(57)【要約】【課題】掃気に伴う、作動音、作動振動、消費エネルギを低減可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノード流路１１に水素を供給する水素タンク２１と、燃料電池スタック１０のカソード流路１２に空気を供給するコンプレッサ３１と、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路に配置されたイオン交換器３７と、燃料電池スタック１０を掃気するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１からの掃気ガスの全部又は一部を、燃料電池スタック１０をバイパスしてイオン交換器３７に供給する配管３８ａ及び配管３８ｂと、配管３８ａ及び配管３８ｂを流通する空気の流量を制御する流量制御弁３８と、を備える燃料電池システム１である。【選択図】図１
2009176620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、
前記掃気手段からの掃気ガスの全部又は一部を、前記燃料電池をバイパスして前記イオン交換器に供給するバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する掃気ガスの流量を制御する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、
前記掃気手段からの掃気ガスの全部又は一部を、前記燃料電池をバイパスして前記イオン交換器に供給するバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する掃気ガスの流量を制御する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、
前記アノードオフガスの全部又は一部を、前記イオン交換器をバイパスさせるバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通するアノードオフガスの流量を制御する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、
前記燃料電池を掃気する掃気手段と、
前記カソードオフガスの全部又は一部を、前記イオン交換器をバイパスさせるバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通するカソードオフガスの流量を制御する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガス、及び／又は、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスで希釈する希釈器を、さらに備え、
前記イオン交換器は、前記希釈器から排出されるオフガスが流通するオフガス流路に配置されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
このような燃料電池が発電すると、カソードに含まれるＰｔ、Ｒｕ等が極僅かながらも溶出し、カソードオフガスの水蒸気には、Ｐｔ、Ｒｕ等の陽イオン（金属イオン）が含まれる。
また、電解質膜（固体高分子膜）を形成するＦ（フッ素）等も極僅からながらも溶出し、カソードオフガスの水蒸気には、Ｆイオン等の陰イオンが含まれる。そして、カソードオフガスの流通する配管が金属製（例えばＳＵＳ）である場合、Ｆイオンは、配管を形成する金属と反応し、金属イオン（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒのイオン）が溶出する。
【０００４】
そこで、カソードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、そのまま車外に排出されることを防止するため、カソードオフガスの水蒸気を分離させる気液分離器に、前記イオンを吸着させるイオン交換樹脂（イオン交換器）を備える技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池が発電すると、そのカソードで水（水蒸気）を生成し、その一部は電解質膜（固体高分子膜）をアノード側に透過する。さらに、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料電池に向かう水素及び／又は空気は、中空糸膜を備える加湿器等によって加湿される。したがって、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、水蒸気を含み、多湿となる。
【０００６】
したがって、燃料電池システムの停止後、システムが低温環境下に曝されると、燃料電池内や、イオン交換器内等の水分（水蒸気、結露水等）が凍結する虞がある。そこで、システム停止後、燃料電池やイオン交換器に掃気ガス（空気、窒素等）を導入し、その内部の水分を押し出して、これらを掃気する技術が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２８６５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような燃料電池及びイオン交換器の掃気は、通常、燃料電池システムの停止後、例えば、燃料電池自動車の場合、燃料電池自動車の停止後に実行される。よって、掃気ガスを吐出するコンプレッサの作動音、作動振動や、消費電力を抑える技術開発が望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は、掃気に伴う、作動音、作動振動、消費エネルギを低減可能な燃料電池システム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】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、前記掃気手段からの掃気ガスの全部又は一部を、前記燃料電池をバイパスして前記イオン交換器に供給するバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する掃気ガスの流量を制御する流量制御弁と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、アノードオフガス流路に配置されたイオン交換器により、アノードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、イオン交換器で、交換・除去され、そのままシステム外部に排出されることを防止できる。
【００１２】
そして、イオン交換器の掃気時に、流量制御弁が開かれることにより、掃気手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）からの掃気ガス（後記する実施形態では空気）の全部又は一部が、バイパス流路を介して、イオン交換器に供給され、イオン交換器が掃気される。すなわち、掃気手段からの掃気ガスが、バイパス流路を通ることにより、燃料電池から圧力損失を受けずに、イオン交換器に供給され、イオン交換器が速やかに掃気される。
これにより、掃気手段が、燃料電池からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動することができ、その結果、掃気手段の作動音、作動振動、消費エネルギ（後記する実施形態では消費電力）を低減することができる。
【００１３】
また、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、前記掃気手段からの掃気ガスの全部又は一部を、前記燃料電池をバイパスして前記イオン交換器に供給するバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する掃気ガスの流量を制御する流量制御弁と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、カソードオフガス流路に配置されたイオン交換器により、カソードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、イオン交換器で、交換・除去され、そのままシステム外部に排出されることを防止できる。
【００１５】
そして、イオン交換器の掃気時に、流量制御弁が開かれることにより、掃気手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）からの掃気ガス（後記する実施形態では空気）の全部又は一部が、バイパス流路を介して、イオン交換器に供給され、イオン交換器が掃気される。すなわち、掃気手段からの掃気ガスが、バイパス流路を通ることにより、燃料電池から圧力損失を受けずに、イオン交換器に供給され、イオン交換器が速やかに掃気される。
これにより、掃気手段が、燃料電池からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動することができ、その結果、掃気手段の作動音、作動振動、消費エネルギ（後記する実施形態では消費電力）を低減することができる。
【００１６】
また、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、前記アノードオフガスの全部又は一部を、前記イオン交換器をバイパスさせるバイパス流路と、前記バイパス流路を流通するアノードオフガスの流量を制御する流量制御弁と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、アノードオフガス流路に配置されたイオン交換器により、アノードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、イオン交換器で、交換・除去され、そのままシステム外部に排出されることを防止できる。
【００１８】
そして、燃料電池の掃気時に、流量制御弁が開かれることにより、掃気手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）から燃料電池に導入され、そして、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部が、バイパス流路を通り、イオン交換器をバイパスする。すなわち、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部が、イオン交換器から圧力損失を受けない。
これにより、燃料電池のアノードに掃気ガスを供給する掃気手段は、イオン交換器からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動することができ、その結果、掃気手段の作動音、作動振動、消費エネルギ（後記する実施形態では消費電力）を低減することができる。
【００１９】
また、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部と共に、アノードから排出された水分（水蒸気、結露水等）が、バイパス流路を通り、イオン交換器をバイパスする。すなわち、アノードから排出された水分が、イオン交換器に導入されないので、イオン交換器内の水分量が大きく増加することはなく、イオン交換器を速やかに掃気できる。
【００２０】
また、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路に配置されたイオン交換器と、前記燃料電池を掃気する掃気手段と、前記カソードオフガスの全部又は一部を、前記イオン交換器をバイパスさせるバイパス流路と、前記バイパス流路を流通するカソードオフガスの流量を制御する流量制御弁と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２１】
このような燃料電池システムによれば、カソードオフガス流路に配置されたイオン交換器により、カソードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、イオン交換器で、交換・除去され、そのままシステム外部に排出されることを防止できる。
【００２２】
そして、燃料電池の掃気時に、流量制御弁が開かれることにより、掃気手段（後記する実施形態ではコンプレッサ）から燃料電池に導入され、そして、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部が、バイパス流路を通り、イオン交換器をバイパスする。すなわち、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部が、イオン交換器から圧力損失を受けない。
これにより、燃料電池のカソードに掃気ガスを供給する掃気手段は、イオン交換器からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動することができ、その結果、掃気手段の作動音、作動振動、消費エネルギ（後記する実施形態では消費電力）を低減することができる。
【００２３】
また、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガス（掃気ガス）の全部又は一部と共に、カソードから排出された水分（水蒸気、結露水等）が、バイパス流路を通り、イオン交換器をバイパスする。すなわち、カソードから排出された水分が、イオン交換器に導入されないので、イオン交換器内の水分量が大きく増加することはなく、イオン交換器を速やかに掃気できる。
【００２４】
また、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガス、及び／又は、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスで希釈する希釈器を、さらに備え、前記イオン交換器は、前記希釈器から排出されるオフガスが流通するオフガス流路に配置されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２５】
このような燃料電池システムによれば、希釈器により、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを、酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガス、及び／又は、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスで希釈することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、掃気に伴う、作動音、作動振動、消費エネルギを低減可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００２８】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガスを導く掃気ガス系と、これらを電子制御するＥＣＵ５１（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２９】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００３０】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、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（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００３１】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３２】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに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を介して各カソードに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。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３３】
そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。
【００３４】
さらに、このように発電すると、アノード、カソードに含まれるＰｔ、Ｒｕ等が極僅かながらも溶出し、水蒸気（生成水）にはＰｔ、Ｒｕ等の陽イオン（金属イオン）が含まれる。さらに、電解質膜のＦ（フッ素）等も極僅からながらも溶出し、水蒸気にはＦ等の陰イオンが含まれる。
【００３５】
アノードセパレータ及びカソードセパレータには、各単セルを冷却するための冷媒が流通する貫通孔及び溝が形成されており、これら貫通孔及び溝が冷媒流路１３として機能している。具体的には、外部のラジエータ（図示しない）で冷却された冷媒が、冷媒ポンプ（図示しない）で圧送され、冷媒流路１３に導入されるようになっている。
そして、冷媒は、冷媒流路１３から、配管１３ｂを介して、ラジエータに向かうようになっている。
【００３６】
また、配管１３ｂには、温度センサ１４が設けられている。温度センサ１４は、配管１３ｂ内の冷媒の温度を、現在のシステム温度Ｔ１（又は燃料電池スタック１０の温度）として検出し、ＥＣＵ５１に出力するようになっている。
ただし、温度センサ１４の位置は、これに限定されず、例えば、後記する配管２３ｂ、配管３２ｂや、燃料電池スタック１０の筐体に直接設けてもよい。また、温度センサを複数設けて、誤検出を防止してもよい。
【００３７】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、常閉型のパージ弁２４とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ５１によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。
【００３８】
アノード流路１１の出口には、配管２３ｂが接続されており、配管２３ｂの下流端はエゼクタ２３の吸引口に接続されている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管２３ｂを介してエゼクタ２３に戻され、エゼクタ２３において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。その結果、水素がアノード流路１１を経由して循環し、水素の有効利用が図られている。
【００３９】
また、配管２３ｂの途中は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、希釈器３５に接続されている。そして、図示しない電圧センサ（セル電圧モニタ）で検出される単セルの電圧（セル電圧）が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）が多いとＥＣＵ５１で判断された場合、ＥＣＵ５１によってパージ弁２４は開かれ、不純物を含むアノードオフガスが配管２４ａ、配管２４ｂを介して、後記する希釈器３５に排出されるようになっている。
さらに、パージ弁２４は、後記する燃料電池スタック１０の掃気時にも開かれ、アノード流路１１（アノード）から排出された掃気ガス（アノードオフガス）が、希釈器３５に排出されるようになっている。
【００４０】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３５と、イオン交換器３７と、流量制御弁３８と、流量制御弁３９とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ５１の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７の掃気時には、これらを掃気する掃気手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００４１】
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃ、背圧弁３３、配管３３ａを介して、希釈器３５に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３５に供給されるようになっている。
背圧弁３３は、ＥＣＵ５１により、その開度が制御されるバタフライ弁等であり、カソード流路１２内のガス圧力と、アノード流路１１内のガス圧力とをバランスさせるようになっている。
【００４２】
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。
また、加湿器３２をバイパスするように、配管３１ａは、配管３４ａ、常閉型のバイパス弁３４、配管３４ｂを介して、配管３２ａに接続されている。バイパス弁３４は、燃料電池スタック１０、イオン交換器３７の掃気時に、ＥＣＵ５１により開かれる設定となっている。
【００４３】
［希釈器］
希釈器３５は、パージ弁２４が開かれた場合に導入されるアノードオフガスと、配管３３ａから導入されるカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈器３５から排出されるオフガス（希釈後のガス）は、配管３５ａを介して、イオン交換器３７に導入されるようになっている。
【００４４】
また、希釈器３５は、配管３６ｂ、ＥＣＵ５１により流量０を含めて流量制御される流量制御弁３６、配管３６ａを介して、配管３１ａに接続されている。これにより、流量制御弁３６が開かれると、コンプレッサ３１から吐出される空気（酸化剤ガス、掃気ガス）が、カソード流路１２（燃料電池スタック１０）をバイパスして、希釈器３５に導入され、アノードオフガス中の水素が速やかに希釈されるようになっている。なお、流量制御弁３６は、例えば、バタフライ弁やニードル弁等で構成される。
ただし、流量制御弁３６、配管３６ａ、及び、配管３６ｂを備えないシステム構成でもよい。
【００４５】
［イオン交換器］
イオン交換器３７は、希釈器３５から導入されるオフガス（アノードオフアガスとカソードオフガス等とが混合したもの）に含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、そのまま車外（外部）に排出されることを防止するための機器である。すなわち、イオン交換器３７は、希釈器３５の下流であって、アノードオフガスが流通するアノードオフガス流路、かつ、カソードオフガスが流通するカソードオフガス流路に配置されている。
【００４６】
具体的には、イオン交換器３７は、その内部に、希釈器３５からのオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）とイオン交換することで、これを除去するイオン交換樹脂３７ｂを装填している。イオン交換樹脂３７ｂは、陽イオン交換樹脂と、陰イオン交換樹脂とを含んでいる。そして、陽イオン交換樹脂の対イオン、及び、陰イオン交換樹脂の対イオンは、イオン交換器３７に導入されるオフガス中のイオン（陽イオン、陰イオン）と、イオン交換され、イオン交換後のオフガスは、配管３７ａを介して、車外（外部）に排出されても問題の無い程度のＰＨ値になるように構成されている。
【００４７】
イオン交換樹脂３７ｂ（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）の量は、例えば、燃料電池自動車の予測される寿命内に、燃料電池スタック１０から排出されるイオンを吸着可能な量に設計される。その他、イオン交換樹脂３７ｂをカートリッジ式で構成し、例えば、車検毎に交換可能な構成としてもよい。
ただし、イオン交換器３７におけるイオン交換方式はこれに限定されず、例えば、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜を適所に配置し、イオン交換させる方式でもよい。
【００４８】
また、イオン交換器３７は、配管３８ｂ、ＥＣＵ５１により流量０を含めて流量制御される流量制御弁３８、配管３８ａを介して、配管３１ａに接続されている。つまり、配管３８ａと、配管３８ｂとは、コンプレッサ３１からの空気（酸化剤ガス、掃気ガス）が燃料電池スタック１０をバイパスするバイパス流路を、構成している。
【００４９】
そして、イオン交換器３７の掃気時に、流量制御弁３８が開かれると、コンプレッサ３１から吐出される空気（掃気ガス）が、配管３８ａ、配管３８ｂ（バイパス流路）を介して、イオン交換器３７に導入され、イオン交換器３７が速やかに掃気されるようになっている。
なお、流量制御弁３８は、例えば、バタフライ弁やニードル弁等で構成される。また、流量制御弁３８に代えて、配管３１ａと配管３８ａとの合流点に三方弁を配置し、この三方弁により、配管３８ａ、配管３８ｂ（バイパス流路）を流れるガスの流量を制御してもよい。
【００５０】
さらに、配管３５ａの途中には、配管３９ａが分岐するように接続されており、配管３９ａの下流側には、ＥＣＵ５１により流量０を含めて流量制御される流量制御弁３９、配管３９ｂが順に接続されており、配管３９ｂの下流側は車外（外部）に開放されている。つまり、配管３９ａと配管３９ｂとは、希釈器３５からのオフガス（アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス）の全部又は一部を、イオン交換器３７をバイパスして車外に排出するバイパス流路を構成している。そして、流量制御弁３９が開かれると、希釈器３５からのオフガスが、配管３９ａ、配管３９ｂ（バイパス流路）を介して、車外に排出されるようになっている。
なお、流量制御弁３９は、例えば、バタフライ弁やニードル弁等で構成される。また、流量制御弁３９に代えて、配管３５ａと配管３９ａとの合流点に三方弁を配置し、この三方弁により、配管３９ａ、配管３９ｂを流れるガスの流量を制御してもよい。
【００５１】
特に、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７の掃気時に、流量制御弁３９が開かれると、アノード流路１１及びカソード流路１２から排出された多量の水分（水蒸気等）を含む掃気ガスであって、希釈器３５からのオフガスが、配管３９ａ、配管３９ｂを介して、車外に排出され、イオン交換器３７に流れ込みにくくなっている。これにより、希釈器３５からのオフガスが、イオン交換器３７で圧力損失を受けずに車外に排出され、そして、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７が速やかに掃気されるようになっている。
【００５２】
＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池スタック１０の掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）をアノード系に導く系であり、常閉型の掃気弁４１を備えている。掃気弁４１の上流は、配管４１ａを介して配管３２ａに接続されており、掃気弁４１の下流は、配管４１ｂを介して配管２３ａに接続されている。この他、配管４１ａの上流端が、配管３１ａに接続された構成でもよい。
【００５３】
そして、燃料電池スタック１０を掃気する場合、例えばシステム停止時において、温度センサ１４によって検出されるシステム温度Ｔ１が所定温度未満であり、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある場合、ＥＣＵ５１はコンプレッサ３１を作動すると共に、掃気弁４１を開く設定となっている。
【００５４】
＜ＥＣＵ等＞
ＥＣＵ５１（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
なお、ＥＣＵ５１による具体的制御内容は、図２のフローチャートを参照して、以下詳細に説明する。
【００５５】
ＩＧ５２は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ５２はＥＣＵ５１と接続されており、ＥＣＵ５１はＩＧ５２のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５６】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の停止時の動作について、図２を参照して説明する。
なお、ＩＧ５２がＯＦＦされると、図２に示す停止時の制御処理をスタートする。また、ＩＧ５２のＯＦＦ前（初期状態）において、燃料電池スタック１０は運転者からの発電要求に応じて発電している。
【００５７】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５１は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。具体的には、燃料電池スタック１０と外部負荷（走行モータ等）との接続をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ（図示しない）をＯＦＦし、遮断弁２２を閉じる。
【００５８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５１は、温度センサ１４を介して検出されるシステム温度Ｔ１が、所定温度Ｔ０未満であるか否かを判定する。所定温度Ｔ０は、燃料電池スタック１０内、イオン交換器３７内が、このままではこの後凍結する虞があると判断される温度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ５１に予め記憶されている。
【００５９】
システム温度Ｔ１が、所定温度Ｔ０未満であると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。一方、システム温度Ｔ１が、所定温度Ｔ０未満でないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０３に進む。
【００６０】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０２の判定後、所定時間（例えば３０分〜１時間）経過したか否かを判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０２に進む。これにより、発電停止直後は、低温でなかったとしても（Ｓ１０２・Ｎｏ）、その後、所定時間経過毎（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２で低温であるか否かの判定処理が実行されるので、凍結が防止される。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。
【００６１】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５１は、燃料電池スタック１０の掃気を開始する。
具体的には、ＥＣＵ５１は、コンプレッサ３１を作動させ、又は、その回転速度を燃料電池スタック１０の掃気用の回転速度に高めて、バイパス弁３４、掃気弁４１、パージ弁２４、及び、背圧弁３３を開く。
【００６２】
そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）が、アノード流路１１及びカソード流路１２に導入され、アノード流路１１及びカソード流路１２に残留するガス（水素、空気等）や、水分（水蒸気、結露水等）が、希釈器３５に押し出され、燃料電池スタック１０の掃気が開始される。
ただし、アノード流路１１及びカソード流路１２を並行して掃気する方式に限定されず、例えば、カソード流路１２、アノード流路１１の順で掃気する方式でもよい。
【００６３】
この場合において、ＥＣＵ５１が、流量制御弁３６を適宜に開き、コンプレッサ３１から吐出される掃気ガスを、配管３６ａ、配管３６ｂを介して、つまり、燃料電池スタック１０をバイパスして希釈器３５に導入し、希釈器３５の掃気時間を短縮する構成としてもよい。
【００６４】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５１は、イオン交換器３７の掃気を開始する。
具体的には、ＥＣＵ５１は、流量制御弁３８を開く。そうすると、コンプレッサ３１から吐出される掃気ガスの一部が、配管３８ａ、配管３８ｂを介して、つまり、燃料電池スタック１０をバイパスして、イオン交換器３７に導入される。これにより、掃気ガスが、燃料電池スタック１０で圧力損失を受けずにイオン交換器３７に導入され、イオン交換器３７が速やかに掃気され始める。
【００６５】
これに並行して、ＥＣＵ５１は、流量制御弁３９も開く。そうすると、アノード流路１１及びカソード流路１２から排出された多量の水分（水蒸気、結露水等）を含む掃気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）であって、希釈器３５から排出されたオフガスの一部又は大部分が、配管３９ａ、配管３９ｂを介して、車外に排出される。すなわち、アノード流路１１及びカソード流路１２から排出された多量の水分が、イオン交換器３７に流れ込みにくくなり、よって、イオン交換器３７が好適に掃気され、その掃気時間が短縮される。
【００６６】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５１は、内蔵するクロックを利用して、ステップＳ１０４における燃料電池スタック１０の開始からの経過時間Δｔ１が、所定時間Δｔ０経過したか否かを判定する。所定時間Δｔ０は、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７の掃気が完了したと判断される時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ５１に予め記憶されている。
【００６７】
そして、経過時間Δｔ１が、所定時間Δｔ０経過したと判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理は、ステップＳ１０７に進む。一方、所定時間Δｔ０経過していないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０６の判定を繰り返す。
【００６８】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ５１は、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７の掃気を完了する。
具体的には、ＥＣＵ５１は、コンプレッサ３１を停止し、そして、バイパス弁３４、掃気弁４１、パージ弁２４、流量制御弁３６、流量制御弁３８、及び、流量制御弁３９を閉じる。
その後、ＥＣＵ５１の処理は、ＥＮＤに進み、システム停止時の制御を終了する。
【００６９】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
イオン交換器３７の掃気時に、流量制御弁３８を開くので（Ｓ１０５）、燃料電池スタック１０から圧力損失を受けずに、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、イオン交換器３７に導入でき、イオン交換器３７を速やかに掃気できる。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動でき、コンプレッサ３１の作動音、作動振動及び消費電力を低減できる。
【００７０】
また、燃料電池スタック１０の掃気時に、流量制御弁３９を開くので、アノード流路１１及びカソード流路１２から排出された多量の水分を含む掃気ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）であって、希釈器３５から排出されたオフガスが、配管３９ａ、配管３９ｂを介して、イオン交換器３７から圧力損失を受けずに、車外に排出される。これにより、コンプレッサ３１は、イオン交換器３７からの圧力損失に基づく抵抗を受けずに作動でき、コンプレッサ３１の作動音、作動振動及び消費電力を低減できる。
さらに、このように希釈器３５から排出され、多量の水分を含むオフガスが、イオン交換器３７に流れ込みにくくなるので、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７の掃気時間を短縮できる。
【００７１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組み合わせることができる。
【００７２】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７を略同時に並行して掃気する構成を例示したが、これに限定されず、例えば、流量制御弁３８を閉じ、流量制御弁３９を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスをアノード流路１１及びカソード流路１２に導入すると共に、アノード流路１１及びカソード流路１２から排出され、希釈器３５から排出され多量の水分を含むオフガスを、配管３９ａ、配管３９ｂを介して車外に排出し、燃料電池スタック１０を重点的に掃気した後、流量制御弁３８を開いて、イオン交換器３７に掃気ガスを導入し、イオン交換器３７を重点的に掃気する構成としてもよい。
なお、このようにイオン交換器３７を重点的に掃気する場合、流量制御弁３９を閉じる構成としてもよい。
【００７３】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０及びイオン交換器３７を掃気する場合、流量制御弁３８を、単に開く構成としたが、例えば、配管３２ａに圧力センサや、配管３８ａに流量センサを設け、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、所定の分配比で、燃料電池スタック１０とイオン交換器３７とに分配されるように、流量制御弁３８の開度を制御する構成としてもよい。
同様に、配管３５ａに圧力センサや、配管３９ａに流量センサを設け、希釈器３５から排出されたオフガスが、所定の分配比で、イオン交換器３７と流量制御弁３９とに分配されるように、流量制御弁３９の開度を制御する構成としてもよい。
【００７４】
また、図３に示す燃料電池システム２でもよい。燃料電池システム２では、イオン交換器３７が、希釈器３５の上流、つまり、パージ弁２４と希釈器３５との間に配置されている。すなわち、パージ弁２４の下流側には、配管２４ｂ、イオン交換器３７、配管３７ａ、希釈器３５、配管３５ａが順に接続されており、配管３５ａの下流側は、車外に開放されている。そして、配管２４ｂの途中には、配管３９ａが分岐するように接続されており、配管３９ａの下流側には、流量制御弁３９、配管３９ｂが順に接続され、配管３９ｂの下流端は、希釈器３５の上流の配管３７ａに接続されている。
なお、流量制御弁３９は、燃料電池スタック１０の掃気時に開かれるので、配管３９ｂの下流端は、配管３７ａを介して希釈器３５に接続されず、直接車外（外部）に開放された構成でもよい。また、この点については、後記する燃料電池システム３（図４参照）においても同様である。
【００７５】
さらに、図４に示す燃料電池システム３でもよい。燃料電池システム３では、イオン交換器３７が、希釈器３５の上流、つまり、背圧弁３３と希釈器３５との間に配置されている。そして、配管３３ａの途中には、配管３９ａが分岐するように接続されており、配管３９ａの下流側には、流量制御弁３９、配管３９ｂが順に接続され、配管３９ｂの下流端は、希釈器３５の上流の配管３７ａに接続されている。
【００７６】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】変形例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】変形例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    アノード流路（燃料ガス流路）
１２    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１    水素タンク（燃料ガス供給手段）
３１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）
３５    希釈器
３６、３８、３９  流量制御弁
３７    イオン交換器
３８ａ、３８ｂ  配管（バイパス流路）
３９ａ、３９ｂ  配管（バイパス流路）
５１    ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2009176620.tif 000003
【図２】
2009176620.tif 000004
【図３】
2009176620.tif 000005
【図４】
2009176620.tif 000006