(57)【要約】【課題】パージを実施するときに燃料電池セルの平面に温度勾配を生じさせてパージガスが流れる方向の上流から下流までを均一に除水することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とを略同一方向にし、パージを実施するときに燃料電池の発電を行って冷却水の流量を通常発電時よりも少なくすることによって、パージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を燃料電池セル平面に生じさせることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムであって、
前記パージを実施するときに燃料電池セルの平面においてパージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムであって、
燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが略同一方向であり、前記パージを実施するときに前記燃料電池の発電を行い、前記冷却水の流量を通常発電時よりも少なくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記パージを実施するときの前記燃料電池セルの温度に基づいて必要な温度勾配を求め、この温度勾配と前記燃料電池の発電量とに基づいて前記冷却水の流量を決定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パージを実施するときには前記冷却水の燃料電池入口温度を所定温度以下にすることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムであって、
燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが略同一方向であり、前記燃料電池の発電停止トリガーが入力された後に前記燃料電池の発電を継続させ、その後に前記パージを実施し、このとき前記冷却水の流量を通常発電時よりも少なくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却水を循環させる冷却水流路の燃料電池下流に、前記冷却水の流量を調整可能な圧損手段を設置することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧損手段は、前記燃料電池セルの平面に生じた温度勾配に基づいて開度が調整されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却水の燃料電池入口温度と燃料電池出口温度とを測定することによって、前記燃料電池セルの平面に生じた温度勾配を予測することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムであって、
燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向の上流で略垂直に交わる第１冷却系と、パージガスの流れる方向の下流で略垂直に交わる第２冷却系とが配置され、パージを実施するときに前記第１冷却系及び第２冷却系を流れる冷却水の温度を独立に制御することを特徴とす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、燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムに係り、特にパージを実施するときに燃料電池セルの平面に温度勾配を生じさせて燃料電池からの除水を効率的に実施する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。
【０００３】
陽極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                    （１）
陰極：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ          （２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。
【０００４】
一方、陰極に供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
ところで、燃料電池を０℃以下から起動させるためには、予め燃料電池内部から水分を除去しておくことが必要である。例えば、特開２００１−３３２２８１号公報（特許文献１）に開示されているように、燃料電池の運転停止時に加湿しないガスを燃料電池内に供給して乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達したところで運転を停止するという技術が公知となっている。
【０００６】
ところが、上述した従来例のように単に加湿しない反応ガスによって燃料電池内を乾燥させようとすると、氷点下からの発電に必要となる乾燥を完了するためには時間がかかってしまう。特に、燃料電池を自動車の動力源として使用する場合には、運転者がキーをＯＦＦにしてからシステムが停止するまでに長い時間がかかってしまうことになり、実用上好ましくない。
【０００７】
このような問題に対応するために、特開２００２−２０８４２１号公報（特許文献２）では高温に加熱された乾燥空気を供給して燃料電池を乾燥させる技術が開示されている。また、特開２００２−２４６０５４号公報（特許文献３）では、燃料電池の運転停止時に冷却水の流路を加熱部に切り替えることによって燃料電池を所定温度に加熱してから乾燥させる技術が開示されている。これら従来例では、ガスの温度や燃料電池スタックの温度を高くし、燃料電池内部の水分を蒸発させて除去することを目的としている。
【０００８】
また、特開２００４−１５２５９９号公報（特許文献４）や特開２００４−３１１２７７号公報（特許文献５）で開示されているように、燃料電池システムの停止トリガーがＯＮされた後も発電を継続し、燃料電池スタックの温度を上昇させてからパージすることにより、燃料電池の内部からより多くの水分を除去する技術も公知となっている。
【特許文献１】特開２００１−３３２２８１号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８４２１号公報
【特許文献３】特開２００２−２４６０５４号公報
【特許文献４】特開２００４−１５２５９９号公報
【特許文献５】特開２００４−３１１２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、燃料電池の発電停止時に車載用燃料電池システムとして現実的なパージ時間・流量・温度でパージを実施した場合には、燃料電池セルの平面内においてパージ方向の上流側しか除水が行われず、下流側はほとんど除水が行われない場合があった。この理由としては、パージ方向の上流側で水分が蒸発してガスが飽和もしくはある程度の相対湿度になってしまうことにより、下流側ではセル面内の水分は全く蒸発しなくなってしまうからである。
【００１０】
さらに、上述した従来例のように燃料電池スタックの温度を高くしてパージを実施した場合には、パージ方向の上流側では乾燥させすぎでドライアウト状態になり、氷点下起動時にはドライアウトした上流部は逆に発電ができなくなってしまうという問題点が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止時にパージを実施する燃料電池システムであって、前記パージを実施するときに燃料電池セルの平面においてパージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムでは、パージを実施するときに燃料電池セルの平面においてパージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせるので、上流側で水分が蒸発してパージガスの相対湿度が高くなったとしても、下流側の温度が高くなることによって飽和蒸気圧が上昇して除水することができ、燃料電池セル面内を上流から下流まで均一に除水することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御する制御部３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ５と、燃料電池スタック２の冷却水を循環させる冷却水ポンプ６と、冷却水を放熱させるラジエータ７と、冷却水の流路を切り替える三方弁８と、燃料電池スタック２の入口における冷却水温度を検出する冷却水入口温度センサ９と、燃料電池スタック２の出口における冷却水温度を検出する冷却水出口温度センサ１０とを備えている。
【００１６】
ただし、図１では本発明に関わる部位のみを図示したものであり、その他の本システムを成立させるために必要となる一般的な機器は省略している。
【００１７】
ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２に水素を供給する水素供給系では、水素タンク４から減圧弁や水素供給弁（いずれも図示せず）などを通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給される。水素タンク４から供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。
【００１８】
一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ５によって外部から吸入された空気が加圧され、燃料電池スタック２のカソードに供給されている。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値が制御部３にフィードバックされ、この検出値に基づいてコンプレッサ５の回転数及び空気調圧弁（図示せず）の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。
【００１９】
また、燃料電池スタック２を冷却する冷却系では、冷却水ポンプ６によって吐出された冷却水が燃料電池スタック２内を冷却し、暖められた冷却水はラジエータ７で放熱して再び冷却水ポンプ６へ戻って循環している。このとき三方弁８はラジエータ７からの流路とラジエータ７をバイパスする流路とを切り替えている。
【００２０】
さらに、燃料電池スタック２は、燃料電池セルを複数積層して構成されており、各燃料電池セルには水素ガスと空気とが供給されて発電が行われるとともに、パージ時にはパージガスが供給されて燃料電池内の水分が除去されている。このとき本実施形態の燃料電池スタック２では、パージガスの流れる方向に温度勾配を生じさせるために、燃料電池セルの形状を図２（ａ）に示すようにパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが同一方向になるように構成している。
【００２１】
また、燃料電池セルの形状は図２（ａ）に示すストレート流路でなくても、図２（ｂ）に示すようなサーペンタイン型流路であってもよいし、図２（ｃ）に示すようにパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが完全に同一方向ではなく、略同一方向となるように構成してもよい。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１によるパージ処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３に示すように、まず燃料電池システム１の停止トリガーがＯＮ（例えば、車両のイグニッションキーがＯＦＦ）されたら（Ｓ５０１）、冷却水出口温度センサ１０によって燃料電池スタック２の冷却水出口温度を検出し、この冷却水出口温度に基づいて氷点下でも問題なく起動するために必要となる温度勾配を図４のマップから求める。この図４のマップは予め実験により燃料電池の起動が零下でも問題なく行えるようにするために必要となる温度勾配を各温度で求めておいて作成したものである。次に、こうして求めた温度勾配ΔＴに基づいて図５のマップから温度勾配ΔＴを生じさせるために必要な冷却水の流量を決定する（Ｓ５０２）。この図５のマップはパージ時の発電電流とその時に想定される電圧から温度勾配ΔＴを実現するために必要となる冷却水の流量を計算して作成しておいたものであり、このマップで決定される冷却水の流量は通常発電時よりも少ない流量になっている。また、図５のマップは事前に実験で検証しておくようにする。
【００２３】
こうして決定された冷却水流量に基づいて冷却水ポンプ６の回転数が制御され（Ｓ５０３）、燃料電池スタック２の発電とパージが開始される（Ｓ５０４）。このとき実施されるパージはカソード側のコンプレッサ５で実施することが好ましいが、パージ専用のブロワーなどを設けて実施するようにしても良い。また、ここで行われる燃料電池スタック２の発電はコンプレッサ５の動力に使われる。
【００２４】
そして、パージを開始してから所定時間が経過すると、燃料電池システム１を停止させて（Ｓ５０５）本実施形態の燃料電池システム１によるパージ処理は完了する。このパージを実施する所定時間については、予め実験により零下起動に必要な除水を完了するために必要となる時間を求めておいて設定する。
【００２５】
これにより、図６に示すように、セル温度（冷却水出口温度）がＴ１のときにはΔＴ１の温度勾配を燃料電池セルの平面に生じさせることができ、セル温度がＴ２のときにはΔＴ２の温度勾配を燃料電池セルの平面に生じさせることができた。
【００２６】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１では、パージ時のセル温度（冷却水出口温度）に応じた温度勾配を燃料電池セルの平面に生じさせることができる。ただし、燃料電池セルの構造が図２（ｃ）で示したように、パージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが完全に同一方向ではなく、略同一方向となるような構造の場合には、燃料電池セルの平面に生じる温度勾配は図７に示すようなステップ状の温度勾配となる。
【００２７】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、パージを実施するときに燃料電池セルの平面においてパージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせるので、上流側で水分が蒸発してパージガスの相対湿度が高くなったとしても、下流側の温度が高くなることによって飽和蒸気圧が上昇して除水することができ、燃料電池セル面内を上流から下流まで均一に除水することが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが略同一方向であり、パージを実施するときに燃料電池の発電を行い、冷却水の流量を通常発電時よりも少なくするので、パージガスの流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせることができ、これによって燃料電池セル面内を上流から下流まで均一に除水することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、パージを実施するときの燃料電池セルの温度に基づいて必要な温度勾配を求め、この温度勾配と燃料電池の発電量とに基づいて冷却水の流量を決定するので、パージガスの流れる方向の上流から下流までを均一に除水できるような温度勾配を生じさせることができる。
【００３０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００３１】
図８に示すように、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理では、まず燃料電池システムの停止トリガーがＯＮ（例えば、車両のイグニッションキーがＯＦＦ）されたら（Ｓ６０１）、冷却水出口温度センサ１０によって燃料電池スタック２の冷却水出口温度を検出し、この冷却水出口温度に基づいて氷点下でも問題なく起動するために必要となる温度勾配ΔＴを図４のマップから求める。そして、求めた温度勾配ΔＴに基づいて図５のマップから温度勾配ΔＴを生じさせるために必要な冷却水の流量を決定し（Ｓ６０２）、決定した冷却水流量に基づいて冷却水ポンプ６の回転数を制御する（Ｓ６０３）。
【００３２】
ここで、冷却水入口温度センサ９によって燃料電池スタック２の冷却水入口温度を検出し、この冷却水入口温度Ｔと所定温度Ｔ１とを比較する（Ｓ６０４）。
【００３３】
そして、冷却水入口温度Ｔが所定温度Ｔ１よりも高いときには、三方弁８をラジエータ７の経路方向に切り替えて（Ｓ６０５）ラジエータ７で放熱した低温の冷却水を燃料電池スタック２へ供給する。これにより、冷却水温度Ｔが所定温度Ｔ１より低くなったら、その時点から燃料電池スタック２の発電とパージを開始する（Ｓ６０６）。
【００３４】
そして、パージを開始してから所定時間が経過すると、燃料電池システムを停止させて（Ｓ６０７）本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理は完了する。
【００３５】
これにより、図９に示すように燃料電池セルの平面において、パージガスの上流側のセル温度をＴ１まで下げることができ、さらに下流側のセル温度は第１の実施形態と同じように上昇させることができる。したがって、上流側では乾燥させすぎによるドライアウトを防止することができ、下流側では効果的に除水することが可能となる。
【００３６】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、パージを実施するときに冷却水の燃料電池入口温度を所定温度Ｔ１以下にするので、上流側のセル平面では乾燥させすぎによるドライアウトを防止することができ、下流側のセル平面では効果的に除水することが可能となる。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００３８】
図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理は、まず燃料電池システムの停止トリガーがＯＮ（例えば、車両のイグニッションキーがＯＦＦ）されたら（Ｓ７０１）、冷却水出口温度センサ１０によって燃料電池スタック２の冷却水出口温度を検出し、この冷却水出口温度Ｔと所定温度Ｔ０とを比較する（Ｓ７０２）。
【００３９】
そして、冷却水出口温度Ｔが所定温度Ｔ０よりも大きいときにはステップＳ７０３〜Ｓ７０６において第１の実施形態と同一の処理が行われる。
【００４０】
一方、冷却水出口温度Ｔが所定温度Ｔ０よりも小さいときには、燃料電池スタック２の発電を継続し、冷却水の流量を通常の発電で用いられる流量よりも少ない流量を流すように冷却水ポンプ６の回転数を制御する（Ｓ７０７）。
【００４１】
その後、燃料電池スタック２の継続発電を実施しながら冷却水出口温度Ｔが所定温度Ｔ０を超えるか否かを監視し（Ｓ７０８）、冷却水出口温度Ｔが所定温度Ｔ０よりも大きくなったらパージを開始する（Ｓ７０９）。そして、パージの開始から所定時間が経過すると、燃料電池システムを停止させて（Ｓ７０６）本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理は完了する。
【００４２】
これにより、図１１に示すように燃料電池セルの平面では、下流側のセル温度を所定温度Ｔ０まで上昇させることができ、温度勾配を生じさせて上流側から下流側までを均一に除水することが可能となる。
【００４３】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止トリガーが入力された後に燃料電池スタック２の発電を継続させて、その後にパージを実施し、このとき冷却水の流量を通常発電時よりも少なくするので、パージを実施したことによりパージガスの上流側から下流側に向けて温度勾配を生じさせることができ、上流側から下流側までを均一に除水することが可能となる。
【００４４】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図１２に基づいて説明する。図１２に示すように本実施形態の燃料電池システム２１は、燃料電池スタック２の冷却水流路下流に冷却水の流量を調整可能な圧損要素（圧損手段）２２を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４５】
通常、燃料電池システムに用いる冷却水ポンプ６は燃料電池の最大出力時における熱を処理することができるような流量で設計されているため、図１３に示すように冷却水ポンプ６の回転数には最低値（Ｍｉｎ）があり、微小な流量を流すには限界がある。
【００４６】
しかしながら、パージ時における燃料電池スタック２の発電はコンプレッサ５で消費される電力のみの非常に低負荷領域の発電であるため、燃料電池セルの平面に温度勾配を生じさせるためには、冷却水流量を極力絞る必要がある。
【００４７】
そこで、冷却水ポンプ６の回転数Ｍｉｎを最低回転数で維持しながら圧損要素２２の開度を絞ることによって、図１４に示すように冷却水の流量を微量の流量にまで少なくしていくことが可能になる。
【００４８】
次に、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理を図１５のフローチャートに基づいて説明する。図１５に示すように、まず燃料電池システムの停止トリガーがＯＮ（例えば、車両のイグニッションキーがＯＦＦ）されたら（Ｓ８０１）、冷却水出口温度センサ１０によって燃料電池スタック２の冷却水出口温度を検出し、この冷却水出口温度に基づいて氷点下でも問題なく起動するために必要となる温度勾配ΔＴを図４のマップから求める。そして、求めた温度勾配ΔＴに基づいて図５のマップから温度勾配ΔＴを生じさせるために必要な冷却水の流量を決定する（Ｓ８０２）。
【００４９】
ここで、決定した冷却水流量が最低流量Ｑｍｉｎ以上であるか否かを判定し（Ｓ８０３）、冷却水流量が最低流量Ｑｍｉｎ以上である場合には、通常の制御で達成できる流量なので冷却水ポンプ６の回転数を通常通り制御する（Ｓ８０４）。
【００５０】
一方、決定した冷却水流量が最低流量Ｑｍｉｎよりも小さい場合には、圧損要素２２の開度を図１４のマップにしたがって調整し、冷却水ポンプ６を最小回転数Ｍｉｎで駆動する（Ｓ８０５）。
【００５１】
こうして冷却水ポンプ６の回転数が制御されたら、燃料電池スタック２の発電とパージを開始し（Ｓ８０６）、パージを開始してから所定時間が経過すると、燃料電池システムを停止させて（Ｓ８０７）本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理は完了する。
【００５２】
このように、本実施形態の燃料電池システム２１では、冷却水を循環させる冷却水流路の燃料電池下流に、冷却水の流量を調整可能な圧損要素２２を設置したので、通常の冷却水ポンプでは制御できない微小な流量の冷却水を燃料電池スタック２に供給することができ、これによって燃料電池セル平面の上流から下流までを均一にパージできるような温度勾配を生じさせることができる。
【００５３】
＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を図１６に基づいて説明する。図１６は、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は第４の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理では、燃料電池スタック２の発電とパージを開始してから所定時間経過後に、燃料電池セルが必要な温度勾配に到達したか否かを判断し、必要な温度勾配に到達していない場合には、圧損要素２２の開度を調整するようにしたことが第４の実施形態と異なっている。
【００５５】
次に、本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理を図１６のフローチャートに基づいて説明する。図１６に示すように、ステップＳ９０１からＳ９０６までの処理は図１５のステップＳ８０１からＳ８０６までの処理と同一なので、説明は省略する。
【００５６】
ステップＳ９０７においてパージを開始してから所定時間が経過したら、燃料電池セル平面の温度勾配を測定し、測定された温度勾配が必要とされる所定の温度勾配に到達したか否かを判断する。このとき燃料電池セル内の温度を直接測定することによって温度勾配を求めてもよいが、より簡便な方法としては冷却水入口温度センサ９と冷却水出口温度センサ１０で検出された温度の温度差から予測するようにしてもよい。
【００５７】
そして、燃料電池セル平面の温度勾配が所定の温度勾配に到達していない場合には圧損要素２２の開度を調整する（Ｓ９０８）。
【００５８】
例えば、温度勾配が所定の温度勾配に満たない場合には圧損要素２２を閉じる方向に制御して、燃料電池スタック２に流れる冷却水流量をさらに減少させる。これによって所定時間内に燃料電池セル平面に必要な温度勾配を確実に生じさせることができる。
【００５９】
また、逆に燃料電池セル平面に必要以上の温度勾配が生じている場合には、圧損要素２２の開度を開く方向に制御することで、燃料電池スタック２に流れる冷却水流量を増やして、すぐに適切な温度勾配に戻すように制御することができる。
【００６０】
例えば、燃料電池システムを自動車に搭載する場合には、システムを停止するまでの時間をより短くすることが求められるので、本実施形態の燃料電池システムのようにできるだけ短時間のうちに燃料電池セル平面の上流から下流に向けて温度勾配を生じさせることができれば、トータルのパージ時間を短くすることが可能となる。
【００６１】
こうしてステップＳ９０７あるいはＳ９０８の処理が実施されたら、次に燃料電池スタック２の発電とパージを継続して行い（Ｓ９０９）、所定時間が経過したら燃料電池システムを停止させて（Ｓ９１０）本実施形態の燃料電池システムによるパージ処理は完了する。
【００６２】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池セルの平面に生じた温度勾配に基づいて圧損要素２２の開度を調整するので、燃料電池セル平面の上流から下流までを均一にパージできるような温度勾配を短時間で確実に生じさせることができる。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水の燃料電池入口温度と燃料電池出口温度とを測定することによって、燃料電池セルの平面に生じた温度勾配を予測するので、簡便な方法で温度勾配を予測することができ、予測した温度勾配に基づいて燃料電池セル平面の上流から下流までを均一に除水できるような温度勾配を実現することができる。
【００６４】
＜その他の実施形態＞
上記のように、本発明は、５つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６５】
上記の実施の形態では、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示したように、パージガスの流れる方向と冷却水の流れる方向とが同一方向或いは略同一方向となる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。パージガスの流れる方向に対して略垂直に交わる２以上の冷却系が配置され、当該冷却系を流れる冷却水の温度及び流量を各冷却系ごとに独立に制御可能である構成を備えていても構わない。
【００６６】
例えば、図２（ｄ）に示すように、燃料電池セルの平面においてパージガスの流れる方向の上流で略垂直に交わる第１冷却系と、パージガスの流れる方向の下流で略垂直に交わる第２冷却系とが配置されていても構わない。この場合、図１７に示すように、冷却水ポンプ６から導出された冷却水は２系統（第１冷却系及び第２冷却系）に分岐される。パージガスの流れる方向の上流で交差する第１冷却系では、ラジエータ２５により冷却水が放熱されてから燃料電池スタック２へ導入される。一方、パージガスの流れる方向の下流で交差する第２冷却系では、ヒータ２６により冷却水を加熱して、或いはしぼり２７により流量を低下させてから、燃料電池スタック２へ導入される。
【００６７】
このように、第１及び第２の冷却系を流れる冷却水の温度及び流量を各冷却系ごとに独立に制御することにより、パージを実施するときに燃料電池セルの平面においてパージガスが流れる方向の上流から下流に向けて温度が高くなるような温度勾配を生じさせることができる。（請求項９の効果）
なお、２系統の場合、図１７のラジエータ２５、ヒータ２６、しぼり２７の少なくとも何れか１つを備えていれば、所望の温度勾配を実現することが出来る。
【００６８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｄ）は本発明の燃料電池システムにおける燃料電池セルの構造を説明するための平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池セルのセル温度と零下起動に必要な温度勾配との関係を示す図である。
【図５】燃料電池スタックを循環する冷却水流量と温度勾配との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における燃料電池セル平面のパージガス入口からの距離とセル温度との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における燃料電池セル平面のパージガス入口からの距離とセル温度との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態における燃料電池セル平面のパージガス入口からの距離とセル温度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態における燃料電池セル平面のパージガス入口からの距離とセル温度との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】冷却水ポンプの回転数と冷却水流量との関係を示す図である。
【図１４】圧損要素の開度と冷却水流量との関係を示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムによるパージ処理を示すフローチャートである。
【図１７】２つの独立した冷却系を備える場合における冷却水の温度・流量の制御装置を示す燃料電池システムの部分拡大図である。
【符号の説明】
【００７０】
１、２１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  制御部
４  水素タンク
５  コンプレッサ
６  冷却水ポンプ
７  ラジエータ
８  三方弁
９  冷却水入口温度センサ
１０  冷却水出口温度センサ
２２  圧損要素
２５  ラジエータ
２６  ヒータ
２７  しぼり
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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