(57)【要約】【課題】アノードオフガスに含まれるイオンが外部に排出されることを防止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のカソードに空気を供給するコンプレッサ３１と、燃料電池スタック１０のアノードから排出されたアノードオフガスを、コンプレッサ３１からの空気、及び／又は、燃料電池スタック１０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５０Ａと、希釈器５０Ａ内に配置されたイオン交換樹脂６２と、を備える燃料電池システム１である。【選択図】図２
2009158395.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と、
前記希釈器内に配置されたイオン交換器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記希釈器は、前記アノードオフガスを前記カソードオフガスで希釈するものであって、
前記カソードオフガスが導入され、当該カソードオフガス中の水分を分離する気液分離室と、当該気液分離室での気液分離後のカソードオフガス及び前記アノードオフガスが導入される希釈室と、を備え、
前記イオン交換器は、前記気液分離室と、前記希釈室とにそれぞれ配置されている
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】
前記気液分離室は、前記カソードオフガスが導入され、当該カソードオフガス中の水分を分離する気液分離部と、イオン交換器が配置されるイオン交換部とに、壁部によって区画されると共に、
前記イオン交換部は、前記気液分離部の下方に配置されており、
前記壁部には、前記気液分離部と前記イオン交換部とを連通する連通孔が形成されている
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】
前記希釈器内は、前記アノードオフガスと前記酸化剤ガス及び／又は前記カソードオフガスとが導入される希釈室と、イオン交換器が配置されるイオン交換室とに、壁部によって区画されると共に、
前記イオン交換室は前記希釈室の下方に配置されており、
前記壁部には、前記希釈室と前記イオン交換室とを連通する連通孔が形成されている
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５】
前記連通孔の大きさを可変する可変機構を備える
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記イオン交換器の下方に排水口を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排水口の下流に設けられた排水弁と、
前記燃料電池の非発電時に、前記希釈器内を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
を備え、
前記掃気手段による掃気時に、前記排水弁は開かれる
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記希釈器に向かうアノードオフガスが通る流路に設けられ、アノードオフガスの導入を制御する導入弁と、
前記排水弁及び前記導入弁を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記導入弁を開く場合、前記排水弁を閉じる
ことを特徴とする請求項７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は発電すると、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。また、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。
【０００４】
さらに、燃料電池の発電が進むと、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。
【０００５】
そこで、このように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を備える技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【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】
【０００７】
ところが、燃料電池のアノードからもＰｔ、Ｒｕ等が極僅かながらも溶出し、また、電解質膜のＦ等も溶出する。したがって、アノ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）や、Ｆイオン等の陰イオンが含まれる。よって、特許文献１の技術では、このように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、外部に排出されてしまう虞がある。
【０００８】
そこで、本発明は、アノードオフガスに含まれるイオンが外部に排出されることを防止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】
【０００９】
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と、前記希釈器内に配置されたイオン交換器と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、希釈器内に配置されたイオン交換器に、アノードオフガスに含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が吸着され、外部にそのまま排出されることを防止できる。
【００１１】
また、希釈器が、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈する構成である場合、カソードオフガスに含まれるイオンも、イオン交換器に吸着され、外部にそのまま排出されることを防止できる。すなわち、この構成の場合、希釈器内にイオン交換器を配置することで、アノードオフガス及びカソードオフガスに含まれるイオンを吸着させることができ、アノードオフガスが流れる流路、カソードオフガスが流れる流路のそれぞれに、イオン交換器を設ける構成に比べて、システム構成を小型化できる。
【００１２】
また、前記希釈器は、前記アノードオフガスを前記カソードオフガスで希釈するものであって、前記カソードオフガスが導入され、当該カソードオフガス中の水分を分離する気液分離室と、当該気液分離室での気液分離後のカソードオフガス及び前記アノードオフガスが導入される希釈室と、を備え、前記イオン交換器は、前記気液分離室と、前記希釈室とにそれぞれ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。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、カソードオフガスは、気液分離室において、これに含まれる水分が分離された後、希釈室に導入され、アノードオフガスを希釈する。
そして、気液分離室に配置されたイオン交換器により、カソードオフガス、分離された水分等に含まれるイオンを吸着させることができる。また、希釈室に配置されたイオン交換器により、カソードオフガス、アノードオフガス、希釈室で生成した結露水等に含まれるイオンを吸着させることができる。
【００１４】
また、前記気液分離室は、前記カソードオフガスが導入され、当該カソードオフガス中の水分を分離する気液分離部と、イオン交換器が配置されるイオン交換部とに、壁部によって区画されると共に、前記イオン交換部は、前記気液分離部の下方に配置されており、前記壁部には、前記気液分離部と前記イオン交換部とを連通する連通孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、カソードオフガスは気液分離部に導入され、その水分が気液分離部で分離される。そして、分離された水分は、壁部に形成された連通孔を介して、下方に配置されたイオン交換部に流れ込み、水分中のイオンは、イオン交換部に配置されたイオン交換器に吸着される。
また、気液分離部とイオン交換部とが壁部によって区画されているので、カソードオフガスがイオン交換部に直接流れ込みにくくなり、イオン交換部に配置されるイオン交換器が常にカソードオフガスに曝されにくくなる。これにより、イオン交換器の寿命を延ばすことができる。
【００１６】
また、カソードオフガスが、イオン交換部に直接流れ込みにくくなるため、カソードオフガスの受ける圧力損失を下げると共に、イオン交換部に流れ込み、これに貯溜されている分離後の水分に、カソードオフガスの圧力が作用しにくくなる。これにより、カソードオフガスの圧力によって、イオン交換部に貯溜されている水分が、イオン交換されずに、そのまま外部に排出されることを防止でき、イオン交換部におけるイオン交換効率を高めることができる。
【００１７】
また、前記希釈器内は、前記アノードオフガスと前記酸化剤ガス及び／又は前記カソードオフガスとが導入される希釈室と、イオン交換器が配置されるイオン交換室とに、壁部によって区画されると共に、前記イオン交換室は前記希釈室の下方に配置されており、前記壁部には、前記希釈室と前記イオン交換室とを連通する連通孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、希釈室に導入されるアノードオフガスは、希釈室に導入される酸化剤ガス及び／又はカソードオフガスによって希釈される。そして、希釈室で生成した結露水等は、壁部に形成された連通孔を介して、下方に配置されたイオン交換室に流れ込み、結露水等に含まれるイオンは、イオン交換室に配置されたイオン交換器に吸着される。
また、希釈室とイオン交換室とが壁部によって区画されているので、アノードオフガス、カソードオフガス及び／又は酸化剤ガスがイオン交換室に直接流れ込みにくくなり、イオン交換部に配置されるイオン交換器が常にカソードオフガス等に曝されにくくなる。これにより、希釈器の希釈機能を維持しつつ、イオン交換器の寿命を延ばすことができる。
【００１９】
また、前記連通孔の大きさを可変する可変機構を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２０】
このような燃料電池システムによれば、可変機構により、連通孔の大きさを可変することができる。可変機構は、カソードオフガス、アノードオフガスに含まれる水分（水蒸気）量や、気液分離室（気液分離部）で分離された水分、希釈室で生成した結露水等の量に応じて、例えば、水分量が多い場合、連通孔が大きくなるように変更することが好ましい。
【００２１】
また、前記イオン交換器の下方に排水口を備え、ことを特徴とする燃料電池システムである。
【００２２】
このような燃料電池システムによれば、イオン交換室内の水を、排水口を介して、外部に排水することができる。
【００２３】
また、前記排水口の下流に設けられた排水弁と、前記燃料電池の非発電時に、前記希釈器内を掃気ガスで掃気する掃気手段と、を備え、前記掃気手段による掃気時に、前記排水弁は開かれることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２４】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池が発電していない場合において（非発電時）、掃気手段が掃気ガスによって希釈器内を掃気するとき、排水弁が開かれるので、掃気ガスがイオン交換室にも流れ込み、イオン交換室を掃気することができる。
【００２５】
また、前記希釈器に向かうアノードオフガスが通る流路に設けられ、アノードオフガスの導入を制御する導入弁と、前記排水弁及び前記導入弁を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記導入弁を開く場合、前記排水弁を閉じることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２６】
このような燃料電池システムによれば、制御手段が導入弁を開く場合、排水弁を閉じるので、アノードオフガスが、排水弁を介して希釈されずに、そのまま外部に排出されることを防止できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、アノードオフガスに含まれるイオンが外部に排出されることを防止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】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
【００２９】
≪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ＥＣＵ４５（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３０】
＜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。
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。
また、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。
【００３４】
＜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、ＥＣＵ４５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。
【００３５】
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。
【００３６】
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５０Ａ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ＥＣＵ４５で判断された場合、ＥＣＵ４５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、２４ｂを介して、後記する希釈器５０Ａに排出されるようになっている。すなわち、パージ弁２４は、希釈器５０Ａに向かうアノードオフガスが通る流路に設けられ、希釈器５０Ａへのアノードオフガスの導入を制御する導入弁である。
【００３７】
＜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、希釈器５０Ａ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、ＥＣＵ４５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のアノード流路１１、カソード流路１２の掃気時には、燃料電池スタック１０を掃気する燃料電池掃気手段として機能し、希釈器５０Ａの掃気時には、希釈器５０Ａを掃気する希釈器掃気手段として機能する。
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）を電源としている。
【００３８】
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃを介して、希釈器５０Ａ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５０Ａに供給されるようになっている。
【００３９】
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３３ａ、常閉型のバイパス弁３３、配管３３ｂを介して、配管３２ａに接続されている。バイパス弁３３は、燃料電池スタック１０、希釈器５０Ａの掃気時に、ＥＣＵ４５により開かれる設定となっている。
【００４０】
［希釈器］
希釈器５０Ａ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。ここで、希釈器５０Ａの具体的構造について、図２を参照して説明する。
図２に示すように、希釈器５０Ａは、両端（図２の左側及び右側）が閉じた筒形の筐体５１を備えている。筐体５１内は、壁部５２及び壁部５３によって、気液分離室Ａ１（気液分離部）、希釈室Ａ２、イオン交換室Ａ３（イオン交換部）の３つの空間に区画されている。気液分離室Ａ１と希釈室Ａ２とは水平方向において、隣り合うように配置されており、イオン交換室Ａ３は気液分離室Ａ１及び希釈室Ａ２の鉛直下方に配置されている。
【００４１】
［希釈器−気液分離室］
気液分離室Ａ１は、配管３２ｃを介して導入されるカソードオフガスから、水蒸気（水分）を分離させるための空間であり、複数の気液分離板５４（図２では３枚）が設けられている。なお、気液分離板５４は、筐体５１の側壁部に固定されている。
カソードオフガスは、各気液分離板５４に吹き付けられることで、カソードオフガス中の水蒸気が結露し、分離されるようになっている。よって、気液分離板５４は低温であることが好ましく、熱伝導率が高い金属製であることが好ましい。また、気液分離板５４の温度が下がるように、例えば、気液分離板５４の熱を外部に放熱させるフィンを設けてもよい。
【００４２】
そして、水分（水蒸気）の分離後のカソードオフガスは、気液分離室Ａ１から配管５５に流れ込むようになっている。
一方、分離されることで生成した水（結露水）は、気液分離板５４の下方の壁部５３に形成された、複数の連通孔５３ａ（図２では２つ）を通って、イオン交換室Ａ３に流れ込むようになっている。このようにイオン交換室Ａ３に流れ込む水には、陽イオン（金属イオン）や陰イオン（Ｆイオン）が含まれている。また、生成した水が、連通孔５３ａに容易に流れ込むように、連通孔５３ａ周りの壁部５３を漏斗状に傾斜してもよい。
【００４３】
各連通孔５３ａには、その大きさを可変する可変機構、詳細には、スライド自在のシャッタ５６と、シャッタ５６をＥＣＵ４５の指令に従ってスライドさせるアクチュエータ５７と、が設けられている。すなわち、各連通孔５３ａは、気液分離室Ａ１からイオン交換室Ａ３に向かう水及びガスの流量を絞るオリフィスとして機能しており、さらに、シャッタ５６及びアクチュエータ５７により、可変オリフィスとして機能するようになっている。後記する連通孔５３ｂについても同様である。
その他、各連通孔５３ａにバタフライ弁やニードル弁等を設けて、このバタフライ弁等により、連通孔５３ａの大きさを可変する構成としてもよい。
【００４４】
これにより、連通孔５３ａの大きさを、シャッタ５６により可変可能となっている。例えば、燃料電池スタック１０の掃気時等、カソードオフガスに含まれる水蒸気（水分）が多量であると推定される場合、シャッタ５６は全開される設定となっている。また、イオン交換樹脂６２が過乾燥しないように、シャッタ５６を適宜に閉じる構成としてもよい。
【００４５】
また、このように、気液分離室Ａ１とイオン交換室Ａ３とは、連通孔５３ａを介して連通しているものの、壁部５３によって区画されており、カソードオフガスがイオン交換室Ａ３に直接流れ込みにくくなっている。これにより、後記するイオン交換樹脂６２が、常にカソードオフガスに曝されにくくなり、イオン交換樹脂６２の寿命を延ばすことができる。
【００４６】
さらに、このように区画されており、カソードオフガスがイオン交換室Ａ３に直接流れ込みにくいので、カソードオフガスの受ける圧力損失が下がると共に、イオン交換室Ａ３に貯溜されている水に、カソードオフガスの圧力が作用しにくくなる。これにより、カソードオフガスの圧力によって、イオン交換室Ａ３に貯溜されている水分が、イオン交換されずに、そのまま車外に排出されることを防止できるようなっている。すなわち、イオン交換室Ａ３に流れ込む水に含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）が、イオン交換樹脂６２において、効率的にイオン交換されるようになっている。
なお、これらのことは、連通孔５３ｂを介して連通しているものの、壁部５３によって区画されている希釈室Ａ２とイオン交換室Ａ３との関係においても、同様である。
【００４７】
［希釈器−希釈室］
希釈室Ａ２は、パージ弁２４が開かれた場合に配管２４ｂを介して導入されるアノードオフガス中の水素を、気液分離後のカソードオフガス（希釈用ガス）で希釈するための空間である。気液分離後のカソードオフガスの一部は、配管５５に形成された連通孔５５ａ（図２では２つ）を介して、希釈室Ａ２に流れ込むようになっている。そして、希釈後のガスは、配管５５を流れるカソードオフガスによって、連通孔５５ａを介して、配管５５内に吸い込まれ、その後、配管５５内でも希釈されながら、車外（外部）に排出されるようになっている（図１参照）。
【００４８】
また、アノードオフガス中の水蒸気（水分）や、気液分離室Ａ１で完全に気液分離されず、カソードオフガスに含まれる水蒸気（水分）が、希釈室Ａ２で結露することで生成する結露水は、希釈室Ａ２の下方の壁部５３に形成された連通孔５３ｂを通って、イオン交換室Ａ３に流れ込むようになっている。なお、イオン交換室Ａ３に流れ込む水には、陽イオン（金属イオン）や陰イオン（Ｆイオン）が含まれている。また、生成した水が、連通孔５３ｂに容易に流れ込むように、連通孔５３ｂ周りの壁部５３を漏斗状に傾斜してもよい。
【００４９】
各連通孔５３ｂには、連通孔５３ａと同様に、その大きさを可変する可変機構、詳細には、スライド自在のシャッタ５８と、シャッタ５８をＥＣＵ４５の指令に従ってスライドさせるアクチュエータ５９と、が設けられている。これにより、連通孔５３ｂの大きさを、シャッタ５８により可変可能となっている。例えば、燃料電池スタック１０の掃気時等、アノードオフガスに含まれる水蒸気（水分）が多量であると推定される場合、シャッタ５８は全開される設定となっている。また、イオン交換樹脂６２が過乾燥しないように、シャッタ５８を適宜に閉じる構成としてもよい。
【００５０】
また、希釈室Ａ２には、圧力センサ６０と、水素センサ６１とが設けられている。圧力センサ６０は、希釈室Ａ２における現在の圧力Ｐ１を検出するセンサであり、検出した圧力Ｐ１をＥＣＵ４５に出力するようになっている（図１参照）。水素センサ６１は、希釈室Ａ２における現在の水素濃度Ｃ１を検出するセンサであり、検出した水素濃度Ｃ１をＥＣＵ４５に出力するようになっている（図１参照）。
【００５１】
［希釈器−イオン交換室］
イオン交換室Ａ３は、気液分離室Ａ１及び希釈室Ａ２から流れ込む水（分離された水、結露水等）に含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）を除去するためのイオン交換樹脂６２（イオン交換器）が配置される空間である。イオン交換樹脂６２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、イオン交換室Ａ３に流れ込むイオン交換前の水のイオン（陽イオン、陰イオン）と、交換され、イオン交換後の排出水は、車外に排出されても問題の無い程度のＰＨ値になる。
【００５２】
イオン交換樹脂６２（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６２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。
【００５３】
そして、イオン交換室Ａ３に流れ込んだ水に含まれる陽イオン及び陰イオンは、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂の対イオンと交換することで、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂に吸着され、イオン交換室Ａ３に流れ込んだ水から除去された後、一時的に、イオン交換室Ａ３に貯溜されるようになっている。このようにイオン交換室Ａ３に貯溜される水の水位Ｌ１（現在の水量）は、水位センサ６３で検出され、ＥＣＵ４５に出力されるようになっている（図１参照）。
【００５４】
イオン交換室Ａ３の鉛直下方には、排水口６４が形成されており、排水口６４の下流には、配管６５ａ、常閉型の排水弁６５、配管６５ｂが接続されている。そして、ＥＣＵ４５によって、排水弁６５が開かれると、イオン交換室Ａ３のイオン交換後の水が、配管６５ａ等を介して車外に排出されるようになっている。なお、排水弁６５に代えて、又は加えて、（可変）オリフィスを備える構成としてもよい。
【００５５】
＜掃気系＞
図１に戻って説明を続ける。
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３１ａ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。
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（図示しない）によって検出されるシステム温度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、ＥＣＵ４５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。
【００５６】
＜ＩＧ＞
ＩＧ４２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、ＩＧ４２はＥＣＵ４５と接続されており、ＥＣＵ４５はＩＧ４２のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５７】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ４５（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、ＥＣＵ４５による具体的制御内容は、図３、図４のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。
【００５８】
≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム１の動作・効果を説明する。
【００５９】
＜通常発電−パージ弁：閉＞
まず、ＩＧ４２がＯＮされており、燃料電池スタック１０が運転者からの発電要求に応じて通常に発電している場合において、パージ弁２４が閉じているときの動作について、説明する。なお、燃料電池スタック１０の通常発電時（初期状態）において、排水弁６５は閉じられている。
【００６０】
カソード流路１２から排出された水蒸気を含むカソードオフガスは、配管３２ｃから気液分離室Ａ１に導入される。気液分離室Ａ１において、カソードオフガスは、気液分離板５４に吹き付けられ、これに含まれる水蒸気は結露し、分離される。その後、カソードオフガスは、配管５５を介して車外に排出される。
【００６１】
一方、結露することで生成した結露水や、カソードオフガスに最初から含まれていた結露水は、連通孔５３ａを介して、イオン交換室Ａ３に流れ込む。このように流れ込む結露水等に含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）は、イオン交換樹脂６２に吸着され、結露水等はイオン交換室Ａ３に一時的に貯溜される。これにより、カソードオフガスの水蒸気に含まれる金属イオン等のイオンが、そのまま車外に排出されることは防止される。
【００６２】
そして、ＥＣＵ４５は、水位センサ６３を介して、イオン交換室Ａ３に貯溜されている水の量を監視しながら、イオン交換室Ａ３が溢れないように、排水弁６５を適宜に開く。
【００６３】
＜通常発電−パージ弁：開＞
次に、ＩＧ４２がＯＮされており、燃料電池スタック１０が運転者からの発電要求に応じて通常に発電している場合において、パージ弁２４が間欠的に所定時間にて開かれたときの動作について、図３を参照して説明する。
【００６４】
なお、常閉型のパージ弁２４は、燃料電池スタック１０の単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧に下がり、循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）が多くなり、発電性能が低下したと判定された場合、ＥＣＵ４５の指令により開かれる。このようにパージ弁２４が開かれると、不純物（窒素、水蒸気）、水素、結露水等を含むアノードオフガスが、希釈器５０Ａの希釈室Ａ２に導入される。
【００６５】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ４５は、排水弁６５を継続して閉じたままとする。仮に、イオン交換室Ａ３に貯溜された水を排出するために排水弁６５を開いている場合、排水弁６５を閉じる。これにより、パージされた水素が、そのまま排水弁６５を介して外部に排出されることを防止できる。
【００６６】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ４５は、圧力センサ６０を介して検出される希釈室Ａ２の現在の圧力Ｐ１が、所定圧力Ｐ０以下であるか否か判定する。所定圧力Ｐ０は、この後、排水弁６５を開いたとしても、希釈室Ａ２に導入された水素が、希釈されずにそのまま、イオン交換室Ａ３、排水口６４、配管６５ａ、排水弁６５等を介して、車外に排出されないと判断される圧力に設定される。このような所定圧力Ｐ０は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ４５に予め記憶されている。
【００６７】
現在の圧力Ｐ１が、所定圧力Ｐ０以下であると判定された場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４５の処理は、ステップＳ１０３に進む。
一方、現在の圧力Ｐ１が、所定圧力Ｐ０以下でないと判定された場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ４５はステップＳ１０２の判定を繰り返す。この場合、排水弁６５は、閉じたまま維持される。これにより、水素はイオン交換室Ａ３、排水弁６５を介して車外に排出されず、希釈室Ａ２で希釈された後、連通孔５５ａを介して、配管５５内に流れ込み、配管５５内において、さらに希釈された後、車外に排出される。
【００６８】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ４５は、排水弁６５を開く。これにより、パージ弁２４が開かれることで、希釈室Ａ２を介して、イオン交換室Ａ３に貯溜されている水等が、排水弁６５を介して車外に排出される。そして、排水弁６５は、所定時間の間、開かれた後、閉じられる。
その後、ＥＣＵ４５の処理は、エンドに進む。
【００６９】
＜システム停止時の動作−希釈器の掃気＞
次に、ＩＧ４２がＯＦＦされた場合の動作について、図４を参照して説明する。なお、ＩＧ４２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。
【００７０】
ＩＧ４２がＯＦＦされると、図４に示すシステム停止時における制御処理がスタートし、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ４５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。
【００７１】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ４５は、燃料電池スタック１０を掃気する。具体的には、ＥＣＵ４５は、コンプレッサ３１を作動させたまま、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３３、掃気弁４１、及び、パージ弁２４を開く。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５０Ａに押し出され、燃料電池スタック１０が掃気される。
【００７２】
そして、所定時間の経過後、掃気弁４１及びパージ弁２４を閉じる。所定時間は、燃料電池スタック１０を掃気するために必要な時間であり、燃料電池スタック１０の大きさ、コンプレッサ３１から吐出される掃気ガスの吐出流量（Ｌ／分）等に関係し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ４５に予め記憶されている。
なお、燃料電池スタック１０の掃気については、このようにアノード流路１１とカソード流路１２とを同時に並行して掃気する方式に限定されず、例えば、まず、アノード流路１１を掃気した後、続いて、カソード流路１２を掃気する方式でもよい。
【００７３】
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ４５は、希釈器５０Ａの掃気（換気）を開始する。具体的には、ＥＣＵ４５は、バイパス弁３３を開いたまま、コンプレッサ３１を継続して作動させると共に、排水弁６５を開く（Ｓ２０４）。このとき、コンプレッサ３１の回転速度を、希釈器５０Ａの大きさ等に基づいて予め設定された回転速度に変更してもよい。
【００７４】
そうすると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、バイパス弁３３、カソード流路１２等を介して、希釈器５０Ａの気液分離室Ａ１に導入される（図２参照）。これにより、気液分離室Ａ１に残留するガスや水分（水蒸気、結露水等）は、配管５５や、連通孔５３ａを介してイオン交換室Ａ３に、押し出される。
【００７５】
また、掃気ガスは、気液分離室Ａ１を介して、配管５５にも流れ込み、さらに、掃気ガスの一部は配管５５の連通孔５５ａを介して、希釈室Ａ２に流れ込む。希釈室Ａ２に流れ込んだ掃気ガスは、希釈室Ａ２に残留するガス（水素等）や、水分（水蒸気等）を、連通孔５３ｂを介して、イオン交換室Ａ３に押し出す。なお、希釈室Ａ２に残留するガスや水分の一部は、配管５５を流れる掃気ガスによって、連通孔５５ａを介して、配管５５内に吸引され、車外に排出される。
【００７６】
さらに、イオン交換室Ａ３に貯溜されている水、気液分離室Ａ１及び／又は希釈室Ａ２からイオン交換室Ａ３に流れ込んだガス、水は、排水口６４、配管６５ａ、排水弁６５、配管６５ｂを介して、車外に排出される。ここで、前記貯溜されている水、及び、流れ込む水に含まれるイオン（陽イオン、陰イオン）は、イオン交換樹脂６２に吸着されるので、これらイオンがそのまま車外に排出されることは、防止される。
【００７７】
さらにまた、掃気ガスが、気液分離室Ａ１及び希釈室Ａ２から、イオン交換室Ａ３にも流れ込む。このように流れ込む掃気ガスは、イオン交換室Ａ３内の水、ガスを押し出し、イオン交換室Ａ３を掃気する。
【００７８】
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ４５は、水位センサ６３を介して検出されるイオン交換室Ａ３内の現在の水位Ｌ１が、所定水位Ｌ０以下であるか否か判定する。所定水位Ｌ０は、イオン交換室Ａ３の水が押し出され、イオン交換室Ａ３の掃気が完了したと判断される水位であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ４５に予め記憶されている。
その他、現在の水位Ｌ１に基づく判定に代えて、例えば、ステップＳ２０４で排水弁６５を開いた後、所定時間が経過した場合、イオン交換室Ａ３内の水は排出され、イオン交換室Ａ３の掃気が完了したと判定する構成としてもよい。
【００７９】
現在の水位Ｌ１が所定水位Ｌ０以下であると判定された場合（Ｓ２０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４５の処理はステップＳ２０６に進む。一方、現在の水位Ｌ１が所定水位Ｌ０以下でないと判定された場合（Ｓ２０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ４５はステップＳ２０５の判定を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ４５は、水素センサ６１を介して検出される希釈室Ａ２の現在の水素濃度Ｃ１が、所定水素濃度Ｃ０以下であるか否か判定する。所定水素濃度Ｃ０は、希釈室Ａ２の水素が掃気によって排出されたと判断される水素濃度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ４５に予め記憶されている。
【００８１】
現在の水素濃度Ｃ１が所定水素濃度Ｃ０以下であると判定された場合（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４５の処理はステップＳ２０７に進む。一方、現在の水素濃度Ｃ１が所定水素濃度Ｃ０以下でないと判定された場合（Ｓ２０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ４５はステップＳ２０６の判定を繰り返す。
ただし、希釈器５０Ａの掃気が完了したか否かの完了判定は、このように希釈室Ａ２の水素濃度Ｃ１に基づく方法に限らず、例えば、ステップＳ２０３における希釈器５０Ａの掃気開始後、掃気が完了したと判断される所定時間が経過した場合、掃気が完了したと判定する構成としてもよい。
【００８２】
ステップＳ２０７において、ＥＣＵ４５は、排水弁６５を閉じる。
続いて、ステップＳ２０８において、ＥＣＵ４５は、希釈器５０Ａの掃気を完了させる。具体的には、ＥＣＵ４５は、コンプレッサ３１を停止し、バイパス弁３３を閉じる。
その後、ＥＣＵ４５の処理はエンドに進む。
【００８３】
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。
【００８４】
例えば、図５に示すように、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、燃料電池スタック１０をバイパスして、希釈室Ａ２に直接導入される希釈器５０Ｂを備える燃料電池システム２でもよい。さらに説明すると、配管３１ａの途中は、配管３４ａ、常閉型のバイパス弁３４、配管３４ｂを介して、希釈室Ａ２に接続されている。そして、ＥＣＵ４５によりバイパス弁３４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、配管３４ａ等を介して、希釈室Ａ２に導入され、希釈室Ａ２の水素が速やかに希釈されるようになっている（図６参照）。
【００８５】
バイパス弁３４は、例えば、希釈室Ａ２における現在の水素濃度Ｃ１が、コンプレッサ３１から希釈室Ａ２に空気を直接導入すべき水素濃度以上である場合に開かれる。その他、パージ弁２４を開くことに連動して、バイパス弁３４を開く構成としてもよいし、希釈室Ａ２を掃気する場合、バイパス弁３４を開く構成としてもよい。
また、バイパス弁３４に代えて、流量０（Ｌ／分）を含めて流量を制御可能な流量制御弁を設けて、現在の水素濃度Ｃ１に対応して、コンプレッサ３１から希釈室Ａ２に直接導入される空気の流量を制御する構成としてもよい。
【００８６】
その他に例えば、図７に示す希釈器５０Ｃでもよい。希釈器５０Ｃは、図２の希釈器５０Ａの構成に加えて壁部６６を備えており、壁部６６によって、図２のイオン交換室Ａ３は、イオン交換室Ａ４とイオン交換室Ａ５とに区画されている。すなわち、イオン交換室Ａ４は、気液分離室Ａ１から水（分離された水、結露水等）が流れ込む空間であり、イオン交換室Ａ５は、希釈室Ａ２から水（結露水等）が流れ込む空間であり、イオン交換室Ａ４とイオン交換室Ａ５とは独立しており、イオン交換樹脂６２がそれぞれ設けられている。
【００８７】
イオン交換室Ａ４及びイオン交換室Ａ５の下方には、排水口６４がそれぞれ設けられており、排水口６４の下流には、配管６５ａ、排水弁６５、配管６５ｂがそれぞれ接続されている。また、イオン交換室Ａ４及びイオン交換室Ａ５には、水位センサ６３がそれぞれ設けられており、各水位センサ６３は、検出した現在の水位Ｌ１をＥＣＵ４５に出力するようになっている。そして、ＥＣＵ４５は、入力される現在の水位に基づいて、排水弁６５、６５を独立して適宜に制御するようになっている。
【００８８】
このような希釈器５０Ｃによれば、気液分離室Ａ１で生成した水等はイオン交換室Ａ４に貯溜され、希釈室Ａ２で生成した結露水等はイオン交換室Ａ５で貯溜される。すなわち、カソードオフガスの水蒸気等に含まれるイオンは、主に、イオン交換室Ａ４に向かい、アノードオフガスの水蒸気等に含まれるイオンは、主に、イオン交換室Ａ５に向かう。したがって、カソードオフガス、アノードオフガスに含まれるイオンの種類（陽イオン、陰イオン）、量に応じて、イオン交換樹脂６２を構成する陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂の種類、量を設定することで、カソードオフガス、アノードオフガスに含まれるイオンを、好適に吸着することができる。
【００８９】
また、図８に示す希釈器５０Ｄでもよい。希釈器５０Ｄは、気液分離室Ａ１（図２参照）を備えておらず、希釈器５０Ｄ内は、壁部５３により、希釈室Ａ６とイオン交換室Ａ３とに区画されている。カソードオフガスは、配管３２ｃから配管５５に流れ込み、連通孔５５ａを介して、希釈室Ａ６に流れ込む。一方、アノードオフガスは配管２４ｂからの希釈室Ａ６に流れ込み、カソードオフガスで希釈されるようになっている。そして、希釈室Ａ６で生成した水（結露水等）は、連通孔５３ｂを介して、イオン交換室Ａ３に流れ込むようになっている。
【００９０】
また、図９に示す希釈器５０Ｅでもよい。希釈器５０Ｅは、図７の希釈器５０Ｃから希釈室Ａ２とイオン交換室Ａ５とを区画する壁部５３を取り除いた構成であり、希釈室Ａ２の底部に、イオン交換樹脂６２が配置された構成となっている。すなわち、希釈室Ａ２とイオン交換室Ａ３とが壁部５３によって区画されていない。
この点については、気液分離室Ａ１とイオン交換室Ａ４とを区画する壁部５３についても同様であり、この壁部５３を備えず、気液分離室Ａ１の底部にイオン交換樹脂６２が配置された希釈器でもよい。
【００９１】
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】
【００９２】
【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】本実施形態に希釈器の縦断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが通常に発電している場合にパージ弁が開かれたときの動作を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの停止時（希釈器の掃気時）の動作を示すフローチャートである。
【図５】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６】変形例に係る希釈器の縦断面図である。
【図７】変形例に係る希釈器の縦断面図である。
【図８】変形例に係る希釈器の縦断面図である。
【図９】変形例に係る希釈器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
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）
２４    パージ弁（導入弁）
３１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）
３２    加湿器
４５    ＥＣＵ（制御手段）
５０Ａ〜５０Ｅ  希釈器
５２、５３  壁部
５３ａ、５３ｂ  連通孔
５６、５８  シャッタ（可変機構）
５７、５９  アクチュエータ（可変機構）
６０    圧力センサ
６１    水素センサ
６２    イオン交換樹脂（イオン交換器）
６３    水位センサ
６４    排水口
６５    排水弁
Ａ１    気液分離室
Ａ２、Ａ６  希釈室
Ａ３〜Ａ５  イオン交換室
【図１】
2009158395.tif 000003
【図２】
2009158395.tif 000004
【図３】
2009158395.tif 000005
【図４】
2009158395.tif 000006
【図５】
2009158395.tif 000007
【図６】
2009158395.tif 000008
【図７】
2009158395.tif 000009
【図８】
2009158395.tif 000010
【図９】
2009158395.tif 000011