JP4305169B2 - 電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギーを放出するセルを備える電力機器（燃料電池、空気電池、二次電池、キャパシタ等）の局所電流を測定する電流測定装置に関する。

本出願人は、先に電気エネルギーを放出するセルを備える電力機器のセル内の局所電流を測定可能にする電流測定装置を提案している（特願２００３−３３１７１３）。このような電流測定装置によって、例えば燃料電池セルの局所電流を測定することで、燃料電池セルの内部状態を把握することが可能である。そして、燃料電池セルの内部状態を正確に把握するためには燃料電池セルの局所電流を精度よく測定することが要求される。

しかし、燃料電池セルの局所電流を測定する際に、局所電流以外の電流によって発生する磁界が局所電流の測定精度に悪影響を与える。従って、燃料電池セルの局所電流を精度よく測定するためには、局所電流以外の電流によって発生する磁界からの影響を極力小さくする必要がある。

また、上記電流測定装置では局所電流を測定するための局所電流測定センサがセル内部に設置される。このようなセル内部は高温環境になりやすく、局所電流センサに用いられる磁気センサは熱や応力によって劣化が加速し、磁気センサの測定精度に影響を及ぼすという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、電力機器の局所電流を測定する電力測定装置において、局所電流の測定精度を向上させ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、電気エネルギーを放出するセル（１００）を備える電力機器（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、セル（１００）からの電流が流れる四角板状の導電体（２１）がセル（１００）に接触して配置され、溝（２２）によって囲まれた柱状部（２３）が導電体（２１）における角部に形成され、溝（２２）には鉄心（２４）が配置されており、鉄心（２４）の磁界の強さを測定する磁気センサ（２５）が溝（２２）に配置されており、磁気センサ（２５）は、溝（２２）における導電体（２１）の中心に対面する側の反対側に配置されていることを特徴としている。

これにより、局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を抑制することができ、磁気センサ（２５）で柱状部（２３）における局所電流によって発生する磁界をより正確に測定することができ、局所電流を精度よく測定できる。

また、請求項２に記載の発明のように、溝（２２）の外部周囲における少なくとも導電体（２１）の中心に対面する側に対応する外周部に沿って磁気遮蔽手段（２６、２８）を配置することで、局所電流以外の電流が作る磁界の影響を遮蔽することができ、局所電流が発生する磁界のみを測定することが可能となるため、局所電流の測定精度が向上する。

また、請求項３に記載の発明のように、溝（２２）の外部周囲における少なくとも前記導電体（２１）の前記角部側面に対応する外周部に沿って磁気遮蔽手段（２７、２８）を配置することで、局所電流を測定する電力機器（１０）以外の電力機器からの磁気を遮蔽することができ、磁気センサ（２５）による局所電流の測定精度を向上させることができる。

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４に基づいて説明する。本第１実施形態では、本発明の電流測定装置を燃料電池セルの局所電流測定に用いている。図１（ａ）は本第１実施形態の燃料電池１０の斜視図であり、図１（ｂ）は電流測定装置２０の拡大斜視図であり、図２は燃料電池１０内におけるガスの流れを示す概念図である。

図１（ａ）に示すように、本発明の電力機器に相当する燃料電池１０は、基本単位となるセル１００が多数積層されたスタック構造となっている。図２に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０１と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータ１０２および水素側セパレータ１０３で構成されている。

カーボン材または導電性金属よりなる板状の空気側セパレータ１０２には、空気を流すための空気流路（図示せず）が形成され、図２に実線の矢印で示すように、空気流路を介して酸素が各セル１００に対して並列に供給される。また、カーボン材または導電性金属よりなる板状の水素側セパレータ１０３には、水素を流すための水素流路（図示せず）が形成され、図２に破線の矢印で示すように、水素流路を介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

そして、セル１００に対して、例えば水素の供給不足が発生すると、水素出口部で水素が極度に不足する。その結果、水素出口部での電流密度が極度に低下する。このような、水素不足の状態のまま運転すると、ＭＥＡ１０１の電極を損傷することになるため、この状態をいち早く検知し、回避するように制御しなくてはならない。

そこで本第１実施形態では、図１（ａ）において斜線で示すように、セル１００間にセルの局所電流を測定するための電流測定装置２０を配置している。この電流測定装置２０で水素出口部での局所電流を測定し、局所電流の経時変化を測定することにより、セル電圧のみでは検出が困難な水素の供給状態を診断することが可能である。これに基づいて、水素の供給状態を制御することにより、劣化の危険性がある運転状態を極力回避することが可能となる。

次に、電流測定装置２０について図３に基づいて説明する。図３は電流測定装置２０の要部の正面図である。図３に示すように、電流測定装置２０は、導電性金属よりなる板状の導電体２１を備えている。導電体２１はセル１００（図１参照）間に挿入されることにより、導電体２１におけるセル積層方向の一方の端面および他方の端面はそれぞれセル１００に接触するようになっている。導電体２１の一方の端面には、ロの字状の溝２２によって囲まれた直方体の柱状部２３が形成され、この柱状部２３の端面もセル１００に接触するようになっている。溝２２および柱状部２３は導電体２１の中心から離れた角部に配置されおり、ロの字状の溝２２のうち２辺が導電体２１の外周近傍に位置している。

溝２２には、柱状部２３を囲むようにして鉄心２４が配置されている。鉄心２４の両端部間には磁気センサ２５が配置されている。磁気センサ２５としてホール素子を用いている。本第１実施形態の磁気センサ２５は、溝２２における導電体２１の中心から遠い側に配置されている。本第１実施形態では、溝２２における導電体２１の周縁部に近い側に磁気センサ２５が配置されている。

上記構成において、セル１００における柱状部２３に対向する部位から放電される局所電流が柱状部２３に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部２３の周囲に発生する。図３では、紙面奥側から手前側に向かって電流が流れ、反時計方向に磁界が発生している。したがって、鉄心２４の磁界の強さを磁気センサ２５にて測定することにより、柱状部２３を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

次に、局所電流以外の電流がつくる磁界が磁気センサ２５に与える影響について図４に基づいて説明する。図４は電流測定装置２０における磁界を示す概念図である。図４に示すように、鉄心２４のうち導電体２１の中心に近い側では、柱状部２３を流れる局所電流によって発生する磁界より、柱状部２３を除いた部位を流れる電流によって発生する磁界の方が強度が大きい。このため、鉄心２４のうち導電体２１の中心に近い側の磁界を測定した場合、局所電流によって発生した磁界を正しく測定することは困難である。

これに対し、鉄心２４における導電体２１の中心部から遠い側では、鉄心２４における導電体２１の中心部に近い側が局所電流以外の電流によって発生する磁界を遮蔽するため、局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を受けにくい。したがって、本第１実施形態のように、溝２２における導電体２１の中心部から遠い側に磁気センサ２５を配置することで、局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を抑制することができ、局所電流によって発生する磁界をより正確に測定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。上記第１実施形態では、磁気センサ２５の配置によって局所電流の測定誤差を低減させたが、本第２実施形態では、局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を、磁気遮蔽材（磁気遮蔽手段）２６を設置することによって低減している。

図５（ａ）は本第２実施形態の電流測定装置２０の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本第２実施形態では局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響が大きい部分に磁気遮蔽材２６を配置している。上記第１実施形態で説明したように、鉄心２２における導電体２１の中心に近い側が局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響が大きい。このため本第２実施形態では、図５（ａ）に示すように鉄心２２の外周部（溝２２の外周部）における導電体２１に中心に近い側に磁気遮蔽材２６を配置している。磁気遮蔽部材２６としては、例えば透磁率の高いステンレス系材料を用いることができる。

この磁気遮蔽材２６により、局所電流以外の電流が作る磁界の影響を遮蔽することができ、局所電流が発生する磁界のみを測定することが可能となるため、測定精度が向上する。本第２実施形態の構成によれば、磁気センサ２５は溝２２における導電体２１の中心から遠い側に限らず、いずれの位置に配置してもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６〜図９に基づいて説明する。本第３実施形態では、他の電力機器の電流によって発生する磁気の影響を、磁気遮蔽材（磁気遮蔽手段）２６を設置することによって低減している。

まず、他の電力機器の電流によって発生する磁気の影響について図６、図７に基づいて説明する。図６は電流測定装置２０が設けられた燃料電池１０を含む燃料電池システムの斜視図である。図６に示すように、本第３実施形態の燃料電池システムでは、電流測定装置２０が設けられた第１の燃料電池１０の近傍に他の電力機器としての第２の燃料電池１１、インバータ１２、モータ１３が配置されている。

図７は電流測定装置２０における磁気を示す概念図である。図７に示すように、電流測定装置２０では、隣接して配置された第２の燃料電池１１の電流によって発生する磁界の影響を受けるため、磁気センサ２５で鉄心２４の磁界を測定しても局所電流によって発生した磁界を正しく測定することは困難である。特に、鉄心２４における導電体２１の中心から遠い側で影響が大きい。また、モータ１３等の電力機器が発生する磁気ノイズについても同様に磁気センサ２５での磁気測定に影響を与える可能性がある。

図８（ａ）は電流測定装置２０の正面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、本第３実施形態の電流測定装置２０では鉄心２４の外周部（溝２２の外周部）における導電体２１の中心から遠い側に磁気遮蔽材２７を配置している。このような構成により、局所電流を測定する燃料電池１０以外の電力機器１１、１２、１３からの磁気を遮蔽することができ、電流測定装置２０における局所電流の測定精度を向上させることができる。

また、本第３実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、溝２２における導電体２１の中心部から遠い側に磁気センサ２５を配置することで、電流測定装置２０内部における局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を抑制することができ、局所電流によって発生する磁界をより正確に測定することができる。

図９は本第３実施形態の変形例の構成を示している。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、磁気遮蔽部材２８を鉄心２４（溝２２）の全周囲に配置するように構成してもよい。すなわち、鉄心２４の外周部（溝２２の外周部）における導電体２１の中心から遠い側に加え、導電体２１の中心から近い側にも磁気遮蔽部材２８を配置することで、上記第２実施形態の効果も得ることができる。すなわち、このような磁気遮蔽材２８を設けることで、外部の電力機器からの磁気の遮蔽に加え、電流測定装置２０内部における局所電流以外の電流によって発生する磁気を遮蔽することができる。なお、図９の構成の場合には磁気センサ２５は溝２２におけるいずれの位置に配置してもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）は本第４実施形態の電流測定装置２０の正面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

磁気センサ２５の測定精度を悪化させる要因として、磁気センサ２５特性の経時劣化がある。磁気センサ２５の特性を経時劣化させる要因として、高温環境下での作動や応力、荷重による機械的なストレスが挙げられる。磁気センサ２５を導電体２１の内部に配置した場合には、高温環境になりやすい。また、電流測定装置２０を燃料電池１０内に配置して積層体を形成する際には電流測定装置２０に荷重がかかる。そして、熱による膨張・収縮が繰り返されると磁気センサ２５に周期的な荷重変動がかかるため、磁気センサ２５に機械的に大きなストレスが加わる。

そこで、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、本第４実施形態では、鉄心２４の形状を変更し、磁気センサ２５を導電体２１の外部に配置している。このように磁気センサ２５を導電体２１の外部に配置することで、磁気センサ２５に加えられる機械的ストレスを抑制することができ、磁気センサ２５の測定精度を向上させることができる。

また、本第４実施形態の構成であれば、上記第１実施形態と同様に、溝２２における導電体２１の中心部から遠い側に磁気センサ２５を配置することになるので、局所電流以外の電流によって発生する磁界の影響を抑制することができ、局所電流によって発生する磁界をより正確に測定することができる。さらに、本第４実施形態の構成において、鉄心４の周囲に磁気遮蔽部材を配置した場合には、上記第２、第３実施形態と同様に、局所電流以外の電流が作る磁界の影響を遮蔽することができ、局所電流が発生する磁界のみを測定することが可能となるため、測定精度が向上する。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では導電体２１を有する電流測定装置２０を説明したが、電流測定装置を燃料電池１０の局所電流の測定に用いる場合には、電流測定装置をセパレータ１０２、１０３（図２参照）に組み込むことができる。すなわち、セパレータ１０２、１０３を導電体として用い、セパレータ１０２、１０３に溝２２によって囲まれた柱状部２３を形成し、その溝２２に鉄心２４および磁気センサ２５を配置する。鉄心２４の磁界の強さを磁気センサ２５にて測定することにより、柱状部２３を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。この場合は、セパレータ１０２、１０３を利用するため、板状の導電体を新たに設ける必要がない。

また、柱状部２３は直方体状である必要はない、溝２２は四角形でなくともよい

（ａ）は第１実施形態の燃料電池の斜視図であり、（ｂ）は電流測定装置の拡大斜視図である。 第１実施形態の燃料電池内におけるガスの流れを示す概念図である。 第１実施形態の電流測定装置の要部の正面図である。 第１実施形態の電流測定装置における磁界を示す概念図である。 （ａ）は第２実施形態の電流測定装置の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態の燃料電池システムの斜視図である。 第２実施形態の電流測定装置における磁気を示す概念図である。 （ａ）は第３実施形態の電流測定装置の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は第３実施形態の電流測定装置の変形例を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は第４実施形態の電流測定装置の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…電流測定装置、２１…導電体、２２…溝、２３…柱状部、２４…鉄心、２５…磁気センサ（ホール素子）、１００…セル。

Claims (3)

1. 電気エネルギーを放出するセル（１００）を備える電力機器（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
   前記セル（１００）からの電流が流れる四角板状の導電体（２１）が前記セル（１００）に接触して配置され、
   溝（２２）によって囲まれた柱状部（２３）が前記導電体（２１）における角部に形成され、
   前記溝（２２）には鉄心（２４）が配置されており、
   前記鉄心（２４）の磁界の強さを測定する磁気センサ（２５）が前記溝（２２）に配置されており、
   前記磁気センサ（２５）は、前記溝（２２）における前記導電体（２１）の中心に対面する側の反対側に配置されていることを特徴とする電流測定装置。
2. 電気エネルギーを放出するセル（１００）を備える電力機器（１０）の電流を測定する電流測定装置であって、
   前記セル（１００）からの電流が流れる四角板状の導電体（２１）が前記セル（１００）に接触して配置され、
   溝（２２）によって囲まれた柱状部（２３）が前記導電体（２１）における角部に形成され、
   前記柱状部（２３）の周囲に発生した磁界の強さを測定する磁気センサ（２５）が前記溝（２２）に配置されており、
   前記溝（２２）の外部周囲における少なくとも前記導電体（２１）の中心に対面する側に対応する部位に沿って磁気遮断手段（２６、２８）が配置されていることを特徴とする電流測定装置。
3. 前記溝（２２）の外部周囲における少なくとも前記導電体（２１）の前記角部側面に対応する部位に沿って磁気遮蔽手段（２７、２８）が配置され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。

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