(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通し、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックであって、
前記冷却媒体流路に連通し、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔とは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられ、前記積層方向に貫通する冷却媒体連通路と、
前記冷却媒体連通路の出口外方に配置され、該冷却媒体連通路から排出される前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度測定装置と、
前記冷却媒体出口連通孔に対応して配置され、該冷却媒体出口連通孔から排出される前記冷却媒体の温度を検出するメイン側温度測定装置と、
前記冷却媒体流路に供給される前記冷却媒体の流量に応じて、前記冷却媒体温度測定装置による温度検出と前記メイン側温度測定装置による温度検出とを切り替えるコントローラと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体連通路は、前記発電ユニット内の最高温度領域に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通し、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられる一方、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔とは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられ、前記冷却媒体流路に連通して前記積層方向に貫通する冷却媒体連通路を備える燃料電池スタックの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させるか否かを判断する工程と、
前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させると判断した際、前記冷却媒体流路に供給される前記冷却媒体の流量を減少させる工程と、
前記冷却媒体出口連通孔に対応して配置されるメイン側温度測定装置により、該冷却媒体出口連通孔から排出される前記冷却媒体の温度を検出する工程と、
前記冷却媒体流路に供給される前記冷却媒体の流量が閾値以下であると判断されると、前記冷却媒体連通路の出口を開放して該冷却媒体連通路から前記冷却媒体を排出させる工程と、
前記メイン側温度測定装置に代えて、前記冷却媒体連通路の出口外方に配置される冷却媒体温度測定装置により、該冷却媒体連通路から排出される前記冷却媒体の温度を検出し、検出された前記冷却媒体の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの運転制御を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備える燃料電池スタック及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セル（発電ユニット）を備えている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
さらに、燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。
【０００５】
この種の燃料電池スタックでは、冷却媒体を循環させて燃料電池内部の温度を設定温度に調整している。ところが、燃料電池内部の温度は、部分的に設定温度以上の高温になるおそれがある。
【０００６】
そこで、燃料電池内部の温度むらを抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図８に示すように、複数の単位セル１が積層された燃料電池２を設けるとともに、第１、２の冷却液マニホールド（図示せず）を備えている。
【０００７】
各単位セル１の冷却液流路の一端は、第１の冷却液マニホールドで束ねられる一方、前記各単位セル１の冷却液流路の他端は、第２の冷却液マニホールドで束ねられている。第１の冷却液マニホールドと第２の冷却液マニホールドとには、管路３の両端が接続されており、前記管路３と個々の単位セル１の冷却液流路とを経由して、冷却液を循環させている。
【０００８】
管路３には、ラジエータ４及びポンプ５が配設されており、前記ラジエータ４は、前記管路３を流れる冷却液の熱を系外に放出するとともに、前記ポンプ５は、回転方向を反転させることができる。
【０００９】
燃料電池システムは、管路３の燃料電池２付近の位置に、温度センサ６及び７を備えている。温度センサ６は、冷却液が正方向に流れている場合の、燃料電池２に流れ込む前の冷却液の温度を測定する一方、温度センサ７は、冷却液が正方向に流れている場合の、前記燃料電池２から流出した冷却液の温度を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２４５８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１では、管路３の燃料電池２付近の位置に、温度センサ６及び７が設けられている。そして、温度センサ６は、燃料電池２に流れ込む前の冷却液の温度を測定する一方、温度センサ７は、前記燃料電池２から流出した冷却液の温度を測定している。従って、温度センサ６及び７は、燃料電池２を流通する冷却液の全量から温度を測定しており、前記燃料電池２の内部温度を正確に測定することができないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の発電ユニットが積層された燃料電池スタック内部の温度を、簡単且つ正確に測定するとともに、冷却媒体を無駄に流すことを抑制することが可能な燃料電池スタック及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通し、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１４】
この燃料電池スタックは、冷却媒体流路に連通し、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられ、積層方向に貫通する冷却媒体連通路と、前記冷却媒体連通路の出口外方に配置され、該冷却媒体連通路から排出される冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度測定装置と、前記冷却媒体出口連通孔に対応して配置され、該冷却媒体出口連通孔から排出される前記冷却媒体の温度を検出するメイン側温度測定装置と、前記冷却媒体流路に供給される前記冷却媒体の流量に応じて、前記冷却媒体温度測定装置による温度検出と前記メイン側温度測定装置による温度検出とを切り替えるコントローラとを備えている。
【００１５】
また、この燃料電池スタックでは、冷却媒体連通路は、発電ユニット内の最高温度領域に設けられることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通し、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が設けられる一方、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔とは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられ、前記冷却媒体流路に連通して前記積層方向に貫通する冷却媒体連通路を備える燃料電池スタックの運転方法に関するものである。
【００１７】
この運転方法は、燃料電池スタックの運転温度を上昇させるか否かを判断する工程と、前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させると判断した際、冷却媒体流路に供給される冷却媒体の流量を減少させる工程と、冷却媒体出口連通孔に対応して配置されるメイン側温度測定装置により、該冷却媒体出口連通孔から排出される前記冷却媒体の温度を検出する工程と、前記冷却媒体流路に供給される前記冷却媒体の流量が閾値以下であると判断されると、前記冷却媒体連通路の出口を開放して該冷却媒体連通路から前記冷却媒体を排出させる工程と、前記メイン側温度測定装置に代えて、前記冷却媒体連通路の出口外方に配置される冷却媒体温度測定装置により、該冷却媒体連通路から排出される前記冷却媒体の温度を検出し、検出された前記冷却媒体の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの運転制御を行う工程とを有している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池スタックの内部に設けられた冷却媒体連通路から排出される冷却媒体の温度を検出するために、冷却媒体温度測定装置が設けられている。その際、冷却媒体連通路は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられており、前記冷却媒体連通路を流通する冷却媒体の流量が有効に低減されている。
【００１９】
従って、燃料電池スタックの運転温度を上昇させるために、冷却媒体流路に供給される冷却媒体の流量が削減される際、開口断面積の小さな冷却媒体連通路では、前記燃料電池スタックの内部で温められた前記冷却媒体が、前記冷却媒体連通路を良好に流動している。このため、冷却媒体連通路から排出される比較的少量の冷却媒体は、冷却媒体温度測定装置に対して迅速且つ確実に到達することができる。
【００２０】
これにより、特に極少流量の冷却媒体であっても、燃料電池スタックの内部温度を正確且つ簡単に検出することが可能になる。しかも、冷却媒体を無駄に流すことを良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池システム１１に組み込まれる。この燃料電池システム１１は、例えば、車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
【００２３】
燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が、水平方向（矢印Ａ方向）（又は鉛直方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、金属セパレータで構成されているが、カーボンセパレータ等により構成されてもよい。
【００２４】
図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、固体高分子電解質膜２２及びカソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。
【００２５】
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２６】
発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。
【００２７】
発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００２８】
発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂが設けられる。
【００２９】
各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。
【００３０】
冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂの間、好ましくは、冷却媒体流路４４の幅方向の略中央部には、後述する冷却媒体流路４４に連通し且つ積層方向に貫通して冷却媒体連通路３５が設けられる。冷却媒体連通路３５は、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂとは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられるとともに、好ましくは、発電ユニット１２内の最高温度領域となる部位に設けられる。
【００３１】
冷却媒体連通路３５の開口断面積は、冷却媒体入口連通孔３４ａの開口断面積及び冷却媒体出口連通孔３４ｂの開口断面積に比べて相当に小さく設定される。冷却媒体連通路３５は、例えば、円形状を有しているが、これに限定されるものではなく、種々の形状に設定可能である。
【００３２】
第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。
【００３３】
第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ａが形成される。流路溝部４４ａの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４８ａが設けられる。
【００３４】
第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。
【００３５】
第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。
【００３６】
第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。
【００３７】
第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ｂが形成される。流路溝部４４ｂの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ｂ及び出口バッファ部４８ｂが設けられる。
【００３８】
第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が、個別に又は一体に設けられる。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が、個別に又は一体に設けられるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が、個別に又は一体に設けられる。
【００３９】
図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂでは、第１シール部材７４は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。
【００４０】
同様に、第３セパレータ２０の面２０ｂでは、図２に示すように、第３シール部材７８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。
【００４１】
第１セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び内側供給孔部８０ｂと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び内側排出孔部８２ｂとを有する（図２及び図３参照）。
【００４２】
第２セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６とを有する。
【００４３】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される。
【００４４】
図１に示すように、複数の発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート９０ａ、絶縁プレート９２ａ及びエンドプレート９４ａが配設される。発電ユニット１２の積層方向の他端には、ターミナルプレート９０ｂ、絶縁プレート９２ｂ及びエンドプレート９４ｂが配設される。
【００４５】
エンドプレート９４ａには、図示しないが、燃料ガスの供給を行う燃料ガス供給マニホールド、前記燃料ガスの排出を行う燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガスの供給を行う酸化剤ガス供給マニホールド、前記酸化剤ガスの排出を行う酸化剤ガス排出マニホールドが設けられる。
【００４６】
エンドプレート９４ａには、さらに冷却媒体の供給を行う冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び前記冷媒体の排出を行う冷却媒体排出マニホールド９６ｂが設けられる。冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び冷却媒体排出マニホールド９６ｂには、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００が接続される。
【００４７】
冷却媒体循環路１００には、循環ポンプ１０２とラジエータ１０４とサーモスタッド部１０６とが配設される。サーモスタッド部１０６は、冷却媒体循環路１００から分岐してラジエータ１０４を迂回するバイパス路１０８の途上に接続される。
【００４８】
燃料電池スタック１０は、冷却媒体連通路３５の出口外方に延在するドレイン流路１１０に配置され、前記冷却媒体連通路３５から排出される冷却媒体の温度を検出するドレイン側温度検出器（冷却媒体温度測定装置）１１２を備える。ドレイン流路１１０には、ドレイン弁１１４が配置されるとともに、前記ドレイン流路１１０は、リザーブタンク１１６に接続される。このリザーブタンク１１６は、供給配管１１８を介してサーモスタッド部１０６に接続される。
【００４９】
冷却媒体循環路１００には、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に対応し、すなわち、冷却媒体排出マニホールド９６ｂに近接してメイン側温度検出器１２０が配設される。ドレイン側温度検出器１１２及びメイン側温度検出器１２０からの検出信号は、コントローラ１２２に送られるとともに、前記コントローラ１２２は、燃料電池システム１１全体の制御を行う。
【００５０】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
先ず、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。
【００５３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。
【００５４】
また、燃料ガスは、供給孔部８４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面１８ｂ側で第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。
【００５５】
従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００５６】
次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５７】
第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部８２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａを通って、再度、面１４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００５８】
また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部８６を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００５９】
さらに、図１に示すように、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００から燃料電池スタック１０に供給された冷却媒体は、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａに供給される（図２参照）。冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。
【００６０】
図３に示すように、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、発電ユニット１２の上部側左右両端に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。
【００６１】
このため、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから冷却媒体流路４４に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向中央部側で衝突して重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される。また、冷却媒体流路４４の下流に流動した冷却媒体の一部は、冷却媒体連通路３５に向かって重力方向に排出されている。
【００６２】
各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される冷却媒体は、冷却媒体循環路１００に戻される。冷却媒体は、サーモスタッド部１０６を介してラジエータ１０４に供給される経路と、前記ラジエータ１０４を迂回する経路（バイパス路１０８）とに選択的に流通される。さらに、循環ポンプ１０２の作用下に、冷却媒体は、燃料電池スタック１０に循環供給される。
【００６３】
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図４に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００６４】
上記の定常運転時から、燃料電池スタック１０の温度を上昇させると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、冷却媒体循環路１００に循環される冷却媒体の流量が徐々に下げられる。具体的には、循環ポンプ１０２の回転数が徐々に低くなるように、制御される。
【００６５】
冷却媒体循環路１００に配置されているメイン側温度検出器１２０は、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度Ｔmainを検出しており、この冷却媒体の温度Ｔmainが、予め設定された設定温度Ｔsetと比較される（ステップＳ３）。そして、冷却媒体の温度Ｔmainが、設定温度Ｔset以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻されて、冷却媒体流量がさらに低下される。
【００６６】
一方、冷却媒体の温度Ｔmainが、設定温度Ｔsetを越えると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、冷却媒体循環路１００を循環する冷却媒体流量Ｌが、図示しない流量計等によって検出され、この冷却媒体流量Ｌは、予め設定された冷却媒体流量の閾値Ｌ０と比較される。この閾値Ｌ０は、冷却媒体循環路１００に配置されているメイン側温度検出器１２０により、冷却媒体温度を測定することができる閾値流量である。
【００６７】
冷却媒体循環路１００を循環する冷却媒体流量Ｌが、閾値Ｌ０を越えている際（ステップ４中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻される。一方、冷却媒体流量Ｌが、閾値Ｌ０以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、ドレイン弁１１４が開放される。ドレイン弁１１４が開放されることにより、相当に開口断面積が小さな冷却媒体連通路３５に沿って流動する冷却媒体は、ドレイン流路１１０に排出される。従って、ドレイン側温度検出器１１２により、冷却媒体の温度Ｔdrainが検出される。
【００６８】
冷却媒体の温度Ｔdrainは、設定温度Ｔsetと比較され（ステップＳ６）、冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔset未満である際には（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻される。一方、冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔset以上であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、燃料電池スタック１０の温度上昇処理が終了するまで、前記燃料電池スタック１０を高温状態に維持する。
【００６９】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の内部に設けられた冷却媒体連通路３５から排出される冷却媒体の温度Ｔdrainを検出するために、ドレイン流路１１０にドレイン側温度検出器１１２が設けられている。その際、冷却媒体連通路３５は、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂとは個別に且つ開口断面積を小さくして設けられており、前記冷却媒体連通路３５を流通する冷却媒体の流量が大幅に削減されている。
【００７０】
このため、燃料電池スタック１０の運転温度を上昇させるために、冷却媒体流路４４に供給される冷却媒体の流量が削減されると、冷却媒体流量Ｌがメイン側温度検出器１２０により温度検出可能な流量閾値Ｌ０以下になった際、開口断面積が最小な冷却媒体連通路３５からドレイン流路１１０に冷却媒体が排出されている。従って、冷却媒体連通路３５からドレイン流路１１０に排出される比較的少量の冷却媒体は、ドレイン側温度検出器１１２に迅速且つ確実に到達することができる。
【００７１】
これにより、特に極少流量の冷却媒体であっても、燃料電池スタック１０の内部温度を正確且つ簡単に検出することが可能になる。しかも、冷却媒体を無駄に流すことを抑制することができ、循環ポンプ１０２の消費電力が削減されて経済的であるという利点がある。
【００７２】
なお、ステップＳ６において、ドレイン流路１１０の冷却媒体温度Ｔdrainが、設定温度Ｔset以上と判断された際（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、循環ポンプ１０２の回転数を負荷電流に合わせた値に戻す制御が行われる。そして、冷却媒体循環路１００に排出される冷却媒体の温度Ｔmainが、設定温度Ｔsetを下回った際には、再度、循環ポンプ１０２の回転数が下げられる。
【００７３】
また、負荷電流によってリザーブタンク１１６への冷却媒体の流入量が変化し、前記リザーブタンク１１６がオーバーフローしないようにドレイン弁１１４の開放時間を調整することもできる。
【００７４】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【００７５】
この第２の実施形態では、燃料電池スタック１０を低温から急速に温度上昇させる場合の運転方法を示している。先ず、燃料電池スタック１０の温度を急激に上昇させると判断した際（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、循環ポンプ１０２を介して循環供給される冷却媒体の流量が、最小流量（ｍｉｎ）に制御される。ここで、最小流量は、流量の閾値Ｌ０よりも小さい値であり、ステップＳ１３に進んで、ドレイン弁１１４が開放される。
【００７６】
さらに、ステップＳ１４に進んで、ドレイン側温度検出器１１２により検出される冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔset以上であると判断されると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んで、循環ポンプ１０２の制御作用下に冷却媒体流量Ｌが増加される。従って、燃料電池スタック１０が冷却され、冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔsetと略同一温度に至ると（ステップＳ１６中、ＮＯ）、その状態が保持される。
【００７７】
一方、冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔsetよりも高い場合に（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、冷却媒体流量Ｌが、閾値Ｌ０よりも大きいと判断されると（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進んで、ドレイン弁１１４が閉塞される。冷却媒体流量Ｌが、閾値Ｌ０を超えているため、メイン側温度検出器１２０を介して冷却媒体の温度Ｔmainが検出される。
【００７８】
そして、検出された冷却媒体の温度Ｔmainが、設定温度Ｔsetと略同一温度まで低下していると判断されると（ステップＳ１９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０に進む。なお、検出された冷却媒体温度Ｔmainが、設定温度Ｔsetを超えていると判断されると（ステップＳ１９中、ＮＯ）、ステップＳ１５に戻されて冷却媒体流量が増加される。
【００７９】
これにより、第２の実施形態では、第１の実施形態を同様の効果が得られる他、特に低温から急速に温度上昇を行う際に有効に機能するという効果が得られる。
【００８０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略説明図である。
【００８１】
なお第１の実施形態に係る燃料電池システム１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００８２】
燃料電池システム１３０は、冷却媒体循環供給装置１３２を備える。冷却媒体循環供給装置１３２は、図示しない酸化剤ガス供給用のエアポンプと一体化される循環ポンプ１３４と、開度調整可能なコントロールバルブ１３６とを冷却媒体循環路１００に配設する。コントロールバルブ１３６の開度は、コントローラ１２２により検出される。
【００８３】
このように構成される燃料電池システム１３０では、燃料電池スタック１０の温度を急速に上昇させる場合に、上記の運転方法と同様に、冷却媒体流量を減少させている。具体的には、循環ポンプ１３４の回転数と、コントロールバルブ１３６の開度と、メイン側温度検出器１２０による検出温度とによって、冷却媒体流量が推定される。
【００８４】
次いで、推定された冷却媒体流量が、設定値よりも低いと判断されると、ドレイン弁１１４が開放される。そして、発電継続中に、冷却媒体の温度Ｔdrainが、設定温度Ｔsetに到達した際に、循環ポンプ１３４の回転数を負荷電流に合わせた値に復帰させる。
【００８５】
また、第１の実施形態と同様に、負荷によってリザーブタンク１１６への流入量が変化し、このリザーブタンク１１６からオーバーフローが惹起することがないように、ドレイン弁１１４の開放時間が調整される。さらに、冷却媒体の温度Ｔmainが、設定温度Ｔｓｅｔを下回った際には、再度、循環ポンプ１３４の回転数が低下され、この作業が繰り返し行われることになる。
【００８６】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１４０を構成する、例えば、第１セパレータ１４２の正面説明図である。
【００８７】
第１セパレータ１４２は、一方の長辺側に上下に一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａが設けられるとともに、他方の長辺側に上下に一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂが設けられる。冷却媒体流路４４は、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに向かって、矢印Ｂ１方向に冷却媒体を流通させる、所謂、横流し流路を構成する。
【００８８】
発電ユニットの内部では、下方の冷却媒体出口連通孔３４ｂ近傍が最高温度領域となっている。このため、冷却媒体連通路３５は、下方の冷却媒体出口連通孔３４ｂの近傍で且つ前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの略中間高さ位置に対応して設けられる。
【００８９】
このように構成される燃料電池スタック１４０では、発電ユニット内の最高温度領域となる部位に冷却媒体連通路３５が設けられており、上記の第１及び第２の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１４０…燃料電池スタック              
１１、１３０…燃料電池システム
１２…発電ユニット                  １４、１８、２０、１４２…セパレータ
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜            ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極                ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔          ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔          ３５…冷却媒体連通路
３６、５８…燃料ガス流路            ４４…冷却媒体流路
５０、６６…酸化剤ガス流路          ７４、７６、７８…シール部材
９８、１３２…冷却媒体循環供給装置  １００…冷却媒体循環路
１０２、１３４…循環ポンプ          １０４…ラジエータ
１０６…サーモスタッド部            １０８…バイパス路
１１０…ドレイン流路                １１２…ドレイン側温度検出器
１１４…ドレイン弁                  １１６…リザーブタンク
１２０…メイン側温度検出器          １２２…コントローラ
１３６…コントロールバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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