燃料電池システム
【課題】バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるように、供給路１１と排出路１２とを接続するバイパス路１７と、バイパス路１７を開閉するバイパス弁１８と、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路１１、排出路１２及びバイパス路１７の少なくとも一つは、バイパス弁１８の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されている。
【解決手段】酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるように、供給路１１と排出路１２とを接続するバイパス路１７と、バイパス路１７を開閉するバイパス弁１８と、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路１１、排出路１２及びバイパス路１７の少なくとも一つは、バイパス弁１８の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されている。
【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。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燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。こ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、排気路の下流端部に設けた消音器と、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、エアコンプレッサにより酸化ガスを酸化オフガスに導入することで、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】
このような従来の燃料電池システムでは、バイパス弁の開弁中に、エアコンプレッサからの脈動音等の音は燃料電池を通らずにバイパス路から排気路へと伝達され得る。このため、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとが合流することによって、共鳴が発生し、大きな音が発生するおそれがあった。もっとも、従来の燃料電池システムには消音器が設けられているが、この消音器は排気が大気放出されるときに消音効果を奏するものであり、バイパス弁の開弁に伴って発生し得る音までは充分に消音できるものではなかった。
【０００６】
本発明は、バイパス弁が開弁中の消音効果を高め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、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、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、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路、排出路及びバイパス路の少なくとも一つは、バイパス弁の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されているものである。
【０００８】
かかる構成によれば、互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するため、酸化ガスがもたらす音と酸化オフガスがもたらす音とが、お互いに打ち消すように減衰することが可能となる。これにより、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制でき、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。また、バイパス路に消音器や音源を別途設けなくても済むようになる。
【０００９】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、バイパス弁を開閉制御する制御装置を備える。
【００１０】
この構成によれば、例えば燃料電池システムの状況に応じて、バイパス弁の開閉を適切に制御できる。
【００１１】
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、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、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、を備えた燃料電池システムにおいて、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えたものである。
【００１２】
この構成によれば、共鳴を考慮してバイパス弁を開閉制御するため、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。これにより、バイパス路に別個の装置（消音器や音源）を設けなくとも、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生する弁開度をスキップするように、バイパス弁を開閉制御する。
【００１４】
こうすることで、共鳴が発生しない弁開度でバイパス弁を開閉することができる。
【００１５】
上記した本発明の燃料電池システムの一態様によれば、制御装置は、燃料電池システムの運転時にバイパス弁を閉弁し、燃料電池システムの起動時にバイパス弁を開弁することが好ましい。より好ましくは、制御装置は、燃料電池システムの起動時であって所定の低温時にのみ、バイパス弁を開弁する。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムの別の一態様によれば、制御装置は、燃料電池システムの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、バイパス弁を開弁することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、消音効果を高めつつ、低効率発電時であっても酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。これにより、排出路から、規制範囲を超えた燃料ガス（例えば水素ガス）が外部に排出されることを抑制できる。
【００１８】
燃料電池システムが低効率運転を行うと、燃料電池の自己発熱が促進される。そこで、低効率運転は、所定の低温時にのみ行われることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、効率よく燃料電池を暖機することができる。
【００２０】
上記した本発明の燃料電池システムは、供給機の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、供給路とバイパス路との供給側接続部は、加湿器よりも上流側に位置していることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、排出路に設けられた調圧弁を更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
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、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。この燃料電池システムは、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能なものであり、バイパスした酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって、大きな音が発生しないように構成されたものである。
【００２４】
＜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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（詳細は後述する。）。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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によって調圧される。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。
【００３０】
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、モータ又はソレノイドなどで駆動する開閉弁（シャット弁）であるバイパス弁１８が設けられている。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。
【００３１】
なお、バイパス弁１８の一次側と二次側との差圧は大きいため、仮にバイパス弁１８の閉弁時に弁体と弁座との間に隙間が僅かに存在すると、バイパス弁１８の二次側へのバイパスエアの漏れ量が多くなってしまう。バイパス弁１８の閉弁時のシール効果が十分でないと、バイパス弁１８が閉弁している通常運転時（詳細は後述する。）において、コンプレッサ１４の効率を低下させてしまう。そこで、好ましいバイパス弁１８の態様としては、セルフシーリング構造を有するポペットタイプで構成することが好ましい。こうすることで、バイパス弁１８の一次側と二次側との大きな差圧を有効に利用して、バイパス弁１８の閉弁時のシール効果を高めることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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）
【００４２】
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）
【００４３】
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）
【００４４】
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。
【００４５】
なお、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、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。
【００４６】
ただし、他の実施態様では、通常運転の際にもバイパス弁１８を開弁するようにしてもよい。その好ましい一例を説明する。
車両１００の減速時など、トラクションモータ６４を発電機として機能させて回生制動する際には、燃料電池２の出力が停止され、バッテリ６２に電力（回生パワー）が充電される。しかし、回生時にバッテリ６２の充電量が満タンである場合には、電力系６において回生パワーが余剰状態となる。そこで、回生時にバッテリ６２が充電できない状態である場合には、コンプレッサ１４を余剰に駆動して余剰の回生パワーを消費すると共に、バイパス弁１８を開弁して燃料電池２に余剰な酸化ガスが供給されないようにすることが好ましい。
【００４７】
図４は、酸化ガス配管系３を拡大して示す構成図である。
上記のように、バイパス弁１８が開弁すると、酸化ガスは供給側接続部Ｂで分流され、酸化ガスの一部がバイパスエアとして排出側接続部Ｃへと流れていくと共に、酸化ガスの残りが反応ガスとして燃料電池２内の酸化ガス流路２ａに供給されていく。酸化ガス流路２ａを流れて排出路１２へと排出された酸化オフガスは、調圧弁１６等を経て排出側接続部Ｃへと流れていく。したがって、排出側接続部Ｃでは、バイパスエアと酸化オフガスとが合流する。
【００４８】
ここで、仮にバイパスエアが圧損体を通れば、バイパスエアがもたらす音（例えばコンプレッサ１４からの脈動音等の音）は結果的にある程度消音される。しかし、バイパスエアは、加湿器１５などの圧損体を通らずに排出側接続部Ｃへと流れていくため、バイパスエアと酸化オフガスとの合流によって、音が非常に大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、バイパス弁１８が開弁中に、大きな音が発生しないような配管構造となっている。
【００４９】
すなわち、本実施形態の配管構造では、供給路１１、排出路１２及びバイパス路１７の少なくとも一つの管路長が調整され、互いに位相のずれたバイパスエアと酸化オフガスとが排出側接続部Ｃで合流するようになっている。
【００５０】
具体的には、バイパスエアが排出側接続部Ｃにもたらす音波ｆ1（換言すれば、バイパス弁１８の開弁中にバイパス路１７から排出側接続部Ｃにもたらされる音波）の位相と、酸化オフガスが排出側接続部Ｃにもたらす音波ｆ2（換言すれば、バイパス弁１８の開弁中に排出路１２から排出側接続部Ｃにもたらされる音波）の位相とは、お互いにずれており、好ましくは、両者が全く反対（逆位相）となっている。こうすることで、バイパスエアがもたらす音と酸化オフガスがもたらす音とが、お互いに打ち消すように減衰するため、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。
【００５１】
ここで、仮に、バイパスエアがもたらす音が鈍音（周波数が一定）であり且つ酸化オフガスがもたらす音が鈍音であるとし、両者が一定の波長λであるとする。この場合、音波ｆ1と音波ｆ2とを逆位相にするためには、例えば、次の式（１０）〜（１５）のいずれかの配管構造とすればよい。なお、もちろんこれらに限るものではない。
Ｌ1−Ｍ1≒λ/２ ・・・（１０）
Ｌ1−Ｍ2≒λ/２ ・・・（１１）
Ｌ1−Ｍ3≒λ/２ ・・・（１２）
Ｌ2−Ｍ1≒λ/２ ・・・（１３）
Ｌ2−Ｍ2≒λ/２ ・・・（１４）
Ｌ2−Ｍ3≒λ/２ ・・・（１５）
【００５２】
ここで、Ｌ1は、コンプレッサ１４の吐出し口から供給側接続部Ｂを経由して排出側接続部Ｃにいたる部分の、供給路１１及びバイパス路１７の配管長さである。Ｌ2は、バイパス弁１８の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、バイパス路１７の配管長さである。Ｍ1は、燃料電池２のカソード出口（排出路１２の上流端）から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。Ｍ2は、背圧調整弁１６の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。Ｍ3は、加湿器１５の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。
【００５３】
以上、本実施形態の燃料電池システム１によれば、低効率運転時であっても酸化オフガス中の水素濃度をバイパスエアにより低減できると共に、バイパスエアと酸化オフガスとの合流に伴う大きな音の発生を抑制できる。したがって、簡易な配管構造によって、バイパス弁１８が開弁中の消音効果を高めることができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１について、相違点を中心に簡単に説明する。第１実施形態との相違点は、配管構造以外の方法で、バイパスエアと酸化オフガスとの合流に伴う大きな音の発生を抑制したことである。
【００５５】
具体的には、本実施形態のバイパス弁１８は、弁開度を調整可能な可変バルブで構成されている。可変バルブとしては、例えばバタフライ弁を用いることができる。なお、弁開度とは、弁体と弁座との間の開口面積と言い換えることもできる。バイパス弁１８は、制御装置７に接続されており、制御装置７によって弁開度を多段階、連続的（無段階）又はリニアに切り替えられるように構成されている。
【００５６】
バイパス弁１８の弁開度によっては、バイパス弁１８の開弁中にバイパスエアと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生し得る。この共鳴によって、酸化ガス配管系３では大きな音が発生することになる。そこで、このような事態を回避するべく、本実施形態では、制御装置７が、バイパス弁１８の開弁中にバイパスエアと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、バイパス弁１８を開閉制御するようにしている。共鳴が発生しないようにバイパス弁１８を開いたり閉じたりするには、その共鳴が発生する弁開度を瞬間的にスキップするように、つまりその弁開度で一定時間停止しないようにすればよい。なお、共鳴が発生する弁開度は事前の評価により得ておき、制御装置７のＲＯＭに記憶させておけばよい。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、共鳴を考慮してバイパス弁１８を開閉制御するため、第１実施形態と同様に、バイパスエアと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。
【００５８】
＜変形例＞
上記した各実施形態では、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。
【００５９】
また、バイパス路１７に別途、可変のバルブを設け、可変のバルブを調整することにより、バイパスエアと酸化オフガスの音波の位相をずらすようにしてもよい。さらに、一般的な拡張型又は共鳴型の消音器をバイパス弁１８の下流のバイパス路１７上に設けて、この消音器によってバイパスエアがもたらす音を低減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本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】本実施形態に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
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：バイパス弁、Ｂ：供給側接続部、Ｃ：排出側接続部
【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。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燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。こ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、排気路の下流端部に設けた消音器と、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、エアコンプレッサにより酸化ガスを酸化オフガスに導入することで、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】
このような従来の燃料電池システムでは、バイパス弁の開弁中に、エアコンプレッサからの脈動音等の音は燃料電池を通らずにバイパス路から排気路へと伝達され得る。このため、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとが合流することによって、共鳴が発生し、大きな音が発生するおそれがあった。もっとも、従来の燃料電池システムには消音器が設けられているが、この消音器は排気が大気放出されるときに消音効果を奏するものであり、バイパス弁の開弁に伴って発生し得る音までは充分に消音できるものではなかった。
【０００６】
本発明は、バイパス弁が開弁中の消音効果を高め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、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、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、を備えた燃料電池システムにおいて、供給路、排出路及びバイパス路の少なくとも一つは、バイパス弁の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されているものである。
【０００８】
かかる構成によれば、互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するため、酸化ガスがもたらす音と酸化オフガスがもたらす音とが、お互いに打ち消すように減衰することが可能となる。これにより、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制でき、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。また、バイパス路に消音器や音源を別途設けなくても済むようになる。
【０００９】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、バイパス弁を開閉制御する制御装置を備える。
【００１０】
この構成によれば、例えば燃料電池システムの状況に応じて、バイパス弁の開閉を適切に制御できる。
【００１１】
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、供給路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に圧送する供給機と、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、を備えた燃料電池システムにおいて、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えたものである。
【００１２】
この構成によれば、共鳴を考慮してバイパス弁を開閉制御するため、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。これにより、バイパス路に別個の装置（消音器や音源）を設けなくとも、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生する弁開度をスキップするように、バイパス弁を開閉制御する。
【００１４】
こうすることで、共鳴が発生しない弁開度でバイパス弁を開閉することができる。
【００１５】
上記した本発明の燃料電池システムの一態様によれば、制御装置は、燃料電池システムの運転時にバイパス弁を閉弁し、燃料電池システムの起動時にバイパス弁を開弁することが好ましい。より好ましくは、制御装置は、燃料電池システムの起動時であって所定の低温時にのみ、バイパス弁を開弁する。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムの別の一態様によれば、制御装置は、燃料電池システムの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、バイパス弁を開弁することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、消音効果を高めつつ、低効率発電時であっても酸化オフガスを酸化ガスで希釈できる。これにより、排出路から、規制範囲を超えた燃料ガス（例えば水素ガス）が外部に排出されることを抑制できる。
【００１８】
燃料電池システムが低効率運転を行うと、燃料電池の自己発熱が促進される。そこで、低効率運転は、所定の低温時にのみ行われることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、効率よく燃料電池を暖機することができる。
【００２０】
上記した本発明の燃料電池システムは、供給機の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、供給路とバイパス路との供給側接続部は、加湿器よりも上流側に位置していることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、排出路に設けられた調圧弁を更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
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、バイパス弁が開弁中の消音効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。この燃料電池システムは、燃料電池に対して酸化ガスをバイパス可能なものであり、バイパスした酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって、大きな音が発生しないように構成されたものである。
【００２４】
＜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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（詳細は後述する。）。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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によって調圧される。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。
【００３０】
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、モータ又はソレノイドなどで駆動する開閉弁（シャット弁）であるバイパス弁１８が設けられている。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。
【００３１】
なお、バイパス弁１８の一次側と二次側との差圧は大きいため、仮にバイパス弁１８の閉弁時に弁体と弁座との間に隙間が僅かに存在すると、バイパス弁１８の二次側へのバイパスエアの漏れ量が多くなってしまう。バイパス弁１８の閉弁時のシール効果が十分でないと、バイパス弁１８が閉弁している通常運転時（詳細は後述する。）において、コンプレッサ１４の効率を低下させてしまう。そこで、好ましいバイパス弁１８の態様としては、セルフシーリング構造を有するポペットタイプで構成することが好ましい。こうすることで、バイパス弁１８の一次側と二次側との大きな差圧を有効に利用して、バイパス弁１８の閉弁時のシール効果を高めることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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）
【００４２】
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）
【００４３】
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）
【００４４】
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。
【００４５】
なお、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、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。
【００４６】
ただし、他の実施態様では、通常運転の際にもバイパス弁１８を開弁するようにしてもよい。その好ましい一例を説明する。
車両１００の減速時など、トラクションモータ６４を発電機として機能させて回生制動する際には、燃料電池２の出力が停止され、バッテリ６２に電力（回生パワー）が充電される。しかし、回生時にバッテリ６２の充電量が満タンである場合には、電力系６において回生パワーが余剰状態となる。そこで、回生時にバッテリ６２が充電できない状態である場合には、コンプレッサ１４を余剰に駆動して余剰の回生パワーを消費すると共に、バイパス弁１８を開弁して燃料電池２に余剰な酸化ガスが供給されないようにすることが好ましい。
【００４７】
図４は、酸化ガス配管系３を拡大して示す構成図である。
上記のように、バイパス弁１８が開弁すると、酸化ガスは供給側接続部Ｂで分流され、酸化ガスの一部がバイパスエアとして排出側接続部Ｃへと流れていくと共に、酸化ガスの残りが反応ガスとして燃料電池２内の酸化ガス流路２ａに供給されていく。酸化ガス流路２ａを流れて排出路１２へと排出された酸化オフガスは、調圧弁１６等を経て排出側接続部Ｃへと流れていく。したがって、排出側接続部Ｃでは、バイパスエアと酸化オフガスとが合流する。
【００４８】
ここで、仮にバイパスエアが圧損体を通れば、バイパスエアがもたらす音（例えばコンプレッサ１４からの脈動音等の音）は結果的にある程度消音される。しかし、バイパスエアは、加湿器１５などの圧損体を通らずに排出側接続部Ｃへと流れていくため、バイパスエアと酸化オフガスとの合流によって、音が非常に大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、バイパス弁１８が開弁中に、大きな音が発生しないような配管構造となっている。
【００４９】
すなわち、本実施形態の配管構造では、供給路１１、排出路１２及びバイパス路１７の少なくとも一つの管路長が調整され、互いに位相のずれたバイパスエアと酸化オフガスとが排出側接続部Ｃで合流するようになっている。
【００５０】
具体的には、バイパスエアが排出側接続部Ｃにもたらす音波ｆ1（換言すれば、バイパス弁１８の開弁中にバイパス路１７から排出側接続部Ｃにもたらされる音波）の位相と、酸化オフガスが排出側接続部Ｃにもたらす音波ｆ2（換言すれば、バイパス弁１８の開弁中に排出路１２から排出側接続部Ｃにもたらされる音波）の位相とは、お互いにずれており、好ましくは、両者が全く反対（逆位相）となっている。こうすることで、バイパスエアがもたらす音と酸化オフガスがもたらす音とが、お互いに打ち消すように減衰するため、酸化ガスと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。
【００５１】
ここで、仮に、バイパスエアがもたらす音が鈍音（周波数が一定）であり且つ酸化オフガスがもたらす音が鈍音であるとし、両者が一定の波長λであるとする。この場合、音波ｆ1と音波ｆ2とを逆位相にするためには、例えば、次の式（１０）〜（１５）のいずれかの配管構造とすればよい。なお、もちろんこれらに限るものではない。
Ｌ1−Ｍ1≒λ/２ ・・・（１０）
Ｌ1−Ｍ2≒λ/２ ・・・（１１）
Ｌ1−Ｍ3≒λ/２ ・・・（１２）
Ｌ2−Ｍ1≒λ/２ ・・・（１３）
Ｌ2−Ｍ2≒λ/２ ・・・（１４）
Ｌ2−Ｍ3≒λ/２ ・・・（１５）
【００５２】
ここで、Ｌ1は、コンプレッサ１４の吐出し口から供給側接続部Ｂを経由して排出側接続部Ｃにいたる部分の、供給路１１及びバイパス路１７の配管長さである。Ｌ2は、バイパス弁１８の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、バイパス路１７の配管長さである。Ｍ1は、燃料電池２のカソード出口（排出路１２の上流端）から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。Ｍ2は、背圧調整弁１６の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。Ｍ3は、加湿器１５の流出口から排出側接続部Ｃにいたる部分の、排出路１２の配管長さである。
【００５３】
以上、本実施形態の燃料電池システム１によれば、低効率運転時であっても酸化オフガス中の水素濃度をバイパスエアにより低減できると共に、バイパスエアと酸化オフガスとの合流に伴う大きな音の発生を抑制できる。したがって、簡易な配管構造によって、バイパス弁１８が開弁中の消音効果を高めることができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１について、相違点を中心に簡単に説明する。第１実施形態との相違点は、配管構造以外の方法で、バイパスエアと酸化オフガスとの合流に伴う大きな音の発生を抑制したことである。
【００５５】
具体的には、本実施形態のバイパス弁１８は、弁開度を調整可能な可変バルブで構成されている。可変バルブとしては、例えばバタフライ弁を用いることができる。なお、弁開度とは、弁体と弁座との間の開口面積と言い換えることもできる。バイパス弁１８は、制御装置７に接続されており、制御装置７によって弁開度を多段階、連続的（無段階）又はリニアに切り替えられるように構成されている。
【００５６】
バイパス弁１８の弁開度によっては、バイパス弁１８の開弁中にバイパスエアと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生し得る。この共鳴によって、酸化ガス配管系３では大きな音が発生することになる。そこで、このような事態を回避するべく、本実施形態では、制御装置７が、バイパス弁１８の開弁中にバイパスエアと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、バイパス弁１８を開閉制御するようにしている。共鳴が発生しないようにバイパス弁１８を開いたり閉じたりするには、その共鳴が発生する弁開度を瞬間的にスキップするように、つまりその弁開度で一定時間停止しないようにすればよい。なお、共鳴が発生する弁開度は事前の評価により得ておき、制御装置７のＲＯＭに記憶させておけばよい。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、共鳴を考慮してバイパス弁１８を開閉制御するため、第１実施形態と同様に、バイパスエアと酸化オフガスとの合流によって大きな音が発生するのを抑制できる。
【００５８】
＜変形例＞
上記した各実施形態では、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。
【００５９】
また、バイパス路１７に別途、可変のバルブを設け、可変のバルブを調整することにより、バイパスエアと酸化オフガスの音波の位相をずらすようにしてもよい。さらに、一般的な拡張型又は共鳴型の消音器をバイパス弁１８の下流のバイパス路１７上に設けて、この消音器によってバイパスエアがもたらす音を低減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本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】本実施形態に係る酸化ガス配管系を拡大して示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
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：バイパス弁、Ｂ：供給側接続部、Ｃ：排出側接続部
【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供給機と、
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、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給路、前記排出路及び前記バイパス路の少なくとも一つは、前記バイパス弁の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
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供給機と、
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、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、前記バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えた、燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生する弁開度をスキップするように、前記バイパス弁を開閉制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転時に前記バイパス弁を閉弁し、当該燃料電池システムの起動時に前記バイパス弁を開弁する、請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、当該燃料電池システムの起動時であって所定の低温時にのみ、前記バイパス弁を開弁する、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の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、前記バイパス弁を開弁する、請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記低効率運転は、所定の低温時にのみ行われる、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給機の下流側の前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを加湿する加湿器を更に備え、
前記供給路と前記バイパス路との供給側接続部は、前記加湿器よりも上流側に位置している、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排出路に設けられた調圧弁を更に備えた、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【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供給機と、
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、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記供給路、前記排出路及び前記バイパス路の少なくとも一つは、前記バイパス弁の開弁中に互いに位相のずれた酸化ガスと酸化オフガスとが合流するように、管路長が調整されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
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供給機と、
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、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生しないように、前記バイパス弁を開閉制御する制御装置を備えた、燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記バイパス弁の開弁中に酸化ガスと酸化オフガスとの合流により共鳴が発生する弁開度をスキップするように、前記バイパス弁を開閉制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転時に前記バイパス弁を閉弁し、当該燃料電池システムの起動時に前記バイパス弁を開弁する、請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、当該燃料電池システムの起動時であって所定の低温時にのみ、前記バイパス弁を開弁する、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の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、前記バイパス弁を開弁する、請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記低効率運転は、所定の低温時にのみ行われる、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給機の下流側の前記供給路に設けられ、前記酸化ガスを加湿する加湿器を更に備え、
前記供給路と前記バイパス路との供給側接続部は、前記加湿器よりも上流側に位置している、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排出路に設けられた調圧弁を更に備えた、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−３１７４７２（Ｐ２００７−３１７４７２Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４５１０９（Ｐ２００６−１４５１０９）
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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