燃料電池システムおよびその制御方法
【課題】起動後の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止する。
【解決手段】燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部６１と、ポンプ３６が配置され、冷媒用の電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路３２と、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプ３６を停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプ３６を運転開始するポンプ制御部６２とを備え、前記ポンプ制御部６２は、前記所定の期間経過後、前記ポンプ３６の運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部６２ａを備える、燃料電池システム。
【解決手段】燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部６１と、ポンプ３６が配置され、冷媒用の電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路３２と、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプ３６を停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプ３６を運転開始するポンプ制御部６２とを備え、前記ポンプ制御部６２は、前記所定の期間経過後、前記ポンプ３６の運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部６２ａを備える、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、燃料電池を備える燃料電池システム、および燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、氷点下の起動時に冷媒の循環を停止して、燃料電池を起動するものが知られている（特許文献１参照）。この構成により、起動時に、冷え切った冷媒が燃料電池の内部に送られ、燃料電池の内部温度が低下しすぎるのを防止することができる。この構成では、その後、燃料電池の内部温度が上昇してくると、冷媒の循環を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、冷媒の循環の開始で、燃料電池の冷媒の入口付近およびその周辺の温度が一時的に低下するため、起動前に燃料電池内に残っていた生成水（以下、「残水」と呼ぶ）が再凍結することがあった。残水が再凍結すると、燃料電池内の触媒層を損傷させる問題を発生した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、起動後の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するポンプ制御部とを備え、前記ポンプ制御部は、前記所定の期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部を備える、燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、低温起動時から所定の期間経過後に、ポンプの運転を開始して、燃料電池に併設される冷媒用の電池側流路へ冷媒を通過させる。このとき、冷媒反転部により、冷媒の流れの向きが経過時間に応じて順次反転されることから、前記電池側流路における前記燃料電池の面に沿った方向の温度が一様となる。このため、冷媒が流入されることで温度が最も低下し易い冷媒の入口付近、およびその周辺の温度低下を抑えることができることから、起動前に燃料電池システム内に残っていた残水が再凍結することがない。したがって、適用例１に記載の燃料電池によれば、残水の再凍結に起因する燃料電池内の触媒層の劣化を防止することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記冷媒反転部は、前記ポンプの運転制御として、前記ポンプの回転方向を切り換える構成である、燃料電池システム。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池システムによれば、ポンプの回転方向を切り換えることで、電池側流路における冷媒の流れの向きの反転が行われる。したがって、ポンプの回転方向の切り換えという簡単な制御により、冷媒の流れの向きを切り換えることができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記電池側流路は、前記燃料電池の面に沿って配置される２つの部位を含み、前記冷媒流路は、前記各部位に冷媒を通過させる２系統を備え、各系統に前記ポンプが配置された構成であり、前記冷媒反転部は、前記各ポンプの運転を制御することにより、前記２系統のうちの第１系統の冷媒の流れを停止するとともに前記２系統のうちの第２系統の冷媒を前記燃料電池の面に沿った第１の向きに流す第１の状態と、前記第１系統の冷媒を前記第１の向きに対向した第２の向きに流すとともに前記第２系統の冷媒の流れを停止する第２の状態との間で、経過時間に応じて順次切り換えを行う構成である、燃料電池システム。
【００１２】
適用例３に記載の燃料電池システムによっても、電池側流路における冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させることを実現することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記冷媒反転部は、第２の所定期間、前記反転を行う構成であり、前記ポンプ制御部は、前記第２の所定期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、一方向として継続運転する継続運転部を備える、燃料電池システム。
【００１４】
適用例４に記載の燃料電池システムによれば、冷媒反転部による冷媒の流れの反転制御がなされ、その後、冷媒の流れの向きを一方向とする運転に切り換えられる。このため、燃料電池の冷間起動後も好適に燃料電池を制御することができる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記所定の期間は、前記燃料電池の内部温度が所定値を上回るまでの期間である、燃料電池システム。
【００１６】
適用例５に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部温度が所定値を上回った場合に、燃料電池への冷媒の供給を開始することできる。
【００１７】
［適用例６］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、前記燃料電池起動部による前記発電の開始時に、前記ポンプの運転を開始するポンプ制御部とを備え、前記ポンプ制御部は、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定する判定部と、前記判定部により上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する停止制御部とを備える、燃料電池システム。
【００１８】
適用例６に記載の燃料電池システムによれば、冷媒からの吸熱量が大きい場合に、ポンプの運転が停止されることから、冷媒からの吸熱量を削減することができる。このため、残水の再凍結を抑制することができる。したがって、冷間起動時において、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を防止することができる。
【００１９】
［適用例７］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時においては、前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するにあたり、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる、燃料電池システムの制御方法。
【００２０】
［適用例８］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定し、上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【００２１】
適用例７および適用例８に記載の燃料電池システムの制御方法によれば、適用例１に記載の燃料電池システムと同様に、残水の再凍結に起因する燃料電池内の触媒層の劣化を防止することができる。
【００２２】
さらに、本発明は、前記適用例１ないし８以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、適用例７または８に記載の燃料電池システムの制御方法の各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック２０に含まれる冷媒用プレート８０を説明するための斜視図である。
【図３】起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】正転／反転モードにおけるセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きの変化を示す説明図である。
【図５】第１実施例の燃料電池システム１０の奏する効果を従来例と比較して示すグラフである。
【図６】第２実施例における冷媒用プレート１１０と２系統の冷却システム１３０、１４０とを示す説明図である。
【図７】第２実施例におけるセル間冷媒流路の流れの向きの変化を示す説明図である。
【図８】第３実施例における起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．ハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、冷却システム３０、および制御ユニット５０等を備えている。
【００２６】
燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であって、単セルを複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を、ガス拡散層で挟持し、これらＭＥＡおよびガス拡散層をさらに両側からセパレータによって挟持することによって構成された周知のものである。
【００２７】
燃料電池スタック２０の各単セルには、電池反応に供される燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。簡単に説明すると、各単セルのアノード電極（水素極）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１から、配管２２を介して燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管２２には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ２３および調圧バルブ２４が配置されている。単セルのアノード電極から排出された水素は、配管２５を介して配管２２に戻され、再び燃料電池スタック２０に循環される。配管２５上には、循環のための水素ポンプ２６が配置されている。
【００２８】
各単セルのカソード電極（酸素極）には、エアポンプ２７から、配管２８を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。各単セルのカソード電極から排出された空気は、配管２９を介して大気中に放出される。
【００２９】
燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。
【００３０】
冷却システム３０は、前記冷媒を循環する循環回路３２を備え、この循環回路３２に、前述した燃料電池スタック２０と、ラジエータ３４とが配置される。ラジエータ３４の近傍には電動ファン３５が配置されている。ラジエータ３４は、循環回路３２を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、電動ファン３５からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。
【００３１】
循環回路３２には、ウォータポンプ３６が設けられている。ウォータポンプ３６の吐出力を受けて、循環回路３２を冷媒が循環する。ウォータポンプ３６は、回転方向を正転と反転とで切り換え可能な構成であり、正転時には、図示する左回り（矢印方向）に冷媒を循環させることができ、反転時には、図示しない右回りに冷媒を循環させることができる。前記正転時の左回りの冷媒の流れを以下、「順流」と呼び、逆転時の右回りの冷媒の流れを以下、「逆流」と呼ぶ。
【００３２】
循環回路３２におけるラジエータ３４とウォータポンプ３６の間には、三方弁３８が設けられ、この三方弁３８の一つのポートに、ラジエータ３４をバイパスするバイパス流路４０が接続されている。バイパス流路４０は、ラジエータ３４に対して並列となるように設けられる。三方弁３８を、ラジエータ３４とウォータポンプ３６の間が連通しバイパス流路４０側は遮断した第１状態に切り換えることで、ラジエータ３４で冷却された冷媒を燃料電池スタック２０との間で循環させることができ、ウォータポンプ３６とバイパス流路４０との間が連通しラジエータ３４側は遮断した第２状態に切り換えることで、ラジエータ３４を介さないで冷媒を燃料電池スタック２０との間で循環させることができる。第２状態に切り換えることで、燃料電池スタック２０に流入する冷媒が、ラジエータ３４で冷却されることを防ぐことができる。
【００３３】
制御ユニット５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、メモリ５２と、入出力回路５３とを主に備えている。入出力回路５３は、各種アクチュエータ、各種センサ、および各種スイッチ等を、制御用信号線（図示せず）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、前述したシャットバルブ２３、調圧バルブ２４、水素ポンプ２６、エアポンプ２７、ウォータポンプ３６、三方弁３８、電動ファン３５等がある。
【００３４】
各種センサとしては、循環回路３２の燃料電池スタック２０への供給口（ウォータポンプ３６の正転時における供給口）３０ａ付近に設けられ、冷媒の温度を検出する第１温度センサ４１、循環回路３２の燃料電池スタック２０からの受取口（ウォータポンプ３６の正転時における受取口）３０ｂ付近に設けられ、冷媒の温度を検出する第２温度センサ４２、および配管２９に設けられ、空気の燃料電池スタック２０からのオフガスの温度を検出する第３温度センサ４４等がある。各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ４６等がある。
【００３５】
前記第３温度センサ４４は、燃料電池システム１０の内部温度を検出するためのもので、空気のオフガスが燃料電池システム１０の内部温度を反映するものとして、配管２９に設けられた温度センサを採用した。なお、第３温度センサは、燃料電池スタック内に直接に設けられたもの等、燃料電池システム１０の内部温度を検出可能なセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００３６】
メモリ５２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ５１は、このコンピュータプログラム（例えば、後述する起動時制御ルーチンのコンピュータプログラム）を実行することにより、燃料電池起動部６１およびポンプ制御部６２として機能する。ポンプ制御部６２は、冷媒反転部６２ａを備える。
【００３７】
図２は、燃料電池スタック２０に含まれる冷媒用プレート８０を説明するための斜視図である。燃料電池スタック２０は、前述したように、単セルを複数積層して直列に接続したスタック構造を有しているが、燃料電池スタック２０には、複数の単セルを貫くように３対の孔が形成されている。これら３対のうちの１対の孔７０ａ、７０ｂが、冷媒用のものである。孔７０ａは上流側の冷媒の流路を形成し、孔７０ｂは下流側の冷媒の流路を形成する。他の対の孔は水素ガス用、空気用のものであるが、詳しい説明は省略する。
【００３８】
冷媒用プレート８０は、単セルと単セルとの間に並ぶように配設されている。上流側の冷媒の流路を形成する孔７０ａは、冷媒用プレート８０に形成されるセル間冷媒流路８２に接続されることで、循環回路３２の供給口３０ａ（図１）から送られてきた冷媒を単セル間に設けられたセル間冷媒流路８２に分配する冷媒の供給マニホールドとして機能する。下流側の流路を形成する孔７０ｂは、セル間冷媒流路８２の他方端（前記孔７０ａが接続されたと反対側の端部）に接続されることで、各セル間冷媒流路８２から排出された冷媒を集合させて循環回路３２の受取口３０ｂ（図１）へ導く流体の排出マニホールドとして機能する。
【００３９】
ここで、セル間冷媒流路８２は、冷媒用プレート８０の面方向の中央における単セルの発電領域に対向（単セルの積層方向において対向）する範囲に形成される複数本の溝流路であり、単セルの片側の面（単セルの積層方向に垂直な面）に沿って配置されることになる。セル間冷媒流路８２は、特許請求の範囲に記載された「電池側流路」に相当する。１枚の単セルは、特許請求の範囲に記載された「燃料電池」に相当する。なお、本実施例では、１枚の単セルに１枚の冷媒用プレート８０が並設される構成としたが、これに換えて、複数枚の単セル毎に１枚の冷媒用プレート８０が配置された構成としてもよい。
【００４０】
Ａ２．ソフトウェア構成：
Ａ２−１．起動時制御ルーチン：
制御ユニット５０のＣＰＵ５１により実行される起動時制御ルーチンについて、次に説明する。図３は起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。この起動時制御ルーチンは、電気自動車の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ５１は、まず、始動スイッチ４６がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、始動スイッチ４６がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、ＣＰＵ５１は、ステップＳ１１０の処理を繰り返して、始動スイッチ４６が操作者により操作されてオン状態となるのを待つ。
【００４１】
ステップＳ１１０で、始動スイッチ４６がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池スタック２０を起動する（ステップＳ１２０）。詳しくは、ＣＰＵ５１は、シャットバルブ２３、調圧バルブ２４、水素ポンプ２６、およびエアポンプ２７を制御して、燃料電池スタック２０に水素ガスおよび空気を供給することで、燃料電池スタック２０の発電を開始する（すなわち、起動する）。
【００４２】
続いて、ＣＰＵ５１は、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この判定は、燃料電池システム１０の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、循環回路３２中の冷媒の温度に基づいて行おうというものである。ここで、検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１４０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。
【００４３】
なお、ステップＳ１２０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が低い低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１２０で判定を行う検出値を出力するセンサは、第１温度センサ４１に限る必要はなく、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサ等、燃料電池システム１０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００４４】
ステップＳ１４０では、ＣＰＵ５１は、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るか否かを判定する。所定温度ＴＡは、例えば４０［℃］である。すなわち、ステップＳ１４０では、空気オフガスの温度が４０［℃］を上回るほど、燃料電池スタック２０が暖機されたか否かを判定している。ステップＳ１４０で、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡ以下であると判定された場合には、ステップＳ１４０の処理を繰り返して、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るのを待つ。
【００４５】
なお、前記所定温度ＴＡは４０［℃］に限る必要はなく、４５［℃］、５０［℃］等、燃料電池スタック２０が暖機されたと判断される温度であれば他の温度に換えることができる。また、ステップＳ１４０で判定を行う検出値を出力するセンサは、第１温度センサ４１に限る必要はなく、燃料電池スタック２０の内部に設置した温度センサ等、燃料電池の内部温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００４６】
ステップＳ１４０で、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回ると判定された場合には、ウォータポンプ３６を正転／反転モードにて運転開始する（ステップＳ１５０）。正転／反転モードとは、ウォータポンプ３６を正転と反転とを、経過時間に応じて順次切り換えて実行するもので、後ほど詳述する。このとき、循環回路３２に設けられた三方弁３８はバイパス流路４０側に開いているものとする。バイパス流路４０側に開いていない場合には、ＣＰＵ５１は、三方弁３８を制御して、バイパス流路４０側に開く。すなわち、この正転／反転モード時においては、ラジエータ３４で冷媒を冷やすことなく、冷媒の循環を開始する。
【００４７】
燃料電池スタック２０は、ステップＳ１２０で起動後、温度が次第に上昇してくることから、ステップＳ１５０の実行後、ウォータポンプ３６の正転時において、循環回路３２の燃料電池スタック２０への供給口に設けられた第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ったか否かを判定する（ステップＳ１６０）。この判定は、循環回路３２の温度が十分に上昇したかを判定するためのものであり、前記閾値である０［℃］は、この限りではなく、２［℃］、４［℃］等、他の温度とすることができる。なお、前記閾値は、０［℃］であることが好ましい。
【００４８】
ステップＳ１６０では、冷媒の順流時における燃料電池スタック２０への供給口３０ａ付近に設けられた第１温度センサ４１の検出値Ｔ１を判定していたが、これに換えて、冷媒の順流時における燃料電池スタック２０からの受取口３０ｂ付近に設けられた第２温度センサ４２の検出値Ｔ２を用いる構成とすることもできる。但し、この構成の場合には、閾値は０［℃］に換えて例えば８０［℃］とする必要がある。また、冷媒の順流時における第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が８０［℃］を上回ったかを判定する構成とすることもできる。
【００４９】
ステップＳ１６０で、ウォータポンプ３６の正転時の第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下である場合には、ステップＳ１６０の処理を繰り返して、前記検出値Ｔ１が０［℃］を上回るのを待つ。ステップＳ１６０で、ウォータポンプ３６の正転時の第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ったと判定された場合には、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する（ステップＳ１７０）。その後、この起動時制御ルーチンを終了する。
【００５０】
一方、ステップＳ１３０で、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ると判定された場合、すなわち、燃料電池スタック２０を起動時の循環回路３２の冷媒の温度が０［℃］を上回ると判定された場合には、ＣＰＵ５１は、ステップＳ１７０に処理を進めて、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する。
【００５１】
以上のように構成された起動時制御ルーチンの完了後、燃料電池スタック２０は運転を継続するとともに、ステップＳ１７０で運転開始した正転モードにて、ウォータポンプ３６は運転を継続する。なお、ステップＳ１１０およびＳ１２０の処理が、ＣＰＵ５１で実行される機能としての燃料電池起動部６１に対応する。ステップＳＳ１３０ないしＳ１７０の処理が、ＣＰＵ５１で実行される機能としてのポンプ制御部６２に対応する。ステップＳ１５０の処理が、冷媒反転部６２ａに対応する。
【００５２】
Ａ２−２．ウォータポンプの正転／反転モード：
ウォータポンプ３６の正転／反転モードは、所定の期間毎に、ウォータポンプ３６の回転方向を正転と反転とで切り換えていく運転モードである。ウォータポンプ３６の回転方向を正転と反転とで切り換えることで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きを反転することができる。
【００５３】
図４は、正転／反転モードにおけるセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きの変化を示す説明図である。所定の期間経過毎に、図中の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）と移行する。（ａ）〜（ｄ）は、冷媒用プレート８０の平面図であり、冷媒用プレート８０に形成されるセル間冷媒流路８２は、燃料電池スタック２０の単セルの面に沿って冷媒を流す。
【００５４】
ウォータポンプ３６を正転で回転させたとき、循環回路３２を冷媒は図１に示した順流で流れる。このとき、冷媒用プレート８０においては、図中の（ａ）に示すように、孔７０ａが冷媒の入口（以下、「冷媒ＩＮ」と呼ぶ）として機能し、孔７０ａを流入した冷媒は、セル間冷媒流路８２を図中の左下から右上に向いて進む。このとき、孔７０ａと対になる孔７０ｂは、冷媒の出口（以下、「冷媒ＯＵＴ」と呼ぶ）として機能し、セル間冷媒流路８２を流れてきた冷媒は、孔７０ｂから流出する。
【００５５】
図４（ａ）の状態が所定期間継続する。ここで、「所定の期間」は、燃料電池スタック２０内の冷媒を全て入れ替えるに要する流量（以下、「入れ替え流量ＶＴ」と呼ぶ）をウォータポンプ３６が吐出する期間である。セル間冷媒流路８２の容積をＶＣ、冷媒用プレート８０の数（すなわち、単セルの数）をＮとすると、入れ替え流量ＶＴはＶＣ×Ｎで近似することができる。したがって、図４（ａ）の状態に切り換わってからのウォータポンプ３６の積算流量を計算して、この積算流量が入れ替え流量ＶＴとなったときに、ウォータポンプ３６を正転から反転に切り換える。
【００５６】
なお、入れ替え流量ＶＴは、前記のＶＣ×Ｎに換えて、ＶＣ×Ｎ＋ＶＰとして求めることもできる。ここで、ＶＰは、セル間冷媒流路８２に接続される孔７０ａ（または孔７０ｂ）の全容積である。この構成によれば、ＶＣ×Ｎとするよりも、より高精度に、入れ替え流量ＶＴを近似することができる。
【００５７】
ウォータポンプ３６を反転で回転させたとき、循環回路３２を冷媒は逆流で流れる。このとき、冷媒用プレート８０においては、図４（ｂ）に示すように、孔７０ｂが冷媒ＩＮとして機能し、孔７０ｂを流入した冷媒は、セル間冷媒流路８２を図中の右上から左下に向いて進む。このとき、孔７０ａは冷媒ＯＵＴとして機能し、セル間冷媒流路８２を流れてきた冷媒は、孔７０ａから流出する。すなわち、図４（ａ）の状態と比べて、冷媒の流れの向きは反転する。
【００５８】
図４（ｂ）の状態が前述した所定期間だけ継続する。この結果、図４（ａ）の状態で孔７０ｂから流出した入れ替え流量ＶＴ分の冷媒は、図４（ｂ）の状態で、孔７０ｂからセル間冷媒流路８２内に戻される。前記所定期間継続後、ウォータポンプ３６を反転から正転に切り換え、図４（ｃ）の状態に移行する。図４（ｃ）の状態の冷媒の流れ方向は、図４（ａ）の状態と同一である。図４（ｃ）の状態を前記所定期間継続後、ウォータポンプ３６を正転からから反転に切り換え、図４（ｄ）の状態に移行する。図４（ｄ）の状態の冷媒の流れ方向は、図４（ｂ）の状態と同一である。図４（ｄ）の状態以後も、セル間冷媒流路８２における単セルの面に沿った冷媒の流れの向きを、前記所定期間毎に順次反転させる。
【００５９】
従来、セル間冷媒流路には一方向に冷媒を流すだけであるが、セル間冷媒流路の面内（単セルに沿った面内）には、この流れの向きに温度が徐々に高くなる温度勾配が生じる。これに対して、前述した正転／反転モードで運転することで、冷媒の流れの向きが、経過時間に応じて順次反転されることから、前記温度勾配を均一化させることができる。さらに、本実施例では、切り換えの期間を、燃料電池スタック２０内の冷媒を全て入れ替えるに要する流量をウォータポンプ３６が吐出する期間としたことから、入れ替え流量ＶＴ分の同じ冷媒を、燃料電池スタック２０内に繰り返し流入させることができることから、冷媒の温度を従来に比べて上昇させることができる。
【００６０】
なお、この実施例では、図４（ａ）ないし（ｄ）の各状態は、前述した所定期間だけ継続することから、各状態で送られる積算流量は一定であるが、これに換える変形例として、各状態の継続する時間は一定としながら、ウォータポンプ３６の吐出量を増大することにより、各状態で送られる積算流量が暫時増大する構成としてもよい。この構成によれば、冷却効果を徐々に高めることができる。
【００６１】
Ａ３．実施例効果：
図５は、第１実施例の燃料電池システム１０の奏する効果を、従来例と比較して示すグラフである。グラフは、横軸に始動スイッチ４６をオンしてからの経過時間を、縦軸に燃料電池システム１０の内部温度（以下、「ＦＣ内部温度」と呼ぶ）を示したものである。図中の実線が第１実施例のもので、２点鎖線は従来例のものである。図示するように、始動スイッチ４６をオンしたときのＦＣ内部温度は、氷点下以下であるとする。ＦＣ内部温度が氷点下以下である場合、起動時制御ルーチンにおけるＳ１３０の処理で、燃料電池スタック２０が起動される。このとき、ウォータポンプ３６は停止した状態であり、冷媒は燃料電池システム１０内を循環しない。この状態では、ＦＣ内部温度は徐々に上昇し、時間ｔ１で０［℃］を超え、さらに時間ｔ２でステップＳ１４０の判定の閾値である所定温度ＴＡを上回る。
【００６２】
ＦＣ内部温度が所定温度ＴＡを上回ると、空気オフガスも所定温度ＴＡを上回り、ウォータポンプ３６が正転／反転モードで運転開始される。ウォータポンプ３６の運転開始により、冷媒が燃料電池システム１０内に流入することになるが、これにより、ＦＣ内部温度は急低下する。従来例では、図中、２点鎖線に示すように、ＦＣ内部温度は氷点下まで戻る。このため、従来例では、起動前に燃料電池システム内の残水が多い場合、その残水が再凍結し、触媒層を損傷することがあった。これに対して、ウォータポンプ３６が正転／反転モードで運転されることから、前述したように、セル間冷媒流路８２の面内（単セルに沿った面内）の温度勾配を均一化することができること、および、冷媒の温度を従来に比べて上昇させることができることから、ＦＣ内部温度の低下を少なくすることができ、このため、ＦＣ内部温度は、図中、実線に示すように、氷点下まで戻ることがない。したがって、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、起動後の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することができる。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、燃料電池スタックに含まれる冷媒用プレートの形状と、冷媒用プレートに冷媒を通す冷却システムとが相違する。その他のハードウェア構成は、第１実施例と同一である。第１実施例と同一の部品については、第１実施例と同じ符号を用いて以下の説明を行う。
【００６４】
図６は、第２実施例における冷媒用プレート１１０と、冷媒用プレート１１０に冷媒を通す２系統の冷却システム１３０、１４０とを示す説明図である。図中、冷媒用プレート１１０は平面図によって示されている。図示するように、冷媒用プレート１１０には、複数の孔（貫通孔）が形成されている。各孔は、燃料電池スタックに組み込まれたときに、複数の単セルを貫くように設けられており、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒を燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。すなわち、冷媒用プレート１１０に形成された孔１１２ａは上流側の燃料ガスの流路を形成し、孔１１２ｂは下流側の燃料ガスの流路を形成する。孔１１４ａ、１１５ａ、１１６ａは上流側の酸化剤ガスの流路を形成し、孔１１４ｂ、１１５ｂ、１１６ｂは下流側の酸化剤ガスの流路を形成する。孔１１８ａ、１１９ａは上流側の冷媒の流路を形成し、孔１１８ｂ、１１９ｂは下流側の冷媒の流路を形成する。
【００６５】
冷媒用プレート１１０の中央における単セルの発電領域に対向（単セルの積層方向において対向）する範囲には、複数本の溝流路であるセル間冷媒流路が形成されている。このセル間冷媒流路は、実際は第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４とに区分けされている。第１セル間冷媒流路１８２の一方端に上流側の流路を形成する孔１１８ａが接続され、第１セル間冷媒流路１８２の他方端（孔１１８ａが接続されたと反対側の端部）に下流側の流路を形成する孔１１８ｂが接続される。第２セル間冷媒流路１８４の一方端に上流側の流路を形成する孔１１９ａが接続され、第２セル間冷媒流路１８４の他方端（孔１１９ａが接続されたと反対側の端部）に下流側の流路を形成する孔１１９ｂが接続される。
【００６６】
２系統の冷却システム１３０、１４０のそれぞれは、第１実施例の冷却システム３０と同様に、冷媒を循環する循環回路１３２、１４２を備え、この循環回路１３２、１４２に、ラジエータ１３４、１４４と、ウォータポンプ１３６、１４６と、三方弁１３８、１４８と、バイパス流路１３９、１４９とが設けられている。ラジエータ１３４、１４４の近傍には、電動ファン１３５、１４５が配置されている。各冷却システム１３０、１４０は、第１実施例の冷却システム３０と同じ動作をする。
【００６７】
第１の循環回路１３２の供給口１３２ａは、上流側の冷媒の流路を形成する一方の孔１１８ａに接続され、第１の循環回路１３２の受取口１３２ｂは、下流側の冷媒の流路を形成する一方の孔１１８ｂに接続される。第２の循環回路１４２の供給口１４２ａは、上流側の冷媒の流路を形成する他方の孔１１９ａに接続され第２の循環回路１４２の受取口１４２ｂは、下流側の冷媒の流路を形成する他方の孔１１９ｂに接続される。この結果、図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２においては、図中の右側から左側に冷媒は流れ、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４においては、図中の左側から右側に冷媒は流れる。すなわち、第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４との冷媒の流れの向きは、反転している。換言すれば、冷媒用プレート１１０の冷媒の流れの向きは、全体として反転している。
【００６８】
第２実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、ソフトウェアの点では次の点が相違するだけである。ＣＰＵ５１は、第１実施例における起動時制御ルーチン（図３）と同様の起動時制御ルーチンを実行するが、この起動時制御ルーチンにおけるステップＳ１５０の処理が、第１実施例とは相違する。
【００６９】
第１実施例のステップＳ１５０では、ウォータポンプ３６を正転／反転モードとすることで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きを、所定期間毎に反転していた。これに対して、第２実施例では、第１ウォータポンプ１３６と第２ウォータポンプ１４６とを、次のように制御することで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路（第１および第２セル間冷媒流路１８２、１８４で構成される）における冷媒の流れの向きを、所定期間毎に反転している。
【００７０】
図７は、第２実施例におけるセル間冷媒流路の流れの向きの変化を示す説明図である。図中の（ａ）、（ｂ）は、冷媒用プレート１１０の平面図である。冷媒用プレート１８０に形成されたセル間冷媒流路としての第１セル間冷媒流路１８２および第２セル間冷媒流路１８４の流れが、所定の期間経過毎に、図中の（ａ）→（ｂ）と移行する。
【００７１】
最初は、第１ウォータポンプ１３６を停止し、第２ウォータポンプ１４６を運転する。なお、第２実施例におけるウォータポンプの運転とは、全て正転にて運転するものとする。この結果、図７（ａ）に示すように、冷媒用プレート１１０の図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２では、冷媒の流れが停止し、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４では、図中、左から右に向いて冷媒が流れる。この状態が所定期間継続する。ここでいう所定の期間は、燃料電池スタック２０に含まれる全ての第２セル間冷媒流路１８４の冷媒を全て入れ替えるに要する流量を、ウォータポンプ１４６が吐出する期間である。
【００７２】
所定期間経過後、図７（ｂ）の状態となる。この状態では、第１ウォータポンプ１３６を運転し、第２ウォータポンプ１４６を停止する。図７（ｂ）に示すように、冷媒用プレート１１０の図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２では、図中、右から左に向いて冷媒が流れ、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４では、冷媒の流れが停止する。この結果、第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４とから構成されるセル間冷媒流路においては、図７（ａ）の状態のときの冷媒の流れの向きと、図７（ｂ）の状態のときの冷媒の流れの向きとは、反転した関係となっている。
【００７３】
図７（ｂ）の状態が前述した所定期間だけ継続する。その後、図７（ａ）の状態に切り換わる。このように、図７（ｂ）の状態以後も、セル間冷媒流路における単セルの面に沿った冷媒の流れの向きが、前記所定期間毎に順次反転される。
【００７４】
なお、本実施例における起動時制御ルーチン（図３）のステップＳ１７０では、第１ウォータポンプ１３６と第２ウォータポンプ１４６の双方を運転開始する。
【００７５】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システムでは、第１実施例と同様に、冷間起動時にウォータポンプ１３６、１４６を始動する際の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することができる。
【００７６】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、次に説明する。第３実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、同一のハードウェア構成を備え、ＣＰＵ５１で実行される起動時制御ルーチンの点だけが相違する。なお、第１実施例と同一の部品については、第１実施例と同じ符号を用いて以下の説明を行う。
【００７７】
図８は、第３実施例における起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。この起動時制御ルーチンは、第１実施例における起動時制御ルーチン（図３）と比較して、ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１７０が同一である。ＣＰＵ５１は、ステップＳ１３０で、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ２５０に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ２５０では、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する。ウォータポンプ３６の運転が開始され、冷媒の循環が始まると、ＣＰＵ５１は、次いで、冷媒の積算吸熱量Ｑｄが、判定基準熱量Ｑｓ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２５２）。
【００７９】
積算吸熱量Ｑｄは、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの冷媒の吸熱量の合計であり、以下に従って求める。まず、単位時間あたりの吸熱量Ｑ１［ｋＪ］は、次式（１）となる。
【００８０】
Ｑ１＝（Ｔｃ−Ｔｗ）・Ｃ・Ａ・Ｂ …（１）
ここで、
Ｔｃ：燃料電池スタック２０の内部温度［Ｋ］
Ｔｗ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の温度［Ｋ］
Ａ：冷媒の比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］
Ｂ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の流量［ｍ３／ｓ］
Ｃ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の密度［ｋｇ／ｍ３］
【００８１】
Ｔｃは、第３温度センサ４４の検出値を用いることができる。Ｔｗは、ウォータポンプ３６の正転時においては第１温度センサ４１の検出値を、ウォータポンプ３６の反転時においては第２温度センサ４２の検出値を用いることができる。Ａ、Ｂ、Ｃは、予め計測もしくは予め定めた値（定数）を用いることができる。Ａは冷媒の組成から、Ｂはポンプによる送量から、Ｃは組成と温度の関数から決まる。
【００８２】
したがって、積算吸熱量Ｑｄ［ｋＪ］は、次式（２）から求めることができる。
Ｑｄ＝ΣＱ１
＝Ａ・Ｂ・Ｃ・Σ（Ｔｃ−Ｔｗ） …（２）
【００８３】
積算吸熱量Ｑｄは、燃料電池スタック２０の内部温度を低下させるように働くため、この積算吸熱量Ｑｄが大きすぎる場合、単セル、特に冷媒の入口部付近で冷媒を凍らせる虞がある。この冷媒が凍る閾値が判定基準熱量Ｑｓであり、次のように求める。
【００８４】
判定基準熱量Ｑｓは、燃料電池スタック２０の温度が氷点まで低下するのに必要な吸熱量Ｑ２と、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの燃料電池スタック２０の積算発熱量Ｑ３との和である。前記吸熱量Ｑ２［ｋＪ］は、次式（３）から求めることができる。
【００８５】
Ｑ２＝（Ｔｓｔ−０）・Ｄ …（３）
ここで、
Ｔｓｔ：冷媒の循環開始時の燃料電池スタック２０の内部温度［Ｋ］
Ｄ：燃料電池スタック２０の熱容量［ｋＪ／Ｋ］
【００８６】
積算発熱量Ｑ３の求め方は、次のとおりである。水素の持つ化学エネルギーは２４１．８２ｋＪ／ｍｏｌ（ＬＨＶ換算）である。単セルの変換効率ηは、セル電圧Ｅ（Ｖ）で決まり、ファラデー定数Ｆ（Ａｓ／ｍｏｌ）と熱の仕事当量Ｊ（ジュール／セル）とを用い、次式（４）が与えられる。
η＝（２Ｆ／Ｊ）・Ｅ・（１／ΔＨＨ２）＝０．７９８・Ｅ …（４）
ここで、ΔＨは燃料の持つエネルギーである。
【００８７】
したがって、水素１ｍｏｌあたりの発熱量Ｑは、次式（５）から求めることができる。
Ｑ（ｋＪ／ｍｏｌ）＝（１−η）×２４１．８２
＝（１−０．７９８×Ｅ）×２４１．８２ …（５）
【００８８】
単セルの水素の反応量ＨＶ［ｍｏｌ／ｓ］は、電流Ｉ（Ａ）を計測できれば算出でき、次式（６）から求めることができる。
ＨＶ＝Ｉ／９６４８５／２ …（６）
【００８９】
燃料電池スタック２０の発熱量Ｑｓｔｋ［ｋＪ］は、各単セルの発熱量の総和になるので、次式（７）から求めることができる。
Ｑ７＝Σ［｛（１−０．７９８×Ｖｉ）×２４１．８２｝×Ｉｉ／（９６４８５／２）］ …（７）
【００９０】
したがって、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの燃料電池スタック２０の積算発熱量Ｑ３［ｋＪ］は、次式（８）から求めることができる。
Ｑ３＝ΣＱ７ …（８）
【００９１】
図８のステップＳ２５２では、前述した式（２）から積算吸熱量Ｑｄを求め、前述した式（３）から求めた吸熱量Ｑ２と式（８）から求めた積算発熱量Ｑ３とを加えることで判定基準熱量Ｑｓを求め、前記積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓ以下であるか否かを判定する。ここで、積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓ以下であると判定されたときには、燃料電池スタック２０内で冷媒が凍結する虞がないことから、ステップＳ２６０に処理を進める。
【００９２】
一方、ステップＳ２５２で、積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓを上回ると判定された場合には、燃料電池スタック２０内で冷媒が凍結する虞があることから、ステップＳ２５４に処理を進めて、ウォータポンプ３６の運転を一旦停止する。ウォータポンプ３６の停止後、あるいはステップＳ１５２で肯定判定されたとき、ＣＰＵ５１は、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＢを上回るか否かを判定する（ステップＳ２６０）。ここで、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３である空気オフガスの温度が所定温度ＴＢを下回る場合には、ステップＳ２５２に処理を戻す。一方、空気オフガスの温度が所定温度ＴＢ以上という高温となったときには、ステップＳ１７０に処理を進める。
【００９３】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池システムでは、燃料電池の冷間起動時において、冷媒の循環が開始されてからの冷媒の積算吸熱量Ｑｄが、判定基準熱量Ｑｓを上回るような場合に、ウォータポンプ３６の運転が一旦停止され、冷媒からの吸熱量が削減されることから、残水の再凍結をより抑制することができる。したがって、冷間起動時において、残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を、より防止することができる。
【００９４】
なお、この第３実施例の特徴部分、すなわち、ステップＳ２５２ないしＳ２６０の処理を、第１実施例や第２実施例の起動時制御ルーチンに付加することで、第１実施例、第２実施例の変形例とすることもできる。
【００９５】
さらに、第１ないし第３実施例以外の実施例として、冷間起動時において、冷媒による吸熱量が燃料電池の発熱量を下回るように、冷媒用の電池側流路における冷媒の循環量を制御する構成としてもよい。マクロで見ると、燃料電池内部は、発熱量＞放熱量で昇温し、発熱量＜放熱量で降温する。冷媒の循環再開時の温度を維持できるように、冷媒による吸熱量（燃料電池から見たら放熱量）が燃料電池の発熱量を下回るように制御することで、冷媒の再凍結を防止することができる。
【００９６】
Ｄ．変形例：
この発明は前記の実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９７】
・変形例１：
前記各実施例および各変形例では、冷媒用の電池側流路としてのセル間冷媒流路８２は、燃料電池の面方向に延びる溝流路により形成されていたが、これに限る必要はなく、複数の矩形のリブ片により形成された構成等、他の形状としてもよい。
【００９８】
・変形例２：
前記各実施例および各変形例では、燃料電池スタック２０の冷間起動時から、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るまでの期間（適用例１の「所定の期間」に相当）、ウォータポンプを停止する構成であったが、この期間の終端は上記に限る必要はなく、例えば冷間起動時からの経過時間が所定時間を超えたときに換えることができる。また、前記各実施例および各変形例では、ウォータポンプの運転開始から、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以上となるまでの期間、ウォータポンプの運転を制御して、冷媒用の電池側流路における冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる構成であったが、この期間の終端は上記に限る必要はなく、例えばウォータポンプの運転開始からの経過時間が所定時間を超えたときに換えることができる。
【００９９】
・変形例３：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【０１００】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…水素タンク
２２…配管
２３…シャットバルブ
２４…調圧バルブ
２５…配管
２６…水素ポンプ
２７…エアポンプ
２８…配管
２９…配管
３０…冷却システム
３０ａ…供給口
３０ｂ…受取口
３２…循環回路
３４…ラジエータ
３５…電動ファン
３６…ウォータポンプ
３８…三方弁
４０…バイパス流路
４１…第１温度センサ
４２…第２温度センサ
４４…第３温度センサ
４６…始動スイッチ
５０…制御ユニット
５１…ＣＰＵ
５２…メモリ
５３…入出力回路
６１…燃料電池起動部
６２…ポンプ制御部
６２ａ…冷媒反転部
７０ａ…孔
７０ｂ…孔
８０…冷媒用プレート
８２…セル間冷媒流路
１１０…冷媒用プレート
１１２ａ…孔
１１２ｂ…孔
１１４ａ…孔
１１４ｂ…孔
１１８ａ…孔
１１８ｂ…孔
１１９ａ…孔
１１９ｂ…孔
１３０…冷却システム
１３２…第１の循環回路
１３２ａ…供給口
１３２ｂ…受取口
１３４…ラジエータ
１３５…電動ファン
１３６…第１ウォータポンプ
１３８…三方弁
１３９…バイパス流路
１４２…第２の循環回路
１４２ａ…供給口
１４２ｂ…受取口
１４４…ラジエータ
１４６…第２ウォータポンプ
１８０…冷媒用プレート
１８２…第１セル間冷媒流路
１８４…第２セル間冷媒流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システム、および燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、氷点下の起動時に冷媒の循環を停止して、燃料電池を起動するものが知られている（特許文献１参照）。この構成により、起動時に、冷え切った冷媒が燃料電池の内部に送られ、燃料電池の内部温度が低下しすぎるのを防止することができる。この構成では、その後、燃料電池の内部温度が上昇してくると、冷媒の循環を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、冷媒の循環の開始で、燃料電池の冷媒の入口付近およびその周辺の温度が一時的に低下するため、起動前に燃料電池内に残っていた生成水（以下、「残水」と呼ぶ）が再凍結することがあった。残水が再凍結すると、燃料電池内の触媒層を損傷させる問題を発生した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、起動後の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するポンプ制御部とを備え、前記ポンプ制御部は、前記所定の期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部を備える、燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、低温起動時から所定の期間経過後に、ポンプの運転を開始して、燃料電池に併設される冷媒用の電池側流路へ冷媒を通過させる。このとき、冷媒反転部により、冷媒の流れの向きが経過時間に応じて順次反転されることから、前記電池側流路における前記燃料電池の面に沿った方向の温度が一様となる。このため、冷媒が流入されることで温度が最も低下し易い冷媒の入口付近、およびその周辺の温度低下を抑えることができることから、起動前に燃料電池システム内に残っていた残水が再凍結することがない。したがって、適用例１に記載の燃料電池によれば、残水の再凍結に起因する燃料電池内の触媒層の劣化を防止することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記冷媒反転部は、前記ポンプの運転制御として、前記ポンプの回転方向を切り換える構成である、燃料電池システム。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池システムによれば、ポンプの回転方向を切り換えることで、電池側流路における冷媒の流れの向きの反転が行われる。したがって、ポンプの回転方向の切り換えという簡単な制御により、冷媒の流れの向きを切り換えることができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記電池側流路は、前記燃料電池の面に沿って配置される２つの部位を含み、前記冷媒流路は、前記各部位に冷媒を通過させる２系統を備え、各系統に前記ポンプが配置された構成であり、前記冷媒反転部は、前記各ポンプの運転を制御することにより、前記２系統のうちの第１系統の冷媒の流れを停止するとともに前記２系統のうちの第２系統の冷媒を前記燃料電池の面に沿った第１の向きに流す第１の状態と、前記第１系統の冷媒を前記第１の向きに対向した第２の向きに流すとともに前記第２系統の冷媒の流れを停止する第２の状態との間で、経過時間に応じて順次切り換えを行う構成である、燃料電池システム。
【００１２】
適用例３に記載の燃料電池システムによっても、電池側流路における冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させることを実現することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記冷媒反転部は、第２の所定期間、前記反転を行う構成であり、前記ポンプ制御部は、前記第２の所定期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、一方向として継続運転する継続運転部を備える、燃料電池システム。
【００１４】
適用例４に記載の燃料電池システムによれば、冷媒反転部による冷媒の流れの反転制御がなされ、その後、冷媒の流れの向きを一方向とする運転に切り換えられる。このため、燃料電池の冷間起動後も好適に燃料電池を制御することができる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記所定の期間は、前記燃料電池の内部温度が所定値を上回るまでの期間である、燃料電池システム。
【００１６】
適用例５に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部温度が所定値を上回った場合に、燃料電池への冷媒の供給を開始することできる。
【００１７】
［適用例６］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、前記燃料電池起動部による前記発電の開始時に、前記ポンプの運転を開始するポンプ制御部とを備え、前記ポンプ制御部は、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定する判定部と、前記判定部により上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する停止制御部とを備える、燃料電池システム。
【００１８】
適用例６に記載の燃料電池システムによれば、冷媒からの吸熱量が大きい場合に、ポンプの運転が停止されることから、冷媒からの吸熱量を削減することができる。このため、残水の再凍結を抑制することができる。したがって、冷間起動時において、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を防止することができる。
【００１９】
［適用例７］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時においては、前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するにあたり、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる、燃料電池システムの制御方法。
【００２０】
［適用例８］ 燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定し、上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【００２１】
適用例７および適用例８に記載の燃料電池システムの制御方法によれば、適用例１に記載の燃料電池システムと同様に、残水の再凍結に起因する燃料電池内の触媒層の劣化を防止することができる。
【００２２】
さらに、本発明は、前記適用例１ないし８以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、適用例７または８に記載の燃料電池システムの制御方法の各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック２０に含まれる冷媒用プレート８０を説明するための斜視図である。
【図３】起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】正転／反転モードにおけるセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きの変化を示す説明図である。
【図５】第１実施例の燃料電池システム１０の奏する効果を従来例と比較して示すグラフである。
【図６】第２実施例における冷媒用プレート１１０と２系統の冷却システム１３０、１４０とを示す説明図である。
【図７】第２実施例におけるセル間冷媒流路の流れの向きの変化を示す説明図である。
【図８】第３実施例における起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．ハードウェア構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、冷却システム３０、および制御ユニット５０等を備えている。
【００２６】
燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であって、単セルを複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を、ガス拡散層で挟持し、これらＭＥＡおよびガス拡散層をさらに両側からセパレータによって挟持することによって構成された周知のものである。
【００２７】
燃料電池スタック２０の各単セルには、電池反応に供される燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。簡単に説明すると、各単セルのアノード電極（水素極）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１から、配管２２を介して燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管２２には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ２３および調圧バルブ２４が配置されている。単セルのアノード電極から排出された水素は、配管２５を介して配管２２に戻され、再び燃料電池スタック２０に循環される。配管２５上には、循環のための水素ポンプ２６が配置されている。
【００２８】
各単セルのカソード電極（酸素極）には、エアポンプ２７から、配管２８を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。各単セルのカソード電極から排出された空気は、配管２９を介して大気中に放出される。
【００２９】
燃料電池スタック２０には、上述した燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて、冷却媒体（以下、単に「冷媒」とも呼ぶ）が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが冷媒によって冷却される。本実施例では、冷媒として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を冷媒としてもよい。
【００３０】
冷却システム３０は、前記冷媒を循環する循環回路３２を備え、この循環回路３２に、前述した燃料電池スタック２０と、ラジエータ３４とが配置される。ラジエータ３４の近傍には電動ファン３５が配置されている。ラジエータ３４は、循環回路３２を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、電動ファン３５からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。
【００３１】
循環回路３２には、ウォータポンプ３６が設けられている。ウォータポンプ３６の吐出力を受けて、循環回路３２を冷媒が循環する。ウォータポンプ３６は、回転方向を正転と反転とで切り換え可能な構成であり、正転時には、図示する左回り（矢印方向）に冷媒を循環させることができ、反転時には、図示しない右回りに冷媒を循環させることができる。前記正転時の左回りの冷媒の流れを以下、「順流」と呼び、逆転時の右回りの冷媒の流れを以下、「逆流」と呼ぶ。
【００３２】
循環回路３２におけるラジエータ３４とウォータポンプ３６の間には、三方弁３８が設けられ、この三方弁３８の一つのポートに、ラジエータ３４をバイパスするバイパス流路４０が接続されている。バイパス流路４０は、ラジエータ３４に対して並列となるように設けられる。三方弁３８を、ラジエータ３４とウォータポンプ３６の間が連通しバイパス流路４０側は遮断した第１状態に切り換えることで、ラジエータ３４で冷却された冷媒を燃料電池スタック２０との間で循環させることができ、ウォータポンプ３６とバイパス流路４０との間が連通しラジエータ３４側は遮断した第２状態に切り換えることで、ラジエータ３４を介さないで冷媒を燃料電池スタック２０との間で循環させることができる。第２状態に切り換えることで、燃料電池スタック２０に流入する冷媒が、ラジエータ３４で冷却されることを防ぐことができる。
【００３３】
制御ユニット５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、メモリ５２と、入出力回路５３とを主に備えている。入出力回路５３は、各種アクチュエータ、各種センサ、および各種スイッチ等を、制御用信号線（図示せず）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、前述したシャットバルブ２３、調圧バルブ２４、水素ポンプ２６、エアポンプ２７、ウォータポンプ３６、三方弁３８、電動ファン３５等がある。
【００３４】
各種センサとしては、循環回路３２の燃料電池スタック２０への供給口（ウォータポンプ３６の正転時における供給口）３０ａ付近に設けられ、冷媒の温度を検出する第１温度センサ４１、循環回路３２の燃料電池スタック２０からの受取口（ウォータポンプ３６の正転時における受取口）３０ｂ付近に設けられ、冷媒の温度を検出する第２温度センサ４２、および配管２９に設けられ、空気の燃料電池スタック２０からのオフガスの温度を検出する第３温度センサ４４等がある。各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ４６等がある。
【００３５】
前記第３温度センサ４４は、燃料電池システム１０の内部温度を検出するためのもので、空気のオフガスが燃料電池システム１０の内部温度を反映するものとして、配管２９に設けられた温度センサを採用した。なお、第３温度センサは、燃料電池スタック内に直接に設けられたもの等、燃料電池システム１０の内部温度を検出可能なセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００３６】
メモリ５２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されており、ＣＰＵ５１は、このコンピュータプログラム（例えば、後述する起動時制御ルーチンのコンピュータプログラム）を実行することにより、燃料電池起動部６１およびポンプ制御部６２として機能する。ポンプ制御部６２は、冷媒反転部６２ａを備える。
【００３７】
図２は、燃料電池スタック２０に含まれる冷媒用プレート８０を説明するための斜視図である。燃料電池スタック２０は、前述したように、単セルを複数積層して直列に接続したスタック構造を有しているが、燃料電池スタック２０には、複数の単セルを貫くように３対の孔が形成されている。これら３対のうちの１対の孔７０ａ、７０ｂが、冷媒用のものである。孔７０ａは上流側の冷媒の流路を形成し、孔７０ｂは下流側の冷媒の流路を形成する。他の対の孔は水素ガス用、空気用のものであるが、詳しい説明は省略する。
【００３８】
冷媒用プレート８０は、単セルと単セルとの間に並ぶように配設されている。上流側の冷媒の流路を形成する孔７０ａは、冷媒用プレート８０に形成されるセル間冷媒流路８２に接続されることで、循環回路３２の供給口３０ａ（図１）から送られてきた冷媒を単セル間に設けられたセル間冷媒流路８２に分配する冷媒の供給マニホールドとして機能する。下流側の流路を形成する孔７０ｂは、セル間冷媒流路８２の他方端（前記孔７０ａが接続されたと反対側の端部）に接続されることで、各セル間冷媒流路８２から排出された冷媒を集合させて循環回路３２の受取口３０ｂ（図１）へ導く流体の排出マニホールドとして機能する。
【００３９】
ここで、セル間冷媒流路８２は、冷媒用プレート８０の面方向の中央における単セルの発電領域に対向（単セルの積層方向において対向）する範囲に形成される複数本の溝流路であり、単セルの片側の面（単セルの積層方向に垂直な面）に沿って配置されることになる。セル間冷媒流路８２は、特許請求の範囲に記載された「電池側流路」に相当する。１枚の単セルは、特許請求の範囲に記載された「燃料電池」に相当する。なお、本実施例では、１枚の単セルに１枚の冷媒用プレート８０が並設される構成としたが、これに換えて、複数枚の単セル毎に１枚の冷媒用プレート８０が配置された構成としてもよい。
【００４０】
Ａ２．ソフトウェア構成：
Ａ２−１．起動時制御ルーチン：
制御ユニット５０のＣＰＵ５１により実行される起動時制御ルーチンについて、次に説明する。図３は起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。この起動時制御ルーチンは、電気自動車の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ５１は、まず、始動スイッチ４６がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、始動スイッチ４６がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、ＣＰＵ５１は、ステップＳ１１０の処理を繰り返して、始動スイッチ４６が操作者により操作されてオン状態となるのを待つ。
【００４１】
ステップＳ１１０で、始動スイッチ４６がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池スタック２０を起動する（ステップＳ１２０）。詳しくは、ＣＰＵ５１は、シャットバルブ２３、調圧バルブ２４、水素ポンプ２６、およびエアポンプ２７を制御して、燃料電池スタック２０に水素ガスおよび空気を供給することで、燃料電池スタック２０の発電を開始する（すなわち、起動する）。
【００４２】
続いて、ＣＰＵ５１は、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この判定は、燃料電池システム１０の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、循環回路３２中の冷媒の温度に基づいて行おうというものである。ここで、検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１４０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。
【００４３】
なお、ステップＳ１２０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が低い低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１２０で判定を行う検出値を出力するセンサは、第１温度センサ４１に限る必要はなく、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサ等、燃料電池システム１０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００４４】
ステップＳ１４０では、ＣＰＵ５１は、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るか否かを判定する。所定温度ＴＡは、例えば４０［℃］である。すなわち、ステップＳ１４０では、空気オフガスの温度が４０［℃］を上回るほど、燃料電池スタック２０が暖機されたか否かを判定している。ステップＳ１４０で、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡ以下であると判定された場合には、ステップＳ１４０の処理を繰り返して、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るのを待つ。
【００４５】
なお、前記所定温度ＴＡは４０［℃］に限る必要はなく、４５［℃］、５０［℃］等、燃料電池スタック２０が暖機されたと判断される温度であれば他の温度に換えることができる。また、ステップＳ１４０で判定を行う検出値を出力するセンサは、第１温度センサ４１に限る必要はなく、燃料電池スタック２０の内部に設置した温度センサ等、燃料電池の内部温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００４６】
ステップＳ１４０で、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回ると判定された場合には、ウォータポンプ３６を正転／反転モードにて運転開始する（ステップＳ１５０）。正転／反転モードとは、ウォータポンプ３６を正転と反転とを、経過時間に応じて順次切り換えて実行するもので、後ほど詳述する。このとき、循環回路３２に設けられた三方弁３８はバイパス流路４０側に開いているものとする。バイパス流路４０側に開いていない場合には、ＣＰＵ５１は、三方弁３８を制御して、バイパス流路４０側に開く。すなわち、この正転／反転モード時においては、ラジエータ３４で冷媒を冷やすことなく、冷媒の循環を開始する。
【００４７】
燃料電池スタック２０は、ステップＳ１２０で起動後、温度が次第に上昇してくることから、ステップＳ１５０の実行後、ウォータポンプ３６の正転時において、循環回路３２の燃料電池スタック２０への供給口に設けられた第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ったか否かを判定する（ステップＳ１６０）。この判定は、循環回路３２の温度が十分に上昇したかを判定するためのものであり、前記閾値である０［℃］は、この限りではなく、２［℃］、４［℃］等、他の温度とすることができる。なお、前記閾値は、０［℃］であることが好ましい。
【００４８】
ステップＳ１６０では、冷媒の順流時における燃料電池スタック２０への供給口３０ａ付近に設けられた第１温度センサ４１の検出値Ｔ１を判定していたが、これに換えて、冷媒の順流時における燃料電池スタック２０からの受取口３０ｂ付近に設けられた第２温度センサ４２の検出値Ｔ２を用いる構成とすることもできる。但し、この構成の場合には、閾値は０［℃］に換えて例えば８０［℃］とする必要がある。また、冷媒の順流時における第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が８０［℃］を上回ったかを判定する構成とすることもできる。
【００４９】
ステップＳ１６０で、ウォータポンプ３６の正転時の第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下である場合には、ステップＳ１６０の処理を繰り返して、前記検出値Ｔ１が０［℃］を上回るのを待つ。ステップＳ１６０で、ウォータポンプ３６の正転時の第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ったと判定された場合には、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する（ステップＳ１７０）。その後、この起動時制御ルーチンを終了する。
【００５０】
一方、ステップＳ１３０で、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］を上回ると判定された場合、すなわち、燃料電池スタック２０を起動時の循環回路３２の冷媒の温度が０［℃］を上回ると判定された場合には、ＣＰＵ５１は、ステップＳ１７０に処理を進めて、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する。
【００５１】
以上のように構成された起動時制御ルーチンの完了後、燃料電池スタック２０は運転を継続するとともに、ステップＳ１７０で運転開始した正転モードにて、ウォータポンプ３６は運転を継続する。なお、ステップＳ１１０およびＳ１２０の処理が、ＣＰＵ５１で実行される機能としての燃料電池起動部６１に対応する。ステップＳＳ１３０ないしＳ１７０の処理が、ＣＰＵ５１で実行される機能としてのポンプ制御部６２に対応する。ステップＳ１５０の処理が、冷媒反転部６２ａに対応する。
【００５２】
Ａ２−２．ウォータポンプの正転／反転モード：
ウォータポンプ３６の正転／反転モードは、所定の期間毎に、ウォータポンプ３６の回転方向を正転と反転とで切り換えていく運転モードである。ウォータポンプ３６の回転方向を正転と反転とで切り換えることで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きを反転することができる。
【００５３】
図４は、正転／反転モードにおけるセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きの変化を示す説明図である。所定の期間経過毎に、図中の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）と移行する。（ａ）〜（ｄ）は、冷媒用プレート８０の平面図であり、冷媒用プレート８０に形成されるセル間冷媒流路８２は、燃料電池スタック２０の単セルの面に沿って冷媒を流す。
【００５４】
ウォータポンプ３６を正転で回転させたとき、循環回路３２を冷媒は図１に示した順流で流れる。このとき、冷媒用プレート８０においては、図中の（ａ）に示すように、孔７０ａが冷媒の入口（以下、「冷媒ＩＮ」と呼ぶ）として機能し、孔７０ａを流入した冷媒は、セル間冷媒流路８２を図中の左下から右上に向いて進む。このとき、孔７０ａと対になる孔７０ｂは、冷媒の出口（以下、「冷媒ＯＵＴ」と呼ぶ）として機能し、セル間冷媒流路８２を流れてきた冷媒は、孔７０ｂから流出する。
【００５５】
図４（ａ）の状態が所定期間継続する。ここで、「所定の期間」は、燃料電池スタック２０内の冷媒を全て入れ替えるに要する流量（以下、「入れ替え流量ＶＴ」と呼ぶ）をウォータポンプ３６が吐出する期間である。セル間冷媒流路８２の容積をＶＣ、冷媒用プレート８０の数（すなわち、単セルの数）をＮとすると、入れ替え流量ＶＴはＶＣ×Ｎで近似することができる。したがって、図４（ａ）の状態に切り換わってからのウォータポンプ３６の積算流量を計算して、この積算流量が入れ替え流量ＶＴとなったときに、ウォータポンプ３６を正転から反転に切り換える。
【００５６】
なお、入れ替え流量ＶＴは、前記のＶＣ×Ｎに換えて、ＶＣ×Ｎ＋ＶＰとして求めることもできる。ここで、ＶＰは、セル間冷媒流路８２に接続される孔７０ａ（または孔７０ｂ）の全容積である。この構成によれば、ＶＣ×Ｎとするよりも、より高精度に、入れ替え流量ＶＴを近似することができる。
【００５７】
ウォータポンプ３６を反転で回転させたとき、循環回路３２を冷媒は逆流で流れる。このとき、冷媒用プレート８０においては、図４（ｂ）に示すように、孔７０ｂが冷媒ＩＮとして機能し、孔７０ｂを流入した冷媒は、セル間冷媒流路８２を図中の右上から左下に向いて進む。このとき、孔７０ａは冷媒ＯＵＴとして機能し、セル間冷媒流路８２を流れてきた冷媒は、孔７０ａから流出する。すなわち、図４（ａ）の状態と比べて、冷媒の流れの向きは反転する。
【００５８】
図４（ｂ）の状態が前述した所定期間だけ継続する。この結果、図４（ａ）の状態で孔７０ｂから流出した入れ替え流量ＶＴ分の冷媒は、図４（ｂ）の状態で、孔７０ｂからセル間冷媒流路８２内に戻される。前記所定期間継続後、ウォータポンプ３６を反転から正転に切り換え、図４（ｃ）の状態に移行する。図４（ｃ）の状態の冷媒の流れ方向は、図４（ａ）の状態と同一である。図４（ｃ）の状態を前記所定期間継続後、ウォータポンプ３６を正転からから反転に切り換え、図４（ｄ）の状態に移行する。図４（ｄ）の状態の冷媒の流れ方向は、図４（ｂ）の状態と同一である。図４（ｄ）の状態以後も、セル間冷媒流路８２における単セルの面に沿った冷媒の流れの向きを、前記所定期間毎に順次反転させる。
【００５９】
従来、セル間冷媒流路には一方向に冷媒を流すだけであるが、セル間冷媒流路の面内（単セルに沿った面内）には、この流れの向きに温度が徐々に高くなる温度勾配が生じる。これに対して、前述した正転／反転モードで運転することで、冷媒の流れの向きが、経過時間に応じて順次反転されることから、前記温度勾配を均一化させることができる。さらに、本実施例では、切り換えの期間を、燃料電池スタック２０内の冷媒を全て入れ替えるに要する流量をウォータポンプ３６が吐出する期間としたことから、入れ替え流量ＶＴ分の同じ冷媒を、燃料電池スタック２０内に繰り返し流入させることができることから、冷媒の温度を従来に比べて上昇させることができる。
【００６０】
なお、この実施例では、図４（ａ）ないし（ｄ）の各状態は、前述した所定期間だけ継続することから、各状態で送られる積算流量は一定であるが、これに換える変形例として、各状態の継続する時間は一定としながら、ウォータポンプ３６の吐出量を増大することにより、各状態で送られる積算流量が暫時増大する構成としてもよい。この構成によれば、冷却効果を徐々に高めることができる。
【００６１】
Ａ３．実施例効果：
図５は、第１実施例の燃料電池システム１０の奏する効果を、従来例と比較して示すグラフである。グラフは、横軸に始動スイッチ４６をオンしてからの経過時間を、縦軸に燃料電池システム１０の内部温度（以下、「ＦＣ内部温度」と呼ぶ）を示したものである。図中の実線が第１実施例のもので、２点鎖線は従来例のものである。図示するように、始動スイッチ４６をオンしたときのＦＣ内部温度は、氷点下以下であるとする。ＦＣ内部温度が氷点下以下である場合、起動時制御ルーチンにおけるＳ１３０の処理で、燃料電池スタック２０が起動される。このとき、ウォータポンプ３６は停止した状態であり、冷媒は燃料電池システム１０内を循環しない。この状態では、ＦＣ内部温度は徐々に上昇し、時間ｔ１で０［℃］を超え、さらに時間ｔ２でステップＳ１４０の判定の閾値である所定温度ＴＡを上回る。
【００６２】
ＦＣ内部温度が所定温度ＴＡを上回ると、空気オフガスも所定温度ＴＡを上回り、ウォータポンプ３６が正転／反転モードで運転開始される。ウォータポンプ３６の運転開始により、冷媒が燃料電池システム１０内に流入することになるが、これにより、ＦＣ内部温度は急低下する。従来例では、図中、２点鎖線に示すように、ＦＣ内部温度は氷点下まで戻る。このため、従来例では、起動前に燃料電池システム内の残水が多い場合、その残水が再凍結し、触媒層を損傷することがあった。これに対して、ウォータポンプ３６が正転／反転モードで運転されることから、前述したように、セル間冷媒流路８２の面内（単セルに沿った面内）の温度勾配を均一化することができること、および、冷媒の温度を従来に比べて上昇させることができることから、ＦＣ内部温度の低下を少なくすることができ、このため、ＦＣ内部温度は、図中、実線に示すように、氷点下まで戻ることがない。したがって、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、起動後の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することができる。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、次に説明する。第２実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、燃料電池スタックに含まれる冷媒用プレートの形状と、冷媒用プレートに冷媒を通す冷却システムとが相違する。その他のハードウェア構成は、第１実施例と同一である。第１実施例と同一の部品については、第１実施例と同じ符号を用いて以下の説明を行う。
【００６４】
図６は、第２実施例における冷媒用プレート１１０と、冷媒用プレート１１０に冷媒を通す２系統の冷却システム１３０、１４０とを示す説明図である。図中、冷媒用プレート１１０は平面図によって示されている。図示するように、冷媒用プレート１１０には、複数の孔（貫通孔）が形成されている。各孔は、燃料電池スタックに組み込まれたときに、複数の単セルを貫くように設けられており、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒を燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。すなわち、冷媒用プレート１１０に形成された孔１１２ａは上流側の燃料ガスの流路を形成し、孔１１２ｂは下流側の燃料ガスの流路を形成する。孔１１４ａ、１１５ａ、１１６ａは上流側の酸化剤ガスの流路を形成し、孔１１４ｂ、１１５ｂ、１１６ｂは下流側の酸化剤ガスの流路を形成する。孔１１８ａ、１１９ａは上流側の冷媒の流路を形成し、孔１１８ｂ、１１９ｂは下流側の冷媒の流路を形成する。
【００６５】
冷媒用プレート１１０の中央における単セルの発電領域に対向（単セルの積層方向において対向）する範囲には、複数本の溝流路であるセル間冷媒流路が形成されている。このセル間冷媒流路は、実際は第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４とに区分けされている。第１セル間冷媒流路１８２の一方端に上流側の流路を形成する孔１１８ａが接続され、第１セル間冷媒流路１８２の他方端（孔１１８ａが接続されたと反対側の端部）に下流側の流路を形成する孔１１８ｂが接続される。第２セル間冷媒流路１８４の一方端に上流側の流路を形成する孔１１９ａが接続され、第２セル間冷媒流路１８４の他方端（孔１１９ａが接続されたと反対側の端部）に下流側の流路を形成する孔１１９ｂが接続される。
【００６６】
２系統の冷却システム１３０、１４０のそれぞれは、第１実施例の冷却システム３０と同様に、冷媒を循環する循環回路１３２、１４２を備え、この循環回路１３２、１４２に、ラジエータ１３４、１４４と、ウォータポンプ１３６、１４６と、三方弁１３８、１４８と、バイパス流路１３９、１４９とが設けられている。ラジエータ１３４、１４４の近傍には、電動ファン１３５、１４５が配置されている。各冷却システム１３０、１４０は、第１実施例の冷却システム３０と同じ動作をする。
【００６７】
第１の循環回路１３２の供給口１３２ａは、上流側の冷媒の流路を形成する一方の孔１１８ａに接続され、第１の循環回路１３２の受取口１３２ｂは、下流側の冷媒の流路を形成する一方の孔１１８ｂに接続される。第２の循環回路１４２の供給口１４２ａは、上流側の冷媒の流路を形成する他方の孔１１９ａに接続され第２の循環回路１４２の受取口１４２ｂは、下流側の冷媒の流路を形成する他方の孔１１９ｂに接続される。この結果、図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２においては、図中の右側から左側に冷媒は流れ、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４においては、図中の左側から右側に冷媒は流れる。すなわち、第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４との冷媒の流れの向きは、反転している。換言すれば、冷媒用プレート１１０の冷媒の流れの向きは、全体として反転している。
【００６８】
第２実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、ソフトウェアの点では次の点が相違するだけである。ＣＰＵ５１は、第１実施例における起動時制御ルーチン（図３）と同様の起動時制御ルーチンを実行するが、この起動時制御ルーチンにおけるステップＳ１５０の処理が、第１実施例とは相違する。
【００６９】
第１実施例のステップＳ１５０では、ウォータポンプ３６を正転／反転モードとすることで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路８２における冷媒の流れの向きを、所定期間毎に反転していた。これに対して、第２実施例では、第１ウォータポンプ１３６と第２ウォータポンプ１４６とを、次のように制御することで、燃料電池スタック２０内のセル間冷媒流路（第１および第２セル間冷媒流路１８２、１８４で構成される）における冷媒の流れの向きを、所定期間毎に反転している。
【００７０】
図７は、第２実施例におけるセル間冷媒流路の流れの向きの変化を示す説明図である。図中の（ａ）、（ｂ）は、冷媒用プレート１１０の平面図である。冷媒用プレート１８０に形成されたセル間冷媒流路としての第１セル間冷媒流路１８２および第２セル間冷媒流路１８４の流れが、所定の期間経過毎に、図中の（ａ）→（ｂ）と移行する。
【００７１】
最初は、第１ウォータポンプ１３６を停止し、第２ウォータポンプ１４６を運転する。なお、第２実施例におけるウォータポンプの運転とは、全て正転にて運転するものとする。この結果、図７（ａ）に示すように、冷媒用プレート１１０の図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２では、冷媒の流れが停止し、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４では、図中、左から右に向いて冷媒が流れる。この状態が所定期間継続する。ここでいう所定の期間は、燃料電池スタック２０に含まれる全ての第２セル間冷媒流路１８４の冷媒を全て入れ替えるに要する流量を、ウォータポンプ１４６が吐出する期間である。
【００７２】
所定期間経過後、図７（ｂ）の状態となる。この状態では、第１ウォータポンプ１３６を運転し、第２ウォータポンプ１４６を停止する。図７（ｂ）に示すように、冷媒用プレート１１０の図中の上側に位置する第１セル間冷媒流路１８２では、図中、右から左に向いて冷媒が流れ、図中の下側に位置する第２セル間冷媒流路１８４では、冷媒の流れが停止する。この結果、第１セル間冷媒流路１８２と第２セル間冷媒流路１８４とから構成されるセル間冷媒流路においては、図７（ａ）の状態のときの冷媒の流れの向きと、図７（ｂ）の状態のときの冷媒の流れの向きとは、反転した関係となっている。
【００７３】
図７（ｂ）の状態が前述した所定期間だけ継続する。その後、図７（ａ）の状態に切り換わる。このように、図７（ｂ）の状態以後も、セル間冷媒流路における単セルの面に沿った冷媒の流れの向きが、前記所定期間毎に順次反転される。
【００７４】
なお、本実施例における起動時制御ルーチン（図３）のステップＳ１７０では、第１ウォータポンプ１３６と第２ウォータポンプ１４６の双方を運転開始する。
【００７５】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システムでは、第１実施例と同様に、冷間起動時にウォータポンプ１３６、１４６を始動する際の残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を防止することができる。
【００７６】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、次に説明する。第３実施例としての燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と比較して、同一のハードウェア構成を備え、ＣＰＵ５１で実行される起動時制御ルーチンの点だけが相違する。なお、第１実施例と同一の部品については、第１実施例と同じ符号を用いて以下の説明を行う。
【００７７】
図８は、第３実施例における起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。この起動時制御ルーチンは、第１実施例における起動時制御ルーチン（図３）と比較して、ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１７０が同一である。ＣＰＵ５１は、ステップＳ１３０で、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ２５０に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ２５０では、ウォータポンプ３６を正転モードにて運転開始する。ウォータポンプ３６の運転が開始され、冷媒の循環が始まると、ＣＰＵ５１は、次いで、冷媒の積算吸熱量Ｑｄが、判定基準熱量Ｑｓ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２５２）。
【００７９】
積算吸熱量Ｑｄは、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの冷媒の吸熱量の合計であり、以下に従って求める。まず、単位時間あたりの吸熱量Ｑ１［ｋＪ］は、次式（１）となる。
【００８０】
Ｑ１＝（Ｔｃ−Ｔｗ）・Ｃ・Ａ・Ｂ …（１）
ここで、
Ｔｃ：燃料電池スタック２０の内部温度［Ｋ］
Ｔｗ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の温度［Ｋ］
Ａ：冷媒の比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］
Ｂ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の流量［ｍ３／ｓ］
Ｃ：燃料電池スタック２０に流入する冷媒の密度［ｋｇ／ｍ３］
【００８１】
Ｔｃは、第３温度センサ４４の検出値を用いることができる。Ｔｗは、ウォータポンプ３６の正転時においては第１温度センサ４１の検出値を、ウォータポンプ３６の反転時においては第２温度センサ４２の検出値を用いることができる。Ａ、Ｂ、Ｃは、予め計測もしくは予め定めた値（定数）を用いることができる。Ａは冷媒の組成から、Ｂはポンプによる送量から、Ｃは組成と温度の関数から決まる。
【００８２】
したがって、積算吸熱量Ｑｄ［ｋＪ］は、次式（２）から求めることができる。
Ｑｄ＝ΣＱ１
＝Ａ・Ｂ・Ｃ・Σ（Ｔｃ−Ｔｗ） …（２）
【００８３】
積算吸熱量Ｑｄは、燃料電池スタック２０の内部温度を低下させるように働くため、この積算吸熱量Ｑｄが大きすぎる場合、単セル、特に冷媒の入口部付近で冷媒を凍らせる虞がある。この冷媒が凍る閾値が判定基準熱量Ｑｓであり、次のように求める。
【００８４】
判定基準熱量Ｑｓは、燃料電池スタック２０の温度が氷点まで低下するのに必要な吸熱量Ｑ２と、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの燃料電池スタック２０の積算発熱量Ｑ３との和である。前記吸熱量Ｑ２［ｋＪ］は、次式（３）から求めることができる。
【００８５】
Ｑ２＝（Ｔｓｔ−０）・Ｄ …（３）
ここで、
Ｔｓｔ：冷媒の循環開始時の燃料電池スタック２０の内部温度［Ｋ］
Ｄ：燃料電池スタック２０の熱容量［ｋＪ／Ｋ］
【００８６】
積算発熱量Ｑ３の求め方は、次のとおりである。水素の持つ化学エネルギーは２４１．８２ｋＪ／ｍｏｌ（ＬＨＶ換算）である。単セルの変換効率ηは、セル電圧Ｅ（Ｖ）で決まり、ファラデー定数Ｆ（Ａｓ／ｍｏｌ）と熱の仕事当量Ｊ（ジュール／セル）とを用い、次式（４）が与えられる。
η＝（２Ｆ／Ｊ）・Ｅ・（１／ΔＨＨ２）＝０．７９８・Ｅ …（４）
ここで、ΔＨは燃料の持つエネルギーである。
【００８７】
したがって、水素１ｍｏｌあたりの発熱量Ｑは、次式（５）から求めることができる。
Ｑ（ｋＪ／ｍｏｌ）＝（１−η）×２４１．８２
＝（１−０．７９８×Ｅ）×２４１．８２ …（５）
【００８８】
単セルの水素の反応量ＨＶ［ｍｏｌ／ｓ］は、電流Ｉ（Ａ）を計測できれば算出でき、次式（６）から求めることができる。
ＨＶ＝Ｉ／９６４８５／２ …（６）
【００８９】
燃料電池スタック２０の発熱量Ｑｓｔｋ［ｋＪ］は、各単セルの発熱量の総和になるので、次式（７）から求めることができる。
Ｑ７＝Σ［｛（１−０．７９８×Ｖｉ）×２４１．８２｝×Ｉｉ／（９６４８５／２）］ …（７）
【００９０】
したがって、冷却システム３０で冷媒の循環が開始されてからの燃料電池スタック２０の積算発熱量Ｑ３［ｋＪ］は、次式（８）から求めることができる。
Ｑ３＝ΣＱ７ …（８）
【００９１】
図８のステップＳ２５２では、前述した式（２）から積算吸熱量Ｑｄを求め、前述した式（３）から求めた吸熱量Ｑ２と式（８）から求めた積算発熱量Ｑ３とを加えることで判定基準熱量Ｑｓを求め、前記積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓ以下であるか否かを判定する。ここで、積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓ以下であると判定されたときには、燃料電池スタック２０内で冷媒が凍結する虞がないことから、ステップＳ２６０に処理を進める。
【００９２】
一方、ステップＳ２５２で、積算吸熱量Ｑｄが判定基準熱量Ｑｓを上回ると判定された場合には、燃料電池スタック２０内で冷媒が凍結する虞があることから、ステップＳ２５４に処理を進めて、ウォータポンプ３６の運転を一旦停止する。ウォータポンプ３６の停止後、あるいはステップＳ１５２で肯定判定されたとき、ＣＰＵ５１は、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＢを上回るか否かを判定する（ステップＳ２６０）。ここで、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３である空気オフガスの温度が所定温度ＴＢを下回る場合には、ステップＳ２５２に処理を戻す。一方、空気オフガスの温度が所定温度ＴＢ以上という高温となったときには、ステップＳ１７０に処理を進める。
【００９３】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池システムでは、燃料電池の冷間起動時において、冷媒の循環が開始されてからの冷媒の積算吸熱量Ｑｄが、判定基準熱量Ｑｓを上回るような場合に、ウォータポンプ３６の運転が一旦停止され、冷媒からの吸熱量が削減されることから、残水の再凍結をより抑制することができる。したがって、冷間起動時において、残水の再凍結に起因する触媒層の損傷を、より防止することができる。
【００９４】
なお、この第３実施例の特徴部分、すなわち、ステップＳ２５２ないしＳ２６０の処理を、第１実施例や第２実施例の起動時制御ルーチンに付加することで、第１実施例、第２実施例の変形例とすることもできる。
【００９５】
さらに、第１ないし第３実施例以外の実施例として、冷間起動時において、冷媒による吸熱量が燃料電池の発熱量を下回るように、冷媒用の電池側流路における冷媒の循環量を制御する構成としてもよい。マクロで見ると、燃料電池内部は、発熱量＞放熱量で昇温し、発熱量＜放熱量で降温する。冷媒の循環再開時の温度を維持できるように、冷媒による吸熱量（燃料電池から見たら放熱量）が燃料電池の発熱量を下回るように制御することで、冷媒の再凍結を防止することができる。
【００９６】
Ｄ．変形例：
この発明は前記の実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９７】
・変形例１：
前記各実施例および各変形例では、冷媒用の電池側流路としてのセル間冷媒流路８２は、燃料電池の面方向に延びる溝流路により形成されていたが、これに限る必要はなく、複数の矩形のリブ片により形成された構成等、他の形状としてもよい。
【００９８】
・変形例２：
前記各実施例および各変形例では、燃料電池スタック２０の冷間起動時から、第３温度センサ４４の検出値Ｔ３が所定温度ＴＡを上回るまでの期間（適用例１の「所定の期間」に相当）、ウォータポンプを停止する構成であったが、この期間の終端は上記に限る必要はなく、例えば冷間起動時からの経過時間が所定時間を超えたときに換えることができる。また、前記各実施例および各変形例では、ウォータポンプの運転開始から、第１温度センサ４１の検出値Ｔ１が０［℃］以上となるまでの期間、ウォータポンプの運転を制御して、冷媒用の電池側流路における冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる構成であったが、この期間の終端は上記に限る必要はなく、例えばウォータポンプの運転開始からの経過時間が所定時間を超えたときに換えることができる。
【００９９】
・変形例３：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【０１００】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…水素タンク
２２…配管
２３…シャットバルブ
２４…調圧バルブ
２５…配管
２６…水素ポンプ
２７…エアポンプ
２８…配管
２９…配管
３０…冷却システム
３０ａ…供給口
３０ｂ…受取口
３２…循環回路
３４…ラジエータ
３５…電動ファン
３６…ウォータポンプ
３８…三方弁
４０…バイパス流路
４１…第１温度センサ
４２…第２温度センサ
４４…第３温度センサ
４６…始動スイッチ
５０…制御ユニット
５１…ＣＰＵ
５２…メモリ
５３…入出力回路
６１…燃料電池起動部
６２…ポンプ制御部
６２ａ…冷媒反転部
７０ａ…孔
７０ｂ…孔
８０…冷媒用プレート
８２…セル間冷媒流路
１１０…冷媒用プレート
１１２ａ…孔
１１２ｂ…孔
１１４ａ…孔
１１４ｂ…孔
１１８ａ…孔
１１８ｂ…孔
１１９ａ…孔
１１９ｂ…孔
１３０…冷却システム
１３２…第１の循環回路
１３２ａ…供給口
１３２ｂ…受取口
１３４…ラジエータ
１３５…電動ファン
１３６…第１ウォータポンプ
１３８…三方弁
１３９…バイパス流路
１４２…第２の循環回路
１４２ａ…供給口
１４２ｂ…受取口
１４４…ラジエータ
１４６…第２ウォータポンプ
１８０…冷媒用プレート
１８２…第１セル間冷媒流路
１８４…第２セル間冷媒流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、
ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するポンプ制御部と
を備え、
前記ポンプ制御部は、
前記所定の期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷媒反転部は、
前記ポンプの運転制御として、前記ポンプの回転方向を切り換える構成である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記電池側流路は、前記燃料電池の面に沿って配置される２つの部位を含み、
前記冷媒流路は、前記各部位に冷媒を通過させる２系統を備え、各系統に前記ポンプが配置された構成であり、
前記冷媒反転部は、
前記各ポンプの運転を制御することにより、前記２系統のうちの第１系統の冷媒の流れを停止するとともに前記２系統のうちの第２系統の冷媒を前記燃料電池の面に沿った第１の向きに流す第１の状態と、前記第１系統の冷媒を前記第１の向きに対向した第２の向きに流すとともに前記第２系統の冷媒の流れを停止する第２の状態との間で、経過時間に応じて順次切り換えを行う構成である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記冷媒反転部は、第２の所定期間、前記反転を行う構成であり、
前記ポンプ制御部は、
前記第２の所定期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、一方向として継続運転する継続運転部を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記所定の期間は、前記燃料電池の内部温度が所定値を上回るまでの期間である、燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、
ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、
前記燃料電池起動部による前記発電の開始時に、前記ポンプの運転を開始するポンプ制御部と
を備え、
前記ポンプ制御部は、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定する判定部と、
前記判定部により上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する停止制御部と
を備える、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、
操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時においては、前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、
前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するにあたり、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる、燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、
操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定し、上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、
ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時における前記燃料電池起動部による前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するポンプ制御部と
を備え、
前記ポンプ制御部は、
前記所定の期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる冷媒反転部を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷媒反転部は、
前記ポンプの運転制御として、前記ポンプの回転方向を切り換える構成である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記電池側流路は、前記燃料電池の面に沿って配置される２つの部位を含み、
前記冷媒流路は、前記各部位に冷媒を通過させる２系統を備え、各系統に前記ポンプが配置された構成であり、
前記冷媒反転部は、
前記各ポンプの運転を制御することにより、前記２系統のうちの第１系統の冷媒の流れを停止するとともに前記２系統のうちの第２系統の冷媒を前記燃料電池の面に沿った第１の向きに流す第１の状態と、前記第１系統の冷媒を前記第１の向きに対向した第２の向きに流すとともに前記第２系統の冷媒の流れを停止する第２の状態との間で、経過時間に応じて順次切り換えを行う構成である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記冷媒反転部は、第２の所定期間、前記反転を行う構成であり、
前記ポンプ制御部は、
前記第２の所定期間経過後、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、一方向として継続運転する継続運転部を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記所定の期間は、前記燃料電池の内部温度が所定値を上回るまでの期間である、燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、
ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路と、
前記燃料電池起動部による前記発電の開始時に、前記ポンプの運転を開始するポンプ制御部と
を備え、
前記ポンプ制御部は、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定する判定部と、
前記判定部により上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する停止制御部と
を備える、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、
操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時においては、前記発電の開始時から所定の期間、前記ポンプを停止し、
前記所定の期間経過後、前記ポンプを運転開始するにあたり、前記ポンプの運転を制御することにより、前記電池側流路における前記冷媒の流れの向きを、経過時間に応じて順次反転させる、燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
燃料電池と、前記燃料電池に並設される冷媒用の電池側流路と、ポンプが配置され、前記電池側流路に冷媒を通過させるための冷媒流路とを備える燃料電池システムにおける制御方法であって、
操作者からの始動要求に基づいて、前記燃料電池の発電を開始し、
前記燃料電池の温度が所定値以下となる低温時に、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの冷媒による積算吸熱量が、前記冷媒流路への冷媒の流通が開始されてからの前記燃料電池の積算発熱量に基づく判定基準熱量を上回るか否かを判定し、上回ると判定されたときに、前記ポンプの運転を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
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【図６】
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【公開番号】特開２０１２−９４２５６（Ｐ２０１２−９４２５６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３８１７７（Ｐ２０１０−２３８１７７）
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【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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