(57)【要約】【課題】混合ガスに含まれる特定のガスの特性を精度よく検出可能なガス特性検出装置、燃料ガスに含まれる水素の特性を精度よく検出可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】ガス特性検出装置１０は、熱流センサ４０、圧力センサ３０、検出処理部１３０、区画部材５０を含んで構成されている。熱流センサ４０は、混合ガスが流れるガス流路２２０の内壁面２２２に設置され、表裏の温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する。圧力センサ３０は、ガス流路２２０内における圧力に応じた信号を出力する。検出処理部１３０は、圧力センサ３０が出力する信号の変化量および熱流センサ４０が出力する信号の変化量に基づいて特定のガスのガス濃度の検出処理を行う。区画部材５０は、ガス透過性を有するとともに、混合ガスを流通させるための主流空間２２０Ａと熱流センサ４０を設置するための設置空間２２０Ｂとにガス流路２２０を区分する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率の異なる複数のガスを含む混合ガスのうち特定のガスのガス濃度を検出するガス特性検出装置であって、
前記混合ガスが流れるガス流路（２２０）の内壁面（２２２）に設置され、前記ガス流路に露出する表面と前記ガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（４０）と、
前記ガス流路内における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
前記圧力検出部が出力する信号の変化量と前記熱流センサが出力する信号の変化量との相関関係に基づいて、前記特定のガスのガス濃度の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、
前記混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、前記混合ガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と前記熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とに前記ガス流路を区分する区画部材（５０）と、
を備えるガス特性検出装置。
【請求項２】
前記区画部材には、撥水処理が施されている請求項１に記載のガス特性検出装置。
【請求項３】
前記圧力検出部は、前記設置空間に設置されている請求項１または２に記載のガス特性検出装置。
【請求項４】
前記圧力検出部が出力する信号の変化量に対する前記熱流センサが出力する信号の変化量との比である熱流変化率と前記特定のガスのガス濃度との対応関係が規定された濃度特性が記憶された記憶部（１１０）を備え、
前記検出処理部は、前記熱流センサから出力された信号、前記圧力検出部から出力された信号、および前記記憶部に記憶された前記濃度特性に基づいて、前記特定のガスのガス濃度を検出する請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガス特性検出装置。
【請求項５】
熱伝導率の異なる複数のガスを含む混合ガスのうち特定のガスのガス濃度およびガス流速の少なくとも一方を検出するガス特性検出装置であって、
前記混合ガスが流れるガス流路（２２０）の内壁面（２２２）に設置され、前記ガス流路に露出する表面と前記ガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する第１熱流センサ（４０Ａ）と、
前記ガス流路における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
前記混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、前記混合ガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と前記第１熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とに前記ガス流路を区分する区画部材（５０）と、
前記主流空間を形成する前記ガス流路の内壁面（２２２）に設置され、前記主流空間に露出する表面と前記ガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する第２熱流センサ（４０Ｂ）と、
前記圧力検出部が出力する信号の変化量、前記第１熱流センサが出力する信号の変化量、および前記第２熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて、前記特定のガスのガス濃度およびガス流速の少なくとも一方の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、
を備えるガス特性検出装置。
【請求項６】
前記検出処理部は、
前記圧力検出部が出力する信号の変化量および前記第１熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて前記特定のガスのガス濃度を検出し、
前記第１熱流センサが出力する信号の変化量および前記第２熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて前記特定のガスのガス流速を検出する請求項５に記載のガス特性検出装置。
【請求項７】
燃料ガスに含まれる水素と空気中に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（２）を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池を通過した前記燃料ガスのオフガスである燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路部（６、７）と、
前記燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を含む特性を検出するガス特性検出装置（１０）と、を備え、
前記ガス特性検出装置は、
前記燃料オフガス流路部の内壁面（２２０）に設置され、前記燃料オフガス流路部に露出する表面と前記燃料オフガス流路部の内壁面に当接する裏面との温度差に起因して生ずる熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（４０）と、
前記燃料オフガス流路部内における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
前記燃料オフガス流路部内における圧力の変化量と前記熱流センサに作用する熱流の変化量との相関関係に基づいて、水素のガス濃度の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、
前記燃料オフガスを透過させるガス透過性を有するとともに、前記燃料オフガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と前記熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とに前記燃料オフガス流路部を区分する区画部材（５０）と、を含んで構成される燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、混合ガスにおける特定のガスの特性を検出するガス特性検出装置、および燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度等の特性を検出する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を含む燃料ガスが流れるガス流路内の熱流量の変化量とガス流路内の圧力の変化量との相関に基づいて、燃料ガスに含まれる水素のガス濃度を検出するガス成分検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−９０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の装置では、燃料ガスが流れるガス流路における圧力変動によって誘起される燃料ガスの温度変動を、水素のガス濃度に相関性を有する情報として熱流センサによって検出する構成になっている。
【０００５】
しかしながら、ガス流路内の熱流は、ガス流路における圧力変動だけでなく、燃料ガスの平均流速の変動の影響も受ける。このため、特許文献１の如く、単にガス流路に熱流センサを設置する構成では、水素のガス濃度を精度よく検出することが困難となる。このことは、燃料電池システムにおける水素のガス濃度を検出する場合に限らず、他の装置において混合ガスの特性を検出する際にも生じ得る。
【０００６】
本開示は上記点に鑑みて、混合ガスに含まれる特定のガスの特性を精度よく検出可能なガス特性検出装置、燃料ガスに含まれる水素の特性を精度よく検出可能な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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
ガス特性検出装置であって、
混合ガスが流れるガス流路（２２０）の内壁面（２２２）に設置され、ガス流路に露出する表面とガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（４０）と、
ガス流路内における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
圧力検出部が出力する信号の変化量と熱流センサが出力する信号の変化量との相関関係に基づいて、特定のガスのガス濃度の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、
混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、混合ガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とにガス流路を区分する区画部材（５０）と、を備える。
【０００８】
このような構成では、ガス流路を流れる混合ガスの平均流速が変動したとしても、熱流センサの設置箇所付近における混合ガスの平均流速の変動が抑制される。そして、区画部材は、ガス透過性を有しているので、熱流センサの設置箇所付近でガス流路内における圧力変動によって混合ガスの温度が変化する。
【０００９】
したがって、上記のガス特性検出装置によれば、ガス流路における圧力の変化量と熱流センサに作用する熱流の変化量に基づいて、混合ガスに含まれる特定のガスのガス濃度を精度よく検出可能となる。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、
ガス特性検出装置であって、
混合ガスが流れるガス流路（２２０）の内壁面（２２２）に設置され、ガス流路に露出する表面とガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する第１熱流センサ（４０Ａ）と、
ガス流路における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、混合ガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と第１熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とにガス流路を区分する区画部材（５０）と、
主流空間を形成するガス流路の内壁面（２２２）に設置され、主流空間に露出する表面とガス流路の内壁面に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力する第２熱流センサ（４０Ｂ）と、
圧力検出部が出力する信号の変化量、第１熱流センサが出力する信号の変化量、および第２熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて、特定のガスのガス濃度およびガス流速の少なくとも一方の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、を備える。
【００１１】
このような構成では、ガス流路を流れる混合ガスの流速が変動したとしても、第１熱流センサの設置箇所付近における混合ガスの平均流速の変動が抑制される。そして、区画部材は、ガス透過性を有しているので、ガス流路における圧力変動によって第１熱流センサの設置箇所付近で混合ガスの温度が変化する。このため、ガス流路における圧力の変化量と第１熱流センサに作用する熱流の変化量に基づいて、混合ガスに含まれる特定のガスのガス濃度を精度よく検出することが可能となる。
【００１２】
また、ガス流路を流れる混合ガスの平均流速が変動すると、第２熱流センサの設置箇所付近における混合ガスの平均流速が変動する一方で、第１熱流センサの設置箇所付近における混合ガスの平均流速の変動が抑制される。このため、第１熱流センサに作用する熱流の変化量および第２熱流センサに作用する熱流の変化量に基づいて、混合ガスに含まれる特定のガスのガス流速を精度よく検出することが可能となる。
【００１３】
したがって、上記のガス特性検出装置によれば、ガス流路における圧力の変化量、各熱流センサに作用する熱流の変化量に基づいて、混合ガスに含まれる特定のガスの特性を精度よく検出可能となる。
【００１４】
さらに、請求項７に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
燃料電池を通過した燃料ガスのオフガスである燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路部（６、７）と、
燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を含む特性を検出するガス特性検出装置（１０）と、を備える。
【００１５】
ガス特性検出装置は、
燃料オフガス流路部の内壁面（２２０）に設置され、燃料オフガス流路部に露出する表面と燃料オフガス流路部の内壁面に当接する裏面との温度差に起因して生ずる熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（４０）と、
燃料オフガス流路部内における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部（３０）と、
燃料オフガス流路部内における圧力の変化量と熱流センサに作用する熱流の変化量との相関関係に基づいて、水素のガス濃度の検出処理を行う検出処理部（１３０）と、
燃料オフガスを透過させるガス透過性を有するとともに、燃料オフガスを流通させるための主流空間（２２０Ａ）と熱流センサを設置するための設置空間（２２０Ｂ）とに燃料オフガス流路を区分する区画部材（５０）と、を含んで構成される。
【００１６】
上記の燃料電池システムによれば、燃料オフガス流路部における圧力の変化量と熱流センサに作用する熱流の変化量に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を精度よく検出可能となる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムのエジェクタの作動を説明するための説明図である。
【図３】第１実施形態に係るガス特性検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】第１実施形態に係るガス特性検出装置に用いられる熱流センサの模式的な断面図である。
【図５】エジェクタ作動時における熱流センサおよび圧力センサが出力する信号の変化を説明するための説明図である。
【図６】熱流変化率と水素のガス濃度との相関特性を説明するための説明図である。
【図７】エジェクタ作動時における主流空間における圧力の変化と設置空間における圧力の変化との関係を説明するための説明図である。
【図８】第１実施形態に係るガス特性検出装置の区画部材を示す模式的な断面図である。
【図９】第１実施形態に係るガス特性検出装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】第２実施形態に係るガス特性検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図１１】第３実施形態に係るガス特性検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図１２】第４実施形態に係るガス特性検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図１３】エジェクタ作動時における第１熱流センサ、第２熱流センサ、および圧力センサが出力する信号の変化を説明するための説明図である。
【図１４】センサ出力比と水素のガス流速との相関特性を説明するための説明図である。
【図１５】第４実施形態に係るガス特性検出装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】第５実施形態に係るガス特性検出装置の全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
【００２０】
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。本実施形態では、本開示のガス特性検出装置１０を燃料電池システム１に適用した例について説明する。本実施形態では、燃料電池システム１の全体構成について説明した後、ガス特性検出装置１０の詳細について説明する。
【００２１】
燃料電池システム１は、例えば、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用される。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池２を備える。
【００２２】
燃料電池２は、固体高分子型の燃料電池で構成されている。燃料電池２は、発電により生じた直流電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して車両走行用の電動モータや二次電池等の電気負荷に供給する。
【００２３】
燃料電池２は、最小単位となる電池セルが複数積層されたスタック構造を有し、各電池セルが電気的に直列に接続された直列接続体として構成されている。燃料電池２を構成する電池セルは、電解質膜の両側に触媒層を挟んで構成される膜電極接合体、膜電極接合体の両側に配置された一対の拡散層、これらを挟持するセパレータを含んで構成されている。
【００２４】
各電池セルでは、以下に示すように、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００２５】
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
【００２６】
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池２には、各電池セルに空気を供給するための空気供給配管３が接続されるとともに、各電池セルを通過した空気を生成水や不純物とともに外部に排出する空気排出配管４が接続されている。
【００２７】
空気供給配管３には、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池２に圧送する空気ポンプ３ａが設けられるとともに、空気ポンプ３ａと燃料電池２との間に燃料電池２に空気を供給する空気の圧力を調整する空気調圧弁３ｂが設けられている。また、空気排出配管４には、燃料電池２から排出された空気を生成水や不純物とともに外部に排出するための電磁弁４ａが設けられている。
【００２８】
燃料電池２には、各電池セルに燃料ガスを供給するための燃料供給配管５が接続されるとともに、各電池セルを通過した未反応水素を含む燃料オフガスを外部に排出するオフガス排出配管６が接続されている。燃料オフガスは、未反応水素、カソード側から透過した窒素、蒸気を含む混合ガスである。
【００２９】
燃料供給配管５には、その最上流部に高圧水素が充填された図示しない水素タンクが設けられている。また、燃料供給配管５には、水素タンクと燃料電池２との間に水素供給弁５ａおよびエジェクタ５ｂが設けられている。水素供給弁５ａおよびエジェクタ５ｂは、燃料ガスを間欠的に噴射供給する手段である。また、エジェクタ５ｂは、高速で噴射する燃料ガス流の巻き込み作用によって、後述する還流配管７から燃料オフガスを吸引する吸引手段としての役割を有している。
【００３０】
オフガス排出配管６には、燃料オフガスに混在する水を分離する気液分離器８が設けられるとともに、気液分離器８の内部に貯留された水を燃料オフガスとともに外部に排出するための排気弁６ａが設けられている。
【００３１】
本実施形態の気液分離器８は、重力分離方式の気液分離器が採用されている。本実施形態の気液分離器８は、その内部空間に燃料オフガスから分離された水が貯留される構成になっている。なお、気液分離器８は、遠心分離方式の気液分離器等で構成されていてもよい。
【００３２】
気液分離器８には、水が分離された燃料オフガスを燃料供給配管５に戻すための還流配管７が接続されている。還流配管７は、一端側が気液分離器８に接続され、他端側がエジェクタ５ｂのガス吸引口に接続されている。
【００３３】
気液分離器８で水が分離された燃料オフガスは、エジェクタ５ｂによって、再び燃料供給配管５に供給される。これにより、燃料電池システム１では、燃料電池２の運転時に、未反応水素を含む燃料オフガスが還流配管７を通って循環する。本実施形態では、オフガス排出配管６および還流配管７が、燃料ガスのオフガスである燃料オフガスが流れる燃料オフガス流通部を構成する。
【００３４】
排気弁６ａは、気液分離器８の内部に貯留された水を燃料オフガスとともに外部に排出するものであるが、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度が高い場合に開放されると、大気中に高濃度の水素が放出されてしまう。このため、燃料電池システム１では、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を把握する必要がある。また、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度は、水素の供給量の適否を判断する際に利用可能である。このため、燃料ガスの効率的な使用といった観点においても、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を把握することは重要である。
【００３５】
このような背景もあり、燃料電池システム１は、燃料オフガスに含まれる水素を混合ガス中の特定のガスとして、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度等の特性を検出するガス特性検出装置１０を備えている。
【００３６】
本実施形態の燃料電池システム１では、燃料ガスの供給手段として機能するエジェクタ５ｂが図２に示すように、間欠的に開弁する。これにより、燃料電池２は、エジェクタ５ｂによって燃料ガスが間欠的に供給されるとともに、燃料オフガスが間欠的に排出される。この際、燃料オフガスには圧力変動が生じる。燃料オフガスの圧力が変動すると、燃料オフガスの圧縮または膨張することで、燃料オフガスのガス温度が変動する。
【００３７】
ここで、混合ガスの温度変動により混合ガスと壁面との間に温度差が生ずるが、当該温度差に起因して流れる熱流は、混合ガス中に含まれるガスのうち最も熱伝導率の高いガスのガス濃度が高ければ大きくなり、ガス濃度が低ければ小さくなる傾向がある。燃料オフガスは、水素、窒素、蒸気を含む混合ガスであるが、この混合ガスを構成するガスの中で最も熱伝導率が高いガスは水素である。このため、燃料オフガスの温度変動による熱流の変動幅は、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度が高ければ大きくなり、水素のガス濃度が低ければ小さくなる傾向がある。
【００３８】
そこで、本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス流路内における圧力の変化量と熱流の変化量等に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を検出する構成になっている。以下、本実施形態のガス特性検出装置１０の具体的な構成等について説明する。
【００３９】
本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス特性を検出する部位が気液分離器８よりもガス流れ下流側となる還流配管７に設けられている。より具体的には、ガス特性検出装置１０は、ガス特性を検出する部位が気液分離器８と還流配管７との接続部よりもガス流れ下流側に設けられている。
【００４０】
本実施形態のガス特性検出装置１０は、燃料オフガス中の特定のガス（本例では水素）の特性を検出するための特性検知部２０、後述する制御装置１００の一部（すなわち、検出処理部１３０）を含んで構成されている。
【００４１】
図３に示すように、特性検知部２０は、還流配管７に接続されるハウジング２２、ハウジング２２内部に設置された圧力センサ３０および熱流センサ４０、ハウジング２２内部に設けられた区画部材５０を含んで構成されている。
【００４２】
ハウジング２２は、特性検知部２０の外殻を構成するものであり、その内部に燃料オフガスが流れるガス流路２２０が形成されている。本実施形態では、ハウジング２２が、混合ガスが流れるガス流路を構成するとともに、燃料電池２を通過した燃料オフガスが流れる燃料オフガス流通部として機能する。
【００４３】
本実施形態のハウジング２２には、還流配管７に接続するための一対のフランジ部２３、２４、および筒状の胴体部２５で構成されている。一対のフランジ部２３、２４は、円環状に構成されており、還流配管７に対して溶接等の接合技術によって気密に接合されている。胴体部２５は、一対のフランジ部２３、２４に対して図示しないネジ等の締結部材によって連結されている。なお、胴体部２５と一対のフランジ部２３、２４との連結部位には、シール部材であるＯリング２５０が設けられている。
【００４４】
このように構成されるハウジング２２には、その内部に円筒状の空間が形成される。この空間は燃料オフガスが流れるガス流路２２０を構成する。このガス流路２２０は、その流路断面積が還流配管７における流路断面積よりも大きくなっている。そして、ガス流路２２０を形成するハウジング２２の内壁面２２２には、圧力センサ３０および熱流センサ４０が設置されている。
【００４５】
圧力センサ３０は、ガス流路２２０内における圧力を検出するセンサである。本実施形態では、圧力センサ３０がガス流路２２０内における圧力に応じた信号を出力する圧力検出部を構成する。本実施形態の圧力センサ３０は、信号線ＳＬｐを介して制御装置１００の入力側に接続されている。
【００４６】
熱流センサ４０は、ガス流路２２０に露出する表面とガス流路２２０の内壁面２２２に当接する裏面との温度差に起因する熱流に応じた信号を出力するセンサである。具体的には、熱流センサ４０は、板状に構成されており、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する。図４に示すように、本実施形態の熱流センサ４０は、両板面の一方を表面４１１、他方を裏面４１２とする薄板状のセンサ基板４１を有する。センサ基板４１は、ハウジング２２の内壁面２２２に設置されている。センサ基板４１は、その表面４１１がガス流路２２０に露出するように、裏面４１２がハウジング２２の内壁面２２２に固定されている。
【００４７】
これにより、熱流センサ４０は、センサ基板４１の表面４１１上を、熱（冷熱を含む）を有する燃料オフガスが流れるようになっている。センサ基板４１では、基板厚さ方向に熱流が発生すると、この熱流により生ずる表面４１１と裏面４１２との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する。
【００４８】
具体的には、センサ基板４１は、絶縁性材料よりなる基板で構成されている。センサ基板４１は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（すなわち、ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（すなわち、ＰＥＩ）、液晶ポリマー（すなわち、ＬＣＰ）等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等で構成される。
【００４９】
センサ基板４１には、異なる２種の金属４２１、４２２が直列的に接続されることで熱電対４２が構成されている。熱電対４２は、熱流を検知するための検知部を構成する。２種の金属４２１、４２２としては、例えば、固相焼結されたＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ合金と、Ｂｉ−Ｔｅとの組み合わせや、Ｃｕとコンスタンタンとの組み合わせ等が挙げれられる。なお、熱電対４２は、例えば、異なる半導体素子の直列接続体で構成されていてもよい。
【００５０】
熱流センサ４０は、熱流によって生ずるセンサ基板４１の表裏の温度差ΔＴに起因してゼーベック効果による起電圧Ｖが発生する。本実施形態の熱流センサ４０は、信号線ＳＬｑを介して制御装置１００の入力側に接続されている。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システム１では、エジェクタ５ｂの作動に伴って燃料電池２内部に圧力変動が生ずると、当該圧力変動に伴う燃料オフガスの圧縮または膨張によって燃料オフガスのガス温度が周期的に変動する。
【００５２】
これに対して、ハウジング２２の内壁面２２２の温度は、その熱容量によって略一定の温度に維持される。すなわち、ハウジング２２の内壁面２２２の温度は、圧力変動が生じても、燃料オフガスの温度のように周期的に変動しない。
【００５３】
このように、ガス特性検出装置１０では、エジェクタ５ｂの作動時に、燃料オフガスとハウジング２２の内壁面２２２との間に周期的な温度変動が生ずる。そして、燃料オフガスとハウジング２２の内壁面２２２との間に周期的な温度変動が生ずると、熱流センサ４０の表裏に温度差が生ずることで、熱流センサ４０から燃料オフガスの温度変動に応じた起電圧が出力される。
【００５４】
具体的には、ガス特性検出装置１０では、エジェクタ５ｂの作動に伴う圧力変動が生ずると、圧力センサ３０の出力信号が図５の下段に示すように周期的に変動する。そして、圧力変動に伴う燃料オフガスの圧縮または膨張による燃料オフガスの温度変動によって、熱流センサ４０の出力信号が図５の上段に示すように、圧力センサ３０の出力信号の変動に同期して周期的に変動する。
【００５５】
ここで、熱流センサ４０に作用する熱流の変動幅（すなわち、振幅）は、燃料オフガスの熱伝達率ｈが大きいほど大きくなる。一般にガスの熱伝達率ｈは、以下の式１で定義される。
ｈ＝Ｎｕ×λ／Ｌ・・・（式１）
上記式１では、Ｎｕがヌセルト数、λがガスの熱伝導率、Ｌがガス流れ方向の代表長さを示している。
【００５６】
また、温度が均一な板の強制対流のヌセルト数Ｎｕは、以下の式２で求めることができる。
Ｎｕ＝０．６６４×Ｒｅ１／２×Ｐｒ１／３・・・（式２）
上記式２では、Ｒｅがレイノルズ数、Ｐｒがプラントル数を示している。
【００５７】
そして、レイノルズ数は、以下の式３で定義される。
Ｒｅ＝ｕ×Ｌ／ν・・・（式３）
上記式３では、ｕがガスの平均流速、Ｌがガス流れ方向の代表長さ、νがガスの動粘性係数を示している。
【００５８】
上述の式１〜式３によれば、平均流速ｕが一定の条件であれば、ガスの熱伝達率ｈは、熱伝導率等のガスの物性値（すなわち、動粘度ν、プラントル数Ｐｒ、熱伝導率λ）で決まる。そして、ガスの熱伝達率ｈは、ガスの熱伝導率に比例して大きくなる。前述したように、水素、窒素、蒸気を含む燃料オフガスのうち、熱伝導率が最も高いガスは水素である。このため、ガスの熱伝達率ｈは、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度が高ければ大きくなり、水素のガス濃度が低ければ小さくなる。
【００５９】
また、混合ガスの温度の変動幅は、混合ガスの圧力の変動幅に略比例する。このため、熱流センサ４０の出力信号の振幅Ｑｖは、圧力センサ３０の出力信号の振幅Ｐｖに略比例する。
【００６０】
本発明者らは、圧力センサ３０の出力信号の振幅Ｐｖに対する熱流センサ４０の出力信号の振幅Ｑｖの比を熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖとし、当該熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと燃料オフガスにおける水素混合比Ｈｕとの関係について調査した。なお、水素混合比Ｈｕは、水素のガス濃度と同義である。
【００６１】
本発明者らの調査によれば、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖは、図６に示すように、水素混合比Ｈｕと略比例関係となることが判った。このような知見によれば、圧力センサ３０から出力される信号の変化量、および熱流センサ４０から出力される信号の変化量に基づいて水素混合比Ｈｕを求めることが可能になる。
【００６２】
ところが、混合ガスの平均流速ｕが変化する場合、レイノルズ数Ｒｅが変化し、それに伴いヌセルト数Ｎｕが変化する。そして、ヌセルト数Ｎｕが変化すると燃料オフガスの熱伝達率ｈが変化する。
【００６３】
このため、本実施形態のガス特性検出装置１０の如く、燃料オフガスの温度の変動幅に基づいて水素のガス濃度を算出する場合、燃料オフガスの平均流速ｕの変化が外乱となるため、水素のガス濃度を精度よく検出することが困難になる。
【００６４】
そこで、本実施形態のガス特性検出装置１０には、図３に示すように、ハウジング２２の内部に燃料オフガスを流通させるための主流空間２２０Ａと熱流センサ４０を設置するための設置空間２２０Ｂとにガス流路２２０を区分する区画部材５０が設けられている。
【００６５】
区画部材５０は、燃料オフガスが主流空間２２０Ａおよび設置空間２２０Ｂとの間で移動可能なように、燃料オフガスを透過させるガス透過性を有する材料で構成されている。具体的には、本実施形態の区画部材５０は、燃料オフガスを透過させるガス透過性を有する多孔質体５２で構成されている。多孔質体５２としては、例えば、アルミナ等の金属の焼結体で構成される。なお、多孔質体５２は、例えば、濾過精度が５０μｍ程度となるように構成されている。
【００６６】
本実施形態の区画部材５０は、燃料オフガスのガス流れ方向に沿って延びる円筒状の部材で構成されている。より具体的には、区画部材５０は、その内壁面が還流配管７の内壁面に連なるように、その内径が還流配管７の内径と略同径になっている。
【００６７】
本実施形態の区画部材５０は、その長手方向の一端側に円環状に形成された金属製の環状体５１が溶接等の接合技術によって接合されている。そして、区画部材５０は、環状体５１および長手方向の他端側の部位がハウジング２２に嵌め込まれることでハウジング２２に対して固定されている。これにより、ハウジング２２の内部には、区画部材５０の内側に主流空間２２０Ａが形成され、区画部材５０の外側に設置空間２２０Ｂが形成される。
【００６８】
ハウジング２２内部に流入する燃料オフガスは、主に区画部材５０の内側を流れる。このため、ハウジング２２内部の設置空間２２０Ｂでは、燃料オフガスの平均流速ｕの変化が殆ど生じない。その一方で、設置空間２２０Ｂと主流空間２２０Ａとの間に設置される区画部材５０は、ガス透過性を有している。このため、主流空間２２０Ａにおける圧力変動は、区画部材５０を介して設置空間２２０Ｂに伝達される。
【００６９】
ここで、図７は、濾過精度が５０μｍ程度の多孔質体５２を用いた際の主流空間２２０Ａにおける圧力変動と設置空間２２０Ｂにおける圧力変動との関係を試算した結果を示している。図７における縦軸は、主流空間２２０Ａにおける圧力変動幅Ｐｖ０に対する設置空間２２０Ｂにおける圧力変動幅Ｐｖ１の比である圧力変動比Ｐｖ１／Ｐｖ０を示している。また、横軸は、燃料オフガスの圧力変動の周波数を示している。
【００７０】
図７によれば、燃料オフガスの圧力変動の周波数が１ｋＨｚ以下となる範囲では、圧力変動比Ｐｖ１／Ｐｖ０が「１」付近となっており、区画部材５０によって設置空間２２０Ｂ側の圧力が殆ど減衰しないことが判る。
【００７１】
燃料電池システム１では、燃料オフガスの圧力変動の周波数が１００Ｈｚ以下となるため、エジェクタ５ｂの作動時には、設置空間２２０Ｂ側では主流空間２２０Ａ側と同様の圧力変動が生ずると解される。
【００７２】
これらを鑑み、本実施形態のガス特性検出装置１０では、水素のガス濃度の検出精度に燃料オフガスの平均流速ｕの変化が影響しないように、熱流センサ４０を設置空間２２０Ｂに設置している。
【００７３】
また、本実施形態のガス特性検出装置１０では、熱流センサ４０だけでなく、圧力センサ３０についても設置空間２２０Ｂに設置している。これによれば、圧力センサ３０から出力される信号と熱流センサ４０から出力される信号との同期ズレを充分に抑制することができる。
【００７４】
ところで、主流空間２２０Ａを流れる燃料オフガス中に水分が含まれていると、当該水分が設置空間２２０Ｂ側に侵入することで、熱流センサ４０が被水することがある。熱流センサ４０が被水すると、燃料オフガスと熱流センサ４０との熱伝達が阻害される。加えて、熱流センサ４０が被水すると、水分と熱流センサ４０との間で熱交換が生じ、被水してない場合に対して熱流が変化する。このように、熱流センサ４０の被水は、水素のガス濃度の検出精度を悪化させる要因となる。
【００７５】
そこで、本実施形態の区画部材５０には、図８に示すように、その表面に撥水処理が施されている。具体的には、区画部材５０は、多孔質体５２の表面が撥水性を有する保護膜５３によって被覆されている。保護膜５３としては、例えば、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂を採用することができる。
【００７６】
次に、燃料電池システム１の電気制御部である制御装置１００について図１を参照して説明する。制御装置１００は、プロセッサ、記憶部１１０等を有する周知のマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成されている。なお、制御装置１００の記憶部１１０は、非遷移的実体的記憶媒体で構成される。
【００７７】
制御装置１００の入力側には、特性検知部２０を構成する圧力センサ３０および熱流センサ４０等の各種センサが接続されている。また、制御装置１００の出力側には、制御対象機器として、空気ポンプ３ａ、空気調圧弁３ｂ、電磁弁４ａ、水素供給弁５ａ、エジェクタ５ｂ、排気弁６ａ等が接続されている。
【００７８】
このように構成される制御装置１００は、入力側から入力された各種信号等を、予め記憶部１１０に記憶されたプログラムに従って演算処理し、当該演算処理の結果等に基づいて、出力側に接続された各種制御対象機器を制御する。
【００７９】
燃料電池２の運転中は、燃料電池２にて水素が消費されることで、燃料電池２内部の圧力が徐々に低下する。このため、制御装置１００は、燃料電池２の運転中において、燃料電池２内部の圧力が所定の基準圧力よりも低下した際に燃料電池２に燃料ガスが供給されるように、水素供給弁５ａおよびエジェクタ５ｂを制御する。これにより、燃料電池２には、間欠的に燃料ガスが噴射供給される。本実施形態では、制御装置１００における各種制御対象機器を制御する構成（ソフトウェアおよびハードウェア）が機器制御部１２０を構成している。
【００８０】
また、制御装置１００は、熱流センサ４０等から出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度等の特性を検出する検出処理を実行する。本実施形態では、制御装置１００における燃料オフガスに含まれる水素の特性を検出する検出処理を行う構成（ソフトウェアおよびハードウェア）が検出処理部１３０を構成している。
【００８１】
以下、本実施形態の制御装置１００が実行する燃料オフガスに含まれる水素の特性を検出する検出処理について、図９を参照して説明する。制御装置１００は、エジェクタ５ｂの作動時において、図９に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。
【００８２】
図９に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１００にて、圧力センサ３０からの出力信号、熱流センサ４０からの出力信号を読み込む。そして、制御装置１００は、ステップＳ１１０にて、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖを算出する。具体的には、制御装置１００は、圧力センサ３０からの出力信号の振幅Ｐｖを検出する。また、制御装置１００は、熱流センサ４０からの出力信号の振幅Ｑｖを検出する。そして、制御装置１００は、圧力センサ３０からの出力信号の振幅Ｐｖで熱流センサ４０からの出力信号の振幅Ｑｖを除することで熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖを算出する。なお、圧力センサ３０および熱流センサ４０の出力信号の振幅Ｐｖ、Ｑｖは、例えば、エジェクタ５ｂによる燃料ガスの供給タイミングにおける信号と、エジェクタ５ｂによる燃料ガスの供給停止タイミングにおける信号との差分として抽出可能である。
【００８３】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖに基づいて燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を算出する。制御装置１００では、例えば、予め記憶部１１０に記憶された熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと水素のガス濃度との対応関係を規定した制御マップを参照して、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖに対応する燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を算出する。この際、制御装置１００は、図６の如く、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖの増大に伴って水素のガス濃度を示す水素混合比Ｈｕが大きくなるように、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと燃料オフガス中の水素のガス濃度との対応関係が規定された制御マップを参照する。なお、本実施形態では、記憶部１１０に記憶された制御マップが、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと水素のガス濃度との対応関係を規定した濃度特性に相当する。
【００８４】
以上説明した本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス流路２２０が区画部材５０によって混合ガスである燃料オフガスを流通させるための主流空間２２０Ａと熱流センサ４０が設置される設置空間２２０Ｂとに区分されている。このため、ガス流路２２０を流れる燃料オフガスの平均流速ｕが変動したとしても、熱流センサ４０の設置箇所付近における燃料オフガスの平均流速ｕの変動が抑制される。そして、区画部材５０は、ガス透過性を有しているので、熱流センサ４０付近の設置箇所付近でガス流路２２０内における圧力変動に応じて燃料オフガスの温度が変動する。
【００８５】
したがって、本実施形態のガス特性検出装置１０によれば、ガス流路２２０における圧力の変化量と熱流センサ４０に作用する熱流の変化量に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を精度よく検出することができる。
【００８６】
また、本実施形態のガス特性検出装置１０は、区画部材５０の表面に撥水処理が施されている。これによれば、主流空間２２０Ａを流れる燃料オフガスに水分が含まれている場合でも、区画部材５０によって熱流センサ４０の設置空間２２０Ｂ側に水分が侵入し難くなるので、熱流センサ４０の被水を抑制することができる。このことは、水素のガス濃度の検出精度の向上に大きく寄与する。ここで、還流配管７では、気液分離器８で水分が分離された燃料オフガスが流れる。このことを考慮して、本実施形態では、還流配管７にガス特性検出装置１０の特性検知部２０を設置している。これによれば、熱流センサ４０の被水を充分に抑制することができる。
【００８７】
さらに、本実施形態のガス特性検出装置１０は、圧力検出部である圧力センサ３０が主流空間２２０Ａではなく、熱流センサ４０の設置空間２２０Ｂに設置されている。このように、圧力センサ３０を熱流センサ４０と同じ環境下に設置すれば、圧力センサ３０から出力される信号と熱流センサ４０から出力される信号との同期ズレを充分に抑制することができる。このことも、水素のガス濃度の検出精度の向上に大きく寄与する。
【００８８】
（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと水素のガス濃度との対応関係を規定した制御マップを参照して、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖから燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を算出する例について説明したが、これに限定されない。熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖから水素のガス濃度を算出する処理は、制御マップではなく、例えば、熱流変化率Ｑｖ／Ｐｖと燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度との対応関係を予め数式化したものを利用する処理になっていてもよい。
【００８９】
上述の第１実施形態では、区画部材５０として金属製の多孔質体５２を採用する例について説明したが、これに限定されない。区画部材５０は、例えば、ステンレス等の金属線をメッシュ状に編み込んだメタルメッシュや、ステンレス等の金属板に多数の細孔を形成したパンチングメタル等で構成されていてもよい。なお、区画部材５０の濾過精度については、５０μｍ程度に限定されず、検出対象等に応じて適宜設定すればよい。
【００９０】
上述の第１実施形態の如く、圧力センサ３０は、熱流センサ４０と同じ設置空間２２０Ｂに設置することが望ましいが、これに限定されない。圧力センサ３０は、例えば、主流空間２２０Ａに設置されていてもよい。これらのことは以降の実施形態においても同様である。
【００９１】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態では、ガス特性検出装置１０の特性検知部２０の構造が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分についての説明を省略することがある。
【００９２】
図１０に示すように、本実施形態のガス特性検出装置１０は、ハウジング２２がＴ字型の管継手２６で構成されている。管継手２６は、３つの開口部２６１〜２６３を有している。管継手２６は、直線状に延びる管路の両端に開口する第１開口部２６１および第２開口部２６２に対して還流配管７が接続されている。
【００９３】
また、管継手２６は、直線状に延びる管路から分岐する分岐管路の端部に開口する第３開口部２６３がエンドキャップ２６４によって閉塞されている。なお、第３開口部２６３とエンドキャップ２６４との間には、シール部材であるＯリング２６５が設けられている。
【００９４】
このように構成されるハウジング２２は、その内部空間が燃料オフガスのガス流路２２０を構成する。そして、ガス流路２２０を形成するハウジング２２の内壁面２２２には、圧力センサ３０および熱流センサ４０が設置されている。具体的には、本実施形態の圧力センサ３０および熱流センサ４０は、ガス流路２２０を形成するハウジング２２の内壁面２２２のうち、エンドキャップ２６４の内側端面に設置されている。これにより、本実施形態の圧力センサ３０および熱流センサ４０は、管継手２６における直線状に延びる管路から分岐する分岐管路に位置付けられている。なお、圧力センサ３０の信号線ＳＬｐおよび熱流センサ４０の信号線ＳＬｑは、エンドキャップ２６４の内部に配策されている。
【００９５】
また、本実施形態の区画部材５０は、管継手２６における直線状に延びる管路が主流空間２２０Ａとなり、当該管路から分岐する管路が設置空間２２０Ｂとなるように、ハウジング２２の内部に設置されている。
【００９６】
本実施形態の区画部材５０は、円盤状に形成された多孔質体５２Ａで構成されている。多孔質体５２Ａは、第１実施形態と同様に、ガス透過性を有する材料で構成されている。多孔質体５２Ａは、円環状に形成された金属製の環状体５１が溶接等の接合技術によって接合されている。そして、区画部材５０は、環状体５１を介してエンドキャップ２６４に対して固定されている。
【００９７】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス流路２２０が、ガス透過性を有する区画部材５０によって主流空間２２０Ａと設置空間２２０Ｂとに区分されている。このため、本実施形態のガス特性検出装置１０によれば、第１実施形態と同様に、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を精度よく検出することができる。
【００９８】
特に、本実施形態にガス特性検出装置１０は、Ｔ字型の管継手２６の第３開口部２６３を閉塞するエンドキャップ２６４に対して圧力センサ３０、熱流センサ４０、区画部材５０が設置されている。
【００９９】
これによれば、Ｔ字型の管継手２６の第３開口部２６３に対して各センサ３０、４０等が設置されたエンドキャップ２６４を嵌め合わせることで、特性検知部２０を構成することができるので、ガス特性検出装置１０の簡素な構造で実現することができる。
【０１００】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１１を参照して説明する。本実施形態では、区画部材５０が樹脂製の網状体５４で構成されている点が第２実施形態と相違している。本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について主に説明し、第１、第２実施形態と同様の部分についての説明を省略することがある。
【０１０１】
本実施形態の区画部材５０は、燃料オフガスを透過させるガス透過性を有する樹脂製の網状体５４で構成されている。この網状体５４は、金属よりも熱伝導率の低い樹脂の線材をメッシュ状に編み込んだ樹脂メッシュで構成されている。
【０１０２】
網状体５４は、圧力センサ３０および熱流センサ４０の全体を覆うことが可能なようにカップ状の形状を有している。そして、網状体５４は、エンドキャップ２６４に対して溶着等の接合技術によって接合されている。図示しないが網状体５４は、その表面に撥水処理が施されている。なお、網状体５４の濾過精度については、第１実施形態で説明した多孔質体５２と同程度になっている。
【０１０３】
その他の構成は、第２実施形態と同様である。本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス流路２２０が、ガス透過性を有する網状体５４によって主流空間２２０Ａと設置空間２２０Ｂとに区分されている。このため、本実施形態のガス特性検出装置１０によれば、第２実施形態と同様に、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を精度よく検出することができる。
【０１０４】
ここで、主流空間２２０Ａと設置空間２２０Ｂとの間では、圧力変動によって燃料オフガスが一方の空間から他方の空間へと区画部材５０を介して透過する。この際、区画部材５０の温度は、その熱容量によって温度が殆ど変化しないので、区画部材５０と燃料オフガスとの熱交換によって、圧力変動に伴う燃料オフガスの温度変動が阻害されてしまう虞がある。このことは、熱流センサ４０の出力低下を招く要因となることから好ましくない。
【０１０５】
これに対して、本実施形態では、区画部材５０として、金属よりも熱伝導率の低い樹脂で構成された網状体５４を採用している。これによると、区画部材５０と燃料オフガスとの熱交換が抑制されるので、区画部材５０によって圧力変動に伴う燃料オフガスの温度変動が阻害されてしまうことを抑制することができる。この結果、熱流センサ４０の出力低下を抑制して、水素のガス濃度を精度よく検出することができる。
【０１０６】
（第３実施形態の変形例）
上述の第３実施形態では、網状体５４として、金属よりも熱伝導率の低い樹脂の線材をメッシュ状に編み込んだ樹脂メッシュで構成する例について説明したが、これに限定されない。網状体５４は、例えば、多数の細孔を形成した樹脂製の板材で構成されていてもよい。
【０１０７】
上述の第３実施形態では、区画部材５０として樹脂製の網状体５４を採用する例について説明したが、これに限定されない。区画部材５０は、例えば、樹脂製の多孔質体５２で構成されていてもよい。
【０１０８】
上述の第３実施形態では、第２実施形態で示したガス特性検出装置１０の区画部材５０として樹脂製の網状体５４を採用する例について説明したが、これに限定されない。第１実施形態で示したガス特性検出装置１０においても、区画部材５０として樹脂製の網状体５４等を採用することが可能である。
【０１０９】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１２〜図１５を参照して説明する。本実施形態では、ガス特性検出装置１０が、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度に加えて、水素のガス流速を検出可能に構成されている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分についての説明を省略することがある。
【０１１０】
図１２に示すように、本実施形態のガス特性検出装置１０の特性検知部２０は、ハウジング２２内部に設置された圧力センサ３０、第１熱流センサ４０Ａ、および第２熱流センサ４０Ｂを含んで構成されている。
【０１１１】
本実施形態の第１熱流センサ４０Ａおよび第２熱流センサ４０Ｂは、第１実施形態で説明した熱流センサ４０と同じ構造で構成されている。すなわち、第１熱流センサ４０Ａおよび第２熱流センサ４０Ｂは、同じ熱流センサで構成されている。
【０１１２】
第１熱流センサ４０Ａは、第１実施形態の熱流センサ４０と同様に、設置空間２２０Ｂに設置されている。すなわち、第１熱流センサ４０Ａは、ハウジング２２の内壁面２２２のうち設置空間２２０Ｂを形成する部位に設置されている。第１熱流センサ４０Ａは、信号線ＳＬｑ１を介して制御装置１００の入力側に接続されている。
【０１１３】
一方、第２熱流センサ４０Ｂは、設置空間２２０Ｂではなく、主流空間２２０Ａに設置されている。すなわち、第２熱流センサ４０Ｂは、ハウジング２２の内壁面２２２のうち主流空間２２０Ａを形成する部位に設置されている。第２熱流センサ４０Ｂは、信号線ＳＬｑ２を介して制御装置１００の入力側に接続されている。
【０１１４】
また、本実施形態の圧力センサ３０は、第２熱流センサ４０Ｂと同様に、主流空間２２０Ａに設置されている。すなわち、圧力センサ３０は、ハウジング２２の内壁面２２２のうち主流空間２２０Ａを形成する部位に設置されている。圧力センサ３０は、信号線ＳＬｐを介して制御装置１００の入力側に接続されている。
【０１１５】
本実施形態のガス特性検出装置１０では、第１実施形態と同様に、エジェクタ５ｂの作動時に、燃料オフガスとハウジング２２の内壁面２２２との間に周期的な温度変動が生ずる。そして、燃料オフガスとハウジング２２の内壁面２２２との間に周期的な温度変動が生ずると、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂの表裏に温度差が生ずることで、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂから燃料オフガスの温度変動に応じた起電圧が出力される。
【０１１６】
具体的には、本実施形態のガス特性検出装置１０では、エジェクタ５ｂの作動に伴う圧力変動が生ずると、圧力センサ３０の出力信号が図１３の下段に示すように周期的に変動する。
【０１１７】
また、第１熱流センサ４０Ａは、圧力変動に伴う燃料オフガスの圧縮または膨張による燃料オフガスの温度変動によって、その出力信号が図１３の上段に示すように、圧力センサ３０の出力信号の変動に同期して周期的に変動する。この際、第１熱流センサ４０Ａは、設置空間２２０Ｂに設置されているので、その出力が燃料オフガスの平均流速ｕの変動の影響を受け難い。
【０１１８】
同様に、第２熱流センサ４０Ｂは、圧力変動に伴う燃料オフガスの圧縮または膨張による燃料オフガスの温度変動によって、その出力信号が図１３の中段に示すように、圧力センサ３０の出力信号の変動に同期して周期的に変動する。この際、第２熱流センサ４０Ｂは、燃料オフガスが流れる主流空間２２０Ａに設置されているので、その出力が燃料オフガスの平均流速ｕの変動の影響を受ける。
【０１１９】
ここで、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂの出力信号は、燃料オフガスの熱伝達率ｈに相関して変動する。燃料オフガスの熱伝達率ｈを決める物性値は、平均流速、動粘度、プラントル数、熱伝導率であるが、そのうち平均流速以外の要素は、主流空間２２０Ａおよび設置空間２２０Ｂの双方で同様となる。このため、第１熱流センサ４０Ａの出力信号で第２熱流センサ４０Ｂの出力信号を除すれば、燃料オフガスの熱伝達率ｈを決める物性値のうち平均流速以外の要素をキャンセルすることができる。
【０１２０】
本発明者らは、第１熱流センサ４０Ａの出力信号の振幅Ｑｖ１に対する第２熱流センサ４０Ｂの出力信号の振幅Ｑｖ２の比をセンサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１とし、当該センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と燃料オフガスの流速との関係について調査した。
【０１２１】
本発明者らの調査によれば、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１は、図１４に示すように、燃料オフガスの流速と相関性を有することが判った。この知見を活かして、本実施形態のガス特性検出装置１０は、制御装置１００がセンサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１に基づいて、燃料オフガスの流速を算出する構成になっている。
【０１２２】
以下、本実施形態の制御装置１００が実行する燃料オフガスに含まれる水素の特性を検出する検出処理について、図１５を参照して説明する。制御装置１００は、エジェクタ５ｂの作動時において、図１５に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。なお、図１５に示す各ステップのうち、図９で示したステップと同じ符号が付されたステップは、特に言及しない限り、同じ処理内容となっている。
【０１２３】
図１５に示すように、本実施形態の制御装置１００は、ステップＳ１２０で水素のガス濃度を算出した後、ステップＳ１３０に移行する。制御装置１００は、ステップＳ１３０で、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１を算出する。具体的には、制御装置１００は、第１熱流センサ４０Ａからの出力信号の振幅Ｑｖ１を検出するとともに、第２熱流センサ４０Ｂからの出力信号の振幅Ｑｖ２を検出する。そして、制御装置１００は、第１熱流センサ４０Ａからの出力信号の振幅Ｑｖ１で第２熱流センサ４０Ｂからの出力信号の振幅Ｑｖ２を除することでセンサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１を算出する。なお、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂの出力信号の振幅Ｑｖ１、Ｑｖ２は、例えば、エジェクタ５ｂによる燃料ガスの供給タイミングにおける信号と、エジェクタ５ｂによる燃料ガスの供給停止タイミングにおける信号との差分として抽出可能である。
【０１２４】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１４０にて、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１に基づいて燃料オフガスに含まれる水素のガス流速を算出する。制御装置１００では、例えば、予め記憶部１１０に記憶されたセンサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と水素のガス流速との対応関係を規定した制御マップを参照して、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１に対応する燃料オフガスに含まれる水素のガス流速を算出する。この際、制御装置１００は、図１４の如く、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１の増大に伴って水素のガス流速が大きくなるように、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と水素のガス流速との対応関係が規定された制御マップを参照する。なお、本実施形態では、記憶部１１０に記憶された制御マップが、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と水素のガス流速との対応関係を規定した流速特性に相当する。
【０１２５】
以上説明した本実施形態のガス特性検出装置１０は、ガス流路２２０が区画部材５０によって主流空間２２０Ａと第１熱流センサ４０Ａが設置される設置空間２２０Ｂとに区分されるとともに、第２熱流センサ４０Ｂが主流空間２２０Ａに設置されている。
【０１２６】
このような構成では、ガス流路２２０を流れる燃料オフガスの流速が変動したとしても、第１熱流センサ４０Ａの設置箇所付近における燃料オフガスの流速の変動が抑制される。そして、区画部材５０は、ガス透過性を有しているので、ガス流路２２０における圧力変動によって第１熱流センサ４０Ａの設置箇所付近で燃料オフガスの温度が変化する。このため、ガス流路２２０における圧力の変化量と第１熱流センサ４０Ａに作用する熱流の変化量に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を精度よく検出することが可能となる。
【０１２７】
また、ガス流路２２０を流れる燃料オフガスの平均流速が変動すると、第２熱流センサ４０Ｂの設置箇所付近における燃料オフガスの平均流速が変動する一方で、第１熱流センサ４０Ａの設置箇所付近における燃料オフガスの平均流速の変動が抑制される。このため、第１熱流センサ４０Ａに作用する熱流の変化量および第２熱流センサ４０Ｂに作用する熱流の変化量に基づいて、燃料オフガスに含まれる水素のガス流速を精度よく検出することが可能となる。水素のガス濃度とガス流速が判れば、燃料オフガス中の水素のガス流量を把握することができる。
【０１２８】
したがって、本実施形態のガス特性検出装置１０によれば、ガス流路２２０における圧力の変化量、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂに作用する熱流の変化量に基づいて、燃料オフガスに含まれる特定のガスの特性を精度よく検出可能となる。
【０１２９】
特に、本実施形態のガス特性検出装置１０は、同種の熱流センサを利用して、水素のガス濃度およびガス流速といった異なる特性を検出することができる。これによると、水素のガス濃度およびガス流速を異種のセンサを利用して検出する場合に比べて、構成の共通化を行い易くなるといった利点がある。このことは、装置全体としての簡素化や、製造時の管理コスト低減に大きく寄与する。また、同種の熱流センサを利用する場合、異種のセンサを利用する場合に比べて、ノイズ等のセンサ特性に差が生じ難いため、燃料オフガスに含まれる水素の特性の検出精度の向上を図る上でも有効である。
【０１３０】
（第４実施形態の変形例）
上述の第４実施形態では、ガス特性検出装置１０として、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度およびガス流速の双方を検出可能なものを例示したが、これに限定されない。ガス特性検出装置１０は、例えば、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度およびガス流速の一方を検出可能な構成になっていてもよい。
【０１３１】
上述の第４実施形態では、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と水素のガス流速との対応関係を規定した制御マップを参照して、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１から燃料オフガスに含まれる水素のガス流速を算出する例について説明したが、これに限定されない。センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１から水素のガス流速を算出する処理は、制御マップではなく、例えば、センサ出力比Ｑｖ２／Ｑｖ１と燃料オフガスに含まれる水素のガス流量との対応関係を予め数式化したものを利用する処理になっていてもよい。
【０１３２】
上述の第４実施形態では、圧力センサ３０が主流空間２２０Ａに設置される例について説明したが、これに限定されない。圧力センサ３０は、例えば、第１熱流センサ４０Ａと同じ設置空間２２０Ｂに設置されていてもよい。
【０１３３】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図１６を参照して説明する。本実施形態では、ガス特性検出装置１０の特性検知部２０の構造が第４実施形態と相違している。本実施形態では、第４実施形態と異なる部分について主に説明し、第４実施形態と同様の部分についての説明を省略することがある。
【０１３４】
図１６に示すように、本実施形態のガス特性検出装置１０は、ハウジング２２がＴ字型の管継手２６で構成されている。管継手２６は、３つの開口部２６１〜２６３を有している。管継手２６は、直線状に延びる管路の両端に開口する第１開口部２６１および第２開口部２６２に対して還流配管７が接続されている。
【０１３５】
また、管継手２６は、直線状に延びる管路から分岐する分岐管路の端部に開口する第３開口部２６３がエンドキャップ２６４によって閉塞されている。なお、第３開口部２６３とエンドキャップ２６４との間には、シール部材であるＯリング２６５が設けられている。本実施形態のエンドキャップ２６４の内側端面には、第１熱流センサ４０Ａを収容するための収容溝２６４ａが形成されている。
【０１３６】
また、本実施形態の区画部材５０は、管継手２６における直線状に延びる管路が主流空間２２０Ａとなり、エンドキャップ２６４に形成された収容溝２６４ａが設置空間２２０Ｂとなるように、ハウジング２２の内部に設置されている。
【０１３７】
本実施形態の区画部材５０は、円盤状に形成された多孔質体５２Ａで構成されている。多孔質体５２Ａは、第１実施形態と同様に、ガス透過性を有する材料で構成されている。区画部材５０は、エンドキャップ２６４の内側端面に固定されている。
【０１３８】
このように構成されるハウジング２２は、その内壁面２２２に、圧力センサ３０、第１熱流センサ４０Ａ、および第２熱流センサ４０Ｂが設置されている。本実施形態の圧力センサ３０、第１熱流センサ４０Ａ、および第２熱流センサ４０Ｂは、ガス流路２２０を形成するハウジング２２の内壁面２２２のうち、エンドキャップ２６４の内側端面に設置されている。
【０１３９】
具体的には、本実施形態の第１熱流センサ４０Ａは、収容溝２６４ａの内側に形成される設置空間２２０Ｂに設置されている。なお、第１熱流センサ４０Ａの信号線ＳＬｑ１は、エンドキャップ２６４の内部に配策されている。
【０１４０】
一方、本実施形態の圧力センサ３０および第２熱流センサ４０Ｂは、設置空間２２０Ｂではなく、主流空間２２０Ａに設置されている。なお、圧力センサ３０の信号線ＳＬｖおよび第２熱流センサ４０Ｂの信号線ＳＬｑ２は、エンドキャップ２６４の内部に配策されている。
【０１４１】
その他の構成は、第４実施形態と同様である。本実施形態のガス特性検出装置１０は、第４実施形態と同様に、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度およびガス流速を精度よく検出することができる。
【０１４２】
特に、本実施形態にガス特性検出装置１０は、Ｔ字型の管継手２６の第３開口部２６３を閉塞するエンドキャップ２６４に対して圧力センサ３０、各熱流センサ４０Ａ、４０Ｂ、および区画部材５０が設置されている。
【０１４３】
これによれば、Ｔ字型の管継手２６の第３開口部２６３に対して各センサ３０、４０Ａ、４０Ｂ等が設置されたエンドキャップ２６４を嵌め合わせることで、特性検知部２０を構成することができるので、ガス特性検出装置１０の簡素な構造で実現することができる。
【０１４４】
（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１４５】
上述の各実施形態の如く、区画部材５０の表面に撥水処理を施すことが望ましいが、これに限定されない。例えば、熱流センサ４０が被水し難い環境に設置される場合、区画部材５０の表面に撥水処理が施されていなくてもよい。
【０１４６】
上述の各実施形態では、熱流センサ４０として、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂で構成されるセンサ基板４１を有するものを例示したが、これに限定されない。熱流センサ４０は、例えば、熱流を検出可能なものであれば、上述の熱流センサと異なる構造のものが採用されていてもよい。
【０１４７】
上述の各実施形態では、燃料電池システム１として、エジェクタ５ｂが採用されたものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、水素供給弁５ａの開閉動作によって、燃料電池２に対して水素が間欠的に供給される構成になっていてもよい。
【０１４８】
上述の各実施形態では、ガス特性検出装置１０の特性検知部２０を燃料電池システム１の還流配管７に設置する例について説明したが、これに限定されない。ガス特性検出装置１０は、燃料オフガスが流れる部位に設置されていれば、他の部位に設置されていてもよい。例えば、燃料電池システム１に還流配管７が設けられていない場合等には、ガス特性検出装置１０が、オフガス排出配管６に設置されていてもよい。
【０１４９】
上述の各実施形態では、燃料電池システム１に対して本開示のガス特性検出装置１０の適用したものを例示したが、これに限定されない。ガス特性検出装置１０は、例えば、熱伝導率の異なる複数種のガスを混合した混合ガスが流れるガス配管等を含む他のシステムに対して適用可能である。
【０１５０】
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１５１】
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１５２】
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【０１５３】
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、ガス特性検出装置は、混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、混合ガスを流通させるための主流空間と熱流センサを設置するための設置空間とにガス流路を区分する区画部材を備える。
【０１５４】
第２の観点によれば、ガス特性検出装置は、区画部材に撥水処理が施されている。これによれば、主流空間を流れる混合ガス中に水分が含まれている場合でも、区画部材によって熱流センサの設置空間側に水分が侵入し難くなるので、熱流センサの被水を抑制することができる。このことは、ガス濃度の検出精度の向上に大きく寄与する。
【０１５５】
第３の観点によれば、ガス特性検出装置は、圧力検出部が設置空間に設置されている。このように、圧力検出部を熱流センサと同じ環境下に設置すれば、圧力検出部から出力される信号と熱流センサから出力される信号との同期ズレを充分に抑制することができる。このことも、ガス濃度の検出精度の向上に大きく寄与する。
【０１５６】
第４の観点によれば、ガス特性検出装置は、圧力検出部が出力する信号の変化量に対する熱流センサが出力する信号の変化量との比である熱流変化率と特定のガスのガス濃度との対応関係が規定された濃度特性が記憶された記憶部を備える。そして、検出処理部は、熱流センサから出力された信号、圧力検出部から出力された信号、および記憶部に記憶された濃度特性に基づいて、特定のガスのガス濃度を検出する。これによれば、検出処理部が実行する検出処理にて特定のガスのガス濃度を検出することができる。
【０１５７】
第５の観点によれば、ガス特性検出装置は、混合ガスを透過させるガス透過性を有するとともに、混合ガスを流通させるための主流空間と第１熱流センサを設置するための設置空間とにガス流路を区分する区画部材を備える。また、ガス特性検出装置は、主流空間を形成するガス流路の内壁面に設置される第２熱流センサを備える。さらに、ガス特性検出装置は、圧力検出部が出力する信号の変化量、第１熱流センサが出力する信号の変化量、および第２熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて、特定のガスのガス濃度およびガス流速の少なくとも一方の検出処理を行う検出処理部を備える。
【０１５８】
第６の観点によれば、ガス特性検出装置の検出処理部は、圧力検出部が出力する信号の変化量および第１熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて特定のガスのガス濃度を検出する。さらに、検出処理部は、第１熱流センサが出力する信号の変化量および第２熱流センサが出力する信号の変化量に基づいて特定のガスのガス流速を検出する。これによると、同種の熱流センサを利用して、特定のガスのガス濃度およびガス流速といった異なる特性を検出することができるので、特定のガスのガス濃度およびガス流速を異種のセンサを利用して検出する場合に比べて、構成の共通化を行い易くなる。このことは、装置全体としての簡素化や、製造時の管理コスト低減に大きく寄与する。また、同種の熱流センサを利用する場合、異種のセンサを利用する場合に比べて、ノイズ等のセンサ特性に差が生じ難いため、特定のガスの特性の検出精度の向上を図る上でも有効である。
【０１５９】
第７の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池を通過した燃料ガスのオフガスである燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路部と、燃料オフガスに含まれる水素のガス濃度を含む特性を検出するガス特性検出装置と、を備える。そして、ガス特性検出装置は、燃料オフガスを透過させるガス透過性を有するとともに、燃料オフガスを流通させるための主流空間と熱流センサを設置するための設置空間とに燃料オフガス流路を区分する区画部材を含んで構成されている。
【符号の説明】
【０１６０】
１０      ガス特性検出装置
２２０    ガス流路
２２０Ａ  主流空間
２２０Ｂ  設置空間
２２２    内壁面
３０      圧力センサ（圧力検出部）
４０      熱流センサ
５０      区画部材
１３０    制御装置の検出処理部
【図１】
2019128182.tif 000003
【図２】
2019128182.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019128182.tif 000007
【図６】
2019128182.tif 000008
【図７】
2019128182.tif 000009
【図８】
2019128182.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019128182.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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