JP5350670B2 - Control device for water vapor sensor for fuel cell, water vapor sensor for fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

Control device for water vapor sensor for fuel cell, water vapor sensor for fuel cell, and fuel cell system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device of a steam sensor for a fuel cell in which deterioration of an electrode such as exfoliation in the steam sensor can be prevented, the steam sensor for the fuel cell, and a fuel cell system. <P>SOLUTION: The steam sensor includes a step 100 of applying pump voltage Vp+ of a positive direction to a pump cell 31 by turning on a switch SW1, a step 110 of determining whether a fixed time is progressed and moving to a step 120 when the fixed time is progressed, a step 120 of measuring pump current Ip+, a step 130 of calculating steam concentration from the pump current Ip+, a step 140 of determining whether the fixed time is progressed, namely, whether it is timing for switching an applying direction of voltage and moving to a step 150 when it is such timing, and a step 150 of turning on a switch SW2 by turning off the switch SW1 and applying pump voltage Vp- of a negative direction to the pump cell 31. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

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劣化を防止するための制御を行う燃料電池用水蒸気センサの制御装置、その制御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。   The present invention relates to a fuel cell water vapor sensor that detects water vapor in fuel gas supplied to a fuel cell or fuel exhaust gas discharged from the fuel cell, and in particular, performs control to prevent deterioration of the fuel cell water vapor sensor. The present invention relates to a fuel cell water vapor sensor control device, a fuel cell water vapor sensor equipped with the control device, and a fuel cell system.

従来より、内燃機関の空燃比を検出するセンサとして、酸素ポンプセルと酸素濃度電池セル(起電力セル)を備えた全領域空燃比センサ(UEGOセンサ)が知られており、この全領域空燃比センサの異常を検出する技術も提案されている(特許文献1、2、3参照)。   Conventionally, as a sensor for detecting an air-fuel ratio of an internal combustion engine, a full-range air-fuel ratio sensor (UEGO sensor) including an oxygen pump cell and an oxygen concentration battery cell (electromotive force cell) is known. Techniques for detecting such abnormalities have also been proposed (see Patent Documents 1, 2, and 3).

また、本願出願人は、特願2006−190620号にて、上述した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。   In addition, the applicant of the present application attaches the above-mentioned full-range air-fuel ratio sensor to the fuel supply path and the fuel discharge path of the fuel cell in Japanese Patent Application No. 2006-190620, and detects the water vapor concentration in the fuel gas or the fuel exhaust gas. We propose a method to do this.

この技術は、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。   With this technology, for example, fuel gas contains only methane and water vapor, so only a pump cell is used, and a constant DC voltage (minus the electrode in the measurement chamber and plus the electrode in the fuel gas) is applied to the pump cell. Then, oxygen ions are extracted from water vapor at the three-layer interface of the electrode and pumped, and the water vapor concentration is detected from the pump current.

また、これとは別に、従来より、限界電流式センサを用いて水蒸気を検出したり、そのセンサが劣化した場合にクリーニングする技術も提案されている(特許文献4参照)。
特開平10−246720号公報 特開2003−90821号公報 特開2007−101485号公報 特開平9−257746号公報
Apart from this, conventionally, there has also been proposed a technique for detecting water vapor using a limiting current sensor or cleaning when the sensor is deteriorated (see Patent Document 4).
JP-A-10-246720 JP 2003-90821 A JP 2007-101485 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-257746

ところが、上述した全領域空燃比センサを用いて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、測定室側が極めて強い還元状態となる。更に、この状態でポンピングを継続して酸素イオンを測定室から外部に排出しようとすると、固体電解質体中の酸素イオンが過度に外部に排出されて固体電解質体が劣化し、結果として、測定室側の電極に剥離等が発生し易いという問題がある。   However, in the technique for detecting the water vapor concentration using the above-described full-range air-fuel ratio sensor, a reducing gas in which methane and water vapor are mixed enters the measurement chamber of the full-range air-fuel ratio sensor, and measurement is performed during pumping. Since hydrogen gas is generated at the chamber-side electrode, the measurement chamber side is in a very strong reduction state. Furthermore, if pumping is continued in this state and oxygen ions are exhausted to the outside from the measurement chamber, the oxygen ions in the solid electrolyte body are excessively exhausted to the outside, resulting in deterioration of the solid electrolyte body. There is a problem that peeling or the like tends to occur on the side electrode.

なお、引用文献4の限界電流式センサの技術では、センサ劣化が発生してから、逆方向に電圧を印加して劣化を回復しようとしているが、燃料電池のような過酷な環境では、電極剥離まで劣化が進行してしまうので、十分ではない。   In the limit current sensor technology of the cited document 4, after the sensor deterioration occurs, voltage is applied in the reverse direction to recover the deterioration. However, in a severe environment such as a fuel cell, the electrode peeling occurs. Is not sufficient because the deterioration will continue.

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、水蒸気センサにおける電極の剥離等の劣化を防止できる燃料電池用水蒸気センサの制御装置、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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to control a fuel cell water vapor sensor control device, a fuel cell water vapor sensor, and a fuel capable of preventing deterioration such as electrode peeling in the water vapor sensor. It is to provide a battery system.

(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、該ポンプセルの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、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする。 (1) A first aspect of the present invention is a pump cell in which a pair of porous electrodes are disposed on an oxygen ion conductive solid electrolyte body, and a diffusion rate controlling portion that controls gas diffusion on the one porous electrode side of the pump cell. And a water vapor sensor for a fuel cell that detects the concentration of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell or the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell based on the electrical signal from the pump cell. A control device for a water vapor sensor for a fuel cell that controls an alternating current between the porous electrodes of the pump cell, wherein the alternating current is controlled in accordance with the oxygen concentration on the diffusion-controlling portion side. The timing for switching the direction is controlled .

本発明では、ポンプセルの両多孔質電極間に交番電流を流すので、即ち、両電極間に流す電流の向きを適宜反対方向に切り換えるので、拡散律速部側の電極等の劣化を抑制することができる。   In the present invention, since an alternating current flows between both porous electrodes of the pump cell, that is, the direction of the current flowing between both electrodes is appropriately switched to the opposite direction, it is possible to suppress deterioration of the electrodes on the diffusion rate controlling portion side. it can.

つまり、本発明では、ある期間では、ポンプセルにおいて、拡散律速部側の電極から反対側の電極に酸素イオンを汲み出すように電流を流して、測定ガス中の水蒸気濃度を測定し、他の期間では、ポンプセルの両電極間に、水蒸気濃度を測定する際の電流とは逆方向の電流を流し、これらの動作を交番電流によって交互に繰り返す。   That is, in the present invention, in a certain period, in the pump cell, a current is passed so as to pump oxygen ions from the electrode on the diffusion rate-determining part side to the electrode on the opposite side, and the water vapor concentration in the measurement gas is measured. Then, a current in the direction opposite to the current at the time of measuring the water vapor concentration is passed between both electrodes of the pump cell, and these operations are alternately repeated by an alternating current.

従って、水蒸気測定の際とは逆方向に電流が流されると、酸素イオンは通常とは逆に外側から拡散律速部側にポンピング(以下劣化防止用のポンピングと記す)されるので、水蒸気測定用のポンピングが継続された場合の様に固体電解質体の内部から酸素イオンが過度に排出されることがない。よって、固体電解質体の劣化が防止できるので、特に拡散律速部側の多孔質電極の剥離等の発生を防止できる。   Therefore, when an electric current flows in the opposite direction to the water vapor measurement, the oxygen ions are pumped from the outside to the diffusion rate-determining part side (in the following, referred to as “pumping for preventing deterioration”). Oxygen ions are not excessively discharged from the inside of the solid electrolyte body as in the case where the pumping is continued. Therefore, since the deterioration of the solid electrolyte body can be prevented, it is possible to prevent the occurrence of peeling of the porous electrode on the diffusion rate controlling portion side.

また、本発明では、前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御する。
本発明では、拡散律速部側の酸素濃度に応じて交番電流の向きを切り換えるので、拡散律速部側の酸素濃度が過度に減少する前に(従って固体電解質体から酸素イオンが過度に排出された状態となる前に)、酸素イオンのポンピングの向きを切り換えることができる。よって、多孔質電極の剥離等の発生を、的確に防止することができる。
Further, in the present invention, depending on the oxygen concentration in the diffusion rate side, that controls the timing for switching the direction of the alternating current.
In the present invention, since the direction of the alternating current is switched according to the oxygen concentration on the diffusion rate controlling portion side, before the oxygen concentration on the diffusion controlling portion side is excessively decreased (therefore, oxygen ions are excessively discharged from the solid electrolyte body). Before entering the state), the direction of oxygen ion pumping can be switched. Therefore, generation | occurrence | production of peeling of a porous electrode, etc. can be prevented exactly.

この制御内容としては、例えば酸素濃度が低いほど、酸素イオンを拡散律速部側にポンピングするタイミングを早めたり、又は、そのポンピングの頻度を多くしたり、或いは、そのポンピングを行う期間を長くする手法が挙げられる。   As this control content, for example, the lower the oxygen concentration, the earlier the timing of pumping oxygen ions to the diffusion rate-determining part side, or the frequency of pumping is increased, or the pumping period is lengthened. Is mentioned.

(2)請求項2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、該ポンプセルの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、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、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起電力セルを備えるとともに、該起電力セルの一方の多孔質電極が前記拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置され、更に、前記起電力セルの出力に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする。
本発明では、前記請求項1の発明と同様に、ポンプセルの両多孔質電極間に交番電流を流すので、即ち、両電極間に流す電流の向きを適宜反対方向に切り換えるので、拡散律速部側の電極等の劣化を抑制することができる。
つまり、本発明では、ある期間では、ポンプセルにおいて、拡散律速部側の電極から反対側の電極に酸素イオンを汲み出すように電流を流して、測定ガス中の水蒸気濃度を測定し、他の期間では、ポンプセルの両電極間に、水蒸気濃度を測定する際の電流とは逆方向の電流を流し、これらの動作を交番電流によって交互に繰り返す。
従って、水蒸気測定の際とは逆方向に電流が流されると、酸素イオンは通常とは逆に外側から拡散律速部側にポンピング(以下劣化防止用のポンピングと記す)されるので、水蒸気測定用のポンピングが継続された場合の様に固体電解質体の内部から酸素イオンが過度に排出されることがない。よって、固体電解質体の劣化が防止できるので、特に拡散律速部側の多孔質電極の剥離等の発生を防止できる。
また、本発明では、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起電力セルを備えるとともに、起電力セルの一方の多孔質電極が拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置されている。
(2) A second aspect of the present invention is a pump cell in which a pair of porous electrodes are disposed on an oxygen ion conductive solid electrolyte body, and a diffusion rate controlling portion that controls gas diffusion on the one porous electrode side of the pump cell. And a water vapor sensor for a fuel cell that detects the concentration of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell or the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell based on the electrical signal from the pump cell. A control device for a fuel cell water vapor sensor for controlling the fuel cell, wherein an alternating current flows between both porous electrodes of the pump cell, and a pair of porous electrodes is provided on the oxygen ion conductive solid electrolyte body. An electromotive force cell is disposed, one porous electrode of the electromotive force cell is disposed on the diffusion-controlling portion side, the other porous electrode is disposed on the oxygen reference source side, and the electromotive force cell Depending on the output, and controlling the timing of switching the direction of the alternating current.
In the present invention, since the alternating current flows between the porous electrodes of the pump cell as in the first aspect of the invention, that is, the direction of the current flowing between the two electrodes is appropriately switched to the opposite direction. Deterioration of the electrodes and the like can be suppressed.
That is, in the present invention, in a certain period, in the pump cell, a current is passed so as to pump oxygen ions from the electrode on the diffusion rate-determining part side to the electrode on the opposite side, and the water vapor concentration in the measurement gas is measured. Then, a current in the direction opposite to the current at the time of measuring the water vapor concentration is passed between both electrodes of the pump cell, and these operations are alternately repeated by an alternating current.
Therefore, when an electric current flows in the opposite direction to the water vapor measurement, the oxygen ions are pumped from the outside to the diffusion rate-determining part side (in the following, referred to as “pumping for preventing deterioration”). Oxygen ions are not excessively discharged from the inside of the solid electrolyte body as in the case where the pumping is continued. Therefore, since the deterioration of the solid electrolyte body can be prevented, it is possible to prevent the occurrence of peeling of the porous electrode on the diffusion rate controlling portion side.
In the present invention, the oxygen ion conductive solid electrolyte body is provided with an electromotive force cell in which a pair of porous electrodes are disposed, and one porous electrode of the electromotive force cell is disposed on the diffusion rate controlling portion side, The other porous electrode is arranged on the oxygen reference source side .

従って、本発明では、全領域空燃比センサのように、起電力セルの起電力を利用して、拡散律速部側の酸素濃度を検出することができる。
更に、本発明では、起電力セルの出力に応じて、交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御する。
Therefore, in the present invention, the oxygen concentration on the diffusion rate controlling portion side can be detected using the electromotive force of the electromotive force cell as in the full-range air-fuel ratio sensor.
Further, in the present invention, in accordance with the output of the electromotive force cell, that controls the timing of switching the direction of the alternating current.

起電力セルの出力は、拡散律速部側に酸素濃度に対応しているので、起電力セルの出力に応じて交番電流の向きを切り換えることにより、好適に多孔質電極の剥離等を防止することができる。   Since the output of the electromotive force cell corresponds to the oxygen concentration on the diffusion rate-determining part side, it is possible to suitably prevent the porous electrode from peeling off by switching the direction of the alternating current according to the output of the electromotive force cell. Can do.

)請求項の発明では、一定期間毎に、前記交番電流の向きを切り換えることを特徴とする。
本発明では、定期的にポンプセルに印加する電流の向きを切り換えて、水蒸気濃度測定用のポンピングと劣化防止用のポンピングとを行うので、多孔質電極の劣化を防止することができる。
( 3 ) The invention of claim 3 is characterized in that the direction of the alternating current is switched at regular intervals.
In the present invention, since the direction of the current applied to the pump cell is periodically switched to perform the water vapor concentration measurement pumping and the deterioration prevention pumping, the deterioration of the porous electrode can be prevented.

)請求項の発明では、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や起電力セルを、その作動温度に高めることが容易にできる。
( 4 ) The invention of claim 4 is characterized in that the water vapor sensor includes a heater.
In this water vapor sensor, the pump cell and the electromotive force cell can be easily raised to the operating temperature by the heater.

)請求項の発明では、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。
)請求項の発明では、前記水蒸気センサは、筒状であることを特徴とする。
( 5 ) The invention of claim 5 is characterized in that the water vapor sensor is plate-shaped.
The present invention exemplifies the shape of a water vapor sensor.
( 6 ) The invention of claim 6 is characterized in that the water vapor sensor is cylindrical.

本発明は、水蒸気センサの形状を例示したものである。
)請求項の発明は、前記請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置を備えた燃料電池用水蒸気センサである。
The present invention exemplifies the shape of a water vapor sensor.
(7) The invention of claim 7 is a steam sensor for a fuel cell having a control device of the steam sensor for a fuel cell according to any one of the claims 1-6.

本発明は、制御装置を有する水蒸気センサを示している。
)請求項の発明は、前記請求項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。
The present invention shows a water vapor sensor having a control device.
( 8 ) The invention of claim 8 is a fuel cell system comprising the fuel cell water vapor sensor according to claim 7 .

本発明は、制御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。
The present invention shows a fuel cell system including a water vapor sensor having a control device. Thereby, the reliability regarding the water vapor | steam control of a fuel cell system can be improved.
<Each configuration of the present invention will be described below>
-As a fuel cell, a solid oxide fuel cell is mentioned, for example. This solid oxide fuel cell includes a solid oxide body (solid electrolyte body), a fuel electrode, and an air electrode, and is introduced into the fuel gas and air electrode introduced into the fuel electrode when the fuel cell is operated. Electric power is generated using an oxidant gas.

・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。   -As the pump cell, a cell in which porous electrodes are arranged on both sides of the solid electrolyte layer can be used. As this solid electrolyte layer, various oxygen ion conductive solids such as stabilized or partially stabilized zirconia are used. Electrolyte material can be used.

・起電力セルとしては、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酸素濃淡電池セル(参照セル)を採用でき、この起電力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。   As the electromotive force cell, an oxygen concentration battery cell (reference cell) in which porous electrodes are arranged on both sides of the solid electrolyte layer can be adopted as in the pump cell, and the solid electrolyte layer of the electromotive force cell is the same as that of the pump cell. Solid electrolyte material can be used.

つまり、この起電力セルとしては、周知の全領域空燃比センサの(酸素基準源を備えた)酸素濃淡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。   That is, as this electromotive force cell, an oxygen concentration battery cell (provided with an oxygen reference source) of a known full-range air-fuel ratio sensor can be adopted. Therefore, in this case, a conventional full-range air-fuel ratio sensor can be used as the water vapor sensor.

・拡散律速部としては、一方の多孔質電極に対して、測定ガスである燃料ガスや燃料排ガスの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、測定室と測定ガス側(外部)との間に拡散律速を行う多孔質層を設けてもよい。或いは、その多孔質電極を覆うように拡散律速を行う多孔質層を設けてもよい。更に、その多孔質電極にわずかな間隙を介して近接して板材等を配置し、その間隙によって拡散律速をするようにしてもよい。   -As the diffusion control part, it is only necessary to control the gas diffusion of fuel gas or fuel exhaust gas as the measurement gas for one porous electrode. For example, when a measurement chamber is provided to cover the porous electrode A porous layer that performs diffusion rate control may be provided between the measurement chamber and the measurement gas side (external). Or you may provide the porous layer which performs a diffusion rate control so that the porous electrode may be covered. Furthermore, a plate material or the like may be disposed close to the porous electrode through a slight gap, and diffusion rate control may be performed by the gap.

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制御装置、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。
Next, the best mode of the present invention, that is, a fuel cell water vapor sensor control device, a fuel cell water vapor sensor, and a fuel cell system will be described.
[First Embodiment]
a) First, the overall configuration of the fuel cell system will be described.

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。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 is a system that generates power using fuel gas (for example, a mixed gas of methane and water vapor) and air, and a solid oxide that is a power generation unit in a heat insulating container 3. A fuel cell stack 5 in which stacked fuel cells (not shown) are stacked, a vaporizer 7 that vaporizes water and mixes it with fuel gas, and supplies the fuel gas to the fuel cell stack 5. An exhaust pipe 9 for discharging the used fuel exhaust gas to the outside and a burner 11 for heating the fuel cell stack 5 and the like are provided.

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。   A first water vapor sensor 13 for detecting water vapor in the fuel gas is disposed in the fuel gas supply path of the vaporizer 7, and a second water vapor for detecting water vapor in the fuel exhaust gas is provided in the exhaust pipe 9. A sensor 15 is arranged.

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。   Further, the fuel cell system 1 includes a pump 17 that supplies water to the vaporizer 7, a first blower 19 that supplies fuel gas to the vaporizer 7, and a second blower 21 that supplies air to the fuel cell stack 5. A proportional valve 23 for mixing the fuel gas with air and supplying it to the burner 11, a third blower 25 for supplying air to the proportional valve 23, and a controller 27 for controlling the operation of the fuel cell system 1. It has.

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。   The controller 27 includes a well-known microcomputer (not shown) and an electric circuit that drives both the water vapor sensors 13 and 15. The controller 27 includes both the water vapor sensors 13 and 15, the pump 17, and the first one. Drive signals for driving the blower 19, the second blower 21, the third blower 25, and the like are output, and electrical signals (sensor signals) from both the water vapor sensors 13, 15 are received.

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。
b) Next, the first and second water vapor sensors 13, 15 and their electric circuits will be described.
Since the water vapor sensors 13 and 15 have the same configuration, the first water vapor sensor (simply referred to as a water vapor sensor) 13 will be described below as an example.

図2に示す様に、水蒸気センサ13は、周知のポンプセル(ポンプ素子)31と起電力セル(酸素濃淡電池セル:ここでは参照セル33)とヒータ35とが、所定間隔を空け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。   As shown in FIG. 2, the water vapor sensor 13 includes a known pump cell (pump element) 31, electromotive force cell (oxygen concentration battery cell: here reference cell 33), and heater 35 stacked in a predetermined interval. Further, it has the same configuration as that of the plate-like full-range air-fuel ratio sensor (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-148849).

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。   Specifically, the pump cell 31 includes an oxygen ion conductive solid electrolyte layer 37 (for example, made of stabilized or partially stabilized zirconia) and porous electrodes 39 and 41 formed on both sides thereof. Similarly, the reference cell 33 includes a solid electrolyte layer 43 and porous electrodes 45 and 47.

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、所定間隔を空けて前記ヒータ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に覆われた発熱体57を備えている。   In addition, a measurement chamber 49 is provided between the pump cell 31 and the reference cell 33, and the measurement chamber 49 is connected to the outside (fuel gas side) via an insulating porous diffusion limiting portion 51 that controls gas diffusion. Communicate. Furthermore, the surface of the porous electrode 39 outside the pump cell 31 (upward in the figure), that is, the outer surface of the porous electrode 39 in contact with the fuel gas is covered with a porous protective layer 53. The heater 35 is disposed outside the protective layer 53 at a predetermined interval. The heater 53 includes a heating element 57 covered with a dense insulating ceramic layer 55 such as alumina.

一方、参照セル33の外側(図下方)は、参照セル33と同様な材料からなる固体電解質層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。   On the other hand, the outside (downward in the drawing) of the reference cell 33 is covered with a solid electrolyte layer 59 made of the same material as that of the reference cell 33. A dense insulating ceramic layer 61 such as alumina is disposed around the porous electrode 47 outside the reference cell 35 so that the measurement gas does not enter (that is, in the same manner as the configuration using the oxygen reference source). .

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の劣化を防止するための電気回路が接続されている。   In particular, the water vapor sensor 13 of the present embodiment is connected to an electric circuit for driving the water vapor sensor 13 to detect the water vapor concentration in the fuel gas and preventing the water vapor sensor 13 from deteriorating.

具体的には、ポンプセル31には、水蒸気濃度を測定する目的で、両多孔質電極39、41間に、外側の多孔質電極39を正極側として一定の電圧(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が接続されている。また、それとは逆に、測定室49内の多孔質電極41の劣化を防止する目的で、その多孔質電極41を正極側として一定の電圧(例えば1.5V)を印加するために、スイッチSW2を介して定電圧源65が接続されている。なお、この回路には、両多孔質電極39、41間に流れる正逆の電流を検出するために電流計67が配置されている。   Specifically, for the purpose of measuring the water vapor concentration, a constant voltage (for example, 1.5 V) is applied to the pump cell 31 with the outer porous electrode 39 as the positive electrode side between the porous electrodes 39 and 41. Therefore, a constant voltage source (battery) 63 is connected through the switch SW1. On the contrary, for the purpose of preventing the deterioration of the porous electrode 41 in the measurement chamber 49, the switch SW2 is used to apply a constant voltage (for example, 1.5 V) with the porous electrode 41 as the positive electrode side. A constant voltage source 65 is connected via In this circuit, an ammeter 67 is arranged to detect forward and reverse currents flowing between the porous electrodes 39 and 41.

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、SW6を介してそれぞれ定電流回路71、73、75が接続されている。なお、この回路には、両多孔質電極45、47間の電圧を検出するために電圧計77が配置されている。   On the other hand, constant current circuits 71, 73, and 75 are connected to the reference cell 33 through the switches SW4, SW5, and SW6, respectively, in order to pass a constant current between the porous electrodes 45 and 47. In this circuit, a voltmeter 77 is disposed to detect the voltage between the porous electrodes 45 and 47.

また、ヒータ35には、ポンプセル31が適切な作動温(例えば800℃)になるように適切な電圧を印加する可変電圧源79が接続されている。
c)次に、水蒸気センサ13の動作原理について説明する。
The heater 35 is connected to a variable voltage source 79 that applies an appropriate voltage so that the pump cell 31 has an appropriate operating temperature (for example, 800 ° C.).
c) Next, the operation principle of the water vapor sensor 13 will be described.

(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。
(1) Method for Measuring Water Vapor Concentration When fuel gas is supplied around the water vapor sensor 13, the fuel gas enters the measurement chamber 49 via the diffusion rate controlling unit 51.

この水蒸気センサ13では、スイッチSW1のオン、スイッチSW2のオフの動作により、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、即ち外側の多孔質電極39が正極となるように電圧が印加されるので、ポンプセル31では、測定室49内の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。つまり、ポンプセル31では、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)。   In this water vapor sensor 13, the predetermined pump voltage Vp is applied between the porous electrodes 39, 41 of the pump cell 31 by the operation of turning on the switch SW 1 and turning off the switch SW 2, that is, the outer porous electrode 39 Since the voltage is applied so as to be a positive electrode, the pump cell 31 can extract oxygen ions from the water vapor in the fuel gas in the measurement chamber 49. That is, in the pump cell 31, oxygen ions are pumped (pumped) from the porous electrode 41 side in the measurement chamber 49 to the outer porous electrode 39 side.

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。   Therefore, as shown in the timing chart of FIG. 3, the current (pump current Ip) at the time of pumping corresponds to the water vapor concentration, that is, the water vapor concentration can be expressed as a predetermined function f = (Ip). The water vapor concentration can be obtained from the pump current Ip.

(2)水蒸気センサ13の劣化防止方法
ここでは、水蒸気濃度の測定の際とは逆に、スイッチSW1のオフ、スイッチSW2のオンの動作によって、ポンプセル31に対して、水蒸気濃度の測定の際に印加したポンプ電流とは逆方向に電流を印加して、多孔質電極41の劣化を防止する制御を行う。
(2) Degradation prevention method of water vapor sensor 13 Here, contrary to the measurement of the water vapor concentration, the switch SW1 is turned off and the switch SW2 is turned on to measure the water vapor concentration for the pump cell 31. Control is performed to prevent deterioration of the porous electrode 41 by applying a current in a direction opposite to the applied pump current.

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、水蒸気濃度の測定のためのポンピングを継続すると、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。   That is, as described above, when the water vapor sensor 13 is used, the fuel gas is introduced into the measurement chamber 49. However, this fuel gas is a reducing gas, and when pumping oxygen ions. Since oxygen is separated from the water vapor, hydrogen gas is generated in the measurement chamber 49, so that the measurement chamber 49 is strongly reduced. Therefore, if the pumping for measuring the water vapor concentration is continued, the porous electrode 41 of the pump cell 31 in the measurement chamber 49 is likely to be abnormal such as peeling.

従って、ここでは、多孔質電極41に異常が発生しないようにするために、ポンプセル31に対して、測定室49内の多孔質電極41が正極となるように電圧を印加する。これにより、通常の水蒸気濃度の測定の際とは逆にポンピングされる。即ち、外側の多孔質電極39から測定室49内の多孔質電極41側に酸素イオンがポンピングされる。これにより、固体電解質体37中の酸素イオンが過少になることがないので、測定室49内の還元状態が顕著であっても、測定室49内の多孔質電極41の剥離等の発生を防止することができる。   Therefore, here, in order to prevent an abnormality from occurring in the porous electrode 41, a voltage is applied to the pump cell 31 so that the porous electrode 41 in the measurement chamber 49 becomes a positive electrode. As a result, pumping is performed in reverse to the normal measurement of water vapor concentration. That is, oxygen ions are pumped from the outer porous electrode 39 to the porous electrode 41 side in the measurement chamber 49. Thereby, since oxygen ions in the solid electrolyte body 37 do not become excessive, even if the reduction state in the measurement chamber 49 is significant, the occurrence of peeling or the like of the porous electrode 41 in the measurement chamber 49 is prevented. can do.

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劣化防止処理等について、図4のフローチャートに基づいて説明する。
ここでは、水蒸気濃度を測定するための電圧の印加と、劣化防止のための逆方向の電圧の印加とを、一定期間毎に定期的に切り換える例を挙げて説明する。
d) Next, a water vapor concentration calculation process, a deterioration prevention process, and the like performed by the microcomputer will be described with reference to the flowchart of FIG.
Here, an example will be described in which the application of a voltage for measuring the water vapor concentration and the application of a reverse voltage for preventing deterioration are periodically switched at regular intervals.

まず、図4のステップ(S)100では、スイッチSW1をオンして、ポンプセル31に正方向(即ち外側の多孔質電極39側を正極とする方向)のポンプ電圧Vp+を印加する。   First, in step (S) 100 of FIG. 4, the switch SW1 is turned on, and the pump voltage Vp + in the positive direction (that is, the direction in which the outer porous electrode 39 side is the positive electrode) is applied to the pump cell 31.

続くステップ110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120に進む。
ステップ120では、ポンプ電流Ip+を測定する。
In the following step 110, it is determined whether or not a certain time has elapsed.
In step 120, the pump current Ip + is measured.

続くステップ130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140では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の印加方向を切り換えるタイミング(例えば図3のタイミングt1)か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ150に進む。
In the subsequent step 130, the water vapor concentration is calculated from the pump current Ip + using a predetermined arithmetic expression, a map, or the like obtained in advance by experiments or the like.
In the following step 140, it is determined whether or not a certain time has elapsed, that is, whether or not it is a timing for switching the voltage application direction (for example, timing t1 in FIG. 3).

ステップ150では、スイッチSW1をオフして、スイッチSW2をオンし、ポンプセル31に逆方向(即ち測定室49内の多孔質電極41側を正極とする方向)のポンプ電圧Vp−を印加する。   In step 150, the switch SW1 is turned off, the switch SW2 is turned on, and the pump voltage Vp− in the reverse direction (that is, the direction in which the porous electrode 41 side in the measurement chamber 49 is the positive electrode) is applied to the pump cell 31.

続くステップ160では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の逆方向への印加を停止するタイミング(例えばタイミングt2)か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ170に進む。   In the following step 160, it is determined whether or not a certain time has elapsed, that is, whether or not it is a timing for stopping the application of the voltage in the reverse direction (for example, timing t2).

続くステップ170では、システムを停止するための命令があるかどうかを判定し、停止する場合には、ステップ180に進み、ポンプセル31への電圧の印加を中止、一旦本処理を終了する。   In the following step 170, it is determined whether or not there is an instruction for stopping the system. If the instruction is to be stopped, the process proceeds to step 180, the application of the voltage to the pump cell 31 is stopped, and this process is temporarily ended.

なお、ここでは、主要な処理について説明したが、図3に示す様に、電圧の逆方向への印加の終了の後に、素子温(水蒸気センサ13の温度)の測定の処理を行ってもよい。
具体的には、水蒸気濃度の測定や劣化防止の処理の際には、スイッチSW3、SW4をオフ、スイッチSW5をオンに設定して、参照セル33に電流(Icp)を流して、起電力(Vs)を測定し、タイミングt2にて、スイッチSW1をオン、スイッチSW5をオフする。
Although the main processing has been described here, as shown in FIG. 3, the measurement of the element temperature (the temperature of the water vapor sensor 13) may be performed after the application of the voltage in the reverse direction is completed. .
Specifically, in the process of measuring the water vapor concentration and preventing deterioration, the switches SW3 and SW4 are turned off and the switch SW5 is turned on, and a current (Icp) is supplied to the reference cell 33 to generate an electromotive force ( Vs) is measured, and at timing t2, the switch SW1 is turned on and the switch SW5 is turned off.

従って、タイミングt2からは、定電流源71からの電流(Irpvs+)により、起電力(Vs)が徐々に上昇し、素子温に対応した電圧(Vrpvs)に達するので、その後、スイッチSW3をオフし、分極を防止するために、スイッチSW4をオンし、次の水蒸気濃度測定のタイミングt3にてスイッチSW4をオフする。   Accordingly, from timing t2, the electromotive force (Vs) gradually increases due to the current (Irpvs +) from the constant current source 71 and reaches the voltage (Vrpvs) corresponding to the element temperature. Thereafter, the switch SW3 is turned off. In order to prevent polarization, the switch SW4 is turned on, and the switch SW4 is turned off at the next water vapor concentration measurement timing t3.

従って、前記印加した電流(Irpvs+)とその際の電圧(Vrpvs)とから抵抗値が分かるので、この抵抗値から素子温度を求めることができる。
e)この様に、本実施形態では、ポンプセル31に対して、電流の向きが周期的に切り替わる交番電流を印加して、水蒸気濃度の測定の際のポンピングと、(それとは酸素イオンの移動方向が逆の)劣化防止のためのポンピングを行っている。
Therefore, since the resistance value can be found from the applied current (Irpvs +) and the voltage (Vrpvs) at that time, the element temperature can be obtained from this resistance value.
e) As described above, in the present embodiment, an alternating current in which the direction of the current is periodically switched is applied to the pump cell 31 to perform pumping when measuring the water vapor concentration, and (that is, the movement direction of oxygen ions). Pumping for prevention of deterioration is performed.

これにより、測定室49内が還元状態であっても、固体電解質体37中の酸素イオンが過度に減少することがなく、よって、測定室49側の多孔質電極41の剥離等の発生を防止できる。   Thereby, even if the inside of the measurement chamber 49 is in a reduced state, the oxygen ions in the solid electrolyte body 37 are not excessively reduced, and thus the occurrence of peeling of the porous electrode 41 on the measurement chamber 49 side is prevented. it can.

また、交番電流を印加する間に、抵抗値を利用して素子温を測定できるので、ポンピングを行うのに適当な温度であるか否かを判断することができる。
[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。なお、部材の番号は、第1実施形態と同様な番号を用いる。
Further, since the element temperature can be measured using the resistance value while the alternating current is applied, it can be determined whether or not the temperature is appropriate for pumping.
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same content as the first embodiment will be omitted. In addition, also in this embodiment, since the 1st, 2nd water vapor | steam sensor is the same structure, below, a 1st water vapor | steam sensor (it only describes as a water vapor | steam sensor) is demonstrated. In addition, the number similar to 1st Embodiment is used for the number of a member.

本実施形態では、図5のタイミングチャートに示す様に、水蒸気濃度を測定するための電圧の印加と、劣化防止のための逆方向の電圧の印加とを、起電力セル33の出力電圧(即ち測定室49内の酸素濃度)に応じて切り換えるものである。   In the present embodiment, as shown in the timing chart of FIG. 5, the voltage applied to measure the water vapor concentration and the voltage applied in the reverse direction to prevent deterioration are applied to the output voltage of the electromotive force cell 33 (that is, It is switched according to the oxygen concentration in the measurement chamber 49.

なお、使用する水蒸気センサ13やその電気回路等は、前記第1実施形態と同様であるので、ここでは制御処理について説明する。
まず、図6のステップ200では、スイッチSW1をオンして、ポンプセル31に正方向のポンプ電圧Vp+を印加する。
In addition, since the water vapor | steam sensor 13 used, its electric circuit, etc. are the same as that of the said 1st Embodiment, a control process is demonstrated here.
First, in step 200 of FIG. 6, the switch SW <b> 1 is turned on to apply the pump voltage Vp + in the positive direction to the pump cell 31.

続くステップ210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220に進む。
ステップ220では、ポンプ電流Ip+を測定する。
In the following step 210, it is determined whether or not a certain time has elapsed, and if it has elapsed, the process proceeds to step 220.
In step 220, the pump current Ip + is measured.

続くステップ230では、ポンプ電流Ip+から水蒸気濃度を算出する。
続くステップ240では、起電力セル33の出力電圧Vsが所定の閾値(Vs閾値)以上か否か、即ち電圧の印加方向を切り換えるタイミング(例えば図3のタイミングt1)か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ250に進む。
In the following step 230, the water vapor concentration is calculated from the pump current Ip +.
In the following step 240, it is determined whether or not the output voltage Vs of the electromotive force cell 33 is equal to or higher than a predetermined threshold (Vs threshold), that is, whether or not it is a timing for switching the voltage application direction (for example, timing t1 in FIG. 3). If it is timing, the process proceeds to step 250.

ステップ250では、スイッチSW1をオフして、スイッチSW2をオンし、ポンプセル31に逆方向のポンプ電圧Vp−を印加する。
続くステップ260では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の逆方向への印加を停止するタイミング(例えばタイミングt2)か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ270に進む。
In step 250, the switch SW1 is turned off, the switch SW2 is turned on, and the pump voltage Vp− in the reverse direction is applied to the pump cell 31.
In the next step 260, it is determined whether or not a certain time has passed, that is, whether or not it is a timing to stop the application of the voltage in the reverse direction (for example, timing t2).

続くステップ270では、システムを停止するための命令があるかどうかを判定し、停止する場合には、ステップ280に進み、ポンプセル31への電圧の印加を中止、一旦本処理を終了する。   In the following step 270, it is determined whether or not there is a command for stopping the system. If the instruction is to stop, the process proceeds to step 280, the application of the voltage to the pump cell 31 is stopped, and the present process is temporarily ended.

この様に、本実施形態では、起電力セル33の出力電圧Vsに応じて、水蒸気濃度の測定のためのポンピングから、劣化防止のためのポンピングに切り換えるので、即ち、測定室49内の還元状態の程度がひどくなった場合には、速やかに劣化防止の制御に切り換えているので、測定室49側の多孔質電極41の劣化を好適に防止することができる。
[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。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。
As described above, in this embodiment, the pumping for measuring the water vapor concentration is switched from the pumping for measuring the water vapor concentration according to the output voltage Vs of the electromotive force cell 33, that is, the reduction state in the measurement chamber 49. When the degree of the above becomes serious, since the control is promptly switched to the deterioration prevention control, the deterioration of the porous electrode 41 on the measurement chamber 49 side can be suitably prevented.
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted. In addition, also in this embodiment, since the 1st, 2nd water vapor | steam sensor is the same structure, below, a 1st water vapor | steam sensor (it only describes as a water vapor | steam sensor) is demonstrated.

本実施形態では、図7に示す様に、前記第1実施形態と同様な(全領域空燃比センサと同様な構造の)水蒸気センサ71を用いるが、参照セル73は作動させない。
つまり、前記第1実施形態と同様に、ポンプセル75に対して、スイッチSW1及びスイッチSW2を切り換えて、各両定電圧源77、79により、図8に示す様に、交番電流を流すものであるが、素子温の測定は行わない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a water vapor sensor 71 similar to that in the first embodiment (having a structure similar to that of the full-range air-fuel ratio sensor) is used, but the reference cell 73 is not operated.
That is, as in the first embodiment, the switch SW1 and the switch SW2 are switched with respect to the pump cell 75, and an alternating current is caused to flow through the constant voltage sources 77 and 79 as shown in FIG. However, the element temperature is not measured.

本実施形態によっても、水蒸気測定のためのポンピングと(ポンピングの向きが逆の)劣化防止のためのポンピングを周期的に行うので、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。   Also according to the present embodiment, the pumping for water vapor measurement and the pumping for preventing deterioration (in which the pumping direction is reversed) are periodically performed. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

なお、ここでは、参照セル73を作動させないので、参照セル73に換えて、例えばアルミナ等からなる単なるガスの遮蔽板を採用してもよい。
[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1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
Here, since the reference cell 73 is not operated, a simple gas shielding plate made of alumina or the like may be employed instead of the reference cell 73.
[Fourth Embodiment]
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.

図9に示す様に、本実施形態の水蒸気センサ81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83の外側と内側に多孔質電極85、87が形成されており、外側の多孔質電極87の外側には、多孔質の拡散律速層89が形成されている。なお、水蒸気センサ81の内側には棒状のヒータ91が配置されている。
As shown in FIG. 9, the water vapor sensor 81 of the present embodiment is not a plate but a cylinder (test tube shape).
In this embodiment, porous electrodes 85 and 87 are formed on the outside and inside of the solid electrolyte layer 83 having a test tube shape, and a porous diffusion control layer 89 is formed on the outside of the outer porous electrode 87. Has been. A rod-shaped heater 91 is disposed inside the water vapor sensor 81.

本実施形態では、両側に多孔質電極85、87を備えた固体電解質層83が、水蒸気センサ83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93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。   In the present embodiment, the solid electrolyte layer 83 provided with the porous electrodes 85 and 87 on both sides functions as a pump cell 93 that pumps oxygen ions from the outside to the inside of the water vapor sensor 83. Therefore, by measuring this pump current, The water vapor concentration can be measured.

また、例えば前記第1実施形態と同様に、周期的にポンプセル93に印加する電圧の方向を切り換えることにより、拡散律速層89側の多孔質電極87の劣化を好適に防止することができる。
<実験例>
次に本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
Further, for example, similarly to the first embodiment, by periodically switching the direction of the voltage applied to the pump cell 93, it is possible to suitably prevent the deterioration of the porous electrode 87 on the diffusion rate controlling layer 89 side.
<Experimental example>
Next, experimental examples performed to confirm the effects of the present invention will be described.

この実験例は、前記第1実施形態の水蒸気センサを用い、下記の実験条件にて、150時間に渡る連続作動実験を行った。
[実験条件]
ガス組成:H2O:50体積%、CH4:50体積%
ガス流量:2L/min
ガス温度:120℃
印加電圧:0.5Hzで1.2Vを交番印加
なお、比較例として、1.2Vで連続印加した実験も行った(他の条件は、本発明品と同じ)。
In this experimental example, a continuous operation experiment for 150 hours was performed using the water vapor sensor of the first embodiment under the following experimental conditions.
[Experimental conditions]
Gas composition: H 2 O: 50% by volume, CH 4 : 50% by volume
Gas flow rate: 2L / min
Gas temperature: 120 ° C
Applied voltage: 1.2V alternating at 0.5 Hz In addition, as a comparative example, an experiment in which 1.2V was continuously applied was also performed (other conditions are the same as the product of the present invention).

その結果を、図10に記すが、本発明品は、100時間を経過しても、センサ出力が低下せず好適であった。それに対して、比較例のものは、100時間を経過するとセンサ出力が低下し、約120時間後にはポンプセルの測定室側の電極の剥離が発生した。   The results are shown in FIG. 10. The product of the present invention was suitable because the sensor output did not decrease even after 100 hours had passed. In contrast, in the comparative example, the sensor output decreased after 100 hours, and the electrode on the measurement chamber side of the pump cell peeled off after about 120 hours.

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。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.

第1実施形態の燃料電池システムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the fuel cell system of 1st Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the water vapor | steam sensor of 1st Embodiment, and its electric circuit. 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。It is a timing chart which shows operation | movement of the water vapor | steam sensor in 1st Embodiment. 第1実施形態における水蒸気センサの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process of the water vapor | steam sensor in 1st Embodiment. 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。It is a timing chart which shows operation of a water vapor sensor in a 2nd embodiment. 第2実施形態における水蒸気センサの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process of the water vapor | steam sensor in 2nd Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the water vapor | steam sensor of 3rd Embodiment, and its electric circuit. 第3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。It is a timing chart which shows operation of a water vapor sensor in a 3rd embodiment. 第4実施形態の水蒸気センサを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the water vapor | steam sensor of 4th Embodiment. 水蒸気センサの劣化に関する実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result regarding deterioration of a water vapor sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム
5…燃料電池スタック
13、15、71、81…水蒸気センサ
27…コントローラ
31、75、93…ポンプセル
33、73…参照セル
35、91…ヒータ
37、59、83…固体電解質層
39、41、45、47、85、87…多孔質電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 5 ... Fuel cell stack 13, 15, 71, 81 ... Water vapor sensor 27 ... Controller 31, 75, 93 ... Pump cell 33, 73 ... Reference cell 35, 91 ... Heater 37, 59, 83 ... Solid electrolyte layer 39, 41, 45, 47, 85, 87 ... porous electrode

Claims (8)

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、該ポンプセルの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、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、
前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、
前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
A pump cell in which a pair of porous electrodes are disposed on an oxygen ion conductive solid electrolyte body, and a diffusion rate-controlling unit that controls gas diffusion on one porous electrode side of the pump cell. Control of the fuel cell water vapor sensor for controlling the operation of the fuel cell water vapor sensor for detecting the concentration of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell or the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell based on the signal A device,
Between the two porous electrodes of the pump cell has a configuration of flowing an alternating current ,
A control device for a water vapor sensor for a fuel cell, characterized in that the timing for switching the direction of the alternating current is controlled in accordance with the oxygen concentration on the diffusion rate controlling portion side .
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、該ポンプセルの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、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、
前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、
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起電力セルを備えるとともに、該起電力セルの一方の多孔質電極が前記拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置され、
更に、前記起電力セルの出力に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
A pump cell in which a pair of porous electrodes are disposed on an oxygen ion conductive solid electrolyte body, and a diffusion rate-controlling unit that controls gas diffusion on one porous electrode side of the pump cell. Control of the fuel cell water vapor sensor for controlling the operation of the fuel cell water vapor sensor for detecting the concentration of water vapor in the fuel gas supplied to the fuel cell or the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell based on the signal A device,
Between the two porous electrodes of the pump cell has a configuration of flowing an alternating current,
The oxygen ion conductive solid electrolyte body includes an electromotive force cell in which a pair of porous electrodes are disposed, and one porous electrode of the electromotive force cell is disposed on the diffusion-controlling portion side, and the other porous electrode A quality electrode is placed on the oxygen reference source side,
The fuel cell steam sensor control device further controls timing for switching the direction of the alternating current in accordance with the output of the electromotive force cell .
一定期間毎に、前記交番電流の向きを切り換えることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。 3. The fuel cell steam sensor control device according to claim 1 or 2 , wherein the direction of the alternating current is switched at regular intervals. 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〜のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。 The said water vapor sensor is provided with the heater, The control apparatus of the water vapor sensor for fuel cells of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 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〜のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。 The said water vapor | steam sensor is plate shape, The control apparatus of the water vapor | steam sensor for fuel cells of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 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〜のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。 The said water vapor sensor is cylindrical, The control apparatus of the water vapor sensor for fuel cells of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御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。 Steam sensor for a fuel cell characterized by comprising a control device for the water vapor sensor for a fuel cell according to any one of the claims 1-6. 前記請求項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。 A fuel cell system comprising the fuel cell water vapor sensor according to claim 7 .
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