JP2017058329A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セルにおける電流の回り込みを抑えて、セルから出力された電流の測定精度の向上を図ることが可能な電流測定装置を提供する。【解決手段】セル１０ａに接する第１電極部１１１、第１電極部１１１と反対側に配置された第２電極部１１２、第１電極部１１１と第２電極部１１２とを電気的に接続する電流検知用抵抗体１１３を含んで構成される検知部１１０と、検知部１１０における第１電極部１１１と第２電極部１１２との電位差を測定する電圧センサ５２と、電圧センサ５２の検出値および電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値に基づいてセル１０ａにおける検知部１１０に対応する部位の電流値を測定する演算処理部５１と、を備える。そして、電流検知用抵抗体１１３は、第１電極部１１１側からの電流が複数の電流経路１１３ｃ、１１３ｄを介して第２電極部１１２側に流れるように電気的に分割された構成となっている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池のセルに流れる電流を測定する電流測定装置に関する。

従来、セルに隣接して配置された板状部材の両面に配置した一対の電極を抵抗体で接続し、一対の電極間の電位差および抵抗体の電気抵抗値に基づいて、燃料電池のセルに流れる電流を測定する電流測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８０６４３号公報

ところで、従来の如く、セルに隣接配置した板状部材に電流を検知する検知部を設ける構成では、セルの検知部に対向する測定対象部位を流れる電流が、セルの面内で拡散して、検知部の周囲に流れ込むことがある。このようなセルにおける電流の回り込みは、セルの測定対象部位から出力された電流を電流測定装置にて測定する際の測定精度を悪化させる要因となることから好ましくない。

そこで、本発明者らは、セルにおいて電流の回り込みが生ずる原因について検討した。この結果、従来の検知部では、セルの測定対象部位から出力された電流が検知部に流れ込む際、板状部材におけるセルに接する一面側に配置された電極部の電気抵抗値が増加し易い構造となっていることが、電流の回り込みが生ずる一因であることが判った。

これに対して、本発明者らは、電極部にて電気抵抗値が増加し易い要因について鋭意検討した。この結果、抵抗体が単一の電流経路となる一本形状となっていることが電極部の電気抵抗値を増加させる要因となっていることを見出した。すなわち、従来の検知部では、抵抗体が単一の電流経路となる一本形状となっており、セルの測定対象部位から出力された電流が電極部を介して抵抗体の電流経路に対して集中して流れる。

この際、電極部では、セルの測定対象部位から出力された電流が電極部と抵抗体との接続部に向かって集中して流れる。これにより、電極部では、板状部材の厚み方向だけでなく、板状部材の板面に沿う面内にも流れ易くなり、板状部材の板面に沿う面内の電気抵抗値が増えることで、第１の電極部全体としての電気抵抗値が増加してしまうのである。

本発明は上記点に鑑みて、セルにおける電流の回り込みを抑えて、セルから出力された電流の測定精度の向上を図ることが可能な電流測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層して構成される燃料電池（１０）のセルを流れる電流を測定する電流測定装置を対象としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
複数のセルのうち、少なくとも１つのセルに隣接して配置される板状部材（１００）と、
板状部材におけるセルに接する高電位側に配置された第１電極部（１１１）、板状部材における第１電極部と反対の低電位側に配置された第２電極部（１１２）、第１電極部と第２電極部との間に配置されて第１電極部と第２電極部とを電気的に接続する電流検知用抵抗体（１１３）を含んで構成される少なくとも１つの検知部（１１０）と、
検知部における第１電極部側の電位と第２電極部側の電位との電位差を測定する電位差測定部（５２）と、
少なくとも電位差測定部の検出値および電流検知用抵抗体の電気抵抗値に基づいて、セルにおける検知部に対応する部位の電流値を測定する電流測定部（５１）と、を備える。

そして、電流検知用抵抗体は、第１電極部側からの電流が複数の電流経路（１１３ｃ、１１３ｄ）を介して第２電極部側に流れるように、少なくとも一部が電気的に分割された構成となっている。

このように、各電極部間を複数の電流経路を介して電流が流れるように、電流検知用抵抗体を分割する構成とすれば、電流検知用抵抗体における電流の流れが各電流経路に分散する。これにより、セルから第１電極部と電流検知用抵抗体との接続部に流れ込む電流の集中を抑えることができる。この結果、第１電極部における板状部材の板面に沿う電気抵抗値の増加を抑えてセルにおける電流の回り込みを抑えることができるので、電流測定装置によるセルから出力された電流の測定制度の向上を図ることが可能となる。

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の一例を示すものである。

第１実施形態の電流測定装置を適用した燃料電池を備える燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態の電流測定装置を適用した燃料電池の斜視図である。 第１実施形態の電流測定装置を構成する電流測定板の正面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 比較例の電流測定装置の検知部における電流の流れを示す模式図である。 第１実施形態の電流測定装置の検知部の各層を示す分解図である。 第１実施形態の検知部の電流検知用抵抗体の電流経路を示す正面図である。 第１実施形態の電流測定装置の検知部における電流の流れを示す模式図である。 第１実施形態の電流測定装置における検知部の製造過程を説明するための説明図である。 第１実施形態の電流測定装置を構成する電流測定板の正面図である。 第１実施形態の電流測定装置の各検知部における測定電流の分布を説明するための説明図である。 第１実施形態の検知部の電流検知用抵抗体の電流経路の変形例１を示す正面図である。 第１実施形態の検知部の電流検知用抵抗体の電流経路の変形例２を示す正面図である。 第１実施形態の検知部の電流検知用抵抗体の電流経路の変形例３を示す正面図である。 第１実施形態の検知部の電流検知用抵抗体の電流経路の変形例４を示す正面図である。 第２実施形態の電流測定装置の検知部における電流検知用抵抗体の一部を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。

また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。本実施形態の電流測定装置５は、図１に示す燃料電池システム１に適用している。この燃料電池システム１は、例えば、電気自動車の一種である燃料電池自動車に適用されるシステムである。

燃料電池システム１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する燃料電池１０を備える。燃料電池１０は、図示しない電気負荷や二次電池等の電気機器に対して電力を供給する電力供給源を構成する。なお、燃料電池１０を搭載する燃料電池自動車では、車両走行用の駆動源となる電動モータが前述の電気負荷に相当する。

本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池（PEFC：Proton Exchange membrane Fuel Cell）を採用している。燃料電池１０は、基本単位となるセル１０ａを一対の集電板１１、１２の間に複数積層配置したスタック構造となっている。燃料電池１０を構成する複数のセル１０ａは、電気的に直列に接続されている。セル１０ａは、図示しないが電解質膜の両側面に電極が配置された膜電極接合体ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）、ＭＥＡを狭持するガス拡散層ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer）、および反応ガスのガス流路が形成されたセパレータで構成されている。なお、ＭＥＡは、セル１０ａにおいて電力を出力する部材である。また、ＧＤＬやセパレータＳは、反応ガスをＭＥＡに供給するための部材である。

燃料電池１０は、以下に示す水素と酸素との電気化学反応により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
本実施形態の燃料電池１０には、セル１０ａの面内における局所部位を流れる電流を測定する電流測定装置５が接続されている。電流測定装置５は、板状部材である電流測定板１００がセル１０ａに隣接して配置されている。電流測定装置５の詳細については後述する。

燃料電池システム１には、燃料電池１０の各セル１０ａの正極側に空気を供給する空気供給経路２０ａ、燃料電池１０の各セル１０ａの正極側を通過した後の空気を排出する空気排出経路２０ｂが接続されている。

空気供給経路２０ａの上流側には、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が設けられている。また、空気供給経路２０ａには、空気ポンプ２１と燃料電池１０との間に空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。さらに、空気排出経路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。

燃料電池システム１には、燃料電池１０の各セル１０ａの負極側に水素を供給する水素供給経路３０ａ、燃料電池１０の各セル１０ａの負極側に溜まった不純物や未反応水素等を排出する水素排出経路３０ｂが接続されている。

水素供給経路３０ａの上流側には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられている。また、水素供給経路３０ａには、高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間に、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。

水素排出経路３０ｂには、セル１０ａの内部で生成される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、負極側において生成水は発生しないものの、正極側から各セル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、水素排出経路３０ｂに対して電磁弁３４を設けている。

水素排出経路３０ｂには、水素供給経路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉回路を構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素排出経路３０ｂを流れる未反応水素等を水素供給経路３０ａへ戻すための水素ポンプ３３が設けられている。

ここで、燃料電池１０は、発電効率を確保するために運転中の温度を一定温度（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、およびファン４２を備えた放熱器４３が設けられている。

冷却水経路４０には、放熱器４３を迂回して冷却水を流す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との接続部には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整する流量調整弁４５が設けられている。

また、冷却水経路４０には、燃料電池１０の冷却水出口部付近に、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度センサ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可能となっている。

燃料電池システム１には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる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。

制御装置５０の出力側には、制御対象機器として、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、流量調整弁４５等が接続されている。各種制御対象機器は、制御装置５０からの出力信号に応じて作動が制御される。

また、制御装置５０の入力側には、温度センサ４６、電流測定装置５の演算処理部５１が接続されている。制御装置５０には、電流測定装置５で測定されたセル１０ａの面内における電流情報が入力される。

次に、電流測定装置５について説明する。図２に示すように、電流測定装置５は、セル１０ａに隣接して配置された電流測定板１００、後述する各検知部１１０に生ずる電位差を検出する電圧センサ５２、各検知部１１０を流れる電流値を測定する演算処理部５１を有している。

電流測定板１００は、セル１０ａに隣接して配置された板状部材である。本実施形態の電流測定板１００は、電流の測定対象となるセル１０ａの電流流れ下流側に配置されている。なお、本実施形態では、電流測定板１００を隣り合うセル１０ａの間に配置しているが、これに限らず、例えば、電流測定板１００をセル１０ａと一対の集電板１１、１２の一方との間に配置してもよい。

図３に示すように、電流測定板１００には、セル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力される電流を検知するための複数の検知部１１０が設けられている。本実施形態の電流測定板１００には、セルの発電領域に対向する部位に格子状に並ぶように複数の検知部１１０が設けられている。より具体的には、本実施形態では、図３の紙面上下方向に所定の間隔をあけて６個、図３の紙面左右方向に所定の間隔をあけて３個の検知部１１０が並ぶように配列されている。

また、本実施形態の検知部１１０は、セル１０ａの積層方向（図３の紙面に直交する方向）から見たときの形状が矩形状となるように構成されている。具体的には、検知部１１０は、一方向（紙面左右方向）に延びる一対の辺の寸法Ｌａが、一方向に直交する方向（紙面上下方向）に延びる一対の辺の寸法Ｌｂよりも長くなっている。

図４に示すように、検知部１１０は、導体層が図示しない絶縁層を介して複数積層された積層基板で構成されている。本実施形態の検知部１１０は、４つの導体層Ｌ１〜Ｌ４を積層した４層基板で構成されている。導体層等には、例えば、銅箔等の薄膜状の導電体が用いられている。また、絶縁層には、例えば、絶縁性を有するガラスエポキシ基板や絶縁性接着剤が用いられている。

検知部１１０は、電流測定板１００の外側両面の導体層で構成される第１電極部１１１および第２電極部１１２、並びに、電流測定板１００の内側の導体層で構成される電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａおよび第２抵抗部１１３ｂを有している。

また、検知部１１０には、各導体層を接続する層間接続部として上流側接続部１１４、中間接続部１１５、下流側接続部１１６が形成されている。各接続部１１４〜１１６は、各導体層を結ぶ複数のビアホールにより形成されている。

本実施形態では、第１電極部１１１と第１抵抗部１１３ａとが上流側接続部１１４で電気的に接続されている。また、本実施形態では、第１抵抗部１１３ａと第２抵抗部１１３ｂとが中間接続部１１５で電気的に接続され、第２抵抗部１１３ｂと第２電極部１１２とが下流側接続部１１６で電気的に接続されている。

第１電極部１１１は、電流測定板１００における電流の測定対象となるセル１０ａに接する高電位側に配置されている。第１電極部１１１は、銅等の導電性に優れた金属で構成されている。また、本実施形態の第１電極部１１１は、腐食防止のために、その外表面が金メッキ１１１ａにより覆われている。

第２電極部１１２は、電流測定板１００における第１電極部１１１と反対の低電位側に配置されている。第２電極部１１２は、第１電極部１１１と同様に、銅等の導電性に優れた金属で構成されている。また、本実施形態の第２電極部１１２は、腐食防止のために、その外表面が金メッキ１１２ａにより覆われている。

電流検知用抵抗体１１３は、所定の電気抵抗値を有し、第１電極部１１１および第２電極部１１２を電気的に接続する抵抗体である。本実施形態の電流検知用抵抗体１１３は、第１電極部１１１側の導体層で構成される第１抵抗部１１３ａ、および第２電極部１１２側の導体層で構成される第２抵抗部１１３ｂを有している。第１抵抗部１１３ａおよび第２抵抗部１１３ｂは、薄板状に構成された基板１１０ａの両面に形成されている。

これにより、検知部１１０では、セル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力される電流が、図４の点線矢印Ｉで示すように、第１電極部１１１→上流側接続部１１４→第１抵抗部１１３ａ→中間接続部１１５→第２抵抗部１１３ｂ→下流側接続部１１６→第２電極部１１２へと流れる。

また、検知部１１０には、第１電極部１１１および第２電極部１１２に対して電圧センサ５２が接続されている。電圧センサ５２は、第１電極部１１１側の電位と第２電極部１１２側の電位との電位差を測定する。本実施形態では、電圧センサ５２が電位差測定部を構成している。

そして、電圧センサ５２の出力側には、演算処理部５１が接続されている。演算処理部５１は、電圧センサ５２の検出値、および予めメモリに記憶された電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値に基づいて、セル１０ａにおける検知部１１０に対応する部位の電流値を測定する。本実施形態では、演算処理部５１が電流測定部を構成している。

ここで、図５は、本実施形態の比較例となる電流測定装置５の検知部１１０における電流の流れを説明するための説明図である。比較例の電流測定装置５の検知部１１０は、図５に示すように、電流検知用抵抗体１１３が単一の電流経路となる一本形状で形成されている。また、比較例の電流測定装置５の検知部１１０は、第１電極部１１１と電流検知用抵抗体１１３とを接続する上流側接続部１１５が検知部１１０における一対の短辺の一方に沿って並ぶように形成されている。

このように構成される比較例の検知部１１０では、セル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力された電流が、ガス拡散層ＧＤＬ、セパレータＳ、および第１電極部１１１を介して電流検知用抵抗体１１３の単一の電流経路に対して集中して流れる。これにより、セル１０ａのセパレータＳから上流側接続部１１５に流れ込む電流が集中することで、第１電極部１１１で電流測定板１００の板面に沿う面内に電流が流れ易くなり、電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値が増える。すなわち、第１電極部１１１全体としての電気抵抗値が増加することになる。この結果、セル１０ａにおける検知部１１０に対向する部位を流れる電流の一部が、セル１０ａの面内で拡散して、検知部１１０ではなく、検知部１１０の周囲に流れ込むといった電流の回り込みが発生してしまう。

これに対して、本実施形態では、電流検知用抵抗体１１３における電流の集中した流れを避けるために、各電極部１１１、１１２間を複数の電流経路１１３ｃ、１１３ｄを介して電流が流れるように、電流検知用抵抗体１１３の一部を電気的に分割している。

また、本実施形態では、第１電極部１１１における電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値の増加を抑えるために、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の長辺に沿って並ぶように設けている。

具体的には、本実施形態では、図６に示すように、第１電極部１１１の一対の長辺の一方に沿って並ぶ第１上流側接続部１１４ａ、第１電極部１１１の一対の長辺の他方に沿って並ぶ第２上流側接続部１１４ｂにより上流側接続部１１４を構成している。

また、本実施形態では、第２電極部１１２の一対の長辺の一方に沿って並ぶ第１下流側接続部１１６ａ、第２電極部１１２の一対の長辺の他方に沿って並ぶ第２下流側接続部１１６ｂにより下流側接続部１１６を構成している。

さらに、本実施形態では、第１抵抗部１１３ａの第１上流側接続部１１４ａと第２上流側接続部１１４ｂとの間、且つ、第２抵抗部１１３ｂの第１下流側接続部１１６ａと第２下流側接続部１１６ｂとの間に中間接続部１１５を形成している。

そして、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａは、第１上流側接続部１１４ａと中間接続部１１５との間、および第２上流側接続部１１４ｂと中間接続部１１５との間に、複数の電流経路１１３ｃが形成されるように、電気的に分割されている。本実施形態の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃは、図７に示すように、検知部１１０の長辺に沿う方向の幅が同様であり、且つ、検知部１１０の短辺に沿う方向に直線状に延びる形状に形成されている。

また、電流検知用抵抗体１１３の第２抵抗部１１３ｂは、第１下流側接続部１１６ａと中間接続部１１５との間、および第２下流側接続部１１６ｂと中間接続部１１５との間に、複数の電流経路１１３ｄが形成されるように、電気的に分割されている。

本実施形態の第２抵抗部１１３ｂに形成された複数の電流経路１１３ｄは、第１抵抗部１１３ａの複数の電流経路１１３ｃと同様に、検知部１１０の長辺に沿う方向の幅が同様であり、且つ、検知部１１０の短辺に沿う方向に直線状に延びる形状に形成されている。

さらに、本実施形態の電流検知用抵抗体１１３は、電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値が、第１電極部１１１および第２電極部１１２における電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値よりも大きくなるように構成されている。なお、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値は、例えば、第１抵抗部１１３ａの各電流経路１１３ｃの幅および第２抵抗部１１３ｂの各電流経路１１３ｄの幅を調整することで変更可能である。

このように構成される本実施形態の検知部１１０では、図８に示すように、セル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力された電流が、ガス拡散層ＧＤＬ、セパレータＳ、および第１電極部１１１を介して電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃに分散して流れる。これにより、セル１０ａのガス拡散層ＧＤＬ、セパレータＳから上流側接続部１１４に流れ込む電流の集中が緩和され、第１電極部１１１における電流測定板１００の板面に沿う面内への流れを抑えることができる。この結果、電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値の増加を抑えてセル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みを抑えることができる。

また、本実施形態の検知部１１０では、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の長辺に沿って並ぶように設ける構成としている。これによれば、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の短辺に沿って並ぶように設ける構成に比べて、第１電極部１１１の面内における電流の流れが抑えられるので、第１電極部１１１における電流測定板１００の板面に沿う電気抵抗値を小さくすることができる。これにより、セル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みをより一層抑えることが可能となる。

ここで、本実施形態の電流測定板１００の製造方法について、図９を参照して説明する。まず、両面が金属膜で覆われた基板１１０ａに対して、エッチングにより第１抵抗部１１３ａおよび第２抵抗部１１３ｂのパターンを形成して、電流検知用抵抗体１１３を作成する（エッチング工程）。そして、電流検知用抵抗体１１３に対して複数のビアホールを形成する穴加工を実施して、中間接続部１１５を形成する（第１ビア形成工程）。

続いて、第１電極部１１１、電流検知用抵抗体１１３、第２電極部１１２を、絶縁性接着剤を介在させた状態で積層し、ホットプレスにより一体化する（一体化工程）。そして、第１電極部１１１、電流検知用抵抗体１１３、第２電極部１１２を積層した積層体に対して、複数のビアホールを形成する穴加工を実施して、上流側接続部１１４および下流側接続部１１６を形成する（第２ビア形成工程）。最後に、第１電極部１１１および第２電極部１１２の表面を金メッキ１１１ａ、１１２ａで覆う（表面保護工程）。これら各工程により、電流測定板１００を製造することができる。

次に、本実施形態の電流測定装置５による電流の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、電流測定板１００を挟んで隣り合うセル１０ａの一方から他方へと、電流測定板１００を介して流れる。

そして、電流測定板１００の各検知部１１０では、図４の点線矢印Ｉで示すように電流が流れる。すなわち、検知部１１０では、第１電極部１１１→上流側接続部１１４→第１抵抗部１１３ａ→中間接続部１１５→第２抵抗部１１３ｂ→下流側接続部１１６→第２電極部１１２へと電流が流れる。

このとき、第１抵抗部１１３ａおよび第２抵抗部１１３ｂで構成される電流検知用抵抗体１１３を電流が流れることで、第２電極部１１２の電位が第１電極部１１１の電位に比べて低下する。

本実施形態の電流測定装置５は、第１電極部１１１の電位と第２電極部１１２の電位との電位差を電圧センサ５２により測定する。そして、演算処理部５１は、電圧センサ５２の検出値を、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値で除する演算処理を行うことで、各検知部１１０を通過した電流の大きさ（電流値）を測定する。

制御装置５０では、電流測定装置５で測定した各検知部１１０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、例えば、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１の効率および信頼性を向上させている。

ここで、本実施形態の電流測定装置５における電流の測定精度を検証するために、図５に示す検知部を有する比較例の電流測定装置との電流の測定精度を比較する実験を行った。具体的には、図１０に示す各検知部Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ６、Ｃ１〜Ｃ６のうち、検知部Ｃ６に対向するセル１０ａの局所部位に対して所定の電流（例えば、１アンペア）を印加した際の各検知部Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ６、Ｃ１〜Ｃ６における測定電流を比較する実験を行った。

この結果、図１１に示すように、本実施形態の電流測定装置５では、比較例の電流測定装置５に比べて、電流を印加したセル１０ａの局所部位に対向する検知部Ｃ６の測定電流が大幅に大きくなっており、電流の測定精度が向上していることが判った。

また、本実施形態の電流測定装置５では、比較例の電流測定装置５に比べて、電流を印加したセル１０ａの局所部位に対向する検知部Ｃ６から離れた検知部の測定電流が大幅に小さくなっており、セル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みが抑制されていることが判った。

以上説明した本実施形態の電流測定装置５では、検知部１１０において各電極部１１１、１１２間を複数の電流経路１１３ｃ、１１３ｄを介して電流が流れるように、電流検知用抵抗体１１３を分割する構成としている。これによれば、電流検知用抵抗体１１３における電流の流れが各電流経路１１３ｃ、１１３ｄに分散する。これにより、セル１０ａのセパレータＳから上流側接続部１１４に流れ込む電流の集中を抑えることができる。この結果、第１電極部１１１における電流測定板１００の板面に沿う電気抵抗値の増加を抑えてセル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みを抑えることができるので、電流測定装置５によるセル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力された電流の測定制度の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の長辺に沿って並ぶように設ける構成としている。これによれば、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の短辺に沿って並ぶように設ける構成に比べて、第１電極部１１１における電流測定板１００の板面に沿う電気抵抗値を小さくすることができる。これにより、セル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みをより一層抑えることが可能となる。

特に、本実施形態では、電流測定板１００に対して、セル１０ａの発電領域に対向する部位に格子状に並ぶように検知部１１０を複数設ける構成としている。このように、セル１０ａの発電領域から出力される電流を複数の検知部１１０で検知する構成とすれば、セル１０ａの面内における電流の分布を測定することが可能となる。

また、本実施形態では、電流検知用抵抗体１１３における電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値を、第１電極部１１１および第２電極部１１２における電流測定板１００の板面に沿う面内の電気抵抗値よりも大きくなるように構成している。これによれば、第１電極部１１１と第２電極部１１２との間の電位差が大きくなるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

さらに、本実施形態では、電流検知用抵抗体１１３を第１電極部１１１と第２電極部１１２との間に配置すると共に、電圧センサ５２を第１電極部１１１および第２電極部１１２に接続している。このように、電圧センサ５２を第１電極部１１１および第２電極部１１２に接続する構成とすれば、第１電極部１１１と第２電極部１１２との間の電位差が大きくなるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、電流検知用抵抗体１１３に形成された複数の電流経路１１３ｃ、１１３ｄの形状を検知部１１０の短辺に沿う直線状の形状とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、以下の変形例１〜４に示す電流経路１１３ｃの形状を採用することができる。なお、以下の変形例１〜４では、第１抵抗部１１３ａにおける複数の電流経路１１３ｃと、第２抵抗部１１３ｂにおける複数の電流経路１１３ｄとが同様であることから、第２抵抗部１１３ｂにおける複数の電流経路１１３ｄの説明を省略する。

（変形例１）
第１実施形態の変形例１について、図１２を参照して説明する。図１２は、第１実施形態の電流検知用抵抗体１１３の各電流経路１１３ｃの形状を変更した変形例を示しており、第１実施形態の図７に対応している。

図１２に示すように、変形例１では、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃの形状を蛇行状の形状としている。これによれば、複数の電流経路１１３ｃが長くなるので、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を充分に確保することができる。これにより、第１電極部１１１と第２電極部１１２との間の電位差が大きくなるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

ここで、複数の電流経路１１３ｃの幅を狭くすることでも、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を確保可能であるが、この場合は、電流検知用抵抗体１１３の温度上昇が懸念される。このため、変形例１の如く、複数の電流経路１１３ｃの長さを大きくする方が望ましい。

（変形例２）
第１実施形態の変形例２について、図１３を参照して説明する。図１３は、第１実施形態の電流検知用抵抗体１１３の各電流経路１１３ｃの形状を変更した変形例を示しており、第１実施形態の図７に対応している。

図１３に示すように、変形例２では、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃにおける検知部１１０の長辺に沿う方向の幅を異なる幅形状としている。すなわち、検知部１１０における短辺側に近い電流経路１１３ｃの幅を検知部１１０における短辺側から離れた電流経路１１３ｃの幅よりも小さくしている。これにより、検知部１１０における短辺側に近い電流経路１１３ｃの電気抵抗値を大きくしている。これによっても、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を充分に確保することができるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

（変形例３）
第１実施形態の変形例３について、図１４を参照して説明する。図１４は、第１実施形態の電流検知用抵抗体１１３の各電流経路１１３ｃの形状を変更した変形例を示しており、第１実施形態の図７に対応している。

図１４に示すように、変形例３では、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃの形状をＬ字状に曲折させた形状としている。これによっても、複数の電流経路１１３ｃが長くなるので、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を充分に確保することができる。これにより、第１電極部１１１と第２電極部１１２との間の電位差が大きくなるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

ここで、変形例３では、複数の電流経路１１３ｃの形状をＬ字状に曲折させた形状としているが、これに限らず、複数の電流経路１１３ｃの形状をＣ字状に曲折させた形状としてもよい。このことは、以下の変形例４においても同様である。

（変形例４）
第１実施形態の変形例４について、図１５を参照して説明する。図１５は、第１実施形態の電流検知用抵抗体１１３の各電流経路１１３ｃの形状を変更した変形例を示しており、第１実施形態の図７に対応している。

図１５に示すように、変形例４では、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃのうち、短辺側から離れた電流経路を直線状の形状とし、短辺側に近い電流経路をＬ字状、および逆Ｌ字状に曲折させた形状としている。具体的には、変形例４では、直線状の形状とした電流経路１１３ｃを基準として、短辺側に近い電流経路１１３ｃを対称となる形状としている。これによっても、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を充分に確保することができるので、電圧センサ５２によって各電極部１１１、１１２との間の電位差が測定し易くなる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１６を参照して説明する。図１６に示すように、本実施形態の検知部１１０には、電流検知用抵抗体１１３の熱を放出する放熱部１１７が設けられている。放熱部１１７は、熱伝導率の高い金属膜により構成されている。

本実施形態の放熱部１１７は、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃの間に配置されており、伝熱経路１１７ａを介して隣り合う電流経路１１３ｃの一方に接続されている。なお、図示しないが、電流検知用抵抗体１１３の第１抵抗部１１３ａに形成された複数の電流経路１１３ｃの間にも、放熱部１１７が配置されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の電流測定装置５は、第１実施形態と同様に、セル１０ａのガス拡散層ＧＤＬやセパレータＳにおける電流の回り込みを抑えることができるので、電流測定装置５によるセル１０ａの膜電極接合体ＭＥＡから出力された電流の測定制度の向上を図ることが可能となる。

加えて、本実施形態では、検知部１１０に対して放熱部１１７を追加し、電流検知用抵抗体１１３を電流が流れる際に生ずる熱を放熱部１１７で放出する構成としている。これによれば、電流検知用抵抗体１１３の温度上昇に伴う電気抵抗値の変化を抑えて、電流測定装置５による電流の測定精度の向上を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、放熱部１１７を電流検知用抵抗体１１３における複数の電流経路１１３ｃ、１１３ｄの間に配置する構成としている。これによれば、検知部１１０に対して、放熱部１１７を配置するスペースを別に確保する必要がないので、放熱部１１７の追加に伴う検知部１１０の大型化を避けることができる。

（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、本発明は上述の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。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、電流検知用抵抗体１１３を第１電極部１１１側の第１抵抗部１１３ａ、第２電極部１１２側の第２抵抗部１１３ｂといった２層構成とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、電流検知用抵抗体１１３を第１抵抗部１１３ａおよび第２抵抗部１１３ｂの一方で構成してもよい。

（２）上述の各実施形態の如く、第１電極部１１１における電気抵抗値を抑える観点では、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の長辺に沿って並ぶように設ける構成とすることが望ましいが、これに限定されない。例えば、上流側接続部１１４を第１電極部１１１の短辺に沿って並ぶように設ける構成としてもよい。

（３）上述の各実施形態の如く、電流測定板１００に対して複数の検知部１１０を設けることが望ましいが、これに限らず、電流測定板１００に対して１つの検知部１１０を設ける構成としてもよい。

（４）上述の各実施形態の如く、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を第１電極部１１１および第２電極部１１２における電気抵抗値よりも大きくなるように構成することが望ましいが、これに限定されない。例えば、電流検知用抵抗体１１３の電気抵抗値を第１電極部１１１および第２電極部１１２における電気抵抗値と同等の電気抵抗値となるように構成してもよい。

（５）上述の各実施形態の如く、電圧センサ５２を第１電極部１１１および第２電極部１１２に接続する構成とすることが望ましいが、これに限定されない。例えば、電圧センサ５２を電流検知用抵抗体１１３における第１電極部１１１側および第２電極部１１２側に接続する構成としてもよい。

（６）上述の実施形態において、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。

（７）上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、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特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（８）上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

５１ 演算処理部（電流測定部）
５２ 電圧センサ（電位差測定部）
１００ 電流測定板（板状部材）
１１０ 検知部
１１１ 第１電極部
１１２ 第２電極部
１１３ 電流検知用抵抗体
１１３ｃ、１１３ｄ 複数の電流経路

Claims (6)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層して構成される燃料電池（１０）の前記セルを流れる電流を測定する電流測定装置であって、
   前記複数のセルのうち、少なくとも１つのセルに隣接して配置される板状部材（１００）と、
   前記板状部材における前記セルに接する高電位側に配置された第１電極部（１１１）、前記板状部材における前記第１電極部と反対の低電位側に配置された第２電極部（１１２）、前記第１電極部と前記第２電極部との間に配置されて前記第１電極部と前記第２電極部とを電気的に接続する電流検知用抵抗体（１１３）を含んで構成される少なくとも１つの検知部（１１０）と、
   前記検知部における前記第１電極部側の電位と前記第２電極部側の電位との電位差を測定する電位差測定部（５２）と、
   少なくとも前記電位差測定部の検出値および前記電流検知用抵抗体の電気抵抗値に基づいて、前記セルにおける前記検知部に対応する部位の電流値を測定する電流測定部（５１）と、を備え、
   前記電流検知用抵抗体は、前記第１電極部側からの電流が複数の電流経路（１１３ｃ、１１３ｄ）を介して前記第２電極部側に流れるように、少なくとも一部が電気的に分割されている電流測定装置。
2. 前記検知部は、前記複数のセルの積層方向から見たときの形状が矩形状となっており、
   前記第１電極部は、前記電流検知用抵抗体に対して複数の上流側接続部（１１４）を介して接続されており、
   前記複数の上流側接続部は、前記第１電極部の長辺に沿って並ぶように設けられている請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記板状部材には、前記セルの発電領域に対向する部位に格子状に並ぶように前記検知部が複数設けられている請求項１または２に記載の電流測定装置。
4. 前記電流検知用抵抗体は、前記板状部材の板面に沿う面内の電気抵抗値が、前記第１電極部および前記第２電極部における前記板状部材の板面に沿う面内の電気抵抗値よりも大きくなるように構成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電流測定装置。
5. 前記検知部は、前記電流検知用抵抗体を電流が流れる際に生ずる熱を放出する放熱部（１１７）を有しており、
   前記放熱部は、前記複数の電流経路の間に配置されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電流測定装置。
6. 前記電位差測定部は、前記第１電極部および前記第２電極部に接続されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電流測定装置。

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