(57)【要約】【課題】燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を、簡単な構成で容易に中和することができる燃料電池システム及びオフガスの処理方法を提供する。【解決手段】反応ガス流路１１，１２を有し、反応ガス流路１１，１２に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池１０と、燃料電池１０から排出されるオフガスが通流するオフガス排出流路と、オフガス排出流路に設けられ、オフガスに含まれる酸を消石灰により中和するオフガス中和部３３と、を備える。【選択図】図１
2013051096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスが通流するオフガス排出流路と、
前記オフガス排出流路に設けられ、前記オフガスに含まれる酸を消石灰により中和するオフガス中和部と、を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記オフガス中和部は生石灰を備え、
前記生石灰と、オフガスに含まれる水分とを反応させて前記消石灰を生成し、さらに、オフガスに含まれる酸を当該消石灰により中和する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流する反応ガス供給流路と、
前記反応ガス供給流路に設けられ、前記反応ガス流路に向けて反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記オフガス中和部より下流の前記オフガス排出流路に設けられ、オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換し、羽根車を備えるエネルギ変換手段と、を備え、
前記エネルギ変換手段と前記反応ガス供給手段とは、前記羽根車の回転エネルギが前記反応ガス供給手段に伝達可能に連結され、
前記オフガス中和部は、前記生石灰と、オフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する過程で発生する熱によりオフガスを加熱し、
加熱された前記オフガスが前記オフガス排出流路を通流して前記エネルギ変換手段に供給される
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オフガス中和部より下流の前記オフガス排出流路に設けられ、当該オフガス排出流路を通流する水分と消石灰とを回収し、前記消石灰を含む水溶液として貯留する貯留手段と、
外部の空気を取り込んで、前記貯留手段に貯留された前記水溶液中に前記空気を供給する外気供給手段と、を備え、
前記貯留手段に貯留された前記水溶液に含まれる消石灰により、前記外気供給手段によって前記水中に供給された空気に含まれる二酸化炭素を除去する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を消石灰により中和するオフガス中和工程を有する
ことを特徴とするオフガスの処理方法。
【請求項６】
生石灰と、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する消石灰生成工程と、
オフガスに含まれる酸を前記消石灰と反応させて中和するオフガス中和工程と、を有する
ことを特徴とするオフガスの処理方法。
【請求項７】
前記消石灰生成工程で発生する熱によりオフガスを加熱し、前記オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換するエネルギ変換手段に、加熱された前記オフガスを供給するオフガス加熱工程を有する
ことを特徴とする請求項６に記載のオフガスの処理方法。
【請求項８】
前記オフガスに含まれる水分と、前記消石灰とを回収し、当該消石灰を含む水溶液として貯留する貯留工程と、
前記貯留工程で貯留された前記水溶液中に、外部から取り込まれた空気を供給し、前記水溶液に含まれる消石灰により、前記空気に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去工程と、を有する
ことを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載のオフガスの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出されるオフガス中に含まれる酸を中和する、燃料電池システム及びオフガスの処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）を含む空気とをそれぞれアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得る構造体である。
【０００３】
ところで燃料電池は、発電の際の化学反応に伴って、カソードで水(水蒸気)を生成し、カソードから多湿の酸化剤オフガス（カソードオフガス）を排出する。また、カソードで生じた水がアノードに逆拡散することによって、アノードから多湿の燃料オフガス（アノードオフガス）を排出する。その際、燃料電池の構成部品である電解質膜や触媒から水素イオンが溶出される場合がある。この場合、燃料電池から排出される燃料オフガス又は酸化剤オフガスに含まれる水に前記水素イオンが溶けることによって、各々のオフガスが酸性となる。
【０００４】
このように、酸性となった燃料オフガス又は酸化剤オフガスを中和するために、さまざまな処理が提案されている。
例えば、特許文献１には、電気化学反応によって生成する生成水のうち、系内で再利用されずに系外へ排出される排水のｐＨ調整をするｐＨ調整機構を備えた燃料電池発電システムについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、定置用の燃料電池システムを想定しているため、大掛かりな装置が必要となるという問題がある。すなわち、特許文献１に記載の燃料電池システムは、純水タンクと、当該純純水タンクの下流に位置する第１のｐＨ調整装置と、第１のｐＨ調整装置の下流に位置する第２のｐＨ調整装置とを備えた構成となっている。したがって、特許文献１に記載の燃料電池システムを、例えば燃料電池四輪車で用いる場合には、搭載性などの点で問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を、簡単な構成で容易に中和することができる燃料電池システム及びオフガスの処理方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガス流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスが通流するオフガス排出流路と、前記オフガス排出流路に設けられ、前記オフガスに含まれる酸を消石灰により中和するオフガス中和部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
このような構成によれば、反応ガス流路に反応ガスが供給されることで燃料電池が発電し、燃料電池からオフガス排出流路を通流して排出されるオフガスに含まれる酸が、オフガス排出流路に設けられたオフガス中和部により中和される。なお、当該中和反応は、オフガス中和部が、オフガスに含まれる酸を消石灰により中和することによってなされる。
したがって、本発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を、消石灰を用いるオフガス中和部に通すだけの簡単な構成で容易に中和することができる。また、消石灰は安価に入手することが可能であり、低コストでオフガス中和部を構成することができる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記オフガス中和部は生石灰を備え、前記生石灰と、オフガスに含まれる水分とを反応させて前記消石灰を生成し、さらに、オフガスに含まれる酸を当該消石灰により中和することが好ましい。
【００１１】
このような構成によれば、オフガス中和部は、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分と、オフガス中和部が備える生石灰とを反応させて消石灰を生成する。さらに、オフガス中和部は、生成された前記消石灰によりオフガスに含まれる酸を中和する。
また、消石灰と同様に、生石灰も安価に入手することが可能であり、低コストでオフガス中和部を構成することができる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流する反応ガス供給流路と、前記反応ガス供給流路に設けられ、前記反応ガス流路に向けて反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記オフガス中和部より下流の前記オフガス排出流路に設けられ、オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換し、羽根車を備えるエネルギ変換手段と、を備え、前記エネルギ変換手段と前記反応ガス供給手段とは、前記羽根車の回転エネルギが前記反応ガス供給手段に伝達可能に連結され、前記オフガス中和部は、前記生石灰と、オフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する過程で発生する熱によりオフガスを加熱し、加熱された前記オフガスが前記オフガス排出流路を通流して前記エネルギ変換手段に供給されることが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、上記作用に加えて、オフガス中和部は、当該オフガス中和部が備える生石灰と、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する過程で発生する熱によりオフガスを加熱し、加熱された前記オフガスがオフガス排出流路を通流する。ここで、オフガス中和部より下流のオフガス排出流路には羽根車を備えるエネルギ変換手段が設けられており、オフガス中和部での反応により加熱された前記オフガスの流体エネルギが、エネルギ変換手段に供給される。
したがって、本発明によれば、エネルギ変換手段に供給されるオフガスの流体エネルギ（圧力）が高まるため、オフガスの流体エネルギをエネルギ変換手段の羽根車の回転エネルギに効率よく変換することができる。そして、羽根車の回転エネルギは、反応ガス供給手段に伝達可能に連結されているため、燃料電池システム全体のエネルギ損失を低減させ、発電効率を向上させることができる。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記オフガス中和部より下流の前記オフガス排出流路に設けられ、当該オフガス排出流路を通流する水分と消石灰とを回収し、前記消石灰を含む水溶液として貯留する貯留手段と、外部の空気を取り込んで、前記貯留手段に貯留された前記水溶液中に前記空気を供給する外気供給手段と、を備え、前記貯留手段に貯留された前記水溶液に含まれる消石灰により、前記外気供給手段によって前記水中に供給された空気に含まれる二酸化炭素を除去することが好ましい。
【００１５】
このような構成によれば、貯留手段によって、オフガス排出流路を通流する水分と消石灰とを回収し、消石灰を含む水溶液として貯留する。そして、外気供給手段によって外部の空気を取り込んで、貯留手段に貯留された、消石灰を含む水溶液中に前記空気を供給する。そして、水溶液中に供給された空気に含まれる二酸化炭素が、貯留手段に貯留された水溶液に含まれる消石灰により除去される。
したがって、本発明によれば、大気中に含まれる二酸化炭素を除去することができるため、環境により良い燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
また、本発明は、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を消石灰により中和するオフガス中和工程を有することを特徴とするオフガスの処理方法である。
【００１７】
このような処理方法によれば、オフガス中和工程において、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を消石灰により中和する。
したがって、本発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を簡単な処理方法で容易に中和することができる。また、消石灰は安価に入手することが可能であり、低コストでオフガスの中和処理を行うことができる。
【００１８】
また、本発明は、生石灰と、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する消石灰生成工程と、オフガスに含まれる酸を前記消石灰と反応させて中和するオフガス中和工程と、を有することを特徴とするオフガスの処理方法である。
【００１９】
このような処理方法によれば、消石灰生成工程において、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する。そして、オフガス中和工程において、オフガスに含まれる酸を前記消石灰と反応させて中和する。
本発明によれば、消石灰と同様に、生石灰も安価に入手することが可能であり、低コストでオフガスの中和処理を行うことができる。
【００２０】
また、前記オフガスの処理方法において、前記消石灰生成工程で発生する熱によりオフガスを加熱し、前記オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換するエネルギ変換手段に、加熱された前記オフガスを供給するオフガス加熱工程を有することが好ましい。
【００２１】
このような処理方法によれば、オフガス加熱工程において、前記消石灰生成工程で発生する熱によりオフガスを加熱し、オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換するエネルギ変換手段に、加熱されたオフガスを供給する。
したがって、本発明によれば、エネルギ変換手段に供給されるオフガスの流体エネルギ（圧力）が高まるため、当該流体エネルギをエネルギ変換手段の回転エネルギに効率よく変換することができる。
【００２２】
また、前記オフガスの処理方法において、前記オフガスに含まれる水分と、前記消石灰とを回収し、当該消石灰を含む水溶液として貯留する貯留工程と、前記貯留工程で貯留された前記水溶液中に、外部から取り込まれた空気を供給し、前記水溶液に含まれる消石灰により、前記空気に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去工程と、を有することが好ましい。
【００２３】
このような処理方法によれば、貯留工程において、オフガスに含まれる水分と、消石灰とを回収し、当該消石灰を含む水溶液として貯留する。そして、二酸化炭素除去工程において、前記貯留工程で貯留された水溶液中に、外部から取り込まれた空気を供給し、前記水溶液に含まれる消石灰により、前記空気に含まれる二酸化炭素を除去する。
したがって、本発明によれば、大気中に含まれる二酸化炭素を除去することができるため、環境により良いオフガスの処理方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる酸を、簡単な構成で容易に中和することができる燃料電池システム及びオフガスの処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】消石灰と、当該消石灰に反応できる水素イオン量との関係を示すグラフである。
【図３】オフガス中和部の例を示す図であり、（ａ）は、生石灰を担持したハニカム配管を用いる場合であり、（ｂ）は、生石灰を担持したチャンバーを用いる場合である。
【図４】オフガス中和部の例を示す図であり、（ａ）は、高圧の気体及び生石灰が充填されたタンクから生石灰を供給する場合であり、（ｂ）は、生石灰が充填されたタンクの充填口に接続された配管を介してコンプレッサから圧力を加えて生石灰を供給する場合である。
【図５】（ａ）は、燃料電池の出力と、コンプレッサからのエア圧との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、コンプレッサからのエア圧と、生石灰噴射量との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は生石灰が水と反応する際の生石灰の量と、その発熱量との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、オフガスの水分量と、生石灰が水と反応する際の発熱量との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、外部の空気を水回収器に取り込むための配管及びポンプを設置した場合の概略構成図であり、（ｂ）は、水溶液中の消石灰と、当該消石灰が吸収できる二酸化炭素量との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２７】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。なお、以下の記載において、燃料電池１０に供給される燃料ガス（水素）、及び／又は、酸化剤ガス（酸素）を含む空気を総称して、「反応ガス」と記すことがあるものとする。また、燃料電池１０から排出される燃料オフガス及び／又は酸化剤オフガスを総称して、「オフガス」と記すことがあるものとする。
【００２８】
≪燃料電池システム１の構成≫
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば、図示しない燃料電池四輪車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガス（水素）を供給するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸化剤ガス（酸素）を含む空気を供給するカソード系と、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させて燃料電池１０を適温に保つ冷媒系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御する手段である制御系と、を備えている。
なお、燃料電池システム１が搭載される移動体は、燃料電池四輪車に限定されるものではなく、例えば、二輪車、鉄道車両、船舶などでもよい。また、燃料電池システム１が搭載される対象は、前記に示した移動体に限定されるものではない。すなわち、燃料電池システム１は、工場や家庭などにおいて発電の際に利用される定置式のものであってもよい。
【００２９】
＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、図示しない膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）が複数積層されて構成されている。膜/電極接合体は、図示しない電解質膜（Proton Exchange Membrane：ＰＥＭ）、これを挟持するアノード及びカソード（電極）を備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパなどの導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（例えば、Ｐｔ）と、を含んでいる。
【００３０】
また、燃料電池１０は、アノード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ（図示せず）の表面に、燃料ガスが通流するアノード流路１１が形成され、カソード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ(図示せず)の表面に、酸化剤ガスが通流するカソード流路１２が形成されている。したがって、燃料電池１０に対して反応ガスが供給される「反応ガス流路」は、燃料電池１０に対して燃料ガスを供給するアノード流路１１、及び／又は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスを供給するカソード流路１２を備えて構成される。
また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が通流する流路（図示せず）が形成されているが、これらは周知なものなので、その説明を省略する。
【００３１】
燃料電池１０は、アノード流路１１を介して燃料ガス(水素)が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して酸化剤ガス(酸素)を含む空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）：開回路電圧）が発生するようになっている。
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-・・・式（１）
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ・・・式（２）
【００３２】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器２４と、ドレン弁２５と、パージ弁２６と、を備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａを介して遮断弁２２と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３と接続され、その開閉により、水素タンク２１から配管２１ａを介した水素の供給を調整する。
エゼクタ２３は、配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード側の流路１１の入口と接続されている。エゼクタ２３は、水素タンク２１から供給された水素をノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させて、アノード流路１１の出口から排出された未反応の水素を吸引するように構成されている。
【００３３】
気液分離器２４は、配管２４ａを介して燃料電池１０のアノードから排出されるオフガスに含まれる水分を分離して一時的に貯留する。
ドレン弁２５は、配管２５ａを介して気液分離器２４の下部と接続され、配管２６ａを介して希釈器３５と接続されている。ドレン弁２５は、開弁することにより気液分離器２４に貯留された水を希釈器３５に排出する機能を有する。
パージ弁２６は、配管２７ａから分岐した配管２８ａに接続され、配管２９ａを介して希釈器３５と接続されている。パージ弁２６はその開閉により、循環経路（配管２３ａ、アノード流路１１、配管２７ａ）に蓄積した不純物を、希釈器３５に排出する機能を有する。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノード側に透過した窒素や水分などである。
【００３４】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（反応ガス供給手段）と、加湿器３２と、オフガス中和部３３と、エキスパンダ３４（エネルギ変換手段）と、希釈器３５と、水回収器３６（水貯留手段）と、ドレン弁３７と、ポンプ３８と、を備えている。
コンプレッサ３１の吸気口（図示せず）は配管３１ａと接続されており、車外（外部）と連通している。そして、コンプレッサ３１の羽根車（タービンブレード：図示せず）が回転すると、コンプレッサ３１は車外の空気を吸引し、圧縮して燃料電池１０に供給する。
また、コンプレッサ３１の前記羽根車は、エキスパンダ３４の羽根車（タービンブレード：図示せず）と、クラッチ３１ｂを有する伝達軸３１ｃを介して連結されている。ちなみに、クラッチ３１ｂは、ＥＣＵ５０によってＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御される。また、コンプレッサ３１の前記羽根車は、ＥＣＵ５０によって回転速度が制御されるモータ３１ｄにも連結されている。
したがって、「反応ガス供給手段」は、エキスパンダ３４（エネルギ変換手段）が備える羽根車の回転エネルギが伝達可能に連結され、カソード流路１２（反応ガス流路）に向けて酸化剤ガス（反応ガス）を供給し、コンプレッサ３１と、モータ３１ｄとを備えて構成される。
【００３５】
加湿器３２は、配管３２ａを介してコンプレッサ３１と接続されている。加湿器３２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜３２ｂを備えている。加湿器３２は、配管３２ａを通流してきた低湿潤の空気と、燃料電池１０において前記式（２）の電極反応の結果生じた水分を含み、配管３４ａを通流してきた高湿潤のオフガス（酸化剤オフガス）との間で、中空糸膜３２ｂを介して水分交換を行う。そして、加湿器３２により加湿された空気が配管３３ａ及びカソード流路１２を通流する。
オフガス中和部３３は生石灰（ＣａＯ）を備え、配管３５ａを介して加湿器３２と接続されている。そして、前記生石灰（ＣａＯ）は、加湿器３２から排出されたオフガスに含まれる水分と、以下の式（３）に示す化学反応をする。
ＣａＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）2＋熱（６３ｋＪ／ｍｏｌ）・・・式（３）
【００３６】
さらに、式（３）の化学反応の結果生じた消石灰（Ｃａ（ＯＨ）2）は、配管３５ａを通流してきたオフガスに含まれる酸（水素イオン：Ｈ+）と、以下の式（４）に示す化学反応をする。
Ｃａ（ＯＨ）2＋２（Ｈ+）→Ｃａ2+＋２Ｈ2Ｏ・・・式（４)
すなわち、オフガス中和部３３において、「消石灰生成工程」である前記式（３）の化学反応が起こり、さらに、「オフガス中和工程」である前記式（４)の化学反応が連続的に起こる。
【００３７】
また、詳細については後記するが、前記式（３）の化学反応の際に発生する熱によりオフガスを加熱し、オフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換するエキスパンダ３４(エネルギ変換手段)に、加熱された前記オフガスを供給する（オフガス加熱工程）。
ちなみに、図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、オフガス中和部３３が酸化剤オフガス(オフガス)に含まれる酸を中和する。
なお、オフガス中和部３３の具体的な構成については、後記する。
【００３８】
エキスパンダ３４（エネルギ変換手段）は、その内部に羽根車（タービンブレード）を備え、この羽根車は配管３６ａを通流するオフガスの流体エネルギで回転するようになっている。これにより、通流するオフガスの流体エネルギが、エキスパンダ３４の前記羽根車の回転エネルギに変換されつつ、オフガスが体積膨張（断熱機械膨張）し、その圧力が低下するようになっている。
なお、前記で説明したように、エキスパンダ３４が備える羽根車の回転エネルギは、伝達軸３１ｃを介してコンプレッサ３１に伝達されるようになっている。
【００３９】
希釈器３５は、配管３７ａを介してエキスパンダ３４と接続されている。希釈器３５は、その内部に希釈空間を備え、配管２９ａからの燃料オフガスと、配管３７ａからの酸化剤オフガスとを混合し、燃料オフガスに含まれる水素（Ｈ2）を酸化剤オフガスで希釈する容器である。
水回収器（貯留手段）３６は、配管３８ａを介して希釈器３５と接続されている。水回収器３６は、燃料オフガス及び酸化剤オフガス（オフガス）に同伴する水（凝縮水）を分離回収し、一時的に貯留するものである。
水位センサＥは、水回収器３６の所定の位置に設置されており、水回収器３６に貯留されている水の水位を検出し、ＥＣＵ５０に出力するようになっている。
ドレン弁３７は、水回収器３６の下部と配管３９ａを介して接続されている。そして、ＥＣＵ５０によってドレン弁３７が開かれると、水回収器３６に貯留されていた水が、配管３９ａ、配管４０ａを介して車外に排出されるようになっている。また、配管３８ａから水回収器３６に流入し、水回収器３６で水分が凝縮した後のオフガスは、配管４１ａを通流して車外に排出されるようになっている。
【００４０】
なお、前記で説明した反応ガス流路に向かう反応ガスが通流する「反応ガス供給流路」は、配管２１ａ、配管２２ａ、配管２３ａ、配管２４ａ、配管２７ａを備えて構成される燃料ガス供給流路、及び／又は、配管３１ａ、配管３２ａ、配管３３ａを備えて構成される酸化剤ガス供給流路を有して構成される。
また、燃料電池１０から排出されるオフガスが通流する「オフガス排出流路」は、配管２４ａ、配管２７ａ、配管２８ａ、配管２９ａ、配管３８ａ、配管４１ａを備えて構成される燃料オフガス流路、及び／又は、配管３４ａ、配管３５ａ、配管３６ａ、配管３７ａ、配管３８ａ、配管４１ａを備えて構成される酸化剤オフガス流路を有して構成される。
【００４１】
ポンプ３８（外気供給手段）はＥＣＵ５０によって制御され、車外と連通している配管４２ａを介して外部の空気を吸引し、配管４３ａを介して水回収器３６に圧送する。また、配管４３ａは水回収器３６の下部に接続され、ポンプ３８により圧送されてきた空気が、水回収器３６に回収された水の中に排出されるように、配管４３ａの先端が配置されている。また、配管４３ａを通流して水回収器３６の水中に排出された空気に含まれる二酸化炭素は、水回収器３６に回収された水に含まれる消石灰と化学反応することで除去される。
なお、二酸化炭素の除去処理の詳細については、後記する。
【００４２】
＜制御系＞
ＥＣＵ（Electric Control Unit）５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、各種インタフェース、電子回路などを備えて構成されている。ＥＣＵ５０は、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮し、遮断弁２２、ドレン弁２５、パージ弁２６、ドレン弁３７などを開閉制御し、クラッチ３１ｂのＯＮ／ＯＦＦ、モータ３１ｄの回転速度、ポンプ３８を駆動させる図示しないモータの回転速度などを制御する。また、ＥＣＵ５０は、水位センサＥによって検出される水回収器３６内の水の水位を監視する。
【００４３】
＜その他の構成＞
燃料電池システム１は、その他、ラジエータ（図示せず）、冷却水ポンプ（図示せず）などを備え、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させることによって、燃料電池１０を適正な温度（８０℃〜１００℃）に保つ冷媒系を備える。また、燃料電池システム１は、ＥＣＵ５０からの指令に従って、燃料電池１０の発電電力を制御する電力制御器（図示せず）、燃料電池四輪車の動力源となるモータ(図示せず)などを備えた電力消費系を備える。なお、前記の各構成については、詳細な説明を省略する。
【００４４】
＜オフガス中和部の構成及び機能＞
（１．オフガスの中和について）
前記式（４）に示す化学反応により、消石灰の量と、当該消石灰に反応できる水素イオンの量は、図２に示すグラフの関係になる。
図２に示すように、オフガス中和部３３で生成される消石灰の単位時間当たりの量（ｇ／ｍｉｎ）と、当該消石灰によって中和可能な水素イオンの単位時間当たりの量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）とは対応しており、比例関係にある。例えば、オフガス中和部３３において７４ｇ／ｍｉｎの消石灰を供給した場合、２ｍｏｌ／ｍｉｎの水素イオンを中和することができる。
なお、燃料電池１０で発電がなされた場合に、燃料電池１０の出力に対してどれだけの量の水素イオン（Ｈ+）が溶出されるかについては、事前の実験やシミュレーションによって知ることができる。
【００４５】
オフガス中和部３３は、例えば、図３（ａ）,（ｂ）に示す構成を備えている。
図３（ａ）は、生石灰を担持したハニカム配管によって構成されたオフガス中和部３３Ａを示している。すなわち、オフガス中和部３３Ａは、蜂の巣構造のハニカム配管の内壁に生石灰を担持した構成となっている。オフガス中和部３３Ａを、図３（ａ）に示すＸ−Ｘ方向に切断した場合に、その断面は六角形の複数の流路に分かれている。つまり、配管３５ａを通流してきたオフガスは、オフガス中和部３３Ａが備える前記複数の流路に分かれてオフガス中和部３３Ａ内を通流する。
【００４６】
前記したように、蜂の巣構造のオフガス中和部３３Ａが備える複数の流路の内壁には、生石灰が担持されている。したがって、配管３５ａを通流してオフガス中和部３３Ａに流入したオフガスに含まれる水分と、オフガス中和部３３Ａが備える生石灰（ＣａＯ）とが前記式（３）に示す化学反応をして、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）2）が生成される。さらに、生成された前記消石灰と、配管３５ａを通流してきたオフガスに含まれる酸（水素イオン：Ｈ+）とが、前記式（４）に示す化学反応をして、カルシウムイオン（Ｃａ2+）と水が生成される。つまり、オフガスがオフガス中和部３３Ａを通流する間に前記式（３）、式（４）の化学反応が連続して生じ、オフガスに含まれる酸が中和される。
そして、それぞれの前記複数の流路を通流する間に中和されたオフガスは、配管３６ａで合流してエキスパンダ３４（図１参照）に流入する。
【００４７】
また、図３（ａ）のようにオフガス中和部３３Ａを構成し、オフガスの流速が一定とした場合に、単位時間当たりにオフガス中和部３３Ａに流入するオフガスに含まれる水素イオンと反応可能な消石灰の量の上限値は、ハニカム配管の各流路に担持されている生石灰が占める総表面積によって決まる。したがって、燃料電池１０の出力に対してどれだけの量の水素イオン（Ｈ+）が溶出されるかを事前の実験やシミュレーションによって把握し、燃料電池１０の出力が上がった場合でも、オフガスに含まれる酸を十分に中和できるようにハニカム配管を設計し、生石灰が占める総表面積を確保する。
【００４８】
また、図３（ｂ）は、生石灰を担持したチャンバーによって構成されたオフガス中和部３３Ｂを示している。すなわち、オフガス中和部３３Ｂは、配管３５ａと配管３６ａとの間に設けた膨張室であるチャンバーの内壁に生石灰を担持した構成となっている。したがって、配管３５ａを通流してオフガス中和部３３Ｂに流入したオフガスは、オフガス中和部３３Ｂのチャンバーに担持された生石灰と前記式（３）の化学反応をし、その結果生成された消石灰と式（４）に示す化学反応をして中和される。そして、中和された前記オフガスは、配管３６ａを通流してエキスパンダ３４（図１参照）に流入する。
なお、単位時間当たりにオフガス中和部３３Ｂに流入するオフガスに含まれる水素イオンと反応可能な消石灰の量の上限値が、チャンバーに担持されている生石灰が占める総表面積によって決まることは、オフガス中和部３３Ａ（図３（ａ）参照）の場合と同様であるから、詳細な説明は省略する。
【００４９】
また、オフガス中和部３３を、図４（ａ）,（ｂ）に示す構成とし、燃料電池１０の発電量に応じてオフガス中和部３３から供給する生石灰の量を調整することとしてもよい。
図４（ａ）は、高圧の気体及び生石灰が充填されたタンク３３ｃから生石灰を供給するオフガス中和部３３Ｃの構成を示している。オフガス中和部３３Ｃは、タンク３３ｃと、バルブ３３ｄと、インジェクタ３３ｇと、を備えている。
【００５０】
図４（ａ）に示すように、タンク３３ｃには、粉末状の生石灰（以下、単に「生石灰」と記す。）と、高圧の気体（例えば、窒素（Ｎ2）など）が充填されている。また、バルブ３３ｄは、タンク３３ｃの開口部（図示せず）と配管３３ｅを介して接続されており、ＥＣＵ５０により開閉制御される。また、インジェクタ３３ｇは、配管３３ｆを介してバルブ３３ｄと接続されており、ＥＣＵ５０からの指令に従って、生石灰を噴射する際の圧力を調整する。前記したように、タンク３３ｃ内には、生石灰及び高圧の気体が充填されているため、バルブ３３ｄが開状態となった場合、配管３３ｅ，３３ｆ内の圧力は高圧になる。インジェクタ３３ｇは、ＥＣＵ５０からの電気信号（ＰＷＭ信号）の入力に従って内部のプランジャ（図示せず）を作動させ、ノズル３３ｈから適度に圧力が調整された生石灰を噴射する。
【００５１】
ところで、燃料電池１０の出力に対してどれだけの量の水素イオン（Ｈ+）が溶出されるかは、事前の実験やシミュレーションによって知ることができ、燃料電池１０の出力に対する水素イオンの溶出量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）は、ＥＣＵ５０の記憶部（図示せず）に予め記憶されている。また、オフガス中和部３３Ｃが供給する生石灰の単位時間当たりの量（ｇ／ｍｉｎ）と、当該生石灰をオフガスに供給することによって化学反応する水素イオンの単位時間当たりの量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）との関係(式（３）、式（４）、図２参照)も、ＥＣＵ５０の記憶部に記憶されている。
【００５２】
ＥＣＵ５０は、燃料電池１０の出力を出力検出器（図示せず）で検出し、前記記憶部に記憶されているデータに基づき、燃料電池１０の出力に基づいて水素イオンの溶出量を推定し、当該水素イオンの溶出量に対応して生石灰の噴射量（ｇ／ｍｉｎ）を決定する。さらに、ＥＣＵ５０は、前記噴射量（ｇ／ｍｉｎ）の生石灰が噴射されるように、圧力センサＰ１によって検出されるタンク３３ｃ内の圧力に基づいて、バルブ３３ｄを開閉制御するとともに、インジェクタ３３ｇからの吐出量を制御する。これによって、燃料電池１０の発電量に応じて、オフガス中和部３３Ｃから供給する生石灰の量を調整することができ、オフガスの中和に必要な量の生石灰を無駄なく噴射して、オフガス中の酸を中和することができる。
【００５３】
また、図４（ｂ）は、生石灰が充填されたタンク３３ｉの充填口に接続された配管３３ｊを介してコンプレッサ３１から圧力を加えて生石灰を供給するオフガス中和部３３Ｄの構成を示している。オフガス中和部３３Ｄは、タンク３３ｉと、バルブ３３ｄと、インジェクタ３３ｇと、を備えている。
図４（ｂ）に示すように、タンク３３ｉには粉末状の生石灰（以下、単に「生石灰」と記す。）が充填されている。また、配管３３ｊはコンプレッサ３１（図１参照）の下流に接続された配管３２ａ（図１参照）から分岐し、タンク３３ｉの開口部（図示せず）に接続されている。また、配管３３ｊには圧力センサＰ２が設けられており、配管３３ｊを通流する酸化剤ガスの圧力が、圧力センサＰ２からＥＣＵ５０に出力される。
なお、バルブ３３ｄ、インジェクタ３３ｇについては、前記で説明したものと同様であるから、説明を省略する。
【００５４】
燃料電池１０の出力と、コンプレッサ３１から配管３２ａに排出される酸化剤ガスの圧力（エア圧）とは、図５（ａ）に示すように比例関係となる。なぜなら、燃料電池１０の出力（出力電流、出力電圧）を高める際には、前記式（１）、式（２）の電極反応を促進させるためにコンプレッサ３１からのエア圧を高めて、より多くの酸化剤ガスを燃料電池１０に供給する必要があるためである。この場合、配管３２ａ（図１参照）から分岐している配管３３ｊ（図４（ｂ）参照）内の圧力も高くなる。
【００５５】
また、図５（ｂ）に示すように、インジェクタ３３ｇから生石灰が吐出される頻度を一定とした場合、コンプレッサ３１から排出される酸化剤ガス（エア圧）とインジェクタ３３ｇのノズル３３ｈから単位時間当たりに噴射される生石灰の噴射量とは比例関係となる。
ＥＣＵ５０は、前記した場合と同様に、燃料電池１０の出力に基づいて水素イオンの溶出量を推定し、当該水素イオンの溶出量に対応して生石灰の噴射量（ｇ／ｍｉｎ）を決定する。さらに、ＥＣＵ５０は、前記噴射量（ｇ／ｍｉｎ）の生石灰が噴射されるように、圧力センサＰ２により検出されたに応じてバルブ３３ｄを開閉制御するとともに、インジェクタ３３ｇからの吐出量を制御する。
これによって、燃料電池１０の発電量に応じて、オフガス中和部３３Ｄから供給する生石灰の量を調整することができ、オフガスの中和に必要な量の生石灰を無駄なく噴射して、オフガス中の酸を中和することができる。
【００５６】
（２．オフガスの加熱について）
前記式（３）で示したように、オフガス中和部３３が備える生石灰（ＣａＯ）と、オフガスに含まれる水分とが化学反応した場合、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）2）が生成されるとともに、６３ｋＪ／ｍｏｌの熱が発生する。つまり、オフガス中和部３３が供給する生石灰の量（ｇ／ｍｉｎ）と、前記式（３）の化学反応の際に発生する熱量とは対応しており、図６（ａ）に示すように比例関係となっている。同様に、オフガスに含まれる水分の量（ｇ／ｍｉｎ）と、前記式（３）の化学反応の際に発生する熱量とは対応しており、図６（ｂ）に示すように比例関係となっている。例えば、生石灰１７８ｇ／ｍｉｎと、オフガスに含まれる水分５７ｇ／ｍｉｎとを反応させることにより、約２００ｋＪ／ｍｉｎの発熱量が得られる。
図１に示すように、オフガス中和部３３の下流には、配管３６ａを介してエキスパンダ３４が設けられている。前記したように、エキスパンダ３４は、通流するオフガスの流体エネルギが、エキスパンダ３４の羽根車（図示せず）の回転エネルギに変換されつつ、オフガスが体積膨張し、その圧力が低下する。つまり、エキスパンダ３４は、当該エキスパンダ３４を通流するオフガスの前後差圧によって回転するといえる。
【００５７】
ところで、前記式（３）の化学反応により、配管３６ａ（図１参照）内のオフガスが加熱されると、当該酸化剤オフガスを構成する分子の運動エネルギが大きくなるため、配管３６ａ内のオフガスの圧力が高くなる。そうすると、エキスパンダ３４の前後差圧が高くなるため、エキスパンダ３４の羽根車（図示せず）の回転速度（回転エネルギ）も増加する。
そして、前記したように、エキスパンダ３４が備える羽根車の回転エネルギは、伝達軸３１ｃを介してコンプレッサ３１に伝達されるようになっている。つまり、前記式（３）に示す化学反応の際に生ずる熱エネルギにより増加されたエキスパンダ３４の羽根車の回転エネルギがコンプレッサ３１の羽根車（図示せず）の回転エネルギに伝達される。その結果、燃料電池１０に、より多くの酸化剤ガスが供給されて前記式（１）、式（２）の電極反応が促進されるため、燃料電池システム１全体でのエネルギ損失を低減することができる。
【００５８】
＜二酸化炭素の除去処理＞
図７（ａ）に示すように、ＥＣＵ５０によって制御されるポンプ３８により圧送されて流入してきた空気が、水回収器３６に回収された水の中に排出されるように、配管４３ａの先端が配置されている。ちなみに、配管４２ａは車外と連通している。つまり、ポンプ３８が駆動することによって燃料電池四輪車の外部の空気を取り込んで、水回収器３６内に貯留されている水中に排出する構成となっている。
【００５９】
また、水回収器３６内に貯留されている水は、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）2）を含んでいる。当該消石灰は、図４（ａ），（ｂ）で説明したオフガス中和部３３Ｃ，３３Ｄの構成において、インジェクタ３３ｇから噴射され、前記式（３）、式（４）の化学反応が起こった残りの消石灰である。ちなみに、消石灰は、例えば酸性化した河川の中和剤や凝縮剤などに用いられるものであり、無害である。
ここで、前記式（４）の化学反応で消費される消石灰の量（ｇ／ｍｉｎ）は、水素イオン（ｍｏｌ／ｍｉｎ）の量で決まる（図２参照）。したがって、図４（ａ）,（ｂ）の構成において、ＥＣＵ５０が、燃料電池１０の出力から推定される水素イオンを中和するのに必要な量を上回る所定量の消石灰をオフガスに供給するように、インジェクタ３３ｇなどを制御することによって、水回収器３６には消石灰水溶液が貯留されることとなる。
また、前記消石灰水溶液（Ｃａ（ＯＨ）2  ａｑ）と、配管４３ａを介して水回収器３６に排出される空気に含まれる二酸化炭素（ＣＯ2）とは、以下の式（５）に示す化学反応をする。
Ｃａ（ＯＨ）2  ａｑ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3＋Ｈ2Ｏ・・・式（５）
【００６０】
前記の式（５）の化学反応の結果、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）と水が生ずる。このように、オフガスに含まれる水分と、消石灰とを回収し、当該消石灰を含む水溶液として水回収器３６に貯留する「貯留工程」と、外部から取り込まれた空気を供給し、前記水溶液に含まれる消石灰により、前記空気に含まれる二酸化炭素を除去する「二酸化炭素除去工程」と、を有するオフガスの処理方法を実行することにより、大気中の二酸化炭素を除去することができる。
【００６１】
また、図７（ｂ）に示すように、水溶液中の消石灰の量（ｇ／ｍｉｎ）と、吸収できる大気中の二酸化炭素量とは対応しており、比例関係となっている。ちなみに、生成される炭酸カルシウムは、貝殻、石灰石、大理石などの主成分であり、無害である。
ＥＣＵ５０は、水回収器３６に貯留されている水溶液中の消石灰の量を、予め定められた所定周期（例えば、１ｍｉｎ）ごとに計算する。水回収器３６内の消石灰の増加量ΔＷ（ｇ／ｍｉｎ）は、水回収器３６に供給される消石灰の量Ｗｓ（ｇ／ｍｉｎ）と、水回収器３６で消費される消石灰の量Ｗｄ（ｇ／ｍｉｎ）から、以下の式（６）により求めることができる。
ΔＷ＝Ｗｓ−Ｗｄ・・・式（６）
【００６２】
そして、ＥＣＵ５０は、水回収器３６内の消石灰の量の初期値（ｇ）に前記式（６）を用いて算出した消石灰の増加量ΔＷ（ｇ／ｍｉｎ）を、所定時間（例えば、１ｍｉｎ）ごとに累積的に足し、水回収器３６内に存在する現在の消石灰の量を算出する。ちなみに、水回収器３６に供給される消石灰の量Ｗｓ（ｇ／ｍｉｎ）は、ＥＣＵ５０により制御される燃料電池１０の出力と、インジェクタ３３ｇから噴射される生石灰の量（ｇ／ｍｉｎ）とによって決まる。また、水回収器３６で消費される消石灰の量Ｗｄ（ｇ／ｍｉｎ）は、車外大気中の二酸化炭素の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）と、ＥＣＵ５０によって制御されるポンプ３８から供給される空気の量（Ｌ／ｍｉｎ）とによって決まる。
したがって、燃料電池システム１は、前記の構成を備えることにより、水中に排出された空気に含まれる二酸化炭素を、配管３８ａ（図１参照）を介して水回収手段３６に回収された水に含まれる消石灰により、除去することができる。
なお、ＥＣＵ５０は、水位センサＥによって検出された水回収器３６内の水位が、予め定めされた所定値以下となった場合には、ポンプ３８の駆動を停止させ、車外の空気を吸引しないよう制御することとしてもよい。
【００６３】
＜燃料電池システム１の効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０からオフガス排出流路を通流して排出されるオフガス(酸化剤オフガス)に含まれる酸を、オフガス中和部３３により中和することができる。したがって、燃料電池システム１によれば、オフガスに含まれる酸を簡単な構成で容易に中和することができる。
また、オフガス中和部３３は簡単な構成であるため、燃料電池システム１全体のサイズがコンパクトにすることができる。また、オフガス中和部３３が備える生石灰は、安価に入手することが可能であり、低コストでオフガス中和部３３を構成することができる。
【００６４】
また、燃料電池システム１によれば、オフガス中和部３３が備える生石灰と、オフガス(酸化剤オフガス)に含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する過程で発生する熱によりオフガスを加熱し、加熱された前記オフガスがエキスパンダ３４に供給される。したがって、燃料電池システム１によれば、エキスパンダ３４の前後差圧を大きくし、エキスパンダ３４の羽根車（図示せず）の回転速度（回転エネルギ）を増加させることができる。
そして、エキスパンダ３４の羽根車（図示せず）の回転エネルギがコンプレッサ３１の羽根車（図示せず）の回転エネルギに伝達される。したがって燃料電池システム１によれば、燃料電池１０に、より多くの酸化剤ガスが供給されて前記式（１）、式（２）の電極反応が促進されるため、燃料電池システム１全体でのエネルギ損失を低減させ、発電効率を向上させることができる。
【００６５】
また、燃料電池システム１によれば、ポンプ３８（外気供給手段）によって外部の空気を取り込んで、水回収器３６に回収された水中に供給する。そして、水中に供給された前記空気に含まれる二酸化炭素が、オフガス排出流路を介して水回収手段に回収された水に含まれる消石灰により除去される。したがって、燃料電池システム１によれば、大気中に含まれる二酸化炭素を除去することができるため、環境により良い燃料電池システムを提供することができる。
【００６６】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて、図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を説明する。
第１実施形態に係る燃料電池システム１では、オフガス中和部３３が酸化剤オフガス（オフガス）に含まれる酸を中和する構成であったのに対して、本実施形態に燃料電池システム１Ａでは、オフガス中和部３３が、燃料オフガス及び酸化剤オフガス（オフガス）に含まれる酸を中和する構成となっている点が異なる。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１はエキスパンダ３４を備えていたのに対して、本実施形態に燃料電池システム１Ａはエキスパンダを備えていない点が異なる。
【００６７】
＜燃料電池システム１Ａの構成＞
以下、燃料電池システム１Ａのうち、酸化剤オフガス排出流路（オフガス排出流路：配管３４ｂ、配管３５ｂ、配管３６ｂ、配管３７ｂ、配管４０ｂ）と、当該酸化剤オフガス排出流路上での各機器の接続関係について説明する。
加湿器３２は、配管３４ｂを介して燃料電池１０と接続されている。また、希釈器３５は、配管３５ｂを介して加湿器３２と接続されている。なお、加湿器３２及び希釈器３５の機能については前記したものと同様であるから、説明を省略する。
オフガス中和部３３は、配管３６ｂを介して希釈器３５と接続されている。すなわち、オフガス中和部３３は、希釈器３５より下流側に位置する。したがって、オフガス中和部３３には、配管３５ｂ、希釈器３５、配管３６ｂを介して酸化剤オフガスが流入するとともに、配管２９ａ、希釈器３５、配管３６ｂを介して燃料オフガスも流入することとなる。
水回収器３６は、配管３７ｂを介してオフガス中和部３３と接続されており、水回収器３６で分離された液体は配管３８ｂ、ドレン弁３７、配管３９ｂを介して車外に排出され、分離された気体は配管４０ｂを介して車外に排出される。
【００６８】
＜オフガス中和処理及び二酸化炭素除去処理＞
オフガス中和部３３の構成は、図３(ａ),（ｂ）、図４（ａ）,（ｂ）に示した構成と同様であるから説明を省略する。オフガス中和部３３では、前記式（３）、式（４）の処理が連続的に起こって、配管３６ｂから流入してくるオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）が中和される。
また、車外と連通する配管４２ａを介してポンプ３８により車外の空気が吸引され、配管４３ａを介して水回収器３６に回収された水の中に排出される。そして、前記で説明した式（５）の化学反応が生じることにより、水回収器３６に取り入れられた空気に含まれる二酸化炭素が除去される。
【００６９】
＜燃料電池システム１Ａの効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池１０からオフガス排出流路を通流して排出されるオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）に含まれる酸を、オフガス排出流路に設けられたオフガス中和部３３により中和することができる。したがって、燃料電池システム１Ａによれば、オフガスに含まれる酸を、簡単な構成で容易に中和することができる。
また、燃料電池システム１Ａによれば、大気中に含まれる二酸化炭素を除去することができるため、環境により良い燃料電池システムを提供することができる。
【００７０】
≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１Ｂについて、図９を参照して説明する。なお、第１実施形態と異なる部分を説明する。
第１実施形態に係る燃料電池システム１では、オフガス中和部３３が酸化剤オフガス（オフガス）に含まれる酸を中和する構成であったのに対して、本実施形態に燃料電池システム１Ｂでは、オフガス中和部２７が燃料オフガス（オフガス）に含まれる酸を中和する構成となっている点が異なる。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１ではエキスパンダ３４がカソード側のオフガス排出流路に設けられていたのに対し、本実施形態に燃料電池システム１Ｂではエキスパンダ２８がアノード側のオフガス排出流路に設けられている点が異なる。
【００７１】
＜燃料電池システム１Ｂの構成＞
以下、燃料電池システム１Ｂのうち、燃料オフガス排出流路（オフガス排出流路：配管２１ｃ、配管２２ｃ、配管２３ｃ、配管２７ａ、配管２８ａ、配管２９ａ、配管３６ｃ、配管３９ｃ）と、当該燃料オフガス排出流路上での各機器の接続関係について説明する。
オフガス中和部２７は、燃料電池１０のアノード流路１１と連通している配管２１ｃと接続されている。また、エキスパンダ２８は配管２２ｃを介してオフガス中和部２７と接続されている。そして、エキスパンダ２８が備える羽根車(図示せず)の回転エネルギは、クラッチ３１ｂを有する伝達軸３１ｃを介してコンプレッサ３１に伝達されるようになっている。ちなみに、クラッチ３１ｂは、ＥＣＵ５０によってＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御される。また、気液分離器２４は、配管２３ｃを介してエキスパンダ２８と接続されている。
【００７２】
＜オフガス中和処理＞
オフガス中和部２７の構成は、オフガス中和部３３の構成（図３(ａ),（ｂ）、図４（ａ）,（ｂ）参照）と同様であるから説明を省略する。燃料電池１０は前記式（１）、式（２）の電極反応により発電するが、前記式（２）に示したように、燃料電池１０で生じる水分は主にカソード側で生成されカソード流路１２を通流する。ただし、膜/電極接合体（ＭＥＡ）内において水分の逆拡散が発生するため、アノード流路１１から配管２１ｃを介してオフガス中和部２７に供給される燃料オフガス（オフガス）も水分を多く含むこととなる。
そして、オフガス中和部２７が備える生石灰と、オフガス中和部２７に供給される前記水分とが前記式（３）で示した化学反応を生じて消石灰を生成し、さらに式（４）の化学反応が連続的に生じて、配管２１ｃから流入してくるオフガス（燃料オフガス）が中和される。
【００７３】
＜オフガス加熱処理＞
エキスパンダ２８は、当該エキスパンダ２８を通流する燃料オフガスの前後差圧によって回転する。また、前記式（３）の化学反応により、配管２２ｃ内の燃料オフガスが加熱されると、当該燃料オフガスを構成する分子の運動エネルギが大きくなるため、配管２２ｃ内の燃料オフガスの圧力が高くなる。そうすると、エキスパンダ２８の前後差圧が大きくため、エキスパンダ２８の羽根車（図示せず）の回転速度（回転エネルギ）も増加することとなる。
前記したように、エキスパンダ２８が備える羽根車の回転エネルギは、伝達軸３１ｃを介してコンプレッサ３１に伝達されるようになっている。したがって、燃料電池１０に、より多くの酸化剤ガスが供給されて前記式（１）、式（２）の電極反応が促進されるため、燃料電池システム１Ｂ全体でのエネルギ損失を低減することができる。
【００７４】
＜燃料電池システム１Ｂの効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、燃料電池１０からオフガス排出流路を通流して排出されるオフガス（燃料オフガス）に含まれる酸を、オフガス排出流路に設けられたオフガス中和部２７により中和することができる。したがって、燃料電池システム１Ｂによれば、オフガスに含まれる酸を、簡単な構成で容易に中和することができる。
また、燃料電池システム１Ｂによれば、オフガス中和部２７が備える生石灰と、オフガス(燃料オフガス)に含まれる水分とを反応させて消石灰を生成する過程で発生する熱によりオフガスを加熱し、加熱された前記オフガスがエキスパンダ２８に供給される。したがって、燃料電池システム１Ｂによれば、エキスパンダ２８の前後差圧を大きくし、エキスパンダ２８の回転エネルギをコンプレッサ３１の羽根車（図示せず）の回転エネルギに伝達する。したがって燃料電池１０に、より多くの酸化剤ガスが供給されて前記式（１）、式（２）の電極反応が促進されるため、燃料電池システム１Ｂ全体でのエネルギ損失を低減させ、発電効率を向上させることができる。
また、前記の説明では省略したが、燃料電池システム１Ｂはポンプ３８（外気供給手段）を備えており（図９参照）、大気中に含まれる二酸化炭素を水分回収器３６に取り込んで除去することができるため、環境により良い燃料電池システムを提供することができる。
【００７５】
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システムについて、各実施形態により説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記した第１実施形態〜第３実施形態では、オフガス中和部３３,２７（図１、図８、図９参照）が生石灰を備える構成となっていたが、これに限らない。すなわち、オフガス中和部３３,２７が、消石灰を備える構成としてもよい。この場合でも、前記式（４）で示した化学反応がオフガス中和部３３,２７で生じるため、オフガスに含まれる酸を中和することができる。
【００７６】
この場合のオフガス中和部の具体的構成は、図３（ａ）,（ｂ）、図４（ａ）,（ｂ）で示した生石灰を消石灰に置き換えればよい。ちなみに、第１実施形態〜第３実施形態では、オフガス中和部３３が図４（ａ），（ｂ）に示す構成である場合において、タンク３３ｃ（図４（ａ）参照）、タンク３３ｉ(図４（ｂ）参照)に粉末状の生石灰を充填することとして説明した。
これに対し、オフガス中和部３３，２７が消石灰を備える構成である場合には、前記タンク３３ｃ又は３３ｉに消石灰水溶液を貯留しておくこととしてもよい。
【００７７】
また、前記のようにオフガス中和部が消石灰を備えて構成される場合には、前記式（３）の化学反応が生じないため、化学反応に際して熱が発生しない。したがって、この場合、オフガス中和部３３（例えば、図１参照）をエキスパンダ３４より下流（すなわち、エキスパンダ３４と希釈器３５との間、又は、希釈器３５と水回収器３６との間）に設けてもよい。
【００７８】
また、第１実施形態〜第３実施形態では、車外と連通している配管４２ａを介してポンプ３８が外気を取り込む構成となっていたが、これに限らない。例えば、ポンプ３８を設けず、燃料電池四輪車（移動体）の前側に配管４２ａの端部である開口部を設け、燃料電池四輪車が走行した場合に走行風が自然と配管４２ａ、配管４３ａを介して水回収器３６に回収されている水の中に供給される構成としてもよい。この場合には、ポンプ３８が不要になるため、燃料電池四輪車を製造するコストを低減させることができる。
また、第１実施形態（図１参照）及び第３実施形態（図３参照）では、水回収器３６が配管３８ａ（３６ｃ）を介して希釈器３５の下流に配置される構成となっていたが、これに限らない。例えば、希釈器３５内に水回収器３６を配設して一体化してもよい。この場合、燃料電池システムをさらに小型化することができる。また、水回収器３６を希釈器３５よりも上流側に配置してもよい。
【００７９】
また、第１実施形態〜第３実施形態において、さらに、コンプレッサ３１の上流側に、水回収器３６により回収された水を配管３１ａに噴射する水噴射機構（図示せず）を設けてもよい。当該水噴射機構として、例えば、コンプレッサ３１の上流側にオリフィス部（図示せず）を設けることができる。この場合、配管３１ａに取り込まれた空気が前記オリフィス部を通過する際にオリフィス部の出口側の圧力が低下し、負圧が発生する。そして、この負圧による吸引作用によって水回収器３６に回収された水が図示しない配管を通流して配管３１ａに噴射されることとなる。なお、水回収器３６に貯留されている液体には、前記式（４）で生じたカルシウムイオン（Ｃａ2+）や、前記式（５）で生じた炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）が含まれるため、これらの物質をフィルタリングするためのフィルタを前記配管（図示せず）内に設置することが好ましい。
これによって、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスをより加湿できるとともに、コンプレッサ３１の羽根車（図示せず）と当該羽根車を収容するハウジング（図示せず）との間における隙間がシールされ、コンプレッサ３１における空気漏れを防ぐことができる。また、水噴射機構として、前記オリフィス部を用いる代わりにポンプ（図示せず）を用いてもよい。
【００８０】
また、第１実施形態〜第３実施形態では、コンプレッサ３１が配管３１ａから空気を吸引・圧縮する構成となっていたが、これに限らない。すなわち、配管３１ａから空気を取り込み、燃料電池１０のカソード流路１２に向けて空気を供給する構成（反応ガス供給手段）を備えていればよい。例えば、反応ガス供給手段として、配管３１ａから取り込んだ空気を圧縮せずに、単に羽根車を回転させることによってカソード流路１２に空気を供給する構成としてもよい。
また、第１実施形態（図１参照）及び第３実施形態（図９参照）では、流入してくるオフガスをエキスパンダ３４が断熱機械膨張させることによって内部の羽根車を回転させる構成となっていたが、これに限らない。すなわち、流入してくるオフガスの流体エネルギを回転エネルギに変換する構成（エネルギ変換手段）を備えていればよい。例えば、エネルギ変換手段は、オフガスを膨張させずに、単にオフガスの流体エネルギによって回転する羽根車でもよい。
【００８１】
また、第２実施形態（図８参照）では、オフガス中和部３３を希釈器３５より下流側に設けることによって、燃料オフガス及び酸化剤オフガスを中和する構成となっていたが、これに限らない。すなわち、図８に示す構成において、オフガス中和部３３と希釈器３５の配置を入れ替えて、オフガス中和部３３を希釈器３５より上流側に設ける構成としてもよい。この場合には、オフガス中和部３３は、配管３５ｂから流入してくる酸化剤オフガスを中和することとなる。
また、第３実施形態（図９参照）では、燃料オフガスを排出する流路に設けられたエキスパンダ２８（エネルギ変換手段）の回転エネルギを、伝達軸３１ｃを介してコンプレッサ３１（反応ガス供給手段）に伝達し、コンプレッサ３１が酸化剤ガスを含む空気を吸引・圧縮する構成となっていたが、これに限らない。すなわち、図９に示す配管２３ａにコンプレッサ（図示せず）を設け、伝達軸(図示せず)を介してエキスパンダ２８の回転エネルギを、当該コンプレッサに伝達可能な構成としてもよい。この場合には、燃料電池１０から排出された燃料オフガスを取り込むためのエゼクタ２３が不要となる。
【００８２】
また、前記の構成（アノード側において、エキスパンダの回転エネルギを伝達可能なコンプレッサを備える構成）に加えて、カソード側でもエキスパンダの回転エネルギを伝達可能なコンプレッサを備える構成としてもよい（例えば、図１参照）。この場合において、それぞれのエキスパンダの上流側の配管に生石灰（又は消石灰）を備えたオフガス中和部を備える構成としてもよい。なお、消石灰を備えたオフガス中和部を用いる場合には、前記式（３）に示す化学反応が起こらずオフガスが加熱されないため、オフガス中和部をエキスパンダの下流側の配管に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１,１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０  燃料電池
１１  アノード流路（反応ガス流路）
１２  カソード流路（反応ガス流路）
３１  コンプレッサ（反応ガス供給手段）
３１ｂ  クラッチ
３１ｃ  伝達軸
３１ｄ  モータ（反応ガス供給手段）
３３,３３Ａ,３３Ｂ,３３Ｃ,３３Ｄ,２７  オフガス中和部
３４,２８  エキスパンダ（エネルギ変換手段）
３６  水回収器（貯留手段）
３８  ポンプ（外気供給手段）
５０  ＥＣＵ
２４ａ,２７ａ,２８ａ,２９ａ,３４ａ,３５ａ,３６ａ,３７ａ,３８ａ,４１ａ  配管（オフガス排出流路）
２１ａ,２２ａ,２３ａ,２４ａ,２７ａ,３１ａ,３２ａ,３３ａ  配管（反応ガス供給流路）
【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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