JP5090277B2

JP5090277B2 - 温度分布測定装置、燃料電池システム、ならびに燃料電池評価装置

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Publication number: JP5090277B2
Application number: JP2008182409A
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Inventors: 秀和大坪; 正嘉片岡
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Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2012-12-05
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Also published as: JP2010021096A

Description

本発明は、燃料電池のセル間に挟持され、当該セル面内の温度分布を測定するための温度分布測定装置に関し、特に、薄型・軽量であって、かつ、燃料電池の内部抵抗を高めることを防いで発電に悪影響を及ぼすことなく、セル面内の温度分布を測定可能な温度分布測定装置、および当該温度分布測定装置を用いる燃料電池システム、ならびに当該温度分布測定装置を用いて燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置に関するものである。

従来、燃料電池内部の温度測定は、特許文献１に開示されているように抵抗体を用いて、あるいは、特許文献２に開示されているようにシース熱電対を用いて行われていた。簡単に説明すると、まず特許文献１では、燃料電池のセル間に挟まれている電流測定装置１００内に電流測定用抵抗体１２１が複数設けられた第２基板１２０が備えられており、この電流測定用抵抗体１２１を用いてセルの電流（電流分布）を測定している（特許文献１の図３参照）。そして、電流測定用抵抗体１２１の温度特性を補正するために、電流測定装置１００内に温度測定用抵抗体１４１が複数設けられた第４基板１４０が備えられており、この温度測定用抵抗体１４１を用いてセルの温度（温度分布）を測定していることが開示されている（特許文献１の図６参照）。次に、引用文献２では、測温側先端に絶縁膜をコーティングしたシース熱電対を用いてセルの温度を測定することが開示されている（特許文献２の図５参照）。
特開２００７−２８０６４３号公報（２００７年１０月２５日公開）特開２００７−７８４３３号公報（２００７年３月２９日公開）

特許文献１における抵抗体を用いる方法では、電流測定のために抵抗体を用いるため、燃料電池の内部抵抗が高くなり、発電に悪影響を与えるという問題を生じる。また、電流測定用抵抗体の温度特性を補正するために抵抗体による温度測定を行うため、定電流印加回路と温度測定用抵抗体の電圧測定回路とが必要になり、回路が複雑になるという問題を生じる。

また、特許文献２におけるシース熱電対を用いる方法では、当該シース熱電対を挟み込むために、当該シース熱電対を挟む電極間の密着性に悪影響を与えるという問題を生じる。また、発電時、燃料電池のセル間には２〜３（Ａ／ｃｍ^２）程度の電流密度で電流が流れており、上記シース熱電対を用いて直接測定を行えば、発電された電流による計測器の破損、および発電への悪影響が懸念される。すなわち、上記シース熱電対をそのまま実際に用いることは困難であるという問題を生じる。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、薄型・軽量であって、かつ、燃料電池の内部抵抗を高めることを防いで発電に悪影響を及ぼすことなく、セル面内の温度分布を測定可能な温度分布測定装置、および当該温度分布測定装置を用いる燃料電池システム、ならびに当該温度分布測定装置を用いて燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置を提供することにある。

本発明に係る温度分布測定装置は、上記課題を解決するために、燃料電池の積層されたセル間に配置され、当該セル面内の温度分布を測定するための温度分布測定装置であって、複数の絶縁体を積層してなる基板と、上記基板の両面に上記セルに接触するように設けられ、かつ互いが電気的に接続されている一対の電極と、上記基板における内層に形成され、かつ、上記セルおよび上記電極とは電気的に接続されていない、熱電対を構成する複数の金属パターンとを備えていることを特徴としている。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記課題を解決するために、上記および下記の温度分布測定装置が積層されたセル間に配置されている燃料電池と、上記温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成する演算部とを備えていることを特徴としている。

また、本発明に係る燃料電池評価装置は、上記課題を解決するために、燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置であって、燃料電池の積層されたセル間に配置されている、上記および下記の温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成し、この生成した温度分布を用いて上記燃料電池の性能評価を行う評価部とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、本発明に係る温度分布測定装置は、燃料電池のセル間に配置されるものであって、基板に、熱電対を構成する複数の金属パターンが、上記セル、および上記基板と上記セルとの電気的接続のための電極と電気的に接続されないようにして形成されている。このように、上記温度分布測定装置は、基板に熱電対を構成する金属パターンを設けて温度測定を行うために薄型・軽量が可能であり、それゆえ上記温度分布測定装置がセル間に配置されていても燃料電池の薄型・軽量を実現できる。また、以上の構成により、燃料電池の内部抵抗を高めることがなく、燃料電池の発電に悪影響を及ぼすことがない。

以上のことから、薄型・軽量であって、かつ、燃料電池の内部抵抗を高めることを防いで発電に悪影響を及ぼすことなく、セル面内の温度分布を測定可能な温度分布測定装置、および当該温度分布測定装置を用いる燃料電池システム、ならびに当該温度分布測定装置を用いて燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明に係る温度分布測定装置は、上記基板の上記電極を形成した面の面積は、上記セル面の面積と比較して大きく形成されており、かつ、上記基板の両面における上記セル面より大きい部分には、上記熱電対を構成する金属パターンと電気的に接続されている、上記熱電対の電極となる金属パターンが設けられていることが好ましい。

本発明に係る温度分布測定装置は、上記電極として、隣接するセルのセパレータを用いることが好ましい。

上記の構成によれば、上記温度分布測定装置のさらなる薄型化・軽量化が可能であり、それゆえ上記温度分布測定装置が搭載される燃料電池のさらなる薄型化・軽量化を実現できる。

本発明に係る温度分布測定装置は、燃料電池の積層されたセル間に配置され、当該セル面内の温度分布を測定するための温度分布測定装置であって、複数の絶縁体を積層してなる基板と、上記基板の両面に上記セルに接触するように設けられ、かつ互いが電気的に接続されている一対の電極と、上記基板における内層に形成され、かつ、上記セルおよび上記電極とは電気的に接続されていない、熱電対を構成する複数の金属パターンとを備えていることを特徴としている。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記および下記の温度分布測定装置が積層されたセル間に配置されている燃料電池と、上記温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成する演算部とを備えていることを特徴としている。

また、本発明に係る燃料電池評価装置は、燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置であって、燃料電池の積層されたセル間に配置されている、上記および下記の温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成し、この生成した温度分布を用いて上記燃料電池の性能評価を行う評価部とを備えていることを特徴としている。

本発明の実施形態について図１〜図１２を用いて説明すると以下の通りである。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略構成を、図２は燃料電池１０の概略構造を、図３は燃料電池１０のセル１０ａの概略構造を、図４はセル１０ａに、本実施形態に係る温度分布測定装置１４０が配置されている様子を示している。

（燃料電池システムの構成）
燃料電池システム１５０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。燃料電池システム１５０は、例えば電気自動車に適用される。燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１０ａが複数個（最大４００個程度）積層され、且つ電気的に直列接続されている（図２参照）。セル１０ａは、図３に示すように、空気（酸素）が供給される空気極（正極）１と、水素が供給される燃料極（負極）２と、空気極１と燃料極２との間に挟持されている電解質膜３とを備えている。また、セル１０ａは、各セル１０ａに供給される空気と水素との通路を区切るために、かつ、各セル１０ａを電気的に接続するためのセパレータ４が設けられている。空気極１および燃料極２は、カーボンからなる電極部分と、例えば白金などの触媒部分とで構成されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素との電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１１と燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。

積層されたセル１０ａ間には、図４に示すように、セル１０ａ面内の温度分布を測定する温度分布測定装置１４０が設けられている。温度分布測定装置１４０は、隣り合うセル１０ａに挟まれて配置されており、隣り合うセル１０ａと電気的に直列接続されている。温度分布測定装置１４０から測定した電位差信号は、後述の信号処理回路５１に入力される。温度分布測定装置１４０については後述する。なお、図４における温度分布測定装置１４０の位置については単なる一例に過ぎない。

図１に戻り、燃料電池システム１５０には、燃料電池１０の空気極１側に空気を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の燃料極２側に水素を供給するための水素流路３０とが設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。

空気供給流路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、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路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。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路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ための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路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が設けられている。

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（熱媒体）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、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。

冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせる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との合流点には、バイパス経路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。また、冷却水経路４０における燃料電池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。

また、燃料電池システム１５０には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、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とによって構成されている。そして、制御部５０には、電圧センサ１１から出力電圧を検出した検出信号、電流センサ１２から出力電流を検出した検出信号、および後述する信号処理回路５１からの信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、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、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

また、燃料電池システム１５０には、温度分布測定装置１４０から測定された電圧信号を処理する信号処理回路５１が設けられている。信号処理回路５１は、温度分布測定装置１４０から電圧センサ（電圧測定部）（不図示）によって測定された電圧信号を演算処理し、上記熱電対の熱起電力特性と室温とからセル１０ａ面内の温度を測定する。信号処理回路５１は、測定した温度値を制御部５０に出力し、制御部５０では、セル１０ａの面内における温度分布を検出する。また、制御部５０は、この検出した温度分布を用いて電流密度分布に対応する分布を生成する。但し、この場合、セル１０ａの電解質膜３の特性が一様で、セル１０ａ面内の冷却能力が一様である必要はある。なお、特許請求の範囲に記載した、本発明の燃料電池システムにおける演算部は、制御部５０および信号処理回路５１に相当する。

（温度分布測定装置の構成）
次に、温度分布測定装置１４０について図５〜図１２を用いて説明する。図５は、温度分布測定装置１４０の一例である温度分布測定装置１４０ａの構成を示しており、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその斜視図であり、（ｃ）はその断面図である。なお、図５（ａ）は、温度分布測定装置１４０ａを分解した状態で示している。

温度分布測定装置１４０ａは、３枚の基板１４１〜１４３を順に積層した積層基板で構成されている。基板１４１〜１４３は、セル１０ａと同様な形状（例えば長方形状）および寸法を有するが、その一面のサイズは、セル１０ａと後述する熱電対とが電気的に接続されないようにするために、セル１０ａのサイズと比較してやや大きく形成されている。具体的には、長方形状である基板１４１〜１４３の長辺側の長さをセル１０ａのそれと比較してやや大きく形成している。なお、特許請求の範囲に記載した、本発明の温度分布測定装置における基板は、基板１４１〜１４３を順に積層した積層基板に相当する。

基板１４１〜１４３としては、プリント基板に使用する、ガラスエポキシ等の絶縁材料、あるいはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを用いることができ、本実施形態ではガラスエポキシによって形成した。なお、基板１４１〜１４３には、空気、水素、冷却水がそれぞれ通過するマニホールドが形成されているが、ここではその図示を省略している。また、基板１４１〜１４３は、絶縁性接着剤を介在させてホットプレスにより一体化されている。

基板１４１〜１４３には、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、基板を貫通するスルーホールＴＨ１が形成されている。このスルーホールＴＨ１は、周知のドリルなどによって形成すればよい。基板１４１には、その表面（基板１４２と対向する面とは反対側の面）に、かつ、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、電極Ｄ１が形成されている。基板１４３には、その裏面（基板１４２と対向する面とは反対側の面）に、かつ、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、電極Ｄ２が形成されている。電極Ｄ１，Ｄ２は、温度分布測定装置１４０がセル１０ａ間に配置されたときに隣接するセル１０ａと接触し、セル１０ａと電気的に接続される。また、電極Ｄ１，Ｄ２は、電極Ｄ１，Ｄ２の形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ１によって、互いが電気的に接続される。つまり、電極Ｄ１，Ｄ２は、セル１０ａと温度分布測定装置１４０ａとの電気的接続を図るものである。電極Ｄ１，Ｄ２としては、一般的な電子機器用プリント基板に使用される銅を用いることができ、電解めっき、無電解めっきによって形成すればよい。また、電極Ｄ１，Ｄ２には、接触抵抗の低減のために、金メッキを施すこともできる。

基板１４１には、上述のセル１０ａよりやや大きく形成された部分に、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ａが形成されるとともに、その表面側に、上記熱電対の電極Ｄ３としての金属パターンがスルーホールＴＨ２ａから基板端に向かって形成されている。また、基板１４３には、上述のセル１０ａよりやや大きく形成された部分に、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ｂが形成されるとともに、その裏面側に、上記熱電対の電極Ｄ４としての金属パターンがスルーホールＴＨ２ｂから基板端に向かって形成されている。

基板１４２の表面（基板１４１と対向する面）には、全体的に、金属パターンＰａが形成され、この金属パターンＰａは、金属パターンＰａの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ａと接続されている。また、基板１４２には、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ｃが形成される。基板１４３の表面（基板１４２と対向する面）には、全体的に、金属パターンＰｂが形成され、この金属パターンＰｂは、金属パターンＰｂの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ｂと接続されている。金属パターンＰａ，Ｐｂは、金属パターンＰａ，Ｐｂのいずれかの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ｃによって接続されている。

金属パターンＰａ，ＰｂおよびスルーホールＴＨ２ａ〜ＴＨ２ｃは、上記熱電対を構成している。電極Ｄ３，Ｄ４は、上述のように上記熱電対の電極である。金属パターンＰａ，Ｐｂの形成材料は、熱電対を構成する周知の材料である銅−コンスタンタンを用いることができるが、これに限らず熱起電力が発生する材料であれば用いることができる。スルーホールＴＨ２ａ〜ＴＨ２ｃは、スルーホールＴＨ１と同様に、周知のドリルなどによって形成すればよい。また、金属パターンＰａ，Ｐｂは、メッキ法によって形成した後、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて整形すればよい。

（燃料電池システムの動作）
燃料電池１０に水素および空気の供給が開始されることで、燃料電池１０の発電が開始される。燃料電池１０の発電が開始されたことにより、温度分布測定装置１４０ａにおける、金属パターンＰａ，ＰｂおよびスルーホールＴＨ２ａ〜ＴＨ２ｃによって構成した熱電対に熱起電力が発生する。この熱起電力による電圧を図示しない電圧センサによって測定し、この測定した電圧を信号処理回路５１に入力する。信号処理回路５１は、上記電圧センサによって測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出し、測定した温度値を制御部５０に出力する。制御部５０は、信号処理回路５１に入力された温度値に基づき、セル１０ａの面内における温度分布を検出する。また、制御部５０は、この検出した温度分布を用いて電流密度分布に対応する分布を生成する。

制御部５０は、生成したセル１０ａの面内における温度分布および電流密度分布に対応する分布に基づいて燃料電池１０の発電特性を確認し、空気供給制御、冷却制御等を行い、また、発電劣化特性を確認する。燃料電池１０では、空気や水素の燃料ガスの出入口における燃料ガスの温度差（特に空気極１において酸素の濃度が下がる）、冷却水出入口における冷却水の温度差などによって発電効率が変化するため、セル１０ａの面内における温度分布を測定して発電特性を確認する必要がある。また、発電劣化特性は、燃料電池１０が劣化すると、同一電流密度において、発電量が低下し、発熱量が増加するため、セル１０ａの面内における温度分布を測定することで確認することができる。また、温度分布測定装置１４０は、以上のような制御に用いられるため、セル１０ａにおいてセル数枚の間隔で挿入されることが好ましい。また、このため、上記熱電対は、３０×１０ｃｍ^２のセル１０ａの面内に１００点ほど構成することが好ましい。

以上のように、本実施形態における温度分布測定装置１４０は、基板に熱電対を構成する金属パターンＰａ，Ｐｂ等を設けて温度測定を行うために薄型化・軽量化が可能であり、それゆえ温度分布測定装置１４０がセル１０ａ間に配置されていても燃料電池１０の薄型・軽量を実現できる。これにより、燃料電池１０が搭載された電気自動車において、その運動性能を確保することができる。

また、基板を積層基板としてその内層に金属パターンＰａ，Ｐｂを設け、かつ、上記基板のサイズを大きくして上記熱電対の電極Ｄ３，Ｄ４等を形成することで、上記熱電対がセル１０ａ、および上記基板とセル１０ａとの電気的接続のための電極Ｄ１，Ｄ２と電気的に接続されないように構成している。この構成により、燃料電池１０の発電に悪影響を及ぼすことなく温度測定を行うことができる。また、以上の構成により、燃料電池１０の内部抵抗を高めることを防いで、燃料電池１０の発電に悪影響を及ぼすことなく温度測定を行うことができる。

また、温度分布測定装置１４０では、温度測定の際に、電極Ｄ１，Ｄ２面方向の熱伝導による影響が懸念されるが、電極Ｄ１，Ｄ２は隣接するセル１０ａに接触するため、比較的短時間で熱平衡状態となり、それゆえ温度測定の信頼性は確保できる。また、燃料電池では、水素漏洩の防止のためセル間での充分な気密が必要であり、そのために約４００ｋｇの締結加重でセルの面方向に力が加えられている。そのため、この力によって電極Ｄ１，Ｄ２には弾性変形が生じ、これにより、電極Ｄ１，Ｄ２と熱電対との間では良好な熱接触が得られ、この点からも温度測定の信頼性は確保できる。

また、本実施形態における燃料電池システム１５０は、温度分布測定装置１４０により得られた温度分布および電流密度分布に対応する分布に基づいて燃料電池１０の発電状態を推定し、空気供給制御、冷却制御等を行い、また、発電劣化特性を確認することができる。このように、燃料電池システム１５０は、温度分布測定装置１４０を備えて各種制御を行えるために、従来の燃料電池システムと比較して、薄型化・軽量化を維持しつつも、燃料電池システムの効率および信頼性をより大きく向上させることができる。

（温度分布測定装置の構成例）
図６は、温度分布測定装置１４０ａの変更例である温度分布測定装置１４０ａａの構成を示している。

温度分布測定装置１４０ａでは、上述のように、長方形状である基板１４１〜１４３の長辺側の長さをセル１０ａのそれと比較してやや大きく形成している。これに対し、温度分布測定装置１４０ａａは、温度分布測定装置１４０ａと同様の構成を有しているが、同図に示すように、基板１４１〜１４３の長辺側の長さをセル１０ａのそれと比較して一部のみやや大きく形成し、その部分に電極Ｄ３，Ｄ４およびスルーホールＴＨ２ａ，ＴＨ２ｂなどを設けている。換言すれば、電極Ｄ３，Ｄ４およびスルーホールＴＨ２ａ，ＴＨ２ｂなどを一箇所に集めて設け、その箇所だけ基板を大きく形成する。

図７は、温度分布測定装置１４０の他の例である温度分布測定装置１４０ｂの構成を示している。なお、図７は、温度分布測定装置１４０ｂを分解した状態で示している。また、説明の便宜上、温度分布測定装置１４０ａの部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付している。

温度分布測定装置１４０ｂは、３枚の基板１４１ａ〜１４３ａを順に積層した積層基板で構成されている。基板１４１ａ〜１４３ａは、セル１０ａと同様な形状（例えば長方形状）および寸法を有するが、その一面のサイズは、セル１０ａと後述する熱電対とが電気的に接続されないようにするために、セル１０ａのサイズと比較してやや大きく形成されている。具体的には、長方形状である基板１４１ａ〜１４３ａの短辺側の長さをセル１０ａのそれと比較してやや大きく形成している。温度分布測定装置１４０ｂは、この点について、また、この点による金属パターンの変更（詳細は後述）のみが、温度分布測定装置１４０ａとは異なっている。

基板１４１ａ〜１４３ａとしては、プリント基板に使用する、ガラスエポキシ等の絶縁材料、あるいはＰＥＴフィルムを用いることができ、本実施形態ではガラスエポキシによって形成した。なお、基板１４１ａ〜１４３ａには、空気、水素、冷却水がそれぞれ通過するマニホールドが形成されているが、ここではその図示を省略している。また、基板１４１ａ〜１４３ａは、絶縁性接着剤を介在させてホットプレスにより一体化されている。

基板１４１ａ〜１４３ａには、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、基板を貫通するスルーホールＴＨ１が形成されている。このスルーホールＴＨ１は、周知のドリルなどによって形成すればよい。基板１４１ａには、その表面（基板１４２ａと対向する面とは反対側の面）に、かつ、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、電極Ｄ１が形成されている。基板１４３ａには、その裏面（基板１４２ａと対向する面とは反対側の面）に、かつ、セル１０ａの大きさと同一の範囲に、電極Ｄ２が形成されている。電極Ｄ１，Ｄ２は、温度分布測定装置１４０ｂがセル１０ａ間に配置されたときに隣接するセル１０ａと接触し、セル１０ａと電気的に接続される。また、電極Ｄ１，Ｄ２は、電極Ｄ１，Ｄ２の形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ１によって、互いが電気的に接続される。つまり、電極Ｄ１，Ｄ２は、セル１０ａと温度分布測定装置１４０ｂとの電気的接続を図るものである。電極Ｄ１，Ｄ２としては、一般的な電子機器用プリント基板に使用される銅を用いることができ、電解めっき、無電解めっきによって形成すればよい。また、電極Ｄ１，Ｄ２には、接触抵抗の低減のために、金メッキを施すこともできる。

基板１４１ａには、上述のセル１０ａよりやや大きく形成された部分に、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ａが形成されるとともに、その表面側に、上記熱電対の電極Ｄ３としての金属パターンがスルーホールＴＨ２ａから基板端に向かって形成されている。また、基板１４３ａには、上述のセル１０ａよりやや大きく形成された部分に、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ｂが形成されるとともに、その裏面側に、上記熱電対の電極Ｄ４としての金属パターンがスルーホールＴＨ２ｂから基板端に向かって形成されている。

基板１４２ａの表面（基板１４１ａと対向する面）には、全体的に、金属パターンＰａａが形成され、この金属パターンＰａａは、金属パターンＰａａの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ａと接続されている。また、基板１４２ａには、基板を貫通するスルーホールＴＨ２ｃが形成される。基板１４３ａの表面（基板１４２ａと対向する面）には、全体的に、金属パターンＰｂａが形成され、この金属パターンＰｂａは、金属パターンＰｂａの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ｂと接続されている。金属パターンＰａａ，Ｐｂａは、金属パターンＰａａ，Ｐｂａのいずれかの形成材料が埋め込まれたスルーホールＴＨ２ｃによって接続されている。

金属パターンＰａａ，ＰｂａおよびスルーホールＴＨ２ａ〜ＴＨ２ｃは、上記熱電対を構成している。電極Ｄ３，Ｄ４は、上述のように上記熱電対の電極である。金属パターンＰａａ，Ｐｂａの形成材料は、熱電対を構成する周知の材料である銅−コンスタンタンを用いることができるが、これに限らず熱起電力が発生する材料であれば用いることができる。スルーホールＴＨ２ａ〜ＴＨ２ｃは、スルーホールＴＨ１と同様に、周知のドリルなどによって形成すればよい。また、金属パターンＰａａ，Ｐｂａは、メッキ法によって形成した後、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて整形すればよい。金属パターンＰａａ，Ｐｂａは、温度分布測定装置１４０ａにおける金属パターンＰａ，Ｐｂに対し、基板１４１ａ〜１４３ａの短辺側の長さをやや大きく形成していることによってその形状を変更した点のみが異なるものである。

温度分布測定装置１４０ｂよる温度分布測定方法ならびに効果については、温度分布測定装置１４０ａによるそれと同様であるので、ここではその説明を省略する。

次に、図８は、温度分布測定装置１４０ｂの変更例である温度分布測定装置１４０ｂａの構成を示している。

温度分布測定装置１４０ｂａは、同図に示すように、温度分布測定装置１４０ａａと同様に、電極Ｄ３，Ｄ４およびスルーホールＴＨ２ａ，ＴＨ２ｂを一箇所に集めて設け、その箇所のみ基板を大きく形成している。なお、温度分布測定装置１４０ｂａでは、上記箇所に合わせて金属パターンＰａａ，Ｐｂａの形成状態も変更しているため、上記箇所以外の箇所もやや大きく形成している。

次に、図９は、温度分布測定装置１４０の他の例である温度分布測定装置１４０ｃの構成を示しており、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は温度分布測定装置１４０ｃにおける基板１４５，１４６を積層する様子を示す図であり、（ｃ）はその断面図である。なお、説明の便宜上、温度分布測定装置１４０ａ，１４０ｂの部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

温度分布測定装置１４０ｃは、２枚の基板１４５，１４６を順に積層した積層基板で構成されている。基板１４５は、基板１４１ａと同様な構成であるが、その裏面（基板１４６と対向する面）に金属パターンＰａａが形成されている。基板１４６は、基板１４３ａと同様な構成である。温度分布測定装置１４０ｂにおけるスルーホールＴＨ２ｃは形成されない。

温度分布測定装置１４０ｃよる温度測定方法ならびに効果については、温度分布測定装置１４０ａによるそれと同様であるので、ここではその説明を省略する。但し、温度分布測定装置１４０ｃは、温度分布測定装置１４０ａ，１４０ｂと比較して構成が簡素化されているので、より薄型化・軽量化を実現できるとともに、より燃料電池１０の内部抵抗を高めることを防いで、燃料電池１０の発電に悪影響を及ぼすことなく温度測定を行うことができる。

次に、図１０は、温度分布測定装置１４０ｃの変更例である温度分布測定装置１４０ｃａの構成を示している。

温度分布測定装置１４０ｃａは、同図に示すように、温度分布測定装置１４０ｂａと同様に、電極Ｄ３，Ｄ４およびスルーホールＴＨ２ａ，ＴＨ２ｂを一箇所に集めて設け、その箇所だけ基板を大きく形成している。なお、温度分布測定装置１４０ｃａでは、上記箇所に合わせて金属パターンＰａａ，Ｐｂａの形成状態も変更しているため、上記箇所以外の箇所もやや大きく形成している。

次に、図１１（ａ）は温度分布測定装置１４０の他の例である温度分布測定装置１４０ｄの構成を示しており、図１１（ｂ）は温度分布測定装置１４０の他の例である温度分布測定装置１４０ｅの構成を示している。なお、説明の便宜上、温度分布測定装置１４０ａ〜１４０ｃの部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

温度分布測定装置１４０ｄは、温度分布測定装置１４０ａ，１４０ｂにおける電極Ｄ１，Ｄ２に代えて、導体Ａ，Ｂによって積層基板を挟みこむとともに、スルーホールＴＨ１を貫通孔に変更して、当該貫通孔を導体Ａ，Ｂのいずれかによって埋め込んでいる。温度分布測定装置１４０ｅは、温度分布測定装置１４０ｃにおける電極Ｄ１，Ｄ２に代えて、導体Ａ，Ｂによって積層基板を挟みこむとともに、スルーホールＴＨ１を貫通孔に変更して、当該貫通孔を導体Ａ，Ｂのいずれかによって埋め込んでいる。このような構成とすることにより、導体Ａ，Ｂに溝を形成すればセパレータ４として使用することができるため、温度分布測定装置１４０ａ〜１４０ｃと比較して、より薄型化・軽量化を実現できる。

（燃料電池評価装置）
次に、本実施形態に係る燃料電池評価装置２００について、図１２を用いて説明する。図１２は、燃料電池評価装置２００の概略構成を示している。燃料電池評価装置２００は、温度分布測定装置１４０を用い、燃料電池の適切な発電条件および燃料電池の温度特性の試験、ならびに発電による劣化の解析などを行う。

燃料電池評価装置２００は、一般的な燃料電池評価装置と同様の構成・機能を有するものであるが、簡単に説明すると、温度分布測定装置１４０を用いた燃料電池（ＦＣ）２０１と、燃料電池２０１に燃料ガスを供給するガスライン２０２と、ガスライン２０２上に設けられ、上記燃料ガスの流量を制御するマスフローコントローラ２０３と、燃料電池２０１に冷却水を供給する／燃料電池２０１から冷却水を排出する冷却水ライン２０４とを備えている。上記燃料ガスとしては、水素、空気（酸素）、および窒素であり、当該窒素は、水素および空気に加えられる。また、上記窒素は、起電力が発生しないようにパージ用にも使用される。

また、燃料電池評価装置２００は、上記窒素が加えられた水素のガスライン２０２上、および上記窒素が加えられた空気のガスライン２０２上に設けられ、燃料電池２０１における電解質膜の加湿量を制御するための加湿器２０５と、加湿器２０５の後段に設けられ、燃料電池２０１に加えられる空気および水素の温度を制御するためのヒータ２０６と、ヒータ２０６と燃料電池２０１の燃料入口との間、および燃料電池２０１の燃料出口に設けられる、温度センサ（ＴＣ）、湿度センサ（ＤＰ）、および圧力センサ（Ｐ）などのセンサ類２０７と、燃料電池２０１に接続され、モータや電動機などの負荷を模擬して、発電状況を再現する電子負荷（ＥＬ）２０８と、燃料電池２０１の燃料出口から排出されたガスを冷却し、発生した水蒸気・水分を液化させる熱交換器２０９と、熱交換器２０９にて液化させた水分を分析・軽量する生成水回収器２１０とを備えている。なお、センサ類２０７は、試験の内容によって、設けるセンサ、設ける場所が変更される。

また、燃料電池評価装置２００は、温度分布測定装置１４０における熱電対から電圧を測定する電圧センサ（電圧測定部）（不図示）と、当該電圧センサによって測定された電圧信号を演算処理し、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから燃料電池２０１のセル面内の温度を測定するとともに、この測定した温度値から上記セル面内における温度分布を検出する。そして、この検出した温度分布を用いて一般的な手法により上記試験ならびに上記劣化解析などの燃料電池２０１の性能評価を行う評価部（不図示）とを備えている。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る温度分布測定装置は、燃料電池の薄型・小型を維持し、かつ、燃料電池の内部抵抗を高めることを防いで発電に悪影響を及ぼすことなくセル面内の温度分布を測定可能であるから、上記温度分布測定装置は、発電特性や発電劣化特性の確認などのために、燃料電池システムおよび燃料電池評価装置に好適に用いることができる。また、上記温度分布測定装置を備える燃料電池システムは、自動車に好適に用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。燃料電池の概略構造を示す斜視図である。燃料電池のセルの概略構造を示す斜視図である。図３に示したセルに温度分布測定装置が配置されている様子を示す図である。温度分布測定装置の構成例を示しており、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその斜視図であり、（ｃ）はその断面図である。図５に示した温度分布測定装置の他の構成例を示す平面図である。温度分布測定装置の他の構成例を示す平面図である。図７に示した温度分布測定装置の他の構成例を示す平面図である。温度分布測定装置の他の例を示しており、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は当該温度分布測定装置における基板を積層する様子を示す図であり、（ｃ）はその断面図である。図９に示した温度分布測定装置の他の構成例を示す平面図である。（ａ）は温度分布測定装置の他の例を示す断面図であり、（ｂ）は温度分布測定装置の他の例を示す断面図である。燃料電池評価装置の概略構成を示している

符号の説明

４セパレータ
１０燃料電池
１０ａ燃料電池のセル
５０制御部（演算部）
５１信号処理回路（演算部）
１４０温度分布測定装置
１５０燃料電池システム
２００燃料電池評価装置
Ｄ１、Ｄ２電極
Ｐａ、Ｐａａ、Ｐｂ、Ｐｂａ金属パターン

Claims

燃料電池の積層されたセル間に配置され、当該セル面内の温度分布を測定するための温度分布測定装置であって、
複数の絶縁体を積層してなる基板と、
上記基板の両面に上記セルに接触するように設けられ、かつ互いが電気的に接続されている一対の電極と、
上記基板における内層に形成され、かつ、上記セルおよび上記電極とは電気的に接続されていない、熱電対を構成する複数の金属パターンとを備えていると共に、
上記基板の両面に形成された電極として、隣接するセルのセパレータを用いることを特徴とする温度分布測定装置。
上記基板の上記電極を形成した面の面積は、上記セル面の面積と比較して大きく形成されており、かつ、上記基板の両面における上記セル面より大きい部分には、上記熱電対を構成する金属パターンと電気的に接続されている、上記熱電対の電極となる金属パターンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の温度分布測定装置。
請求項１〜２のいずれか一項に記載の温度分布測定装置を備えた燃料電池システムであって、
上記温度分布測定装置が積層されたセル間に配置されている燃料電池と、
上記温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、
上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成する演算部とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池の性能評価を行う燃料電池評価装置であって、
燃料電池の積層されたセル間に配置されている、請求項１〜２のいずれか一項に記載の温度分布測定装置における熱電対から電圧を測定する電圧測定部と、
上記電圧測定部にて測定された電圧に基づき、上記熱電対の熱起電力特性と室温とから温度を算出するとともに、当該算出した温度に基づき温度分布を生成し、この生成した温度分布を用いて上記燃料電池の性能評価を行う評価部とを備えていることを特徴とする燃料電池評価装置。