(57)【要約】      （修正有）【課題】汚染物質による燃料電池の特性劣化を事前に回避できるようにした燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池の酸化剤極に空気を取り入れる空気配管１１内部、空気フィルター１４の直後に、汚染物質を電気化学的に検出する電気化学センサー２０を設ける。電気化学センサーは、酸化剤ガス供給経路中に進入した汚染物質を検出するためのものであり、プロトン導電性材料で覆われている検出極と、参照極とを備えており、検出極は少なくともプラチナを含む材料で構成されている。【選択図】図１
2008282680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス供給経路中に進入した汚染物質を検出するための電気化学センサーを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電気化学センサーは、プロトン導電性材料で覆われている検出極と、参照極とを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出極は、少なくともプラチナを含む材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出極上のプロトン導電性材料の厚さは、前記検出極の厚さを１としたとき、プロトン導電材料の厚さが０．００１〜０．１とすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検出極は、カーボン粒子にプラチナを坦持したものであり、プラチナの坦持量は０．０００１〜３ｍｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検出極は、カーボン粒子にプラチナを坦持したものであり、プラチナの坦持量は９〜２０μｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電気化学センサーの上流に酸化剤ガス供給経路中の空気を加湿する加湿手段をさらに設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電気化学センサーの下流に酸化剤ガス供給経路中の空気を加湿する加湿手段と、当該加湿手段によって加湿された酸化剤ガスの一部を前記電気化学センサーの上流側に導く経路とを、さらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記電気化学センサーは、前記検出極および前記参照極の間を所定の電位に設定し、前記検出極および前記参照極の間の電流値を計測することで汚染物質の量を検出することを特徴とする請求項２〜８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記汚染物質の量は、あらかじめ作成された検量線または検量式に前記電流値を当てはめて求めることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記前記汚染物質の量に基づいて、汚染状態を外部に表示する表示手段をさらに有することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、通常、燃料極側に水素を供給する一方、酸化剤極側には、酸化剤となる酸素の供給源として空気を供給している。
【０００３】
近年車両にこの燃料電池を搭載するための開発が行われているが、長期間運転することで、種々の汚染物質が、空気と一緒に取り込まれてしまうため、それらによる燃料電池が劣化するという問題のあることがわかってきた。
【０００４】
このような問題を解決するための技術として、内部流路に蓄積した不純物の少なくとも一部を排出するために、反応流路の少なくとも一部への不純物の蓄積を検知する蓄積検知部を備え、その検知結果に応じて蓄積された不純物を燃焼させる技術がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−３２７６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術は、反応流路内の流路抵抗を計測することで不純物の検知を行っているため、固形物に対処することはできても、亜硫酸ガスなど燃料電池の特性劣化をもたらす化学的な汚染物質には対処できないといった問題がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、燃料電池の特性劣化をもたらす化学的な汚染物質を検出して、汚染物質による燃料電池の特性劣化を事前に回避できるようにした燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を解決するための本発明は、酸化剤ガス供給経路中に進入した汚染物質を検出するための電気化学センサーを有することを特徴とする燃料電池システム。
【０００８】
本発明において、前記電気化学センサーは、プロトン導電性材料で覆われている検出極と、参照極とを備えていることを特徴とする。また、前記検出極は、少なくともプラチナを含む材料で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池に内に入り込むおそれのある汚染物質を検出して、汚染物質による燃料電池の特性劣化を事前に回避できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明を適用した実施形態における燃料電池システムの第１の構成例を示す説明図である。図２は、本発明を適用した実施形態における燃料電池システムの第２の構成例を示す説明図である。図３はこの燃料電池システムに用いた電気化学センサーの第１の構成例を説明する説明図であり、図４はこの燃料電池システムに用いた電気化学センサーの第２の構成例を説明する説明図である。
【００１２】
本実施形態における燃料電池システムは、車両に搭載されるものを例に説明する。
【００１３】
まず、図１を参照して本実施形態における燃料電池システムの第１の構成例を説明する。
【００１４】
第１の構成例の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、この燃料電池スタックの酸化剤極側へ空気を導入する空気配管１１（酸化剤ガス供給経路）と、外部から取り込んだ空気を空気配管１１へ所定の圧力で流し込むための圧縮機１２と、圧縮機１２からの空気を加湿する加湿器１３（加湿手段）と、圧縮機の上流で空気取り入れ口の近くに設けられた空気フィルター１４と、取り込んだ空気の温度を調節するための熱交換器１５と、酸化剤極からの排気を排出するための排気配管１６と、酸化剤極側の気圧を調整するために排気配管１６に設けられた圧力調整弁１７と、を有する。
【００１５】
そして、空気配管１１内部には、電気化学センサー２０（詳細後述）が備えられている。また、全体の制御とともに、電気化学センサー２０による汚染物質の検出を実行するためのコンピュータとして、車両に搭載されているＥＣＵ１８（エンジンコントロールユニット）が設けられている。このＥＣＵ１８は、本実施形態において表示や警告を行うために、車室内の表示パネル５０に接続されている。
【００１６】
次に、図２を参照して第２の構成例について説明する。
【００１７】
第２の構成例における燃料電池システム２は、空気配管１１（酸化剤ガス供給経路）に設けられた電気化学センサー２０の下流側に、圧縮機１２、熱交換器１５、および加湿器１３（加湿手段）が備えられ、電気化学センサー２０の上流には空気フィルター１４が配置されものである。ただし、電気化学センサー２０は、汚染物質の検出のために若干の水分があった方がよいため電気化学センサー２０の上流に加湿器１３からの加湿された空気を導くための配管１９が設けられている。
【００１８】
このように第２の構成例は、上述した各部の配置が第１の構成例と異なるだけで、それらの機能動作は同様である。このため、以下の説明においては、第１の構成例をもとに説明する。
【００１９】
なお、燃料電池システムにおいては、通常、図１および図２に示した酸化剤極側の配管などのほかに燃料極側に燃料となる水素を供給するための配管などが備えられているが、水素極側の配管などの水素循環系については通常の燃料電池となんら変わることはなく、また、本発明の構成上、特に変更を要するものでもないので、図示およびそれらの詳細な説明は省略した。
【００２０】
また、これらの燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０は、通常のものであり、たとえば、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。
【００２１】
燃料電池スタック１０では、燃料極に燃料ガスである水素が供給され、酸化剤極には、空気配管１１を通して加湿された空気が供給されている。そして、燃料電池スタック１０内において各発電セルにおいて発電が行われ、酸素の一部が消費された空気が、排気配管１６を通して、外部（大気）に排出される。このとき、発電により生成した水も一緒排出され、その一部（または全部）は加湿器１３によって回収されて、取り込んだ空気の加湿に使用される。
【００２２】
また、熱交換機１５は、排気熱を利用して取り込まれた空気を温めるものである。加湿器１３は、ここでは排気からの水分を取り込み、取り込んだ空気を加湿するようにしている。なお、熱交換機１５と加湿器１３一つの装置となっていて、排気熱で取り込んだ空気を温めると共に排気からの水分を取り込んだ空気に加えるようにしたものもある。
【００２３】
また、空気フィルター１４は、たとえば不織布と活性炭などからなるフィルターであり、固形物はもちろん、塩素、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＨＳＯｘ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒化水素（ＮＨｘ）などの大気中にある汚染物質を取り去る効果がある。しかしながら、このような空気フィルターを取り付けていても、この空気フィルターの劣化や大気中の汚染物質の濃度が高い場合などには、これら汚染物質が除去しきれずに空気配管１１中に流れてきて、酸化剤極にまで到達するおそれがある。
【００２４】
電気化学センサー２０の配置位置は、空気フィルター１４の直後が好ましい。空気フィルター１４の直後に設置することで、いち早く汚染物質を検出することができる。
【００２５】
電気化学センサー２０は、第１の構成例として、図３に示すように、空気配管側壁１７ａとの絶縁をとるための絶縁体２１上に設置されている。電気化学センサー２０は、検出極２２と参照極２３からなり、両極の上がプロトン導電性材料２４によって覆われている。そして、検出極２２と参照極２３には、ポテンショスタット２５が接続されており、検出極２２と参照極２３の間の電位差が常に一定になるように制御しており、検出極２２と参照極２３の間を流れる電流を測定している。
【００２６】
検出極２２は、プラチナ（Ｐｔ）またはプラチナを含む合金の薄膜からなる。プラチナを含む合金の場合は、プラチナと、たとえば、４−６周期の８または９−１１族の金属からなる合金である。具体的には、コバルト、ニッケル、鉄、パラジウムなどを含む。
【００２７】
また、プラチナまたはプラチナを含む合金の薄膜は、他のベースとなる金属上に形成されていてもよく、たとえば、銅、アルミニウム、金など、電極材料となりうる導電性の金属（合金を含む）上に、スパッタリングや蒸着などにより形成することができる。もちろん、絶縁体２１上に、直接プラチナまたはプラチナを含む合金の薄膜を形成してもよい。
【００２８】
一方、参照極は、電極であれば、特に限定されず、たとえば銅、アルミニウム、金など、電極材料となりうる導電性の金属（合金を含む）であればよい。
【００２９】
プロトン導電性材料２４は、燃料電池の高分子固体電解質などとして用いられているものを使用することができる。具体的には、たとえば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。
【００３０】
ここで、検出極２２上のプロトン導電性材料２４の厚さは、検出極の厚さを１としたとき、プロトン導電材料の厚さ０．００１〜０．１となるようにすることが好ましい（すなわち、検出極の厚さ：プロトン伝導材料の厚さ＝１：０．００１〜１：０．１）
これは、プロトン導電材料２４の厚さを、検出極の厚さを１としたときに０．００１以上にすることで、センサーとしての耐久性を保つことができ、０．１以下とすることで汚染物質を電気化学的に検出する際に良好な感度を得ることができる。
【００３１】
ここで検出極２２の厚さは、空気配管１１内に設置したときに空気の流れを妨げない厚さであれば特に限定されるものではないが、プロトン導電材料２４の厚さは、検出極２２の厚さに応じて上記の比率内とするものの、あまり厚いとプロトンの移動が遅く、感度が低下するため、０．１μｍ以下とすることが好ましい。
【００３２】
次に電気化学センサー２０の第２の構成例を、図４を参照して説明する。
【００３３】
第２の構成例においても電気化学センサー２０は、空気配管側壁１７ａとの絶縁をとるための絶縁体２１上に設置されている。そしてこの第２の構成例における電気化学センサー２０は、検出極３２として、カーボン粒子３３にプラチナ粒子３４を坦持したものを用いている。そのほか参照極２３、プロトン導電性材料２４、ポテンショスタット２５は、第１の構成例と同様である。カーボン粒子３３にプラチナ粒子３４担持させる方法としては塗布法などがある。
【００３４】
この構成では、検出極３２におけるカーボン粒子３３に対するプラチナ粒子２４の坦持量は０．０００１〜３ｍｇ／ｃｍ２であることが好ましい。坦持量を０．０００１ｍｇ／ｃｍ２を以上とすることセンサーの耐久性を上げることができ、一方、３ｍｇ／ｃｍ２以下とすることで十分な感度を得ることができる。また、さらに好ましいプラチナの坦持量は、約９〜２０μｇ／ｃｍ２である。
【００３５】
図９は、プラチナ担持量と不純物の検出感度の実験結果を示すグラフである。
【００３６】
この実験は回転ディスク電極装置を用いた。試料は、プラチナの量を変えてカーボン粒子に担持させたものを、ナフィオンとともに有機溶媒（イソプロパノール）に溶解して作成した。なお、試料の調整方法は、周知の技術によるものであり、ここではHubert A. Gasteigerらによる「Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-Pt oxygenreduction catalysts for PEMFCs」、Applied Catalysis B: Environmental 56 (2005) 9-35、を参考に行った。
【００３７】
上記試料は、回転ディスク電極装置のガラスディスク（作用極）に滴下し、十分に乾させた（乾燥させることでディスク上に、ナフィオン膜とプラチナが担持されたカーボン粒子が塗布された状態となる）。
【００３８】
そして、窒素飽和条件下で１．０Ｍ−ＨＣｌＯ４の電解液を調整し、この電解液を用いてサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を測定し、水素吸着波から電気化学的な活性表面積を算出してこれを規格化用電極面積とした。そして、上記電解液中に酸素を導入して飽和させて、酸素還元電流（ＯＲＲ）を測定した。図９は測定した電流値を規格化用電極面積で除した１平方センチメートルあたりの電流密度である。
【００３９】
なお、参照極は可逆水素電極（ＲＨＥ）を用い、掃引速度はＣＶ測定時２０ｍＶ／ｓｅｃ、ＯＲＲ測定時５ｍＶ／ｓｅｃ、ディスク回転数はいずれも１６００ＲＰＭで実験した。
【００４０】
図９に示すように、プラチナの担持量が９．７μｇ／ｃｍ２および１９．２μｇ／ｃｍ２で同程度の電流密度が観測されている。一方、プラチナの担持量を３８．２μｇ／ｃｍ２に増やした試料では電流密度が低下している。したがって、プラチナの坦持量は、上記のとおり約９〜２０μｇ／ｃｍ２とすることで最も良好な感度を得ることができるのである。
【００４１】
このような電気化学センサー２０は、第１の構成例も第２の構成例も同様な作用を示す。汚染物質がプロトン導電材料２４上に到達すれば、その汚染物質と空気中の水分によってイオンが放出されるためプロトン導電材料２４中のプロトン量が変化する。このため、ポテンショスタット２５が一定電位に保とうとする働きにより検出極２２（または３１）と参照極２３の間を流れる電流量が変わることになる。しかもその電流量は、汚染物質の蓄積量に応じて変化するため、検出極２２（または３１）と参照極２３の間を流れる電流の変化度合いを観測することで、汚染物質の量が増えたかどうかを検出することができるようになる。
【００４２】
汚染物質としてたとえば、塩素、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＨＳＯｘ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒化水素（ＮＨｘ）など、空気中の水分によってイオンを放出するものであれば検出可能である。ここで必要な水分は、相対湿度３０〜１００％であれば、微量の汚染物質の検出が可能である。
【００４３】
図５は、検量線の一例を示す図面である。
【００４４】
この検量線は、検出極と参照極との間の設定電位を様々に変えながら、さらに汚染物質として塩素（電解液中でＣｌ−となる）の量を変えて流したとき（流速一定）の電流密度を測定した結果を示す図面である。
【００４５】
検量線を求める実験は、上記同様に回転ディスク電極装置を用いた。試料は、プラチナをカーボン粒子に担持させたものをナフィオンとともに有機溶媒（イソプロパノール）に溶解して作成した。なお、試料の調整方法は、上記同様に周知の技術によるものであり、ここでは上記Hubert A. Gasteigerらの論文を参考に行った。この試料におけるプラチナの担持量は１０．０μｇ／ｃｍ２とした。
【００４６】
実験は、上記試料を回転ディスク電極装置のガラスディスク（作用極）に滴下し、十分に乾させてから行った（乾燥させることでディスク上に、ナフィオン膜とＰｔが担持されたカーボン粒子が塗布された状態となる）。
【００４７】
塩素を導入していない１．０Ｍ−ＨＣｌＯ４電解液と、１．０Ｍ−ＨＣｌＯ４に塩素を導入してＣｌ−の濃度を変えた電解液を調整し、各塩素濃度でのサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を測定し、水素吸着波から、電気化学的な活性表面積を算出してこれを規格化用電極面積とした。なお、図５中「０Ｍ−Ｃｌ−：０．１Ｍ−  ＨＣｌＯ４」とは塩素を導入していない電解液をいう。
【００４８】
次に、上記塩素を導入していない電解液と塩素を導入した電解液のそれぞれに対して、酸素を導入して電解液を飽和させて、各塩素濃度における電解液での酸素還元電流（ＯＲＲ）を測定した。そして得られた電流曲線から図５に示すＡ−Ｄに示す検量線を求めた。なお、参照極は可逆水素電極（ＲＨＥ）を用い、掃引速度ＣＶ測定時２０ｍＶ／ｓｅｃ、ＯＲＲ測定時５ｍＶ／ｓｅｃディスク回転数１６００ＲＰＭで実験した。
【００４９】
このとき、設定電位が異なると測定される電流が異なる。本実施形態では、図示するＡ〜Ｄの設定電位に分けて、それらの設定電位のときに得られる電流密度と塩素（Ｃｌ−）の量から図５に示すような検量線を作成した。
【００５０】
そして、この検量線をもとに検量式を作成した。検量式は各電位（図中Ａ〜Ｄの破線）で、各濃度における電流値を読み取り、各濃度に対してプロットすることにより得た曲線を表す式としたものである。
【００５１】
表１に設定電位と検量式を示す。
【００５２】
【表１】
2008282680.tif 000003
【００５３】
なお、ここで示した検量線および検量式は汚染物質としてＣｌ−を用いて実験した結果に基づくものである。本実施形態における電気化学センサー２０においては、汚染物質からのイオンの放出量を電流値として検出しているものであるから、汚染物質を特定して検出することはできないが、様々な汚染物質の総量としては上記検量線および検量式と用いることで不純物の検出および定量が可能である。
【００５４】
このような検量式と測定された電流値ｘから、各設定電位における汚染物質の濃度が得られるので、各濃度に対して様々な処置を講ずることができるようになる。
【００５５】
たとえば、設定電位ごとに複数のしきい値を設けて、そのしきい値を超えるか否かにより燃料電池の運転モードを変えたり、フィルターの交換を促したり、さらには燃料電池の回復処理を促すなどの表示を行うといったことが可能となる。
【００５６】
図６は、各電位Ａ−Ｄにおける汚染物質濃度に対する電流値変化を示したグラフである。
【００５７】
図に示すように、設定電位ごとに汚染物質濃度後外に応じて計測される電リュ値が変化するので、設定電位ごとに電流値によるしきい値を設定しすることが可能である。
【００５８】
したがって、たとえば、しきい値は濃度の値として、上述した検量線または検量式により求めた濃度を対比することによってもよいが、電気化学センサー２０から得られる測定値は電流値であるから、電流値をしきい値としてもよい。また、しきい値としては、既知の値として検出極の電極面積があるので、検量式から逆算される電流値を電極面積で除した電流密度の値を用いるようにしてもよい。電流密度とすることで、電極の大きさが異なる電気化学センサーに対しても同じしきい値を適用することが可能となる。
【００５９】
表２に電流密度をしきい値とした場合の例を示す。
【００６０】
【表２】
2008282680.tif 000004
【００６１】
表２に示すしきい値としては、汚染物質がない初期状態での測定による電流密度の値（初期値という）から汚染物質検出動作を行ったときの電流密度値を引いた差分値に対するしきい値である。
【００６２】
ここで汚染物質がない初期状態での測定による電流密度の値は、たとえば上述したＣｌ−の濃度でいえば０ｐｐｂのときの測定値である。
【００６３】
また、本実施形態では、しきい値として、高濃度しきい値と低濃度しきい値の２つを設定している。そして、たとえば、低濃度しきい値を超えた場合には、空気フィルターの交換を促す警告を出力し、高濃度しきい値を超えるような場合には燃料電池の運転を停止しして、少なくとも酸化剤極側の洗浄などを行うように警告を出力することとしている。このような警告は、たとえば、車両の計器パネルなど（表示パネル２５となる）に表示するとよい。
【００６４】
次に、汚染物質検出処理の手順を説明する。
【００６５】
図７は、汚染物質検出処理の手順を示すフローチャートである。
【００６６】
この処理は、本実施形態においては、ＥＣＵ１８に導入されたこの処理を行うためのプログラムの動作によって行われる。なお、本発明の実施に当たっては、この処理手順に沿って、ＥＣＵ以外のコンピュータより処理されるものであっても良いことは言うまでもない。
【００６７】
ここでは、本実施形態の燃料電池システムが車両に搭載されている場合の処理について説明する。
【００６８】
まず、ＥＣＵ１８は燃料電池スタート指示が入力されると燃料電池の起動が行われる（Ｓ１）。これにより燃料電池スタックには、空気が取り入れられると共に燃料ガスの供給も行われる。
【００６９】
続いて、ＥＣＵ１８は、電気化学センサー２０によって所定電位での電流値の測定を行う（Ｓ２）。電流値の測定は、電気化学センサーに取り付けられているポテンショスタット２５もよって行われる。ここで、所定の電位は、たとえば上述した４つの電位のうちいずれか一つでもよいし、４つすべての電位で行ってもよい。好ましくは、より多くの電位により行う方が精度が高くなる。
【００７０】
次にＥＣＵ１８は、測定された電流値をあらかじめ設定されている電極面積により除して電流密度を算出し、さらに算出した電流密度と電流密度の初期値との差分値を求める（Ｓ３）。
【００７１】
続いて、ＥＣＵ１８は、求めた電流密度と初期値との差分が、まず高濃度しきい値を超えているか否かを判断する（Ｓ４）。ここで、高濃度しきい値を超えている場合は、燃料電池を停止して燃料電池の回復処理（たとえば洗浄など）を行うように促す警告を行う（Ｓ１５）。なお、この処理では燃料電池の強制的な停止は行わずユーザーに対して停止を促す警告だけを行うようにする。その後ＥＣＵ１８は処理を終了する。
【００７２】
一方、高濃度しきい値を超えていないと判断されたときには、低濃度しきい値を超えているか否かを判断する（Ｓ５）。ここで、低濃度しきい値を超えている場合は、空気フィルターの交換を促す表示を行う（Ｓ１６）。その後ＥＣＵ１８は、空気フィルターの交換を促す表示をしたまま、ステップＳ２に戻り以降の処理を継続して行うこととなる。
【００７３】
なお、電流値の測定を複数の電位により行っている場合、Ｓ４およびＳ５の判断は、たとえば、複数電位のうち過半数の測定結果が高（または低）濃度しきい値を超えた場合に警告するなどとすればよい。もちろん、過半数に限定されず、たとえばいずれか一つの電位による測定結果だけがしきい値を超えただけでも燃料電池の劣化につながるおそれがあるので、警告を行うようにしてもよい。
【００７４】
Ｓ５において、低濃度しきい値を超えない場合は、そのまま燃料電池の運転を継続して、処理は、燃料電池の運転が停止されるまで、ステップＳ２に戻り以降の処理を継続して行うこととなる。
【００７５】
以上の処理により、燃料電池スタック１０内に汚染物質が入り込んで蓄積されるのを事前に検出し、ユーザーに汚染状態を知らせたり警告を与えることで、それ以上の汚染物質の地軌跡を未然に防止することが可能となる。
【００７６】
なお、燃料電池の回復動作や空気フィルターの交換を促す警告や表示を行って、ユーザーが燃料電池の回復動作や空気フィルターの交換を行った後は、燃料電池に空気のみをしばらく継続して流すことで、電気化学センサー２０に付いた汚染物質を飛ばして、その時点で、各電位における電流値を計測し、それを回復動作後の初期値として記憶することで、回復動作や空気フィルター交換後も同様に汚染物質の検出と新たな蓄積状態の定量を行うことができるようになる。
【００７７】
また、この処理のように、ユーザーに対して汚染度合いを知らせたり、警告を行うのみとすることで、たとえば、既存の燃料電池システムの空気取り入れ口の空気フィルターの直後に電気化学センサー２０を設置し、上記処理を実行するコンピュータを別途取り付けることで、既存の燃料電池システムにおいても汚染物質の検出、定量を行うことが可能となる。
【００７８】
このような汚染物質の検出処理は、車両の形態に応じて、上述した処理の他に様々な対応が可能である。
【００７９】
たとえば、車両に、燃料電池のほかにバックアップ用の２次電池を搭載している場合には、汚染物質の検出量が高濃度しきい値を超えてしまった時点で、自動的に燃料電池を止めて、車両の駆動源をバックアップ用の２次電池に切り替えるようにしてもよい。
【００８０】
図８は、このようなバックアップ電源を搭載する車両に本実施形態による燃料電池システムを搭載した場合の処理手順を示すフローチャートである。
【００８１】
まず、ＥＣＵ１８は、運転開始時にのみ、燃料電池スタート指示が入力されると燃料電池の空気供給のみを開始させる（Ｓ２１）。したがって、この時点では、燃料電池スタック１０による発電は行われないが、空気のみが取り入れられると共に加湿器１３の動作も開始されて、電気化学センサー２０による汚染物質の検出が可能となる。
【００８２】
続いて、ＥＣＵ１８は、電気化学センサー２０によって所定電位での電流値の測定を行う（Ｓ２２）。この処理は上述した処理と同様に、たとえば上述した４つの電位のうちいずれか一つでもよいし、４つすべての電位で行ってもよい。好ましくは、より多くの電位により行う方が精度が高くなる。
【００８３】
次にＥＣＵ１８は、測定された電流値から電流密度を算出し、さらに算出した電流密度と電流密度の初期値との差分値を求める（Ｓ２３）。
【００８４】
続いて、ＥＣＵ１８は、求めた電流密度と初期値との差分が、まず高濃度しきい値を超えているか否かを判断する（Ｓ２４）。ここで、高濃度しきい値を超えている場合は、燃料電池を停止させる処理（燃料電池が発電したいた場合）とバックアップ電源（例えば二次電池）による運行を行うように自動的に切り替える（Ｓ３５）。また、これらの処理を実行したことおよび燃料電池の回復処理（たとえば洗浄など）を行うように警告表示も合わせて行う。その後ＥＣＵ１８は処理を終了する。
【００８５】
一方、高濃度しきい値を超えていないと判断されたときには、低濃度しきい値を超えているか否かを判断する（Ｓ２５）。ここで、低濃度しきい値を超えている場合は、まず、空気フィルターの交換を促す表示を行う（Ｓ３６）。その後ＥＣＵ１８は、ユーザーからの燃料電池停止処理の指示があったか否かを判断し（Ｓ３７）。停止指示があれば、燃料電池を停止させる処理（燃料電池が発電したいた場合）とバックアップ電源（例えば二次電池）による運行を行うように自動的に切り替える（Ｓ３８）。
【００８６】
一方、ユーザーからの停止指示がなければ、そのまま燃料電池に水素ガスの供給を行って燃料電池の発電を開始（または発電継続）する（Ｓ３９）。ここで発電を開始（または発電継続）するのは、ユーザーが燃料電池による車両の走行を望む場合、汚染物質の量が低濃度であるため、そのまま使用してもそれほど大きく燃料電池の劣化が進まないためユーザーの希望に沿うように処理するためである。
【００８７】
一方、Ｓ２５において低濃度しきい値を超えていない場合はそのまま燃料電池に水素ガスの供給を行って燃料電池の発電を開始（または発電継続）することになる（Ｓ３９）。
【００８８】
発電開始（または継続）後は、Ｓ２２へ戻り処理を継続することになる。
【００８９】
なお、高濃度しきい値、および低濃度しきい値による判断は、前述の処理同様に、電流値の測定を複数の電位により行っている場合、たとえば、複数電位のうち過半数の測定結果が高（または低）濃度しきい値を超えたとき、またはいずれか一つの電位による測定結果だけがしきい値を超えただけでも燃料電池の劣化につながるおそれがあるので、停止などの処理を行うようにしてもよい。
【００９０】
このように処理することで、走行中に汚染物質の侵入、蓄積がひどくなって燃料電池の劣化が進みそうな場合には、燃料電池を強制停止して燃料電池内部に汚染物質が入り込むのを防止することができる。そして、燃料電池を強制停止しても、バックアップ用の２次電池にて駆動力は確保できるので、走行中に駆動力をなくしてしまうといったこともない。
【００９１】
なお、汚染物質の検出処理は、燃料電池システム稼働中に常時行うこととしているが、これに代えて、車両の運行開始時にのみ行うようにしてもよい。このように車両の運行開始時にのみ汚染物質の検出処理を行うようにすることで、燃料電池の運転開始時に汚染物質の検出量が高濃度しきい値を超えているような場合には、運転そのものをやめて燃料電池の回復動作を促すことができる。このようにすることで、汚染物質が蓄積された状態での燃料電池の運転がおこなわれなくなり、燃料電池の劣化を防止することができるようになる。
【００９２】
以上のように本実施形態によれば、燃料電池に内に入り込むおそれのある汚染物質を電気化学センサーを用いて電気化学的に汚染物資値を検出することで、汚染物質による燃料電池の特性劣化を事前に回避できるようになる。特に、電気化学センサーの電流値よって蓄積された汚染物質量もわかるようになるので、測定された電流値に応じて、空気フィルターの交換や燃料電池スタックの回復動作（洗浄など）など様々な処理を実行することが可能となる。
【００９３】
以上、本発明を車両用の燃料電池システムに適用した場合について説明したが、本発明は車両用に限定することなく、その他、設置型の燃料電池であっても適用可能である。また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、様々な改変が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、燃料電池システムに適用可能であり、特に車両用の燃料電池システムに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの第１の構成例を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における燃料電池システムの第２の構成例を示す説明図である。
【図３】実施形態における燃料電池システムに用いた電気化学センサーの第１の構成例を説明する説明図である。
【図４】実施形態における燃料電池システムに用いた電気化学センサーの第２の構成例を説明する説明図である。
【図５】検量線の一例を示すグラフである。
【図６】各電位Ａ−Ｄにおける汚染物質濃度に対する電流値変化を示したグラフである。
【図７】汚染物質検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】バックアップ電源を搭載する車両に本実施形態による燃料電池システムを搭載した場合の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】プラチナ担持量と不純物の検出感度の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９６】
１、２…燃料電池システム、
１０…燃料電池スタック、
１１…空気配管、
１２…圧縮機、
１３…加湿器、
１４…空気フィルター
１５…熱交換器、
１６…排気配管、
１７…圧力調整弁、
１８…ＥＣＵ、
２０…電気化学センサー、
２１…絶縁体、
２２、３２…検出極、
２３…参照極、
２４…プロトン導電性材料、
２５…ポテンショスタット、
３３…カーボン粒子、
３４…プラチナ粒子。
【図７】
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【図８】
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【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９】
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