JP2007317474A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低効率運転時に、酸化オフガスを希釈できると共に燃料電池に酸化ガスを適切に供給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、圧縮機により圧送される酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、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、を備える。バイパス弁は、低効率運転を行うときに開弁される。バイパス弁における流路の有効断面積は、低効率運転を行うときの圧縮機による酸化ガスの吐出流量及び吐出圧と、低効率運転を行うときの調圧弁の最小開度とに基づいて決定されている。
【選択図】図４

Description

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。

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、そのまま大気中へと排出される。

ところが、発電効率が低い状態で燃料電池を運転（いわゆる低効率運転）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）が排出されることがあり、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。

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バイパス弁を開弁し、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。また、この燃料電池システムでは、排気路に設けた調圧弁により、燃料電池に対する酸化ガス供給圧を調整している。
特開２００４−１７２０２７号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、バイパス弁の構成について何ら言及されていない。このため、バイパス弁の開弁によって、酸化オフガス中の水素濃度を低減できるものの、燃料電池への酸化ガスの供給量及び供給圧に過不足が生じ、低効率運転時に要求される酸化ガスを燃料電池に供給できないおそれがあった。

本発明は、低効率運転時に、酸化オフガスを希釈できると共に燃料電池に酸化ガスを適切に供給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。

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、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する圧縮機と、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、酸化ガスが燃料電池をバイパスして流れるように、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、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ときに開弁され、バイパス弁における流路の有効断面積は、低効率運転を行うときの圧縮機による酸化ガスの吐出流量及び吐出圧と、低効率運転を行うときの調圧弁の最小開度とに基づいて決定されているものである。

かかる構成によれば、低効率運転時にバイパス弁が開弁するので、バイパス路の下流へと分流された酸化ガスで酸化オフガスを希釈できる。また、バイパス弁における流路の有効断面積を決定するための要素として、低効率運転の際の圧縮機による酸化ガスの吐出流量、吐出圧、及び調圧弁の最小開度を用いることで、燃料電池が要求する流量及び圧力の酸化ガスを燃料電池に供給できると共に、酸化オフガスを希釈するのに必要な流量の酸化ガスを酸化オフガスに供給できる。

好ましくは、調圧弁は、低効率運転を行うとき、全開よりも小さい所定の開度で開弁される。

かかる構成によれば、調圧弁を全開で使用する場合に比べて、バイパス弁の有効断面積を小さくできる。これにより、バイパス弁を小型化できる。

好ましくは、バイパス弁はバタフライ弁である。

かかる構成によれば、バイパス弁を開閉する際の応答性を高めることができる。また、バイパス弁が全開されたときに、バイパス弁での酸化ガスの抵抗を小さくできる

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、調圧弁及びバイパス弁を制御する制御装置を備え、制御装置は、低効率運転の際、調圧弁及びバイパス弁を協調制御することが好ましい。

こうすることで、燃料電池の発電に必要な酸化ガス量を応答性良く燃料電池に供給することが可能となる。

好ましくは、低効率運転は所定の低温時に行われるとよい。

また好ましくは、低効率運転は燃料電池システムの起動時に行われるとよい。

低効率運転を行えば燃料電池の自己発熱が促進されるので、例えば燃料電池の暖機が望ましい低温の起動時に低効率運転を行うことで、燃料電池を好適に暖機にできる。

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、低効率運転時に、燃料電池に酸化ガスを適切に供給しながら酸化オフガスを希釈できる。

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。

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。

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。

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。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。

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の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路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。

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（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池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。

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に配設された調圧弁１６によって調圧される。調圧弁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。調圧弁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。調圧弁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、調圧弁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。

バイパス路１７は、供給路１１と排出路１２とを接続している。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、加湿器１５の下流側に位置している。

バイパス路１７には、任意の開度に設定可能なバイパス弁１８が設けられている。バイパス弁１８は、各種の動力により駆動可能に構成することができ、例えば、モータ、ソレノイド又はパイロット式（圧力差）などにより駆動する開閉弁を用いることができる。バイパス弁１８内の流路の有効断面積は、後述する要素に基づいて決定されている。バイパス弁１８は、制御装置７に接続されており、バイパス路１７を開閉する。なお、以下の説明では、バイパス弁１８の開弁により、バイパス路１７を通ってバイパス弁１８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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（コンプレッサ１４、調圧弁１６及びバイパス弁１８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。

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。

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。

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。

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）

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）

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）

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、低効率運転を行う際には、制御装置７はバイパス弁１８を開弁制御し、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に分流するようにしている。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。

ここで、低効率運転は、燃料電池２を暖機することを目的として、主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、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。バイパス弁１８は、低効率運転を行う燃料電池システム１の起動時に開弁し、低効率運転後の通常運転では、閉弁する。なお、低効率運転では、コンプレッサ１４及び調圧弁１６が制御することで行われる。

さて、図４を参照して、バイパス弁１８内の流路の有効断面積の決定方法について説明する。この有効断面積は、燃料電池２への適切な酸化ガスの供給と酸化オフガス中の水素の希釈とを両立できるものであり、バイパス弁１８が開弁する低効率運転時のコンプレッサ１４による酸化ガスの吐出流量及び吐出圧と、低効率運転時の調圧弁１６の最小開度とに基づいて決定される。以下、低効率運転時の要求値を考慮して具体的に説明する。

低効率運転の際、燃料電池２への酸化ガスの目標流量は、燃料電池２が低効率発電を行うのに必要な流量となるように、低効率発電の目標値から任意に設定される。

また、低効率運転の際、バイパス弁１８の下流へと流すバイパスエアの目標流量は、酸化オフガス中の水素濃度を安全な範囲まで低減できるように、低効率発電の目標値における酸化オフガス中の水素濃度から任意に設定される。このパイパスエアの目標流量は、ＲＯＭに格納したマップから低効率発電時の目標値と対応するデータを読み出すことで設定される。ただし、酸化オフガス中の水素濃度を適宜検出し、ＲＯＭに格納したマップから検出水素濃度と対応するデータを読み出すことで、パイパスエアの目標流量を設定してもよい。なお、酸化オフガス中の水素濃度は、圧力センサＰ１の検出結果に基づいて検出することもできるし、排気路１２に設けた図示省略の水素ガスセンサにより検出することもできる。

したがって、低効率運転の際には、コンプレッサ１４から吐出されて供給側接続部Ｂに至る酸化ガスの目標流量（つまり、コンプレッサ１４が目標とする酸化ガスの吐出流量。）は、燃料電池２への酸化ガスの目標流量と、バイパスエアの目標流量とを合計した値となる。そして、各目標流量を達成するための調圧弁１６及びバイパス弁１８の開度は、図４のように決まる。

図４は、燃料電池２の酸化ガス供給圧力である一次圧（横軸）と、調圧弁１６又はバイパス弁１８内の流路の有効断面積（縦軸）と、の関係を表すグラフである。
横軸の一次圧は、コンプレッサ１４による酸化ガスの吐出圧に相当する。また、ここでは、調圧弁１６は、二次側圧力（下流側圧力）が圧力Ｐ₁となるように設定される。圧力Ｐ₁は、例えば１００ｋＰａ前後である。

曲線Ｌ１は、調圧弁１６が上記目標流量を達成するために所定の開度になったときの、調圧弁１６内の流路の有効断面積を示している。また、曲線Ｌ２は、調圧弁１６及びバイパス弁１８が上記目標流量を達成するためにそれぞれ所定の開度になったときの、調圧弁１６内の流路の有効断面積とバイパス弁１８内の流路の有効断面積とを合計した合計有効断面積を示している。したがって、ある一次圧における合計有効断面積から調圧弁１６内の流路の有効断面積を減算した値が、バイパス弁１８が上記目標流量を達成するために所定の開度になったときの、バイパス弁１８内の流路の有効断面積の値となる。

図４を分析するに、先ず、例えば一次圧Ｐ₂の設定では、曲線Ｌ１及びＬ２に示すように、調圧弁１６内の流路の有効断面積及び合計有効断面積を大きくする必要があることが分かる。このときの調圧弁１６の開度は全開またはそれに近い大きな開度であり、この開度を使用しながら分流比を保つためには、バイパス弁１８内の流路の有効断面積を大きくする必要がある。このことは結局、一次圧Ｐ₂の設定では、バイパス弁１８の流路の実断面積を大きくしてバイパス弁１８自体を大きくする必要があることを意味する。なお、分流比とは、供給側接続部Ｂから燃料電池２に流れる酸化ガス流量に対するバイパスエア流量の割合をいう。

以上の考察によれば、バイパス弁１８を小型化するためには、低効率運転の際に、圧力Ｐ₂よりも、好ましくは合計有効断面積が急増する圧力Ｐ₃よりも、更に好ましくは圧力Ｐ₄（Ｐ₄＞Ｐ₃を満たす。）よりも、大きな一次圧となるような仕様にするとよい。そのためには、低効率運転の際に、一次圧が圧力Ｐ₄よりも大きくなるように、全開又はこれに近い開度よりも小さい開度に調圧弁１６を絞り仕様にすればよい。なお、圧力Ｐ₃又はＰ₄は、例えば１５０ｋＰａ前後である。

一方で、調圧弁１６の絞りを大きくすると、調圧弁１６によって可変される燃料電池２の酸化ガス供給圧力（一次圧）が大きくなりすぎてしまう。このため、コンプレッサ１４がその酸化ガス供給圧力に対応する吐出圧を確保できなくなる。例えば、コンプレッサ１４による酸化ガスの限界吐出圧を圧力Ｐ₆とした場合には、圧力Ｐ₆を超える一次圧の範囲では、調圧弁１６を絞り仕様にすることはできない。なお、圧力Ｐ₆は例えば２５０ｋＰａ前後である。

以上の考察によれば、低効率運転の際には、圧力Ｐ６よりも小さい一次圧となるような仕様にする必要がある。特に、コンプレッサ１４の限界吐出圧に関して安全率を考慮すると、低効率運転の際には、圧力Ｐ₅（Ｐ₅＜Ｐ₆を満たす。）よりも小さい一次圧となるような仕様にすることが好ましい。そのためには、低効率運転の際に、調圧弁１６に絞りの限界を設ける、つまり調圧弁１６の最小開度を設ければよく、具体的には、調圧弁１６内の流路の有効断面積が、圧力Ｐ６での有効断面積Ｓ₂以上となるようにすればよい。なお、有効断面積Ｓ₁は、調圧弁１６を設定できる最小の開度のときの値であり、低効率運転時に許容できる調圧弁１６の有効断面積Ｓ₂よりも小さい。また、有効断面積Ｓ₂としては、例えば２５ｍｍ〜４２ｍｍである。

以上によれば、低効率運転の際には、調圧弁１６は、一次圧がＰ₃からＰ₅までの範囲を成立範囲とするように所定の開度で絞り気味に開弁され、狙い値としては一次圧がＰ₄からＰ₅までの範囲となるように所定の開度で開弁される。したがって、バイパス弁１８内の流路の有効断面積は、一次圧の成立範囲（Ｐ₃からＰ₅まで）に対応してＳ_B1からＳ_B3までを満たすようなものであればよく、一次圧の狙い値（Ｐ₄からＰ₅まで）に対応してＳ_B2からＳ_B3までを満たすようなものであればよい。例えば、バイパス弁１８の全開時における、バイパス弁１８内の流路の有効断面積をＳ_B2に決定し、それに対応したバイパス弁１８を構成すればよい。有効断面積Ｓ_B2としては、例えば１２０ｍｍ〜１７５ｍｍである。

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、バイパス弁１８内の流路の有効断面積を上記のように決定している。つまり、コンプレッサ１４が目標とする低効率運転時の酸化ガスの吐出流量と、コンプレッサ１４による酸化ガスの吐出圧（一次圧）と、低効率運転時の調圧弁１６の最小開度とに基づいて、バイパス弁１８内の流路の有効断面積が決定されている。これにより、バイパス弁１８の小型化を実現しつつ、低効率発電時に、燃料電池２が要求する流量及び圧力の酸化ガスを燃料電池２に供給できると共に、酸化オフガスを希釈するのに必要な流量のバイパスエアを酸化オフガスに供給できる。

ここで、低効率運転時には、バイパス弁１８における流路の有効断面積を上記の狙い値で一定にしてもよいが、もちろんこれを可変するようにしてもよい。すなわち、バイパス弁１８における流路の有効断面積が、上記の有効断面積の範囲（例えばＳ_B2からＳ_B3までの範囲）で可変するように、バイパス弁１８の開度を制御装置７により制御してもよい。そして、所定の分流比を確保するように、バイパス弁１８の開度の制御に対応して、調圧弁１６の開度を制御装置７で制御してもよい。

特に、低効率運転の際には、バイパス弁１８と調圧弁１６とを協調制御するようにすれば、燃料電池２の発電に必要な酸化ガス量を応答性良く燃料電池２に供給することが可能となる。そして、この協調制御に好適となるようにするには、バイパス弁１８を応答性の高いバラフライ弁で構成することが好ましい。バタフライ弁を用いることで、バイパス弁１８を全開で使用するときに、バイパス弁１８を通過するバイパスエアの抵抗を小さくすることもできる。

また、低効率運転時に、バイパス弁１８における流路の有効断面積を上記の狙い値で一定にしつつ、燃料電池２の状態（例えば燃料電池の電流値）に応じて、制御装置７で調圧弁１６の開度を制御し、燃料電池に必要な酸化ガス流量を微調整するようにしてもよい。あるいは、低効率運転時に、バイパス弁１８における流路の有効断面積を上記の狙い値で一定にしつつ、供給路１１に設けた酸化ガス供給圧を検出する圧力センサや、上記の圧力センサＰ１の検出結果に応じて、制御装置７で調圧弁１６の開度を制御するようにしてもよい。

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。

燃料電池システムの構成図である。 ＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。 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。 燃料電池の酸化ガス供給圧力である一次圧と、調圧弁又はバイパス弁内の流路の有効断面積と、の関係を表すグラフである。

符号の説明

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（圧縮機）、１５：加湿器、１６：調圧弁、１７：バイパス路、１８：バイパス弁、１９：絞り弁、Ｂ：供給側接続部、Ｃ：排出側接続部

Claims (6)

1. 燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
   前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に圧送する圧縮機と、
   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、
   前記酸化ガスが前記燃料電池をバイパスして流れるように、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ときに開弁され、
   前記バイパス弁における流路の有効断面積は、前記低効率運転を行うときの前記圧縮機による酸化ガスの吐出流量及び吐出圧と、前記低効率運転を行うときの前記調圧弁の最小開度とに基づいて決定されている、燃料電池システム。
2. 前記調圧弁は、前記低効率運転を行うとき、全開よりも小さい所定の開度で開弁される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バイパス弁は、バタフライ弁である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記低効率運転の際、前記調圧弁及び前記バイパス弁を協調制御する、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。
5. 前記低効率運転は、所定の低温時に行われる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記低効率運転は、当該燃料電池システムの起動時に行われる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   
   

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