JP5206258B2 - 電流測定装置 - 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複数の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の電流測定装置では、抵抗体の電気抵抗値が予め定められた値であることから、第１接続部と第２接続部との間の抵抗体の電気抵抗値を既知の値として燃料電池の内部を流れる電流を測定している。

しかしながら、実際に特許文献１の電流測定装置の各電流測定部における第１接続部と第２接続部との間の電気抵抗値を測定してみると、各電流測定部で異なる電気抵抗値となることがあり、この場合には電流測定装置で測定する電流の測定精度が悪化するという問題があった。

そこで、本発明者らは、その原因について調査した。この調査によれば、第１接続部と第２接続部間の電気抵抗には、抵抗体の電気抵抗の他に第１、第２接続部自体の電気抵抗が含まれ、電流測定部に設けられた第１接続部および第２接続部自体の電気抵抗にバラツキがあることが原因であると判明した。

その理由は、特許文献１では、第１接続部および第２接続部をそれぞれメッキで導通したスルーホールで構成しており、各スルーホールのメッキの厚さを均一に管理することが難しく、各スルーホールのメッキの厚さにバラツキが生ずることがあるからである。つまり、電流測定部における各スルーホールのメッキの厚さのバラツキによって、電流測定部の電気抵抗にバラツキが生じ、電流測定用電圧センサで検出する第１接続部と抵抗体および第２接続部と抵抗体間の電位差の測定誤差が大きくなるからである。

また、第１接続部と第２接続部間の電位を取り出すための配線パターンの位置が各電流測定部において異なる場合には、電流が通過するスルーホールの長さが各電流測定部で異なるため、各電流測定部における電流抵抗値のバラツキが大きくなり、電流測定用電圧センサの測定誤差がさらに大きくなることも分かった。

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（１４１）、および第１電極（１１１）と第２電極（１４１）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（１３１）を含んで構成された１つ以上の電流測定部（１０１）と、抵抗体（１３１）の２点間の電位差を検出する電位差検出手段（１０２）と、抵抗体（１３１）の２点間の抵抗値と電位差検出手段（１０２）によって検出された検出電位差とを用いて、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、抵抗体（１３１）は、第１接続部を介して第１電極（１１１）に電気的に接続されるとともに、第２接続部を介して第２電極（１４１）に電気的に接続され、電位差検出手段（１０２）は、抵抗体（１３１）の電流流れ最上流側の電位と同電位となる部位と、抵抗体（１３１）の電流流れ最下流側の電位と同電位となる部位との２点間の電位差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、電位差検出手段（１０２）で検出する抵抗体（１３１）の２点間は、第１、第２接続部が有する電気抵抗を含まない構成とすることができるため、第１、第２接続部における電気抵抗のバラツキによって生ずる電位差検出手段（１０２）の検出電位差の測定誤差を抑制することができる。従って、電流測定装置（１００）の測定精度を向上させることができる。

さらに、請求項１に記載の発明では、第１電極（１１１）は、第１プリント基板（１１０）に配置され、第２電極（１４１）は、第２プリント基板（１４０）に配置され、第１プリント基板（１１０）および第２プリント基板（１４０）は、少なくとも抵抗体（１３１）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、１つ以上の第1スルーホール（１０１ａ）および１つ以上の第２スルーホール（１０１ｂ）で構成されており、第１電極（１１１）には、第２スルーホール（１０１ｂ）との間に逃がし部（１１３）が設けられ、第２電極（１４１）には、第１スルーホール（１０１ａ）との間に逃がし部（１４２）が設けられ、電位差検出手段（１０２）は、第１スルーホール（１０１ａ）における第２電極（１４１）と抵抗体（１３１）との間の第１検出部と、第２スルーホール（１０１ｂ）における第１電極（１１１）と抵抗体（１３１）との間の第２検出部の電位差を検出するように構成されていることを特徴とする。

このように、電位差検出手段（１０２）によって抵抗体（１３１）における電位差を検出する２点間を、電流が流れない第１、第２検出部とすることで、電位差検出手段（１０２）では、第１、第２スルーホール（１０１ａ、１０１ｂ）が有する電気抵抗の影響を受けずに電位差を検出することができる。

つまり、第１スルーホール（１０１ａ）における第２電極（１４１）と抵抗体（１３１）との間の電位（第１検出部における電位）は、抵抗体（１３１）の電流流れ最上流側の電位と同電位となり、第２スルーホール（１０１ｂ）における第１電極（１１１）と抵抗体（１３１）との間の電位（第２検出部における電位）は、抵抗体（１３１）の電流流れ最下流側の電位と同電位とすることができる。

ところで、従来の電流測定装置では、電流測定部における電位差を取り出すための配線パターンを一枚のプリント基板に設ける構成であり、短絡等を避けるために配線パターンが複雑なパターンとなっていた。

そこで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、第１プリント基板（１１０）および第２プリント基板（１４０）の間には、第２検出部を電位差検出手段（１０２）へ接続するための第１接続端子（１２３）が設けられた第１端子用プリント基板（１２０）、および第１検出部を電位差検出手段（１０２）へ接続するための第２接続端子（１３３）が設けられた第２端子用プリント基板（１３０）が配置され、第１端子用プリント基板（１２０）には、第２検出部を第１接続端子（１２３）に接続するための配線パターンが設けられ、第２端子用プリント基板（１３０）には、第１検出部を第２接続端子（１３３）に接続するための配線パターンが設けられ、第１端子用プリント基板（１２０）と第２端子用プリント基板（１３０）との間には、抵抗体（１３１）が配置されていることを特徴とする。

このように、第１接続端子（１２３）と第２接続端子（１３３）に接続される配線パターンをそれぞれ異なるプリント基板に設けることで、配線パターン同士の短絡等を回避することができ、第１、第２端子用プリント基板（１２０、１３０）に設けられた配線パターンが複雑なパターンとなることを抑制することができる。

また、従来の電流測定装置では、電流測定部における電位差検出手段に接続される接続端子部のセルの積層方向からみた面積が大きくなるため、接続端子部のために余分なスペースを確保する必要があった。

そこで、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、同一の隣合うセル（１０ａ）間には、複数の電流測定部（１０１）が配置され、第１端子用プリント基板（１２０）の第１接続端子（１２３）、および第２端子用プリント基板（１３０）の第２接続端子（１３３）は、積層基板の積層方向に直列に配置されていることを特徴とする。

これによれば、第１、第２接続端子部（１２３、１３３）におけるセル（１０ａ）の積層方向から見た面積を小さくすることができるため、第１、第２接続端子部（１２３、１３３）をセル（１０ａ）の積層方向から見た大きさに制約がある場合に対応することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項２または３に記載の発明において、第１端子用プリント基板（１２０）を、第１プリント基板（１１０）と抵抗体（１３１）との間に配置し、第２端子用プリント基板（１３０）を、第２プリント基板（１４０）と抵抗体（１３１）との間に配置することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の発明において、第１端子用プリント基板（１２０）および第２端子用プリント基板（１３０）をそれぞれ複数設ける構成としてもよい。

また、請求項６に記載の発明のように、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の発明において、第１スルーホール（１０１ａ）および第２スルーホール（１０１ｂ）を、それぞれ複数設ける構成としてもよい。

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）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図６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、本実施形態の電流測定部集合板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１４０、第３プリント基板１２０、および第４プリント基板１３０の４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１１０〜１４０は、それぞれ絶縁性接着剤で絶縁した状態で、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４プリント基板１１０〜１４０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１４１、および、第１電極１１１と第２電極１４１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１３１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１４１は、第２プリント基板１４０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。

ここで、第１プリント基板１１０と第４プリント基板１３０の間に配置された第３プリント基板１２０の両側の面には、第１、第２電流測定用配線１２１、１２２が設けられている。

そして、本実施形態の第３プリント基板１２０の１辺には、複数の第１、第２電流測定用配線１２１、１２２が接続された信号取り出し用の第１コネクタ（第１接続端子）１２３が設けられている。この第２コネクタ１２３には、各第１、第２電流測定用配線１２１、１２２の信号を取り出す第１接続端子部が複数設けられている。なお、図３では、第１電流測定用配線１２１を実線で囲まれた斜線で示しており、第２電流測定用配線１２２の図示を省略している。

また、抵抗体１３１は、第４プリント基板１３０のうち第３プリント基板１２０に対向する側の面（図３の紙面手前側）の面に配置されている。なお、第４プリント基板１３０のうち抵抗体１３１が形成されている側と反対側（図３の紙面奥側）の面、すなわち第２プリント基板１４０に対向する側の面には、第３電流測定用配線１３２が設けられている。

さらに、本実施形態の第４プリント基板１３０の１辺には、第３電流測定用配線１３２が接続された信号取り出し用の第２コネクタ（第２接続端子）１３３が設けられている。この第２コネクタ１３３には、各第３電流測定用配線１３２の信号を取り出す第２接続端子部が複数設けられている。なお、図３では、第３電流測定用配線１３２を破線で囲まれた斜線で示している。

ここで、本実施形態の第３、第４プリント基板１２０、１３０には、それぞれ第１、第２コネクタ１２３、１３３を設ける構成であり、本実施形態の第３、第４プリント基板１２０、１３０が第１、第２端子用プリント基板を構成している。

また、本実施形態の第１コネクタ１２３および第２コネクタ１３３は、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０の積層方向に直列に配置されている。つまり、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０の積層方向から第１、第２コネクタ１２３、１３３を見た場合に、互いに重なるように配置されている。

また、これらの第１電極１１１、第２電極１４１、抵抗体１３１および各電流測定用配線１２１、１２２、１３２は、金属箔（具体的には銅箔）にて、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０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４プリント基板１１０〜１４０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１４１、抵抗体１３１および各電流測定用配線１２１、１２２、１３２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、第３プリント基板１２０と第４プリント基板１３０の間、および第４プリント基板１３０と第２プリント基板１４０の間には、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤１１２、１２４、１３４が配置されている。また、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０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、１４１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１３１および第３電流測定用配線１３２が接続されている。また、第２スルーホール１０１ｂを介して、抵抗体１３１、第２電極１４１および第１、第２電流測定用配線１２１、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。

ここで、第１電極１１１には、第１電極１１１と第２スルーホール１０１ｂの第１電極１１１側の端部とが電気的に接続しないように逃がし部１１３が設けられている。同様に、第２電極１４１には、第２電極１４１と第１スルーホール１０１ａの第２電極１４１側の端部とが電気的に接続しないように逃がし部１４２が設けられている。

なお、第１電極１１１は、第１スルーホール１０１ａを介して抵抗体１３１の一端側に接続され、第２電極１４１は、第２スルーホール１０１ｂを介して抵抗体１３１の他端側に接続されている。

このような構成の電流測定部１０１では、図５に示すように、第１電極１１１→第１スルーホール１０１ａ→抵抗体１３１の一端側→抵抗体１３１の他端側→第２スルーホール１０１ｂ→第２電極１４１へと電流が流れることとなる。なお、複数の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ抵抗体１３１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、本実施形態における抵抗体１３１における電流流れ最上流側は、抵抗体１３１の一端側、すなわち抵抗体１３１における第１スルーホール１０１ａが設けられた部位となる。また、抵抗体１３１における電流流れ最下流側は、抵抗体１３１の他端側、すなわち抵抗体１３１における第２スルーホール１０１ｂが設けられた部位となる。

さらに、第１、第２電極１１１、１４１に設けられた逃がし部１１３、１４２によって、第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間、および第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間には、電流が流れないようになっている。

そのため、第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間における電位には、第１スルーホール１０１ａのメッキの厚さ、第１スルーホール１０１ａにおける電流が通過する通路長さ等による電気抵抗のバラツキの影響が及ばない。つまり、第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間が、抵抗体１３１における電流流れ最上流側における電位と同電位となる。

同様に、第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間における電位は、第２スルーホール１０１ｂにおける電気抵抗のバラツキの影響が及ばない。つまり、第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間が、抵抗体１３１における電流流れ最下流側における電位と同電位となる。

そして、図４、図５に示すように、第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間、および第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間には、電流測定用電圧センサ１０２が接続されている。

従って、第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間が、電流測定用電圧センサ１０２の第１検出部を構成し、第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間が、電流測定用電圧センサ１０２の第２検出部を構成している。

具体的に本実施形態では、電流測定用電圧センサ１０２は、第３電流測定用配線１３２および外部配線を介して第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間に接続されている。また、電流測定用電圧センサ１０２は、第２電流測定用配線１２２および外部配線を介して第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間に接続されている。ここで、電流測定用電圧センサ１０２は、上述の第１検出部と第２検出部との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。

また、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１３１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１３１→第２スルーホール１０１ｂ→第２電極１４１の順に電流が流れ、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における抵抗体１３１と第２電極１４１との間の第１検出部、および第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間の第２検出部との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を有する抵抗体１３１を用いているので、第１、２スルーホール１０１ａ、１０１ｂ間の抵抗体１３１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第１、２スルーホール１０１ａ、１０１ｂ間の抵抗体１３１の電気抵抗値で除する演算処理を行うことで、抵抗体１３１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。

以上説明したように、本実施形態では、電流測定用電圧センサ１０２により、抵抗体１３１における電流流れ最上流側の電位と同電位となる第１検出部と、抵抗体１３１における電流流れ最下流側の電位と同電位となる第２検出部の２点間の電位差を測定している。

従って、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂのメッキ厚さ、電流が通過するスルーホールの長さによって、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂ間の電気抵抗のバラツキが生じたとしても、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することができる。つまり、電流測定装置１００の測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１、第２コネクタ１２３、１３３をそれぞれ異なるプリント基板である第３、第４プリント基板１２０、１３０に設ける構成とすることで、第３、第４プリント基板１２０、１３０に設けられた第１〜第３電流測定用配線１２１、１２２、１３３の配線パターンが複雑となることを抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、第１コネクタ１２３と第２コネクタ１３３とをプリント基板１１０〜１４０の積層方向に直列に配置する構成とすることで、プリント基板１１０〜１４０の積層方向から見た第１、第２コネクタ１２３、１３３の面積を小さくすることができる。そのため、第１、第２コネクタ１２３、１３３をプリント基板１１０〜１４０の積層方向から見た大きさに制約がある場合であっても対応することが可能となる。

上述の実施形態では、第３プリント基板１２０の第２電流測定用配線１２２を電流測定用電圧センサ１０２に接続しているが、図６に示すように、第３プリント基板１２０の第１電流測定用配線１２１を電流測定用電圧センサ１０２に接続してもよい。

第１電流測定用配線１２１では、第２電流測定用配線１２２と同様に、抵抗体１３１における電流流れ最下流側の電位と同電位となるからである。

また、例えば、隣合う電流測定部１０１の一方を第２プリント基板１４０の第２電流測定用配線１２２を電流測定用電圧センサ１０２に接続し、他方を第２プリント基板１４０の第１電流測定用配線１２１を電流測定用電圧センサ１０２に接続してもよい。

これによれば、第２検出部と電流測定用電圧センサ１０２とを接続するための配線パターンが複雑となることを抑制することが可能となる。なお、図６は、電流測定部１０１の断面図を示している。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。ここで、図７は、本実施形態の電流測定部１０１の断面図を示している。なお、上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、本実施形態の電流測定部集合板１００ａは、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０の他に、第５プリント基板１５０を加えた５枚のプリント基板を積層した積層基板として構成されている。第５プリント基板１５０は、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０と同様の構成とすることができる。

この第５プリント基板１５０は、図７に示すように、第４プリント基板１３０と第２プリント基板１４０との間に配置され、第４、第２プリント基板１３０、１４０との間に絶縁性接着剤１５３で絶縁した状態で一体化されている。

そして、第５プリント基板の両側の面には、第４、第５電流測定用配線１５１、１５２が設けられている。そして、第４、第５電流測定用配線１５１、１５２は、第１スルーホール１０１ａを介して第１電極１１１および抵抗体１３１に接続されている。

ここで、図示しないが第５プリント基板の１辺には、複数の第４、第５電流測定用配線１５１、１５２が接続された信号取り出し用の第３コネクタが設けられている。そして、この第３コネクタは、第１、第２コネクタ１２３、１３３とプリント基板の積層方向に直列に設けられている。

このような構成の電流測定部１０１では、電流測定用電圧センサ１０２を第３〜第５電流測定用配線１３２、１５１、１５２および外部配線を介して第１スルーホール１０１ａにおける抵抗体１３１と第２電極１４１との間の第１検出部に接続することができる。また、電流測定用電圧センサ１０２は、第１、第２電流測定用配線１２２、１３２および外部配線を介して第２スルーホール１０１ｂにおける抵抗体１３１と第１電極１１１との間の第２検出部に接続することができる。

本実施形態では、複数の端子用プリント基板を設けて、第１、第２検出部と電流測定用電圧センサ１０２とを接続するための電流測定用配線を複数有する構成としているため、例えば、隣合う電流測定部１０１で異なる電流測定用配線を採用することができる。これによれば、一枚のプリント基板に複数の配線パターンを設ける構成に比べて、端子用プリント基板を構成する各プリント基板１２０、１３０、１５０における配線パターンが複雑となることを抑制することが可能となる。

また、第１〜第３コネクタ１２３、１３３を、プリント基板１１０〜１４０の積層方向に直列に配置する構成とすることで、プリント基板１１０〜１４０の積層方向から見た第１〜第３コネクタ１２３、１３３の面積をより小さくすることができる。そのため、第１〜第３コネクタ１２３、１３３について、プリント基板１１０〜１４０の積層方向から見た大きさに制約がある場合であっても対応することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。ここで、図８は、本実施形態の電流測定部の模式図である。

上述の第１実施形態では、電流測定用電圧センサ１０２を電流測定部１０１の第２プリント基板１４０の第１、第２電流測定用配線１２１、１２２と第３プリント基板１２０の第３電流測定用配線１３２とに接続し、抵抗体１３１の電流流れ最上流側の部位と同電位となる第１検出部と、電流流れ最下流側の部位と同電位となる第２検出部との２点間の電位差を測定している。

本実施形態では、図８に示すように、第１電流測定用電圧センサ１０２を電流測定部１０１の抵抗体１３１の電流流れ最上流側の部位と、電流流れ最下流側の部位との２点間の電位差を測定している。

ここで、抵抗体１３１における電流流れ最上流側の部位は、抵抗体１３１における第１スルーホール１０１ａが設けられた部位であり、抵抗体１３１における電流流れ最下流側の部位は、抵抗体１３１における第２スルーホール１０１ｂが設けられた部位である。

具体的には、本実施形態では、図８に示すように電流測定用電圧センサ１０２によって抵抗体１３１における第１スルーホール１０１ａが設けられた部位と第２スルーホール１０１ｂが設けられた部位との２点間の電位差を測定している。

この場合、例えば、第３プリント基板１２０における抵抗体１３１が設けられた面に電流測定用電圧センサ１０２に接続するための配線パターンを形成して、前述の２点間の電位差を測定すればよい。

これによれば、第１実施形態と同様に、電流測定用電圧センサ１０２により電位差を検出する２点間には、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂの電気抵抗を含まない構成とすることができる。そのため、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂにおける電気抵抗のバラツキによって生ずる電流測定用電圧センサ１０２の検出電位差の測定誤差を抑制することができる。

また、本実施形態では、抵抗体１３１の第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｂが設けられた部位の２点間の電位差を直接検出する構成であるため、第３プリント基板１２０を省略することができる。

（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、第１、第２電流測定用配線１２１、１２２を第２プリント基板１４０に設け、抵抗体１３１および第３電流測定用配線１３２を第３プリント基板１２０に設ける例について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、第１、第２電流測定用配線１２１、１２２をそれぞれ異なるプリント基板に設けてもよく、また、抵抗体１３１、第３電流測定用配線１３２をそれぞれ異なるプリント基板に設けてもよい。この場合、それぞれのプリント基板を第１、第４プリント基板１１０、１４０に挟み込んだ状態で積層基板として一体化すればよい。

（２）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。

（３）上述の実施形態では、図５に示すように、抵抗体１３１を流れる電流が、抵抗体１３１の板面の下方から上方に向かって流れるように記載しているが、抵抗体１３１を流れる電流の流れ方向はこれに限定されるものでない。例えば、抵抗体１３１を流れる電流が、抵抗体１３１の板面の上方から下方に向かって流れるように構成しても良い。さらに、抵抗体１３１を流れる電流が、図９に示すように抵抗体１３１の板面の左右方向に流れるように構成しても良いし、図１０に示すように、抵抗体１３１の板面を斜め方向（抵抗体１３１の枠辺に非並行となる方向）に流れるように構成しても良い。なお、図９、図１０は、抵抗体１３１を流れる電流の流れ方向を説明するための電流測定部の模式図である。

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実施形態の電流測定部の断面図である。 第２実施形態の電流測定部の断面図である。 第３実施形態の電流測定部の模式図である。 他の実施形態の電流測定部の模式図である。 他の実施形態の電流測定部の模式図である。

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
１１３ 逃がし部
１２０ 第３プリント基板
１３０ 第４プリント基板
１３１ 抵抗体
１４０ 第２プリント基板
１４１ 第２電極
１４２ 逃がし部

Claims (6)

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（１４１）、および前記第１電極（１１１）と前記第２電極（１４１）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（１３１）を含んで構成された１つ以上の電流測定部（１０１）と、
   前記抵抗体（１３１）の２点間の電位差を検出する電位差検出手段（１０２）と、
   前記抵抗体（１３１）の２点間の抵抗値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、
   前記抵抗体（１３１）は、第１接続部を介して前記第１電極（１１１）に電気的に接続されるとともに、第２接続部を介して前記第２電極（１４１）に電気的に接続され、
   前記電位差検出手段（１０２）は、前記抵抗体（１３１）の電流流れ最上流側の電位と同電位となる部位と、前記抵抗体（１３１）の電流流れ最下流側の電位と同電位となる部位との２点間の電位差を検出するように構成されており、
   前記第１電極（１１１）は、第１プリント基板（１１０）に配置され、
   前記第２電極（１４１）は、第２プリント基板（１４０）に配置され、
   前記第１プリント基板（１１０）および前記第２プリント基板（１４０）は、少なくとも前記抵抗体（１３１）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、１つ以上の第1スルーホール（１０１ａ）および１つ以上の第２スルーホール（１０１ｂ）で構成されており、
   前記第１電極（１１１）には、前記第２スルーホール（１０１ｂ）との間に逃がし部（１１３）が設けられ、
   前記第２電極（１４１）には、前記第１スルーホール（１０１ａ）との間に逃がし部（１４２）が設けられ、
   前記電位差検出手段（１０２）は、前記第１スルーホール（１０１ａ）における前記第２電極（１４１）と前記抵抗体（１３１）との間の第１検出部と、前記第２スルーホール（１０１ｂ）における前記第１電極（１１１）と前記抵抗体（１３１）との間の第２検出部の電位差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。
2. 前記第１プリント基板（１１０）および前記第２プリント基板（１４０）の間には、前記第２検出部を前記電位差検出手段（１０２）へ接続するための第１接続端子（１２３）が設けられた第１端子用プリント基板（１２０）、および前記第１検出部を前記電位差検出手段（１０２）へ接続するための第２接続端子（１３３）が設けられた第２端子用プリント基板（１３０）が配置され、
   前記第１端子用プリント基板（１２０）には、前記第２検出部を前記第１接続端子（１２３）に接続するための配線パターンが設けられ、
   前記第２端子用プリント基板（１３０）には、前記第１検出部を前記第２接続端子（１３３）に接続するための配線パターンが設けられ、
   前記第１端子用プリント基板（１２０）と前記第２端子用プリント基板（１３０）との間には、前記抵抗体（１３１）が配置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。
3. 同一の前記隣合うセル（１０ａ）間には、複数の前記電流測定部（１０１）が配置され、
   前記第１端子用プリント基板（１２０）の前記第１接続端子（１２３）、および前記第２端子用プリント基板（１３０）の前記第２接続端子（１３３）は、前記積層基板の積層方向に直列に配置さ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. 前記第１端子用プリント基板（１２０）は、前記第１プリント基板（１１０）と前記抵抗体（１３１）との間に配置され、
   前記第２端子用プリント基板（１３０）は、前記第２プリント基板（１４０）と前記抵抗体（１３１）との間に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電流測定装置。
5. 前記第１端子用プリント基板（１２０）および前記第２端子用プリント基板（１３０）は、それぞれ複数設けられていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の電流測定装置。
6. 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、それぞれ複数設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電流測定装置。

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