JP2012238460A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセルの局所部位を流れる電流の測定精度の向上を図る。
【解決手段】隣合うセル間に配置された電流測定部集合板１００ａと、電流測定部集合板１００ａにおける複数の局所部位に対応する部位に設けられ、隣合うセル１０ａのうち電流流れ上流側のセルと電気的に接触する複数の電流測定部１０１と、複数の電流測定部１０１を流れる電流を検出するための電流検出手段１０３、５１と、電流測定部集合板１００ａに設けられ、複数の電流測定部１０１と隣合うセル１０ａのうち電流流れ下流側のセルとを電気的に接続する導電部１０２と、を備え、複数の電流測定部１０１は、互いに絶縁された状態で電流測定部集合板１００ａに設けられ、導電部１０２は、複数の電流測定部１０１のうち、少なくとも隣合う電流測定部に跨るように電流測定部集合板１００ａに設けられている。
【選択図】図７

Description

本発明は、電気エネルギを出力する複数のセルが積層配置されて構成される燃料電池の電流を測定する電流検出装置に関する。

従来、電気エネルギを出力する複数のセルを積層配置して構成された燃料電池に適用され、当該燃料電池のセルの局所部位を流れる電流を測定する電流測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の電流測定装置は、電流を測定するための電流測定部を、同一の隣合うセル間に複数個配置し、電流測定部に流れる電流を測定することで、隣合うセル間を流れる電流分布を測定する構成としている。

特開２００７−２８０６４３号公報

ところで、特許文献１に記載の電流測定装置は、隣合うセル間に配置された複数の電流測定部は、それぞれ電気的に絶縁されているものの、電流測定部に対向するセルの面内は、各電流測定部に対応して分割されていない。

このため、隣合うセル間を流れる電流は、隣合うセルのうち、一方のセルから他方のセルへとセルの積層方向に流れる際に、セルの面方向（セルの積層方向に直交する方向）に流れ、精度よく局所電流を検出することができないことがある。

例えば、図１１に示すように、隣合うセル３００のうち、電流流れ下流側のセル３００ｂの一部に電流の流れを阻害する阻害部位（内部抵抗が高い部位）が存する場合、隣合うセル３００間を流れる電流が、電流流れ下流側のセル３００ｂにおける阻害部位を迂回して電流流れ上流側のセル３００ａの面方向に流れることがある。なお、図１１は、隣合うセル間に配置された各電流測定部の電流の流れを示す説明図である。

このように、隣合うセル３００間においてセルの面方向に電流が流れると、複数の電流測定部３１０ａ〜３１０ｄのうち、一部の電流測定部３１０ｃには、対応する局所部位を流れる局所電流に加えて、他の電流測定部３１０ｄに流れるはずの電流が流れ込み、精度よく局所電流を検出することができないことがある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池のセルの局所部位を流れる電流の測定精度の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（１０）に適用され、複数のセル（１０ａ）のうち、隣合うセル（１０ａ）間における複数の局所部位を流れる電流を測定する電流測定装置であって、隣合うセル（１０ａ）間に配置された板状部材（１００ａ）と、板状部材（１００ａ）における複数の局所部位に対応する部位に設けられ、隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルと電気的に接触する複数の電流測定部（１０１）と、複数の電流測定部（１０１）を流れる電流を検出する電流検出手段（１０３、５１）と、板状部材（１００ａ）に設けられ、電流測定部（１０１）と隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルとを電気的に接続する導電部（１０２）と、を備え、複数の電流測定部（１０１）は、互いに絶縁された状態で板状部材（１００ａ）に設けられ、導電部（１０２）は、複数の電流測定部（１０１）のうち、少なくとも隣合う電流測定部に跨るように板状部材（１００ａ）に設けられていることを特徴とする。

これによると、電流流れ下流側のセル（１０ａ）の一部に電流の流れを阻害する阻害部位が存する場合であっても、導電部（１０２）を介して当該阻害部位を迂回するように電流を流すことができる。これにより、各電流測定部（１０１）に他の電流測定部（１０１）に流れるはずの電流が回り込んでしまうことを抑制することができるので、燃料電池（１０）のセル（１０ａ）の局所部位を流れる電流の測定精度を向上させることができる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の電流測定装置において、電流測定部（１０１）を、一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、および第１電極（１１１）と導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する抵抗体（１２１）を含む構成とし、電流検出手段（１０３、５１）にて、第１電極（１１１）と導電部（１０２）との電位差、および抵抗体（１２１）の抵抗値に基づいて、第１電極（１１１）と導電部（１０２）との間を流れる電流を検出する構成とすることが好ましい。

また、請求項３に記載の発明では、隣合うセル間に配置された板状部材（１００ａ）と、板状部材（１００ａ）における複数の局所部位に対応する部位に設けられ、隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルと電気的に接触する複数の第１電流測定部（１０１）と、板状部材（１００ａ）における複数の局所部位に対応する部位に設けられ、隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルと電気的に接触する複数の第２電流測定部（２０１）と、複数の第１電流測定部（１０１）を流れる電流を検出する第１電流検出手段（１０３、５１）と、複数の第２電流測定部（２０１）を流れる電流を検出する第２電流検出手段（２０３、５１）と、板状部材（１００ａ）に設けられ、第１電流測定部（１０１）と第２電流測定部（２０１）とを電気的に接続する導電部（１０２）と、を備え、複数の第１電流測定部（１０１）は、互いに絶縁された状態で板状部材（１００ａ）に設けられ、複数の第２電流測定部（２０１）は、互いに絶縁された状態で板状部材（１００ａ）に設けられ、導電部（１０２）は、複数の第１電流測定部（１０１）のうち、少なくとも隣合う第１電流測定部に跨るように板状部材（１００ａ）に配置されると共に、複数の第２電流測定部（２０１）のうち、少なくとも隣合う第２電流測定部に跨るように板状部材（１００ａ）に設けられていることを特徴とする。

これによれば、請求項１に記載の発明と同様に、電流流れ下流側のセル（１０ａ）の一部に電流の流れを阻害する阻害部位が存する場合であっても、導電部（１０２）を介して当該阻害部位を迂回するように電流を流すことができる。従って、燃料電池（１０）のセル（１０ａ）の局所部位を流れる電流の測定精度を向上させることができる。

さらに、第１電流測定部（１０１）に加えて第２電流測定部（２０１）を設けているので、第１電流測定部（１０１）にて隣合うセル（１０ａ）の一方のセルを流れる電流を検出すると共に、第２電流測定部（２０１）にて他方のセルを流れる電流を検出することができる。すなわち、隣合うセル（１０ａ）の双方のセルを流れる電流を検出することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の電流測定装置において、第１電流測定部（１０１）を、一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、および第１電極（１１１）と導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する第１抵抗体（１２１）を含む構成とし、第２電流測定部（２０１）を、他方のセルに電気的に接触する第２電極（２３１）、および第２電極（２３１）と導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する第２抵抗体（２２１）を含む構成とし、第１電流検出手段（１０３、５１）にて、第１電極（１１１）と導電部（１０２）との電位差、および第１抵抗体（１２１）の抵抗値に基づいて、第１電極（１１１）と導電部（１０２）との間を流れる電流を検出し、第２電流検出手段（２０３、５１）にて第２電極（２３１）と導電部（１０２）との電位差、および第２抵抗体（２２１）の抵抗値に基づいて、第２電極（２３１）と導電部（１０２）との間を流れる電流を検出する構成とすることが好ましい。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電流測定装置において、導電部（１０２）は、セル（１０ａ）における板状部材（１００ａ）に対向する部位の抵抗値よりも低い導電性部材で構成されていることを特徴とする。

これによれば、セル（１０ａ）の面内よりも導電部（１０２）に電流が流れ易くなるので、各電流測定部（１０１）に、セル（１０ａ）の面内を介して他の電流測定部（１０１）に流れるはずの電流が回り込んでしまうことを効果的に抑制することができる。

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ものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 第１実施形態に係る電流測定部集合板の分解斜視図である。 第１実施形態に係る電流測定部集合板の部分断面図である。 第１実施形態に係る電流測定部における電流の流れを示す説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池の発電状態が正常である場合の電流測定部集合板における電流の流れを示す説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池の発電状態が異常となる場合の電流測定部集合板における電流の流れを示す説明図である。 第２実施形態に係る電流測定部集合板の分解斜視図である。 第２実施形態に係る電流測定部集合板の部分断面図である。 第２実施形態に係る電流測定部集合板における電流の流れを示す説明図である。 従来の隣合うセル間に配置された各電流測定部の電流の流れを示す説明図である。

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、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。図１は、本実施形態の電流測定装置１００を適用した燃料電池システムの全体構成図である。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。

まず、燃料電池システムは、図１に示すように、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。燃料電池１０は、図示しない車両走行用電動モータや２次電池といった電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、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。

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。）が複数個、電気的に直列に接続されるように積層配置されたものである。そして、各セル１０ａは、固体高分子からなる電解質膜（図示略）の両側面に一対の電極（図示略）が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（図示略）で構成されている。

一対のセパレータ（図示略）は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、負極（アノード電極）側と対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、正極（カソード電極）側と対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。

各セル１０ａでは、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
さらに、燃料電池１０から出力される電気エネルギは、燃料電池１０全体として出力される電圧を検出する電圧センサ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、電圧センサ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。

また、燃料電池１０の空気極（正極）側には、酸素を主成分とする酸化剤ガスである空気を燃料電池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。

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。なお、本実施形態では、空気ポンプ２１および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１０に供給する酸化剤ガス側のガス供給手段が構成される。

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、複数本の中空糸にて構成されており、燃料電池１０へ供給される空気を加湿する機能を果たす。

燃料電池１０の水素極（負極）側には、水素を主成分とする燃料ガス（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。

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。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３２によって、所定の圧力の水素を燃料電池１０に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。

水素排出配管３０ｂには、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。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。このため、本実施形態では、水素排出配管３０ｂおよび電磁弁３４を設けている。

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おり、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。さらに、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。

ところで、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。

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。

また、冷却水回路４０の燃料電池１０の出口側付近には、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。

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。

具体的には、制御装置５０の入力側には、上述の電圧センサ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１００の電流検出回路５１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。

次に、本実施形態の電流測定装置１００の詳細について説明する。本実施形態では、電流測定装置１００にて、隣合うセル１０ａのうち、電流流れ上流側のセル１０ａを流れる電流を検出する例について説明する。

本実施形態の電流測定装置１００は、電流測定部集合板（板状部材）１００ａ、電流測定用電圧センサ１０３、および電流測定部集合板１００ａに設けられた複数の電流測定部１０１の各配置箇所に対応する部位の電流を検出して制御装置５０へ出力する電流検出回路５１を備えて構成されている。なお、本実施形態では、電流測定用電圧センサ１０３および電流検出回路５１が電流検出手段を構成している。

まず、図２、図３により、本実施形態の電流測定部集合板１００ａについて説明する。電流測定部集合板１００ａは、複数の電流測定部１０１および導電部１０２が板状部材として一体的に構成されたものである。なお、図２は、燃料電池１０の外観斜視図であり、図３は、電流測定部集合板１００ａの分解図である。また、図２に示すように、電流測定部集合板１００ａは、複数枚設けられており、それぞれ隣合うセル間に配置されている。

さらに、図３に示すように、電流測定部集合板１００ａは、配線パターンが形成（プリント）された第１プリント基板１１０、第２プリント基板１３０、および第３プリント基板１２０の３枚のプリント基板を有している。

電流測定部集合板１００ａのうち、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０は、絶縁性接着剤を介在させた状態で、ホットプレスによって一体化された積層基板として構成されている。なお、第１〜第３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採用できる。

また、電流測定部集合板１００ａのうち、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０を積層した積層基板には、対向する２辺（図３では、左右両辺）の付近に、それぞれ積層基板の表裏を貫通する貫通穴が３つ形成されている。これらの貫通穴は、セル１０ａを積層した際に、空気、水素および冷却水を流通させるためのマニホールドとして機能する。

さらに、第１、第２プリント基板１１０、１３０における両側のマニホールドの間には、複数の電流測定部１０１が、互いに絶縁された状態で直交する二方向にマトリックス状（格子状）に配置されている。より具体的には、本実施形態の電流測定部１０１は、図３に示すように、紙面上下方向に６個、紙面左右方向に７個のマトリックス状に配置されている。

つまり、本実施形態では、電流測定部１０１が、同一の隣合うセル１０ａ間に複数配置されている。これにより、複数個の電流測定部１０１が電流測定部集合板１００ａにおける片側面（本実施形態では電流流れ上流側のセル１０ａに対向する側の面）の全体に渡って配置されることになるので、本実施形態の電流測定装置１００では、隣合うセル１０ａのうち、一方のセル（電流流れ上流側のセル）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。

本実施形態の電流測定部１０１は、隣合うセル１０ａのうち一方のセル（電流流れ上流側のセル）１０ａに電気的に接触する第１電極１１１、および第１電極１１１と後述する導電部１０２とを電気的に接続するとともに予め定めた電気抵抗値を有する板状の抵抗体１２１を有して構成されている。

具体的には、第１電極１１１は、第１プリント基板１１０における電流流れ上流側のセル１０ａに対向する面（図３の紙面手前側）に配置され、抵抗体１２１は、第３プリント基板１２０のうち第１プリント基板１１０に対向する側（図３の紙面手前側）の面に配置されている。

一方、第３プリント基板１２０のうち抵抗体１２１が形成されている側と反対側（図３の紙面奥側）の面には、電流測定用配線１２２が設けられている。さらに、第３プリント基板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。なお、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。また、これらの第１電極１１１、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２は、金属箔（具体的には銅箔）にて、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０に配線パターンとして形成されている。

導電部１０２は、板状の導電性部材（金属板）で構成され、電流測定部１０１の抵抗体１２１と電流流れ下流側のセル１０ａとを電気的に接続するものである。

本実施形態の導電部１０２は、複数の電流測定部１０１の各抵抗体１２１に跨るように設けられている。これにより、複数の電流測定部１０１の抵抗体１２１同士は、互いに導電部１０２を介して電気的に接続されている。

また、本実施形態の導電部１０２は、セル１０ａにおける電流測定部集合板１００ａに対向する部位よりも電流が流れ易いように、導電部１０２の抵抗値が、セル１０ａにおける電流測定部集合板１００ａに対向する部位の抵抗値よりも小さい導電性部材で構成されている。

より詳しくは、セル１０ａにおける電流測定部集合板１００ａに対向する部位は、セル１０ａにおける水素流路または空気流路が形成されたセパレータであり、導電部１０２の抵抗値は、セパレータにおける面方向（セル１０ａの積層方向に直交する方向）の抵抗値よりも小さい導電性部材で構成されている。なお、導電部１０２は、その抵抗値がセパレータにおける面方向の抵抗値の１／４以下となる導電性部材で構成することが好ましい。

具体的には、導電部１０２は、導電部１０２は、第２プリント基板１３０における電流流れ下流側のセル１０ａに対向する面（図３の紙面奥側）の全域に配置されている。すなわち、導電部１０２をセル１０ａの積層方向から見たときに、導電部１０２と各電流測定部１０１とが重合するように配置されている。

次に、図４、図５により、電流測定部１０１および導電部１０２の具体的積層態様、並びに、電流測定部集合板１００ａにおける電流測定部１０１と導電部１０２の電気的接続態様を説明する。なお、図４は、本実施形態に係る電流測定部集合板１００ａの部分断面図であり、図５は、本実施形態に係る電流測定部１０１における電流の流れを示す説明図である。

図４に示すように、第１プリント基板１１０と第３プリント基板１２０の間と、第３プリント基板１２０と第２プリント基板１３０の間には、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤１１２、１２４が配置されている。また、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０には、複数の丸孔形状の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂが設けられている。

この第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂの内周面には、第１電極１１１等と同様の金属箔から構成される導電体が形成されている。そして、第１スルーホール１０１ａを介して、第１電極１１１、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２が電気的に接続され、第２スルーホール１０１ｂを介して、抵抗体１２１、電流測定用配線１２２、および導電部１０２が電気的に接続されている。

また、第１電極１１１は抵抗体１２１の一端側に接続され、導電部１０２は抵抗体１２１の他端側に接続されている。このため、抵抗体１２１では、図５に示すように、抵抗体１２１の一端側から他端側へ電流が流れる。

また、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ電流測定用配線１２２および外部配線を介して、電流測定用電圧センサ１０３に接続されている。電流測定用電圧センサ１０３は、第１電極１１１と同電位となる第１スルーホール１０１ａと導電部１０２と同電位となる第２スルーホール１０１ｂとの２点間の電位差を検出して、検出信号を電流検出回路５１に出力する電位差検出手段である。

ここで、導電部１０２には、第１スルーホール１０１ａとの導通を遮断する絶縁用穴部１０２ａが形成されている。これにより、第１スルーホール１０１ａを流れる電流が直接導電部１０２に流れないようになっている。

次に、上述のように構成される電流測定装置１００による電流測定方法について図６、図７に基づいて説明する。図６は、セル１０ａにて正常に発電が行われている場合（燃料電池１０の発電状態が正常である場合）の電流測定部集合板１００ａにおける電流の流れを示す説明図であり、図７は、セル１０ａにて正常に発電が行われていない場合（燃料電池１０の発電状態が異常となる場合）の電流測定部集合板１００ａにおける電流の流れを示す説明図である。なお、以下では、説明の便宜のため、図６および図７に示す３つの電流測定部１０１を左側から順に電流測定部Ａ、電流測定部Ｂ、電流測定部Ｃとする。

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の発電が開始される。燃料電池１０の発電状態が正常である場合には、電流測定装置１００の各電流測定部Ａ〜Ｃでは、図６で示すように、電流流れ方向上流側のセル１０ａ（図中上方側のセル）から第１電極１１１の板面→第１電極１１１→第１スルーホール１０１ａ→抵抗体１２１→第２スルーホール１０１ｂ→導電部１０２の順に流れる。そして、導電部１０２に流れた電流は、電流流れ下流側のセル１０ａ（図中下方側のセル）に流れる。

この際、電流測定用電圧センサ１０３で抵抗体１２１の一端側および他端側の電位差を測定する。そして、電流検出回路５１では、電流測定用電圧センサ１０３による検出電位差を、記憶回路５１ａに記憶された値で除する演算処理を行うことで、抵抗体１２１に流れた電流値を算出する。これにより、隣合うセル１０ａのうち、電流流れ上流側のセル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（局所部位）の電流値を測定することができ、制御装置５０では、電流流れ上流側のセル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。

ここで、電流流れ下流側のセル１０ａの電解質膜の一部が乾燥すること等によって、電流流れ下流側のセル１０ａの一部に電流の流れを阻害する部位（阻害部位Ｘ）が存する場合（燃料電池１０の発電状態が異常となる場合）がある（図７、図１１参照）。

この場合、電流測定装置１００の各電流測定部Ａ〜Ｃでは、図７で示すように、電流流れ方向上流側のセル１０ａ（図中上方側のセル）から第１電極１１１の板面→第１電極１１１→第１スルーホール１０１ａ→抵抗体１２１→第２スルーホール１０１ｂ→導電部１０２の順に流れる。そして、導電部１０２に流れる電流は、電流流れ下流側のセル１０ａ（図中下方側のセル）に流れる。

この際、導電部１０２における電流測定部Ｃに対向する部位では、電流流れ下流側のセル１０ａにおける阻害部位Ｘを迂回するように流れる。これにより、各電流測定部Ａ〜Ｃには、他の電流測定部に流れるはずの電流が流れ込むことなく、電流流れ上流側のセル１０ａの局所部位からの電流が流れる。

以上説明した本実施形態の電流測定装置１００では、各電流測定部１０１と電流流れ下流側のセル１０ａとの間に各電流測定部１０１に跨るように導電部１０２を配置する構成としているので、電流流れ下流側のセル１０ａの一部に電流の流れを阻害する阻害部位が存する場合であっても、電流測定部１０１の電流流れ下流側の導電部１０２を介して当該阻害部位を迂回するように電流が流れる。

これにより、各電流測定部１０１に他の電流測定部１０１に流れるはずの電流が回り込んでしまうことを抑制することができるので、燃料電池１０のセル１０ａの局所部位を流れる電流の測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、導電部１０２をセル１０ａにおける電流測定部集合板（板状部材）１００ａに対向する部位の抵抗値よりも低い導電性部材で構成しているので、セル１０ａの面内よりも導電部１０２に電流が流れ易くなる。このため、各電流測定部１０１に、セル１０ａの面内を介して他の電流測定部１０１に流れるはずの電流が回り込んでしまうことを効果的に抑制することができる。

また、第１電極１１１、抵抗体１２１、電流測定用配線１２２、および導電部１０２を第１〜第３プリント基板１１０〜１３０に形成し、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０を積層基板としているので、電流測定部集合板１００ａの積層方向の厚み寸法を低減でき、電流測定装置１００全体としての小型化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８〜図１０に基づいて説明する。図８は、本実施形態に係る電流測定部集合板１００ａの分解斜視図であり、図９は本実施形態に係る電流測定部集合板１００ａの部分断面図である。

上述の第１実施形態の電流測定装置１００では、隣合うセル１０ａの一方のセル（電流流れ上流側のセル）における局所部位を流れる電流を測定する構成としているが、本実施形態では、隣合うセル１０ａの双方の局所部位を流れる局所電流を測定する構成としている。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と同等または均等な構成については、その説明を省略、あるいは簡略化して説明する。

本実施形態の電流測定装置１００は、電流測定部集合板１００ａ、第１電流測定用電圧センサ１０３、第２電流測定用電圧センサ２０３、および電流測定部集合板１００ａに設けられた各電流測定部１０１、２０１の各配置箇所に対応する部位の電流を検出して制御装置５０へ出力する電流検出回路５１を備えて構成されている。なお、本実施形態では、第１電流測定用電圧センサ１０３および電流検出回路５１が第１電流検出手段を構成し、第２電流測定用電圧センサ２０３および電流検出回路５１が第２電流検出手段を構成している。

本実施形態の電流測定部集合板１００ａは、隣合うセル１０ａのうち電流流れ上流側のセル（一方のセル）と電気的に接触する複数の第１電流測定部１０１、電流流れ下流側のセル（他方のセル）と電気的に接触する複数の第２電流測定部２０１、第１電流測定部１０１と前記第２電流測定部２０１とを電気的に接続する導電部１０２が一体に構成されている。

具体的には、図８に示すように、電流測定部集合板１００ａは、配線パターンが形成（プリント）された第１〜第６プリント基板１１０〜２３０の６枚のプリント基板を有している。なお、各プリント基板１１０〜２３０は、絶縁性接着剤を介在させた状態で、ホットプレスによって一体化された積層基板として構成されている。

第１、第２プリント基板１１０、１３０には、複数の第１電流測定部１０１が、互いに絶縁された状態で配置され、第５、第６プリント基板２２０、２３０には、複数の第２電流測定部２０１が、互いに絶縁された状態で配置されている。

つまり、本実施形態では、複数の第１電流測定部１０１が電流測定部集合板１００ａにおける電流流れ上流側のセル１０ａに対向する側の面の全体に渡って配置され、複数の第２電流測定部２０１が電流測定部集合板１００ａにおける電流流れ下流側のセル１０ａに対向する側の面の全体に渡って配置されることになる。このため、本実施形態の電流測定装置１００では、隣合うセル１０ａの双方のセル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。

本実施形態の第１電流測定部１０１は、第１実施形態で説明した電流測定部と同様に構成され、第２電流測定部２０１は、第１電流測定部１０１と基本的構成は同様であり、以下のように構成される。

本実施形態の第２電流測定部２０１は、電流流れ下流側のセル１０ａに電気的に接触する第２電極２３１、および第２電極２３１と導電部１０２とを電気的に接続する予め定めた電気抵抗値を有する第２抵抗体２２１を有して構成されている。

具体的には、第２電極２３１は、第６プリント基板２３０における電流流れ下流側のセル１０ａに対向する面に配置され、第２抵抗体２２１は、第５プリント基板２２０のうち第６プリント基板２３０に対向する側の面に配置されている。なお、第５プリント基板２２０のうち第２抵抗体２２１が形成されている側と反対側の面には、電流測定用配線２２２が設けられている。さらに、第５プリント基板２２０の１辺には、電流測定用配線２２２が接続された信号取り出し用のコネクタ２２３が設けられている。

導電部１０２は、第１電流測定部１０１と第２電流測定部２０１とを電気的に接続するように、第１電流測定部１０１と第２電流測定部２０１との間に配置されている。本実施形態の導電部１０２は、複数の第１電流測定部１０１の各第１抵抗体１２１に跨るように設けられ、複数の第２電流測定部２０１の各第２抵抗体２２１に跨るように設けられている。これにより、複数の第１電流測定部１０１の第１抵抗体１２１同士が互いに導電部１０２を介して電気的に接続され、複数の第２電流測定部２０１の第２抵抗体２２１同士が互いに導電部１０２を介して電気的に接続されている。

具体的には、導電部１０２は、導電部１０２は、第２プリント基板１３０と第４プリント基板２１０との間に配置されている。つまり、本実施形態の導電部１０２は、第１電流測定部１０１と第２電流測定部２０１とで狭持されるように配置されている。なお、本実施形態の導電部１０２は、導電部１０２をセル１０ａの積層方向から見たときに、導電部１０２と第１、第２電流測定部１０１、２０１とが重合するように配置されている。

次に、図９により、電流測定部１０１および導電部１０２の具体的積層態様、並びに、電流測定部集合板１００ａにおける電流測定部１０１と導電部１０２の電気的接続態様を説明する。

図９に示すように、第４プリント基板２１０と第５プリント基板２２０の間と、第５プリント基板２２０と第６プリント基板２３０の間には、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤２１２、２２４が配置されている。

また、第１〜第６プリント基板１１０〜２３０には、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂが設けられている。そして、第２スルーホール１０１ｂを介して、導電部１０２、第２抵抗体２２１、および第２電流測定用配線２２２が電気的に接続され、第１スルーホール１０１ａを介して、第２抵抗体２２１、第２電流測定用配線２２２、および第２電極２３１が電気的に接続されている。

また、導電部１０２は、第２抵抗体２２１の一端側に接続され、第２電極２３１は第２抵抗体２２１の他端側に接続されている。このため、第２抵抗体２２１では、第２抵抗体２２１の一端側から他端側へ電流が流れる。

また、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ第１、第２電流測定用配線１２２、２２２および外部配線を介して、第１、第２電流測定用電圧センサ１０３、２０３に接続されている。

この第１電流測定用電圧センサ１０３は、第１電極１１１と同電位となる第１スルーホール１０１ａと、導電部１０２と同電位となる第２スルーホール１０１ｂとの２点間の電位差を検出して、検出信号を電流検出回路５１に出力する第１電位差検出手段である。

また、第２電流測定用電圧センサ２０３は、導電部１０２と同電位となる第２スルーホール１０１ｂと、第２電極２３１と同電位となる第１スルーホール１０１ａとの２点間の電位差を検出して、検出信号を電流検出回路５１に出力する第２電位差検出手段である。

次に、上述のように構成される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図１０に基づいて説明する。図１０は、燃料電池１０の発電状態が異常となる場合の電流測定部集合板１００ａを流れる電流を説明する説明図である。

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の発電が開始されと、電流測定装置１００の電流測定部集合板１００ａでは、図１０に示すように、電流流れ方向上流側のセル１０ａから第１電極１１１の板面→第１電極１１１→第１スルーホール１０１ａ→第１抵抗体１２１→第２スルーホール１０１ｂ→導電部１０２の順に流れる。

この際、導電部１０２における電流流れ下流側のセル１０ａの阻害部位Ｘに対向する部位では、電流流れ下流側のセル１０ａにおける阻害部位を迂回するように電流が流れる。これにより、各第１電流測定部１０１には、他の電流測定部１０１に流れるはずの電流が流れ込むことなく、電流流れ上流側のセル１０ａの局所部位に対応する局所電流が流れる。

また、導電部１０２に流れた電流は、第２スルーホール１０１ｂ→第２抵抗体２２１→第１スルーホール１０１ａ→第２電極２３１の板面の順に流れる。そして、第２電極２３１の板面に流れた電流は、電流流れ下流側のセル１０ａ（図中下方側のセル）に流れる。

この際、各第２電流測定部２０１のうち、電流流れ下流側のセル１０ａの阻害部位Ｘに対向する第２電流測定部２０１には、導電部１０２にて電流流れ下流側のセル１０ａにおける阻害部位を迂回していない電流が流れる。これにより、各第２電流測定部２０１には、実際に電流流れ下流側のセル１０ａに流れる局所電流が流れる。

第１電流測定用電圧センサ１０３では、第１抵抗体１２１の一端側および他端側の電位差を測定し、第２電流測定用電圧センサ２０３では、第２抵抗体２２１の一端側および他端側の電位差を測定する。そして、電流検出回路５１では、第１電流測定用電圧センサ１０３による検出電位差を、記憶回路５１ａに記憶された第１抵抗体１２１の抵抗値で除する演算処理を行うことで、第１抵抗体１２１に流れた電流値を算出する。さらに、電流検出回路５１では、第２電流測定用電圧センサ２０３による検出電位差を、記憶回路５１ａに記憶された第２抵抗体２２１の抵抗値で除する演算処理を行うことで、第２抵抗体２２１に流れた各電流値を算出する。

これにより、隣合うセル１０ａの双方のセル１０ａの面内における第１、第２電流測定部１０１、２０１に対応する部位（局所部位）の電流値を測定することができ、制御装置５０では、電流流れ上流側のセル１０ａの面内における電流分布を測定することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の第１実施形態では、電流測定装置１００にて隣合うセル１０ａのうち、電流流れ上流側のセルの局所部位を流れる電流を測定する例について説明したが、これに限定されない。例えば、電流測定装置１００にて隣合うセル１０ａのうち、電流流れ下流側のセルの局所部位を流れる電流を測定してもよい。この場合、第１電極１１１を電流流れ下流側のセル１０ａと電気的に接触するように配置し、導電部１０２を電流流れ上流側のセル１０ａと電気的に接触するように配置すればよい。

（２）上述の各実施形態では、導電部１０２を各電流測定部１０１、２０１に跨るように配置する構成について説明したが、これに限定されず、少なくとも隣合う電流測定部１０１、２０１に跨るように配置すればよい。

（３）上述の各実施形態では、導電部１０２を板状の導電性部材で構成する例について説明したが、導電部１０２は板状の導電性部材に限らず、例えば、薄膜状の導電性部材で構成してもよい。

（４）上述の各実施形態では、電流測定装置１００にセル１０ａの面内の全体に対応して４２個の電流測定部１０１を設ける例を説明したが、これに限定されず、電流測定部１０１は、少なくとも２つ以上設けられていればよい。

（５）上述の各実施形態では、本発明の電流測定装置１００を燃料電池車両の燃料電池システムに適用する例について説明したが、これに限定されず、車両以外の移動体（船舶、電車等）や据置式の燃料電池システムに適用してもよい。

１０ 燃料電池
１０ セル
１００ 電流測定装置
１００ａ 電流測定部集合板（板状部材）
１０１ 電流測定部、第１電流測定部
１０２ 導電部
１０３ 電流測定用電圧センサ、第１電流測定用電圧センサ（電流検出手段、第１電流検出手段）
１１１ 第１電極
１２１ 抵抗体、第１抵抗体
２０１ 第２電流測定部
２０３ 第２電流測定用電圧センサ（第２電流検出手段）
２２１ 第２抵抗体
２３１ 第２電極
５１ 電流検出回路（電流検出手段、第１電流検出手段、第２電流検出手段）

Claims (5)

1. 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（１０）に適用され、前記複数のセル（１０ａ）のうち、隣合うセル（１０ａ）間における複数の局所部位を流れる電流を測定する電流測定装置であって、
   前記隣合うセル（１０ａ）間に配置された板状部材（１００ａ）と、
   前記板状部材（１００ａ）における前記複数の局所部位に対応する部位に設けられ、前記隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルと電気的に接触する複数の電流測定部（１０１）と、
   前記複数の電流測定部（１０１）を流れる電流を検出する電流検出手段（１０３、５１）と、
   前記板状部材（１００ａ）に設けられ、前記電流測定部（１０１）と前記隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルとを電気的に接続する導電部（１０２）と、を備え、
   前記複数の電流測定部（１０１）は、互いに絶縁された状態で前記板状部材（１００ａ）に設けられ、
   前記導電部（１０２）は、前記複数の電流測定部（１０１）のうち、少なくとも隣合う電流測定部に跨るように前記板状部材（１００ａ）に設けられていることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記電流測定部（１０１）は、前記一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、および前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する抵抗体（１２１）を有し、
   前記電流検出手段（１０３、５１）は、前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）との電位差、および前記抵抗体（１２１）の抵抗値に基づいて、前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）との間を流れる電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（１０）に適用され、前記複数のセル（１０ａ）のうち、隣合うセル（１０ａ）間における複数の局所部位を流れる電流を測定する電流測定装置であって、
   前記隣合うセル（１０ａ）間に配置された板状部材（１００ａ）と、
   前記板状部材（１００ａ）における前記複数の局所部位に対応する部位に設けられ、前記隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルと電気的に接触する複数の第１電流測定部（１０１）と、
   前記板状部材（１００ａ）における前記複数の局所部位に対応する部位に設けられ、前記隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルと電気的に接触する複数の第２電流測定部（２０１）と、
   前記複数の第１電流測定部（１０１）を流れる電流を検出する第１電流検出手段（１０３、５１）と、
   前記複数の第２電流測定部（２０１）を流れる電流を検出する第２電流検出手段（２０３、５１）と、
   前記板状部材（１００ａ）に設けられ、前記第１電流測定部（１０１）と前記第２電流測定部（２０１）とを電気的に接続する導電部（１０２）と、を備え、
   前記複数の第１電流測定部（１０１）は、互いに絶縁された状態で前記板状部材（１００ａ）に設けられ、
   前記複数の第２電流測定部（２０１）は、互いに絶縁された状態で前記板状部材（１００ａ）に設けられ、
   前記導電部（１０２）は、前記複数の第１電流測定部（１０１）のうち、少なくとも隣合う第１電流測定部に跨るように前記板状部材（１００ａ）に配置されると共に、前記複数の第２電流測定部（２０１）のうち、少なくとも隣合う第２電流測定部に跨るように前記板状部材（１００ａ）に設けられていることを特徴とする電流測定装置。
4. 前記第１電流測定部（１０１）は、前記一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、および前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する第１抵抗体（１２１）を有し、
   前記第２電流測定部（２０１）は、前記他方のセルに電気的に接触する第２電極（２３１）、および前記第２電極（２３１）と前記導電部（１０２）とを電気的に接続すると共に予め定めた抵抗値を有する第２抵抗体（２２１）を有し、
   前記第１電流検出手段（１０３、５１）は、前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）との電位差、および前記第１抵抗体（１２１）の抵抗値に基づいて、前記第１電極（１１１）と前記導電部（１０２）との間を流れる電流を検出し、
   前記第２電流検出手段（２０３、５１）は、前記第２電極（２３１）と前記導電部（１０２）との電位差、および前記第２抵抗体（２２１）の抵抗値に基づいて、前記第２電極（２３１）と前記導電部（１０２）との間を流れる電流を検出することを特徴とする請求項３に記載の電流測定装置。
5. 前記導電部（１０２）は、前記セル（１０ａ）における前記板状部材（１００ａ）に対向する部位の抵抗値よりも低い導電性部材で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電流測定装置。

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