JP2009193897A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】板状の抵抗体を有して構成された電流測定部を備える電流測定装置において、電流測定精度を向上させる。
【解決手段】積層基板によって形成される電流測定部の第１電極１１１と抵抗体１２１とを複数の丸孔形状の第１スルーホール１０１ａで接続し、抵抗体１２１と第２電極１３１とを複数の丸孔形状の第２スルーホール１０１ｂで接続する。さらに、全ての第１スルーホール１０１ａおよび全ての第２スルーホール１０１ｂを、それぞれ電流測定用電圧センサに接続する。これにより、板状の抵抗体１２１を流れる電流が均一に流れない場合であっても、電位差検出手段１０２の検出電位差に測定誤差が生じることを抑制して、電流測定装置の電流計測精度を向上させる。
【選択図】図６

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、燃料電池の内部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基板として一体に構成し、積層基板に形成された貫通接続用のスルーホールによって、第１接続部および第２接続部を構成している。これにより、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

ところで、車両走行用電動モータの駆動源あるいは家庭用電源等に用いられる燃料電池では、大きな電気エネルギを出力する必要があるため、その内部を流れる電流値も高い値となる。このため、特許文献１のように第１、第２電極および抵抗体をスルーホールで接続する構成では、スルーホールの通電面積が小さいと、スルーホール自体が電気抵抗となり、燃料電池の内部を電流が流れにくくなってしまう。

さらに、燃料電池の内部を電流が流れにくくなると、燃料電池全体として出力できる電気エネルギ量が低下してしまうだけでなく、電流測定部を流れる電流が小さくなり電流測定用電圧センサが第１接続部および第２接続部間の電位差を正確に検出しにくくなるといった問題が生じる。これに対して、特許文献１では、スルーホールを複数箇所に設け、スルーホールの通電面積を十分に確保している。

しかしながら、実際に特許文献１の電流測定装置にて、燃料電池の内部を流れる電流を測定すると、例えば、ホールＩＣ等を用いた場合とは、異なる値が測定されることがあった。そこで、本発明者らがその原因について調査したところ、電圧センサが第１接続部を構成する複数のスルーホールのうちの１つと第２接続部を構成する複数のスルーホールのうちの１つとの間の電位差を測定していることが原因であると判明した。

その理由は、特許文献１のように板状に形成された抵抗体の内部には、電流が均一に流れないことがあるからである。つまり、抵抗体のうち多くの電流が流れる部位に近いスルーホール間同士で電位差を測定する場合と、抵抗体のうち多くの電流が流れる部位に遠いスルーホール間同士で電位差を測定する場合とでは、計測される電位差が変わってしまうからである。

本発明は、上記点に鑑み、板状の抵抗体を有して構成された電流測定部を備える電流測定装置において、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、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、電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差と、第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）間の抵抗体（１２１）の電気抵抗値を用いて、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、
第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ複数箇所に設けられており、少なくとも２つ以上の第１接続部（１０１ａ）が電位差検出手段（１０２）に接続されるとともに、少なくとも２つ以上の第２接続部（１０１ｂ）が電位差検出手段（１０２）に接続されていることを特徴とする。

これによれば、それぞれ複数箇所に設けられた第１、第２接続部（１０１ａ、１０１ｂ）のうち、少なくとも２つ以上の第１接続部（１０１ａ）および少なくとも２つ以上の第２接続部（１０１ｂ）が、電位差検出手段（１０２）に接続されているので、板状の抵抗体（１２１）を流れる電流が均一に流れていない場合であっても、電位差検出手段（１０２）の検出電位差に測定誤差が生じることを抑制できる。

さらに、電流値検出手段（５１）が、測定誤差の抑制された検出電位差を用いてセル（１０ａ）を流れる電流を検出するので、電流測定装置の電流計測精度を向上させることができる。

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、第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に垂直な方向に並ぶように、複数箇所に設けられていることを特徴とする。

ここで、板状の抵抗体（１２１）を流れる電流は、電流の流れ方向に対して垂直な方向に不均一な分布となりやすい。従って、それぞれ複数箇所に設けられた第１、第２接続部（１０１ａ、１０１ｂ）を、それぞれ抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に垂直な方向に並ぶように設けることで、効果的に電位差検出手段（１０２）の検出電位差に測定誤差が生じることを抑制できる。

なお、本請求項に記載された「電流の流れ方向」とは、実際に抵抗体（１２１）を流れる電流の向きと完全に一致する方向のみを意味するものではなく、これに均等な方向、物理的に第１接続部（１０１ａ）から第２接続部（１０１ｂ）へ向かう方向のように、電流の向きと均等な方向を含む意味である。

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、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、少なくとも抵抗体（１２１）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に結合され、第１接続部および第２接続部は、それぞれ丸孔形状の複数の第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）にて構成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）の積層方向の厚み寸法を低減でき、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４に記載の発明では、請求項３に記載の電流測定装置において、第１プリント基板（１１０）および第２プリント基板（１３０）の間には、第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）を電位差検出手段（１０２）へ接続する接続端子部が設けられた第３プリント基板（１２０）が配置され、第３プリント基板（１２０）には、少なくとも２つ以上の第１スルーホール（１０１ａ）を接続端子部に接続する配線パターン、および、少なくとも２つ以上の第２スルーホール（１０１ｂ）を接続端子部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３プリント基板（１２０）上で、少なくとも２つ以上の第１接続部（１０１ａ）を電位差検出手段（１０２）に接続できるとともに、少なくとも２つ以上の第２接続部（１０１ｂ）を電位差検出手段（１０２）に接続できる。従って、電流測定部（１０１）と電位差検出手段（１０２）を接続するために、電流測定装置全体が大型化してしまうことを回避できる。

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、抵抗体（１２１）は、第３プリント基板（１２０）に配置されていることを特徴とする。これにより、より一層、電流測定部（１０１）の厚み寸法を低減でき、電流測定装置全体としての小型化を図ることができる。

もちろん、請求項６に記載の発明のように、請求項１に記載の電流測定装置において、第１接続部（１０１ａ）および電位差検出手段（１０２）は、少なくとも２つ以上の第１接続部（１０１ａ）に電気的に接続された配線を介して接続され、第２接続部（１０１ｂ）および電位差検出手段（１０２）は、少なくとも２つ以上の第２接続部（１０１ｂ）に電気的に接続された配線を介して接続されていてもよい。

また、請求項７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、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、電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差と、第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）間の抵抗体（１２１）の電気抵抗値を用いて、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、
第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に延びる形状に形成されていることを特徴とする。

これによれば、第１接続部（１０１ａ）および第２接続部（１０１ｂ）が、それぞれ抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に延びる形状に形成されているので、請求項１、２に記載された発明と同様に、電位差検出手段（１０２）の検出電位差に測定誤差が生じることを抑制して、電流測定装置の電流計測精度を効果的に向上させることができる。

請求項８に記載の発明では、請求項７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、少なくとも抵抗体（１２１）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に結合され、第１接続部および第２接続部は、それぞれ抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に長手方向を有する長孔形状の第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）にて構成されていることを特徴とする。

これによれば、請求項３に記載された発明と同様に、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９に記載の発明では、請求項８に記載の電流測定装置において、第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）は、ぞれぞれ複数形成されていることを特徴とする。スルーホールを長孔形状に形成すると、積層基板の強度低下が懸念されるものの、長孔形状のスルーホールを複数に分割して形成することで、積層基板の強度低下を抑制できる。

請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９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。

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。

（第１実施形態）
図１〜図６により、本発明の第１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、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。

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。

図２、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、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ことになる。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。さらに、複数の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ抵抗体１２１を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に並ぶように配置されている。

ここで、図６により、第３プリント基板１２０の電流測定用配線１２２の配線パターンについて説明する。なお、図６は、第３プリント基板１２０の抵抗体１２１が形成されている側と反対側の面の概略的な配線パターンを示すパターン図である。図６に示すように、本実施形態では、複数の第１スルーホール１０１ａの全てが配線パターンによって接続され、複数の第２スルーホール１０１ｂの全てが配線パターンによって接続されている。

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。

電流検出回路５１は、電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差および第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の電気抵抗値を用いて、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、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に水素および空気が供給されることで、燃料電池１０での発電が開始される。電流測定装置１００の各電流測定部１０１では、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、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の順に電流が流れ、第２電極１３１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おり、第１、２スルーホール１０１ａ、１０１ｂ間の抵抗体１２１の電気抵抗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。そして、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、制御装置５０へ出力する。

さらに、制御装置５０では、セル１０ａの面内における電流分布を検出し、検出された電流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。これにより、燃料電池システムの効率および信頼性を向上させている。

この際、本実施形態では、全ての第１スルーホール１０１ａおよび全ての第２スルーホール１０１ｂが、電流測定用電圧センサ１０２に接続されているので、板状の抵抗体１２１を流れる電流が均一に流れていない場合であっても、電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差に測定誤差が生じることを抑制できる。

さらに、電流検出回路５１が、測定誤差の抑制された検出電位差を用いてセル１０ａの各部位を流れる電流を検出するので、電流測定装置１００の電流計測精度を向上させることができ、燃料電池システムの効率および信頼性をより一層向上させることができる。

しかも、複数の第１スルーホール１０１ａおよび複数の第２スルーホール１０１ｂが、第１スルーホール１０１ａから第２スルーホール１０１ｂへ向かう向き、すなわち電流の流れる方向に対して垂直な方向に並んでいるので、電流の流れ方向に対して垂直な方向に不均一な分布となりやすい板状の抵抗体１２１を採用する電流測定装置１００であっても、効果的に電流計測精度を向上させることができる。

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に形成して、これらを第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂで接続しているでの、電流測定部１０１のセル１０ａ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、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂおよび電流測定用電圧センサ１０２を接続するために、電流測定装置１００全体が大型化してしまうことも回避できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、複数の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂの全てを同一の配線パターンで接続した例を説明したが、本実施形態では、図７に示すように、個々の第１スルーホール１０１ａに接続される配線パターン同士、および、個々の第２スルーホール１０１ｂに接続される配線パターン同士を接続した例を説明する。

つまり、本実施形態では、第１スルーホール１０１ａおよび電流測定用電圧センサ１０２は、全ての第１スルーホール１０１ａに電気的に接続された配線を介して接続されており、第２スルーホール１０１ｂおよび電流測定用電圧センサ１０２は、全ての第２スルーホール１０１ｂに電気的に接続された配線を介して接続されている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

なお、図７は、第１実施形態の図６に対応する図面である。さらに、図７では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。これは以下の実施形態でも同様である。

本実施形態の電流測定装置１００においても、第１実施形態と同様に、電流測定装置１００の電流計測精度を向上させることができ、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とともに、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。

（第３実施形態）
上述の実施形態では、複数の丸孔形状の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを採用した例を説明したが、本実施形態では、図８に示すように、それぞれ１つの長孔形状の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを採用した例を説明する。なお、図８は、第１実施形態の図６に対応する図面である。

本実施形態の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ抵抗体１２１を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に延びる形状に形成されている。これにより、電流の流れ方向に対して垂直な方向に不均一な分布となりやすい板状の抵抗体１２１を採用する電流測定装置１００であっても、第１実施形態と同様に、電流計測精度を向上させることができるとともに、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。

（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と同様に、長孔形状の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを採用しているが、図９に示すように、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを複数（具体的には、２個）設けている。さらに、全ての第１スルーホール１０１ａ同士、および、第２スルーホール１０１ｂ同士を配線パターンで接続している。なお、図９は、第１実施形態の図６に対応する図面である。

本実施形態でも、第３実施形態と同様に、電流計測精度を向上させることができるとともに、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、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを長孔形状に形成すると、積層基板の強度低下が懸念されるものの、本実施形態のように、長孔形状のスルーホールを複数箇所に分割して形成すれば、積層基板の強度低下の抑制を図ることもできる。

（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）上述の第１、第２実施形態では、複数の第１、２スルーホール１０１ａ、１０１ｂの全てを電流測定用電圧センサ１０に接続した例を説明したが、少なくとも２つ以上の第１スルーホール１０１ａおよび少なくとも２つ以上の第２スルーホール１０１ｂを電流測定用電圧センサ１０に接続すれば、電流測定装置の電流計測精度を向上効果を得ることができる。

（２）上述の実施形態では、特許請求の範囲に記載された第１接続部および第２接続部を、第１スルーホール１０１ａおよび第２スルーホール１０１ｂにて構成した例を説明したが、本願発明はこれに限定されない。金属製のジャンパピンなどによって第１接続部および第２接続部を構成してもよい。

（３）上述の実施形態では、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂの双方を丸孔形状あるいは長孔形状で形成した例を説明したが、いずれか一方を複数の丸孔形状で形成して互いに接続し、他方を長孔形状としてもよい。

（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。

（５）上述の実施形態では、電流測定部集合板１００ａにセル１０ａの面内の全体に渡って配置されるように複数の電流測定部１０１を設けたが、電流測定部１０１は少なくとも１個設けられていればよい。これにより、セル１０ａにおける電流測定部１０１に対応する部位の局所電流を測定することができる。

（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、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をそれぞれ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だ状態で積層基板として一体化すればよい。

（８）上述の実施形態で説明した、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂを接続する構成、あるいは、長孔形状とする構成は、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配置される電流測定装置１００であっても適用可能である。

第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態の燃料電池の斜視図である。 第１実施形態の電流測定部集合板の分解図である。 第１実施形態の電流測定部の断面図である。 第１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。 第１実施形態の第３プリント基板の配線パターンを示すパターン図である。 第２実施形態の第３プリント基板の配線パターンを示すパターン図である。 第３実施形態の第３プリント基板の配線パターンを示すパターン図である。 第４実施形態の第３プリント基板の配線パターンを示すパターン図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１０ａ セル
５１ 電流検出回路
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
１１０ 第１プリント基板
１１１ 第１電極
１２０ 第３プリント基板
１２１ 抵抗体
１３０ 第２プリント基板
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、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、
   前記電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差と、前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）間の前記抵抗体（１２１）の電気抵抗値を用いて、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、
   前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ複数箇所に設けられており、
   少なくとも２つ以上の前記第１接続部（１０１ａ）が前記電位差検出手段（１０２）に接続されるとともに、少なくとも２つ以上の前記第２接続部（１０１ｂ）が前記電位差検出手段（１０２）に接続されていることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ前記抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に垂直な方向に並ぶように、複数箇所に設けられ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、少なくとも前記抵抗体（１２１）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に結合され、
   前記第１接続部および前記第２接続部は、それぞれ丸孔形状の複数の第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）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。
4. 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）の間には、前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）を前記電位差検出手段（１０２）へ接続する接続端子部が設けられた第３プリント基板（１２０）が配置され、
   前記第３プリント基板（１２０）には、少なくとも２つ以上の前記第１スルーホール（１０１ａ）を前記接続端子部に接続する配線パターン、および、少なくとも２つ以上の前記第２スルーホール（１０１ｂ）を前記接続端子部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３に記載の電流測定装置。
5. 前記抵抗体（１２１）は、前記第３プリント基板（１２０）に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。
6. 前記第１接続部（１０１ａ）および前記電位差検出手段（１０２）は、少なくとも２つ以上の前記第１接続部（１０１ａ）に電気的に接続された配線を介して接続され、
   前記第２接続部（１０１ｂ）および前記電位差検出手段（１０２）は、少なくとも２つ以上の前記第２接続部（１０１ｂ）に電気的に接続された配線を介して接続され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。
7. 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、
   前記電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差と、前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）間の前記抵抗体（１２１）の電気抵抗値を用いて、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、
   前記第１接続部（１０１ａ）および前記第２接続部（１０１ｂ）は、それぞれ前記抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に延びる形状に形成されていることを特徴とする電流測定装置。
8. 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、少なくとも前記抵抗体（１２１）を挟み込んだ状態で、積層基板として一体に結合され、
   前記第１接続部および前記第２接続部は、それぞれ前記抵抗体（１２１）を流れる電流の流れ方向に対して垂直な方向に長手方向を有する長孔形状の第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）にて構成されていることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
9. 前記第１スルーホール（１０１ａ）および前記第２スルーホール（１０１ｂ）は、ぞれぞれ複数形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電流測定装置。
10. 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９のいずれか１つに記載の電流測定装置。

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