JP5076953B2 - 電流測定装置、燃料電池の製造方法および燃料電池システム - Google Patents

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、これを適用した燃料電池の製造方法、および、これを適用した燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１に、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て、この燃料電池の内部を流れる電流を測定する電流測定装置が開示されている。

この特許文献１の電流測定装置は、隣合うセルのうち一方のセルに電気的に接触する板状の第１電極、他方のセルに電気的に接触する板状の第２電極、および、第１電極と第２電極とを電気的に接続する板状の抵抗体を有して構成された電流測定部を備えている。

そして、電流測定部の第１電極と抵抗体とを接続する第１接続部および抵抗体と第２電極とを接続する第２接続部間の電位差を電流測定用電圧センサで検出し、検出された電位差を抵抗体の電気抵抗値で除することによって、燃料電池の内部を流れる電流を測定している。
特開２００７−２８０６４３

ところで、特許文献１の電流測定装置が適用された燃料電池は、以下のように製造される。

まず、所定の隣合うセル間に電流測定装置の電流測定部を配置しながら、各セルを積層する（積層工程）。次に、積層された各セルおよび電流測定部に対してセルの積層方向に予め定めた値の圧縮荷重がかかるように、各セルおよび電流測定部をボルト締め等の締結手段によって固定する（締結工程）。これにより、特許文献１の電流測定装置が適用された燃料電池が製造される。

なお、上記の如く、積層された各セルおよび電流測定部に対して、積層方向に圧縮荷重をかける理由は、各セル同士およびセルと電流測定部（具体的には、第１、第２電極）との接触性を良好に保ち、各セル同士間およびセルと電流測定部との間の接触抵抗を低減させるためである。

しかしながら、積層された各セルおよび電流測定部に対して、積層方向に圧縮荷重をかけたとしても、例えば、各セルの接触面や電流測定部の接触面の平面度に僅かな製造誤差が生じるだけで、同一接触面内にかかる荷重が不均一となってしまう。さらに、同一接触面内において、上記荷重が高い部分と低い部分とでは電気的な接触抵抗も不均一となってしまう。

このような同一接触面内における接触抵抗の不均一は、電流測定部の配置箇所によって、セルから電流測定部へ流れ込む電流値を変化させてしまうため、電流測定装置の測定精度を低下させてしまう。また、燃料電池の製造時に、同一接触面内にかかる荷重が、電流測定装置の測定精度を低下させない程度に略均一となっていても、経時劣化によって上記の荷重が不均一になってしまうと、同様に電流測定装置の測定精度が低下してしまう。

上記点に鑑み、本発明は、燃料電池のセルと電流測定部との接触面における接触抵抗の不均一が生じても、測定精度の低下を抑制できる電流測定装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、燃料電池のセルと電流測定装置の電流測定部との接触面における接触抵抗の不均一を抑制可能な燃料電池の製造方法を提供することを第２の目的とする。

また、本発明は、燃料電池のセルと電流測定装置の電流測定部との接触面における接触抵抗の不均一が生じていることを、検出可能な燃料電池システムを提供することを第３の目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと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）に適用されて、燃料電池（１０）の内部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）間に配置されて、隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルに電気的に接触する第２電極（１３１）、および、第１電極（１１１）と第２電極（１３１）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）を有して構成された電流測定部（１０１）と、第１電極（１１１）と抵抗体（１２１）とを接続する第１接続部（１０１ａ）および抵抗体（１２１）と第２電極（１３１）とを接続する第２接続部（１０１ｂ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０２）と、一方のセルと第１電極（１１１）との間、および、他方のセルと第２電極（１３１）との間のうち、少なくとも一方の接触抵抗値を検出する接触抵抗検出手段（１０３）と、電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差、第１接続部（１０１ａ）と第２接続部（１０１ｂ）と間の抵抗体（１２１）の基準抵抗値、および、接触抵抗検出手段（１０３）によって検出された検出接触抵抗値を用いて、セル（１０ａ）を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）とを備えることを特徴とする。

これによれば、電流値検出手段（５１）が、抵抗体（１２１）についての検出電位差および基準抵抗値のみならず、接触抵抗検出手段（１０３）によって検出された検出接触抵抗値を用いて、セル（１０ａ）を流れる電流値を検出するので、セル（１０ａ）と電流測定部（１０１）との接触面における接触抵抗の不均一が生じても、電流測定装置の測定精度の低下を抑制できる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、接触抵抗検出手段（１０３）は、一方のセルと第１電極（１１１）との間、および、他方のセルと第２電極（１３１）との間のうち、少なくとも一方に予め定めた値の定電流を流す定電流出力手段（１０３ａ）を有し、検出接触抵抗値は、定電流出力手段（１０３ａ）が定電流を流す際に必要とされる電圧に基づいて検出されるようになっていてもよい。

これによれば、定電流出力手段（１０３ａ）が定電流を流す際に必要とされる電圧を、定電流で除することによって、容易に接触抵抗値を検出できる。

さらに、請求項３に記載の発明のように、電流値検出手段（５１）は、検出電位差を、基準抵抗値と検出接触抵抗値とを加算した値で除することによって、セル（１０ａ）を流れる電流値を検出するようになっていてもよい。

これによれば、例えば、セル（１０ａ）と第１電極（１１１）との接触抵抗が高く、抵抗体（１２１）へ電流が流れにくい場合であっても、電流検出手段（５１）が第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）間の電気抵抗値に対して、検出接触抵抗値を加算して、電流値を検出するので、実際にセル（１０ａ）を流れる電流を精度良く検出できる。

請求項４に記載の発明では、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において、第１電極（１１１）は、第１プリント基板（１１０）に配置されており、第２電極（１３１）は、第２プリント基板（１３０）に配置されており、第１プリント基板（１１０）および第２プリント基板（１３０）は、配線パターンが形成された第３プリント基板（１２０）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に構成され、配線パターンとして、第１電極（１１１）および第２電極（１３１）のうち、少なくとも一方を接触抵抗検出手段（１０３）に接続する配線パターンが設けられていることを特徴とする。

これによれば、第１〜第３プリント基板（１１０〜１３０）を積層基板として構成して、電流測定部（１０１）の積層方向の厚み寸法を低減できるので、電流測定装置全体としての小型化を図ることができる。

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、電流測定部（１０１）は、同一の隣合うセル（１０ａ）間に複数個配置されていることを特徴とする。

これによれば、電流測定部（１０１）の配置箇所に対応するセル（１０ａ）の各部位を流れる電流を精度良く計測できるので、セル（１０ａ）内の電流密度分布を精度良く測定できる。

また、請求項６に記載の発明では、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（１００）が適用される燃料電池の製造方法であって、隣合うセル（１０ａ）間に電流測定部（１０１）を挟み込みながら、セル（１０ａ）を積層する積層工程と、積層されたセル（１０ａ）および電流測定部（１０１）に対して、積層方向に圧縮荷重がかかるように、セル（１０ａ）および電流測定部（１０１）を固定する締結工程とを有し、締結工程では、検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、セル（１０ａ）および電流測定部（１０１）を固定することを特徴とする。

これによれば、接触抵抗検出手段（１０３）によって、一方のセルと第１電極（１１１）との間、および、他方のセルと第２電極（１３１）との間のうち、少なくとも一方の接触抵抗値を検出し、さらに、締結工程において検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、セル（１０ａ）および電流測定部（１０１）を固定するので、セル（１０ａ）と電流測定部（１０１）との接触面における接触抵抗の不均一を抑制可能な燃料電池の製造方法を提供できる。

より具体的に、請求項７に記載の発明のように、締結工程では、検出接触抵抗値が基準抵抗範囲よりも大きい場合には、圧縮荷重を増加させてもよい。これにより、容易に、検出接触抵抗値を基準抵抗範囲内に入れることができる。

さらに、請求項８に記載の発明のように、基準抵抗範囲は、電流測定部（１０１）の温度上昇に伴って増加するように決定された値であってもよい。より一層正確に、燃料電池の製造時における接触抵抗の不均一を抑制できる。

また、請求項９に記載の発明では、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（１００）が適用された燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）に酸化剤ガスおよび燃料ガスのうち少なくとも一方を供給するガス供給手段（２１、２３、３２）と、ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動開始信号を出力する開始信号出力手段（５０ａ）と、ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、開始信号出力手段（５０ａ）が作動開始信号を出力した際に、ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を開始する前に、接触抵抗検出手段（１０３）に前記検出接触抵抗値を検出させることを特徴とする。

これによれば、開始信号出力手段（５０ａ）が作動開始信号を出力した際に、ガス供給手段（２１、２３、３２）のうち少なくとも一方の作動を開始する前に、制御手段（５０）が接触抵抗検出手段（１０３）に検出接触抵抗値を検出させるので、経時劣化によって燃料電池のセルと電流測定装置（１００）の電流測定部（１０１）との接触面における接触抵抗の不均一が生じていても、これを燃料電池（１０）が電気エネルギを出力する前に検出できる。

請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、接触抵抗検出手段（１０３）と燃料電池（１０）との間の電気的接続を断続する接続遮断手段（１０３ｃ）を備え、制御手段（５０）は、開始信号出力手段（５０ａ）が作動開始信号を出力した際に、ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を開始する前に、接触抵抗検出手段（１０３）に検出接触抵抗値を検出させて、さらに、接続遮断手段（１０３ｃ）に電気的接続を遮断させることを特徴とする。

これによれば、ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動開始前、すなわち燃料電池（１０）が電気エネルギを出力する前に、接続遮断手段（１０３ｃ）によって接触抵抗検出手段（１０３）と燃料電池（１０）との間の電気的接続を遮断するので、燃料電池（１０）から出力された電気エネルギによって、接触抵抗検出手段（１０３）が損傷してしまうことを防止できる。

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。

図１〜図７により、本発明の一実施形態を説明する。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）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
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。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、燃料電池１０に所定の流量および圧力の空気を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、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。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３２によって、燃料電池１０に所定の圧力の水素を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。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、および、車室内に設けられた車両起動スイッチ５０ａの操作信号が入力される。なお、車両起動スイッチ５０ａは、空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。

一方、制御装置５０の出力側には、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および電流測定装置１００の入力側が接続されている。

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。電流測定装置１００は、電流測定部集合板１００ａ、電流測定用電圧センサ１０２、接触抵抗検出回路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。

まず、図２、３により、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１０ａ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。そして、これらのプリント基板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、積層基板として構成された電流測定部集合板１００ａのうち、対向する２辺（図３では、左右両辺）の近傍には、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、両側のマニホールドの間には、複数の電流測定部１０１が、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の板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、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。

電流測定部１０１は、隣合うセル１０ａのうち一方のセル１０ａに電気的に接触する第１電極１１１、隣合うセル１０ａのうち他方のセル１０ａに電気的に接触する第２電極１３１、および、第１電極１１１と第２電極１３１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。

従って、第１電極１１１および第２電極１３１は一対の電極として構成されて、板状の電流測定部集合板１００ａの両板面に配置される。具体的には、第１電極１１１は、第１プリント基板１１０における一方のセル１０ａに対向する面（図３の紙面手前側）に配置され、第２電極１３１は、第２プリント基板１３０における他方のセル１０ａに対向する面（図３の紙面奥側）に配置されている。

また、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、第２電極１３１、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。

次に、図４、５により、第１〜第３プリント基板１１０〜１３０の具体的積層態様、並びに、電流測定部１０１を構成する第１電極１１１、第２電極１３１、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２の電気的接続態様を説明する。なお、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、第２電極１１１、１３１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、第２電極１３１および電流測定用配線１２２が電気的に接続されている。

従って、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ本実施形態の第１、第２接続部を構成している。また、第１電極１１１は抵抗体１２１の一端側に接続され、第２電極１３１は抵抗体１２１の他端側に接続されているため、抵抗体１２１では、図５に示すように、一端側と他端側との間で電流が流れることになる。

そして、図４、５に示すように、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂには、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１０２が接続されている。電流測定用電圧センサ１０２は、第１スルーホール１０１ａと第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。

さらに、本実施形態では、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａには、それぞれ電流測定用配線１２２および外部の配線を介して、接触抵抗検出回路１０３が接続されている。この接触抵抗検出回路１０３は、第１電極１１１との間の接触抵抗値を検出する接触抵抗検出手段である。

この接触抵抗検出回路１０３は、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａ間に予め定めた値の定電流を流す定電流出力回路１０３ａを有している。この定電流出力回路１０３ａとしては、デューティ制御により定電流を出力する定電流出力回路、直接アナログ的に定電流を出力する定電流出力回路など種々の形式のものを採用できる。

さらに、定電流出力回路１０３ａには、定電流出力回路１０３ａが定電流を流す際に必要とされる電圧、すなわち、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａ間の電位差を検出して、検出信号を電流検出回路５１に出力する接触抵抗検出用電圧センサ１０３ｂが接続されている。

また、接触抵抗検出回路１０３と接触抵抗検出用電圧センサ１０３ｂとの間には、接触抵抗検出回路１０３と燃料電池１０との間の電気的接続を断続する接続遮断手段１０３ｃが設けられている。

具体的には、接続遮断手段１０３ｃは、接触抵抗検出回路１０３と第１スルーホール１０１ａとの間の電気的接続および接触抵抗検出回路１０３とセル１０ａとの間の電気的接続を断続するとともに、制御装置５０から出力される制御電圧によって作動制御されるリレーで構成されている。

電流検出回路５１は、電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差、第１スルーホール１０１ａおよび第２スルーホール１０１ｂ間の抵抗体１２１の基準抵抗値、並びに、接触抵抗検出回路１０３にて検出される検出接触抵抗値を用いて、演算処理を行うことで、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算出する電流値検出手段である。

次に、本実施形態における燃料電池１０の製造方法について説明する。まず、予め定めた隣合うセル１０ａ間に電流測定装置１００の電流測定部集合板１００ａを挟み込みながら、セル１０ａを積層する（積層工程）。次に、積層されたセル１０ａおよび電流測定部集合板１００ａに対して、積層方向に圧縮荷重がかかるように、セル１０ａおよび電流測定部集合板１００ａをボルト締め等の締結手段によって固定する（締結工程）。

この締結工程では、接触抵抗検出回路１０３を作動させて、第１電極１１１および第１電極１１１に接触するセル１０ａ間の接触抵抗値を検出する。そして、検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、セル１０ａおよび電流測定部１０１を固定する。具体的には、検出接触抵抗値が基準抵抗範囲より大きい場合には、圧縮荷重を増加させる。

なお、この基準抵抗範囲は、図６の斜線部に示されるように、電流測定部集合板１００ａ（電流測定部１０１）の温度上昇に伴って増加するように決定されている。そして、締結工程にて、検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、セル１０ａおよび電流測定部集合板１００ａを締結固定することで、本実施形態の燃料電池１０が製造される。

また、図６の基準抵抗範囲は、ベース抵抗値を基準として、燃料電池システムの作動時に、制御装置５０が、電流測定装置１００にて検出された検出電流値に基づいて、ガス供給手段２１、２３、３２等の各種電気式アクチュエータの作動を制御しても、燃料電池システムの効率および信頼性を悪化させない範囲に決定されている。

次に、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を、図７のフローチャートにより説明する。図７に示す制御フローは、車両起動スイッチ５０ａが投入（ＯＮ）されるとスタートする。車両が起動すると、ステップＳ１にて、フラグ、タイマ等の初期化がなされる。

そして、次のステップＳ２にて、接続遮断手段１０３ｃが接触抵抗検出回路１０３および燃料電池１０間を電気的に接続する。これにより、定電流出力回路１０３ａから出力された定電流が、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａ間に流れる。

ステップＳ３では、接触抵抗検出回路１０３の接触抵抗検出用電圧センサ１０３ｂが、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａ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。

そして、電流検出回路５１では、接触抵抗検出用電圧センサ１０３ｂの検出電位差を定電流出力回路１０３ａが流す定電流値で除することで、第１スルーホール１０１ａおよび第１電極１１１に接触するセル１０ａ間、すなわち、第１電極１１１および第１電極１１１に接触するセル１０ａ間の接触抵抗値を算出（検出）して記憶する。

次に、ステップＳ４へ進み、接続遮断手段１０３ｃが、接触抵抗検出回路１０３および燃料電池１０間の電気的接続を遮断する。そして、次のステップＳ５にて、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ４６、電流測定装置１００の電流検出回路５１等から出力された各種検出信号を読み込む。

ここで、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での発電が開始されると、電流測定装置１００の各電流測定部１０１には、電流流れ方向上流側のセル１０ａ→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→第２電極１３１→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によって、第１スルーホール１０１ａと第２スルーホール１０１ｂとの２点間の電位差を測定する。前述の如く、本実施形態では、予め定めた電気抵抗値を有する抵抗体１２１を用いているので、第１、２スルーホール１０１ａ、１０１ｂ間の抵抗体１２１の電気抵抗値も既知の基準抵抗値となる。

そこで、電流検出回路５１では、電流測定用電圧センサ１０２による検出電位差を、予め既知情報として記憶している基準抵抗値とステップＳ３にて記憶した検出接触抵抗値とを加算し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、電流検出回路５１では、上記演算処理によって得られた電流値を、セル１０ａの面内における各電流測定部１０１に対応する部位の電流値として検出できる。

次のステップＳ６では、ステップＳ５にて読み込んだ各種検出信号に基づいて、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の制御状態を決定する。そして、ステップＳ７では、ステップＳ６にて決定された制御状態が得られるように制御装置５０から各種電気式アクチュエータに対して制御信号が出力される。

また、次のステップＳ８で制御周期τの間待機し、制御周期τの経過を判定するとステップＳ５に戻るようになっている。

本実施形態の燃料電池システムでは、上記の如く作動して、燃料電池システムの効率および信頼性を向上させることができる。

つまり、車両起動スイッチ５０ａが投入（ＯＮ）された際に、空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２といったガス供給手段等が作動を開始する前、すなわち、燃料電池１０が電気エネルギを出力する前に、接触抵抗検出回路１０３によって接触抵抗値を検出している。これにより、燃料電池１０のセル１０ａと電流測定装置１００の電流測定部１０１との接触面における接触抵抗の不均一が生じていても、この接触抵抗の不均一を検出できる。

さらに、システムの起動後には、電流測定装置１００が、電流測定用電圧センサ１０２による検出電位差および既知情報としての抵抗体１２１の基準抵抗値のみならず、接触抵抗検出回路１０３によって検出された検出接触抵抗値を用いて、セル１０ａを流れる電流値を検出しているので、セル１０ａと電流測定部１０１との接触面における接触抵抗の不均一が生じていても、電流測定装置の測定精度の低下を抑制できる。

この際、電流検出回路５１が、電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差を、第１スルーホール１０１ａおよび第２スルーホール１０１ｂ間の抵抗体１２１の基準抵抗値と接触抵抗検出回路１０３によって検出された検出接触抵抗値とを加算した値で除することによって、セル１０ａを流れる電流値を容易に検出できる。

さらに、燃料電池１０が電気エネルギを出力する前に、接続遮断手段１０３ｃが接触抵抗検出回路１０３と燃料電池１０との間の電気的接続を遮断するので、燃料電池１０から出力された電気エネルギによる接触抵抗検出回路１０３の損傷を防止できる。

また、第１電極１１１、第２電極１３１、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２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１０１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。

さらに、本実施形態の燃料電池１０は、上記の如く製造されているので、製造された時点において、セル１０ａと電流測定部１０１との接触面における接触抵抗の不均一を抑制できる。従って、経時劣化によって、接触抵抗の不均一が生じても、その不均一度合を小さなものとすることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、接触抵抗検出手段として、定電流出力回路１０３ｂを有する接触抵抗検出回路１０３を採用した例を説明したが、接触抵抗検出手段は、これに限定されない。例えば、第１電極１１１および第１電極１１１に接触するセル１０ａ間に固定周波数の交流電流をかけて電流と電圧の周波数成分を抜き出して、その位相差等から抵抗値を測定するようにしてもよい。

（２）上述の実施形態では、接触抵抗検出回路１０３によって、第１電極１１１および第１電極１１１に接触するセル１０ａ間の接触抵抗値を検出した例を説明したが、もちろん、第２電極１３１および第２電極１３１に接触するセル１０ａ間の接触抵抗値を検出してもよい。さらに、第１電極１１１および第１電極１１１に接触するセル１０ａ間および第２電極１３１および第２電極１３１に接触するセル１０ａ間の双方の接触抵抗値を検出してもよい。

（３）上述の実施形態では、電流検出回路５１が、電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差を、基準抵抗値と検出接触抵抗値とを加算した値で乗することによって、セル１０ａを流れる電流値を検出する例を説明したが、電流検出回路５１の演算処理は、検出電位差を、基準抵抗値と検出接触抵抗値とを単純加算した値で除することに限定されない。

例えば、検出電位差を、基準抵抗値と検出接触抵抗値に補正係数を乗じた値との加算値で除するようにしてもよい。

（４）上述の実施形態では、燃料電池１０を製造する締結工程において、検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、セル１０ａおよび電流測定部１０１の電流測定部集合板１００ａを締結固定した例を説明したが、燃料電池１０の保護のために圧縮荷重が予め定めた値以上となっても検出接触抵抗値が基準抵抗範囲に入らない場合は、異常個体として製造を中止するようにしてもよい。

（５）上述の実施形態では、燃料電池システムの制御フローとして、ステップＳ３にて検出した接触抵抗値を用いてセル１０ａを流れる電流値を検出し、さらに、ステップＳ６にて、この検出電流値を用いて各種電気式アクチュエータの制御状態を決定しているが、例えばステップＳ２にて検出した接触抵抗値が所定の値（異常基準値）以上の場合は、ステップＳ６にて検出電流値を用いずに、各種電気式アクチュエータの作動状態を決定してもよいし、ユーザに警告を発し、システムの作動を停止させてもよい。

（６）上述の実施形態では、第１電極１１１、第２電極１３１、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２を銅箔で形成した例を説明したが、例えば、抵抗体１２１のみを、第１、第２電極１１１、１３１よりも抵抗値の大きい材料（例えば、ニッケル箔）で形成してもよい。これにより、第１スルーホール１０１ａと第２スルーホール１０１ｂとの２点間の抵抗体１２１の電位差が大きくなり、電位差を測定しやすくなる。

（７）上述の実施形態では、接触抵抗検出回路１０３に対して、接続遮断手段１０３ｃを別体に構成した例を説明したが、もちろん、接触抵抗検出回路１０３に対して、接続遮断手段１０３ｃを一体に構成してもよい。

（８）上述の実施形態では、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２を第３プリント基板１２０に形成（プリント）した例を説明したが、抵抗体１２１および電流測定用配線１２２を異なるプリント基板に形成してもよい。この場合は、それぞれのプリント基板を第１、第２プリント基板に挟み込んで積層基板として一体化すればよい。

（９）本発明の電流測定装置における構成は、電流測定部集合板１００ａが隣合うセル１０ａ間に配置される場合のみならず、セル１０ａの積層方向の外側に設けられた一対の集電板に応用可能である。

一実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 一実施形態の燃料電池の斜視図である。 一実施形態の電流測定部集合板の分解図である。 一実施形態の電流測定部の断面図である。 一実施形態の電流測定部の電流の流れを示す説明図である。 一実施形態の基準抵抗範囲を示すグラフである。 一実施形態の燃料電池システムの制御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
２１ 空気ポンプ
２３ 空気調圧弁
３２ 水素調圧弁
５０ 制御装置
５０ａ 車両起動スイッチ
５１ 電流検出回路
１００ 電流測定装置
１０１ 電流測定部
１０１ａ 第１スルーホール
１０１ｂ 第２スルーホール
１０２ 電流測定用電圧センサ
１０３ 接触抵抗検出回路
１０３ａ 定電流出力回路
１０３ｃ リレー
１１１ 第１電極
１２１ 抵抗体
１３１ 第２電極

Claims (10)

1. 酸化剤ガスと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）に適用されて、前記燃料電池（１０）の内部を流れる電流を測定する電流測定装置であって、
   隣合う前記セル（１０ａ）間に配置されて、前記隣合うセル（１０ａ）のうち一方のセルに電気的に接触する第１電極（１１１）、前記隣合うセル（１０ａ）のうち他方のセルに電気的に接触する第２電極（１３１）、および、前記第１電極（１１１）と前記第２電極（１３１）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）を有して構成された電流測定部（１０１）と、
   前記第１電極（１１１）と前記抵抗体（１２１）とを接続する第１接続部（１０１ａ）および前記抵抗体（１２１）と前記第２電極（１３１）とを接続する第２接続部（１０１ｂ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０２）と、
   前記一方のセルと前記第１電極（１１１）との間、および、前記他方のセルと前記第２電極（１３１）との間のうち、少なくとも一方の接触抵抗値を検出する接触抵抗検出手段（１０３）と、
   前記電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差、前記第１接続部（１０１ａ）と前記第２接続部（１０１ｂ）と間の前記抵抗体（１２１）の基準抵抗値、および、前記接触抵抗検出手段（１０３）によって検出された検出接触抵抗値を用いて、前記セル（１０ａ）を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）とを備えることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記接触抵抗検出手段（１０３）は、前記一方のセルと第１電極（１１１）との間、および、前記他方のセルと前記第２電極（１３１）との間のうち、少なくとも一方に予め定めた値の定電流を流す定電流出力手段（１０３ａ）を有し、
   前記検出接触抵抗値は、前記定電流出力手段（１０３ａ）が前記定電流を流す際に必要とされる電圧に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記電流値検出手段（５１）は、前記検出電位差を、前記基準抵抗値と前記検出接触抵抗値とを加算した値で除することによって、前記セル（１０ａ）を流れる電流値を検出す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. 前記第１電極（１１１）は、第１プリント基板（１１０）に配置されており、
   前記第２電極（１３１）は、第２プリント基板（１３０）に配置されており、
   前記第１プリント基板（１１０）および前記第２プリント基板（１３０）は、配線パターンが形成された第３プリント基板（１２０）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に構成され、
   前記配線パターンとして、前記第１電極（１１１）および前記第２電極（１３１）のうち、少なくとも一方を前記接触抵抗検出手段（１０３）に接続する配線パターンが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電流測定装置。
5. 前記電流測定部（１０１）は、同一の隣合う前記セル（１０ａ）間に複数個配置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。
6. 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（１００）が適用される燃料電池の製造方法であって、
   前記隣合うセル（１０ａ）間に前記電流測定部（１０１）を挟み込みながら、前記セル（１０ａ）を積層する積層工程と、
   積層された前記セル（１０ａ）および前記電流測定部（１０１）に対して、積層方向に圧縮荷重がかかるように、前記セル（１０ａ）および前記電流測定部（１０１）を固定する締結工程とを有し、
   前記締結工程では、前記検出接触抵抗値が予め定めた範囲の基準抵抗範囲に入るように、前記セル（１０ａ）および前記電流測定部（１０１）を固定することを特徴とする燃料電池の製造方法。
7. 前記締結工程では、前記検出接触抵抗値が前記基準抵抗範囲よりも大きい場合には、前記圧縮荷重を増加させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
8. 前記基準抵抗範囲は、前記電流測定部（１０１）の温度上昇に伴って増加するように決定された値であることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池の製造方法。
9. 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（１００）が適用された燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池（１０）に前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスのうち少なくとも一方を供給するガス供給手段（２１、２３、３２）と、
   前記ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動開始信号を出力する開始信号出力手段（５０ａ）と、
   前記ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記開始信号出力手段（５０ａ）が作動開始信号を出力した際に、前記ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を開始する前に、前記接触抵抗検出手段（１０３）に前記検出接触抵抗値を検出させることを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記接触抵抗検出手段（１０３）と前記燃料電池（１０）との間の電気的接続を断続する接続遮断手段（１０３ｃ）を備え、
    前記制御手段（５０）は、前記開始信号出力手段（５０ａ）が作動開始信号を出力した際に、前記ガス供給手段（２１、２３、３２）の作動を開始する前に、前記接触抵抗検出手段（１０３）に前記検出接触抵抗値を検出させて、さらに、前記接続遮断手段（１０３ｃ）に前記電気的接続を遮断させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

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