(57)【要約】【課題】バイパス弁が凍結した場合にもバイパス弁を作動できると共に、全体として電力消費を抑えることができる燃料電池システムを課題とする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池をバイパスして供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、排出路に設けられた調圧弁と、供給路とバイパス路との供給側接続部よりも下流側の供給路に設けられた絞り弁と、を備える。バイパス弁は、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になったときに開弁する機械式のリリーフ弁で構成されている。【選択図】図１
2007317473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記燃料電池をバイパスして、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、
前記バイパス路を開閉するバイパス弁と、
前記排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給路と前記バイパス路との供給側接続部よりも下流側の前記供給路に設けられた絞り弁を更に備え、
前記バイパス弁は、当該バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になったときに開弁する機械式のリリーフ弁で構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記絞り弁の開度を制御する制御装置を更に備え、
前記制御装置は、前記絞り弁を所定の開度にすることにより、前記バイパス弁の上流側の酸化ガス圧を前記所定値以上に設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、当該燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、前記絞り弁を前記所定の開度に制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記調圧弁は、前記排出路と前記バイパス路との排出側接続部よりも下流側に位置している、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記燃料電池をバイパスして、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、
前記バイパス路を開閉するバイパス弁と、
前記排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記バイパス弁は、当該バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になったときに開弁する機械式のリリーフ弁で構成され、
前記排出路と前記バイパス路との排出側接続部は、前記調圧弁の直近であって且つ当該調圧弁よりも下流側に位置している、燃料電池システム。
【請求項６】
前記調圧弁の開度を制御する制御装置を更に備え、
前記制御装置は、前記調圧弁を所定の開度にすることにより、前記バイパス弁の上流側の酸化ガス圧を前記所定値以上に設定する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、当該燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、前記調圧弁を前記所定の開度に制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記燃料電池をバイパスして、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、
前記バイパス路を開閉するバイパス弁と、
前記排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給路と前記バイパス路との供給側接続部よりも下流側の前記供給路に設けられた絞り弁を更に備え、
前記バイパス弁は、前記絞り弁の上流側の酸化ガス圧をパイロット圧として作動するパイロット弁で構成されている、燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給路と前記バイパス弁とを接続し、前記パイロット圧を前記パイパス弁に導く導圧路と、
前記導圧路に設けられたシャット弁と、
前記シャット弁を開閉制御する制御装置と、を更に備え、
前記バイパス弁は、前記シャット弁が前記制御装置により開弁されることで開弁する、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、当該燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、前記シャット弁を開弁する、請求項９に記載の燃料電池システム
【請求項１１】
前記調圧弁は、前記排出路と前記バイパス路との排出側接続部よりも下流側に位置している、請求項８ないし１０のいずれか一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、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能な燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化ガス中の酸素との化学反応によって、電力を発生すると共に水を生成する。生成された水は、燃料オフガス及び酸化オフガスの流れによって、燃料電池内部から両ガスの排出路へと排出される。一般に、燃料電池から排出される燃料オフガスは、水素希釈器を通り、水素濃度が低減された状態で大気中へ排出される。一方、燃料電池から排出される酸化オフガスは、希釈器を通ることなく、そのまま大気中へと排出される。
【０００３】
ところが、発電効率が低い状態で燃料電池を運転している場合には、アノードから水素が排出されるだけでなくカソードからも水素（主にポンピング水素）が排出されることもあり、酸化オフガス中に水素が含まれる可能性がある。このような場合には、酸化オフガスをそのまま大気中へと排出することは環境上好ましくない。
【０００４】
酸化オフガス中の水素濃度を低減できるようにした特許文献１に記載の燃料電池システムは、酸化ガスの供給路と酸化オフガスの排気路とを連通するバイパス路と、バイパス路を開閉する二つのバイパス弁と、を備える。燃料電池システムは、酸化オフガス中の水素濃度が高まったときに二つのバイパス弁を電気的に開弁し、酸化オフガスに酸化ガスを導入することで、酸化オフガス中の水素濃度を低減するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１７２０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、バイパス弁として電気制御式のものを用いているため、電力をより多く消費していた。また、運転停止時に、生成水等の氷結によってバイパス弁が凍結した場合、バイパス弁を電気的に作動させるには困難であった。
【０００６】
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、バイパス弁が凍結した場合にもバイパス弁を作動できると共に、全体として電力消費を抑えることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、燃料電池をバイパスして供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路とバイパス路との供給側接続部よりも下流側の供給路に設けられた絞り弁を更に備え、バイパス弁は、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になったときに開弁する機械式のリリーフ弁で構成されているものである。
【０００８】
かかる構成によれば、バイパス弁が機械式のリリーフ弁で構成されているため、バイパス弁を開弁するのに電力を必要としないので、全体として電力消費を抑えることができる。また、仮にバイパス弁が凍結したとしても、酸化ガス圧でバイパス弁が開弁する構成であるため、電気的なバイパス弁の構成に比べて、バイパス弁をその凍結時に作動させ易くできる。さらに、絞り弁によりバイパス弁の上流側の酸化ガス圧を調整できる。これにより、酸化ガスをバイパスさせる必要が無いとき、例えば酸化オフガス中の燃料濃度を低減する必要がないときには、バイパス弁を自立的に開弁させなくて済み、燃料電池に対して酸化ガスを適切に供給することができる。
【０００９】
好ましくは、上記した本発明の燃料電池システムは、絞り弁の開度を制御する制御装置を更に備え、制御装置は、絞り弁を所定の開度にすることにより、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧を所定値以上に設定する。
【００１０】
かかる構成によれば、制御装置により絞り弁を所定の開度に絞ることで、絞り弁の上流側の酸化ガス圧が高まり、その結果、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になると、バイパス弁が自立的に開弁する。一方で、制御装置により絞り弁を所定の開度よりも大きくすることで、絞り弁の上流側の酸化ガス圧が低くなり、その結果、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値未満になると、バイパス弁が自立的に閉弁する。このように、絞り弁を制御することで、バイパス弁を簡易に開閉することができる。
【００１１】
より好ましくは、制御装置は、燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、絞り弁を所定の開度に制御する。
【００１２】
かかる構成によれば、低効率運転時に絞り弁が絞られることで、バイパス弁が自立的に開弁し、バイパス弁の下流へと酸化ガスが流れる。これにより、低効率運転時に酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。なお、低効率運転は、燃料電池システムの起動時であって所定の低温時に行うことが好ましい。低効率運転により燃料電池の自己発熱が促進されるため、所定の低温時に燃料電池を効率よく暖機できる。
【００１３】
好ましくは、調圧弁は、排出路とバイパス路との排出側接続部よりも下流側に位置している。
【００１４】
かかる構成によれば、調圧弁の上流側の比較的高い圧力がバイパス弁の二次側に作用するため、調圧弁の下流側の比較的低い圧力をバイパス弁の二次側に作用させる場合に比べて、バイパス弁の最低作動圧力（クラッキング圧力）が高くなる。これにより、酸化ガスをバイパスさせる必要が無いときに、バイパス弁が誤って開くことを抑制できる。
【００１５】
上記した本発明の燃料電池システムは、絞り弁よりも下流側の供給路に設けられ、酸化ガスを加湿する加湿器を更に備えてもよい。
【００１６】
かかる構成によれば、比較的低湿潤の酸化ガスの流量を絞り弁で絞ることができる。一方で、燃料電池には、加湿器により加湿された比較的高湿潤の酸化ガスを供給できる。
【００１７】
上記目的を達成するべく、本発明の別の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、燃料電池をバイパスして、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、バイパス弁は、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧が所定値以上になったときに開弁する機械式のリリーフ弁で構成され、排出路とバイパス路との排出側接続部は、調圧弁の直近であって且つ調圧弁よりも下流側に位置しているものである。
【００１８】
かかる構成によれば、バイパス弁が機械式のリリーフ弁で構成されているため、バイパス弁を開弁するのに電力を必要としないので、全体として電力消費を抑えることができる。また、仮にバイパス弁が凍結したとしても、酸化ガス圧でバイパス弁が開弁する構成であるため、電気的なバイパス弁の構成に比べて、バイパス弁をその凍結時に作動させ易くできる。さらに、調圧弁の直下流の比較的低い圧力がバイパス弁の二次側に作用するため、調圧弁の開度を小さくすることで、バイパス弁の上流側（一次側）の酸化ガス圧を二次側に対し相対的に大きくできる。これにより、絞り弁を設けなくとも、バイパス弁を開弁でき、酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。
【００１９】
好ましくは、本発明の別の燃料電池システムは、調圧弁の開度を制御する制御装置を更に備え、制御装置は、調圧弁を所定の開度にすることにより、バイパス弁の上流側の酸化ガス圧を所定値以上に設定する。
【００２０】
かかる構成によれば、調圧弁を制御することで、バイパス弁を簡易に開閉できる。
【００２１】
より好ましくは、制御装置は、燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、調圧弁を所定の開度に制御する。
【００２２】
かかる構成によれば、低効率運転時に酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。
【００２３】
上記目的を達成するべく、本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、燃料電池をバイパスして、供給路と排出路とを接続するバイパス路と、バイパス路を開閉するバイパス弁と、排出路に設けられた調圧弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路とバイパス路との供給側接続部よりも下流側の供給路に設けられた絞り弁を更に備え、バイパス弁は、絞り弁の上流側の酸化ガス圧をパイロット圧として作動するパイロット弁で構成されているものである。
【００２４】
かかる構成によれば、バイパス弁が酸化ガス圧をパイロット圧として作動するパイロット弁で構成されているため、全体として電力消費を抑えることができると共に、電気的なバイパス弁の構成に比べて、バイパス弁をその凍結時に作動させ易くできる。
【００２５】
より好ましくは、本発明の他の燃料電池システムは、供給路とバイパス弁とを接続してパイロット圧をパイパス弁に導く導圧路と、導圧路に設けられたシャット弁と、シャット弁を開閉制御する制御装置と、を更に備え、バイパス弁は、シャット弁が制御装置により開弁されることで開弁する。
【００２６】
かかる構成によれば、バイパス弁へのパイロット圧の導入を制御でき、バイパス弁を簡易に開弁できる。
【００２７】
より好ましくは、制御装置は、燃料電池システムが通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転を行う際、シャット弁を開弁する。
【００２８】
かかる構成によれば、低効率運転時に酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。
【００２９】
より好ましくは、調圧弁は、排出路とバイパス路との排出側接続部よりも下流側に位置している。
【００３０】
かかる構成によれば、上記同様に、酸化ガスをバイパスさせる必要が無いときに、バイパス弁が誤って開くことを抑制できる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、全体として電力消費を抑え、バイパス弁の凍結時にもバイパス弁を作動できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００３３】
＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システム１の構成図である。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００３４】
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御装置７と、を備えている。
【００３５】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００３６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路１７と、を有している。供給路１１の下流端が酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端が酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。酸化オフガスには、燃料電池２の空気極側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００３７】
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（供給機）と、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
【００３８】
燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６（調圧弁）によって調圧される。背圧調整弁１６は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御装置７に電気的に接続されている。背圧調整弁１６の弁開度は、制御装置７によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられている。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００３９】
バイパス路１７は、供給路１１と排出路１２とを接続する。バイパス路１７と供給路１１との供給側接続部Ｂは、コンプレッサ１４と加湿器１５との間に位置している。また、バイパス路１７と排出路１２との排出側接続部Ｃは、背圧調整弁１６の上流側に位置している。バイパス路１７には、バイパス路１７を開閉するバイパス弁たるリリーフ弁１８が設けられている。
【００４０】
リリーフ弁１８は、その上流側（一次側又は供給側接続部Ｂ側）のバイパス路１７内の酸化ガス圧が最低作動圧力（すなわち所定値）以上になったときに開弁して、下流側（二次側又は排出側接続部Ｃ側）への酸化ガスの流動を許容する。リリーフ弁１８は、酸化ガス圧により機械的に作動するものである。例えばバネ式で構成されたリリーフ弁１８は、弁座に離接可能に構成された弁体と、弁体を弁座に向かって付勢する調圧ばねとを具備しており、一次側の酸化ガス圧が最低作動圧力に達したときに弁体が調圧ばねの付勢力に抗して弁座から離間するように構成されている。なお、以下の説明では、リリーフ弁１８（バイパス弁）の開弁により、バイパス路１７の下流へとバイパスされる酸化ガスを「バイパスエア」と称呼する。
【００４１】
絞り弁１９は、供給側接続部Ｂと加湿器１５との間の供給路１１の部分に位置している。絞り弁１９は、モータ又はソレノイドなどで駆動する制御弁であり、制御装置７に接続されている。絞り弁１９は、制御装置７からの制御信号によって、燃料電池２への酸化ガスの流量を絞ることができるように構成されている。後述するように、絞り弁１９が低効率運転の際に所定の開度に絞られ、それによりリリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧を高めることで、リリーフ弁１８が自立的に開弁するようになっている。
【００４２】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。
【００４３】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有している。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００４４】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００４５】
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
【００４６】
制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する低効率運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００４７】
制御装置７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサ（Ｐ１）及び温度センサ（４６，４７）、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（供給機１４、背圧調製弁１６及び絞り弁１９など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、低温始動時など燃料電池２を暖機する必要がある場合には、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して発電効率の低い運転を行う。
【００４８】
図２は、燃料電池２の出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）と出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）との関係を示す図である。図２は、燃料電池システム１が比較的発電効率の高い運転（以下、「通常運転」という。）を行った場合を実線で示し、燃料電池システム１が比較的発電効率の低い運転（以下、「低効率運転」という。）を行った場合を点線で示している。
【００４９】
燃料電池システム１を通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
【００５０】
これに対し、燃料電池２を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池２の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、燃料電池２を迅速に暖機することができる一方、燃料電池２の空気極にはポンピング水素が発生する。
【００５１】
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示している。
燃料電池２の各単セル８０は、電解質膜８１と、この電解質膜８１を挟持するアノード及びカソードを備えている。水素（Ｈ2）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ2）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（１）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成された水素イオンは電解質膜８１を透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
アノード：  Ｈ2  →２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                              ・・・（１）
【００５２】
ここで、図３（Ａ）に示す通常運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される。
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ       ・・・（２）
【００５３】
一方、図３（Ｂ）に示す低効率運転の場合、すなわちカソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸化オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2                            ・・・（３）
【００５４】
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態では酸化オフガスにポンピング水素が含まれる。そこで、燃料電池システム１が低効率運転を行う際には、制御装置７は絞り弁１９を絞り、それによりリリーフ弁１８を自立的に開弁することで、コンプレッサ１３により供給される酸化ガスの一部をバイパス路１７に分流させるようにしている。この分流されたバイパスエアによって酸化オフガス中の水素濃度を希釈して、水素濃度が安全な範囲にまで低減された酸化オフガスを排出路１２から外部に排気するようにしている。
【００５５】
低効率運転は、主として燃料電池２を暖機することを目的として、燃料電池システム１の起動時に行われるものであり、特に低温起動時にのみ行われるものである。例えば、燃料電池システム１の起動時に外気温センサ５１により検出された外気温が、所定の低温（例えば０℃以下）であったときに、燃料電池システム１の低効率運転が行われる。その後、燃料電池２の暖機が完了したところで、燃料電池システム１は、低効率運転から通常運転に移行する。
【００５６】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１の一連の制御例について説明する。
【００５７】
先ず、燃料電池システム１の運転停止時（以下、「システム停止時」という。）には、制御装置７は、燃料電池２内の水分を外部に排出する掃気処理を実行する。例えば、カソード系統（酸化ガス配管系３）の掃気処理は、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ１４の駆動により酸化ガスを酸化ガス流路２ａに供給して、酸化ガス流路２ａに残る生成水を含む水分を排出路１２へと排出することで行われる。なお、アノード系統（燃料ガス配管系４）の掃気処理も行われるが、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５８】
次に、燃料電池システム１の起動時（以下、「システム起動時」という。）について説明する。例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１が起動すると、制御装置７は、低効率運転を行うか否かを判定する。外気温センサ５１による外気温が比較的高く、又は、燃料電池２の温度が比較的高く、燃料電池２の暖機が不要と判断される場合には、制御装置７は、起動直後から通常運転が行われるように燃料電池システム１を制御する。
【００５９】
一方、外気温や燃料電池２の温度が所定の低温（例えば０℃以下）であり、燃料電池２の暖機が必要と判断される場合には、制御装置７は、起動時に低効率運転が行われるように燃料電池システム１を制御する。低効率運転の際、背圧調整弁１６は、制御装置７により開度を制御されず（制御レス運転）、所定の開度に維持又は固定される。なお、この所定の開度は、背圧調整弁１６が少なくとも開弁状態であるように、システム停止時に設定されておくことが好ましい。こうすることで、仮にシステム起動時に背圧調整弁１６が凍結していても、絞り弁１９の調整により燃料電池２への酸化ガスの供給を適切に行い得る。
【００６０】
また、低効率運転の際、制御装置７は、絞り弁１９を制御する。具体的には、絞り弁１９が所定の開度に制御され、絞り弁１９で酸化ガスの流量を絞るようにし、絞り弁１９の上流側の酸化ガス圧を上昇させる。この酸化ガス圧の上昇により、リリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧がリリーフ弁１８の最低作動圧力にまで達すると、リリーフ弁１８が自立的に開弁する。これにより、酸化ガスの一部がバイパスエアとしてバイパス路１７を通って背圧調整弁１６の一次側に流れ、酸化オフガスがバイパスエアにより希釈される。
【００６１】
なお、低効率運転の際、所定の開度に設定された絞り弁１９によって、燃料電池２の要求出力に応じた供給圧力及び供給流量の酸化ガスが燃料電池２に供給される。そして、制御装置７は、絞り弁１９の開度を考慮してコンプレッサ１４を制御する。
【００６２】
低効率運転の後、燃料電池２の暖機が完了したところで、燃料電池システム１は、低効率運転から通常運転に移行する。通常運転の際、制御装置７は、背圧調整弁１６及び絞り弁１９を制御し、燃料電池２への酸化ガス供給制御を行う。このとき、絞り弁１９の開度は、低効率運転の際の開度（所定の開度）よりも大きくなるように設定され、リリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧が最低作動圧力以上とならないように調整される。つまり、通常運転の際には、リリーフ弁１８は、自立的に閉弁するように制御される。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、バイパス路１７を開閉するのに機械式のリリーフ弁１８を用いているため、リリーフ弁１８を開弁するのに電力を必要とせず、全体として電力消費を抑えることができる。また、絞り弁１９を制御することで、低効率運転の際にはリリーフ弁１８を簡易に自立的に開いて酸化オフガスを希釈できる一方、通常運転の際にはリリーフ弁１８を簡易に自立的に閉じて燃料電池２への酸化ガス供給を適切に行うことができる。
【００６４】
さらに、リリーフ弁１８が閉弁状態で凍結したとしても、リリーフ弁１８を酸化ガス圧で開弁させる構成であるため、凍結したリリーフ弁１８を作動させ易い。また、排出側接続部Ｃを背圧調整弁１６の上流側に位置させた構成としているため、通常運転の際に（酸化ガスをバイパスさせる必要が無いときに）、リリーフ弁１８が誤って開くことを好適に抑制できる。
【００６５】
上記例では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。
また、二つ以上の機械式のリリーフ弁１８をバイパス路１７に直列に設けてもよい。
【００６６】
＜第２実施形態＞
次に、図４を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、絞り弁１９を省略し、排出側接続部Ｃを背圧調整弁１６の下流側に位置させたことである。なお、第１実施形態と同一となる第２実施形態の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、酸化ガス配管系３以外の燃料電池システム１の構成は、第１実施形態と同様であるので、図４では省略している。
【００６７】
排出側接続部Ｃは、背圧調整弁１６の下流側であって、しかも背圧調整弁１６の直近に位置している。ここで、「背圧調整弁１６の直近」とは、背圧調整弁１６と排出側接続部Ｃとの間に圧損体（例えば加湿器１５）が存在しないことをいい、換言すれば、背圧調整弁１６の二次側圧力が排出側接続部Ｃでの圧力に等しい又は略等しいことをいう。背圧調整弁１６は、その構成については第１実施形態と同じであるが、制御の方法については第１実施形態と異なり、低効率運転の際に開度を制御される。
【００６８】
本実施形態に係る燃料電池システム１の一連の制御例について説明する。
【００６９】
第１実施形態と同様に、システム停止時には掃気処理を実行し、システム起動時には、先ず低効率運転を行うか否かを判定する。低効率運転を行う場合には、制御装置７は、第１実施形態の絞り弁１９と同様に、背圧調整弁１６を絞るように制御する。具体的には、低効率運転の際、背圧調整弁１６を所定の開度に制御して酸化ガスの流量を絞るようにし、背圧調整弁１６の上流側の酸化ガス圧を上昇させる。この酸化ガス圧の上昇により、リリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧がリリーフ弁１８の最低作動圧力にまで達すると、リリーフ弁１８が自立的に開弁し、バイパスエアが背圧調整弁１６の下流側に流れて、酸化オフガスを希釈する。
【００７０】
なお、背圧調整弁１６の「所定の開度」とは、リリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧を所定値（最低作動圧力）以上にする開度をいい、通常運転の際の開度よりも小さい開度である。また、低効率運転の際、背圧調整弁１６の所定の開度を考慮して、制御装置７は、コンプレッサ１４を制御する。
【００７１】
低効率運転の後、燃料電池２の暖機が完了したところで、燃料電池システム１は、低効率運転から通常運転に移行する。通常運転の際、制御装置７は、背圧調整弁１６を上記の所定の開度よりも大きな開度の範囲で制御し、燃料電池２への酸化ガス供給制御を行う。このときの背圧調整弁１６の使用開度の範囲は、リリーフ弁１８の一次側の酸化ガス圧が最低作動圧力以上とならないような範囲である。つまり、通常運転の際には、リリーフ弁１８は、自立的に閉弁するように制御される。
【００７２】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によっても、第１実施形態と同様に、全体として電力消費を抑えることができる。また、リリーフ弁１８が閉弁状態で凍結したとしても、リリーフ弁１８を酸化ガス圧で開弁させる構成であるため、凍結したリリーフ弁１８を作動させ易い。さらに、背圧調整弁１６を制御することで、低効率運転の際にはリリーフ弁１８を簡易に自立的に開いて酸化オフガスを希釈できる一方、通常運転の際にはリリーフ弁１８を簡易に自立的に閉じて燃料電池２への酸化ガス供給を適切に行うことができる。
【００７３】
特に、絞り弁を設けなくとも、背圧調整弁１６を有効に活用することで、リリーフ弁１８を開弁できる。ただし、通常運転の際に圧が高まってリリーフ弁１８が開かないように、リリーフ弁１８の最低作動圧力を第１実施形態よりも高く設定する必要がある。
【００７４】
上記例では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。
また、二つ以上の機械式のリリーフ弁１８をバイパス路１７に直列に設けてもよい。
【００７５】
＜第３実施形態＞
次に、図５及び図６を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、バイパス弁の構成として、リリーフ弁１８に代えてパイロット弁２００を用いたことと、これに伴い、パイロット弁２００にパイロット圧を導入する構成として、導圧路２０１及びシャット弁２０２を付加したことである。
【００７６】
なお、第１実施形態と同一となる第３実施形態の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、酸化ガス配管系３以外の燃料電池システム１の構成は、第１実施形態と同様であるので、図５では省略している。
【００７７】
パイロット弁２００は、ポペット型で構成することができ、その外殻をハウジング３０１により構成される。ハウジング３０１の内部空間は、所定の距離を離間して同軸上に配設された２枚のダイヤフラム３０２，３０３によって、ガス流通路３１１、調圧室３１２及び大気圧室３１３の計３つの空間に仕切られている。
【００７８】
ガス流通路３１１は、バイパス路１７上に位置するものであり、１次側の流入口３２１がバイパス路１７の上流側に接続され、２次側の流出口３２２がバイパス路１７の下流側に接続されている。
【００７９】
調圧室３１２は、導圧路２０１の下流端に接続された導入口３２３を有している。導圧路２０１の上流端は、コンプレッサ１４の直下流側の供給路１１に接続されている。導圧路２０１には、導圧路２０１を開閉するシャット弁２０２が設けられている。シャット弁２０２は、制御装置７により開閉制御される。
【００８０】
大気圧室３１３は、大気圧室３１３と外部とを連通する大気開放口３２４を有している。また、大気圧室３１３には、調圧バネ３２５が収容されている。調圧バネ３２５は、ダイヤフラム３０３を調圧室３１２側に付勢している。この付勢方向は、後述する弁体３３１の閉弁方向に一致している。
【００８１】
ダイヤフラム３０２は、一方の面に供給接続部Ｂからの酸化ガスの圧力が作用され、他方の面に調圧室３１２内の圧力が作用される。また、ダイヤフラム３０３は、一方の面に調圧室３１２内の圧力が作用され、他方の面に大気圧が作用される。
【００８２】
ダイヤフラム３０２とダイヤフラム３０３とは、その中心軸方向においてステム３３０（連結部材）により連結されており、ステム３３０によって互いに追従して変形するように構成されている。ステム３３０は、調圧室３１２側からガス流通路３１１内に突出しており、ステム３３０の先端部には、弁体３３１が一体に設けられている。弁体３３１の円錐台の側面は、ハウジング３０１に設けた弁座３３２に離接可能に構成されている。本実施形態では、通常運転の際には弁体３３１が弁座３３２に当接する一方、低効率運転の際には弁体３３１が弁座３３２から離間するように、調圧バネ３２５のバネ特性等が設定されている。
【００８３】
本実施形態に係る燃料電池システム１の一連の制御例について説明する。
【００８４】
第１実施形態と同様に、システム停止時には掃気処理を実行し、システム起動時には、先ず低効率運転を行うか否かを判定する。なお、システム停止時に、シャット弁２０２を開弁し、調圧室３１２内を大気圧にすることが好ましい。
【００８５】
低効率運転を行う場合には、背圧調整弁１６は、第１実施形態と同様に、制御レス運転されて所定の開度に維持又は固定される。また、低効率運転の際、絞り弁１９が所定の開度に制御され、絞り弁１９で酸化ガスの流量を絞るようにし、絞り弁１９の上流側の酸化ガス圧を所定値まで上昇させる。
【００８６】
さらに、低効率運転の際、シャット弁２０２が開弁されて、絞り弁１９の上流側の酸化ガス圧が調圧路２０１をつたわって調圧室３１２にパイロット圧として導入される。このパイロット圧の導入により、今まで大気圧であった調圧室３１２内が大気圧よりも高い酸化ガス圧となるため、ダイヤフラム３０３が調圧バネ３２５のバネ力に抗して大気圧室３１３側に移動される。これにより、ステム３３０を介して弁体３３１が弁座３３２から離間し、バイパスエアがバイパス路１７の下流へと流れる。このように、低効率運転の際に、パイロット弁２００が、絞り弁１９の上流側の酸化ガス圧をパイロット圧として作動して開弁することで、酸化オフガスをバイパスエアで希釈できる。
【００８７】
低効率運転の後、燃料電池２の暖機が完了したところで、燃料電池システム１は、低効率運転から通常運転に移行する。通常運転の際、制御装置７は、背圧調整弁１６及び絞り弁１９を制御し、燃料電池２への酸化ガス供給制御を行う。なお、絞り弁１９は、低効率運転に比べて通常運転のほうが大きな開度に設定され、絞り弁１９の上流側の酸化ガス圧は、通常運転の方が低くなることが好ましい。そして、通常運転の際には、シャット弁２０２が閉弁され、弁体３３１が弁座３３２に当接して、バイパスエアの流通を遮断するようになる。
【００８８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。例えば、バイパス弁が酸化ガス圧をパイロット圧として作動するパイロット弁２００で構成されているため、全体として電力消費を抑えることができる。また、パイロット弁２００が閉弁状態で凍結したとしても、パイロット弁２００を酸化ガス圧で開弁させる構成であるため、凍結したパイロット弁２００を作動させ易い。なお、上記同様に、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】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】第１実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は通常運転時の電池反応を示し、（Ｂ）は低効率運転時の電池反応を示す。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【図５】第３実施形態に係る燃料電池システムの酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【図６】第３実施形態に係るパイロット弁の断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、７：制御装置、１１：供給路、１２：排出路、１４：コンプレッサ（供給機）、１５：加湿器、１６：背圧調整弁（調圧弁）、１７：バイパス路、１８：リリーフ弁（バイパス弁）、１９：絞り弁、２００：パイロット弁（バイパス弁）、２０１：導圧路、２０２：シャット弁、Ｂ：供給側接続部、Ｃ：排出側接続部
【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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