(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記燃料電池の水素オフガス排出口とつながり、排出された前記水素オフガスを流す第１の流路と、
前記燃料電池の酸素オフガス排出口とつながり、排出された前記酸素オフガスを流す第２の流路と、
排出された前記水素オフガスと排出された前記酸素オフガスとを、前記第１の流路と前記第２の流路からそれぞれ導き、前記水素オフガスに前記酸素オフガスを混合する混合部と、
該混合部とつながり、混合された混合ガスを流して前記水素オフガスを大気中に排出する第３の流路と、
前記第１の流路中に配置され、開閉により前記混合部への前記水素オフガスの通過・遮断が可能なバルブと、
を備える車載用燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記混合部は、
オフガスを導くための前記第１、第２の流路に比して容積が拡大するよう形成されている車載用燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記混合部は、
ジグザグ状とされたガス流路を有する車載用燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記混合部は、
前記第２の流路から分岐して、前記酸素オフガスを前記第２の流路から分流して導入する酸素オフガス分岐導入流路と、
該酸素オフガス分岐導入流路と前記第１の流路とつながり、前記水素オフガスと前記酸素オフガスとを混合した上で前記第３の流路に流すよう容積が拡大した混合室とを備え、
前記第２の流路は、
前記酸素オフガス分岐導入流路の分岐箇所より下流において前記第３の流路に合流する車載用燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記第２の流路は、前記分岐箇所と前記第３の流路への合流箇所の間に、通過する流体の圧力損失を発生させる圧損部材を有する車載用燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記圧損部材はマフラとされている車載用燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記混合部の前記混合ガスの通過流路中に配置され、混合された前記ガスに含まれる水素と酸素を、触媒を用いて反応させ、前記ガス中の水素濃度を低減させる触媒反応部をさらに備える車載用燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記触媒反応部は、前記混合部の内表面に形成された触媒層とされている車載用燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記混合部以降の前記混合ガスの通過流路中に配置され、混合された前記ガスに含まれる水素と酸素を、触媒を用いて反応させ、前記ガス中の水素濃度を低減させる触媒反応部をさらに備える車載用燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７ないし請求項９いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記触媒反応部に到るガスの流路中に、前記ガスに含まれる水分のうちの液体分を除去する気液分離器をさらに備える車載用燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
更に、
水素ガス供給源から前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス流路と、
該水素ガス流路から分岐し、前記水素ガス流路の圧力異常時に前記水素ガスを前記水素ガス流路から排出するリリーフ流路とを備え、
該リリーフ流路を流れる水素ガスを前記第２の流路を流れる前記酸素オフガスで混合・希釈する車載用燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記リリーフ流路は前記第２の流路と合流している車載用燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記リリーフ流路に、混合ガスに含まれる水素と酸素を触媒を用いて反応させ、ガス中の水素濃度を低減させる触媒反応部を設け、該触媒反応部に前記第２の流路を流れる前記酸素オフガスを導く車載用燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の水素ガス供給口とつながり、供給される前記水素ガスを流す第４の流路と、
前記第１の流路中における前記燃料電池の排出口と前記バルブとの間の第１の箇所と、前記第４の流路中における第２の箇所と、の間をつなぎ、前記燃料電池から排出された前記水素オフガスを流し、前記第４の流路に戻す第５の流路と、
をさらに備える車載用燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１または請求項１４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化ガス供給口とつながり、供給される前記酸化ガスを流す第６の流路と、
前記第６の流路中に配置され、排出される前記酸素オフガスの流量を変化させることが可能な流量可変部と、
前記バルブと前記流量可変部を制御する制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記バルブを開く際には、前記流量可変部によって、排出される前記酸素オフガスの流量を、所定流量より増加させることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１または請求項１４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化ガス供給口とつながり、供給される前記酸化ガスを流す第６の流路と、
前記第６の流路中に配置され、排出される前記酸素オフガスの流量を変化させることが可能な流量可変部と、
前記バルブと前記流量可変部を制御する制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記流量可変部によって、排出される前記酸素オフガスの流量が、所定流量を超えている場合に、前記バルブを開くことを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１または請求項１４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記バルブを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、排出された前記酸素オフガスを前記混合部に送る際、前記バルブに、比較的短い周期で開閉を繰り返させることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１または請求項１４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記第１の流路中における前記バルブと前記混合部との間に配置され、前記バルブより流入される前記水素オフガスを、その流量を低減させて前記混合部に送出する流量低減部をさらに備える車載用燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記流量低減部は、前記水素オフガスの流入口と流出口との中間部に容積が大きくなった中空部を備え、前記バルブより流入した前記水素オフガスを前記中空部に滞留させてから排出することで、前記バルブより流入される前記水素オフガスを、その流量を低減させて前記混合部に送出する車載用燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記流量低減部は、前記流出口の口径より絞られた口径の前記流出口を有する車載用燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１８または請求項１９に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記流量低減部の前記中空部は、容積可変とされている車載用燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記流量低減部の前記中空部は、前記バルブからの前記水素オフガスの流入時に、容積増加を起こす車載用燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１ないし請求項２２いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記第３の流路の末端に、該流路の末端開口から流れ出るガス流を開口径方向に拡散する拡散部材を有する車載用燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記拡散部材は、前記流路末端と所定の距離を隔てて対向するよう設置されている車載用燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記拡散部材は、斜面状の側面を有する錐形状を有する車載用燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記拡散部材は、前記流路末端と車両の車体側のいずれかに設置されている車載用燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項２３に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記流路の末端を前記拡散部材を含んで所定の距離を隔てて覆うよう遮蔽部材を備え、該遮蔽部材は、前記流路の末端からの排出ガスを排出させる孔を有する車載用燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項１ないし請求項２２いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記第３の流路の末端に、該末端を所定の距離を隔てて覆うよう遮蔽部材を備え、該遮蔽部材は、前記第３の流路の末端からの排出ガスを排出させる孔を有する車載用燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項２７または請求項２８に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記遮蔽部材は、バンパに設置されている車載用燃料電池システム。
【請求項３０】
請求項２７ないし請求項２９いずれかに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記遮蔽部材は、メッシュ状或いは多孔パンチ状とされている車載用燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記バルブは、前記水素オフガスの前記混合部への流量調整が可能なバルブとされている車載用燃料電池システム。
【請求項３２】
請求項１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記バルブは、水素ガス供給源から前記燃料電池に供給される水素ガスの圧力に応じて駆動制御される車載用燃料電池システム。
【請求項３３】
水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記燃料電池の水素オフガス排出口とつながり、排出された前記水素オフガスを流す第１の流路と、
前記燃料電池の酸素オフガス排出口とつながり、排出された前記酸素オフガスを流す第２の流路と、
排出された前記水素オフガスと排出された前記酸素オフガスとを、前記第１の流路と前記第２の流路からそれぞれ導き、前記水素オフガスに前記酸素オフガスを混合する混合部と、
該混合部とつながり、混合された混合ガスを流して前記水素オフガスを大気中に排出する第３の流路と、
前記燃料電池の水素ガス供給口に水素ガス供給源から前記水素ガスを流す流路に前記第１の流路から分岐して合流し、前記水素オフガスを循環させる循環流路と、  を備える車載用燃料電池システム。
【請求項３４】
水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記燃料電池の水素オフガス排出口とつながり、排出された前記水素オフガスを流す第１の流路と、
前記燃料電池の酸素オフガス排出口とつながり、排出された前記酸素オフガスを流す第２の流路と、
排出された前記水素オフガスと排出された前記酸素オフガスとを混合するに当たり、前記第１の流路からの前記水素オフガスと前記第２の流路からの前記酸素オフガスとに限って導いて前記水素オフガスに前記酸素オフガスを混合する混合部と、
該混合部とつながり、混合された混合ガスを流して前記水素オフガスを大気中に排出する第３の流路と、
を備える車載用燃料電池システム。
【請求項３５】
水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池において、排出される前記水素オフガスを大気中に排出する水素オフガス排出方法であって、
（ａ）前記燃料電池より排出された前記水素オフガスを、排出された前記酸素オフガスと混合する工程と、
（ｂ）混合された前記ガスを大気中に排出する工程と、
を備える水素オフガス排出方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記燃料電池より排出された前記水素オフガスを、該オフガスを流す第１の流路から、容積が拡大した混合室に導入する工程（ａ１）と、
前記燃料電池より排出された前記酸素オフガスを該オフガスを流す第２の流路から分岐した分岐流路から、前記混合室に導入する工程（ａ２）と、
前記混合室で混合された前記ガスを、前記混合室につながった第３の流路に排出する工程とを含み、
前記工程（ｂ）は、
前記第２の流路における前記分岐流路の分岐箇所より下流において、前記第２の流路を前記第３の流路に合流して前記ガスを大気中に排出する工程を含む水素オフガス排出方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ｂ）は、
混合された前記ガスに含まれる水素と酸素を、触媒を用いて反応させ、前記ガス中の水素濃度を低減させる工程と、
水素濃度の低減された前記ガスを大気中に排出する工程と、
を含む水素オフガス排出方法。
【請求項３８】
請求項３５または請求項３７に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記水素オフガスを前記酸素オフガスに混合する際に、前記燃料電池より排出される前記酸素オフガスの流量を、所定流量より増加させる工程を含む水素オフガス排出方法。
【請求項３９】
請求項３５または請求項３７に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記燃料電池より排出される前記酸素オフガスの流量が、所定流量を超えている場合に、前記水素オフガスを前記酸素オフガスに混合する工程を含む水素オフガス排出方法。
【請求項４０】
請求項３５または請求項３７に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記水素オフガスを、比較的短い周期の離散的なタイミングで、前記酸素オフガスに混合する工程を含む水素オフガス排出方法。
【請求項４１】
請求項３５または請求項３７に記載の水素オフガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記燃料電池より排出される前記水素オフガスの流量を低減させる工程と、
流量の低減された前記水素オフガスを、前記酸素オフガスに混合する工程と、
を含む水素オフガス排出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車両に搭載するのに好適な車載用燃料電池システム、および水素オフガスを排出するための水素オフガス排出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タンクなどからの水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池は、エネルギ効率が高いので、電気自動車などの動力源として有望である。
【０００３】
ところで、このような燃料電池を車両の動力源として用いる場合、燃料電池は勿論のこと、上記した高圧水素ガスタンクもしくは水素吸蔵合金タンクなどの水素ガス供給源や、これら水素ガス供給源から燃料電池に水素ガスを送りこむための水素ガス流路などを含む燃料電池システムを、車両に搭載する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムを車両に搭載する場合、可燃性の高い水素ガスを扱うため、その取扱に際しては十分な配慮が必要である。しかしながら、燃料電池での電力生成に使用済みの水素オフガスに対しての配慮は十分とは言えなかった。つまり、この水素オフガスは、未消費の水素を含むことがあるものの、そのまま大気放出されていることが実状である。
【０００５】
こうした実状に鑑み、次のような新たな課題を見出し、この解決を図った。
水素含有ガスは可燃性を有することから、大気放出されるガス中の水素濃度が高まるような事態と、着火源となり得るものがガス排出口近くにあるような事態とが重なると、水素オフガスの着火現象が起きる危惧がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記した課題を解決し、水素濃度を十分低くした上で水素オフガスを大気に排出可能な車載用燃料電池システムおよび水素オフガス排出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の車載用燃料電池システムは、
水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記燃料電池の水素オフガス排出口とつながり、排出された前記水素オフガスを流す第１の流路と、
前記燃料電池の酸素オフガス排出口とつながり、排出された前記酸素オフガスを流す第２の流路と、
前記第１の流路と前記第２の流路とをつなぎ、排出された前記水素オフガスを、排出された前記酸素オフガスと混合する混合部と、
該混合部とつながり、混合された前記ガスを流して大気中に排出する第３の流路と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の水素ガス排出方法は、水素ガスと酸化ガスの供給を受け、これら水素ガスと酸化ガスを使用して電力を発生すると共に、使用済みの水素オフガスと酸素オフガスを排出する燃料電池において、排出される前記水素オフガスを大気中に排出するための水素オフガス排出方法であって、
（ａ）前記燃料電池より排出された前記水素オフガスを、排出された前記酸素オフガスと混合する工程と、
（ｂ）混合された前記ガスを大気中に排出する工程と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
このように、上記した車載用燃料電池システムまたは水素ガス排出方法では、燃料電池より排出された水素オフガスを、同じく排出された酸素オフガスと混合する。酸素オフガスは、窒素リッチなガスとされているので、上記のガス混合により、水素オフガスを希釈化することができ、混合されたガスに含まれる水素の濃度を低下させることができる。従って、十分な低濃度まで水素濃度を低下させた後に、その混合ガスを大気中に排出することができる。この結果、水素オフガスを高い水素濃度のまま不用意に大気放出することがなく、好ましい。
【００１０】
上記構成を有する本発明の第１の車載用燃料電池システムは、種々の態様を採ることができる。まず第１に、
前記混合部を、
前記第２の流路から分岐して、前記酸素オフガスを前記第２の流路から分流して導入する酸素オフガス分岐導入流路と、
該酸素オフガス分岐導入流路と前記第１の流路とつながり、前記水素オフガスと前記酸素オフガスとを混合した上で前記第３の流路に流すよう容積が拡大した混合室とを備えるものとし、
前記第２の流路を、
前記酸素オフガス分岐導入流路の分岐箇所より下流において前記第３の流路に合流するものとすることができる。
【００１１】
また、本発明の水素ガス排出方法において、
前記工程（ａ）は、
前記燃料電池より排出された前記水素オフガスを、該オフガスを流す第１の流路から、容積が拡大した混合室に導入する工程（ａ１）と、
前記燃料電池より排出された前記酸素オフガスを該オフガスを流す第２の流路から分岐した分岐流路から、前記混合室に導入する工程（ａ２）と、
前記混合室で混合された前記ガスを、前記混合室につながった第３の流路に排出する工程とを含み、
前記工程（ｂ）は、
前記第２の流路における前記分岐流路の分岐箇所より下流において、前記第２の流路を前記第３の流路に合流して前記ガスを大気中に排出する工程を含むものとすることができる。
【００１２】
こうすれば、混合室では、その容積拡大に基づき水素オフガスと酸素オフガスが効率よく混合するので、水素オフガスの希釈化、水素濃度低下を確実に図ることができ、好ましい。この場合、第２の流路を、酸素オフガス分岐導入流路の分岐箇所と第３の流路への合流箇所の間に、マフラを有するものとすることもできる。こうすれば、このマフラで起きる圧力損失によりマフラ前後で流路に差圧が発生するので、この差圧により酸素オフガスを酸素オフガス分岐導入流路を経て混合室に確実に導入できる。このため、特別の機器を用いなくても酸素オフガスの導入ができ、機器構成・制御の簡略化の点から、また、コスト低減の観点から好ましい。加えて、容積拡大の混合室でのガス混合を図るので、ガス通過時の消音の点からも好ましい。
【００１３】
また、前記第３の流路中に配置され、混合された前記ガスに含まれる水素と酸素を、触媒を用いて反応させ、前記ガス中の水素濃度を低減させる触媒反応部をさらに備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の水素オフガス排出方法において、前記工程（ｂ）は、
混合された前記ガスに含まれる水素と酸素を、触媒を用いて反応させ、前記ガス中の水素濃度を低減させる工程と、
水素濃度の低減された前記ガスを大気中に排出する工程と、
を含むことが好ましい。
【００１５】
このように、混合されたガスに含まれる水素と酸素を触媒で反応させるので、水素濃度をより一層低減させた状態で、混合ガスを大気中に排出することができる。
【００１６】
本発明の車載用燃料電池システムにおいて、前記第１の流路中に配置され、開閉により前記混合部への前記水素オフガスの通過・遮断が可能なバルブをさらに備えることが好ましい。
【００１７】
このようなバルブを備えることによって、所望のタイミングで水素オフガスを排出することができるようになる。なお、このバルブを、水素オフガスの混合部への流量調整が可能なものとすることもできる。
【００１８】
本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の水素ガス供給口とつながり、供給される前記水素ガスを流す第４の流路と、
前記第１の流路中における前記燃料電池の排出口と前記バルブとの間の第１の箇所と、前記第４の流路中における第２の箇所と、の間をつなぎ、前記燃料電池から排出された前記水素オフガスを流し、前記第４の流路に戻す第５の流路と、
をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
このように構成することによって、燃料電池から排出された水素オフガスは燃料電池の供給口に戻され、水素ガスが循環することになるので、燃料電池に供給される水素ガスの見かけの流量が多くなり、流速も早くなるため、燃料電池の出力電圧を上げることができる。また、水素ガスに含まれる不純物も水素ガス流路全体で均一化するため、不純物が燃料電池の発電動作に支障を来す虞がない。
【００２０】
本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化ガス供給口とつながり、供給される前記酸化ガスを流す第６の流路と、
前記第６の流路中に配置され、排出される前記酸素オフガスの流量を変化させることが可能な流量可変部と、
前記バルブと前記流量可変部を制御する制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記バルブを開く際には、前記流量可変部によって、排出される前記酸素オフガスの流量を、所定流量より増加させることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の水素オフガス排出方法において、前記工程（ａ）は、前記水素オフガスを前記酸素オフガスに混合する際に、前記燃料電池より排出される前記酸素オフガスの流量を、所定流量より増加させる工程を含むことが好ましい。
【００２２】
このように、水素オフガスを酸素オフガスに混合する際に、酸素オフガスの流量を増加させているので、大量の水素オフガスが排出されたとしても、その水素オフガスは大量の窒素リッチなガスによって十分に希釈化される。従って、混合ガスに含まれる水素濃度をより一層低下させた状態で、混合ガスを大気中に排出することができる。
【００２３】
本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の酸化ガス供給口とつながり、供給される前記酸化ガスを流す第６の流路と、
前記第６の流路中に配置され、排出される前記酸素オフガスの流量を変化させることが可能な流量可変部と、
前記バルブと前記流量可変部を制御する制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記流量可変部によって、排出される前記酸素オフガスの流量が、所定流量を超えている場合に、前記バルブを開くことが好ましい。
【００２４】
また、本発明の水素オフガス排出方法において、前記工程（ａ）は、前記燃料電池より排出される前記酸素オフガスの流量が、所定流量を超えている場合に、前記水素オフガスを前記酸素オフガスに混合する工程を含むことが好ましい。
【００２５】
このように、酸素オフガスの流量が増加した際に、水素オフガスを酸素オフガスに混合しているので、大量の水素オフガスが排出されたとしても、その水素オフガスは大量の窒素リッチなガスによって十分に希釈化される。従って、混合ガスに含まれる水素濃度を低下させた状態で、混合ガスを大気中に排出することができる。
【００２６】
本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、
前記バルブを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、排出された前記酸素オフガスを前記混合部に送る際、前記バルブに、比較的短い周期で開閉を繰り返させることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の水素オフガス排出方法において、前記工程（ａ）は、前記水素オフガスを、比較的短い周期の離散的なタイミングで、前記酸素オフガスに混合する工程を含むことが好ましい。
【００２８】
このような構成を採ることにより、水素オフガスは何回かに分けて少量ずつ窒素リッチな酸素オフガスと混合されるので、酸素オフガスの流量が例え増加していなくても、水素オフガスを十分に希釈化することができる。よって、混合ガスに含まれる水素の濃度は低下するため、十分な低水素濃度の状態で、混合ガスを大気中に排出することができる。
【００２９】
本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、前記第１の流路中における前記バルブと前記混合部との間に配置され、前記バルブより流入される前記水素オフガスの流量を低減させて、前記混合部に送出する流量低減部をさらに備えることが好ましい。
【００３０】
また、本発明の水素オフガス排出方法において、前記工程（ａ）は、
前記燃料電池より排出される前記水素オフガスの流量を低減させる工程と、
流量の低減された前記水素オフガスを、前記酸素オフガスに混合する工程と、
を含むことが好ましい。
【００３１】
このように、酸素オフガスと混合するに当たり、水素オフガスの流量は低減されているので、酸素オフガスの流量が例え増加していなくても、水素オフガスを十分に希釈化することができる。そのため、混合ガスに含まれる水素の濃度を十分低下させることができ、十分な低水素濃度の状態で、混合ガスを大気中に排出することができる。
【００３３】
なお、上記した本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、前記第３の流路の末端に、該流路の末端開口から流れ出るガス流を開口径方向に拡散する拡散部材を有するものとすることが好ましい。
【００３４】
こうすれば、大気中へのガス排出は、ガス流路の末端開口から排出されると同時に開口径方向に拡散された状態で起きる。こうして四方に拡散排出された排ガス（水素オフガス）は、流路末端周辺の空気との接触機会が増え、その分、希釈が進む。よって、水素濃度が高いままでガス排出が継続されるような事態を招くことがなく、流路末端で水素濃度を速やかに低減できる。こうした拡散部材は、流路末端と対向するものとしたり、流路末端をラッパ状に拡張した上で流路末端開口内に設けたり、種々の態様が可能である。
【００３５】
また、上記した本発明の第１の車載用燃料電池システムにおいて、前記流路の末端に、該末端を所定の距離を隔てて覆うよう遮蔽部材を備え、該遮蔽部材は、所定径以上の一又は複数の孔を有するものとすることができる。
【００３６】
こうすれば、この遮蔽部材は、流路末端からのガス透過を可能とすると共に、流路の末端開口への着火源の直接接近を防止することができる。よって、既述したように低水素濃度状況下でのガス排出と相まって、混合ガス（排出ガス）の着火回避の信頼性を高めることができ好ましい。この場合、遮蔽部材としては、例えばメッシュ状或いは多孔パンチ状とされたものとすることができ、流路末端からの距離としては、末端開口からのガスの流れを阻害することがなく、末端開口への着火源の直接接近を実質的に回避できるような距離とすればよい。また、遮蔽部材における孔径やその孔数としても、末端開口への着火源の直接接近を実質的に回避できるものであればよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．第１の実施例の構成：
Ａ−２．第１の実施例の動作：
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ−１．第２の実施例の構成：
Ｂ−２．第２の実施例の動作：
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ−１．第３の実施例の構成：
Ｃ−２．第３の実施例の動作：
Ｄ．変形例：
【００３８】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．第１の実施例の構成：
図１は本発明の第１の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。本実施例の燃料電池システムは、自動車などの車両に搭載されるものであって、主として、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池１００と、その燃料電池１００に水素ガスを供給する水素吸蔵合金タンク２００と、を備えている。
【００３９】
このうち、燃料電池１００は、水素を含んだ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空気）の供給を受けて、水素極と酸素極において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させている。
【００４０】
即ち、水素極に水素ガスが、酸素極に酸化ガスがそれぞれ供給されると、水素極側では式（１）の反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が行なわれる。
【００４１】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
このような燃料電池１００を車両の動力源として用いる場合、燃料電池１００から発生された電力によって電動機（図示せず）を駆動し、その発生トルクを車軸（図示せず）に伝達して、車両の推進力を得る。
【００４２】
また、燃料電池１００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極（図示せず）である水素極および酸素極と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された水素ガスが、酸素極との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。
【００４３】
一方、水素吸蔵合金タンク２００は、内部に水素吸蔵合金（図示せず）を備えている。一般に、水素吸蔵合金は、加熱すると、吸熱反応を生じて水素を放出し、冷やすと、放熱反応を生じて水素を吸蔵する性質がある。従って、水素吸蔵合金から水素を取り出す際には、図示せざる熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金を加熱する。
【００４４】
なお、水素吸蔵合金は、不純物が存在すると、劣化するため、水素吸蔵合金タンク２００内には高純度の水素が蓄えられている。
【００４５】
その他、本実施例の燃料電池システムは、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させるための水素ガス流路と、酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路と、制御部５０を備えている。
【００４６】
このうち、水素ガス流路は、水素吸蔵合金タンク２００の放出口から燃料電池１００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池１００の排出口から後述するポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、本流流路４０１から分岐して循環流路４０３に至るバイパス流路４０５と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０７と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０９と、を備えている。
【００４７】
本流流路４０１には、水素吸蔵合金タンク２００の放出口にシャットバルブ２０２が配置されており、流路途中に圧力センサ４００とシャットバルブ４０２と減圧バルブ４０４が配置されており、燃料電池１００の供給口にシャットバルブ１０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池１００の排出口にシャットバルブ１０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，シャットバルブ４０８およびポンプ４１０がそれぞれ配置されている。さらに、バイパス流路４０５にはシャットバルブ４１２が、排出流路４０７にはシャットバルブ４１４が、リリーフ流路４０９にはリリーフバルブ４１６が、それぞれ配置されている。
【００４８】
一方、酸化ガス流路は、燃料電池１００に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路５０１と、燃料電池１００から排出された酸素オフガスを排出するための酸素オフガス排出流路５０３と、を備えている。
【００４９】
酸化ガス供給流路５０１には、エアクリーナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿器５０６と、が配置されている。また、酸素オフガス排出流路５０３には、気液分離器５０８と、コンバスタ５１０と、が配置されている。
【００５０】
なお、前述した水素ガス流路の排出流路４０７は、酸化ガス流路の酸素オフガス排出流路５０３と接続されており、その接続部分辺りが混合部４１１を構成している。
【００５１】
また、制御部５０は、圧力センサ４００からの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，２０２，４０２，４０８，４１２，４１４と、ポンプ４１０と、コンプレッサ５０４と、をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。
【００５２】
Ａ−２．第１の実施例の動作：
それではまず、酸化ガスの流れについて簡単に説明する。制御部５０によってコンプレッサ５０４を駆動することにより、大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれ、エアクリーナ５０２によって浄化された後、酸化ガス供給流路５０１を通り、加湿器５０６を介して燃料電池１００に供給される。供給された酸化ガスは、燃料電池１００内において、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸素オフガス排出流路５０３を通り、気液分離器５０８やコンバスタ５１０を介して、車両外部の大気中に排出される。
【００５３】
次に、水素ガスの流れについて説明する。制御部５０によって、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池システムの運転時には基本的に開いているが、停止時には閉じている。
【００５４】
また、通常運転時には、制御部５０によって、これらの他、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８はそれぞれ開いているが、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は閉じている。なお、リリーフバルブ４１６は、圧力異常時などの場合以外は閉じている。また、圧力センサ４００は、水素吸蔵合金タンク２００から放出される水素ガスの圧力を検出している。
【００５５】
通常運転時、前述したとおり、熱交換システムにより水素吸蔵合金タンク２００内の水素ガス吸蔵合金を加熱して、水素ガスを放出させ、放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って、減圧バルブ４０４で減圧された後、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内において上述した電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って、気液分離器４０６で、水素オフガス中に含まれる水分の液体分が除去された後、ポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池１００に供給される。このとき、循環流路４０３中に設けられているポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り出される。こうして、通常運転時、水素ガスは、本流流路４０１および循環流路４０３を通って循環している。
【００５６】
このように、水素オフガスを本流流路４０１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池１００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池１００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くなり、流速も速くなるため、燃料電池１００に対する水素の供給という観点から、有利な条件を作り出している。この結果、燃料電池１００の出力電圧も上がる。
【００５７】
また、酸化ガスに含まれる窒素などの不純物が酸素極側から電解質膜を透過して水素極側に漏れ出してくるものの、上記のように水素オフガスを循環させることで、これら不純物が水素極に溜まるというような事態を招くことがない。従って、窒素などの不純物の滞留により、燃料電池１００が発電動作に支障を来し、出力電圧が落ちてしまうということもない。
【００５８】
なお、ポンプ４１０は、制御部５０によって、その駆動が制御されており、燃料電池１００の発生した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速を変化させている。
【００５９】
以上が、通常運転時における水素ガスの流れについての概略説明である。次に、低温始動時における水素ガスの流れについて説明する。
【００６０】
一般に、水素吸蔵合金は、温度が高いほど、放出する水素の圧力は高くなり、温度が低いほど、放出する水素の圧力は低くなるため、水素吸蔵合金タンクは低温になればなるほど、水素が放出されにくくなる。そこで、低温始動時には、ポンプ４１０によって、水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出すようにしている。
【００６１】
燃料電池システムの始動時において、周囲温度が低温で、圧力センサ４００によって検出される水素ガスの圧力が基準圧力を下回っている場合、制御部５０は、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４をそれぞれ閉じ、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２を開くと共に、ポンプ４１０を高回転数で駆動する。それによって、例え、水素吸蔵合金タンク２００の温度が低くて、放出される水素ガスの圧力が低くても、水素吸蔵合金タンク２００からは、吸蔵されていた水素ガスが十分に引き出される。引き出された水素ガスは、本流流路４０１からバイパス流路４０５に入り、そのあと、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻り、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内で電気化学反応に供された後、水素オフガスとなって、循環流路４０３に排出される。なお、水素オフガス中に含まれる不純物の濃度は、時間が経つに連れて上がるので、その不純物を除去するために、時々、シャットバルブ４１４を開いて、排出流路４０７から水素オフガスを放出する。
【００６２】
以上が、低温始動時における水素ガスの流れについての説明である。次に、本発明の特徴である水素オフガスの排出について詳細に説明する。
【００６３】
燃料電池システムの通常運転時においては、前述したとおり、水素ガス中に含まれる不純物を均一化させるために、燃料電池１００より排出された水素オフガスを、循環流路４０３を介して本流流路４０１に戻すことにより、水素ガスを循環させている。しかし、このように水素ガスを均一化させたとしても、燃料電池１００内において、酸素極側から水素極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上がり、それに連れて水素の濃度は低下する。
【００６４】
このため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０７に、シャットバルブ４１４を設け、循環している水素ガス中の不純物の濃度が上がってきたら、制御部５０によって、このシャットバルブ４１４を開いて、循環している不純物を含む水素ガスの一部を排出している。これにより、不純物を含んだ水素ガスの一部は循環路から排出され、その分だけ、水素吸蔵合金タンク２００からの純粋な水素ガスが導入されるので、水素ガス中の不純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がる。この結果、燃料電池１００は、発電を継続して適切に行なうことができる。シャットバルブ４１４を開く時間間隔は、運転条件や出力により異なるが、例えば５秒に１回程度としても良い。
【００６５】
また、前述したように、燃料電池１００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を介して水素極側に漏れ出してくる。本実施例では、シャットバルブ４１４を開いて水素ガスを排出すると、その圧力差で水素ガスに急激な流れを生じさせることができ、その勢いで電池セル内の水分を吹き飛ばすことができる。このため、式（２）の進行に伴い生成した水（水蒸気）が凝縮して単セル内で水素極側に張り付いても、この水を上記の急激な水素ガス流により吹き飛ばすので、燃料電池への水素ガスの流れを止めてしまうようなことがない。
【００６６】
なお、本実施例では、循環している水素ガス中の不純物の濃度などは特に検出しておらず、過去のデータの蓄積から、不純物の濃度が、許容できない濃度になるまでの時間を予め導き出している。そして、制御部５０が、タイマで時間経過を測定して、上記の時間が経過する毎に、定期的にシャットバルブ４１４を開けるようにしている。但し、水素ガス流路中に水素濃度センサなどを設けて、循環する水素ガス中の水素濃度を検出し、その濃度が基準濃度を下回ったら、シャットバルブ４１４を開けるようにしても良い。
【００６７】
次に、シャットバルブ４１４から排出された水素ガスは、排出流路４０７を通って、酸素オフガス排出流路５０３に送り込まれ、混合部４１１において、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスと混合される。シャットバルブ４１４から排出される水素ガスは、水素オフガスであるため、水素の濃度はある程度低い。また、燃料電池１００から排出される酸素オフガスも、燃料電池１００において酸素の消費された窒素リッチなガスである。従って、このように、水素オフガスを酸素オフガスと混合して希釈化することにより、混合されたガスに含まれる水素の濃度はさらに低下する。
【００６８】
次に、混合部４１１で混合されたガスは、気液分離器５０８を介してコンバスタ５１０に流入する。コンバスタ５１０は、白金触媒５１２を備えており、燃焼によって、混合ガスに含まれる水素を酸素と反応させて、混合ガスに含まれる水素の濃度をさらに低減させる。
【００６９】
このようにして、コンバスタ５１０によって水素濃度の低減された混合ガスは、その後、大気中に排出される。
【００７０】
なお、燃料電池１００から排出される酸素オフガスは、前述したとおり、多量の水分が含まれており、酸素オフガス排出流路５０３の配管が長い場合には、凝縮して水滴となりやすい。従って、そのような酸素オフガスが混合部４１１において水素オフガスと混合しても、水分は依然として含まれているため、その混合ガスがコンバスタ５１０内を通った際に、含まれていた水分が凝縮して水滴となって、白金触媒５１２に付着することがあり得る。本実施例では、上述したとおり、コンバスタ５１０の前段に気液分離器５０８を設けて、混合ガスに含まれる水分のうちの液体分を除去しているので、コンバスタ５１０内の白金触媒５１２に水滴が付着しないようにでき、白金触媒５１２の活性を保つことができる。
【００７１】
また、燃料電池１００の発電動作中にシャットバルブ４１４を開けたとしても、燃料電池１００の出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはならないため、問題はない。
【００７２】
以上説明したとおり、本実施例においては、燃料電池１００から排出された水素オフガスを混合部４１１で酸素オフガスと混合することにより希釈化し、さらに、その混合ガスに含まれる水素の濃度をコンバスタ５１０で低減する。よって、着火回避に有効となる十分な低濃度までの水素濃度の低下を図った後に、大気中に排気するので、着火回避の信頼性を高めることができる。
【００７３】
ところで、制御部５０によって、シャットバルブ４１４を開いて、水素オフガスを混合部４１１に排出する際に、大量に水素オフガスを排出した場合であっても、混合部４１１における酸素オフガスと混合の混合を経た希釈化を維持して着火回避の信頼性を高めるべく、次のような対処を採ることとした。
【００７４】
本実施例では、上記の対処法として以下に説明する４つの方法のうち、何れかの方法を用いて、着火回避の信頼性を高めるようにしている。
【００７５】
まず、図２を用いて、１つ目の方法について説明する。図２は図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【００７６】
循環している水素ガス中の不純物の濃度が許容できない濃度になったことを、経過時間やセンサなどで検出すると、制御部５０は、図２に示す処理を開始し、まず、酸化ガス供給流路５０１中に配置されているコンプレッサ５０４を特定出力以上（例えば最大出力）で駆動するよう制御する（ステップＳ１０２）。これにより、エアクリーナ５０２を介して取り込まれる酸化ガスの流量は増加するため、それに伴い、燃料電池１００から排出され、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスの流量も増加する。次に、制御部５０は、シャットバルブ４１４を開き（ステップＳ１０４）、循環している水素ガス（水素オフガス）をシャットバルブ４１４から混合部４１１へ排出する。そして、所定開放時間が経過したら（ステップＳ１０６）、シャットバルブ４１４を閉じて（ステップＳ１０８）、図２に示す処理を終了する。なお、シャットバルブ４１４の開放時間としては、１ｓｅｃ以下が好ましく、５００ｍｓｅｃ程度がより好ましい。
【００７７】
このような方法を用いた場合、シャットバルブ４１４を開いて水素オフガスを混合部４１１に排出した際に、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスの流量は増しているので、混合部４１１において、水素オフガスを酸素オフガスと混合した際に、水素オフガスは大量の窒素リッチなガスによって十分に希釈化される。従って、混合ガスに含まれる水素の濃度は低下するため、着火回避の信頼性を高めることができる。
【００７８】
次に、図３を用いて、２つ目の方法について説明する。図３は図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【００７９】
図２に示した方法では、シャットバルブ４１４を開く際に、積極的に、コンプレッサ５０４を例えば最大出力で駆動して、酸素オフガスの流量が増加してから、水素オフガスを排出するようにしている。しかしながら、例えば、車両の走行中に、走行状態とは無関係にコンプレッサ５０４が最大出力で駆動されると、運転者に違和感を与える虞がある。具体的には、徐行運転している際に、水素オフガスを排出しようとして、コンプレッサ５０４が最大出力で駆動されたとすると、徐行運転しているにも関わらず、コンプレッサ５０４により多大な回転音や振動などが発生して、運転者に違和感を与えることになる。
【００８０】
そこで、２つ目の方法では、走行状態（言い換えれば、負荷変動）に応じて変化するコンプレッサ５０４の駆動に合わせて、シャットバルブ４１４を開くようにしている。
【００８１】
具体的には、制御部５０は、図３に示す処理を開始すると、まず、コンプレッサ５０４の出力が特定出力を上回るまで待機する（ステップＳ２０２）。なお、コンプレッサ５０４の出力は、コンプレッサ５０４に取り付けられた回転数センサなどの出力結果から導き出すことができる。
【００８２】
その後、走行状態に応じてコンプレッサ５０４の出力が変化し、特定出力を上回ったら、制御部５０は、シャットバルブ４１４を開く（ステップＳ２０４）。これにより、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスの流量が増加しているタイミングで、水素オフガスをシャットバルブ４１４から混合部４１１へ排出することができる。そして、所定開放時間が経過したら（ステップＳ２０６）、シャットバルブ４１４を閉じて（ステップＳ２０８）、図３に示す処理を終了する。
【００８３】
このような方法を用いた場合、前述したとおり、酸素オフガスの流量が増加した時に、水素オフガスが混合部４１１に排出されるので、図２に示した方法と同様に、混合部４１１において、水素オフガスを酸素オフガスと混合した際に、水素オフガスは大量の窒素リッチなガスによって十分に希釈化される。従って、混合ガスに含まれる水素の濃度は低下するため、着火回避の信頼性を高めることができる。
【００８４】
また、コンプレッサ５０４の駆動はあくまで走行状態に従って変化しているので、その回転音や振動なども走行状態とマッチしており、運転者に違和感を与える虞はない。
【００８５】
次に、図４を用いて、３つ目の方法について説明する。図４は図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の別の例を説明するためのフローチャートである。
【００８６】
制御部５０は、図４に示す処理を開始すると、まず、シャットバルブ４１４を開いて（ステップＳ３０２）、直ちに閉じる（ステップＳ３０４）。そして、制御部５０は、処理を開始してから所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ３０６）、経過していなければ、上記した動作を繰り返す。これにより、シャットバルブ４１４は比較的短い周期で開閉を繰り返すことになる。その後、所定時間経過したら、図４に示す処理を終了する。
【００８７】
このような方法を用いた場合、前述したとおり、シャットバルブ４１４は比較的短い周期で開閉を繰り返すので、水素オフガスは、比較的短い周期の離散的なタイミングで、何回かに分けて少量ずつ、混合部４１１に排出されることになる。従って、混合部４１１において酸素オフガスと混合する際に、酸素オフガスの流量が例え増加していなくても、水素オフガスを十分に希釈化することができる。よって、混合ガスに含まれる水素の濃度は低下するため、着火回避の信頼性を高めることができる。
【００８８】
次に、図５を用いて、４つ目の方法について説明する。この方法では、予め、図１の循環流路４０３中におけるシャットバルブ４１４と混合部４１１との間に、図５に示すようなバッファ４１３を設けておく。図５は図１のシャットバルブ４１４と混合部４１１との間に配置されるバッファを説明するための説明図である。
【００８９】
図５に示すように、このバッファ４１３は、流出口の口径が流入口の口径より絞られており、また、流入口と流出口との間の中間部には、多大な容積を持った空間が空いている。従って、制御部５０によって、シャットバルブ４１４が開き、その後、閉じて、シャットバルブ４１４から大量の水素オフガスが短時間に排出されても、その水素オフガスがバッファ４１３に流入すると、流出口が絞られているため、抵抗を受けて中央部の空間に滞留し、少量ずつしか、流出口から混合部４１１へ流出しない。従って、混合部４１１において酸素オフガスと混合する際に、酸素オフガスの流量が例え増加していなくても、水素オフガスを十分に希釈化することができる。そのため、混合ガスに含まれる水素の濃度を十分低下させることができ、着火回避の信頼性を高めることができる。
【００９０】
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ−１．第２の実施例の構成：
図６は本発明の第２の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。第１の実施例の燃料電池システムでは、水素ガスの供給源として、水素吸蔵合金タンク２００を用いるようにしたが、本実施例の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金タンク２００に代えて、高圧水素ガスタンク３００を用いるようにしている。
【００９１】
この高圧水素ガスタンク３００は、内部に高圧の水素ガスを充填しており、根本に取り付けられたシャットバルブ３０２を開くと、およそ２０〜３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出される。
【００９２】
また、燃料電池１００は、第１の実施例と同一の構成であるため、説明は省略する。
【００９３】
この他、本実施例の燃料電池システムは、図６に示すように、水素ガス流路と、酸化ガス流路と、制御部５０を備えているが、酸化ガス流路は、第１の実施例と同一の構成であるので、説明は省略する。
【００９４】
水素ガス流路は、高圧水素ガスタンク３００の放出口から燃料電池１００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池１００の排出口からポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０７と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０９と、を備えている。本実施例では、水素ガスの供給源として高圧水素ガスタンク３００を用いているため、高圧の水素ガスを放出することができる。従って、水素吸蔵合金タンク２００の場合のように、低温始動時に水素ガスを引き出す必要がないため、バイパス流路４０５は設けられていない。
【００９５】
本流流路４０１には、高圧水素ガスタンク３００の放出口にシャットバルブ３０２が配置されており、流路途中に減圧バルブ４１８，熱交換器４２０，減圧バルブ４２２および気液分離器４２５がそれぞれ配置されており、燃料電池１００の供給口にシャットバルブ１０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池１００の排出口にシャットバルブ１０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，ポンプ４１０および逆止弁４２６がそれぞれ配置されている。なお、排出流路４０７にシャットバルブ４１４が、リリーフ流路４０９にリリーフバルブ４１６が配置されている点や、排出流路４０７が酸素オフガス排出流路５０３と接続されており、その接続部分辺りが混合部４１１を構成している点は、第１の実施例の場合と同様である。
【００９６】
制御部５０は、圧力センサ４００からの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，３０２，４１４と、ポンプ４１０と、コンプレッサ５０４と、をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。
【００９７】
Ｂ−２．第２の実施例の動作：
それでは、水素ガスの流れについて簡単に説明する。なお、酸化ガスの流れについては、第１の実施例の場合と同様であるので、説明は省略する。
【００９８】
制御部５０によって、高圧水素ガスタンク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池システムの運転時には基本的に開いているが、停止時には閉じている。
【００９９】
また、通常運転時は、制御部５０によって、その他、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は閉じている。なお、リリーフバルブ４１６は、第１の実施例の場合と同様に、圧力異常時などの場合以外は閉じている。
【０１００】
通常運転時、前述したとおり、制御部５０がシャットバルブ３０２を開くと、高圧水素ガスタンク３００からは水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って、減圧バルブ４１８で減圧された後、熱交換器４２０で暖められる。暖められた水素ガスは、減圧バルブ４２２でさらに減圧された後、気液分離器４２５で、水素ガス中に含まれる水分の液体分を除去して、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内において前述の電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って、気液分離器４０６で、水素オフガス中に含まれる水分の液体分が除去された後、ポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池１００に供給される。このとき、第１の実施例の場合と同様に、循環流路４０３の途中に設けられているポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り出される。こうして、通常運転時、水素ガスは、本流流路４０１および循環流路４０３を通って循環している。なお、循環流路４０３中において、本流流路４０１との接続点と、ポンプ４１０と、の間には、循環している水素オフガスが逆流しないようにするために、逆止弁４２６が設けられている。
【０１０１】
以上が、本実施例における水素ガスの流れについての説明である。次に、本発明の特徴である水素オフガスの排出について詳細に説明する。
【０１０２】
本実施例においても、第１の実施例の場合と同様に、循環流路４０３から分岐した排出流路４０７に、シャットバルブ４１４を設け、このシャットバルブ４１４によって、不純物を含んだ水素ガス（水素オフガス）を排出するようにしている。そして、シャットバルブ４１４から排出した水素オフガスを、混合部４１１において、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスと混合して希釈化することにより、混合されたガスに含まれる水素の濃度を低下させる。さらに、その混合ガスを、気液分離器５０８を介してコンバスタ５１０に流入して、コンバスタ５１０において、白金触媒５１２を用いて、混合ガスに含まれる水素を酸素と反応させて、混合ガスに含まれる水素の濃度をさらに低減させる。こうして、コンバスタ５１０によって水素濃度の低減された混合ガスは、その後、大気中に排出される。
【０１０３】
従って、本実施例においても、第１の実施例と同様に、燃料電池１００から排出された水素オフガスを混合部４１１で酸素オフガスと混合することにより希釈化し、その混合ガスに含まれる水素の濃度をコンバスタ５１０で低減する。このため、着火回避に有効となる十分な低濃度までの水素濃度の低下を図った後に、大気中に排気するので、着火回避の信頼性を高めることができる。
【０１０４】
また、本実施例においても、より高い信頼性を確保するために、第１の実施例で述べた４つの方法のうち、何れかの方法を用いて、シャットバルブ４１４を開いて水素オフガスを排出するようにしている。
【０１０５】
なお、第１の実施例においては、図１に示したように、低温始動時に、循環流路４０３を、水素吸蔵合金タンク２００からの水素ガスが流れる関係で、排出流路４０７は燃料電池１００のシャットバルブ１０４とシャットバルブ４０８との間から分岐させているが、本実施例においては、循環流路４０３は、水素オフガスしか流れないので、ポンプ４１０の下流側から分岐させている。従って、ポンプ４１０の下流側では、水素オフガスはポンプ４１０によって圧力が加わっているので、本実施例では、シャットバルブ４１４を開くと、水素オフガスを勢いを付けて排出させることができる。
【０１０６】
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ−１．第３の実施例の構成：
図７は本発明の第３の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。この第３の実施例の燃料電池システムでは、第１の実施例と同様の燃料電池１００を備え、その水素ガス供給源として、第２の実施例と同様の高圧水素ガスタンク３００を用いるようにしている。本実施例では、高圧水素ガスタンク３００は、車両内に４本搭載されている。この場合、第１の実施例のように水素吸蔵合金タンク２００を用いるようにすることもできる。なお、以下の説明に当たっては、上記の第１、第２の実施例と同一の作用をなす機器等については、そのままの符号を伏してその説明を省略することとする。
【０１０７】
図示するように、この第３の実施例の燃料電池システムでは、水素ガス・酸化ガスの流路において、上記の実施例と流路構成が一部相違する。
【０１０８】
水素ガス流路は、上記実施例と同様、高圧水素ガスタンク３００から燃料電池１００に至る本流流路４０１と、燃料電池１００の循環流路４０３と、不純物排出のための排出流路４０７と、圧力異常時の水素ガス排出のためのリリーフ流路４０９とを有する。この他、本実施例の水素ガス流路では、圧力異常時の水素ガス放出の信頼性を高めるためのもう一つのリリーフ流路４３０と、水素ガス漏れをチェックする際に用いるリークチェック流路４２７と、水素ガス供給ポート４２９から高圧水素ガスタンク３００の充填口に至る供給流路４３２と、を備えている。
【０１０９】
本流流路４０１は、高圧水素ガスタンク３００の放出口のシャットバルブ３０２に加え、放出マニュアルバルブ３０４と、減圧バルブ４１８、熱交換器４２０および減圧バルブ４２２を有する。循環流路４０３は、第２の実施例と同様、気液分離器４０６等を備え、ポンプ４１０により逆止弁４２６を経て水素オフガスを循環させる。供給流路４３２は、高圧水素ガスタンク３００の充填口に逆止弁３０６および充填マニュアルバルブ３０８を備える。排出流路４０７は、シャットバルブ４１４と水素希釈器４２４を、リリーフ流路４３０、４０９は、リリーフバルブ４１５、４１６を、リークチェック流路４２７は、リークチェックボート４２８を、それぞれ有する。
【０１１０】
酸化ガス流路は、上記実施例と同様、燃料電池１００への酸化ガス供給のための酸化ガス供給流路５０１と、酸素オフガス排出のための酸素オフガス排出流路５０３とを備える。この他、本実施例の酸化ガス流路では、後述の水素希釈器４２４に酸素オフガスを導くための酸素オフガス分岐導入流路５０５と、当該導入流路内の水を除去するための水循環流路６０１とを備えている。
【０１１１】
酸化ガス供給流路５０１における機器構成は、第２の実施例と同様であり、加湿器５０６は、酸素オフガス排出流路５０３においてもガス加湿可能に構成されている。酸素オフガス排出流路５０３は、燃料電池１００の側から、調圧弁５０９と、前述の加湿器５０６と、気液分離器５２０と、消音器であるマフラ５２２とを備え、流路末端をオフガス排出口５２４としている。
【０１１２】
また、水循環流路６０１は、ポンプ６０２，６０６と、加湿水タンク６０４と、インジェクタ６０８とを備える。そして、この水循環流路６０１は、気液分離器５２０で分離した水を、ポンプ６０２，６０６を介して、酸化ガス供給流路５０１に循環供給する。
【０１１３】
さらに、制御部５０は、図示しない各種センサから得られた検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，３０２，４１４や、ポンプ４１０，６０２，６０６や、コンプレッサ５０４をそれぞれ制御する。ポンプ４１０や、コンプレッサ５０４や、ポンプ６０２，６０６などは、それぞれ、モータによって駆動されるが、それらについては図示が省略されている。なお、放出マニュアルバルブ３０４および充填マニュアルバルブ３０８は、それぞれ、手動で開閉されるようになっている。
【０１１４】
Ｃ−２．第３の実施例の動作：
次に、ガスの流れについて、酸化ガスの流れから説明する。制御部５０によってコンプレッサ５０４を駆動すると、第１、第２の実施例と同様に、大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれる。そして、この酸化ガスは、エアクリーナ５０２による浄化、コンプレッサ５０４による加圧を受けて、加湿器５０６を経て燃料電池１００に供給される。
【０１１５】
供給された酸化ガスは、燃料電池１００内において、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸素オフガス排出流路５０３を通り、調圧弁５０９を介した後、再び、加湿器５０６に流入される。
【０１１６】
前述したように、燃料電池１００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成されるため、燃料電池１００から排出される酸素オフガスは、非常にウェットで、多くの水分を含んでいる。一方、大気中から取り入れて、コンプレッサ５０４によって加圧された酸化ガス（空気）は、湿度の低いガスである。本実施例では、酸化ガス供給流路５０１と酸素オフガス排出流路５０３を一つの加湿器５０６を通過させ、両者の間で水蒸気交換を行なうことにより、非常にウェットな酸素オフガスからドライな酸化ガスへ水分を与えるようにしている。この結果、加湿器５０６から流出され燃料電池１００へ供給される酸化ガスはある程度ウェットになり、加湿器５０６から流出され車両外部の大気中へ排出される酸素オフガスはある程度ドライになる。このため以下の利点がある。
【０１１７】
まず第１に、上記のように生成した水で非常にウェットとなったまま、酸素オフガスを、酸素オフガス排出流路５０３を通してそのまま車両外部の大気中に排出することがない。よって、冬場など周囲温度が非常に低い場合であっても、車両のオフガス排出口５２４からもうもうとした水蒸気の煙が出るようなことがない。第２に、コンプレッサ５０４からの酸化ガス（空気）をドライのまま燃料電池１００に供給することがない。よって、燃料電池１００内における電解質膜の酸素極側の表面を乾燥させることがないので、上述した電気化学反応の反応効率を下げるようなことがない。
【０１１８】
こうして、加湿器５０６において或る程度ドライになった酸素オフガスは、次に、気液分離器５２０に流入される。気液分離器５２０では、加湿器５０６からの酸素オフガスを気体分と液体分に気液分離し、酸素オフガスに含まれている水分を液体分としてさらに除去して、よりドライにしている。また、除去された水分は回収水として回収され、ポンプ６０２によって汲み上げられて、加湿水タンク６０４に蓄えられる。そして、この回収水はポンプ６０６によってインジェクタ６０８に送り出され、コンプレッサ５０４の流入口で、インジェクタ６０８により霧吹きされて、エアクリーナ５０２からの酸化ガスに混合される。こうすることによって、酸化ガス供給流路５０１を通る酸化ガスをさらにウェットにしている。
【０１１９】
以上のようにして、気液分離器５２０においてさらにドライになった酸素オフガスは、その後、マフラ５２２で消音されて、オフガス排出口５２４から車両外部の大気中に排出される。
【０１２０】
次に、水素ガスの流れについて説明する。高圧水素ガスタンク３００の放出マニュアルバルブ３０４は、通常時は、常に開いており、充填マニュアルバルブ３０８は、常に閉じている。
【０１２１】
また、高圧水素ガスタンク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４の開閉状態は、第２の実施例で説明したとおりである。
【０１２２】
その他、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は、制御部５０によって、運転時には、基本的に閉じている。なお、リリーフバルブ４１５，４１６は、圧力異常時などの場合以外は閉じている。
【０１２３】
運転時において、前述したとおり、制御部５０がシャットバルブ３０２を開くと、第２の実施例の場合と同様に、高圧水素ガスタンク３００の水素ガスは、減圧バルブ４１８による減圧、熱交換器４２０による加温、減圧バルブ４２２によるさらなる減圧、気液分離器４２５での水分液体分を経て、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内において前述の電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、第２の実施例の場合と同様に、ポンプ４１０による流勢を持って、循環流路４０３から本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池１００に供給される。なお、循環流路４０３の逆止弁４２６により、循環水素オフガスの逆流回避がなされている。
【０１２４】
このように、水素オフガスを本流流路４０１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池１００の出力電圧の上昇を来すことができる点は、第１実施例で既述した通りである。
【０１２５】
また、酸化ガスに含まれる窒素などの不純物の滞留についても、水素オフガスの循環により回避できる点、燃料電池１００の出力電圧の低下回避ができる点についても、第１実施例で既述した通りである。
【０１２６】
なお、ポンプ４１０は、制御部５０によって、その駆動が制御されており、燃料電池１００の発生した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速を変化させている。
【０１２７】
また、高圧水素ガスタンク３００の出口近傍には、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブが設けられている。これらの減圧バルブは、高圧水素ガスタンク３００内の高圧の水素ガスを、２段階で減圧している。即ち、具体的には、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、およそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧し、さらに２次減圧用の減圧バルブ４２２によって、およそ０．８〜１ＭＰａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａに減圧する。この結果、高圧の水素ガスを燃料電池２００に供給して、燃料電池２００を傷めるということがない。第２の実施例も同様である。
【０１２８】
なお、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、高圧の水素ガスをおよそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧される。高圧水素ガスタンク３００からの水素放出は、膨張を伴うために圧力、流量によって、放出温度が変化する。本実施例では、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２との間に、熱交換器４２０を配置して、減圧後の水素ガスに対して熱交換する仕組みを採用している。この熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池１００を循環した冷却水が供給されており、その冷却水と温度変化した水素ガスとの間で熱交換が行なわれる。水素ガスの温度は、この熱交換器４２０を通過することによって、ほぼ適正な温度範囲となり、燃料電池１００に供給することができる。従って、燃料電池１００内では、十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進み、適正な発電動作を行なうことができる。第２の実施例も同様である。
【０１２９】
また、前述したように、燃料電池１００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通して水素極側にも入ってくる。従って、燃料電池１００から排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。本実施例では、循環流路４０３の途中に気液分離器４０６を設け、この気液分離器４０６によって、水素オフガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共にポンプ４１０に送るようにしている。これにより、本流流路４０１に還流される水素オフガスに含まれる水分は気体分のみとなり、燃料電池１００には、水分が気液混合体として供給されることがない。このため、気液混合体によって水素ガス流路を塞いでしまうようなことがなくなるので、燃料電池１００では発電動作は良好に継続され、単セルの出力電圧の低下や燃料電池１００全体の発電量の低下を引き起こすことがない。第２の実施例も同様である。
【０１３０】
また、前述したように、水素ガス中に含まれる不純物を均一化させるために、水素ガスを循環させている。しかし、このように水素ガスを均一化させたとしても、燃料電池１００内において、酸素極側から水素極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上がり、それに連れて水素の濃度は低下する。
【０１３１】
そのため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０７に、シャットバルブ４１４を設け、制御部５０によって、このシャットバルブ４１４を定期的に開いて、循環している不純物を含む水素ガスの一部を排出している。シャットバルブ４１２を開くことで、不純物を含んだ水素ガスの一部は循環路から排出され、その分だけ、高圧水素ガスタンク３００からの純粋な水素ガスが導入される。これにより、水素ガス中の不純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がる。この結果、燃料電池１００は、発電を継続して適切に行なうことができる。シャットバルブ４１４を開く時間間隔は、運転条件や出力により異なるが、例えば５ｓｅｃに１回程度としてもよい。
【０１３２】
なお、燃料電池１００の発電動作中にシャットバルブ４１４を開けたとしても、燃料電池１００の出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはならないため問題はない。シャットバルブ４１４の開放時間としては、１ｓｅｃ以下が好ましく、例えば、５００ｍｓｅｃ程度がより好ましい。
【０１３３】
次に、水素オフガスの排出系とガス排出の様子について説明する。図８は水素オフガスの排出系の要部を示す概略斜視図である。シャットバルブ４１４から排出された水素ガスは、排出流路４０７を通って、水素希釈器４２４に供給される。水素希釈器４２４には、酸素オフガス排出流路５０３から分岐した酸素オフガス分岐導入流路５０５を通って、酸素オフガスも供給されている。
【０１３４】
水素希釈器４２４は、内部にガスの混合室４２４ａを形成するようにされた筐体であり、この混合室容積を供給ガス流路（排出流路４０７と酸素オフガス分岐導入流路５０５）に比べて拡大して備える。混合室４２４ａは、ガス流路をジグザク状とするよう遮蔽板４２４ｂにて区切られている。こうした構造を有する水素希釈器４２４は、上記のように供給された水素ガスと酸素オフガスとを混合室４２４ａで混合することによって、シャットバルブ４１４から排出された水素ガスを希釈する。希釈された水素ガスは、酸素オフガス排出流路５０３に送り込まれ、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスとさらに混合される。そして、混合されたガスは、排出流路４０７の下流流路４０７ａを経てマフラ５２２の下流の酸素オフガス排出流路５０３に合流し、オフガス排出口５２４から車両外の大気中に排気される。
【０１３５】
このように水素オフガスを排出する本実施例によれば、次の利点がある。
まず、水素希釈器４２４の混合室４２４ａに水素オフガスと酸素オフガスを導き、両ガスを容積が大きい混合室４２４ａで混合・希釈することにした。よって、混合室容積の拡大に基づき水素オフガスと酸素オフガスが効率よく混合するので、水素オフガスの希釈化、延いては水素濃度低下を確実に図ることができる。
【０１３６】
しかも、酸素オフガス排出流路５０３においては、マフラ５２２の上流から酸素オフガスの水素希釈器４２４への分岐導入と、マフラ５２２の下流での混合ガスの合流を図ることにした。マフラ５２２は、その構造上、通過する流体（酸素オフガス）に対する圧力損失を起こすので、この圧力損失によりマフラ前後で流路に差圧を発生させる。本実施例では、酸素オフガス分岐導入流路５０５）の分岐箇所と下流流路４０７ａの合流箇所間で、合流箇所が低くなるような差圧を発生させる。よって、この差圧により酸素オフガスを酸素オフガス分岐導入流路５０５を経て水素希釈器４２４の混合室４２４ａに確実に導入できる。このため、特別の機器を用いなくても酸素オフガスの導入ができ、機器構成・制御の簡略化を図ることができると共に、コストも低減できる。加えて、容積拡大の混合室４２４ａでのガス混合・通過を図るので、消音効果も発揮できる。
【０１３７】
また、酸素オフガス排出流路５０３における下流流路４０７ａの合流箇所は、上記した第１、第２の実施例における混合部４１１となる。よって、この第３の実施例では、水素希釈器４２４から排出した希釈済みの水素オフガスを、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスと混合して更に希釈化することにより、混合されたガスに含まれる水素の濃度をより低下させることができる。
【０１３８】
これらの結果、本実施例によっても、着火回避に有効となる十分な低濃度までの水素濃度の低下を図った後に、水素オフガスを大気中に排気することができる。よって、着火回避の信頼性を高めることができる。
【０１３９】
なお、この第３の実施例においても、より高い信頼性を確保するために、第１の実施例で述べた４つの方法のうち、何れかの方法を用いて、シャットバルブ４１４を開いて水素オフガスを排出するようにしている。
【０１４０】
一方、減圧バルブ４１８や４２２が故障するなどの異常が生じた場合には、燃料電池１００に供給される水素ガスの圧力が異常に高くなることがあり得る。そのため、本実施例では、本流流路４０１における減圧バルブ４１８の後段で分岐したリリーフ流路４３０の途中に、リリーフバルブ４１５を設けると共に、減圧バルブ４２２の後段で分岐したリリーフ流路４０９の途中に、リリーフバルブ４１６を設けて、減圧バルブ４１８から減圧バルブ４２２に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１５が開いて、また、減圧バルブ４２２から燃料電池１００に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合には、リリーフバルブ４１６が開いて、車両外の大気中に水素ガスを排気して、水素ガスの圧力がそれ以上過大となることを防止している。
【０１４１】
また、高圧水素ガスタンク３００に水素ガスを充填する場合には、車両の側面に設けられている水素ガス供給ポート４２９に、水素ガス供給パイプ（図示せず）をつなぎ、高圧水素ガスタンク３００に取り付けられている充填マニュアルバルブ３０８を手動で開くことによって、水素ガス供給パイプから供給される高圧の水素ガスが、供給流路４３２を介して高圧水素ガスタンク３００に流入して充填される。なお、このとき、高圧水素ガスタンク３００に充填された水素ガスが逆流しないようにするために、高圧水素ガスタンク３００の根本には逆止弁３０６が設けられている。
【０１４２】
次に、本実施例で採用したオフガス排出口５２４におけるガス排出機構について説明する。図９はオフガス排出口５２４の周辺を説明する説明図、図１０はオフガス排出口５２４の周辺を車体との関係を採って説明する説明図である。図示するように、酸素オフガス排出流路５０３は、その末端のオフガス排出口５２４に対向させて円盤状の拡散板５３０を有する。この拡散板５３０は、支持腕５３２により酸素オフガス排出流路５０３に固定されている。
【０１４３】
酸素オフガス排出流路５０３は、図１０に示すように、車体Ｓの後部バンパＢまで延びており、車体側面から見た場合には、拡散板５３０とオフガス排出口５２４をバンパスカート部ＢＳで遮蔽している。そして、このオフガス排出口５２４を拡散板５３０を含んで覆い隠すようプロテクタ５３６が配設されている。
【０１４４】
プロテクタ５３６は、ステンレス製の板材をパンチングプレス等の多孔打ち抜き加工を経て皿状に成形されたものであり、バンパスカート部ＢＳから車体中央にかけて酸素オフガス排出流路５０３の本体に固定されている。本実施例では、プロテクタ５３６は、オフガス排出口５２４や拡散板５３０から一定距離を保つよう固定され、パンチ孔の孔径は約５ｍｍとされている。また、パンチ孔配列は、オフガス排出口５２４からの排出ガスが不用意なガス滞留を招くことなく透過できるようなものとされ、オフガス排出口５２４や拡散板５３０からの離間距離は、オフガス排出口５２４に着火源が直接入り込むことがないと想定される距離とされている。なお、パンチ孔の孔径の下限については、ガス透過が可能でパンチングプレス加工が可能な孔径であればよく約１〜２ｍｍ程度とすればよい。孔径の上限については、オフガス排出口５２４への着火源の直接的な入り込みを実質的に回避できる径（約８ｍｍ程度）であればよい。
【０１４５】
このように拡散板５３０を有することから、本実施例では、オフガス排出口５２４から排出されたガスは、拡散板５３０に衝突してオフガス排出口５２４の開口径方向に拡散され、周囲四方に拡散して大気と混ざる。このため、排ガス（水素オフガス）と、酸素オフガス排出流路５０３の流路末端周辺の空気との接触機会が増えるので、その分、排ガス（水素オフガス）の希釈が進み、ガス排出箇所においても水素濃度を速やかに低減できる。この結果、水素希釈器４２４による希釈、下流流路４０７ａの合流による希釈と相まって、水素濃度をより確実に低減でき、着火回避の信頼性をより高めることができる。なお、本実施例では、酸素オフガス排出流路５０３を管径約４０ｍｍのステンレス製配管とし、径約１００〜１５０ｍｍの拡散板５３０を、排出流路末端から約３０〜５０ｍｍ離して設置した。
【０１４６】
また、多孔状のプロテクタ５３６でオフガス排出口５２４と拡散板５３０を覆い隠すようにすると共に、上記した離間距離を確保しているので、オフガス排出口５２４に着火源が直接入り込まないようにできる。このため、オフガス排出口５２４からの排ガス（水素オフガス）の着火回避の信頼性を、既述した水素希釈器４２４等による水素濃度低減と相まって、より一層高めることができる。加えて、タイヤ跳ねした小石等は、プロテクタ５３６に衝突するものの、オフガス排出口５２４や拡散板５３０には達しない。よって、飛び石等による流路損傷を回避できる。
【０１４７】
なお、上記した実施例では、拡散板５３０とプロテクタ５３６とを併用した場合について説明したが、拡散板５３０のみ、或いはプロテクタ５３６のみを有するよう構成することもできる。また、プロテクタ５３６にあっては、メッシュ状のものを所定形状に成形しバンパ等に設置することもできる。
【０１４８】
Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１４９】
上記した第１および第２の実施例では、水素ガスの供給源として水素吸蔵合金タンク２００や高圧水素ガスタンク３００を用いた燃料電池システムに対して、本発明を適用していた。しかし、本発明はこれらに限定されるものではなく、水素ガスの供給源として、原燃料を改質して水素ガスを生成する改質器などを用いた燃料電池システムに対しても、適用することができる。
【０１５０】
また、上記した第１および第２の実施例では、燃料電池１００から排出された水素オフガスを本流流路４０１に戻して、水素ガスを循環させているが、本発明はこのような水素ガスを循環させるタイプの燃料電池システムに限定されるものではなく、水素ガスを循環させることなく、燃料電池１００から排出された水素オフガスを、そのまま、大気中に排出させるタイプの燃料電池システムにも適用することができる。
【０１５１】
また、第２の実施例で説明したコンバスタ５１０を、第３の実施例で説明した下流流路４０７ａと酸素オフガス排出流路５０３の合流点下流に設けて、水素希釈器４２４による水素濃度低減と、コンバスタ５１０による触媒反応を介した水素濃度低減とを併用することもできる。
【０１５２】
また、第３の実施例において、リリーフ流路４３０、４０９を、その末端において酸素オフガス排出流路５０３に合流させたり、上記の各リリーフ流路に水素希釈器４２４を設けて酸素オフガスで水素ガス（リリーフガス）を混合・希釈するようにすることもできる。
【０１５３】
また、第３の実施例で説明した拡散板５３０をリリーフ流路４３０、４０９の末端に設けて、当該流路を排出される水素ガスを四方に拡散させ、希釈するようにすることもできる。なお、この拡散板５３０を第１、第２の実施例で説明した酸素オフガス排出流路５０３の末端に設けることもできる。
【０１５４】
また、第３の実施例で説明した拡散板５３０は、酸素オフガス排出流路５０３の末端側への設置に限られるものではなく、拡散板５３０を車体側（例えば、バンパーや車体フレーム、プロテクタ５３６等）に設置して、酸素オフガス排出流路５０３のオフガス排出口５２４と対向するようにすることもできる。
【０１５５】
また、第３の実施例において、水素希釈器４２４を、白金触媒５１２の層が内表面に形成された混合室４２４ａを有するものとすることもできる。こうすれば、水素希釈器４２４では、酸素オフガスとの混合と触媒反応による水素除去とを同時に起こすことができるので、水素濃度低減の確実化を図ることができる。
【０１５６】
また、第３の実施例において、拡散板５３０を酸素オフガス排出流路５０３末端のオフガス排出口５２４に対向させたものとしたが次のように変形することもできる。図１１は変形例の酸素オフガス排出流路５０３と拡散板５３０を説明する説明図である。
【０１５７】
図１１に示すように、酸素オフガス排出流路５０３は、オフガス排出口５２４をラッパ状に拡張して有する。そして、拡散板５３０は、凸状の円錐形状・円錐台形状のものとされ、オフガス排出口５２４の開口内部或いは開口外部に設置されている。こうしても、排出ガスの四方への拡散を通して排ガス（水素オフガス）の希釈化、速やかな水素濃度低減を図ることができる。この場合は、オフガス排出口５２４がラッパ状に拡張していることから、より一層のガス拡散を図ることができる。なお、図１１に示すように、オフガス排出口５２４の開口縁の外側に筒状体５３１を配置すれば、オフガス排出口５２４からのガス排出に伴って、筒状体５３１とオフガス排出口５２４開口縁との間から周辺の大気が、オフガス排出口５２４からの排出ガス流に入り込むようにできる。よって、大気との接触が強制的に行われ、その分、水素の希釈化が進み好ましい。
【０１５８】
また、第３の実施例では、水素希釈器４２４への酸素オフガス導入を図７に示すように酸素オフガス排出流路５０３からの分流で行ったが、ポンプ等を用いて強制的に酸素オフガスを導入することもできる。こうすれば、水素希釈器４２４での水素オフガス希釈が強制的に進行し、好ましい。
【０１５９】
更に、第１の実施例におけるバッファ４１３を次のように変形することもできる。図１２は変形例のバッファ４１３を説明するための説明図である。図示するように、変形例のバッファ４１３は、その側壁が蛇腹状とされており、通常は蛇腹が畳まれた形状を採り、蛇腹が伸びると自身の弾性力による元の形状に復帰するようにされている。従って、このようなバッファ４１３にシャットバルブ４１４からの水素オフガスが流入すると（バルブオンオフによる間欠流入）、バッファ４１３は図中二点鎖線で示すようにガス流入により蛇腹形状を延ばして容積増加を起こし、水素オフガスを滞留させる。そして、このバッファ４１３は、弾性力による形状復帰に伴って滞留済みの水素オフガスを下流の混合部４１１に混入させるので、混合部４１１では水素オフガスを酸素オフガスで確実に希釈化させることができる。
【０１６０】
この蛇腹状のバッファ４１３は、自身の弾性力により元の形状に復帰するようにしたが、バネやアクチュエータ等により元の形状に復帰するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図４】図１の車載用燃料電池システムにおける水素オフガスの排出方法の別の例を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１のシャットバルブ４１４と混合部４１１との間に配置されるバッファを説明するための説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図７】本発明の第３の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図８】水素オフガスの排出系の要部を示す概略斜視図である。
【図９】オフガス排出口５２４の周辺を説明する説明図である。
【図１０】オフガス排出口５２４の周辺を車体との関係を採って説明する説明図である。
【図１１】変形例の酸素オフガス排出流路５０３と拡散板５３０を説明する説明図である。
【図１２】変形例のバッファ４１３を説明するための説明図である。
【符号の説明】
５０…制御部
１００…燃料電池
１０２…シャットバルブ
１０４…シャットバルブ
２００…水素吸蔵合金タンク
２０２…シャットバルブ
３００…高圧水素ガスタンク
３０２…シャットバルブ
３０４…放出マニュアルバルブ
３０６…逆止弁
３０８…充填マニュアルバルブ
４００…圧力センサ
４０１…本流流路
４０２…シャットバルブ
４０３…循環流路
４０４…減圧バルブ
４０５…バイパス流路
４０６…気液分離器
４０７…排出流路
４０８…シャットバルブ
４０９…リリーフ流路
４１０…ポンプ
４１１…混合部
４１２…シャットバルブ
４１３…バッファ
４１４…シャットバルブ
４１６…リリーフバルブ
４１８…減圧バルブ
４２０…熱交換器
４２２…減圧バルブ
４２４…水素希釈器
４２５…気液分離器
４２６…逆止弁
４２７…リークチェック流路
４２８…リークチェックボート
４２９…水素ガス供給ポート
４３０…リリーフ流路
４３２…供給流路
５０１…酸化ガス供給流路
５０２…エアクリーナ
５０３…酸素オフガス排出流路
５０４…コンプレッサ
５０５…酸素オフガス分岐導入流路
５０６…加湿器
５０８…気液分離器
５０９…調圧弁
５１０…コンバスタ
５１２…白金触媒
５２０…気液分離器
５２２…マフラ
５２４…オフガス排出口
５３０…拡散板
５３２…支持腕
５３６…プロテクタ
６０１…水循環流路
６０２…ポンプ
６０４…加湿水タンク
６０６…ポンプ
６０８…インジェクタ
Ｂ…後部バンパ
ＢＳ…バンパスカート部
Ｓ…車体
【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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【図１１】
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【図１２】
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