JP2016024946A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を採用した場合と比較して、電流測定部の薄型化が可能な電流測定装置を提供する。
【解決手段】燃料電池の隣り合うセルの間に配置され、隣り合うセルの一方と接する第１電極２１１と、隣り合うセルの他方と接する第２電極２１２と、第１、第２電極２１１、２１２の間に位置し、第１、第２電極２１１、２１２と電気的に接続される抵抗体２２０と、第１、第２電極２１１、２１２の間の電位差を取り出す第１信号線２３１および第２信号線２３２とを有する電流測定部２ａにおいて、第１信号線２３１および第２信号線２３２が第１、第２電極２１１、２１２の表面に対して平行に延伸しているのに対して、抵抗体２２０が、抵抗体２２０の内部を電流が第１、第２電極２１１、２１２の表面に対して垂直な方向に流れるように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の内部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。

この電流測定装置として、シャント式の電流測定装置が特許文献１に記載されている。特許文献１の電流測定装置は、燃料電池の隣り合うセルの間に配置される電流測定部を備えている。電流測定部は、隣り合うセルの一方と接する平板状の第１電極と、隣り合うセルの他方と接する平板状の第２電極と、第１、第２電極の間に位置し、第１、第２電極と電気的に接続された抵抗体と、抵抗体の両端部の電位差を取り出す第１、第２信号線とを有している。この電流測定装置では、第１、第２信号線で取り出した電位差と、抵抗体の抵抗値とに基づいて、隣り合うセルの一方から他方に向けて前記電流測定部を通過する電流を検出する。

そして、特許文献１の電流測定装置では、第１、第２信号線は、第１、第２電極の間にて、第１、第２電極の表面に平行な方向に延伸するように配置されている。また、抵抗体は、平板状の第１抵抗部と平板状の第２抵抗部とによって構成されており、第１、第２抵抗部は、第１、第２電極と平行な状態で、互いに対向して配置されている。このため、第１、第２抵抗部には、第１、第２電極の表面に対して平行な方向に電流が流れる。このとき、第１抵抗部における電流の流れ方向と第２抵抗部における電流の流れ方向が、互いに反対方向となるように、第１、第２抵抗部がそれらの間を基準に対称に配置されている。

これによれば、電流測定装置を燃料電池の交流インピーダンスを計測するための電流検出手段として用いるときや、燃料電池の内部を流れる電流が過渡的に変動したときのように、電流測定部を交流電流が流れる場合において、第１抵抗部を流れる電流によって発生する磁場の向きと第２抵抗部を流れる電流によって発生する磁場の向きとが、互いに反対方向となり、互いに弱め合うように作用する。このため、第１、第２信号線が抵抗体から受ける相互インダクタンスの影響を低減することができる。

特開２０１２−１１３８８４号公報

電流測定部において、第１、第２信号線が第１、第２電極の表面に対して平行に延伸する場合において、抵抗体の内部を第１、第２信号線の延伸方向と同じ方向に電流が流れるように、抵抗体が配置される構造を採用すると、抵抗体を電流が流れることによって生じる磁場に対して、この磁場を貫く方向に第１、第２信号線が延伸する関係となる。

このため、第１、第２信号線が抵抗体から相互インダクタンスの影響を受けてしまい、ノイズとなる電圧が第１、第２信号線に発生する。これを回避しようとすると、上記した特許文献１のように、平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造が必要となる。

しかし、電流測定部の構造として、平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を採用すると、電流測定部が厚くなってしまうという問題が生じる。

本発明は上記点に鑑みて、平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を採用した場合と比較して、電流測定部の薄型化が可能な電流測定装置を提供す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、
燃料電池（１０）の隣り合うセル（１０ａ）の間に配置され、隣り合うセルの一方と接する第１電極（２１１、１１１）と、隣り合うセルの他方と接する第２電極（２１２、１１２）と、第１、第２電極の間に位置し、第１、第２電極と電気的に接続され、第１、第２電極よりも抵抗値が大きな抵抗体（２２０、１２０）と、第１、第２電極の間の電位差を取り出す第１信号線（２３１、１３１）および第２信号線（２３２、１３２）とを有する電流測定部（２ａ）と、
第１、第２信号線で取り出した電位差と、第１、第２電極の間の電流経路の抵抗値とに基づいて、隣り合うセルの一方から他方に向けて電流測定部を通過する電流を検出する電流検出手段（３、４）とを備え、
第１、第２信号線は、それぞれ、第１、第２電極の間において、隣り合うセルのそれぞれと接する第１、第２電極の表面（２１１ａ、２１２ａ、１１１ａ、１１２ａ）に対して平行に延伸しており、
抵抗体は、抵抗体の内部を電流が第１、第２電極の表面に対して垂直な方向に流れるように配置されていることを特徴としている。

本発明では、抵抗体を流れる電流の向きが第１、第２信号線の延伸方向に対して垂直な方向となる。このため、抵抗体を流れる電流によって生じる磁場に対して、この磁場と同一面内で第１、第２信号線が延伸する関係となる。これにより、第１、第２信号線が抵抗体から受ける相互インダクタンスの影響を小さくできる。

したがって、本発明によれば、上記した平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を不要にできるので、この構造を採用した場合と比較して、電流測定部の薄型化が可能となる。

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一例である。

第１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。 第１実施形態における電流測定装置の構成図である。 図２中の電流測定部の断面図である。 比較例１の電流測定部の分解斜視図である。 比較例１の電流測定部の分解斜視図である。 実際に製造した第１実施形態の電流測定部による電流測定についての評価試験の結果を示すグラフである。 第２実施形態における電流測定部の断面図である。 第３実施形態における電流測定部の断面図である。

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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
まず、図１に示す本実施形態の電流測定装置を適用した燃料電池システムについて説明する。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。

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、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て構成されたものである。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
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。そこで、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。

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（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。

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。

次に、本実施形態の電流測定装置の詳細について説明する。

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。

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。

ここで、図３を用いて、測定板２における１つの電流測定部２ａの構造について説明する。図３は、１つの電流測定部２ａの断面図である。

図３に示すように、測定板２は、複数の絶縁層が積層された多層基板で構成されている。絶縁層は、主に熱可塑性樹脂で構成された樹脂層である。本実施形態では、多層基板は、絶縁層として、図３中の上から順に第１絶縁層２０１、第２絶縁層２０２、第３絶縁層２０３の３層の絶縁層が積層されている。

そして、電流測定部２ａは、多層基板の両面に配置された平板状の第１電極２１１および平板状の第２電極２１２と、多層基板の内部に配置された抵抗体２２０と、多層基板の内部に配置された第１、第２信号線２３１、２３２とを有している。

第１電極２１１は、電流測定部２ａが隣り合うセル１０ａの間に配置された状態で、隣り合うセル１０ａの一方と接触するように、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１電極２１１は、複数の絶縁層のうち外側に位置する第１絶縁層２０１の片面（図３では上面）に形成された導体パターン（導体層）で構成されている。なお、第１電極２１１の表面２１１ａが隣り合うセル１０ａの一方と接触する。

第２電極２１２は、電流測定部２ａが隣り合うセル１０ａの間に配置された状態で、隣り合うセル１０ａの他方と接触するように、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。第２電極２１２は、複数の絶縁層のうち外側に位置する第３絶縁層２０３の片面（図３では下面）に形成された導体パターン（導体層）で構成されている。なお、第２電極２１２の表面２１２ａが隣り合うセル１０ａの他方と接触する。

抵抗体２２０は、第１、第２電極２１１、２１２よりも抵抗値が大きな抵抗部材によって構成されるものであり、第１電極２１１と第２電極２１２の両方に電気的に接続されている。抵抗体２２０は、絶縁層２０１、２０２、２０３に形成されたスルーホール２０１ａ、２０２ａ、２０３ａに対して、抵抗体２２０を構成する抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａが埋め込まれることによって形成されている。スルーホール２０１ａ、２０２ａ、２０３ａは、それぞれ、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに垂直な方向にて、第１、第２、第３絶縁層２０１、２０２、２０３の両面を貫通する貫通孔である。

各絶縁層２０１、２０２、２０３に形成されたスルーホール２０１ａ、２０２ａ、２０３ａは、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに平行な方向で、同じ位置に配置されている。このため、各絶縁層２０１、２０２、２０３のスルーホール２０１ａ、２０２ａ、２０３ａに埋め込まれた抵抗部材２０１ａ、２０２ａ、２０３ａは、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに垂直な方向に連なっている。

なお、第１絶縁層２０１に形成された抵抗部材２２１ａと、第２絶縁層２０２に形成された抵抗部材２２２ａは、第２絶縁層２０２の片面（図３では上面）に形成された導体パターン２３３を介して接続されている。また、第１絶縁層２０１に形成された抵抗部材２２１ａは、第１電極２１１に直接接続されており、第３絶縁層２０３に形成された抵抗部材２２３ａは、第２電極２１２に直接接続されている。

したがって、本実施形態の抵抗体２２０は、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して垂直な方向に延伸するように配置されている。すなわち、抵抗体２２０は、抵抗体２２０の内部を電流が第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して垂直な方向に流れるように配置されている。

なお、本実施形態では、複数の絶縁層２０１、２０２、２０３のそれぞれに複数のスルーホールが形成され、それらに抵抗部材が充填されることで、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して垂直な方向に延伸する複数本の抵抗体２２０が形成されている。複数本の抵抗体２２０は、それぞれ独立して形成されており、多層基板の内部では、互いに電気的に接続されていない。

第１、第２信号線２３１、２３２は、第１、第２電極２１１、２１２の間の電位差を電流測定部２ａの外部に取り出すものである。第１信号線２３１および第２信号線２３２は、第２絶縁層２０２の片面（図３では上面）に形成された導体パターン（導体層）で構成されている。したがって、第１、第２信号線２３１、２３２は、それぞれ、第１、第２電極２１１、２１２の間において、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して平行に延伸して配置されている。

第１信号線２３１は、抵抗体形成用のスルーホール２０１ａとは別に、第１絶縁層２０１に形成された第１信号線用のスルーホール２０１ｂに充填された接続部材２２１ｂを介して、第１電極２１１と電気的に接続されている。第２信号線２３２は、抵抗体形成用のスルーホール２０２ａ、２０３ａとは別に、第２、第３絶縁層２０２、２０３に形成された第２信号線用のスルーホール２０２ｂ、２０３ｂに充填された接続部材２２２ｂ、２２３ｂを介して、第２電極２１２と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、第１、信号線２３１と第１電極２１１を、１つのスルーホール２０１ｂに充填された接続部材２２１ｂによって接続しているが、２つ以上のスルーホール２０１ｂに充填された接続部材２２１ｂによって接続することが好ましい。第２信号線２３２と第２電極２１２の接続においても同様である。

このような構造の電流測定部２ａを有する測定板２は、次のようにして製造される。

まず、片面に銅箔等の導体箔からなる導体パターンが形成された複数の絶縁層２０１、２０２、２０３を用意する。

このとき、第１絶縁層２０１は、その片面に第１電極２１１が形成されている。また、第１絶縁層２０１には、抵抗体形成用のスルーホール２０１ａと、第１信号線用のスルーホール２０１ｂが形成されている。これらのスルーホール２０１ａ、２０１ｂには、導電ペーストが充填されている。導電ペーストは、金属粒子と溶剤とによって構成されたものである。導電ペーストは、後述する加熱加圧の際に、金属粒子が焼結されることで抵抗部材２２１ａや接続部材２２１ｂとなる。金属粒子として、例えば、錫粒子と銀粒子を用いた場合、銀と錫の合金によって、抵抗部材２２１ａや接続部材２２１ｂが構成される。なお、金属粒子として、錫粒子と銅粒子を用いてもよく、この場合、銅と錫の合金によって、抵抗部材２２１ａや接続部材２２１ｂが構成される。

同様に、第２絶縁層２０２は、その片面に第１、第２信号線２３１、２３２および導体パターン２３３が形成されている。また、第２絶縁層２０２には、抵抗体形成用のスルーホール２０２ａと、第２信号線用のスルーホール２０２ｂが形成されている。これらのスルーホール２０２ａ、２０２ｂには、上記した導電ペーストが充填されている。

同様に、第３絶縁層２０３は、その片面に第２電極２１２が形成されている。また、第３絶縁層２０３には、抵抗体形成用のスルーホール２０３ａと、第２信号線用のスルーホール２０３ｂが形成されている。これらのスルーホール２０３ａ、２０３ｂには、上記した導電ペーストが充填されている。

そして、複数の絶縁層２０１、２０２、２０３を積層して積層体を形成する。このとき、第１絶縁層２０１の抵抗部材２２１ａと第２絶縁層２０２の導体パターン２３３とを対向させて、第１絶縁層２０１と第２絶縁層２０２とを積層する。第２、第３絶縁層２０２、２０３の抵抗部材２２２ａ、２２３ａ同士を対向させて、第２絶縁層２０２と第３絶縁層２０３とを積層する。

その後、積層体を加熱加圧することで、多層基板を成形する。このとき、複数の絶縁層２０１、２０２、２０３において隣り合う絶縁層同士が接着される。また、導電ペーストに含まれる金属粒子が焼結することで、各抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａおよび各接続部材２２１ｂ、２２２ｂ、２２３ｂが形成される。なお、本実施形態では、抵抗体２２０の１電極あたりの抵抗値が１００μΩ〜１０００μΩ程度となるように、抵抗体形成用の各スルーホール２０１ａ、２０２ａ、２０３ａの径や個数が調整される。

図３に示すように、第１信号線２３１と第２信号線２３２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。電圧センサ４は、それぞれの電流測定部２ａにおける第１電極２１１と第２電極２１２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。

図２に示す電流検出回路３は、電圧センサ４で検出した電位差と、第１電極２１１と第２電極２１２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。第１電極２１１と第２電極２１２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。

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、抵抗体２２０を介して第１、第２電極２１１、２１２の一方から他方へ電流が流れる。

このとき、第１、第２電極２１１、２１２の間の電流経路は所定の抵抗値（Ｒ_１）を有するために、この電流経路を電流（電流値Ｉ_１）が流れることで、第１電極２１１と第２電極２１２の間に電位差ΔＶ（ΔＶ＝Ｒ_１×Ｉ_１）が生じる。

そこで、この電位差ΔＶを、第１、第２信号線２３１、２３２によって取り出し、電圧センサ４によって検出する。このとき、本実施形態では、第１信号線２３１は、接続部材２２１ｂを介して第１電極２１１と接続されているため、第１電極２１１と電位が等しい。同様に、第２信号線２３２は、接続部材２２２ｂ、２２３ｂを介して第２電極２１２と接続されているため、第２電極２１２と電位が等しい。このため、第１信号線２３１と第２信号線２３２の間の電位差は、第１電極２１１と第２電極２１２の間の電位差ΔＶと等しい。

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予め記憶されている抵抗値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。

さらに、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燃料電池１０の発電状態を推定し、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のフィードバック制御を行う。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。

なお、上述の燃料電池１０の発電状態は、各セル１０ａの交流インピーダンスの変化に基づいて推定することができる。ここで、本実施形態における交流インピーダンスの測定方法について簡単に説明すると、まず、二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いて所定電流の交流を燃料電池１０に印加する。燃料電池１０に交流を印加している際に、セルモニタ１１と電流検出回路３から入力された電流分布を測定する。そして、セルモニタ１１で測定した電圧値の変化と電流検出回路３から入力された電流分布の変化に基づいて、演算により各セル１０ａの交流インピーダンスを測定することができる。

ここで、本実施形態の電流測定装置１と図４、５に示す比較例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、上記した従来技術の電流測定部に相当するものである。なお、図５では、図４中の導体層のみを示している。

図４、５に示すように、比較例１の電流測定部２ａは、多層基板の両面の導体層で構成された平板状の第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２２２と、多層基板の内部の導体層で構成された抵抗体および第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２とを備えている。抵抗体は、平板状の第１抵抗部Ｊ２２１と平板状の第２抵抗部Ｊ２２２とを有している。第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２は、第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２と平行な状態で、互いに対向して配置されている。このため、第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２には、第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２の表面に対して平行な方向に電流が流れる。このとき、図５中の矢印のように、第１抵抗部Ｊ２２１における電流の流れ方向と第２抵抗部Ｊ２２２における電流の流れ方向が、互いに反対方向となるように、第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２がそれらの間を基準に対称に配置されている。第１信号線Ｊ２３１は、第１抵抗部Ｊ２２１と同一平面に位置し、第１抵抗部Ｊ２２１に接続されている。第２信号線Ｊ２３２は、第２抵抗部Ｊ２２２と同一平面に位置し、第２抵抗部Ｊ２２２に接続されている。第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２は、第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２の間にて、第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２の表面に平行な方向に延伸するように配置されている。

なお、比較例１の電流測定部２ａは、表面に第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２が形成された絶縁層Ｊ２０１、Ｊ２０２はガラスエポキシ基板で構成されており、第１抵抗部Ｊ２２１と第２抵抗部Ｊ２２２の間の絶縁層Ｊ２０３は接着剤で構成されている。また、第１電極Ｊ２１１と第１抵抗部Ｊ２２１は、スルーホールＪ２４１の内壁にメッキで形成された導体層によって接続されている。同様に、第２電極Ｊ２１２と第２抵抗部Ｊ２２２は、スルーホールＪ２４２の内壁にメッキで形成された導体層によって接続されており、第１抵抗部Ｊ２２１と第２抵抗部Ｊ２２２は、スルーホールＪ２４３の内壁にメッキで形成された導体層によって接続されている。

上記した発明が解決しようとする課題の欄での説明の通り、第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２が第１、第２電極Ｊ２１１、Ｊ２１２の表面に対して平行に延伸する場合において、抵抗体の内部を第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２の延伸方向と同じ方向に電流が流れるように、抵抗体が配置される構造、例えば、第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２の一方のみを配置した構造を採用すると、抵抗体を電流が流れることによって生じる磁場に対して、この磁場を貫く方向に第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２が延伸する関係となる。このため、第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２が抵抗体から相互インダクタンスの影響を受けてしまい、ノイズとなる電圧が第１、第２信号線Ｊ２３１、Ｊ２３２に発生する。

そこで、これを回避しようとすると、電流測定部２ａの構造として、図４、５に示すように、平板状の第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２が対称に配置された構造が必要となる。しかし、この構造を採用すると、電流測定部２ａが厚くなってしまうという問題が生じる。上記した電流分布測定に基づくフィードバック制御により、最大１０％ほどの燃費向上が期待できるが、電流測定部２ａが厚いと、熱容量が大きくなるため、燃料電池１０の低温始動時に電流測定部２ａに隣接する燃料電池セル１０ａの昇温を阻害して出力が落ちてしまう。このため、電流測定部２ａが厚い場合では、氷点下の条件時などに、この燃費向上効果が得られなくなってしまう。

また、電流測定部２ａの薄型化のため、第１、第２抵抗部Ｊ２２１、Ｊ２２２を単に薄くすると、電流測定部２ａ自体の抵抗が極めて大きくなり、燃料電池１０の運転状態に影響を与え、正しい測定ができなくなる。

これに対して、本実施形態では、第１、第２信号線２３１、２３２が、それぞれ、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して平行に延伸して配置されているのに対して、抵抗体２２０が、抵抗体２２０の内部を電流が第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに対して垂直な方向に流れるように配置されている。

このため、本実施形態では、抵抗体２２０を流れる電流の向きが第１、第２信号線２３１、２３２の延伸方向に対して垂直な方向となるので、抵抗体２２０を流れる電流によって生じる磁場に対して、この磁場と同一面内で第１、第２信号線２３１、２３２が延伸する関係となる。なお、磁場は、抵抗体２２０の電流の流れ方向に垂直な平面で抵抗体２２０を中心とする同心円状に生じる。

このように、本実施形態によれば、抵抗体２２０を流れる電流によって生じる磁場に対して、この磁場を貫く方向に第１、第２信号線２３１、２３２が延伸する関係とはならないので、第１、第２信号線２３１、２３２が抵抗体２２０から受ける相互インダクタンスの影響を小さくできる。したがって、本実施形態によれば、比較例１の平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を不要にできるので、この構造を採用した場合と比較して、電流測定部２ａの薄型化が可能となる。

さらに、本実施形態では、絶縁層を熱可塑性樹脂で構成しているので、絶縁層がガラスエポキシ基板で構成される場合よりも、絶縁層を薄くでき、複数の絶縁層の積層体を加熱加圧して接着するため、接着層を不要にできる。このことからも、本実施形態によれば、電流測定部２ａの薄型化が可能となる。このとき、本実施形態では、抵抗体２２０を構成する抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａとして、銀と錫の合金や、銅と錫の合金を用いることで、電流測定部２ａを薄くしても、抵抗体に必要な電気抵抗値が得られる。

なお、比較例１の電流測定部２ａを、本実施形態と同様に、熱可塑性樹脂で構成され、に導体パターンが形成された絶縁層を複数積層して積層体を形成し、この積層体を加熱加圧して一体化して製造する場合、絶縁層が４層必要となる。このため、この場合と比較しても、本実施形態の電流測定部２ａの方が薄くなる。

さらに、本実施形態では、各スルーホールの内部の抵抗部材や接続部材の形成を、メッキで行うのではなく、導電ペーストを充填して行うことで、メッキに伴う第１、第２電極２１１、２１２の厚みの増加や、ばらつきを抑えることができる。

ここで、図６に、実際に製造した本実施形態の電流測定部２ａによる電流測定についての評価試験の結果を示す。このとき製造した電流測定部２ａの厚さは０．１３ｍｍであった。第１電極２１１から第２電極２１２に電流を印加したとき、図６に示すように、電流の増加に伴って、第１信号線２３１と第２信号線２３２の間の電位差が線形に増大しており、電流測定部２ａを通過する電流の大きさを検出できることが確認できた。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の電流測定部２ａの構造の一部を変更したものであり、以下では、変更点を説明する。

図７に示すように、本実施形態では、１つの絶縁層に形成された複数の抵抗部材が、多層基板の内部で互いに電気的に接続されている。

具体的には、多層基板の内部の配線部材２３４によって、第１絶縁層２０１に形成された複数の抵抗部材２２１ａが、互いに電気的に接続されているとともに、第２絶縁層２０２に形成された複数の抵抗部材２２２ａが、互いに電気的に接続されている。このため、第１絶縁層２０１に形成された１つの抵抗部材２２１ａは、第２絶縁層２０２に形成された２つ以上の抵抗部材２２２ａと電気的に接続されている。

配線部材２３４は、第２絶縁層２０２の片面（図７では上面）に形成された導体パターンで構成されている。この導体パターンは、第１、第２信号線２３１、２３２を構成する導体パターンと同じ導体箔で形成される。したがって、配線部材２３４は、抵抗体２２０を構成する各抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａよりも抵抗値が小さい。配線部材２３４は、第２絶縁層２０２のうち複数の抵抗部材２２２ａが形成された領域に対向するとともに、第１絶縁層２０１のうち複数の抵抗部材２２１ａが形成された領域と対向する位置に配置されている。

また、本実施形態では、第１絶縁層２０１に形成された抵抗部材２２１ａと、第２絶縁層２０２に形成された抵抗部材２２２ａとは、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに平行な方向で互いに離間して配置されている。なお、以下では、第１絶縁層２０１に形成された抵抗部材２２１ａを第１抵抗部材２２１ａと呼び、第２絶縁層２０２に形成された抵抗部材２２２ａを第２抵抗部材２２２ａと呼ぶこともある。

換言すると、第１抵抗部材２２１ａの中心位置と、第２抵抗部材２２２ａの中心位置との第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに平行な方向での距離Ｄが、第１抵抗部材２２１ａの半径ｄ１と、第２抵抗部材２２２ａの半径ｄ２の合計よりも大きくなっている（Ｄ＞ｄ１＋ｄ２）。

次に、本実施形態の特徴について説明する。

（１）第１実施形態のように、第１抵抗部材２２１ａと、第２抵抗部材２２２ａとが、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに平行な方向で同じ位置に配置されている場合では、各抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａが、各絶縁層２０１、２０２、２０３よりも剛性が高いため、隣り合うセルの間に測定板２を挟み込んで加圧したときに、各抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａが出っ張り、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに凹凸が生じてしまう。このため、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａのそれぞれと対向するセル１０ａの表面との間に隙間が生じ、接触抵抗が増大してしまう。

これに対して、本実施形態では、第１抵抗部材２２１ａと、第２抵抗部材２２２ａとが互いに離間して配置されている。これにより、隣り合うセルの間に測定板２を挟み込んで加圧したときに、各抵抗部材２２１ａ、２２２ａ、２２３ａが出っ張ることを抑えて、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに凹凸が生じることを抑制できる。このため、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａのそれぞれと対向するセル１０ａの表面とを密着させることができ、接触抵抗を減らすことができる。

ただし、第１抵抗部材２２１ａと第２抵抗部材２２２ａとが離れすぎると、両者を電気的に接続する配線部材２３４の距離が長くなって抵抗値が増えてしまうため、両者の離間距離は短いことが好ましい。具体的には、両者の間における配線部材２３４の抵抗値が、１層の絶縁層に形成された１つの抵抗部材の抵抗値の２０％以下になるように、両者の離間距離を設定することが望ましい。

（２）第１実施形態のように、第１絶縁層２０１に形成された複数の抵抗部材２２１ａが多層基板の内部で互いに電気的に接続されていない場合、第１、第２電極２１１、２１２の表面２１１ａ、２１２ａに凹凸が生じている等の理由によって、第１絶縁層２０１に形成された複数の抵抗部材２２１ａのうち一部の抵抗部材２２１ａにしか電流が流れなかったときに、見かけの抵抗値が変化してしまうため、電流測定の精度が悪化してしまう。

これに対して、本実施形態では、配線部材２３４によって、第１絶縁層２０１に形成された複数の第１抵抗部材２２１ａが多層基板の内部で互いに電気的に接続されているとともに、第２絶縁層２０２に形成された複数の第２抵抗部材２２２ａが多層基板の内部で互いに電気的に接続されている。

これによれば、複数の第１抵抗部材２２１ａのうち一部の第１抵抗部材２２１ａにしか電流が流れなかったときでも、複数の第２抵抗部材２２２ａに電流が分配されるため、見かけの抵抗値の変化を抑制でき、電流測定の精度の悪化を抑制できる。

（第３実施形態）
本実施形態は、第１実施形態の電流測定部２ａの構造を変更したものであり、その他の構成は、第１実施形態と同じである。

図８に示すように、本実施形態の電流測定部２ａでは、抵抗体１２０が一面１２０ａと他面１２０ｂを有する薄膜で構成されており、抵抗体１２０の一面１２０ａが第１電極１１１に直接接続され、他面１２０ｂが第２電極１１２に直接接続されている。なお、薄膜とは、支持体の表面上に
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等の成膜法で形成されるものであり、自立して形状を維持できないものである。

具体的には、隣り合うセル１０ａの一方のセル１０ａが有するセパレータ１０１の表面（図８では下面）に、薄膜で構成された第１電極１１１と絶縁体１４１とが成膜されている。セパレータ１０１の表面および第１電極１１１と絶縁体１４１の表面に、第１信号線１３１が成膜されている。第１信号線１３１は、第１電極１１１と電気的に接続されている。さらに、第１電極１１１のセパレータ１０１側の表面１１１ａとは反対側の表面１１１ｂに、薄膜で構成され、第１電極２１１よりも小さな面積の抵抗体１２０が成膜されている。

一方、隣り合うセル１０ａの他方のセル１０ａが有するセパレータ１０２の表面（図８では上面）に、薄膜で構成された第２電極２１２と絶縁体１４２とが成膜されている。セパレータ１０２の表面および第２電極１１２と絶縁体１４２の表面に、第２信号線１３２が成膜されている。第２信号線１３２は、第２電極１１２と電気的に接続されている。第２電極１１２のセパレータ１０２側の表面１１２ａとは反対側の表面１１２ｂが、抵抗体１２０と接触している。第２電極１１２と抵抗体１２０は、複数のセル１０ａが積層された際に、加圧されることで接触が維持される。

このように、本実施形態では、第１、第２実施形態のように、測定板２に電流測定部２ａが形成されているのではなく、セパレータ１０１、１０２に対して、直接、電流測定部２ａが形成されている。

なお、本実施形態の第１電極１１１、第２電極１１２、第１信号線１３１、第２信号線１３２は、第１実施形態の第１電極２１１、第２電極２１２、第１信号線２３１、第２信号線２３２に対応するものである。また、セパレータ１０１、１０２は、各セル１０ａにおける燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給経路を構成するとともに、隣り合うセル１０ａの供給経路を分離するものである。セパレータ１０１、１０２は、金属や導電性セラミックス等の導電性材料で構成されている。

本実施形態では、第１電極１１１、第２電極１１２、第１信号線１３１、第２信号線１３２は、金、チタン、アルミニウムなどの蒸着により成膜されている。絶縁体１４１、１４２は、二酸化珪素の蒸着やポリイミドのスピンコートにより成膜されている。

また、抵抗体１２０は、第１、第２電極１１１、１２１および第１、第２信号線１３１、１３２よりも電気抵抗率が高い材料によって成膜されている。抵抗体１２０の電気抵抗率ρは、１ｍΩ・ｍ〜１Ω・ｍ程度であることが好ましい。そこで、本実施形態では、抵抗体１２０は、セラミックスと金属という２種類の材料の混合蒸着により成膜されている。

本実施形態の電流測定装置１による電流測定方法は、第１実施形態と同様である。なお、本実施形態においても、第１信号線１３１が第１電極１１１に直接接続されており、第２信号線１３２が第２電極１１２に直接接続されているので、第１信号線１３１と第２信号線１３２の間の電位差は、第１電極１１１と第２電極１１２の間の電位差ΔＶと等しい。

以上の説明の通り、本実施形態の電流測定部２ａでは、第１信号線１３１が、第１電極１１１の表面上に成膜された絶縁体１４１の表面に形成されている。同様に、第２信号線１３２が、第２電極１１２の表面上に成膜された絶縁体１４２の表面に形成されている。このため、第１実施形態と同様に、第１、第２信号線１３１、１３２が、それぞれ、第１、第２電極１１１、１１２の表面１１１ａ、１１２ａに対して平行に延伸して配置されている。

そして、抵抗体１２０の一面１２０ａが第１電極１１１に接続され、他面１２０ｂが第２電極１１２に接続されている。このため、電流測定部２ａを電流が通過する際では、第１実施形態と同様に、抵抗体１２０の内部を電流が第１、第２電極１１１、１１２の表面１１１ａ、１１２ａに対して垂直な方向に流れる。

よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１、第２信号線１３１、１３２が抵抗体１２０から受ける相互インダクタンスの影響を小さくできる。したがって、本実施形態によれば、比較例１の平板状の第１、第２抵抗部が対称に配置された構造を不要にできるので、この構造を採用した場合と比較して、電流測定部２ａの薄型化が可能となる。

さらに、本実施形態では、第１電極１１１と第２電極１１２で、直接、抵抗体１２０を挟む構造を採用している。このため、第１電極と抵抗体との間や、第２電極と抵抗体との間に絶縁層を配置する構造と比較して、電流測定部２ａの薄型化が可能である。

また、本実施形態では、第１電極１１１、第２電極１１２、第１信号線１３１、第２信号線１３２および抵抗体１２０を薄膜で構成している。蒸着で成膜された薄膜は、例えば、数十μｍ以下となる。したがって、本実施形態によれば、電流測定部２ａが多層基板で構成される場合と比較して、電流測定部２ａの薄型化が可能である。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、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。

（１）第３実施形態では、抵抗体１２０を、２種類の材料の混合蒸着で成膜したが、所望の電気抵抗率が得られれば、１種類の材料の蒸着で成膜したり、３種類以上の材料の混合蒸着で成膜したりしてもよい。また、第３実施形態では、電流測定部２ａを構成する薄膜状の各構成部を蒸着で成膜したが、他の物理的成膜法によって成膜したり、化学的成膜法（ＣＶＤ）で成膜したりしてもよい。

（２）第３実施形態では、抵抗体１２０を第１電極１１１に成膜し、セル１０ａの積層の際に、抵抗体１２０と第２電極１１２とを接触させたが、抵抗体１２０を第２電極１１２に成膜し、セル１０ａの積層の際に、抵抗体１２０と第１電極１１１とを接触させてもよい。また、抵抗体を第１電極１１１と第２電極１１２の両方に成膜し、セル１０ａの積層の際に、第１電極１１１と第２電極１１２の両方に成膜した抵抗体同士を接触させてもよい。

（３）上記各実施形態では、複数の電流測定部２ａが、測定板２の面方向にマトリックス状に配置されていたが、他の配置であってもよい。例えば、セル１０ａの面内における空気入口部付近や水素入口部付近等の特定の領域に対応させて、測定板２の一部分のみに１つもしくは複数の電流測定部２ａを配置してもよい。

（４）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

１ 電流測定装置
１１１ 第１電極
１１２ 第２電極
１２０ 抵抗体
１３１ 第１信号線
１３２ 第２信号線
２１１ 第１電極
２１２ 第２電極
２２０ 抵抗体
２３１ 第１信号線
２３２ 第２信号線
３ 電流検出回路（電流検出手段）
４ 電圧センサ（電流検出手段）
１０ 燃料電池
１０ａ セル

Claims (6)

1. 燃料電池（１０）の隣り合うセル（１０ａ）の間に配置され、前記隣り合うセルの一方と接する第１電極（２１１、１１１）と、前記隣り合うセルの他方と接する第２電極（２１２、１１２）と、前記第１、第２電極の間に位置し、前記第１、第２電極と電気的に接続され、前記第１、第２電極よりも抵抗値が大きな抵抗体（２２０、１２０）と、前記第１、第２電極の間の電位差を取り出す第１信号線（２３１、１３１）および第２信号線（２３２、１３２）とを有する電流測定部（２ａ）と、
   前記第１、第２信号線で取り出した電位差と、前記第１、第２電極の間の電流経路の抵抗値とに基づいて、前記隣り合うセルの一方から他方に向けて前記電流測定部を通過する電流を検出する電流検出手段（３、４）とを備え、
   前記第１、第２信号線は、それぞれ、前記第１、第２電極の間において、前記隣り合うセルのそれぞれと接する前記第１、第２電極の表面（２１１ａ、２１２ａ、１１１ａ、１１２ａ）に対して平行に延伸しており、
   前記抵抗体は、前記抵抗体の内部を電流が前記第１、第２電極の表面に対して垂直な方向に流れるように配置されていることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記電流測定部は、前記第１、第２電極の間に配置された絶縁層（２０１、２０２、２０３）を有し、
   前記抵抗体は、前記第１、第２電極の表面に垂直な方向にて前記絶縁層の両面を貫通して形成された貫通孔（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ）に対して、前記抵抗体を構成する抵抗部材（２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ）が埋め込まれることによって形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. 前記抵抗体は、前記絶縁層内に互いに離間して形成された複数の前記貫通孔に対して、前記抵抗部材が埋め込まれることによって形成されており、
   複数の前記貫通孔に埋め込まれた前記抵抗部材は、前記第１、第２電極の間に配置され、前記抵抗部材よりも抵抗値が小さな配線部材（２３４）によって、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電流測定装置。
4. 前記電流測定部は、前記第１、第２電極の間に積層して配置された第１絶縁層（２０１）と第２絶縁層（２０２）を有し、
   前記抵抗体は、前記第１、第２電極の表面に垂直な方向にて前記第１絶縁層の両面を貫通するとともに、前記第１絶縁層内で互いに離間して形成された複数の第１貫通孔（２０１ａ）に埋め込まれた第１抵抗部材（２２１ａ）と、前記第２絶縁層の両面を貫通するとともに、前記第１、第２電極の表面に垂直な方向に延伸し、前記第２絶縁層内で互いに離間して形成された複数の第２貫通孔（２０２ａ）に埋め込まれた第２抵抗部材（２２２ａ）とを有して構成され、
   前記第１、第２抵抗部材は、前記第１、第２電極の表面に平行な方向で互いに離間して配置されており、
   １つの前記第１抵抗部材は、前記第１、第２抵抗部材よりも抵抗値が小さな配線部材（２３４）によって、１つ以上の前記第２抵抗部材と電気的に接続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。
5. １つの前記第１抵抗部材は、前記配線部材によって、２つ以上の前記第２抵抗部材と電気的に接続され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. 前記抵抗体（１２０）は、成膜法によって形成されるとともに、一面と他面を有する薄膜で構成されており、前記一面が前記第１電極（１１１）に直接接続されているとともに、前記他面が前記第２電極（１１２）に直接接続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。
   
   

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