(57)【要約】【課題】  燃料電池の運転中においても空気極側から燃料極側へのガス漏れを検知することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池１の燃料極３のガス出口１３側には、燃料極３から排出される排出ガスを系外に放出するための排出ガス流路１５が設けられている。また、電流検知式センサ３１は、排出ガス流路１５における燃料極３のガス出口１３近傍に配置される。そして、電流検知式センサ３１のセンサ出力に基づいて、燃料電池１における空気極５側から燃料極３側へのガス漏れを検知する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極と空気極とで狭持してなる燃料電池と、
前記燃料電池の前記燃料極側からの排出ガスを排出する排出ガス流路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記排出ガス流路に配置され、前記排出ガス流路内のガスの成分によって生じる電流を検知する電流検知式センサと、
前記電流検知式センサの検知内容に対応した出力に基づいて、前記燃料電池における前記空気極側から前記燃料極側へのガス漏れを検知する検知手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記電流検知式センサは、プロトンによって生成する電流を検知するセンサである
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電流検知式センサは、水を伴ってプロトンを伝導する伝導体を用いたセンサである
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電流検知式センサは、前記ガスの成分が、水素及び水蒸気から構成される純ガスの場合と、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガスとの場合とで、所定以上の大きな出力差を有し、
前記検知手段は、前記出力差に基づいて前記ガス漏れを検知する
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電流検知式センサは、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガス中の水素濃度に対応した出力を発生し、
前記検知手段は、前記水素濃度に対応した出力に基づいて前記ガス漏れを検知する
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電流検知式センサは、
高分子電解質からなりプロトンを伝導するプロトン伝導層と、
被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、
前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、
前記測定室内にて前記プロトン伝導層に接する第１電極と、
前記測定室外にて前記プロトン伝導層に接する第２電極と、
を有し、
前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解若しくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流に対応して出力するセンサである
請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電流検知式センサは、
更に、前記プロトン伝導層に接して前記測定室外に設けられた参照電極を有し、前記第１電極と前記参照電極との間の電位差が一定となるように、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する
請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における空気極側から燃料極側へのガス漏れを検知する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギー源として、燃料電池の研究が活発に行われている。この中で、低温作動、高出力密度等の利点により、自動車用や家庭用等のエネルギー源として、固体高分子電解質膜を燃料極と空気極とで狭持してなる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池では、固体高分子電解質膜が劣化や破損した場合、空気極側から燃料極側へ空気等のガスの漏れが発生して、燃料電池の発電電力が低下するおそれがある。このため、燃料電池にガス漏れが発生しているときには直ちにこれを発見して、固体高分子電解質膜の交換等の必要な措置を施す必要がある。
【０００４】
燃料電池におけるガス漏れを検知する方法として、下記特許文献１に記載されている方法がある。この方法は、燃料電池のアノード（燃料極）側に供給する水素ガスの圧力をカソード（空気極）側に供給する空気の圧力よりも高く維持した状態にて、開回路電圧を測定し、測定された開回路電圧が所定の電圧値以下であった場合に、ガス漏れが発生していると判定するというものである。
【特許文献１】特開２０００−４５４６６（第２頁）
【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、上記特許文献１に記載の方法では、燃料電池の開回路電圧を測定しなければならないために、一時的に燃料電池の運転を停止しなければならない。このため、開回路電圧を測定している期間は、燃料電池が利用できないことになってしまう。このことは、燃料電池を電力供給源として常に使用している場合、特に深刻な問題となる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池の運転中においても空気極側から燃料極側へのガス漏れを検知することができる燃料電池システム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】
【０００７】
上記課題の解決にあたり、本発明に係る燃料電池システムは、請求項１の記載によれば、
固体高分子電解質膜を燃料極と空気極とで狭持してなる燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料極側からの排出ガスを排出する排出ガス流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記排出ガス流路に配置され、前記排出ガス流路内のガスの成分によって生じる電流を検知する電流検知式センサと、前記電流検知式センサの検知内容に対応した出力に基づいて、前記燃料電池における前記空気極側から前記燃料極側へのガス漏れを検知する検知手段と、を備える。
【０００８】
本発明では、排出ガス流路に配置された電流検知式センサの出力（例えば、水素濃度に応じた出力、或いは、水素及び水蒸気以外の他のガスに応じた出力）に基づいて、燃料電池における空気極側から燃料極側へのガス漏れを検知するので、燃料電池の運転を停止せずにガス漏れを検知することができる。従って、燃料電池における空気極側から燃料極側へのガス漏れの連続的な検知が可能となる。
【０００９】
本発明では、例えば、電流検知式センサにより、排出ガス流路内の水素濃度を検知し、このセンサ出力の基づいてガス漏れを検知することができる。ここで、排出ガス流路内の水素濃度を検知することは、排出ガス流路内の（窒素や酸素等の）不純物濃度を検知することを意味するので、このような排出ガス流路内で水素濃度を検知することにより、燃料電池における空気極側から燃料極側へのガス漏れを精度良く検知することができる。
【００１０】
尚、検知手段によりガス漏れが検知された場合には、燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路に設けられた電磁弁等により、燃料電池への燃料ガスの供給を停止すると共に、燃料電池の運転を停止させ、固体高分子電解質膜の交換等を行うことができる。
また、前記電流検知式センサは、ガス組成（例えば、水素濃度）に起因する電流を検知するものであるが、その検知した電流値を電圧値に変換して電圧出力とするものも、当然本発明の範囲内である。
更に、本発明は、燃料電池の燃料極から排出される排出ガスを再度燃料極側に供給（循環）しない燃料電池システムに好適に用いられる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項２の記載によれば、
前記電流検知式センサは、プロトンによって生成する電流を検知するセンサである。
【００１２】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明は、プロトンによって生成する電流を検知するセンサであるので、排出ガス流路内の水素濃度（従って、不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項３の記載によれば、
前記電流検知式センサは、水を伴ってプロトンを伝導する伝導体を用いたセンサである。
【００１４】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明は、水を伴って伝導するプロトンによって生成する電流を検知するセンサであるので、排出ガス流路内の水素濃度（従って、不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項４の記載によれば、
前記電流検知式センサは、前記ガスの成分が、水素及び水蒸気から構成される純ガスの場合と、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガスとの場合とで、所定以上の大きな出力差を有し、
前記検知手段は、前記出力差に基づいて前記ガス漏れを検知する。
【００１６】
本発明では、電流検知式センサは、ガス成分が純ガスの場合と不純ガスの場合とで大きな出力差を有するので、例えば、排出ガス流路内に窒素や酸素等の不純物が存在した場合には、センサ出力が大きく変化する（例えば、大きく低下する）ため、このセンサ出力に基づき的確にガス漏れを検知できる。
尚、所定の以上の大きな出力差としては、例えば、１０ｍＡ以上の出力差が挙げられる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項５の記載によれば、
前記電流検知式センサは、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガス中の水素濃度に対応した出力を発生し、
前記検知手段は、前記水素濃度に対応した出力に基づいて前記ガス漏れを検知する。
【００１８】
本発明では、電流検知式センサは、不純ガス中の水素濃度に対応した（例えば、比例した）出力を発生するので、検知した水素濃度（従って、不純物濃度）に対応して、的確にガス漏れを検知できる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項６の記載によれば、
前記電流検知式センサは、高分子電解質からなりプロトンを伝導するプロトン伝導層と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、前記測定室内にて前記プロトン伝導層に接する第１電極と、前記測定室外にて前記プロトン伝導層に接する第２電極と、を有し、前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解若しくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流に対応して出力するセンサである。
【００２０】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。このセンサは、水を伴ってプロトンを伝導するいわゆるプロトン伝導層を利用したセンサであり、排出ガス流路内の水素濃度に応じた出力を得ることができる。従って、本発明の電流検知式センサを用いることにより、排出ガス流路内の水素濃度（従って不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００２１】
このセンサにおいては、排出ガス流路内のガスの成分が水素と水蒸気の場合、全てのガスを汲み出すことになり、測定室内の圧力が下がり、圧力拡散に基づいた電流出力が得られる。一方、排出ガス流路内のガスの成分が水素、水蒸気とそれ以外のガスから構成される場合、それ以外のガスは汲み出されないので、測定室内は汲み残されたガス成分で満たされることになり、圧力拡散は生じず濃度拡散に基づく電流出力が得られることになる。しかも、測定室に導入されるガス分子の量は、濃度拡散に比べて圧力拡散の方がはるかに大きくなる。
【００２２】
このような理由で、排出ガス流路内のガスの成分が水素と水蒸気から構成される場合では、水素、水蒸気とそれ以外のガスから構成される場合に対して、本発明の電流検知式センサは大きな出力差を持つことになる。即ち、排出ガス流路内のガスに窒素や酸素等の不純物が存在すると、本発明の電流検知式センサの出力が極端に下がる。従って、この出力差に基づいて的確にガス漏れを検知できる。
【００２３】
また、排出ガス流路内のガスに窒素や酸素等の不純物が存在する場合、本発明の電流検知式センサは、上述の濃度拡散に依存した出力を示すようになる。この出力は排出ガス流路内のガスの水素濃度に対応している。従って、このような場合には、得られた水素濃度に基づいて的確にガス漏れを検知できる。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項７の記載によれば、
前記電流検知式センサは、更に、前記プロトン伝導層に接して前記測定室外に設けられた参照電極を有し、前記第１電極と前記参照電極との間の電位差が一定となるように、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する。
【００２５】
本発明では、第１電極と参照電極との間の電位差が一定になるように、第１電極と第２電極との間に（例えば限界電流を得るための十分な）電圧を印加することにより解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンをプロトン伝導層を介して第１電極側から第２電極側へ汲み出すことにより生じる限界電流に基づいて、水素ガスの濃度を求める。
このように、本発明の電流検知式センサは、請求項６の発明と同様な効果を奏するとともに、参照電極を備えているので、ガス濃度の測定精度が高いという利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の燃料電池システムの実施の形態の例（実施例）について説明する。
【００２７】
（実施例１）
本実施例では、燃料電池システムとして、排出ガスを系外に排出する燃料電池システムを例に挙げる。
【００２８】
ａ）まず、本実施例の燃料電池システムについて、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１として、固体高分子電解質膜７を燃料ガスが供給される燃料極３と（コンプレッサ４により）空気が供給される空気極５とで狭持してなる周知の固体高分子型燃料電池が用いられている。
【００２９】
この燃料電池１には、例えば、水素及び水蒸気からなる燃料ガスを燃料極３に供給するために、燃料極３のガス入口９側に接続された燃料ガス供給流路１１が設けられている。この燃料ガス供給流路１１の途中には、燃料極３への燃料ガスの供給及び供給停止を行うために、電磁弁等で構成された燃料ガス供給弁２１が設けられている。また、燃料極３から排出される排出ガスを系外に放出（パージ）するために、燃料極３のガス出口１３側に接続された排出ガス流路１５が設けられている。
【００３０】
電流検知式センサ３１は、排出ガス流路１５における燃料極３のガス出口１３近傍に配置される。この電流検知式センサ３１の出力に基づいて、例えば、電子制御装置（ＥＣＵ）３３にて、燃料ガス供給弁２１の開閉状態や燃料電池１の運転状態を制御している。尚、電子制御装置（ＥＣＵ）３３が、特許請求の範囲における検知手段に相当する。
【００３１】
この電流検知式センサ３１は、後述するように、排出ガス中に含まれる水素の濃度を検知するセンサであり、水素の濃度に応じてその出力が変化するものである。従って、この電流検知式センサ３１を、排出ガスに含まれる水素（及び出力に影響しない水蒸気）以外の不純物（例えば、窒素ガス：Ｎ２）の濃度を検知するセンサとして用いることができ、その場合は、不純物のガス濃度に応じてその出力が変化するということができる。
【００３２】
ｂ）次に、前記電流検知式センサ３１について、図２に基づいて説明する。尚、図２は、電流検知式センサ３１の長手方向の要部断面図である。
図２に示すように、前記電流検知式センサ３１は、いわゆる水素ガス濃度（水素濃度）を検知する水素ガスセンサと同様な構成を有しており、プロトン伝導層４１の一方の面（同図の上面）に、第１電極４３が設けられ、プロトン伝導層４１の他方の面（同図の下面）に、第１電極４３と対向するように第２電極４５が設けられ、それらは、第１支持体４７及び第２支持体４８からなる支持体４９中に支持されている。
【００３３】
つまり、プロトン伝導層４１は、第１支持体４７及び第２支持体４８に狭持され、第１電極４３は、第１支持体４７に覆われるとともにその第１凹部５０内に配置され、第２電極４５は、第２支持体４８に覆われるとともにその第２凹部５１内に配置されている。
【００３４】
前記プロトン伝導層４１は、高分子電解質からなり、一方の面側から他方の面側に、例えば、第１電極４３側から第２電極４５側に、水を伴ってプロトン（Ｈ＋）を移動させることができるものである。このプロトン伝導層４１の材料としては、比較的低温（例えば、１５０℃以下）で作動するものが良く、例えば、フッ素樹脂である「Ｎａｆｉｏｎ１１７」（デュポン社の商標）等を採用できる。
【００３５】
前記第１電極４３及び第２電極４５は、例えば、カーボンを主成分とする弾性を有する多孔質電極であり、第１電極４３及び第２電極４５には、プロトン伝導層４１に接する側にＰｔ等の触媒層（図示せず）が塗布により形成されている。
【００３６】
また、第１電極４３及び第２電極４５は、それぞれリード部（図示せず）を介して回路に接続されており、電源（電池）５３によって、第１電極４３及び第２電極４５間に電圧を印加して、電流計５７によって、第１電極４３及び第２電極４５間に流れる電流を測定できるようになっている。
【００３７】
前記支持体４９は、例えば、アルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁体であり、このうち、第１支持体４７には、周囲雰囲気と第１凹部５０（従って、第１電極４３）とを連通する拡散律速部５９が設けられている。この拡散律速部５９は、被測定ガスである排出ガス（従って、この排出ガスに含まれる水素ガス）を第１電極４３側に導入するとともに、その拡散を律速する小さい孔である。一方、第２支持体４８には、周囲雰囲気と第２凹部５１（従って、第２電極４５）に連通する空孔であるガス排出部６１が設けられている。
【００３８】
ｃ）次に、前記電流検知式センサ３１の動作について説明する。
前記電流検知式センサ３１を排出ガスに晒すと、周囲雰囲気から拡散律速部５９を通って第１電極４３に到達した水素は、プロトン伝導層４１を介して、第１電極４３と第２電極４５との間に、水素ガスの濃度（詳しくは、両電極４３、４５側における水素濃度の差）に応じた起電力を生じさせる。
【００３９】
そこで、電源５３により、第１電極４３と第２電極４５との間に電圧を印加する。その結果、第１電極４３上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、プロトン伝導層４１を介して第２電極４５へ汲み出され、再び水素となって（センサ外の）被測定ガス雰囲気に拡散する。
【００４０】
その時、第１電極４３と第２電極４５との間に流れる電流値（前記電圧を印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流の値）は、図３にガス組成（体積％）に応じたセンサ出力を示すように、燃料ガスが水素と水蒸気とから構成される場合には、水素と水蒸気と不純物とから構成される場合と比べて、大きな出力となる。また、燃料ガスが、水素と水蒸気と不純物とから構成される場合には、水素濃度に比例した値となる。
【００４１】
従って、このセンサ出力から、排出ガスの状態（成分等）を求めることが可能になる。例えば、センサ出力が所定値１より低下した場合には、不純物が増加したとみなすことができる。尚、この所定値１とは、燃料ガスとして（水蒸気を添加した）純水素を用いたガスの場合の判定値であり、所定値１より小さな所定値２とは、燃料ガスとして不純物が含まれる可能性が高い改質ガスの判定値である。
【００４２】
ｄ）次に、前記センサ出力を用いて電子制御装置３３にて行われる燃料電池システムの制御の手法を図４に基づいて説明する。
【００４３】
（１）判定値として所定値１を用いる場合。
この所定値１は、センサ出力の急変を検出するために、センサ出力が急変する値より僅かに高めに設定されているので、燃料ガスとして（水蒸気を添加した）純水素を用いる場合に好適である。
【００４４】
固体高分子電解質膜７に劣化等が発生していない通常運転時では、空気極５側から燃料極３側へのガス（例えば、窒素ガス）の漏れが発生していないので、センサ出力は所定値１よりも高い。一方、センサ出力が所定値１以下の場合は、空気極５側から燃料極３側へのガス漏れが発生していると判定して、燃料ガス供給弁２１を閉じて燃料電池１への燃料ガスの供給を停止すると共に、燃料電池１の運転を停止する。
【００４５】
具体的には、図４のフローチャートに示すようにに、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、電流検知式センサ３１のセンサ出力が、所定値１より高いか所定値１以下かを判定し、所定値１より高い場合には、ステップ１１０に進み、一方、所定値１以下の場合には、ステップ１４０に進む。
【００４６】
ステップ１１０では、センサ出力が所定値１よりも高いので、水素濃度が高く、不純物が少ないとみなす。よって、空気極５側から燃料極３側へのガス漏れが発生していないと判定する。続くステップ１２０では、燃料電池１の燃料極３に燃料ガスを供給するために、燃料ガス供給弁２１を開く制御（既に燃料ガス供給弁２１が開いている状態であるときは、それを継続する制御）を行う。続くステップ１３０では、燃料電池１を運転する制御（既に燃料電池１が運転している状態であるときは、運転を継続する制御）を行い、前記ステップ１００に戻る。そして、上述した処理は、センサ出力が所定値１以下となるまで繰り返される。
【００４７】
一方、前記ステップ１４０では、センサ出力が所定値１以下と低いので、水素濃度が低下した状態であり、不純物が増加したとみなす。よって、固体高分子電解質膜７の劣化等により、空気極５側から燃料極３側へのガス漏れが発生したと判定する。続くステップ１５０では、燃料電池１の燃料極３への燃料ガスの供給を停止するために、燃料ガス供給弁２１を閉じる制御を行う。続くステップ１６０では、燃料電池１の運転を停止する制御を行い、本処理を終了する。その後、固体高分子電解質膜７の交換等の必要な処理を施す。
【００４８】
従って、上述した制御により、例えば、（水蒸気を添加した）純水素を供給する場合において、燃料電池が運転中であっても、空気極５から燃料極３へのガス漏れを的確に検知することができる。
【００４９】
（２）判定値として所定値２を用いる場合
この所定値２は、所定値１より低く設定されており、センサ出力の変化が緩やかな領域用であり、燃料ガスとして（不純物が含まれる）改質ガスを用いる場合に好適である。
【００５０】
ここでは、センサ出力が所定値２より高い場合（水素濃度が所定値２に対応した値より高い場合）は、前記（１）と同様に、燃料ガス供給弁２１を開き、燃料電池１の運転を行う。一方、センサ出力が所定値２以下の場合は、燃料ガス供給弁２１を閉じて燃料電池１への燃料ガスの供給を停止すると共に、燃料電池１の運転を停止する。
【００５１】
従って、上述した制御により、例えば、改質ガスを供給する場合において、燃料電池が運転中であっても、空気極５から燃料極３へのガス漏れを的確に検知することができる。
【００５２】
ｅ）次に、本実施例の効果について説明する。
このように、本実施例では、電流検知式センサ３１のセンサ出力に基づいて、燃料電池１における空気極５側から燃料極３側へのガス漏れを検知するので、燃料電池１の運転を停止することなしに、ガス漏れを検知することができる。従って、燃料電池１における空気極５側から燃料極３側へのガス漏れの連続的な検知が可能となる。
【００５３】
また、本実施例では、排出ガス流路１５における燃料極３のガス出口１３近傍に電流検知式センサ３１を配置しているので、燃料電池１における空気極５側から燃料極３側へのガス漏れの発生を、素早く且つ精度良く検知することが可能となる。その上、本実施例では、水素ガスの有無に応じて、センサ出力が大きく変化するので、その点からも、ガス漏れを確実に検知することができるという利点がある。
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、使用する電流検知式センサの構成が異なり、更に参照電極を備えたものである。
【００５５】
ａ）まず、本実施例に用いる電流検知式センサの構成について、図５に基づいて説明する。尚、図５は、電流検知式センサの長手方向の断面図である。図５に示すように、本実施例における電流検知式センサ１３１は、プロトン伝導層１３３の一方の面（同図の上面）に、第１電極１３５が設けられ、プロトン伝導層１３３の他方の面（同図の下面）に、第１電極１３５と対向するように、第２電極１３７及び参照電極１３９が設けられ、それらは、第１支持体１４１及び第２支持体１４３からなる支持体１４５中に支持されている。
【００５６】
つまり、プロトン伝導層１３３は、第１支持体１４１及び第２支持体１４３に狭持され、第１電極１３５は、第１支持体１４１に覆われるとともにその第１凹部１４７内に配置され、第２電極１３７は、第２支持体１４３に覆われるとともにその第２凹部１４９内に配置され、参照電極１３９は、第２支持体１４３に覆われるとともにその第３凹部１５１内に配置されている。
【００５７】
前記第１電極１３５、第２電極１３７、参照電極１３９は、それぞれリード部（図示せず）を介して回路に接続されており、電源（電池）１５３によって、第１電極１３５及び第２電極１３７間に電圧を印加したり、電圧計１５５によって、第１電極１３５及び参照電極１３９間の電圧を測定したり、電流計１５７によって、第１電極１３５及び第２電極１３７間に流れる電流を測定できるようになっている。
【００５８】
このうち、参照電極１３９は、第１電極１３５及び参照電極１３９間の電圧を一定に保つことにより、被測定ガスである排出ガス中の水素濃度（従って、不純物の濃度）を測定する際に、温度や湿度などの外乱の影響を小さくするために用いられるものである。
【００５９】
尚、好ましくは、参照電極１３９での水素濃度をより安定化させるために、参照電極１３９を自己生成基準極とするのが良い。また、前記第１支持体１４１には、周囲雰囲気と第１凹部１４７とを連通する細孔である拡散律速部１５９が設けられている。一方、第２支持体１４３には、周囲雰囲気と第２凹部１４９に連通する空孔であるガス排出部１６１が設けられている。
【００６０】
ｂ）次に、本実施例における電流検知式センサ１３１の動作を説明する。
電流検知式ガスセンサ１３１を排出ガスに晒すと、周囲雰囲気から拡散律速部１５９を通って第１電極１３５に到達した水素は、プロトン伝導層１３３を介して、第１電極１３５と参照電極１３９との間に、水素ガスの濃度（詳しくは両電極１３５、１３９側における水素濃度の差）に応じた起電力を生じさせる。
【００６１】
そこで、第１電極１３５と参照電極１３９との間の電位差が一定になるように、電源１５３により、第１電極１３５と第２電極１３７との間に適切な電圧を印加する。例えば、第１電極１３５と第２電極１３７との間に印加する電圧を、被測定ガス中の水素濃度が高い場合には高くし、水素濃度が低い場合には低くするといったように、それぞれの濃度において、最適な電圧に可変しながら、第１電極１３５上の水素濃度を一定に制御する。また、被測定ガス中の温度等の変化により、第１電極１３５と第２電極１３７との間の抵抗が上昇した場合も、印加電圧を適宜変更することにより、同様に、第１電極１３５上の水素濃度を一定に制御する。
【００６２】
その結果、第１電極１３５上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、（水を伴って）プロトン伝導層１３３を介して第２電極１３７側へ汲み出され、再び水素となって被測定ガス雰囲気に拡散する。その時、第１電極１３５と第２電極１３７との間に流れる電流値（前記電圧を印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流の値）は、水素濃度（従って、不純物のガス濃度）に比例するため、その電流値を測定することにより、不純物のガス濃度の測定が可能になる。
【００６３】
特に、第１電極１３５と参照電極１３９との間の電位差を最適な値に設定しておけば、温度等が大きく変化する雰囲気に対しても、第１電極１３５上の水素濃度を常に最適値に調節できるので、（参照電極１３９がない場合に比べて）一層精度の高い水素濃度の測定が可能である。
【００６４】
尚、本発明は前記実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨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。
例えば、前記実施例では、電流値を検出するセンサを例に挙げたが、これは、電流を電圧に変換するセンサと実質的に同一のものである。
【００６５】
また、前記実施例では、燃料電池システムを制御するものとして、電子制御装置（ＥＣＵ）を例に挙げたが、これに限らず、例えば、マイクロプロセッサを搭載した運転制御装置を適用できる。
更に、前記実施例では、燃料電池の燃料極から排出される排出ガスを排出ガス経路を介して系外に放出する例を挙げたが、これに限られず、例えば、改質器等の熱源として利用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１の燃料電池システムを示す説明図である。
【図２】実施例１における電流検知式センサを破断して示す説明図である。
【図３】実施例１における不純物濃度とセンサ出力との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１における制御処理を示す説明図である。
【図５】実施例２における電流検知式センサを破断して示す説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  燃料電池
３  燃料極
５  空気極
７  固体高分子電解質膜
１１  燃料ガス供給流路
１５  排出ガス流路
２１  燃料ガス供給弁
３１、１３１  電流検知式センサ
３３  電子制御装置（ＥＣＵ）
４１、１３３  プロトン伝導層
４３、１３５  第１電極
４５、１３７  第２電極
１３９  参照電極
【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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