JP2005123162A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気エネルギーを放出するセルを備える燃料電池の、使用中の異常発生要因を特定可能にすること、あるいは、品質に問題があるセルを製造段階で検出可能にする。
【解決手段】 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ーを発生させるセルが複数積層された燃料電池の電流を測定する電流測定装置において、積層されたセル間に配置され、セルからの電流が流れる板状の導電体２１１、溝２１１２に囲まれるように設けられた柱状部２１１３と、柱状部の周囲に発生した磁界の強さを測定する磁気センサ２１２を設け、柱状部および磁気センサを導電体２１１における、セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つに対応する部位に設け、該当部位の局所電流測定することによりセルの異常を検出する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、電気エネルギーを発生させるセルを備える燃料電池の、局所電流を測定する装置に関する。

従来、電気エネルギーを放出するセルを備える電力機器として、例えば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が知られている。そして、燃料電池運転中にセルの電圧を測定し、その測定値に基づいて燃料電池の運転中の異常を検出するようにしている。また、製造段階においても、燃料電池の電流−電圧特性を検査している。

しかしながら、燃料電池の運転中の異常発生要因としては、例えば、酸素の供給不足や水素の供給不足、電解質の抵抗増大などがあるが、それらはすべて電圧低下という形であらわれる。したがって、電圧を測定しているだけでは、運転中の異常発生要因を特定することができず、その要因に応じた適切な処置が行えないという問題が発生する。

また、セルの面内の加工ばらつきが大きい場合には、接触抵抗の面内ばらつきが大きくなって電流密度のばらつきが大きくなる。そのような加工ばらつきの大きいセルは、適正な加工状態のセルに比べ、一部領域に電流が集中するため劣化速度が速くなってしまう。積層されたセルの一部に加工ばらつきが大きいセルが存在すると、そのセルが早期に発電不能となるため、他のセルは正常でも電池スタックとしては運転が不能になってしまう。そして、加工ばらつきが大きいセルを予め排除してスタッキングすれば、電池スタックの寿命を長くすることができるが、製造段階における電流−電圧特性の検査では、積層されたセルの一部に加工ばらつきが大きいセルが存在するか否かを知ることはできなかった。

本発明は上記点に鑑みて、電気エネルギーを発生させるセルを備える燃料電池の、使用中の異常発生要因を特定可能にすること、あるいは、品質に問題があるセルを製造段階で検出可能にすることを目的とする。

ところで、例えば燃料電池において乾燥、水分過剰、あるいは燃料ガスの供給不足が発生すると、セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位における局所電流が著しく低下する。このように、異常発生要因に応じて特定の部位の局所電流が大きく変化するため、局所電流を測定することにより、燃料電池の運転中の異常発生要因を特定することが可能になる。また、製造段階で局所電流を測定することにより、品質に問題があるセルを製造段階で検出することが可能になる。

そこで、本発明は、電流測定装置にて燃料電池の局所電流を測定可能にすることにより、上記目的を達成しようとするものである。

請求項１に記載の発明では、セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の電流を測定する電流測定装置であって、積層された前記セル間に配置され、前記セルからの電流が流れる板状の導電体（２１１、２２１）と、導電体において、溝（２１１２、２２１２）に囲まれるように設けられた柱状部（２１１３、２２１３）と、溝に設けられ、柱状部の周囲に発生した磁界の強さを測定する磁気センサ（２１２、２１３、２２３）とを備え、柱状部および磁気センサは、導電体において、セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つに対応する部位に設けられていることを特徴とする。

これによると、柱状部にはセル内の局所部位の電流が流れ、柱状部の周囲には柱状部を流れる電流に応じた磁界が発生するため、磁界の強さに基づいて局所部位の電流を測定することができる。したがって、この電流測定装置を用いることにより、電気エネルギーを放出するセルを備える燃料電池の、使用中の異常発生要因を特定すること、あるいは、品質に問題があるセルを製造段階で検出することが可能になる。

また、異常発生時の電流変化は電圧変化よりも早期に且つ顕著に現れるため、電流を測定することにより異常を早期に検知することができる。

また、磁気センサが溝に収納されているため、磁気センサとセルとの干渉を回避できる。したがって、複数積層されたセル間に導電体を配置することができ、例えば燃料電池内部において特に乾燥しやすい箇所等に電流測定装置を配置することができる。

ところで、電流測定装置をセル間に配置した際に、電流測定装置はセパレータで挟まれるが、これらのセパレータの表面には通常、冷却水が流れる溝状の冷却水流路が形成されている。このとき、セパレータの表面に溝等が接触する構成では、これらを迂回してセパレータの冷却水流路を設計する必要があり、冷却水流路の設計の自由度が小さくなる。

そこで、請求項２に記載の発明では、導電体（２２１）における柱状部が設けられた面に接するように設けられた第２の導電体（２２２）を設け、磁気センサを導電体と第２の導電体との間に溝によって形成される空間に位置させることで、溝や柱状部が露出しなくなるようにすることができる。これにより、セパレータの表面における冷却水流路の設計の自由度を大きくすることができる。さらに、鉄心を２枚の導電体の間に形成される空間内に配置することで、鉄心に荷重がかからなくなり、歪みが発生することを防止できる。これにより、歪みに起因する磁性材料の磁気特性の劣化を防止することができる。

請求項３に記載の発明のように、導電体と第２の導電体との間には、導電性を有する弾性体（２２６）が設けられていることで、セルと導電体との間の接触を良好にすることができ、これらの間に生ずる接触抵抗を低減することができる。

請求項４に記載の発明では、溝には磁気センサを固定するための緩衝材（２２５）が設けられており、溝と磁気センサとの間は絶縁処理が施されていることを特徴としている。これにより、磁気センサが溝の内部でがたつくことを防止でき、磁気特性の劣化を防止することが可能となる。

請求項５に記載の発明のように、磁気センサを溝において接着して固定することによっても、磁気センサが溝の内部でがたつくことを防止でき、磁気特性の劣化を防止することが可能となる。

請求項６に記載の発明では、セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の電流を測定する電流測定装置であって、積層されたセル間に配置され、セルからの電流が流れる板状の導電体（２０１）と、導電体に設けられ、セルの局所部位からの電流が流れる局所電流経路（２０２、２３２１〜２３２８）と、導電体の外部に設けられ、局所電流経路を流れる電流を導電体の外部に迂回させる迂回回路（２０４、２３４１〜２３４８）と、導電体の外部に設けられ、迂回回路を流れる電流を測定する電流センサ（２０５）とを備え、局所電流経路、迂回経路および電流センサは、導電体において、セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つに対応する部位に設けられていることを特徴としている。

これによると、局所部位の電流を測定することができるため、この電流測定装置を用いることにより、電気エネルギーを放出するセルを備える電力機器の、使用中の異常発生要因を特定すること、あるいは、品質に問題があるセルを製造段階で検出することが可能になる。

また、異常発生時の電流変化は電圧変化よりも早期に且つ顕著に現れるため、電流を測定することにより異常を早期に検知することができる。

また、磁気センサが溝に収納されているため、磁気センサとセルとの干渉を回避できる。したがって、複数積層されたセル間に導電体を配置することができ、例えば燃料電池内部において特に乾燥しやすい箇所等に電流測定装置を配置することができる。

請求項７に記載の発明のように、セルと導電体との間に導電性を有する弾性体（１２、１３）を設けることで、セルと導電体との間の接触を良好にすることができ、これらの間に生ずる接触抵抗を低減することができる。

請求項８に記載の発明では、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ーを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池の電流を測定する電流測定装置であって、セルにおいて、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体（１１１）の外側に配置され、燃料ガスが流れる燃料ガス流路および酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路の少なくとも一方が形成されている導電性のセパレータ（１１０、１２０）と、セパレータにおいて、溝に囲まれるように設けられた柱状部と、溝に設けられ、柱状部に発生した磁界の強さを測定する磁気センサとを備え、柱状部および磁気センサは、セパレータにおいて、セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つの部位に設けられていることを特徴とする。

これによると、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池が備えている導電性のセパレータを利用しているため、板状の導電体を新たに設ける必要がない。

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）
本発明の第１実施形態に係る電流測定装置について説明する。図１は第１実施形態に係る電流測定装置２０を装着した燃料電池１の斜視図、図２は図１の燃料電池１の側面図である。

本実施形態の燃料電池１は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル１０が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。図２に示すように、セル１０は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１００と、このＭＥＡ１００を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図１に示すように、燃料電池１には空気および水素が供給される。図２に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して酸素が各セル１０に対して並列に供給される。また、図２に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１０に対して並列に供給される。電解質膜は湿潤状態にしておく必要があるため、燃料電池１に供給される空気と水素は、図示しない加湿器により加湿される。

燃料電池１では、水素を酸素が供給されることで以下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）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
図１に示すように、積層されたセル１０の両端には端子板１１が配置されている。図１中の斜線で示すように、ある２つのセル１０間に電流測定装置２０が配置されている。

図３は図１の電流測定装置２０の斜視図であり、図４（ａ）は図１の電流測定装置２０における板部２００の正面図、図４（ｂ）は板部２００の右側面図、図６（ｃ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４（ｄ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。なお、本実施形態の電流測定装置２０では電流センサ２０５等が複数設けられているが、図３、図４では電流センサ２０５等を１つのみ図示している。

図３および図４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２０１、導電体２０１内に設けられた導電性金属よりなる局所電流経路２０２、導電体２０１と局所電流経路２０２との間を絶縁する絶縁性樹脂よりなる絶縁層２０３、導電体２０１および局所電流経路２０２の外部にて導電体２０１と局所電流経路２０２との間を接続する迂回回路２０４、迂回回路２０４中に配置された電流センサ２０５を備えている。

導電体２０１と局所電流経路２０２と絶縁層２０３とからなる板部２００は、セル１０間に挿入され（図１参照）、導電体２０１におけるセル積層方向の両端面２０１１、２０１２がセル１０に接触するようになっている。

局所電流経路２０２の一方の露出面２０２１は、導電体２０１の一方の端面２０１１に露出していて、セル１０に接触するようになっている。局所電流経路２０２の他方の露出面２０２２は、導電体２０１の側面２０１３に露出しており、セル１０には接触しないようになっている。

導電体２０１の側面２０１３と局所電流経路２０２の他方の露出面２０２２との間が迂回回路２０４によって接続されており、この迂回回路２０４を流れる電流を電流センサ２０５にて検出するようになっている。

上記構成において、燃料電池１からの放電電流は、電流測定装置２０を通過する際に分岐して流れる。すなわち、導電体２０１の一方の端面２０１１に接するセル１０から導電体２０１の他方の端面２０１２に接するセル１０へ流れる電流は、導電体２０１のみを介して流れる電流と、局所電流経路２０２、迂回回路２０４および導電体２０１を介して流れる電流とに分かれる。

そして、セル１０における局所電流経路２０２の一方の露出面２０２１に対向する部位から放電される局所電流が、局所電流経路２０２および迂回回路２０４を流れ、したがって電流センサ２０５によってセル１０の局所電流を検出することができる。

図５は図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。図５に示すように、空気側セパレータ１１０は、空気流路２０に接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。なお、空気側セパレータ１１０は本発明の第１セパレータに相当し、空気流路溝１１３は本発明の酸化剤ガス流路に相当し、空気入口部１１１は本発明の酸化剤ガスの入口部に相当し、空気出口部１１２は本発明の酸化剤ガスの出口部に相当する。

図６は図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。図６に示すように、水素側セパレータ１２０は、水素流路３０に接続される水素入口部１２１および水素出口部１２２と、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための水素流路溝１２３とを備えている。なお、水素側セパレータ１２０は本発明の第２セパレータに相当し、水素流路溝１２３は本発明の燃料ガス流路に相当し、水素入口部１２１は本発明の燃料ガスの入口部に相当し、水素出口部１２２は本発明の燃料ガスの出口部に相当する。

図３、図４で示した局所電流経路２０２、絶縁層２０３、迂回回路２０４、電流センサ２０５は、電流測定装置２０において、燃料電池１の局所電流を測定したい部位に対応する部位に設けられる。具体的には、局所電流経路２０２、絶縁層２０３、迂回回路２０４、電流センサ２０５は、電流測定装置２０において、空気入口部１１１近傍（図５で符号Ｂを付して示す部位）に対応する部位、水素入口部１２１近傍（図６で符号Ｃを付して示す部位）に対応する部位、水素出口部１２２近傍（図６で符号Ｄを付して示す部位）に対応する部位の３箇所に設けられている。

燃料電池１０に供給される空気への加湿量が低下すると、ＭＥＡ１００の電解質膜における、空気入口部１１１に近い部位が乾燥する。図７は、空気湿度ψａの低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流Ｉの経時変化を示すもので、電解質膜における乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加して電流が低下する。

同様に、燃料電池１０に供給される水素への加湿量が低下すると、ＭＥＡ１００の電解質膜における水素入口部１２１近傍が乾燥し、乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加し電流が低下する。なお、水素への加湿量の低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流の変化は、図７に示した空気湿度ψａ低下の場合と同様となる。

このことから、乾燥が発生しやすい空気入口部１１１近傍や水素入口部１２１近傍の電流Ｉ、すなわち、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎや水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを測定することにより、燃料電池１０の電解質膜の乾燥状態を診断することが可能である。具体的には、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎや水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが所定電流値未満の場合は、電解質膜の乾燥部位ありと推定することができる。なお、所定電流値は、電解質膜の乾燥がないときの電流値の９０％程度に設定する。

逆に、空気や水素への加湿量が過剰になった場合、電極に水分過剰な濡れ状態が発生する。その際には、水素出口部１２２近傍に最も液滴が滞留して水分過剰となりやすく、したがってＭＥＡ１００の電極における水素出口部１２２に近い部位で顕著に発生しやすい。水素出口部１２２近傍が水分過剰となりやすい理由としては、水素入口部１２１から水素流路溝１２３を介して水素出口部１２２に水が輸送されることに加え、水素が消費されるため水素流量が低下しており水の排出力が低下していることが挙げられる。図８は、水素出口部１２２の水滴量Ｖｗの増加に伴って電極が水分過剰状態となった際の、水分過剰部の局所電流Ｉの変化を示すもので、水滴量Ｖｗの増加に伴ってガスの透過が阻害されて電池の出力が低下する。

また、水素供給量が発電量に対して不足する場合も、水素出口部１２２近傍から水素不足が発生するため、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流が低下する。図９は、水素供給量Ｑｈが不足した際の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化を示すもので、水素不足が発生すると、直ちに且つ急激に電流Ｉが低下する。

このことから、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉ、すなわち水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが、所定電流値未満の場合は、水分過剰発生または水素不足発生と推定することができる。なお、所定電流値は、水分過剰状態および水素不足状態の電流値の９０％程度に設定する。

ここで、水分過剰時および水素不足発生時は、いずれもＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉが低下するため、電流Ｉの低下要因がいずれであるかを特定する必要がある。

図１０は、水分過剰発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化と、水素不足発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの変化を示すものである。また、図１１は、水分過剰発生時および水素不足発生時の、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位の電流Ｉの低下速度（以下、電流低下速度という）を示すものである。なお、本明細書でいう電流低下速度とは、単位時間あたりの電流変化量の絶対値である。図１０、図１１において、実線は水分過剰発生時の特性、破線は水素不足発生時の特性であり、ｔ１は水分過剰や水素不足が発生した時刻である。

図１０、図１１に示すように、水分過剰発生時と比較すると、水素不足発生時の電流Ｉは急激に低下する。このことから、電流低下が発生する際の電流低下速度によって電流Ｉの低下要因を特定することが可能である。具体的には、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度ｄＩ１（図１１参照）未満の場合は水分過剰発生と推定し、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度ｄＩ１以上の場合は水素不足発生と推定することができる。なお、所定低下速度ｄＩ１は、１．０（ｍＡ／ＳＥＣ／ｃｍ²）程度に設定する。

次に、上記電流測定装置２０を用いた燃料電池１の出力低下要因の診断方法について説明する。

まず、空気入口部１１１近傍に設けられた電流センサ２０５によって空気入口側電流Ｉａ・ｉｎを測定する。この結果、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎが所定電流値未満であれば、電解質膜の乾燥部位ありと診断し、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎが所定電流値以上であれば、電解質膜の乾燥部位なしと診断することができる。このように電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池１に供給される空気の湿度ψａが低いと推測されるため、例えば加湿器による空気への加湿量を増加すればよい。

次に、水素入口部１２１近傍に設けられた電流センサ２０５によって水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎを測定する。この結果、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが所定電流値未満であれば、電解質膜の乾燥部位ありと診断し、水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎが所定電流値以上であれば、電解質膜の乾燥部位なしと診断することができる。このように電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池１０に供給される水素への加湿量が少ないと推測されるため、例えば加湿器による水素への加湿量を増加すればよい。

次に、水素出口部１２２近傍に設けられた電流センサ２０５によって水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを測定する。この結果、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値以上であれば、水分過剰または水素不足が発生していないと診断することができる。水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度が所定低下速度未満の場合は、電極が水分過剰状態であると診断することができる。このように、電極が水分過剰状態と診断された場合には、空気や水素への加湿量が過剰、あるいは、水素流量低下による水の排出力低下と推測されるため、例えば加湿器による空気および水素への加湿量をともに減少させるとともに、水素流量を増加させればよい。

また、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値未満で、且つ水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度が所定低下速度以上の場合は、水素供給量が不足と診断することができる。このように、水素供給量が不足と診断された場合には水素流量を増加させればよい。

上記した本実施形態によれば、燃料電池１に局所電流を測定可能な電流測定装置２０設けることで、空気入口側電流Ｉａ・ｉｎおよび水素入口側電流Ｉｈ・ｉｎに基づいて電解質膜の乾燥状態を診断し、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔと水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔの電流低下速度とに基づいて電極の水分過剰や水素不足を診断することができる。これにより、燃料電池１の出力低下要因を適確に診断することができる。さらに、燃料電池１の出力低下要因を特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。

例えば、セル１０に対して水素の供給不足が発生した場合、水素出口部１２２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、ＭＥＡ１００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、電流測定装置２０で水素出口部１２２の近傍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。

また、本実施形態の電流測定装置２０では、導電体２０１の外部に電流センサ２０５を設けるため、電流センサ２０５とセル１０との干渉を回避できる。したがって、積層されたセル１０間に導電体２０１を配置することができる。このため、電流測定装置２０は、燃料電池１における任意の位置に単数あるいは複数配置することができる。

例えば燃料電池１の中央付近のセル１０は、放熱しにくいため高温になりやすく、燃料電池１の端部に近いセル１０に比較して乾燥しやすい。したがって、電流測定装置２０を燃料電池１の中央付近に配置することで、燃料電池１の乾燥状態を適切に診断することが可能となる。また、燃料電池１の端部に近いセル１０は、放熱しやすいため低温になりやすく、水分過剰になりやすい。したがって、電流測定装置２０を燃料電池１の端部付近に配置することで、燃料電池１の水分過剰状態を適切に診断することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電流測定装置について説明する。上記第１実施形態では導電体２０１の外部にセンサ２０５を配置したが、本第２実施形態では、導電体２１１の内部にセンサを配置している。この電流測定装置２１は、上記第１実施形態と同様に燃料電池１に装着して使用される。

図１２は第２実施形態に係る電流測定装置２１の斜視図であり、図１３（ａ）は図１２の電流測定装置２１の要部の正面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図１２および図１３（ａ）に示すように、電流測定装置２１は、導電性金属よりなる板状の導電体２１１を備えている。導電体２１１はセル１０（図１参照）間に挿入されることにより、導電体２１１におけるセル積層方向の一方の端面２１１１および他方の端面はセル１０に接触するようになっている。導電体２１１の一方の端面２１１１には、ロの字状の溝２１１２によって囲まれた直方体の柱状部２１１３が形成され、この柱状部２１１３の端面もセル１０に接触するようになっている。なお、図１２に示す例では溝２１１２をロの字状とし、柱状部２１１３を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝２１１２を円状、柱状部２１１３を円柱状のような他の形状にすることもできる。

溝２１１２には、柱状部２１１３を囲むようにして鉄心２１２が配置され、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、鉄心２１２の両端部間にホール素子２１３が配置されている。なお、鉄心２１２とホール素子２１３とにより、本発明の磁気センサを構成している。

導電体２１１には、溝２１１２を外部とを連通させるように、ホール素子２１３のリード線２１３ａを外部に取り出すための溝２１１４が形成されている。さらに導電体２１１には、空気入口側通路２１１５、空気出口側通路２１１６、水素入口側通路２１１７、水素出口側通路２１１８が形成されている。

上記構成において、セル１０における柱状部２１１３に対向する部位から放電される局所電流が柱状部２１１３に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部２１１３の周囲に発生する。ホール素子２１３は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心２１２部の磁界の強さをホール素子２１３にて測定することにより、柱状部２１１３を流れる電流、ひいてはセル１０の局所電流を検出することができる。

上記本実施形態によれば、電流測定装置２１によりセル１０の局所電流を検出することができる。そして、セル１０の局所電流を検出することにより、燃料電池１の運転中の異常発生要因を特定することが可能になる。

また、異常発生時の電流変化は電圧変化よりも早期に且つ顕著に現れるため、電流を測定することにより異常を早期に検知することができる。

また、磁気センサを構成する鉄心２１２とホール素子２１３が溝２１１２に収納されているため、磁気センサとセル１０との干渉を回避できる。したがって、積層されたセル１０間に導電体２１１を配置することができる。

磁気センサとして、ホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。図１４（ａ）にセンサ素子２１４としてＭＲ素子あるいはＭＩ素子を用いた場合の電流測定装置２１の要部の正面図を示し、図１４（ｂ）に図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。ホール素子２１３の場合には、長手方向が鉄心２１２に対して直交するように配置する必要があるが（図１３（ｂ）参照）、センサ素子２１４としてＭＲ素子やＭＩ素子を用いる場合には、長手方向が鉄心２１２に対して平行となるように配置できる（図１４（ｂ）参照）。したがって、センサ素子としてＭＲ素子やＭＩ素子を用いる場合には、ホール素子を用いる場合に比較して、導電体２１１の厚みを薄くすることができ、電流測定装置２１の厚みを薄くすることができる。

なお、電流測定装置は、セル１０を構成するセパレータ１１０、１２０に組み込むことができる。すなわち、セパレータ１１０、１２０に、溝によって囲まれた直方体の柱状部を形成し、その溝に鉄心およびホール素子を配置する。それによると、鉄心部の磁界の強さをホール素子にて測定することにより、柱状部を流れる電流、ひいてはセル１０の局所電流を検出することができる。また、この場合はセパレータ１１０、１２０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。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態の電流測定装置２２は、上記第２実施形態の導電体を２枚張り合わせた構成となっている。

図１５は第３実施形態に係る電流測定装置２２の斜視図であり、図１６（ａ）は第１の導電体２２１の正面図であり、図１６（ｂ）は第２の導電体２２２の正面図であり、図１６は図１５、図１６のＢ−Ｂ断面図である。

図１５〜図１７に示すように、本第３実施形態の電流測定装置２２は、２枚の導電体２２１、２２２を有している。図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、各導電体２２１、２２２の一方の端面２２１１、２２２１には、ロの字状の溝２２１２、２２２２、柱状部２２１３、２２２３、ホール素子のリード線２２４ａの外部に取り出し用の溝２２１４、２２２４、空気入口側通路２２１５、２２２５、空気出口側通路２２１６、２２２６、水素入口側通路２１１７、２２２７、水素出口側通路２２１８、２２２８が形成されている。これらは、柱状部２２１３、２２２３等が形成された端面２２１１、２２２１同士を張り合わせた際に対応する位置となるように形成されている。

図１７に示すように、鉄心２２３と、ホール素子（図示せず）は、２枚の導電体２２１、２２２を張り合わせた際に、ロの字状の溝２２１２、２２２２で形成される空間内に配置される。鉄心２２３とホール素子は、絶縁性を有する接着剤等を用いてロの字状の溝２２１２、２２２２で形成される空間内で接着され固定されている。これにより、ロの字状の溝２２１２、２２２２、柱状部２２１３、２２２３、鉄心２２３、ホール素子は外部に露出しない。

電流測定装置２２をセル１０間に配置した際に、電流測定装置２２はセパレータ１１０、１２０で挟まれるが、これらのセパレータ１１０、１２０の表面には通常、冷却水が流れる溝状の冷却水流路が形成されている。このとき、セパレータ１１０、１２０の表面にロの字状の溝２２１２、２２２２等が接触する構成では、これらを迂回してセパレータ１１０、１２０の冷却水流路を設計する必要があり、冷却水流路の設計の自由度が小さくなる。そこで、本実施形態のようにロの字状の溝２２１２、２２２２等を露出しないようにすることで、セパレータ１１０、１２０の表面における冷却水流路の設計の自由度を大きくすることができる。

また、鉄心２２３を２枚の導電体２２１、２２２の間に形成される空間内に配置することで、鉄心２２３に荷重がかからなくなり、歪みが発生することを防止できる。これにより、歪みに起因する磁性材料の磁気特性の劣化を防止することができる。

図１８、図１９は本実施形態の電流測定装置２１の変形例を示している。図１８は図１６に対応し、図１９は図１７に対応している。図１８、図１９に示すように、第２の導電体２２１のみにロの字状の溝２２１２、柱状部２２１３を形成し、第１の導電体２２１にはロの字状の溝、柱状部を形成しない構成においても、両方の導電体２２１、２２２にロの字状の溝等を形成した構成と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態の電流測定装置２２の構成において、鉄心とホール素子を固定するための緩衝材を設けた点が異なるものである。

図２０は図１５のＢ−Ｂ断面図である。図２０に示すように、本実施形態の電流測定装置２２では、２枚の導電体２２１、２２２を張り合わせた際に、ロの字状の溝２２１２、２２２２で形成される空間内に緩衝材２２５が充填されている。鉄心２２３とホール素子（図示せず）は、ロの字状の溝２２１２、２２２２で形成される空間内において、緩衝材２２５により固定される。緩衝材２２５としては、例えば一般的な弾性部材であるゴム等を用いることができる。

鉄心２２３と溝２２１２、２２２２との間は絶縁する必要があるので、緩衝材２２５として絶縁性弾性部材を用いるか、あるいは緩衝材２２５として導電性の弾性部材を用いる場合には、鉄心２２３や溝２２１２、２２２２に絶縁性被膜を設ける等して絶縁処理を行う。

本実施形態のように、緩衝材２２５を用いて鉄心２２３とホール素子を固定することで、鉄心２２３とホール素子がロの字状の溝２２１２、２２２２で形成される空間内でがたつくことを防止できる。これにより、鉄心２２３の歪みの発生を防止でき、磁気特性の劣化を防止することが可能となる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本第５実施形態は、上記第４実施形態の電流測定装置２２の構成において、２枚の導電体２２１、２２２の間に弾性体を設けた点が異なるものである。

図２１は図１５のＢ−Ｂ断面図である。図２１に示すように、本実施形態の電流測定装置２２では、第１の導電体２２１と第２の導電体２２２の間に、導電性を有する弾性体２２６が設けられている。導電性を有する弾性体２２６としては、導電材料（例えばカーボン）の粉体をゴムに混入した導電性弾性部材を用いる。

本実施形態のように、２枚の導電体２２１、２２２の間に導電性を有する弾性体２２６を設けることで、セル１０や電流測定装置２２の加工誤差や組み付け誤差によるばらつきを吸収することができる。さらに、温度変化に伴う熱歪みを吸収することもできる。これにより、セル１０と導電体２２１、２２２との間の接触を良好にすることができ、これらの間に生ずる接触抵抗を低減することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態の燃料電池１の構成において、電流測定装置２０を挟み込むように弾性体を設けた点が異なるものである。

図２２は、本実施形態の燃料電池１の全体構成を示す側面図である。図２２に示すように、本実施形態では電流測定装置２０の両側において、セル１０と電流測定装置２０との間に導電性を有する弾性体１２、１３を設けている。導電性を有する弾性体１２、１３としては、導電材料（例えばカーボン）の粉体をゴムに混入した導電性弾性部材を用いる。

本実施形態のように、セル１０と電流測定装置２０の間に導電性を有する弾性体１２、１３を設けることで、セル１０や電流測定装置２０の加工誤差や組み付け誤差によるばらつきを吸収することができる。さらに、温度変化に伴う熱歪みを吸収することもできる。これにより、セル１０と導電体２２１、２２２との間の接触を良好にすることができ、これらの間に生ずる接触抵抗を低減することができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、電流測定装置でセル面内の発電ばらつき検出している。

図２３は第７実施形態に係る電流測定装置２３を用いた検査装置の構成図、図２４は図２３の電流測定装置２３の斜視図、図２５（ａ）は図２４の電流測定装置２３およびセル１０の右側面図、図２５（ｂ）は電流測定装置２３およびセル１０の上面図、図２６は局所電流測定箇所毎の電流値の測定結果例を示す図、図２７は図２６の測定結果に基づいて求めたセル内の電流分布を示す図である。

上記「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、燃料電池１のセル面内の加工ばらつきが大きい場合には、電流密度のばらつきが大きくなり、劣化速度が速くなってしまう。そして、積層されたセルの一部に加工ばらつきが大きいセルが存在すると、そのセルが早期に発電不能となるため、他のセルは正常でも電池スタックとしては運転が不能になる。

また、セルが多数積層されて構成された二次電池やキャパシタなどの大面積の電力貯蔵手段においては、製造工程において例えば電極の接合不良があった場合、その部分の抵抗が増大するため、セルの面内に電流のばらつきが発生する。局所的に発電特性の悪い部分が存在すると、そのセルの特性はセルの面内の電流ばらつきが少ないセルに比べて早く劣化する。しかし、単に電流−電圧特性をチェックするのみでは、局所的な発電ばらつきが大きいセルを検出することができない。そのため、セルが多数積層されて構成された二次電池やキャパシタにおいては、寿命の異なるセルが混在することになり、アセンブリとしての信頼性が低下する。

そこで、本実施形態は、図２３の検査装置によりセル毎の電流密度分布を測定して、電流ばらつきが少ないセルのみを選別するようにしたものである。

図２３において、燃料電池１、あるいは二次電池やキャパシタなどの電力貯蔵手段における１つのセル１０と、電流測定装置２３とが、コの字状の検査用治具３０内に隣接して配置される。セル１０と電流測定装置２３は、検査用治具３０に対して相対移動可能な押し付け部材３１により検査用治具３０に押し付けられる。セル１０には、電力を消費する負荷装置３２が接続される。

本実施形態の電流測定装置２３は、セル１０内の多数の箇所の局所電流を測定するために、第１実施形態の電流測定装置２０における、局所電流経路２０２、絶縁層２０３、迂回回路２０４、および電流センサ２０５に相当するものを、多数備えている。

すなわち、図２４および図２５に示すように、電流測定装置２３は、導電性金属よりなる板状の１枚の導電体２３１、導電体２３１内に設けられた導電性金属よりなる多数（本例では８個）の局所電流経路２３２１〜２３２８、導電体２３１と各局所電流経路２３２１〜２３２８との間を絶縁する絶縁性樹脂よりなる絶縁層（図示せず）、導電体２３１および局所電流経路２３２１〜２３２８の外部にて導電体２３１と各局所電流経路２３２１〜２３２８との間を接続する迂回回路２３４１〜２３４８、各迂回回路２３４１〜２３４８中に配置された電流センサ２３５１〜２３５８を備えている。

導電体２３１における一端面２３１１に、各局所電流経路２３２１〜２３２８の一端面が露出していて、導電体２３１の一端面２３１１および各局所電流経路２３２１〜２３２８の露出面が、セル１０に接触するようになっている。

そして、セル１０における８カ所の局所電流が、各局所電流経路２３２１〜２３２８および各迂回回路２３４１〜２３４８をそれぞれ流れ、したがって電流センサ２３５１〜２３５８によってセル１０の８カ所の局所電流を検出することができる。

図２６および図２７において、縦軸のａはセル１０において第１電流センサ２３５１にて局所電流が検出される部位、縦軸のｂはセル１０において第２電流センサ２３５２にて局所電流が検出される部位、縦軸のｃはセル１０において第３電流センサ２３５３にて局所電流が検出される部位、縦軸のｄはセル１０において第４電流センサ２３５４にて局所電流が検出される部位である。

図２６および図２７に示す例では、セル１０において第４電流センサ２３５４にて局所電流が検出される部位ｄの電流値が他の部位ａ〜ｃの電流値に比べて著しく低く、このように電流ばらつきが大きい場合はそのセルは品質に問題ありと判定し、使用を禁止する。したがって、電流ばらつきが少ないセルのみで燃料電池や電力貯蔵手段が構成されるため、これらの信頼性が向上する。

（第８実施形態）
図２８は本発明の第８実施形態に係る電流測定装置２３の斜視図、図２９は図２８の電流測定装置２４の要部の正面図である。本実施形態の電流測定装置２４は、第７実施形態における電流測定装置２３の代わりに用いることができる。

本実施形態の電流測定装置２４は、第２実施形態の電流測定装置２１における、溝２１１２、柱状部２１１３、鉄心２１２、およびホール素子２１３に相当するものを、多数備えている。

すなわち、図２８に示すように、電流測定装置２４は、導電性金属よりなる板状の１枚の導電体２４１を備え、導電体２４１におけるセルとの接触面２４１１側に、ロの字状の溝２４１２によって囲まれた直方体の柱状部２４１３が多数（本例では１５個）形成されている。また、図２９に示すように、各溝２４１２には、各柱状部２４１３を囲むようにして鉄心２４２が配置され、鉄心２４２の両端部間にホール素子２４３が配置されている。なお、鉄心２４２とホール素子２４３とにより、本発明の磁気センサを構成している。

この電流測定装置２４を、図２３の検査装置の電流測定装置２３の代わりに用いた場合、セル１０における各柱状部２４１３に対向する部位から放電される各部の局所電流が対応する柱状部２４１３に流れ、その電流に比例した磁界が各柱状部２４１３の周囲に発生する。したがって、各鉄心２４２部の磁界の強さを各ホール素子２４３にて測定することにより、各柱状部２４１３を流れる電流、ひいてはセル１０の各部の局所電流を検出することができる。そして、このようにして検出した１５カ所の局所電流のばらつき度合いに基づいて、そのセルは品質に問題があるか否かを判定することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、燃料電池として固体高分子型電解質膜を備えるものを用いたが、これに限らず、本発明は例えば無機材料系の電解質を備える燃料電池にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る電流測定装置を装着した燃料電池の斜視図である。 図１の燃料電池の側面図である。 図１の電流測定装置の斜視図である。 （ａ）は図１の電流測定装置における板部の正面図、（ｂ）は板部の右側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 空気側セパレータの透視図である。 水素側セパレータの透視図である。 電解質膜の乾燥が発生した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。 水素出口部の水滴量増加による水分過剰状態が発生した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。 水素供給量が不足した際の電流Ｉの変化を示す特性図である。 水分過剰時および水素不足時の電流Ｉの変化を示す特性図である。 水分過剰時および水素不足時の電流Ｉの低下速度を示す特性図である。 第２実施形態に係る電流測定装置の斜視図である。 （ａ）は図１２の電流測定装置の要部の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は図１２の電流測定装置の要部の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第３実施形態に係る電流測定装置の斜視図である。 図１５の導電材の平面図である。 図１５のＢ−Ｂ断面図である。 図１５の導電材の平面図である。 図１５のＢ−Ｂ断面図である。 第４実施形態に係る図１５のＢ−Ｂ断面図である。 第５実施形態に係る図１５のＢ−Ｂ断面図である。 第６実施形態に係る燃料電池の側面図である。 第７実施形態に係る電流測定装置を用いた検査装置の構成図である。 図２３の電流測定装置の斜視図である。 （ａ）は図２４の電流測定装置およびセルの右側面図、（ｂ）は電流測定装置およびセルの上面図である。 局所電流測定箇所毎の電流値の測定結果例を示す図である。 図２６の測定結果に基づいて求めたセル内の電流分布を示す図である。 第８実施形態に係る電流測定装置の斜視図である。 図２８の電流測定装置の要部の正面図である。

符号の説明

１…燃料電池（電力機器）、１０…セル、２０、２１、２２、２３…電流測定装置、２０１、２２１、２２２…導電体、２１１２、２２１２、２２２２、２４１２…溝、２１１３、２２１３、２２２３、２４１３…柱状部、２１２、２２３、２４２…鉄心、２１３、２４３…ホール素子。

Claims (8)

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ーを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の電流を測定する電流測定装置であって、
   積層された前記セル間に配置され、前記セルからの電流が流れる板状の導電体（２１１、２２１）と、
   前記導電体において、溝（２１１２、２２１２）に囲まれるように設けられた柱状部（２１１３、２２１３）と、
   前記溝に設けられ、前記柱状部の周囲に発生した磁界の強さを測定する磁気センサ（２１２、２１３、２２３）とを備え、
   前記柱状部および前記磁気センサは、前記導電体において、前記セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つに対応する部位に設けられていることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記導電体（２２１）における前記柱状部が設けられた面に接するように設けられた第２の導電体（２２２）を備え、
   前記磁気センサは、前記導電体と前記第２の導電体との間に前記溝によって形成される空間に位置し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。
3. 前記導電体と前記第２の導電体との間には、導電性を有する弾性体（２２６）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電流測定装置。
4. 前記溝には前記磁気センサを固定するための緩衝材（２２５）が設けられており、前記溝と前記磁気センサとの間は絶縁処理が施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。
5. 前記磁気センサは、前記溝において接着されて固定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。
6. 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ーを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の電流を測定する電流測定装置であって、
   積層された前記セル間に配置され、前記セルからの電流が流れる板状の導電体（２０１）と、
   前記導電体に設けられ、前記セルの局所部位からの電流が流れる局所電流経路（２０２、２３２１〜２３２８）と、
   前記導電体の外部に設けられ、前記局所電流経路を流れる電流を前記導電体の外部に迂回させる迂回回路（２０４、２３４１〜２３４８）と、
   前記導電体の外部に設けられ、前記迂回回路を流れる電流を測定する電流センサ（２０５）とを備え、
   前記局所電流経路、前記迂回経路および前記電流センサは、前記導電体において、前記セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つに対応する部位に設けられていることを特徴とする電流測定装置。
7. 前記セルと前記導電体との間には、導電性を有する弾性体（１２、１３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の電流測定装置。
8. 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ーを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池の電流を測定する電流測定装置であって、
   前記セルにおいて、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体（１１１）の外側に配置され、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路および前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路の少なくとも一方が形成されている導電性のセパレータ（１１０、１２０）と、
   前記セパレータにおいて、溝に囲まれるように設けられた柱状部と、
   前記溝に設けられ、前記柱状部に発生した磁界の強さを測定する磁気センサとを備え、
   前記柱状部および前記磁気センサは、前記セパレータにおいて、前記セル内の乾燥しやすい部位、水分過剰となりやすい部位あるいは燃料ガスが不足しやすい部位の少なくとも１つの部位に設けられていることを特徴とする電流測定装置。
   

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