(57)【要約】【課題】  低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、大型化を回避するとともに燃料電池本体やシステムを複雑にすることなく、低温起動性を向上させる。【解決手段】  水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池１０を備える燃料電池システムに、燃料電池１０に熱媒体を循環させる熱媒体循環手段２１と、燃料電池１０で発生する熱を熱媒体を介して蓄えることが可能な蓄熱手段３０とを設け、熱媒体循環手段２１により熱媒体を循環させ、蓄熱手段３０に蓄えられた熱を熱媒体を介して燃料電池１０内部における一部領域に供給して一部領域を昇温させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（２１）と、
前記燃料電池（１０）で発生する熱を前記熱媒体を介して蓄えることが可能な蓄熱手段（３０）とを備え、
熱媒体循環手段（２１）により熱媒体を循環させ、前記蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱を前記熱媒体を介して前記燃料電池（１０）内部における一部領域に供給して前記一部領域を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱手段（３０）の熱を前記燃料電池（１０）の一部領域に供給するために、前記熱媒体循環手段（２１）により前記熱媒体を所定時間だけ循環させた後、前記熱媒体の循環を停止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。
【請求項３】
前記燃料電池（１０）内部の温度を検出する燃料電池内部温度検出手段（１３）を少なくとも１つ備え、前記燃料電池内部温度検出手段（１３）による検出温度に基づいて熱媒体循環手段（２１）による前記熱媒体の循環を停止させ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。
【請求項４】
前記燃料電池（１０）を停止する際に前記燃料電池（１０）で発生した熱を前記蓄熱手段（３０）に蓄熱する場合、前記燃料電池（１０）が所定温度以下である場合には、前記燃料電池（１０）が前記所定温度以上になるまで燃料電池（１０）を運転させた後で停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱媒体は冷却水であり、前記蓄熱手段（３０）は、前記蓄熱手段内部の蓄熱部位を加熱する加熱手段（３４）と、前記蓄熱部位に前記冷却水が流入および流出する熱媒体流入出部（３６）とを備え、
前記加熱手段（３４）は前記蓄熱部位の上部に設けられ、前記熱媒体流入出部（３６）を前記蓄熱部位の下部に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱手段が電気ヒータ（３４）であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段が燃料電池であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記加熱手段が水素を燃料とする触媒燃焼式ヒータであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記加熱手段が水素貯蔵合金であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記蓄熱手段（３０）の前記蓄熱部位に前記蓄熱部位の温度を検出する蓄熱温度検出手段（３５）を備え、前記蓄熱温度検出手段（３５）による検出温度に基づいて前記加熱手段（３４）による前記蓄熱手段（３０）の加熱制御を行うことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
外気温を検出する外気温検出手段（５２）と、位置情報あるいは日時情報を検出する手段（５１）とを備え、
前記外気温、前記位置情報あるいは前記日時情報のいずれか、あるいはこれらの組合せに基づいて前記加熱手段（３４）による前記蓄熱手段（３０）の加熱制御を行うか否かを判定することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池（１０）内部に流入した熱媒体を、前記燃料電池（１０）を構成する各セル（１０ａ〜１０ｄ）の積層方向に通過させるとともに、熱媒体を前記各セル（１０ａ〜１０ｄ）に分配する熱媒体流入ポート（１４）を備え、前記熱媒体流入ポート（１４）のみを熱媒体が循環可能に構成されており、
前記蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱を前記熱媒体を介して前記燃料電池（１０）内部における一部領域に供給する際には、前記熱媒体流入ポート（１４）のみに熱媒体を循環させることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記熱媒体流入ポート（１４）の出口付近に熱媒体温度を検出する温度検出手段を備え、その検出温度に基づいて前記熱媒体流入ポート（１４）を通過する熱媒体を前記各セル（１０ａ〜１０ｄ）に分配するように構成されていることを特徴とする請求項１２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、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、触媒を覆ってしまい燃料電池の再起動ができなくなる問題がある。
【０００３】
燃料電池を車両用として用いる場合には、あらゆる環境下における始動性が重要となる。このため、燃料電池を加熱するため蓄熱手段および燃料式ヒータを設け、燃料電池全体を加熱して起動を行う燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池に内部に局所加熱用冷却液通路を設け、この冷却液通路に電気ヒータを接続し、低温起動時に燃料電池の局所を加熱する構成の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このシステムでは、燃料電池の局所から発電を開始することで短時間で燃料電池を起動するように構成されている。
【特許文献１】特開２００１−１１８５９３号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、燃料電池全体を加熱する必要があるため、蓄熱手段や燃焼式ヒータは大容量のものが必要であり、大型化によって車両等への搭載性が悪化するという問題がある。また、上記特許文献２の構成では、局所加熱用冷却液通路を設けるなど、燃料電池本体や配管構成が複雑になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、大型化を回避するとともに燃料電池本体やシステムを複雑にすることなく、低温起動性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）に熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（２１）と、燃料電池（１０）で発生する熱を熱媒体を介して蓄えることが可能な蓄熱手段（３０）とを備え、熱媒体循環手段（２１）により熱媒体を循環させ、蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱を熱媒体を介して燃料電池（１０）内部における一部領域に供給して一部領域を昇温させることを特徴としている。
【０００７】
このように、熱媒体を燃料電池（１０）全体に循環させるのではなく、燃料電池（１０）の一部分のみに熱媒体を供給することで、蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱を燃料電池（１０）の局部昇温に有効に利用することができる。このような構成により、大容量の蓄熱手段（３０）を用いる必要がなく、蓄熱手段（３０）の大型化を回避できる。また、燃料電池（１０）に局所加熱用冷却水通路を設ける必要もなく、燃料電池（１０）やシステム全体を複雑化することを回避できる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、蓄熱手段（３０）の熱を燃料電池（１０）の一部領域に供給するために、熱媒体循環手段（２１）により熱媒体を所定時間だけ循環させた後、熱媒体の循環を停止することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明のように、燃料電池（１０）内部の温度を検出する燃料電池内部温度検出手段（１３）を少なくとも１つ備え、燃料電池内部温度検出手段（１３）による検出温度に基づいて熱媒体循環手段（２１）による熱媒体の循環を停止させることもできる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明では、燃料電池（１０）を停止する際に燃料電池（１０）で発生した熱を蓄熱手段（３０）に蓄熱する場合、燃料電池（１０）が所定温度以下である場合には、燃料電池（１０）が所定温度以上になるまで燃料電池（１０）を運転させた後で停止することを特徴としている。
【００１１】
これにより、蓄熱手段（３０）に充分熱が蓄えられていない状態でも、燃料電池（１０）の停止後しばらくの間は燃料電池（１０）を起動することができる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、熱媒体は冷却水であり、蓄熱手段（３０）は、蓄熱手段内部の蓄熱部位を加熱する加熱手段（３４）と、蓄熱部位に熱媒体が流入および流出する熱媒体流入出部（３６）とを備え、加熱手段（３４）は蓄熱部位の上部に設けられ、熱媒体流入出部（３６）を蓄熱部位の下部に設けられていることを特徴としている。
【００１３】
低温の冷却水ほど密度が大きく下部に溜まるため、蓄熱部位の下部には比較的低温の冷却水が溜まる。また、蓄熱手段（３０）からの熱損失のうち、ほとんどが熱媒体流入出部（３６）からとなるが、熱媒体流入出部（３６）を蓄熱部位の下部に設けることで、蓄熱部位の下部に存在する冷却水と外部との温度差を小さくでき、熱媒体流入出部（３６）における熱損失を減らすことができる。さらに加熱手段（３４）を蓄熱部位の上部に配置することで、蓄熱部位の冷却水に意図的に温度分布をつけることが可能となる。
【００１４】
加熱手段は、請求項６に記載の発明のように電気ヒータ（３４）とすることができ、または請求項７に記載の発明のように燃料電池とすることができ、または請求項８に記載の発明のように水素を燃料とする触媒燃焼式ヒータとすることができ、または請求項９に記載の発明のように水素貯蔵合金とすることができる。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明のように、蓄熱手段（３０）の蓄熱部位に蓄熱部位の温度を検出する蓄熱温度検出手段（３５）を備え、蓄熱温度検出手段（３５）による検出温度に基づいて加熱手段（３４）による蓄熱手段（３０）の加熱制御を行うことができる。
【００１６】
また、請求項１１に記載の発明のように、外気温を検出する外気温検出手段（５２）と、位置情報あるいは日時情報を検出する手段（５１）とを備え、外気温、位置情報あるいは日時情報のいずれか、あるいはこれらの組合せに基づいて加熱手段（３４）による蓄熱手段（３０）の加熱制御を行うか否かを判定することができる。
【００１７】
また、請求項１２に記載の発明では、燃料電池（１０）内部に流入した熱媒体を、燃料電池（１０）を構成する各セル（１０ａ〜１０ｄ）の積層方向に通過させるとともに、熱媒体を各セル（１０ａ〜１０ｄ）に分配する熱媒体流入ポート（１４）を備え、熱媒体流入ポート（１４）のみを熱媒体が循環可能に構成されており、蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱を熱媒体を介して燃料電池（１０）内部における一部領域に供給する際には、熱媒体流入ポート（１４）のみに熱媒体を循環させることを特徴としている。
【００１８】
これにより、燃料電池（１０）を構成する各セル（１０ａ〜１０ｄ）が均等に加熱され、発電可能部位を均等にすることができる。
【００１９】
また、請求項１３に記載の発明のように、熱媒体流入ポート（１４）の出口付近に熱媒体温度を検出する温度検出手段を備え、その検出温度に基づいて熱媒体流入ポート（１４）を通過する熱媒体を各セル（１０ａ〜１０ｄ）に分配するように構成することができる。
【００２０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００２２】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、図示しない車両走行用の電動モータや２次電池などの電気機器に電力を供給するように構成されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２３】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体の反応：  Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。通常、車両用等に用いられる燃料電池１０は、出力を稼ぐため数百枚のセルが積層されており、各セルは電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極（アノード）に水素ガスを供給するための水素供給装置（図示せず）と、燃料電池１０の酸素極（カソード極）に酸素（空気）を供給するための空気供給装置（図示せず）が設けられている。
【００２４】
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、作動温度が効率の良い温度（８０℃前後）となるように、熱媒体としての冷却水を用いて燃料電池１０を冷却するための後述の冷却システム２０〜２７が設けられている。
【００２５】
図１において、燃料電池１０は燃料電池１０内部のセパレータに形成されている冷却用の冷却水が流れる流路を模式的に表している。冷却水は冷却水流入口１１から流入し、燃料電池１０内部の冷却水流路を通過して冷却水流出口１２から流出する。燃料電池１０にはこのような冷却水流路が各セル毎に形成され積層されている。燃料電池１０の所定のセル内部には、燃料電池１０内部の温度を検出する温度センサ（燃料電池内部温度検出手段）１３が設置されている。温度センサ１３はセパレータに埋め込むこともできるが、セパレータは電圧がかかる部位であるため、温度検出部（素子）はセパレータと絶縁された状態で取り付けられなければならない。また、温度センサ１３は１個でもよく、あるいは複数個設置することもできる。
【００２６】
冷却システム２０〜２７は、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路２０、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ（熱媒体循環手段）２１、冷却水の放熱を行うラジエータ２３等から構成されている。冷却水としては、低温時でも凍結しないようにエチレングリコールと純水の混合溶液を用いる。
【００２７】
冷却水循環ポンプ２１はポンプ用モータ２２と機械的に接続されており、ポンプ用モータ２２を回転させることにより冷却水循環ポンプ２１を回転させて燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ２３で系外に排出される。
【００２８】
冷却ファン２４は冷却ファンモータ２５と機械的に接続されており、冷却ファンモータ２５を回転させることにより冷却ファン２４を回転させてラジエータ２３に送風し、ラジエータ２３より熱を外気に放出させることができる。なお、ラジエータ２３は車両走行時に走行風（ラム圧）を利用できる位置に搭載するのがのぞましい。
【００２９】
サーモスタット２６は、公知の技術であり冷却水温度が所定の値より大きい場合は、ラジエータ２３側に冷却水が流れるようにし、逆に冷却水温度が所定の値より小さい場合はバイパス流路２７に冷却水が流れるよう制御することで温度制御を行っている。
【００３０】
このような冷却系によって、冷却水循環ポンプ２１による流量制御、冷却ファン２４による風量制御、サーモスタット２６によるバイパス制御で燃料電池１０の温度制御を行うことができる。
【００３１】
また、本第１実施形態の構成では、冷却水が直接燃料電池１０内部と接するため、冷却水の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本第１実施形態では、冷却水経路中にイオン交換樹脂２２を配置している。イオン交換樹脂２２は、各部品より冷却水に溶出したイオンを吸着し、冷却水の導電率上昇を抑えることができる。さらに、冷却水経路２０における燃料電池１０の出口近傍には、冷却水温度を検出する温度センサ２９が設けられている。
【００３２】
冷却水経路２０における燃料電池１０の上流側には、蓄熱装置（蓄熱手段）３０が設けられている。蓄熱装置３０は、外側ケーシング３１、内側ケーシング３２、真空断熱層３３、電気ヒータ（加熱手段）３４、温度センサ（蓄熱温度検出手段）３５、配管取り出し部３６、蓄熱装置入口配管３８、蓄熱装置出口配管３９等から構成されており、一体化することで小型化することが可能となっている。蓄熱装置３０は、燃料電池１０の運転により発生した熱を熱媒体を介して蓄えるものである。本第１実施形態の蓄熱装置３０は、燃料電池１０にて加熱された冷却水を温水の状態で貯蔵するように構成されている。
【００３３】
外側ケーシング３１、内側ケーシング３２の間には、略真空の真空断熱層３３が設けられており外部との断熱性を高めている。内側ケーシング３２の内部が蓄熱部位を構成している。内側ケーシング３２内部には電気ヒータ３４が配置されている。電気ヒータ３４は、図示されていない二次電池に接続されており、二次電池を電源として発熱する。あるいは、燃料電池１０の運転中であれば発電電力を電源とすることもできる。電気ヒータ３４は、内側ケーシング３２の内部の上側に取り付けられている。そうすることで、電気ヒータ３４により加熱された暖かい冷却水は、内側ケーシング３２の内部の上部に溜まることとなる。また、内側ケーシング３２の内部には、温水の温度を検出する温度センサ３５が設けられている。
【００３４】
配管取り出し部３６は蓄熱装置３０の下部に設けられている。配管取り出し部３６は、熱媒体としての冷却水が蓄熱装置３０の内部に出入りする熱媒体流入出部を構成している。蓄熱装置３０からの熱損失の内、ほとんどが外部と接続している配管取り出し部３６からである。低温の冷却水ほど密度が大きく下部に溜まるため、内側ケーシング３２の下部には比較的低温の冷却水が溜まる。これにより、内側ケーシング３２の下部に存在する冷却水と外部との温度差を小さくでき、配管取り出し部３６における熱損失を減らすことができる。さらに上述のように電気ヒータ３４を蓄熱装置３０の上部に配置することで、蓄熱装置３０内部の冷却水に意図的に温度分布をつけることが可能となる。
【００３５】
蓄熱装置３０は、蓄熱装置入口配管３８および蓄熱装置出口配管３９を介して冷却水経路２０と接続している。冷却水経路２０の冷却水（温水）が蓄熱装置入口配管３８から蓄熱装置３０内部に流入し、蓄熱装置３０内部の冷却水が蓄熱装置出口配管３９から冷却水経路２０に流出する。蓄熱装置入口配管３８は蓄熱装置３０の下部に配管口が設けられており、蓄熱装置出口配管３９は蓄熱装置３０の上部に配管口が設けられている。これにより、蓄熱装置出口配管３９を介して蓄熱装置３０内部の温水を流出させる際に、蓄熱装置入口配管３８から流入する低温の冷却水と混合しないようにすることができる。
【００３６】
蓄熱装置入口配管３８と冷却水経路２０との接続部には、流路切替弁３７が設けられている。流路切替弁３７は、冷却水経路２０を循環してきた冷却水を蓄熱装置入口配管３８あるいは燃料電池１０側のどちらかに流すかを切り替えることができる。流路切替弁３７は、全方向にシャットする機能も備えている。蓄熱装置出口配管３９には、流路を開閉する開閉弁４０が設けられている。開閉弁４０は真空断熱層３３の外部で、蓄熱装置出口配管３９の途中に設置されている。
【００３７】
蓄熱装置３０に蓄熱するときは流路切替弁３７を蓄熱装置入口配管３８側に切り替えて、開閉弁４０を開き、冷却水循環ポンプ２１を駆動することで蓄熱装置３０内部に冷却水を循環させる。また、蓄熱する必要のないときは流路切替弁３７を燃料電池１０側に切り替えて、開閉弁４０を閉じ、冷却水が蓄熱装置３０を通過しないように制御する。さらに、蓄熱装置３０にて蓄熱した温水を保温するときは、流路切替弁３７で全方向シャットし、開閉弁４０を閉じ、蓄熱装置３０に冷却水の出入りがないようにすることで保温性を向上させる。
【００３８】
図１に示すように、燃料電池システムの各部品は電子制御装置（ＥＣＵ）５０と電気的に接続されている。ＥＣＵ５０には、温度センサ１３、２９、３５等からのセンサ信号が入力するとともに、ＥＣＵ５０はポンプ用モータ２２、冷却ファンモータ２５、電気ヒータ３４、流路切替弁３７、開閉弁４０等に制御信号を出力する。さらに、本第１実施形態の燃料電池システムでは、ナビゲーション装置５１から位置情報あるいは日時情報等がＥＣＵ５０に入力し、外気温度を検出する温度センサ５２のセンサ信号がＥＣＵ５０に入力する。
【００３９】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池停止時の蓄熱制御について図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００４０】
本第１実施形態の蓄熱制御は、キースイッチＯＦＦにより開始する。まず、温度センサ１３で燃料電池内部温度Ｔｆｃを読み込み（Ｓ１００）、燃料電池内部温度Ｔｆｃが所定温度（本例では１０℃）以下であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。この所定温度（１０℃）は燃料電池１０本体の放熱や蓄熱装置３０のヒータ能力などから決定されるもので、任意に設定できる値である。
【００４１】
この結果、燃料電池内部温度Ｔｆｃが所定温度（１０℃）より高い場合には、後述のステップＳ１０６に移行する。一方、燃料電池内部温度Ｔｆｃが所定温度（１０℃）以下である場合には、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理を行った後でステップＳ１０６に移行する。
【００４２】
燃料電池１０の自動運転を開始する（Ｓ１０２）。その際、燃料電池１０は発電しながら燃料電池１０自体を暖機する。このとき燃料電池１０の発電電力を用いて電気ヒータ３４等で燃料電池１０の暖機をアシストすることもできる。温度センサ１３で燃料電池内部温度Ｔｆｃを読み込み（Ｓ１０３）、燃料電池内部温度Ｔｆｃが所定温度（１０℃）以下の場合には燃料電池１０の自動運転を継続する（Ｓ１０４）。一方、燃料電池内部温度Ｔｆｃが所定温度（１０℃）より高くなった場合には燃料電池１０の自動運転を停止する（Ｓ１０５）。
【００４３】
このように本第１実施形態では、車両停止時（キースイッチＯＦＦ時）の燃料電池１０温度Ｔｆｃを検出し、所定温度（１０℃）以下のときは所定温度（１０℃）になるまで燃料電池１０自体を暖機する制御を行うようにしている。燃料電池１０が低温で停止した場合（少しだけ走行して停止したような場合）には、冷却水も低温となっている。この場合には、蓄熱装置３０に設置されている小形のヒータ３４で冷却水を加熱して温水とするのに時間がかかる。その間に、低温環境下に置かれた燃料電池１０が凍結してしまえば、蓄熱装置３０に温水ができるまでユーザは待たなくてはならない。このような場合にも温水をすぐにできるようにするには電気ヒータ３４を大きくすればよいが、搭載スペース、コストから困難なことがある。そこで、燃料電池１０温度をある温度まで昇温したあとに燃料電池１０を停止することで、蓄熱装置３０に温水ができていない状態でもしばらくの間は燃料電池１０が起動できるようにできる。また、このような制御を行うことで蓄熱装置３０に設置するヒータ３４は蓄熱装置３０からの放熱量程度の小形のヒータ（熱源）とすることができる。
【００４４】
次に、開閉弁４０を開き、流路切替弁３７を燃料電池１０側から蓄熱装置３０の蓄熱装置入口配管３８側に切り替える（Ｓ１０６）。冷却水循環ポンプ２１を一定時間ＴＰだけ作動させ、冷却水経路２０中の温水を内側ケーシング３２の内部に蓄える（Ｓ１０７）。開閉弁４０を閉じ、流路切替弁３７を全方向にシャットするように切り替える（Ｓ１０８）。温度センサ５２から外気温度、ナビゲーション装置５１から日時情報および位置情報をＥＣＵ５０に読み込む（Ｓ１０９）。
【００４５】
ステップＳ１０９で得られた情報に基づいて、蓄熱装置３０の保温制御が必要かどうか判定する（Ｓ１１０）。ステップＳ１１０では、外気温度、日時情報、位置情報を組み合わせて、あるいはこれらのうちいずれかの情報に基づいて蓄熱装置３０の保温制御が必要かどうかを判定する。具体的には、車両停止場所が寒冷地域であるか、時期が冬季であるか、車両停止時刻がその後の気温低下が予想される時刻であるか等に基づいて、燃料電池１０内部での水分凍結が予想される場合には、蓄熱装置３０の保温制御が必要であると判定する。蓄熱装置３０の保温制御が必要な場合、すなわち燃料電池１０が凍結する可能性がある場合には、ステップＳ１１１〜Ｓ１１４の保温制御を行う。一方、保温制御の必要がない場合、すなわち燃料電池１０が凍結する可能性がない場合には蓄熱制御を終了する。これにより、燃料電池１０が凍結する可能性がない場合には蓄熱装置３０の保温制御を行わないので、無駄なエネルギー消費を押さえることができる。
【００４６】
まず、温度センサ３５から蓄熱装置内部温度Ｔｓを読み込み（Ｓ１１１）、蓄熱装置内部温度Ｔｓが保温設定温度（本例では６０℃）より低いか否かを判定する（Ｓ１１２）。保温設定温度は、低温起動の為の必要熱量などから設定されるのもであり、任意に設定できる値である。この結果、蓄熱装置内部温度Ｔｓが保温設定温度（本例では６０℃）より高い場合は、ステップＳ１１１に戻る。一方、蓄熱装置内部温度Ｔｓが保温設定温度（本例では６０℃）以下の場合には、電気ヒータ３４をＯＮして蓄熱装置３０内の冷却水を加熱する（Ｓ１１３）。次に、車両のキースイッチがＯＮになったかどうかを判定し（Ｓ１１４）、キースイッチがＯＮになっていない場合にはステップＳ１１１に戻り、キースイッチがＯＮになっている場合には蓄熱制御を終了する。
【００４７】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池の暖機制御について図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００４８】
本第１実施形態の暖機制御は、キースイッチＯＮにより開始する。まず、温度センサ温度センサ１３から燃料電池１０温度Ｔｆｃ、温度センサ５２から外気温度、温度センサ２９から冷却水温度、温度センサ３５から蓄熱装置３０内部温度を読み込む（Ｓ２００）。次に、ステップＳ２００で得られた情報から、燃料電池１０の加熱制御が必要かどうか判定する（Ｓ２０１）。具体的には、低温時であって、燃料電池１０が起動困難と推定される場合に加熱制御が必要であると判定する。
【００４９】
この結果、燃料電池１０の加熱制御が必要でない判定された場合には暖機制御を終了し、燃料電池１０の加熱制御が必要である判定された場合にはステップＳ２０２以下の加熱制御を行う。また、低温起動時でない場合であっても、蓄熱装置３０を用いて燃料電池１０の暖機が可能な場合は、Ｓ２０２以下の加熱制御を行うことができる。
【００５０】
まず、開閉弁４０を開き、流路切替弁３７を蓄熱装置入口配管３８側に切り替える（Ｓ２０２）。冷却水循環ポンプ２１を所定時間だけ駆動し、燃料電池１０の一部領域に内側ケーシング３２の内部の温水を供給する（Ｓ２０３）。これにより、燃料電池１０の一部（主に冷却水流入口１１近傍）が加熱され昇温する。なお、ステップＳ２０３では冷却水循環ポンプ２１を所定時間駆動しているが、温度センサ１３によって測定される燃料電池１０内部温度Ｔｆｃに基づいて冷却水循環ポンプ２１の制御を行ってもよい。
【００５１】
次に、開閉弁４０を閉じ、流路切替弁３７を全方向にシャットするように切り替える（Ｓ２０４）。電気ヒータ３４をＯＮにして、内側ケーシング３２の内部の冷却水を加熱する（Ｓ２０５）。このステップＳ２０５では、燃料電池１０の起動に失敗した場合に備えて、蓄熱装置３０内の冷却水加熱を開始する。
【００５２】
温度センサ１３から燃料電池内部温度Ｔｆｃを読み込み（Ｓ２０６）、燃料電池内部温度Ｔｆｃが設定温度Ｔｒより高いか否かを判定する（Ｓ２０７）。この結果、燃料電池内部温度Ｔｆｃが設定温度Ｔｒより高い場合は、燃料電池１０が発電可能と判断し、燃料電池１０に燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気）を供給し、発電を開始する（Ｓ２０８）。このとき、燃料電池１０のうち上記ステップＳ２０３で加熱された部位において発電が開始する。
【００５３】
次に、燃料電池１０での発電が成功したかどうかを判定する（Ｓ２０９）。この結果、燃料電池１０での発電が成功した場合は、蓄熱装置３０のヒータ３４をＯＦＦにし（Ｓ２１０）、暖機制御を終了する。その後、燃料電池１０の発電部位では発電に伴って発熱し、発電部位から他の部位に熱が伝わり燃料電池１０全体を加熱することができる。
【００５４】
一方、ステップＳ２０７で、燃料電池内部温度Ｔｆｃが設定温度Ｔｒより低いと判定された場合は、キースイッチＯＮより一定時間Ｔａ経過しているか判定し（Ｓ２１１）、一定時間Ｔａが経過していない場合はステップＳ２０６に戻る。一定時間Ｔａが経過している場合は、燃料電池１０の起動失敗と判断する（Ｓ２１２）。また、ステップＳ２０９で燃料電池１０での発電が成功しなかったと判定された場合にも、燃料電池１０の起動失敗と判断する（Ｓ２１２）。
【００５５】
次に、温度センサ３５から蓄熱装置３０内部温度Ｔｓを読み込み（Ｓ２１３）、蓄熱装置３０内部温度Ｔｓが所定温度（本例では６０℃）以上かどうか判定する（Ｓ２１４）。蓄熱装置３０内部温度Ｔｓが所定温度（６０℃）以上の場合はステップＳ２０２に戻り、燃料電池１０の再加熱を行う。蓄熱装置３０内部温度Ｔｓが所定温度（６０℃）未満の場合はステップＳ２１３に戻る。この所定温度（６０℃）も諸条件により決定されるものであり、任意に設定できる値である。
【００５６】
以上のように、本第１実施形態の燃料電池システムでは、蓄熱装置３０に蓄えられた温水を燃料電池１０の一部領域に導入して加熱し、加熱された部位から発電を開始して燃料電池１０を起動させ、その後は燃料電池１０の自己発熱を利用して発電可能部位を拡大し、燃料電池１０全体を運転に最適な温度（８０℃程度）に昇温させている。
【００５７】
その際、蓄熱装置３０からの温水を燃料電池１０全体に循環させるのではなく、燃料電池１０の一部分に温水を供給して温水供給を停止することで、蓄熱装置３０の温水を燃料電池１０の局部昇温に有効に利用することができる。このような構成により、大容量の蓄熱装置３０を用いる必要がなく、蓄熱装置３０の大型化を回避でき、車両への搭載性を確保できる。また、燃料電池１０に局所加熱用冷却水通路を設ける必要もなく、燃料電池１０やシステム全体を複雑化することを回避できる。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４〜図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、燃料電池１０内部の冷却水経路が異なるものである。
【００５９】
図４〜図７は、燃料電池スタック（２００セル）１０の斜視図である。図４、図５は上記第１実施形態の燃料電池１０の構成を示し、図６、図７は本第２実施形態の燃料電池１０の構成を示している。燃料電池１０は数百枚（本例では２００枚）のセルが積層されており、図４〜図７では図中手前から１枚目、５０枚目、１５０枚目、２００枚目のセル１０ａ〜１０ｄだけを抜き出して示している。さらに図４〜図７では各セル１０ａ〜１０ｄの冷却水流路２０３を模式的に表している。また図示を省略しているが、各セル１０ａ〜１０ｄには冷却水流路２０３と平行して燃料ガス（水素）流路、酸化ガス（空気）流路、固体電解質膜、拡散層（含む触媒）が設けられている。
【００６０】
図４に示すように、上記第１実施形態の燃料電池１０では、冷却水流入口１１から流入した冷却水が、冷却水流入ポート１４からセル積層方向に通過して各セル１０ａ〜１０ｄに分配され、セル内部を通過した後、冷却水流出ポート１５に集められ、冷却水流出口１２から流出する。各セル面には、矢印Ａで示すように面方向に冷却水が流れる。通常運転時に燃料電池１０の冷却を行うときは、このように冷却水が燃料電池１０内部を流れる。燃料電池１０の低温起動時には、蓄熱装置３０からの温水を冷却水流入口１１から燃料電池１０に流入させる。そのとき、温水が供給された部分は加熱される。
【００６１】
図５は、図６に示す構成の燃料電池１０の一部に温水を供給した場合の固体電解質膜の温度分布のシミュレーション結果を示している。図５に示す例では、−３０℃の燃料電池１０に６０℃の温水を一定量だけ供給して温水の供給を止めている。図５中斜線で示した領域が０℃以上の領域を示している。図５に示すように、手前側のセル１０ａ〜１０ｃ、すなわち冷却水流入口１１に近いセルほど０℃以上の領域が大きく、冷却水流入口１１から遠い奥側のセル１０ｄはあまり昇温していない。これは、奥側のセル１０ｄまで温水が供給されるのに時間がかかるためである。冷却水流入ポート１４を通過して温水が奥側のセル１０ｄに供給されるが、冷却水はセル面方向に分配され、冷却水流入ポート１４を通過する冷却水の流速は奥側ほど低下していく。このような構成では、通常運転時に冷却水を循環させるときは問題ないが、上記第１実施形態のように低温起動時に温水を蓄熱装置３０より一定量だけ供給する場合には、図５のようにセル積層方向で暖機状態が大きく異なることとなる。
【００６２】
各セル１０ａ〜１０ｄは電気的に直列に接続しているので、燃料電池１０を発電しようとする場合、発電可能電力は各セル１０ａ〜１０ｄの発電可能面積のうち、一番面積の小さいセルの電力に依存することとなる。このような構成では、奥側のセル１０ｄの発電可能面積（０℃以上の面積）を拡大するには充分な量の温水を供給するしかなく、このためには蓄熱装置３０の容量を大きくする必要がある。
【００６３】
そこで、本第２実施形態では、燃料電池１０の冷却水流路を図６、図７に示す構成としている。図６は、図４の構成と比較して、最奥側のセル１０ｄに冷却水流出口１６を設け、冷却水流入ポート１４から冷却水が抜けるように構成し、冷却水が冷却水流入ポート１４のみを循環可能とした点が異なる。
【００６４】
本第２実施形態では、燃料電池１０を蓄熱装置３０を用いて暖機する場合、まず冷却水流入口１１より温水を流入させ、冷却水流入ポート１４を通過させた後で最奥側のセル１０ｄの冷却水流出口１６から冷却水を流出させる。これにより奥側のセル１０ｄにも短時間で温水を供給することができる。その後、必要であればセル面方向に冷却水を流すために、冷却水流入口１１から流入させた温水を冷却水流出口１２から流出させるように流路を切り替える。また、冷却水流出口１６の下流側に冷却水流入ポート１４を通過してきた冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）を設け、この温度センサにより検出した冷却水温度に基づいて、冷却水を各セル１０ａ〜１０ｄに分配して冷却水がセル面方向に流れるように冷却水流路を切り替えてもよい。
【００６５】
図７には、図６の構成の燃料電池１０の一部に温水を供給した場合の固体電解質膜の温度分布のシミュレーション結果を示している。図７に示す例では、−３０℃の燃料電池１０に６０℃の温水を冷却水流入口１１から流入させ、冷却水流入ポート１４のみを通過させ、冷却水流出口１６から流出してきた冷却水の温度が３０℃になったときに冷却水の流れをセル面方向に切り替え、所定時間経過後温水供給を止めている。
【００６６】
図７中斜線で示した領域が０℃以上の領域を示しており、手前側と奥側のセルにおいて大きな差はない。つまり、燃料電池１０の局部が積層方向において均等に昇温しており、各セル１０ａ〜１０ｄの発電可能面積を均等にすることができる。このため、最小の熱量（温水量）で燃料電池１０の暖機を完了していることになり、各セル１０ａ〜１０ｄは発電可能面積の最大限で発電を行うことができる。
【００６７】
その後は上記第１実施形態で説明したように、燃料電池１０の発電可能部位で発電し、発電時の発熱をも利用しながら発電可能領域を広げ、燃料電池１０全体を運転に最適な温度（８０℃程度）にしていく。
【００６８】
なお、図５、図７で示したシミュレーション結果から、−３０℃の燃料電池１０を発電可能状態にするために必要な蓄熱装置３０の容量は、第２実施形態（図６）で説明した構成、制御を行うことで、第１実施形態（図４）の構成と比較し半減できることをシミュレーションにて確認している。
【００６９】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、蓄熱装置３０には電気ヒータ３４を設置しているが、電気ヒータ３４に代えて小型の燃料電池を用いることができる。燃料電池自動車の場合、燃料となる水素を既に搭載しているので、この水素を利用することができる。小型の燃料電池を発電させることで、発生した熱で蓄熱装置３０内部の冷却水を加熱、保温することができる。また、発生した電力を二次電池に貯蔵したり、車両停止中に稼働している電子機器などの電源としても利用したり、凍結のおそれがある（電気駆動の）バルブなどに通電して加熱する電源としても利用することができる。
【００７０】
また、電気ヒータ３４に代えて水素を燃料とする小型の触媒燃焼式ヒータを用いることもできる。触媒燃焼式ヒータで水素を触媒燃焼させ、これにより発生した熱で蓄熱装置３０内部の冷却水を加熱、保温することができる。
【００７１】
また、電気ヒータ３４に代えて小型の水素貯蔵合金を用いることもできる。蓄熱装置３０内部の冷却水の加熱、保温を行う際に、水素貯蔵合金に水素を供給することで、水素吸蔵時の反応熱を用いて、冷却水の加熱、保温を行うことができる。また、車両走行時や車両停止直後の冷却水が高温になっているときに蓄熱装置３０に温水を供給することで、水素貯蔵合金からの水素放出を助けることができ、水素貯蔵合金を再生させることができる。水素吸蔵合金から放出された水素は、燃料電池１０の燃料として利用することができる。このような構成により、蓄熱装置３０の加熱、保温のためのエネルギー消費をほとんどなくすることができる。
【００７２】
また、上記各実施形態では、蓄熱装置３０に燃料電池１０の熱で加熱された冷却水をためるように構成したが、これに限らず、蓄熱装置３０内部に蓄熱材（例えばナフタレン）を充填し、燃料電池１０の熱を冷却水を介して蓄熱材にて蓄えるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態の蓄熱装置の蓄熱制御を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの低温時の起動制御を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の燃料電池における冷却水の流れを示す概念図である。
【図５】図４の構成の燃料電池の一部に温水を供給した場合の固体電解質膜の温度分布のシミュレーション結果を示す概念図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池における冷却水の流れを示す概念図である。
【図７】図６の構成の燃料電池の一部に温水を供給した場合の固体電解質膜の温度分布のシミュレーション結果を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０…燃料電池、１３…温度センサ、２０…冷却水経路、２１…冷却水循環ポンプ、２３…ラジエータ、２９…温度センサ、３０…蓄熱装置、３１…外側ケーシング、３２…内側ケーシング、３３…真空断熱層、３４…電気ヒータ、３５…温度センサ、３７…流路切替弁、４０…開閉弁、５０…電子制御装置、５１…ナビゲーション装置、５２…温度センサ。
【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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