＹ軸方向中央に、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂが形成されない隙間１２５ａ、１２５ｂを設けることで、数式１、数式２を満たしている。
【００５１】
電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂには、信号線１２３ａ、１２３ｂが接続されている。また、信号線１２３ａ、１２３ｂは、外部配線を介して、電圧センサ４と電気的に接続されている。
【００５２】
電圧センサ４は、それぞれの電流測定部２ａにおける電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂの間の電位差を検出して、検出信号を電流検出回路３に出力する電位差検出手段である。
【００５３】
電流検出回路３は、電圧センサ４で検出した電位差と、電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂの間の抵抗値とを用いて演算処理することにより、セル１０ａの各電流測定部２ａに対応する部位あたりの隣り合うセル１０ａの一方から他方へ流れる電流の大きさ（電流値）を検出する演算手段である。
【００５４】
電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂの間の抵抗値は、予め測定され、電流検出回路３に記憶されている。電流検出回路３は、検出した電流値を制御装置５０へ出力する。したがって、本実施形態では、電圧センサ４と電流検出回路３が、隣り合うセル１０ａの一方から他方に向けて電流測定部２ａを通過する電流の大きさを検出する電流検出手段を構成している。なお、電流検出回路３に電位差を検出する機能を持たせてもよい。この場合、電流検出回路３が電流を検出する電流検出手段を構成する。
【００５５】
電流測定部２ａのうち、第１抵抗体１０２の付近には、図示しない温度測定用抵抗体が配置されている。温度測定用抵抗体は、電流測定の際、第１抵抗体付近の温度を測定して、電圧測定用端子１２２ａと１２２ｂの間の抵抗値に、温度による変化分を反映させるためのものである。また、温度測定用抵抗体に一定の電流を流すための図示しない定電流源、温度測定用抵抗体に生じる電位差を検出する図示しない温度測定用電圧センサが設けられている。
【００５６】
次に、本実施形態の電流測定装置１による電流測定方法について説明する。燃料電池１０に水素および空気が供給されることで、燃料電池１０での発電が開始される。発電により生じた電流は、測定板２を挟んで隣り合うセル１０ａの一方から他方へ、測定板２を介して流れる。測定板２の各電流測定部２ａでは、図３に示す電流経路Ｐａ１を電流が流れる。すなわち、第１電極１０１ａ→第１導通部１２１ａ→第１抵抗体１０２→第２導通部１２１ｂ→第２抵抗体１０３→第３導通部１２１ｃ→第２電極１０１ｂの順に電流が流れる。
【００５７】
このとき、電圧測定用端子１２２ａと１２２ｂの間の電流経路Ｐａ１が所定の抵抗値（Ｒ１）を有するために、電流経路Ｐａ１を電流（電流値Ｉ１）が流れることで、電圧測定用端子１２２ａと１２２ｂの間に電位差ΔＶ（ΔＶ＝Ｒ１×Ｉ１）が生じる。
【００５８】
そこで、この電位差ΔＶを、信号線１２３ａ、１２３ｂによって取り出し、電圧センサ４によって検出する。そして、電流検出回路３は、電圧センサ４が検出した電位差を抵抗値Ｒ１で除する演算処理を行うことで、各電流測定部２ａを通過した電流の大きさ（電流値）を算出することができる。
【００５９】
なお、ここでは抵抗値Ｒ１に、温度による変化分を反映させている。具体的には、まず、上記の温度測定用抵抗体に定電流を流して両端の電位差を測定し、電流値と電位差から温度測定用抵抗体の抵抗値を求める。つぎに、あらかじめ求められた温度測定用抵抗体の抵抗値と温度の関係から、温度測定用抵抗体の温度を求める。温度測定用抵抗体は第１抵抗体１０２の付近に配置されているので、温度測定用抵抗体と第１抵抗体１０２の温度は等しいとする。最後に、あらかじめ求められた抵抗値Ｒ１と温度の関係から、温度による変化分を反映させた抵抗値Ｒ１を求める。
【００６０】
制御装置５０では、電流検出回路３によって得た各電流測定部２ａの電流値に基づいて、各セル１０ａの面内における電流分布を検出する。そして、制御装置５０は、検出された電流分布に基づいて、空気供給量および供給圧、水素供給圧、冷却水循環量の制御等を行う。これにより、燃料電池システムの効率および信頼性を向上させている。
【００６１】
ここで、本実施形態の電流測定装置１と比較例１の電流測定装置とを比較する。比較例１は、電流測定部２ａの構造が本実施形態と異なるものであり、上記発明が解決しようとする課題の欄で説明した従来技術の電流測定装置に相当するものである。
【００６２】
図５に示すように、比較例１における電流測定部２ａの第１抵抗体Ｊ１は、Ｙ軸方向に等間隔に並んだ第１、第２導通部Ｊ２ａ、Ｊ２ｂを有している。第１、第２導通部Ｊ２ａ、Ｊ２ｂは、それぞれスルーホールによって構成され、第１抵抗体Ｊ１と第１電極１０１ａ、第２抵抗体１０３を電気的に接続している。したがって、比較例１の電流測定部２ａでは、第１電極１０１ａ→第１導通部Ｊ２ａ→第１抵抗体Ｊ１→第２導通部Ｊ２ｂ→第２抵抗体１０３→第３導通部１２１ｃ→第２電極１０１ｂの順に、電流経路Ｐａ２を電流が流れる。そして、本実施形態の電流測定装置１と同様の方法で電流が測定される。
【００６３】
本実施形態の電流測定装置１と比較例１の電流測定装置における電流の分布と流線を図６、図７に示す。図７に示すように、比較例１では測定領域１２４のＹ軸方向における中央付近で電流密度が高くなるため、測定領域１２４全体での電流分布が不均一である。これに対し、本実施形態では、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの第１、第２導通領域１２０ａ、１２０ｂに占める面積が、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２において第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３よりも小さくなっている。そのため、図６に示すように、比較例１においては測定領域１２４のＹ軸方向における中央付近で集中していた電流が、Ｙ軸方向に分散され、電流分布が均一化されていることがわかる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の電流測定装置１では、上記のような第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの配置により、第１抵抗体１０２を流れる電流の分布が均一化されるので、電位差と抵抗値を用いて電流を測定する際の測定精度を向上させることができる。
【００６５】
また、電流分布の均一化はジュール熱による温度上昇、温度分布の均一化にも寄与する。温度分布の均一化は抵抗値の均一化にもつながるため、この点においても電流の測定精度を向上させることができる。さらに、電流が急激に変化する状況における過渡応答時の電流測定精度も向上させることができる。
【００６６】
なお、本実施形態のように隙間１２５ａ、１２５ｂを設ける場合において、隙間１２５ａ、１２５ｂを広くとりすぎると、電流が測定領域１２４のうちＹ軸方向の両端部に集中し、不均一になる可能性がある。発明者による検証の結果、本実施形態において、ｐ２／ｐ１を１４以下とすれば、測定領域１２４のうちＹ軸方向の両端部における電流の集中を抑制できることがわかった。ここで、ｐ１は隙間１２５ａ、１２５ｂを挟まずにＹ軸方向に隣り合う２つの第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのピッチ、ｐ２は隙間１２５ａ、１２５ｂを挟んでＹ軸方向に隣り合う２つの第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのピッチである。また、電流分布の均一化の効果を大きくするためには、ｐ２／ｐ１を１０以下とすることが望ましく、特にｐ２／ｐ１を７程度とすることが望ましい。
【００６７】
また、本実施形態においては、第１、第２導通領域１２０ａ、１２０ｂのＹ軸方向の幅をｗ１、測定領域１２４のＹ軸方向の幅をｗ２としたとき、ｗ１、ｗ２については特に限定していない。しかし、ｗ２をｗ１よりも小さくした場合、第１抵抗体１０２において、第１電極１０１ａからの電流経路の幅が狭まる部分、第２抵抗体１０３への電流経路の幅が広がる部分で電流の集中が発生する可能性がある。したがって、ｗ２をｗ１以上にすることが望ましく、このような構成とすることで、電流の集中を抑制して、電流分布の均一化の効果を高めることができる。
【００６８】
また、第１導通領域１２０ａのＹ軸方向の位置と、第２導通領域１２０ｂのＹ軸方向の位置とが大きく異なると、電流の流れる方向が全体的にＸ軸方向に対して傾く。そのため、本実施形態においては、第１導通部１２１ａと第２導通部１２１ｂとを、Ｙ軸に平行な直線に対して互いに線対称な位置に形成し、第１導通領域１２０ａと第２導通領域１２０ｂのＹ軸方向の位置を等しくしている。これにより、２つの電圧測定用端子１２２ａ、１２２ｂを結ぶ直線の方向と、電流の流れる方向がほぼ等しくなり、電流の測定精度をさらに向上させることができる。なお、第１導通領域１２０ａのＹ軸方向の位置と、第２導通領域１２０ｂのＹ軸方向の位置が異なる場合でも、それぞれの位置の差が小さい場合は、それぞれの位置が等しい場合に比べた電流の測定精度の低下は少ない。しかし、この場合でも、第１抵抗体１０２における電流経路の幅が変化する部分での電流の集中を抑制するために、第１、第２導通領域１２０ａ、１２０ｂがＹ軸方向において占める範囲は、測定領域１２４がＹ軸方向において占める範囲内にあることが望ましい。
【００６９】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００７０】
たとえば、上記実施形態では測定板２を隣り合うセル１０ａの間に配置したが、スタック構造をなす複数のセル１０ａのうち終端のセル１０ａと集電板６０ａ、６０ｂとの間に配置してもよい。また、セル１０ａを１つのみ備える燃料電池１０に本発明を適用してもよい。
【００７１】
また、第１抵抗体１０２の平面に対する法線方向から見た第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの形状を、たとえば三角形や、図８（ａ）に示すように四角形としてもよい。この場合、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂは、たとえばレーザによる穴あけ加工の後、銅等の電気的導通部材をメッキすることにより形成することができる。また、第１抵抗体１０２の平面に対する法線方向から見た第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの形状が、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２と、第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３とで異なっていてもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、隙間１２５ａ、１２５ｂを設けることにより数式１、数式２を満たしたが、以下のようにして数式１、数式２を満たしてもよい。
【００７３】
たとえば、図８（ｂ）に示すように、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのＹ軸方向のピッチを、第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３ではｐ３、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２ではｐ４で一定として、ｐ４＞ｐ３としてもよい。
【００７４】
また、図８（ｃ）に示すように、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２での数を、第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３での数より少なくしてもよい。
【００７５】
また、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２での寸法を、第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３での寸法より小さくしてもよい。たとえば、第１抵抗体１０２の平面に対する法線方向から見た第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの形状が円形の場合を、図８（ｄ）に示す。この場合、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２での内径を、第１、第２外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、１２０ａ３、１２０ｂ３での内径より小さくすればよい。
【００７６】
また、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのピッチ、数、寸法、形状を、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２から第１外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、第２外縁部１２０ａ３、１２０ｂ３に向かって徐々に変化させてもよい。第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの寸法を、中央部１２０ａ２、１２０ｂ２から第１外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１、第２外縁部１２０ａ３、１２０ｂ３に向かって徐々に大きくした場合を、図８（ｅ）に示す。
【００７７】
また、上記実施形態では、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂをマトリックス状に配置したが、たとえば図８（ｆ）に示すように、千鳥状に配置し、隙間を設けてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では電流測定部２ａは第２抵抗体１０３を有しているが、第２抵抗体１０３を有していなくてもよい。この場合、第２導通部１２１ｂによって第１抵抗体１０２と第２電極１０１ｂを電気的に接続すればよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂの第１抵抗体１０２におけるピッチ、数、寸法、形状が、Ｘ軸に平行な直線に対して線対称であるが、線対称でなくてもよい。つまり、たとえば第１外縁部１２０ａ１、１２０ｂ１と第２外縁部１２０ａ３、１２０ｂ３において、第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのピッチ、数、寸法、形状が異なっていてもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では数式１、数式２の両方を満たして電流分布を均一化しているが、数式１と数式２のいずれか一方のみ満たしていてもよい。
【００８１】
また、第１導通領域１２０ａと第２導通領域１２０ｂで第１、第２導通部１２１ａ、１２１ｂのピッチ、数、寸法、形状が異なっていてもよい。それにより、第１導通領域１２０ａと第２導通領域１２０ｂの大きさが異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０１ａ  第１電極
１０１ｂ  第２電極
１０２    第１抵抗体
３        電流検出手段
１２１ａ  第１導通部
１２１ｂ  第２導通部
【図１】
0006274065.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
0006274065.tif 000007
【図６（ｂ）】
0006274065.tif 000008
【図７（ａ）】
0006274065.tif 000009
【図７（ｂ）】
0006274065.tif 000010
【図８】
0006274065.tif 000011