JP6088163B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムの起動制御に関する。
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池システムの開発が進められ、燃料電池車などの電力源として期待されている。なお、水素は水素タンクなどからアノードに供給され、空気はコンプレッサ（圧縮機）からカソードに供給される。
ところで、コンプレッサの特性上、起動時の低回転速度領域でサージが生じやすいという問題がある。ここで、サージとは、圧縮機が下流側（吐出側）の圧力に抗するための十分な圧力ヘッドをつくり出すことができず、気流の流れが不安定になる現象を意味している。
サージが生じた状態でコンプレッサを使用し続けると、空気の流量制御が不安定になるだけでなく、コンプレッサの耐久性を損ない、寿命を短くしてしまう。したがって、コンプレッサのサージを抑制するための技術が必要となる。
サージが生じた状態でコンプレッサを使用し続けると、空気の流量制御が不安定になるだけでなく、コンプレッサの耐久性を損ない、寿命を短くしてしまう。したがって、コンプレッサのサージを抑制するための技術が必要となる。
例えば、特許文献１には、燃料電池に接続される空気供給配管内の圧力変化率が所定値よりも大きい場合、コンプレッサでサージが発生したと判定する技術について記載されている。なお、前記判定をした場合、ＥＣＵ（Electric Control Unit）は、燃料電池への出力要求に関わらずコンプレッサの回転速度を低下させる。
また、特許文献１には、燃料電池に接続される空気供給配管内の圧力及び流量を検出し、これらの検出値に基づいてコンプレッサでサージが発生する回転速度を予測する技術について記載されている。なお、出力要求に応じた回転速度でコンプレッサを駆動するとサージが発生すると予測した場合、ＥＣＵは、燃料電池への出力要求に関わらずコンプレッサの回転速度をサージが発生しない回転速度に修正する。
特許文献１に記載の技術では、コンプレッサでのサージを実際に検出した場合、その動作点をサージ領域（吸入流量と圧力比との関係においてサージが発生する領域）から脱出させるように制御する。しかしながら、これは既にコンプレッサの動作点がサージ領域に入ってしまった後の対応であり、サージ領域での運転によりコンプレッサに不具合が生じる可能性がある。
また、特許文献１に記載の技術では、コンプレッサでのサージ発生が予測される場合には、動作点がサージ領域に入らないようにコンプレッサの回転速度などを制御する。しかしながら、サージの発生はコンプレッサの圧力や流量の応答性にも依存するため、正確に予測することは困難である。
さらに、特許文献１に記載の技術では、コンプレッサにおいてサージの発生を検出又は予測した場合、燃料電池への出力要求に関わらずコンプレッサの回転速度を制御（低下）させる。このように燃料電池への出力要求を無視した制御を行うと、燃料電池側で不具合（単セルの劣化など）が生じる可能性がある。
そこで、本発明は、スムーズに起動できる燃料電池システムの提供を課題とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、一端が前記圧縮機よりも下流側の前記酸化剤ガス供給流路に接続され、他端が前記酸化剤オフガス排出流路に接続されるか又は系外と連通する通流抵抗低減流路と、前記通流抵抗低減流路に設けられる通流可否切替手段と、制御手段と、前記圧縮機よりも上流側の前記酸化剤ガス供給流路の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、前記制御手段は、燃料電池システムの起動時、前記圧力検出手段によって検出される圧力が所定値未満である場合、前記通流可否切替手段を通流可能状態にして前記圧縮機を起動させ、前記通流抵抗低減流路に酸化剤ガスを送出する通流抵抗低減制御を実行した後、前記圧縮機を駆動させつつ前記通流可否切替手段を通流不可状態とし、前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することを特徴とする。
かかる構成によれば、制御手段は、燃料電池システムの起動時、通流可否切替手段を通流可能状態にして圧縮機を起動させ、通流抵抗低減流路に酸化剤ガスを送出する通流抵抗低減制御を実行する。ここで、通流抵抗低減流路は、一端が圧縮機よりも下流側の酸化剤ガス供給流路に接続され、他端が酸化剤オフガス排出流路に接続されるか又は系外と連通している。したがって、圧縮機から吐出された酸化剤ガスは、圧力損失が大きい酸化剤ガス流路を通流することなく、圧力損失が小さい通流抵抗低減流路を通流し、系外に排出される。したがって、圧縮機の下流側の圧力が低い状態で起動できるため、起動時における低回転速度領域でのサージ発生を未然に回避できる。
また、前記通流抵抗低減制御を実行した後、制御手段は、圧縮機を駆動させつつ通流可否切替手段を通流不可状態とし、酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する。このように、通流抵抗低減制御でサージを回避しつつ圧縮機を起動した後、圧縮機の駆動を継続しながら酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することで、燃料電池システムの起動をスムーズに実行できる。
かかる構成によれば、圧力検出手段は圧縮機よりも上流側の酸化剤ガス供給流路の圧力を検出する、つまり、圧縮機の吸入側に連通する系外の大気圧を検出する。圧力検出手段によって検出される大気圧が所定値未満である場合、圧縮機の吸入側の圧力が低くなるため、圧力比が大きくなってサージが起こる可能性が高くなる。この場合、制御手段は、通流抵抗低減制御を実行した後、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することによってサージの発生を未然に回避できる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記通流抵抗低減制御を開始してから所定時間が経過した後、前記圧縮機を駆動させつつ前記通流可否切替手段を通流不可状態とし、前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給することが好ましい。
かかる構成によれば、通流抵抗低減制御を開始してから所定時間が経過し、圧縮機を安定して制御できるようになってから、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給を開始する。したがって、サージの発生を未然に回避し、圧縮機を安定して起動できる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池システムを起動する際、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給に関わる機器の起動制御と、前記通流抵抗低減制御とを並行して実行することが好ましい。
かかる構成によれば、燃料ガス流路への燃料ガスの供給に関わる機器の起動制御と、通流抵抗低減制御とを並行して実行することで、燃料電池システムの起動に要する時間を短縮し、利便性を向上できる。
本発明によれば、スムーズに起動する燃料電池システムを提供できる。
本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
以下、燃料電池システムが燃料電池車に搭載される場合について説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶、航空機などの移動体、家庭用や業務用の定置式のものにも適用できる。
以下、燃料電池システムが燃料電池車に搭載される場合について説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶、航空機などの移動体、家庭用や業務用の定置式のものにも適用できる。
≪第１実施形態≫
＜燃料電池システムの構成＞
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するカソード系と、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を供給するアノード系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御するＥＣＵ５１と、を備えている。
＜燃料電池システムの構成＞
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するカソード系と、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を供給するアノード系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御するＥＣＵ５１と、を備えている。
（１．燃料電池）
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、膜／電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）を複数積層して構成されている。
燃料電池１０の各セパレータには、それぞれの膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がカソード流路１１（酸化剤ガス流路）、アノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。したがって、燃料電池１０のカソード流路１１及びアノード流路１２では、ガスが通流した場合に比較的大きな圧力損失（以下、圧損と記す）が生じる。
また、セパレータには、燃料電池１０を冷却するための冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）を通流させる冷媒流路（図示せず）が形成されている。
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、膜／電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）を複数積層して構成されている。
燃料電池１０の各セパレータには、それぞれの膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がカソード流路１１（酸化剤ガス流路）、アノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。したがって、燃料電池１０のカソード流路１１及びアノード流路１２では、ガスが通流した場合に比較的大きな圧力損失（以下、圧損と記す）が生じる。
また、セパレータには、燃料電池１０を冷却するための冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）を通流させる冷媒流路（図示せず）が形成されている。
燃料電池１０では、アノード流路１２を介して水素が供給されると、以下に示す（式１）の電極反応が起こり、カソード流路１１を介して酸素を含む空気が供給されると、以下に示す（式２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）が発生する。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−・・・（式１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（式２）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（式２）
（２．カソード系）
カソード系は、コンプレッサ２１と、加湿器２２と、入口封止弁２３と、出口封止弁２４と、背圧弁２５と、スタックバイパス弁２６と、希釈器２７と、を備えている。
カソード系は、コンプレッサ２１と、加湿器２２と、入口封止弁２３と、出口封止弁２４と、背圧弁２５と、スタックバイパス弁２６と、希釈器２７と、を備えている。
コンプレッサ２１（圧縮機）は、例えばモータターボ型の圧縮機であり、吸入側が配管ａ１を介して系外（車外）と連通し、吐出側が配管ａ２を介して加湿器２２に接続されている。コンプレッサ２１は、酸化剤ガス供給流路に設けられ、ＥＣＵ５１からの指令に従って内部の羽根車（図示せず）を回転させることによって系外から空気を吸引・圧縮し、カソード流路１１に供給するものである。
なお、「酸化剤ガス供給流路」は、配管ａ１〜ａ４を含んで構成され、カソード流路１１の流入口に接続されている。
また、コンプレッサ２１が有する羽根車（図示せず）の回転軸にはモータ２１ａが設置され、ＥＣＵ５１からの指令に応じた回転速度で駆動する。
なお、「酸化剤ガス供給流路」は、配管ａ１〜ａ４を含んで構成され、カソード流路１１の流入口に接続されている。
また、コンプレッサ２１が有する羽根車（図示せず）の回転軸にはモータ２１ａが設置され、ＥＣＵ５１からの指令に応じた回転速度で駆動する。
加湿器２２は、カソード流路１１に向かう空気を加湿するものであり、配管ａ３を介して入口封止弁２３に接続されている。加湿器２２は、配管ａ２を介して流入する低湿潤の空気（酸化剤ガス）と、配管ａ６を介して流入する高湿潤の酸化剤オフガスとの間で、中空糸膜（図示せず）を介した水分交換を行う。
なお、加湿器２２も、ガスが通流した場合の圧損が比較的大きい。
なお、加湿器２２も、ガスが通流した場合の圧損が比較的大きい。
入口封止弁２３は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、配管ａ４を介してカソード流路１１の流入口に接続されている。すなわち、入口封止弁２３は、酸化剤ガス供給流路に設けられ、閉状態において酸化剤ガス供給側の配管ａ４を締め切る機能を有している。
出口封止弁２４は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、配管ａ５を介してカソード流路１１の流出口に接続されている。すなわち、出口封止弁２４は、酸化剤オフガス排出流路に設けられ、閉状態において酸化剤オフガス排出側の配管ａ５を締め切る機能を有している。
出口封止弁２４は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、配管ａ５を介してカソード流路１１の流出口に接続されている。すなわち、出口封止弁２４は、酸化剤オフガス排出流路に設けられ、閉状態において酸化剤オフガス排出側の配管ａ５を締め切る機能を有している。
ここで、「酸化剤オフガス排出流路」は、配管ａ５〜ａ８，ｂ７を含んで構成され、カソード流路１１の流出口に接続されている。なお、出口封止弁２４の下流側は、配管ａ６を介して加湿器２２に接続されている。
入口封止弁２３及び出口封止弁２４は、燃料電池システム１のソーク時において単セルが劣化することを抑制するため、系外からの空気がカソード流路１１に流入しないように閉弁される。
入口封止弁２３及び出口封止弁２４は、燃料電池システム１のソーク時において単セルが劣化することを抑制するため、系外からの空気がカソード流路１１に流入しないように閉弁される。
背圧弁２５は、その開度を調整することによって燃料電池１０のカソード流路１１を通流する空気の流量及び圧力（背圧）を調整するものであり、上流側は配管ａ７を介して加湿器２２に接続され、下流側は配管ａ８を介して希釈器２７に接続されている。
スタックバイパス弁２６（通流可否切替手段）は、例えば、電磁式の開閉弁であり、通流抵抗低減流路に設けられている。
ここで、「通流抵抗低減流路」は、配管ａ９，ａ１０を含んで構成され、一端がコンプレッサ２１よりも下流側の酸化剤ガス供給流路（配管ａ２）に接続され、他端が酸化剤オフガス排出流路（配管ａ８）に接続されている。つまり、通流抵抗低減流路は、コンプレッサ２１から送出される酸化剤ガスが、燃料電池１０をバイパスして希釈器２７に流入するように設けられている。
なお、スタックバイパス弁２６は、後記する通流抵抗低減制御を実行する際に開弁される。
ここで、「通流抵抗低減流路」は、配管ａ９，ａ１０を含んで構成され、一端がコンプレッサ２１よりも下流側の酸化剤ガス供給流路（配管ａ２）に接続され、他端が酸化剤オフガス排出流路（配管ａ８）に接続されている。つまり、通流抵抗低減流路は、コンプレッサ２１から送出される酸化剤ガスが、燃料電池１０をバイパスして希釈器２７に流入するように設けられている。
なお、スタックバイパス弁２６は、後記する通流抵抗低減制御を実行する際に開弁される。
希釈器２７は、配管ａ８を介して背圧弁２５に接続され、配管ｂ６を介してパージ弁３４に接続されている。希釈器２７は、パージ弁３４が開いた場合に配管ｂ６を介して流入する燃料オフガスを、配管ａ８を介して流入する酸化剤オフガスで希釈し、配管ｂ７を介して系外に排出する機能を有している。
（２．アノード系）
アノード系は、水素タンク３１と、遮断弁３２と、エゼクタ３３と、パージ弁３４と、を備えている。
アノード系は、水素タンク３１と、遮断弁３２と、エゼクタ３３と、パージ弁３４と、を備えている。
水素タンク３１は、配管ｂ１を介して遮断弁３２に接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。
遮断弁３２は、配管ｂ２を介してエゼクタ３３に接続され、ＥＣＵ５１からの指令によって開かれると、水素タンク３１からの水素が燃料ガス供給流路を介して燃料電池１０のアノード流路１２に供給されるようになっている。
なお、「燃料ガス供給流路」は、配管ｂ１〜ｂ３を含んで構成される。
遮断弁３２は、配管ｂ２を介してエゼクタ３３に接続され、ＥＣＵ５１からの指令によって開かれると、水素タンク３１からの水素が燃料ガス供給流路を介して燃料電池１０のアノード流路１２に供給されるようになっている。
なお、「燃料ガス供給流路」は、配管ｂ１〜ｂ３を含んで構成される。
エゼクタ３３は、配管ｂ３を介してアノード流路１２の流入口に接続され、水素タンク３１から供給される水素をノズル（図示せず）から噴射することによって、ノズルの周囲に負圧を発生させるものである。これによって、アノード流路１２の流出口から流出する燃料オフガス（未反応の水素を含む）が、配管ｂ４を介して吸引される。
パージ弁３４は、配管ｂ４から分岐する配管ｂ５に接続され、配管ｂ６を介して希釈器２７に接続されている。パージ弁３４は、ＥＣＵ５１からの指令に従って開弁することにより、アノード側に蓄積した不純物（窒素、水分など）を希釈器２７に排出する機能を有している。
＜電力消費系＞
電力消費系は、ＶＣＵ４１と、ＰＤＵ４２と、走行モータ４３と、を備えている。
ＶＣＵ４１（Voltage Control Unit）は、ＥＣＵ５１からの指令に従って燃料電池１０の発電電力やバッテリ（図示せず）の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電子回路が内蔵されている。なお、図１では、ＶＣＵ４１と燃料電池１０との間に設けられるコンタクタや、燃料電池１０の出力電流・出力電圧を検出する出力検出器の図示を省略している。
電力消費系は、ＶＣＵ４１と、ＰＤＵ４２と、走行モータ４３と、を備えている。
ＶＣＵ４１（Voltage Control Unit）は、ＥＣＵ５１からの指令に従って燃料電池１０の発電電力やバッテリ（図示せず）の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電子回路が内蔵されている。なお、図１では、ＶＣＵ４１と燃料電池１０との間に設けられるコンタクタや、燃料電池１０の出力電流・出力電圧を検出する出力検出器の図示を省略している。
ＰＤＵ４２（Power Drive Unit）は、インバータ回路などで構成され、燃料電池１０やバッテリ（図示せず）から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、走行モータ４３を含む負荷に供給するものである。ちなみに、ＰＤＵ４２は、減速時に発生する回生電力を直流電力に変換し、バッテリ（図示せず）に充電する機能も果たす。
走行モータ４３は、例えば、永久磁石同期式の三相交流モータであり、ＰＤＵ４２によって変換された３相交流電力で燃料電池車の駆動輪を回転駆動させる。
走行モータ４３は、例えば、永久磁石同期式の三相交流モータであり、ＰＤＵ４２によって変換された３相交流電力で燃料電池車の駆動輪を回転駆動させる。
＜制御系＞
ＥＣＵ５１（Electric Control Unit：制御手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ＥＣＵ５１には、各センサ類からの検出信号や、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量を示す信号などが入力される。そして、ＥＣＵ５１は、入力される各信号に応じて各弁の開閉、各ポンプの駆動、ＶＣＵ４１の動作などを制御する。
ＥＣＵ５１（Electric Control Unit：制御手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ＥＣＵ５１には、各センサ類からの検出信号や、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量を示す信号などが入力される。そして、ＥＣＵ５１は、入力される各信号に応じて各弁の開閉、各ポンプの駆動、ＶＣＵ４１の動作などを制御する。
＜その他＞
ＩＧ６１（Ignition Switch）は、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ６１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ５１に出力するようになっている。
また、系外（車外）の大気圧を検出する大気圧センサ（圧力検出手段：図示せず）が、例えばコンプレッサ２１よりも上流側の配管ａ１に設置されている。
ＩＧ６１（Ignition Switch）は、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ６１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ５１に出力するようになっている。
また、系外（車外）の大気圧を検出する大気圧センサ（圧力検出手段：図示せず）が、例えばコンプレッサ２１よりも上流側の配管ａ１に設置されている。
＜燃料電池システムの動作＞
次に、図２のフローチャートと、図３のタイムチャートとを参照しつつ、システム起動時における燃料電池システム１の動作について説明する。ちなみに、図２の「ＳＴＡＲＴ」において、ＩＧ６１はＯＦＦであり、燃料電池システム１はソーク状態（長時間停止状態）であるものとする。
次に、図２のフローチャートと、図３のタイムチャートとを参照しつつ、システム起動時における燃料電池システム１の動作について説明する。ちなみに、図２の「ＳＴＡＲＴ」において、ＩＧ６１はＯＦＦであり、燃料電池システム１はソーク状態（長時間停止状態）であるものとする。
ステップＳ１０１においてＩＧ６１からＯＮ信号が入力されると、ＥＣＵ５１は初期チェックを実行する。ここで、「初期チェック」とは、ＥＣＵ５１のＲＯＭに書き込まれているプログラムや、センサ類から入力される圧力や温度などをＣＰＵに読み込み、これらの情報に基づいて異常を検知したり、燃料電池システム１の起動準備を行ったりすることを意味している。
ちなみに、この時点において走行モータ４３は、燃料電池１０と電気的に接続されていない。また、スタックバイパス弁２６は閉弁され（図３（ａ）の時刻ｔ０〜ｔ１）、入口封止弁２３及び出口封止弁２４は閉弁され（図３（ｂ）の時刻ｔ０〜ｔ１）、コンプレッサ２１は停止している（図３（ｃ）の時刻ｔ０〜ｔ１）。
次に、ステップＳ１０２においてＥＣＵ５１は、大気圧センサ（図示せず）から入力される大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１未満であるか否かを判定する。なお、所定値Ｐ１は予め設定された値（例えば、１ａｔｍ以下の値）であり、ＥＣＵ５１の記憶手段（図示せず）に格納されている。
大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１未満である場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。なお、大気圧Ｐａｔｍ（つまり、コンプレッサ２１の吸入側の圧力）が低い場合、コンプレッサ２１の圧力比が大きくなってサージが発生しやすい。この場合、ＥＣＵ５１は、後記するステップＳ１０４〜Ｓ１０６において通流抵抗低減制御を実行し、コンプレッサ２１の吐出側にかかる圧力を小さくしてサージの発生を未然に回避する。なお、通流抵抗低減制御については、後記する。
また、大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１以上である場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０３に進む。
大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１未満である場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。なお、大気圧Ｐａｔｍ（つまり、コンプレッサ２１の吸入側の圧力）が低い場合、コンプレッサ２１の圧力比が大きくなってサージが発生しやすい。この場合、ＥＣＵ５１は、後記するステップＳ１０４〜Ｓ１０６において通流抵抗低減制御を実行し、コンプレッサ２１の吐出側にかかる圧力を小さくしてサージの発生を未然に回避する。なお、通流抵抗低減制御については、後記する。
また、大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１以上である場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３においてＥＣＵ５１は、起動予定時間ΔｔＳが所定値Δｔ１よりも長いか否かを判定する。ここで、「起動予定時間ΔｔＳ」とは、後記する通流抵抗低減制御を行わない場合に、ＩＧ６１がＯＮになってから燃料電池システム１の起動が完了するまでの予測時間であり、ソーク時間やステップＳ１０１，Ｓ１０２の検出結果に基づいて算出される。また、所定値Δｔ１は予め設定され、ＥＣＵ５１の記憶手段（図示せず）に格納されている。
起動予定時間ΔｔＳが所定値Δｔ１よりも長い場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。一方、起動予定時間ΔｔＳが所定値Δｔ１以下である場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１１に進む。
つまり、ステップＳ１０２及びＳ１０３の条件のうち少なくとも一つが成立している場合、ＥＣＵ５１の処理はＳ１０４に進む。
つまり、ステップＳ１０２及びＳ１０３の条件のうち少なくとも一つが成立している場合、ＥＣＵ５１の処理はＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４においてＥＣＵ５１は、スタックバイパス弁２６を開弁し、通流可能状態にする（図３（ａ）の時刻ｔ１）。次に、ステップＳ１０５においてＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１に起動指令信号（つまり、回転速度指令値）を出力する（図３（ｃ）の時刻ｔ２）。なお、ＥＣＵ５１からコンプレッサ２１に出力される回転速度指令値は、時間的に一定である必要はなく、例えば所定の目標回転速度に向けて徐々に上昇するようにしてもよい（図６の実線を参照）。
ＥＣＵ５１から回転速度指令値が入力されると、コンプレッサ２１のモータ２１ａが駆動し始め、実回転速度が徐々に上昇する（図３（ｃ）の時刻ｔ２〜ｔ３）。
ちなみに、このとき、入口封止弁２３及び出口封止弁２４は閉弁されている（図３（ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３）。したがって、コンプレッサ２１が起動すると、図４の太線矢印で示すように、系外（車外）から配管ａ１を介して取り込まれた空気は、コンプレッサ２１によって吸引・圧縮され、配管ａ２、通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）、及び配管ａ８を介して希釈器２７に流入する。さらに、希釈器２７に流入した空気は、配管ｂ７を介して系外に排出される。
ちなみに、このとき、入口封止弁２３及び出口封止弁２４は閉弁されている（図３（ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３）。したがって、コンプレッサ２１が起動すると、図４の太線矢印で示すように、系外（車外）から配管ａ１を介して取り込まれた空気は、コンプレッサ２１によって吸引・圧縮され、配管ａ２、通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）、及び配管ａ８を介して希釈器２７に流入する。さらに、希釈器２７に流入した空気は、配管ｂ７を介して系外に排出される。
なお、図４に示すように、通流抵抗低減流路は、圧損（通流抵抗）が大きいカソード流路１１や加湿器２２をバイパスするように設けられている。したがって、図４の点線矢印で示すように、カソード流路１１に空気を圧入する場合と比較して、コンプレッサ２１の吐出側にかかる圧力が非常に小さくなる。
その結果、起動時の低回転速度領域においてコンプレッサ２１の圧力比（吸入側圧力に対する吐出側圧力の比）を小さくできるため、サージの発生を未然に回避できる。
その結果、起動時の低回転速度領域においてコンプレッサ２１の圧力比（吸入側圧力に対する吐出側圧力の比）を小さくできるため、サージの発生を未然に回避できる。
再び、図２に戻って説明を続ける。ステップＳ１０６においてＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１の起動が完了したか否かを判定する。ここで、「コンプレッサ２１の起動が完了した」とは、ＥＣＵ５１からの起動指令を受けたコンプレッサ２１が、前記起動指令に対応する回転速度で正常に駆動すること（つまり、要求出力に応じて制御可能になること）を意味している。
コンプレッサ２１の起動が完了したか否かは、例えば、コンプレッサ２１の回転速度が目標回転速度ＱＡ（図３（ｃ）参照）に達したか否かによって判定できる。
コンプレッサ２１の起動が完了した場合（Ｓ１０６→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０７に進む。一方、コンプレッサ２１の起動が完了していない場合（Ｓ１０６→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０６の処理を繰り返す。
このように、スタックバイパス弁２６を開弁し、通流可能状態にしてからコンプレッサ２１を起動し、通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）に空気を送出する制御（図２のＳ１０４〜Ｓ１０６）を、以下では「通流抵抗低減制御」と記す。
コンプレッサ２１の起動が完了した場合（Ｓ１０６→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０７に進む。一方、コンプレッサ２１の起動が完了していない場合（Ｓ１０６→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０６の処理を繰り返す。
このように、スタックバイパス弁２６を開弁し、通流可能状態にしてからコンプレッサ２１を起動し、通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）に空気を送出する制御（図２のＳ１０４〜Ｓ１０６）を、以下では「通流抵抗低減制御」と記す。
Ｓ１０６においてコンプレッサ２１の起動が完了すると（図３（ｃ）の時刻ｔ３）、ステップＳ１０７においてＥＣＵ５１は、カソード流路１１に空気を供給できるか否かを判定する。当該判定は、例えば、アノード流路１２に水素が供給され、アノード系の起動準備処理が終了したか否かによって判定できる。なお、アノード系の起動準備については、後記する。また、前記した通流抵抗低減制御を実行した後も、コンプレッサ２１は所定回転速度で駆動し続けている。
カソード流路１１に空気を供給できる状態である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０８に進む。一方、カソード流路１１に空気を供給できる状態でない場合（Ｓ１０７→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０７の処理を繰り返す。
カソード流路１１に空気を供給できる状態である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０８に進む。一方、カソード流路１１に空気を供給できる状態でない場合（Ｓ１０７→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０７の処理を繰り返す。
ステップＳ１０８においてＥＣＵ５１は、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁する（図３（ｂ）の時刻ｔ４）。次に、ステップＳ１０９においてＥＣＵ５１は、ステップＳ１０８の処理を実行してから所定時間Δｔ２が経過したか否かを判定する。ちなみに、所定時間Δｔ２は予め設定された時間であり、図３に示す時刻ｔ４〜ｔ５の時間に相当する。
このように、スタックバイパス弁２６、入口封止弁２３、及び出口封止弁２４の全てが開弁状態となる時間を設けることで、図３の太線矢印の流路、及び破線矢印の流路のうち少なくとも一方の流路に空気を通流させる。これは、スタックバイパス弁２６、入口封止弁２３、及び出口封止弁２４の全てが一時的に閉弁状態になり、コンプレッサ２１に過負荷がかかることを防止するためである。
所定時間Δｔ２が経過した場合（Ｓ１０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１０に進む。一方、所定時間Δｔ２が経過していない場合（Ｓ１０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１はステップＳ１０９の処理を繰り返す。
次に、ステップＳ１１０においてＥＣＵ５１は、スタックバイパス弁２６を閉弁して通流不可状態とし（図３（ａ）の時刻ｔ５）、ステップＳ１１４に進む。
次に、ステップＳ１１０においてＥＣＵ５１は、スタックバイパス弁２６を閉弁して通流不可状態とし（図３（ａ）の時刻ｔ５）、ステップＳ１１４に進む。
また、ステップＳ１０２において大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１以上であり（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ステップＳ１０３において起動予定時間ΔｔＳが所定値Δｔ１以下である場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理は、ステップＳ１１１に進む。
ステップＳ１１１においてＥＣＵ５１は、カソード流路１１に空気を供給できるか否かを判定する。当該判定は、前記したステップＳ１０７と同様である。カソード流路１１に空気を供給できる状態である場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１２に進む。一方、カソード流路１１に空気を供給できる状態でない場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１はステップＳ１１１の処理を繰り返す。
ステップＳ１１１においてＥＣＵ５１は、カソード流路１１に空気を供給できるか否かを判定する。当該判定は、前記したステップＳ１０７と同様である。カソード流路１１に空気を供給できる状態である場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１２に進む。一方、カソード流路１１に空気を供給できる状態でない場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１はステップＳ１１１の処理を繰り返す。
次に、ステップＳ１１２においてＥＣＵ５１は、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁する。そして、ステップＳ１１３においてＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１に起動指令信号を出力した後、ステップＳ１１４の処理に進む。この場合、コンプレッサ２１から吐出された空気は、図４に示す破線矢印の流路を通流し、系外に排出される。
このように、ステップＳ１０２及びＳ１０３の条件のいずれも成立しない場合、ＥＣＵ５１は前記した通流抵抗低減制御を実行せず、スタックバイパス弁２６を閉状態のままにする。
このように、ステップＳ１０２及びＳ１０３の条件のいずれも成立しない場合、ＥＣＵ５１は前記した通流抵抗低減制御を実行せず、スタックバイパス弁２６を閉状態のままにする。
ステップＳ１１４においてＥＣＵ５１は、カソード側の起動準備を実行する（図３の時刻ｔ５〜ｔ６）。カソード側の起動準備では、例えば、燃料電池１０の酸化剤ガス供給流路（配管ａ４）の圧力や酸素濃度に基づき、カソード流路１１に酸素が行き渡ったか否かなどを判定する。
次に、ステップＳ１１５においてＥＣＵ５１は、燃料電池１０の開放セル電圧（ＯＣＶ）が所定値Ｖ１よりも高いか否かを判定する。なお、開放セル電圧は、燃料電池１０とＶＣＵ４１との間に介在する出力検出器（図示せず）によって検出され、ＥＣＵ５１に入力される。また、所定値Ｖ１は予め設定された値である。
次に、ステップＳ１１５においてＥＣＵ５１は、燃料電池１０の開放セル電圧（ＯＣＶ）が所定値Ｖ１よりも高いか否かを判定する。なお、開放セル電圧は、燃料電池１０とＶＣＵ４１との間に介在する出力検出器（図示せず）によって検出され、ＥＣＵ５１に入力される。また、所定値Ｖ１は予め設定された値である。
開放セル電圧が所定値Ｖ１よりも高い場合（Ｓ１１５→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１６に進む。一方、開放セル電圧が所定値Ｖ１以下である場合（Ｓ１１５→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１はステップＳ１１５の処理を繰り返す。
次に、ステップＳ１１６においてＥＣＵ５１は、コンタクタ（図示せず）をオンに切り替え、走行モータ４３などの負荷と燃料電池１０とを電気的に接続する。これによって、燃料電池１０で発電が開始され、その発電電力が負荷やバッテリ（図示せず）に供給される。
このようにして、システム起動処理が完了する（図３の時刻ｔ６）。なお、「システム起動処理が完了した」とは、アノード系、カソード系、冷媒系、及び電力消費系の準備が整い、要求出力に応じて燃料電池車を走行できる状態になることを意味している。
つまり、システム起動処理（図３の時刻ｔ１〜ｔ６）は、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１１５の処理のほか、アノード系、冷媒系、電力消費系などの起動処理も含んでいる。
このようにして、システム起動処理が完了する（図３の時刻ｔ６）。なお、「システム起動処理が完了した」とは、アノード系、カソード系、冷媒系、及び電力消費系の準備が整い、要求出力に応じて燃料電池車を走行できる状態になることを意味している。
つまり、システム起動処理（図３の時刻ｔ１〜ｔ６）は、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１１５の処理のほか、アノード系、冷媒系、電力消費系などの起動処理も含んでいる。
例えば、図２に示すように、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０２〜Ｓ１１５の処理と並行して、アノード系などのシステム起動処理も実行する。つまり、ＥＣＵ５１は、燃料電池システム１を起動する際、アノード流路１２への燃料ガスの供給に関わる機器の起動制御と、通流抵抗低減制御とを並行して実行する。
ここで「燃料ガスの供給に関わる機器」とは、例えば、遮断弁３２、パージ弁３４、遮断弁３２とエゼクタ３３との間に設置されるインジェクタ（図示せず）、水素の循環をアシストする水素ポンプ（図示せず）、それらを制御するドライバ（図示せず）などである。
ちなみに、アノード系のシステム起動処理を行う場合、ＥＣＵ５１は、遮断弁３２を開弁してアノード流路１２に水素を供給し、併せてパージ弁３４を開弁してアノード流路１２の空気を希釈器２７にパージする。
ここで「燃料ガスの供給に関わる機器」とは、例えば、遮断弁３２、パージ弁３４、遮断弁３２とエゼクタ３３との間に設置されるインジェクタ（図示せず）、水素の循環をアシストする水素ポンプ（図示せず）、それらを制御するドライバ（図示せず）などである。
ちなみに、アノード系のシステム起動処理を行う場合、ＥＣＵ５１は、遮断弁３２を開弁してアノード流路１２に水素を供給し、併せてパージ弁３４を開弁してアノード流路１２の空気を希釈器２７にパージする。
＜効果＞
図５は、コンプレッサの吸入流量と圧力比との関係を示す特性図である。図５に示す特性図の横軸はコンプレッサ２１の吸入流量であり、縦軸はコンプレッサ２１の圧力比である。また、図５の左上に示す斜線領域はサージが発生する領域（サージ領域）であり、図５の右下に示す領域はサージが発生しない領域（正常領域）である。
なお、コンプレッサ２１が停止している初期状態では吸入流量がゼロであり、圧力比は１．０である（図３の時刻ｔ０〜ｔ２に対応）。
図５は、コンプレッサの吸入流量と圧力比との関係を示す特性図である。図５に示す特性図の横軸はコンプレッサ２１の吸入流量であり、縦軸はコンプレッサ２１の圧力比である。また、図５の左上に示す斜線領域はサージが発生する領域（サージ領域）であり、図５の右下に示す領域はサージが発生しない領域（正常領域）である。
なお、コンプレッサ２１が停止している初期状態では吸入流量がゼロであり、圧力比は１．０である（図３の時刻ｔ０〜ｔ２に対応）。
また、図５の実線矢印は、前記した通流抵抗低減制御を実行する本実施形態での動作点の変化を示している。また、破線矢印は、通流抵抗低減制御を実行しない（つまり、スタックバイパス弁２６を閉弁し、各封止弁を開弁した状態でコンプレッサ２１を起動する）、比較例での動作点の変化を示している。
図５の比較例の場合にコンプレッサ２１を起動すると、図４の破線矢印に示すように、系外（車外）から配管ａ１を介して流入した空気は、コンプレッサ２１によって吸引・圧縮され、配管ａ２〜ａ４を介してカソード流路１１に流入する。そして、カソード流路１１から流出した空気は、配管ａ５〜ａ８，ｂ７を介して系外に排出される。
この場合、コンプレッサ２１の下流側の流路に加湿器２２及びカソード流路１１が存在するため圧損が大きく、前記下流側の圧力が高くなる。そうすると、コンプレッサ２１の圧力比が大きくなるため、図５の破線矢印に示すように、コンプレッサ２１の吸入流量０〜ＱＳの範囲において動作点がサージ領域に入ってしまう。
この場合、コンプレッサ２１の下流側の流路に加湿器２２及びカソード流路１１が存在するため圧損が大きく、前記下流側の圧力が高くなる。そうすると、コンプレッサ２１の圧力比が大きくなるため、図５の破線矢印に示すように、コンプレッサ２１の吸入流量０〜ＱＳの範囲において動作点がサージ領域に入ってしまう。
これに対して本実施形態では、図４の実線矢印に示すように、加湿器２２及びカソード流路１１をバイパスする通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）を空気が通流するため、比較例と比べて圧損が非常に小さくなる。そうすると、コンプレッサ２１の下流側の圧力の低くなり、コンプレッサ２１の圧力比が小さくなる。その結果、図５の実線矢印に示すように、動作点がサージ領域に入ることなく「起動目標条件」（つまり、目標回転速度）に到達する。
このように本実施形態では、コンプレッサ２１の回転速度が小さい起動時でのサージを未然に回避し、燃料電池システム１を安定して起動できる。その結果、コンプレッサ２１の故障を防止し、耐久性を向上させることができる。
このように本実施形態では、コンプレッサ２１の回転速度が小さい起動時でのサージを未然に回避し、燃料電池システム１を安定して起動できる。その結果、コンプレッサ２１の故障を防止し、耐久性を向上させることができる。
また、燃料電池システム１の起動時、大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１よりも低くサージが発生する可能性が高い場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、圧損が低い通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０）を介してコンプレッサ２１からの空気を送出する。これによって、例えば、燃料電池車が高所に停車している場合でも、通流抵抗低減制御を実行することでサージの発生を未然に防止し、コンプレッサ２１をスムーズに起動できる。
図６は、コンプレッサの回転速度指令値及び実回転速度の時間的変化を示すグラフである。図６の横軸は、ＥＣＵ５１からコンプレッサ２１に起動指令を出力した時刻からの経過時間であり、縦軸はコンプレッサ２１の回転速度である。なお、図６に示す例では、エアベアリング式のモータターボ型コンプレッサを使用している。また、実線のグラフはＥＣＵ５１から入力される回転速度指令値であり、破線のグラフと一点鎖線のグラフはコンプレッサ２１の実回転速度である（実験を２回行った）。
図６に示すように、コンプレッサ２１の特性上、所定時間ΔｔＢの応答遅れがあり、ＥＣＵ５１からの起動指令が入力されてから目標回転速度ＱＡに達するまで（つまり、ＥＣＵ５１による制御が有効になるまで）に所定時間ΔｔＡを要する。例えば、エアベアリング式のコンプレッサを用いると、エアベアリングが浮く所定回転速度となるまでに数ｓｅｃの時間を要する。
ここで、図７に示す比較例のように、スタックバイパス弁２６を閉弁し、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁した状態でコンプレッサ２１を起動すると、次のような事態が生じる。
ここで、図７に示す比較例のように、スタックバイパス弁２６を閉弁し、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁した状態でコンプレッサ２１を起動すると、次のような事態が生じる。
すなわち、カソード流路１１に空気を供給する前に、まずアノード流路１２に水素を充満させる必要があるため、アノード側の起動（図７の時刻ｔ１１〜ｔ１２）とカソード側の起動（時刻ｔ１４〜ｔ１５）とを並行して行うことができない。また、前記したように、コンプレッサ２１の起動には所定時間を要する（時刻ｔ１３〜ｔ１４）。
つまり、図７に示す比較例では、ＩＧ６１からＯＮ信号が入力されてから、システム全体の起動が完了するまでの時間（時刻ｔ１０〜ｔ１５）が非常に長くなる。
つまり、図７に示す比較例では、ＩＧ６１からＯＮ信号が入力されてから、システム全体の起動が完了するまでの時間（時刻ｔ１０〜ｔ１５）が非常に長くなる。
これに対して、本実施形態では、図３に示すように、コンプレッサ２１の起動（図３の時刻ｔ２〜ｔ３）と、アノード系などのシステム起動処理（時刻ｔ１〜ｔ６）とを並行して実行できる。これは、コンプレッサ２１を起動させる際、カソード流路１１をバイパスする通流抵抗低減流路（配管ａ９，ａ１０：図４参照）を介して空気を送出するためである。
また、カソード流路１１に空気を供給できる状態において（図３の時刻ｔ４）、既にコンプレッサ２１の起動が完了している（図３の時刻ｔ３）。したがって、前記状態になった直後に大流量（図３の目標流量ＱＡ）の空気をカソード流路１１に供給し、カソード系の起動がスムーズに進む。
また、カソード流路１１に空気を供給できる状態において（図３の時刻ｔ４）、既にコンプレッサ２１の起動が完了している（図３の時刻ｔ３）。したがって、前記状態になった直後に大流量（図３の目標流量ＱＡ）の空気をカソード流路１１に供給し、カソード系の起動がスムーズに進む。
このように本実施形態では、アノード系などのシステム起動処理を実行しつつコンプレッサ２１を起動できるため、システム起動処理に要する時間を大幅に短縮できる。その結果、ユーザがＩＧ６１をＯＮしてから走行可能となるまでの時間を短縮し、利便性を向上できる。
ちなみに、前記した効果は、燃料電池車のソーク時間が長く、システム起動に長時間を要する場合や（図２のＳ１０３→Ｙｅｓ）、エアベアリング式のコンプレッサのように起動に所定時間を要する場合において特に顕著となる。
ちなみに、前記した効果は、燃料電池車のソーク時間が長く、システム起動に長時間を要する場合や（図２のＳ１０３→Ｙｅｓ）、エアベアリング式のコンプレッサのように起動に所定時間を要する場合において特に顕著となる。
≪第２実施形態≫
第２実施形態は、第１実施形態と比較してエキスパンダ２８が設けられ、通流抵抗低減流路（配管ａ１０，ａ１１）がエキスパンダ２８の下流側に接続されている点が異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複した説明を省略する。
第２実施形態は、第１実施形態と比較してエキスパンダ２８が設けられ、通流抵抗低減流路（配管ａ１０，ａ１１）がエキスパンダ２８の下流側に接続されている点が異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複した説明を省略する。
図８に示すように、エキスパンダ２８は、その内部に羽根車（タービンブレード）を備え、配管ａ７を通流するカソードオフガスの流体エネルギによって前記羽根車を回転させる。これによって、カソードオフガスの流体エネルギは、エキスパンダ２８の前記羽根車の回転エネルギに変換される。
また、エキスパンダ２８の羽根車は、コンプレッサ２１の羽根車（図示せず）と、伝達軸２１ｂを介して連結されている。ちなみに、伝達軸にはクラッチ（図示せず）が設けられ、当該クラッチは、ＥＣＵ５１によってＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御される。
また、エキスパンダ２８の羽根車は、コンプレッサ２１の羽根車（図示せず）と、伝達軸２１ｂを介して連結されている。ちなみに、伝達軸にはクラッチ（図示せず）が設けられ、当該クラッチは、ＥＣＵ５１によってＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御される。
エキスパンダ２８の下流側は、配管ａ８、背圧弁２５、及び配管ａ９を介して希釈器２７に接続されている。また、通流抵抗低減流路を構成する配管ａ１１の一端はスタックバイパス弁２６（通流可否切替手段）に接続され、他端は配管ａ９に接続されている。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作は、第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
コンプレッサ２１の起動時にＥＣＵ５１はスタックバイパス弁２６を開弁して通流可能状態とし、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を閉弁する。そうすると、コンプレッサ２１から吐出された空気は、配管ａ２、通流抵抗低減流路（配管ａ１０，ａ１１）、及び配管ａ９を介して希釈器２７に流入し、配管ｂ７を介して系外に排出される。
コンプレッサ２１の起動時にＥＣＵ５１はスタックバイパス弁２６を開弁して通流可能状態とし、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を閉弁する。そうすると、コンプレッサ２１から吐出された空気は、配管ａ２、通流抵抗低減流路（配管ａ１０，ａ１１）、及び配管ａ９を介して希釈器２７に流入し、配管ｂ７を介して系外に排出される。
そして、コンプレッサ２１の起動が完了し、入口封止弁２３及び出口封止弁２４が開弁され、スタックバイパス弁２６が閉弁される（通流不可状態になる）と、コンプレッサ２１から吐出された空気は、配管ａ２〜ａ４を介してカソード流路１１に供給される。
さらにカソード流路１１から流出したカソードオフガスは、配管ａ５〜ａ７を介してエキスパンダ２８に流入し、前記羽根車を回転させる。当該回転エネルギは、伝達軸２１ｂ及びクラッチ（図示せず）を介してコンプレッサ２１に供給される。
さらにカソード流路１１から流出したカソードオフガスは、配管ａ５〜ａ７を介してエキスパンダ２８に流入し、前記羽根車を回転させる。当該回転エネルギは、伝達軸２１ｂ及びクラッチ（図示せず）を介してコンプレッサ２１に供給される。
＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、コンプレッサ２１の起動時においてサージが生じることを未然に回避するとともに、システム起動処理に要する時間を短縮できる。
また、本実施形態では、酸化剤オフガスの流体エネルギをエキスパンダ２８の羽根車の回転エネルギに変換し、コンプレッサ２１に伝達する。したがって、コンプレッサ２１の駆動がエキスパンダ２８によってアシストされるため、燃料電池システム１Ａ全体でのエネルギ効率を向上させることができる。
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、コンプレッサ２１の起動時においてサージが生じることを未然に回避するとともに、システム起動処理に要する時間を短縮できる。
また、本実施形態では、酸化剤オフガスの流体エネルギをエキスパンダ２８の羽根車の回転エネルギに変換し、コンプレッサ２１に伝達する。したがって、コンプレッサ２１の駆動がエキスパンダ２８によってアシストされるため、燃料電池システム１Ａ全体でのエネルギ効率を向上させることができる。
≪第３実施形態≫
第３実施形態は、第１実施形態と比較して、アノード流路１２を掃気するための掃気ガス導入流路（配管ｃ１，ｃ２）が設けられ、コンプレッサ２１の起動時に空気を送出する通流抵抗低減流路（配管ｃ１，ｃ３，ｃ４）が設けられている点が異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複した説明を省略する。
第３実施形態は、第１実施形態と比較して、アノード流路１２を掃気するための掃気ガス導入流路（配管ｃ１，ｃ２）が設けられ、コンプレッサ２１の起動時に空気を送出する通流抵抗低減流路（配管ｃ１，ｃ３，ｃ４）が設けられている点が異なるが、その他の点は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複した説明を省略する。
図９に示す燃料電池システム１Ｂは、配管ｃ１，ｃ２を含む掃気ガス導入流路を備えている。配管ｃ１の一端はコンプレッサ２１よりも下流側の配管ａ２に接続され、他端は掃気ガス導入弁２９に接続されている。また、配管ｃ２の一端は掃気ガス導入弁２９に接続され、他端はエゼクタ３３よりも下流側の配管ｂ３に接続されている。
また、燃料電池システム１Ｂは、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４を含む通流抵抗低減流路を備えている。配管ｃ３の一端は配管ｃ１に接続され、他端は二方弁３０（通流可否切替手段）に接続されている。また、配管ｃ４の一端は二方弁３０に接続され、他端は系外と連通している。
また、燃料電池システム１Ｂは、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４を含む通流抵抗低減流路を備えている。配管ｃ３の一端は配管ｃ１に接続され、他端は二方弁３０（通流可否切替手段）に接続されている。また、配管ｃ４の一端は二方弁３０に接続され、他端は系外と連通している。
アノード流路１２を掃気する際、ＥＣＵ５１は掃気ガス導入弁２９を開弁し、二方弁３０を閉弁し、パージ弁３４を開弁する。そうすると、コンプレッサ２１の駆動によって配管ａ１から取り込まれた空気は、配管ｃ１，ｃ２，ｂ３、アノード流路１２、配管ｂ４〜ｂ６を介して希釈器２７に流入し、配管ｂ７を介して系外に排出される。
また、燃料電池システム１Ｂの起動時においてＥＣＵ５１は、入口封止弁２３、出口封止弁２４、掃気ガス導入弁２９を閉弁し、二方弁３０（通流可否切替手段）を開弁して通流可能状態にしてから、コンプレッサ２１のモータ２１ａに起動指令信号を出力する。
そうすると、コンプレッサ２１のモータ２１ａが駆動し始めることで配管ａ１を介して空気が取り込まれ、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４を含む通流抵抗低減流路を介して系外に排出される（通流抵抗低減制御）。
そうすると、コンプレッサ２１のモータ２１ａが駆動し始めることで配管ａ１を介して空気が取り込まれ、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４を含む通流抵抗低減流路を介して系外に排出される（通流抵抗低減制御）。
コンプレッサ２１を起動する際、その下流側は配管ｃ４を介して系外に連通しているため、圧損が非常に小さい。したがって、コンプレッサ２１の低回転速度領域における圧力比を小さくすることで、サージの発生を未然に回避できる。
なお、コンプレッサ２１が起動した後は、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁し、二方弁３０を閉弁して通流不可状態にする。これによって、コンプレッサ２１の駆動により吐出された空気は、配管ａ２〜ａ４を介してカソード流路１１に供給される。そして、カソード流路１１から流出した空気は、配管ａ５〜ａ８，ｂ７を介して系外に排出される。
なお、コンプレッサ２１が起動した後は、入口封止弁２３及び出口封止弁２４を開弁し、二方弁３０を閉弁して通流不可状態にする。これによって、コンプレッサ２１の駆動により吐出された空気は、配管ａ２〜ａ４を介してカソード流路１１に供給される。そして、カソード流路１１から流出した空気は、配管ａ５〜ａ８，ｂ７を介して系外に排出される。
＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、コンプレッサ２１の起動時においてサージが生じることを未然に回避するとともに、システム起動処理に要する時間を短縮できる。また、アノード流路１２を掃気することで、生成水の凍結やフラッディングを防止できる。
本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、コンプレッサ２１の起動時においてサージが生じることを未然に回避するとともに、システム起動処理に要する時間を短縮できる。また、アノード流路１２を掃気することで、生成水の凍結やフラッディングを防止できる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システムについて前記各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、コンプレッサ２１としてエアベアリング式のモータターボ型コンプレッサを用いた例を示したが、これに限らない。その他、転がり軸受などを備えたコンプレッサなどにも適用できる。
以上、本発明に係る燃料電池システムについて前記各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、コンプレッサ２１としてエアベアリング式のモータターボ型コンプレッサを用いた例を示したが、これに限らない。その他、転がり軸受などを備えたコンプレッサなどにも適用できる。
また、第１実施形態では、通流抵抗低減流路の一端（配管ａ１０：図１参照）と酸化剤オフガス排出流路（配管ａ８）との接続箇所よりも上流側に背圧弁２５を設ける場合について説明したが、これに限らない。すなわち、通流抵抗低減流路の一端と酸化剤オフガス排出流路との接続箇所よりも下流側に背圧弁２５を設け、背圧弁２５の開度を制御することでコンプレッサ２１の圧力比を調整（徐々に増加）してもよい。
また、第２実施形態では、通流抵抗低減流路の一端（配管ａ１１：図８参照）と酸化剤オフガス排出流路（配管ａ９）との接続箇所よりも上流側にエキスパンダ２８を設ける場合について説明したが、これに限らない。すなわち、通流抵抗低減流路の一端と酸化剤オフガス排出流路との接続箇所よりも下流側に、エキスパンダ２８を設けてもよい。
また、前記各実施形態では、大気圧Ｐａｔｍが所定値Ｐ１未満である条件（図２のＳ１０２）、及び、起動予定時間ΔｔＳが所定値Δｔ１よりも長いという条件（図２のＳ１０３）のうち少なくとも一つが成立している場合、通流抵抗低減制御を実行する場合について説明したが、これに限らない。例えば、燃料電池システム１（１Ａ，１Ｂ）の起動時における条件に関わらず、システム起動するたびに通流抵抗低減制御を実行することとしてもよい。
また、前記各実施形態では、コンプレッサ２１が所定の目標回転速度に達したと判定した場合、ＥＣＵ５１が通流抵抗低減制御を終了する場合について説明したが、これに限らない。例えば、通流抵抗低減制御を開始してから所定時間Δｔ０が経過したら、ＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１を駆動させつつスタックバイパス弁２６を閉弁し、酸化剤ガス供給流路を介してカソード流路１１に空気を供給することとしてもよい。
この場合において、前記所定時間Δｔ０は予め設定された値であり、コンプレッサ２１の応答遅れを考慮して定められる。つまり、所定時間Δｔ０は、ＥＣＵ５１から起動指令が入力された後、コンプレッサ２１が所定の目標回転速度に到達すると見込まれる時間（＋所定の余裕時間）である。
この場合において、前記所定時間Δｔ０は予め設定された値であり、コンプレッサ２１の応答遅れを考慮して定められる。つまり、所定時間Δｔ０は、ＥＣＵ５１から起動指令が入力された後、コンプレッサ２１が所定の目標回転速度に到達すると見込まれる時間（＋所定の余裕時間）である。
また、通流可否切替手段として、各実施形態ではスタックバイパス弁２６（図１、図８参照）や二方弁３０（図９参照）を示したが、通流抵抗低減流路と酸化剤ガス供給流路との接続部に、三方弁を通流可否切替手段として設けてもよい。この場合、三方弁を切り替えることで、コンプレッサ２１から送出される酸化剤ガスを通流抵抗低減流路に流す状態（通流可能状態）と、流さない状態（通流不可状態）とのいずれかに、強制的に選択することができる。
１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
２１ コンプレッサ（圧縮機）
２１ａ モータ
２６ スタックバイパス弁（通流可否切替手段）
２８ エキスパンダ
２９ 掃気ガス導入弁
３０ 二方弁（通流可否切替手段）
３２ 遮断弁（機器）
４３ 走行モータ
５１ ＥＣＵ（制御手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ 配管（酸化剤ガス供給流路）
ａ５，ａ６，ａ７，ａ８ 配管（酸化剤オフガス排出流路）
ａ９，ａ１０ 配管（通流抵抗低減流路）
１０ 燃料電池
１１ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
２１ コンプレッサ（圧縮機）
２１ａ モータ
２６ スタックバイパス弁（通流可否切替手段）
２８ エキスパンダ
２９ 掃気ガス導入弁
３０ 二方弁（通流可否切替手段）
３２ 遮断弁（機器）
４３ 走行モータ
５１ ＥＣＵ（制御手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ 配管（酸化剤ガス供給流路）
ａ５，ａ６，ａ７，ａ８ 配管（酸化剤オフガス排出流路）
ａ９，ａ１０ 配管（通流抵抗低減流路）
Claims (3)
- 燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、
一端が前記圧縮機よりも下流側の前記酸化剤ガス供給流路に接続され、他端が前記酸化剤オフガス排出流路に接続されるか又は系外と連通する通流抵抗低減流路と、
前記通流抵抗低減流路に設けられる通流可否切替手段と、
制御手段と、
前記圧縮機よりも上流側の前記酸化剤ガス供給流路の圧力を検出する圧力検出手段と、
を備え、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時、
前記圧力検出手段によって検出される圧力が所定値未満である場合、前記通流可否切替手段を通流可能状態にして前記圧縮機を起動させ、前記通流抵抗低減流路に酸化剤ガスを送出する通流抵抗低減制御を実行した後、
前記圧縮機を駆動させつつ前記通流可否切替手段を通流不可状態とし、前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記通流抵抗低減制御を開始してから所定時間が経過した後、前記圧縮機を駆動させつつ前記通流可否切替手段を通流不可状態とし、前記酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記燃料電池システムを起動する際、前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給に関わる機器の起動制御と、前記通流抵抗低減制御とを並行して実行すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
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