JP2009266743A - 燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気センサの異常診断を好適に行うことができる燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１の運転中に、ポンプセル３１のインピーダンス測定とほぼ同様なタイミングで、参照セル３３の両多孔質電極４５、４７間のインピーダンス（Ｒｐｖｓ）を測定し、ポンプセル３１のインピーダンスと参照セル３３のインピーダンスとを比較する。例えばその比Ｈ（＝Ｒｐｖｐ／Ｒｐｖｓ）を取り、ポンプセル３１と参照セル３３の正常な場合の両インピーダンスの比Ｈとを比べることにより、ポンプセル３１に異常が発生したか否かを判定できる。つまり、インピーダンスの比Ｈが、正常値の範囲より逸脱した場合には、ポンプセル３１に異常が発生したと判定することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気を検出する燃料電池用水蒸気センサに関し、特に燃料電池用水蒸気センサの異常を検出する燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、その異常検出装置を備えた燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムに関する。

従来より、ポンプセルと酸素濃度検知セル（参照セル）の組み合わせにより構成された全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）を利用して、内燃機関の空燃比検出システムの異常検出を行う手法が知られている（特許文献１、２、３参照）。

これらの技術では、酸素濃度検出セルの内部インピーダンスを検出して、全領域空燃比センサの異常を検出している。
また、本願出願人は、特願２００６−１９０６２０号にて、全領域空燃比センサを燃料電池の燃料供給経路や燃料排出経路に取り付け、燃料ガス中又は燃料排ガス中の水蒸気濃度を検出する手法を提案している。

この技術では、例えば燃料ガス中にはメタンや水蒸気しか含まれていないため、ポンプセルのみを用いて、ポンプセルに一定の直流電圧（測定室内の電極をマイナス、燃料ガス中の電極をプラス）を印加し、電極の三層界面にて水蒸気から酸素イオンを抜き取ってポンピングし、そのポンプ電流から水蒸気濃度を検出するものである。
特開平１０−２４６７２０号公報 特開２００３−９０８２１号公報 特開２００７−１０１４８５号公報

ところが、上述した水蒸気濃度を検出する技術では、全領域空燃比センサの測定室内に、メタンと水蒸気が混合した還元性ガスが入り、また、ポンピングの際には測定室側の電極では水素ガスが発生するため、極めて強い還元状態となるので、測定室側の電極に剥離等の異常が発生し易いという問題がある。

この対策として、ポンプセルのみの内部インピーダンスをモニタすることが考えられるが、例えば起動時等のガスを流すタイミングでは、測定対象ガスの温度の急激な低下によって素子冷えが起こった場合には、ポンプセルに異常が発生したのか素子冷えが起こったのかが判定できず、正確に異常診断を行うことが困難である。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水蒸気センサの異常診断を好適に行うことができる燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムを提供することである。

（１）請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その異常を検出する燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に電圧を印加して、前記ポンプセルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記ポンプセルの温度を直接又は間接的に検出する温度検出部と、前記インピーダンス検出部にて検出されたインピーダンスと、前記温度検出部にて検出された温度とに基づいて、前記ポンプセルの異常を検出する異常検出部と、を備えたことを特徴とする。

ポンプセルのインピーダンスは、ポンプセルの温度に応じて変化し、通常では、ポンプセルの温度が高くなるほどインピーダンスは低下する。従って、ポンプセルのインピーダンスと温度とを検出し、このポンプセルのインピーダンスが温度に対して適正な範囲でない場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

例えばポンプセルの拡散律速部側の多孔質電極に剥離等の異常が発生した場合には、ポンプセルのインピーダンスが（その温度における適正なインピーダンスに比べて）増加すると考えられるので、その様な場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

また、素子冷えの際には、ポンプセルのインピーダンスが高くなるが、本発明では、温度検出部によって、素子冷えか否かが分かるので、インピーダンスの上昇がポンプセルの異常であると誤判定することがない。

なお、燃料電池の運転によって素子冷えが解消された場合には、ポンプセルが正常であればそのインピーダンスが低下するが、運転後に温度が上昇した場合でも、インピーダンスが低下しない場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

ここで、温度検出部としては、ポンプセルの温度を温度センサ等により直接検出する手段や、ポンプセルの近傍の他の部材の温度を測定して、間接的にポンプセルの温度を推定する手段が挙げられる。また、温度センサで温度を測定する手法以外に、温度に応じて変化する指標（例えばインピーダンス）から温度を求めるようにしてもよい。

（２）請求項２の発明では、前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする。
この水蒸気センサでは、ヒータによってポンプセルをその作動温度に高めることが好適である。

（３）請求項３の発明では、前記ヒータの抵抗値を求め、該抵抗値から前記ポンプセルの温度を検出することを特徴とする。
ヒータの抵抗値は、温度によって変化するので、ヒータの抵抗値からヒータの温度（従ってポンプセルの温度）を推定することができる。

（４）請求項４の発明では、前記温度検出部にて検出された温度に対して、前記ポンプセルのインピーダンスが所定の適正範囲内に無い場合には、前記ポンプセルが異常と判定することを特徴とする。

本発明は、ポンプセルのインピーダンスと温度とを利用したポンプセルの異常判定の手法を例示したものである。
（５）請求項５の発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その異常を検出する燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に電流を印加して、前記ポンプセルのインピーダンスを検出するポンプインピーダンス検出部と、前記ポンプセルの近傍に配置された参照部材のインピーダンスを検出する参照インピーダンス検出部と、前記ポンプインピーダンス検出部にて検出されたポンプセルのインピーダンスと、前記参照インピーダンス検出部にて検出された参照部材のインピーダンスとを比較して、前記ポンプセルの異常を検出する異常検出部と、を備えたことを特徴とする。

上述した様に、ポンプセルのインピーダンスは、ポンプセルの温度に応じて変化し、また、参照部材のインピーダンスも温度によって変化する。
従って、予めポンプセルと参照部材との温度に対するインピーダンスの変化の特性を調べておき、燃料電池の運転の際に、ポンプのインピーダンスと参照部材のインピーダンスとを比較し、このポンプセルのインピーダンスが（参照部材のインピーダンスから得られた）温度に対して適正な範囲でない場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

例えばポンプセルの拡散律速部側の多孔質電極に剥離等の異常が発生した場合には、ポンプセルのインピーダンスが（その温度における適正なインピーダンスに比べて）増加すると考えられるので、その様な場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

また、素子冷えの際には、ポンプセルのインピーダンスが高くなるが、本発明では、参照セルのインピーダンスによって、素子冷えか否かが分かるので、ポンプセルのインピーダンスの上昇がポンプセルの異常であると誤判定することがない。

なお、燃料電池の運転によって素子冷えが解消された場合には、ポンプセルが正常であればそのインピーダンスが低下するが、運転後に温度が上昇した場合でも、インピーダンスが上昇しない場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

なお、ここで、参照部材としては、温度に応じてインピーダンスが変化するポンプセルと同様な固体電解質材料（例えば部分安定化ジルコニア）を採用できる。
（６）請求項６の発明では、前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする。

この水蒸気センサでは、ヒータによってポンプセルをその作動温度に高めることが好適である。
（７）請求項７の発明では、前記参照部材のインピーダンスに対して前記ポンプセルのインピーダンスが所定の範囲に無い場合に、前記ポンプセルの異常と判定することを特徴とする。

本発明は、ポンプセルと参照部材のインピーダンスを利用したポンプセルの異常判定の手法を例示したものである。
（８）請求項８の発明では、前記ポンプセルのインピーダンスが、過大な導通を示す所定値以下に低下した場合には、前記ポンプセルの異常と判定することを特徴とする。

例えばポンプセルに過大な電圧が加えられて例えばジルコニアからなる固体電解質層から酸素が減少した場合には、過大な導通状態（金属と同様な導通状態）となる。従って、ポンプセルのインピーダンスが前記所定値以下に低下した場合には、ポンプセルに異常が発生したと判定することができる。

（９）請求項９の発明では、前記参照部材は、前記酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設された参照セルであることを特徴とする。
本発明では、ポンプセルと同様な参照セルを用いている。なお、この参照セルとしては、周知の全領域空燃比センサの（酸素基準源を備えた）酸素電池セルを採用できる。従って、この場合は、水蒸気センサとして従来の全領域空燃比センサを用いることができる。

（１０）請求項１０の発明では、前記燃料電池の所定時間運転後に、前記参照セルのインピーダンスが所定値より下がらない場合には、ヒータの断線と判定することを特徴とする。

運転の際にヒータにより加熱する場合には、通常では参照セルの温度が上昇しそのインピーダンスが低下するが、ヒータが断線している場合には、参照セルのインピーダンスは通常より高い値となる。

よって、本発明の判定により、ヒータの断線を検出することができる。
（１１）請求項１１の発明では、前記参照インピーダンス検出部により、前記参照セルの両多孔質電極間に電流を印加して、前記参照セルのインピーダンスを検出し、前記異常検出部により、前記ポンプインピーダンス検出部にて検出されたポンプセルのインピーダンスと、前記参照セルインピーダンス検出部にて検出された参照セルのインピーダンスとの比に基づいて、前記ポンプセルの異常を検出することを特徴とする。

上述した様に、ポンプセルの多孔質電極に剥離等が発生した場合には、参照セルのインピーダンスは正常のままで、ポンプセルのインピーダンスが上昇するので、ポンプセルのインピーダンスと参照セルのインピーダンスとの比から、ポンプセルの異常を検出することができる。

（１２）請求項１２の発明では、前記水蒸気センサは、板状であることを特徴とする。
本発明は、水蒸気センサの形状を例示したものである。
（１３）請求項１３の発明では、前記水蒸気センサは、筒状であることを特徴とする。

本発明は、水蒸気センサの形状を例示したものである。
（１４）請求項１４の発明は、前記請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置を備えた燃料電池用水蒸気センサである。

本発明は、異常検出装置を有する水蒸気センサを示している。
（１５）請求項１５の発明は、前記請求項１４に記載の燃料電池用水蒸気センサを備えた燃料電池システムである。

本発明は、異常検出装置を有する水蒸気センサを備えた燃料電池システムを示している。これにより、燃料電池システムの水蒸気制御に関する信頼性を高めることができる。
＜以下に、本発明の各構成について説明する＞
・燃料電池としては、例えば固体酸化物形燃料電池が挙げられる。この固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物体（固体電解質体）と燃料極と空気極とを備えており、燃料電池の作動時に、燃料極に導入される燃料ガスと空気極に導入される酸化剤ガスとを用いて、電力を発生する。

・ポンプセルとしては、固体電解質層の両側に多孔質電極を配置したセルを使用できるが、この固体電解質層としては、例えば安定化又は部分安定化したジルコニア等などの各種の酸素イオン伝導性の固体電解質材料を採用できる。

・参照部材としては、ポンプセルと同様に、固体電解質層の両側に多孔質電極を配置した参照セルを採用でき、この参照セルの固体電解質層も、ポンプセルと同様な固体電解質材料を採用できる。

・拡散律速部としては、燃料ガスや燃料排ガスと接する多孔質電極とは異なる多孔質電極に対してガス拡散を律速すればよく、例えばその多孔質電極を覆うように測定室を設ける場合には、測定室と燃料ガス又は燃料排ガス側との間に例えば多孔質の拡散律速部を設けてもよい。

次に、本発明の最良の形態について、すなわち、燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムについて説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図１に示す様に、燃料電池システム１は、燃料ガス（例えばメタンと水蒸気の混合ガス）と空気とを用いて発電を行うシステムであり、断熱容器３内に、発電単位である固体酸化物形燃料電池セル（図示せず）を積層した燃料電池スタック５と、水を気化させて燃料ガスに混合しその燃料ガスを燃料電池スタック５に供給する気化器７と、燃料電池スタック５にて使用された燃料排ガスを外部に排出する排気管９と、燃料電池スタック５等を加熱するバーナ１１とを備えている。

また、前記気化器７の燃料ガスの供給経路には、燃料ガス中の水蒸気を検出する第１水蒸気センサ１３が配置され、前記排気管９には、燃料排ガス中の水蒸気を検出する第２水蒸気センサ１５が配置されている。

更に、前記燃料電池システム１には、水を気化器７に供給するポンプ１７と、燃料ガスを気化器７に供給する第１ブロワ１９と、空気を燃料電池スタック５に供給する第２ブロワ２１と、燃料ガスに空気を混合してバーナ１１に供給するための比例弁２３と、比例弁２３に空気を供給するための第３ブロワ２５と、燃料電池システム１の動作を制御するコントローラ２７とを備えている。

このコントローラ２７は、周知のマイクロコンピュータ（図示せず）と両水蒸気センサ１３、１５などを駆動する電気回路とを備えており、コントローラ２７からは、両水蒸気センサ１３、１５、ポンプ１７、第１ブロワ１９、第２ブロワ２１、第３ブロワ２５等を駆動する駆動信号が出力されるとともに、両水蒸気センサ１３、１５等からの電気信号（センサ信号）を受信する。

ｂ）次に、第１、第２水蒸気センサ１３、１５及びその電気回路について説明する。
なお、両水蒸気センサ１３、１５は同様な構成であるので、以下では第１水蒸気センサ（単に水蒸気センサと記す）１３を例に挙げて説明する。

図２に示す様に、水蒸気センサ１３は、周知のポンプセル３１と酸素電池セル（ここでは参照セル３３）とヒータ３５とが近接して積層配置された板状の全領域空燃比センサ（例えば特開昭６２−１４８８４９号公報参照）と同様な構成を有している。

具体的には、ポンプセル３１は、（例えば安定化又は部分安定化されたジルコニアからなる）酸素イオン伝導性の固体電解質層３７と、その両側に形成された多孔質電極３９、４１から構成されており、参照セル３３も、同様に、固体電解質層４３と多孔質電極４５、４７から構成されている。

また、ポンプセル３１と参照セル３３との間には、測定室４９が設けられ、測定室４９はガス拡散を律速する絶縁性の多孔質の拡散律速部５１を介して外部（燃料ガス側）と連通している。更に、ポンプセル３１の外側（図上方）の多孔質電極３９の表面、即ち燃料ガスに接する多孔質電極３９の外側面は、多孔質の保護層５３に覆われている。また、保護層５３の外側には、ポンプセル３１に近接して前記ヒータ３５が配置されており、このヒータ５３は、アルミナ等の緻密な絶縁セラミックス層５５に挟まれた発熱体５７を備えている。

一方、参照セル３３の外側（図下方）は、固体電解質層５９に覆われている。なお、参照セル３５の外側の多孔質電極４７の周囲は、測定ガスが侵入しないように（即ち酸素基準源とする構成と同様に）、アルミナ等の緻密な絶縁セラミックス層６１が配置されている。

特に本実施形態の水蒸気センサ１３には、水蒸気センサ１３を駆動して燃料ガス中の水蒸気濃度を検出するとともに、水蒸気センサ１３の異常を検出するための電気回路が接続されている。

具体的には、ポンプセル３１には、両多孔質電極３９、４１間に一定の電圧（例えば１．５Ｖ）を印加するために、スイッチＳＷ１を介して定電圧源（バッテリ）６３が接続されるともに、両多孔質電極３９、４１間に定電流を流すために、各スイッチＳＷ２、ＳＷ３を介してそれぞれ定電流回路６５、６７が接続されている。この電気回路には、両多孔質電極３９、４１間の電圧（測定電圧Ｖ１）を検出するために電圧計６９が配置されるとともに、両多孔質電極３９、４１間に流れる電流（Ｉ）を検出するために電流計７１が配置されている。

一方、参照セル３３には、両多孔質電極４５、４７間に定電流を流すために、各スイッチＳＷ４、ＳＷ５を介してそれぞれ定電流回路７３、７５が接続されている。この回路には、両多孔質電極４５、４７間の電圧（測定電圧Ｖ２）を検出するために電圧計７７が配置されている。

なお、ヒータ３５は、ポンプセル３１が適切な作動温（例えば８００℃）になるように制御されるが、周知の温度制御であるので、その回路等についての説明は省略する。
ｃ）次に、水蒸気センサ１３の動作原理について説明する。

(1)水蒸気濃度の測定方法
水蒸気センサ１３の周囲に燃料ガスが供給されると、燃料ガスは拡散律速部５１を介して測定室４９内に侵入する。

この水蒸気センサ１３では、ポンプセル３１の多孔質電極３９、４１間に所定のポンプ電圧Ｖｐが印加されているので、ポンプセル３１では、燃料ガス中の水蒸気から酸素イオンを抜き取ることができる。即ち、ポンプセル３１は、酸素イオンを、測定室４９内の多孔質電極４１側から外側の多孔質電極３９側にくみ出す（ポンピングする）。

従って、図３のタイミングチャートに示す様に、このポンピングの際の電流（ポンプ電流Ｉｐ）が、水蒸気濃度に対応しているので、即ち水蒸気濃度は所定の関数ｆ＝（Ｉｐ）として表現できるので、ポンプ電流Ｉｐから水蒸気濃度を求めることができる。

(2)水蒸気センサ１３の異常検出方法
ここでは、前記図３に示す様に、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の動作によって発生したポンプセル３１や参照セル３３の電圧の変化を利用して、水蒸気センサ１３の異常検出を行う。

つまり、上述した様に、水蒸気センサ１３を使用する際には、測定室４９内に燃料ガスが導入されるが、この燃料ガスは還元性ガスであり、しかも、酸素イオンのポンプピングの際には、水蒸気から酸素が分離することにより、測定室４９内に水素ガスが発生するので、測定室４９内は強い還元状態となる。そのため、測定室４９内のポンプセル３１の多孔質電極４１には剥離等の異常が発生し易い。

従って、多孔質電極４１に異常が発生した場合に、ポンプセル３１の両多孔質電極３９、４１間のインピーダンス（Ｒｐｖｐ）を測定すると、正常の場合に比べて、インピーダンスが高くなる。

一方、参照セル３３では、ポンプセル３１のようなポンピングを行わないので、その多孔質電極４５に異常は発生しにくい。
よって、燃料電池システム１の運転中に、ポンプセル３１のインピーダンス測定とほぼ同様なタイミングで、参照セル３３の両多孔質電極４５、４７間のインピーダンス（Ｒｐｖｓ）を測定すると、ポンプセル３１と参照セル３３の構造はほぼ同一であるので、参照セル３３のインピーダンスはポンプセル３１のインピーダンスよりは低くなる。

従って、ポンプセル３１のインピーダンスと参照セル３３のインピーダンスとを比較し、例えばその比Ｈ（＝Ｒｐｖｐ／Ｒｐｖｓ）を取り、ポンプセル３１と参照セル３３の正常な場合の両インピーダンスの比Ｈとを比べることにより、ポンプセル３１に異常が発生したか否かを判定できる。

つまり、前記インピーダンスの比Ｈが、正常値の範囲より逸脱した場合には、ポンプセル３１に異常が発生したと判定することができる。
例えば、ポンプセル３１の多孔質電極４１が剥離した場合には、ポンプセル３１のインピーダンスが増加するので、前記インピーダンスの比Ｈが、正常値の範囲より高くなった場合には、ポンプセル３１に異常が発生したと判定することができる。

ｄ）次に、マイクロコンピュータにて実施される水蒸気濃度算出処理や異常判定処理等について、図４及び図５のフローチャートに基づいて説明する。
(1)メイン処理
まず、図４のステップ（Ｓ）１００では、水蒸気センサ１３に異常があることを示す異常フラグをクリアする。

続くステップ１１０では、スイッチＳＷ１をオンして、ポンプセル３１にポンプ電圧Ｖｐを印加する。
続くステップ１２０では、一定時間経過したかを判定し、経過した場合はステップ１３０に進む。

ステップ１３０では、ポンプ電流Ｉｐを測定する。
続くステップ１４０では、予め実験等によって求めた所定の演算式やマップ等を用いて、ポンプ電流Ｉｐから水蒸気濃度を算出する。

続くステップ１５０では、異常診断タイミングか否かを判定し、異常診断タイミングであると判定された場合（例えば１０秒毎の周期）は、ステップ１６０に進む。
ステップ１６０では、後述する異常診断処理を実施する。

続くステップ１７０では、前記異常診断処理により、異常フラグがセットされたか否かを判定し、セットされた場合はステップ１８０に進み、セットされない場合は前記ステップ１２０に戻る。

ステップ１８０では、スイッチＳＷ１をオフにし、ポンプセル３１にポンプ電圧Ｖｐを印加することを中止する。即ち、水蒸気センサ１３による水蒸気濃度の測定を中止する。
続くステップ１９０では、例えば異常を報知したり、燃料電池システム１の運転を中止するなどの異常処理を行い、一旦本処理を終了する。

(2)異常診断処理
図５のステップ２００では、異常診断処理を行うために、スイッチＳＷ１をオフして、ポンプセル３１にポンプ電圧Ｖｐを印加することを中止する。即ち、通常の水蒸気濃度の測定を中止する（図３のタイミング１）。

続くステップ２１０では、前記タイミングｔ１にて、スイッチＳＷ２をオンにして、ポンプセル３１に定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加する。これによって、一旦低下したポンプセル３１の電圧は徐々に回復する。

続くステップ２２０では、一定時間（例えば１００μｓ）経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ２３０に進む。
ステップ２３０では、図３のタイミングｔ２にて、ポンプセル３１の電圧Ｖｒｐｖｐを求める。なお、この電圧Ｖｒｐｖｐは、ポンプセル３１の起電力Ｖｅ１を基準として定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加することで発生する電圧である。

続くステップ２４０では、前記タイミング２にて、スイッチＳＷ２をオフにして、ポンプセル３１に定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加することを中止する。
続くステップ２５０では、前記タイミング２にて、スイッチＳＷ３をオンし、ポンプセル３１に逆向きの定電流Ｉｒｐｖｐ−を印加する。これは、分極を防止するためである。

続くステップ２６０では、一定時間（例えば１００μｓ）経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ２７０に進む。
続くステップ２７０では、図３のタイミングｔ３にて、スイッチＳＷ３をオフにして、ポンプセル３１に定電流Ｉｒｐｖｐ−を印加することを中止する。

続くステップ２８０では、前記タイミングｔ３にて、水蒸気濃度の測定を再開するために、スイッチＳＷ１をオンして、ポンプセル３１にポンプ電圧Ｖｐを印加する。
続くステップ２９０では、前記タイミング３にて、スイッチＳＷ４をオンにして、参照セル３３に定電流Ｉｒｐｖｓ＋を印加する。これによって、参照セル３３には徐々に起電力が発生する。

続くステップ３００では、一定時間（例えば１００μｓ）経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ３１０に進む。
ステップ３１０では、図３のタイミングｔ４にて、参照セル３３の電圧Ｖｒｐｖｓを求める。なお、そのときの電圧Ｖｒｐｖｓは、参照セル３３の起電力Ｖｅ２を基準として定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加することで発生する電圧である。

続くステップ３２０では、前記タイミングｔ４にて、スイッチＳＷ４をオフにして、参照セル３３に定電流Ｉｒｐｖｓ＋を印加することを中止する。
続くステップ３３０では、前記タイミングｔ４にて、スイッチＳＷ５をオンし、参照セル３３に逆向きの定電流Ｉｒｐｖｓ−を印加する。これは、分極を防止するためである。

続くステップ３４０では、一定時間（例えば１００μｓ）経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ３５０に進む。
続くステップ３５０では、図３のタイミングｔ５にて、スイッチＳＷ５をオフにして、参照セル３３に定電流Ｉｒｐｖｓ−を印加することを中止する。

続くステップ３６０では、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐを算出する。即ち、「Ｒｐｖｐ＝Ｖｒｐｖｐ／Ｉｒｐｖｐ＋」の演算式（１）により、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐを算出する。

続くステップ３７０では、参照セルインピーダンスＲｐｖｓを算出する。即ち、「Ｒｐｖｓ＝Ｖｒｐｖｓ／Ｉｒｐｖｓ＋」の演算式（２）により、参照セルインピーダンスＲｐｖｓを算出する。

続くステップ３８０では、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐと参照セルインピーダンスＲｐｖｓとの比Ｈ（＝Ｒｐｖｐ／Ｒｐｖｓ）を算出する。
続くステップ３９０では、前記比Ｈが、水蒸気センサ１３が正常であることを示す設定範囲内か否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ４００に進む。

ステップ４００では、異常フラグをセットし、一旦本処理を終了する。
なお、前記比Ｈが、設定範囲を上回る場合には、例えばポンプセル３１の多孔質電極の剥離等により、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが増加したと推定され、逆に、前記比Ｈが、設定範囲を下回る場合には、例えばポンプセル３１の固体電解質層３７中の酸素が過剰に減少したことにより導電性高まり、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが減少したと推定される。

ｅ）この様に、本実施形態では、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐと参照セルインピーダンスＲｐｖｓとの比Ｈから、水蒸気センサ１３の異常を検出することができる。従って、水蒸気センサ１３の異常を検出した場合には、異常を報知したり、燃料電池システム１の運転を停止できるので、好適な運転を実現できる。

また、一時的に素子冷えが起こった場合には、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐと参照セルインピーダンスＲｐｖｓの両方とも増加するので、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐと参照セルインピーダンスＲｐｖｓとの比Ｈは、前記設定範囲から逸脱しないので、素子冷えを異常と判定することはなく、そのまま燃料電池システム１を運転することができる。

なお、運転の開始から所定時間経過しても、参照セル３３のインピーダンスが下がらなかった場合には、ヒータ断線と判断して、水蒸気センサ１３の異常を報知したり、燃料電池システム１の運転を中止してもよい。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、本実施形態においても、第１、第２水蒸気センサは同様な構成であるので、以下では第１水蒸気センサ（単に水蒸気センサと記す）について説明する。

本実施形態では、水蒸気センサのヒータの抵抗を利用して、水蒸気センサの異常を検出するものである。
ａ）まず、水蒸気センサ及びその電気回路について説明する。

図６に示す様に、水蒸気センサ８１は、前記第１実施形態と同様に、ポンプセル８３と参照セル８５とヒータ８７とが配置されるとともに、測定室８２と拡散律速部８４とを備えた板状の全領域空燃比センサと同様な構成を有している。

また、この水蒸気センサ８１には、水蒸気センサ８１を駆動して、燃料ガス中の水蒸気濃度を検出したり、水蒸気センサ８１の異常を検出するための電気回路が接続されている。

具体的には、ポンプセル８３には、両多孔質電極８９、９１間に一定の電圧を印加するために、スイッチＳＷ１を介して定電圧源９３が接続されるとともに、両多孔質電極８９、９１間に定電流を流すために、各スイッチＳＷ２、ＳＷ３を介してそれぞれ定電流回路９５、９７が接続されている。なお、この回路には、両多孔質電極８９、９１間の電圧（測定電圧Ｖ１）を検出するために電圧計９９が配置されるとともに、両多孔質電極８９、９１間に流れる電流（Ｉ）を検出するために電流計１０１が配置されている。

一方、ヒータ８７には、発熱体１０３を発熱させるヒータ電圧Ｖｈを印加するために、スイッチＳＷ６を介して定電圧源１０５が接続されている。また、ヒータ８７には、ヒータ８９の異常を検出する目的で発熱体１０３に定電流を流すために、スイッチＳＷ７を介して定電流回路１０７が接続されている。なお、この回路には、発熱体１０３の両端の電圧（測定電圧Ｖ３）を検出するために電圧計１０９が配置されている。

ｃ）次に、水蒸気センサ８１の異常検出の原理について説明する。
(1)ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐを利用する方法
上述した様に、水蒸気センサ８１を使用する際には、測定室８２内の還元雰囲気により、ポンプセル８３の多孔質電極９１には剥離等の異常が発生し易い。

従って、異常が発生した場合に、ポンプセル８３の両多孔質電極８９、９１間のインピーダンス（Ｒｐｖｐ）を測定すると、正常の場合に比べて、インピーダンスが高くなる。よって、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが適正範囲から逸脱した場合に、異常が発生したと判定することができる。

(2)ヒータ抵抗Ｒｈを利用する方法
ヒータ抵抗Ｒｈが異常に高い場合には、ヒータ８７の断線の可能性があり、逆に異常に低い場合には、ショートの可能性がある。

ｄ）次に、マイクロコンピュータにて実施される異常判定処理等について、図７のタイミングチャートと図８及び図９のフローチャートに基づいて説明する。
(1)メイン処理
図８のステップ５００〜５９０の処理は、前記第１実施形態の図４のステップ１００〜１９０の処理と同様な内容であり、異常診断処理により異常フラグがセットされている場合には、異常報知等の異常処理を実施する。

(2)異常診断処理
図９のステップ６００では、異常診断処理を行うために、スイッチＳＷ１をオフして、ポンプセル８３にポンプ電圧Ｖｐを印加することを中止する（図７のタイミング１）。

続くステップ６１０では、前記タイミングｔ１にて、スイッチＳＷ２をオンにして、ポンプセル８３に定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加する。
続くステップ６２０では、一定時間経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ６３０に進む。

ステップ６３０では、図７のタイミングｔ２にて、ポンプセル８３の電圧Ｖｒｐｖｐを求める。
続くステップ６４０では、前記タイミング２にて、スイッチＳＷ２をオフにして、ポンプセル８３に定電流Ｉｒｐｖｐ＋を印加することを中止する。

続くステップ６５０では、前記タイミング２にて、スイッチＳＷ３をオンし、ポンプセル８３に逆向きの定電流Ｉｒｐｖｐ−を印加する。
続くステップ６６０では、一定時間経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ６７０に進む。

続くステップ６７０では、図７のタイミングｔ３にて、スイッチＳＷ３をオフにして、ポンプセル８３に定電流Ｉｒｐｖｐ−を印加することを中止する。
続くステップ６８０では、前記タイミングｔ３にて、スイッチＳＷ１をオンして、ポンプセル８３にポンプ電圧Ｖｐを印加する。

続くステップ６９０では、前記タイミング３にて、スイッチＳＷ７をオンにして、ヒータ８７に定電流Ｉｒｈを印加する。
続くステップ７００では、一定時間（例えば１００μｓ）経過したか否かを判定し、経過した場合はステップ７１０に進む。

ステップ７１０では、図７のタイミングｔ４にて、ヒータ８７の電圧Ｖｒｈを求める。なお、そのときの電圧Ｖｒｈは、定電流Ｉｒｈの印加により発生する電圧である。
続くステップ７２０では、前記タイミングｔ４にて、スイッチＳＷ７をオフにして、ヒータ８７に定電流Ｉｒｈを印加することを中止する。

続くステップ７３０では、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐを算出する。即ち、前記「Ｒｐｖｐ＝Ｖｒｐｖｐ／Ｉｒｐｖｐ＋」の演算式（１）により、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐを算出する。

続くステップ７４０では、ヒータ抵抗Ｒｈを算出する。即ち、「Ｒｈ＝Ｖｒｈ／Ｉｒｈ」の演算式（３）により、ヒータ抵抗Ｒｈを算出する。
続くステップ７５０では、ヒータ抵抗Ｒｈが、ヒータ８７（従って水蒸気センサ８１）が正常であることを示す設定範囲内か否かを判定する。ここで肯定判断されると（正常であると判断されると）ステップ７６０に進み、一方否定判断されると（異常であると判断されると）ステップ７７０に進む。

ステップ７６０では、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが、水蒸気センサ８１が正常であることを示す設定範囲外か否かを判定する。ここで肯定判断されると（異常であると判断されると）ステップ７７０に進み、一方否定判断されると（正常であると判断されると）一旦本処理を終了する。

ステップ７７０では、水蒸気センサ８１に何らかの異常があるので、異常フラグをセットし、一旦本処理を終了する。
なお、前記ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが、設定範囲を上回る場合には、例えばポンプセル８１の多孔質電極９１の剥離等が発生した推定され、逆に、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐが、設定範囲を下回る場合には、例えばポンプセル８３の固体電解質層１０４中の酸素が過剰に減少したことにより導電性が高まったと推定される。

この様に、本実施形態では、ヒータ抵抗Ｒｈからヒータ８７の異常を検出できるとともに、ポンプセルインピーダンスＲｐｖｐから、ポンプセル８３の異常（従って水蒸気センサ８１の異常）を検出することができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

本実施形態では、図１０に示す様に、水蒸気センサ１２１は、前記第１、第２実施形態と同様に、ポンプセル１２３や参照セル１２５やヒータ１２７などを備えている。
特に本実施形態では、水蒸気センサ１２１を駆動する電気回路として、第１実施形態と同様な回路と第２実施形態と同様な回路を備えている。

従って、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様にして、ヒータ１２７の異常を検出したり、ポンプセル１２３の異常を検出することができる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図１１（ａ）に示す様に、本実施形態の水蒸気センサ１５１は、第３実施形態と同様に、ポンプセル１５３、測定室１５５、拡散律速部１５７を備えており、特に測定室１５５を挟んでポンプセル１５３と反対側にヒータ１５９を備えている。

本実施形態では、ヒータ１５９のインピーダンスからポンプセル１５３の温度を推定し、この温度を考慮して、ポンプセル１５３のインピーダンスからポンプセル１５３の異常を検出する。

また、前記第２実施形態のように、ヒータ抵抗とポンプインピーダンスを用いて、ヒータ１５９やポンプセル１５３の異常を検出してもよい。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、前記第４実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図１１（ｂ）に示す様に、本実施形態の水蒸気センサ１６１は、第４実施形態と同様に、ポンプセル１６３、測定室１６５、拡散律速部１６７を備えており、特に測定室１５５を挟んでポンプセル１６３と反対側に、例えばアルミナからなるセラミック層１６９を備えている。また、セラミック層１６９の外側にはヒータ１７３が積層されている。

特に本実施形態では、セラミック層１６９とヒータ１７３との間に例えばサーミスタ、白金抵抗体等の温度センサ１７１を備えているので、この温度センサ１７１によってポンプセル１６３の温度を推定し、この温度を考慮して、ポンプセル１６３のインピーダンスからポンプセル１６３の異常を検出する。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図１２に示す様に、本実施形態の水蒸気センサ１８１は、板状ではなく筒状（試験管形状）である。
本実施形態では、試験管形状の固体電解質層１８３の外側と内側に多孔質電極１８５、１８７が形成されており、外側の多孔質電極１８７の外側には、多孔質の拡散律速層１８９が形成されている。なお、水蒸気センサ１８１の内側には棒状のヒータ１９１が配置されている。

本実施形態では、両側に多孔質電極１８５、１８７を備えた固体電解質層１８３が、水蒸気センサ１８３の外側から内側に酸素イオンをポンピングするポンプセル１９３として機能するので、このポンプ電流を測定することにより、水蒸気濃度を測定することができる。

また、例えば前記第２実施形態と同様に、ヒータ１９１の抵抗やポンプセル１９３のインピーダンスを求め、この抵抗やインピーダンスの変化から水蒸気センサ１８１の異常を検出することができる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

第１実施形態の燃料電池システムを示す説明図である。 第１実施形態の水蒸気センサとその電気回路を示す説明図である。 第１実施形態における水蒸気センサの動作を示すタイミングチャートである。 第１実施形態における水蒸気センサの動作のメイン処理を示すフローチャートである。 第１実施形態における水蒸気センサの動作の異常診断処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の水蒸気センサとその電気回路を示す説明図である。 第２実施形態における水蒸気センサの動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態における水蒸気センサの動作のメイン処理を示すフローチャートである。 第２実施形態における水蒸気センサの動作の異常診断処理を示すフローチャートである。 第３実施形態の水蒸気センサとその電気回路を示す説明図である。 （ａ）は第４実施形態の水蒸気センサを示す説明図、（ｂ）は第５実施形態の水蒸気センサを示す説明図である。 第６実施形態の水蒸気センサを示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
５…燃料電池スタック
１３、１５、８１、１２１、１５１、１６１、１８１…水蒸気センサ
２７…コントローラ
３１、８３、１２３、１５３、１６３、１９３…ポンプセル
３３、８５、１２５…参照セル
３５、８７、１２７、１５９、１７３、１９１…ヒータ
３７、４３、５９、１０４、１８３…固体電解質層
３９、４１、４５、４７、８９、９１、１８５、１８７…多孔質電極

Claims (15)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その異常を検出する燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置であって、
   前記ポンプセルの両多孔質電極間に電圧を印加して、前記ポンプセルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
   前記ポンプセルの温度を直接又は間接的に検出する温度検出部と、
   前記インピーダンス検出部にて検出されたインピーダンスと、前記温度検出部にて検出された温度とに基づいて、前記ポンプセルの異常を検出する異常検出部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
2. 前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
3. 前記ヒータの抵抗値を求め、該抵抗値から前記ポンプセルの温度を検出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
4. 前記温度検出部にて検出された温度に対して、前記ポンプセルのインピーダンスが所定の適正範囲内に無い場合には、前記ポンプセルが異常と判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
5. 酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その異常を検出する燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置であって、
   前記ポンプセルの両多孔質電極間に電流を印加して、前記ポンプセルのインピーダンスを検出するポンプインピーダンス検出部と、
   前記ポンプセルの近傍に配置された参照部材のインピーダンスを検出する参照インピーダンス検出部と、
   前記ポンプインピーダンス検出部にて検出されたポンプセルのインピーダンスと、前記参照インピーダンス検出部にて検出された参照部材のインピーダンスとを比較して、前記ポンプセルの異常を検出する異常検出部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
6. 前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
7. 前記参照部材のインピーダンスに対して前記ポンプセルのインピーダンスが所定の範囲に無い場合に、前記ポンプセルの異常と判定することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
8. 前記ポンプセルのインピーダンスが、過大な導通を示す所定値以下に低下した場合には、前記ポンプセルの異常と判定することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
9. 前記参照部材は、前記酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設された参照セルであることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
10. 前記燃料電池の所定時間運転後に、前記参照セルのインピーダンスが所定値より下がらない場合には、ヒータの断線と判定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
11. 前記参照インピーダンス検出部により、前記参照セルの両多孔質電極間に電流を印加して、前記参照セルのインピーダンスを検出し、
    前記異常検出部により、前記ポンプインピーダンス検出部にて検出されたポンプセルのインピーダンスと、前記参照セルインピーダンス検出部にて検出された参照セルのインピーダンスとの比に基づいて、前記ポンプセルの異常を検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
12. 前記水蒸気センサは、板状であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
13. 前記水蒸気センサは、筒状であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。
14. 前記請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置を備えたことを特徴とする燃料電池用水蒸気センサ。
15. 前記請求項１４に記載の燃料電池用水蒸気センサを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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