JP5655707B2 - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。

従来、固体高分子型の燃料電池の内部状態（内部水分量等）を把握するために、燃料電池のセルの局所部位を流れる電流を測定すると共に、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定する構成（インピーダンス測定装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、電流検出手段および電圧検出手段の出力信号に高周波の交流信号を重畳した際に、インピーダンス測定装置にて測定した燃料電池のインピーダンスから電解質膜の膜抵抗を推定することで、燃料電池の内部水分量を把握するようにしている。

より具体的には、インピーダンス測定装置は、燃料電池のセルの局所部位を流れる電流を検出するために、一対の電極、および一対の電極それぞれを接続する抵抗体を有する電流測定部と、一対の電極間の電位差を検出する電圧検出部と、電圧検出部の検出値および抵抗体の抵抗値を用いて電流測定部を流れる電流を測定する信号処理回路とを備えている。なお、電流測定部は、セルの局所部位に隣接して配置されている。

特開２００９−２５２７０６号公報

しかしながら、本発明者らが特許文献１に記載のインピーダンス測定装置の如く、燃料電池に高周波（例えば、４００Ｈｚ以上）の交流信号を重畳した際の燃料電池のインピーダンスを測定し、電解質膜の膜抵抗を推定したところ、当該膜抵抗の推定値と実際の電解質膜における膜抵抗の値とがずれてしまうことが分かった。

そこで、本発明者らが原因を調査したところ、燃料電池に高周波の交流信号を重畳した際に電流測定部の抵抗体を流れる電流により発生する誘導起電圧が、一対の電極間の電位差を検出する電圧検出部の信号線等に悪影響を及ぼしていることが判明した。つまり、燃料電池に高周波の交流信号を重畳した際に電流測定部の抵抗体を流れる電流により発生する誘導起電圧の影響によって、燃料電池のセルの局所部位を流れる電流の正確な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て、燃料電池に高周波の交流信号を重畳した際の誘導起電圧の影響による燃料電池のセルの局所部位を流れる電流の測定精度の低下を抑制す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）のセル（１０ａ）におけるインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、セル（１０ａ）に隣接して配置された板状部材（１００ａ）と、板状部材（１００ａ）の両面に配置された一対の電極（１１１、１２１）、予め定めた電気抵抗値を有し一対の電極（１１１、１２１）を電気的に接続しセル（１０ａ）の積層方向に対して直交する方向に電流が流れる抵抗体（１３１、１４１）を有する電流測定部（１０１）と、一対の電極（１１１、１２１）における第１電極（１１１）と抵抗体（１３１、１４１）とを接続する第１接続部（１０１ｂ）、および抵抗体（１３１、１４１）と第２電極（１２１）とを接続する第２接続部（１０１ｃ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０３）と、所定周波数の正弦波が重畳された電位差検出手段（１０３）の出力信号、および抵抗体（１３１、１４１）の電気抵抗値を用いて、電流測定部（１０１）を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）と、備え、電位差検出手段（１０３）は、第１電位差検出用配線（１０４）を介して第１接続部（１０１ｂ）に電気的に接続されると共に、第２電位差検出用配線（１０５）を介して第２接続部（１０１ｃ）に電気的に接続されており、第１電位差検出用配線（１０４）および第２電位差検出用配線（１０５）それぞれは、少なくともセル（１０ａ）の積層方向から板状部材（１００ａ）を見たときに抵抗体（１３１、１４１）と重合する部位が、抵抗体（１３１、１４１）を流れる電流の流れ方向に対して直交する形状とされていることを特徴とする。

これによれば、第１電位差検出用配線（１０４）および第２電位差検出用配線（１０５）における少なくとも抵抗体（１３１、１４１）と重合する部位を、抵抗体（１３１、１４１）を流れる電流の流れ方向と直交する形状としているので、抵抗体（１３１、１４１）を流れる電流による誘導起電圧が第１電位差検出用配線（１０４）および第２電位差検出用配線（１０５）に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。この結果、燃料電池（１０）に高周波の交流信号を重畳した際の誘導起電圧の影響による燃料電池（１０）のセル（１０ａ）の局所部位を流れる電流の測定精度の低下を抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のインピーダンス測定装置において、抵抗体（１３１、１４１）は、第１接続部（１０１ｂ）を介して第１電極（１１１）に電気的に接続された第１抵抗部（１３１）、および第２接続部（１０１ｃ）を介して第２電極（１２１）に電気的に接続された第２抵抗部（１４１）を有し、第１抵抗部（１３１）および第２抵抗部（１４１）は、セル（１０ａ）の積層方向から板状部材（１００ａ）を見たときに互いに重合するように配置されると共に、第１抵抗部（１３１）を流れる電流の流れ方向と第２抵抗部（１４１）を流れる電流の流れ方向とが反対方向とな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、第１抵抗部（１３１）を流れる電流の流れ方向と第２抵抗部（１４１）を流れる電流の流れ方向とが反対方向となるように構成しているので、第１抵抗部（１３１）を流れる電流により生ずる磁界と第２抵抗部（１４１）を流れる電流により生ずる磁界とを打ち消すことが可能となる。これにより、燃料電池（１０）に高周波の交流信号を重畳した際の誘導起電圧の発生を抑制することができるので、燃料電池（１０）のセル（１０ａ）の局所部位を流れる電流の測定精度の低下を効果的に抑制することができる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置において、板状部材（１００ａ）は、複数の基板（１１０〜１６０）が積層された積層基板で構成され、第１電位差検出用配線（１０４）および第２電位差検出用配線（１０５）は、少なくとも一部が同一の基板上に形成されていることを特徴とする。

このように、各電位差検出用配線（１０４、１０５）の少なくとも一部を同一の基板に集積化させる構成としてもよい。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置において、板状部材（１００ａ）は、複数の基板（１１０〜１６０）が積層された積層基板で構成され、第１電位差検出用配線（１０４）および第２電位差検出用配線（１０５）は、複数の基板（１１０〜１６０）のうち、異なる基板上に形成されていることを特徴とする。

これによれば、各電位差検出用配線（１０４、１０５）同士が基板上で干渉しないので、基板における配線の設計自由度を向上させることができる。

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。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 第１実施形態に係る電流測定部集合板の分解図である。 第１実施形態に係る電流測定部の概略構成を示す模式図である。 第２実施形態に係る電流測定部の概略構成を示す模式図である。 第３実施形態に係る電流測定部の概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図であり、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、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。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、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。この燃料電池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、基本単位となる燃料電池セル１０ａ（以下、単にセル１０ａと略称する。）が複数個積層配置され、且つ電気的に直列接続されている。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
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出力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出力電流を検出する電流センサ１２によって計測される。これら電圧センサ１１および電流センサ１２の検出信号は、後述する制御部５０に入力される。

また、積層されたセル１０ａの間には、燃料電池１０のセル面内の電流分布を測定すると共に、各セル１０ａのインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置１００が設けられている。インピーダンス測定装置１００は板状部材である測定部集合板１００ａを有して構成されている。本実施形態のインピーダンス測定装置１００の測定部集合板１００ａ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。インピーダンス測定装置１００の検出信号は、後述の信号処理回路５１を介して制御部５０に入力される。インピーダンス測定装置１００の詳細については後述する。

なお、図示しないが、燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電流に所定周波数の正弦波を重畳させる正弦波重畳手段としての正弦波発振器が設けられている。これにより、電圧センサ１１、インピーダンス測定装置１００等の出力信号に正弦波が重畳可能とされている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極側（正極側）に酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極側（負極側）に水素を主成分とする燃料ガス（水素）を供給するための水素流路３０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、ラジエータ４３を迂回して冷却水を流す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の出口側付近には、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。

燃料電池システムには、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にて構成されている。そして、制御部５０には、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ４６からの検出信号等の他に、後述するインピーダンス測定装置１００の信号処理回路５１から出力される検出信号が入力される。

本実施形態の制御部５０では、インピーダンス測定装置１００の信号処理回路５１からの検出信号（電流値）および電圧センサ１１からの検出信号を用いて、セル１０ａの面内におけるインピーダンスの分布を測定する。なお、制御部５０におけるセル１０ａのインピーダンスを算出する構成（ソフトウェアおよびハードウェア）は、インピーダンス算出手段を構成しており、インピーダンス測定装置１００の一部として機能する。

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。

次に、本実施形態のインピーダンス測定装置１００の詳細について説明する。インピーダンス測定装置１００は、板状部材で構成された測定部集合板１００ａ、測定部集合板１００ａに設けられた複数の電流測定部１０１、電流測定部１０１の所定部位間の電位差を検出する電位差検出用電圧検出部１０３、およびセル１０ａの面内のうち電流測定部１０１配置箇所に対応する局所部位の電流を検出する信号処理回路５１を備えている。

まず、測定部集合板１００ａについて図２、図３に基づいて説明する。図２は、燃料電池１０の外観斜視図であり、図３は、測定部集合板１００ａの斜視図である。図２に示すように、本実施形態の測定部集合板１００ａは、複数枚設けられており、それぞれ隣り合うセル１０ａの間に配置されている。

さらに、図３に示すように、測定部集合板１００ａは、配線パターンが形成（プリント）された複数のプリント基板１１０〜１４０を積層した積層基板として構成されている。本実施形態のインピーダンス測定装置１００は、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０の４枚のプリント基板が積層されて構成されている。これら各プリント基板１１０〜１４０は、絶縁性接着剤（図示略）を介在させてホットプレスにより一体化されている。

各プリント基板１１０〜１４０としては、一般的なガラスエポキシ基板を用いることができる。なお、各プリント基板１１０〜１４０には、その周縁部における対向する２辺（図３における左右両辺）付近には、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、冷却水がそれぞれ通過させるためのマニホールドとして機能する。

さらに、両側の各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、本実施形態の測定部集合板１００ａには、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個のマトリクス状に電流測定部１０１が配置されている。

つまり、本実施形態では、電流測定部１０１が、同一の隣り合うセル１０ａに複数配置されている。これにより、複数の電流測定部１０１が測定部集合板１００ａの板面の全体に渡って配置されることになるので、本実施形態のインピーダンス測定装置１００では、セル１０ａの面内におけるインピーダンスの分布を測定することができる。

次に、電流測定部１０１の詳細について図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態に係る電流測定部１０１の概略構成を示す模式図である。なお、図４では、測定部集合板１００ａにおける１つの電流測定部１０１を部分的に抜き出したものを示している。

図４に示すように、本実施形態の電流測定部１０１は、隣り合うセル１０ａのうち一方のセル１０ａに電気的に接触する第１電極１１１、隣り合うセル１０ａのうち他方のセル１０ａに電気的に接触する第２電極１２１、および第１電極１１１と第２電極１２１とを電気的に接続すると共に予め定められた電気抵抗値を有する抵抗体１３１、１４１を有して構成されている。なお、第１電極１１１、および第２電極１２１は、一対の電極として構成されて測定部集合板１００ａの両面に配置されている。

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４の紙面手前側）に配置され、第２電極１２１は、第２プリント基板１２０における他方のセル１０ａに対向する面（図４の紙面奥側）に配置されている。

抵抗体１３１、１４１は、後述する第１ビアホール（第１接続部）１０１ｂを介して第１電極１１１に電気的に接続される板状の第１抵抗部１３１、および後述する第２ビアホール（第２接続部）１０１ｃを介して第２電極１２１に電気的に接続される板状の第２抵抗部１４１を有して構成されている。

具体的には、第１抵抗部１３１は、第３プリント基板１３０における第１プリント基板１１０に対向する面（図４の紙面手前側）に配置され、第２抵抗部１４１は、第４プリント基板１４０における第３プリント基板１３０に対向する面（図４の紙面手前側）に配置されている。

一対の電極１１１、１２１、各抵抗部１３１、１４１それぞれは、金属箔にて構成されており、各抵抗部１３１、１４１は、一対の電極１１１、１２１よりも抵抗値の高い材料で構成されている。例えば、一対の電極１１１、１２１は銅箔で構成することができ、各抵抗部１３１、１４１はニッケル箔で構成することができる。

ここで、各プリント基板１１０〜１４０には、各プリント基板１１０〜１４０を貫通する複数の丸穴形状の第１スルーホール１０１ａが設けられている。また、第１プリント基板１１０には、第１プリント基板１１０を貫通する複数の丸穴形状の第１ビアホール１０１ｂが設けられ、第２、第４プリント基板１２０、１４０には、第２、第４プリント基板１２０、１４０を貫通する複数の丸穴形状の第２ビアホール１０１ｃが設けられている。

これら第１スルーホール１０１ａ、第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃの内部には、銅等の導電体が設けられている。そして、第１スルーホール１０１ａを介して、第１抵抗部１３１および第２抵抗部１４１が接続されている。なお、第１スルーホール１０１ａには、図４に示すように、長手方向の両端面に逃がし部１０６が形成されており、当該逃がし部１０６によって、第１スルーホール１０１ａは、第１電極１１１および第２電極１５１に対して絶縁されている。

また、第１ビアホール１０１ｂを介して、第１電極１１１、および第１抵抗部１３１が接続されると共に、第２ビアホール１０１ｃを介して第２電極１２１、および第２抵抗部１４１が接続されている。従って、第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃ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。第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃは、測定部集合板１００ａの積層方向から見たときに、重合するように設けられている。なお、第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃは、第３プリント基板１３０によって互いが導通しないように構成されている。

また、第１電極１１１は、第１ビアホール１０１ｂを介して第１抵抗部１３１の一端側に接続され、第２電極１２１は、第２ビアホール１０１ｃを介して第２抵抗部１４１の一端側に接続されている。また、第１抵抗部１３１の他端側は、第１スルーホール１０１ａを介して第２抵抗部１４１の他端側に接続されている。

このため、抵抗体１３１、１４１では、図４の白抜き矢印で示すように、第１抵抗部１３１の一端側から他端側（下方から上方）へ電流が流れ、逆に第２抵抗部１４１の他端側から一端側（上方から下方）へ電流が流れることとなる。つまり、第１抵抗部１３１および第２抵抗部１４１は、第１電極１１１側に配置された第１抵抗部１３１を流れる電流の流れ方向と、第２電極１２１側に配置された第２抵抗部１４１を流れる電流の流れ方向とが、互いに反対方向となるように構成されている。換言すれば、第１、第２抵抗部１３１、１４１、および第１スルーホール１０１ａには、測定部集合板１００ａの積層方向断面から見たときに、Ｕ字状に曲折して電流が流れる。これにより、第１抵抗部１３１を流れる電流による磁界と第２抵抗部１４１を流れる電流による磁界とが打ち消される。

また、第１ビアホール（第１接続部）１０１ｂおよび第２ビアホール（第２接続部）１０１ｃには、それぞれ第１、第２電位差検出用配線１０４、１０５等を介して、電位差検出用電圧検出部１０３が接続されている。

電位差検出用電圧検出部１０３は、第１ビアホール１０１ｂと第２ビアホール１０１ｃとの２点間の電位差（第１接続部および第２接続部間）を検出する電位差検出手段を構成している。そして、電位差検出用電圧検出部１０３の検出信号は、信号処理回路５１へ出力される。

ここで、第１電位差検出用配線１０４は、第１ビアホール１０１ｂと電位差検出用電圧検出部１０３とを接続する信号線を構成し、第２電位差検出用配線１０５は、第２ビアホール１０１ｃと電位差検出用電圧検出部１０３とを接続する信号線を構成している。

各電位差検出用配線１０４、１０５は、図４に示すように、測定部集合板１００ａの積層方向（セル１０ａの積層方向）から見たときに各抵抗部１３１、１４１と重合する部位が、各抵抗部１３１、１４１を流れる電流の流れ方向（紙面上下方向）に対して直交する方向（紙面左右方向）に延びる形状とされている。特に、各電位差検出用配線１０４、１０５は、電流測定部１０１におけるセル１０ａの発電部に対応する部位において、各抵抗部１３１、１４１を流れる電流の流れ方向（紙面上下方向）に対して直交する方向（紙面左右方向）に延びる形状とすることが好ましい。なお、各電位差検出用配線１０４、１０５は、一対の電極１１１、１２１と同様に金属箔（例えば、銅箔）で構成されている。

具体的には、本実施形態の第１電位差検出用配線１０４は、第１プリント基板１１０における第１電極１１１の配置面と反対側の面に、各第１ビアホール１０１ｂを跨ぐように形成されている。

また、本実施形態の第２電位差検出用配線１０５は、第２プリント基板１２０における第２電極１２１の配置面と反対側の面に、各第２ビアホール１０１ｃを跨ぐように形成されると共に、第１プリント基板１１０における第１電極１１１の配置面と反対側の面に、その一部が形成されている。第２電位差検出用配線１０５における第２プリント基板１２０に設けられた配線は、各プリント基板１１０〜１４０を貫通する第２スルーホール１０１ｄを介して第２電位差検出用配線１０５における第１プリント基板１１０に設けられた配線に接続されている。

従って、本実施形態の第２電位差検出用配線１０５は、その一部が、第１電位差検出用配線１０４が形成された第１プリント基板１１０に形成されていることとなる。換言すれば、各電位差検出用配線１０４、１０５は、少なくとも一部が同一基板上に形成されている。なお、第２スルーホール１０１ｄの内部には、第１スルーホール１０１ａ、第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃと同様に、銅等の導電体が設けられている。

また、図３に示すように、第１プリント基板１１０の一辺には、第１、第２電位差検出用配線１０４、１０５と電位差検出用電圧検出部１０３とを接続するためのコネクタ１１３が設けられている。

インピーダンス測定装置１００の信号処理回路５１は、電位差検出用電圧検出部１０３の検出信号（検出電位差）と抵抗体１３１、１４１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に対応する部位を流れる電流値を検出する。具体的には、信号処理回路５１では、電位差検出用電圧検出部１０３の検出信号（検出電位差）と抵抗体１３１、１４１の電気抵抗値で除することによって、電流測定部１０１に対応する部位を流れる電流値を検出する。従って、信号処理回路５１は、セル１０ａにおける局所部位を流れる電流値を検出する電流値検出手段を構成している。信号処理回路５１にて検出された電流値は、制御部５０へ出力される。

次に、本実施形態のインピーダンス測定装置１００と制御部５０による電流測定方法およびインピーダンス測定方法について説明する。なお、電流測定時およびインピーダンス測定時には、正弦波発振器にて燃料電池１０の出力電流に所定周波数の正弦波が重畳されているものとする。

燃料電池１０に水素および空気が供給開始されることで、燃料電池１０での発電が開始される。インピーダンス測定装置１００の各電流測定部１０１では、図４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、第１電極１１１→第１ビアホール１０１ｂ→第１抵抗部１３１→第１スルーホール１０１ａ→第２抵抗部１４１→第２ビアホール１０１ｃ→第２電極１２１の順に電流が流れ、第２電極１２１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、電位差検出用電圧検出部１０３で第１抵抗部１３１の一端側（第１ビアホール１０１ｂ）および第２抵抗部１４１の一端側（第２ビアホール１０１ｃ）の電位差を測定する。

そして、信号処理回路５１では、電位差検出用電圧検出部１０３による検出電位差と抵抗体１３１、１４１の電気抵抗値を用いて、抵抗体１３１、１４１に流れた電流の大きさを算出する。これにより、信号処理回路５１では、セル１０ａの面内におけるインピーダンス測定装置１００の各電流測定部１０１に対応する部位の電流値、すなわちセル１０ａの面内におけるインピーダンスの分布を測定することができる。

次に、制御部５０では、信号処理回路５１にて測定された各電流値、および電圧センサ１１の検出信号を用いて、周知の交流インピーダンス法によりセル１０ａの局所インピーダンスを測定する。具体的には、信号処理回路５１にて測定された各電流値、および電圧センサ１１の検出信号から高速フーリエ変換処理等の周波数解析処理によって、正弦波発振器にて重畳した正弦波の交流成分（電流成分および電圧成分）を抽出して、抽出した交流成分を用いてセル１０ａの局所インピーダンスを算出する。

以上説明した本実施形態のインピーダンス測定装置１００によれば、電位差検出用電圧検出部１０３に接続される第１電位差検出用配線１０４および第２電位差検出用配線１０５における少なくとも抵抗体１３１、１４１と重合する部位を、抵抗体１３１、１４１を流れる電流の流れ方向と直交する形状としているので、抵抗体１３１、１４１を流れる電流による誘導起電圧が第１電位差検出用配線１０４、および前記第２電位差検出用配線１０５に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。この結果、燃料電池１０に高周波の交流信号を重畳した際の誘導起電圧の影響による燃料電池１０のセル１０ａの局所部位を流れる電流の測定精度の低下を抑制することができる。また、インピーダンス測定装置１００にて測定した電流値を用いて燃料電池１０のセル１０ａの局所インピーダンスを測定する場合には、当該局所インピーダンスを精度よく検出することができるので、燃料電池の内部水分量等を適切に把握することが可能となる。

また、本実施形態のインピーダンス測定装置１００では、抵抗体１３１、１４１である第１抵抗部１３１および第２抵抗部１４１を流れる電流の流れ方向が反対方向となるように構成しているので、第１抵抗部１３１を流れる電流により生ずる磁界と第２抵抗部１４１を流れる電流により生ずる磁界とを打ち消すことが可能となる。これにより、燃料電池１０に高周波の交流信号を重畳した際の誘導起電圧の発生自体を抑制することができるので、燃料電池１０のセル１０ａの局所部位を流れる電流の測定精度の低下を効果的に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態に係る電流測定部１０１の概略構成を示す模式図である。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

本実施形態のインピーダンス測定装置１００は、第１電位差検出用配線１０４が第１電極１１１と異なる基板上に形成され、第２電位差検出用配線１０５が第２電極１２１と異なる基板上に形成されている点が第１実施形態と相違している。

本実施形態のインピーダンス測定装置１００は、測定部集合板１００ａが６枚のプリント基板１１０〜１６０を積層した積層基板で構成されている。具体的には、本実施形態の測定部集合板１００ａは、第１プリント基板１１０と第３プリント基板１３０との間に第５プリント基板１５０が追加され、第２プリント基板１２０と第４プリント基板１４０との間に第６プリント基板１６０が追加されている。なお、追加された第５、第６プリント基板１５０、１６０の基本構成は、第１〜第４プリント基板１１０〜１４０と同様である。

そして、第５プリント基板１５０における第１プリント基板１１０に対向する面（紙面手前側）に第１電位差検出用配線１０４が形成され、第６プリント基板１６０における第４プリント基板１４０に対向する面（紙面手前側）に第２電位差検出用配線１０５が形成されている。

このように、本実施形態のインピーダンス測定装置１００では、測定部集合板１００ａの積層構造を変更しているものの、第１、第２電位差検出用配線１０４、１０５における少なくとも抵抗体１３１、１４１と重合する部位を、抵抗体１３１、１４１を流れる電流の流れ方向と直交する形状としているので、第１実施形態で説明したインピーダンス測定装置１００と同様に、燃料電池１０のセル１０ａの局所部位を流れる電流の測定精度の低下を抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態に係る電流測定部１０１の概略構成を示す模式図である。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

本実施形態では、第１電位差検出用配線１０４および第２電位差検出用配線１０５を複数のプリント基板１１０〜１６０のうち、異なるプリント基板上に形成している点が第２実施形態と相違している。

具体的には、第１電位差検出用配線１０４は、第５プリント基板１５０における第１プリント基板１１０に対向する面（紙面手前側）に形成され、第２電位差検出用配線１０５は、第６プリント基板１６０における第４プリント基板１４０に対向する面（紙面手前側）に形成されている。なお、第１電位差検出用配線１０４および第２電位差検出用配線１０５は、測定部集合板１００ａの積層方向から見たときに、同じ形状となるように第５、第６プリント基板１５０、１６０に形成されている。

なお、図示しないが、本実施形態の第５プリント基板１５０の一辺には、第１電位差検出用配線１０４と電位差検出用電圧検出部１０３とを接続するためのコネクタが設けられ、第６プリント基板１６０の一辺に、第２電位差検出用配線１０５と電位差検出用電圧検出部１０３とを接続するためのコネクタが設けられている。

このように、本実施形態のインピーダンス測定装置１００では、測定部集合板１００ａにおける各電位差検出用配線１０４、１０５の配置構造を変更しているものの、第１、第２電位差検出用配線１０４、１０５における少なくとも抵抗体１３１、１４１と重合する部位を、抵抗体１３１、１４１を流れる電流の流れ方向と直交する形状としているので、第１、第２実施形態で説明したインピーダンス測定装置１００と同様に、燃料電池１０のセル１０ａの局所部位を流れる電流の測定精度の低下を抑制することができる。

また、本実施形態のように、各電位差検出用配線１０４、１０５を異なるプリント基板上に設ける構成とする場合、プリント基板における配線の設計自由度を向上させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、各抵抗部１３１、１４１を流れる電流の流れ方向を上下方向とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、各抵抗部１３１、１４１を流れる電流の流れ方向を左右方向としてもよい。この場合、各電位差検出用配線１０４、１０５は、各抵抗部１３１、１４１を流れる電流の流れ方向と直交するように、上下方向に延びる形状とすればよい。

（２）上述の各実施形態のように、抵抗体を一対の抵抗部１３１、１４１で構成することが好ましいが、これに限定されず、抵抗体を１つの抵抗部で構成してもよい。

（３）上述の各実施形態では、測定部集合板１００ａを複数のプリント基板を積層した積層基板で構成する例について説明したが、プリント基板に限らず、絶縁性を有する基板であれば用いることができる。

（４）上述の第２、第３実施形態では、第１電位差検出用配線１０４を第５プリント基板１５０における第１プリント基板１１０に対向する面に形成する例について説明したが、これに限定されず、例えば、第１電位差検出用配線１０４を第５プリント基板１５０における第３プリント基板１３０に対向する面に形成してもよい。同様に、第２電位差検出用配線１０４を第６プリント基板１６０における第２プリント基板１２０に対向する面に形成してもよい。

（５）上述の各実施形態では、第１、第２スルーホール１０１ａ、１０１ｄ、第１、第２ビアホール１０１ｂ、１０１ｃを丸穴形状とする例について説明したが、これに限定されず、例えば長穴形状としてもよい。

（６）上述の各実施形態では、インピーダンス測定装置１００にセル１０ａの面内の全体に対応して複数の電流測定部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。

（７）上述の各実施形態では、インピーダンス測定装置１００を隣り合うセル１０ａ間に配置する構成としたが、これに限定されず、例えば、燃料電池１０におけるセル１０ａの積層方向端部に配置する場合、当該積層方向端部のセル１０ａに隣接して配置してもよい。これによれば、燃料電池１０におけるセル１０ａの積層方向端部のセル面内の局所電流を測定することができる。

１０ 燃料電池
１０ａ 燃料電池セル（セル）
１００ インピーダンス測定装置
１００ａ 測定部集合板（板状部材）
１０１ 電流測定部
１０１ｂ 第１ビアホール（第１接続部）
１０１ｃ 第２ビアホール（第２接続部）
１０３ 電位差検出用電圧検出部（電位差検出手段）
１０４ 第１電位差検出用配線
１０５ 第２電位差検出用配線
１１１ 第１電極
１２１ 第２電極
１３１ 第１抵抗部（抵抗体）
１４１ 第２抵抗部（抵抗体）

Claims (4)

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）の前記セル（１０ａ）のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
   前記セル（１０ａ）に隣接して配置された板状部材（１００ａ）と、
   前記板状部材（１００ａ）の両面に配置された一対の電極（１１１、１２１）、予め定めた電気抵抗値を有し前記一対の電極（１１１、１２１）を電気的に接続し前記セル（１０ａ）の積層方向に対して直交する方向に電流が流れる抵抗体（１３１、１４１）を有する電流測定部（１０１）と、
   前記一対の電極（１１１、１２１）における第１電極（１１１）と前記抵抗体（１３１、１４１）とを接続する第１接続部（１０１ｂ）、および前記抵抗体（１３１、１４１）と第２電極（１２１）とを接続する第２接続部（１０１ｃ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０３）と、
   所定周波数の正弦波が印加された前記電位差検出手段（１０３）の出力信号、および前記抵抗体（１３１、１４１）の電気抵抗値を用いて、前記電流測定部（１０１）を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）と、備え、
   前記電位差検出手段（１０３）は、第１電位差検出用配線（１０４）を介して前記第１接続部（１０１ｂ）に電気的に接続されると共に、第２電位差検出用配線（１０５）を介して前記第２接続部（１０１ｃ）に電気的に接続されており、
   前記第１電位差検出用配線（１０４）および前記第２電位差検出用配線（１０５）それぞれは、少なくとも前記セル（１０ａ）の積層方向から前記板状部材（１００ａ）を見たときに前記抵抗体（１３１、１４１）と重合する部位が、前記抵抗体（１３１、１４１）を流れる電流の流れ方向に対して直交する形状とされていることを特徴とするインピーダンス測定装置。
2. 前記抵抗体（１３１、１４１）は、前記第１接続部（１０１ｂ）を介して前記第１電極（１１１）に電気的に接続された第１抵抗部（１３１）、および前記第２接続部（１０１ｃ）を介して前記第２電極（１２１）に電気的に接続された第２抵抗部（１４１）を有し、
   前記第１抵抗部（１３１）および前記第２抵抗部（１４１）は、前記セル（１０ａ）の積層方向から前記板状部材（１００ａ）を見たときに互いに重合するように配置されると共に、前記第１抵抗部（１３１）を流れる電流の流れ方向と前記第２抵抗部（１４１）を流れる電流の流れ方向とが反対方向となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
3. 前記板状部材（１００ａ）は、複数の基板（１１０〜１６０）が積層された積層基板で構成され、
   前記第１電位差検出用配線（１０４）および前記第２電位差検出用配線（１０５）は、少なくとも一部が同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。
4. 前記板状部材（１００ａ）は、複数の基板（１１０〜１６０）が積層された積層基板で構成され、
   前記第１電位差検出用配線（１０４）および前記第２電位差検出用配線（１０５）は、前記複数の基板（１１０〜１６０）のうち、異なる基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。

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