JP2007280643A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセル間に配置され電流を測定する電流測定装置において、厚みを薄くして体格を小さくする。
【解決手段】セル１０ａ間に配置された板状部材１００と、板状部材１００の両面に設けられた一対の電極１１１、１３１と、一対の電極１１１、１３１を電気的に接続する電流測定用抵抗体１２１とを有する１以上の電流測定部１０１と、電流測定用抵抗体１２１における２点間の電位差を測定する電流測定用電位差測定手段１０２と、電流測定用抵抗体１２１の抵抗値と電流測定用電位差測定手段にて測定した電位差とに基づいて電流値を測定する電流値測定手段５１とを設ける。板状部材１００として、複数のプリント基板１１０〜１３０が積層された積層基板を用いる。電極１１１、１３１、電流測定用抵抗体１２１はプリント基板に形成された金属箔からなる配線パターンとして構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気エネルギーを放出するセルを備える燃料電池の電流を測定する電流測定装置に関する。

燃料電池の電極面内の電流密度を測定する電流密度測定装置として、板状の母材に電極面内の各測定部位に対応して突出する柱状部を一体的に設けたものが提案されている（特許文献１参照）。この電流密度測定装置では、柱状部に流れる電流を燃料電池の局所電流として測定し、複数箇所の局所電流を測定することで電流密度を測定するように構成されている。
特開２００４−１５２５０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電流密度測定装置では、ホール素子を用いて電流分布を測定しているため、水素および空気が通過するマニホールドが厚くなり、セルのガス分配に影響を及ぼすという問題がある。また、電流密度測定装置の体格が大きくなるため、熱容量が大きくなり、低温からの始動特性を測定することができない。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池のセル間に配置され電流を測定する電流測定装置において、厚みを薄くして体格を小さくすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとからなる反応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セル（１０ａ）が複数積層された燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、セル間に配置された板状部材（１００）と、板状部材の両面にセルに接触するように設けられた一対の電極（１１１、１３１）と、所定の抵抗値を有し、一対の電極を電気的に接続する電流測定用抵抗体（１２１）とを有する１以上の電流測定部（１０１）と、電流測定用抵抗体における２点間の電位差を測定する電流測定用電位差測定手段（１０２）と、電流測定用抵抗体における２点間の抵抗値と電流測定用電位差測定手段にて測定した電位差とに基づいて、セルにおける前記電流測定部に対応する部位の電流値を測定する電流値測定手段（５１）とを備えることを特徴としている。

このように、一対の電極間に配置された電流測定用抵抗体の電位差を測定することで、セルにおける所望の部位の電流値を測定することができる。これにより、ホール素子などを用いた場合に比較して、電流測定装置の厚みを薄くすることができる。

また、電極または電流測定用抵抗体の少なくとも一方は金属箔から構成することで、これらの厚みを薄くすることができる。

また、電流測定用抵抗体は、電極より電気抵抗が大きくなっているようにすることで、電流測定用抵抗体の電位差が大きくなり、電位差を測定しやすくすることができる。

また、板状部材を、金属箔が配線されたプリント基板を含む複数のプリント基板が積層された積層基板として構成することで、電流測定装置の厚みを薄くすることができる。

また、積層基板にはスルーホールが設けられ、電極と電流測定用抵抗体は積層基板における異なるプリント基板に設けられている場合に、電極と電流測定用抵抗体はスルーホールを介して導通するように構成できる。

また、積層基板における電流測定用抵抗体が設けられているプリント基板には、電流測定用抵抗体の電位差を測定するための配線が金属箔からなる配線パターンとして設けられているようすることで、配線の厚みを薄くすることができる。

また、積層基板は、複数のプリント基板がホットプレスにより一体化して構成されているように構成することができる。

また、所定の抵抗値を有し、電流測定用抵抗体に絶縁した状態で対向するように設けられた温度測定用抵抗体（１４１）と、温度測定用抵抗体における２点間の電位差を測定する温度測定用電位差測定手段（１０３）と備え、電流値測定手段（５１）は、温度測定用電位差測定手段（１０３）にて測定した電位差に基づいて温度測定用抵抗体の温度を取得し、温度測定用抵抗体の温度を用いて電流測定用抵抗体（１２１）における２点間の抵抗値を補正する抵抗値補正手段（５１）を有するように構成することで、温度変化で電流測定用抵抗体（１２１）の抵抗値が変動した場合でも、電流測定用抵抗体（１２１）に流れる電流値を正確に測定することができる。

また、温度測定用抵抗体は、複数のプリント基板のいずれかに形成された金属箔として構成することで、温度測定用抵抗体の厚みを薄くすることができる。

また、積層基板における温度測定用抵抗体が設けられているプリント基板には、温度測定用抵抗体の電位差を測定するための配線が金属箔からなる配線パターンとして設けられているようにすることで、配線の厚みを薄くすることができる。

また、温度測定用抵抗体は、積層基板において、電流測定用抵抗体と同一のプリント基板に設けられているようにすることで、電流測定装置全体の厚みを薄くすることができる。この場合、温度測定用抵抗体は電流測定用抵抗体に囲まれるように設置することができ、あるいは温度測定用抵抗体は電流測定用抵抗体の外側に設置することができる。さらに、電流測定用抵抗体と温度測定用抵抗体は、同一材料から構成することで、同一基板上に設けられた電流測定用抵抗体と温度測定用抵抗体の加工性を向上させることができる。

また、温度測定用抵抗体に定電流が流された状態で、温度測定用電位差測定手段による電位差の測定を行うことで、温度測定用抵抗体の電位差を測定することで、温度変化に起因する抵抗値変化を測定でき、温度測定用抵抗体の温度を測定することができる。

また、抵抗値補正手段は、温度測定用抵抗体における２点間の電位差と温度測定用抵抗体の温度とが予め関連づけられた電位差温度特性マップを用い、温度測定用電位差測定手段にて測定した電位差から温度測定用抵抗体の温度を取得する第１温度取得手段と、温度測定用抵抗体の温度に基づいて電流測定用抵抗体の温度を取得する第２温度取得手段と、電流測定用抵抗体の温度と電流測定用抵抗体の抵抗値とが予め関連づけられた温度抵抗値特性マップを用い、電流測定用抵抗体の温度から電流測定用抵抗体の補正された抵抗値を取得する補正抵抗値取得手段とを有しているように構成できる。

また、第２温度取得手段は、電流測定用抵抗体の温度と電流測定用抵抗体の抵抗値とが予め関連づけられた温度抵抗値特性マップを用い、温度測定用抵抗体の温度から電流測定用抵抗体の抵抗値を取得する第２抵抗値取得手段と、第２抵抗値取得手段にて取得された抵抗値と電流測定用電位差測定手段にて測定した電位差とに基づいて仮の電流値を測定する仮電流値測定手段と、電流測定用抵抗体に流れる電流値と電流測定用抵抗体の温度とが予め関連づけられた電流温度マップを用い、仮の電流値に基づいて、電流測定用抵抗体の温度上昇値を取得する温度上昇値取得手段と、温度上昇値を電流測定用抵抗体の温度に加算した値を電流測定用抵抗体の温度として取得する第３温度取得手段とを有しているように構成できる。

また、温度測定用抵抗体は、１以上の電流測定用抵抗体に対応して設けられているようにすればよい。

また、セルには冷却水が通過する冷却水流路が形成されており、温度測定用抵抗体は冷却水流路に沿って配置されているようにすることで、冷却水が通過することによる電流測定用抵抗体の温度変化を捉えることができ、精度よく電流測定用抵抗体の温度を測定することができる。

また、複数の電流測定部が直交する二方向にマトリクス状に配置され、直交する二方向のうち一方の方向に隣り合って配置された複数の電流測定用抵抗体の一端側が配線で接続されており、直交する二方向のうち他方の方向に隣り合って配置された複数の電流測定用抵抗体の他端側が配線で接続されており、電流測定用電位差測定手段は、電流測定用抵抗体の一端側を接続するいずれかの配線と、電流測定用抵抗体の他端側を接続するいずれかの配線との間の電位差を測定するように構成することができる。これにより、電流測定用抵抗体の電位差を測定するための配線を少なくすることができる。

また、電流測定用電位差測定手段は、電位差を測定する電流測定用抵抗体の一端側を接続する配線と、電流測定用抵抗体の他端側を接続する配線の組合せを変更することで、複数の電流測定用抵抗体の電位差をすべて測定することができる。

なお、上記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ものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１０ａが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
そして、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１１と燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。

図２は、燃料電池１０の斜視図である。図２に示すように、積層されたセル１０ａの間には、燃料電池１０のセル面内の電流分布を測定するための電流測定装置１００が設けられている。電流測定装置１００は板状部材として構成されている。電流測定装置１００は、隣り合うセル１０ａに挟まれて配置されており、隣り合うセル１０ａと電気的に直列接続されている。電流測定装置１００が出力する電位差信号は、後述の信号処理回路５１に入力する。電流測定装置１００については後述する。

図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路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、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路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。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路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ための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路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が設けられている。

燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、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。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ５２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路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。また、冷却水経路４０における燃料電池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。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、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。そして、制御部５０には、電圧センサ１１、電流センサ１２からのセル電圧信号および後述する電流測定装置１００からの電流信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

燃料電池システムには、電流測定装置１００からの信号を処理する信号処理回路５１が設けられている。信号処理回路５１は、電流測定装置１００の各電流測定部１０１からの信号を演算処理し、セル１０ａの面内における各電流測定部１０１に対応する部位に流れる電流を測定する。信号処理回路５１は、演算した電流値を制御部５０に出力し、制御部５０では、セル１０ａの面内における電流分布を検出する。なお、信号処理回路５１が本発明の電流値測定手段に相当している。

次に、電流測定装置１００について説明する。図３は、電流測定装置１００の分解斜視図である。図３に示すように、電流測定装置１００は、配線パターンが形成された複数のプリント基板１１０〜１３０を積層した積層基板（板状部材）として構成されている。プリント基板１１０〜１３０としては、一般的なガラスエポキシ基板を用いることができる。本実施形態の電流測定装置１００は、第１基板１１０、第２基板１２０、第３基板１３０の３枚のプリント基板が積層されて構成されている。各基板１１０〜１３０には、図２における左右両側に、空気、水素、冷却水がそれぞれ通過するマニホールドが形成されている。これらの基板１１０〜１３０は、絶縁性接着剤を介在させてホットプレスにより一体化されている。

電流測定装置１００には、電流測定部１０１が複数設けられている。本実施形態では、セル１０ａの面内における電流分布を測定するために、複数の電流測定部１０１が電流測定装置１００の板面の全体に渡って設けられている。本実施形態の電流測定部１０１は、直交する二方向にマトリクス状（格子状）に設けられている。本実施形態の電流測定部１０１は、紙面上下方向に６個、紙面左右方向に７個という配列となっている。各電流測定部１０１は、セル１０ａの面内において、それぞれが設けられた部位の電流値を測定可能となっている。

電流測定部１０１は、一対の電極部１１１、１３１とこれらを接続する電流測定用抵抗体１２１とを有している。一対の電極部１１１、１３１は、電流測定装置１００における両外面に設けられ、第１電極部１１１は第１基板１１０におけるセル１０ａに対向する面（図３の紙面手前側）に設けられており、第２電極部１３１は第３基板１３０におけるセル１０ａに対向する面（図３の紙面奥側）に設けられている。

電流測定用抵抗体１２１は、第１基板１１０と第３基板１３０に挟まれた第２基板１２０に設けられている。本実施形態では、電流測定用抵抗体１２１は、第２基板１２０における第１基板１１０に対向する側（図３の紙面手前側）に設けられている。第２基板１２０における電流測定用抵抗体１２１が設けられている側の反対側（図３の紙面奥側）には電流測定用配線１２２が設けられている。図３では、電流測定用配線１２２を破線で囲まれた斜線で示している。第２基板１２０の１辺には、電流測定用配線１２２が接続された信号取り出し用のコネクタ１２３が設けられている。

電流測定用抵抗体１２１は、電極部１１１、１３１より抵抗値が大きい材料から構成されている。第１電極部１１１、第２電極部１３１、電流測定用抵抗体１２１は、金属箔として構成されており、これらは各基板１１０〜１３０に配線パターンとして形成されている。本実施形態では、電極部１１１、１３１と電流測定用配線１２２は銅箔から構成され、電流測定用抵抗体１２１はニッケル箔から構成されている。

図４は電流測定部１０１の断面図であり、図５は電流測定部１０１の電流の流れを示す斜視図である。図４に示すように、第１基板１１０と第２基板１２０の間と、第２基板１２０と第３基板１３０の間には、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤１１２、１２４が設けられている。図４、図５に示すように、各基板１１０〜１３０には、スルーホール１０１ａが設けられている。スルーホール１０１ａの内部には、電極部１１１、１３１と同様の銅箔から構成される導電体が設けられている。

スルーホール１０１ａを介して、第１電極部１１１と電流測定用抵抗体１２１が導通し、電流測定用抵抗体１２１と第２電極部１３１が導通している。さらにスルーホール１０１ａを介して電流測定用抵抗体１２１と電流測定用配線１２２が導通している。第１電極部１１１は電流測定用抵抗体１２１の一端側と導通し、第２電極部１３１は電流測定用抵抗体１２１の他端側と導通しているため、電流測定用抵抗体１２１では一端側と他端側との間で電流が流れることとなる。

電流測定用配線１２２は、電流測定用抵抗体１２１の一端側および他端側と導通している。電流測定用配線１２２は、外部の配線と接続され、電流測定用電圧センサ１０２と接続されている。電流測定用電圧センサ１０２は、電流測定用抵抗体１２１の一端側および他端側の２点間の電位差を測定し、信号を信号処理回路５１に出力するように構成されている。電流測定用抵抗体１２１の一端側および他端側の２点間の抵抗値は既知であるものとする。なお、電流測定用電圧センサ１０２が本発明の電流測定用電位差測定手段に相当している。

次に、電流測定装置１００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開始されることで、燃料電池１０での発電が開始される。電流測定装置１００の各電流測定部１０１では、電流流れ方向上流側のセル１０ａから第１電極部１１１の板面に電流が流れる。そして、第１電極部１１１→スルーホール１０１ａ→電流測定用抵抗体１２１→スルーホール１０１ａ→第２電極部１３１の順に電流が流れ、第２電極部１３１の板面から電流流れ方向下流側のセル１０ａに電流が流れる。

このとき、電流測定用電圧センサ１０２で電流測定用抵抗体１２１の一端側および他端側の電位差を測定する。信号処理回路５１では、電流測定用電圧センサ１０２による測定電位差Ｖと電流測定用抵抗体１２１の抵抗値Ｒを用いて、電流測定用抵抗体１２１に流れた電流Ｉの大きさを算出する。これにより、信号処理回路５１では、セル１０ａの面内における電流測定装置１００の各電流測定部１０１に対応する部位の電流値を測定することができ、制御部５０では、セル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。

以上、本実施形態の電流測定装置１００によれば、電流測定用抵抗体１２１の２点間の電位差を測定するだけで、電流測定用部１０１に流れる電流を測定することができる。これにより、セル１０ａにおける電流測定用部１０１に対応する部位の電流密度を測定することができる。本実施形態の電流測定装置１００では、複数の電流測定部１０１がセル１０ａの面内における全体に渡って設けられているので、セル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。制御部５０は、電流測定装置１００により得られた電流分布に基づいて燃料電池１０の発電状態を推定し、空気供給制御、水素供給制御、冷却制御等を行うことができ、燃料電池システムを効率および信頼性を向上させることができる。

また、一対の電極１１１、１３１間に配置された電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することで、ホール素子などを用いる構成に比較して、電流測定装置１００の厚みを薄くすることができる。さらに、電流測定装置１００をプリント基板を用いて構成することで、電流測定装置１００をより薄く構成することができる。これにより、電流測定装置１００における水素等が通過するマニホールドを薄くすることができ、電流測定装置１００がセル１０ａ間に配置されることでセル１０ａへのガス分配に及ぼす影響を小さくすることができる。電流測定装置１００は、セル１０ａに挿入されて使用されるので、セル１０ａに特別な加工を行う必要がなく、冷却水やガスのシール性に影響を及ぼすことがない。さらに電流測定装置１００の体格が小さくなるので、電流測定装置１００自体の熱容量を小さくすることができ、低温環境下においても燃料電池１０の電流を良好に測定することができ、低温から高温に至る過渡領域における電流測定も可能となる。

また、本実施形態の電流測定装置１００では、第１電極１１１、第２電極１３１、電流測定用抵抗体１２１をプリント基板に配線された金属箔として構成しているので、第１電極１１１、第２電極１３１、電流測定用抵抗体１２１の厚みを薄くすることができ、電流測定装置１００の厚みを薄くすることができる。

また、電流測定用抵抗体１２１として電極１１１、１３１より抵抗値の大きい材料を用いることで、電流測定用抵抗体１２１の電位差が大きくなり、電位差を測定しやすくすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図６〜図１０に基づいて説明する。本第２実施形態は、温度変化による電流測定用抵抗体１２１の抵抗値の変動を補正し、電流を正確に測定するように構成されている。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本第２実施形態の電流測定装置１００の分解斜視図である。図６に示すように、本第２実施形態の電流測定装置１００では、第１基板１１０と第２基板１２０の間に第４基板１４０が設けられている。第４基板１４０は、第１基板１１０、第２基板１２０、第３基板１３０と同様のプリント基板として構成されている。第４基板１４０には、第２基板１２０に対向する側（図６の紙面奥側）に温度測定用抵抗体１４１が設けられている。温度測定用抵抗体１４１は、電流測定用抵抗体１２１に対応する位置に設けられている。第４基板１４０における温度測定用抵抗体１４１が設けられている側の反対側（図６の紙面手前側）に温度測定用配線１４２が設けられている。

図７は電流測定部１０１の断面図であり、図８は電流測定部１０１の電流の流れを示す斜視図である。図７に示すように、第４基板１４０と第２基板１２０との間には絶縁性接着剤１４３が設けられている。温度測定用抵抗体１４１は絶縁性接着剤１４３を介して電流測定用抵抗体１２１に絶縁した状態で対向して配置されている。このように温度測定用抵抗体１４１は電流測定用抵抗体１２１に近接して配置されているので、温度測定用抵抗体１４１は電流測定用抵抗体１２１の温度変化に追随し、温度測定用抵抗体１４１と電流測定用抵抗体１２１の温度は同視できると考えられる。

第４基板１４０には、各基板１１０〜１４０のすべてに設けられている第１スルーホール１０１ａとは異なる第２スルーホール１４０ａが設けられており、温度測定用抵抗体１４１と温度測定用配線１４２は、第２スルーホール１４０ａを介して導通している。

温度測定用抵抗体１４１および温度測定用配線１４２は、第１電極１１１−電流測定用抵抗体１２１−第２電極１３１とは電気的に絶縁されており、独立した別回路となっている。温度測定用配線１４２は、外部の配線と接続され、温度測定用電圧センサ１０３と接続されている。温度測定用電圧センサ１０３は、温度測定用抵抗体１４１の一端側および他端側の２点間の電位差を測定し、信号を信号処理回路５１に電位差信号を出力するように構成されている。なお、温度測定用電圧センサ１０３が本発明の温度測定用電位差測定手段に相当している。

温度測定用抵抗体１４１は、電極部１１１、１３１より抵抗値が大きい材料から構成されている。本実施形態では、温度測定用抵抗体１４１はニッケル箔から構成されている。図８に示すように、温度測定用抵抗体１４１は蛇行状に設けられている。これにより、温度測定用抵抗体１４１を長くして抵抗値を大きくすることができ、温度測定用抵抗体１４１による温度の検出精度を向上させることができる。

図９（ａ）は、電流測定用抵抗体１２１の抵抗値と温度の関係を示し、図９（ｂ）は、温度測定用抵抗体１４１の温度と抵抗値との関係を示している。図９（ａ）に示すように、電流測定用抵抗体１２１の温度と抵抗値は相関関係を有し、図９（ｂ）に示すように、温度測定用抵抗体１４１の温度と抵抗値は相関関係を有している。電流測定用抵抗体１２１の温度と抵抗値と、温度測定用抵抗体１４１の温度と抵抗値との関係との関係は、予め実験等により求められてマップ化されている。制御部５０は、図９（ａ）に示す電流測定用抵抗体１２１の温度と抵抗値とが関連づけられたマップと、図９（ｂ）に示す温度測定用抵抗体１４１の温度と抵抗値とが関連づけられたマップとを備えている。

次に、本第２実施形態の電流測定装置１００を用いた電流測定処理について説明する。図１０は、本第２実施形態の信号処理回路５１が行う電流測定処理の流れを示すフローチャートである。

まず、温度測定用抵抗体１４１に定電流Ｉｔを流しておく（Ｓ１０）。次に、温度測定用電圧センサ１０３にて温度測定用抵抗体１４１の電位差Ｖｔを測定し、電位差Ｖｔを定電流Ｉｔで除算して温度測定用抵抗体１４１の抵抗値Ｒｔを算出する（Ｓ１１）。

次に、図９（ｂ）に示したマップを用い、温度測定用抵抗体１４１の抵抗値Ｒｒｅｆから温度測定用抵抗体１４１の温度Ｔｔを取得する（Ｓ１２）。次に、温度測定用抵抗体１４１の温度Ｔｔから電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔを取得する（Ｓ１３）。温度測定用抵抗体１４１は電流測定用抵抗体１２１に近接して配置されているので、本実施形態では、電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔ＝温度測定用抵抗体１４１の温度Ｔｔとしている。

次に、図９（ａ）に示したマップを用い、電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔから電流測定用抵抗体１２１の抵抗値Ｒを取得する（Ｓ１４）。この電流測定用抵抗体１２１の抵抗値Ｒが、温度変化を加味して補正された抵抗値となる。次に、電流測定用抵抗体１２１の抵抗値Ｒと、電流測定用電圧センサ１０２にて測定した電位差Ｖを用い、電位差Ｖを抵抗値Ｒで除算することで、電流測定用抵抗体１２１に流れる電流値を算出する（Ｓ１５）。

なお、信号処理回路５１が本発明の抵抗値補正手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１２の処理が第１温度取得手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１３の処理が第２温度取得手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１４の処理が補正抵抗値取得手段に相当している。

以上、本実施形態によれば、通電により電流測定用抵抗体１２１が昇温し、抵抗値が変化したような場合であっても、温度変化による抵抗値の変動を補正することができ、電流測定装置１００による電流測定を精度よく行うことができる。また、本実施形態では、温度測定用抵抗体１４１を複数の電流測定用抵抗体１２１のそれぞれに対応する部位に設けているので、各電流測定用抵抗体１２１の温度を正確に測定でき、電流測定装置１００による電流測定をより精度よく行うことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図１１〜図１４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１の構成が異なっている。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１１は、第２基板１２０の平面図である。図１１に示すように、本第３実施形態では、電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１が第２基板１２０上における同一面に設けられている。本実施形態では、温度測定用抵抗体１４１を囲むように電流測定用抵抗体１２１が設けられている。電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１とは分離して設けられており、これらの間は電気的に絶縁されている。

図１２は、電流測定用抵抗体１２１に流れる電流と電流測定用抵抗体１２１の温度を示している。図１２に示すように、電流測定用抵抗体１２１に電流が流れ始めると、電流測定用抵抗体１２１の温度が上昇する過渡領域を経て、電流測定用抵抗体１２１の温度が安定する定常領域に至る。

本第３実施形態の構成では、電流測定用抵抗体１２１の温度変化が第２基板１２０を介して温度測定用抵抗体１４１に伝わる。このため、図１２に示す過渡領域では、電流測定用抵抗体１２１の温度変化に対する温度測定用抵抗体１４１の温度追従性が低いことが考えられる。このため、本実施形態の電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔを取得する温度取得処理Ｓ１３では、以下の処理が設けられている。

図１３は、電流測定用抵抗体１２１の電流値と温度上昇値との関係を示している。図１３に示すように、電流測定用抵抗体１２１の電流値と温度上昇値とは相関関係がある。電流測定用抵抗体１２１の電流値と温度上昇値との関係は、予め実験等により求められてマップ化されている。制御部５０は、図１３に示す電流測定用抵抗体１２１の電流値と温度上昇値とが関連づけられたマップを備えている。

次に、本第３実施形態の電流測定装置１００を用いた電流測定処理における温度取得処理Ｓ１３について説明する。図１４は、本第３実施形態の信号処理回路５１が行う温度取得処理Ｓ１３の流れを示すフローチャートである。Ｓ１０〜Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５は、上記第２実施形態と同様であるので説明を省略する。

Ｓ１２で取得した温度Ｔｔを電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔｉとする（Ｓ１３Ａ）。これを電流測定用抵抗体１２１の仮の温度Ｔｉとする。図９（ａ）のマップを用いてＳ１３Ａで取得した仮の温度Ｔｉに対する電流測定用抵抗体１２１の抵抗値Ｒｉを取得する（Ｓ１３Ｂ）。これを電流測定用抵抗体１２１の仮の抵抗値Ｒｉとする。

次に、電流測定用電圧センサ１０２にて測定した電流測定用抵抗体１２１の電位差ＶとＳ１３Ｂで取得した仮の抵抗値Ｒｉから電流測定用抵抗体１２１に流れる電流値Ｉｉを算出する（Ｓ１３Ｃ）。これを電流測定用抵抗体１２１に流れる仮の電流値Ｉｉとする。

次に、図１３のマップを用いて、Ｓ１３Ｃで算出した仮の電流値Ｉｉから電流測定用抵抗体１２１の温度上昇値ΔＴを取得する（Ｓ１３Ｄ）。次に、Ｓ１３で取得した温度ＴにＳ２２で取得した温度上昇値ΔＴを加算して、電流測定用抵抗体１２１の温度Ｔを算出する（Ｓ１３Ｅ）。

なお、信号処理回路５１が行うＳ１３Ｂの処理が第２抵抗値取得手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１３Ｃの処理が仮電流値測定手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１３Ｄの処理が温度上昇値取得手段に相当し、信号処理回路５１が行うＳ１３Ｅの処理が第３温度取得手段に相当している。

以上の本第３実施形態の構成によれば、電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１を同一の基板１２０に設けているので、電流測定装置１００の厚みを増すことなく、電流測定装置１００に温度測定用抵抗体１４１を設けることができる。これにより、電流測定装置１００を極力薄く構成することができる。また、電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１を同一の材料から構成することで、電流測定用抵抗体１２１と温度測定用抵抗体１４１の加工性を向上させることができる。

なお、図１５に示すように、温度測定用抵抗体１４１を第２基板１２０上における電流測定用抵抗体１２１の外側に配置してもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図１６〜図１８に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較して、電流測定用配線１２２の構成が異なっている。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１６は、本第４実施形態の第２基板１２０の平面図である。図１７は、図１６の一部を拡大した平面図である。図６、図７では、電流測定用抵抗体１２１は紙面手前側に設けられ、電流測定用配線１２２は紙面奥側に設けられているものとする。

図１６に示すように、本実施形態の電流測定装置１００では、隣り合う電流測定用抵抗体１２１にまたがるように電流測定用配線１２２が設けられている。図１６における左右方向をＸ方向とした場合、Ｘ方向に隣り合って配置された電流測定用抵抗体１２１の一端側と接続された電流測定用配線１２２同士が接続されている。図１６における上下方向をＹ方向とした場合、Ｙ方向に隣り合って配置された電流測定用抵抗体１２１の他端側と接続された電流測定用配線１２２同士が接続されている。左右方向に接続された電流測定用配線１２２をＸｉ（ｉ＝１〜６）とし、上下方向に接続された電流測定用配線１２２をＹｊ（ｊ＝１〜７）とする。ｉは紙面上側を１とし、下側に向かって順に２…６とする。ｊは、紙面左側を１とし、右側に向かって順に２…７とする。

各電流測定用抵抗体１２１は、Ｘ１〜Ｘ６のいずれかの電流測定用配線１２２とＹ１〜Ｙ７のいずれかの電流測定用配線１２２が交差することとなる。これらの交差する電流測定用配線１２２間の電位差を測定することで、各電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することができる。例えばＸ１の電流測定用配線１２２とＹ１の電流測定用配線１２２の電位差を測定することで、Ｘ１とＹ１が交差する最上段最左側の電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定できる。以下、Ｘ２とＹ１、Ｘ３とＹ１…Ｘ４とＹ１という組合わせで電位差を測定することで、最上段の左側に位置する電流測定用抵抗体１２１から順に下側に位置する電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することができる。同様に、Ｘ１とＹ２、Ｘ１とＹ３…Ｘ１とＹ７という組合わせで電位差を測定することで、最上段の左側に位置する電流測定用抵抗体１２１から順に右側に位置する電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することができる。この信号の読み替え処理は信号処理回路５１が行う。

次に、本実施形態の電流測定装置１００による電流測定方法について説明する。図１８は、本実施形態の電流測定装置１００の電流測定切替処理の流れを示すフローチャートである。

まず、ｉ＝１とし（Ｓ３０）、ｊ＝１とする（Ｓ３１）。次に、Ｘｉの電流測定用配線１２２とＹｊの電流測定用配線１２２の電位差を測定する（Ｓ３２）。次に、ｉを１加算し（Ｓ３３）、ｉが最大値ｉｅｎｄ（本実施形態では６）であるか否かを判定する（Ｓ３４）。

この結果、ｉが最大値ｉｅｎｄでないと判定された場合には（Ｓ３４：ＮＯ）、Ｓ３２に戻り、Ｘｉの電流測定用配線１２２とＹｊの電流測定用配線１２２の電位差を測定し（Ｓ３２）、ｉを１加算する（Ｓ３３）。これにより、最上段に位置する電流測定用抵抗体１２１から順に下側に位置する電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することができる。

一方、ｉが最大値ｉｅｎｄであると判定された場合には（Ｓ３４：ＹＥＳ）、ｊを１加算し（Ｓ３５）、ｊが最大値ｊｅｎｄ（本実施形態では７）であるか否かを判定する（Ｓ３６）。この結果、ｊが最大値ｊｅｎｄでないと判定された場合には（Ｓ３６：ＮＯ）、Ｓ３０に戻る。これにより、最左側に位置する電流測定用抵抗体１２１から順に右側に位置する電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定することができる。

一方、ｊが最大値ｊｅｎｄであると判定された場合には（Ｓ３６：ＹＥＳ）、すべての電流測定用抵抗体１２１の電位差を測定完了しているので終了する。

以上の本第４実施形態の構成によれば、電流測定用配線１２２の数を減少させることができ、電流測定装置１００の構成を簡素化することができる。なお、信号の読み替え処理を信号処理回路５１にて行うように構成したが、これに限らず、電流測定装置１００内に信号の読み替え処理を行う回路を組み込んでもよい。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、電流測定装置１００にセル１０ａの面内の全体に対応して複数の電流測定部１０１を設けたが、電流測定部１０１は少なくとも１個設けられていればよい。これにより、セル１０ａにおける電流測定部１０１に対応する部位の局所電流を測定することができる。

また、上記実施形態では、温度測定用抵抗体１４１を複数の電流測定用抵抗体１２１それぞれに対応する数だけ設けたが、これに限らず、少なくとも１個の温度測定用抵抗体１４１を複数の電流測定用抵抗体１２１のうち特定の電流測定用抵抗体１２１に対応する部位に設ければよい。セル１０ａの温度は、冷却水に影響を受けると考えられ、セル１０ａの冷却水の流れ方向に沿って温度は影響を受ける。このため、温度測定用抵抗体１４１を電流測定用抵抗体１２１の数より少なくする場合には、セル１０ａ内において冷却水が通過する冷却水経路に沿って設けることが望ましい。例えばセル１０ａ内における冷却水入口部と冷却水出口部に設けることができる。これにより、冷却水が通過することによる電流測定用抵抗体１２１の温度変化を捉えることができ、精度よく電流測定用抵抗体１２１の温度を測定することができる。

また、上記実施形態では、電流測定用抵抗体１２１および温度測定用抵抗体１４１をニッケルから構成したが、これに限らず、例えば白金などの他の材料から構成してもよい。

また、上記実施形態では、電極１１１、１３１と電流測定用抵抗体１２１とを異なる材料から構成したが、電極１１１、１３１と電流測定用抵抗体１２１は同じ材料から構成してもよい。同様に、電極１１１、１３１と温度測定用抵抗体１４１とを異なる材料から構成したが、電極１１１、１３１と温度測定用抵抗体１４１は同じ材料から構成してもよい。

また、上記実施形態では、温度測定用抵抗体１４１を蛇行状に構成したが、これに限らず、温度測定用抵抗体１４１は任意の形状とすることができ、例えば直線状してもよい。

また、上記実施形態では、電流測定装置１００を複数のプリント基板が積層された積層基板を用いたが、プリント基板に限らず、絶縁性を有する基板であれば用いることができる。

上記各実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 図１の燃料電池の斜視図である。 第１実施形態の電流測定装置の分解斜視図である。 第１実施形態の電流測定部の断面図である。 第１実施形態の電流測定部の電流の流れを示す斜視図である。 第２実施形態の電流測定装置の分解斜視図である。 第２実施形態の電流測定部の断面図である。 第２実施形態の電流測定部の電流の流れを示す斜視図である。 （ａ）は電流測定用抵抗体の抵抗値と温度の関係を示す特性図であり、（ｂ）は温度測定用抵抗体の温度と抵抗値との関係を示す特性図である。 第２実施形態の電流測定処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態の第２基板の平面図である。 電流測定用抵抗体の電流値と温度の関係を経時的に示す図である。 電流測定用抵抗体の電流値と温度上昇値との関係を示す特性図である。 第３実施形態の電流測定処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態の変形例を示す第２基板の平面図である。 第４実施形態の第２基板の平面図である。 図１６の一部を拡大した平面図である。 第４実施形態の電流測定装置の電流測定切替処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１０ａ…セル、５０…制御部、５１…信号処理回路、１００…電流測定装置、１０１…電流測定部、１０１ａ…スルーホール、１０２、１０３…電圧センサ、１１０…第１基板、１１１…第１電極、１２０…第２基板、１２１…電流測定用抵抗体、１２２…電流測定用配線、１３０…第３基板、１３１…第２電極、１４０…第４基板、１４１…温度測定用抵抗体、１４２…温度測定用配線。

Claims (21)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとからなる反応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セル（１０ａ）が複数積層された燃料電池（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
   前記セル間に配置された板状部材（１００）と、
   前記板状部材の両面に前記セルに接触するように設けられた一対の電極（１１１、１３１）と、所定の抵抗値を有し、前記一対の電極を電気的に接続する電流測定用抵抗体（１２１）とを有する１以上の電流測定部（１０１）と、
   前記電流測定用抵抗体における２点間の電位差を測定する電流測定用電位差測定手段（１０２）と、
   前記電流測定用抵抗体における２点間の抵抗値と前記電流測定用電位差測定手段にて測定した電位差とに基づいて、前記セルにおける前記電流測定部に対応する部位の電流値を測定する電流値測定手段（５１）とを備えることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記電極または前記電流測定用抵抗体の少なくとも一方は金属箔から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記電流測定用抵抗体は、前記電極より電気抵抗が大きくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
4. 前記板状部材は、前記金属箔が配線されたプリント基板を含む複数のプリント基板が積層された積層基板であることを特徴とする請求項２または３に記載の電流測定装置。
5. 前記積層基板にはスルーホールが設けられ、前記電極と前記電流測定用抵抗体は前記積層基板における異なるプリント基板に設けられ、前記電極と前記電流測定用抵抗体は前記スルーホールを介して導通していることを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置。
6. 前記積層基板における前記電流測定用抵抗体が設けられているプリント基板には、前記電流測定用抵抗体の電位差を測定するための配線が金属箔からなる配線パターンとして設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の電流測定装置。
7. 前記積層基板は、前記複数のプリント基板がホットプレスにより一体化して構成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の電流測定装置。
8. 所定の抵抗値を有し、前記電流測定用抵抗体に絶縁した状態で対向するように設けられた温度測定用抵抗体（１４１）と、
   前記温度測定用抵抗体における２点間の電位差を測定する温度測定用電位差測定手段（１０３）と備え、
   前記電流値測定手段（５１）は、前記温度測定用電位差測定手段（１０３）にて測定した電位差に基づいて前記温度測定用抵抗体の温度を取得し、前記温度測定用抵抗体の温度を用いて前記電流測定用抵抗体（１２１）における２点間の抵抗値を補正する抵抗値補正手段を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の電流測定装置。
9. 前記電流測定用抵抗体に絶縁した状態で対向するように設けられた温度測定用抵抗体（１４１）と、
   前記温度測定用抵抗体における２点間の電位差を測定する温度測定用電位差測定手段（１０３）とを備え、
   前記電流値測定手段（５１）は、前記温度測定用電位差測定手段（１０３）にて測定した電位差に基づいて前記温度測定用抵抗体の温度を取得し、前記温度測定用抵抗体の温度を用いて前記電流測定用抵抗体（１２１）における２点間の抵抗値を補正する抵抗値補正手段（５１）を有し、
   前記温度測定用抵抗体は、前記複数のプリント基板のいずれかに形成された金属箔として構成されていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の電流測定装置。
10. 前記積層基板における前記温度測定用抵抗体が設けられているプリント基板には、前記温度測定用抵抗体の電位差を測定するための配線が金属箔からなる配線パターンとして設けられていることを特徴とする請求項９に記載の電流測定装置。
11. 前記温度測定用抵抗体は、前記積層基板において、前記電流測定用抵抗体と同一のプリント基板に設けられていることを特徴とする請求項９または１０に記載の電流測定装置。
12. 前記温度測定用抵抗体は前記電流測定用抵抗体に囲まれるように設置されていることを特徴とする請求項１１に記載の電流測定装置。
13. 前記温度測定用抵抗体は前記電流測定用抵抗体の外側に設置されていることを特徴とする請求項１１に記載の電流測定装置。
14. 前記電流測定用抵抗体と前記温度測定用抵抗体は、同一材料から構成されていることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の電流測定装置。
15. 前記温度測定用抵抗体に定電流が流された状態で、前記温度測定用電位差測定手段による電位差の測定が行われることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか１つに記載の電流測定装置。
16. 前記抵抗値補正手段は、
    前記温度測定用抵抗体における２点間の電位差と前記温度測定用抵抗体の温度とが予め関連づけられた電位差温度特性マップを用い、前記温度測定用電位差測定手段にて測定した電位差から前記温度測定用抵抗体の温度を取得する第１温度取得手段と、
    前記温度測定用抵抗体の温度に基づいて前記電流測定用抵抗体の温度を取得する第２温度取得手段と、
    前記電流測定用抵抗体の温度と前記電流測定用抵抗体の抵抗値とが予め関連づけられた温度抵抗値特性マップを用い、前記電流測定用抵抗体の温度から前記電流測定用抵抗体の補正された抵抗値を取得する補正抵抗値取得手段とを有していることを特徴とする請求項８ないし１５のいずれか１つに記載の電流測定装置。
17. 前記第２温度取得手段は、
    前記電流測定用抵抗体の温度と前記電流測定用抵抗体の抵抗値とが予め関連づけられた温度抵抗値特性マップを用い、前記温度測定用抵抗体の温度から前記電流測定用抵抗体の抵抗値を取得する第２抵抗値取得手段と、
    前記第２抵抗値取得手段にて取得された抵抗値と前記電流測定用電位差測定手段にて測定した電位差とに基づいて仮の電流値を測定する仮電流値測定手段と、
    前記電流測定用抵抗体に流れる電流値と前記電流測定用抵抗体の温度とが予め関連づけられた電流温度マップを用い、前記仮の電流値に基づいて、前記電流測定用抵抗体の温度上昇値を取得する温度上昇値取得手段と、
    前記温度上昇値を前記電流測定用抵抗体の温度に加算した値を前記電流測定用抵抗体の温度として取得する第３温度取得手段とを有することを特徴とする請求項１６に記載の電流測定装置。
18. 前記温度測定用抵抗体は、１以上の前記電流測定用抵抗体に対応して設けられていることを特徴とする請求項８ないし１７のいずれか１つに記載の電流測定装置。
19. 前記セルには冷却水が通過する冷却水流路が形成されており、前記温度測定用抵抗体は前記冷却水流路に沿って配置されていることを特徴とする請求項８ないし１９のいずれか１つに記載の電流測定装置。
20. 複数の前記電流測定部が直交する二方向にマトリクス状に配置され、前記直交する二方向のうち一方の方向に隣り合って配置された複数の前記電流測定用抵抗体の一端側が配線で接続されており、前記直交する二方向のうち他方の方向に隣り合って配置された複数の前記電流測定用抵抗体の他端側が配線で接続されており、
    前記電流測定用電位差測定手段は、前記電流測定用抵抗体の一端側を接続するいずれかの配線と、前記電流測定用抵抗体の他端側を接続するいずれかの配線との間の電位差を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１つに記載の電流測定装置。
21. 前記電流測定用電位差測定手段は、電位差を測定する前記電流測定用抵抗体の一端側を接続する配線と、前記電流測定用抵抗体の他端側を接続する配線の組合せを変更することで、前記複数の電流測定用抵抗体の電位差を測定することを特徴とする請求項２０に記載の電流測定装置
    

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