JP5350671B2 - Abnormality detection device for water vapor sensor for fuel cell, water vapor sensor for fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

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

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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。   The present invention relates to a fuel cell water vapor sensor for detecting water vapor in fuel gas supplied to a fuel cell or fuel exhaust gas discharged from the fuel cell, and more particularly to a fuel cell water vapor sensor for detecting an abnormality in a fuel cell water vapor sensor. The present invention relates to a fuel cell water vapor sensor equipped with the abnormality detection device, and a fuel cell system.

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)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a method for detecting an abnormality in an air-fuel ratio detection system of an internal combustion engine using an entire-range air-fuel ratio sensor (UEGO sensor) configured by a combination of a pump cell and an oxygen concentration detection cell (reference cell). (See Patent Documents 1, 2, and 3).

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。
In these techniques, the internal impedance of the oxygen concentration detection cell is detected to detect an abnormality in the entire region air-fuel ratio sensor.
In addition, the applicant of the present application, in Japanese Patent Application No. 2006-190620, attaches an all-range air-fuel ratio sensor to the fuel supply path and fuel discharge path of the fuel cell and detects the water vapor concentration in the fuel gas or the fuel exhaust gas. is suggesting.

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
In this technology, for example, fuel gas contains only methane and water vapor, so only a pump cell is used and a constant DC voltage (a negative electrode in the measurement chamber and a positive 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.
JP-A-10-246720 JP 2003-90821 A JP 2007-101485 A

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。   However, in the technique for detecting the water vapor concentration described above, a reducing gas in which methane and water vapor are mixed enters the measurement chamber of the full-range air-fuel ratio sensor, and at the time of pumping, hydrogen gas is generated at the electrode on the measurement chamber side. Therefore, there is a problem that abnormalities such as peeling are likely to occur in the electrode on the measurement chamber side.

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。   As a countermeasure, it is conceivable to monitor the internal impedance of only the pump cell.For example, at the timing of flowing gas at the time of start-up, etc., if element cooling occurs due to a sudden drop in the temperature of the gas to be measured, It cannot be determined whether an abnormality has occurred or an element has cooled, and it is difficult to accurately diagnose the abnormality.

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。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has as its object the abnormality detection device for a water vapor sensor for a fuel cell, a water vapor sensor for a fuel cell, It is to provide a fuel cell system.

(1)請求項の発明では、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。 (1 ) In the invention of claim 1 , 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 part for rate limiting gas diffusion on the one porous electrode side, And detecting abnormality 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 electric signal from the pump cell. An abnormality detection device for a fuel cell water vapor sensor, wherein a current is applied between both porous electrodes of the pump cell to detect an impedance of the pump cell, and a reference disposed in the vicinity of the pump cell Reference impedance detection unit for detecting the impedance of the member, and the impedance of the pump cell detected by the pump impedance detection unit And an abnormality detection unit that detects an abnormality of the pump cell by comparing the impedance of the reference member detected by the reference impedance detection unit.

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。
Impedance port Npuseru changes according to the temperature of the pump cell and the impedance of the reference member also changes with temperature.
Therefore, the characteristics of the change in impedance with respect to the temperature of the pump cell and the reference member are examined in advance, and when the fuel cell is operated, the impedance of the pump cell is compared with the impedance of the reference member. If the temperature is not in the proper range (obtained from the impedance), it can be determined that an abnormality has occurred in the pump cell.

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。   For example, if an abnormality such as delamination occurs in the porous electrode on the diffusion limiting portion side of the pump cell, the impedance of the pump cell is considered to increase (compared to the appropriate impedance at that temperature). It can be determined that an abnormality has occurred in the pump cell.

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。   In addition, when the element is cooled, the impedance of the pump cell increases. However, in the present invention, the impedance of the reference cell determines whether or not the element is cooled. Therefore, it is erroneously determined that the increase in the pump cell impedance is an abnormality of the pump cell. There is nothing to do.

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。   When the element cooling is resolved by the operation of the fuel cell, the impedance decreases if the pump cell is normal. However, if the impedance does not increase even if the temperature rises after the operation, the pump cell is abnormal. Can be determined to have occurred.

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。
)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。
Here, as the reference member, a solid electrolyte material (for example, partially stabilized zirconia) similar to that of the pump cell whose impedance changes according to temperature can be adopted.
( 2 ) The invention of claim 2 is characterized in that the water vapor sensor includes a heater.

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。
)請求項の発明では、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。
In this water vapor sensor, the pump cell is preferably raised to its operating temperature by a heater.
( 3 ) The invention of claim 3 is characterized in that when the impedance of the pump cell is not within a predetermined range with respect to the impedance of the reference member, it is determined that the pump cell is abnormal.

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。
)請求項の発明では、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。
The present invention exemplifies a pump cell abnormality determination method using the impedance of the pump cell and the reference member.
( 4 ) The invention of claim 4 is characterized in that it is determined that the pump cell is abnormal when the impedance of the pump cell falls below a predetermined value indicating excessive conduction.

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。   For example, when an excessive voltage is applied to the pump cell and oxygen is reduced from a solid electrolyte layer made of zirconia, for example, an excessive conductive state (conductive state similar to that of a metal) is obtained. Therefore, when the impedance of the pump cell falls below the predetermined value, it can be determined that an abnormality has occurred in the pump cell.

)請求項の発明では、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。
( 5 ) The invention of claim 5 is characterized in that the reference member is a reference cell in which a pair of porous electrodes are disposed on the oxygen ion conductive solid electrolyte body.
In the present invention, a reference cell similar to the pump cell is used. As this reference cell, an oxygen battery cell (provided with an oxygen reference source) of a well-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.

)請求項の発明では、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。 ( 6 ) The invention of claim 6 is characterized in that, when the impedance of the reference cell does not fall below a predetermined value after the fuel cell has been operated for a predetermined time, it is determined that the heater is disconnected.

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。   When heating with a heater during operation, the temperature of the reference cell usually increases and its impedance decreases. However, when the heater is disconnected, the impedance of the reference cell is higher than usual.

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。
)請求項の発明では、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。
Therefore, the disconnection of the heater can be detected by the determination of the present invention.
( 7 ) In the invention of claim 7, the reference impedance detection unit applies a current between both porous electrodes of the reference cell to detect the impedance of the reference cell, and the abnormality detection unit detects the pump. An abnormality of the pump cell is detected based on a ratio between the impedance of the pump cell detected by the impedance detection unit and the impedance of the reference cell detected by the reference cell impedance detection unit.

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。   As described above, when peeling or the like occurs in the porous electrode of the pump cell, the impedance of the reference cell remains normal and the impedance of the pump cell increases, so the ratio between the impedance of the pump cell and the impedance of the reference cell The abnormality of the pump cell can be detected.

)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。
( 8 ) The invention of claim 8 is characterized in that the water vapor sensor is plate-shaped.
The present invention exemplifies the shape of a water vapor sensor.
( 9 ) The invention of claim 9 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。
10)請求項10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異常検出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.
(10) The invention of claim 10 is a steam sensor for a fuel cell comprising an abnormality detecting device for steam sensor for a fuel cell according to any one of the claims 1-9.

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。
11)請求項11の発明は、前記請求項10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 an abnormality detection device.
( 11 ) The invention of claim 11 is a fuel cell system comprising the fuel cell water vapor sensor according to claim 10 .

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。
The present invention shows a fuel cell system including a water vapor sensor having an abnormality detection 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.

・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。   -As a reference member, the reference cell which has arrange | positioned the porous electrode on both sides of a solid electrolyte layer can be employ | adopted similarly to a pump cell, The solid electrolyte material similar to a pump cell can also be employ | adopted for the solid electrolyte layer of this reference cell.

・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。   -As the diffusion control part, it is only necessary to control the gas diffusion with respect to the porous electrode different from the porous electrode in contact with the fuel gas or the fuel exhaust gas. For example, when a measurement chamber is provided to cover the porous electrode For example, a porous diffusion rate controlling portion may be provided between the measurement chamber and the fuel gas or fuel exhaust gas side.

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。
Next, the best mode of the present invention, that is, an abnormality detecting device for a fuel cell water vapor sensor, 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。   As shown in FIG. 2, the water vapor sensor 13 is a plate-shaped full-range air-fuel ratio sensor (for example, a special-purpose sensor, in which a well-known pump cell 31, oxygen battery cell (here, reference cell 33), and heater 35 are stacked close together. The construction is similar to that of Japanese Utility Model 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、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。   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 in the vicinity of the pump cell 31. The heater 53 includes a heating element 57 sandwiched between dense insulating ceramic layers 55 such as alumina. .

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。   On the other hand, the outside of the reference cell 33 (downward in the figure) is covered with a solid electrolyte layer 59. 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の異常を検出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 detecting an abnormality of the water vapor sensor 13.

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。   Specifically, a constant voltage source (battery) 63 is connected to the pump cell 31 via the switch SW1 in order to apply a constant voltage (for example, 1.5 V) between the porous electrodes 39 and 41. In both cases, constant current circuits 65 and 67 are connected to the porous electrodes 39 and 41 through the switches SW2 and SW3, respectively. In this electric circuit, a voltmeter 69 is arranged to detect a voltage (measurement voltage V1) between the porous electrodes 39 and 41, and a current (I) flowing between the porous electrodes 39 and 41 is supplied. An ammeter 71 is arranged for detection.

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。   On the other hand, constant current circuits 73 and 75 are connected to the reference cell 33 via the switches SW4 and SW5, respectively, in order to allow a constant current to flow between the porous electrodes 45 and 47. In this circuit, a voltmeter 77 is arranged to detect a voltage (measurement voltage V2) between the porous electrodes 45 and 47.

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。
The heater 35 is controlled so that the pump cell 31 has an appropriate operating temperature (for example, 800 ° C.). However, since it is a well-known temperature control, the description of the circuit and the like is omitted.
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、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)。   In the water vapor sensor 13, since a predetermined pump voltage Vp is applied between the porous electrodes 39 and 41 of the pump cell 31, the pump cell 31 can extract oxygen ions from the water vapor in the fuel gas. That is, the pump cell 31 pumps oxygen ions 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。
(2) Abnormality detection method of the water vapor sensor 13 Here, as shown in FIG. 3, the change in the voltage of the pump cell 31 and the reference cell 33 generated by the operation of each of the switches SW1 to SW5 is used. Anomaly detection is performed.

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。   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 also when oxygen ions are pumped. Since hydrogen gas is generated in the measurement chamber 49 due to the separation of oxygen from the water vapor, the measurement chamber 49 is strongly reduced. Therefore, 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、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。   Therefore, when an abnormality occurs in the porous electrode 41, when the impedance (Rpvp) between the porous electrodes 39 and 41 of the pump cell 31 is measured, the impedance becomes higher than in the normal case.

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。
On the other hand, in the reference cell 33, since the pumping as in the pump cell 31 is not performed, an abnormality does not easily occur in the porous electrode 45.
Therefore, when the impedance (Rpvs) between the porous electrodes 45 and 47 of the reference cell 33 is measured at almost the same timing as the impedance measurement of the pump cell 31 during the operation of the fuel cell system 1, the pump cell 31 and the reference cell 33 are measured. Therefore, the impedance of the reference cell 33 is lower than the impedance of the pump cell 31.

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。   Therefore, the impedance of the pump cell 31 and the impedance of the reference cell 33 are compared, for example, the ratio H (= Rpvp / Rpvs) is taken, and the ratio H of both impedances of the pump cell 31 and the reference cell 33 in a normal state is compared. Thus, it can be determined whether or not an abnormality has occurred in the pump cell 31.

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。
That is, when the impedance ratio H deviates from the normal value range, it can be determined that an abnormality has occurred in the pump cell 31.
For example, when the porous electrode 41 of the pump cell 31 is peeled off, the impedance of the pump cell 31 increases. Therefore, when the impedance ratio H is higher than the normal value range, an abnormality occurs in the pump cell 31. Can be determined.

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。
d) Next, water vapor concentration calculation processing, abnormality determination processing, and the like performed by the microcomputer will be described based on the flowcharts of FIGS. 4 and 5.
(1) Main Processing First, in step (S) 100 of FIG. 4, an abnormality flag indicating that the water vapor sensor 13 is abnormal is cleared.

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。
In the subsequent step 110, the switch SW1 is turned on to apply the pump voltage Vp to the pump cell 31.
In the following step 120, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed.

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。
In step 130, the pump current Ip is measured.
In the subsequent step 140, the water vapor concentration is calculated from the pump current Ip using a predetermined arithmetic expression or map obtained in advance through experiments or the like.

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。
In the following step 150, it is determined whether or not it is an abnormality diagnosis timing.
In step 160, an abnormality diagnosis process to be described later is performed.

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。   In the following step 170, it is determined whether or not an abnormality flag is set by the abnormality diagnosis process. If it is set, the process proceeds to step 180. If not, the process returns to step 120.

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。
In step 180, the switch SW1 is turned off and the application of the pump voltage Vp to the pump cell 31 is stopped. That is, the measurement of the water vapor concentration by the water vapor sensor 13 is stopped.
In the subsequent step 190, for example, abnormality processing such as notifying abnormality or stopping the operation of the fuel cell system 1 is performed, and this processing is temporarily ended.

(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)。
(2) Abnormality diagnosis process In step 200 of FIG. 5, in order to perform the abnormality diagnosis process, the switch SW1 is turned off and the application of the pump voltage Vp to the pump cell 31 is stopped. That is, the measurement of the normal water vapor concentration is stopped (timing 1 in FIG. 3).

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。   In the following step 210, the switch SW2 is turned on at the timing t1, and the constant current Irpvp + is applied to the pump cell 31. As a result, the voltage of the pump cell 31 once lowered gradually recovers.

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。
In the following step 220, it is determined whether or not a predetermined time (for example, 100 μs) has elapsed. If it has elapsed, the process proceeds to step 230.
In step 230, the voltage Vrpvp of the pump cell 31 is obtained at the timing t2 in FIG. The voltage Vrpvp is a voltage generated by applying a constant current Irpvp + with the electromotive force Ve1 of the pump cell 31 as a reference.

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。
In the subsequent step 240, at the timing 2, the switch SW2 is turned off, and the application of the constant current Irpvp + to the pump cell 31 is stopped.
In the following step 250, at the timing 2, the switch SW3 is turned on, and the constant current Irpvp− in the reverse direction is applied to the pump cell 31. This is to prevent polarization.

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。
In the next step 260, it is determined whether or not a predetermined time (for example, 100 μs) has elapsed, and if it has elapsed, the process proceeds to step 270.
In the subsequent step 270, the switch SW3 is turned off at the timing t3 in FIG. 3 to stop applying the constant current Irpvp− to the pump cell 31.

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。
In the subsequent step 280, the switch SW1 is turned on and the pump voltage Vp is applied to the pump cell 31 in order to restart the measurement of the water vapor concentration at the timing t3.
In the subsequent step 290, at the timing 3, the switch SW4 is turned on, and the constant current Irpvs + is applied to the reference cell 33. As a result, an electromotive force is gradually generated in the reference cell 33.

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。
In the subsequent step 300, it is determined whether or not a certain time (for example, 100 μs) has elapsed, and if it has elapsed, the process proceeds to step 310.
In step 310, the voltage Vrpvs of the reference cell 33 is obtained at timing t4 in FIG. The voltage Vrpvs at that time is a voltage generated by applying a constant current Irpvp + with the electromotive force Ve2 of the reference cell 33 as a reference.

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。
In the subsequent step 320, at the timing t4, the switch SW4 is turned off and the application of the constant current Irpvs + to the reference cell 33 is stopped.
In the subsequent step 330, the switch SW5 is turned on at the timing t4, and a reverse constant current Irpvs− is applied to the reference cell 33. This is to prevent polarization.

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。
In the following step 340, it is determined whether or not a predetermined time (for example, 100 μs) has elapsed. If it has elapsed, the process proceeds to step 350.
In the subsequent step 350, at the timing t5 in FIG. 3, the switch SW5 is turned off to stop applying the constant current Irpvs− to the reference cell 33.

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。   In the following step 360, the pump cell impedance Rpvp is calculated. That is, the pump cell impedance Rpvp is calculated by the arithmetic expression (1) of “Rpvp = Vrpvp / Irpvp +”.

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。   In the following step 370, the reference cell impedance Rpvs is calculated. That is, the reference cell impedance Rpvs is calculated by the arithmetic expression (2) of “Rpvs = Vrpvs / Irpvs +”.

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。
In the following step 380, a ratio H (= Rpvp / Rpvs) between the pump cell impedance Rpvp and the reference cell impedance Rpvs is calculated.
In the following step 390, it is determined whether or not the ratio H is within a setting range indicating that the water vapor sensor 13 is normal. If an affirmative determination is made here, the present process is temporarily terminated, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 400.

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。
In step 400, an abnormality flag is set, and the process is temporarily terminated.
When the ratio H exceeds the set range, it is estimated that the pump cell impedance Rpvp has increased due to, for example, peeling of the porous electrode of the pump cell 31, and conversely, the ratio H is below the set range. In this case, for example, it is presumed that the conductivity increases due to excessive reduction of oxygen in the solid electrolyte layer 37 of the pump cell 31 and the pump cell impedance Rpvp decreases.

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。   e) Thus, in this embodiment, the abnormality of the water vapor sensor 13 can be detected from the ratio H of the pump cell impedance Rpvp and the reference cell impedance Rpvs. Therefore, when the abnormality of the water vapor sensor 13 is detected, the abnormality can be notified or the operation of the fuel cell system 1 can be stopped, so that a preferable operation can be realized.

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。   In addition, when the element is temporarily cooled, both the pump cell impedance Rpvp and the reference cell impedance Rpvs increase. Therefore, the ratio H between the pump cell impedance Rpvp and the reference cell impedance Rpvs deviates from the setting range. Therefore, the element cooling is not determined to be abnormal, and the fuel cell system 1 can be operated as it is.

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。
If the impedance of the reference cell 33 does not decrease even after a predetermined time has elapsed since the start of operation, it is determined that the heater is disconnected, and an abnormality of the water vapor sensor 13 is notified, or the fuel cell system 1 is operated. You may cancel.
[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.

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。
In this embodiment, the abnormality of the water vapor sensor is detected using the resistance of the heater of the water vapor sensor.
a) First, the water vapor sensor and its electric circuit will be described.

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。   As shown in FIG. 6, the water vapor sensor 81 has a pump cell 83, a reference cell 85, and a heater 87, as well as the first embodiment, and includes a measurement chamber 82 and a diffusion rate controlling portion 84. It has the same configuration as that of the entire area air-fuel ratio sensor.

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。   The water vapor sensor 81 is connected to an electric circuit for driving the water vapor sensor 81 to detect a water vapor concentration in the fuel gas or to detect an abnormality of the water vapor sensor 81.

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。   Specifically, a constant voltage source 93 is connected to the pump cell 83 via the switch SW1 in order to apply a constant voltage between the two porous electrodes 89 and 91, and the two porous electrodes 89 and 91 are connected. In order to allow a constant current to flow between them, constant current circuits 95 and 97 are connected via the switches SW2 and SW3, respectively. In this circuit, a voltmeter 99 is disposed to detect a voltage (measurement voltage V1) between the porous electrodes 89 and 91, and a current (I) flowing between the porous electrodes 89 and 91 is also detected. An ammeter 101 is arranged to detect

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。   On the other hand, a constant voltage source 105 is connected to the heater 87 via a switch SW6 in order to apply a heater voltage Vh that causes the heating element 103 to generate heat. In addition, a constant current circuit 107 is connected to the heater 87 via a switch SW7 in order to flow a constant current to the heating element 103 for the purpose of detecting an abnormality of the heater 89. In this circuit, a voltmeter 109 is disposed in order to detect a voltage (measurement voltage V3) at both ends of the heating element 103.

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。
c) Next, the principle of abnormality detection of the water vapor sensor 81 will be described.
(1) Method Using Pump Cell Impedance Rpvp As described above, when the water vapor sensor 81 is used, an abnormality such as peeling occurs in the porous electrode 91 of the pump cell 83 due to the reducing atmosphere in the measurement chamber 82. Easy to do.

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。   Therefore, when an abnormality occurs, when the impedance (Rpvp) between the porous electrodes 89 and 91 of the pump cell 83 is measured, the impedance becomes higher than that in a normal case. Therefore, when the pump cell impedance Rpvp deviates from the appropriate range, it can be determined that an abnormality has occurred.

(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。
(2) Method of using the heater resistance Rh When the heater resistance Rh is abnormally high, the heater 87 may be disconnected, and conversely, when it is abnormally low, there is a possibility of short circuit.

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。
d) Next, abnormality determination processing and the like performed by the microcomputer will be described with reference to the timing chart of FIG. 7 and the flowcharts of FIGS.
(1) Main processing The processing in steps 500 to 590 in FIG. 8 is the same as the processing in steps 100 to 190 in FIG. 4 of the first embodiment, and the abnormality flag is set by the abnormality diagnosis processing. First, an abnormality process such as abnormality notification is performed.

(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)。
(2) Abnormality diagnosis process In step 600 of FIG. 9, in order to perform the abnormality diagnosis process, the switch SW1 is turned off to stop applying the pump voltage Vp to the pump cell 83 (timing 1 in FIG. 7).

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。
In the subsequent step 610, the switch SW2 is turned on at the timing t1, and the constant current Irpvp + is applied to the pump cell 83.
In the following step 620, it is determined whether or not a certain time has elapsed. If it has elapsed, the process proceeds to step 630.

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。
In step 630, the voltage Vrpvp of the pump cell 83 is obtained at timing t2 in FIG.
In the subsequent step 640, at the timing 2, the switch SW2 is turned off to stop applying the constant current Irpvp + to the pump cell 83.

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。
In the subsequent step 650, at the timing 2, the switch SW 3 is turned on, and a reverse constant current Irpvp− is applied to the pump cell 83.
In the following step 660, it is determined whether or not a certain time has elapsed. If it has elapsed, the process proceeds to step 670.

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。
In the subsequent step 670, at the timing t3 in FIG. 7, the switch SW3 is turned off, and the application of the constant current Irpvp− to the pump cell 83 is stopped.
In the subsequent step 680, the switch SW1 is turned on at the timing t3 to apply the pump voltage Vp to the pump cell 83.

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。
In the subsequent step 690, at the timing 3, the switch SW7 is turned on and the constant current Irh is applied to the heater 87.
In subsequent step 700, it is determined whether or not a certain time (for example, 100 μs) has elapsed, and if it has elapsed, the process proceeds to step 710.

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。
In step 710, the voltage Vrh of the heater 87 is obtained at timing t4 in FIG. The voltage Vrh at that time is a voltage generated by applying the constant current Irh.
In the subsequent step 720, at the timing t4, the switch SW7 is turned off and the application of the constant current Irh to the heater 87 is stopped.

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。   In the following step 730, the pump cell impedance Rpvp is calculated. That is, the pump cell impedance Rpvp is calculated by the arithmetic expression (1) of “Rpvp = Vrpvp / Irpvp +”.

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。
In the following step 740, the heater resistance Rh is calculated. That is, the heater resistance Rh is calculated by the arithmetic expression (3) of “Rh = Vrh / Irh”.
In the following step 750, it is determined whether or not the heater resistance Rh is within a set range indicating that the heater 87 (and hence the water vapor sensor 81) is normal. If an affirmative determination is made here (determined to be normal), the process proceeds to step 760, while if a negative determination is made (determined to be abnormal), the process proceeds to step 770.

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。   In step 760, it is determined whether or not the pump cell impedance Rpvp is out of a set range indicating that the water vapor sensor 81 is normal. If an affirmative determination is made here (determined to be abnormal), the process proceeds to step 770, whereas if a negative determination is made (determined to be normal), the present process is temporarily terminated.

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。
In step 770, since there is some abnormality in the water vapor sensor 81, an abnormality flag is set, and this processing is temporarily terminated.
When the pump cell impedance Rpvp exceeds the set range, for example, it is estimated that the porous electrode 91 of the pump cell 81 has peeled off. Conversely, when the pump cell impedance Rpvp is below the set range, For example, it is presumed that the conductivity has increased due to excessive reduction of oxygen in the solid electrolyte layer 104 of the pump cell 83, for example.

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。
Thus, in this embodiment, the abnormality of the heater 87 can be detected from the heater resistance Rh, and the abnormality of the pump cell 83 (and hence the abnormality of the water vapor sensor 81) can be detected from the pump cell impedance Rpvp.
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.

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。
In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the water vapor sensor 121 includes a pump cell 123, a reference cell 125, a heater 127, and the like, as in the first and second embodiments.
In particular, in the present embodiment, as an electric circuit for driving the water vapor sensor 121, a circuit similar to the first embodiment and a circuit similar to the second embodiment are provided.

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。
Therefore, in the present embodiment, it is possible to detect an abnormality of the heater 127 or an abnormality of the pump cell 123 as in the first and second embodiments.
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted.

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。   As shown in FIG. 11 (a), the water vapor sensor 151 of the present embodiment includes a pump cell 153, a measurement chamber 155, and a diffusion rate limiting unit 157, as in the third embodiment, and in particular sandwiches the measurement chamber 155. A heater 159 is provided on the side opposite to the pump cell 153.

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。   In this embodiment, the temperature of the pump cell 153 is estimated from the impedance of the heater 159, and the abnormality of the pump cell 153 is detected from the impedance of the pump cell 153 in consideration of this temperature.

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。
Further, as in the second embodiment, abnormality of the heater 159 and the pump cell 153 may be detected using the heater resistance and the pump impedance.
[Fifth Embodiment]
Next, the fifth embodiment will be described, but the description of the same contents as the fourth embodiment will be omitted.

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。   As shown in FIG. 11 (b), the water vapor sensor 161 of the present embodiment includes a pump cell 163, a measurement chamber 165, and a diffusion rate controlling portion 167, as in the fourth embodiment, with the measurement chamber 155 interposed therebetween. A ceramic layer 169 made of alumina, for example, is provided on the side opposite to the pump cell 163. A heater 173 is stacked outside the ceramic layer 169.

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。
In particular, in the present embodiment, since a temperature sensor 171 such as a thermistor or a platinum resistor is provided between the ceramic layer 169 and the heater 173, the temperature of the pump cell 163 is estimated by this temperature sensor 171 and this temperature is taken into consideration. Then, the abnormality of the pump cell 163 is detected from the impedance of the pump cell 163.
[Sixth Embodiment]
Next, although the sixth embodiment will be described, description of the same contents as those of the first embodiment will be omitted.

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。
As shown in FIG. 12, the water vapor sensor 181 of the present embodiment is not a plate shape but a cylinder shape (test tube shape).
In this embodiment, porous electrodes 185 and 187 are formed outside and inside a test tube-shaped solid electrolyte layer 183, and a porous diffusion-controlling layer 189 is formed outside the outer porous electrode 187. Has been. A rod-shaped heater 191 is disposed inside the water vapor sensor 181.

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。   In this embodiment, the solid electrolyte layer 183 provided with the porous electrodes 185 and 187 on both sides functions as a pump cell 193 that pumps oxygen ions from the outside to the inside of the water vapor sensor 183. Therefore, by measuring the pump current, The water vapor concentration can be measured.

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。   Further, for example, as in the second embodiment, the resistance of the heater 191 and the impedance of the pump cell 193 can be obtained, and the abnormality of the water vapor sensor 181 can be detected from the change of the resistance and impedance.

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動作のメイン処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main process of 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動作の異常診断処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the abnormality diagnosis process of the operation | movement of the water vapor | steam sensor in 1st Embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the water vapor | steam sensor of 2nd Embodiment, and its electric circuit. 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動作のメイン処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main process of operation | movement of the water vapor | steam sensor in 2nd Embodiment. 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。It is a flowchart which shows the abnormality diagnosis process of the operation | movement 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. (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。(A) is explanatory drawing which shows the water vapor sensor of 4th Embodiment, (b) is explanatory drawing which shows the water vapor sensor of 5th Embodiment. 第6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 6th Embodiment.

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、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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 5 ... Fuel cell stack 13, 15, 81, 121, 151, 161, 181 ... Water vapor sensor 27 ... Controller 31, 83, 123, 153, 163, 193 ... Pump cell 33, 85, 125 ... Reference cell 35, 87, 127, 159, 173, 191 ... heater 37, 43, 59, 104, 183 ... solid electrolyte layer 39, 41, 45, 47, 89, 91, 185, 187 ... porous electrode

Claims (11)

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。
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 the one porous electrode side, based on an electrical signal from the pump cell An abnormality detection device for a fuel cell water vapor sensor for detecting abnormality of a fuel cell water vapor sensor for detecting a concentration of water vapor in fuel gas supplied to the fuel cell or fuel exhaust gas discharged from the fuel cell. There,
A pump impedance detector for detecting an impedance of the pump cell by applying an electric current between both porous electrodes of the pump cell;
A reference impedance detector for detecting the impedance of a reference member disposed in the vicinity of the pump cell;
Comparing the impedance of the pump cell detected by the pump impedance detector with the impedance of the reference member detected by the reference impedance detector, and detecting an abnormality of the pump cell;
An abnormality detection device for a water vapor sensor for a fuel cell, comprising:
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に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。 The steam sensor abnormality detection apparatus for steam sensor for a fuel cell according to claim 1, further comprising a heater. 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1又は2に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。 3. The fuel cell water vapor sensor abnormality detection device according to claim 1, wherein an abnormality of the pump cell is determined when the impedance of the pump cell is not within a predetermined range with respect to the impedance of the reference member. . 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1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。 Impedance of the pump cell, when drops below a predetermined value indicating the excessive conduction, steam for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, and determines that abnormality of the pump cell Sensor abnormality detection device. 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1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。 The reference member, for use in a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the pair of porous electrodes on the oxygen ion conductive solid electrolyte body is a reference cell arranged An abnormality detection device for a water vapor sensor. 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に記載の燃料電池用水蒸気センサの異常検出装置。 The abnormality detection device for a fuel cell water vapor sensor according to claim 5 , wherein if the impedance of the reference cell does not fall below a predetermined value after the fuel cell has been operated for a predetermined time, it is determined that the heater is disconnected. . 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。
By applying a current between both porous electrodes of the reference cell by the reference impedance detection unit, the impedance of the reference cell is detected,
The abnormality detector detects an abnormality of the pump cell based on a ratio between the impedance of the pump cell detected by the pump impedance detector and the impedance of the reference cell detected by the reference cell impedance detector. The abnormality detection device for a water vapor sensor for a fuel cell according to claim 5 or 6 .
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異常検出装置。 The steam sensor abnormality detection apparatus for steam sensor for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a plate-shaped. 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異常検出装置。 The steam sensor abnormality detection apparatus for steam sensor for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a tubular. 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。 Steam sensor for a fuel cell characterized by comprising an abnormality detecting device for steam sensor for a fuel cell according to any one of the claims 1-9. 前記請求項10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 10 .
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