JP2018041630A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサの昇温の迅速化を図ることができる燃料電池システムの提供。【解決手段】供給路（３０ａ）、又は排出路（３０ｂ）に設けられた圧力制御弁（３４、３６）と、燃料電池（１０）を経ることなく供給路（３０ａ）から排出路（３０ｂ）へ接続されるバイパス流路（３０ｃ）に、設けられたバイパス弁（３５）とを備える燃料電池システム（１００）である。常温環境下よりも温度が低い低温環境下において燃料電池システム（１００）を起動したとき、圧力制御弁（３４、３６）は、圧力制御弁（３４、３６）の開度を調整することによって、供給路（３０ａ）における燃料電池（１０）からコンプレッサ（３２）側までの圧力を上昇させる。バイパス弁（３５）はバイパス弁（３５）の開度が常温環境下において燃料電池システム（１００）を起動したときのバイパス弁（３５）の開度と比較して高くなるように開く。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、コンプレッサを備える燃料電池システムである。

特許文献１に開示される燃料電池システムは、コンプレッサと、調圧バルブとを備え、これらは、空気等のガスを供給する流路、又は電気化学反応した後に生じた流体を排出する流路に設けられている。当該燃料電池システムでは、調圧バルブを閉塞してコンプレッサを駆動することによって、燃料電池を昇温させる。

特開２００８−０５９９２２号公報

ところで、低温環境下においてコンプレッサを急速に昇温させることのできる燃料電池システムが要求されている。コンプレッサを急速に昇温させると、コンプレッサの消費電力の増大を抑制することができて好ましい。

本発明に係る燃料電池システムは、コンプレッサの昇温の迅速化を図ることができるものとする。

本発明に係る燃料電池システムは、
カソードガスを圧縮するコンプレッサと、
前記圧縮されたカソードガスを供給される燃料電池と、
前記圧縮されたカソードガスを前記コンプレッサから前記燃料電池へ導く供給路、又はカソードオフガスを前記燃料電池の外部へ排出する排出路に設けられた圧力制御弁（例えば、封止弁３４、背圧弁３６）と、
前記燃料電池を経ることなく前記供給路から前記排出路へ接続されるバイパス流路に、設けられたバイパス弁と、
を備える燃料電池システムであって、
常温環境下よりも温度が低い低温環境下において前記燃料電池システムを起動したとき、
前記圧力制御弁は、前記圧力制御弁の開度を調整することによって、前記供給路における前記燃料電池から前記コンプレッサ側までの圧力を上昇させ、
前記バイパス弁は、前記バイパス弁の開度が前記常温環境下において前記燃料電池システムを起動したときの前記バイパス弁の開度と比較して高くなるように、開く。
このような構成によれば、供給路における燃料電池からコンプレッサ側までの圧力が上昇し、コンプレッサの構成要素、例えば、軸受部にかかる荷重が増大する。この荷重増大により、軸受部に摩擦熱が発生し、コンプレッサを迅速に昇温することができる。

本発明に係る燃料電池システムは、コンプレッサの昇温の迅速化を図ることができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の要部の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の要部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの制御方法の一具体例を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る燃料電池システムの制御方法の一具体例を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
以下、図１〜図３を参照して実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の構成を示す概略図である。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の要部の構成を示す概略図である。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システムの一具体例の要部の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、ＦＣ（燃料電池）スタック１０と、アノードガス流路２０と、カソードガス流路３０と、冷却媒体流路４０とを含む。燃料電池システム１００は、水素漏れを検知するために、水素を検出する水素検出器５１、５２を備えるとよく、水素検出器５１は、例えば、アノードガス流路２０の近傍に配置され、水素検出器５２は、例えば、冷却媒体流路４０の近傍に配置される。

ＦＣスタック１０は、セルモニタ１１と、アノード流路１２と、カソード流路１３と、冷却媒体流路１４とを含む。ＦＣスタック１０の一具体例は、複数枚のセル（図示略）を積層した積層体（図示略）であり、当該セルの一枚は、アソード電極（図示略）と、カソード電極（図示略）と、これらアソード電極とカソード電極との間に挟み込まれた電解質膜（図示略）とを含む。電解質膜は、プロトンを伝導させる性質を有する。セルモニタ１１は、各セル又は複数のセル群毎の電圧や温度など各種情報を得るための測定装置である。アノード流路１２のアノード流路入口１２ａには、アノードガスとして、例えば、水素（Ｈ_２）ガスが供給され、アノード電極に到達して、水素イオンが発生する。発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極に到達する。一方、カソード流路１３のカソード流路入口１３ａには、カソードガスとして、例えば、酸素、又は、大気などの酸素を含むガスが供給され、カソード電極に到達する。カソード電極に到達した水素イオン及び酸素が電気化学反応を起こし、水が発生しつつ発電する。冷却媒体流路１４には、冷却媒体として、例えば、水が供給される。冷却媒体が冷却媒体流路１４の冷却媒体流路入口１４ａからＦＣスタック１０内側に流入し、ＦＣスタック１０内部から熱を奪った後に、冷却媒体流路出口１４ｂからＦＣスタック１０外側に流出する。冷却媒体は、ＦＣスタック１０を冷却する。但し、ＦＣスタック１０の起動時には、ＦＣスタック１０内部へ熱を与え、ＦＣスタック１０を加熱することになる。

アノードガス流路２０は、アノードガス供給路２０ａと、アノードオフガス排出路２０ｂとを備える。ＦＣスタック１０のアノード流路１２のアノード流路入口１２ａには、アノードガス供給路２０ａが接続されている。アノード流路１２のアノード流路出口１２ｂには、アノードオフガス排出路２０ｂが接続されている。

アノードガス供給路２０ａにおいて、その先端からアノード流路入口１２ａ側の端まで、充填口２１、ガスタンク２２、メインバルブユニット２３、レギュレータユニット２４、及びインジェクタ２５がこの順に設けられている。

アノードガス供給路２０ａの先端には、充填口２１が設けられている。充填口２１は、アノードガスとしての水素ガスを燃料電池システム１００の外部からその内部に導き入れる。ガスタンク２２は、充填口２１が導き入れたアノードガスを通じて充填し、蓄積する。ガスタンク２２には、溶栓弁２２ａと、ガスタンク２２の内側の温度を計測する温度センサ２２ｂと、ガスタンク２２の内側の圧力を計測する圧力センサ２２ｃとが設けられている。

メインバルブユニット２３は、手動弁２３ａと、逆止弁２３ｂと、手動弁２３ｃと、逆止弁２３ｄと、電磁弁２３ｅと、手動弁２３ｆとを含む。メインバルブユニット２３は、手動弁２３ａ等の各弁を閉塞したり、開放したりすることによって、アノードガスをガスタンク２２へ蓄積させたり、アノードガスをガスタンク２２からＦＣスタック１０へ供給させたりすることができる。アノードガス供給路２０ａにおけるメインバルブユニット２３の下流側に、アノードガス供給路２０ａ内の圧力を計測する気圧センサ２０ｃが設けられている。

レギュレータユニット２４は、減圧弁２４ａと、中立リリーフ弁２４ｂとを含み、各弁の開閉度合いを変化させることによって、アノードガス供給路２０ａ内におけるアノードガスの圧力を変化させて、所望の圧力値にすることができる。これによって、レギュレータユニット２４は、ガスタンク２２からＦＣスタック１０へ供給されるアノードガスの供給量を変化させる。

インジェクタ２５は、アノードガスの圧力や流量が、ＦＣスタック１０へ流入するのに好適な大きさとなるように、アノードガスをＦＣスタック１０へ噴射する。アノードガス供給路２０ａにおけるインジェクタ２５の上流側に、アノードガス供給路２０ａ内の圧力を計測する気圧センサ２５ａが設けられている。アノードガス供給路２０ａにおけるインジェクタ２５の下流側に、リリーフ弁２５ｂと、アノードガス供給路２０ａ内の圧力を計測する気圧センサ２５ｃとが設けられている。

アノードオフガス排出路２０ｂは、アノード流路１２のアノード流路出口１２ｂから延びて、カソードガス流路３０のカソードオフガス排出路３０ｂに設けられた水素希釈器３７に合流している。アノードオフガス排出路２０ｂにおいて、排気排水弁２６が設けられている。排気排水弁２６は、閉塞することによりアノード流路出口１２ｂから排出された水やガスを保持し、開放することによって水やガスを水素希釈器３７に排出する。

図１及び図２に示すように、カソードガス流路３０は、カソードガス供給路３０ａと、カソードオフガス排出路３０ｂとを含む。ＦＣスタック１０のカソード流路１３のカソード流路入口１３ａには、カソードガス供給路３０ａが接続されている。カソード流路１３のカソード流路出口１３ｂには、カソードオフガス排出路３０ｂが接続されている。

カソードガス供給路３０ａの先端は、カソードガス、例えば、酸素を含むガス、大気等を取り込む。カソードガス供給路３０ａにおいて、その先端からカソード流路入口１３ａ側の端まで、エアクリーナ３１、コンプレッサ３２、インタークーラ３３、及び封止弁３４が、この順に設けられている。

エアクリーナ３１は、カソードガス供給路３０ａの先端から取り込まれたカソードガスを通過させ、カソードガス供給路３０ａの下流側のコンプレッサ３２等へ流入することを必要としない、又は好ましくない不純物等を当該カソードガスから除去する。エアクリーナ３１の上流側には、大気圧センサ３１ａが設けられている一方、この下流側には、エアーフローメータ３１ｃが設けられている。また、エアクリーナ３１には、温度センサ３１ｂが設けられている。

図３に示すように、コンプレッサ（ＡＣＰ：Air Compressor）３２は、モータ３２ａと、圧縮系３２ｂと、潤滑オイル供給系３２ｅとを含む。モータ３２ａは、ステータ（図示略）と、このステータに対して回転可能に支持されるロータ（図示略）とを備える。圧縮系３２ｂは、ハウジング（図示略）と、このハウジングの内側に配置されたインペラ３２ｃとを含む。インペラ３２ｃの本体は、軸受部３２ｄを介して、回転可能に支持されている。軸受部３２ｄは、潤滑オイル供給系３２ｅから潤滑オイルを供給される。潤滑オイル供給系３２ｅは、必要に応じて、潤滑オイルをコンプレッサ３２の各構成要素、例えば、軸受部３２ｄに供給し、各構成要素の間に生じる摩擦力を低減させる。潤滑オイル供給系３２ｅの一具体例は、潤滑オイルを送り出すポンプ（図示略）と、潤滑オイルをポンプから軸受部３２ｄへ導く流路（図示略）等から構成される系である。モータ３２ａがインペラ３２ｃに駆動力を与えて、インペラ３２ｃが回転する。すると、エアクリーナ３１を通過したカソードガスが、インペラ３２ｃの回転により、ハウジング内で圧縮する。また、コンプレッサ３２は、必要に応じて、モータ温度測定部３２ｆ、潤滑オイル温度測定部３２ｇ、コンプレッサ消費電力測定部３２ｈ、及びコンプレッサハウジング温度測定部３２ｉの少なくとも一つを備える。モータ温度測定部３２ｆは、モータ３２ａの温度、具体的には、モータ３２ａのステータ（固定子）の温度Ｔｍを測定するものであればよく、例えば、モータ３２ａのステータに設けられた温度センサである。潤滑オイル温度測定部３２ｇは、潤滑オイルの温度Ｔを測定するものであればよく、例えば、潤滑オイル供給系３２ｅの流路内に設けられる温度センサである。コンプレッサ消費電力測定部３２ｈは、コンプレッサの消費電力Ｐを時々刻々と測定する。コンプレッサハウジング温度測定部３２ｉは、コンプレッサ３２のハウジングの温度を測定する。

図１及び図２に示すように、コンプレッサ３２は、オイル流路６０に接続されており、オイル流路６０から冷却オイルを供給されている。オイル流路６０は、ＦＤＣ（昇圧コンバータ）６２に接続されている。オイル流路６０の中途には、ラジエータ６１が設けられている。ラジエータ６１は、オイル流路６０を流れるオイルを冷却する。モータ３２ａは、冷却媒体流路４０から冷却媒体分岐路４０ｂ、冷却媒体合流路４０ｃを通じて、冷却媒体を供給されて、冷却される。

インタークーラ３３は、コンプレッサ３２によって圧縮されたカソードガスを冷却する。インタークーラ３３の下流側には、カソードガスの温度を計測する温度センサ３３ａと、カソードガスの圧力を計測する圧力センサ３３ｂとが設けられている。

封止弁３４（第１の制御弁とも称する。）は、開放することによってカソードガスをカソード流路１３へ流入させたり、閉塞することによってカソードガスのカソード流路１３への流入を停止させたりする。封止弁３４は、その開度を変化させることで、カソードガスのカソード流路１３へ流入する量を変化させることができる。

カソードオフガス排出路３０ｂは、カソード流路１３のカソード流路出口１３ｂから延びる。カソードオフガス排出路３０ｂにおいてカソード流路出口１３ｂ側からその先端に向って、背圧弁３６と、水素希釈器３７と、マフラ３８とがこの順に設けられている。

背圧弁３６（第２の制御弁とも称する。）は、開放することにより、ガスをカソード流路１３のカソード流路出口１３ｂから排出された水等のカソードオフガスを、水素希釈器３７へ流入させる。また、背圧弁３６は、閉塞することにより、カソード流路出口１３ｂから排出された水等のカソードオフガスを水素希釈器３７へ流入させることを抑制させる、又は停止させる。背圧弁３６は、その開度を変化させることで、カソードオフガスの水素希釈器３７へ流入する量を変化させることができる。

カソードガス供給路３０ａにおける封止弁３４の上流側と、カソードオフガス排出路３０ｂにおける背圧弁３６の下流側とを、バイパス流路３０ｃが結ぶ。バイパス流路３０ｃの中途には、バイパス弁３５が設けられている。バイパス弁３５は開くと、カソードガスの少なくとも一部が、カソード流路１３を経由することなく、カソードガス供給路３０ａからカソードオフガス排出路３０ｂへ流入することができる。

水素希釈器３７は、アノードオフガスとカソードオフガスとを受けて、これらを混合することによって、希釈する。マフラ３８は、水素希釈器３７から希釈されたガスを受けて、消音させる。希釈されたガスは、マフラ３８を通過した後で、燃料電池システム１００の外部へ排出される。

冷却媒体流路４０は、ＦＣスタック１０内の冷却媒体流路１４の冷却媒体流路出口１４ｂから延びて、冷却媒体流路入口１４ａに接続する。すなわち、冷却媒体流路４０と冷却媒体流路１４とが循環回路を形成する。冷却媒体は、冷却媒体流路４０と冷却媒体流路１４とを通じて、一定の方向に流れて、循環する。以下の説明では、便宜的に、冷却媒体流路４０において、冷却媒体の流れの源、すなわち、流れが発生する側を上流側とし、冷却媒体が流れていく先を下流側とした。

冷却媒体流路４０の中途には、メインラジエータ４１が設けられている。冷却媒体流路４０においてメインラジエータ４１の上流側と下流側とを結ぶ冷却媒体流路４０ａがある。冷却媒体流路４０ａの中途には、サブラジエータ４５が設けられている。メインラジエータ４１とサブラジエータ４５とは、いずれも通過する冷却媒体を冷却させる。

メインラジエータ４１とサブラジエータ４５との下流側から冷却媒体流路入口１４ａまでの間には、温度センサ４１ａ、ウォーターポンプ４２が、この順に設けられている。温度センサ４１ａは、冷却媒体の温度を計測する。ウォーターポンプ４２は、モータ４２ａを備え、モータ４２ａによる駆動力を用いて、必要に応じて冷却媒体を下流側に送り出す。冷却媒体流路４０におけるウォーターポンプ４２の下流側において、冷却媒体分岐路４０ｂが分岐している。冷却媒体分岐路４０ｂはモータ３２ａに接続し、冷却媒体合流路４０ｃがモータ３２ａから、冷却媒体流路４０における温度センサ４３（後述）の下流側に合流する。冷却媒体の少なくとも一部が、冷却媒体分岐路４０ｂを通じてモータ３２ａを到達し、冷却した後で、冷却媒体合流路４０ｃを通じて冷却媒体流路４０に合流する。

冷却媒体流路４０において、ＦＣスタック１０内の冷却媒体流路１４の冷却媒体流路出口１４ｂからメインラジエータ４１までの間には、温度センサ４３、切替弁４４が、この順に設けられている。

温度センサ４３は、冷却媒体流路出口１４ｂから排出された冷却媒体の温度を計測する。冷却媒体流路４０における、冷却媒体合流路４０ｃと冷却媒体流路４０との合流箇所４０ｄの下流側において分岐して、空調ヒータ５３に接続する冷却媒体分岐路４０ｅが有る。空調ヒータ５３から、冷却媒体分岐路４０ｅの分岐点から下流側に接続する冷却媒体合流路４０ｆが有る。冷却媒体の少なくとも一部が、冷却媒体分岐路４０ｅを通じて空調ヒータ５３を到達し、冷却した後で、冷却媒体合流路４０ｆを通じて、冷却媒体流路４０に合流する。

冷却媒体流路４０における冷却媒体合流路４０ｆの下流側に、切替弁４４が設けられている。冷却媒体分岐路４０ｇが、切替弁４４から分岐し、冷却媒体流路４０ａにおける温度センサ４１ａとウォーターポンプ４２との間に合流する。冷却媒体分岐路４０ｇから分岐して合流する冷却媒体流路４０ｈがある。切替弁４４は、開閉することによって、冷却媒体流路４０又は、冷却媒体分岐路４０ｇに、冷却媒体の流入又はその停止、流入を調整することができる。冷却媒体流路４０ｈの中途には、イオン交換器４６が設けられている。イオン交換器４６は、それ自体を通過する冷却媒体から、不純物を除去する。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０は、ハードウェア構成として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１００の各センサ、例えば、気圧センサ、エアーフローメータ、温度センサ、圧力センサ、温度測定部、消費電力測定部等が測定した測定結果を示す信号を受けて、この測定結果に基づいて、燃料電池システム１００の各構成要素の動作の制御信号を生成する。また、ＥＣＵ７０は、必要に応じて、燃料電池システム１００の各構成要素に制御信号を送り、各構成要素の動作を制御する。ＥＣＵ７０は、ＦＣ ＰＣＵ（Fuel Cell Power Control Unit）７１を含み、ＦＣ ＰＣＵ７１は、コンプレッサ３２のモータ３２ａに制御信号を送り、モータ３２ａの回転数（ＡＣＰ回転数Ｒ）を制御してもよい。具体的には、ＦＣ ＰＣＵ７１は、燃料電池システム１００の各センサが測定した測定結果に基づいて、ＡＣＰ回転数Ｒを制御することができる。

燃料電池システム１００は、車両、ロボット等の移動体に搭載してもよいし、一定の場所に固定して利用してもよい。

（実施の形態１の制御方法）
次に、図１〜図３を参照しながら、燃料電池システム１００の制御方法について説明する。

燃料電池システム１００を低温環境下において起動させる。低温環境下は、燃料電池システム１００の温度が常温よりも低い環境下であり、具体的には、氷点下となる状態である。なお、起動した時点では、封止弁３４及び背圧弁３６は開放しており、バイパス弁３５は閉塞している。

コンプレッサ３２を駆動させる（コンプレッサ駆動ステップＳＴ１）。圧縮したカソードガスをＦＣスタック１０へ送り込む。続いて、封止弁３４及び背圧弁３６の少なくとも一方の開度を調整する（圧力制御弁調整ステップＳＴ２）。この調整によって、カソードガス供給路３０ａにおける、ＦＣスタック１０からコンプレッサ３２側までの圧力を上昇させる。最後に、バイパス弁３５の開度が、常温環境下において燃料電池システム１００を起動したときのバイパス弁３５の開度と比較して高くなるように、バイパス弁３５を開放する（バイパス弁開放ステップＳＴ３）。

なお、上記したコンプレッサ駆動ステップＳＴ１、圧力制御弁調整ステップＳＴ２、及びバイパス弁開放ステップＳＴ３の順番は、入れ替えてもよい。したがって、封止弁３４、バイパス弁３５、及び背圧弁３６の開度の制御方法と、コンプレッサ３２のモータ３２ａの駆動開始の制御方法とのパターンとして、下記の表１及び表２に記載した１２パターンが挙げられる。また、背圧弁３６を利用する場合、すなわちパターン１〜６と、封止弁３４を利用する場合、すなわちパターン７〜１２とを、組み合わせてもよい。

パターン１〜１２において、低温環境下、特に氷点下において燃料電池を起動する場合、カソードガスをＦＣスタック１０に素早く多量に供給して、ＦＣスタック１０を低効率発電させることによって、ＦＣスタック１０が速やかに発熱することが好ましい。したがって、開始した時点で、封止弁３４及び背圧弁３６は開放しており、バイパス弁３５は閉塞しているため、コンプレッサ３２を先ず駆動させると、カソードガスとして酸素をＦＣスタック１０に、素早く多量に供給することができる。このことから、パターン１〜１２では、パターン４、６、１０、１２が好ましい。

さらに、パターン４、６、１０、１２のうち、背圧弁３６の閉塞を利用するパターン、すなわちパターン４、６では、パターン４が好ましい。パターン４では、バイパス弁３５を開いた後、背圧弁３６を閉めるため、順番が逆となるパターン６と比較して、ＦＣスタック１０内のカソードガスの圧力が過大になりにくい。したがって、パターン４は、パターン６と比較して、ＦＣスタック１０の構成要素、例えば、電解質膜等が劣化するおそれが少ない。パターン４、６では、パターン４が好ましい。パターン４では、コンプレッサ駆動ステップＳＴ１、バイパス弁開放ステップＳＴ３、圧力制御弁調整ステップＳＴ２の各ステップに相当するステップを、この順に実施する。

また、パターン４、６、１０、１２のうち、封止弁３４の閉塞を利用するパターン、すなわちパターン１０、１２では、パターン１２が好ましい。パターン１２では、コンプレッサ３２の駆動を開始し、封止弁３４を閉めた後、バイパス弁３５を開くため、カソードガス供給路３０ａにおける、封止弁３４からコンプレッサ３２側までの圧力を高めることができる。パターン１２では、封止弁３４からコンプレッサ３２側までのカソードガス供給路３０ａにおいて、例えば、氷塊が有る場合、圧力増大による圧縮熱によって、この氷塊を溶解させることができる。さらに、パターン１２では、ＦＣスタック１０内のカソードガスの圧力が過大になりにくい。したがって、ＦＣスタック１０の構成要素、例えば、電解質膜等が劣化するおそれが少ない。したがって、パターン１０、１２では、パターン１２が好ましい。パターン１２では、コンプレッサ駆動ステップＳＴ１、圧力制御弁調整ステップＳＴ２、バイパス弁開放ステップＳＴ３の各ステップに相当するステップを、この順に実施する。

以上より、実施の形態１の制御方法によれば、カソードガス供給路３０ａにおける、ＦＣスタック１０からコンプレッサ３２側までの圧力が上昇し、コンプレッサ３２の構成要素、例えば、インペラ３２ｃにかかる荷重が増大する。具体的には、カソードガス供給路３０ａにおける、ＦＣスタック１０からコンプレッサ３２側までの圧力の大きさは、常温環境下において燃料電池システム１００を起動したときの圧力の大きさよりも大きいとよい。スラスト方向の荷重がインペラ３２ｃの背面にかかり、摩擦熱が軸受部３２ｄに発生する。これにより、コンプレッサ３２を迅速に昇温することができる。したがって、コンプレッサ３２の消費電力の増大を抑制することができる。

また、本制御方法では、コンプレッサ３２の内部が昇温するため、コンプレッサ３２のハウジングよりも、ハウジング内側の構成要素が大きく熱膨張する。したがって、本制御方法は、コンプレッサ３２を外部から熱を与える方法と比較して、軸受部３２ｄにかかる荷重が高い傾向にある。

さらに、バイパス弁３５の開度が高いので、カソードガスのＦＣスタック１０への供給量が抑制されて、ＦＣスタック１０による発電効率が減じる。そのため、発電による発熱が増大し、ＦＣスタック１０を素早く昇温することができる。

なお、低温環境下において燃料電池システム１００を起動した後で、環境を変更して、常温環境下において燃料電池システム１００を起動したとき、バイパス弁３５を元の開度になるまで閉める。

また、コンプレッサ３２の構成要素の劣化を回避するため、上記したコンプレッサ３２の構成要素にかかる荷重が徐々に変化するように、封止弁３４、バイパス弁３５及び背圧弁３６の開度を徐々に変化するように調整するとよい。

（実施の形態１の制御方法の一具体例１）
次に、図４を参照して、燃料電池システムの制御方法の一具体例１について説明する。図４は、実施の形態１に係る燃料電池システムの制御方法の一具体例１を示すフローチャートである。燃料電池システムの制御方法の一具体例１では、パターン４（表１参照）である。

まず、通常状態における制御を開始する（通常制御ステップＳＴ２１）。具体的には、潤滑オイルをコンプレッサ３２へ供給しており、その供給量Ｌは、常温環境下においてコンプレッサ３２の各構成要素を良好に動作させるのに必要な所定の供給量Ｌ０であればよい。

続いて、燃料電池システム１００が氷点下において始動しているか否かを判断する（氷点下始動判断ステップＳＴ２２）。燃料電池システム１００が氷点下において始動していると判断した場合（ＹＥＳ：氷点下始動判断ステップＳＴ２２）、コンプレッサ３２のモータ３２ａの運転を開始し、所定のＡＣＰ回転数αで運転させる（コンプレッサ駆動ステップＳＴ２３）。具体的には、コンプレッサ３２がカソードガスを圧縮し、この圧縮されたカソードガスがカソードガス供給路３０ａを通過し、ＦＣスタック１０のカソード流路１３のカソード流路入口１３ａへ流入する。ＦＣスタック１０は、この送り込まれたカソードガスを受けて、速やかに発電して発熱する。

続いて、モータ３２ａのＡＣＰ回転数がαに到達してから所定の時間Ｔ１［sec］が経過した後、バイパス弁３５の開度がβ１になるように、バイパス弁３５を開く（バイパス弁開度調整ステップＳＴ２４）。コンプレッサ３２により圧縮されたガスは、カソードガス供給路３０ａにおけるＦＣスタック１０側と、バイパス流路３０ｃとに分流する。そのため、ＦＣスタック１０内のカソードガスの圧力が抑制される。

続いて、所定の時間Ｔ２秒［sec］が経過した後、背圧弁３６の開度がγ１になるように、背圧弁３６を閉める（背圧弁開度調整ステップＳＴ２５）。背圧弁３６の開度γ１は、実質的に０（ゼロ）でもよい。ＦＣスタック１０内のカソードガスの圧力がバイパス弁開度調整ステップＳＴ２４において抑制されているため、この背圧弁閉塞ステップＳＴ２５において増加しても、過大になり難い。したがって、ＦＣスタック１０の構成要素、例えば、電解質膜等が劣化しにくい。

最後に、氷点下始動時における制御を終了するか否かを判断する（氷点下制御終了判断ステップＳＴ２６）。氷点下始動時における制御を終了すると判断した場合（ＹＥＳ：氷点下制御終了判断ステップＳＴ２６）、通常制御ステップに戻る（リターンステップＳＴ２７）。

氷点下始動時における制御を終了するか否かを判断する方法として、様々な方法を採用することができる。例えば、コンプレッサ３２のモータ３２ａの回転数が所定のＡＣＰ回転数αになった時点から経過した時間が、予め決められた所定の時間Ｔｘを超えたとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。また、コンプレッサ３２の消費電力Ｐが、予め決められた所定の消費電力Ｐｘ以下であるとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。また、コンプレッサ３２の潤滑オイルの温度Ｔ、モータ３２ａのステータの温度Ｔｍ、又はコンプレッサ３２のハウジングの温度が、所定の温度以上であるとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。

以上、制御方法の具体例１によれば、制御方法と同様に、コンプレッサ３２を迅速に昇温することができる。したがって、コンプレッサ３２の消費電力の増大を抑制することができる。また、制御方法の具体例１は、コンプレッサ３２を外部から熱を与える方法と比較して、軸受部３２ｄにかかる荷重が高い傾向にある。また、発電による発熱が増大し、ＦＣスタック１０を素早く昇温することができる。

（実施の形態１の制御方法の一具体例２）
次に、図５を参照して、燃料電池システムの制御方法の一具体例について説明する。図５は、実施の形態１に係る燃料電池システムの制御方法の一具体例２を示すフローチャートである。燃料電池システムの制御方法の一具体例２では、パターン１２（表２参照）である。

まず、通常状態における制御を開始する（通常制御ステップＳＴ３１）。具体的には、潤滑オイルをコンプレッサ３２へ供給しており、その供給量Ｌは、常温環境下においてコンプレッサ３２の各構成要素を良好に動作させるのに必要な所定の供給量Ｌ０であればよい。

続いて、燃料電池システム１００が氷点下において始動しているか否かを判断する（氷点下始動判断ステップＳＴ３２）。燃料電池システム１００が氷点下において始動していると判断した場合（ＹＥＳ：氷点下始動判断ステップＳＴ３２）、コンプレッサ３２のモータ３２ａの運転を開始し、所定のＡＣＰ回転数αで運転させる（コンプレッサ駆動ステップＳＴ３３）。具体的には、コンプレッサ３２がカソードガスを圧縮し、この圧縮されたカソードガスがカソードガス供給路３０ａを通過し、ＦＣスタック１０のカソード流路１３のカソード流路入口１３ａへ流入する。ＦＣスタック１０は、この送り込まれたカソードガスを受けて、速やかに発電して発熱する。

続いて、所定の時間Ｔ１秒［sec］が経過した後、封止弁３４の開度がγ２になるように、封止弁３４を閉める（封止弁開度調整ステップＳＴ３４）。封止弁３４の開度γ２は、実質的に０（ゼロ）でもよい。

カソードガス供給路３０ａにおけるコンプレッサ３２（具体的には、ＡＣＰ出口）側から封止弁３４までを構成する配管の温度がＴｙ以上であるとき、及び、カソードガス供給路３０ａにおけるコンプレッサ３２側から封止弁３４までの圧力がＰｙ以上であるときの少なくとも一方が成り立つか否かを判断する（コンプレッサ封止弁間の温度上昇確認ステップＳＴ３５）。

いずれか一方、又はいずれも両方が成り立つとき（ＹＥＳ：コンプレッサ封止弁間の温度上昇確認ステップＳ３５）、所定の時間Ｔ２秒［sec］が経過した後、バイパス弁３５の開度がβ２になるように、バイパス弁３５を開く（バイパス弁開度調整ステップＳＴ３６）。コンプレッサ３２により圧縮されたガスは、カソードガス供給路３０ａにおけるＦＣスタック１０側と、バイパス流路３０ｃとに分流する。そのため、カソードガス供給路３０ａにおけるコンプレッサ３２側から封止弁３４までの圧力が抑制され、ＦＣスタック１０内のカソードガスの圧力が抑制され得る。

最後に、氷点下始動時における制御を終了するか否かを判断する（氷点下制御終了判断ステップＳＴ３７）。氷点下始動時における制御を終了すると判断した場合（ＹＥＳ：氷点下制御終了判断ステップＳＴ３７）、通常制御ステップに戻る（リターンステップＳＴ３８）。

氷点下始動時における制御を終了するか否かを判断する方法として、様々な方法を採用することができる。例えば、コンプレッサ３２のモータ３２ａの回転数が所定のＡＣＰ回転数αになった時点から経過した時間が、予め決められた所定の時間Ｔｘを超えたとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。また、コンプレッサ３２の消費電力Ｐが、予め決められた所定の消費電力Ｐｘ以下であるとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。また、コンプレッサ３２の潤滑オイルの温度Ｔ、モータ３２ａのステータの温度Ｔｍ、又はコンプレッサ３２のハウジングの温度が、所定の温度以上であるとき、氷点下始動時における制御を終了すると判断してもよい。

以上、制御方法の具体例２によれば、上記した実施の形態１の制御方法と同様に、コンプレッサ３２を迅速に昇温することができる。したがって、コンプレッサ３２の消費電力の増大を抑制することができる。また、制御方法の具体例２は、コンプレッサ３２を外部から熱を与える方法と比較して、軸受部３２ｄにかかる荷重が高い傾向にある。また、発電による発熱が増大し、ＦＣスタック１０を素早く昇温することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００ 燃料電池システム
１０ ＦＣ（燃料電池）スタック ３０ａ カソードガス供給路
３０ｂ カソードオフガス排出路 ３０ｃ バイパス流路
３２ コンプレッサ ３４ 封止弁
３５ バイパス弁 ３６ 背圧弁

Claims (1)

1. カソードガスを圧縮するコンプレッサと、
   前記圧縮されたカソードガスを供給される燃料電池と、
   前記圧縮されたカソードガスを前記コンプレッサから前記燃料電池へ導く供給路、又はカソードオフガスを前記燃料電池の外部へ排出する排出路に設けられた圧力制御弁と、
   前記燃料電池を経ることなく前記供給路から前記排出路へ接続されるバイパス流路に、設けられたバイパス弁と、
   を備える燃料電池システムであって、
   常温環境下よりも温度が低い低温環境下において前記燃料電池システムを起動したとき、
   前記圧力制御弁は、前記圧力制御弁の開度を調整することによって、前記供給路における前記燃料電池から前記コンプレッサ側までの圧力を上昇させ、
   前記バイパス弁は、前記バイパス弁の開度が前記常温環境下において前記燃料電池システムを起動したときの前記バイパス弁の開度と比較して高くなるように、開く、
   燃料電池システム。

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