(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、該ポンプセルの一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、
前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、
前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項２】
酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、該ポンプセルの一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、
前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、
前記酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設された起電力セルを備えるとともに、該起電力セルの一方の多孔質電極が前記拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置され、
更に、前記起電力セルの出力に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項３】
一定期間毎に、前記交番電流の向きを切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項４】
前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項６】
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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池用水蒸気センサ。
【請求項８】
前記請求項７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気を検出する燃料電池用水蒸気センサに関し、特に燃料電池用水蒸気センサの劣化を防止するための制御を行う燃料電池用水蒸気センサの制御装置、その制御装置を備えた燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の空燃比を検出するセンサとして、酸素ポンプセルと酸素濃度電池セル（起電力セル）を備えた全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）が知られており、この全領域空燃比センサの異常を検出する技術も提案されている（特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
また、本願出願人は、特願２００６−１９０６２０号にて、上述した全領域空燃比センサを、燃料電池の燃料供給経路や燃料排出経路に取り付け、燃料ガス中又は燃料排ガス中の水蒸気濃度を検出する手法を提案している。
【０００４】
この技術は、例えば燃料ガス中にはメタンや水蒸気しか含まれていないため、ポンプセルのみを用いて、ポンプセルに一定の直流電圧（測定室内の電極をマイナス、燃料ガス中の電極をプラス）を印加し、電極の三層界面にて水蒸気から酸素イオンを抜き取ってポンピングし、そのポンプ電流から水蒸気濃度を検出するものである。
【０００５】
また、これとは別に、従来より、限界電流式センサを用いて水蒸気を検出したり、そのセンサが劣化した場合にクリーニングする技術も提案されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平１０−２４６７２０号公報
【特許文献２】特開２００３−９０８２１号公報
【特許文献３】特開２００７−１０１４８５号公報
【特許文献４】特開平９−２５７７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述した全領域空燃比センサを用いて水蒸気濃度を検出する技術では、全領域空燃比センサの測定室内に、メタンと水蒸気が混合した還元性ガスが入り、また、ポンピングの際には測定室側の電極では水素ガスが発生するため、測定室側が極めて強い還元状態となる。更に、この状態でポンピングを継続して酸素イオンを測定室から外部に排出しようとすると、固体電解質体中の酸素イオンが過度に外部に排出されて固体電解質体が劣化し、結果として、測定室側の電極に剥離等が発生し易いという問題がある。
【０００７】
なお、引用文献４の限界電流式センサの技術では、センサ劣化が発生してから、逆方向に電圧を印加して劣化を回復しようとしているが、燃料電池のような過酷な環境では、電極剥離まで劣化が進行してしまうので、十分ではない。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水蒸気センサにおける電極の剥離等の劣化を防止できる燃料電池用水蒸気センサの制御装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、該ポンプセルの一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、ポンプセルの両多孔質電極間に交番電流を流すので、即ち、両電極間に流す電流の向きを適宜反対方向に切り換えるので、拡散律速部側の電極等の劣化を抑制することができる。
【００１１】
つまり、本発明では、ある期間では、ポンプセルにおいて、拡散律速部側の電極から反対側の電極に酸素イオンを汲み出すように電流を流して、測定ガス中の水蒸気濃度を測定し、他の期間では、ポンプセルの両電極間に、水蒸気濃度を測定する際の電流とは逆方向の電流を流し、これらの動作を交番電流によって交互に繰り返す。
【００１２】
従って、水蒸気測定の際とは逆方向に電流が流されると、酸素イオンは通常とは逆に外側から拡散律速部側にポンピング（以下劣化防止用のポンピングと記す）されるので、水蒸気測定用のポンピングが継続された場合の様に固体電解質体の内部から酸素イオンが過度に排出されることがない。よって、固体電解質体の劣化が防止できるので、特に拡散律速部側の多孔質電極の剥離等の発生を防止できる。
【００１３】
また、本発明では、前記拡散律速部側の酸素濃度に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御する。
本発明では、拡散律速部側の酸素濃度に応じて交番電流の向きを切り換えるので、拡散律速部側の酸素濃度が過度に減少する前に（従って固体電解質体から酸素イオンが過度に排出された状態となる前に）、酸素イオンのポンピングの向きを切り換えることができる。よって、多孔質電極の剥離等の発生を、的確に防止することができる。
【００１４】
この制御内容としては、例えば酸素濃度が低いほど、酸素イオンを拡散律速部側にポンピングするタイミングを早めたり、又は、そのポンピングの頻度を多くしたり、或いは、そのポンピングを行う期間を長くする手法が挙げられる。
【００１５】
（２）請求項２の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設されたポンプセルと、該ポンプセルの一方の多孔質電極側のガス拡散を律速する拡散律速部と、を備え、前記ポンプセルからの電気信号に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス又は燃料電池から排出される燃料排ガス中の水蒸気の濃度を検出する燃料電池用水蒸気センサに対し、その動作を制御する燃料電池用水蒸気センサの制御装置であって、前記ポンプセルの両多孔質電極間に、交番電流を流す構成を有し、前記酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設された起電力セルを備えるとともに、該起電力セルの一方の多孔質電極が前記拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置され、更に、前記起電力セルの出力に応じて、前記交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御することを特徴とする。
本発明では、前記請求項１の発明と同様に、ポンプセルの両多孔質電極間に交番電流を流すので、即ち、両電極間に流す電流の向きを適宜反対方向に切り換えるので、拡散律速部側の電極等の劣化を抑制することができる。
つまり、本発明では、ある期間では、ポンプセルにおいて、拡散律速部側の電極から反対側の電極に酸素イオンを汲み出すように電流を流して、測定ガス中の水蒸気濃度を測定し、他の期間では、ポンプセルの両電極間に、水蒸気濃度を測定する際の電流とは逆方向の電流を流し、これらの動作を交番電流によって交互に繰り返す。
従って、水蒸気測定の際とは逆方向に電流が流されると、酸素イオンは通常とは逆に外側から拡散律速部側にポンピング（以下劣化防止用のポンピングと記す）されるので、水蒸気測定用のポンピングが継続された場合の様に固体電解質体の内部から酸素イオンが過度に排出されることがない。よって、固体電解質体の劣化が防止できるので、特に拡散律速部側の多孔質電極の剥離等の発生を防止できる。
また、本発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の多孔質電極が配設された起電力セルを備えるとともに、起電力セルの一方の多孔質電極が拡散律速部側に配置され、他方の多孔質電極が酸素基準源側に配置されている。
【００１６】
従って、本発明では、全領域空燃比センサのように、起電力セルの起電力を利用して、拡散律速部側の酸素濃度を検出することができる。
更に、本発明では、起電力セルの出力に応じて、交番電流の向きを切り換えるタイミングを制御する。
【００１７】
起電力セルの出力は、拡散律速部側に酸素濃度に対応しているので、起電力セルの出力に応じて交番電流の向きを切り換えることにより、好適に多孔質電極の剥離等を防止することができる。
【００１８】
（３）請求項３の発明では、一定期間毎に、前記交番電流の向きを切り換えることを特徴とする。
本発明では、定期的にポンプセルに印加する電流の向きを切り換えて、水蒸気濃度測定用のポンピングと劣化防止用のポンピングとを行うので、多孔質電極の劣化を防止することができる。
【００１９】
（４）請求項４の発明では、前記水蒸気センサは、ヒータを備えたことを特徴とする。
この水蒸気センサでは、ヒータによってポンプセルや起電力セルを、その作動温度に高めることが容易にできる。
【００２０】
（５）請求項５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。
（６）請求項６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。
【００２１】
本発明は、水蒸気センサの形状を例示したものである。
（７）請求項７の発明は、前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用水蒸気センサの制御装置を備えた燃料電池用水蒸気センサである。
【００２２】
本発明は、制御装置を有する水蒸気センサを示している。
（８）請求項８の発明は、前記請求項７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。
【００２３】
本発明は、制御装置を有する水蒸気センサを備えた燃料電池システムを示している。これにより、燃料電池システムの水蒸気制御に関する信頼性を高めることができる。
＜以下に、本発明の各構成について説明する＞
・燃料電池としては、例えば固体酸化物形燃料電池が挙げられる。この固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物体（固体電解質体）と燃料極と空気極とを備えており、燃料電池の作動時に、燃料極に導入される燃料ガスと空気極に導入される酸化剤ガスとを用いて、電力を発生する。
【００２４】
・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。
【００２５】
・起電力セルとしては、ポンプセルと同様に、固体電解質層の両側に多孔質電極を配置した酸素濃淡電池セル（参照セル）を採用でき、この起電力セルの固体電解質層も、ポンプセルと同様な固体電解質材料を採用できる。
【００２６】
つまり、この起電力セルとしては、周知の全領域空燃比センサの（酸素基準源を備えた）酸素濃淡電池セルを採用できる。従って、この場合は、水蒸気センサとして従来の全領域空燃比センサを用いることができる。
【００２７】
・拡散律速部としては、一方の多孔質電極に対して、測定ガスである燃料ガスや燃料排ガスのガス拡散を律速すればよく、例えばその多孔質電極を覆うように測定室を設ける場合には、測定室と測定ガス側（外部）との間に拡散律速を行う多孔質層を設けてもよい。或いは、その多孔質電極を覆うように拡散律速を行う多孔質層を設けてもよい。更に、その多孔質電極にわずかな間隙を介して近接して板材等を配置し、その間隙によって拡散律速をするようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明の最良の形態について、すなわち、燃料電池用水蒸気センサの制御装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システムについて説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、燃料電池システムの全体構成について説明する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図２に示す様に、水蒸気センサ１３は、周知のポンプセル（ポンプ素子）３１と起電力セル（酸素濃淡電池セル：ここでは参照セル３３）とヒータ３５とが、所定間隔を空けて積層配置された板状の全領域空燃比センサ（例えば特開昭６２−１４８８４９号公報参照）と同様な構成を有している。
【００３５】
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。
【００３６】
また、ポンプセル３１と参照セル３３との間には、測定室４９が設けられ、測定室４９はガス拡散を律速する絶縁性の多孔質の拡散律速部５１を介して外部（燃料ガス側）と連通している。更に、ポンプセル３１の外側（図上方）の多孔質電極３９の表面、即ち燃料ガスに接する多孔質電極３９の外側面は、多孔質の保護層５３に覆われている。また、保護層５３の外側には、所定間隔を空けて前記ヒータ３５が配置されており、このヒータ５３は、アルミナ等の緻密な絶縁セラミックス層５５に覆われた発熱体５７を備えている。
【００３７】
一方、参照セル３３の外側（図下方）は、参照セル３３と同様な材料からなる固体電解質層５９に覆われている。なお、参照セル３５の外側の多孔質電極４７の周囲は、測定ガスが侵入しないように（即ち酸素基準源とする構成と同様に）、アルミナ等の緻密な絶縁セラミックス層６１が配置されている。
【００３８】
特に本実施形態の水蒸気センサ１３には、水蒸気センサ１３を駆動して燃料ガス中の水蒸気濃度を検出するとともに、水蒸気センサ１３の劣化を防止するための電気回路が接続されている。
【００３９】
具体的には、ポンプセル３１には、水蒸気濃度を測定する目的で、両多孔質電極３９、４１間に、外側の多孔質電極３９を正極側として一定の電圧（例えば１．５Ｖ）を印加するために、スイッチＳＷ１を介して定電圧源（バッテリ）６３が接続されている。また、それとは逆に、測定室４９内の多孔質電極４１の劣化を防止する目的で、その多孔質電極４１を正極側として一定の電圧（例えば１．５Ｖ）を印加するために、スイッチＳＷ２を介して定電圧源６５が接続されている。なお、この回路には、両多孔質電極３９、４１間に流れる正逆の電流を検出するために電流計６７が配置されている。
【００４０】
一方、参照セル３３には、両多孔質電極４５、４７間に定電流を流すために、各スイッチＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６を介してそれぞれ定電流回路７１、７３、７５が接続されている。なお、この回路には、両多孔質電極４５、４７間の電圧を検出するために電圧計７７が配置されている。
【００４１】
また、ヒータ３５には、ポンプセル３１が適切な作動温（例えば８００℃）になるように適切な電圧を印加する可変電圧源７９が接続されている。
ｃ）次に、水蒸気センサ１３の動作原理について説明する。
【００４２】
(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。
【００４３】
この水蒸気センサ１３では、スイッチＳＷ１のオン、スイッチＳＷ２のオフの動作により、ポンプセル３１の多孔質電極３９、４１間に所定のポンプ電圧Ｖｐが印加されているので、即ち外側の多孔質電極３９が正極となるように電圧が印加されるので、ポンプセル３１では、測定室４９内の燃料ガス中の水蒸気から酸素イオンを抜き取ることができる。つまり、ポンプセル３１では、酸素イオンを、測定室４９内の多孔質電極４１側から外側の多孔質電極３９側にくみ出す（ポンピングする）。
【００４４】
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。
【００４５】
(2)水蒸気センサ１３の劣化防止方法
ここでは、水蒸気濃度の測定の際とは逆に、スイッチＳＷ１のオフ、スイッチＳＷ２のオンの動作によって、ポンプセル３１に対して、水蒸気濃度の測定の際に印加したポンプ電流とは逆方向に電流を印加して、多孔質電極４１の劣化を防止する制御を行う。
【００４６】
つまり、上述した様に、水蒸気センサ１３を使用する際には、測定室４９内に燃料ガスが導入されるが、この燃料ガスは還元性ガスであり、しかも、酸素イオンのポンピングの際には、水蒸気から酸素が分離することにより、測定室４９内に水素ガスが発生するので、測定室４９内は強い還元状態となる。そのため、水蒸気濃度の測定のためのポンピングを継続すると、測定室４９内のポンプセル３１の多孔質電極４１には剥離等の異常が発生し易い。
【００４７】
従って、ここでは、多孔質電極４１に異常が発生しないようにするために、ポンプセル３１に対して、測定室４９内の多孔質電極４１が正極となるように電圧を印加する。これにより、通常の水蒸気濃度の測定の際とは逆にポンピングされる。即ち、外側の多孔質電極３９から測定室４９内の多孔質電極４１側に酸素イオンがポンピングされる。これにより、固体電解質体３７中の酸素イオンが過少になることがないので、測定室４９内の還元状態が顕著であっても、測定室４９内の多孔質電極４１の剥離等の発生を防止することができる。
【００４８】
ｄ）次に、マイクロコンピュータにて実施される水蒸気濃度算出処理や劣化防止処理等について、図４のフローチャートに基づいて説明する。
ここでは、水蒸気濃度を測定するための電圧の印加と、劣化防止のための逆方向の電圧の印加とを、一定期間毎に定期的に切り換える例を挙げて説明する。
【００４９】
まず、図４のステップ（Ｓ）１００では、スイッチＳＷ１をオンして、ポンプセル３１に正方向（即ち外側の多孔質電極３９側を正極とする方向）のポンプ電圧Ｖｐ＋を印加する。
【００５０】
続くステップ１１０では、一定時間経過したかを判定し、経過した場合はステップ１２０に進む。
ステップ１２０では、ポンプ電流Ｉｐ＋を測定する。
【００５１】
続くステップ１３０では、予め実験等によって求めた所定の演算式やマップ等を用いて、ポンプ電流Ｉｐ＋から水蒸気濃度を算出する。
続くステップ１４０では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の印加方向を切り換えるタイミング（例えば図３のタイミングｔ１）か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ１５０に進む。
【００５２】
ステップ１５０では、スイッチＳＷ１をオフして、スイッチＳＷ２をオンし、ポンプセル３１に逆方向（即ち測定室４９内の多孔質電極４１側を正極とする方向）のポンプ電圧Ｖｐ−を印加する。
【００５３】
続くステップ１６０では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の逆方向への印加を停止するタイミング（例えばタイミングｔ２）か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ１７０に進む。
【００５４】
続くステップ１７０では、システムを停止するための命令があるかどうかを判定し、停止する場合には、ステップ１８０に進み、ポンプセル３１への電圧の印加を中止、一旦本処理を終了する。
【００５５】
なお、ここでは、主要な処理について説明したが、図３に示す様に、電圧の逆方向への印加の終了の後に、素子温（水蒸気センサ１３の温度）の測定の処理を行ってもよい。
具体的には、水蒸気濃度の測定や劣化防止の処理の際には、スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオフ、スイッチＳＷ５をオンに設定して、参照セル３３に電流（Ｉｃｐ）を流して、起電力（Ｖｓ）を測定し、タイミングｔ２にて、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ５をオフする。
【００５６】
従って、タイミングｔ２からは、定電流源７１からの電流（Ｉｒｐｖｓ＋）により、起電力（Ｖｓ）が徐々に上昇し、素子温に対応した電圧（Ｖｒｐｖｓ）に達するので、その後、スイッチＳＷ３をオフし、分極を防止するために、スイッチＳＷ４をオンし、次の水蒸気濃度測定のタイミングｔ３にてスイッチＳＷ４をオフする。
【００５７】
従って、前記印加した電流（Ｉｒｐｖｓ＋）とその際の電圧（Ｖｒｐｖｓ）とから抵抗値が分かるので、この抵抗値から素子温度を求めることができる。
ｅ）この様に、本実施形態では、ポンプセル３１に対して、電流の向きが周期的に切り替わる交番電流を印加して、水蒸気濃度の測定の際のポンピングと、（それとは酸素イオンの移動方向が逆の）劣化防止のためのポンピングを行っている。
【００５８】
これにより、測定室４９内が還元状態であっても、固体電解質体３７中の酸素イオンが過度に減少することがなく、よって、測定室４９側の多孔質電極４１の剥離等の発生を防止できる。
【００５９】
また、交番電流を印加する間に、抵抗値を利用して素子温を測定できるので、ポンピングを行うのに適当な温度であるか否かを判断することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、本実施形態においても、第１、第２水蒸気センサは同様な構成であるので、以下では第１水蒸気センサ（単に水蒸気センサと記す）について説明する。なお、部材の番号は、第１実施形態と同様な番号を用いる。
【００６０】
本実施形態では、図５のタイミングチャートに示す様に、水蒸気濃度を測定するための電圧の印加と、劣化防止のための逆方向の電圧の印加とを、起電力セル３３の出力電圧（即ち測定室４９内の酸素濃度）に応じて切り換えるものである。
【００６１】
なお、使用する水蒸気センサ１３やその電気回路等は、前記第１実施形態と同様であるので、ここでは制御処理について説明する。
まず、図６のステップ２００では、スイッチＳＷ１をオンして、ポンプセル３１に正方向のポンプ電圧Ｖｐ＋を印加する。
【００６２】
続くステップ２１０では、一定時間経過したかを判定し、経過した場合はステップ２２０に進む。
ステップ２２０では、ポンプ電流Ｉｐ＋を測定する。
【００６３】
続くステップ２３０では、ポンプ電流Ｉｐ＋から水蒸気濃度を算出する。
続くステップ２４０では、起電力セル３３の出力電圧Ｖｓが所定の閾値（Ｖｓ閾値）以上か否か、即ち電圧の印加方向を切り換えるタイミング（例えば図３のタイミングｔ１）か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ２５０に進む。
【００６４】
ステップ２５０では、スイッチＳＷ１をオフして、スイッチＳＷ２をオンし、ポンプセル３１に逆方向のポンプ電圧Ｖｐ−を印加する。
続くステップ２６０では、一定時間経過したか否か、即ち電圧の逆方向への印加を停止するタイミング（例えばタイミングｔ２）か否かを判定し、そのタイミングである場合はステップ２７０に進む。
【００６５】
続くステップ２７０では、システムを停止するための命令があるかどうかを判定し、停止する場合には、ステップ２８０に進み、ポンプセル３１への電圧の印加を中止、一旦本処理を終了する。
【００６６】
この様に、本実施形態では、起電力セル３３の出力電圧Ｖｓに応じて、水蒸気濃度の測定のためのポンピングから、劣化防止のためのポンピングに切り換えるので、即ち、測定室４９内の還元状態の程度がひどくなった場合には、速やかに劣化防止の制御に切り換えているので、測定室４９側の多孔質電極４１の劣化を好適に防止することができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、本実施形態においても、第１、第２水蒸気センサは同様な構成であるので、以下では第１水蒸気センサ（単に水蒸気センサと記す）について説明する。
【００６７】
本実施形態では、図７に示す様に、前記第１実施形態と同様な（全領域空燃比センサと同様な構造の）水蒸気センサ７１を用いるが、参照セル７３は作動させない。
つまり、前記第１実施形態と同様に、ポンプセル７５に対して、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２を切り換えて、各両定電圧源７７、７９により、図８に示す様に、交番電流を流すものであるが、素子温の測定は行わない。
【００６８】
本実施形態によっても、水蒸気測定のためのポンピングと（ポンピングの向きが逆の）劣化防止のためのポンピングを周期的に行うので、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
【００６９】
なお、ここでは、参照セル７３を作動させないので、参照セル７３に換えて、例えばアルミナ等からなる単なるガスの遮蔽板を採用してもよい。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。
【００７０】
図９に示す様に、本実施形態の水蒸気センサ８１は、板状ではなく筒状（試験管形状）である。
本実施形態では、試験管形状の固体電解質層８３の外側と内側に多孔質電極８５、８７が形成されており、外側の多孔質電極８７の外側には、多孔質の拡散律速層８９が形成されている。なお、水蒸気センサ８１の内側には棒状のヒータ９１が配置されている。
【００７１】
本実施形態では、両側に多孔質電極８５、８７を備えた固体電解質層８３が、水蒸気センサ８３の外側から内側に酸素イオンをポンピングするポンプセル９３として機能するので、このポンプ電流を測定することにより、水蒸気濃度を測定することができる。
【００７２】
また、例えば前記第１実施形態と同様に、周期的にポンプセル９３に印加する電圧の方向を切り換えることにより、拡散律速層８９側の多孔質電極８７の劣化を好適に防止することができる。
＜実験例＞
次に本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００７３】
この実験例は、前記第１実施形態の水蒸気センサを用い、下記の実験条件にて、１５０時間に渡る連続作動実験を行った。
［実験条件］
ガス組成：Ｈ2Ｏ：５０体積％、ＣＨ4：５０体積％
ガス流量：２Ｌ／ｍｉｎ
ガス温度：１２０℃
印加電圧：０．５Ｈｚで１．２Ｖを交番印加
なお、比較例として、１．２Ｖで連続印加した実験も行った（他の条件は、本発明品と同じ）。
【００７４】
その結果を、図１０に記すが、本発明品は、１００時間を経過しても、センサ出力が低下せず好適であった。それに対して、比較例のものは、１００時間を経過するとセンサ出力が低下し、約１２０時間後にはポンプセルの測定室側の電極の剥離が発生した。
【００７５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す説明図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】第１実施形態における水蒸気センサの制御処理を示すフローチャートである。
【図５】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。
【図６】第２実施形態における水蒸気センサの制御処理を示すフローチャートである。
【図７】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。
【図８】第３実施形態における水蒸気センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図９】第４実施形態の水蒸気センサを示す説明図である。
【図１０】水蒸気センサの劣化に関する実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１…燃料電池システム
５…燃料電池スタック
１３、１５、７１、８１…水蒸気センサ
２７…コントローラ
３１、７５、９３…ポンプセル
３３、７３…参照セル
３５、９１…ヒータ
３７、５９、８３…固体電解質層
３９、４１、４５、４７、８５、８７…多孔質電極
【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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【図９】
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【図１０】
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