JP2019086490A - 湿度検出装置、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも応答性に優れると共に、結露の影響を受け難い湿度検出装置を提供する。【解決手段】湿度検出装置１０は、燃料オフガスが流通する内部空間８０を形成する気液分離器８の側壁面８１に設置される熱流センサ２０と、熱流センサ２０の表面側に液膜を生じさせるための親水シート３０と、を備える。湿度検出装置１０は、熱流センサ２０から出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスの湿度を検出する検出処理を行う検出処理部１２０を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、気体の湿度を検出する湿度検出装置、および気体の湿度を検出する検出装置を備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池における発電を安定させるために、燃料電池に燃料ガスを供給する流路や燃料電池から排出される燃料オフガスが流れる流路に対して、気体の露点等を検出する検出手段を設けた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、燃料ガスや燃料オフガスの露点を検出する検出手段として、静電容量式の露点計を採用することが記載されている。

特開２０１３−８９３３５号公報

ところで、静電容量式の露点計は、センシング部が蒸気を吸収し、吸収した蒸気による静電容量の変化を出力する構成になっており、センシング部に蒸気を吸収する時間が必要となるのでセンサとして応答性が悪いといった欠点がある。また、静電容量式の露点計では、センシング部に結露が生ずると湿度を検出することができない。

本発明は上記点に鑑みて、従来よりも応答性に優れると共に、結露の影響を受け難い湿度検出装置、および燃料電池システムを提供することを目的とする。

湿度の検出対象となる気体が流通する内部空間に液体が存在する場合、気体の湿度に応じて液体の蒸発量が変化する。このように、気体の湿度と液体の蒸発量とは相関性を有するが、この液体の蒸発量の変化は、液体の気化潜熱により生ずる熱移動量の変化として捉えることができる。本発明者らは、気体の湿度と液体の蒸発による熱移動との間の相関性に着眼し、本発明を案出した。

すなわち、請求項１に記載の発明は、
気体の湿度を検出する湿度検出装置であって、
気体が流通する内部空間（７１、８０）を形成する空間形成部（８、７０）の内壁面（７３、８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（２０）と、
熱流センサのうち内部空間に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０、３０Ａ）と、
熱流センサから出力される出力信号に基づいて、気体の湿度を検出する検出処理を行う検出処理部（１００Ａ、１２０）と、を備える。

これによると、熱流センサの表面に存在する液体が蒸発すると、液体の気化潜熱により熱流センサの表裏に温度差が生じ、熱流センサの表裏を通過する熱流が発生する。熱流センサの表裏を通過する熱流は、気体の湿度に相関性を有することから、熱流センサから出力される出力信号に基づいて気体の湿度を検出することが可能となる。

特に、本発明の湿度検出装置は、気体の湿度に相関して変化する熱流を熱流センサで検出する構成であり、静電容量式の露点計のように蒸気を吸収する時間が必要ないので、従来よりも湿度検出の応答性を向上させることができる。また、本発明の湿度検出装置は、熱流センサの表面側が液膜によって湿潤した状態になるので、結露が気体の湿度の検出精度に影響することが殆どない。

したがって、本発明によれば、従来よりも応答性に優れると共に、結露の影響を受け難い湿度検出装置を実現することができる。

また、請求項８に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガス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）と、
燃料電池から排出された燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部（８）と、
燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出装置（１０）と、を備える。

湿度検出装置は、
オフガス流路形成部の内壁面（８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（２０）と、
熱流センサのうち燃料オフガス流路に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０）と、
熱流センサから出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスの湿度を検出する検出処理を行う検出処理部（１２０）と、を含んで構成されている。

上記燃料電池システムでは、燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出装置が、燃料オフガスの湿度に応じた熱流の変化を熱流センサで検出する構成になっているので、静電容量式の湿度検出手段を用いる場合に比べて、湿度検出の応答性を向上させることができる。また、本発明の検出装置では、熱流センサの表面側が液膜によって湿潤した状態となるので、結露が燃料オフガスの湿度の検出精度に影響することが殆どない。

また、請求項９に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（２）と、
燃料電池から排出された燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部（８）と、
燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度を検出する検出装置（１０Ａ）と、を備える。

検出装置は、
オフガス流路形成部の内壁面（８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する第１熱流センサ（２０）と、
オフガス流路形成部の内壁面（８１）のうち、第１熱流センサとは異なる位置に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する第２熱流センサ（６０）と、
第１熱流センサのうち燃料オフガス流路に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０）と、
第１熱流センサから出力される出力信号に基づいて燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出処理、第２熱流センサから出力される出力信号に基づいて燃料オフガス中の水素濃度を検出する濃度検出処理を行う検出処理部（１２０）と、を含んで構成されている。

上記燃料電池システムでは、請求項８に記載の発明で得られる作用効果に加えて、以下の作用効果が得られるといった利点がある。すなわち、上記燃料電池システムでは、熱流センサという同種のセンサによって、燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度を検出することができるので、異なるセンサを用いる場合に比べて、システム構成の共通化等が図り易くなる。このことは、システムのコストダウンやシステムの信頼性の向上に寄与する。

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。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の湿度検出装置を適用した気液分離器の概略図である。 図２の矢印ＩＩＩの方向における矢視図である。 図２のＩＶ部分の拡大図である。 熱流センサの概略構成を示す模式図である。 熱流センサから出力される出力信号を説明するための説明図である。 各種センサからの出力信号を説明するための説明図である。 熱流センサおよび圧力センサの出力信号の振幅比と相対湿度との相関関係を説明するための説明図である。 第１実施形態の湿度検出装置の主要構成を示す模式的なブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する調湿制御処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態の熱流センサの周囲の構成を説明するための説明図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。 第３実施形態の湿度検出装置を適用した気液分離器の概略図である。 第３実施形態の湿度検出装置の主要構成を示す模式的なブロック図である。 第４実施形態の湿度検出装置を適用した気液分離器の概略図である。 各種センサからの出力信号を説明するための説明図である。 第２熱流センサおよび圧力センサの出力信号の振幅比と水素濃度との相関関係を説明するための説明図である。 第４実施形態の湿度検出装置の主要構成を示す模式的なブロック図である。 第５実施形態の湿度検出装置であって、ガス配管に対して湿度検出装置を適用した例を示す模式図である。

以下、本発明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。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、本発明の湿度検出装置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、湿度検出装置１０の詳細について説明する。

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。

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。

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。

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。

（アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
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。

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。

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５ａ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。

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。また、オフガス排出配管６には、燃料オフガスの圧力を検出するための圧力センサ１０１が設けられている。本実施形態では、圧力センサ１０１が燃料オフガスの状態量を検出する状態量検出部を構成する。

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８０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。

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。

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。

ところで、固体高分子型の燃料電池２では、各電池セルの電解質膜が乾燥すると水素イオンであるプロトンの移動が阻害されることで発電性能が低下してしまう。また、固体高分子型の燃料電池２では、各電池セル内部の水分量が過剰になると、水によって燃料ガスの流れが阻害されることで発電性能が低下してしまう。このため、固体高分子型の燃料電池２では、各電池セル内部の電解質膜が適切な湿潤状態になるように、各電池セル内部の水分量を調整する必要がある。

このような背景もあり、燃料電池システム１は、各電池セル内部の水分量を把握するため、湿度検出装置１０を備えている。燃料オフガスは、燃料電池２の各電池セルのアノード側を通過したガスであり、その相対湿度（以下、単に湿度とも呼ぶ。）は各電池セル内部の水分量に相関性を有する。

そこで、本実施形態の湿度検出装置１０は、各電池セル内部の水分量に相関性を有する燃料オフガスの湿度を検出する構成になっている。以下、湿度検出装置１０の具体的な構成等について説明する。

本実施形態の湿度検出装置１０は、前述した圧力センサ１０１、気液分離器８に設けられた熱流センサ２０、親水シート３０、および後述する制御装置１００の一部（検出処理部１２０）を含んで構成されている。

図２に示すように、燃料電池２から排出された燃料オフガスは、気液分離器８を介して流れる。このため、気液分離器８は、燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部を構成する。すなわち、本実施形態では、気液分離器８が湿度の検出対象となる気体が流通する内部空間を形成する空間形成部を構成する。

気液分離器８の内部空間８０には、燃料オフガスから分離された水が貯留される。このため、気液分離器８の内部空間８０は、気体が流通する内部空間を構成するとともに、気体から分離された液体を貯留する貯液部としての機能も果たす。気液分離器８は、内部空間８０を形成する内壁面を有しており、当該内壁面における側壁面８１に熱流センサ２０が設置されている。

熱流センサ２０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。本実施形態の熱流センサ２０は、両板面の一方を表面２１１、他方を裏面２１２とする薄板状のセンサ基板２１を有する。センサ基板２１は、気液分離器８の側壁面８１に設置されている。

センサ基板２１は、その裏面２１２が気液分離器８の側壁面８１のうち内部空間８０にて許容される許容貯液水位よりも上方側に位置する上方部位８１０に固定されている。また、センサ基板２１は、その表面２１１が内部空間８０に露出している。

これにより、熱流センサ２０は、図３および図４に示すように、センサ基板２１の表面２１１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２１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２１１と裏面２１２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。

具体的には、図５に示すように、センサ基板２１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２１は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（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。

センサ基板２１には、異なる２種の金属２２１、２２２が直列的に接続されることで熱電対２２が構成されている。熱電対２２は、熱流を検知するための検知部を構成する。２種の金属２２１、２２２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２２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。

熱流センサ２０は、図６に示すように、センサ表裏に熱流ｑが通過すると、この熱流ｑによって生ずる表裏の温度差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２０の表面は、親水シート３０で覆われている。親水シート３０は、熱流センサ２０の表面よりも高い親水性を有している。本実施形態では、親水シート３０が、熱流センサ２０の表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部を構成する。

図２に戻り、親水シート３０は、多孔を有するシートで構成されている。具体的には、親水シート３０は、熱流センサの表面を覆うセンサ被覆部３１、気液分離器８の内部空間８０に貯留された水に接する液接触部３２、およびセンサ被覆部３１と液接触部３２とを接続する接続部３３を有している。本実施形態の親水シート３０は、センサ被覆部３１が高親水性を有する薄膜状のＰＴＦＥ（すなわち、ポリテトラフルオロエチレン）で構成され、液接触部３２および接続部３３がガーゼや不織布等の高吸水性を有する布材で構成されている。なお、親水シート３０は、熱流センサ２０の表面よりも高い親水性を有するものであれば、ＰＴＦＥや上述の布材以外にものを適宜採用することができる。

このように構成される親水シート３０は、気液分離器８の内部空間８０に貯留された水を毛管現象によって熱流センサ２０の表面まで吸い上げる。これにより、熱流センサ２０の表面が湿潤状態に維持される。

本実施形態の熱流センサ２０は、その表面が親水シート３０によって覆われることで湿潤状態に維持される。このように、熱流センサ２０の表面が湿潤状態になっている場合、燃料オフガスの湿度に応じて熱流センサ２０の表面に存在する水が蒸発する。この際、水の気化潜熱により熱流センサ２０の表裏に温度差が生じ、熱流センサ２０の表裏を通過する熱流が発生する。この熱流は、燃料オフガスの湿度に相関性を有することから、熱流センサ２０から燃料オフガスの湿度に相関性を有する出力信号（すなわち、起電圧）が出力される。本実施形態の熱流センサ２０は、信号線ＳＬを介して制御装置１００の入力側に接続されている。制御装置１００は、熱流センサ２０から出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスの湿度を検出する。

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について説明する。制御装置１００は、プロセッサ、メモリ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。

制御装置１００の入力側には、上述の熱流センサ２０、およびオフガス排出配管６に設けられた圧力センサ１０１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。

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、予めメモリ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。

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、圧力センサ１０１で検出された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１１０を構成している。

また、制御装置１００は、熱流センサ２０等から出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスの湿度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の湿度の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１２０を構成している。

ここで、本実施形態の燃料電池２には、水素供給弁５ａおよびエジェクタ５ｂによって間欠的に燃料ガスが噴射供給されるが、それに伴って燃料オフガスが燃料電池２から間欠的に排気される。これにより、オフガス排出配管６には、圧力脈動を伴う燃料オフガスが流れる。例えば、オフガス排出配管６では、図７の上段に示すように、燃料オフガスの圧力が周期的に変化する。

このように、燃料オフガスの圧力が周期的に変化すると、熱流センサ２０上に配置された親水シート３０に含まれる水分の蒸発量が燃料オフガスの圧力変化に同期して変化する。このため、熱流センサ２０の出力信号であるセンサ出力は、例えば、図７の下段に示すように、燃料オフガスの圧力変化に同期して変動する。

この際、燃料オフガスの湿度が低い程、熱流センサ２０上で蒸発が生じ易く、逆に、燃料オフガスの湿度が高い程、熱流センサ２０上で蒸発が生じ難くなる。このため、燃料オフガスの湿度が低い場合には、熱流センサ２０のセンサ出力の変化（すなわち、振幅ΔＶ）が大きくなり、燃料オフガスの湿度の高い場合には、熱流センサ２０のセンサ出力の変化（すなわち、振幅ΔＶ）が小さくなり易くなる。

本発明者らの調査によれば、燃料オフガスの圧力の振幅ΔＰに対する熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶの振幅比ＡＲ（＝ΔＶ／ΔＰ）が、図８に示すように、燃料オフガスの湿度に応じて変化することが判った。すなわち、振幅比ＡＲは、燃料オフガスの湿度が低い程大きくなり、燃料オフガスの湿度が高い程小さくなる傾向がある。

本実施形態の制御装置１００の検出処理部１２０では、上述の傾向を加味して、燃料オフガスの湿度を検出する。具体的には、検出処理部１２０は、図９に示すように、信号処理部１２２ａ、１２２ｂにて圧力センサ１０１の検出圧力の振幅ΔＰ、および熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶを抽出する。各種センサのセンサ出力の振幅ΔＰ、ΔＶ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センサ出力と、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センサ出力との差分として抽出することができる。

また、検出処理部１２０では、信号処理部１２２ａ、１２２ｂで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶの振幅比ＡＲを演算処理部１２４で燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算する処理を行う。演算処理部１２４では、例えば、予め用意された振幅比ＡＲと燃料オフガスの湿度Ｒｈとの対応関係を規定した制御マップを参照して、信号処理部１２２ａ、１２２ｂで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶの振幅比ＡＲを燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算する処理を実行する。この際、演算処理部１２４では、図８の如く、振幅比ＡＲの増大に伴って湿度Ｒｈが小さくなるように、振幅比ＡＲと燃料オフガスの湿度Ｒｈとの対応関係が規定された制御マップを参照する。なお、振幅比ＡＲを燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算する処理は、制御マップではなく、振幅比ＡＲと燃料オフガスの湿度Ｒｈ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。

加えて、本実施形態の制御装置１００は、機器制御部１１０が、燃料オフガスの湿度の検出結果に基づいて、燃料電池２内部の湿度を調整する調湿制御処理を実行する。以下、本実施形態の制御装置１００が実行する調湿制御処理について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。制御装置１００は、燃料電池２の運転中において、図１０に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。

図１０に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１００にて、熱流センサ２０から出力される出力信号等に基づいて燃料オフガスの湿度Ｒｈを検出する。そして、制御装置１００は、ステップＳ１１０にて、燃料オフガスの湿度Ｒｈが予め定めた第１判定閾値Ｒｈｔｈ１以上であるか否かを判定する。第１判定閾値Ｒｈｔｈ１は、例えば、燃料電池２内部の水分量が各電池セルで燃料ガスの供給が阻害される状態になる際の燃料オフガスの湿度Ｒｈ（例えば、８０％）に設定されている。

ステップＳ１１０の判定処理の結果、燃料オフガスの湿度Ｒｈが第１判定閾値Ｒｈｔｈ１以上である場合、燃料電池２内部の水分量が過剰になり易い状態と考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ１２０に移行して燃料電池２内部の湿度を低下させる湿度低下処理を実行する。

この湿度低下処理としては、排気弁６ａを所定時間開放して燃料電池２内部の水分量を減少させる処理が挙げられる。但し、この処理では、燃料オフガスを循環させることができなくなってしまう。

このため、湿度低下処理としては、空気ポンプ３ａの能力を増大させ、各電池セル内のカソード側の湿度を低下させることで、各電池セル内のアノード側の水分をカソード側に移動させる処理が採用されていてもよい。また、湿度低下処理としては、燃料電池２の温度を調整するための冷却水の温度を上昇させ、各電池セル内の湿度を低下させる処理が採用されていてもよい。

一方、ステップＳ１１０の判定処理の結果、燃料オフガスの湿度Ｒｈが第１判定閾値Ｒｈｔｈ１未満である場合、制御装置１００は、ステップＳ１３０にて、燃料オフガスの湿度Ｒｈが予め定めた第２判定閾値Ｒｈｔｈ２以下であるか否かを判定する。第２判定閾値Ｒｈｔｈ２は、第１判定閾値Ｒｈｔｈ１よりも小さい値に設定されている。例えば、第２判定閾値Ｒｈｔｈ２は、燃料電池２内でのプロトンの移動が阻害される状態になる際の燃料オフガスの湿度Ｒｈ（例えば、２０％）に設定されている。

ステップＳ１３０の判定処理の結果、燃料オフガスの湿度Ｒｈが第２判定閾値Ｒｈｔｈ２よりも高い場合、燃料電池２内部の水分量が適正と考えられる。このため、制御装置１００は、本処理を抜ける。

これに対して、ステップＳ１３０の判定処理の結果、燃料オフガスの湿度Ｒｈが第２判定閾値Ｒｈｔｈ２以下である場合、燃料電池２内部が乾燥し易い状態と考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ１４０に移行して燃料電池２内部の湿度を増加させる湿度増加処理を実行する。

この湿度増加処理としては、還流配管７における燃料オフガスの循環量を増加させ、各電池セル内のアノード側の湿度を低下させることで、各電池セル内のカソード側の水分をアノード側に移動させる処理が挙げられる。

ここで、エジェクタ５ｂの絞り開度を小さくすれば、エジェクタ５ｂのガス吸引口側の圧力が低下することで、還流配管７における燃料オフガスの循環量を増加させることができる。但し、上述の湿度増加処理では、燃料電池２に対する燃料ガスの供給量が変化してしまうことで、燃料電池２の発電性能への影響が大きくなってしまう。

このため、湿度増加処理としては、空気ポンプ３ａの能力を低下させ、各電池セル内のカソード側の湿度を上昇させることで、各電池セル内のカソード側の水分をアノード側に移動させる処理が採用されていてもよい。また、湿度増加処理としては、燃料電池２の温度を調整するための冷却水の温度を低下させ、各電池セル内の湿度を上昇させる処理が採用されていてもよい。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスの湿度を検出可能に構成されているので、上述の如く、燃料電池２内部の水分量を適正な状態に調整することができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出装置１０が、燃料オフガスの湿度Ｒｈに応じた熱流の変化を熱流センサ２０で検出する構成になっている。これによれば、静電容量式の露点計のように、蒸気を吸収する時間が必要ないので、従来よりも湿度検出の応答性を向上させることができる。また、本実施形態の湿度検出装置１０は、熱流センサ２０の表面側が液膜によって湿潤した状態になるので、結露が燃料オフガスの湿度の検出精度に影響することが殆どない。

また、湿度検出装置１０は、燃料オフガスが圧力脈動を伴った状態で流通する気液分離器８の内部空間８０に熱流センサ２０が設置されている。このような構成では、燃料オフガスの湿度に応じた熱流の変化が熱流センサ２０からの出力信号の振幅として出力される。このため、本構成によれば、熱流センサ２０における燃料オフガスの湿度に相関性を有する熱流の感度を高めて、湿度検出装置１０における湿度検出の信頼性を向上させることができる。

さらに、湿度検出装置１０は、気液分離器８の内部空間８０に貯留された水が親水シート３０を介して熱流センサ２０の表面に供給される構成になっている。これによれば、熱流センサ２０の表面を湿潤状態に維持することが可能になるので、燃料オフガスの湿度検出を継続的に実施することができる。

（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、燃料オフガスの圧力変化による熱流センサ２０の出力変動を加味した上で、燃料オフガスの湿度を検出する例について説明したが、これに限定されない。燃料オフガスの圧力変化による熱流センサ２０の出力変動が予測可能であれば、制御装置１００は、予測される圧力変化によって熱流センサ２０からの出力信号を補正する構成になっていてもよい。この場合、圧力センサ１０１が不要となるので、システムの簡素化を図ることができる。このことは、以降の実施形態においても同様である。

上述の第１実施形態では、熱流センサ２０の裏面を気液分離器８の側壁面８１に固定する配置構成になっている。このような配置構成では、例えば、気液分離器８の側壁面８１の厚みが薄いこと等によって熱容量が小さいと、熱流センサ２０の表裏の温度差が確保し難く、熱流センサ２０の感度が低下する虞がある。

このため、熱流センサ２０は、気液分離器８の側壁面８１の厚みが大きい箇所に固定することが望ましい。また、気液分離器８の側壁面８１の厚みが全体として薄い場合等には、例えば、熱流センサ２０の設置箇所に対して側壁面８１よりも熱容量の高い熱緩衝体を設置し、熱流センサ２０の裏面側における熱容量を確保する構成とすることが望ましい。それら以外にも、気液分離器８の側壁面８１に温熱発生器を配置し、当該温調部材によって熱流センサ２０の裏面側の温度を表面側よりも高い温度に維持する構成になっていてもよい。

これらによれば、熱流センサ２０の表裏の温度差が確保されるので、熱流センサ２０の感度を改善させて、湿度検出装置１０の湿度検出性能の向上を図ることができる。なお、上述した配置構成等は、以降の実施形態において採用可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１１、図１２を参照して説明する。本実施形態では、湿度検出装置１０の構成が第１実施形態と相違している。本実施形態では、主に第１実施形態と相違する部分について説明し、第１実施形態と共通する部分についての説明を省略する。

図１１および図１２に示すように、湿度検出装置１０には、熱流センサ２０の周囲を流れる燃料オフガスを整流させる整流部材４０と、親水シート３０の一部を覆うカバー部材５０とが追加されている。

整流部材４０は、親水シート３０のセンサ被覆部３１の周囲を流れる燃料オフガスの流通方向を熱流センサ２０の表裏の厚み方向に整流させる部材である。本実施形態の整流部材４０は、板状の複数の整流板４１が格子形状をなすように互いに連結されている。整流部材４０には、複数の整流板４１の間に、熱流センサ２０の表裏の厚み方向に貫通する複数の整流流路４２が形成されている。

整流部材４０では、燃料オフガスが熱流センサ２０の表裏の厚み方向に貫通する複数の整流流路４２を通過する。この際、複数の整流流路４２は、熱流センサ２０の表裏の厚み方向に貫通し、細分化されているので、燃料オフガスの流通方向が熱流センサ２０の表裏の厚み方向に整流される。

また、カバー部材５０は、親水シート３０の接続部３３等における水の蒸発を抑えるための部材である。本実施形態のカバー部材５０は、親水シート３０の液接触部３２および接続部３３の双方を覆う構成になっている。なお、カバー部材５０は、親水シート３０の液接触部３２および接続部３３のうち接続部３３だけを覆う構成になっていてもよい。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の湿度検出装置１０は、熱流センサ２０の周囲を流れる燃料オフガスを整流させる整流部材４０を備えている。これによれば、燃料オフガスの流通方向の変化による熱流センサ２０の出力変動が抑制されるので、熱流センサ２０にて燃料オフガスの湿度に相関性を有する熱流を精度よく検出可能となる。

また、本実施形態の湿度検出装置１０は、親水シート３０における接続部３３等がカバー部材５０で覆われている。これによれば、親水シート３０における接続部３３での水の蒸発が抑制されるので、気液分離器８の内部空間８０に貯留された身を親水シート３０によって熱流センサ２０の表面に供給し続けることができる。

（第２実施形態の変形例）
上述の第２実施形態では、整流部材４０およびカバー部材５０の双方を備える湿度検出装置１０を例示したが、これに限定されない。湿度検出装置１０は、例えば、整流部材４０およびカバー部材５０のうち一方だけを備える構成になっていてもよい。

また、上述の第２実施形態では、整流部材４０として整流板４１を格子形状に連結したものが採用される例について説明したが、これに限定されない。整流部材４０は、熱流センサ２０周囲における燃料オフガスの流れを整流させることが可能なものであれば、上述したもの以外のものが採用されていてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１３、図１４を参照して説明する。本実施形態では、燃料オフガスの湿度の算出方法が第１実施形態と相違している。本実施形態では、主に第１実施形態と相違する部分について説明し、第１実施形態と共通する部分についての説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態の制御装置１００の入力側には、圧力センサ１０１に加えて、燃料オフガスの温度を検出する温度センサ１０２、燃料オフガスの流量を検出する流量センサ１０３が接続されている。本実施形態では、圧力センサ１０１、温度センサ１０２、および流量センサ１０３が燃料オフガスの状態量を検出する状態量検出部を構成する。

ここで、燃料オフガスの湿度Ｒｈは、その温度に応じて変化する。具体的には、燃料オフガスの湿度Ｒｈは、燃料オフガスの温度が上昇するにともなって低下し、燃料オフガスの温度が低下するにともなって上昇する。

また、燃料オフガスの流量が増加すると、燃料オフガスと熱流センサ２０との熱交換量が増加し、熱流センサ２０の表裏の温度差が拡大する。逆に、燃料オフガスの流量が減少すると、燃料オフガスと熱流センサ２０との熱交換量が減少し、熱流センサ２０の表裏の温度差が小さくなる。このように、熱流センサ２０の表裏を通過する熱流は、燃料オフガスの湿度Ｒｈだけでなく、燃料オフガスの流量に応じて変動する。例えば、燃料オフガスの表裏を通過する熱流は、燃料オフガスの流量が増加すると大きくなり、燃料オフガスの流量が減少すると小さくなる。

上述の傾向を加味して、本実施形態の制御装置１００の検出処理部１２０では、上述の傾向を加味して、燃料オフガスの湿度を検出する。具体的には、検出処理部１２０は、図１４に示すように、信号処理部１２２ａ、１２２ｂにて圧力センサ１０１の検出圧力の振幅ΔＰおよび熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶを抽出する。

また、検出処理部１２０は、信号処理部１２２ｃ、１２２ｄにて温度センサ１０２のセンサ出力および流量センサ１０３のセンサ出力を読み込む。そして、検出処理部１２０では、信号処理部１２２ａ〜１２２ｄからの各種信号に基づいて、燃料オフガスの湿度Ｒｈを算出する。検出処理部１２０では、例えば、第１実施形態と同様に各振幅ΔＰ、ΔＶの振幅比ＡＲを演算処理部１２４で燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算した後、当該湿度Ｒｈを温度センサ１０２の検出温度および流量センサ１０３の検出流量で補正する。

その他の構成は第１実施形態と同様である。本実施形態の湿度検出装置１０は、熱流センサ２０から出力される出力信号だけでなく、圧力センサ１０１、温度センサ１０２、および流量センサ１０３の検出信号に基づいて、燃料オフガスの湿度を検出構成になっている。これによれば、燃料オフガスの圧力、流量、温度等の変化による熱流センサ２０の出力変動を加味した上で、燃料オフガスの湿度を検出することができる。

（第３実施形態の変形例）
上述の第３実施形態では、燃料オフガスの圧力、流量、温度等の変化による熱流センサ２０の出力変動を加味した上で、燃料オフガスの湿度を検出する例について説明したが、これに限定されない。燃料オフガスの圧力、流量、温度等の変化による熱流センサ２０の出力変動が予測可能であれば、制御装置１００は、予測される圧力、流量、温度等の各種情報によって熱流センサ２０からの出力信号を補正する構成になっていてもよい。この場合、圧力センサ１０１、温度センサ１０２、流量センサ１０３が不要となるので、システムの簡素化を図ることができる。

また、圧力、流量、温度の一部の状態量の変化による熱流センサ２０の出力変動が予測できない場合、制御装置１００は、予測できない状態量をセンサで検出し、当該センサの検出値によって熱流センサ２０の出力信号を補正する構成になっていてもよい。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１５〜図１８を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスの湿度に加えて、燃料オフガス中の水素濃度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、主に第１実施形態と相違する部分について説明し、第１実施形態と共通する部分についての説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度を検出する検出装置１０Ａを備えている。

検出装置１０Ａは、第１実施形態で説明した湿度検出装置１０に対して、燃料オフガス中の水素濃度を検出するための熱流センサ６０を備えている。本実施形態では、燃料オフガスの湿度を検出するための熱流センサを第１熱流センサ２０と呼び、燃料オフガス中の水素濃度を検出するための熱流センサを第２熱流センサ６０と呼ぶ。

第１熱流センサ２０は、第１実施形態の熱流センサ２０と同様に構成されている。すなわち、第１熱流センサ２０は、気液分離器８の内部空間８０を形成する側壁面８１に設置されるとともに、その表面側が親水シート３０で覆われている。

一方、第２熱流センサ６０は、センサ基板等の基本構成が第１熱流センサ２０と同様に構成されている。すなわち、第２熱流センサ６０は、第１熱流センサ２０と同様に、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する。

第２熱流センサ６０は、気液分離器８の側壁面８１のうち、第１熱流センサ２０とは異なる位置に設置されている。具体的には、第２熱流センサ６０は、気液分離器８の側壁面８１のうち、内部空間８０にて許容される許容貯液水位よりも上方側に位置する上方部位８１０に設置されている。

本実施形態の第２熱流センサ６０は、第１熱流センサ２０と異なり、気液分離器８の内部空間８０に露出する表面が、保護膜６２で被覆されている。保護膜６２は、水素の透過を防止して、第２熱流センサ６０を水素から保護するものであり、ＤＬＣ（Diamond Like Carbonの略）薄膜、セラミック薄膜、高分子樹脂膜等で構成される。なお、保護膜６２は、撥水性を有する膜で構成されていることが望ましい。

ここで、燃料オフガスには水素、窒素、水蒸気が含まれるが、このうち水素は、窒素や水蒸気に比べて熱伝導率が高い。このため、燃料オフガス中の水素濃度が高い程、燃料オフガスでは熱が伝わり易く、第２熱流センサ６０を通過する熱流も大きくなり易い。逆に、燃料オフガス中の水素濃度が低い場合、燃料オフガスでは熱が伝わり難くなるので、第２熱流センサ６０を通過する熱流が小さくなり易い。このように、燃料オフガス中の水素濃度と第２熱流センサ６０を通過する熱流との間には相関性があり、第２熱流センサ６０から出力される出力信号に基づいて燃料オフガス中の水素濃度を検出することが可能となる。

上述の事項を鑑みて、本実施形態の制御装置１００は、第１熱流センサ２０の出力信号に基づいて燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出処理、および第２熱流センサ６０の出力信号に基づいて燃料オフガス中の水素濃度を検出する濃度検出処理を実行する。

ここで、オフガス排出配管６では、図１６の上段に示すように、燃料オフガスの圧力が周的に変化する。このように、燃料オフガスの圧力が周期的に変化すると、圧縮に伴って燃料オフガスの温度が上昇するので、第２熱流センサ６０の表裏を通過する熱流が変化する。このため、第２熱流センサ６０の出力信号である第２センサ出力は、例えば、図１６の下段に示すように、燃料オフガスの圧力変化に同期して変動する。

この際、燃料オフガス中の水素濃度が低い程、第２熱流センサ６０の表裏を通過する熱流が小さくなり易く、逆に、燃料オフガス中の水素濃度が高い程、第２熱流センサ６０の表裏を通過する熱流が大きくなり易い。このため、燃料オフガス中の水素濃度が低い場合には、第２熱流センサ６０の第２センサ出力の変化（すなわち、振幅ΔＶ）が小さくなり、燃料オフガス中の水素濃度が高い場合には、第２熱流センサ６０の第２センサ出力の変化が大きくなり易くなる。

本発明者らの調査によれば、燃料オフガスの圧力の振幅ΔＰに対する第２熱流センサ６０の第２センサ出力の振幅ΔＶ２の振幅比ＡＲ２（＝ΔＶ２／ΔＰ）が、図１７に示すように、燃料オフガス中の水素濃度に応じて変化することが判った。すなわち、振幅比ＡＲ２は、燃料オフガス中の水素濃度が低い程小さくなり、燃料オフガス中の水素濃度が高い程大きくなる傾向がある。

本実施形態の制御装置１００の検出処理部１２０では、上述の傾向を加味して、燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度の双方を検出する。具体的には、検出処理部１２０は、図１８に示すように、信号処理部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｅにて圧力センサ１０１の検出圧力の振幅ΔＰ、および各熱流センサ２０、６０のセンサ出力の振幅ΔＶ１、ΔＶ２を抽出する。各種センサのセンサ出力の振幅ΔＰ、ΔＶ１、ΔＶ２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センサ出力と、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センサ出力との差分として抽出することができる。

そして、検出処理部１２０では、信号処理部１２２ａ、１２２ｂで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶ１の振幅比ＡＲ１を演算処理部１２４で燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算する処理を行う。演算処理部１２４では、例えば、予め用意された振幅比ＡＲ１と燃料オフガスの湿度Ｒｈとの対応関係を規定した制御マップを参照して、信号処理部１２２ａ、１２２ｂで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶ１の振幅比ＡＲ１を燃料オフガスの湿度Ｒｈに換算する。

また、検出処理部１２０では、信号処理部１２２ａ、１２２ｅで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶ２の振幅比ＡＲ２を演算処理部１２４で燃料オフガス中の水素濃度に換算する処理を行う。演算処理部１２４では、例えば、予め用意された振幅比ＡＲ２と燃料オフガス中の水素濃度との対応関係を規定した制御マップを参照して、信号処理部１２２ａ、１２２ｅで抽出された各振幅ΔＰ、ΔＶ２の振幅比ＡＲ２を燃料オフガス中の水素濃度に換算する。この際、演算処理部１２４では、図１７の如く、振幅比ＡＲ２の増大に伴って水素濃度が大きくなるように、振幅比ＡＲ２と燃料オフガス中の水素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、振幅比ＡＲ２を燃料オフガス中の水素濃度に換算する処理は、制御マップではなく、振幅比ＡＲ２と燃料オフガス中の水素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。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスの湿度を検出するだけでなく、燃料オフガス中の水素濃度についても検出することができる。特に、本実施形態の燃料電池システム１は、熱流センサという同種のセンサによって、燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度を検出することができるので、異なるセンサを用いる場合に比べて、システム構成の共通化等が図り易くなる。このことは、システムのコストダウンやシステムの信頼性の向上に寄与する。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、第２熱流センサ６０の表面が撥水性を有する保護膜６２で覆われている。これによると、第２熱流センサ６０の表面側に結露が生じ難いので、結露の影響による水素濃度の検出精度の悪化を抑制することができる。

（第４実施形態の変形例）
上述の第４実施形態では、燃料オフガスの圧力変化による熱流センサ２０の出力変動を加味した上で、燃料オフガス中の水素濃度を検出する例について説明したが、これに限定されない。燃料オフガスの圧力変化による熱流センサ２０の出力変動が予測可能であれば、制御装置１００は、予測される圧力変化によって熱流センサ２０からの出力信号を補正する構成になっていてもよい。この場合、圧力センサ１０１が不要となるので、システムの簡素化を図ることができる。

また、上述の第４実施形態の如く、第２熱流センサ６０の表面を保護膜６２で覆う構成とすることが望ましいが、これに限定されない。第２熱流センサ６０は、その表面が保護膜６２で覆われてない構成になっていてもよい。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図１９を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池システム１ではなく、何らかの気体が流通するガス配管７０に対して本発明の湿度検出装置１０Ｂを適用している点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、主に第１実施形態と相違する部分について説明し、第１実施形態と共通する部分についての説明を省略する。

図１９に示すように、ガス配管７０には、その内部に気体が流通するガス流路７１が形成されている。本実施形態では、ガス配管７０が、気体が流通する内部空間を形成する空間形成部を構成している。

ガス配管７０には、下方側に窪んだ凹部７２が形成されており、この凹部７２に対してガス配管７０を流れる気体に含まれる液体が貯留される構成になっている。これにより、ガス配管７０は、気体から分離された液体をガス流路に貯留可能に構成されている。

ガス配管７０の内壁面７３には、熱流センサ２０が設置されている。具体的には、熱流センサ２０は、ガス配管７０の内壁面７３のうち、凹部７２よりも上方側に位置する上方側部位７３０に設置されている。

熱流センサ２０は、湿度検出装置１０Ｂを構成するセンサであり、第１実施形態の熱流センサ２０と同様に構成されている。すなわち、熱流センサ２０は、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する。

熱流センサ２０は、ガス配管７０のガス流路７１に露出する表面が親液性を有する親液シート３０Ａで覆われている。本実施形態の親液シート３０Ａは、第１実施形態と同様に、多孔を有するシートで構成されている。具体的には、親液シート３０Ａは、熱流センサ２０の表面を覆うセンサ被覆部３１Ａ、ガス配管７０の凹部７２に貯留された液体に接する液接触部３２Ａ、およびセンサ被覆部３１Ａと液接触部３２Ａとを接続する接続部３３Ａを有している。

このように構成される親液シート３０Ａは、ガス配管７０の凹部７２に貯留された液体を毛管現象によって熱流センサ２０の表面まで吸い上げる。これにより、熱流センサ２０の表面が湿潤状態に維持される。

本実施形態の熱流センサ２０は、その表面が親液シート３０Ａによって覆われることで湿潤状態に維持される。このように、熱流センサ２０の表面が湿潤状態になっている場合、燃料オフガスの湿度に応じて熱流センサ２０の表面に存在する液体が蒸発する。この際、液体の気化潜熱により熱流センサ２０の表裏に温度差が生じ、熱流センサ２０の表裏を通過する熱流が発生する。この熱流は、気体の湿度に相関性を有することから、熱流センサ２０から気体の湿度に相関性を有する出力信号（すなわち、起電圧）が出力される。本実施形態の熱流センサ２０は、信号線ＳＬを介して制御装置１００Ａの入力側に接続されている。制御装置１００Ａは、熱流センサ２０から出力される出力信号に基づいて、気体の湿度を検出する。

また、本実施形態のガス配管７０の内部には、気体の温度を周期的に変化させるための熱付加装置９０が設けられている。本実施形態の熱付加装置９０は、通電により発熱する電気ヒータで構成されている。熱付加装置９０によって気体が周期的に加熱されると、熱流センサ２０の表裏に周期的な温度変化が生ずる。本実施形態では、熱付加装置９０が熱流センサ２０の表裏に周期的な温度変化を付与する熱付加部を構成する。

次に、制御装置１００Ａについて説明する。制御装置１００Ａは、プロセッサ、メモリ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。制御装置１００Ａは、熱付加装置９０を制御するとともに、熱流センサ２０から出力される出力信号に基づいて気体の湿度を検出する装置である。制御装置１００Ａは、熱流センサ２０および親液シート３０Ａとともに湿度検出装置１０Ｂを構成している。本実施形態では、制御装置１００Ａが、気体の湿度を検出する検出処理を行う検出処理部を構成している。

ここで、本実施形態では、熱付加装置９０によって熱流センサ２０の表裏に周期的な温度変化が付与される。このように、熱流センサ２０の表裏に周期的な温度変化が付与されると、熱流センサ２０上に配置された親液シート３０Ａに含まれる液体の蒸発量が温度変化に同期して変化する。このため、熱流センサ２０のセンサ出力（すなわち、出力信号）は、熱流センサ２０の表裏の温度変化に同期して変動する。

この際、燃料オフガスの湿度が低い程、熱流センサ２０上で蒸発が生じ易く、逆に、燃料オフガスの湿度が高い程、熱流センサ２０上で蒸発が生じ難くなる。このため、燃料オフガスの湿度が低い場合には、熱流センサ２０のセンサ出力の変化（すなわち、振幅ΔＶ）が大きくなり、燃料オフガスの湿度の高い場合には、熱流センサ２０のセンサ出力の変化が小さくなり易くなる。

本実施形態の制御装置１００では、上述の傾向を加味して、気体の湿度を検出する。具体的には、制御装置１００は、熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶを抽出する。熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶは、熱付加装置９０による気体の加熱タイミングにおけるセンサ出力と、熱付加装置９０による気体の加熱停止タイミングにおけるセンサ出力との差分として抽出することができる。

また、制御装置１００では、予め用意された制御マップを参照して、熱流センサ２０のセンサ出力の振幅ΔＶを気体の湿度に換算する処理を行う。制御マップとしては、振幅ΔＶの増大に伴って気体の湿度が小さくなるように、振幅ΔＶと気体の湿度との対応関係が規定されたものを用意すればよい。なお、制御装置１００では、制御マップではなく、振幅ΔＶと気体の湿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。

本実施形態の湿度検出装置１０Ｂは、気体の湿度に相関して変化する熱流を熱流センサ２０で検出する構成であり、静電容量式の露点計のように蒸気を吸収する時間が必要ないので、従来よりも湿度検出の応答性を向上させることができる。また、本実施形態の湿度検出装置１０Ｂは、熱流センサ２０の表面側が液膜によって湿潤した状態になるので、結露が気体の湿度の検出精度に影響することが殆どない。したがって、本実施形態によれば、従来よりも応答性に優れると共に、結露の影響を受け難い湿度検出装置１０Ｂを実現することができる。

（第５実施形態の変形例）
上述の第５実施形態では、本発明の湿度検出装置１０Ｂを気体が流通するガス配管７０に対して適用する例について説明したが、これに限定されない。本発明の湿度検出装置１０Ｂは、ガス配管７０に限らず、気体が流通する内部空間を形成するものに対して広く適用可能である。

（他の実施形態）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。

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。

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。

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。

（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、湿度検出装置は、熱流センサと、熱流センサの表面側に液膜を生じさせる液膜形成部と、熱流センサから出力される出力信号に基づいて気体の湿度を検出する検出処理を行う検出処理部と、を備える。

第２の観点によれば、湿度検出装置は、熱流センサの表裏に周期的な温度変化を付加する熱付加部を備える。そして、検出処理部は、熱流センサから出力される出力信号の振幅に基づいて、気体の湿度を検出する。このように、熱流センサの表裏に周期的な温度変化を付加する構成とすれば、気体の湿度に応じた熱流の変化が熱流センサからの出力信号の振幅として出力される。このため、本構成によれば、熱流センサにおける気体の湿度に相関性を有する熱流の感度を高めて、湿度検出装置における湿度検出の信頼性を向上させることができる。

第３の観点によれば、湿度検出装置の適用対象となる空間形成部は、気体が圧力脈動を伴った状態で内部空間を流通する構成になっている。そして、検出処理部は、熱流センサから出力される出力信号の振幅に基づいて、気体の湿度を検出する。

気体が圧力脈動ともなった状態で内部空間を流通する構成では、気体の湿度に応じた熱流の変化が熱流センサからの出力信号の振幅として出力される。このため、本構成によれば、熱流センサにおける気体の湿度に相関性を有する熱流の感度を高めて、湿度検出装置における湿度検出の信頼性を向上させることができる。

第４の観点によれば、湿度検出装置の適用対象となる空間形成部は、気体から分離された液体を内部空間に貯留可能に構成されている。液膜形成部は、熱流センサの表面よりも高い親液性を有する親液シートで構成されている。そして、親液シートは、熱流センサの表面を覆うセンサ被覆部、内部空間に貯留された液体に接する液接触部、およびセンサ被覆部と液接触部とを接続する接続部を有している。これによれば、空間形成部の内部空間に貯留された液体が親液シートを介して熱流センサの表面に供給される構成になるので、熱流センサの表面を湿潤状態に維持して、気体の湿度検出を継続的に実施することができる。

第５の観点によれば、湿度検出装置は、センサ被覆部の周囲を流れる気体の流通方向を所定の一方向に整流させる整流部材を備える。これによれば、気体の流通方向の変化による熱流センサの出力変動が抑制されるので、熱流センサにて気体の湿度に相関性を有する熱流を精度よく検出可能となる。

第６の観点によれば、湿度検出装置は、親液シートのうち少なくとも接続部を覆うカバー部材を備える。これによると、親液シートにおける接続部での液体の蒸発が抑制されるので、空間形成部の内部空間に貯留された液体を親液シートによって熱流センサの表面に供給し続けることが可能になる。

第７の観点によれば、湿度検出装置は、検出処理部が、熱流センサから出力される出力信号だけでなく、気体の圧力、流量、温度の少なくとも１つを検出する状態量検出部で検出される気体の状態量に基づいて気体の湿度を検出する。これによれば、気体の圧力、流量、温度等の変化による熱流センサの出力変動を加味した上で、気体の湿度を検出することができる。

第８の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部と、燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出装置と、を備える。湿度検出装置は、熱流センサと、熱流センサの表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部と、熱流センサから出力される出力信号に基づいて、燃料オフガスの湿度を検出する検出処理を行う検出処理部と、を含んで構成されている。

第９の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部と、燃料オフガスの湿度および燃料オフガス中の水素濃度を検出する検出装置と、を備える。検出装置は、第１熱流センサと、第２熱流センサと、第１熱流センサの表面側に液膜を生じさせる液膜形成部と、を有する。さらに、検出装置は、第１熱流センサから出力される出力信号に基づいて燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出処理、第２熱流センサから出力される出力信号に基づいて燃料オフガス中の水素濃度を検出する濃度検出処理を行う検出処理部と、を有する。

第１０の観点によれば、燃料電池システムは、第２熱流センサが、燃料オフガス流路に露出する表面側が撥水性を有する保護膜で覆われている。これによると、第２熱流センサの表面側に結露が生じ難いので、結露の影響による水素濃度の検出精度の悪化を抑制することができる。

１ 燃料電池システム
８ 気液分離器
８０ 内部空間
１０ 湿度検出装置
２０ 熱流センサ
３０ 親水シート（液膜形成部）
１００ 制御装置
１２０ 検出処理部

Claims (10)

1. 気体の湿度を検出する湿度検出装置であって、
   前記気体が流通する内部空間（７１、８０）を形成する空間形成部（８、７０）の内壁面（７３、８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（２０）と、
   前記熱流センサのうち前記内部空間に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０、３０Ａ）と、
   前記熱流センサから出力される出力信号に基づいて、前記気体の湿度を検出する検出処理を行う検出処理部（１００Ａ、１２０）と、
   を備える湿度検出装置。
2. 前記熱流センサの表裏に周期的な温度変化を付加する熱付加部（９０）を備え、
   前記検出処理部は、前記熱流センサから出力される出力信号の振幅に基づいて、前記気体の湿度を検出する請求項１に記載の湿度検出装置。
3. 前記空間形成部は、前記気体が圧力脈動を伴った状態で前記内部空間を流通する構成になっており、
   前記検出処理部は、前記熱流センサから出力される出力信号の振幅に基づいて、前記気体の湿度を検出する請求項１に記載の湿度検出装置。
4. 前記空間形成部は、前記気体から分離された液体を前記内部空間に貯留可能に構成されており、
   前記液膜形成部は、前記熱流センサの表面よりも高い親液性を有する親液シート（３０、３０Ａ）で構成されており、
   前記親液シートは、前記熱流センサの表面を覆うセンサ被覆部（３１、３１Ａ）、前記内部空間に貯留された液体に接する液接触部（３２、３２Ａ）、および前記センサ被覆部と前記液接触部とを接続する接続部（３３、３３Ａ）を有している請求項１ないし３のいずれか１つに記載の湿度検出装置。
5. 前記センサ被覆部の周囲を流れる前記気体の流通方向を所定の一方向に整流させる整流部材（４０）を備える請求項４に記載の湿度検出装置。
6. 前記親液シートのうち少なくとも前記接続部を覆うカバー部材（５０）を備える請求項４または５に記載の湿度検出装置。
7. 前記検出処理部は、前記熱流センサから出力される出力信号だけでなく、前記気体の圧力、流量、温度の少なくとも１つを検出する状態量検出部（１０１、１０２、１０３）で検出される前記気体の状態量に基づいて前記気体の湿度を検出する請求項１ないし６のいずれか１つに記載の湿度検出装置。
8. 燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガス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）と、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部（８）と、
   前記燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出装置（１０）と、を備え、
   前記湿度検出装置は、
   前記オフガス流路形成部の内壁面（８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する熱流センサ（２０）と、
   前記熱流センサのうち前記燃料オフガス流路に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０）と、
   前記熱流センサから出力される出力信号に基づいて、前記燃料オフガスの湿度を検出する検出処理を行う検出処理部（１２０）と、を含んで構成される燃料電池システム。
9. 燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（２）と、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流れる燃料オフガス流路を形成するオフガス流路形成部（８）と、
   前記燃料オフガスの湿度および前記燃料オフガス中の水素濃度を検出する検出装置（１０Ａ）と、を備え、
   前記検出装置は、
   前記オフガス流路形成部の内壁面（８１）に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する第１熱流センサ（２０）と、
   前記オフガス流路形成部の内壁面（８１）のうち、前記第１熱流センサとは異なる位置に設置され、表裏を通過する熱流に応じた信号を出力する第２熱流センサ（６０）と、
   前記第１熱流センサのうち前記燃料オフガス流路に露出する表面側に液膜を生じさせるための液膜形成部（３０）と、
   前記第１熱流センサから出力される出力信号に基づいて前記燃料オフガスの湿度を検出する湿度検出処理、前記第２熱流センサから出力される出力信号に基づいて前記燃料オフガス中の水素濃度を検出する濃度検出処理を行う検出処理部（１２０）と、を含んで構成される燃料電池システム。
10. 前記第２熱流センサは、前記燃料オフガス流路に露出する表面側が撥水性を有する保護膜（６２）で覆われている請求項９に記載の燃料電池システム。

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