(57)【要約】【課題】  起動時の燃料電池スタックの温度差を緩和することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（５）は、冷媒流路を内部に有する燃料電池スタック（１００）と、冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段（１２２，１７０）と、燃料電池スタックの発電を制御する発電制御手段（１１０，１１５，１４０，１７０）と、を備え、発電制御手段は、冷媒流路への冷媒供給が停止した状態で燃料電池スタックが発電を開始してから燃料電池スタックの発電を停止させる発電開始停止制御を行い、冷媒供給手段は、発電開始停止制御後に所定条件が成立してから冷媒流路への冷媒供給を開始する冷媒供給開始制御を行うことを特徴とするものである。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を内部に有する燃料電池スタックと、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池スタックの発電を制御する発電制御手段と、を備え、
前記発電制御手段は、前記冷媒流路への冷媒供給が停止した状態で前記燃料電池スタックが発電を開始してから前記燃料電池スタックの発電を停止させる発電開始停止制御を行い、前記冷媒供給手段は、前記発電開始停止制御後に所定条件が成立してから前記冷媒流路への冷媒供給を開始する冷媒供給開始制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの内部温度を取得する第１温度取得手段を備え、
前記発電制御手段は、前記発電開始停止制御において、前記冷媒流路への冷媒供給が停止した状態で前記第１温度取得手段が取得した温度が所定値以上となった場合に、前記燃料電池スタックの発電を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定値は、前記燃料電池スタックの構成部材の耐熱温度であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタック外の前記冷媒の温度を取得する第２温度取得手段を備え、
前記所定条件とは、前記燃料電池スタックが発電停止した後に、前記第２温度取得手段が取得した温度と前記第１温度取得手段が取得した温度との差が所定値以下になることであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷媒供給手段は、前記冷媒供給開始後に前記冷媒供給を停止する冷媒供給停止制御を行い、
前記発電制御手段および前記冷媒供給手段は、前記第１温度取得手段が取得した温度が所定値になるまで、前記発電開始停止制御、前記冷媒供給開始制御および前記冷媒供給停止制御を繰り返すことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１温度取得手段は、前記燃料電池スタックの締結荷重に基づいて前記燃料電池スタックの内部温度を取得することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。燃料電池システムは、このような燃料電池が一以上積層された燃料電池スタックを備えている。
【０００３】
燃料電池スタックにおいて、各々の燃料電池は発電時に発熱する。燃料電池が過度に高温になることを抑制するために、燃料電池システムは、燃料電池を冷媒によって冷却する冷却装置を備えている。
【０００４】
特許文献１は、燃料電池の氷点下始動時において昇温効率を高めるため、冷媒を循環させる冷却実行サイクルと冷媒の循環を停止させる冷却停止サイクルとを交互に実行する燃料電池システムを開示している。この技術は、冷却停止サイクルによって氷点下始動時における燃料電池の昇温を促進させ、冷却実行サイクルによって過度の昇温を抑制することを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７６５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、冷却実行サイクルを行った場合に、燃料電池スタックの冷媒入口には外気温の冷媒が供給され、冷媒出口からは燃料電池の熱によって加熱された冷媒が流出することから、燃料電池スタックの冷媒入口と冷媒出口との温度差が大きくなるおそれがある。この場合、例えば燃料電池スタックの構成部材が不均一に変形するおそれがある。
【０００７】
本発明は、起動時の燃料電池スタックの温度差を緩和することができる燃料電池システム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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、冷媒流路を内部に有する燃料電池スタックと、冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、燃料電池スタックの発電を制御する発電制御手段と、を備え、発電制御手段は、冷媒流路への冷媒供給が停止した状態で燃料電池スタックが発電を開始してから燃料電池スタックの発電を停止させる発電開始停止制御を行い、冷媒供給手段は、発電開始停止制御後に所定条件が成立してから冷媒流路への冷媒供給を開始する冷媒供給開始制御を行うことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、発電開始停止制御後に所定条件が成立するまでの間に、発電および冷媒供給の両方が停止する。それにより、燃料電池スタック内部の冷媒や構成部材の温度差が小さくなり、冷媒供給が開始されたときに燃料電池スタックに流入する冷媒の温度と燃料電池スタックから流出する冷媒の温度との温度差が緩和される。その結果、起動時の燃料電池スタックの温度差を緩和することができる。
【００１０】
上記構成は、燃料電池スタックの内部温度を取得する第１温度取得手段を備え、発電制御手段は、発電開始停止制御において、冷媒流路への冷媒供給が停止した状態で第１温度取得手段が取得した温度が所定値以上となった場合に、燃料電池スタックの発電を停止してもよい。上記構成において、所定値は、燃料電池スタックの構成部材の耐熱温度であってもよい。
【００１１】
上記構成は、燃料電池スタック外の冷媒の温度を取得する第２温度取得手段を備え、所定条件とは、燃料電池スタックが発電停止した後に、第２温度取得手段が取得した温度と第１温度取得手段が取得した温度との差が所定値以下になることであってもよい。
【００１２】
上記構成において、冷媒供給手段は、冷媒供給開始後に冷媒供給を停止する冷媒供給停止制御を行い、発電制御手段および冷媒供給手段は、第１温度取得手段が取得した温度が所定値になるまで、発電開始停止制御、冷媒供給開始制御および冷媒供給停止制御を繰り返してもよい。上記構成において、第１温度取得手段は、燃料電池スタックの締結荷重に基づいて燃料電池スタックの内部温度を取得してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、起動時の燃料電池スタックの温度差を緩和することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（ａ）は、燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、燃料電池スタックの模式的断面図である。
【図２】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図３】起動時における制御装置のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの冷媒入口の温度、冷媒出口の温度および内部温度の時間変化を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例に係る燃料電池システムの燃料電池スタックの冷媒入口の温度、比較例に係る燃料電池スタックの冷媒出口の温度および比較例に係る燃料電池スタックの内部温度の時間変化を示す図である。図５（ｂ）は、比較例に係る燃料電池スタックが変形した様子を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１に係る燃料電池システム５について説明する。まず、燃料電池システム５に用いられる燃料電池１０について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１０の模式的断面図である。燃料電池１０は、電解質膜１１、アノード触媒層１２、カソード触媒層１３、ガス拡散層１４，１５およびセパレータ１６，１７を備えている。電解質膜１１として、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。
【００１７】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。アノード触媒層１２は、水素のプロトン化を促進する触媒を含む導電性材料からなる。カソード触媒層１３は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３として、例えば白金を担持したカーボンが用いられる。
【００１８】
ガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側に配置されている。ガス拡散層１４およびガス拡散層１５は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。
【００１９】
セパレータ１６，１７は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１６の電解質膜１１側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１８ａが形成されている。セパレータ１６の電解質膜１１側とは反対側の面には、冷媒が流動するための冷媒流路１９ａが形成されている。セパレータ１７の電解質膜１１側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１８ｂが形成されている。セパレータ１７の電解質膜１１側とは反対側の面には、冷媒が流動するための冷媒流路１９ｂが形成されている。例えば、燃料ガス流路１８ａ、酸化剤ガス流路１８ｂ、冷媒流路１９ａ，１９ｂは、セパレータ１６，１７の表面に形成された凹部からなる。
【００２０】
続いて、燃料電池システム５に用いられる燃料電池スタック１００について説明する。図１（ｂ）は、燃料電池スタック１００の模式的断面図である。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１０、集電板２０ａ，２０ｂ、インシュレータ３０ａ，３０ｂ、押圧板４０、弾性部材４５、エンドプレート５０ａ，５０ｂ、およびテンションプレート６０を備えている。
【００２１】
集電板２０ａ，２０ｂは、燃料電池１０の積層体の両端に配置されている。集電板２０ａ，２０ｂは、燃料電池１０の積層体から集電するための導電体である。
【００２２】
インシュレータ３０ａは、集電板２０ａの燃料電池１０と反対側に配置されている。インシュレータ３０ａは、集電板２０ａと押圧板４０とを絶縁するための絶縁体である。インシュレータ３０ｂは、集電板２０ｂの燃料電池１０と反対側に配置されている。インシュレータ３０ｂは、集電板２０ｂとエンドプレート５０ｂとを絶縁するための絶縁体である。
【００２３】
押圧板４０は、インシュレータ３０ａの集電板２０ａと反対側に配置されている。弾性部材４５は、押圧板４０とエンドプレート５０ａとの間に配置されている。弾性部材４５が押圧板４０に押圧力を与えることによって、燃料電池スタック１００に締結荷重が与えられる。
【００２４】
エンドプレート５０ａは、弾性部材４５の押圧板４０と反対側に配置されている。エンドプレート５０ｂは、インシュレータ３０ｂの集電板２０ｂと反対側に配置されている。エンドプレート５０ｂには、冷媒入口５１および冷媒出口５２が設けられている。
【００２５】
テンションプレート６０は、燃料電池１０の積層方向に伸びた板部材である。テンションプレート６０は、燃料電池１０の積層体、集電板２０ａ，２０ｂ、インシュレータ３０ａ，３０ｂ、押圧板４０、弾性部材４５およびエンドプレート５０ａ，５０ｂの側方に配置され、エンドプレート５０ａとエンドプレート５０ｂとに接続されている。
【００２６】
なお、燃料電池スタック１００の内部には、冷媒入口５１に接続した冷媒供給用マニホールドおよび冷媒出口５２に接続した冷媒排出用マニホールドが形成されている。冷媒供給用マニホールドおよび冷媒排出用マニホールドは、少なくともエンドプレート５０ｂ、インシュレータ３０ｂ、集電板２０ｂおよび燃料電池１０の積層体を貫通するように、燃料電池１０の積層方向に伸びて形成されている。冷媒供給用マニホールドは、冷媒入口５１から流入した冷媒を各燃料電池１０の冷媒流路１９ａ，１９ｂに供給するための流路である。冷媒排出用マニホールドは、各燃料電池１０の冷媒流路１９ａ，１９ｂを経由した冷媒を冷媒出口５２に戻すための流路である。すなわち、冷媒供給用マニホールド、冷媒排出用マニホールドおよび冷媒流路１９ａ，１９ｂは、燃料電池スタック１００の内部に形成された冷媒流路（以下、内部冷媒流路と称する）である。
【００２７】
燃料電池１０は、発電時に以下のように作動する。燃料電池１０に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１８ｂを通ってガス拡散層１５を拡散した後に、カソード触媒層１３に到達する。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路１８ａを通ってガス拡散層１４を拡散した後に、アノード触媒層１２に到達する。
【００２８】
アノード触媒層１２に到達した燃料ガス中の水素（Ｈ２）は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、酸化剤ガス中の酸素（Ｏ２）と電解質膜１１を伝導したプロトンとから水（Ｈ２Ｏ）が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、外部に取り出される。発電に供されなかった燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料電池１０から排出される。発電に供されなかった酸化剤ガスは、酸化剤オフガスとして燃料電池１０から排出される。
【００２９】
冷媒入口５１から流入した冷媒は、冷媒供給用マニホールドを流動しつつ冷媒流路１９ａ，１９ｂを流動する。冷媒流路１９ａ，１９ｂを流動した冷媒は、冷媒排出用マニホールドを流動して冷媒出口５２から排出される。以上のように、燃料電池１０は発電時に作動する。
【００３０】
図２は、燃料電池システム５の構成を示す模式図である。燃料電池システム５は、燃料電池スタック１００、燃料ガス供給装置１１０、酸化剤ガス供給装置１１５、冷却装置１２０、負荷１３０、スイッチ１４０、温度センサ１５０、電流計１５１、電圧計１５２、ロードセル１５３、流路１６０ａ〜流路１６０ｃおよび制御装置１７０を備えている。
【００３１】
燃料ガス供給装置１１０は、流路１６０ａを介して燃料電池スタック１００に接続されている。流路１６０ａは、燃料電池１０の燃料ガス流路１８ａに連通している。燃料ガス供給装置１１０は、制御装置１７０の指示を受けて、燃料電池１０に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１１０の構成は、特に限定されない。例えば、水素ボンベ、改質器等の燃料ガス供給源と、制御装置１７０によって制御されて流路１６０ａを開閉する開閉弁と、を備える燃料ガス供給装置等を用いることができる。
【００３２】
酸化剤ガス供給装置１１５は、流路１６０ｂを介して燃料電池スタック１００に接続されている。流路１６０ｂは、燃料電池１０の酸化剤ガス流路１８ｂに連通している。酸化剤ガス供給装置１１５は、制御装置１７０の指示を受けて、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１１５の構成は、特に限定されない。例えば、制御装置１７０に制御されて作動するエアポンプ等を備える酸化剤ガス供給装置等を用いることができる。
【００３３】
冷却装置１２０は、制御装置１７０の指示を受けて、燃料電池スタック１００の冷却を行うための装置である。冷却装置１２０の構成は、特に限定されない。本実施例に係る冷却装置１２０は、一例として、ラジエータ１２１およびポンプ１２２を備えている。ラジエータ１２１およびポンプ１２２は、流路１６０ｃに介挿されている。ラジエータ１２１は、外気との間で熱交換を行うことによって、冷媒を冷却する。
【００３４】
ポンプ１２２は、制御装置１７０の指示を受けて流路１６０ｃ内の冷媒を圧送する。それにより、燃料電池スタック１００に冷媒が供給される。すなわち、ポンプ１２２および制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内部冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段としての機能を有している。冷媒の種類は、特に限定されないが、不凍液を用いることができる。本実施例においては、不凍液として、エチレングリコール水溶液からなる不凍液を用いる。
【００３５】
負荷１３０は、燃料電池スタック１００の集電板２０ａ，２０ｂに電気的に接続されている。負荷１３０は、主電動機、補機等によって構成されている。電気回路１３５は、燃料電池１０と負荷１３０とによって構成されている。
【００３６】
スイッチ１４０は、電気回路１３５に配置されている。スイッチ１４０は、制御装置１７０の指示によって電気回路１３５を開閉する。燃料ガス供給装置１１０が燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給装置１１５が酸化剤ガスを供給し、スイッチ１４０によって電気回路１３５が閉（導通状態）にされた場合、燃料電池スタック１００は発電を開始する。スイッチ１４０によって電気回路１３５が開（遮断状態）にされた場合、燃料電池スタック１００の発電は停止する。また、燃料電池スタック１００への燃料ガス供給および酸化剤ガス供給のいずれか一方が停止された場合にも、燃料電池スタック１００の発電は停止する。すなわち、本実施例に係る燃料ガス供給装置１１０、酸化剤ガス供給装置１１５、スイッチ１４０および制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の発電を制御する発電制御手段としての機能を有している。
【００３７】
温度センサ１５０は、燃料電池スタック１００の外部の温度を検出するためのセンサである。本実施例においては、温度センサ１５０は流路１６０ｃ内の冷媒の温度を検出している。すなわち、本実施例に係る温度センサ１５０は、燃料電池スタック１００の外部の冷媒の温度を取得する第２温度取得手段としての機能を有している。但し、燃料電池スタック１００の外部の温度を検出できるのであれば、温度センサ１５０の配置箇所は特に限定されない。温度センサ１５０の検出結果は、制御装置１７０に伝えられる。
【００３８】
電流計１５１は、電気回路１３５に配置されている。電流計１５１は、電気回路１３５の電流を検出し、検出結果を制御装置１７０に伝える。電圧計１５２は、電気回路１３５に配置されている。電圧計１５２は、燃料電池スタック１００の発電電圧を検出し、検出結果を制御装置１７０に伝える。
【００３９】
ロードセル１５３は、燃料電池スタック１００の締結荷重の変化を計測するための計測手段である。ロードセル１５３は、エンドプレート５０ａと弾性部材４５との間に配置されている。ロードセル１５３の出力は、制御装置１７０に伝えられる。制御装置１７０は、ロードセル１５３の出力を荷重に変換することで、燃料電池スタック１００の締結荷重を算出することができる。なお、燃料電池スタック１００の締結荷重を検出できるものであれば、この構成に限られない。
【００４０】
制御装置１７０は、演算部としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）１７１、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（リードオンリメモリ）１７２、揮発記録部としてのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１７３等を備えるマイクロコンピュータである。本実施例に係る制御装置１７０は、前述した冷媒供給手段および発電制御手段としての機能の他に、燃料電池スタック１００の内部温度を取得する第１温度取得手段としての機能を有している。
【００４１】
制御装置１７０の第１温度取得手段としての機能について説明する。本実施例において、制御装置１７０は、発電中の燃料電池スタック１００の内部温度Ｔａ（Ｋ）と、発電停止中の燃料電池スタック１００の温度Ｔｂ（Ｋ）と、を取得する。
【００４２】
温度Ｔａは、燃料電池スタック１００の発電開始からの発熱量の積算値と、燃料電池スタック１００の熱容量と、に基づいて算出される。燃料電池スタック１００の発電開始からの発熱量の積算値は、電流計１５１の検出結果、電圧計１５２の検出結果および燃料電池スタック１００の理論起電圧に基づいて算出される。
【００４３】
具体的には、温度Ｔａは、下記式（１）に基づいて算出される。式（１）において、∫Ｑは燃料電池スタック１００の発電開始からの発熱量の積算値（ｋＷ）であり、Ｓは燃料電池スタック１００の熱容量（ｋＪ／Ｋ）であり、Ｉは電流計１５１が検出した電流値（Ａ）であり、Ｖａは燃料電池スタック１００の理論起電圧（Ｖ）であり、Ｖｂは電圧計１５２が検出した電圧値（Ｖ）である。
Ｔａ＝∫Ｑ÷Ｓ＝∫（Ｉ×（Ｖａ−Ｖｂ））÷Ｓ・・・（１）
【００４４】
温度Ｔｂ（Ｋ）は、燃料電池スタック１００の締結荷重に基づいて算出される。具体的には、温度Ｔｂ（Ｋ）は、以下のステップによって算出される。まず、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の締結荷重に基づいて、燃料電池スタック１００の温度の発電停止時からの変化量△Ｔ（Ｋ）を算出する。具体的には、制御装置１７０は、下記式（２）に基づいて、燃料電池スタック１００の温度の変化量△Ｔを算出する。△Ｆは、燃料電池スタック１００の締結荷重の発電停止からの変化量（Ｎ）であり、ロードセル１５３の検出結果に基づいて算出される。ｋｓは、燃料電池スタック１００全体のバネ定数である。Ｂは、燃料電池スタック１００の各構成部材の線膨張係数である。Ｌは、燃料電池スタック１００の燃料電池１０の積層方向の寸法（ｍ）である。
△Ｔ＝△Ｆ÷ｋｓ÷（Ｂ×Ｌ）・・・（２）
【００４５】
次いで、制御装置１７０は、式（２）の算出結果と、式（１）の算出結果と、の和によって、温度Ｔｂを算出する。具体的には、制御装置１７０は、下記式（３）に基づいて温度Ｔ２を算出する。
Ｔｂ＝△Ｔ＋Ｔａ・・・（３）
【００４６】
続いて、制御装置１７０の冷媒供給手段および発電制御手段としての機能の詳細について説明する。まず、燃料電池スタック１００の起動時において、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００への冷媒供給が停止されるようにポンプ１２２を制御する（以下、この制御を冷媒供給停止制御と称する）。次いで、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００が発電を開始するように燃料ガス供給装置１１０、酸化剤ガス供給装置１１５およびスイッチ１４０を制御する（以下、この制御を発電開始制御と称する）。このように、冷媒供給が停止された状態で燃料電池スタック１００の発電が開始することによって、燃料電池スタック１００の昇温を促進させることができる。
【００４７】
燃料電池スタック１００が昇温して燃料電池スタック１００の内部温度が所定温度（以下、第１温度と称する）以上になった場合、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の発電が停止されるようにスイッチ１４０を制御する制御処理を行う（以下、この制御処理を発電停止制御と称する。また、上記の発電開始から発電停止までの制御を発電開始停止制御と称する。）。
【００４８】
第１温度は、特に限定されないが、例えば燃料電池スタック１００の構成部材の耐熱温度を用いることができる。それにより、燃料電池スタック１００が高温になり過ぎて、燃料電池スタック１００が故障することを抑制することができる。燃料電池スタック１００の構成部材の耐熱温度は、例えば、燃料電池スタック１００の各構成部材の耐熱温度のうち最も低い温度を用いることができる。例えば、電解質膜１１のガラス転移点、セパレータ１６，１７が金属製の場合はセパレータ１６，１７の融点、セパレータ１６，１７が樹脂製の場合はセパレータ１６，１７のガラス転移点、燃料電池スタック１００に使用されているゴム製品（ガス漏洩抑制のためのシール部材等）のガラス転移点、接着剤のガラス転移点、等のうち、最も低い温度を耐熱温度に用いることができる。
【００４９】
次いで制御装置１７０は、発電開始停止制御後に所定条件が成立した場合に、冷媒供給が開始されるようにポンプ１２２を制御する（以下、この制御を冷媒供給開始制御と称する）。本実施例において、所定条件とは、燃料電池スタック１００が発電停止した後に、制御装置１７０が取得した燃料電池スタック１００の内部温度と温度センサ１５０が取得した燃料電池スタック１００の外部の冷媒温度との差（以下、内外温度差と称する）が、所定温度（以下、第２温度と称する）以下になることである。
【００５０】
そして、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内部温度が所定温度（以下、第３温度と称する）以上になるまで、冷媒供給停止制御、発電開始停止制御および冷媒供給開始制御を繰り返し行う。これにより、燃料電池スタック１００の内部温度を第３温度以上にすることができる。第３温度は、特に限定されないが、本実施例においては０℃以上の温度を用いることができる。制御装置１７０は、取得した燃料電池スタック１００の温度が第３温度になったと判定した場合、冷媒が供給された状態で燃料電池スタック１００の発電が再開するように、スイッチ１４０を制御する（以下、この制御を通常発電開始制御と称する）。
【００５１】
図３は、起動時における制御装置１７０のフローチャートの一例を示す図である。まず、制御装置１７０は、冷媒供給停止制御を行う（ステップＳ１０）。具体的には、制御装置１７０は、冷媒供給が停止するようにポンプ１２２を停止させる。
【００５２】
次いで、制御装置１７０は、発電開始制御を行う（ステップＳ２０）。例えば、制御装置１７０は、燃料ガスが供給され酸化剤ガスが供給されるように燃料ガス供給装置１１０および酸化剤ガス供給装置１１５を制御しかつ電気回路１３５が閉になるようにスイッチ１４０を制御する。
【００５３】
次いで制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内部温度が第１温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内部温度が第１温度以上であると判定されるまで、ステップＳ３０を繰り返す。
【００５４】
ステップＳ３０において燃料電池スタック１００の内部温度が第１温度以上であると判定された場合、制御装置１７０は、発電停止制御を行う（ステップＳ４０）。例えば、制御装置１７０は、電気回路１３５が開になるようにスイッチ１４０を制御する。
【００５５】
次いで制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内外温度差が第２温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ５０）。制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内外温度差が第２温度以下であると判定されるまで、ステップＳ５０を繰り返す。この間、冷媒供給が停止されるとともに、発電が停止される。
【００５６】
ステップＳ５０において燃料電池スタック１００の内外温度差が第２温度以下であると判定された場合、制御装置１７０は、冷媒供給開始制御を行う（ステップＳ６０）。具体的には、制御装置１７０は、冷媒が燃料電池スタック１００に供給されるようにポンプ１２２を作動させる。
【００５７】
次いで、制御装置１７０は、燃料電池スタック１００の内部温度が第３温度以上になったか否かを判定する（ステップＳ７０）。ステップＳ７０において燃料電池スタック１００の内部温度が第３温度以上であると判定された場合、制御装置１７０は、通常発電開始制御を行う（ステップＳ８０）。例えば、制御装置１７０は、電気回路１３５が閉になるようにスイッチ１４０を制御することによって、燃料電池スタック１００の発電を再開させる。この場合、冷媒が供給された状態で発電を再開させることができる。次いで、制御装置１７０はフローチャートの実行を終了する。
【００５８】
ステップＳ７０において燃料電池スタック１００の温度が第３温度以上でないと判定された場合、制御装置１７０はステップＳ１０を行う。これにより、燃料電池スタック１００の内部温度が第３温度以上になるまで、冷媒供給停止制御、発電開始停止制御および冷媒供給開始制御が繰り返される。
【００５９】
図４は、燃料電池スタック１００の冷媒入口５１の温度、冷媒出口５２の温度および内部温度の時間変化を示す図である。縦軸は温度を示し、横軸は時間を示している。曲線２００は制御装置１７０が取得した燃料電池スタック１００の内部温度の曲線であり、曲線２０１は冷媒入口５１の温度の曲線であり、曲線２０２は冷媒出口５２の温度の曲線である。
【００６０】
時間ｔ０は燃料電池スタック１００の起動時の時刻であり、冷媒供給が停止された状態で発電開始制御が行われた時刻である。時間ｔ１は発電停止制御が行われた時刻であり、時間ｔ２は冷媒供給開始制御が行われた時刻であり、時間ｔ３は通常発電開始制御が行われた時刻である。
【００６１】
温度Ｔ０は、起動時における燃料電池スタック１００の内部温度、冷媒入口５１の温度および冷媒出口５２の温度である。なお、温度Ｔ０は、燃料電池スタック１００の外部の温度（すなわち、温度センサ１５０が検出する温度）に等しいとみなすことができる。本実施例において、温度Ｔ０は０℃より低いとする。温度Ｔ１は第１温度である。温度Ｔ２と温度Ｔ０との差は第２温度である。温度Ｔ３は第３温度である。
【００６２】
発電による発熱に起因して、燃料電池スタック１００の内部温度は、時間ｔ０〜時間ｔ１を若干経過するまでの間、上昇する。その後、燃料電池スタック１００の内部温度は、伝熱や放熱等に起因して、時間ｔ２では温度Ｔ２まで低下し、時間ｔ３で温度Ｔ３まで低下する。時間ｔ３経過後、発電再開に伴って燃料電池スタック１００の内部温度は上昇する。
【００６３】
冷媒入口５１の温度は、発電による発熱に起因して、時間ｔ０と時間ｔ１の間は上昇する。その後、冷媒入口５１の温度は、放熱等に起因して、時間ｔ１から時間ｔ２までの間は若干減少し、冷媒供給再開に伴って燃料電池スタック１００の外部の冷媒が内部に流入するため、時間ｔ２において温度Ｔ０にまで急低下し、時間ｔ３に至るまでの間、温度Ｔ０を維持し、時間ｔ３経過後、発電による発熱に起因して上昇する。
【００６４】
冷媒出口５２の温度は、発電による発熱に起因して、時間ｔ２まで徐々に上昇し、時間ｔ２における冷媒供給開始とともに大きく上昇する。これは、燃料電池スタック１００内で温められた冷媒が内部冷媒流路外に流出するからである。ただし、燃料電池スタック１００の内部温度がＴ２まで低下していることから、冷媒出口５２の温度は、Ｔ２を上回らない。その後、温度Ｔ２近傍の温度になった冷媒出口５２の温度は、放熱等に起因して時間ｔ３まで減少し、時間ｔ３経過後に発電再開に伴って上昇する。図４から分るように、温度Ｔ２と温度Ｔ０との差（すなわち、内外温度差）は、冷媒出口５２の温度と冷媒入口５１の温度との最大温度差にほぼ等しい。
【００６５】
続いて、燃料電池システム５の比較例に係る燃料電池システムを用いて、燃料電池システム５の発電開始停止制御による効果について説明する。比較例に係る燃料電池システムは、発電および冷媒供給の両方が停止された期間がない点において、実施例１に係る燃料電池システム５と異なっている。
【００６６】
図５（ａ）は、比較例に係る燃料電池システムの燃料電池スタック１００（以下、比較例に係る燃料電池スタック１００と称する）の冷媒入口５１の温度、比較例に係る燃料電池スタック１００の冷媒出口５２の温度および比較例に係る燃料電池スタック１００の内部温度の時間変化を示す図である。縦軸は温度を示し、横軸は時間を示している。曲線２００は比較例に係る燃料電池スタック１００の内部温度の曲線であり、曲線２０１は比較例に係る燃料電池スタック１００の冷媒入口５１の温度の曲線であり、曲線２０２は比較例に係る燃料電池スタック１００の冷媒出口５２の温度の曲線である。時間ｔ０に冷媒供給が停止された状態で発電開始制御が行われ、時間ｔ２に発電停止制御および冷媒供給開始制御が行われ、時間ｔ３に通常発電開始制御が行われる。
【００６７】
比較例に係る燃料電池システムにおいては、時間ｔ２に発電停止とともに冷媒供給が開始されることから、冷媒出口５２の冷媒温度が温度Ｔ１近傍の温度にまで急上昇している。燃料電池スタック１００の内部温度が低下する前に、燃料電池スタック１００内で温められた冷媒が内部冷媒流路外に流出するからである。比較例に係る燃料電池スタック１００において、温度Ｔ１と温度Ｔ０との差（内外温度差）は、比較例に係る燃料電池スタック１００における冷媒出口５２の温度と冷媒入口５１の温度との最大温度差に、ほぼ等しい。
【００６８】
図４と図５（ａ）とを比較した場合、比較例に係る燃料電池スタック１００の冷媒出口５２と冷媒入口５１との最大温度差（温度Ｔ１と温度Ｔ０との差）は、実施例１に係る燃料電池スタック１００の冷媒出口５２と冷媒入口５１との最大温度差（温度Ｔ２と温度Ｔ０との差）よりも、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差の分だけ大きくなっている。これは、発電および冷媒供給が両方とも停止された期間が設定されていないため、高温の冷媒が燃料電池スタック１００の外部に流出するからである。この場合、燃料電池スタック１００における温度差が大きくなり、燃料電池スタック１００に熱変形が生じるおそれがある。
【００６９】
図５（ｂ）は、比較例に係る燃料電池スタック１００が変形した様子を示す模式的断面図である。比較例に係る燃料電池スタック１００のように、冷媒出口５２と冷媒入口５１との最大温度差が大きくなった場合、燃料電池１０が不均一に熱変形するおそれがある。その結果、例えば、ガス漏洩抑制のためのシール部材のシール線圧が不足する等の現象が生じるおそれがあり、シール部材の信頼性が低下するおそれがある。
【００７０】
これに対して、実施例１に係る燃料電池システム５によれば、起動時において、冷媒供給停止制御および発電開始停止制御が行われ、その後所定条件が成立してから（すなわち、内外温度差が第２温度以下になってから）冷媒供給開始制御が行われている。それにより、燃料電池スタック１００に流入する冷媒の温度と燃料電池スタック１００から排出される冷媒の温度との温度差が緩和されている。その結果、起動時における燃料電池スタック１００の冷媒入口５１と冷媒出口５２との温度差が緩和されている。すなわち、起動時の燃料電池スタック１００の温度差が緩和されている。それにより、燃料電池スタック１００のシール部材の信頼性低下が抑制されている。
【００７１】
なお、制御装置１７０は、燃料電池システム５の内部温度を式（１）〜式（３）に基づいて間接的に取得しているが、これに限られない。制御装置１７０は、燃料電池システム５の内部温度を、例えば温度センサによって直接的に取得してもよい。
【００７２】
また、制御装置１７０は、冷媒供給開始制御を開始させる所定条件として、発電停止制御を開始してからの経過時間を用いてもよい。この場合においても、発電停止制御が開始してから所定時間経過後に冷媒供給開始制御が行われることから、燃料電池スタック１００の流入する冷媒の温度と燃料電池スタック１００から排出される冷媒の温度との温度差を緩和することができる。
【００７３】
また、制御装置１７０は、通常発電開始制御（ステップＳ８０）を行う代わりに、冷媒供給開始制御（ステップＳ６０）においてさらに燃料電池スタック１００の発電を開始させてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
５  燃料電池システム
１０  燃料電池
２０  集電板
３０  インシュレータ
４０  押圧板
４５  弾性部材
５０  エンドプレート
５１  冷媒入口
５２  冷媒出口
６０  テンションプレート
１００  燃料電池スタック
１１０  燃料ガス供給装置
１１５  酸化剤ガス供給装置
１２０  冷却装置
１３０  負荷
１４０  スイッチ
１５０  温度センサ
１５１  電流計
１５２  電圧計
１５３  ロードセル
１６０  流路
１７０  制御装置
【図１】
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【図２】
2011198653.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011198653.tif 000006
【図５】
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