(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の構成が過度に複雑化することを抑制しつつ、参照電極の基準電位の変動が過度に大きくなることを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】プロトン伝導性を有する電解質層１１と、電解質層１１の一方の面に接合されるとともに水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極１３、１５と、電解質層１１の他方の面に接合されるとともに酸素を含む酸化ガスが供給されるカソード電極１２、１４と、アノード電極１３、１５とカソード電極１２、１４とのうちの少なくとも一方の電極電位を測定するための基準となる電位を示す参照電極２０であって、水素吸蔵金属を用いて形成されるとともに、電解質層１１からプロトンを吸引して吸蔵可能なように電解質層１１に接続された参照電極２０と、を備える燃料電池を用いる。【選択図】図１
2008010219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
プロトン伝導性を有する電解質層と、
前記電解質層の一方の面に接合されるとともに水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、
前記電解質層の他方の面に接合されるとともに酸素を含む酸化ガスが供給されるカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの少なくとも一方の電極電位を測定するための基準となる電位を示す参照電極であって、水素吸蔵金属を用いて形成されるとともに、前記電解質層からプロトンを吸引して吸蔵可能なように前記電解質層に接続された参照電極と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記燃料ガスは前記アノード電極の上流部分から下流部分に向かって流れ、
前記電解質層の内の前記参照電極が接続される位置は、前記アノード電極の下流部分と対向する位置に設定されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、共通のアノード排ガス排出路にアノード排ガスを排出する複数の単セルを積層した燃料電池スタックに用いられる単セルであり、
前記燃料電池は、さらに、アノード排ガスの排出口を有し、
前記電解質層の内の前記参照電極が接続される位置は、前記アノード電極の下流部分の内の前記排出口に最も近い最下流部分よりも上流の所定の部分と対向する位置に設定されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記参照電極の全体が前記電解質層と同じ電解質で覆われている、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
前記燃料電池内部に設けられるとともに温度を測定するための熱電対を備え、
前記参照電極は前記熱電対の一方の素線の一部に接した状態で設けられ、
前記一方の素線が、前記熱電対の熱起電力の測定と、前記参照電極の電極電位の検知と、に共通に利用される、
燃料電池。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池と、
前記参照電極の電極電位を基準とし、前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの少なくとも一方の電極電位を測定する電圧計と、
前記アノード電極と前記カソード電極とのうちのいずれか一方と、前記参照電極との間に、前記参照電極が負電位となる電圧を印加する電圧印加部と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
（Ａ）前記電圧印加部に前記電圧印加を実行させることにより前記参照電極に水素を吸蔵させる処理と、
（Ｂ）前記電圧印加の後に、前記電圧印加部に前記電圧印加を停止させる処理と、
（Ｃ）前記電圧印加の停止中に、前記電圧計から現行の前記電極電位を取得する処理と、
を実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池を制御する方法であって、
（Ａ）前記アノード電極と前記カソード電極とのうちのいずれか一方と、前記参照電極との間に、前記参照電極が負電位となる電圧を印加することにより前記参照電極に水素を吸蔵させる工程と、
（Ｂ）前記電圧印加の後に、前記電圧印加を停止する工程と、
（Ｃ）前記電圧印加の停止中に、前記参照電極の電極電位を基準とし、前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの少なくとも一方の現行の電極電位を測定する工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池の状態を確認するために、アノード電位あるいはカソード電位が利用されている。ここで、アノードとカソードとのうちの一方の電極電位を他方の電極電位から独立に測定するために、参照電極が利用されている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３４５１１１１号公報
【特許文献２】特開平７−２８２８３２号公報
【特許文献３】特開平１０−１１６６２２号公報
【特許文献４】特開２００３−３３１８９５号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１２５５号公報
【特許文献６】特開２００１−３３８６６７号公報
【０００４】
ところが、このような参照電極を利用する場合には、不具合がしばしば生じていた。例えば、アノード電極に供給される水素を利用した参照電極が提案されている（例えば、特許文献２、３、４参照）。この場合には、アノードに供給される水素が不足した場合に、参照電極の電位が大きく変動する可能性があった。また、参照電極に水素を導入する経路を有する構成も提案されている（例えば、特許文献６参照）。しかし、この場合には、燃料電池の構成が複雑化する場合が多かった。なお、これらのような問題は、水素を利用する参照電極に限らず、他の物質（例えば、酸素）を利用する参照電極にも共通する問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の構成が過度に複雑化することを抑制しつつ、参照電極の基準電位の変動が過度に大きくなることを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の態様に係る燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質層と、前記電解質層の一方の面に接合されるとともに水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極と、前記電解質層の他方の面に接合されるとともに酸素を含む酸化ガスが供給されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの少なくとも一方の電極電位を測定するための基準となる電位を示す参照電極であって、水素吸蔵金属を用いて形成されるとともに、前記電解質層からプロトンを吸引して吸蔵可能なように前記電解質層に接続された参照電極と、を備える。
【０００７】
この燃料電池によれば、参照電極は、燃料電池の動作状態に拘わらずに容易に電解質層からプロトンを吸引して吸蔵することができるので、参照電極の基準電位の変動が過度に大きくなることを抑制することができる。さらに、参照電極専用の水素ガス流路を設けずに済むので、燃料電池の構成が過度に複雑化することを抑制することができる。
【０００８】
上記燃料電池において、前記燃料ガスは前記アノード電極の上流部分から下流部分に向かって流れ、前記電解質層の内の前記参照電極が接続される位置は、前記アノード電極の下流部分と対向する位置に設定されていることが好ましい。
【０００９】
燃料電池に対する燃料ガス供給量が減少した場合には、アノード電極の上流部分よりも先に下流部分で水素が不足する傾向にある。従って、この構成によれば、燃料電池に対する燃料ガス供給量が不足した場合には、直ぐにアノード電位が上昇するので、水素不足を早期に検知することが可能である。
【００１０】
上記燃料電池において、前記燃料電池は、共通のアノード排ガス排出路にアノード排ガスを排出する複数の単セルを積層した燃料電池スタックに用いられる単セルであり、前記燃料電池は、さらに、アノード排ガスの排出口を有し、前記電解質層の内の前記参照電極が接続される位置は、前記アノード電極の下流部分の内の前記排出口に最も近い最下流部分よりも上流の所定の部分と対向する位置に設定されていることが好ましい。
【００１１】
このような下流部分の内の最下流部分よりも上流の部分は、最下流部分と比べて水素が不足しやすいので、水素不足をより早期に検知することが可能である。
【００１２】
上記各燃料電池において、前記参照電極の全体が前記電解質層と同じ電解質で覆われていることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、参照電極を電気的に絶縁することと、参照電極と電解質層との接続とが、容易となる。
【００１４】
上記各燃料電池において、さらに、前記燃料電池内部に設けられるとともに温度を測定するための熱電対を備え、前記参照電極は前記熱電対の一方の素線の一部に接した状態で設けられ、前記一方の素線が、前記熱電対の熱起電力の測定と、前記参照電極の電極電位の検知と、に共通に利用されることとしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池内部に設けられた熱電対の熱起電力の測定と、参照電極の電極電位の検知とが可能であるとともに、燃料電池の構成が過度に複雑化することを抑制できる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上述の第１の態様に係る燃料電池と、前記参照電極の電極電位を基準とし、前記アノード電極と前記カソード電極とのうちの少なくとも一方の電極電位を測定する電圧計と、前記アノード電極と前記カソード電極とのうちのいずれか一方と、前記参照電極との間に、前記参照電極が負電位となる電圧を印加する電圧印加部と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、（Ａ）前記電圧印加部に前記電圧印加を実行させることにより前記参照電極に水素を吸蔵させる処理と、（Ｂ）前記電圧印加の後に、前記電圧印加部に前記電圧印加を停止させる処理と、（Ｃ）前記電圧印加の停止中に、前記電圧計から現行の前記電極電位を取得する処理と、を実行する。
【００１７】
この燃料電池システムによれば、参照電極に負電位の電圧を印加することによって参照電極に水素が吸蔵されるので、燃料電池システムの構成が過剰に複雑化することを抑制できる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池および制御方法、燃料電池の制御装置、燃料電池と制御装置とを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載する車両、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００２０】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム９００は、コントロールユニット１００と燃料電池１０（以下「単セル１０」とも呼ぶ）とカソード電圧計ＶＭ１とアノード電圧計ＶＭ２とバッテリＢＴとスイッチＳＷとを備えている。図１には、単セル１０を、積層方向と垂直な方向（以下「横方向」とも呼ぶ）から見た断面図が示されている。なお、図示は省略しているが、単セル１０は、しばしば、複数の単セルを積層した燃料電池スタックに組み込まれて使用される。
【００２１】
単セル１０は、カソードセパレータ１６、カソード拡散層１４、カソード触媒層１２、電解質層１１、アノード触媒層１３、アノード拡散層１５、アノードセパレータ１７が、この順番に積層された積層構造を有している。
【００２２】
電解質層１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質で形成されている。このような電解質としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）を採用可能である。ただし、電解質層の材料としては、固体高分子電解質に限らず、プロトン伝導性を有する種々の電解質を利用可能である。
【００２３】
カソード触媒層１２とアノード触媒層１３とは、触媒を含み導電性の良好な材料で形成されている。このような材料としては、例えば、触媒としての白金を担持したカーボン粉と、電解質層１１に用いられる電解質とを混ぜた樹脂を、膜状に成型したものが用いられる。
【００２４】
カソード拡散層１４とアノード拡散層１５とは、ガス透過性を有するとともに導電性の良好な材料で形成されている。このような材料としては、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパが用いられる。また、カソードセパレータ１６とアノードセパレータ１７とは、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。
【００２５】
カソードセパレータ１６のカソード拡散層１４と接する面には溝１８が形成されている。カソードセパレータ１６とカソード拡散層１４とが接合されると、溝１８は、酸素を含む酸化ガス（例えば、空気）が流れる酸化ガス流路を形成する。この酸化ガス流路１８を流れる酸化ガスは、カソード拡散層１４を通ることによって拡散され、カソード触媒層１２に供給される。カソード触媒層１２では、酸素を用いた電気化学反応が進行する。このように、カソード触媒層１２は、カソード電極に相当する。
【００２６】
アノードセパレータ１７のアノード拡散層１５と接する面には溝１９が形成されている。アノードセパレータ１７とアノード拡散層１５とが接合されると、溝１９は、水素を含む燃料ガス（例えば、水素ガス）が流れる燃料ガス流路を形成する。この燃料ガス流路１９を流れる燃料ガスは、アノード拡散層１５を通ることによって拡散され、アノード触媒層１３に供給される。アノード触媒層１３では、水素を用いた電気化学反応が進行する。このように、アノード触媒層１３は、アノード電極に相当する。
【００２７】
燃料ガスと酸化ガスとを用いた電気化学反応によって生じた電力は、各触媒層１２、１３から、拡散層１４、１５、セパレータ１６、１７を介して、図示しない負荷に供給される。
【００２８】
また、第１実施例では、カソード触媒層１２とカソード拡散層１４とのそれぞれが貫通穴を有しており、これらの穴は、各層１２、１４を積層方向に貫通する貫通穴Ｈを形成する。この貫通穴Ｈには、参照電極２０がはめ込まれている。この参照電極２０は、水素吸蔵金属であるパラジウム（Ｐｄ）によって形成されている。また、この参照電極２０は、カソード拡散層１４よりも薄い平板形状に形成されており、その全体が電解質２１によって覆われている。この電解質２１は、電解質層１１と同じ材料で形成されている。貫通穴Ｈにはめ込まれた参照電極２０は、この電解質２１によってカソード触媒層１２とカソード拡散層１４とカソードセパレータ１６とから電気的に絶縁されている。また、この電解質２１は、電解質層１１と接触し、参照電極２０と電解質層１１との間でプロトンを伝導する。
【００２９】
参照電極２０には、単セル１０の外まで延びる信号線２２が電気的に接続されている。この信号線２２は、図示しない絶縁体で被覆されており、単セル１０の他の構成要素（例えば、カソードセパレータ１６とカソード拡散層１４とカソード触媒層１２と電解質層１１）との間の電気伝導およびイオン（プロトン）伝導から絶縁されている。このような絶縁被覆の材料としては、種々の材料（例えば、フッ素樹脂やプラスチック）を採用可能である。また、このような絶縁被覆の形成方法としては、ホットプレスを用いる方法や気相成長法を用いる方法等の種々の方法を採用可能である。
【００３０】
カソード電圧計ＶＭ１は、この信号線２２とカソードセパレータ１６とに接続され、参照電極２０を基準とするカソードセパレータ１６（すなわち、カソード触媒層１２）の電位（以下「カソード電位Ｖ１」とも呼ぶ）を測定する。一方、アノード電圧計ＶＭ２は、この信号線２２とアノードセパレータ１７とに接続され、参照電極２０を基準とするアノードセパレータ１７（すなわち、アノード触媒層１３）の電位（以下「アノード電位Ｖ２」とも呼ぶ）を測定する。
【００３１】
また、信号線２２とカソードセパレータ１６とには、バッテリＢＴとスイッチＳＷとが直列に接続されている。ここで、バッテリＢＴの向きは、バッテリＢＴの負極が信号線２２に接続されるように、設定されている。スイッチＳＷをオンにすると、参照電極２０とカソードセパレータ１６（すなわち、カソード触媒層１２）との間に、参照電極２０が負電位となる電圧が印加される。これにより、電解質層１１中のプロトンは、電解質２１を介して参照電極２０に引き寄せられ、参照電極２０に吸蔵される。この際、プロトンと参照電極２０中の電子とから水素原子が形成され、形成された水素原子が参照電極２０に吸蔵されると推定される。なお、このような水素吸蔵金属（合金）に対する負の電圧印加による水素吸蔵は、例えば、ニッケル−水素吸蔵合金電池の充電にも利用されている（充電によって負極（水素吸蔵合金）に水素が吸蔵される）。参照電極２０に水素を吸蔵させる理由については、後述する。また、バッテリＢＴとスイッチＳＷとの全体は、本発明における「電圧印加部」に相当する。ただし、電圧印加部の構成としては種々の構成を採用可能であり、例えば、燃料電池１０の発電電力を用いて電圧を印加する装置を採用してもよい。
【００３２】
コントロールユニット１００は、図示しないＣＰＵとメモリとを有しており、コンピュータプログラムを実行することによって種々の機能を実現することが可能である。第１実施例では、コントロールユニット１００は、スイッチＳＷを制御することによって、カソード電圧計ＶＭ１とアノード電圧計ＶＭ２とからカソード電位Ｖ１とアノード電位Ｖ２とをそれぞれ取得する。そして、コントロールユニット１００は、取得した電位Ｖ１、Ｖ２から、単セル１０の動作状態を判定する。これらの処理は、燃料電池８００の発電中に繰り返し実行される。
【００３３】
図２は、動作状態の判定処理の手順を示すフローチャートである。まず、コントロールユニット１００（図１）は、所定の一定時間だけスイッチＳＷをオンにし（Ｓ１００）、その後、スイッチＳＷをオフにする（Ｓ１１０）。この通電により、参照電極２０は水素を吸蔵し、参照電極２０中の水素濃度が高くなる。参照電極２０中の水素濃度が高くなれば、参照電極２０における電極反応に利用され得る水素の量も増加する。その結果、参照電極２０の電極電位が、参照電極２０に水素ガスを供給した場合の電位（例えば、標準水素電極の電位）に近づくと推定される。
【００３４】
また、参照電極２０に水素を吸蔵させることによって、参照電極２０の電極電位に対する単セル１０の動作状態の影響を小さくすることもできる。参照電極２０（図１）に吸蔵される水素（プロトン）は、電解質２１を介して電解質層１１から供給される。従って、水素の無いカソード側に参照電極２０が設けられている場合であっても、参照電極２０は水素を吸蔵することができる。また、単セル１０の動作状態（例えば、酸化ガス流路１８を流れる単位時間当たりの酸素流量や、燃料ガス流路１９を流れる単位時間当たりの水素流量）に拘わらずに、参照電極２０は、電解質層１１中のプロトンを用いて、水素を吸蔵することができる。その結果、水素を吸蔵した参照電極２０は、単セル１０の動作状態に拘わらずに、安定な電極電位を示すことが可能となる。すなわち、単セル１０の動作状態が参照電極２０の電極電位に与える影響を緩和することが可能となる。
【００３５】
次のステップＳ２００では、コントロールユニット１００（図１）は、カソード電位Ｖ１とアノード電位Ｖ２とを取得し、単セル１０の動作状態を判定する。図３は、動作判定処理の手順を示すフローチャートである。最初のステップＳ２１０では、コントロールユニット１００は、電圧計ＶＭ１、ＶＭ２から現行の電位Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ取得する。これらの電位Ｖ１、Ｖ２の基準は、水素を吸蔵した参照電極２０の電極電位である。従って、これらの電位Ｖ１、Ｖ２は、各電極１２、１３の状態を適切に反映することが可能である。
【００３６】
カソード電位Ｖ１は、カソードに供給される酸素の欠乏やカソード電極の劣化といった種々のカソード側の不具合に起因して低下する傾向にある。そこで、コントロールユニット１００は、カソード電位Ｖ１が所定のカソード電位閾値Ｖ１ｔｈよりも低い場合には（Ｓ２２０：Ｙｅｓ）、カソード側不具合の可能性が有ると判定する（Ｓ２２４）。一方、カソード電位Ｖ１がカソード電位閾値Ｖ１ｔｈ以上である場合には（Ｓ２２０：Ｎｏ）、カソード側不具合の可能性が無いと判定する（Ｓ２２２）。
【００３７】
アノード電位Ｖ２は、アノードに供給される水素の欠乏やアノード電極の劣化といった種々のアノード側の不具合に起因して上昇する傾向にある。そこで、コントロールユニット１００は、アノード電位Ｖ２が所定のアノード電位閾値Ｖ２ｔｈよりも高い場合には（Ｓ２３０：Ｙｅｓ）、アノード側不具合の可能性が有ると判定する（Ｓ２３４）。一方、アノード電位Ｖ２がアノード電位閾値Ｖ２ｔｈ以下である場合には（Ｓ２３０：Ｎｏ）、アノード側不具合の可能性が無いと判定する（Ｓ２３２）。
【００３８】
以上のように、コントロールユニット１００は、カソード電位Ｖ１からカソード側の不具合の可能性の有無を判定し、アノード電位Ｖ２からアノード側の不具合の可能性の有無を判定する。これらの判定が終了した後、コントロールユニット１００は、ステップＳ２００（図２）の処理を終了する。
【００３９】
なお、判定結果の利用方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、コントロールユニット１００が判定結果をユーザに報知してもよい。報知方法としては、例えば、判定結果を表すランプを点灯する方法を採用可能である。また、コントロールユニット１００が、判定結果に基づいて、不具合を解消するための処理を実行してもよい。例えば、カソード電位Ｖ１がカソード電位閾値Ｖ１ｔｈよりも低い場合には、カソードに供給される酸素が発電に要する量と比べて不足している場合が多い。そこで、コントロールユニット１００は、単セル１０に対する酸化ガスの供給量を増大させる処理を実行してもよい。一方、アノード電位Ｖ２がアノード電位閾値Ｖ２ｔｈよりも高い場合には、アノードに供給される水素が発電に要する量と比べて不足している場合が多い。そこで、コントロールユニット１００は、単セル１０に対する燃料ガスの供給量を増大させる処理を実行してもよい。また、燃料ガスに対する加湿を行っている場合には、その加湿量を低減させてもよい。
【００４０】
なお、電位Ｖ１、Ｖ２の測定時には、スイッチＳＷ（図１）がオフにされる。参照電極２０に対する電圧の印加が停止されると、参照電極２０に吸蔵された水素は徐々に放出される（例えば、参照電極２０から電解質層１１へプロトンが移動する）。その結果、参照電極２０中の水素濃度が低下するので、参照電極２０の電極電位が大きく変動する可能性が生じる。そこで、コントロールユニット１００は、動作状態判定（Ｓ２００）が終了した後、再びステップＳ１００に戻り、参照電極２０に電圧を印加し、参照電極２０に水素を吸蔵させる。以後、コントロールユニット１００は、参照電極２０に対する通電と、電位Ｖ１、Ｖ２の取得とを、定期的に交互に繰り返し実行する。これにより、参照電極２０の安定な電極電位を維持しつつ、電位Ｖ１、Ｖ２を取得することが可能となる。
【００４１】
以上のように、第１実施例では、参照電極２０が水素吸蔵金属によって形成され、さらに、参照電極２０と電解質層１１とがプロトン伝導性を有する材料（電解質２１）によって接続されている。従って、参照電極２０は、単セル１０の動作状態に拘わらずに、容易に電解質層１１からプロトンを吸蔵することができる。その結果、参照電極２０の基準電位の変動が過度に大きくなることを抑制することができる。また、第１実施例では、参照電極２０専用の水素ガス流路を設けずに済むので、燃料電池１０の構成が過度に複雑化することを抑制することができる。
【００４２】
また、参照電極２０に負電位の電圧を印加することによって参照電極２０に水素が吸蔵されるので、燃料電池システム９００の構成が過度に複雑化することを抑制することができる。
【００４３】
また、参照電極２０の全体が電解質２１によって覆われているので、燃料電池１０の他の構成要素（例えば、カソード触媒層１２とカソード拡散層１４とカソードセパレータ１６）から参照電極２０を電気的に絶縁することができる。また、参照電極２０の周囲の状態（例えば、酸化ガスの流量や燃料ガスの流量）の影響が参照電極２０の電極電位に及ぶことを抑制することもできる。
【００４４】
なお、参照電極２０に印加される電圧値と通電時間とは、参照電極２０の電極電位の安定性を維持するのに十分な量の水素が参照電極２０に吸蔵されるように、予め実験的に設定しておけばよい。また、通電（電圧印加）の停止から再び通電を開始するまでの通電停止時間も、参照電極２０の電極電位の安定性を維持できるように、予め実験的に設定しておけばよい。ここで、通電の停止中に、複数回の電位Ｖ１、Ｖ２測定を実行してもよい。また、電圧値と通電時間と通電停止時間との内の少なくとも１つが、燃料電池の状態に応じた可変値であってもよい。また、通常時には参照電極２０に水素を吸蔵させずに、電極電位測定の直前に参照電極２０に電圧を印加して水素を吸蔵させてもよい。ただし、所定の一定時間毎に参照電極２０に電圧を印加すれば、参照電極２０中の水素濃度が過度に低くなることを抑制できるので、電位測定に要する待ち時間が過度に長くなることを抑制できる。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例におけるアノードセパレータ１７０ａを電解質層側から見た概略図である。図４には、燃料ガス流路１９０ａの形状が示されている。このアノードセパレータ１７０ａを用いる単セル１０ａの構成は、図１に示す単セル１０とほぼ同じである。図１の単セル１０と異なる点は、参照電極３００ａが電解質層（図示せず）のアノード側に設けられている点だけである。図４には、積層方向に沿って見た単セル１０ａのアノード触媒層１３０ａおよびアノード拡散層１５０ａの輪郭と、参照電極３００ａと、が示されている。第２実施例では、積層方向に沿ってみた場合に、アノード触媒層１３０ａの輪郭と、アノード拡散層１５０ａの輪郭とが、一致していることとしている。また、図１の参照電極２０と同様に、参照電極３００ａの全体は電解質で覆われており、アノード触媒層１３０ａとアノード拡散層１５０ａとに設けられた貫通穴（図示せず）に参照電極３００ａがはめ込まれている。なお、単セル以外の燃料電池システム構成は、図１に示す燃料電池システム９００と同じである。
【００４６】
このアノードセパレータ１７０ａには、溝形状を有する燃料ガス流路１９０ａと、燃料ガス流路１９０ａの一端と連通する供給口ＩＭＡと、燃料ガス流路１９０ａの他端と連通する排出口ＥＭＡと、が形成されている。アノードセパレータ１７０ａの内のハッチングを付した部分は溝１９０ａを形成する壁である。アノードセパレータ１７０ａがアノード拡散層１５０ａに積層されることによって、この壁がアノード拡散層１５０ａに接触する。燃料ガス流路１９０ａは、このアノード拡散層１５０ａと対向する領域を蛇行するように形成されている。燃料ガスは供給口ＩＭＡから供給され、アノード排ガスは排出口ＥＭＡから排出される。参照電極３００ａは、燃料ガス流路１９０ａの下流側の途中部分と対向する位置に配置されている。具体的には、参照電極３００ａは、排出口ＥＭＡの近傍から上流側に少しだけ遡った部分と対向する位置に配置されている。
【００４７】
図５は、発電中の燃料ガス流路１９０ａにおける水素量を示す概略図である。図５には、図４と同じアノードセパレータ１７０ａが示されている。また、燃料ガス流路１９０ａ上に示された矢印は、水素の流れを示している。ここで、矢印の太さは、単位時間当たりの水素供給量（水素流量）を示している。なお、図５には、単セル１０ａに対する水素供給量が発電に要する量と比べて不足した状態が示されている。このような状態は、例えば、燃料ガス流路１９０ａの途中の水の蓄積量が増大した場合に生じ得る。
【００４８】
供給口ＩＭＡから供給された水素は電気化学反応に利用されるので、燃料ガス流路１９０ａの下流側ほど、残存水素量（水素供給量）が少なくなる。また、単セル１０ａに対する水素供給量が不足しているので、燃料ガス流路１９０ａの途中で水素が尽きてしまう。
【００４９】
ところで、単セルは、しばしば、燃料電池スタックに組み込んで使用される。燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した構成を有している。そして、図４、図５に示すように、燃料電池スタックに組み込まれた複数の単セル（単セル１０ａおよび単セル１０ｘを含む）に対しては、並列に燃料ガスが供給され、並列にアノード排ガスが排出される。具体的には、各単セルが有する供給口ＩＭＡが、複数の単セルに共通なアノードガス供給賂Ａｉｎに接続され、各単セルが有する排出口ＥＭＡが、複数の単セルに共通なアノード排ガス排出路Ａｏｕｔに接続される。スタックに対する水素供給量は、発電に要する量と比べて不足しないように十分な量に調整される。その結果、アノード排ガス排出路Ａｏｕｔには、水素を含む排ガスがスタックから排出される。ここで、発電中に一部の単セルに関して図５に示すように水素供給量が不足したと仮定する。すると、アノード排ガス排出路Ａｏｕｔに排出された水素ガスが、水素不足な単セルの排出口ＥＭＡに逆流する。このような水素ガスの逆流は、燃料ガス中の水素濃度が高いほど生じやすく、特に純水素を燃料ガスとして利用する場合に生じやすい。その結果、図５に示すように、アノード触媒層１３０ａの内の排出口ＥＭＡに最も近い部分ＤＰ（最下流部分に相当する）では、逆流した水素が供給されるので、水素不足が生じにくくなる。また、単セルに供給される燃料ガス量が徐々に減少した場合に、アノード触媒層１３０ａの内の最初に水素が欠乏する部分は、最下流部分ＤＰではなく、最下流部分ＤＰよりも上流の途中部分ＭＰとなる。なお、最下流部分ＤＰと途中部分ＭＰとの距離は、単セル１０ａの構造および運転条件によって決まる。例えば、その距離が数ｍｍから数十ｍｍになる場合がある。
【００５０】
そこで、第２実施例では、参照電極３００ａを、このような最初に水素が欠乏する部分ＭＰと対向する位置に設けている。この理由は、アノード電位に基づいて水素不足を素早く検知するためである。図６は、参照電極の位置とアノード電位との関係を示す概略図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、単セル１０ｂ、１０ｃを横方向に沿ってみた断面図のアノード側の半分を、それぞれ示している。各単セル１０ｂ、１０ｃの構成は互いに同じである。また、図１に示す単セル１０との差違は、参照電極３００ｂ、３００ｃがカソード側の代わりにアノード側に設けられている点だけであり、他の構成は図１の単セル１０と同じである。各単セル１０ｂ、１０ｃのアノード側は、電解質層１１０ｂ、１１０ｃ、アノード触媒層１３０ｂ、１３０ｃ、アノード拡散層１５０ｂ、１５０ｃ、アノードセパレータ１７０ｂ、１７０ｃを、この順番に積層した積層構造を、それぞれ有している。なお、参照電極３００ｂ、３００ｃは、図１の参照電極２０と同様に、それらの全体が電解質（図示せず）によって覆われている。
【００５１】
図６（Ａ）は、単セル１０ｂの全体でアノードに供給される水素量が不足している場合を示している。水素量が不足している場合には、アノード触媒層１３０ｂにおける電極反応に利用され得る水素量が減少するので、アノード電位Ｖ２ｂが上昇する（電位差が大きい）。一方、図６（Ｂ）は、単セル１０ｃの全体で水素量が十分である場合を示している。水素量が十分である場合には、アノード触媒層１３０ｃにおける電極反応に利用され得る水素量が十分であるので、アノード電位Ｖ２ｃが低くなる（電位差が小さい）。
【００５２】
図６（Ｃ）には、単セル１０ｄを横方向に沿って見た断面図のアノード側の半分が示されている。この単セル１０ｄは、上述の２枚の単セル１０ｂ、１０ｃの各層の縁を互いに接続して１枚の単セルに形成したものである。ここで、燃料ガスは、第２単セル１０ｃ側から第１単セル１０ｂ側へ流されることとしている。また、図６（Ｃ）は、単セル１０ｄの一部分で水素が不足した場合を示している。具体的には、下流側の第１単セル１０ｂ部分では、図６（Ａ）と同様に水素量が不足しており、上流側の第２単セル１０ｃ部分では、図６（Ｂ）と同様に水素量が十分である。
【００５３】
ここで、水素量が不足した部分に設けられた第１参照電極３００ｂを基準に測定した第１アノード電位Ｖ２ｄｂは、図６（Ａ）のアノード電位Ｖ２ｂと同様に高くなる（電位差が大きい）。一方、水素量が十分な部分に設けられた第２参照電極３００ｃを基準に測定した第２アノード電位Ｖ２ｄｃは、図６（Ｂ）のアノード電位Ｖ２ｃと同様に低くなる（電位差が小さい）。このような参照電極の位置の違いによるアノード電位の違いは、以下のように説明できる。電解質層１１０ｂ、１１０ｃにおけるプロトンの移動のし易さ（例えば、移動度）は、アノード電極（アノード触媒層１３０ｂ、１３０ｃ）における電子の移動のし易さと比べて、小さい場合が多い。特に、燃料電池では、発電効率を高めるために、電解質層１１０ｂ、１１０ｃが薄く、かつ、広く形成される傾向にある。従って、電解質層１１０ｂ、１１０ｃにおけるプロトンの移動のし易さは、さらに小さくなる傾向にある。従って、電解質層内の各部分がアノード電位に与える影響は、アノード電極および参照電極から遠いほど小さくなる。その結果、ある参照電極を基準とするアノード電位は、その参照電極およびアノード電極に近い部分のみから構成される単セルを用いた場合のアノード電位に近くなると推定される。
【００５４】
例えば、第１参照電極３００ｂを基準とする第１アノード電位Ｖ２ｄｂは、第１参照電極３００ｂに近い部分（第１単セル１０ｂ）のみを用いた場合の電位、すなわち、図６（Ａ）の第１アノード電位Ｖ２ｂと同様に高い値となる（電位差が大きい）。一方、第２参照電極３００ｃを基準とする第２アノード電位Ｖ２ｄｃは、第２参照電極３００ｃに近い部分（第２単セル１０ｃ部分）のみを用いた場合の電位、すなわち、図６（Ｂ）の第２アノード電位Ｖ２ｃと同様に低い値となる（電位差が小さい）。
【００５５】
また、参照電極の位置の違いによるアノード電位の違いの説明は、以下のようにも推定される。単セル１０ｄ内の一部の領域で水素が不足した場合には、その領域における電解質層中のプロトンも減少する。これにより、電解質層１１０ｂ、１１０ｃにおけるプロトンの量（濃度）の分布にバラツキが生じる。そして、上述したように電解質層１１０ｂ、１１０ｃにおけるプロトンの移動のし易さは比較的小さいので、このバラツキは直ぐには解消されない場合が多い。ここで、第１アノード電位Ｖ２ｄｂは、プロトン量の十分な第１参照電極３００ｂの近傍の電解質と、プロトン量の減少した第１電解質層１１０ｂとを、介した電位差を表す。その結果、第１アノード電位Ｖ２ｄｂは、図６（Ａ）の第１アノード電位Ｖ２ｂと同様に高くなると推定される（電位差が大きい）。一方、第２アノード電位Ｖ２ｄｃは、プロトン量の十分な第２参照電極３００ｃの近傍の電解質と、プロトン量の十分な第２電解質層１１０ｃとを、介した電位差を表す。その結果、第２アノード電位Ｖ２ｄｃは、図６（Ｂ）の第２アノード電位Ｖ２ｃと同様に低くなると推定される（電位差が小さい）。
【００５６】
なお、各参照電極３００ｂ、３００ｃは、いずれも、十分に水素を吸蔵した状態で電位測定に利用される。従って、各参照電極３００ｂ、３００ｃは、それぞれ、周囲の状態に拘わらずに安定な電極電位を示している。また、アノード電極は導電性の良好な材料で形成されている。従って、アノード電極上の位置の違いによるアノード電位の違いは十分に小さい。
【００５７】
以上のように、アノード電位は、電解質層の内の参照電極が接続された部分に供給される水素量が不足すると高くなる傾向にある。従って、アノード電位を用いて水素不足を早期に検知するためには、電解質層内の参照電極を接続する位置として、水素不足が生じやすい部分を採用することが好ましい。そこで、第２実施例では、図４、図５に示すように、アノード触媒層１３０ａの内の最初に水素が欠乏する部分ＭＰと対向する位置に参照電極３００ａが配置されている。その結果、単セルに対する燃料ガス供給量が不足した場合には、直ぐにアノード電位が上昇するので、水素不足を早期に検知することが可能となる。
【００５８】
また、第２実施例では、図４で説明したように、参照電極３００ａは、アノード触媒層１３０ａに設けられた穴にはめ込まれている。すなわち、単セルの積層方向に沿って見た場合に、参照電極３００ａは、電気化学反応が進行するアノード電極（アノード触媒層１３０ａ）と対向する位置に配置されている。その結果、参照電極３００ａを基準とするアノード電位は、電気化学反応が進行する部分の状態を適切に反映することができる。
【００５９】
Ｃ．第３実施例：
図７、図８は、第３実施例における燃料電池システム９１０の構成を示す概略図である。図１に示す燃料電池１０との差違は、第３実施例の燃料電池８００は熱電対ＴＣを有し、参照電極５２０に電気的に接続された信号線５２２が、熱電対ＴＣの一方の素線（ワイヤ）として利用される点である。また、第３実施例の燃料電池システム９１０は、この熱電対ＴＣの熱起電力を測定する熱起電力測定回路７１０と、熱電対ＴＣの断線の有無を判別する断線判別回路７２０とを有している。他の構成は図１の燃料電池システム９００と同じである。なお、図７には、燃料電池システム９１０の構成要素の内の、カソード電位Ｖ１とアノード電位Ｖ２との測定に利用される要素のみが示されている。図８には、燃料電池システム９１０の構成要素の内の、熱電対ＴＣの熱起電力の測定と、熱電対ＴＣの断線の有無の判別とに利用される要素のみが示されている。
【００６０】
図７には、図１と同様に、燃料電池８００（単セル８００）を横方向に沿って見た断面図が示されている。単セル８００は、カソードセパレータ５１６、カソード拡散層５１４、カソード触媒層５１２、電解質層５１１、アノード触媒層５１３、アノード拡散層５１５、アノードセパレータ５１７が、この順番に積層された積層構造を有している。各層は、図１の各層と同様に形成されている。例えば、カソードセパレータ５１６には溝状の酸化ガス流路５１８が形成され、アノードセパレータ５１７には溝状の燃料ガス流路５１９が形成されている。
【００６１】
なお、第３実施例では、加工を容易にするためにカソード触媒層５１２およびカソード拡散層５１４には参照電極５２０をはめ込むための穴は形成されておらず、参照電極５２０は、カソード触媒層５１２とカソード拡散層５１４との間に挟まれている。また、参照電極５２０の全体は、電解質層５１１と同じ材料で形成された電解質５２１によって覆われており、参照電極５２０は、この電解質５２１によってカソード触媒層５１２とカソード拡散層５１４とから電気的に絶縁されている。また、カソード触媒層５１２は、電解質層５１１と同じ電解質を含む材料を用いて形成されている。従って、電解質５２１およびカソード触媒層５１２は、参照電極５２０と電解質層５１１との間でプロトンを伝導する。すなわち、参照電極５２０は、電解質層５１１からプロトンを吸引して吸蔵可能なように電解質層５１１に接続されている。ただし、カソード触媒層５１２に貫通穴を設け、この穴に参照電極５２０をはめ込んでもよい。
【００６２】
参照電極５２０（図７）には、信号線５２２が電気的に接続されている。この信号線５２２は、図１の信号線２２と同様に、電圧計ＶＭ１、ＶＭ２及びスイッチＳＷに接続されている。コントロールユニット７００は、スイッチＳＷを制御することによって、カソード電圧計ＶＭ１とアノード電圧計ＶＭ２とから、カソード電位Ｖ１とアノード電位Ｖ２とをそれぞれ取得する。そして、コントロールユニット１００は、取得した電位Ｖ１、Ｖ２から、単セル１０の動作状態を判定する。これらの処理は、図１〜図３に示した第１実施例と同様に実行される。
【００６３】
一方、図８には、図７における単セル８００のＡ−Ａ断面が示されている。このＡ−Ａ断面は、積層方向に沿って見た断面であり、カソードセパレータ５１６およびカソード拡散層５１４の一部分と参照電極５２０と熱電対ＴＣとを示している。
【００６４】
熱電対ＴＣは、参照電極５２０と同様に、カソード触媒層５１２とカソード拡散層５１４との間に挟まれている。この熱電対ＴＣは、２種類の金属線５２２、５２３を有している。これらの金属線５２２、５２３の接点ＣＰは、単セル８００の内部に配置されている。参照電極５２０は、第１金属線５２２の途中に電気的に接続されている。すなわち、参照電極５２０は、第１金属線５２２の一部に接した状態で設けられている。また、各金属線５２２、５２３は、絶縁被覆５２４によって覆われることによって、単セル８００の他の構成要素との間の電気伝導およびイオン（プロトン）伝導から絶縁されている。これらの金属線５２２、５２３は、単セル８００の外まで延びており、スイッチユニットＳＷａに接続されている。スイッチユニットＳＷａは、各金属線５２２、５２３と熱起電力測定回路７１０との接続状態、および、各金属線５２２、５２３と断線判別回路７２０との接続状態を、独立に切り替える。
【００６５】
なお、カソード触媒層５１２とカソード拡散層５１４との間の隙間が過剰に大きくなることを抑制するためには、熱電対ＴＣの各金属線５２２、５２３および参照電極５２０の積層方向に沿った大きさ（例えば、金属線５２２、５２３の断面の直径）が小さいことが好ましい。ただし、カソード拡散層５１４が柔らかいほど、その大きさを大きくすることができる。
【００６６】
また、図８中の第１金属線５２２の途中に記されたＢ点は、図７に示されたＢ点と同じ位置を示している。すなわち、第１金属線５２２は、図７に示すように電圧計ＶＭ１、ＶＭ２とスイッチＳＷとに接続されるとともに、図８に示すようにスイッチユニットＳＷａにも接続されている。なお、図８では、各金属線５２２、５２３の内の、単セル８００の外の部分が、幅広線の代わりに細線で表されている。
【００６７】
熱起電力測定回路７１０は、熱電対ＴＣの起電力を測定し、測定された起電力を接点ＣＰの温度に換算する。コントロールユニット７００は、スイッチユニットＳＷａを制御することによって、２つの金属線５２２、５２３と熱起電力測定回路７１０とを接続する。そして、コントロールユニット７００は、熱起電力測定回路７１０を制御することによって、接点ＣＰの温度、すなわち、単セル８００の温度を取得する。取得された温度は種々の処理に利用され得る。例えば、コントロールユニット７００は、図示しない表示パネルに温度を表示することによって、ユーザに単セル８００の動作状況を提示する。また、コントロールユニット７００は、単セル８００の温度が所定の温度範囲内に維持されるように、単セル８００に対する冷却水（図示せず）の供給量を温度に基づいて調整してもよい。
【００６８】
なお、熱電対ＴＣを構成する２種類の金属線５２２、５２３の材料としては、種々の材料を採用可能である。例えば、クロメルとアルメルとを用いてもよい。また、熱起電力測定回路７１０の構成としては、種々の構成を採用可能である。また、上述のような温度取得は、参照電極５２０に対する通電、および、電位Ｖ１、Ｖ２の測定とは、排他的に実行されることが好ましい。こうすれば、電位および温度の測定誤差が大きくなることを抑制できる。
【００６９】
一方、断線判別回路７２０は、熱電対ＴＣの断線の可能性の有無を判別する。コントロールユニット７００は、スイッチユニットＳＷａを制御することによって、２つの金属線５２２、５２３と断線判別回路７２０とを接続する。そして、コントロールユニット７００は、断線判別回路７２０を制御することによって、熱電対ＴＣの断線の可能性の有無を確認する。この確認結果は種々の処理に利用され得る。例えば、コントロールユニット７００は、図示しない表示パネルに、断線が生じていることを表す情報を表示する。これにより、コントロールユニット７００は、第１金属線５２２、あるいは、第２金属線５２３が断線している可能性があること、すなわち、温度、および、電位Ｖ１、Ｖ２が適切に測定されていない可能性があることを、容易にユーザに報知することができる。
【００７０】
なお、断線判別回路７２０の構成としては、断線の可能性の有無を判別可能な任意の構成を採用可能である。例えば、金属線５２２、５２３間の電気抵抗を測定し、抵抗値が所定の閾値以上である場合に断線していると判断する構成を採用可能である。また、断線判別は、電位Ｖ１、Ｖ２の測定、および、熱起電力の測定とは、排他的に実行されることが好ましい。こうすれば、電位Ｖ１、Ｖ２や熱起電力の測定誤差が大きくなることを抑制できる。
【００７１】
以上のように、第３実施例では、第１実施例と同様に、参照電極５２０を安定な基準電位を示す電極として利用可能である。また、単セル８００の内部に熱電対ＴＣが組み込まれているので、コントロールユニット７００は、単セル８００内部の温度を容易に取得できる。さらに、第３実施例では、熱電対ＴＣの一方の素線（第１金属線５２２）が、熱電対ＴＣの熱起電力の測定と、参照電極５２０の電極電位の検知と、に共通に利用されるので、単セル８００の構成が過度に複雑化することを抑制できる。また、断線判別回路７２０によって金属線５２２、５２３の切断の可能性の有無が判別されるので、温度、および、電位Ｖ１、Ｖ２が適切に測定されていない可能性があることを容易に判別できる。
【００７２】
なお、図８の例において、熱起電力測定回路７１０と断線判別回路７２０とのうちのいずれか一方を省略してもよい。ここで、熱起電力測定回路７１０を省略する場合には、第１金属線５２２と第２金属線５２３とを同じ材料で形成してもよい。また、各金属線５２２、５２３の全体を１本の連続な金属線を用いて形成してもよい。すなわち、単セル８００の外部から内部を通って再び外部へ至る金属線に参照電極５２０を接続してもよい。いずれの場合も、金属線の断線の可能性を判別する断線判別回路７２０を用いれば、電位Ｖ１、Ｖ２が適切に測定されていない可能性があることを容易に判別できる。
【００７３】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
変形例１：
上記各実施例において、参照電極の構成としては水素吸蔵金属（合金を含む）を用いて形成された種々の構成を採用可能である。例えば、水素吸蔵金属を板状に加工したものを採用してもよい。例えば、図１の第１実施例において、カソード拡散層１４よりも薄い数ｍｍ角のパラジウム板を採用してもよい。また、水素吸蔵金属の粒子と電解質とを適当な溶剤（例えばアルコール）を用いて混合し、塗布やスプレー等の方法を用いてこの混合物の膜を形成し、得られた膜を参照電極として利用してもよい。この際、電解質層上に直接に混合物の膜を形成してもよい。また、別体の電解質膜上に混合物の膜を形成し、形成された膜を電解質層にプレスによって接合してもよい。
【００７５】
また、参照電極の形成に利用される水素吸蔵金属としては、パラジウム（Ｐｄ）に限らず、通電によってプロトンを吸蔵可能な種々の水素吸蔵金属（合金を含む）を採用可能である。例えば、パラジウムを主成分として含む合金を採用してもよい。また、ニッケル−水素吸蔵合金電池の負極としてしばしば利用される合金（例えば、ニッケル希土類元素合金や、ニッケルチタン合金）を採用してもよい。いずれの場合も、燃料電池の動作中の環境下（例えば、酸化雰囲気下や、還元雰囲気下や、酸性雰囲気下や、アルカリ性雰囲気下）において、安定な材料を採用することが好ましい。
【００７６】
また、電解質層からプロトンを吸引して吸蔵可能なように電解質層に参照電極を接続する方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、図１や図４に示す実施例のように、電極（アノード電極、あるいは、カソード電極）に電解質層が見えるような穴を設け、その穴の中に参照電極をはめ込んでも良い。また、図７に示す実施例のように、プロトン伝導性を有する触媒層（カソード触媒層５１２あるいはアノード触媒層５１３）を間に介して参照電極５２０と電解質層５１１とを接続してもよい。また、参照電極を電解質層の内部に埋め込んでも良い。一般には、参照電極を電解質層に直接に接触させる方法、あるいは、参照電極と電解質層とをプロトン伝導性を有する材料を介して接続する方法を、採用可能である。
【００７７】
なお、参照電極を覆う電解質被覆を省略してもよい。ただし、参照電極を電気的に絶縁するためには、電気的な絶縁体被覆を用いて参照電極の全体を覆うことが好ましい。また、参照電極に被覆を設ければ、参照電極の周囲の状態の影響が参照電極の電極電位に及ぶことを抑制することもできる。ここで、電解質層と同じ電解質を用いて被覆を形成すれば、参照電極と電解質層との接続を容易に行うことができる。
【００７８】
変形例２：
上記各実施例において、酸化ガスおよび燃料ガスの流路（例えば、図１の酸化ガス流路１８、燃料ガス流路１９、図４の燃料ガス流路１９０ａ、図７の酸化ガス流路５１８、燃料ガス流路５１９）の形状としては、任意の形状を採用可能である。例えば、並列に接続された複数の流路をガス流路として採用してもよい。また、セパレータの構成としては、このようなガス流路が形成されたものに限らず、溝のないフラットな面でガス拡散層と接触する構成を採用してもよい。この場合には、ガス拡散層に発電用のガス（燃料ガスや酸化ガス）を流せばよい。
【００７９】
いずれの場合も、電解質層内の参照電極を接続する位置としては、任意の位置を採用可能である。ただし、電位の測定対象の電極（アノード電極あるいはカソード電極。以下「対象電極」とも呼ぶ）と対向する位置を採用することが好ましい。すなわち、単セルの積層方向に沿って見た場合に、対象電極の輪郭の内側の位置を採用することが好ましい。こうすれば、対象電極と参照電極とを近づけることができるので、測定される電極電位（アノード電位あるいはカソード電位）は、対象電極の状態を適切に反映することが可能となる。
【００８０】
また、電解質層内の参照電極を接続する位置としては、アノード電極（例えば、図１のアノード触媒層１３、図７のアノード触媒層５１３）の下流部分と対向する位置を採用することが好ましい。単セルに対する燃料ガス供給量が減少した場合には、下流部分では、上流部分よりも先に水素が不足する傾向にある。従って、このような下流部分と対向する位置に参照電極を設ければ、水素不足を早期に検知できる。なお、「下流部分」とは、アノード電極の全体の内の下流側半分を意味している。換言すれば、「下流部分」とは、水素の流れる軌跡に沿ってアノード電極を見た場合に、その軌跡の下流側半分と対向する部分を意味している。例えば、図４の例では、燃料ガス流路１９０ａの中間部分ＨＰよりも下流側から水素の供給を受ける部分１３０ａＬが「下流部分」に相当する。
【００８１】
ここで、燃料ガス中の水素濃度が高い場合（特に、燃料ガスとして純水素を利用する場合）には、アノード電極の最下流部分（例えば、図５の例では、排出口ＥＭＡに最も近い部分ＤＰ）よりも上流側の方が、水素が不足し易い。そこで、電解質層内の参照電極を接続する位置としては、アノード電極の下流部分の内の最下流部分よりも上流の所定の部分と対向する位置を採用することが好ましい。ここで、このような位置としては、単セルに供給される燃料ガス量が不足した場合に、アノード電極の下流部分の内の最下流部分よりも単位時間当たりの水素供給量が小さくなる部分と対向する位置を採用することが好ましい。また、このような位置の内でも、図４、図５の実施例のように、単セルに供給される燃料ガス量が徐々に減少した場合に最初に水素が欠乏する部分と対向する位置を採用することが特に好ましい。こうすれば、水素不足の検知をより早く行うことができる。特に、燃料電池では、水素不足に起因して劣化が大きく進行するので、水素不足を早期に検知できれば、燃料電池の劣化の進行を抑える対策（例えば、燃料ガス供給量の増大）を実行することが容易となる。なお、これらのような位置は、燃料電池システムの構造（例えば、単セル内の燃料ガス流路の形状、単セルのアノード排ガス排出口よりも下流のガス流路の形状）および運転条件（例えば、燃料ガス中の水素濃度、供給される燃料ガスの圧力）によって決まる。そこで、これらのような位置を実験的に求めればよい。また、アノード電極の最下流部分とは、アノード電極の下流部分の内の、単セルのアノード排ガス排出口に最も近い部分を意味している。１つの単セルに複数のアノード排ガス排出口が設けられている場合には、任意の排出口を基準として参照電極の位置を決定することができる。
【００８２】
以上のアノード電極を基準とする参照電極の位置についての説明は、カソード電極を基準として参照電極の位置を決定する場合にも、同様に適用できる。この場合には、上述の説明において水素を酸素に置き換え、さらに、燃料ガスを酸化ガスに、アノードをカソードに、それぞれ置き換えればよい。例えば、電解質層内の参照電極を接続する位置として、カソード電極（例えば、図１のカソード触媒層１２、図７のカソード触媒層５１２）の下流部分と対向する位置を採用すれば、酸素不足を早期に検知することができる。
【００８３】
いずれの場合も、電解質層内の参照電極を接続する位置は、予め実験的に決定すればよい。また、積層方向に沿って見た位置が同じであれば、電解質層のアノード側に参照電極を接続してもよく、電解質層のカソード側に参照電極を接続してもよく、電解質層の内部に参照電極を埋め込んでも良い。
【００８４】
変形例３：
上記各実施例において、参照電極に負電位の電圧を印加する場合に正電位の電圧が印加される電極としては、アノード電極を採用してもよく、この代わりに、カソード電極を採用してもよい。
【００８５】
また、上記各実施例において、カソード電圧計ＶＭ１（図１、図７）を省略してアノード電圧計ＶＭ２のみを利用してもよく、この代わりに、アノード電圧計ＶＭ２を省略してカソード電圧計ＶＭ１のみを利用してもよい。
【００８６】
変形例４：
上記各実施例において、アノード電位およびカソード電位に基づく不具合の可能性の有無の判定方法としては、図３の方法に限らず、種々の方法を採用可能である。例えば、カソード電位閾値Ｖ１ｔｈおよびアノード電位閾値Ｖ２ｔｈが、燃料電池に接続された負荷の大きさに応じた可変値であってもよい。また、現行のアノード電位と燃料電池の使用開始時のアノード電位との差分が閾値を超えたことに応じて、アノード電極に不具合の可能性があると判定してもよい。同様に、現行のカソード電位と燃料電池の使用開始時のカソード電位との差分が閾値を超えたことに応じて、カソード電極に不具合の可能性があると判定してもよい。なお、これらの判定で利用される電極電位は、いずれも、発電中に測定されたものである。この際、発電電流値が同じ場合の電位を用いることが好ましい。
【００８７】
また、アノード電位およびカソード電位を利用する処理としては、不具合の可能性の有無の判定に限らず、種々の処理を採用可能である。例えば、不具合の可能性の有無に拘わらずに、アノード電位に基づいて燃料電池に対する燃料ガスの供給量を調整してもよい。同様に、カソード電位に基づいて燃料電池に対する酸化ガスの供給量を調整してもよい。
【００８８】
変形例５：
上記各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、コントロールユニット１００（図１）の機能を、論理回路を有するハードウェア回路によって実現することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】動作状態の判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】動作判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】第２実施例におけるアノードセパレータ１７０ａを電解質層側から見た概略図である。
【図５】発電中の燃料ガス流路１９０ａにおける水素量を示す概略図である。
【図６】参照電極の位置とアノード電位との関係を示す概略図である。
【図７】第３実施例における燃料電池システム９１０の構成を示す概略図である。
【図８】第３実施例における燃料電池システム９１０の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｘ...燃料電池（単セル）
１１...電解質層
１２...カソード触媒層
１３...アノード触媒層
１４...カソード拡散層
１５...アノード拡散層
１６...カソードセパレータ
１７...アノードセパレータ
１８...酸化ガス流路
１９...燃料ガス流路
２０...参照電極
２１...電解質
２２...信号線
１００...コントロールユニット
１１０ｂ...第１電解質層
１１０ｃ...第２電解質層
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ...アノード触媒層
１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ...アノード拡散層
１７０ａ...アノードセパレータ
１７０ｂ...アノードセパレータ
１９０ａ...燃料ガス流路
３００ｂ...第１参照電極
３００ｃ...第２参照電極
５１１...電解質層
５１２...カソード触媒層
５１３...アノード触媒層
５１４...カソード拡散層
５１５...アノード拡散層
５１６...カソードセパレータ
５１７...アノードセパレータ
５１８...酸化ガス流路
５１９...燃料ガス流路
５２０...参照電極
５２１...電解質
５２２...第１金属線
５２３...第２金属線
５２４...絶縁被覆
７００...コントロールユニット
７１０...熱起電力測定回路
７２０...断線判別回路
８００...燃料電池（単セル）
９００、９１０...燃料電池システム
Ｈ...貫通穴
ＴＣ...熱電対
ＣＰ...接点
ＢＴ...バッテリ
ＳＷ...スイッチ
ＶＭ１...カソード電圧計
ＶＭ２...アノード電圧計
ＩＭＡ...供給口
ＥＭＡ...排出口
ＳＷａ...スイッチユニット
Ａｉｎ...アノードガス供給賂
Ａｏｕｔ...アノード排ガス排出路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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