JP5316029B2

JP5316029B2 - 電流測定装置

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Publication number: JP5316029B2
Application number: JP2009016800A
Authority: JP
Inventors: 英嗣伊豆原; 信也坂口; 木川　　俊二郎; 正道飯塚
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2010176964A

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。

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第１電極、他方のセルに電気的に接触する第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、燃料電池セルを流れる電流を測定している。

さらに、特許文献１の電流測定部では、第１、第２電極および抵抗体を、それぞれ異なるプリント基板に配置して、それぞれのプリント基板を積層体（積層基板）として一体に構成することで、ホールＩＣ等を用いて電流測定部を構成する場合に対して、電流測定装置におけるセルの積層方向の厚み寸法を大幅に低減させている。

特開２００７−２８０６４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電流測定装置では、セルの積層方向の厚みを低減できるものの、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際には、燃料電池に印加する交流電流が高周波になると、交流インピーダンスを正確に計測できないといった問題があった。

そこで、本発明者らがこの原因を調査したところ、高周波電流が電流測定装置内の抵抗体の電流経路を流れると、抵抗体の電流経路に生じる磁束の逆起電力によってインダクタンスが発生し、このインダクタンスの影響によって、抵抗体の抵抗値が変化して正確な電流測定ができなくなることが分かった。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池セルの交流インピーダンスを計測する際に燃料電池セルを流れる電流を測定する電流測定装置において、電流測定装置におけるセルの積層方向の厚み寸法の増大を抑制するとともに、電流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、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、セル（１０ａ）の交流インピーダンスを計測する際にセル（１０ａ）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、複数の基板（１１０〜１４０）が積層された積層体（１００ａ）と、積層体（１００ａ）の両板面に配置されて隣合うセル（１０ａ）に電気的に接触する一対の電極（１１１、１４１）、一対の電極（１１１、１４１）を電気的に接続するとともに、一対の電極（１１１、１４１）間を流れる電流によって磁界を発生させる励磁コイル部（１２１）を含んで構成される電流測定部（１０１）と、励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の変化を検出する磁界検出手段（１０２）と、磁界検出手段（１０２）の検出値に基づいて、セル（１０ａ）における電流測定部（１０１）に対応する部位の電流を測定する電流測定手段（５１）とを備え、励磁コイル部（１２１）は、積層体（１０１ａ）を構成する複数の基板（１１０〜１４０）のうち、一対の電極（１１１、１４１）が配置された両板面を除く少なくとも１つの基板（１２０）の板面に形成された渦巻き状の配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）にて構成されており、電流測定部（１０１）は、励磁コイル部（１２１）にて発生した磁束が鎖交するとともに、鎖交する磁束の変化に応じて誘導起電圧および誘導電流が生ずる検出コイル部（１３１）を有し、磁界検出手段（１０２）は、励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の変化によって検出コイル部（１３１）に誘起される誘導起電圧又は誘導電流を検出するように構成されていることを特徴とする。

これによれば、励磁コイル部（１２１）を、積層体（１０１ａ）を構成する基板（１２０）の板面に形成しているので、セル（１０ａ）の積層方向の厚み寸法の増大を抑制することができる。さらに、励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の変化に基づいて燃料電池（１０）内部の電流を測定する構成なので、セル（１０ａ）の交流インピーダンスを計測する際に高周波電流を印加したとしてもインダクタンスの影響を受けずに適切に電流を測定することができる。

従って、電流測定装置におけるセル（１０ａ）の積層方向の厚み寸法の増大を抑制するとともに、電流測定精度を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電流測定装置において、複数の基板（１１０〜１４０）は、それぞれの板面方向が並行となるように配置されており、励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の向きが一対の電極（１１１、１４１）を直交する方向となっていることを特徴とする。

これによれば、励磁コイル（１２１）にて発生する磁束の向きが、各電極（１１１、１４１）にて発生する磁界を直交するので、各電極（１１１、１４１）にて発生する磁界が、磁界検出手段（１０２）の検出値に影響することを防止することができる。なお、励磁コイル（１２１）にて発生する磁束の向きは、基板（１２０）の板面の直交方向となり、各電極（１１１、１４１）にて発生する磁界は、基板（１２０）の板面の並行方向に形成される。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の電流測定装置において、検出コイル部（１３１）は、複数の基板（１１０〜１４０）のうち励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）が形成された基板（１２０）とは異なる基板（１３０）の板面に形成された渦巻き状の配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）にて構成されていることを特徴とする。

これによれば、励磁コイル部（１２１）と同様に、検出コイル部（１３１）を、積層体（１００ａ）を構成する基板（１２０）の板面に形成しているので、セル（１０ａ）の積層方向の厚み寸法の増大を効果的に抑制することができる。

また、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、励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）と検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）とは、互いの渦中心部分が複数の基板（１１０〜１４０）の積層方向に対応するように形成されており、励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）が形成された基板（１２０）には、励磁コイル部（１２１）を構成する渦巻き状の配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）の渦中心部分に強磁性体（１２３）が配置されていることを特徴とする。

これによれば、励磁コイル部（１２１）の渦中心部分に強磁性体（１２３）を設けることで、検出コイル部（１３１）を鎖交する磁束の磁束密度を大きくすることができるので、漏れ磁束を低減することができる。その結果、電流測定装置の電流測定精度を向上させることができる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の電流測定装置において、検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）が形成された基板（１３０）には、検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）の渦中心部分に強磁性体（１２３）が配置されていることを特徴とする。

これによれば、励磁コイル部（１２１）にて発生する磁束が検出コイル部（１３１）を鎖交し易くなるため、電流測定装置の電流測定精度を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の電流測定装置において、検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）を、強磁性体（１２３）の外周縁に沿って形成することで、外部からの磁界の影響を低減することができる。

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。

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。実施形態に係る燃料電池の斜視図である。実施形態に係る電流測定部集合板の分解図である。実施形態に係る電流測定部の構成を示す分解斜視図である。励磁コイル部のコイルパターンの正面図である。検知コイル部の検出パターンの正面図である。実施形態に係る電流測定部の電流の流れを示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。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、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と称する。）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。

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。

さらに、燃料電池１０には、隣合うセル１０ａの間に配置されて、燃料電池１０のセル１０ａの交流インピーダンスを計測する際に、セル面内の電流分布を測定するための電流測定装置１００が設けられている。電流測定装置１００の検出信号は、後述する制御装置５０に入力される。電流測定装置１００の詳細については後述する。

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、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。

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１００の電流検出回路５１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１００の詳細について説明する。電流測定装置１００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電流測定部集合板１００ａ、各電流測定部１０１の所定部位間の電位差を検出する電流測定用電圧センサ１０２、および、セル１０ａの板面のうち各電流測定部１０１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を備えている。

まず、図２、図３により、電流測定部集合板１００ａについて説明する。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。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、表面に配線パターンが形成された複数のプリント基板を積層した積層体（積層基板）として構成されている。プリント基板としては、一般的なガラスエポキシ基板を用いることができる。

本実施形態の電流測定部集合板１００ａは、第１基板１１０、第２基板１４０、第３基板１２０、および第４基板１３０の４枚のプリント基板が積層されて構成されている。なお、第１〜第４基板１１０〜１４０は、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤（図示せず）を介在させてホットプレスによって一体化されている。

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、それぞれ積層体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。

ここで、電流測定部１０１の概要について図４に基づいて説明する。図４は、電流測定部１０１の構成を示す分解斜視図である。図４に示すように、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１４１を有している。

この第１電極１１１および第２電極１４１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ている。具体的には、第１電極１１１が第１基板１１０における一方のセル１０ａに対向する面（図４の紙面手前側の面）に配置され、第２電極１４１が第２基板１４０における他方のセル１０ａに対向する面（図４の紙面奥側の面）に配置されている。本実施形態の第１、第２電極１１１、１４１は、それぞれ金属箔（例えば、銅箔）にて構成されている。

また、電流測定部１０１は、第１電極１１１と第２電極１４１とを電気的に接続するともに第１、第２電極１１１、１４１間に磁界を発生させる励磁コイル部１２１と、発生した磁界の変化によって誘起されて誘導起電圧および誘導電流が生ずる検出コイル部１３１とを有している。

励磁コイル部１２１は、電流測定部集合板１００ａを構成する複数の基板のうち第３基板１２０の両面（両板面）に形成された金属箔（例えば銅箔）からなる配線パターンにて構成されている。また、検出コイル部１３１は、電流測定部集合板１００ａを構成する複数の基板のうち第４基板１３０の両面（両板面）に形成された金属箔（例えば銅箔）からなる配線パターンにて構成されている。

ここで、電流測定部集合板１００ａを構成する各基板１１０〜１４０は、配線パターンが形成された板面の板面方向が、それぞれ並行となるように配置され、励磁コイル部１２１にて発生した磁界の向きが第１、第２電極１１１、１４１に直交する方向となっている。

次に、本実施形態の励磁コイル部１２１の詳細について図５に基づいて説明する。図４は、励磁コイル部１２１を構成する各配線パターンの正面図であり、図５（ａ）が第３基板の第１電極側の配線パターン（以下、第１コイルパターン１２１ａと称する。）、図５（ｂ）が第３基板の第２電極側の配線パターン（以下、第２コイルパターン１２１ｂと称する。）を示している。なお、図５（ａ）は、第１コイルパターンを第１電極側から見た図であり、図５（ｂ）は、第２コイルパターンを第２電極側から見た図である。

図５に示すように、励磁コイル部１２１を構成する各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂは、いずれも渦巻き状となるように形成されている。さらに、各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂは、渦中心部分を除いた周辺部分にドーナツ形状となるように形成されている。なお、励磁コイル部１２１を構成する各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂは、第３基板１２０の板面に形成されているため、各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂの渦軸の方向が、第３基板１２０の板面の直交方向となる。

第１コイルパターン１２１ａは、第１コイルパターン１２１ａの外周側端部に第１電極１１１に接続するための第１接続部１２０ａ、および内周側端部に第２コイルパターン１２１ｂの内周側端部に接続するための第３接続部１２０ｃが設けられている（図５（ａ）参照）。また、第２コイルパターン１２１ｂの外周側端部に第２電極１４１に接続するための第２接続部１２０ｂが設けられている（図５（ｂ）参照）。このように、第１、第２電極１１１、１４１、および第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂは、第１〜第３接続部１２０ａ〜１２０ｃを介して電気的に接続されている。

そのため、第１電極１１１から第２電極１４１に向かって電流が流れると、第１電極１１１→第１接続部１２０ａ→第１コイルパターン１２１ａ→第３接続部１２０ｃ→第２コイルパターン１２１ｂ→第２接続部１２０ｂ→第２電極１４１の順に電流が流れる。また、第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂを流れる電流は、第１電極１１１側から見て時計回り（第２電極１４１側から見て反時計回り）に渦巻くように流れる（図５の矢印参照）。

ここで、本実施形態の励磁コイル部１２１では、１つのコイルパターンの巻き数を２ターンとしており、各コイルパターンによって４ターンの巻き数（Ｎ１＝４）のコイルが第３基板１２０上に形成されることになる。

さらに、本実施形態の第３基板１２０における励磁コイル部１２１の渦中心部分には、第３基板１２０を厚さ方向に貫通する貫通穴部１２２が設けられている。この貫通穴部１２２には、鉄等で構成される強磁性体１２３の一端側が配置されている。なお、強磁性体１２３の他端側は、後述する第４基板１３０に形成された貫通穴部１３２に配置されている。

次に、検出コイル部１３１の詳細について図６に基づいて説明する。図６は、検出コイル部１３１を構成する各配線パターンの正面図であり、図６（ａ）が第４基板の第１電極側の配線パターン（以下、第１検出パターン１３１ａと称する。）、図６（ｂ）が第４基板の第２電極側の配線パターン（以下、第２検出パターン１３１ｂと称する。）を示している。なお、図６（ａ）は、第１検出パターンを第１電極側から見た図であり、図６（ｂ）は、第２検出パターンを第２電極側から見た図である。

図６に示すように、検出コイル部１３１を構成する各検出パターン１３１ａ、１３１ｂは、上述のコイルパターンと同様に、いずれも渦巻き状となるように形成されている。各検出パターン１３１ａ、１３１ｂは、第４基板１３０における第３基板１２０の第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂに対向する位置に形成されている。

また、本実施形態の第４基板１３０における各検出パターン１３１ａ、１３１ｂの渦中心部分は、第３基板における第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂの渦中心部分に対応する位置に形成されている。

第１検出パターン１３１ａの内周側端部と第２検出パターン１３１ｂの内周側端部とは、プリント基板を厚さ方向に貫通する第４接続部１３０ａにて接続されている。また、第１検出パターン１３１ａの外周側端部と第２検出パターン１３１ｂの外周側端部には、第５、第６接続部１３０ｂ、１３０ｃが設けられている。

第５、第６接続部１３０ｂ、１３０ｃは、図３に示す電流測定用配線１３２に接続されている。電流測定用配線１３２は、信号取り出し用のコネクタ１３３および外部配線を介して電流測定用電圧センサ１０２に接続されている。この電流測定用電圧センサ１０２は、検出コイル部１３１に生ずる誘導起電圧を検出して、検出信号を電流検出回路５１に出力する磁界検出手段を構成している。なお、図３では、第４基板１３０における第３基板１２０側の電流測定用配線１３２を実線で囲まれた斜線で示している。

図６に戻り、第４基板１３０の各検出パターン１３１ａ、１３１ｂの渦中心部分には、第３基板１２０を貫通する貫通穴部１２２に対応する貫通穴部１３４が設けられている。この貫通穴部１３４には、第３基板１２０の貫通穴部１２２に埋設された強磁性体１２３の他端側が配置されている。

さらに、第１、第２検出パターン１３１ａ、１３１ｂは、第４基板１３０の貫通穴部１３４の周縁に沿って設けられている。具体的には、第１、第２検出パターン１３１ａ、１３１ｂは、第４基板１３０の貫通穴部１３４を最小半径で取り囲むように設けられている。

ここで、図４、図６に示すように、第４基板１３０には、第３基板１２０の第２コイルパターン１２１ｂの外周側端部と第２電極１４１とを接続する第２接続部１２０ｂが設けられている。なお、第１〜第４接続部１２０ａ〜１２０ｃ、１３０ａについては、例えば、内部が導電体で構成されるブラインドビアホールとすることができる。

本実施形態の検出コイル部１３１では、１つの検出パターンの巻き数を８ターンとしており、各検出パターン１２１ａ、１２１ｂによって１６ターンの巻き数（Ｎ２＝１６）のコイルが第４基板１３０上に形成されていることになる。

上記構成の電流測定装置１００は、燃料電池１０におけるセル１０ａの交流インピーダンスを計測する際に、燃料電池１０のセル面内の電流分布を測定する手段として用いられている。

燃料電池１０のセル１０ａの交流インピーダンスの計測は、燃料電池１０の内部水分量（セル１０ａ内の電解質膜の湿潤度）を推定するために行っている。なお、燃料電池１０の内部水分量と燃料電池１０のセル１０ａの複素インピーダンスとが相関関係があるため、セル１０ａの交流インピーダンスを計測することで、間接的に燃料電池１０の内部水分量を推定することができる。

まず、燃料電池１０のセル１０ａの交流インピーダンスの計測方法について簡単に説明する。燃料電池システムの二次電池、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でセル１０ａの電圧を測定するとともに、電流測定装置１００にてセル面内の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測定装置１００で測定し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計測することができる。なお、二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ等が燃料電池１０に交流を印加する交流印加手段を構成している。

次に、本実施形態の電流測定装置１００の電流測定方法について図４、図７に基づいて説明する。図７は、電流測定部における電流測定方法を説明する説明図である。なお、図７では、電流の流れが理解し易いように、励磁コイル部１２１および検知コイル部１３１をバネ状のコイルとして描画しているが、実際には、図４〜図６に示すようになっている。

二次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いて燃料電池１０に所定電流の交流が印加されると、電流測定装置１００の各電流測定部１０１では、図４、図７に示すように、電流流れ方向上流側のセル１０ａから第１電極１１１の板面に電流が流れる。そして、励磁コイル部１２１を介して第２電極１４１に電流が流れ、第２電極１４１の板面から電流流れ方向下流側のセル１０ａに電流が流れる。

ここで、上述のように、励磁コイル部１２１は、第１電極１１１側から見て時計回りに渦巻くように形成されており、第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂの電流の流れは、第１電極１１１側から見て時計回りに渦巻くように流れる。

また、励磁コイル部１２１の渦軸方向が第１、第２電極１１１、１４１に直交するように設けられていることから、第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂを流れる電流によって、第１電極１１１から第２電極１４１に向かう磁束（図７の破線で示す矢印）が発生する。励磁コイル部１２１にて発生した磁束の向きは、各基板１１０〜１４０の板面に直交方向となる。

ここで、第１、第２電極１１１、１４１に電流が流れることで、第１、第２電極１１１、１４１にも磁界が発生するが、第１、第２電極１１１、１４１で発生する磁界は、基板１１０〜１４０の板面の並行方向に形成される。

そのため、電流測定部１０１は、励磁コイル１２１にて発生する磁束が、各電極１１１、１４１に発生する磁界を直交する。これにより、各電極１１１、１４１にて発生する磁界が、各電極１１１、１４１にて発生する磁界が、電流測定用電圧センサ１０２の検出値に影響することを防止することができる。

次に、励磁コイル部１２１にて発生した磁束は、第２基板１３０に配置された検出コイル部１３１を鎖交する。励磁コイル部１２１にて発生した磁束は、第３基板１２０の各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂおよび第４基板１３０の各検出パターン１３１ａ、１３１ｂの渦中心部分に設けられた強磁性体１２３によって、渦中心部分近傍を鎖交する磁束の磁束密度が大きくなる。

そして、検出コイル部１３１には、検出コイル部１３１の検出パターン１３１ａ、１３１ｂを鎖交する磁束の時間的変化に応じた誘導起電圧Ｖ２が生ずる。ここで、理論上、誘導起電圧Ｖ２と励磁コイル部１２１における電圧Ｖ１との電圧比は、励磁コイル部１２１の巻き数Ｎ１（ターン数）と検出コイル部１３１の巻き数Ｎ２との巻き数比と等しくなる。つまり、Ｖ２＝（Ｎ２／Ｎ１）×Ｖ１の関係が成立する。

本実施形態では、検出コイル部１３１の巻き数Ｎ２を１６ターンとし、励磁コイル部１２１の巻き数Ｎ１を４ターンとしているため、検出コイル部１３１の誘導起電圧Ｖ２は、励磁コイル部１２１における電圧Ｖ１に対して４倍に昇圧した電圧値となる。

そして、検出コイル部１３１に生じた誘導起電圧を電流測定用電圧センサ１０２で測定し、検出信号を電流検出回路５１に出力する。電流検出回路５１にて、検出コイル部１３１に生じた誘導起電圧を積分等の演算処理を行うことで、セル１０ａにおける電流測定部１０１に対応する部位を流れる電流を測定する。電流検出回路５１では、演算処理によって得られた電流値を制御装置５０へ出力する。

また、制御装置５０では、セル１０ａの面内における電流分布を検出するとともに、検出された電流分布の変化とセルモニタ１１で測定した電圧値の変化によって燃料電池１０のセル１０ａの交流インピーダンスを算出する。算出した交流インピーダンス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を行う。

このように、電流測定装置１００は、励磁コイル部１２１を第１、第２電極１１１、１４１間に配置した第３基板１２０上に形成しているので、隣合うセル１０ａ間に電流測定装置１００を配置したとしても、燃料電池１０のセル１０ａの積層方向の厚み寸法の増大を抑制することができる。また、検出コイル部１３１を第４基板１３０上に形成しているので、燃料電池１０のセル１０ａの積層方向の厚み寸法の増大を効果的に抑制することができる。

また、電流測定装置１００は、励磁コイル部１２１にて発生した磁束により検出コイル部１３１に誘導起電圧を生じさせることで、燃料電池１０のセル面内の電流を測定する構成なので、高周波の交流電流を印加しても、燃料電池１０のセル面内を流れる電流をインダクタンスの影響を受けることなく適切に測定することができる。

さらに、従来のように抵抗体を配置する場合には、抵抗体の抵抗値が燃料電池１０内部の温度に影響して変化するため、電流を測定する際に温度補正を行う必要がある。これに対して、本実施形態の電流測定装置１００では、磁界の変化に基づいて電流を測定する構成であるため、燃料電池１０内部の温度に影響を受けず、燃料電池１０のセル面内を流れる電流を適切に測定することができる。

また、第３基板１２０の各コイルパターン１２１ａ、１２１ｂの渦中心部、および第４基板１３０の貫通穴部１２２、１３４に強磁性体１２３が埋設されているため、検出コイル部１３１を鎖交しない漏れ磁束を低減することができる。その結果、電流測定装置１００の電流測定精度をより向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態の電流測定装置１００によれば、電流測定装置１００におけるセルの積層方向の厚み寸法の増大を抑制するとともに、電流測定精度を向上させることができる。

（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、電流測定用電圧検出センサ１０２で検出コイル部１３１に誘起される誘導起電圧を検出する構成としたが、これに限らず、検出コイル部１３１に誘起される誘導電流を検出するようにしてもよい。この場合、電流センサ（磁界検出手段）にて検出コイル部１３１を流れる誘導電流を検出し、検出した誘導電流を電流検出回路５１にと検出コイル部１３１と励磁コイル部１２１の巻き数比とから、電流検出回路５１からセル１０ａにおける電流測定部１０１に対応する部位を流れる電流を測定すればよい。

（２）上述の実施形態では、励磁コイル部１２１を第３基板１２０の両面に形成した第１、第２コイルパターン１２１ａ、１２１ｂにて構成したが、これに限らず、渦巻き状のコイルパターンが形成された複数の基板を積層して構成してもよい。

これによれば、複数の基板によって励磁コイル部１２１を構成する場合には、励磁コイル部１２１の巻き数を増加させることが可能となり、励磁コイル部１２１にて発生する磁界の磁束密度を大きくすることができ、電流測定精度の向上を図ることができる。なお、実施形態では励磁コイル部１２１の巻き数Ｎ１を４ターンとして説明したが、これに限らず、１ターンとしてもよいし、複数ターンとしてもよい。

同様に、検出コイル部１３１についても、第４基板１３０の両面に形成した第１検出パターン１３１ａ、１３１ｂにて構成するものに限らず、渦巻き状の検知パターンが形成された複数の基板を積層して構成してもよい。なお、実施形態では検出コイル部１３１の巻き数Ｎ２を１６ターンとして説明したが、これに限らず、１ターンとしてもよいし、複数ターンとしてもよい。ここで、複数基板上に形成された配線パターンに励磁コイル部１２１、検出コイル部１３１を構成する場合、各配線パターンを順次接続すればよい。

（３）上述の実施形態では、電流測定部１０１を、同一の隣合うセル１０ａ間に複数配置する構成としているが、これに限定されず、例えば、同一の隣合うセル１０ａ間に電流測定部１０１を１つ配置する構成としてもよい。

（４）上述の実施形態では、図２において、図示の明確化のため３枚の電流測定部集合板１００ａを記載しているが、電流測定部集合板１００ａの数はこれに限定されない。電流測定部集合板１００ａの数を増加させることで、セル１０ａの面内における電流分布をより精度良く検出できる。例えば、２枚のセル１０ａに対して１枚の電流測定部集合板１００ａを配置することが望ましい。

１０燃料電池
１０ａセル
５１電流検出回路
１００ａ電流測定部集合板（積層体）
１０１電流測定部
１０２電流測定用電圧センサ（磁界検出手段）
１１１第１電極
１２０第３基板
１２１励磁コイル部
１２３強磁性体
１３０第４基板
１４１第２電極

Claims

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、前記セル（１０ａ）の交流インピーダンスを計測する際に前記セル（１０ａ）を流れる電流を測定する電流測定装置であって、
前記隣合う前記セル（１０ａ）間に配置されて、複数の基板（１１０〜１４０）が積層された積層体（１００ａ）と、
前記積層体（１００ａ）の両板面に配置されて前記隣合うセル（１０ａ）に電気的に接触する一対の電極（１１１、１４１）、前記一対の電極（１１１、１４１）を電気的に接続するとともに、前記一対の電極（１１１、１４１）間を流れる電流によって磁界を発生させる励磁コイル部（１２１）を含んで構成される電流測定部（１０１）と、
前記励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の変化を検出する磁界検出手段（１０２）と、
前記磁界検出手段（１０２）の検出値に基づいて、前記セル（１０ａ）における前記電流測定部（１０１）に対応する部位の電流を測定する電流測定手段（５１）とを備え、
前記励磁コイル部（１２１）は、前記積層体（１０１ａ）を構成する前記複数の基板（１１０〜１４０）のうち、前記一対の電極（１１１、１４１）が配置された両板面を除く少なくとも１つの基板（１２０）の板面に形成された渦巻き状の配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）にて構成されており、
前記電流測定部（１０１）は、前記励磁コイル部（１２１）にて発生した磁束が鎖交するとともに、鎖交する磁束の変化に応じて誘導起電圧および誘導電流が生ずる検出コイル部（１３１）を有し、
前記磁界検出手段（１０２）は、前記励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の変化によって前記検出コイル部（１３１）に誘起される誘導起電圧又は誘導電流を検出するように構成されていることを特徴とする電流測定装置。
前記複数の基板（１１０〜１４０）は、それぞれの板面方向が並行となるように配置されており、前記励磁コイル部（１２１）にて発生した磁界の向きが前記一対の電極（１１１、１４１）を直交する方向となっ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。
前記検出コイル部（１３１）は、前記複数の基板（１１０〜１４０）のうち前記励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）が形成された基板（１２０）とは異なる基板（１３０）の板面に形成された渦巻き状の配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）にて構成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。
前記励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）と前記検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）とは、互いの渦中心部分が前記複数の基板（１１０〜１４０）の積層方向に対応するように形成されており、
前記励磁コイル部（１２１）を構成する配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）が形成された基板（１２０）には、前記励磁コイル部（１２１）を構成する渦巻き状の配線パターン（１２１ａ、１２１ｂ）の渦中心部分に強磁性体（１２３）が配置さ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。
前記検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）が形成された基板（１３０）には、前記検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）の渦中心部分に前記強磁性体（１２３）が配置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。
前記検出コイル部（１３１）を構成する配線パターン（１３１ａ、１３１ｂ）は、前記強磁性体（１２３）の外周縁に沿って形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。