(57)【要約】【課題】パージガスを希釈処理するために要する容積を小さくすることができるとともに、大気中に排出される排気ガス中の水素濃度を基準値以下にする。【解決手段】燃料電池のパージガスが流通するパージガス用配管３６には膨張室３７が設けられ、膨張室３７より上流側にパージ用開閉弁３８が設けられるとともに膨張室３７より下流側に希釈弁３１が設けられている。そして、希釈弁３１にはその内部に希釈弁３１からの水の排出を許容する開位置と、希釈弁３１からの水の排出を遮断する閉位置とに移動可能な軸状の弁部材５１と、弁部材５１を開位置に向けて付勢するコイルバネ５５とが設けられている。そして、弁部材５１が閉位置に移動した状態で、オフガスが第１貫通孔６０を流通するとともに、第２貫通孔６１を経由してパージガスを第１貫通孔６０において流通するオフガスと合流させ、そのうえで希釈弁３１から排出させる。【選択図】図２
2009021075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されるアノードパージガスの希釈処理を行う燃料電池の排出ガス処理システムにおいて、
大気中に排気される前記燃料電池のアノードパージガスが流通するパージガス用配管と、
前記パージガス用配管に設けられたパージ用開閉弁と、
前記パージ用開閉弁より下流側のパージガス用配管に設けられるとともに、前記パージ用開閉弁から放出されたアノードパージガスを膨張させる膨張室と、
前記パージ用開閉弁より下流側の前記パージガス用配管に設けられ、前記膨張室を経由したアノードパージガスの排出を制御する希釈弁と、
希釈用ガスを前記希釈弁に導く導入配管と、
前記希釈弁からの水の排出を許容する開位置と、前記希釈弁からの水の排出を遮断する閉位置とに移動可能な弁部材と、
前記開位置に向けて前記弁部材を付勢する付勢手段と、を備え、
前記弁部材は前記付勢手段の付勢力に打ち勝つ流体圧が作用すると前記閉位置に移動し、
前記希釈弁には、前記希釈弁内に導入された希釈用ガスが排出される際に通る希釈用ガス流路、及び前記希釈用ガス流路の流路面積より流路面積が小さいアノードパージガス流路が設けられ、
前記希釈弁は、前記弁部材が前記閉位置に移動した状態で前記アノードパージガス流路を介してアノードパージガスを希釈用ガスと合流させた後に排出することを特徴とする燃料電池の排出ガス処理システム。
【請求項２】
前記希釈用ガス流路は前記弁部材に設けられるとともに前記弁部材の軸心に沿って延びる第１貫通孔によって構成され、
前記アノードパージガス流路は前記弁部材の軸心に交差するように延び、前記第１貫通孔と連通する第２貫通孔によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理システム。
【請求項３】
前記パージ用開閉弁から前記希釈弁までの間における前記パージガス用配管内の圧力状態を検出可能な圧力検出手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の排出ガス処理システム。
【請求項４】
前記膨張室は前記パージ用開閉弁と前記希釈弁との間におけるパージガス用配管に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池の排出ガス処理システム。
【請求項５】
前記希釈弁の内部には、前記パージガス用配管と連通しアノードパージガス及び希釈用ガスに含まれる水分を貯留可能な貯水室が設けられ、
前記貯水室が前記膨張室を兼ねることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池の排出ガス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノードから排出されたアノードパージガスを希釈処理する燃料電池の排出ガス処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、カソードに酸素を直接使用する代わりに空気を供給して空気中の酸素と水素とを反応させることによって電気エネルギーを生成する技術が一般的に用いられている。そして、カソードで生成した水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池が運転を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、一般に燃料電池システムでは、アノードに溜まった水分及び窒素を水素ガスと共に排出するアノードパージが行われているが、アノードパージを行う際に発生したアノードパージガス（以下、パージガスと記載する。）を大気中に直接排気すると、水素濃度が高くなるおそれがある。
【０００３】
そこで、従来、パージガスに含まれる水素ガスの濃度を大気中に排気しても安全な濃度にまで下げるため、パージ時に燃料電池から排出された水素（燃料）を燃料電池から排出された空気によって希釈する排出燃料希釈式燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された排出燃料希釈式燃料電池システムでは、燃料電池から排出される水素が通流され滞留する滞留領域と、燃料電池から排出された空気が通流される希釈領域とが内部に区画されたＢＯＸ状の排出燃料希釈器が設けられている。そして、排出燃料希釈器においては滞留領域に滞留する水素が通流部を介して希釈領域に通流して希釈領域内の空気と混合するため、排出燃料希釈式燃料電池システムでは水素の燃料濃度が燃焼下限界以下に希釈されてから車外に排気される。
【特許文献１】特開２００３−１３２９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載された排出燃料希釈器では、水素が通流されて滞留する滞留領域及び空気が通流する希釈領域の両方を形成するための容積を確保する必要があり、その分だけ排出燃料希釈器が大型になる。そのため、パージガスを希釈処理するために特許文献１に記載された排出燃料希釈器を用いると、燃料電池の排出ガス処理システム内に大きな容積を確保する必要があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、パージガスを希釈処理するために要する容積を小さくすることができるとともに、大気中に排出される排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる燃料電池の排出ガス処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は燃料電池から排出されるアノードパージガスの希釈処理を行う燃料電池の排出ガス処理システムにおいて、大気中に排気される前記燃料電池のアノードパージガスが流通するパージガス用配管と、前記パージガス用配管に設けられたパージ用開閉弁と、前記パージ用開閉弁より下流側のパージガス用配管に設けられるとともに、前記パージ用開閉弁から放出されたアノードパージガスを膨張させる膨張室と、前記パージ用開閉弁より下流側の前記パージガス用配管に設けられ、前記膨張室を経由したアノードパージガスの排出を制御する希釈弁と、希釈用ガスを前記希釈弁に導く導入配管と、前記希釈弁からの水の排出を許容する開位置と、前記希釈弁からの水の排出を遮断する閉位置とに移動可能な弁部材と、前記開位置に向けて前記弁部材を付勢する付勢手段と、を備え、前記弁部材は前記付勢手段の付勢力に打ち勝つ流体圧が作用すると前記閉位置に移動し、前記希釈弁には、前記希釈弁内に導入された希釈用ガスが排出される際に通る希釈用ガス流路、及び前記希釈用ガス流路の流路面積より流路面積が小さいアノードパージガス流路が設けられ、前記希釈弁は、前記弁部材が前記閉位置に移動した状態で前記アノードパージガス流路を介してアノードパージガスを希釈用ガスと合流させた後に排出することを要旨とする。
【０００７】
この発明では、燃料電池の運転時に導入配管を介して希釈弁にカソードオフガスが導入されることで、弁部材はカソードオフガスから流体圧をうけて閉位置に移動し、水分の排出を遮断する、一方、パージ用開閉弁から膨張室に放出されたアノードパージガスは膨張室で膨張して圧力が低下する。そして、弁部材が閉位置にあるため、アノードパージガスはアノードパージガス流路に流入した後、カソードオフガスと合流し、そのうえで排出される。ここで、弁部材が閉位置に位置しているときアノードパージガス流路を流れてカソードオフガスと合流するアノードパージガスの量は制限されるため、パージ用開閉弁から放出されたアノードパージガスは少しずつカソードオフガスと合流することになる。したがって、アノードパージガス流路の流路面積とカソードオフガスの流路面積との比を調整することで、アノードパージガスの水素濃度が基準濃度以下となるような割合でアノードパージガスとカソードオフガスとを合流させ、大気中に排出する際には水素濃度が基準濃度以下となるまで希釈したうえで排出することができる。そのため、従来のように大きな容積からなる希釈器を設けなくともよいためアノードパージガスを希釈処理するために要する容積を小さくすることができ、なおかつ、アノードパージガスの水素濃度を基準濃度以下にして大気中に排気することができる。
【０００８】
また、燃料電池の運転中、弁部材は閉位置に位置しているため、希釈用ガスやアノードパージガスに含まれる水分は希釈弁の内部や膨張室に溜まるが、燃料電池の運転が停止すると弁部材が付勢手段によって付勢され開位置に移動する。したがって、燃料電池の運転中に希釈弁の内部や膨張室に溜まった水は、燃料電池の運転停止時に希釈弁から排出させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記希釈用ガス流路は前記弁部材に設けられるとともに前記弁部材の軸心に沿って延びる第１貫通孔によって構成され、前記アノードパージガス流路は前記弁部材の軸心に交差するように延び、前記第１貫通孔と連通する第２貫通孔によって構成されていることを要旨とする。
【００１０】
この発明では、希釈用ガス流路を流れる希釈用ガスの流量を第１貫通孔の径の大きさによって調整でき、アノードパージガス流路を流れるアノードパージガスの流量を第２貫通孔の径の大きさによって調整できる。したがって、第１貫通孔の径と第２貫通孔の径との比によって、希釈用ガスと合流するアノードパージガスの割合をコントロールすることができる。そのため、例えば、弁部材の端部に切り欠きを形成することでアノードパージガス流路を設け、そのアノードパージガス流路を流れるアノードパージガスの量をコントロールする場合に比べて希釈用ガスと合流するアノードパージガスの割合を容易に水素濃度が基準濃度以下となるような割合に設定することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記パージ用開閉弁から前記希釈弁までの間における前記パージガス用配管内の圧力状態を検出可能な圧力検出手段が設けられていることを要旨とする。
【００１２】
この発明では、パージ用開閉弁が開故障している場合にはパージ用開閉弁を閉じるように制御してもパージ用開閉弁からアノードパージガスが漏れるため、弁部材が閉位置に位置している状態では圧力検出手段は正常値より高い圧力値を検出する。したがって、パージ用開閉弁を閉じる制御を行っているにも拘わらず、圧力検出手段から検出される圧力値が正常値より高い場合には、パージ用開閉弁が開故障していることを検知できる。
【００１３】
なお、「パージ用開閉弁の開故障」とは、例えば、パージ用開閉弁の弁が凍結やごみ詰まりによって開きっぱなしで固着して、制御手段によって指令しても弁を閉じることができない状態を意味する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記膨張室は前記パージ用開閉弁と前記希釈弁との間におけるパージガス用配管に設けられていることを要旨とする。
【００１５】
希釈弁の内部に膨張室を設けるとその分だけ希釈弁の体格が大きくなるが、この発明では、パージガス用配管に膨張室が設けられているため、希釈弁が大型化することを回避できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記希釈弁の内部には、前記パージガス用配管と連通しアノードパージガス及び希釈用ガスに含まれる水分を貯留可能な貯水室が設けられ、前記貯水室が前記膨張室を兼ねることを要旨とする。
【００１７】
この発明では、貯水室と膨張室とを一つの希釈弁にまとめて設けることができるため、貯水室と膨張室とを別々に設ける場合に比べて燃料電池システムをコンパクトにすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アノードパージガスを希釈処理するために要する容積を小さくすることができ、なおかつ、大気中に排出される排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は電力発電を行う発電装置として構成されるとともに、燃料電池フォークリフトに搭載されている。燃料電池システム１１は、水素供給源としての二つの水素タンク１２から供給される水素とコンプレッサ１３から供給される空気中の酸素とを化学反応させることによって直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する固体高分子型の燃料電池１４を備えている。
【００２０】
各水素タンク１２にはそれぞれ内部と連通する図示しない水素供給口に対して第１及び第２水素供給配管１５，１６が接続されている。そして、第１及び第２水素供給配管１５，１６にはそれぞれ水素タンク用遮断弁１７と水素タンク用調圧弁１８とが一つずつ設けられるとともに、第１水素供給配管１５と第２水素供給配管１６とは水素タンク用調圧弁１８より下流側で合流し配管１９を介して燃料電池１４の水素供給ポート（図示せず）に接続される。
【００２１】
配管１９には上流側から順に第１調圧弁２０、遮断弁２１、第２調圧弁２２が設けられている。第１調圧弁２０は水素タンク１２から供給された水素を中圧にまで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁として構成されている。遮断弁２１は制御装置２３から入力される指令に基づいて開閉が制御される電磁弁であり、燃料電池１４への水素の供給／停止を制御するように構成されている。第２調圧弁２２は第１調圧弁２０及び遮断弁２１を通過した水素を低圧にまで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁として構成されている。
【００２２】
また、加圧手段としてのコンプレッサ１３は、その吐出口（図示せず）が配管２４を介して加湿器２６に接続されている。なお、コンプレッサ１３と加湿器２６との間の配管２４にはエアフィルタ２５が設けられており、コンプレッサ１３から吐出された空気はエアフィルタ２５によって塵、埃等が除去されたうえで加湿器２６に供給されている。
【００２３】
加湿器２６は供給管２７を介して燃料電池１４の酸素供給ポート（図示せず）に接続され、排出管２８を介してオフガス排出ポート（図示せず）に接続されている。排出管２８には調圧バルブ２９が設けられ、オフガス排出ポートから排出されるオフガスの圧力を一定の圧力に設定する圧力制御弁として構成されている。調圧バルブ２９より上流側の排出管２８からは導入配管として分岐配管３０が分岐され、燃料電池１４のオフガス排出ポート（図示せず）は分岐配管３０を介して希釈弁３１と接続されている。
【００２４】
そして、コンプレッサ１３がモータ３２によって駆動されると、コンプレッサ１３はエアフィルタ３３を介して大気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧した後、加湿器２６で加湿して、燃料電池１４の酸素供給ポート（図示せず）に供給される。また、燃料電池１４のカソード（図示せず）からの希釈用ガスとしてのカソードオフガス（以下、オフガスと記載する。）は排出管２８を介して加湿器２６に排出され、一部は分岐配管３０を介して希釈弁３１に導入される。
【００２５】
また、加湿器２６には燃料電池１４のオフガスを気液分離器３４にまで導く排出管３５が接続されている。すなわち、排出管３５はその第１端部が加湿器２６に接続されるとともにその第２端部が気液分離器３４に接続されている。
【００２６】
燃料電池１４の水素排出ポート（図示せず）にはパージガス用配管３６の第１端部が接続されている。パージガス用配管３６には膨張室３７が設けられるとともに、膨張室３７より上流側にはパージ用開閉弁（アノードパージバルブ）３８が設けられ、膨張室３７より下流側にはパージ用開閉弁３８から放出されたパージガスの排出を制御する希釈弁３１が設けられている。パージガス用配管３６はその第２端部が排出管３５に接続されるとともに、希釈弁３１から排出された排出ガスを排出管３５の途中部分に導入して排出管３５を流れるオフガスと合流させ、オフガスと共に気液分離器３４に供給するように構成されている。
【００２７】
膨張室３７は一回のパージでパージ用開閉弁３８から放出されるパージガスの圧力を約半分に低下させた状態で滞留させることができる容積を確保している。膨張室３７は希釈弁３１の内部に設けられた貯水室３９（図２参照）とパージガス用配管３６を介して連通されている。
【００２８】
パージ用開閉弁３８は制御装置２３からの指令にしたがって開閉が行われ、例えば、１０〜３０ｓに１回の間隔で開放される。
気液分離器３４は排気配管４０を介してマフラ４１に接続されるとともに、排水配管４２を介して図示しない排水タンクに接続されている。気液分離器３４は、パージガス用配管３６から供給されたオフガスとパージガスとの混合ガスから水分を分離し、水分が分離されたガスをマフラ４１に排出し、分離した水分を排水配管４２に排水する。なお、本実施形態における燃料電池１４の排出ガス処理システムはパージガス用配管３６、排出管２８，３５、分岐配管３０、膨張室３７、パージ用開閉弁３８、調圧バルブ２９、希釈弁３１、膨張室３７から構成されている。
【００２９】
次に、燃料電池システム１１に用いられる希釈弁３１の具体的な構造について説明する。
希釈弁３１はその外殻が第１ボディ部４３、第２ボディ部４４、及びエンドプレート４５を下から順に接合されることで構成されたハウジング４６によって構成されている。ハウジング４６にはその内部に希釈弁３１から水をパージガス用配管３６に排出させる開位置と希釈弁３１からの水の排出を遮断する閉位置とに移動可能な軸状の弁部材５１が収容されている。
【００３０】
第１ボディ部４３にはその側部にパージガス導入ポート４７が設けられるとともに、パージガス導入ポート４７においてパージガス用配管３６が接合されている。第１ボディ部４３にはその底部からパイプ状で排出ポートとしての第１接続部４９が延設され、第１接続部４９はパージガス用配管３６に接合されている。そして、第１接続部４９の開口は、希釈弁３１内に流入してきたパージガスやオフガスをパージガス用配管３６に排出する排出口４９ａを構成する。第１ボディ部４３には貯水室３９側に隆起した突条の弁座部５８が閉位置に移動した弁部材５１と当接する位置に設けられている。また、エンドプレート４５にはパイプ状で希釈用ガス導入ポートとしての第２接続部５０が延設されるとともに、第２接続部５０は分岐配管３０に接合されている。
【００３１】
弁部材５１はその第１ボディ部４３側の第１端部が、弾性体からなるとともに弁座部５８に着座した場合に弁部材５１に付与される衝撃を和らげる機能を有する緩衝部５３として構成されている。また、弁部材５１はそのエンドプレート４５側の第２端部が鍔状の受圧部５２として形成されている。受圧部５２は第２接続部５０を介して分岐配管３０と連通する背圧室５６内に収容されている。弁部材５１にはその中間部分にフッ素樹脂製のガイドリング５４が二つ環装されるとともに、二つのガイドリング５４を介して第２ボディ部４４に設けられたガイド部４４ａによってハウジング４６の軸線方向に往復移動可能な状態で支持されている。なお、各ガイドリング５４には、それぞれ背圧室５６に流入した水を貯水室３９に排水するための図示しない切れ目が設けられている。弁部材５１の軸方向において受圧部５２とガイド部４４ａとの間にはコイルバネ５５が介装され、弁部材５１はコイルバネ５５によって貯水室３９と排出口４９ａとを連通させ開位置に向わせる方向、すなわちエンドプレート４５側に付勢されている。なお、本実施形態においては、燃料電池１４の運転中に背圧が弁部材５１に作用すると弁部材５１がコイルバネ５５の付勢力に打ち勝って閉位置に移動するように、コイルバネ５５の付勢力は予め実験あるいは理論的に求めて設定されている。
【００３２】
貯水室３９はパージガス導入ポート４７を介して膨張室３７と連通するとともに、第１接続部４９を介して希釈弁３１より下流側のパージガス用配管３６と連通している。貯水室３９は背圧室５６より大きい容積を有するとともに、貯水室３９を区画する第１ボディ部４３の側部には貯水室３９内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ５７が取り付けられている。
【００３３】
背圧室５６は燃料電池１４の運転中に弁部材５１に対して背圧を付加し、弁部材５１を弁座部５８と当接させて貯水室３９と排出口４９ａとの間の直接的な連通を遮断させる。そして、燃料電池１４の運転中に背圧室５６に導入されたオフガスを排出口４９ａに導くために、背圧室５６において開口するとともに弁部材５１の第２端部から第１端部まで延びる希釈ガス用流路としての第１貫通孔６０が設けられている。
【００３４】
第１貫通孔６０は中心軸が弁部材５１の軸心Ｐと一致するように延びるとともに、大気中に排気される排気ガスの水素濃度を基準濃度以下（例えば、２％以下）にできるように、その径Ｔ１が予め実験あるいは理論的に求めて設定されている。また、弁部材５１の中間部分には第１貫通孔６０と途中部分で連通し弁部材５１の軸心Ｐと直交する第２貫通孔６１が設けられている。第２貫通孔６１はその径Ｔ２が大気中に排気される排気ガスの水素濃度を基準濃度以下（例えば、２％以下）にできるように予め実験あるいは理論的に求めて設定されおり、第１貫通孔６０の径Ｔ１より小さく形成されている。そして、第２貫通孔６１は弁部材５１が閉位置に移動している状態では、膨張室３７を経由して希釈弁３１から排出されるパージガスの流量を制限するように機能する。
【００３５】
ここで、第１貫通孔６０を単位時間当たりに流通するオフガスの流量及び第２貫通孔６１を単位時間当たりに流通するパージガスの流量はそれぞれ第１貫通孔６０の断面積（流路面積）及び第２貫通孔６１の断面積（流路面積）に左右される。そのため、第１貫通孔６０の断面積（流路面積）と第２貫通孔６１の断面積（流路面積）との比は、第２貫通孔６１を通過して第１貫通孔６０に合流したパージガスとカソードオフガスとの混合ガスの水素濃度が所定濃度以下（例えば、２％以下）となるように、予め実験あるいは理論的に求めて設定されている。具体的には、本実施形態では、例えば、第１貫通孔６０の径Ｔ１はΦ５に設定されるとともに、第２貫通孔６１の径Ｔ２はΦ１に設定されている。なお、図２及び図３で図示する第１貫通孔６０と第２貫通孔６１との径の比は、図面の都合上実際のものとは異なっている。
【００３６】
次に、前記のように構成された燃料電池システム１１の作用について説明する。
燃料電池システム１１は、燃料電池１４の運転時には、水素タンク１２から所定の加圧状態で水素が燃料電池１４のアノード（水素極）に供給される。また、コンプレッサ１３が稼動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１４のカソード（空気極）に供給される。アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して水を生成する。カソードで発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気と共にオフガスとして排出管２８を介して加湿器２６に排出され、気液分離器３４で水分が除去された後、大気中に排気される。
【００３７】
ここで、燃料電池１４の運転中、排出管２８を流れるオフガスはその一部が分岐配管３０によって分流され、分岐配管３０から背圧室５６にオフガスが導入されるため、背圧室５６の背圧がコイルバネ５５の付勢力に打ち勝つと弁部材５１は閉位置に移動する。弁部材５１が閉位置に移動すると弁座部５８と当接し、貯水室３９と排出口４９ａとの連通が遮断されるとともに、背圧室５６に導入されたオフガスは第１貫通孔６０を通って排出口４９ａから排出される。そして、燃料電池１４が運転を続けていると、カソードの水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、例えば、燃料電池１４が所定時間運転を継続した時点でパージ用開閉弁３８が開放されて、アノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共に膨張室３７に放出され、膨張室３７を通過した後、希釈弁３１に導入される。なお、パージ用開閉弁３８の１回の開放時間は短く（例えば、０．１秒以下）、例えば、１回の開放で５００［ｃｍ３］程度のパージガスが放出される。パージ用開閉弁３８の開放間隔（パージ間隔）は燃料電池１４の運転時間（発電量）に基づいて予め設定され、この実施形態では、例えば１０〜３０ｓに１回の間隔で開放される。パージ用開閉弁３８より上流側のパージガス用配管３６にはパージガスが流入しており、パージ用開閉弁３８から放出されたパージガスは膨張室３７に供給され、膨張室３７において膨張してパージガスの圧力が低減される。
【００３８】
ここで、膨張室３７内のパージガスが通過可能な流路は第２貫通孔６１だけであるため、図２の２点鎖線で示すようにパージガスは少しずつ第２貫通孔６１を通って第１貫通孔６０に流入する。第１貫通孔６０に流入したパージガスは第１貫通孔６０を流れるオフガスと合流したうえで排出口４９ａから希釈弁３１より下流側のパージガス用配管３６に排出される。そして、希釈弁３１から排出された排出ガス（パージガスとオフガスの混合ガス）はその水素濃度が基準濃度以下となっており、排出管３５を流れるオフガスと合流した後、気液分離器３４を経て水分が除去されてマフラ４１から大気中に排気される。
【００３９】
ここで、パージ用開閉弁３８から放出されたパージガスをまとめて希釈する場合には一回のパージガスの放出量に見合うだけのオフガスをまとめて供給する必要があるため、パージガス及びパージガスを希釈するオフガスを収容可能な領域（容積）を十分に確保しなければならない。ところが、希釈弁３１を用いれば、パージ用開閉弁３８から放出されたパージガスを少しずつ時間をかけて第１貫通孔６０でオフガスと合流させることで希釈しているため、従来のように大きな容積からなる希釈器を設けなくともよくオフガスを収容するための大きな容積を確保せずとも済む。そのため、希釈弁３１を設置する際にスペース的な制約をうけることは少なくなり希釈弁３１を配設可能な箇所が増えるため、燃料電池１４の排出ガス処理システムの設計自由度が向上する。
【００４０】
一方、燃料電池１４が運転を停止すると背圧室５６の背圧がコイルバネ５５の付勢力に打ち負け、図３に示すように、弁部材５１は開位置に移動して、貯水室３９（膨張室３７）と排出口４９ａとを連通させることで希釈弁３１からの水の排出を許容する。したがって、燃料電池１４の運転中に貯水室３９や膨張室３７に溜まった水は、燃料電池１４の運転停止時に希釈弁３１からパージガス用配管３６に排出させることができる。
【００４１】
ところで、パージ用開閉弁３８では凍結するやごみ詰まりによって弁が開きっぱなしで固着して、制御装置２３でパージ用開閉弁３８を閉じる指令を出力してもパージ用開閉弁３８を閉じることができない、いわゆる開故障という不具合が生じることがある。そこで、パージ用開閉弁３８の開故障を検知するための方法として、例えば、パージ用開閉弁３８より下流側の圧力を検出する圧力センサを設けるとともに圧力センサの検出対象箇所より下流側の配管を絞り部とする構成を採用し、パージ用開閉弁３８を閉じる指令を出力しているにも拘わらず圧力センサから正常値より高い値が入力されている場合にパージ用開閉弁３８が開故障していると判断する方法が考えられる。しかし、このような構成の場合、絞り部においてパージガスが流通する配管の径が小さくなることが原因で塵、埃等によって配管が目詰まりするおそれがあり、実際に燃料電池システムに適用することは難しかった。これに対して、希釈弁３１、及び希釈弁３１の貯水室３９内の圧力を検出する圧力センサ５７が設けられた構成では、パージガスが流通するパージガス用配管３６に絞り部を設ける必要はないためパージガス用配管３６におけるパージガスの流通に支障が生じることはない。そして、パージ用開閉弁３８が開故障した場合、パージ用開閉弁３８からパージガスが漏れて貯水室３９にまで流入して貯水室３９の圧力が上昇するため、圧力センサ５７からパージ用開閉弁３８が閉じている状態の正常値より高い圧力信号が検出されたことを制御装置２３に入力することで、制御装置２３にパージ用開閉弁３８が開故障していることを検知させることができる。
【００４２】
この実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池１４のパージガスが流通するパージガス用配管３６には希釈弁３１が設けられている。希釈弁３１にはその内部に軸状の弁部材５１と、弁部材５１を付勢するコイルバネ５５とが設けられている。そして、弁部材５１が閉位置に移動し貯水室３９と排出口４９ａとの連通を遮断した状態でオフガスが希釈用ガス流路（第１貫通孔６０）を流通するとともに、パージガスがアノードパージガス用流路（第２貫通孔６１）を経由して希釈用ガス流路に流れるオフガスと合流した後、希釈弁３１から排出される。したがって、希釈弁３１においてパージガスをオフガスと合流させることで、希釈弁３１から排出された排出ガスに含まれる水素の濃度を基準濃度以下にしたうえで大気中に排気することができる。
【００４３】
（２）弁部材５１に設けられた第２貫通孔６１の断面積（流路面積）は、第１貫通孔６０の断面積（流路面積）より小さくなるように形成されている。そして、弁部材５１によってパージガス用配管３６の流路を閉じている状態でパージガスは少しずつ第２貫通孔６１を経由してオフガスと合流する。したがって、容積が大きく、パージガスが滞留する領域及びオフガスが滞留する領域の両方を確保する希釈器を設けなくともよいため、燃料電池１４の排出ガス処理システムの設計自由度を向上させることができる。
【００４４】
（３）弁部材５１は、燃料電池１４の運転停止時には希釈弁３１からの水の排出を許容する開位置に移動し、燃料電池１４の運転時には希釈弁３１からの水の排出を遮断する閉位置に移動する。したがって、燃料電池１４の運転中に希釈弁３１の内部や膨張室３７に溜まった水は、燃料電池１４の運転停止時に希釈弁３１から排出させることができる。
【００４５】
（４）弁部材５１の軸心Ｐに沿うように延びる第１貫通孔６０によって希釈用ガス流路は構成されている。弁部材５１の軸心Ｐに直交するように延びる第２貫通孔６１によってアノードパージガス流路は構成されている。したがって、第１貫通孔６０の径Ｔ１の大きさによって単位時間当たりにおけるオフガスの流量を調整でき、第２貫通孔６１の径Ｔ２の大きさによって単位時間当たりにおけるパージガスの流量を調整できる。そして、第１貫通孔６０の径Ｔ１と第２貫通孔６１の径Ｔ２との比によって、オフガスと合流するパージガスの割合をコントロールすることができる。そのため、例えば、弁部材の端部に貯水室３９と排出口４９ａとを連通する切り欠き溝を形成し、その切り欠き溝をアノードパージガス流路として用いる場合に比べてパージガスの流量をコントロールし易く、オフガスと合流するパージガスの割合を水素濃度が基準濃度以下となる割合に設定することができる。
【００４６】
（５）貯水室３９内の圧力状態を検出する圧力センサ５７が設けられている。そして、貯水室３９はパージ用開閉弁３８と希釈弁３１との間におけるパージガス用配管３６と連通しているため、圧力センサ５７によって貯水室３９内の圧力からパージ用開閉弁３８と希釈弁３１との間におけるパージガス用配管３６の圧力状態を検出することができる。したがって、パージ用開閉弁３８を閉じる制御を行っているにも拘わらず、圧力センサ５７から検出される圧力値がパージ用開閉弁３８が閉じた状態における正常値より高い場合には、パージ用開閉弁３８が開故障していることを検知できる。
【００４７】
（６）膨張室３７はパージ用開閉弁３８と希釈弁３１との間におけるパージガス用配管３６に設けられている。したがって、希釈弁３１の内部に膨張室３７を設ける場合に比べて、希釈弁３１が大型化することを回避できる。
【００４８】
（７）希釈弁３１にはパージガス用配管３６と連通し、パージガスに含まれる水分を貯水可能な貯水室３９が設けられている。したがって、溜まった水を排出させる際に、パージガス用配管３６を経由させずに排出させることができるため、弁部材５１が開位置に移動したときに速やかに水を排出させることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態は、燃料電池の排出ガス処理システムに対する制御方法の一部が第１実施形態と異なり、燃料電池システムの構成は図１に示す第１実施形態と基本的に同様であるため、同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５０】
この実施形態の燃料電池システム１１では、燃料電池１４が長時間連続運転をする場合に好適な制御を行う。この実施形態の燃料電池システム１１では、燃料電池１４によって生成された電流量を計測する図示しない電流検出手段と、一時的に負荷（たとえば、モータ）に対して電力を供給可能なバックアップ用電力供給手段としての図示しないキャパシタとを備え、電流検出手段による検出結果は制御装置２３に入力されるように構成されている。なお、キャパシタと負荷とは電気的接続を切り換え可能な切り換え手段（例えば、スイッチ）を介して接続されている。そして、制御装置２３は、燃料電池１４の運転が停止するまで電流検出手段から検出された電流量を積算し、その積算値を制御装置２３が備える記憶手段としての図示しないメモリに記憶させるように構成されている。
【００５１】
次に、制御装置２３による燃料電池１４の排出ガス処理システムの制御方法について説明する。
燃料電池システム１１においては燃料電池１４が長時間（例えば、１２時間）連続運転すると貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれがあるため、燃料電池１４が運転している間、制御装置２３は電流量の積算値を演算する。そして、制御装置２３は、貯水室３９内の貯水量が貯水室３９の容量を上回る可能性が高いか否かの判断基準となる評価値として、例えば、貯水室３９における貯水量を推定可能な電流積算値を用いる。なお、評価値は予め実験あるいは理論的に求めて設定され、本実施形態では、貯水室３９の貯水量が貯水室３９の容量の３／４に達したと推定できる電流積算値が評価値として設定されている。制御装置２３は、演算した電流積算値が評価値を超えた場合には、貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれが高いと判断し燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御する。燃料電池システム１１を間欠モードで制御している間、制御装置２３は燃料電池１４を運転していない期間においてはキャパシタと負荷とを電気的に接続し、キャパシタから負荷に対して電力を供給する。このような制御を行えば、フォークリフトのような長時間連続して使用する場合もある装置に搭載した場合であっても貯水室３９における貯水量が容量を超える前に燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御し、燃料電池１４の運転を断続的に行わせる。このような制御を行えば、燃料電池１４が運転を休止している間、図３に示すように、弁部材５１を開位置にまで移動させることができ、貯水室３９内に貯留されている水を排出口４９ａから排出させることができる。
【００５２】
この実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（８）制御装置２３では貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれが高いと判断した場合には燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御する。したがって、燃料電池１４を断続的に休止させ貯水室３９内に貯留されている水を排出させることができるため、燃料電池システム１１を長時間連続運転した場合に起きる不具合を未然に回避できる。
【００５３】
（９）制御装置２３は、貯水室３９の容量を上回る可能性が高いか否かの判断基準となる評価値として電流積算値を用いる。そして、制御装置２３が演算した電流積算値が評価値を超えた場合には、貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれが高いと判断する。ここで、負荷の大きさが変動すると負荷の大きさの変動に伴って燃料電池１４で生成される水の量も変動する。ところが、燃料電池１４の連続運転時間を評価値として用いる場合、負荷の大きさの変動に伴う燃料電池１４における水の生成量の変動を考慮にいれることはできないため、貯水室３９における貯水量を正確に推定することはできない。これに対して、燃料電池１４の電流量は負荷の大きさの変動に伴って変動するため、貯水室３９の容量を上回る可能性が高いか否かの判断基準となる評価値として電流積算値を用いれば、負荷の大きさの変動に伴う燃料電池１４における水の生成量の変動を考慮にいれて貯水室３９における貯水量を正確に推定できる。
【００５４】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  第２実施形態において、バックアップ用電力供給手段としてキャパシタを用いる代わりに、バッテリをバックアップ用電力供給手段として用いてもよい。
【００５５】
○  第２実施形態において、燃料電池１４の連続運転時間から燃料電池１４の運転を休止させる制御を行うか否か判断する代わりに、貯水室内に貯留されている水の量を計測可能な水量計を設け、水量計によって計測される水量が限界水量（例えば、貯水室の容量の３／４）を超えた場合に制御装置２３が燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御するように構成してもよい。
【００５６】
○  第２実施形態において、制御装置２３は電流検出手段によって検出された電流量の積算値に基づいて貯水室３９の貯水量を推定する代わりに、燃料電池１４の連続運転時間を評価値として用いてもよい。この場合、例えば、制御装置２３内に燃料電池１４の運転制御を開始してからの時間を計測するタイマを設け、貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれが高いと判断される連続運転時間を評価値として設定する。そして、タイマの計測結果から燃料電池１４の連続運転時間を算出し、算出された連続運転時間が評価値に達した場合に燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御するように構成してもよい。
【００５７】
○  第２実施形態において、貯水室３９における貯水量が容量を超えるおそれが高いと判断した場合には、燃料電池システム１１を強制的に間欠モードで制御する代わりに、燃料電池システム１１を休止モードで制御して燃料電池１４の運転を一時的に休止させる制御を行ってもよい。この場合、燃料電池１４が一時的に停止している間、バックアップ用電力供給手段から電力の供給を行わせることで、負荷に対しては連続して電力供給を行うことができる。
【００５８】
○  弁部材５１に第１貫通孔６０を設ける代わりに、背圧室５６と第１接続部４９内とを連通する希釈用ガス流路としての連通路をハウジングに形成して、弁部材５１の周面から弁部材５１の第１端部まで真っ直ぐに延びるアノードパージガス流路としての第２通孔を形成してもよい。この場合、連通路を流れる単位時間当たりのオフガスの流量が第１実施形態における第１貫通孔６０の場合と同じとなるように、連通路の断面積（流路面積）を設定するとともに、第２貫通孔を流れる単位時間当たりのパージガスの流量が第１実施形態における第２貫通孔６１の場合と同じとなるように、第２通孔の断面積（流路面積）を設定する。このように構成すれば、弁部材５１が閉位置に移動し弁座部５８に当接した状態で第１接続部４９内においてパージガスとオフガスとが合流する。
【００５９】
○  アノードパージガス流路として第２貫通孔６１を設ける代わりに、弁部材５１が閉位置に移動した状態でパージガスをオフガスと合流させることが可能で、貯水室３９と第１接続部４９内とを連通するアノードパージガス流路としての切り欠き溝を弁部材５１の第１端部に対して設けてもよい。この場合、切り欠き溝を流れる単位時間当たりのパージガスの流量が第１実施形態における第２貫通孔６１の場合と同じとなるように、切り欠き溝の断面積（流路面積）を設定する。そして、弁部材５１が閉位置に移動し弁座部５８に当接した状態で、希釈弁３１内に流入したパージガスは切り欠き溝を通過した後、第１接続部４９内においてオフガスと合流して排出口４９ａから排出される。また、図４（ａ）に示すように、弁部材５１が閉位置に移動した状態でパージガスをオフガスと合流させることが可能で、貯水室３９と第１接続部４９内とを連通するアノードパージガス流路としての第２貫通孔６２を弁座部５８に対して設けてもよい。この場合、第２貫通孔６２を流れる単位時間当たりのパージガスの流量が第１実施形態における第２貫通孔６１の場合と同じとなるように、第２貫通孔６２の断面積（流路面積）を設定する。そして、弁部材５１が閉位置に移動し弁座部５８に当接した状態で、希釈弁３１内に流入したパージガスは第２貫通孔６２を通過した後、第１接続部４９内においてオフガスと合流して排出口４９ａから排出される。
【００６０】
○  圧力検出手段としての圧力センサ５７の検出対象を変更してもよい。パージ用開閉弁３８から希釈弁３１までの間で、かつ、パージ用開閉弁３８から放出されたパージガスが流入可能な箇所であれば、どの箇所を圧力センサ５７の検出対象としてもパージ用開閉弁３８の故障を検知することはできるため、例えば、膨張室３７内の圧力状態を検出する圧力センサを設けてもよい。そして、膨張室３７内の圧力状態からパージ用開閉弁３８が故障したか否かを判断してもよい。また、パージ用開閉弁３８と希釈弁３１との間におけるパージガス用配管３６内の圧力状態を検出する圧力センサを設け、パージ用開閉弁３８と希釈弁３１との間におけるパージガス用配管３６内の圧力状態からパージ用開閉弁３８が故障したか否かを判断してもよい。
【００６１】
○  膨張室を設ける箇所を変更してもよい。例えば、希釈弁３１に設けられた貯水室３９を拡張することで、容積をより大きくして、貯水室３９が膨張室を兼ねるように構成してもよい。このように構成すれば、貯水室と膨張室とを一つの希釈弁にまとめて設けることができるため、貯水室とは別に、例えばパージガス用配管に膨張室を設ける場合に比べて燃料電池システムをコンパクトにすることができる。
【００６２】
○  希釈弁３１の貯水室３９を省略してもよい。例えば、第１ボディ部の形状を変更して、図４（ｂ）に示すように、第２ボディ部４４と同じ外径で、かつ、内部においてガイドリング６３を介して弁部材５１を支持する第１ボディ部６４にしてもよい。この場合、第１ボディ部６４の側部で、かつ膨張室３７と排出口４９ａとの連通を遮断する閉位置に位置している弁部材５１に設けられたアノードパージガス流路と連通できる位置にパージガス導入ポート６５を設ける。そして、弁部材５１が閉位置に位置しているときには、パージガスがパージガス導入ポート６５を介してアノードパージガス流路に流入するように構成すればよい。そして、弁部材５１が開位置に移動したときには、背圧室５６の壁面に付着した水をガイドリング５４，６３に形成されている図示しない切れ目を介して排出口４９ａから排出させ、パージガス導入ポート６５を介して膨張室３７やパージガス用配管３６に溜まっている水を排出口４９ａから排出させる。
【００６３】
○  調圧バルブ２９を省略してもよい。例えば、コンプレッサから吐出する空気の吐出圧を調整すれば、それに伴って、燃料電池１４のオフガス排出ポートから排出されるオフガスの圧力も調整されるため、コンプレッサの吐出圧を調整することでオフガス排出ポートから排出されるオフガスの圧力を調整してもよい。
【００６４】
○  排出管２８から分岐配管３０を分岐させずに排出管２８を導入配管として構成し、オフガス排出ポートから排出されたオフガスを全て希釈弁３１に導入するように構成してもよい。
【００６５】
○  希釈用ガスとしてカソードオフガスを用いる代わりに、例えば、コンプレッサから吐出される空気を用いてもよい。この場合、エアフィルタ２５より下流側の配管２４から分岐した分岐配管を希釈弁３１に接続し、希釈用ガスとしての空気を希釈弁３１に導入する導入配管として構成してもよい。
【００６６】
○  付勢手段としてコイルバネ５５を用いる代わりにその他の部材を用いてもよい。例えば、付勢手段として蛇腹やゴムチューブを用い、弁部材５１に対して弁座部５８から離間させる方向の付勢力を加えてもよい。ただし、この場合、背圧室５６の壁面に付着した水をガイドリングの切れ目を介して貯水室３９に排水できるように、蛇腹やゴムチューブの底部に水が通過可能な通路を形成する必要がある。
【００６７】
○  水素タンク１２を設ける数を変更してもよい。例えば、水素タンクを一つだけ設けてもよいし、三つ以上設けてもよい。
○  燃料電池システムの水素源は、高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンクに限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すものであってもよい。また、水素源としてメタノール、天然ガス等の燃料を改質器で改質した改質ガスを使用する構成としてもよい。
【００６８】
○  燃料電池１４の種類を変更してもよい。例えば、リン酸型や固体酸化物型の燃料電池を用いてもよい。
○  燃料電池システム１１をバッテリと燃料電池とを駆動源とするハイブリット式フォークリフトに搭載してもよい。また、電気自動車のような移動体に搭載してもよいし、電源を必要とする電気製品に装備したり、定置式の燃料電池システムに適用したりしてもよい。
【００６９】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
○  燃料電池から排出されるアノードパージガスの希釈処理を行う燃料電池の排出ガス処理システムに用いられる希釈弁において、アノードパージガスを導入するアノードパージガス導入ポートと、希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入ポートと、導入されたガスを排出する排出ポートと、前記排出ポートからの水の排出を許容する開位置、及び前記排出ポートからの水の排出を遮断する閉位置に移動可能な弁部材と、前記開位置に向けて前記弁部材を付勢する付勢手段と、前記希釈弁内に導入された希釈用ガスが前記排出ポートに排出される際に通る希釈用ガス流路と、前記希釈用ガス流路の流路面積より流路面積が小さいアノードパージガス流路と、を備え、前記弁部材は前記付勢手段の付勢力に打ち勝つ流体圧が作用すると前記閉位置に移動し、前記弁部材が前記閉位置に移動した状態で前記アノードパージガス導入ポートから導入されたアノードパージガスを前記アノードパージガス流路を介して希釈用ガスと合流させた後に排出することを特徴とする希釈弁。
【００７０】
○  請求項１に記載された燃料電池の排出ガス処理システムにさらに、前記希釈弁の内部に設けられ、前記パージガス用配管と連通するとともに、アノードパージガス及び希釈用ガスに含まれる水分を貯留可能な貯水室と、負荷に対して一時的に電力を供給可能なバックアップ用電力供給手段と、前記貯水室内の貯水量が前記貯水室の容量を上回る可能性が高いか否かの判断基準となる評価値を算出する算出手段と、前記燃料電池の運転状態を制御する制御手段とを備えた燃料電池の排出ガス処理システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記算出手段によって算出された前記評価値に基づいて前記貯水室における貯水量が前記貯水室の容量を上回る可能性が高いと判断した場合に前記燃料電池の運転を休止させて前記バックアップ用電力供給手段による前記負荷への電力供給を行わせる制御を行うことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理システムの制御方法。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】一実施形態における燃料電池システムの構成図。
【図２】希釈弁及び燃料電池システムの一部を示す概略側断面図。
【図３】燃料電池システムが運転を停止しているときにおける希釈弁の概略側断面図。
【図４】（ａ）は別の実施形態における希釈弁の部分側断面図、（ｂ）は別の実施形態における希釈弁の側断面図。
【符号の説明】
【００７２】
Ｐ…軸心、１１…燃料電池システム、１４…燃料電池、３１…希釈弁、３６…パージガス用配管、３７…膨張室、３８…パージ用開閉弁、３９…貯水室、５１…弁部材、５７…圧力検出手段としての圧力センサ、６０…希釈用ガス流路としての第１貫通孔、６１，６２…アノードパージガス流路としての第２貫通孔。
【図１】
2009021075.tif 000003
【図２】
2009021075.tif 000004
【図３】
2009021075.tif 000005
【図４】
2009021075.tif 000006